(57)【要約】【課題】耐熱亀裂性、耐焼き付き性を改善した熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、さらにＮｉ：０．５〜３．０％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｗ：０．１〜１．０％のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる硬化肉盛溶接材料を使用して、熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント表面に硬化肉盛層を溶接する。【効果】セグメントの耐熱亀裂性、耐焼き付き性を改善することで、異材粉の鋼帯への焼き付きを抑え、切り捨てによる歩留まり低下が防止される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、さらにＮｉ：０．５〜３．０％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｗ：０．１〜１．０％のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料。
【請求項２】
Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．０１〜０．１％のうちの１種以上を含有する請求項１記載の熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料。
【請求項３】
請求項１または２記載の肉盛溶接材料を使用する熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の肉盛溶接材料を用いて肉盛溶接した熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱亀裂性に優れた熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料と、その肉盛溶接方法、および肉盛溶接したセグメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、熱間圧延とは、塊状の金属材料を数百〜千数百℃に加熱した後、熱間圧延ライン上に抽出し、ローラーで挟圧しつつそのローラーを回転させ、薄く延ばすことをいう。
【０００３】
鋼をはじめとする金属帯の熱間圧延は、図４にその一例を示すような熱間圧延ライン１００にて行なう。金属材料（被圧延材８）を加熱炉１０で加熱し、粗圧延機１２、仕上圧延機１８などの圧延機群により順次圧延し、巻取装置２４で巻き取る。
熱間圧延ライン１００には、前記した装置の他に図４に示したクロップシャー１４、デスケーリング装置１６、冷却ゾーン２２などの付帯設備も配置されている。そして、各圧延機をはじめとする各設備間には図示しない多数のテーブルローラがあり、これにより被圧延材８が搬送される。
【０００４】
巻取装置２４を拡大して示すと図３の通りであり、３００〜８００℃の高温の鋼帯を巻き取る心棒にあたるマンドレル２４２は、複数のセグメント２４４と呼ばれる部材から構成されていて、図示しない機構により、このセグメント２４４が外方に移動することでマンドレル２４２の直径が拡大し、内方に移動することでマンドレル２４２の直径が縮小する。
【０００５】
マンドレル２４２の直径が拡大した状態で、それと接するラッパーロール２４６をともに回転させ、その間に金属帯を導入することでその先端を巻き取り、数巻きの巻取りが終了するとラッパーロール２４６は開放する。そのまま金属帯尾端まで巻き取り、巻き取りが終了し、コイル状に巻かれた金属帯の回転を停止させた後、ただちに、マンドレル２４２の直径を縮小することでコイル状に巻き取られた金属帯を抜き出せるようにしているのである。
【０００６】
以下、鋼の熱間圧延の場合を例として説明する。
この熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントは、鋼帯先端と接触し、ときには擦動し、そして巻き締まりによる力が加わるため、耐熱的な観点から水冷されるが、鋼帯との接触による入熱と水冷による抜熱の繰り返しで熱疲労し、長期間の使用のうちには亀裂が発生するなどして劣化する。
【０００７】
そこで、マンドレルのセグメント劣化を抑制し、長寿命化を図るために従来よりセグメント材質の面で工夫が図られ、このマンドレルのセグメント用素材としては、ＪＩＳ　Ｇ　５１１１のＳＣＭｎ低合金鋼の遠心鋳造材あるいは同成分の鍛鋼材が使用されていた。また、摩耗対策として、肉盛などの溶接による補修が行なわれる場合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、遠心鋳造材や鍛鋼材のセグメントは、巻取温度が６００〜８００℃と高温の部類の鋼帯先端を巻き取った場合の、高温での摺動による摩耗や、冷却水起因の腐食による減肉に対する耐久性が十分でなく、早期に劣化し、頻繁に交換する必要が生ずるという問題があった。
【０００９】
また、腐食による減肉を抑制しようとして冷却水の供給流量を減らすと、前述のような高温の鋼帯先端の巻き取り時にセグメント表層の塑性流動が起こり、焼き付きが発生して、鋼帯巻き取り始めに相当する先端数ｍにかけて、セグメントの外形が圧痕として転写する場合があり、切り捨てにより歩留まりが低下する問題があった。
【００１０】
そこで、従来からＪＩＳ　Ｚ　３２２３に規定するような硬化肉盛材を使用してマンドレルのセグメントの硬化肉盛補修が行なわれていたが、腐食や摩耗による減肉は遠心鋳造材や鍛鋼材よりも少ないものの、熱疲労による亀裂は比較的早期に発生し、さらに亀裂起因の微小な欠け落ちが、やはり鋼帯巻き取り始めの数ｍにかけて異材粉として焼き付き、切り捨てにより歩留まりが低下するという問題もあった。
【００１１】
本発明は前記従来技術における問題点を解消し、耐熱亀裂性に優れた熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料とその肉盛溶接方法および肉盛溶接したセグメントを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント表面に、所定成分を含む硬化肉盛溶接層を形成することが有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
前記の知見に基づいてなされた本発明は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％を含有し、さらにＮｉ：０．５〜３．０％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｗ：０．１〜１．０％のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料を要旨としている。
【００１４】
また本発明は、前記の他にさらにＴｉ：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．０１〜０．１％のうちの１種以上を含有する熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接材料もその要旨である。
【００１５】
そして、前記の各肉盛溶接材料を使用する熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントの肉盛溶接方法ならびにこれらの肉盛溶接材料を用いて肉盛溶接した熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメントも本発明の要旨である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の構成と作用を説明する。
本発明に係る熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント肉盛溶接材料の成分組成範囲を規定した理由について説明する。成分含有量はいずれも質量％である。
Ｃ含有量の下限を０．０５％とすることで降伏点を７００ＭＰａ以上にでき、また上限を０．１２％とすることで伸びを１３％以上、絞りを４０％以上確保できるようになり、強度、靱性を十分に維持することができるようになる。
【００１７】
Ｓｉ、Ｍｎ含有量の下限はそれぞれ０．２％、０．５％を下回ると耐熱亀裂性が低下する。また上限の０．８％、１．５％を超えると肉盛溶接中に高温割れが発生するという欠点が現われる。
【００１８】
Ｃｒは、伸び、絞り、降伏点および耐食性を向上させるための有効な添加成分であるが、あまり大量に添加すると熱膨張係数が大きくなり、耐熱亀裂性が低下するとともに高温の鋼帯の先端を巻き取る際の摺動による焼き付きが発生しやすくなる。一方、少量の場合は強度不足となり、耐酸化性も小さく、腐食による減肉も激しくなるため、その含有量を１．０〜５．０％とした。
【００１９】
Ｍｏは、伸び、絞り、降伏点および耐食性を向上させるために適性量添加すると有効である。とくにＣｒとの相乗効果で高温強度を増し、耐摩耗性が改善できる。しかし多量の添加は脆化が著しくなって逆効果であるために、添加量範囲を０．１〜２．０％とした。
【００２０】
以上の５元素は、本発明に係る熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント肉盛溶接材料の成分組成を決定付ける基本成分であり、この５元素に基づく精錬時の作用により、精錬後の本材料の金属組織は低Ｃベイナイト系の硬化組織となる。
【００２１】
またＮｉは、伸び、絞り、耐食性および靱性を向上させるための有効成分であるが、Ｃｒと同様に大量の添加は熱膨張係数が大きくなり、耐熱亀裂性が低下する。少量すぎると、所定の特性を発揮することができないので、添加量範囲を０．５〜３．０％とした。
【００２２】
Ｃｏは、Ｎｉとほぼ同様の効果が得られる成分元素であり、適正な添加量範囲は０．５〜３．０％である。
ＷおよびＶは前述のＣと結びつき、微細な炭化物を析出して強度および硬さを向上させるための有効な添加成分であるが、Ｃ％を０．０５〜０．１２％にした場合、ＷおよびＶはそれぞれ０．１〜１．０％が適量である。すなわち、０．１％未満では強度および硬さの向上効果が少なく、１．０％を超えると脆くなり、耐熱亀裂性が低下する。
【００２３】
これらＮｉ、Ｃｏ、ＷおよびＶは、その１種以上を添加することにより、低Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ系の高靱性ベイナイト組織のさらなる特性向上、微細炭化物の分散による耐摩耗性の向上、高温におけるこれら諸特性を向上改善する相乗効果が期待できる。
【００２４】
つぎに、ＴｉおよびＮは、肉盛溶接材料の結晶粒を微細化する成分として添加するとさらによい性質が得られる。精錬した鋼中には０．０１％未満のＮが含まれることが多いので、Ｔｉの添加のみでＴｉＮを生成させることができるが、Ｎを添加することによりＴｉＮの生成を容易にし、結晶粒を一層微細化することができる。結晶粒を微細化すると、強度、靱性ともに向上し、耐摩耗性、耐熱亀裂性が向上する。
ただし、両元素が少量の場合には効果が小さく、多量に添加すると脆化するため、Ｔｉ、Ｎともに添加量範囲は０．０１〜０．１％とする。
【００２５】
本発明に係る熱間圧延鋼帯巻取装置用マンドレルのセグメント肉盛溶接材料の溶接方法としては、サブマージアーク溶接が望ましい。その場合、図２に示すように、肉盛溶接が必要なセグメント２４４の領域を上面にしてフラックスを盛り、その中に溶接棒２を挿入して通電し、肉盛溶接が必要な領域内に溶接棒を移動させるようにする。
【００２６】
前記サブマージアーク溶接に使用するフラックスの材質としては、塩基性のＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＳｉＯ２系の焼成型が望ましい。この系のフラックスは溶接後の溶接スラグの剥離性、肉盛溶接金属の清浄性改善に効果がある。代表的配合の一例としては、ＣａＯ：２６．０％、Ａｌ２Ｏ３：２３．２％、Ｍｎ：１．０％、ＳｉＯ２：１８．６％、ＭｇＯ：３０．５％、Ｋ２Ｏ：０．７％が汎用されている。
【００２７】
【実施例】
本発明を実施例により具体的に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
本発明においては、図１に示すように、マンドレルのセグメント２４４の全表面に肉盛溶接を実施する。この場合、マンドレルの回転中心軸方向に多列にわたって溶接ビード４を形成するのが１例であるが、これに限らず円周方向に多列に溶接ビードを形成してもよい。
【００２８】
また別の実施態様としては、熱亀裂の発生した部位について、亀裂を塞ぐように肉盛溶接をすることもできる。図１は、１つのセグメント２４４の１部に肉盛溶接を施した状態を示しているが、実際は、全部のセグメントについて全表面に肉盛溶接を行なうのが一般的である。
【００２９】
肉盛溶接材料中には、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｆｅなどの複合炭化物が生成分布するので、熱処理によってこれらの形状分布を制御し、良好な機械的性質を得るようにすることが好ましい。
【００３０】
以上のようにＣ、Ｃｒ、Ｍｏを主成分とした合金鋼に、Ｖ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏを添加することにより、高温での耐摩耗性、高強度、高延性、高靱性、耐焼き付き性、耐食性、耐熱亀裂性を向上でき、マンドレルのセグメントの寿命を大幅に延長することができる。
【００３１】
本発明に係る肉盛溶接材料の製造は、必要な成分元素を添加して転炉で溶融精製した後、角ビレットに鋳造して、丸棒状圧延した後、所定長さに切断して製造する。
【００３２】
実施例
表１に本発明に係る肉盛溶接材料と、従来技術であるＪＩＳ　Ｇ　５１１１のＳＣＭｎ低合金鋼の鍛鋼材（以下ＳＣＭ材という）の成分を比較して示す。
【００３３】
【表１】
2004082201.tif 000003
【００３４】
マンドレルのセグメントに使用しているＳＣＭ材に、表１に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの肉盛溶接材料を、全部のセグメントについて全表面に肉盛溶接し、３ヵ月熱間圧延操業に供用した結果、表２に示すように操業期間内に熱亀裂発生はなく、鋼帯先端とマンドレルのセグメントとの摺動による焼き付きもなかった。
【００３５】
【表２】
2004082201.tif 000004
【００３６】
一方、従来のようなＪＩＳ　Ｇ　５１１１のＳＣＭｎ低合金鋼の鍛鋼材をマンドレルのセグメントに使用し、何ら肉盛溶接補修を行なわなかった場合、１０ヵ月周期でマンドレルのセグメントを新品と交換せざるをえなかった。
【００３７】
前記の未補修マンドレルのセグメントに対して、１０ヵ月経過した時点で従来から用いられているＪＩＳ　Ｚ　３２２３に規定する材料により硬化肉盛溶接を行なった場合には、マンドレルのセグメントを新品と交換するまでの寿命を延ばすことができるのであるが、さらに３ヵ月経過すると焼き付きが発生するようになり、以降は３ヵ月周期で硬化肉盛溶接を繰り返すか、どこかでマンドレルのセグメントを新品と交換するしかなかった。実際には、最初の３ヵ月経過時にマンドレルのセグメントを新品と交換していた。
【００３８】
ところが、本発明に係る肉盛溶接材料Ａ、Ｂによれば、１０ヵ月経過した時点で肉盛溶接したものが、以降、別途調査した結果によれば５ヵ月経過してもなお焼き付きが発生しなかった。また、本発明に係る肉盛溶接材料Ｃ、Ｄによれば、１０ヵ月経過した時点で肉盛溶接したものが、以降、別途調査した結果によれば５ヵ月経過してもなお焼き付きが発生しなかった。
【００３９】
本発明に係る肉盛溶接材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとも、上記期間経過したときに、たまたま年次の大定修タイミングがきたので、そのタイミングにしたがってマンドレルのセグメントを新品と交換することになったが、実際にはさらに長期間使用の可能性も十分にあった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているから、従来のＪＩＳ　Ｚ　３２２３に規定する材料により硬化肉盛溶接補修を行なった場合の問題点であった、耐熱亀裂性、耐焼き付き性を改善することで、異材粉の鋼帯への焼き付きを抑え、切り捨てによる歩留まりの低下を防止することができるようになったとともに、マンドレルのセグメントの交換周期を延長できることで、補修費用の削減も可能となり、さらに、マンドレルのセグメントの摩耗を抑制できることから、長期にわたり、鋼帯の巻き姿がテレスコの少ない状態に安定できるという効果が奏され、産業上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による硬化肉盛溶接をマンドレルのセグメント表面の一部に実施している構造を示す斜視図である。
【図２】硬化肉盛層を形成する溶接状態の説明図である。
【図３】本発明を適用する巻取装置のマンドレルとセグメントの配置を示す概要図である。
【図４】本発明による硬化肉盛溶接を行なったマンドレルのセグメントを組み込んだ熱間圧延ラインを示す概要図である。
【符号の説明】
２　　　　溶接棒
４　　　　溶接ビード
８　　　　被圧延材
１０　　　　加熱炉
１２　　　　粗圧延機
１４　　　　クロップシャー
１６　　　　デスケーリング装置
１８　　　　仕上圧延機
２２　　　　冷却ゾーン
２４　　　　巻取装置
１００　　　　熱間圧延ライン
２４２　　　　マンドレル
２４４　　　　セグメント
２４６　　　　ラッパーロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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