(57)【要約】  耐摩耗性が顕著に向上したロール外層材および圧延用複合ロールを提供する。Ｗ含有量が径方向で外周側から内周側に向けて低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面で、質量％で、Ｗ：２５〜７０％、Ｃｏ：５〜４５％を含み、さらにＣ：０．６〜３．５％、Ｓｉ：０．０５〜３％、Ｍｎ：０．０５〜３％、Ｍｏ：１〜１５％を含有し、残部が不可避的不純物からなるＷ−Ｃｏ基合金組成を有するロール外層材とする。ロール外層材は、遠心鋳造製とすることが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ−Co基合金製圧延用ロール外層材であって、
Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面が、質量％で、
Ｗ：25〜70％、
Co：5〜45％、
Ｃ：0.6〜3.5％、
Si：0.05〜3％、
Mn：0.05〜3％、
Mo：1〜15％
を含み、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用ロール外層材。
【請求項２】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Fe：5〜40％、
Cr：0.1〜10％、
Ｖ：0.1〜6％、
Nb：0.1〜3％
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する請求項１に記載の圧延用ロール外層材。
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Ni：0.05〜3％
を含有する請求項１または２に記載の圧延用ロール外層材。
【請求項４】
前記圧延用ロール外層材が、遠心鋳造製である請求項１ないし３のいずれかに記載の圧延用ロール外層材。
【請求項５】
外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、
前記外層が、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧延用ロール外層材である圧延用複合ロール。
【請求項６】
外層と、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、
前記外層が、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧延用ロール外層材である圧延用複合ロール。
【請求項７】
前記外層が、遠心鋳造製である請求項５または６に記載の圧延用複合ロール。
【請求項８】
Ｗ−Co基合金製圧延用ロール外層材であって、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、
Ｗ：25〜70％、
Co：5〜45％、
Ｃ：0.6〜3.5％、
Si：0.05〜3％、
Mn：0.05〜3％、
Mo：1〜15％を含み、
かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が下記の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用ロール外層材。
記
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
【請求項９】
前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である請求項８に記載の圧延用ロール外層材。
【請求項１０】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Fe：5〜40％、
Cr：0.1〜10％、
Ｖ：0.1〜6％、
Nb：0.1〜3％
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する請求項８または９に記載の圧延用ロール外層材。
【請求項１１】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Ni：0.05〜3％
を含有する請求項８ないし１０のいずれかに記載の圧延用ロール外層材。
【請求項１２】
前記圧延用ロール外層材が、遠心鋳造製である請求項８ないし１１のいずれかに記載の圧延用ロール外層材。
【請求項１３】
外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、
前記外層が、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、
Ｗ：25〜70％、
Co：5〜45％、
Ｃ：0.6〜3.5％、
Si：0.05〜3％、
Mn：0.05〜3％、
Mo：1〜15％を含み、
かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が下記の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用複合ロール。
記
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
【請求項１４】
前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である請求項１３に記載の圧延用複合ロール。
【請求項１５】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Fe：5〜40％、
Cr：0.1〜10％、
Ｖ：0.1〜6％、
Nb：0.1〜3％
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する請求項１３または１４に記載の圧延用複合ロール。
【請求項１６】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Ni：0.05〜3％
を含有する請求項１３ないし１５のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項１７】
外層と、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、
前記外層が、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、
Ｗ：25〜70％、
Co：5〜45％、
Ｃ：0.6〜3.5％、
Si：0.05〜3％、
Mn：0.05〜3％、
Mo：1〜15％、
Fe：5〜40％を含み、
かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が下記の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用複合ロール。
記
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
【請求項１８】
前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である請求項１７に記載の圧延用複合ロール。
【請求項１９】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Fe：5〜40％、
Cr：0.1〜10％、
Ｖ：0.1〜6％、
Nb：0.1〜3％
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する請求項１７または１８に記載の圧延用複合ロール。
【請求項２０】
前記組成に加えてさらに、質量％で、
Ni：0.05〜3％
を含有する請求項１７ないし１９のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項２１】
前記外層が、遠心鋳造製である請求項１３ないし２０のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の実施形態として、熱間圧延用あるいは冷間圧延用として好適な、圧延用ロール外層材およびそれを用いた圧延用複合ロールに係り、とくに耐摩耗性の向上に関する。【０００２】
また、本発明は、第２の実施形態として、熱間圧延用あるいは冷間圧延用として好適な、圧延用ロール外層材およびそれを用いた圧延用複合ロールに係り、とくに耐摩耗性の向上および圧延荷重の低減に関する。
【背景技術】
【０００３】
〔第１の実施形態〕
まず、第１の実施形態において、近年、鋼板の圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、圧延用ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、圧延負荷が大きく、かつ優れた表面品質が要求される鋼板の生産量が増大している。【０００４】
そのため、冷間圧延用ワークロールにおいては、優れた耐摩耗性とそれを担う高い硬さが要求される。耐摩耗性の向上は、ロール材料の高合金化によって図られるのが一般的であるが、高合金化により研削性の悪化あるいはロール事故時の被害の増大（耐事故性の低下）を招く場合があり、研削性と耐事故性を兼備する材料とする必要がある。さらに、優れた表面品質の鋼板を製造するためには、鋼板と直接接触するロールの表面性状を均質・微細なものとしておく必要があり、具体的には、ロール材質として、清浄度が高く微細なミクロ組織を有する鋳鉄、鋳鋼とすることが求められる。【０００５】
また、熱間圧延用ワークロールにおいては、ロールの摩耗や肌荒れの発生が、製品の材質や寸法上の圧延スケジュール制約を余儀なくするとともに、ロール交換頻度の低減も困難となり、このため、ロールの耐用度の低下が、生産性向上やコスト削減のネックのひとつになっている。このため、熱間圧延用ワークロールにおいては、摩耗や肌荒れの発生を抑制して、ロールの耐用度を向上させることが要求されている。【０００６】
このようなことから、使用される圧延用ロールの特性向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。圧延用ロールにおける耐摩耗性の向上は、鋼板の製造において、鋼板品質の向上および生産性向上に直結した重要な課題となっている。【０００７】
このような圧延用ロールの耐摩耗性向上の要求に対し、例えば、非特許文献１、非特許文献２に記載されるように、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発されている。また、例えば、特許文献１には、鋼製の芯材の周りに、連続肉盛法で外層を形成してなる熱間圧延用複合ロールが記載されている。特許文献１に記載された熱間圧延用複合ロールでは、外層材は、重量％で、Ｃ：1.0〜4.0％、Si：3.0％以下、Mn：1.5％以下、Cr：2〜10％、Mo：9％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：2〜15％を含み、Ｐ：0.08％以下、Ｓ：0.06％以下、Ｂ：0.0500％以下とし、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有し、面積比で粒状炭化物5〜30％、非粒状炭化物6％以上を含有する組織からなり、基地の硬さがビッカース硬さ（Hv）550以上を有するとしている。なお、外層材には、さらに、Ni：5.0％以下、Co：5.0％以下、Nb：5.0％以下を含有してもよいとしている。これにより、所定量以上の非粒状炭化物の存在により、クラックが発生してもロール深部にまで進展するのが抑制され、耐ヒートクラック性が向上し、VC系の硬質炭化物が含まれていることから耐摩耗性も良好であるとしている。【０００８】
このようなハイス系ロール外層材は、耐摩耗性を向上させるため多量の硬質炭化物を基地中に分散させることが必要になる。しかし、ハイス系組成で生成する硬質炭化物は、一般に基地より比重が軽く、鋳造中に偏析を生じやすい。特に、生産性、経済性に優れるため代表的なロール外層材の鋳造方法となっている遠心鋳造法では、比重の軽い相は遠心力で内側に集積・偏析しやすいため、ハイス系ロール外層材を遠心鋳造法で製造することは困難とされてきた。【０００９】
しかしながら、遠心鋳造法を適用しても偏析等の生じない、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材を提供する技術として、特許文献２に、質量％で、Ｃ：1.5〜3.5％、Si：1.5％以下、Mn：1.2％以下、Ni：5.5％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有するロール外層材が記載されている。【００１０】
また、特許文献３には、質量％で、Ｃ：1.5〜3.5％、Si：1.5％以下、Mn：1.2％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有するロール外層材が記載されている。このような組成とすることにより、遠心鋳造法を適用してもロール外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。【００１１】
また、特許文献４には、遠心鋳造複合ロールが記載されている。特許文献４に記載された遠心鋳造複合ロールは、外層と鋳鉄または鋳鋼の内層からなり、外層が、重量％で、Ｃ：1.0〜3.0％、Si：0.1〜3.0％、Mn：0.1〜2.0％、Cr：2.0〜10.0％、Mo：0.1〜10.0％、Ｖ：1.0〜10.0％、Ｗ：0.1〜10.0％を含み、かつMo＋Ｗ：10.0％以下を満たす合金成分および残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するとしている。特許文献４に記載された技術では、凝集や偏析を起こしやすいM６C型炭化物の晶出が抑制され、MC型＋M７C３型炭化物のみが析出する外層とすることができ、遠心鋳造法で製造できるとしている。【００１２】
また、例えば、特許文献５には、圧延ロール用遠心鋳造外層材が記載されている。特許文献５に記載された圧延ロール用遠心鋳造外層材は、質量％で、Ｃ：4.5〜9％、Si：0.1〜3.5％、Mn：0.1〜3.5％、Ｖ：18〜40％を含有する組成を有し、好ましくはビッカース硬さがHV550〜900の基地に、面積率でMC炭化物が面積率で20〜60％分散した組織を有するとしている。特許文献５に記載された技術では、比重の小さいMC炭化物が内面側に濃化する、遠心鋳造偏析を積極的に利用し、遠心鋳造後、MC炭化物が濃化した層だけ残すように切削すれば、MC炭化物が多いロール外層を低コストで確実に形成できるとしている。【００１３】
極めて優れた耐摩耗性を有する材料としては、古くから超硬合金が知られている。超硬合金としては、例えば、非特許文献３に記載されているように、タングステンカーバイド（WC）を、バインダーとしてのCoとともに、成形、焼結したものが一般的である。【００１４】
このような超硬合金を、圧延用ロールに適用した技術としては、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０などに記載がある。【００１５】
特許文献６には、熱間圧延ロールおよび熱間圧延ガイドロール用タングステン炭化物基超硬合金が記載されている。特許文献６に記載された技術は、クロムのコバルトとニッケルとの和に対する重量比が1/1〜1/99、コバルトのニッケルに対する重量比が9/1〜1/9、かつタングステン炭化物88重量％以下、コバルトとニッケルとクロムとの総和が12〜65重量％であるタングステン炭化物基合金である。特許文献６には、このような超硬合金を、普通鋼材（線材）の熱間圧延用ロールに適用した例が記載されている。【００１６】
また、特許文献７には、超硬合金からなる熱間線材用ロールが記載されている。特許文献７に記載された技術では、使用する超硬合金を、1μmから5μmの平均粒径を持つWCまたは、WCの一部をTiC、TaC、NbCの１種以上で10重量％以下置換した硬質炭化物相と、三元合金結合相とからなり、該結合相中のCrがNiおよびCoの和に対して0.30以下であり、かつ、全結合相に対して0.05以上であり、さらにNiが、NiとCoとの和に対して0.33から0.90であり、分極電位が冷却一般工業用水に対して0.3Ｖ以上である超硬合金としている。このような超硬合金とすることにより、耐肌荒れ性の優れた熱間線材用ロールとなるとしている。【００１７】
また、特許文献８には、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が中間層を介して接合してなり、該中間層が平均粒径3μm以下のWC原料粉末を用いて形成した超硬合金からなる圧延用複合ロールが記載されている。そして、中間層のWC粒子の含有量を重量比率で70％以下とすることが好ましいとしている。これにより、耐摩耗性に優れ、かつ強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールを得ることができるとしている。【００１８】
また、特許文献９には、外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、WCとNiを含有する超硬合金からなる中間層を具備させ、強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールが開示されている。【００１９】
さらに、特許文献１０には、鋼系材料または鉄系材料からなる内層の外周に、Ｒ＝σc（1-ν）／Ｅα（但し、σc：抗折強度、ν：ポアソン比、Ｅ：ヤング率、α：熱膨張係数）で表される熱衝撃係数Ｒが400以上を満足する超硬合金からなる外層が接合してなる板圧延用超硬合金製複合ロールが記載されている。これにより、ロールの耐摩耗性、耐肌荒れ性が改善され、圧延事故時の熱亀裂の発生、進展が抑制されるとしている。
〔第２の実施形態〕
また、第２の実施形態において、近年、鋼板の圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、圧延用ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、圧延負荷が大きく、かつ優れた表面品質が要求される鋼板の生産量が増大している。【００２０】
そのため、冷間圧延用ワークロールにおいては、優れた耐摩耗性とそれを担う高い硬さが要求される。耐摩耗性の向上は、ロール材料の高合金化によって図られるのが一般的であるが、高合金化により研削性の悪化あるいはロール事故時の被害の増大（耐事故性の低下）を招く場合があり、研削性と耐事故性を兼備する材料とする必要がある。さらに、優れた表面品質の鋼板を製造するためには、鋼板と直接接触するロールの表面性状を均質・微細なものとしておく必要があり、具体的には、ロール材質として、清浄度が高く微細なミクロ組織を有する鋳鉄、鋳鋼とすることが求められる。【００２１】
また、熱間圧延用ワークロールにおいては、ロールの摩耗や肌荒れの発生が、製品の材質や寸法上の圧延スケジュール制約を余儀なくするとともに、ロール交換頻度の低減も困難となり、このため、ロールの耐用度の低下が、生産性向上やコスト削減のネックのひとつになっている。このため、熱間圧延用ワークロールにおいては、摩耗や肌荒れの発生を抑制して、ロールの耐用度を向上させることが要求されている。【００２２】
このようなことから、使用される圧延用ロールの特性向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。圧延用ロールにおける耐摩耗性の向上は、鋼板の製造において、鋼板品質の向上および生産性向上に直結した重要な課題となっている。【００２３】
また、近年自動車分野では、燃費向上の観点から高強度材の適用による車体の軽量化が進められており、今後もさらに高強度材の適用が進むと考えられている。高強度材を圧延すると、被圧延材と接触する圧延用ワークロールの表層部が弾性変形し、圧延用ワークロールの表層と被圧延材の接触面積（または接触弧長）が大きくなり、圧延荷重（圧延用ワークロールに被圧延材から作用する圧延圧力）が増大する。圧延荷重が過大になると、被圧延材の寸法精度の低下や、圧延可能な最小板厚が制限される、といった問題が生じるため、弾性変形のし難い、高ヤング率を有した圧延用ロール外層材が要求されている。【００２４】
圧延用ロールの耐摩耗性向上の要求に対しては、例えば、非特許文献１、非特許文献２に記載されるように、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発されている。また、例えば、特許文献１には、鋼製の芯材の周りに、連続肉盛法で外層を形成してなる熱間圧延用複合ロールが記載されている。特許文献１に記載された熱間圧延用複合ロールでは、外層材は、重量％で、Ｃ：1.0〜4.0％、Si：3.0％以下、Mn：1.5％以下、Cr：2〜10％、Mo：9％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：2〜15％を含み、Ｐ：0.08％以下、Ｓ：0.06％以下、Ｂ：0.0500％以下とし、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成を有し、面積比で粒状炭化物5〜30％、非粒状炭化物6％以上を含有する組織からなり、基地の硬さがビッカース硬さ（HV）550以上を有するとしている。なお、外層材には、さらに、Ni：5.0％以下、Co：5.0％以下、Nb：5.0％以下を含有してもよいとしている。これにより、所定量以上の非粒状炭化物の存在によりクラックが発生してもロール深部にまで進展するのが抑制され、耐ヒートクラック性が向上し、VC系の硬質炭化物が含まれていることから耐摩耗性も良好であるとしている。【００２５】
このようなハイス系ロール外層材は、耐摩耗性を向上させるため多量の硬質炭化物を基地中に分散させることが必要になる。しかし、ハイス系組成で生成する硬質炭化物は、一般に基地より比重が軽く、鋳造中に偏析を生じやすい。特に、生産性、経済性に優れるため代表的なロール外層材の鋳造方法となっている遠心鋳造法では、比重の軽い相は遠心力で内側に集積・偏析しやすいため、ハイス系ロール外層材を遠心鋳造法で製造することは困難とされてきた。【００２６】
しかしながら、遠心鋳造法を適用しても偏析等の生じない、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材を提供する技術として、特許文献２に、質量％で、Ｃ：1.5〜3.5％、Si：1.5％以下、Mn：1.2％以下、Ni：5.5％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有するロール外層材が記載されている。【００２７】
また、特許文献３には、質量％で、Ｃ：1.5〜3.5％、Si：1.5％以下、Mn：1.2％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有するロール外層材が記載されている。このような組成とすることにより、遠心鋳造法を適用してもロール外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。【００２８】
また、特許文献４には、遠心鋳造複合ロールが記載されている。特許文献４に記載された遠心鋳造複合ロールは、外層と鋳鉄または鋳鋼の内層からなり、外層が、重量％で、Ｃ：1.0〜3.0％、Si：0.1〜3.0％、Mn：0.1〜2.0％、Cr：2.0〜10.0％、Mo：0.1〜10.0％、Ｖ：1.0〜10.0％、Ｗ：0.1〜10.0％を含み、かつMo＋Ｗ：10.0％以下を満たす合金成分および残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するとしている。特許文献４に記載された技術では、凝集や偏析を起こしやすいM６C型炭化物の晶出が抑制され、MC型＋M７C３型炭化物のみが析出する外層とすることができ、遠心鋳造法で製造できるとしている。【００２９】
また、例えば、特許文献５には、圧延ロール用遠心鋳造外層材が記載されている。特許文献５に記載された圧延ロール用遠心鋳造外層材は、質量％で、Ｃ：4.5〜9％、Si：0.1〜3.5％、Mn：0.1〜3.5％、Ｖ：18〜40％を含有する組成を有し、好ましくはビッカース硬さがHV550〜900の基地に、MC炭化物が面積率で20〜60％分散した組織を有するとしている。特許文献５に記載された技術では、比重の小さいMC炭化物が内面側に濃化する、遠心鋳造偏析を積極的に利用し、遠心鋳造後、MC炭化物が濃化した層だけ残すように切削すれば、MC炭化物が多いロール外層を低コストで確実に形成できるとしている。【００３０】
極めて優れた耐摩耗性および高ヤング率を有する材料としては、古くから超硬合金が知られている。超硬合金としては、例えば、非特許文献３に記載されているように、タングステンカーバイド（WC）を、バインダーとしてのCoとともに、成形、焼結したものが一般的である。【００３１】
このような超硬合金を、圧延用ロールに適用した技術としては、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０などに記載がある。【００３２】
特許文献６には、熱間圧延ロールおよび熱間圧延ガイドロール用タングステン炭化物基超硬合金が記載されている。特許文献６に記載された技術は、クロムのコバルトとニッケルとの和に対する重量比が1/1〜1/99、コバルトのニッケルに対する重量比が9/1〜1/9、かつタングステン炭化物88重量％以下、コバルトとニッケルとクロムとの総和が12〜65重量％であるタングステン炭化物基合金である。特許文献６には、このような超硬合金を、普通鋼材（線材）の熱間圧延用ロールに適用した例が記載されている。【００３３】
また、特許文献７には、超硬合金からなる熱間線材圧延用ロールが記載されている。特許文献７に記載された技術では、使用する超硬合金を、1μmから5μmの平均粒径を持つWCまたは、WCの一部をTiC、TaC、NbCの１種以上で10重量％以下置換した硬質炭化物相と、三元合金結合相とからなり、該結合相中のCrがNiおよびCoの和に対して0.30以下であり、かつ、全結合相に対して0.05以上であり、さらにNiが、NiとCoとの和に対して0.33から0.90であり、分極電位が冷却一般工業用水に対して0.3Ｖ以上である超硬合金としている。このような超硬合金とすることにより、耐肌荒れ性の優れた熱間線材用ロールとなるとしている。【００３４】
また、特許文献８には、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が中間層を介して接合してなり、該中間層が平均粒径3μm以下のWC原料粉末を用いて形成した超硬合金からなる圧延用複合ロールが記載されている。そして、中間層のWC粒子の含有量を重量比率で70％以下とすることが好ましいとしている。これにより、耐摩耗性に優れ、かつ強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールを得ることができるとしている。【００３５】
また、特許文献９には、外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、WCとNiを含有する超硬合金からなる中間層を具備させ、強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールが開示されている。【００３６】
さらに、特許文献１０には、鋼系材料または鉄系材料からなる内層の外周に、Ｒ＝σc（1-ν）／Ｅα（但し、σc：抗折強度、ν：ポアソン比、Ｅ：ヤング率、α：熱膨張係数）で表される熱衝撃係数Ｒが400以上を満足する超硬合金からなる外層が接合してなる板圧延用超硬合金製複合ロールが記載されている。これにより、ロールの耐摩耗性、耐肌荒れ性が改善され、圧延事故時の熱亀裂の発生、進展が抑制されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】特開平04−141553号公報
【特許文献２】特開平04−365836号公報
【特許文献３】特開平05−1350号公報
【特許文献４】特開平08−60289号公報
【特許文献５】国際出願WO2006/030795号
【特許文献６】特公昭57−6502号公報
【特許文献７】特公昭58−39906号公報
【特許文献８】特開2004−243341号公報
【特許文献９】特開2006−175456号公報
【特許文献１０】特開2004−268140号公報
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】鎌田ら：日立評論 Vol. 72, No. 5（1990），ｐ69
【非特許文献２】橋本ら：製鉄研究 第338号（1990），ｐ62
【非特許文献３】門間改三著：「鉄鋼材料学改訂版」実教出版（1981），ｐ368
【非特許文献４】松永ら：ロール長寿命化のための解析技術（1999），ｐ11
【非特許文献５】橋本ら：新日鉄技報 第355号（1995），ｐ76
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
〔第１の実施形態〕
しかしながら、第１の実施形態において、特許文献１に記載された技術では、鋼製の芯材の周りに、連続肉盛法で外層を形成するため、生産性が低く、コストも高いという問題があった。また、特許文献２、３に記載された技術では、主として、Nb、ＶおよびＣの含有量を特定範囲に限定し、MC型炭化物を均一分散させて、耐摩耗性と耐クラック性を向上させるとしている。しかし、実際には、CrやMoを多く含むM７C３型炭化物やM６C型炭化物も相当量存在するため、更なる特性の向上は、MC型炭化物を均一分散させるという観点のみからでは十分であるとはいえない。また、特許文献４に記載された技術では、凝集や偏析を起こしやすいM６C型炭化物の晶出を抑制するため、Mo＋Ｗ：10.0％以下に限定し、これにより、遠心鋳造法によるロール外層材の製造を可能にしている。しかし、Mo、Ｗ含有量を制限することは、最近の更なる耐摩耗性の向上という要望に対しては、問題を残していた。【００４０】
なお、遠心鋳造法を用いた圧延用ロールの製造にあたっては、Mo、Ｖ、Ｗ等の炭化物形成元素の増量は、形成される炭化物が軽いため、形成された炭化物は内面側に集積、内層との境界に凝集して、境界の接合強度の低下を招くという懸念があった。【００４１】
また、特許文献５に記載された技術では、ロールの耐摩耗性は向上するが、MC型炭化物が少なくなった外面側領域を除去する作業を必要とするうえ、歩留が非常に低く、高生産性と低コストという遠心鋳造法の優位性が失われるという問題があった。【００４２】
また、超硬合金を使用する特許文献６や特許文献７に記載された技術は、線材圧延用の小型ロールを対象としており、この技術を、冷間圧延用ロールや熱間圧延用ロールのような大型ロールの製造にそのまま適用することは困難である。しかも、遠心鋳造製品に比べ高価なプロセスであるＨＩＰ処理を必要とするため、小型製品といえども製造コストが高いという問題があった。【００４３】
超硬合金を板圧延用ロールの外層材として使用する、特許文献８、特許文献９、および特許文献１０に記載された技術は、いずれも外層材の成形は焼結-ＨＩＰ法を想定しており、製造コストが極めて高いという問題が残されている。また、これらの技術は、結合剤として軟質なCoやNiを使用しており、圧延時にへこみ疵（凹部）が生成しやすいという問題もあり、実用化が進んでいない。【００４４】
本発明は、第１の実施形態において、かかる従来技術の問題を解決し、従来に比べ顕著に耐摩耗性が向上した、耐摩耗性に優れたロール外層材およびそれを利用した圧延用複合ロールを安価に提供することを目的とする。【００４５】
〔第２の実施形態〕
また、第２の実施形態において、特許文献１に記載された技術では、鋼製の芯材の周りに、連続肉盛法で外層を形成するため、生産性が低く、コストも高いという問題があった。また、特許文献２、３に記載された技術では、主として、Nb、ＶおよびＣの含有量を特定範囲に限定し、MC型炭化物を均一分散させて、耐摩耗性と耐クラック性を向上させるとしている。しかし、実際には、CrやMoを多く含むM７C３型炭化物やM６C型炭化物も相当量存在するため、更なる特性の向上は、MC型炭化物を均一分散させるという観点のみからでは十分であるとはいえない。また、特許文献４に記載された技術では、凝集や偏析を起こしやすいM６C型炭化物の晶出を抑制するため、Mo＋Ｗ：10.0％以下に限定し、これにより、遠心鋳造法によるロール外層材の製造を可能にしている。しかし、Mo、Ｗ含有量を制限することは、最近の更なる耐摩耗性の向上という要望に対しては、問題を残していた。【００４６】
なお、遠心鋳造法を用いた圧延用ロールの製造にあたっては、Mo、Ｖ、Ｗ等の炭化物形成元素の増量は、生成されるVC系の硬質炭化物の比重が基地を形成する溶湯より軽いため、生成されたVC系の硬質炭化物は内面側に集積、内層との境界に凝集して、境界の接合強度の低下を招くという懸念があった。【００４７】
また、特許文献５に記載された技術では、ロールの耐摩耗性は向上するが、MC型炭化物が少なくなった外面側領域を除去する作業を必要とするうえ、歩留が非常に低く、高生産性と低コストという遠心鋳造法の優位性が失われるという問題があった。【００４８】
また、超硬合金を使用する特許文献６や特許文献７に記載された技術は、線材圧延用の小型ロールを対象としており、この技術を、冷間圧延用ロールや熱間圧延用ロールのような大型ロールの製造にそのまま適用することは困難である。しかも、遠心鋳造製品に比べ高価なプロセスであるＨＩＰ処理を必要とするため、小型製品といえども製造コストが高いという問題があった。【００４９】
超硬合金を板圧延用ロールの外層材として使用する、特許文献８、特許文献９、および特許文献１０に記載された技術は、いずれも外層材の成形は焼結-ＨＩＰ法を想定しており、製造コストが極めて高いという問題が残されている。また、これらの技術は、結合剤として軟質なCoやNiを使用しており、圧延時にへこみ疵（凹部）が生成しやすいという問題もあり、実用化が進んでいない。【００５０】
本発明は、第２の実施形態において、かかる従来技術の問題を解決し、従来に比べ顕著に耐摩耗性およびヤング率が向上した、耐摩耗性および圧延荷重低減効果に優れたロール外層材およびそれを利用した圧延用複合ロールを安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
〔第１の実施形態〕
まず、第１の実施形態において、本発明者らは、上記した課題を達成するため、超硬合金並みの極めて高い耐摩耗性を有する圧延用ロールを、生産性・経済性に優れた遠心鋳造法によって製造可能にする条件について、鋭意検討した。その結果、遠心鋳造時に溶湯、および晶出相に作用する遠心力を利用して、硬質な炭化物をロールの外表面側に密集、濃化させることができれば、遠心鋳造製圧延用ロールの耐摩耗性を顕著に向上させることができることに思い至った。そして更なる検討により、遠心鋳造時に、硬質な炭化物をロールの外表面側に密集、濃化させるためには、遠心力が作用している液相中から、液相よりも比重の大きい炭化物が初晶として晶出し得る条件を見出せば良いことに思い至った。【００５２】
すなわち、遠心力が作用している液相中に、液相よりも比重の大きい炭化物が晶出すると、炭化物には外周方向への遠心力が作用する。その際、炭化物とその周囲のγ相とが共晶凝固せず、炭化物が初晶として液相から直接晶出できれば、炭化物の周囲はまだ液相なため、炭化物は容易に外周側に移動、集積することができることになる。【００５３】
このような条件を満たす炭化物形成元素として、比重が大きいＷに着目し、しかもそれを多量に含有させることに思い至り、各種鋳込み実験を繰り返すとともに、状態図計算等を活用して、
（１）比重が大きいＷを多量に含有するＷ−Co基合金に、0.6質量％以上のＣを含有させた溶湯とすると、Ｗが濃化したM６C型炭化物が初晶として出現すること、
（２）このようなＷ−Co基合金溶湯を遠心鋳造すると、初晶として晶出するM６C型炭化物が外層材の外表面側に高濃度に偏析する組織形態が得られること、
を見出した。【００５４】
なお、使用する合金をFe基合金とすると、Ｗ系共晶炭化物の形成が促進され、初晶としてM６C型炭化物の出現が阻害されることを知見している。また、使用する合金を、炭素の活量を高めるＷ−Co基合金とすることにより、Ｗ系共晶炭化物の形成が抑制され、溶湯中に、Ｗが濃化したM６C型炭化物が初晶として多量に出現すること、また、Ｃ量が0.6質量％未満では、初晶M６C型炭化物は出現せず、一方、Ｃ量が3質量％を超えて高くなると、液相線温度が高くなりすぎて、溶解、鋳造が困難となるうえ、非常に割れやすいMC型炭化物、M２C型炭化物が成長し粗大化するため、容易にロール破断を招くこと、をそれぞれ知見している。【００５５】
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）Ｗ−Co基合金製圧延用ロール外層材であって、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％、Ｃ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％を含み、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用ロール外層材。
（２）前記組成に加えてさらに、質量％で、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する（１）に記載の圧延用ロール外層材。
（３）前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.05〜3％を含有する（１）または（２）に記載の圧延用ロール外層材。
（４）前記圧延用ロール外層材が、遠心鋳造製である（１）ないし（３）のいずれかに記載の圧延用ロール外層材。
（５）外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、前記外層が、（１）ないし（３）のいずれかに記載の圧延用ロール外層材である圧延用複合ロール。
（６）外層と、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、前記外層が、（１）ないし（３）のいずれかに記載の圧延用ロール外層材である圧延用複合ロール。
（７）前記外層が、遠心鋳造製である（５）または（６）に記載の圧延用複合ロール。【００５６】
〔第２の実施形態〕
また、第２の実施形態において、本発明者らは、上記した課題を達成するため、超硬合金並みの極めて高い耐摩耗性および高いヤング率を有する圧延用ロールを、生産性・経済性に優れた遠心鋳造法によって製造可能にする条件について、鋭意検討した。その結果、遠心鋳造時に溶湯、および晶出相に作用する遠心力を利用して、硬質な炭化物をロールの外表面側に密集、濃化させることができれば、遠心鋳造製圧延用ロールの耐摩耗性を顕著に向上させることができることに思い至った。そして更なる検討により、遠心鋳造時に、硬質な炭化物をロールの外表面側に密集、濃化させるためには、遠心力が作用している液相中から、液相よりも比重の大きい炭化物が初晶として晶出し得る条件を見出せば良いことに思い至った。また、ヤング率の向上には、硬質な炭化物をロールの外表面側に密集、濃化させることに加えて、基地に固溶するＷおよびＭｏの量を増加させれば良いことを見出した。【００５７】
すなわち、遠心力が作用している液相中に、液相よりも比重の大きい炭化物が晶出すると、炭化物には外周方向への遠心力が作用する。その際、炭化物とその周囲のγ相とが共晶凝固せず、炭化物が初晶として液相から直接晶出できれば、炭化物の周囲はまだ液相なため、炭化物は容易に外周側に移動、集積することができることになる。【００５８】
このような条件を満たす炭化物形成元素として、比重が大きいＷに着目し、しかもそれを多量に含有させることに思い至り、各種鋳込み実験を繰り返すとともに、状態図計算等を活用して、
（１）比重が大きいＷを多量に含有するＷ−Co基合金に、0.6質量％以上のＣを含有させた溶湯とすると、Ｗが濃化したM６C型炭化物が初晶として出現すること、
（２）このようなＷ−Co基合金溶湯を遠心鋳造すると、初晶として晶出するM６C型炭化物が外層材の外表面側に高濃度に偏析する組織形態が得られること、
を見出した。【００５９】
なお、使用する合金をFe基合金とすると、Ｗ系共晶炭化物の形成が促進され、初晶としてM６C型炭化物の出現が阻害されることを知見している。また、使用する合金を、炭素の活量を高めるＷ−Co基合金とすることにより、Ｗ系共晶炭化物の形成が抑制され、溶湯中に、Ｗが濃化したM６C型炭化物が初晶として多量に出現すること、また、Ｃ量が0.6質量％未満では、初晶M６C型炭化物は出現せず、一方、Ｃ量が3質量％を超えて高くなると、液相線温度が高くなりすぎて、溶解、鋳造が困難となるうえ、非常に割れやすいMC型炭化物、M２C型炭化物が成長し粗大化するため、容易にロール破断を招くこと、をそれぞれ知見している。【００６０】
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）Ｗ−Co基合金製圧延用ロール外層材であって、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％、Ｃ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％を含み、かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が次の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用ロール外層材。【００６１】
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
（２）（１）において、前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である圧延用ロール外層材。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する圧延用ロール外層材。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.05〜3％を含有する圧延用ロール外層材。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記圧延用ロール外層材が、遠心鋳造製である圧延用ロール外層材。
（６）外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、前記外層が、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％、Ｃ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％を含み、かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が次の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用複合ロール。【００６２】
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
（７）（６）において、前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である圧延用複合ロール。
（８）（６）または（７）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する圧延用複合ロール。
（９）（６）ないし（８）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.05〜3％を含有する圧延用複合ロール。
（１０）外層と、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールであって、前記外層が、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成で、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％、Ｃ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％、Fe：5〜40％を含み、かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が次の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する圧延用複合ロール。【００６３】
記
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）である。
（１１）（１０）において、前記圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下である圧延用複合ロール。
（１２）（１０）または（１１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する圧延用複合ロール。
（１３）（１０）ないし（１２）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.05〜3％を含有する圧延用複合ロール。
（１４）（６）ないし（１３）のいずれかにおいて、前記外層が、遠心鋳造製である圧延用複合ロール。
【発明の効果】
【００６４】
第１の実施形態において、本発明によれば、熱間圧延用あるいは冷間圧延用ロールとして好適な、耐摩耗性に顕著に優れた圧延用ロール、とくに遠心鋳造製圧延用ロールを、安価にしかも、容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。【００６５】
また、第２の実施形態において、本発明によれば、熱間圧延用あるいは冷間圧延用ロールとして好適な、耐摩耗性および圧延荷重低減効果に顕著に優れた圧延用ロール、とくに遠心鋳造製圧延用ロールを、安価にしかも、容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１における走査型電子顕微鏡組織を示す組織写真である。（ａ）はスリーブNo.13（試験材No.13）、（ｂ）はスリーブNo.5（試験材No.5）である。
【図２】実施例１における摩耗試験の概要を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明における複合ロールの一例を説明する模式図である。
【図４】本発明における外層と該外層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールの一例を説明する複合ロール断面の模式図である。
【図５】本発明における外層と、該外層と溶着一体化した中間層と、該中間層と溶着一体化した内層とからなる圧延用複合ロールの一例を説明する複合ロール断面の模式図である。
【図６】実施例２における走査型電子顕微鏡組織を示す組織写真である。（ａ）はスリーブNo.13、（ｂ）はスリーブNo.5である。
【図７】実施例２における摩耗試験の概要を模式的に示す説明図である。
【図８】実施例２における圧延荷重評価用複合ロールの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、各図を参照して、本発明における第１の実施形態および第２の実施形態についてそれぞれ説明する。
〔第１の実施形態〕
本発明の圧延用ロール外層材は、遠心鋳造製とする。ここでいう「遠心鋳造製圧延用ロール外層材」とは、従来から圧延用ロールの製造方法として用いられてきた遠心鋳造法を用いて製造された状態の圧延用ロール外層材であることを意味する。遠心鋳造法を用いて製造された圧延用ロール外層材（「遠心鋳造製」圧延用ロール外層材）は、従来から、それ以外の製造方法で製造された圧延用ロールとは、「物」として明瞭に区別でき、しかも、その「遠心鋳造製」圧延用ロール外層材を構造や特性で特定することは、多大の労力を必要とし、非実際的である。
【００６８】
本発明の圧延用ロール外層材は、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成を有し、圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％を含み、さらにＣ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％を含み、残部が不可避的不純物からなる組成を有する。なお、上記した組成は、外層材全体積に対し、少なくとも外表面側の20％の体積分に相当する径方向位置で満足させることが好ましい。例えば、外径250mm、内径140mmのスリーブであれば、圧延使用時の最大径に相当する位置から内周側に向けて径方向に少なくとも9mmの位置、でも満足させることが好ましい。
【００６９】
なお、ここでいう「圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面」とは、鋳込みまま外層材の外表面に形成される層（溶湯が金型との接触により急冷されて凝固した部位等）を研削除去し、初めて圧延使用に供される製品ロール径の最大径に相当する位置の外層材表面をいい、すなわち、製品（ロール外層材）として使用できる最大径に相当する位置の外層材表面をいう。具体的には、「圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材表面」とは、鋳込みまま外層材の外表面に形成される層を研削除去し、初めて圧延使用に供される製品ロール径の最大径に相当する位置の外層材表面から内周側に向けて径方向に、外層材全体積に対し、少なくとも外表面側の２０％の体積分を示す範囲に相当する位置とする。
【００７０】
また、外層材表面の組成分析は、蛍光Ｘ線分析や発光分光分析等の機器分析によって行なっても、あるいは、破壊検査にはなるが、当該外層材表面を含む位置から、ロール径方向の厚みが10mm未満のブロック状試料を採取して、該試料を化学分析して行なっても、いずれでも良い。
【００７１】
まず、本発明圧延用ロール外層材の組成限定理由について説明する。以下、組成に関する質量％は、単に％で記す。
【００７２】
Ｃ：0.6〜3.5％
Ｃは、Ｗ、およびMo、Cr、Ｖ、Nbなどの炭化物形成元素と結合し、硬質炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する元素である。Ｃ量に応じて、炭化物の形態や晶出量および晶出温度が変化する。Ｃの含有が0.6％以上では、M６C型炭化物が初晶として晶出し、遠心鋳造時に外表面側に偏析する組織形態が得られ、耐摩耗性が向上する。なお、Ｃの含有が0.6％未満では、初晶として晶出するM６C型炭化物量が不足し耐摩耗性が低下する。一方、Ｃが3.5％を超えて多量に含有すると、外層材として製造が困難になるうえ、非常に割れ易いM２C炭化物やMC炭化物が生成し、粗大化するため、圧延時にロール破壊を生じやすくなる。このようなことから、Ｃは0.6〜3.5％の範囲に限定した。なお、好ましくはＣは1.0〜3.0％である。より好ましくはＣは1.2〜2.8％である。
【００７３】
Si：0.05〜3％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、基地の強化作用をも有する元素である。そのような効果を得るためには、0.05％以上のSiの含有を必要とする。一方、Siは3％を超えて含有しても、効果が飽和するうえ、片状黒鉛が出現して靭性が低下する。このため、Siは0.05〜3％の範囲に限定した。なお、好ましくはSiは0.1〜2％である。より好ましくはSiは0.2〜1.8％である。
【００７４】
Mn：0.05〜3％
Mnは、MnSとしてＳを固定し、材質に悪影響を及ぼすＳを無害化する作用を有する元素である。また、Mnは、基地に固溶して焼入れ性向上に寄与する。このような効果を得るためには、0.05％以上のMnを含有させる必要がある。一方、Mnは3％を超えて含有しても上記した効果が飽和するうえ、材質低下を招く。このため、Mnは0.05〜3％の範囲に限定した。なお、好ましくはMnは0.1〜1％である。より好ましくはMnは0.2〜0.8％である。
【００７５】
Mo：1〜15％
Moは、Ｃと結合して炭化物を形成する炭化物形成元素であり、本発明ではとくに、Ｗが濃化した初晶炭化物である硬質なM６C型炭化物中に固溶して炭化物を強化し、ロール外層材の破壊抵抗を増加する作用を有する。また、Moは熱処理時に焼入れ性を向上させ、ロール外層材の硬さ増加に寄与する。さらに、Moは、Coよりも重い元素であり、初晶炭化物の外表面側への遠心分離を阻害しないか、あるいは促進する効果をも有する。これらの効果を得るには、1％以上のMoの含有を必要とする。一方、Moは15％を超えて多量に含有すると、Mo主体の硬脆な炭化物が出現し、耐摩耗性が低下する。このため、Moは1〜15％の範囲に限定した。なお、好ましくはMoは2〜10％である。より好ましくはMoは4〜10％である。
【００７６】
Ｗ：25〜70％
Ｗは、本発明で最も重要な元素であり、25％以上と多量に含有させた合金組成とする。これにより、Ｗが濃化した硬質なM６C型炭化物を初晶として多量に出現させることができ、耐摩耗性が著しく向上した圧延用ロール外層材とすることができる。なお、Ｗの含有量が25％未満の場合には、本発明の目的とする耐摩耗性に優れた圧延用ロール外層材を得ることが困難となる。一方、70％を超えるＷの含有は、M６C型炭化物が粗大化し脆くなるうえ、溶湯の融点が上昇して、溶解、鋳造等が困難となる。このため、Ｗは25〜70％の範囲に限定した。なお、好ましくはＷは30〜65％である。より好ましくはＷは35〜55％である。
【００７７】
Co：5〜45％
Coは、Ｗとともに、本発明で重要な元素である。CoをＷと共に、多量に含有することにより、Ｃの活量が増加して、Ｗが濃化した硬質な炭化物（M６C型あるいはM２C型やMC型など）を初晶として多量に出現させることが促進され、圧延用ロール外層材の耐摩耗性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Coを5％以上含有させる必要がある。一方、Coは45％を超えて多量に含有すると、γ相が安定化し、基地が軟質となり、圧延用ロールとして使用した場合には、くぼみ疵（凹部）の多発を招き、耐摩耗性が著しく低下する。このため、Coは5〜45％の範囲に限定した。なお、好ましくはCoは10〜40％である。より好ましくはCoは15〜35％である。
【００７８】
上記した成分が基本の成分であるが、基本組成に加えて、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上、および／または、Ni：0.05〜3％、を必要に応じ選択して含有してもよい。
【００７９】
Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上
Fe、Cr、Ｖ、Nbはいずれも、炭化物形成元素であり、炭化物に固溶して炭化物を強化する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有できる。
【００８０】
Feは、炭化物に固溶するとともに基地にも固溶して、基地の強化に寄与し、圧延用ロールとして使用した場合にくぼみ疵（凹部）の生成を防止する作用を有する。このような効果を得るためには、Feを5％以上含有することが好ましい。一方、Feは40％を超えて含有すると、初晶として出現する硬質なM６C型炭化物量が減少し、脆弱なM３C型炭化物が増加し、耐摩耗性が低下する。このため、含有する場合には、Feは5〜40％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはFeは10〜35％である。さらに好ましくはFeは12〜30％である。
【００８１】
基地中にFeを含有することによりＷ−Co基合金の基地が強化される機構については現時点では明確になっていないが、Coによるγ相安定化作用をFeによるα相安定化作用が相殺して、結果的に基地の強度が上昇したためか、あるいはFeのα相安定化作用が大きく、基地が硬質なマルテンサイトやベイナイト組織となり、あるいはさらにそのような基地中にさらに微細な炭化物が析出した組織が出現する、などの基地の強化現象が生じたと考えている。
【００８２】
Crは、強力な炭化物形成元素であり、主に共晶炭化物を形成するとともに、形成した炭化物の強度を向上させる効果を有する。共晶炭化物は、初晶であるM６C型炭化物の間隙に晶出することになるため、結果的にM６C型炭化物の間隙を強化するように作用する。また、Crは、黒鉛の出現を抑制する作用も有する。Ｗ−Co基合金は、Ｃの活量係数が高いため黒鉛が出現し易く、黒鉛が出現すると靭性が低下する。黒鉛の出現を抑制し圧延用ロールとして安定して使用するために、本発明では必要に応じてCrを含有することが好ましい。このような効果を得るためには、Crを0.1％以上含有することが好ましい。一方、Crは10％を超えて含有すると、Cr系共晶炭化物が多量に出現して靭性が低下する。このため、含有する場合には、Crは0.1〜10％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはCrは1〜8％である。さらに好ましくはCrは1.5〜7％である。
【００８３】
Ｖは、Ｃと結合して硬質なVC（Mo、Nb、Cr、Ｗ等を含んだMC型炭化物）を形成する元素であり、形成されたMC型炭化物が初晶として晶出し、Ｗが濃化したM６C型炭化物の晶出核となり、M６C型炭化物の出現を促進させ、さらに微細なM６C型炭化物を高密度に分散させる作用を有する。このような効果を得るためには、Ｖを0.1％以上含有させることが好ましい。一方、Ｖは6％を超えて多量に含有すると、Ｗを多く含有していても、低比重のＶ系MC型炭化物が増加し、しかも粗大化して、遠心鋳造時にロール外層材の内面側に遠心分離される。そのため、外面側で硬質のM６C型炭化物量が不足しロール外層材の使用時の耐摩耗性が低下する。また、内面側に遠心分離されたＶ系MC型炭化物が多量になるとロール内層や中間層との境界強度が低下する。このため、含有する場合には、Ｖは0.1〜6％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはＶは1〜5％である。さらに好ましくはＶは1.5〜4％である。
【００８４】
Nbは、Ｃとの結合力が極めて高く、強力な炭化物形成元素であり、ＶやＷとの複合炭化物を形成しやすい。このようなNbとＶやＷとの複合炭化物は、初晶として晶出する、Ｗが濃化したM６C型炭化物の晶出核となり、M６C型炭化物の出現を促進させ、さらに微細なM６C型炭化物を高密度に分散させる作用を有する。このような効果を得るためには、Nbは0.1％以上の含有を必要とする。一方、Nbが3％を超える多量の含有は、低密度のNb系MC型炭化物を形成し粗大化して、遠心鋳造時に炭化物がロール外層材の内面側に遠心分離されやすくなるとともに、外層材内面側のMC型炭化物の量が増加する。しかも外層材内面側に遠心分離されるMC型炭化物は、その量が多くなると、ロール内層や中間層との境界強度が低下するなど、内面側の品質が低下する。このため、含有する場合には、Nbは0.1〜3％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはNbは0.5〜2％である。さらに好ましくはNbは0.6〜1.8％である。
【００８５】
Ni:0.05〜3％
Niは、焼入れ性を向上させる作用がある元素であり、例えば、大型ロールにおける焼入れ性不足を解消するためなど、必要に応じて含有できる。このような効果を得るためには、Niを0.05％以上含有することが好ましい。なお、不純物レベルである0.05％未満ではその効果が認められない。一方、Niが3％を超える含有は、γ相が安定化し、所望の焼入れ性を確保できなくなる。このため、含有する場合には、Niは0.05〜3％の範囲に限定することが好ましい。より好ましくはNiは0.1〜2.5％である。
【００８６】
上記した成分以外の残部は、不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｂが例示できる。なお、Ｐは、粒界に偏析し、材料を脆化させる等の悪影響を及ぼすため、不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓも、Ｐと同様に、粒界に偏析し、材料を脆化させる等の影響を及ぼすため、不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば、一部はMnと化合して硫化物系介在物として存在し無害化されるため、許容できる。また、Ｎは、通常の溶解であれば、不純物として0.01〜0.1％程度混入する。しかし、この程度の含有であれば本発明の効果に影響することはない。但し、Ｎは、複合ロールの外層と中間層あるいは内層との境界にガス欠陥を生成することがあるので0.07％未満に限定することが好ましい。なお、Ｂは、溶解原料のスクラップや鋳造用フラックスから混入して不可避的不純物元素として含有される場合がある。Ｂは、炭化物や基地に固溶して炭化物の性質を変化させたり、基地に固溶して基地の焼入れ性に影響を及ぼし、品質バラツキを醸成することがある。このため、Ｂは極力低減した方が好ましいが、0.1％以下であれば、本発明の効果に悪影響を及ぼすことはない。ここで、上記した不可避的不純物元素は、合計で1％未満に調整することが好ましい。
【００８７】
次に、本発明圧延用ロール外層材の好ましい製造方法について説明する。
【００８８】
本発明では、生産性、ならびに製造コストの観点から、圧延用ロール外層材は、鋳造鋳型を回転させる形式の遠心鋳造法を用いて製造する。これにより、安価に、耐摩耗性に優れた圧延用ロール外層材を製造することができる。
【００８９】
まず、回転する鋳型に、上記したロール外層材組成の溶湯を、所定の肉厚となるように注湯し、遠心鋳造して、圧延用ロール外層材とする。なお、通常は、鋳型の保護のため、その内面には、ジルコン等を主材とした耐火物が被覆されることが一般的である。なお、本発明では、遠心力が120〜250Ｇとなるように回転数を調整して遠心鋳造することが好ましい。高い遠心力を付与することにより、外表面側で密度の大きい硬質炭化物の分散密度を高くできる。
【００９０】
本発明では、得られた圧延用ロール外層材は、単体のスリーブとして、そこに軸材を嵌合して、圧延用ロールとしてもよい。例えば、図３に示すように、圧延用ロール外層材を炭素鋼鍛鋼製の軸材（ロール軸）に焼嵌めして複合ロールとしてもよい。また、得られた圧延用ロール外層材は、その内側に溶着一体化した中間層を設け、中間層を有するスリーブとして、そこに軸材を嵌合して、圧延用ロールとしてもよい。なお、中間層は、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することにより形成することが好ましい。中間層材として、黒鉛鋼、1〜2質量％Ｃの高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等が例示できる。なお、これら圧延用ロールの軸材はとくに限定されないが、別途製造された鍛鋼品（軸）、鋳鋼品（軸）、鋳鉄品（軸）とすることが好ましい。
【００９１】
さらに本発明では、上記した圧延用ロール外層材を外層とし、該外層と溶着一体化した内層とからなる複合ロール（例えば、図４の複合ロールの断面の模式図を参照）とするか、あるいは上記した圧延用ロール外層材を外層とし、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる複合ロール（例えば、図５の複合ロールの断面の模式図を参照）としてもよい。
【００９２】
中間層を形成する場合には、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。なお、中間層材としては、黒鉛鋼、1〜2質量％Ｃの高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等を用いることが好ましい。中間層と外層とは一体溶着されており、外層成分が中間層へ10〜90％程度の範囲で混入する。内層への外層成分の混入量を抑える観点から、外層成分の中間層への混入量はできるだけ低減しておくことが望ましい。
【００９３】
また、一般的に、内層は、外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層材を静置鋳造して形成される。ここで、静置鋳造される内層材としては、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄（CV鋳鉄）などを用いることが好ましい。なお、中間層がなく、外層と内層が一体溶着されている複合ロールでは、外層材の成分が1〜10％程度、内層に混入することが多い。外層材に含まれるＷ、Cr、Ｖ等は強力な炭化物形成元素であり、これら元素が内層へ混入すると、内層を脆弱化する。このため、本発明では、外層成分の内層への混入率は5％未満に抑えることが好ましい。
【００９４】
上記した圧延用ロール外層材、圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、1000〜1200℃に加熱し5〜40ｈ保持したのち、炉内で冷却したり、空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに400〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。なお、本発明圧延用ロール外層材、圧延用複合ロールの硬さは、用途に応じて、79〜100HSの範囲内で調整することが好ましい。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理を調整することが推奨される。
【００９５】
〔第２の実施形態〕
本発明の圧延用ロール外層材は、遠心鋳造製とする。ここでいう「遠心鋳造製圧延用ロール外層材」とは、従来から圧延用ロールの製造方法として用いられてきた遠心鋳造法を用いて製造された状態の圧延用ロール外層材であることを意味する。遠心鋳造法を用いて製造された圧延用ロール外層材（「遠心鋳造製」圧延用ロール外層材）は、従来から、それ以外の製造方法で製造された圧延用ロールとは、「物」として明瞭に区別でき、しかも、その「遠心鋳造製」圧延用ロール外層材を構造や特性で特定することは、多大の労力を必要とし、非実際的である。
【００９６】
本発明の圧延用ロール外層材は、Ｗ−Co基合金製で、Ｗ含有量がロール外周側から内周側に向けて径方向に低下する傾斜組成を有し、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材が、質量％で、Ｗ：25〜70％、Co：5〜45％を含み、さらにＣ：0.6〜3.5％、Si：0.05〜3％、Mn：0.05〜3％、Mo：1〜15％を含み、かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が次の[１]式を満足し、残部が不可避的不純物からなる組成を有する。なお、上記した組成は、外層材全体積に対し、少なくとも外表面側の20％の体積分に相当する径方向位置で満足させることが好ましい。例えば、外径250mm、内径140mmのスリーブであれば、圧延使用時の最大径に相当する位置から内周側に向けて径方向に少なくとも9mmの位置、でも満足させることが好ましい。
【００９７】
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【００９８】
なお、ここでいう「圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材」とは、鋳込みまま外層材の外表面に形成される層（溶湯が金型との接触により急冷されて凝固した部位等）を研削除去し、初めて圧延使用に供される製品ロール径の最大径に相当する位置の表層となる外層材をいう。すなわち、製品（ロール外層材）として使用できる最大径に相当する位置の表層となる径方向に少なくとも9mmの厚さにある外層材をいう。
【００９９】
また、表層となる外層材の組成分析は、蛍光Ｘ線分析や発光分光分析等の機器分析によって行なっても、あるいは、破壊検査にはなるが、当該表層となる外層材を含む位置から、ロール径方向の厚みが10mm未満のブロック状試料を採取して、該試料を化学分析して行なっても、いずれでも良い。
【０１００】
まず、本発明圧延用ロール外層材の組成限定理由について説明する。以下、組成に関する質量％は、単に％で記す。
【０１０１】
Ｃ：0.6〜3.5％
Ｃは、Ｗ、およびMo、Cr、Ｖ、Nbなどの炭化物形成元素と結合し、硬質炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する元素である。Ｃ量に応じて、炭化物の形態や晶出量および晶出温度が変化する。Ｃが0.6％以上では、M６C型炭化物が初晶として晶出し、遠心鋳造時に外表面側に偏析する組織形態が得られ、耐摩耗性が向上する。なお、Ｃが0.6％未満では、初晶として晶出するM６C型炭化物量が不足し耐摩耗性が低下する。一方、Ｃは3.5％を超えて多量に含有すると、外層材として製造が困難になるうえ、非常に割れ易いM２C炭化物やMC炭化物が生成し、粗大化するため、圧延時にロール破壊を生じやすくなる。このようなことから、Ｃは0.6〜3.5％の範囲に限定した。なお、好ましくはＣは1.0〜3.0％である。より好ましくはＣは1.2〜2.8％である。
【０１０２】
Si：0.05〜3％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、基地の強化作用をも有する元素である。そのような効果を得るためには、Siは0.05％以上の含有を必要とする。一方、Siは3％を超えて含有しても、効果が飽和するうえ、片状黒鉛が出現して靭性が低下する。このため、Siは0.05〜3％の範囲に限定した。なお、好ましくはSiは0.05〜2％である。より好ましくはSiは0.2〜1.8％である。
【０１０３】
Mn：0.05〜3％
Mnは、MnSとしてＳを固定し、材質に悪影響を及ぼすＳを無害化する作用を有する元素である。また、Mnは、基地に固溶して焼入れ性向上に寄与する。このような効果を得るためには、Mnは0.05％以上含有させる必要がある。一方、Mnは3％を超えて含有しても上記した効果が飽和するうえ、材質低下を招く。このため、Mnは0.05〜3％の範囲に限定した。なお、好ましくはMnは0.1〜1％である。より好ましくはMnは0.2〜0.8％である。
【０１０４】
Mo：1〜15％
Moは、Ｃと結合して炭化物を形成する炭化物形成元素であり、本発明ではとくに、Ｗが濃化した初晶炭化物である硬質なM６C型炭化物中に固溶して炭化物を強化し、ロール外層材の破壊抵抗を増加する作用を有する。また、Moは熱処理時に焼入れ性を向上させ、ロール外層材の硬さ増加に寄与する。さらにMoは、Coよりも重い元素であり、初晶炭化物の外表面側への遠心分離を阻害しないか、あるいは促進する効果をも有する。これらの効果を得るには、Moは1％以上の含有を必要とする。一方、Moは15％を超えて多量に含有すると、Mo主体の硬脆な炭化物が出現し、耐摩耗性が低下する。このため、Moは1〜15％の範囲に限定した。なお、好ましくは、Moは2〜10％である。より好ましくは、Moは4〜10％である。
【０１０５】
Ｗ：25〜70％
Ｗは、本発明で最も重要な元素であり、25％以上と多量に含有させた合金組成とする。これにより、Ｗが濃化した硬質なM６C型炭化物を初晶として多量に出現させることができ、耐摩耗性が著しく向上した圧延用ロール外層材とすることができる。一方、Ｗが70％を超える含有は、M６C型炭化物が粗大化し脆くなるうえ、溶湯の融点が上昇して、溶解、鋳造等が困難となる。このため、Ｗは25〜70％の範囲に限定した。なお、好ましくは、Ｗは30〜65％である。より好ましくは、Ｗは35〜55％である。
【０１０６】
Co：5〜45％
Coは、Ｗとともに、本発明で重要な元素である。CoをＷと共に、多量に含有することにより、Ｃの活量が増加して、Ｗが濃化した硬質な炭化物（M６C型あるいはM２C型やMC型など）を初晶として多量に出現させることが促進され、圧延用ロール外層材の耐摩耗性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Coを5％以上含有させる必要がある。一方、Coは45％を超えて多量に含有すると、γ相が安定化し、基地が軟質となり、圧延用ロールとして使用した場合には、くぼみ疵（凹部）の多発を招き、耐摩耗性が著しく低下する。このため、Coは5〜45％の範囲に限定した。なお、好ましくはCoは10〜40％である。より好ましくは、Coは12〜35％である。
【０１０７】
上記した成分が基本の成分であるが、基本組成に加えて、Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上、および／または、Ni：0.05〜3％、を必要に応じ選択して含有してもよい。
【０１０８】
Fe：5〜40％、Cr：0.1〜10％、Ｖ：0.1〜6％、Nb：0.1〜3％のうちから選ばれた１種又は２種以上
Fe、Cr、Ｖ、Nbはいずれも、炭化物形成元素であり、炭化物に固溶して炭化物を強化する作用を有する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有できる。
【０１０９】
Feは、炭化物に固溶するとともに基地にも固溶して、基地の強化に寄与し、圧延用ロールとして使用した場合にくぼみ疵（凹部）の生成を防止する作用を有する。このような効果を得るためには、Feは5％以上含有することが好ましい。一方、Feは40％を超えて含有すると、初晶として出現する硬質なM６C型炭化物量が減少し、脆弱なM３C型炭化物が増加し、耐摩耗性が低下する。このため、含有する場合には、Feは5〜40％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはFeは10〜35％である。さらに好ましくはFeは12〜30％である。
【０１１０】
基地中にFeを含有することによりＷ−Co基合金の基地が強化される機構については現時点では明確になっていないが、Coによるγ相安定化作用をFeによるα相安定化作用が相殺して、結果的に基地の強度が上昇したためか、あるいはFeのα相安定化作用が大きく、基地が硬質なマルテンサイトやベイナイト組織となり、あるいはさらにそのような基地中にさらに微細な炭化物が析出した組織が出現する、などの基地の強化現象が生じたと考えている。
【０１１１】
Crは、強力な炭化物形成元素であり、主に共晶炭化物を形成するとともに、形成した炭化物の強度を向上させる効果を有する。共晶炭化物は、初晶であるM６C型炭化物の間隙に晶出することになるため、結果的にM６C型炭化物の間隙を強化するように作用する。また、Crは、黒鉛の出現を抑制する作用も有する。Ｗ−Co基合金は、Ｃの活量係数が高いため黒鉛が出現し易く、黒鉛が出現すると靭性が低下する。黒鉛の出現を抑制し圧延用ロールとして安定して使用するために、本発明では必要に応じてCrを含有することが好ましい。このような効果を得るためには、Crは0.1％以上含有することが好ましい。一方、Crは10％を超えて含有すると、Cr系共晶炭化物が多量に出現して靭性が低下する。このため、含有する場合には、Crは0.1〜10％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはCrは1〜8％である。さらに好ましくはCrは1.5〜7％である。
【０１１２】
Ｖは、Ｃと結合して硬質なVC（Mo、Nb、Cr、Ｗ等を含んだMC型炭化物）を形成する元素であり、形成されたMC型炭化物が初晶として晶出し、Ｗが濃化したM６C型炭化物の晶出核となり、M６C型炭化物の出現を促進させ、さらに微細なM６C型炭化物を高密度に分散させる作用を有する。このような効果を得るためには、Ｖは0.1％以上含有させることが好ましい。一方、Ｖは6％を超えて多量に含有すると、Ｗを多く含有していても、低比重のＶ系MC型炭化物が増加ししかも粗大化して、遠心鋳造時にロール外層材の内面側に遠心分離される。そのため、外面側で硬質のM６C型炭化物量が不足しロール外層材の使用時の耐摩耗性が低下する。また、内面側に遠心分離されたＶ系MC型炭化物が多量になるとロール内層や中間層との境界強度が低下する。このため、含有する場合には、Ｖは0.1〜6％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはＶは1〜5％である。さらに好ましくはＶは1.5〜4％である。
【０１１３】
Nbは、Ｃとの結合力が極めて高く、強力な炭化物形成元素であり、ＶやＷとの複合炭化物を形成しやすい。このようなNbとＶやＷとの複合炭化物は、初晶として晶出する、Ｗが濃化したM６C型炭化物の晶出核となり、M６C型炭化物の出現を促進させ、さらに微細なM６C型炭化物を高密度に分散させる作用を有する。このような効果を得るためには、Nbは0.1％以上の含有を必要とする。一方、Nbは3％を超える多量の含有は、低比重のNb系MC型炭化物を形成し粗大化して、遠心鋳造時に炭化物がロール外層材の内面側に遠心分離されやすくなるとともに、外層材内面側のMC型炭化物の量が増加する。しかも外層材内面側に遠心分離されるMC型炭化物は、その量が多くなると、ロール内層や中間層との境界強度が低下するなど、内面側の品質が低下する。このため、含有する場合には、Nbは0.1〜3％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくはNbは0.5〜2％である。さらに好ましくはNbは0.6〜1.8％である。
【０１１４】
Ni:0.05〜3％
Niは、焼入れ性を向上させる作用がある元素であり、例えば、大型ロールにおける焼入れ性不足を解消するためなど、必要に応じて含有できる。このような効果を得るためには、Niは0.05％以上含有することが好ましい。なお、Niは不純物レベルである0.05％未満ではその効果が認められない。一方、Niは3％を超える含有は、γ相が安定化し、所望の焼入れ性を確保できなくなる。このため、含有する場合には、Niは0.05〜3％の範囲に限定することが好ましい。より好ましくはNiは0.1〜2.5%である。
【０１１５】
上記した成分以外の残部は、不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｂが例示できる。なお、Ｐは、粒界に偏析し、材料を脆化させる等の悪影響を及ぼすため、不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、Ｐは0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓも、Ｐと同様に、粒界に偏析し、材料を脆化させる等の影響を及ぼすため、不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、Ｓは0.05％以下であれば、一部はMnと化合して硫化物系介在物として存在し無害化されるため、許容できる。また、Ｎは、通常の溶解であれば、不純物として0.01〜0.1％程度混入する。しかし、この程度の含有であれば本発明の効果に影響することはない。但し、Ｎは、複合ロールの外層と中間層あるいは内層との境界にガス欠陥を生成することがあるので、Ｎは0.07％未満に限定することが好ましい。なお、Ｂは、溶解原料のスクラップや鋳造用フラックスから混入して不可避的不純物元素として含有される場合がある。Ｂは、炭化物や基地に固溶して炭化物の性質を変化させたり、基地に固溶して基地の焼入れ性に影響を及ぼし、品質バラツキを醸成することがある。このため、Ｂは極力低減した方が好ましいが、Ｂは0.1％以下であれば、本発明の効果に悪影響を及ぼすことはない。ここで、上記した不可避的不純物元素は、合計で1％未満に調整することが好ましい。
【０１１６】
さらに、本発明における圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材は、上記の組成を含み、かつＷ、Co、Mo、Feの含有量が次の[１]式を満足する。
【０１１７】
1.2≦（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）≦9.0      [１]
ここで、％Ｗ、％Mo、％Co、％Feは、各元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【０１１８】
（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）が1.2以上になると、硬質炭化物が多量に集積し、且つ、ＷおよびMoが基地に固溶する量も増えるため、両者の複合的な作用により、270GPa以上のヤング率となる。従来の高速度工具鋼系のロールは、被圧延材と接触する表層のヤング率が220〜235GPa程度であり（たとえば、非特許文献４、５を参照）、ヤング率が270GPa以上であれば、ロール表層の弾性変形抑制による圧延荷重低減効果が得られる。（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）が1.2未満でも、上記組成範囲を満足すれば耐摩耗性に優れた圧延用ロール外層材が得られるが、ヤング率が270GPa未満であるため、顕著な圧延荷重低減効果は得られない。一方、（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）を9.0超とするには、高価なＷ、Moを多量に添加する必要があり、経済的に不利となるため、（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）は9.0を上限とした。なお、本発明者らの鋭意検討の結果、（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）が上記［１］式を満足することで、基地中のＷおよびMoの固溶量の和が3.5％以上となり、270GPa以上のヤング率が得られることが確認されている。（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）の制御は、溶湯組成や遠心鋳造時の鋳込み温度、遠心力により調整すればよい。なお、好ましくは、（％Ｗ＋％Mo）／（％Co＋％Fe）は4.8以上、7.8以下である。
【０１１９】
また、本発明圧延用ロール外層材は、優れた圧延荷重低減効果を発揮するため、圧延使用時の最大径に相当する位置の表層となる外層材のヤング率が270GPa以上500GPa以下であることが好ましい。上記したように、従来の高速度工具鋼系のロールは、被圧延材と接触する表層のヤング率が220〜235GPa程度であり（たとえば、非特許文献４、５を参照）、ヤング率が270GPa以上であれば、ロール表層の弾性変形抑制による圧延荷重低減効果が得られる。但し、ヤング率を500GPaよりも大きくするには、多量の合金元素の含有が必要になり、経済的に不利になるため、ヤング率は270GPa以上500GPa以下であることが好ましい。
【０１２０】
ヤング率の測定は、圧延使用時の最大径に相当する位置の外層材から、圧縮試験片または引張試験片を採取し、圧縮試験または引張試験における弾性変形時の勾配より算出するか、超音波法のような非破壊測定法で測定してもよい。
【０１２１】
次に、本発明圧延用ロール外層材の好ましい製造方法について説明する。
【０１２２】
本発明では、生産性、ならびに製造コストの観点から、圧延用ロール外層材は、鋳造鋳型を回転させる形式の遠心鋳造法を用いて製造する。これにより、安価に、耐摩耗性に優れた圧延用ロール外層材を製造することができる。
【０１２３】
まず、回転する鋳型に、上記したロール外層材組成の溶湯を、所定の肉厚となるように注湯し、遠心鋳造して、圧延用ロール外層材とする。なお、通常は、鋳型の保護のため、その内面には、ジルコン等を主材とした耐火物が被覆されることが一般的である。なお、本発明では、圧延使用時の最大径に相当する位置における遠心力が120〜250Ｇとなるように回転数を調整して遠心鋳造することが好ましい。高い遠心力を付与することにより、外表面側で比重の大きい硬質炭化物の分散密度を高くできる。
【０１２４】
本発明では、得られた圧延用ロール外層材は、単体のスリーブとして、そこに軸材を嵌合して、圧延用ロールとしてもよい（例えば、図８を参照）。また、得られた圧延用ロール外層材は、その内側に溶着一体化した中間層を設け、中間層を有するスリーブとして、そこに軸材を嵌合して、圧延用ロールとしてもよい。なお、中間層は、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することにより形成することが好ましい。中間層材として、黒鉛鋼、1〜2質量％Ｃの高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等が例示できる。なお、これら圧延用ロールの軸材はとくに限定されないが、別途製造された鍛鋼品（軸）、鋳鋼品（軸）、鋳鉄品（軸）とすることが好ましい。
【０１２５】
さらに本発明では、上記した圧延用ロール外層材を外層とし、該外層と溶着一体化した内層とからなる複合ロールとするか、あるいは上記した圧延用ロール外層材を外層とし、該外層と溶着一体化した中間層、該中間層と溶着一体化した内層とからなる複合ロールとしてもよい。
【０１２６】
中間層を形成する場合には、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。なお、中間層材としては、黒鉛鋼、1〜2質量％Ｃの高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等を用いることが好ましい。中間層と外層とは一体溶着されており、外層成分が中間層へ10〜90％程度の範囲で混入する。内層への外層成分の混入量を抑える観点から、外層成分の中間層への混入量はできるだけ低減しておくことが望ましい。
【０１２７】
また、一般的に、内層は、外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層材を静置鋳造して形成される。ここで、静置鋳造される内層材としては、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄（CV鋳鉄）などを用いることが好ましい。なお、中間層がなく、外層と内層が一体溶着されている複合ロールでは、外層材の成分が1〜10％程度、内層に混入することが多い。外層材に含まれるＷ、Cr、Ｖ等は強力な炭化物形成元素であり、これら元素が内層へ混入すると、内層を脆弱化する。このため、本発明では、外層成分の内層への混入率は5％未満に抑えることが好ましい。
【０１２８】
上記した圧延用ロール外層材、圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、1000〜1200℃に加熱し5〜40ｈ保持したのち、炉内で冷却したり、空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに400〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。なお、本発明圧延用ロール外層材、圧延用複合ロールの硬さは、用途に応じて、79〜100HSの範囲内で調整 することが好ましい。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理を調整することが推奨される。
【実施例】
【０１２９】
〔実施例１〕
まず、上述した第１の実施形態における実施例について説明する。【０１３０】
表１に示す組成の溶湯を、高周波誘導炉で溶解し、遠心鋳造法により、試験材としてスリーブ状のロール外層材（外径：250mmφ、径方向肉厚：55mm）を鋳造した。なお、鋳込み温度は1450〜1550℃、遠心力は重力倍数で140〜220Ｇとした。一部試験材（溶湯No.Ｓ）では内面への著しい炭化物偏析が生じたため、この偏析を減少させる目的で60Ｇとした。鋳造後、1050〜1200℃に再加熱し10ｈ保持した後、100℃以下まで冷却する焼入れ処理、および400〜560℃に加熱・保持し冷却する焼戻処理を、１回あるいは２回繰返して施した。これにより、試験材の外表面から肉厚方向に5mmの位置における硬さをおおよそ85〜100HSに調整した。なお、鉄鋼の熱間仕上圧延用ロールとして使用されている市販の遠心鋳造製外層材組成（ハイスロール系組成：2.2％Ｃ−0.4％Si−0.4％Mn−5.3％Cr−5.2％Mo−5.6％Ｖ−1.1％Nb）の溶湯（溶湯No.Ｖ）を溶解し、同様にスリーブ状のロール外層材を鋳造し、鋳造後熱処理を施して、試験材（硬さ85HS）とし、従来例（試験材No.22）とした。【０１３１】
上記熱処理を施した試験材から、組成分析用試験片、摩耗試験用試験片を採取した。なお、試験材No.19は、非常に割れやすく試験材の採取が極めて困難であった。【０１３２】
なお、組成分析用試験片は、上記した熱処理後の試験材の外表面から径方向に5mm研削し、その研削後の外表面から径方向に5mm、外表面に平行な面で10mm×10mmの大きさの試験片を採取した。得られた試験片を用いて、各成分元素の分析を行った。分析方法は、化学分析とし、Ｃは燃焼法、Si、Ｗは重量法、Mn、Cr、Moは原子吸光法、Coは容量法、Feは容量法または原子吸光法とした。【０１３３】
得られた結果を表２に示す。【０１３４】
また、摩耗試験片（外径60mmφ×幅10mm）は、上記した熱処理後の試験片から、摩耗試験片の幅中央位置が、該試験材の外表面から径方向に10mmの位置となるように採取した。なお、摩耗試験は、図２に示すように、試験片（摩耗試験片）と相手材（材質：S45C、外径190mmφ×幅15mm）との２円盤すべり転動方式で行った。【０１３５】
摩耗試験は、試験片を水冷しながら、回転数：700rpm（周速：2.1m/s）で回転する試験片に、850℃に加熱した相手片を荷重980Nで圧接しながら、すべり率：14.2％で転動させた。試験片の転動回数が21000回ごとに相手材を更新し、累積回転数が168000回になるまで転動させた。試験終了後に、摩耗試験片の摩耗減量を調査した。得られた摩耗減量について、従来例（試験材No.22）の摩耗減量を基準（1.0）とし、基準に対する各試験材の摩耗減量の比（：耐摩耗比＝（従来例の摩耗減量）／（当該試験材の摩耗減量））を算出し、耐摩耗性を評価した。耐摩耗比が3以上である場合を記号「◎」、耐摩耗比が2以上3未満である場合を記号「○」、耐摩耗比が2未満である場合を記号「×」とそれぞれ示し、記号◎は大変よい、記号○は良い、記号×は劣るとそれぞれ評価した。【０１３６】
得られた結果を表３に示す。【０１３７】
【表１】
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【０１３８】
【表２】
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【０１３９】
【表３】
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【０１４０】
実施例１では、本発明例はいずれも、耐摩耗比が2.1以上と従来例（ハイスロール）に比べ格段に耐摩耗性が向上している。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、試験途中で割れが発生したり、耐摩耗比が2未満と従来例に比べて耐摩耗性の改善が少ない。【０１４１】
なお、本発明例（No.13、No.5）について組織を観察し図１に示す。熱処理後の試験材外表面から径方向に5mmの位置が観察面となるように組織観察用試験片を採取し、走査型電子顕微鏡（倍率：250倍）で観察し、反射電子像を得た。白色領域が初晶炭化物（Ｗが濃化したM６C型炭化物）であることを確認している。本発明例では、試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面側に初晶炭化物が高密度に分散していることがわかる。【０１４２】
なお、参考として、試験材No.11（本発明例）について、熱処理後の試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38mmの位置（38mm位置）で、該位置から径方向に5mm、外表面に平行な面で10mm×10mmの大きさの組成分析用試験片を採取した。そして、化学分析により各位置での組成を分析した。得られた結果を表２に併記した。【０１４３】
また、試験材No.11（本発明例）について、摩耗試験片の試験面が、熱処理後の試験材外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38〜48mmの範囲の位置（38mm位置）となるように、摩耗試験片を採取した。上記した条件と同様に、摩耗試験を実施し、摩耗減量を測定した。得られた結果を表３に併記した。【０１４４】
表２から、試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面には、主にＷが濃化しており、外表面から径方向に18mm離れた位置（18mm位置）、外表面から径方向に38mm離れた位置（38mm位置）では、Ｗの比率が減少し、Co、Fe等の比率が増加し、明らかに傾斜組成となっていることがわかる。そのため、表３からわかるように、外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38mm離れた位置（38mm位置）では、外表面から径方向に10mmまでの領域に比べて耐摩耗性が低下している。【０１４５】
〔実施例２〕
次に、上述した第２の実施形態における実施例について説明する。【０１４６】
表４に示す組成の溶湯を、高周波誘導炉で溶解し、遠心鋳造法により、試験材としてスリーブ状のロール外層材（外径：250mmφ、径方向肉厚：55mm）を鋳造した。なお、鋳込み温度は1450〜1550℃、遠心力は重力倍数で140〜220Ｇとした。一部試験材（溶湯No.Ｓ）では内面への著しい炭化物偏析が生じたため、この偏析を減少させる目的で60Ｇとした。鋳造後、1050〜1200℃に再加熱し10ｈ保持した後、100℃以下まで冷却する焼入れ処理、および400〜560℃に加熱・保持し冷却する焼戻処理を、１回あるいは２回繰返して施した。これにより、試験材の外表面から肉厚方向に5mmの位置における硬さをおおよそ85〜100HSに調整した。なお、鉄鋼の熱間仕上圧延用ロールとして使用されている市販の遠心鋳造製外層材組成（ハイスロール系組成：2.2％Ｃ−0.4％Si−0.4％Mn−5.3％Cr−5.2％Mo−5.6％Ｖ−1.1％Nb）の溶湯（溶湯No.Ｖ）を溶解し、同様にスリーブ状のロール外層材を鋳造し、鋳造後熱処理を施して、試験材（硬さ85HS）とし、従来例（試験材No.22）とした。【０１４７】
上記熱処理を施した試験材から、組成分析用試験片、摩耗試験用試験片、ヤング率測定用試験片、および圧延荷重評価用ロール試験片を採取した。なお、試験材No.19は、非常に割れやすく試験材の採取が極めて困難であった。【０１４８】
なお、組成分析用試験片は、上記した熱処理後の試験材の外表面から径方向に5mm研削し、その研削後の外表面から径方向に5mm、外表面に平行な面で10mm×10mmの大きさの試験片を採取した。得られた試験片を用いて、各成分元素の分析を行った。分析方法は、化学分析とし、Ｃは燃焼法、Si、Ｗは重量法、Mn、Cr、Moは原子吸光法、Coは容量法、Feは容量法または原子吸光法とした。【０１４９】
得られた結果を表５に示す。【０１５０】
また、摩耗試験片（外径60mmφ×幅10mm）は、上記した熱処理後の試験片から、摩耗試験片の幅中央位置が、該試験材の外表面から径方向に10mmの位置となるように採取した。なお、摩耗試験は、図７に示すように、試験片（摩耗試験片）と相手材（材質：S45C、外径190mmφ×幅15mm）との２円盤すべり転動方式で行った。【０１５１】
摩耗試験は、試験片を水冷しながら、回転数：700rpm（周速：2.1m/s）で回転する試験片に、850℃に加熱した相手片を荷重980Nで圧接しながら、すべり率：14.2％で転動させた。試験片の転動回数が21000回ごとに相手材を更新し、累積回転数が168000回になるまで転動させた。試験終了後に、摩耗試験片の摩耗減量を調査した。得られた摩耗減量について、従来例（試験材No.22）の摩耗減量を基準（1.0）とし、基準に対する各試験材の摩耗減量の比（：耐摩耗比＝（従来例の摩耗減量）／（当該試験材の摩耗減量））を算出し、耐摩耗性を評価した。耐摩耗比が3以上である場合を「◎」、耐摩耗比が2以上3未満である場合を「○」、耐摩耗比が2未満である場合を「×」と評価した。なお、記号◎は大変よい、記号○は良い、記号×は劣る、をそれぞれ示す。【０１５２】
ヤング率測定用試験片（φ16×5mm厚み）は、上記した熱処理後の試験材の外表面から径方向に5mm研削し、その研削後の外表面から径方向に5mm、外表面に平行な面でφ16mmの大きさの試験片を採取した。得られた試験片を用いて、超音波法でヤング率を測定した。【０１５３】
また、上記した熱処理後の試験材を外表面から径方向に10mm研削して研削後の表面を外表面とするロール試験片（外径230mmφ×幅40mm）を採取し、図８に示すように、炭素鋼鍛鋼製の軸材に焼嵌めして圧延荷重評価用の複合ロールとした後、該複合ロールを、4Hiの薄板冷間圧延機（バックアップロール：外径500mmφ×胴長40mm）に設置し、引張強度590MPaの鋼板（板幅20mm、板厚1.5mm×長さ20m）を被圧延材として板厚減少率20%の冷間圧延を施した際の圧延荷重を測定した。その結果から、従来例である試験材No.22の圧延荷重を基準として基準に対する各ロール試験片の圧延荷重の低減量（＝１００−当該試験材の圧延荷重／従来例の圧延荷重×１００）を算出し、圧延荷重が10%以上低減した場合を圧延荷重の低減効果が認められるとした。【０１５４】
得られた結果を表６に示す。【０１５５】
【表４】
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【０１５６】
【表５】
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【０１５７】
【表６】
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【０１５８】
実施例２では、本発明例はいずれも、耐摩耗比が2.1以上と従来例（ハイスロール）に比べ格段に耐摩耗性が向上しており、且つ、従来例に比べて10％以上圧延荷重が低減しており、優れた圧延荷重低減効果を示す。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、試験途中で割れが発生したり、耐摩耗比が2未満と従来例に比べて耐摩耗性の改善が少ないか、またはヤング率が270GPa未満であるため圧延荷重低減効果が小さい。【０１５９】
なお、本発明例（No.13、No.5）について組織を観察し図６に示す。熱処理後の試験材外表面から径方向に5mmの位置が観察面となるように組織観察用試験片を採取し、走査型電子顕微鏡（倍率：250倍）で観察し、反射電子像を得た。白色領域が初晶炭化物（Ｗが濃化したM６C型炭化物）であることを確認している。本発明例では、試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面側に初晶炭化物が高密度に分散していることがわかる。【０１６０】
なお、参考として、試験材No.11（本発明例）について、熱処理後の試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38mmの位置（38mm位置）で、該位置から径方向に5mm、外表面に平行な面で10mm×10mmの大きさの組成分析用試験片を採取した。そして、化学分析により各位置での組成を分析した。得られた結果を表５に併記した。【０１６１】
また、試験材No.11（本発明例）について、摩耗試験片の試験面が、熱処理後の試験材外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38〜48mmの範囲の位置（38mm位置）となるように、摩耗試験片を採取し、上記した条件と同様に、摩耗試験を実施し、摩耗減量を測定した。得られた結果を表６に併記した。【０１６２】
表５から、試験材（スリーブ状ロール外層材）外表面には、主にＷが濃化しており、外表面から径方向に18mm離れた位置（18mm位置）、外表面から径方向に38mm離れた位置（38mm位置）では、Ｗの比率が減少し、Co、Fe等の比率が増加し、明らかに傾斜組成となっていることがわかる。そのため、表６からわかるように、外表面から径方向に18mmの位置（18mm位置）および38mm離れた位置（38mm位置）では、外表面から径方向に10mmまでの領域に比べて耐摩耗性が低下している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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