(57)【要約】      （修正有）【課題】  優れた耐摩耗性及び耐肌荒れ性に優れる外層と、強靭な内層とが健全かつ高強度で接合してなる圧延用複合ロールおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  圧延用複合ロールは、MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された外層と、金属製の内層をHIP処理により接合してなることを特徴とする。また外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の最大内接円直径が150μｍを超えないことを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された外層と、金属製の内層をHIP処理により接合してなることを特徴とする圧延用複合ロール。
【請求項２】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の最大内接円直径が150μｍを超えないことを特徴とする請求項１に記載の圧延用複合ロール。
【請求項３】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離が10〜40μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧延用複合ロール。
【請求項４】
前記外層の組織において、MC炭化物の平均円相当直径が10〜50μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項５】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離Bと、MC炭化物の平均円相当直径Aとの比（B／A）が2以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項６】
前記外層において、面積率で円相当直径が１μｍ以上のM2C、M6C及びM7C3炭化物が総量で0〜5％分散していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項７】
前記外層の基地のビッカース硬さがHv550以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項８】
前記外層は化学成分が質量％で、質量％で、C：2.5〜9％、Si：0.1〜3.5％、Mn：0.1〜3.5％、及びV：11〜40％を含有し、残部Fe及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項９】
前記外層がさらに質量％で、Cr：1〜15％、Mo：0.5〜20％及びW：1〜40％からなる群から選ばれた少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項８に記載の圧延用複合ロール。
【請求項１０】
前記外層において、Vの少なくとも一部が、下記式(1)を満たす量のNbで置換することを特徴とする請求項８または９に記載の圧延用複合ロール。
11％≦V％＋0.55×Nb％≦40％（質量％）・・・(1)
【請求項１１】
前記外層において、さらに下記式(2)を満たすことを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の圧延ロール。
0≦C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）≦2％（質量％）・・・(2) 
【請求項１２】
前記外層がさらに質量％で、2％以下のNi及び／又は10％以下のCoを含有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項１３】
前記外層がさらに質量％で、0.5％以下のTi及び／又は0.5％以下のAlを含有することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項１４】
前記内層は、少なくとも外層と接合される部分がFeを主成分とすることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項１５】
前記Feを主成分とする内層は、少なくとも外層と接合される部分のC含有量が質量％で、4.5％以下であることを特徴とする請求項１４に記載の圧延用複合ロール。
【請求項１６】
前記外層と内層との間の引張強度が400ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
【請求項１７】
MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に、金属製の内層を配置した状態で、HIP処理により前記外層と内層を接合することを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。
【請求項１８】
MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に、金属製の内層を配置し、前記外層と内層との間の空隙に金属粉末を充填して介在させた状態で、HIP処理により前記外層と内層を接合することを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。
【請求項１９】
MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に内層用の金属粉末を配置した状態で、HIP処理することにより、前記外層と前記金属粉末を接合すること特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延用複合ロールおよびその製造方法に関する。本発明の圧延用複合ロールは、耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れる外層と、強靭な内層とが健全かつ高強度で接合してなり、特に熱間圧延機に用いられるワークロールとして好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
圧延の生産性を決定する重要な特性として、圧延ロールの耐摩耗性および耐肌荒れ性がある。耐摩耗性が乏しいと、早期にロール表面が摩耗し、被圧延材の寸法精度を損なう。また圧延ロールは、被圧延材との接触やバックアップロールとの接触などにより表面が不均一に摩耗し肌荒れが発生すると、その肌荒れが被圧延材に転写され、被圧延材の表面の外観を損なう。これらを防止する為にはロールを頻繁に取り替えなければならず、圧延操業の中断の頻度が増えることによる圧延工場の生産性の低下、ロール表面研削加工に要するコストの増大、さらにロール表面研削量の増大によるロール原単位の低下といった問題が発生する。
【０００３】
そこで、従来から耐摩耗性、耐肌荒れ性の要求に応えることを目論んだ圧延ロール用外層として、Cr、Mo、W、Vなどの合金元素を多量に含んだハイス系合金が使用されている。その組織には、Crを多く含むM7C3型炭化物（Mは金属元素を示す、以降同様）、Mo及びWを多く含むM2C型炭化物やM6C型炭化物、およびVを多く含むMC型炭化物などの金属炭化物を含有しているものである。この種の外層の公知例は数多くあり、例えば以下のものが挙げられる。
【０００４】
特許文献１には、化学成分が重量％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％の範囲で、かつMo＋W≦10.0％の式の満たす合金成分および残部がFeおよび不純物からなる外層と、鋳鉄または鋳鋼の内層からなる中実または中空の遠心鋳造複合ロールが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、C：3.5〜5.5％、Si：0.1〜1.5％、Mn：0.1〜1.2％、Cr：4.0〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、V：12.0〜18.0％、残部Fe及び不可避的不純物からなる熱間圧延用工具鋼が記載されている。またNb：8.0％以下、Ni：5.5％以下を含有することが記載されている。また、熱間圧延用工具鋼からなる遠心力鋳造ロール用外層において、0.2≦Nb／Vを満足することが記載されている。
【０００６】
特許文献３には、C含有量が2.0〜3.2％(重量％、以下同じ)であるハイス系鋳鉄材の外層の内面に、C：0.8〜1.9％、Si：3.0％以下、Mn：2.0％以下、Cr：6.0％以下、Mo：5.0％以下、W：5.0％以下、V：5.0％以下、残部実質的にFeからなる中間層が溶着一体化され、該中間層の内面に、C：0.2〜0.8％、Si：0.2〜3.0％、Mn：0.2〜2.0％、Cr：1.5％以下、Mo：1.0％以下、W：1.0％以下、V：1.5％以下、但しCr＋Mo≧0.3％であり、残部実質的にFeからなる鋳鋼材の内層が溶着一体化されてなり、前記外層を構成するハイス系鋳鉄材は、C：2.0〜3.2％、Si：0.1〜2.0％、Mn：0.1〜2.0％、Cr：3〜10％、2×Mo＋W：5〜22％、V：3〜8％、残部実質的にFeからなる圧延用複合ロールが記載されている。
【０００７】
特許文献４には、重量比で、C：1.8〜5％，Si：2％以下、Mn：2％以下、Cr：4〜6％、W：2〜8％、Mo：2〜10％、V：11％を超えて17％以下、Co:7〜13％，残部Feおよび不可避的不純物からなり、平均粒径1〜30μｍ、面積率20〜40％のMC型炭化物を含有する耐摩耗焼結合金が記載されている。また、前記耐摩耗焼結合金をロール芯材の外周に熱間等方圧加圧（HIP）により拡散接合することが記載されている。
【０００８】
特許文献５には、ロールの圧延表層部を形成する超硬、超合金等の硬質材からなる外層部と、鉄系材料、粉末冶金材料等の靭性材からなる内層部とを熱間静水圧成形法により同心円状一体に冶金的接合してなる複合スリーブを、ロール心材に焼嵌め、圧入その他機械的接合により固着する複合ロールの製造法が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−６０２８９号公報
【特許文献２】特開平９−２５６１０８号公報
【特許文献３】特開平９−２０９０７１号公報
【特許文献４】特開平７−２６８５６９号公報
【特許文献５】特開昭５８−１２８５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
圧延ロールの耐摩耗性を向上させるには、一般的にロール材の硬さを増すことが行なわれる。ハイス系ロール材は、主に合金元素よりなる高硬度の炭化物（MC、M2C、M6C、M7C3）を含んでおり、耐摩耗性を高めている。合金元素のうち、特にVやNbは、ビッカース硬さでHv2400〜3200程度の極めて高硬度のMC炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与する。
【００１１】
しかしながら、VやNbが過剰に含まれた溶湯を遠心力鋳造すると、遠心分離による偏析が発生する。前述の特許文献１には、Vが10.0％を超えると、遠心力鋳造法の場合には形成される炭化物が軽いため内面に浮上し、圧延に用いる外層外表面では含有量相当の炭化物が含まれないことが記載されている。このような現象は、遠心力鋳造鋳型内に鋳込まれた溶湯が凝固する際、その溶湯が初晶にて粒状炭化物を晶出する場合に発生しやすい。この初晶粒状炭化物は比重が6g/cm3程度と溶湯残液（比重7〜8g/cm3程度）に対して比重が軽く、過剰に晶出すると遠心力により内面側に分離するためである。
【００１２】
また、炭化物の比重を大きくすることで遠心分離による偏析を防止する手段も提案されている。前述の特許文献２には、VC炭化物はその比重が母溶湯に対して小さく、遠心力鋳造を行なうと偏析する。NbはVと複合炭化物{V，Nb}Cを形成し、V単独の炭化物のときより比重を増大させる。それにより、遠心分離による偏析を防止することが記載されている。また、遠心力鋳造法で製造した場合に均一なロール用外層を得るためには、0.2≦Nb／Vとしなければならないことが記載されている。また、Vが18.0％を超えると焼付き性向上の効果が飽和するとともに、溶解不良等の製造上の問題を生じる危険がある。NbはVと複合炭化物{V，Nb}Cを形成するが、8.0％を超えると溶解不良等の製造上の問題を生じることが記載されている。
【００１３】
一方、このような多量の合金成分が添加された外層の内面に内層を形成する場合、外層と内層との間に引け巣や炭化物偏析等の溶着不良が発生したり、外層から内層へ多量の合金成分が混入するため、内層の強靱性が劣化するという問題があった。特許文献３には、高C材料の外層と低C材料の内層を有する複合ロールを遠心力鋳造により作製するに際し、中間層を設けることで前記の問題を抑制できることが記載されている。
【００１４】
しかしながら、本発明のように外層の合金量、特にC、Vが格段に多く、初晶のMC炭化物が多量に外層の内面に存在し、融点が極めて高くなる場合には、溶着に必要な外層の溶解量の制御が極めて困難となる。つまり、外層の溶解量を過度に多くすると、必要な外層の厚みを維持できなくなる、また、内層や中間層に混入する合金量が極めて多量となり、強靭性が著しく劣化する。一方、外層の溶解量が過度に少ないと、引け巣などによる溶着不良や、外層の内周側に不可避的に生成する不健全な部分を溶解除去できず境界やその近傍の引張強度が著しく劣化する。
【００１５】
このように、遠心力鋳造されてなるハイス系外層の耐摩耗性を飛躍的に向上させるには、ＶおよびＮｂを多量に添加すればよいが、前述の通り実際には製造上極めて困難である。
【００１６】
一方、特許文献４や特許文献５のような粉末HIP法の場合でも同様に、ロール外層材用の金属粉末としてVやNbといったMC炭化物形成元素を多量に添加すると、粉末製造のプロセスで溶湯をガスアトマイズする際に使用する溶湯ノズル内でMC炭化物が晶出し、ノズルを閉塞させる。これを防ぐため、ノズル径を大きくすると、粉末の粒径が粗大化し、粉末中に含まれるMC炭化物のサイズが不均質となる。このような粉末を使用したHIP焼結合金は、MC炭化物のサイズや分布が不均一であり、MC炭化物の多い部分と少ない部分のミクロ的な偏析により摩耗差を生じ肌荒れが発生する。
【００１７】
そこで本発明は、従来の圧延ロールにおける問題点を解消し、優れた耐摩耗性及び耐肌荒れ性に優れる外層と、強靭な内層とが健全かつ高強度で接合してなる圧延用複合ロールおよびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者は、初晶MC炭化物を晶出する化学組成に調整した溶湯を遠心力鋳造用鋳型内に鋳込み、遠心力鋳造して、鋳型内の内面側にMC炭化物が濃化した層を形成することにより、組織中にMC炭化物がリッチで均一に分散した組織を得ることができることを見いだした。詳しくは後述するが、このように遠心力鋳造法で形成した本発明の外層と、別個に用意した内層とをHIP処理により接合して圧延用複合ロールを作製する。
【００１９】
すなわち、本発明の圧延用複合ロールは、MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された外層と、金属製の内層をHIP処理により接合してなることを特徴とする。
【００２０】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の最大内接円直径が150μｍを超えないことを特徴とする。
【００２１】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離が10〜40μｍであることを特徴とする。
【００２２】
前記外層の組織において、MC炭化物の平均円相当直径が10〜50μｍであることを特徴とする。
【００２３】
前記外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離Bと、MC炭化物の平均円相当直径Aとの比（B／A）が2以下であることを特徴とする。
【００２４】
前記外層において、面積率で円相当直径が１μｍ以上のM2C、M6C及びM7C3炭化物が総量で0〜5％分散していることを特徴とする。
【００２５】
前記外層の基地のビッカース硬さがHv550以上であることを特徴とする。
【００２６】
前記外層は化学成分が質量％で、質量％で、C：2.5〜9％、Si：0.1〜3.5％、Mn：0.1〜3.5％、及びV：11〜40％を含有し、残部Fe及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする。
【００２７】
前記外層がさらに質量％で、Cr：1〜15％、Mo：0.5〜20％及びW：1〜40％からなる群から選ばれた少なくとも一種を含有することを特徴とする。
【００２８】
前記外層において、Vの少なくとも一部が、下記式(1)を満たす量のNbで置換することを特徴とする。
11％≦V％＋0.55×Nb％≦40％（質量％）・・・(1)
【００２９】
前記外層において、さらに下記式(2)を満たすことを特徴とする。
0≦C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）≦2％（質量％）・・・(2)
【００３０】
前記外層がさらに質量％で、2％以下のNi及び／又は10％以下のCoを含有することを特徴とする。
【００３１】
前記外層がさらに質量％で、0.5％以下のTi及び／又は0.5％以下のAlを含有することを特徴とする。
【００３２】
前記内層は、少なくとも外層と接合される部分がFeを主成分とすることを特徴とする。
【００３３】
前記Feを主成分とする内層は、少なくとも外層と接合される部分のC含有量が質量％で、4.5％以下であることを特徴とする。
【００３４】
前記外層と内層との間の引張強度が400ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の圧延用複合ロールの製造方法は、MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に、金属製の内層を配置した状態で、HIP処理により前記外層と内層を接合することを特徴とする。
【００３６】
本発明の他の圧延用複合ロールの製造方法は、MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に、金属製の内層を配置し、前記外層と内層との間の空隙に金属粉末を充填して介在させた状態で、HIP処理により前記外層と内層を接合することを特徴とする。
【００３７】
本発明の他の圧延用複合ロールの製造方法は、MC炭化物が面積率で20〜60％分散し遠心力鋳造で形成された中空状の外層の内面側に内層用の金属粉末を配置した状態で、HIP処理することにより、前記外層と前記金属粉末を接合すること特徴とする。
【００３８】
本発明の圧延用複合ロールに用いる外層を製造するには、まず初晶MC炭化物を晶出する化学組成に調整した溶湯を円筒形鋳型に鋳込み、遠心力鋳造する。遠心力鋳造によるMC炭化物の遠心分離を利用する本発明では、溶湯組成はロール外層の組成と異なる。本発明の請求の範囲に記載の外層の組成を得るためには、溶湯組成は、質量％で、C：2.2〜6.0％、Si：0.1〜3.5％、Mn：0.1〜3.5％、及びV：8〜22％を含有し、残部Fe及び不可避的不純物元素からなる。
【００３９】
NbはVの少なくとも一部を置換し、かつMC炭化物として遠心力鋳造により遠心分離するので、溶湯に、下記式(3)：
8％≦V％＋0.55×Nb％≦22％（質量％）・・・(3)
を満たす量のNbを添加することができる。
【００４０】
好ましくは、溶湯組成は、質量％で、C：2.5〜6.0％、Si：0.2〜1.5％、Mn：0.2〜1.5％、及びV：10〜22％を含有し、Nbを10％≦V％＋0.55×Nb％≦22％（質量％）を満たす量だけ含有しても良い。
【００４１】
任意元素であるCr、Mo、Ni、Co及びAlはほとんど遠心分離しないので、溶湯中の含有量はロール外層における含有量と同じでよい。W及びTiは、その一部が初晶MC炭化物に固溶するため、若干遠心分離される。
【００４２】
図4(a) に示すように、鋳型41内での遠心力鋳造の際、溶湯42中で比重の小さな初晶MC炭化物43は中空部44に接するロールの内側に移動する。その結果、図4(b)
及び図4(c) に示すように、MC炭化物が濃化した内周層40aと、MC炭化物が乏しい外周層40bと、MC炭化物の面積率が変化する濃度傾斜層40c（中間層40cと同義。すなわち、これは内周層40aと外周層40bとの間にある層なので図面上、便宜的に中間層40cとした）とからなる円筒体40が得られる。次いで円筒体40から外周層40bの全て及び濃度傾斜層40cの少なくとも一部を切削等により除去し、MC炭化物が濃化した部分（主として内周層40a）を圧延ロール用外層とする。
【００４３】
外周層40b及び濃度傾斜層40cの厚さは、溶湯の組成及び遠心力鋳造条件により決まるので、予測可能である。濃度傾斜層40cは全て除去する必要がある訳ではないので、濃度傾斜層40cのどの深さまで除去するかを予め設定する。勿論、確実に高耐摩耗性を得るために、内周層40aの一部までも除去して良い。
【００４４】
例えば図4(c) に示すように、完全に除去すべき外周層40bの厚さDout、及び少なくとも部分的に除去すべき濃度傾斜層40cの除去深さDim、さらに必要に応じて部分的に除去すべき内周層40aの除去深さDinが、実験的に又はシミュレーションにより溶湯の組成及び遠心力鋳造条件により決まると、Dout＋Dim（＋Din）の深さだけ円筒体40を切削することにより露出する内周層40a（又は内周層40a＋濃度傾斜層40cの一部）が所望の厚さ（外層の目標厚さ）Dtを有するように、円筒体40の肉厚Do［＝Dt＋Dout＋Dim（＋Din）］を予め設定することができる。既存の鋳型41を用いて外層の目標厚さDtより大きい肉厚Doを有する円筒体40を遠心力鋳造法により形成すれば、Dout＋Dim（＋Din）の深さだけ円筒体40を切削することにより、容易かつ低コストで厚さDtのロール外層を得ることができる。
【００４５】
本発明の方法において、前記溶湯組成及び遠心力鋳造条件により予測される前記MC炭化物の分布から、MC炭化物の面積率が20％以上となる深さを予測し、その深さの分だけ、前記円筒体を前記外層の目標外径より大きな外径に作製するのが好ましい。
【００４６】
本発明の遠心力鋳造されてなる圧延用複合ロールの外層の組織要素について説明する。粒状炭化物であるMC炭化物は、他の炭化物（M2C、M6C及びM7C3炭化物等）に比べると高硬度であり、耐摩耗性の向上に寄与する。MC炭化物が面積率で20％未満では、耐摩耗性の改善効果が不十分である。一方、MC炭化物が面積率で60％を超えると、ロール外層の靭性が著しく低下する。従って、MC炭化物は面積率で20〜60％である。好ましい面積率は30〜50％である。
【００４７】
MC炭化物（粒状炭化物）の平均円相当直径は10〜50μｍであるのが好ましい。熱間圧延時にロールは高熱の圧延鋼板と接触し、表面から10μｍ程度まで基地が軟化するので、MC炭化物の平均円相当直径が10μｍ未満では、基地がMC炭化物を十分に支持できず、ロールの耐摩耗性及び耐肌荒れ性が劣化する。一方、平均円相当直径が50μｍを超えると、耐摩耗性の向上効果が飽和するとともに、靭性が低下する。MC炭化物の平均円相当直径はより好ましくは10〜40μｍであり、最も好ましくは15〜30μｍである。
【００４８】
図1に示すように、MC炭化物1の円相当直径は、MC炭化物1と等しい面積の円10の直径をD10と定義する。MC炭化物1の面積をSとすると、D10＝2×(S/π)1/2である。MC炭化物の平均円相当直径はD10の平均値である。
【００４９】
本発明のロール外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離は10〜40μｍであるのが好ましい。平均MC炭化物間距離が10μｍ未満であると、MC炭化物の偏在が多すぎ、MC炭化物の多い部分と少ない部分で摩耗差によるミクロ的な凹凸が生じ、耐肌荒れ性が低い。一方、平均MC炭化物間距離が40μｍ超であると、MC炭化物の分布のばらつきが無視できないほど大きく、耐焼付き性の向上が見られない。円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離は20〜30μｍであるのがより好ましい。
【００５０】
MC炭化物間の平均距離の求め方を、ロール外層の組織を概略的に示す図2により説明する。この組織は、円相当直径で15μｍ以上のMC炭化物（白色）1aと、円相当直径が15μｍ未満のMC炭化物（黒色）1bとを含有する。2は基地（M2C、M6C及びM7C3炭化物を含有する）を示す。この組織に任意の直線Lを引くと、MC炭化物1a1，1a2，1a3・・・1anが交差し、これらのMC炭化物間の距離L1，L2，L3・・・Lnが計測される。従って、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離は、［Σ（L1＋L2＋・・・・＋Ln）］／nにより求まる。
【００５１】
本発明のロール外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離Bと、MC炭化物の平均円相当直径Aとの比（B/A）は2以下であるのが好ましい。多量のMC炭化物を含有する本発明のロール外層では、MC炭化物が凝集しやすい。MC炭化物が凝集すると、MC炭化物の多い部分と少ない部分で摩耗差によるミクロ的な凹凸が生じ、耐肌荒れ性が損なわれる。B/A比はMC炭化物の凝集の程度を示す。B/Aが2を超えると、MC炭化物が凝集しすぎている。より好ましいB/A比は1.5以下である。
【００５２】
本発明のロール外層の組織において、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の最大内接円直径は150μｍを超えないのが好ましい。最大内接円直径が150μｍ超であると、MC炭化物の分布のばらつきが無視できないほど大きい。最大内接円直径は120μｍ以下であるのがより好ましく、80μｍ以下であるのがより好ましい。
【００５３】
円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の最大内接円直径は図3に示すように求める。図示の視野では、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物1a1，1a2，1a3，1a4に内接する円20の直径はD20である。同様にして、他のMC炭化物群に内接する円の直径を求める。この操作を任意の複数の視野について行い、最大の内接円直径D20maxを決める。
【００５４】
本発明のロール外層には、円相当直径が１μｍ以上の非粒状炭化物（M2C、M6C、及びM7C3炭化物）が合計面積率で0〜5％分散していても良い。非粒状炭化物の合計面積率が5％を超えると、非粒状炭化物が粗大化してロールの耐肌荒れ性及び靭性を損なうだけでなく、網目状に晶出した非粒状炭化物に沿ってクラックが進展することにより耐熱亀裂性が低下する。非粒状炭化物の合計面積率は少なければ少ないほど良い。円相当直径が１μｍ以上のM2C、M6C、及びM7C3炭化物の合計面積率はより好ましくは0〜3％であり、さらに好ましくは0〜1％である。なおMC、M2C、M6C、及びM7C3炭化物以外の炭化物を微量含んでも良い。
【００５５】
本発明のロール外層の基地は主にFe及び合金元素からなり、熱処理による変態や極微細な炭化物の析出により硬さが変化する。室温における基地の硬さがビッカース硬さでHv 550未満では、ロール外層の耐摩耗性が不十分である。耐摩耗性向上の観点から基地は硬いほうが望ましいが、Hv
900を超えると、基地の靭性が低下しやすい。基地のより好ましいビッカース硬さはHv 650〜850であり、さらに好ましくはHv
650〜750である。
【００５６】
次に本発明の遠心力鋳造されてなる圧延用複合ロールの外層の化学成分（質量％）の限定理由について説明する。なお、本発明の外層の化学成分は、溶湯の成分ではなく、最終製品における外層の化学成分を示す。
【００５７】
(1) 必須成分
(a) C：2.5〜9％
Cは、主にV，Nb等の合金元素と結合し、MC炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる必須元素である。合金元素と結合しないCは主に基地中に固溶するか極微細に析出し、基地を強化する。Cが2.5％未満ではMC炭化物の量が不足し、十分な耐摩耗性が得られない。一方、Cが9％を超えると、炭化物が過多となり、ロール外層の耐熱亀裂性が劣化する。C含有量は好ましくは3.5〜9％であり、より好ましくは4.5〜9％である。
【００５８】
(b) Si：0.1〜3.5％
Siは溶湯中で脱酸剤として作用する。Siが0.1％未満では脱酸効果が不足し、鋳造欠陥を生じやすい。一方、Siが3.5％を超えるとロール外層は脆化する。Si含有量は好ましくは0.2〜2.5％であり、より好ましくは0.2〜1.5％である。
【００５９】
(c) Mn：0.1〜3.5％
Mnは溶湯の脱酸や不純物であるSをMnSとして固定する作用を有する。Mn が0.1％未満であると、これらの効果が不十分である。一方、Mnが3.5％を超えると残留オーステナイトを生じやすくなり、硬さを安定的に維持できず、耐摩耗性が劣化しやすくなる。Mn含有量は好ましくは0.2〜2.5％であり、より好ましくは0.2〜1.5％である。
【００６０】
(d) V：11〜40％
Vは主にCと結合し、MC炭化物を形成する元素である。ロール外層に多量のMC炭化物を含ませるために、11〜40％のVが必要である。Vが11％未満では、MC炭化物が不足し、十分な耐摩耗性が得られない。一方、Vが40％超であると、MC炭化物が過剰となり、ロール外層の靭性が劣化する。V含有量は好ましくは15〜40％以下であり、より好ましくは18〜40％である。
【００６１】
(e) Nb
NbはMC炭化物を形成する点でVと同様の作用を有する。原子量の比より、質量％で0.55×Nb％とV％とが等価である。従って、下記式(1)：
11％≦V％＋0.55×Nb％≦40％（質量％）・・・(1) 
を満たす量のNbでVの一部又は全部を置換しても良い。（V％＋0.55×Nb％）のより好ましい範囲は、質量％で、15〜40％であり、最も好ましい範囲は18〜40％である。
【００６２】
またNbはC及びVと、下記式(2)：
0≦C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）≦2％（質量％）・・・(2) 
を満たすのが好ましい。［C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）］の値が0未満であると、MC炭化物が十分に得られず、基地中にV及びNbが過剰となり、十分な硬さ及び耐摩耗性が得られない。一方、［C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）］の値が2％を超えると、M2C、M6C、及びM7C3炭化物等の非粒状炭化物が網目状に晶出し、ロール外層の耐熱亀裂性が劣化する。
【００６３】
(2) 任意成分
圧延ロールの用途及び使用方法に応じて、外層は以下の元素を適宜含有しても良い。
【００６４】
(a) Cr：1〜15％
Crは基地に固溶して焼入性を高めるだけでなく、一部はCと結合して極微細な炭化物として析出し、基地を強化する。Crが1％未満では、基地強化の効果が十分に得られない。一方、Crが15％を超えると、M7C3炭化物等のMC炭化物以外の炭化物が網目状に晶出し、ロール外層の耐熱亀裂性が劣化する。より好ましいCr含有量は3〜9％である。
【００６５】
(b) Mo：0.5〜20％
Moは基地に固溶して焼入性を高めるだけでなく、一部はCと結合して極微細な炭化物として析出し、基地を強化する。またMoの一部は粒状炭化物を形成する。Moが0.5％未満では、基地強化の効果が十分に得られない。一方、Moが20％を超えるとM2CやM6C等の非粒状炭化物が網目状に晶出し、ロール外層の耐熱亀裂性が劣化する。Mo含有量はより好ましくは2.5〜20％であり、特に2.5〜10％である。
【００６６】
(c) W：1〜40％
Wは基地部に固溶して焼入性を高め、一部はCと結合して極微細な炭化物として析出し、基地を強化する。またWの一部は粒状炭化物を形成する。Wが1％未満であると、基地強化の効果が十分に得られない。一方、Wが40％を超えるとM6CやM2C等の非粒状炭化物が網目状に晶出し、ロール外層の耐熱亀裂性が劣化する。W含有量はより好ましくは5〜40％であり、特に5〜20％である。
【００６７】
本発明のロール外層に十分な耐摩耗性を付与するために、基地の強化元素であるCr、Mo及びWの少なくとも一種を含有するのが好ましい。
【００６８】
(d) Ni：2％以下
Niは基地に固溶し、基地の焼入れ性を向上させるのに有効である。Niが2％を超えると、基地のオーステナイトが安定化するため、基地の硬化効果が不十分である。
【００６９】
(e) Co：10％以下
Coは基地に固溶し、基地強化の効果がある。またCoを含有すると、高温でも基地の硬さを維持できる。Coが10％を超えると、ロール外層の靭性が低下する。Coは高価であるので、経済性及び使用条件を考慮し、その含有量を決定するのが望ましい。
【００７０】
(f) Ti：0.5％以下
Tiは溶湯中で脱酸剤として作用するほか、Nと結合して窒化物を形成し、粒状炭化物の核となり、粒状炭化物を微細にする効果がある。また一部はCと結合して粒状炭化物となる。Tiの添加効果は0.5％以下で十分である。
【００７１】
(g) Al：0.5％以下
Alは溶湯中で脱酸剤として作用するほか、粒状炭化物を微細にする効果がある。Alが0.5％を超えると、外層の焼入れ性が悪化し、十分な基地硬さが得られなくなる。
【００７２】
次に、本発明の圧延用複合ロールの製造方法について説明する。ここで、本発明の内層とは、中空状の外層の内周側に位置し、外層に接合されるもので実質的に金属からなる。中実ロールの場合、内層は軸材として構成される。スリーブロールの場合、内層は外層の内周側を構成する。
【００７３】
図16に本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態1の概略断面図を示す。図16(a)は中実の内層、図16(b)は中空状の内層を用いたものを示す。本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態1は、本発明の中空状の外層の内面側に内層を配置した状態でHIP処理により両者を拡散接合させる。
【００７４】
図16において、74は円筒形状のHIP缶の外筒、75は上蓋、76は下蓋、77は脱気パイプ、78は円筒形状のHIP缶の内筒、79は内筒の中空部である。図5のように構成されたHIP缶の内部に、中央部に内層72を配置し、内層72の外面と外筒74の内面との間の空間に同心円状に外層71を配置した。外層71と内層72との間には接合に影響のない適度な空隙73があってもよい。
【００７５】
図17に本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態2の概略断面図を示す。図17(a)は中実の内層、図17(b)は中空状の内層を作製するものを示す。本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態2は、本発明の中空状の外層71の内面側に、内層72を形成する素材として金属粉末を充填、配置し、その状態でHIP処理して外層71と内層72用の金属粉末を接合するものである。図17は、図16と同様の構成であり、内層72として金属粉末を充填させたことが特徴である。HIP処理後、内層72用の金属粉末は焼結され、内層72が形成される。
【００７６】
図18に本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態3の概略断面図を示す。図18(a)は中実の内層、図18(b)は中空状の内層を用いたものを示す。図18は次の点を除き図16と同様の構成である。本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態3は、本発明の中空状の外層71の内面と内層72の外面との間の空隙73に金属粉末80を充填、配置し、その状態でHIP処理して外層71と金属粉末80と内層72を接合するものである。HIP処理後、金属粉末80は焼結され、外層71と内層72との間にあり、いわゆる中間層の役割をはたす。
【００７７】
図19に本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態4の概略断面図を示す。図19(a)は中実の内層、図19(b)は中空状の内層を用いたものを示す。図19は次の点を除き図16と同様の構成である。本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態4は、あらかじめ本発明の遠心力鋳造で形成された中空状の外層71の内面に、静置鋳造などの鋳造法により内層72を溶着接合させた複合ロールを作製する。このように作製した複合ロールをHIP缶内部に配置し、HIP処理したものである。これによれば、外層の内部に残存する鋳造欠陥、鋳巣、前記鋳造法による複合化時に発生した外層と内層との間の境界部の溶着不良をHIP処理により消滅させ健全な複合ロールを得ることができる。なお、本発明の実施形態4においては、HIP処理に供する供試材（外層および内層）を脱気封止する必要は特にないが、必要に応じ金属カプセルに入れ脱気封止しHIP処理しても構わない。
【００７８】
図19において、あらかじめ本発明の中空状の外層71に鋳造法により内層72を接合させた複合ロールを用意した。このHIP処理前の複合ロールにおいて、82は外層71内に存在する鋳造欠陥、83は内層72内に存在する鋳巣、84は外層71と内層72との間の境界部に存在する溶着不良部を示す。このような健全でない複合ロールをHIP缶の内部に配置し、HIP処理を施すことにより、これらの鋳造欠陥82、鋳巣83、溶着不良部84を消滅させ、健全な複合ロールを得ることができる。
【００７９】
本発明の外層は、前述のMC炭化物が密集濃化した層を最終製品である圧延用複合ロールの外層（圧延使用層）とする。本発明の製造方法では、HIP処理時にMC炭化物の存在が乏しい層（図4(b)の外周層40b）が残存していてもよい。この場合、HIP処理後、図4(b)における外周層40bの全て及び濃度傾斜層40cの少なくとも一部を切削等により除去し、MC炭化物が濃化した部分（主として内周層40a）を圧延ロール用外層とする。
【００８０】
次に、内層の材質について説明する。内層は実質的に金属であればよく、用途目的に応じ様々な材質を選定できる。金属製の内層中には、炭化物、窒化物、硼化物を含んでいてもかまわない。また、ロールの機能を損なわない範囲であれば、酸化物や硫化物などの不可避的不純物や介在物を含んでいてもかまわない。また、内層自体が同心円的に２層以上の複層構造であってもよい。
【００８１】
ロールの内層材料として、強靭性に優れるFeを主成分とする鉄基合金が望ましい。内層は、特に少なくとも外層と接合される部分がFeを主成分とする鉄基合金であるのが望ましい。本発明の製造方法では、HIP処理時に外層と内層が拡散接合する。その際、内層のうち外層と接合される部分の炭素含有量が多すぎると、外層と内層との境界部分に脆弱な析出炭化物を生成しやすく、境界の接合強度が低下しやすい。これを抑えるために、Feを主成分とする内層の少なくとも外層と接合される部分の炭素含有量が質量％で4.5％以下であるのが望ましい。さらに望ましくは3.5％以下である。この要件を満足する内層として、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル）、アダマイト、黒鉛鋼や鋳鋼などが挙げられる。また、使用されるロールの用途目的などに応じ、合金工具鋼、ばね用鋼、軸受鋼、耐熱鋼やステンレス鋼を用いることもできる。
【００８２】
なお、前述の図18の外層71と接合される金属粉末80からなる焼結合金においても、外層と接合される部分の炭素含有量が4.5％以下であるのが望ましいことはいうまでもない。
【００８３】
また、内層に耐折損性が求められる場合は、機械構造用鋼を用いることが好ましい。機械構造用鋼として、炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼やニッケルクロムモリブデン鋼などが挙げられる。内層に耐腐食性が求められる場合、純クロムやニッケル基合金を使用することができる。
【００８４】
また本発明は、外層と内層との間の引張強度が400MPa以上であることが望ましい。この引張強度が過度に低いと、焼入熱処理工程中もしくはその後に、外層と内層との膨張収縮差に伴う引張残留応力により、外層が剥離しやすい。また、外層が剥離しない場合でも、圧延使用中の応力振幅によって疲労し、外層が剥離しやすくなる。さらに好ましい外層と内層との間の引張強度は500MPa以上である。
【発明の効果】
【００８５】
本発明の圧延用複合ロールは、熱間および冷間圧延用ワークロール全般で優れた耐摩耗性及び耐肌荒れ性を発揮するとともに、外層が耐剥離性や耐折損性に優れ、特に熱間圧延機に用いられるワークロールで極めて優れた効果を発揮し、圧延工場における生産性の向上やロール原単位の向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８６】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００８７】
表1に示す化学組成（質量％）に調整した溶湯を遠心鋳造用鋳型内で遠心鋳造し、円筒体を作製した。No.1〜5は本発明例、No.6〜8は比較例、No.9およびNo.10は従来例である。ただし比較例のNo.6のみ静置鋳造法を用いた。
【００８８】
【表１】
2007175736.tif 000002
【００８９】
得られた円筒体のうち、No.1及びNo.3並びにNo.10の円筒体について、円筒体の半径方向断面における元素分布及びMC炭化物分布を測定した。なお、元素分布及びMC炭化物分布は、円筒体の半径方向に採取した棒状の試験片を10ｍｍ間隔で切断し複数個の試料を採取した。そして各々の試料の成分分析およびMC炭化物面積率を測定した。その結果を図5〜図10に示す。
【００９０】
図5に示すように、本発明例No.1の円筒体では、Vは外周層ではほぼ5質量％と少なかったが、内周層では25質量％以上と多く、またWも外周層ではほぼ10〜15質量％と少なかったが、内周層では20〜25質量％と多かった。Cも、外周層ではほぼ2.5質量％と少なかったが、内周層では5質量％以上と多かった。その他の元素（Cr，Mo）については、外周層〜内周層で濃度分布はほとんどなかった。
【００９１】
図6に示すように、MC炭化物の面積率分布もVの濃度分布とほぼ同じ傾向を示した。すなわち、MC炭化物の面積率は外周層ではほぼ4〜8面積％と乏しかったが、内周層ではほぼ35面積％以上と多かった。従って、例えば外周層の全部及び濃度傾斜層の大部分を含む深さ（図中線分Aで示す）まで円筒体を切削し、35面積％以上のMC炭化物を含有する部分を圧延ロール用外層とした。
【００９２】
図7に示すように、本発明例No.3の円筒体では、Vは外周層ではほぼ6質量％以下と少なかったが、内周層では15質量％以上と多く、またC，Nb及びWも外周層ではほぼ5質量％以下と少なかったが、内周層では8質量％以上と僅かに多かった。Moについては、外周層〜内周層で濃度分布はほとんどなかった。
【００９３】
図8に示すように、MC炭化物の面積率は外周層ではほぼ4面積％以下と乏しかったが、内周層ではほぼ25面積％以上と多かった。従って、例えば外周層の全部及び濃度傾斜層の大部分を含む深さ（図中線分A’で示す）まで円筒体を切削し、25面積％以上のMC炭化物を含有する部分を圧延ロール用外層とした。
【００９４】
従来例No.10の円筒体では、図9及び図10に示すように、外周層と内周層との間で元素の濃度分布はほとんどなかった。MC炭化物はどの深さでもほぼ8面積％以下とであった。
【００９５】
本発明例No.1及びNo.3の円筒体と同様に、他の実施例の円筒体についてもMC炭化物が濃化した部分が露出するまで切削等で除去し、圧延ロール用外層を作製した。
【００９６】
得られたロール外層の組成を表2に示す。各ロール外層に対して、1000〜1200℃での焼入れ、及び500〜600℃での3回の焼戻しからなる熱処理を行った。ただし従来例のNo.9のロール外層に対しては、400〜500℃での残留オーステナイト分解兼歪取り熱処理を行った。ここで、表2中の式(1)は［V％＋0.55×Nb％］の値、また式(2)は［C％−0.2×（V％＋0.55×Nb％）］の値である。
【００９７】
【表２】
2007175736.tif 000003
【００９８】
各ロール外層から切り出した試験片に対して、MC炭化物の面積率（％）、円相当直径が１μｍ以上のM2C、M6C及びM7C3の合計面積率AA（％）、MC炭化物の平均円相当直径A（μm）、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離B（μm）、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の内接円直径の最大値BB（μm）、室温における基地のビッカース硬さ（Hv）、摩耗量（μｍ）、表面粗さRz（μm）、及び破壊靭性値KIC（kg/mm3/2）を以下の方法により測定した。測定結果を表3に示す。
【００９９】
(1) MC炭化物の面積率
各試験片を鏡面研磨し、重クロム酸カリウム水溶液で電解腐食することによりMC炭化物を黒色に腐食させた後、画像解析装置（日本アビオニクス株式会社製SPICCA-II）を使用して、それぞれ試験片の0.23ｍｍ×0.25ｍｍの部分に相当する20個の任意の視野で、MC炭化物の面積率（％）を測定し、測定値を平均した。
【０１００】
(2) 非粒状炭化物（M2C、M6C及びM7C3）の合計面積率AA
各試験片を鏡面研磨し、村上試薬で腐食することによりM2C、M6C及びM7C3炭化物を黒色又は灰色に腐食させた後、上記画像解析装置を使用して、それぞれの試験片において0.23ｍｍ×0.25ｍｍの部分に相当する20個の任意の視野でM2C、M6C及びM7C3炭化物の合計面積率（％）を測定し、測定値を平均した。なお、識別が容易な円相当直径で１μｍ以上のM2C、M6C及びM7C3炭化物を測定対象とした。
【０１０１】
(3) MC炭化物の平均円相当直径A
各試験片を鏡面研磨し、重クロム酸カリウム水溶液で電解腐食することによりMC炭化物を黒色に腐食させた後、上記画像解析装置を使用して、それぞれの試験片において0.23ｍｍ×0.25ｍｍの部分に相当する20個の任意の視野で、MC炭化物の平均円相当直径（μm）を測定し、測定値を平均した。
【０１０２】
(4) MC炭化物間の平均距離B
各試験片を鏡面研磨し、ピクリン酸アルコール溶液で基地を腐食させた。この光学顕微鏡観察（200倍）では、基地は濃い灰色、MC炭化物は薄い灰色、M2C、M6C及びM7C3炭化物は白色に見えた。それぞれ試験片の1.0ｍｍ×1.5ｍｍの部分に相当する20個の任意の視野で、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離（μm）を測定し、測定値を平均した。
【０１０３】
(5) MC炭化物を含まない領域の内接円直径の最大値BB
(4) と同様に腐食させた各試験片を光学顕微鏡（100倍）で観察し、それぞれ試験片の2.0ｍｍ×3.0ｍｍの部分に相当する20個の任意の視野で、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の内接円直径の最大値（μm）を測定し、測定値を平均した。
【０１０４】
(6) 室温における基地のビッカース硬さ
各試験片を鏡面研磨し、ピクリン酸エタノール溶液で軽く腐食させた後、ビッカース硬さ試験機を用いて、試験片の任意の5箇所で、荷重50〜200ｇの範囲で、ビッカース硬さ（Hv）を測定し、測定値を平均した。
【０１０５】
(7) 摩耗深さ及び表面粗さRz
耐摩耗性及び耐肌荒れ性の評価として、図11に概略的に示す圧延摩耗試験機を用いて、圧延した後のロールに対して、摩耗深さ（μm）及び十点平均表面粗さRzを下記の通り測定した。なお表面粗さRzは触針式表面粗さ計により測定した。
【０１０６】
圧延摩耗試験機は、本発明例No.1〜5、比較例No.6〜8、及び従来例No.9及びNo.10によりそれぞれ製造した外径60ｍｍ、内径40ｍｍ及び幅40ｍｍの小型スリーブロールからなる試験用ロール52、53を具備する圧延機51と、加熱炉54と、冷却水槽55と、巻取り機56と、テンションコントローラ57とを有する。圧延摩耗試験条件は以下の通りであった。
【０１０７】
圧延材S：SUS304
圧下率：25％
圧延速度：150ｍ／分
圧延温度：900℃
圧延距離：300ｍ
ロール冷却：水冷
ロール数：4重式
【０１０８】
(8) 破壊靭性値KIC
各試験片の破壊靭性値KICをASTM E399に準拠して測定した。測定は2個の試験片について行い、その平均値を求めた。
【０１０９】
【表３】
2007175736.tif 000004
【０１１０】
図12は本発明例No.1の試験片の金属組織を示す。また、図13は比較例No.6の試験片の金属組織を示す。図12および図13において、白色の部分はMC炭化物であり、黒色の部分は基地である。本発明例No.1の試験片ではMC炭化物が高濃度に分布しているが、比較例No.6の試験片ではMC炭化物が高濃度であるが、濃度分布が不均一であることが判る。
【０１１１】
図14は従来例No.10のハイス系ロール材の金属組織を示す。白色の微細粒状部はMC炭化物であり、白色の網目状部分はM2C、M6C及びM7C3炭化物であり、黒色の部分は基地である。従来例No.10のロール材ではMC炭化物が部分的に偏在して分布し、M2C、M6C及びM7C3炭化物が網目状に分布しているのが分かる。
【０１１２】
本発明例No.1〜5の摩耗量は、従来例No.9およびNo.10に比べほぼ半分以下であり、耐摩耗性が極めて良好であることが分かる。また本発明例No.1〜5は、耐肌荒れ性及び靭性のいずれにおいても従来例No.10より優れていることが分かる。
【０１１３】
比較例No.6の試験片では、円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物を含まない領域の内接円直径BBが150μｍを超え、また円相当直径が15μｍ以上のMC炭化物間の平均距離Bと、MC炭化物の平均円相当直径Aとの比（B／A）が2を超えていた。そのため、耐肌荒れ性に劣っていた。
【０１１４】
比較例No.7は、Cの含有量、式(2)、MC炭化物の面積率、基地硬さ、及びMC炭化物の平均円相当直径が本発明の範囲外であり、またB／Aが2を超えていた。そのため、耐摩耗性に劣っていた。
【０１１５】
比較例No.8は、Vの含有量、式(1)及び式(2)、MC炭化物の面積率、及びM2C、M6C及びM7C3炭化物の合計面積率AAが本発明の範囲外であり、またB／Aが2を超えていた。そのため、耐肌荒れ性及び靭性に劣っていた。
【０１１６】
従来例No.9は、Vの含有量、式(1)、MC炭化物の面積率、及びMC炭化物の平均円相当直径が本発明の範囲外であり、またB／Aが2を超えた。そのため、耐摩耗性に劣っていた。
【０１１７】
次に、圧延用複合ロールについて試験を行った。表4に、本発明の外層に内層を接合した複合ロールの供試材を示す。供試材No.21〜25は本発明例の複合ロールであり、外層として前述の本発明例No.1の外層を用い、各種の内層材料をHIP処理により接合させた。供試材No.26は比較例の複合ロールであり、外層として前述の本発明例No.1の外層を用い、内層材料として鋳鋼を用いた鋳造製の複合ロール、つまりHIP処理を施していない複合ロールである。
【０１１８】
本発明例No.21の複合ロールの製造方法について以下に詳述する。本発明例No.21は、まず初晶MC炭化物を晶出する化学組成に調整した溶湯を、内径500mm、長さ1200mmの金型に鋳込み、遠心力鋳造により金型の内面側にMC炭化物が濃化した層を形成した円筒体を作製した。
【０１１９】
次に、図4における外周層40b、濃度傾斜層40cおよび円筒体の最内面側の鋳肌部を旋盤加工で除去し、MC炭化物が濃化した層（内周層40a）を外層とした。外層の化学成分は、表2の本発明例No.1に示すとおりである。また、外層の寸法は、外径350mm、内径250mm、長さ600mmである。
【０１２０】
そして、図16(a)のように、前記で得られた外層71の内面側に、内層72として外径248mm、長さ600mmの中実のSCM440製の丸鋼を配置した。この内層72の丸鋼は、質量％でC:0.4％含有する。このC%は外層と接合される部分の炭素含有量を意味する。
【０１２１】
この外層71、内層72を、炭素鋼鋼管からなる外筒74、炭素鋼板からなる上蓋75および下蓋76で覆い、外筒74、上蓋75および下蓋76を溶接により密着接合した。その後、これら全体を約700℃に加熱しながら、脱気パイプ77より脱気し、HIP缶内部を1×10-3Torr以下とした後、脱気パイプ77を密封した。次に、不活性ガス中で温度1060℃、圧力1400atmでHIP処理を施した。
【０１２２】
本発明例No.22は、本発明例No.21と同様に外層を作製した。そして、図16(b)のように、得られた外層71の内面側に、内層72として外径248mm、内径100mm、長さ600mmの中空のダクタイル製のパイプを配置した。この内層72用のダクタイル製のパイプは、質量％でC:3.5％含有する。また、HIP缶の内筒78として外径98mmの炭素鋼管を配置した。この構成で、本発明例No.21と同様のHIP処理を施した。
【０１２３】
本発明例No.23は、本発明例No.21と同様に外層を作製した。そして、図17(b)のように、得られた外層71の内面側に、HIP缶の内筒78として外径100mmの炭素鋼管を同心円状に配置した。その後、外層71の内面と内筒78の外面との間の空間に、内層72を形成する素材として金属粉末を充填した。この内層用の金属粉末は、質量％でC:1.3％含有するハイス系合金粉末である。この構成で、本発明例No.21と同様のHIP処理を施した。
【０１２４】
本発明例No.24は、本発明例No.21と同様に外層を作製した。そして、図18(a)のように、得られた外層71の内面側に、内層72として外径200mm、長さ600mmの中実のダクタイル製の丸棒を同心円状に配置した。その後、外層71の内面と内層72の外面との間の空隙73に、ニッケル基合金粉末からなる金属粉末80を充填、配置した。この構成で、本発明例No.21と同様のHIP処理を施した。
【０１２５】
本発明例No.25の複合ロールの製造方法について以下に詳述する。本発明例No.25は、まず初晶MC炭化物を晶出する化学組成に調整した溶湯を、内径500mm、長さ1200mmの金型に鋳込み、遠心力鋳造により金型の内面側にMC炭化物が濃化した層を形成した円筒体を作製した。
【０１２６】
この円筒体の鋳造後、所定の時間が経過した後、さらに質量％でC:0.4％の鋳鋼となるように調製された内層用溶湯を注入し、複合ロール素材を作製した。このように鋳造法により得られた複合ロール素材を外径350mm、内径250mm、長さ600mmに加工した。
【０１２７】
そして、図19(a)のように、前記で得られた複合ロール素材を配置した。この構成で、本発明例No.21と同様のHIP処理を施し、鋳造法による複合化時に発生した外層と内層との間の境界部の溶着不良をHIP処理により消滅させた。
【０１２８】
比較例No.26の複合ロールの製造方法について以下に詳述する。比較例No.26は、まず初晶MC炭化物を晶出する化学組成に調整した溶湯を、内径500mm、長さ1200mmの金型に鋳込み、遠心力鋳造により金型の内面側にMC炭化物が濃化した層を形成した円筒体を作製した。
【０１２９】
この円筒体の鋳造後、所定の時間が経過した後、さらに質量％でC:0.4％の鋳鋼となるように調製された内層用溶湯を注入し、複合ロール素材を作製した。このように鋳造法により得られた複合ロール素材を外径350mm、内径250mm、長さ600mmに加工した。
【０１３０】
これらの本発明例No.21〜25および比較例No.26は、焼入れおよび焼戻し熱処理を行った後、ロール胴体の中央部よりステッキ加工により円盤型素材（外層と内層を含む素材）を切り出し、円盤型素材より試験片を採取し、外層と内層の間の境界引張り試験を行った。
【０１３１】
【表４】
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【０１３２】
表4から、本発明例No.21〜25は、外層と内層との間の引張強度が400ＭＰａ以上であり圧延用複合ロールとして充分な境界強度が得られることが判った。本発明例No.25は、HIP処理前に存在した外層と内層との間の境界部の溶着不良がHIP処理により消滅し、それにより境界強度が著しく向上して、外層と内層との間の引張強度が400ＭＰａ以上得られた。一方、HIP処理を施していない比較例No.26は、境界部に鋳巣が多量に存在し、境界強度が非常に低かった。
【０１３３】
図15は本発明の圧延用複合ロールの種々の形態を示す概略断面図である。図15(a)は、本発明の外層71と、内層72よりなる中実ロールである。図15(b)は本発明の外層71と、内層72よりなる中空スリーブロールである。85は中空部である。図15(c)は本発明の外層71と、内層72よりなる中空スリーブロールを金属製の軸材86に嵌合させたものである。
【０１３４】
また、本発明の製造方法により、外径310mm、長さ500mmのロール胴部を有する圧延用複合ロールを製造し、実際に圧延を行ったところ、極めて優れた耐摩耗性、耐肌荒れ性を発揮することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明の圧延用複合ロールは、熱間および冷間圧延用ワークロール全般で優れた耐摩耗性及び耐肌荒れ性を発揮するとともに、外層が耐剥離性や耐折損性に優れ、特に熱間圧延機に用いられるワークロールで極めて優れた効果を発揮し、圧延工場における生産性の向上やロール原単位の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】MC炭化物の円相当直径を求める方法を示す概略図である。
【図２】MC炭化物間の平均距離を求める方法を示す概略図である。
【図３】MC炭化物を含まない領域の最大内接円直径を求める方法を示す概略図である。
【図４（ａ）】遠心鋳造の際MC炭化物が内面側に移動する様子を示す概略図である。
【図４（ｂ）】本発明の外層が形成された遠心鋳造円筒体を示す半径方向断面図である。
【図４（ｃ）】図4(b)のA-A断面におけるMC炭化物の分布を示すグラフである。
【図５】本発明例No.1の遠心鋳造円筒体における元素の半径方向分布を示すグラフである。
【図６】本発明例No.1の遠心鋳造円筒体におけるMC炭化物の半径方向分布を示すグラフである。
【図７】本発明例No.3の遠心鋳造円筒体における元素の半径方向分布を示すグラフである。
【図８】本発明例No.3の遠心鋳造円筒体におけるMC炭化物の半径方向分布を示すグラフである。
【図９】従来例No.10の遠心鋳造円筒体における元素の半径方向分布を示すグラフである。
【図１０】従来例No.10の遠心鋳造円筒体におけるMC炭化物の半径方向分布を示すグラフである。
【図１１】圧延摩耗試験機を示す概略図である。
【図１２】本発明例No.1の試験片の金属組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図１３】比較例No.6の試験片の金属組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図１４】従来例No.10の試験片の金属組織を示す光学顕微鏡写真である。
【図１５】本発明に係る圧延用複合ロールの種々の形態の例を示す概略断面図である。
【図１６】本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態1の概略断面図である。
【図１７】本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態2の概略断面図である。
【図１８】本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態3の概略断面図である。
【図１９】本発明の圧延用複合ロールの製造方法の実施形態4の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
40a  内周層、  40b  外周層、  71  外層、  72  内層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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