(57)【要約】【課題】耐摩耗性および耐クラック性に優れた圧延用ロールを提供する。【解決手段】本発明の圧延用ロールは、圧延材と接触するロール外層表面の硬さがショア硬さ８７以上であり、外層の破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上であることを特徴とする。また、外層が重量％で、Ｃ：１．０〜２．６％、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：５．０〜１０．０％、Ｗ：０〜５．０％、Ｖ：３．０〜８．０％を含有し、１２．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２０．０％、２Ｍｏ／Ｗ≧３．０、０．２％≦Ｃ−０．２４Ｖ≦０．７％を満足するＦｅ基合金であることを特徴とする。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延材と接触するロール外層表面の硬さがショア硬さ８７以上であり、外層の破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上であることを特徴とする圧延用ロール。
【請求項２】
前記外層が重量％で、Ｃ：１．０〜２．６％、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：５．０〜１０．０％、Ｗ：０〜５．０％、Ｖ：３．０〜８．０％を含有し、１２．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２０．０％、２Ｍｏ／Ｗ≧３．０、０．２％≦Ｃ−０．２４Ｖ≦０．７％を満足するＦｅ基合金であることを特徴とする請求項１に記載の圧延用ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、耐クラック性に優れた圧延用ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延用ロールにおいて、圧延材と接触する外層は一般的に耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐クラック性（耐事故性）が要求される。この要求に応えることを目論んだロール材として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖなどの合金元素を各数％含有させたハイス系材料が用いられている。
【０００３】
このハイス系ロール材は、Ｖ系炭化物であるＭＣ（Ｍはメタルをさす）、Ｍｏ及びＷ系炭化物であるＭ６ＣやＭ２Ｃなどの高硬度炭化物を晶出もしくは析出させ、Ｆｅの基地と炭化物の総和としての硬さを高め、Ｍｏ、Ｗにより高温での基地硬さの低下を抑えた材料であり、特に熱間圧延用ロールの外層に適する。
【０００４】
ハイス系ロール材として、例えばＷＯ８８／０７５９４号ＷＩＰＯ国際公開公報には、外層に金属的に接合した鋼製の軸とからなる耐摩耗複合ロールであって、外層の表面硬さがショア硬さ７０以上であり、外層が重量％でＣ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：２〜７％、Ｍｏ：９％以下、Ｗ：２０％以下、Ｖ：３〜１５％及び残部実質的にＦｅからなり、さらにＮｉ：５％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｎｂ：５％以下のうちいずれか１種以上を含有できることが記載されている。
【０００５】
また、特開平６−１２２９３７号公報には、外層の成分が重量％でＣ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：２〜７％、Ｎｉ：５％以下、Ｍｏ：９％以下、Ｗ：２０％以下、Ｖ：３〜１５％及び残部実質的にＦｅからなり、内層として鍛鋼材もしくは鋳鋼材を用いた複合ロールにおいて、表面の圧縮残留応力を１５〜３５ｋｇｆ／ｍｍ２に付与し、ロール表面におけるショア硬さがＨＳ７０以上で、かつ外層の深さ方向１００ｍｍあたりの硬さ低下がＨＳ３以下、引張強さが７０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、破壊靭性値Ｋ１Ｃが７０ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上であることが記載されている。また、この公報中の実施例では、ロール表面におけるショア硬さがＨＳ７９〜８０、破壊靭性値Ｋ１Ｃが７６ｋｇｆ／ｍｍ３／２であるロール材が記載されている。
【０００６】
また、特開平２−８８７４５号公報には、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：４．０〜１０％、Ｍｏ：３．０〜１０％、Ｗ：３．０〜１０％、Ｖ：２．０〜１０％、Ｃｏ：５．０〜１０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｎｂ：３．０％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる耐摩耗鋳鉄ロール材が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のハイス系ロール材においては、組織中の硬質炭化物を増加させることは、耐摩耗性の向上には有効であるものの、むやみに増やすと靭性の低下を招き、耐クラック性の低下につながる課題が依然として残されていた。このため、圧延用ロールに優れた耐摩耗性、耐クラック性の両者を具備させることは実際には難しく、圧延用ロールの用途に合わせて耐摩耗性あるいは耐クラック性のいずれかを偏重的に考慮して製造せざるを得なかった。
【０００８】
そこで、本発明は上記のハイス系ロール材における問題を解消し、耐摩耗性および耐クラック性に優れた圧延用ロールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、生成される炭化物の中でも比較的硬さが低く耐摩耗性を劣化させる原因となる、またクラックが粒界に沿って進展して耐クラック性を劣化させる原因となるＭ７Ｃ３やＭ２３Ｃ６炭化物を極力抑える必要がある。また、特にＣとＶとＭｏとＷのバランスを最適な条件にすることにより、耐摩耗性に特に付与するＭＣ、Ｍ４Ｃ３、Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃ炭化物を最適な範囲で生成させる必要がある。また、耐クラック性を劣化させる原因となるＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ炭化物を最適な範囲に抑える必要があると考えた。これらの技術的思想により、圧延材と接触するロール材をより一層高硬度化するとともに、ロール材の靭性を高めて耐クラック性を向上できる知見を得て本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明の圧延用ロールは、圧延材と接触するロール外層表面の硬さがショア硬さ８７以上であり、外層の破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上であることを特徴とする。また、本発明において外層が重量％で、Ｃ：１．０〜２．６％、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：５．０〜１０．０％、Ｗ：０〜５．０％、Ｖ：３．０〜８．０％を含有し、１２．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２０．０％、２Ｍｏ／Ｗ≧３．０、０．２％≦Ｃ−０．２４Ｖ≦０．７％を満足するＦｅ基合金であることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明の圧延用ロールは、圧延材と接触するロール外層表面の硬さがショア硬さ８７以上であるので、従来材でのショア硬さ８０程度に比べ、耐摩耗性が格段に良好となる。それとともに、外層の破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上である優れた靭性を兼備するので、圧延事故においてもクラックの発生、進展を抑えることができる。したがって、特に熱間圧延用ロールとして有効に用いることができる。
【００１２】
本発明における各成分元素の含有範囲の限定理由について説明する。
【００１３】
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性を付与すべきＭＣ、Ｍ４Ｃ３、Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃ、Ｍ７Ｃ３などの炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満では炭化物の生成量が不足して耐摩耗性に劣る。Ｃが２．６％を超えると、耐摩耗性は良好であるが、靭性が低下する。
【００１４】
Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、硬さを高くする。Ｃｒが４．０％未満ではその効果が小さい。また、１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ７Ｃ３やＭ２３Ｃ６炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。より好ましいＣｒ含有量は、４．５〜７．０％である。
【００１５】
Ｍｏは、焼入れ性の向上と高温硬さを得るために必要である。基地組織中に固溶して焼入れ性の向上をもたらす。また、Ｃと結合して硬質のＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ炭化物を生成する。Ｍｏが５．０％未満ではその効果が小さい。また、１０．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいてＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ炭化物が多く晶出しすぎ、破壊靭性値Ｋ１Ｃが低下する。
【００１６】
Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性の向上と高温硬さを得るために必要である。基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ炭化物を生成する。Ｗの下限は０％である。また、５．０％を超えると、Ｍ６Ｃ炭化物が増加して靭性及び耐肌荒れ性の点で好ましくない。
【００１７】
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３を形成する。Ｖが３．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が劣化する。Ｖが８．０％を超えると、本発明のＣ含有量とのバランスにより、初晶としてオーステナイト、もしくはＭＣ、Ｍ４Ｃ３炭化物が晶出する。オーステナイトが初晶で晶出すれば硬さが不十分となる。また、ＭＣ、Ｍ４Ｃ３が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、圧延用ロールとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ４Ｃ３の凝集偏析が被圧延材に転写されるので好ましくない。
【００１８】
１２．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２０．０％
Ｍｏ、Ｗは焼入れ性の向上、炭化物形成などでその効果が類似しており、重量比で見た場合、その原子量差からＭｏはＷのほぼ２倍の効果がある。本発明の最も特徴とするものの一つに、Ｍｏ、Ｗ含有量とショア硬さ、破壊靭性値の相関がある。２Ｍｏ＋Ｗが１２．０％以上の場合、焼入れ性の向上が顕著になり、ショア硬さ８７以上を安定して確保できる。また、２Ｍｏ＋Ｗが２０．０％を超えると、Ｍ２Ｃ、Ｍ６Ｃの炭化物を多く晶出させすぎ破壊靭性値Ｋ１Ｃが低下するので好ましくない。
【００１９】
２Ｍｏ／Ｗ≧３．０
ＭｏとＷは、炭化物形成と基地硬さの上昇に関してほぼ同様な効果があるが、Ｗに対してＭｏは基地の粘さを向上させる効果を有する。また、炭化物形成においてＷはＭ６Ｃ炭化物を晶出させる効果がＭｏに比べて大きい。Ｍｏ、Ｗが形成する炭化物としてＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃがあるが、凝固時に晶出するＭ２Ｃに対してＭ６Ｃは粗大になりやすい。これらのことより、前述の１２．０％≦２Ｍｏ＋Ｗ≦２０．０％を満たすにあたり、Ｗを多く添加すると基地粘さが向上せず粗大Ｍ６Ｃを晶出させて破壊靭性値Ｋ１Ｃが向上しないのでＭｏを多く添加したほうがよい。２Ｍｏ／Ｗ≧３．０とすることで、基地粘さを十分に向上させ、粗大Ｍ６Ｃの晶出を防止できることにより、破壊靭性値Ｋ１Ｃを７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上にすることができる。
【００２０】
０．２％≦Ｃ−０．２４Ｖ≦０．７％
Ｖの含有量が多すぎるとＶＣ炭化物にＣをとられるため、基地組織のＣ含有量が不足して、焼入れ後の硬さが低くなる。Ｖの含有量が少なすぎるとＶＣ炭化物が不足し硬さが低くなる。そこで、Ｃ、Ｖのバランスを考慮した０．２％≦Ｃ−０．２４Ｖ≦０．７％の条件を満足すれば、ショア硬さ８７以上を安定して確保できる。
【００２１】
また、本発明のロール材の成分元素として、Ｓｉの含有量は０．１〜３．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ６Ｃ炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．１％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、３．０％を超えると脆化が生じやすい。
【００２２】
Ｍｎの含有量は０．１〜３．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．１％未満では脱酸性に乏しい。また、３．０％を超えると残留オーステナイトが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できない。
【００２３】
本発明の圧延用ロールは、遠心鋳造法、鋳掛け肉盛法などにより製造される。なかでも製造コスト的に有利な遠心鋳造法がより好ましい。また、本発明のロール材を外層とし、内層と金属接合させた複合ロールが好ましいが、本発明のロール材で形成される単体ロールにも当然ながら適用できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の圧延用ロール材の実施例について以下に説明する。
【００２５】
表１に示す圧延用ロール材の化学組成（重量％）にて、Ｎｏ．１〜４の本発明実施例の各供試材と、Ｎｏ．５〜１１の比較例の各供試材を、１５００〜１５５０℃まで加熱、溶解し、直径９０ｍｍ、高さ９０ｍｍの円柱状の鋳型に鋳込んだ。冷却後、インゴットを取りだし、１０００〜１２００℃で、焼入れを行い、５００〜６００℃で３回焼戻しを行った。
【００２６】
その後、インゴットの中央部から硬さ測定用の試験片を採取した。硬さは各供試材の表面の硬さをショア硬さ計により測定した。
【００２７】
また、インゴットの中央部から破壊靭性値Ｋ１Ｃ測定用の試験片を採取した。破壊靭性値Ｋ１ＣはＡＳＴＭ　Ｅ３９９に準拠した試験により測定した。
【００２８】
供試材Ｎｏ．１〜４は、本発明の請求項に掲げたＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの成分範囲内で調整し、さらに本発明の２Ｍｏ＋Ｗ、２Ｍｏ／ＷおよびＣ−０．２４Ｖの各条件を満足するものである。また、供試材Ｎｏ．５〜１１は、本発明の２Ｍｏ＋Ｗ、２Ｍｏ／ＷおよびＣ−０．２４Ｖのいずれかの条件から外れるものである。表１に、ショア硬さ及び破壊靭性値Ｋ１Ｃの測定結果を併記する。また、図１に各供試材における供試材表面のショア硬さと破壊靭性値Ｋ１Ｃの関係を示す。
【００２９】
【表１】
2004068027.tif 000002
【００３０】
表１から、ショア硬さについては、本発明の実施例である供試材Ｎｏ．１〜４において、２Ｍｏ＋Ｗ、２Ｍｏ／ＷおよびＣ−０．２４Ｖのいずれの条件も満足しており、ショア硬さ８７以上を安定して得られることが確認できた。
【００３１】
同様に、表１から、破壊靭性値Ｋ１Ｃについては、本発明の実施例である供試材Ｎｏ．１〜４において、２Ｍｏ＋Ｗ、２Ｍｏ／ＷおよびＣ−０．２４Ｖのいずれの条件も満足しており、硬さが上昇しても破壊靭性値Ｋ１Ｃの低下が見られず、７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上を安定して得られることが確認できた。
【００３２】
また、比較例の供試材Ｎｏ．５〜１１では、本発明の特徴である２Ｍｏ＋Ｗ、２Ｍｏ／ＷおよびＣ−０．２４Ｖのいずれかの条件を外れるため、ショア硬さ８７以上、破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上を同時に満足し得なかった。すなわち、硬さが高いと破壊靭性値Ｋ１Ｃが小さく、破壊靭性値Ｋ１Ｃが大きいと硬さが不足し、十分な耐摩耗性と耐クラック性を兼備できなかった。
【００３３】
また、遠心鋳造機を用い、本発明実施例である供試材Ｎｏ．１の成分を胴部外層に有する胴径φ６００ｍｍ、胴長１８３０ｍｍの熱間圧延用の遠心鋳造製複合ロールを製造した。ロールは胴部表面の硬さがショア硬さ８８、胴部端部の破壊靭性値Ｋ１Ｃは８４ｋｇｆ／ｍｍ３／２であった。さらに胴部端部の組織調査、及び超音波非破壊調査を行い、組織、欠陥の調査を行い、健全なロールであることを確認した。実際の圧延に供したところ従来の遠心鋳造複合ロールより、耐摩耗性に優れ、圧延操業に起因する耐事故性にも優れることがわかった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の圧延用ロールは、圧延材と接触するロール外層表面の硬さがショア硬さ８７以上と高硬度であるとともに、外層の破壊靭性値Ｋ１Ｃが７５ｋｇｆ／ｍｍ３／２以上と靭性が高く、耐摩耗性および耐クラック性に優れ、安定した圧延を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各供試材における供試材表面のショア硬さと破壊靭性値Ｋ１Ｃの関係を示すグラフである。
【図１】
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