(57)【要約】    【課題】  優れた耐摩耗性、靭性および炭化物の均質性を具備するとともに、耐熱亀裂性に極めて優れた圧延用ロール外層および圧延用ロールを提供することを目的とする。    【解決手段】  本発明の圧延用ロールは、面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、圧縮強度が２８００ＭＰａ以上である遠心力鋳造されてなる外層を有することを特徴とする。また、面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、ショア硬さ（Ｈｓ）が９０以上である遠心力鋳造されてなる外層を有す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】
面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、圧縮強度が２８００ＭＰａ以上である遠心力鋳造されてなる外層を有することを特徴とする圧延用ロール。
【請求項２】
面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、ショア硬さ（Ｈｓ）が９０以上である遠心力鋳造されてなる外層を有することを特徴とする圧延用ロール。
【請求項３】
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または２に記載の圧延用ロール。
【請求項４】
前記外層の組織における円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物を含まない領域が内接円直径で１５０μｍを超えない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ロール。
【請求項５】
前記外層の組織における円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）が１０〜４０μｍ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ロール。
【請求項６】
前記外層の組織における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１〜５のいずれかに記載の圧延用ロール。
【請求項７】
前記外層の組織における円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２以下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ロール。
【請求項８】
前記外層の組織において、円相当直径で１μｍ以上のＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の総量が０〜５％分散した組織であ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ロール。
【請求項９】
前記外層は化学成分が質量％で、Ｃ：２．５％〜９．０％、Ｓｉ：０．１％〜３．５％、Ｍｎ：０．１％〜３．５％、Ｖ：１１．０％〜４０．０％を含有し、残部Ｆｅおよ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１〜８のいずれかに記載の圧延用ロール。
【請求項１０】
さらに質量％で、Ｃｒ：１．０％〜１５．０％以下、Ｍｏ：０．５％〜２０．０％およびＷ：１．０％〜４０．０％のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項９に記載の圧延用ロール。
【請求項１１】
前記Ｖの一部を、質量％で下記（１）式を満足する範囲のＮｂで置換することを特徴とする請求項９または１０に記載の圧延用ロール。
１１．０％≦Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％≦４０．０％      ・・・（１）
【請求項１２】
さらに下記（２）式を満足することを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の圧延用ロール。
０≦Ｃ％−０．２×（Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％）≦２．０％    ・・・（２）
【請求項１３】
さらに質量％で、Ｎｉ：２．０％以下およびＣｏ：１０．０％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の圧延用ロール。
【請求項１４】
さらに質量％で、Ｔｉ：０．５％以下およびＡｌ：０．５％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の圧延用ロール。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の圧延用ロールの外層と、外層の内面にに形成された片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、黒鉛鋼および鋳鋼のいずれかからなる内層とからなる複合ロールであって、外層表面の圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする圧延用ロール。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の圧延用ロールの外層と、該外層の内面に形成された片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、黒鉛鋼および鋳鋼のいずれかからなる内層とからなる複合ロールであって、ロール胴体部における前記外層の断面積とロール全体の断面積の比（外層の断面積／内層の断面積）が０．５以下であることを特徴とする圧延用ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延用ロールに関するものであり、耐摩耗性、耐熱亀裂性に優れる外層を有し、特に熱間薄板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。これを防止するため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】
また、圧延ロールの原単位を決定する他の特性として、圧延ロールの耐熱亀裂性がある。圧延ロールの耐熱亀裂性が乏しいと、絞りや噛み止めなどにより局部的にロール温度が上昇した際、ロール表面に数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の深いクラックが発生する。このような深いクラックを除去するには、ロール外層を多く除去する必要あるため、ロール原単位を大きく低下させる一因となる。前記のような不具合がない場合でも、熱間圧延をおこなったロール表面部には熱疲労により１００μｍ〜数ｍｍ程度の熱亀裂が発生する。この熱亀裂は圧延時の応力振幅により徐々に深くなるが、過度に深くなると外層材の表面の一部が欠け落ちし肌荒れが発生したり、クラックが急速に内部に進展し外層材の剥離（スポール）を発生する場合がある。上記理由により、これらの熱亀裂はロール表面の研削時に大部分または全てを除去されるのが一般的である。
【０００４】
近年では、耐摩耗性の要求に応えることを目論んだ圧延用ロールの外層（圧延使用層）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の適用が進んでいる。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。一方で、前述の理由により耐熱亀裂性に優れる外層も求められている。
【０００５】
そのため、圧延用ロールの外層は優れた耐摩耗性及び耐熱亀裂性を兼備するための手段が種々提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、少なくともロールの外殻層が、重量％で、Ｃ：１〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜２％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｃｒ：２〜８％、Ｍｏ：０．５〜６％、Ｖ：０．５〜８％、Ｗ：０．５〜８％、Ｎｂ：０．１〜５％、Ｃｏ：２〜６％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とからなり、かつロール外殻層の７００℃における硬度がＨｖ４００以上で、残留圧縮応力が３０〜５０ｋｇｆ／ｍｍ２であることを特徴とする耐熱亀裂性及び耐摩耗性に優れた熱間圧延用ロールが記載されている。
【０００７】
特許文献１によれば、熱亀裂の発生は、機械的特性のなかでもロール表面の高温硬度とロール表層部の残留圧縮応力が影響して、ロールの外殻層の残留応力と７００℃における硬度とをそれぞれ適正な範囲にしておくと耐摩耗性と耐熱亀裂性とを兼備したロールが得られることが開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、圧延材と接触するロール外層の表面の硬さがショア硬さ８５以上であり、外層の圧縮強度が２４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることを特徴とする圧延用ロールが記載されている。また、前記ロール外層が重量％で、Ｃ：１．０〜２．６％、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：５．０〜１０．０％、Ｗ：５．０％未満、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基合金であることが記載されている。
【０００９】
特許文献２によれば、圧縮強度は、絞り時、焼付き部の局部的強圧下や熱間圧延による熱疲労に耐え、クラックの発生を抑制する指標となり得ること、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、耐クラック性を向上できることが記載されている。また、この公報中の表１の実施例には、ショア硬さＨｓ８７．１〜８９．５、圧縮降伏強度２５５〜２７６ｋｇｆ／ｍｍ２であるロール外層が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平９−７８１８６号公報
【特許文献２】特開２００４−１８３０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来より、絞りや噛み止めによる熱亀裂や熱間圧延後の熱疲労クラックの研削除去量の過少により外層の剥離が発生しているが、これらが発生すると、圧延を緊急停止せざるを得ず、操業中断による稼動損はもちろん、復旧に多大な工数を要し、著しい損害が発生する。近年、更なる圧延操業の安定化が急務であり、圧延ロールにおいては優れた耐熱亀裂性が求められている。
【００１２】
また、熱間薄板圧延においては、圧延される薄板に高い表面品質が要求されるため、それらの圧延に使用されるロールは摩耗や肌荒れが著しくなくても早期にロール交換されることがある。その際、摩耗や肌荒れの除去に必要な研削量に比べ、熱疲労クラックの除去に必要な研削量のほうが数倍以上多くなることがある。例えば、摩耗および肌荒れの除去に必要な研削量が片肉で５０μｍ程度であっても、熱亀裂の除去に必要な研削量が片肉で２００μｍ程度であった場合、ロール表面を２００μm程度研削しなければならず、その比はおよそ４倍となる。近年、表面品質の厳格化や圧延品種の多様化にともない、前記の早期のロール交換の頻度は増加している。ここで、ロール原単位の向上のためには、研削除去量を少なくすることが有効であるが、むやみに研削量を減少させることは前記の圧延トラブルの発生頻度の増大リスクを伴う。このため、これらの圧延に使用されるロールには従来にも増して優れた耐熱亀裂性を持つことが望まれている。
【００１３】
本発明は、耐熱亀裂性を従来技術と異なる技術的手段で改善することを図ったものであり、耐摩耗性及び耐熱亀裂性に極めて優れた外層を有する圧延用ロールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、従来の硬さの異なる各種ロール材の圧縮強度を測定するとともに、実際の圧延後に発生する熱疲労クラック深さとの相関を調査し、熱疲労クラックは圧縮強度と相関し、さらに、圧縮強度はショア硬さと強い相関関係があることが判明した。
【００１５】
さらに、本発明者らは、炭化物の種類、量および分布形態の異なる種々の試験片について圧縮強度を測定するとともに、その相関について調査した。その結果、ロール外層にＭＣ炭化物を極めて多量かつ均質に含ませることで圧縮強度およびショア硬さを高めることが認められた。また、前記圧延ロール用外層を得るために最も好ましい製造法として遠心力鋳造を利用することが有効であることが判った。さらに、本発明の外層の圧縮強度をさらに高めるのに有効な基地の硬さ、ＭＣ炭化物の分散形態、ＭＣ炭化物以外の炭化物の含有量、化学成分を見出した。
【００１６】
また、圧延用複合ロールの場合、外層表面の圧縮残留応力を高めることにより耐熱亀裂性は向上する。本発明の外層は、従来の内層に比べ低い熱膨張係数と高い縦弾性係数を有するので、外層と内層の間の変態膨張差と外層の高い縦弾性係数を利用することで、ロール表面の圧縮残留応力をさらに高め、耐熱亀裂性を向上させることができた。また、ロール全体の断面積に占めるロール外層の断面積比を適正な範囲とすることで、ロール表面の圧縮残留応力を安定化させることを見出した。
【００１７】
すなわち、第１の本発明の圧延用ロール外層は、面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、圧縮強度が２８００ＭＰａ以上である遠心力鋳造されてなる外層を有することを特徴とする。
【００１８】
また、第２の本発明の圧延用ロール外層は、面積率でＭＣ炭化物が２０〜６０％分散した組織であり、ショア硬さ（Ｈｓ）が９０以上である遠心力鋳造されてなる外層を有することを特徴とする。
【００１９】
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。
【００２０】
前記外層の組織における円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物を含まない領域が内接円直径で１５０μｍを超えないことを特徴とする。
【００２１】
前記外層の組織における円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）が１０〜４０μｍであることを特徴とする。
【００２２】
前記外層の組織における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ける円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２以下であることを特徴とする。
【００２４】
前記外層の組織において、円相当直径で１μｍ以上のＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の総量が０〜５％分散した組織であることを特徴とする。
【００２５】
前記外層は化学成分が質量％で、Ｃ：２．５％〜９．０％、Ｓｉ：０．１％〜３．５％、Ｍｎ：０．１％〜３．５％、Ｖ：１１．０％〜４０．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなることを特徴とする。
【００２６】
さらに質量％で、Ｃｒ：１．０％〜１５．０％以下、Ｍｏ：０．５％〜２０．０％およびＷ：１．０％〜４０．０％のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【００２７】
前記Ｖの一部を、質量％で下記（１）式を満足する範囲のＮｂで置換することを特徴とする。
１１．０％≦Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％≦４０．０％      ・・・（１）
【００２８】
さらに下記（２）式を満足することを特徴とする。
０≦Ｃ％−０．２×（Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％）≦２．０％    ・・・（２）
【００２９】
さらに質量％で、Ｎｉ：２．０％以下およびＣｏ：１０．０％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする。
【００３０】
さらに質量％で、Ｔｉ：０．５％以下およびＡｌ：０．５％以下のいずれか１種または２種を含有することを特徴とする。
【００３１】
前記のいずれかに記載の圧延用ロールの外層と、外層の内面にに形成された片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、黒鉛鋼および鋳鋼のいずれかからなる内層とからなる複合ロールであって、外層表面の圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００３２】
また、前記のいずれかに記載の圧延用ロールの外層と、該外層の内面に形成された片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、黒鉛鋼および鋳鋼のいずれかからなる内層とからなる複合ロールであって、ロール胴体部における前記外層の断面積とロール全体の断面積の比（外層の断面積／ロール全体の断面積）が０．５以下であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の圧延用ロールについて下記に説明する。
【００３４】
［１］圧延ロール用外層の組織要素
（ａ）ＭＣ炭化物
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。またＭＣ炭化物は高温で安定であり、被圧延材と金属結合しにくいので、耐焼付き性改善にも優れた効果を発揮する。ＭＣ炭化物が面積率で２０％未満では、耐摩耗性及び耐焼付き性が不十分である。一方、ＭＣ炭化物が面積率で６０％を超えると、耐焼付き性改善効果が飽和するとともに、ロール外層の靭性が著しく低下する。その上、隣り合う粒状炭化物同士の間隔が狭く、クラックが伝播しやすくなるため、耐熱亀裂性が劣化する。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。
【００３５】
（ｂ）ＭＣ炭化物を含まない領域の最大内接円直径
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。
【００３６】
ここで、図１にＭＣ炭化物の円相当直径の概念図を示す。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。
【００３７】
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２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ｌａ１、ｌａ２、ｌａ３、ｌａ４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。
【００３８】
（ｃ）ＭＣ炭化物間の平均距離
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。
【００３９】
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３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）ｌａと、円相当直径が１５μｍ未満のＭＣ炭化物（黒色）ｌｂ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ｌａ１、ｌａ２、ｌａ３・・・ｌａｎ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。
【００４０】
（ｄ）ＭＣ炭化物の大きさ
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不十分である。一方、平均円相当直径が５０μｍを超えると、耐肌荒れ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。
【００４１】
（ｅ）平均ＭＣ炭化物間距離（Ｇ）／平均円相当直径（Ｈ）
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Ｇと、ＭＣ炭化物の平均円相当直径Ｈとの比（Ｇ／Ｈ）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。Ｇ／ＨはＭＣ炭化物の凝集の程度を示す。Ｇ／Ｈ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Ｇ／Ｈは１．５以下である。
【００４２】
（ｆ）非粒状炭化物
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。
【００４３】
［２］圧延用ロール外層の成分
本発明の圧延用ロールにおける外層の化学成分（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とは、溶湯成分ではなく、最終ロール製品における外層の成分である。
【００４４】
（１）必須成分
（ａ）Ｃ：２．５％〜９．０％
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９．０％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％〜９．０％であり、より好ましくは４．５％〜９．０％である。
【００４５】
（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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（ｄ）Ｖ：１１．０％〜４０．０％
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、１１．０％〜４０．０％のＶが必要である。Ｖが１１．０％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４０．０％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。
【００４８】
（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。
【００４９】
（ａ）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）を満たす量のＮｂでＶの一部又は全部を置換しても良い。
１１．０％≦Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％≦４０．０％・・・（１）
【００５０】
またＮｂはＣ及びＶと、下記式（２）を満たすのが好ましい。
０≦Ｃ％−０．２×（Ｖ％＋０．５５×Ｎｂ％）≦２．０％・・・（２）
［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２．０％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。
【００５１】
（ｂ）Ｃｒ：１．０％〜１５．０％
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１．０％未満では、基地強化の効果が十分に得られない。一方、Ｃｒが１５．０％を超えると、Ｍ７Ｃ３炭化物等のＭＣ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３．０％〜９．０％である。
【００５２】
（ｃ）Ｍｏ：０．５％〜２０．０％
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。さらに、Ｍｏの一部はＶやＮｂなどとともにＭＣ型炭化物を形成する。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２０．０％を超えるとＭ２ＣやＭ６Ｃ炭化物等のＭＣ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。Ｍｏ含有量は、より好ましくは０．５％を超え５．０％以下である。
【００５３】
（ｃ）Ｗ：１．０％〜４０．０％
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。さらに、Ｗの一部はＶやＮｂなどとともにＭＣ型炭化物を形成する。Ｗが１．０％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４０．０％を超えるとＭ２ＣやＭ６Ｃ炭化物等のＭＣ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。Ｗ含有量は、より好ましくは５．０％〜４０．０％であり、特に５．０％〜２０．０％である。
【００５４】
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。また、圧延用ロールの用途、使用方法等に応じて、本発明の外層には以下の成分を選択的に添加することができる。
【００５５】
（ｄ）Ｎｉ：２．０％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２．０％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。
【００５６】
（ｅ）Ｃｏ：１０．０％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１０．０％を超えると、ロール外層の靭性が低下する。また、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。
【００５７】
（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、ＭＣ炭化物の核となり、ＭＣ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ＭＣ炭化物の一部となる。Ｔｉの添加効果は０．５％以下で十分である。
【００５８】
（ｇ）Ａｌ：０．５％以下
Ａｌは溶湯中で脱酸剤として作用するほか、ＭＣ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。
【００５９】
［３］圧延用ロール外層の特性
（ａ）圧縮強度
本発明の外層は、ＭＣ炭化物を多量に含有させることにより外層の圧縮強度を２８００ＭＰａ以上としたことを特徴とする。圧延や圧延の不具合時に、突発的な圧縮力が局部的に発生した場合、圧縮強度が２８００ＭＰａ未満では、ロール表層にクラックが入りやすく、ロール原単位を低下させる原因となる。また、圧延のみならず、圧延中に発生する熱サイクルによる熱疲労クラックも入りやすくなる。そのため、外層の圧縮強度は２８００ＭＰａ以上が望ましい。さらに好ましい圧縮強度は３０００ＭＰａ以上である。
【００６０】
（ｂ）ショア硬さ（Ｈｓ）
また、本発明の外層は、ＭＣ炭化物を多量に含有させ、熱処理により基地の硬さを適正に制御することで外層のショア硬さ（Ｈｓ）を９０以上と高硬度にしたことを特徴とする。である。そのため、耐摩耗性が格段に向上し、圧縮強度も向上する。外層のショア硬さ（Ｈｓ）が９０未満では耐摩耗性を十分に発揮できない。しかしながら、耐摩耗性を向上させるために過剰な炭化物を含有させることや、過剰に基地を硬くすると靭性が劣化する。よって、好ましいショア硬さの範囲はＨｓ９０〜９５である。
【００６１】
（ｃ）基地のビッカース硬さ
本発明の外層の基地は、ＭＣ炭化物などの炭化物を除く部分であり、おもにＦｅおよび合金元素からなる。この基地は熱処理による変態や基地中の極微細な炭化物の析出などにより硬さが変化する。基地の硬さがビッカース硬さでＨｖ５５０未満では耐摩耗性が低下するとともに、ショア硬さ（Ｈｓ）９０以上もしくは圧縮強度２８００ＭＰａ以上を安定して得がたくなり、充分な耐熱亀裂性の改善効果が得られない。耐摩耗性および耐熱亀裂性向上の観点から基地の硬さは高いほうが望ましいが、Ｈｖ９００を超えると、基地の靭性が劣化する。従って、基地の硬さのより好ましい範囲は、Ｈｖ６５０〜８５０である。さらに好ましい範囲は、Ｈｖ６５０〜７５０である。
【００６２】
（ｄ）外層表面の圧縮残留応力
また、本発明の外層を用いた複合ロールにおいて、外層表面の圧縮残留応力は５００ＭＰa以上が望ましい。圧縮残留応力が５００ＭＰａでは、十分な耐熱亀裂性を発揮することができない。なお、従来のハイス系の材質を外層として有するロールの圧縮残留応力は、２００〜４００ＭＰa程度である。なお、耐熱亀裂性の観点から、圧縮残留応力は耐熱亀裂性改善の観点からは高いほうが望ましいが、過剰に圧縮残留応力が高いと、一旦クラックが入った場合、クラックが内部に進展しやすくなる。また、１０００ＭＰａを超えることは実際製造上困難である。外層表面の圧縮残留応力の好ましい範囲は、５００〜９００ＭＰａである。
【００６３】
外層中のＭＣ炭化物は、基地および他種の炭化物に比べ熱膨張係数が低い。常温〜３００℃の熱膨張係数は、基地で約１３×１０−６／℃、またＣr７Ｃ３炭化物で約１０×１０−６／℃に対し、ＶＣ炭化物では約７×１０−６／℃である。本発明の外層の組織中のＭＣ炭化物は面積率で２０〜６０％と多量に含有させているため、本発明の外層の熱膨張係数は、約９×１０−６／℃と比較的低い。また、内層として一般的に用いられている球状黒鉛鋳鉄や構造用鋼では、１１〜１３×１０−６／℃である。本発明の外層の熱膨張係数は低く、内層の熱膨張係数は大きいため、外層と内層の膨張収縮差が大きくなり、より大きな圧縮残留応力を得やすくなる。
【００６４】
また、外層中のＭＣ炭化物は、基地に比べ縦弾性係数が高いので、本発明のＭＣ炭化物を多く含有する外層の縦弾性係数は高くなる。縦弾性係数は、基地で２００〜２２０ＧＰaに対し、例えばＶＣ炭化物は約２７０ＧＰaである。一般的なハイス系材料では、縦弾性係数は約２３０ＧＰaに対し、本発明の外層は、約２６０ＧＰaであった。ここで、ロールに発生する圧縮残留応力はおよそ縦弾性係数と発生する歪の積である。このため外層の縦弾性係数を高めると、外層と内層の膨張収縮差によって発生した歪によって、発生する圧縮残留応力がより高まる。
【００６５】
（ｅ）外層と内層の断面積比
本発明の複合ロールにおいて、ロール軸方向と直角をなすロール断面における外層の断面積と内層の断面積の比（外層の断面積／内層の断面積）は０．５以下が望ましい。また、外層と内層の間に中間層を形成させた場合、（外層の断面積／中間層と内層両者の総和の断面積）が０．５以下が望ましい。この理由を下記に示す。本発明の外層と内層とからなる圧延用ロールは、外層の低い熱膨張係数および高い縦弾性係数による効果により、外層表面に５００ＭＰa以上の高い圧縮残留応力を付与することが可能となる。過剰に外層表面の圧縮残留応力を高くすると、外層と内層の接合境界に発生する引張残留応力が増大し、外層が剥離する。これを回避するために、ロール胴体部のロール軸と直角をなすロール断面における外層と内層の断面積比（外層の断面積／内層の断面積）を適正に制御することで外層表面に高い圧縮残留応力をより安定して付与できるとともに、外層と内層の接合境界に発生する引張残留応力を低減できる。さらに、種々実験を行った結果、外層と内層の断面積比が０．５以下で前記効果を発揮しやすいことが認められた。一方、外層と内層の断面積比が０．１未満であると、圧延に使用可能な外層が極端に少なくなり好ましくない。外層と内層の断面積比の好ましい範囲は０．１〜０．５であり、さらに好ましくは０．２〜０．４である。
【００６６】
［４］外層の形成方法
本発明の圧延用ロールの外層は遠心力鋳造法で形成する。すなわち、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。図４は本発明の遠心力鋳造されてなる圧延用ロールの外層の断面の模式図を示す。本発明の外層は、初晶粒状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、遠心力鋳造することにより、内面側に粒状炭化物を濃化した層を形成させることで得られる。図４において、イ部は粒状炭化物が密集濃化した層である。ロ部はそれ以外の部位であり粒状炭化物の存在が乏しい層である。遠心力鋳造後、図４のロ部を、切削加工などにより除去し、図４のイ部を、すなわち本発明の圧延用ロールの外層を得る。つまり、ＭＣ炭化物が濃化した層のイ部を圧延使用層とする。本発明の複合ロールは、ロール外層イ部の内面の中空部ヘに内層（図示せず）を金属接合させることにより完成する。
【００６７】
［５］ロール構造
本発明の外層を用いた圧延用ロールは、中実または中空のどちらの構造でも構わない。また、本発明の圧延ロールは、本発明の外層と内層が金属的に接合した圧延用ロールが好ましい。また、本発明の外層と内層との間に１層もしくは２層以上の中間層を介在させた複合ロールが望ましい。本発明の外層を有するスリーブを軸材に嵌合して構成しても構わない。
【発明の効果】
【００６８】
本発明の圧延用ロールの外層は、圧延用ワークロール全般で優れた耐摩耗性および耐熱亀裂性を発揮する。特に熱間薄板圧延機の仕上列に用いられるワークロールで極めて優れた耐摩耗性および耐熱亀裂性を発揮し、圧延工場における生産性の向上、圧延トラブルの抑制、ロール原単位および圧延製品の表面品質の向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
本発明の外層は、初晶粒状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、遠心力鋳造することにより、鋳型内の内面側にＭＣ炭化物が濃化した層を形成した。供試材Ｎｏ．１〜５は本発明の実施例であり、本発明の遠心力鋳造で形成し、前述の図１のイ部に相当する部位より採取したものである。また、供試材Ｎｏ．６〜８は比較例、供試材Ｎｏ．９および１０は従来例である。供試材Ｎｏ．６は静置鋳造で形成し、供試材Ｎｏ．７〜１０は遠心力鋳造で形成した。
【００７０】
採取した供試材Ｎｏ．１〜８およびＮｏ．１０は、鋳込後１０００〜１２００℃で焼入れを行い、５００〜６００℃で３回焼戻しを行う熱処理を行った。また、供試材Ｎｏ．９は鋳込後４００〜５００℃で加熱し、残留オーステナイト分解兼歪取り熱処理を行った。各供試材はこれらの熱処理の後、各種試験片形状に加工を行った。これらの供試材Ｎｏ．１〜１０の化学成分（質量％）を表１に示す。ここで、表１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。
【００７１】
【表１】
2007185681.tif 000002
【００７２】
さらにＭＣ炭化物の面積率、円相当直径で１μｍ以上のＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の合計の面積率、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、基地のビッカース硬さ、ショア硬さ、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）および円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物の平均粒子間距離（Ｇ）の測定をそれぞれ行った。
【００７３】
また、耐摩耗性および耐肌荒れ性の評価として圧延摩耗試験機による摩耗試験の摩耗量および粗さの測定、靭性評価として破壊靭性値ＫＩＣの測定、また耐熱亀裂性評価として圧縮強度の測定を行った。
【００７４】
ＭＣ炭化物の面積率は、まず供試材を鏡面研磨し、次に重クロム酸カリウム水溶液中で電解腐食することによりＭＣ炭化物を黒色に腐食した後、画像解析装置（日本アビオニクス株式会社製ＳＰＩＣＣＡ−ＩＩ）を使用し測定した。
【００７５】
また、Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の面積率は、まず供試材を鏡面研磨し、次に村上試薬によって腐食することによりＭ２Ｃ、Ｍ６Ｃ、およびＭ７Ｃ３炭化物を黒色に腐食または、黒色もしくは灰色に着色した後、画像解析装置を使用し測定した。
【００７６】
これらの画像解析は１視野が供試材の０．２３ｍｍ×０．２５ｍｍに相当する視野で面積率の測定を行った。この測定を、各供試材それぞれ任意の２０視野について行い、その平均値を求めた。
【００７７】
ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）は、まず供試材を鏡面研磨し、次に重クロム酸カリウム水溶液中で電解腐食することによりＭＣ炭化物を黒色に腐食した後、画像解析装置（日本アビオニクス株式会社製ＳＰＩＣＣＡ−ＩＩ）を使用し測定した。画像解析の測定範囲は、１視野が供試材の０．２３ｍｍ×０．２５ｍｍに相当する視野とし、各供試材それぞれ任意の２０視野について測定し、測定値の平均値を求めた。
【００７８】
Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の平均円相当直径は、まず供試材を鏡面研磨し、次に村上試薬によってＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物を黒色に腐食した後、画像解析装置（日本アビオニクス株式会社製ＳＰＩＣＣＡ−ＩＩ）を使用し測定した。画像解析の測定範囲は、１視野が供試材の０．２３ｍｍ×０．２５ｍｍに相当する視野とし、各供試材それぞれ任意の２０視野について測定し、測定値の平均値を求めた。なお、本発明においては、前記測定方法で識別が容易な円相当直径で１μｍ以上のＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物を測定対象とした。
【００７９】
円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）は、まず供試材を鏡面研磨し、次にピクリン酸アルコール溶液で基地を腐食する。これを光学顕微鏡で観察すると、基地は濃い灰色、ＭＣ炭化物は薄い灰色、Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物は白色に見える。このようにして、供試材試料の任意の１．０ｍｍ×１．５ｍｍの面の倍率２００倍の光学顕微鏡組織写真を用いて、円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物の平均粒子間距離を測定した。
【００８０】
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測定は、まず供試材を鏡面研磨し、次にピクリン酸アルコール溶液で基地を腐食する。これを光学顕微鏡で観察すると、基地は濃い灰色、ＭＣ炭化物は薄い灰色、Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物は白色に見える。このようにして供試材試料の任意の２．０ｍｍ×３．０ｍｍの面の倍率１００倍の光学顕微鏡組織写真を作製し、本発明の内接円直径の最大値を測定した。
【００８１】
基地のビッカース硬さは、供試材を鏡面研磨し、ピクリン酸エタノール溶液を用いて基地を軽く腐食した後、ビッカース硬さ試験機を用いて、荷重５０ｇ〜２００ｇの範囲で測定した。供試材それぞれ任意の５箇所について測定を行いその平均値を求めた。
【００８２】
ショア硬さは、供試材を研磨した後、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４６に準拠し測定した。なお、ショア硬度計としてＤ型を使用し、５回測定しその平均を求めた。
【００８３】
図５は圧延摩耗試験機の概略図を示す。図５において、圧延摩耗試験機は、圧延機１と、圧延材Ｓを余熱する加熱炉５４と、圧延材Ｓを冷却する冷却水槽５５と、圧延材Ｓの巻取り機５６とテンションコントローラ５７とから構成される。圧延機５１には試験用ロール５２、５３が組み込まれる。試験用ロールは前述の各供試材から作製し、外径６０ｍｍ、内径４０ｍｍ、幅４０ｍｍの小型スリーブロールを用いた。圧延摩耗試験機に試験用ロールを組み込み、試験条件が、圧延材料：ＳＵＳ３０４、圧下率：２５％、圧延速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、圧延温度：９００℃、圧延距離：３００ｍ／回、ロール冷却：水冷、ロール数：４重式にて試験を行った。圧延後、試験用ロールの表面に生じた摩耗の深さと十点平均粗さ（Ｒｚ）を触針式表面粗さ計により測定した。
【００８４】
破壊靭性値ＫＩＣは、各供試材より破壊靭性値ＫＩＣ測定用の試験片を採取し、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験により測定した。測定は各供試材につき２個の試験片について行い、その平均値を求めた。
【００８５】
圧縮強度は、各供試材より図６に示す形状の試験片を採取し、アムスラー型万能試験機により測定した。測定は各供試材につき２個の試験片について行い、その平均値を求めた。ここで用いた試験片は図６中の寸法Ｉを１０ｍｍ、寸法Ｊを２５ｍｍ、寸法Ｋを５ｍｍで作製した
【００８６】
表２に各種測定した結果を示す。すなわち、ＭＣ炭化物の面積率（％）、円相当直径で１μｍ以上のＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の合計の面積率ＡＡ（％）、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）、円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物の平均粒子間距離Ｇ（μｍ）、ＭＣ炭化物の平均円相当直径Ｈ（μｍ）、基地のビッカース硬さ、ショア硬さ（Ｈｓ）、摩耗量（μｍ）、表面粗さＲｚ（μｍ）、破壊靭性値ＫＩＣ（ｋｇ／ｍｍ3/2）および圧縮強度（ＭＰａ）を示す。
【００８７】
【表２】
2007185681.tif 000003
【００８８】
図７に本発明例の供試材Ｎｏ．１の金属組織を示す。図７において、白色の部分がＭＣ炭化物であり、黒色の部分は基地である。供試材Ｎｏ．１はＭＣ炭化物が高濃度に分布しているのがわかる。
【００８９】
図８に比較例の供試材Ｎｏ．６の金属組織を示す。図８において、白色の部分がＭＣ炭化物であり、黒色の部分は基地である。供試材Ｎｏ．６はＭＣ炭化物が部分的に偏在して分布しているのがわかる。
【００９０】
図９に従来例のハイス系ロール材の供試材Ｎｏ．１０の金属組織を示す。図９において、白色の微細粒状の部分がＭＣ炭化物、白色の網目状の部分がＭ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物であり、黒色の部分は基地である。供試材Ｎｏ．１０はＭＣ炭化物が部分的に偏在して分布し、Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物は網目状に分布しているのがわかる。
【００９１】
図１０にショア硬さと圧縮強度の関係を示す。本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５はいずれもショア硬さが９０以上であり、圧縮強度が２８００ＭＰａであることが判る。それに対して、比較例Ｎｏ．６〜Ｎｏ．８及び従来例Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０はショア硬さ及び圧縮強度が不十分であることが判る。
【００９２】
本発明の供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の摩耗量は従来材の供試材Ｎｏ．９およびＮｏ．１０に比べ半分以下であり、耐摩耗性が極めて良好であるとともに、破壊靭性値ＫＩＣも従来材以上であり耐性を兼ね備えている。また、供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５のショア硬さは９０以上と高く、さらに圧縮強度が２８００ＭＰａ以上あり耐熱亀裂性に優れる。
【００９３】
比較例のＮｏ．６は、円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物を含まない領域が内接円直径で１５０μｍを超え、また円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２を超え、ショア硬さおよび式（１）の値が本発明の範囲外である。また、粗さが従来例材以下であり、耐肌荒れ性に劣る。また、ショア硬さおよび圧縮強度が本発明の範囲外であり、耐熱亀裂性改善効果が充分に得られない。
【００９４】
比較例のＮｏ．７は、Ｃ％、Ｎｉ％、式（２）の値、ＭＣ炭化物の面積率、基地硬さ、およびＭＣ炭化物の平均円相当直径が本発明の範囲外であり、また円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２を超えるものであり、摩耗量が従来例材以下であり、耐摩耗性が劣る。また、ショア硬さおよび圧縮強度が本発明の範囲外であり、耐熱亀裂性に劣る。
【００９５】
比較例のＮｏ．８は、Ｖ％、Ｃｒ％、式（２）の値、ＭＣ炭化物の面積率、Ｍ２Ｃ、Ｍ６ＣおよびＭ７Ｃ３炭化物の合計面積率が本発明の範囲外であり、また円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２を超えるものであり、粗さおよびＫＩＣが従来例材以下であり、耐肌荒れ性および靭性が劣る。また、ショア硬さおよび圧縮強度が本発明の範囲外であり、耐熱亀裂性に劣る。
【００９６】
従来例のＮｏ．９は、Ｖ％、Ｎｉ％、式（１）の値、ＭＣ炭化物の面積率、ＭＣ炭化物の平均円相当直径が本発明の範囲外であり、また円相当直径が１５μｍ以上のＭＣ炭化物間の平均粒子間距離（Ｇ）と、ＭＣ炭化物の平均円相当直径（Ｈ）との比（Ｇ／Ｈ）が２を超えるものであり、耐摩耗性が本発明材よりも劣る。また、ショア硬さおよび圧縮強度が本発明の範囲外であり、耐熱亀裂性に劣る。
【００９７】
次に、本発明の圧延用ロールについて検討を行った。表３の供試材Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５は本発明の実施例、Ｎｏ．１６は比較例、供試材Ｎｏ．１７は従来例である。まず、供試材Ｎｏ.１１〜Ｎｏ．１６の複合ロールについて以下に詳述する。これらの複合ロールに用いる外層は、初晶粒状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（図４のイ部）を形成し、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．５の組成となる外層を含む外層供試材を形成した。さらに、前記外層供試材の鋳造後、所定の時間が経過した後、外層が注入された鋳型を遠心力鋳造機より取り出し、ピット内に縦置きにし、球状黒鉛鋳鉄の内層用溶湯を注入し、複合ロール素材を作製した。
【００９８】
表３の従来例であるＮｏ．１７については、内径５００ｍｍ、長さ１２００ｍｍの金型および遠心力鋳造機を用いて溶湯を注入した。所定の時間が経過した後、外層が注入された鋳型を遠心力鋳造機より取り出し、ピット内に縦置きにし、球状黒鉛鋳鉄の内層用溶湯を注入し、複合ロール素材を作製した。
【００９９】
上記の複合ロールは冷却し解体を行った後、供試材Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６の複合ロール素材の胴体部において炭化物の少ない部分（図４のロ部）を加工除去し、外径３３０ｍｍ、胴長６００ｍｍの試験ロールを製造した。また、従来例Ｎｏ．１７についても、複合ロール素材の胴体部を加工除去し、外径３３０ｍｍ、胴長６００ｍｍの試験ロールを製造した。これらのＮｏ．１１〜Ｎｏ．１７の試験ロールは焼入および焼戻し熱処理を行った後、さらに胴体部を外径３１０ｍｍ、胴長５００ｍｍに仕上加工を施し、圧延用ロール供試材とした。なお、これらの外層の厚みを制御する方法として、溶湯の鋳込重量を制御すること、および内層材を鋳造する際に外層材の内面側が溶解する量を制御することを利用した。
【０１００】
上記の供試材Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１７の複合ロールは、ロール胴体表面の圧縮残留応力測定および外層と内層の断面積比を測定した。さらに、実際の熱間板圧延ミルにて一定量の圧延を行ったのち、熱亀裂深さの測定を行った。これらの測定結果を表３に示す。
【０１０１】
【表３】
2007185681.tif 000004
【０１０２】
圧縮残留応力の測定はＸ線残留応力測定器を用い、ロール胴体部中央の接線方向の値を測定した。測定は胴体部中央の任意円周において９０°ずれた位置にある２ヶ所について行い、それぞれ４回、計８回の測定を行いその平均値を求めた。
【０１０３】
外層と内層の断面積比の測定は、まず、ロール胴体部の径を測定した後、ロール胴体部両端面の外層厚み測定および超音波による外層の厚み測定を行い、それらの平均値よりロール外層と内層との平均境界径を算出した。その後、ロール軸と直角をなすロール断面における（外層の断面積）／（内層の断面積）を算出した。
【０１０４】
熱亀裂深さは、実際の圧延ミルで使用された後のロールの胴体中央部を滑らかな凹球面状に鏡面研磨し、顕微鏡による目視観察により熱亀裂がなくなる位置を特定し、マイクロメータを用いロール表面から前記位置までの深さを測定した。
【０１０５】
図１１に圧縮強度と熱亀裂深さの関係を示す。図１１より、本発明例Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５は圧縮強度が２８００ＭＰａであり熱亀裂深さが０．２３ｍｍ以下である。比較例Ｎｏ．１６は外層と内層の断面積比が１．０と大きく、そのため圧縮残留応力が低くなり熱亀裂深さも０．３９と、本発明例に対して劣る。また、従来例Ｎｏ．１７は圧縮強度も約２６００ＭＰａと低く、熱亀裂深さも０．４８ｍｍと大きく耐熱亀裂性に関して不十分であることが判る。
【０１０６】
本発明例の複合ロールＮｏ．１１〜Ｎｏ．１５は、ロール表面の圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上であり、外層と内層の断面積比は０．５以下に抑えられている。外層の耐熱亀裂性と前記効果により、熱亀裂深さは従来の半分以下に抑えられ、耐熱亀裂性に優れることが確認できた。
【０１０７】
図１２は本発明の圧延用ロールの種々の形態を示す概略断面図である。図１２（ａ）は、本発明の外層イと、内層ハよりなる中実ロールである。ヘは中空部である。図１２（ｂ）は本発明の外層イと、内層ハよりなる中空スリーブロールである。図１２（ｃ）は本発明の外層イと、内層ハよりなる中空スリーブロールを金属製の軸材ホに嵌合させたものである。なお、ここでいう外層イは、前述の図４におけるＭＣ炭化物の乏しい層ロを加工除去したもので、ＭＣ炭化物が濃化した層イ部と同じである。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の圧延用ロールは、圧延用ワークロール全般で優れた耐摩耗性および耐熱亀裂性を発揮する。特に熱間薄板圧延機の仕上列に用いられるワークロールで極めて優れた耐摩耗性および耐熱亀裂性を発揮し、圧延工場における生産性の向上、圧延トラブルの抑制、ロール原単位および圧延製品の表面品質の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】円相当直径を説明するための図である。
【図２】内接円直径を説明するための図である。
【図３】平均粒子間距離を説明するための図である。
【図４】本発明の圧延用ロールの外層を説明するための図である。
【図５】圧延摩耗試験機の概略図である。
【図６】圧縮試験片の概略図である。
【図７】本発明例Ｎｏ．１の光学顕微鏡による金属組織写真である。
【図８】比較例Ｎｏ．６の光学顕微鏡による金属組織写真である。
【図９】従来例Ｎｏ．１０の光学顕微鏡による金属組織写真である。
【図１０】ショア硬さと圧縮強度の関係を示す図である。
【図１１】圧縮強度と熱亀裂深さの関係を示す図である。
【図１２】本発明に係る圧延用ロールの種々の形態の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  ＭＣ炭化物、  １０  円、  Ｄ１０  円相当直径、  ２  基地、
ｌａ（ｌａ１、ｌａ２、ｌａ３、ｌａ４）  円相当直径で１５μｍ以上のＭＣ炭化物、
ｌｂ  円相当直径で１５μｍ以下のＭＣ炭化物、  ２０  内接円、
Ｄ２０  内接円直径、  Ｌ  任意の直線、  Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  粒子間距離、
イ  本発明の外層、  ロ  イを除く部位、  ハ  内層、  ニ  中空部、  ホ  軸材、
ヘ  中空部、
５１  圧延機、  ５２  試験用ロール、  ５３  試験用ロール、  ５４  加熱炉、
５５  冷却水槽、  ５６  巻取り機、  ５７  テンションコントローラ、
Ｓ  圧延材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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