(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロール胴部の外周部分を構成する外層材が、炭化物を分散させた鉄基合金からなる熱間圧延用ロールにおいて；
前記外層材の鉄基合金が、
質量％で、
Ｃ：２．５〜４．０％、
Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｃｒ：５．０〜１５．０％、
Ｍｏ＋０．５×Ｗ：５．０〜１５．０％、
Ｖ：７．０〜１５．０％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物
からなり、
かつ、前記外層材の表面において、鉄基合金中の炭化物として、ＭＣ型炭化物が面積率で１０〜２０％、共晶炭化物が面積率で５〜２０％分散されており、
しかも、前記ＭＣ型炭化物のうち、表面における等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物が、表面の１ｍｍ２当たり３００個以上存在することを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項２】
請求項１に記載の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、質量％で、Ｎｂ：０．１〜５．０％を含有することを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項３】
請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、
質量％で、
Ｎｉ：０．１〜１０％、
Ｃｏ：０．１〜１０％、
Ｂ：０．０１〜０．５％
のうちから選ばれた１種以上を含有することを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかの請求項に記載の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ少なくとも１種類以上を、合計の質量％で、０．０１〜０．５％含有することを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載の熱間圧延用ロールにおいて、
等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にある前記ＭＣ型炭化物の面積率が、全てのＭＣ型炭化物の面積率の０．７倍以上であることを特徴とする熱間圧延用ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材などの熱間圧延に使用される熱間圧延用ロールに関し、特に胴部の外層材が、炭化物を分散させた鉄基合金からなる熱間圧延用ロールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、熱間圧延用ロールとしては、被圧延材に接する胴部外周面に良好な耐摩耗性を確保するため、鍛鋼やダクタイル鋳鉄等の高靭性を有する内層材（軸材）の外面に、炭化物を分散させた鉄基合金、すなわちいわゆるハイス系合金を外層材として形成した複合ロールが多用されるようになっている。
【０００３】
このようなハイス系合金を外層材とした熱間圧延用ロールに関する従来の技術、とりわけ外層材の炭化物に関する従来の技術として、特許文献１〜３に示されている技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、ハイス系合金の組織中にＭＣ型炭化物が面積率で７〜１５％、ＭＣ型炭化物以外の共晶炭化物が面積率で１５％以下分散していることを特徴とする熱間圧延用ロール材に関する技術が開示されている。
特許文献２には、外層表面の硬さがショア硬さ８７以上であり、６００℃における外層表面の基地硬さがビッカース硬さ３５０以上であることを特徴とする熱間圧延用ロール材に関する技術が開示されている。
特許文献３には、ハイス系合金の組織中に粒径２μｍ以下の微小炭化物が１ｍｍ２あたり６００００個以上分散し、隣り合う微小炭化物間の平均距離が１０μｍ以下であることを特徴とする熱間圧延用ロール材に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−５１９１２号公報
【特許文献２】特開２００４−１１４０４９号公報
【特許文献３】特開平９−９９３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では、熱間圧延操業における単位時間あたりの生産量の増加に伴うアイドル時間の短縮や、高強度鋼の生産量増加に伴う圧延負荷増大により、圧延用ロールの熱負荷がますます高まっている。
しかしながら、特許文献１〜３に記載されている従来の熱間圧延用ロール材では、特に高熱負荷の操業条件において、基地の選択的な摩耗及び炭化物や基地を進展する熱亀裂に起因したロール肌荒れの両方を同時に抑制することが困難であり、とりわけ熱亀裂に起因したロール肌荒れについては未だ十分な検討がなされておらず、そのため十分な耐摩耗性と十分な耐熱亀裂性とを同時に満足させることは困難であった。
【０００７】
本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、耐摩耗性と耐熱亀裂性とが同時に優れた熱間圧延用ロールを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上述した課題を解決すべく、ハイス系の鉄基合金中に分散する炭化物の種類及び形状・寸法、さらにはその割合について詳細に実験、検討を重ねたところ、種々の炭化物のうちでも、特定の形状・寸法を有するＭＣ型炭化物には、ロール表面からの亀裂の進展を阻止もしくは抑制する作用があることを新規に見出した。
【０００９】
すなわち、この種のハイス系の鉄基合金においては、炭化物として、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型、Ｍ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型で代表される共晶炭化物と、非共晶タイプのＭＣ型炭化物とが生成されて、基地（マトリックス）中に分散することが知られている。前者の共晶炭化物は、鉄基合金の凝固時に共晶の態様で晶出するため、基地中においてネット状もしくは枝分かれ筋状に分散した状態で存在する。これに対してＭＣ型炭化物は、析出によって、粒子状もしくは微小塊状に分散して存在する。ここでこれらの炭化物は、いずれも耐摩耗性の向上に寄与することは良く知られているが、耐熱亀裂性に及ぼす影響については、これまで解明されていなかった。
【００１０】
しかるに、本発明者等が、これらの炭化物の種類や形状が耐熱亀裂性に及ぼす影響を詳細に調べたところ、ＭＣ型炭化物、とりわけ真球体もしくはそれに近い形状を有するＭＣ型炭化物には、基地中を伝播する亀裂の進展を阻止もしくは抑制する効果があることを新規に知見した。これに対して、共晶炭化物は、亀裂の進展をむしろ助長してしまって、耐熱亀裂性に対して悪影響を及ぼすこと、またＭＣ型炭化物でも、多角形のものや、扁平形状（例えば長楕円形状）のもの、片状（フレーク状）のもの、あるいは表面の凹凸が大きいものなど、真球体から大きく離れた形状のものは、亀裂の進展を阻止もしくは抑制する効果が小さいことを見い出した。
【００１１】
そしてこのような真球体もしくはそれに近い形状を有するＭＣ型炭化物が、ある程度以上、多数分散していれば、それによって優れた耐熱亀裂性が担保されるため、耐熱亀裂性に悪影響を与えるおそれがあるＭｏやＣｒなどを主な構成元素とした共晶炭化物がある程度存在しても、良好な耐熱亀裂性を確保することが可能となる。すなわち共晶炭化物を生成する合金元素の添加量を増やしても、良好な耐熱亀裂性を確保することが可能となるから、共晶炭化物を生成する合金元素の添加量をある程度増やすことによって、基地の熱間硬度を上昇させたり、共晶炭化物の晶出量を増加させて基地の面積（ネット状に存在する共晶炭化物の間隔）を小さく（したがってネット状に存在する共晶炭化物の網目内のスペースを小さく）したりすることにより、耐摩耗性をも向上させ得ることを見い出した。
【００１２】
結局、真球体もしくはそれに近い形状を有するＭＣ型炭化物を、ある程度以上、多数分散させることによって、耐熱亀裂性と耐摩耗性の両特性を、同時に向上させることが可能であることを見出し、本発明をなすに至った。
【００１３】
具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）の熱間圧延用ロールは、
ロール胴部の外周部分を構成する外層材が、炭化物を分散させた鉄基合金からなる熱間圧延用ロールにおいて；
前記外層材の鉄基合金が、
質量％で、
Ｃ：２．５〜４．０％、
Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｃｒ：５．０〜１５．０％、
Ｍｏ＋０．５×Ｗ：５．０〜１５．０％、
Ｖ：７．０〜１５．０％、
残部Ｆｅ及び不可避不純物
からなり、
かつ、前記外層材の表面において、鉄基合金中の炭化物として、ＭＣ型炭化物が面積率で１０〜２０％、共晶炭化物が面積率で５〜２０％分散されており、
しかも、前記ＭＣ型炭化物のうち、表面における等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物が、表面の１ｍｍ２当たり３００個以上存在することを特徴とするものである。
【００１４】
上記の等価面積円とは、外層材表面に表われているＭＣ型炭化物の粒の面積と同じ面積の真円を意味する。したがって、周長が等価面積円の円周長の１．０倍のＭＣ型炭化物とは、そのＭＣ型炭化物が外層材表面において真円であることを意味する。そして等価面積円の円周長に対する倍率が１．０に近いほど、真円に近いことになる。したがって、周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物とは、外層材表面での形状（二次元形状）が真円もしくは真円に近いＭＣ型炭化物を意味する。
【００１５】
ここで、外層材中に分散するＭＣ型炭化物の粒の形状は、実際は三次元の立体であるが、外層材表面において二次元で見た周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物の個数は、平均的に見れば、外層材表面付近における球体もしくはそれに近い形状のＭＣ型炭化物の個数に実質的に相関する。そこで、ここでは外層材表面における二次元での周長を指標とし、その周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物（但し等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内にありもの）の個数を、１ｍｍ２当たり３００個以上と規定している。
【００１６】
外層材鉄基合金中に分散する炭化物のうちでも、ＭＣ型炭化物であって、しかも等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にある炭化物は、熱亀裂の伝播を阻止する効果がある。そこで以下では、このような粒径条件及び周長条件を満たす粒径・形状のＭＣ型炭化物について、“亀裂抑制型ＭＣ型炭化物”と称することとする。そして、この亀裂抑制型ＭＣ型炭化物が、外層材表面に１ｍｍ２当たり３００個以上存在することによって、外層材の耐熱亀裂性を確実に向上させることができる。さらに、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を含む全ＭＣ型炭化物の面積率が１０〜２０％の範囲内であり、しかも共晶炭化物の面積率が５〜２０％の範囲内であれば、耐熱亀裂性ばかりでなく、耐摩耗性をも向上させることができる。
そして本発明では、鉄基合金の成分組成として、前記各炭化物分散条件を満たすことができしかも耐熱亀裂性及び耐摩耗性以外の圧延用ロールに望まれる性能も得られるように、鉄基合金の成分組成を前述のように規定している。
【００１７】
また本発明の第２の態様の熱間圧延用ロールは、前記第１の態様の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、質量％で、Ｎｂ：０．１〜５．０％を含有することを特徴とするものである。
【００１８】
このようにＮｂを添加することも、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の生成に有効である。
【００１９】
さらに本発明の第３の態様の熱間圧延用ロールは、前記第１、第２のいずれかの態様の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、
質量％で、
Ｎｉ：０．１〜１０％、
Ｃｏ：０．１〜１０％、
Ｂ：０．０１〜０．５％
のうちから選ばれた１種以上を含有することを特徴とするものである。
【００２０】
このようにＮｉ、Ｃｏ、Ｂの一種以上を添加すれば、外層材鉄基合金における基地の硬度を高め、ロールの耐摩耗性を、より向上させることができる。
【００２１】
また本発明の第４の態様の熱間圧延用ロールは、前記第１〜第３のいずれかの態様の熱間圧延用ロールにおいて、
前記鉄基合金が、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上を、合計の質量％で、０．０１〜０．５％含有することを特徴とするものである。
【００２２】
このようにＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上の添加は、ＭＣ型炭化物を均一かつ微細に生成させるに寄与し、ひいては前述のような特定の粒径、特定の形状を有する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の生成を促進するために有効である。
【００２３】
本発明の第５の態様の熱間圧延用ロールは、前記第１〜第４のいずれかの態様の熱間圧延用ロールにおいて、
等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にある前記ＭＣ型炭化物の、表面における面積率が、全てのＭＣ型炭化物の面積率の０．７倍以上であることを特徴とするものである。
【００２４】
このように、等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物の面積率、すなわち亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率を、全ＭＣ型炭化物の面積率の０．７倍以上とすることによって、耐熱亀裂性を、いっそう確実に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の熱間圧延用ロールは、耐摩耗性が優れると同時に、耐熱亀裂性にも優れており、したがって本発明の熱間圧延用ロールを使用することにより、高熱負荷の操業条件においても摩耗やロール肌荒れの抑制が可能となり、長寿命化を図ることができる。またそれに伴って、ロール原単位向上、製品の表面品位向上、生産性向上を図ることができるなど、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の熱間圧延用ロールにおける外層材表面の金属組織、とりわけ炭化物の分散状況を示す模式図である。
【図２】ＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面における面積の定義の一例を説明するための模式図である。
【図３】ＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面における周長の定義の一例を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
【００３０】
本発明の熱間圧延用ロールは、基本的には、鍛鋼やダクタイル鋳鉄などの高靭性の鉄系材料を、ロールの軸部を構成する内層材とし、その外面、特に被圧延材に接する胴部の外周面に鉄基合金からなる外層材を形成したいわゆる複合ロールを前提とし、その外層材を構成する鉄基合金の成分組成及び組織を規定している。そこでまず外層材鉄基合金の成分限定理由について説明する。
【００３１】
＜成分組成＞
〔Ｃ：２．５〜４．０質量％〕
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖと化合し、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型、Ｍ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型などの共晶炭化物や、ＭＣ型炭化物などの炭化物を晶析出させ、耐摩耗性を向上させる。Ｃ量が２．５質量％より少なければ、炭化物量が少なくなって十分な耐摩耗性が得られず、４．０質量％より多ければ、基地に固溶するＣが多すぎて、基地の靭性が低下する。このような理由から、Ｃの含有量は２．５〜４．０質量％の範囲内とした。
【００３２】
〔Ｓｉ：０．３〜２．０質量％〕
Ｓｉは、鉄基合金の鋳造性を向上させる。Ｓｉ量が０．３質量％より少なければ、その効果が得られず、２．０質量％よりければ、基地が脆化する。このような理由から、Ｓｉの含有量は０．３〜２．０質量％の範囲内とした。
【００３３】
〔Ｍｎ：０．１〜２．０質量％〕
Ｍｎには溶湯の脱酸や脱硫の効果がある。Ｍｎが０．１質量％より少なければ、この効果が得られず、２．０質量％より多ければ、基地の靭性が低下する。このような理由から、Ｍｎの含有量は０．１〜２．０質量％の範囲内とした。
【００３４】
〔Ｃｒ：５．０〜１５．０質量％〕
Ｃｒは、Ｃと化合してＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型の炭化物、すなわち共晶炭化物を形成るとともに、一部が基地中に固溶して焼入れ性を向上させることによって、耐摩耗性を改善する効果がある。Ｃｒが５．０質量％より少なければ、その効果が得られず、１５．０質量％より多ければ、全炭化物晶析出量に対する、共晶炭化物であるＭ７Ｃ３型炭化物、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の相対的な割合が大きくなって、ＭＣ型炭化物の相対的な割合が小さくなり、その結果、耐熱亀裂性が低下してしまう。このような理由から、Ｃｒの含有量は５．０〜１５．０質量％の範囲内とした。なおＣｒ量は、５．０〜１５．０質量％の範囲内でも、特に６．０〜１３．０質量％の範囲内が好ましい。
【００３５】
〔Ｍｏ＋０．５Ｗ：５．０〜１５．０質量％〕
Ｍｏ及びＷは、いずれもＣと化合して、共晶炭化物であるＭ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型の炭化物を形成するとともに、一部が基地中に固溶して基地の熱間硬度を上昇させ、耐摩耗性を向上させる。Ｍｏ量と、Ｗ量の１／２との合計量、すなわちＭｏ＋０．５Ｗが５．０質量％より低ければ、この効果を得られず、１５．０質量％より高ければ、全炭化物晶析出量に対する共晶炭化物であるＭ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型の炭化物の相対的な割合が大きくなって、ＭＣ型炭化物の相対的な割合が小さくなり、その結果、耐熱亀裂性が低下する。このような理由から、Ｍｏ＋０．５Ｗの量は５．０〜１５．０質量％の範囲内とした。ここで、Ｍｏ、Ｗは、Ｍｏ＋０．５Ｗの量が５．０〜１５．０質量％の範囲を満たせば、いずれか一方のみを単独で添加しても、両者を同時に添加してもよいが、単独で添加する場合は、Ｍｏを添加することによって、Ｍｏ＋０．５Ｗ：５．０〜１５．０質量％の条件を満たさせることが好ましい。その理由は、Ｗ単独で添加量を増加すれば、基地に固溶するＷが多くなりすぎて、基地の靱性が低下するためである。なおＭｏ＋０．５Ｗの量は、５．０〜１５．０質量％の範囲内でも、特に６．５〜１２.５質量％の範囲内が好ましい。
【００３６】
〔Ｖ：７．０〜１５．０質量％〕
ＶはＣと化合してＭＣ型の炭化物を生成する。そして特定の粒径、特定の形状を有するＭＣ型炭化物（亀裂抑制型ＭＣ型炭化物）には、亀裂の進展を止める作用があるため、耐摩耗性や耐熱亀裂性を向上させるために大きく寄与する。Ｖが７．０質量％より少なければ、この効果が得られず、Ｖが１５．０質量％より多ければ、ＭＣ型炭化物の凝集及び粗大化が生じるため、凝集したＭＣ型炭化物の欠け落ちが生じやすくなり、また粗大化したＭＣ型炭化物では熱亀裂進展を停止する効果が小さくなり、その結果、耐熱亀裂性が低下し、ひいては耐肌荒れ性が低下する。
【００３７】
以上の各合金元素のほかは、基本的にはＦｅ及び不可避的不純物であればよいが、必要に応じて、Ｖと同様にＭＣ型炭化物生成元素であるＮｂを添加してもよい。また、基地の硬さ向上を通じて耐摩耗性を一層向上させるためにＮｉ、Ｃｏ、Ｂの少なくとも１種類以上を含有していてもよい。さらに、ＭＣ型炭化物の均一、微細化のために、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上を含有していてもよい。これらの元素の添加理由及び添加量限定理由は次の通りである。
【００３８】
〔Ｎｂ：０．１〜５．０質量％〕
Ｎｂは、Ｖと同様にＣと化合してＭＣ型の炭化物を生成する。そして前述の特定の粒径、特定の形状を有するＭＣ型炭化物には、亀裂の進展を止める作用があるため、耐摩耗性や耐熱亀裂性を向上させるためにＮｂも寄与する。そこで、Ｖの添加と併せて、Ｎｂを添加してもよい。Ｎｂ量が０．１質量％未満では、Ｎｂ添加の効果が得られず、一方Ｎｂ量が５．０質量％越えれば、ＭＣ型炭化物として前述の条件を満たさないものが多くなり（したがって亀裂抑制型ＭＣ型炭化物が少なくなり）、耐熱亀裂性を向上させることが困難となる。そこでＮｂを添加する場合のＮｂ量は、０．１〜５．０質量％の範囲内とした。
【００３９】
〔Ｎｉ：０．１〜１０質量％〕
Ｎｉの添加は、焼入れ性を向上させて、基地の硬さを高め、耐摩耗性の向上に寄与する。Ｎｉが０．１質量％未満ではその効果が得られず、一方Ｎｉが１０質量％を超えれば、残留オーステナイトが増加しすぎてかえって硬度が低下する。このような理由から、Ｎｉを添加する場合のＮｉ量は０．１〜１０質量％の範囲内とした。
【００４０】
〔Ｃｏ：０．１〜１０質量％〕
Ｃｏの添加は、基地の熱間硬度を向上させて、耐摩耗性を向上させるために有効である。Ｃｏが０．１％未満ではその効果が得られず、一方１０％を超えれば基地の靭性が低下する。このような理由から、Ｃｏを添加する場合のＣｏの添加量は０．１〜１０質量％の範囲内とした。
【００４１】
〔Ｂ：０．０１〜０．５質量％〕
Ｂの添加は、組織の結晶粒を微細化させて、基地の硬さ向上させ、耐摩耗性を向上させるために有効である。Ｂが０．０１質量％未満ではその効果が得られず、一方０．５質量％を超えれば、材質が脆化する。このような理由から、Ｂの添加量は０．０１〜０．５質量％の範囲内とした。
【００４２】
〔Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上：合計で０．０１〜０．５質量％〕
Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅは、いずれもＭＣ型炭化物を微細均一に析出させる。そこでこれらのいずれか１種以上を添加することにより、鉄基合金中に分散するＭＣ型炭化物として、前述のような粒径、形状の炭化物、すなわち亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の割合を多くする効果が得られる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上が合計で０．０１質量％未満ではその効果は小さく、一方合計で０．５％を超えれば、溶湯と激しく反応して鋳造作業が困難となる。このような理由から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの１種以上を添加する場合の合計の添加量は、０．０１〜０．５質量％の範囲内とした。
【００４３】
＜炭化物条件＞
本発明のロールにおける外層材の金属組織は、図１に模式的に示しているように、基地（マトリックス）１中に、共晶炭化物３と、ＭＣ型炭化物２とが分散したものとなっている。ここで、共晶炭化物３は網目状（ネット状）もしくは枝分かれ状に存在し、一方ＭＣ型炭化物２は、種々の形状の粒子として分散している。
このような本発明の熱間圧延用ロールに係る炭化物の各条件、すなわちＭＣ型炭化物の面積率条件、共晶炭化物の面積率条件、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を規定する粒径条件及び周長条件、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数（分散密度）条件、さらに全ＭＣ型炭化物の面積率に対する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率条件について説明する。
【００４４】
〔ＭＣ型炭化物の面積率：１０〜２０％〕
本発明の外層材鉄基合金の成分系では、ＭＣ型炭化物は主としてＶによって生成され、またそのほか必要に応じて添加されるＮｂ、さらにＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの少なくとも１種類以上も、ＭＣ型炭化物の生成に寄与する。ＭＣ型炭化物の硬度はＨｖ２５００〜３０００であり、炭化物の中で最も高い硬度を有する。そのため、前述のようなＭＣ型炭化物を分散させることによって、耐摩耗性の向上にも効果がある。すなわち、前述のように特定の粒径、特定の形状の亀裂抑制型ＭＣ型炭化物は、耐熱亀裂性の向上に有効であるが、その特定粒径、特定形状の亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を含め、ＭＣ型炭化物全般に、耐摩耗性を向上させるがある。ここで、外層材表面において全ＭＣ型炭化物の面積率が１０％より小さければ、充分な耐摩耗性が得られない。一方、全ＭＣ型炭化物の面積率を２０％より大きくしようとすれば、ＭＣ型炭化物を均一かつ微細に分散させることが難しくなる。そのため、前述の特定の粒径、特定の形状の亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数を確保することが困難となって、耐熱亀裂性を充分に向上させることが困難となる。このような理由から、外層材表面における全ＭＣ型炭化物の面積率は１０〜２０％の範囲内とした。なお全ＭＣ型炭化物の面積率は、上記範囲内でも、特に１２〜１７％の範囲内が好ましい。
【００４５】
〔共晶炭化物の面積率：５〜２０％〕
本発明において、共晶炭化物とはＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型、Ｍ２Ｃ型、Ｍ６Ｃ型などの炭化物のことであり、本発明の外層材鉄基合金の成分系では、共晶炭化物は主としてＣｒ、Ｍｏ、Ｗによって生成され、またＶも、Ｃｒ、Ｍｏ（＋Ｗ）の含有量のバランスによっては、共晶炭化物の生成に関係する。共晶炭化物は、鉄基合金中において、ネット状あるいは枝分かれ状に晶出して、耐摩耗性の向上に寄与する。外層材表面における共晶炭化物の面積率が５％より小さければ、耐摩耗性が十分ではなく、一方、２０％より大きくしようとすれば、炭化物の構成元素であるＣｒ、Ｍｏ（＋Ｗ）、Ｖの各含有量のバランスが変化し、Ｖが共晶炭化物の形成に寄与してしまう割合が大きくなり、結果的に、最も硬度の高いＭＣ型炭化物の晶析出量が減少してしまって、充分な耐摩耗性の向上が図れなくなるばかりでなく、前述のような特定の粒径、特定の形状の亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数を確保することが困難となって、耐熱亀裂性を充分に向上させることが困難となる。このような理由から、外層材表面におけるＭＣ型炭化物の面積率は５〜２０％の範囲内とした。なお共晶炭化物の面積率は、上記範囲内でも、特に８〜１７％の範囲内が好ましい。
【００４６】
〔亀裂抑制型ＭＣ型炭化物とするＭＣ型炭化物の等価面積円の粒径：５〜４０μｍ〕
等価面積円の粒径が５μｍより小さいＭＣ型炭化物では、亀裂進展を阻止もしくは抑制する効果は期待できず、４０μｍより大きいＭＣ型炭化物の割合が大きくなれば、ＭＣ型炭化物の面積率が同じ条件で比較した場合、ＭＣ型炭化物の間隔が広がり、亀裂がＭＣ型炭化物に衝突する確率が低下して、耐熱亀裂性が向上しない。このような理由から、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物としてその個数を規定するＭＣ型炭化物の等価面積円の粒径を、５〜４０μｍの範囲内と規定した。
【００４７】
〔亀裂抑制型ＭＣ型炭化物とするＭＣ型炭化物の周長：等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍〕
粒子のある断面における面積は、その断面での面積が一定であれば、その断面形状が真円である場合に最も周長が短く、真円形状から外れて、断面形状が角張る、扁平する、凹凸部が増えるというように変化するにつれて、真円の円周長に対して粒子の周長は長くなる。すなわち、ある粒子について、その断面積と同じ断面積を有する真円を等価面積円とすれば、断面形状が真円から変化するにしたがって、等価面積円の円周長に対して粒子の周長は長くなる。
【００４８】
本発明の場合、外層材の表面に表われるＭＣ型炭化物の粒子の面積（三次元的には粒子の断面に相当する）と同じ面積の等価面積円を想定し、そのＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面での周長が、等価面積円の周長の１．０倍に近い場合、すなわち真円に近い場合には、そのＭＣ型炭化物が亀裂の進展を抑制する作用を示す。一方、ＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面での周長が、等価面積円の周長の１．０倍から長くなるほど、すなわち断面形状が真円から遠ざかるほど、そのＭＣ型炭化物は、亀裂の進展を抑制する作用を示さなくなる。本発明者等の実験によれば、等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内のＭＣ型炭化物では、その周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内であれば、有効に亀裂の進展を抑制する作用を示すことが確認されている。外層材表面での粒子の周長が、等価面積円の円周長の１．１倍より長いＭＣ型炭化物では、亀裂進展を止める効果は発揮されない。このような理由から、周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にありかつ等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内にあるＭＣ型炭化物を亀裂抑制型ＭＣ型炭化物とし、次に述べるように亀裂進展抑制のために必要な亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の単位面積当たりの個数（分布密度）を規定している。
【００４９】
なお、上記のようにＭＣ型炭化物の形状が耐熱亀裂性に影響を及ぼし、真円に近いほど耐熱亀裂性が優れる理由は未だ明らかにされてはいないが、真円に近いほど、そのＭＣ型炭化物に亀裂が衝突した際にその亀裂進展のエネルギをＭＣ型炭化物が吸収しやすくなると思われる。すなわち、形状が真円から大きく離れて、扁平な形状や、多角形状、さらには表面の凹凸が激しい形状となれば、亀裂が炭化物と基地との界面に沿って進行したり、あるいは炭化物自体が破壊されてしまって、亀裂進展のエネルギをＭＣ型炭化物が吸収する効果が失われてしまうものと考えられる。
【００５０】
〔亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数：１ｍｍ２当たり３００個以上〕
外層材の表面において、等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の周長を有しかつ等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内にあるＭＣ型炭化物、すなわち亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数が、１ｍｍ２当たり３００個より少なければ、発生した亀裂がＭＣ型炭化物に衝突する確率が低下するため、耐熱亀裂性が充分に向上しない。このような理由から、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数は、１ｍｍ２当たり３００個以上とした。なお亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の１ｍｍ２当たりの個数の上限は特に規定しないが、本発明で規定する鉄基合金の場合、通常は６００個程度以下となる。
【００５１】
〔全ＭＣ型炭化物の面積率に対する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率：０．７倍以上〕
ＭＣ型炭化物の面積率が同じであれば、ＭＣ型炭化物の形状によらず（すなわち、全ＭＣ型炭化物の面積率に対する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率の大きさによらず）、耐摩耗性は実質的に同等となる。一方、耐熱亀裂性については、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積の割合が大きいほど、向上する。外層材表面における亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率が全てのＭＣ型炭化物の面積率の０．７倍より小さければ、耐熱亀裂性改善の効果が充分に得られなくなる。このような理由から、等価面積円の粒径が５〜４０μｍ、等価面積円粒径から求めた円周長の１．０〜１．１倍の周長を有する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率は、全てのＭＣ型炭化物の面積率の０．７倍以上が好ましい。なお、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率の、全てのＭＣ型炭化物の面積率に対する割合は、とりわけ０．８以上が好ましい。
【００５２】
〔ＭＣ型炭化物の粒径についての等価面積円の定義〕
一般に分散粒子を扱う技術分野においては、等価面積円の概念は従来から頻繁に用いられており、本発明でも従来の等価面積円の測定方法、定義に従えばよく、本発明でもＭＣ型炭化物の粒径に関する等価面積円の測定方法、定義は特に限定されないが、一例として、幾何学的な定義を次に説明する。
【００５３】
図２に模式的に示しているように、外層材の表面に、格子のピッチpが例えば０．５μｍの正方格子を描き、格子間の多数の正方形（単位格子）のうち、ＭＣ型炭化物２の外周部分２Ａが横切る単位格子の数をｎ、それよりも内側（ＭＣ型炭化物粒子内部側）の単位格子の数をｍとする。そして、これらの合計数Ｐ（＝ｍ＋ｎ；図２で斜線を施した単位格子の合計数）に、一つの単位格子の面積ｑ（上記の例ではｑ＝ｐ２＝０．２５μｍ２）を乗じた値を、一つのＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面における面積Ｓとする。そしてその面積Ｓを有する真円(等価面積円)を想定して、その円の直径を、等価面積円でのＭＣ型炭化物２の粒径とすればよい。但し実際上は、外層材表面を撮影した画像を用い、画像処理及び演算によって等価面積円でのＭＣ型炭化物の粒径を測定することができる。
【００５４】
〔ＭＣ型炭化物の周長の定義〕
外層材表面におけるＭＣ型炭化物の粒子の周長は、例えば図３に模式的に示す如く、前記と同様に外層材の表面に、格子のピッチpが例えば０．５μｍの正方格子を描き、格子間の多数の正方形（単位格子）のうち、ＭＣ型炭化物２の外周部分２Ａが横切る単位格子（図３で斜線を施した単位格子）の数をｎとする。ここで、一つの単位格子を横切るＭＣ型炭化物の外周部分の長さは、隣接する単位格子の中心間を結んだ線の総線長合計と見積もることができる。そこで、縦方向及び横方向に隣接する単位格子の中心間の長さをｐ、斜め方向に隣接する単位格子の中心間の長さを√２×ｐと見積もり、単位格子が縦方向及び横方向に隣接する箇所の数をａ、斜め方向に隣接する箇所の数をｂとして（したがってｎ＝ａ＋ｂ）、ｐにａを乗じた値と√２×ｐにｂを乗じた値の合計値を、一つのＭＣ型炭化物の周長と見積もることができる。
【００５５】
〔ロールの製造方法〕
本発明の熱間圧延用ロールの製造にあたっては、熱処理等により表面硬度をＨｓ８０〜９０程度に調節して、耐摩耗性の維持を図るため、ロールの強度を確保するため、内層として高靭性を有するダクタイル鋳鉄や鍛鋼を配した複合ロールとする。
【００５６】
ここで、高靭性材からなる内層材（軸部材）の外側に外層材を形成する方法としては、連続鋳掛け肉盛法（ＣＰＣ法）や遠心鋳造法等を適用することができるが、特に連続鋳掛け肉盛法が好適である。その理由は、連続鋳掛け肉盛法によれば、溶湯に比べて比重が小さいＭＣ型炭化物のロール径方向での偏析を抑制できるためである。
【００５７】
外層材の鉄基合金について、前述のような等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にある亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を、表面の１ｍｍ２当たり３００個以上生成させるための具体的手段は特に限定されないが、例えば、連続鋳掛け肉盛時もしくは遠心鋳造時のロール径方向の平均凝固速度を５〜１０ｍｍ／ｍｉｎ程度としたり、また鋳込み時の溶湯温度を１５５０〜１６５０℃程度として急冷することなどによって、炭化物が均一かつ微細に生成されるように調整すればよい。なお、従来は、エネルギ使用量および設備保全の面で製造コストを低廉に抑えるために、ロール径方向の平均凝固速度を２〜５ｍｍ／ｍｉｎ、鋳込み時の溶湯温度を１４５０〜１５５０℃としており、このような条件以外では、熱間圧延用ロールは製造されていなかった。
【００５８】
また、前述のようにＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの添加は、ＭＣ型炭化物を微細均一に析出させるために効果があり、したがって、上記のようなプロセス条件に加えて、これらのＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅの１種以上を添加することも、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を多数生成させるために効果的である。
【実施例】
【００５９】
以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。
外層材として、表１〜表４に示す実施例１〜３５及び比較例１〜６の成分及び組織を有する熱間圧延用ロールを作成した。ロール寸法はロール直径：８００ｍｍ、ロール胴部長さ：２０００ｍｍ、ロール軸の長さ：４０００ｍｍとした。また内層材（軸部材）としてはクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）を用い、胴部表面に片肉５０ｍｍで外層材を形成した複合ロールとした。
【００６０】
具体的なロールの製造方法としては、次のような方法を適用した。
すなわち、連続鋳掛け肉盛法により、１６００℃に均熱した前記成分からなる溶湯を、水冷モールドと内層材との間隙に注入し、ロール径方向の平均凝固速度が７．５ｍｍ／ｍｉｎとなるように溶湯を凝固させて、内層材の周囲に外層材を形成し、一体となった内層材及び外層材を断続的に下方へ引き抜いて、実施例１〜３５及び比較例１〜５の複合ロールを製造した。一方、比較例６の複合ロールは、連続鋳掛け肉盛法により、従来の製造条件である１５００℃に均熱した前記成分からなる溶湯を、水冷モールドと内層材との間隙に注入し、ロール径方向の平均凝固速度が３．０ｍｍ／ｍｉｎとなるように溶湯を凝固させて、内層材の周囲に外層材を形成し、一体となった内層材及び外層材を断続的に下方へ引き抜いて製造した。
このような連続鋳掛け肉盛後に、ロール胴部を１０００℃に加熱して一定時間均熱した後に、常温近くまで冷却することで焼入れを実施した。次いで、５５０℃で１回もしくは２回以上の焼戻しを実施し、ショア硬度をＨｓ８５〜９５程度とした。
【００６１】
なお、各ロールの外層材の鉄基合金におけるロール表面の炭化物は、ＦＥ−ＳＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製、ＳＵ−７０電界放出形走査電子顕微鏡）の組織観察像より、画像解析のソフトウェアとして、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製Ｉｍａｇｅ−ＰｒｏＰｌｕｓを用いて画像解析をすることによって調べた。
以下に、具体的な炭化物の測定方法を説明する。
【００６２】
全ＭＣ型炭化物の等価面積円でのＭＣ型炭化物の粒径及び面積率は、次のようにして調べた。
まず、４５０μｍ×６００μｍの視野を撮影した観察像上にｐ＝０．５μｍの正方格子を描き、各ＭＣ型炭化物について、格子間の多数の正方形（単位格子）のうち、ＭＣ型炭化物の外周部分が横切る単位格子の数をｎ、それよりも内側（ＭＣ型炭化物粒子内部側）の単位格子の数をｍとした。そして、これらの合計数Ｐ（＝ｍ＋ｎ）に、一つの単位格子の面積ｑ（＝ｐ２＝０．２５μｍ２）を乗じた値を、一つのＭＣ型炭化物の粒子の外層材表面における面積Ｓとした。さらに、その面積Ｓを有する真円(等価面積円)を想定して、その円の直径を、等価面積円でのＭＣ型炭化物の粒径とした。次いで、全ＭＣ型炭化物の総面積が、４５０μｍ×６００μｍ（＝０．２７ｍｍ２）の視野内に占める割合を、全ＭＣ型炭化物面積率とした。
また、全共晶炭化物の面積率も、ＭＣ型炭化物の面積率と同様の方法によって測定した。
【００６３】
等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にある亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率は次のようにして調べた。
前記と同様に、４５０μｍ×６００μｍの視野を撮影した観察像上に格子のピッチpが例えば０．５μｍの正方格子を描き、格子間の多数の正方形（単位格子）のうち、ＭＣ型炭化物の外周部分が横切る単位格子の数をｎとした。そして、縦方向及び横方向に隣接する単位格子の中心間の長さをｐ、斜め方向に隣接する単位格子の中心間の長さを√２×ｐと見積もり、単位格子が縦方向及び横方向に隣接する箇所の数をａ、斜めで隣接する箇所の数をｂとして（ｎ＝ａ＋ｂ）、ｐにａを乗じた値と√２×ｐにｂを乗じた値の合計値を、一つのＭＣ型炭化物の周長とした。次いで、各ＭＣ型炭化物について求めた周長と等価面積円でのＭＣ型炭化物の粒径から求めた円周長との比率を取り、等価面積円の粒径が５〜４０μｍの範囲内でかつ周長が前記等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の範囲内にあるＭＣ型炭化物を亀裂抑制型ＭＣ型炭化物として、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率を測定し、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率と全ＭＣ型炭化物の面積率の比率を求めた。
また、前記操作ごとに各ＭＣ型炭化物に番号付けを順次実施しながら、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物および亀裂抑制型ＭＣ型炭化物を除いたＭＣ型炭化物の個数をカウントした後、１ｍｍ２あたりの全ＭＣ型炭化物の個数に換算した。
なお、観察像の視野数は５として、各視野ごとに測定した上記の各指標値についての、５視野の平均を求めた。
【００６４】
上記のようにして製造した各ロールを、７段のスタンドを有する仕上熱間圧延機の３段目のスタンドに取り付け、入側板厚：１３ｍｍ、出側板厚：９ｍｍ、圧延ピッチ：圧延時間７０ｓｅｃ、アイドル時間３０ｓｅｃ、板幅１２５０ｍｍ、圧延荷重１７００ｔｏｎ、ロール速度１６５ｍｐｍの条件の下で普通鋼（ＳＰＨＣ）を１００コイルの圧延を実施した後、圧延ロールの耐摩耗性の評価として摩耗量を調べるとともに、耐熱亀裂性の評価として研削量を測定した。その結果を表３、表４中に示す。なお摩耗量は、最大摩耗深さを測定して、その最大摩耗深さをロール直径で除した値で示した。また耐熱亀裂性の評価としての研削量は、目視によって亀裂（クラック）が完全に消失するまでのロール外周面の研削量で示す。
【００６５】
【表１】
0006405894.tif 000002
【００６６】
【表２】
0006405894.tif 000003
【００６７】
【表３】
0006405894.tif 000004
【００６８】
【表４】
0006405894.tif 000005
【００６９】
なお表３、表４において、「亀裂抑制型ＭＣ個数」は、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数を意味し、「亀裂抑制型ＭＣ面積率」は、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率を意味する。また「亀裂抑制型を除くＭＣ個数」は、全ＭＣ型炭化物の個数から亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数を差し引いた個数を意味する。
【００７０】
表３、表４に示すように、本発明の規定範囲内の実施例１〜３５は、いずれも圧延後の摩耗量及び研削量が、小さいことが判明した。すなわち、実施例１〜３５は比較例１〜５の例と比較して、耐摩耗性及び耐熱亀裂性を同時に向上させることができた。
なお、これらの実施例１〜３５のうち、実施例８は、全ＭＣ型炭化物の面積率に対して亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の面積率が、０．７倍を下回った例であり、この場合は他の実施例よりも研削量が大きく、耐熱亀裂性が若干劣っていたものの、比較例よりは研削量が小さく、耐熱亀裂性が良好であった。
【００７１】
一方、等価面積円の粒径が５〜４０μｍ、等価面積円の円周長の１．０〜１．１倍の周長を有する亀裂抑制型ＭＣ型炭化物の個数が少ない比較例１、共晶炭化物面積率が大きい比較例２は、いずれも各実施例に比べて研削量が大きく、耐熱亀裂性に劣ることが確認された。
さらに、全ＭＣ型炭化物の面積率が小さい比較例３は、実施例に比べて摩耗量が大きく、耐摩耗性に劣ることが確認された。
また共晶炭化物の面積率が小さい比較例４も、実施例に比べて摩耗量が大きく、耐摩耗性に劣ることが確認された。
さらに、全ＭＣ型炭化物の面積率が大きすぎた比較例５では、実施例に比べて重度のＭＣ型炭化物の凝集及び粗大化が生じたために、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物が１ｍｍ２当たり３００個以上存在するロールを製造することが困難であり、実施例に比べて研削量が大きく、耐熱亀裂性に劣ることが確認された。
さらに、従来の鋳造条件で製造した比較例６では、実施例に比べて重度のＭＣ型炭化物の凝集及び粗大化が生じたために、亀裂抑制型ＭＣ型炭化物が１ｍｍ２当たり３００個以上存在するロールを製造することが困難であり、実施例に比べて研削量が大きく、耐熱亀裂性に劣ることが確認された。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７３】
１      基地
２      ＭＣ型炭化物
３      共晶炭化物
【図１】
0006405894.tif 000006
【図２】
0006405894.tif 000007
【図３】
0006405894.tif 000008