(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心鋳造で製造された外層と溶着一体化した内層を有する熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が、重量％で
Ｃ：1.5 〜2.31％、              Si：0.1 〜2.0 ％、
Mn：0.1 〜2.0 ％、              Cr：７〜15％、
Mo：2.5 〜10％、                Ｖ：３〜10％、
Nb：0.5 〜5 ％
を含み、さらに下記（１）、（２）式を同時に満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ室温から300 ℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃以下であり、前記内層が、重量％で、
Ｃ：2.5 〜 4.O％、              Si：1.5 〜 3.5％、
Mn：0.3 〜 2.0％、              Cr：0.1 〜 0.8％、
Mo：0.1 〜 4.0％、              Ｖ：0.1 〜 1.0％、
Nb：0.09〜0.5 ％、              Ni：1.5 超〜6.0 ％、
Mg：0.02〜0.08％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、面積率で20％以上のベイナイト相を含む組織を有することを特徴とする耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロール。
記
0.27≦Mo (％) ／Cr (％) ≦0.8     ……（１）
Cr (％) ／Ｃ (％) ≧3.3     ……（２）
ここで、Cr、Mo、Ｃ：各元素の含有量（重量％）
【請求項２】
遠心鋳造で製造された外層と内層との間に中間層を有し、該
中間層を介して外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって
、前記外層が、重量％で
Ｃ：1.5 〜2.31％、              Si：0.1 〜2.0 ％、
Mn：0.1 〜2.0 ％、              Cr：７〜15％、
Mo：2.5 〜10％、                Ｖ：３〜10％、
Nb：0.5 〜5 ％
を含み、さらに下記（１）、（２）式を同時に満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ室温から300 ℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃以下であり、前記内層が、重量％で、
Ｃ：2.5 〜 4.O％、              Si：1.5 〜 3.5％、
Mn：0.3 〜 2.0％、              Cr：0.1 〜 0.8％、
Mo：0.1 〜 4.0％、              Ｖ：0.1 〜 1.0％、
Nb：0.09〜0.5 ％、              Ni：1.5 超〜6.0 ％、
Mg：0.02〜0.08％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、面積率で20％以上のベイナイト相を含む組織を有することを特徴とする耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロール。
記
0.27≦Mo (％) ／Cr (％) ≦0.8     ……（１）
Cr (％) ／Ｃ (％) ≧3.3     ……（２）
ここで、Cr、Mo、Ｃ：各元素の含有量（％）
【請求項３】
前記外層が、前記組成に加えて、さらに重量％で、Co：10％以下、Ni：３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロール。
【請求項４】
前記内層が、前記組成に加えて、さらに重量％で、Co：10％以下を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロール。
【請求項５】
前記中間層が、重量％で、
Ｃ：1.5 〜３％、                Si：0.5 〜3.5 ％、
Mn：0.2 〜２％、                Cr：1.0 〜6.0 ％、
Mo：1.0 〜6.0 ％、              Ｖ：３％以下、
Nb：２％以下、                  Ni：４％以下を含有し、
あるいはさらにCo：８％以下
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心鋳造性複合ロールに関し、とくに熱間圧延の仕上後段スタンドに好適な熱間圧延用複合ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、熱間圧延技術の進歩はめざましく、それに伴い、使用される熱間圧延ロールの特性、とくに耐摩耗性の向上が強く要求されてきた。このような耐摩耗性の向上要求に対し、外層を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質な炭化物を析出させ、耐摩耗性を格段に向上させた、高性能複合ロール（ハイス系ロール）が開発され実用化されている。
【０００３】
例えば、特開平８−73977 号公報には、重量比で、Ｃ：2.5 〜4.0 ％、Si：1.5 ％以下、Mn：1.2 ％以下、Cr：6.0 〜20％、Mo：2.0 〜12％、Ｖ：3.0 〜10.0％、Nb：0.6 〜5.0 ％を含有し、10＜6.5C−1.3V−0.7Nb ≦2Cr −２を満足する組成のハイス系の熱間圧延用ロール外層材が提案されている。この複合ロールは、摩擦係数が低く、耐摩耗性、耐肌あれ性と耐バンディング性に優れているとされる。
【０００４】
また、特開平10-183289 号公報には、重量比で、Ｃ：2.4 〜2.9 ％、Si：1 ％以下、Mn：１％以下、Cr：12〜18％、Mo：３〜９％、Ｖ：３〜８％、Nb：0.5 〜４％を含有し、0.27≦Mo/Cr ＜0.7 、およびＣ＋0.2Cr ≦6.2 を満足する組成のハイス系の外層を有する熱間圧延用ロールが提案されている。この熱間圧延用ロールは、炭化物の偏析が少なく耐摩耗性に著しく優れているとされる。
【０００５】
また、特開平10−192916号公報には、連続肉盛鋳造法により常温〜100 ℃における熱膨張係数が12×10-6／℃以下あるいはさらに熱伝導率が0.12cal /(cm・sec ・℃) 以下の軸材の外周に、ハイス系材の外層を溶着形成した熱間圧延用複合ロールが提案されている。このロールは、耐摩耗性、耐肌あれ性に優れ、さらにサーマルクラウンが小さいとされている。
【０００６】
しかしながら、圧延製品の品質向上と効率的生産の観点から熱間圧延用ロールの使用環境はますます過酷化している。同時に、鋼板品種やサイズの多様化に伴い、ロールの使いやすさへのニーズが大きくなるなど、熱間圧延作業ロールに対する要求もさらに高くかつ多様化している。
例えば、熱間仕上圧延における最終スタンドでは、圧延トラブル等で鋼板が折り畳まれた状態で圧延されるという、いわゆる絞り圧延事故がしばしば発生する。このような絞り圧延事故が発生すると、作業ロール表面には非常に大きな熱負荷と面圧が瞬間的に負荷され、このため、作業ロール表面に粗大な亀裂、いわゆる絞りクラックが形成されることが多い。絞りクラックが形成されたままの作業ロールで圧延を続けると、繰り返し圧延応力の作用により絞りクラックから疲労亀裂が伝播して、ついには作業ロールの割損に至る。
【０００７】
絞り圧延事故の多くは、作業ロールのサーマルクラウンの増加により、ロールギャップが小さくなるためであると考えられている。ロールギャップが小さくなることにより、通板性が低下して、鋼板の蛇行や、鋼板の腹伸び、耳伸び等の圧延トラブルが生じて、鋼板が折り畳まれて圧延されるのである。
耐摩耗性に優れるハイス系ロールは、ロールの消耗量が少なくなるため、サーマルクラウンが見掛け上大きくなって通板性が低下するという問題があった。また、ハイス系ロールでは絞りクラックが発生しやすいという問題もあり、ハイス系ロールの熱間仕上圧延最終スタンドへの適用が制限されていた。
【０００８】
例えば、特開平８−73977 号公報、特開平10−183289号公報に記載された技術で製造された熱間圧延用複合ロールは、炭化物の強化により亀裂発生への抵抗が高いが、硬質な炭化物を多量に含有することから、過大な絞り圧延に遭遇した場合には亀裂が炭化物間を進展して粗大化し、同時に内層と外層の熱膨張係数の違いから、ロール外層に残留応力が存在することに起因して、亀裂の成長が著しく促進されて、スポーリングと呼ばれるロール表面の割損事故が発生する場合があり、熱間仕上圧延の後段スタンド用ロールとして、安定して使用できるまでの特性を有していないという問題があった。
【０００９】
また、特開平10−192916号公報に記載された技術で製造された熱間圧延用複合ロールは、軸材の熱膨張係数と熱伝達率を低下させ、軸材の熱膨張を抑制させることでロールのサーマルクラウンを減少させようとするものであるため、圧延中に最も熱膨張するロール外層の熱膨張の抑制が不十分であり、優れた通板性を確保できるほど圧延中の見掛けのサーマルクラウンを低減できず、圧延トラブルの発生を完全に抑制することができないという問題があった。
【００１０】
このような背景から、熱間仕上圧延の後段スタンドでも安定して使用可能なハイス系ロールが熱望されていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、熱間仕上圧延の最終スタンドに安定して適用できる、優れた耐摩耗性と耐肌荒れ性を有し、さらに良好な通板性や耐絞りクラック性などの、耐事故性に優れた遠心鋳造製熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロールを提供することを目的とする。また、本発明は、ロール製造時に折損事故が発生する可能性の非常に少ない熱間圧延用ロールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、ハイス系ロール外層材における耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐事故性におよぼす合金元素配合量の影響について鋭意研究した。その結果、Cr、Mo含有量を高くし、ＶとNbを複合添加するとともに、Ｃ、CrおよびMo量を最適化することにより、熱膨張係数の低下、耐摩耗性、耐肌荒れ性および耐事故性の向上が同時に可能であることを見いだした。
【００１３】
しかし、良好な通板性を確保し耐事故性を向上させるために、外層材の熱膨張係数を小さくすると、ロール熱処理時の冷却中に、外層材が収縮する量より内層材が収縮する量が非常に大きくなり、熱処理中のロールの内部応力や熱処理後のロールの残留応力を増加させることになる。この熱処理中の応力増加は、熱処理中のロール割損事故の原因となる。また、熱処理後の残留応力の増加は、絞り圧延に遭遇した際のロール表層部の剪断力を増大させ、絞りクラックの生成と粗大化を促進する原因になる。そこで、本発明者らは、残留応力の低い複合ロールを安定して製造するという観点から、内層材の熱収縮量を低減する必要があるという結論に達した。
【００１４】
本発明における複合ロールは、焼入れ後に 500℃前後の温度で応力弛緩処理を兼ねた焼戻処理が１回から複数回実施される。しかし、複合ロールの残留応力は、応力弛緩処理では大きく減少していないのが現状である。複合ロールの残留応力は、焼入れ時に発生した応力に起因しており、残留応力の低減のためには、焼入れ時に発生する応力を低減する必要がある。このことから、本発明者らは、ロール熱処理中の応力や熱処理後の残留応力を低減するには、焼入れ時に、内層材をベイナイト変態させ、変態膨張により内層材の収縮を見掛け上低減し、外層と内層の熱処理での熱収縮量差を低減できることに想到した。
【００１５】
本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、第１の本発明は、遠心鋳造で製造された外層と溶着一体化した内層を有する熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が、重量％でＣ：1.5 〜2.31％、Si：0.1 〜2.0 ％、Mn：0.1 〜2.0 ％、Cr：7 〜15％、Mo：2.5 〜10％、Ｖ：３〜10％、Nb：0.5 〜５％を含み、さらに次（１）、（２）式
0.27≦Mo (％) ／Cr (％) ≦0.8     ……（１）
Cr (％) ／Ｃ (％) ≧3.3     ……（２）
（ここで、Cr、Mo、Ｃ：各元素の含有量（重量％））
を同時に満足し、あるいはさらにCo：10％以下、Ni：３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ室温から300 ℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃以下であり、さらに、前記内層が、重量％で、Ｃ：2.5 〜 4.O％、Si：1.5 〜 3.5％、Mn：0.3 〜 2.0％、Cr：0.1 〜 0.8％、Mo：0.1 〜 4.0％、Ｖ：0.1 〜 1.0％、Nb：0.09〜0.5 ％、Ni：1.5 超〜6.0 ％、Mg：0.02〜0.08％を含有し、あるいはさらにCo：10％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、面積率で20％以上のベイナイト相を含む組織を有することを特徴とする耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロールである。
【００１６】
また、第２の本発明は、遠心鋳造で製造された外層と内層との間に中間層を有し、該中間層を介して外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が、重量％でＣ：1.5 〜2.31％、Si：0.1 〜2.0 ％、Mn：0.1 〜2.0 ％、Cr：７〜15％、Mo：2.5 〜10％、Ｖ：３〜10％、Nb：0.5 〜５％を含み、さらに前記（１）、（２）式を同時に満足し、あるいはさらにCo：10％以下、Ni：３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、かつ室温から300 ℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃以下であり、さらに、前記内層が、重量％で、Ｃ：2.5 〜 4.O％、Si：1.5 〜 3.5％、Mn：0.3 〜 2.0％、Cr：0.1 〜 0.8％、Mo：0.1 〜 4.0％、Ｖ：0.1 〜 1.0％、Nb：0.09〜0.5 ％、Ni：1.5 超〜6.0 ％、Mg：0.02〜0.08％を含有し、あるいはさらにCo：10％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、面積率で20％以上のベイナイト相を含む組織を有することを特徴とする耐事故性に優れた熱間圧延仕上後段スタンド用複合ロールであり、また、第２の本発明では、前記中間層を、重量％で、Ｃ：1.5 〜３％、Si：0.5 〜3.5 ％、Mn：0.2 〜２％、Cr：1.0 〜6.0 ％、Mo：1.0 〜6.0 ％、Ｖ：３％以下、Nb：２％以下、Ni：４％以下を含有し、あるいはさらにCo：８％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するものとするのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の熱間圧延用複合ロールの外層の組成限定理由について説明する。なお、組成における％は重量％である。
Ｃ： 1.5〜2.31％
Ｃは、ロールの耐摩耗性を向上するための炭化物形成に必須な元素であり、本発明では 1.5〜2.31％の範囲に限定した。本発明の範囲にＣ量を調整することにより、共晶炭化物の多量晶出が抑制されて耐摩耗性と同時に、耐絞りクラック性（耐熱衝撃性）が向上する。Ｃ含有量が 1.5％未満では、炭化物量が不足して耐摩耗性、耐肌荒れ性が劣化する。一方、2.31％を超えると炭化物量が過多となり熱衝撃特性を劣化させ、同時に熱膨張係数をも増加させる。
【００１８】
Si： 0.1〜 2.0％
Siは、脱酸剤として作用するともに、Crと同様に基地に固溶して耐高温酸化性を高める作用もある。このような作用は、0.1 ％以上の含有で認められるが、2.0 ％を超えて添加しても効果が飽和し、経済的に不利となる。このため、Siは0.1 〜 2.0％の範囲に限定した。
【００１９】
Mn： 0.1〜 2.0％
Mnは、溶鋼中のＳをMnS として固定し、Ｓの悪影響を除去するために有用である。また、焼入れ性を向上する効果もある。このような効果を得るためには、0.1 ％以上の含有が必要である。しかし、2.0 ％を超えて含有するとオーステナイトが多量に残留してロール特性を劣化させる。このため、Mnは0.1 〜 2.0％の範囲に限定した。
【００２０】
Cr：７〜15％
Crは、耐摩耗性と耐肌荒れ性を向上させる強固なCr系炭化物を出現させるために必須の元素である。また、Crは、基地に固溶して熱膨張係数を効果的に低下させる作用を有する。さらにCrは、熱伝導率を低下させる強い作用をもち、外層から内層への熱伝達を抑制し、内層が熱膨張することによるサーマルクラウンの増大を抑制する重要な効果を有する。このような効果は、Cr７％以上の含有で認められる。Crが７％未満では、上記した効果が不足し、通板性の向上、耐摩耗性の向上を達成することが不可能となる。一方、15％を超えると炭化物が過多となって耐熱衝撃性が低下する。なお、より好ましくは７〜13％の範囲である。
【００２１】
Cr／Ｃ≧ 3.3
Cr／Ｃは、熱膨張係数に影響を及し、本発明では重要な因子であり、3.3 以上に限定する。Cr／Ｃが、 3.3未満では、基地に固溶するCr量が不足して、所定の熱膨張係数を達成できない。なお、好ましくはCr／Ｃは3.5 〜7.5 の範囲である。
【００２２】
Mo： 2.5〜10％
Moは、Cr炭化物およびMC炭化物中に濃化してこれらのCr系炭化物を強化し、耐肌荒れ性と耐摩耗性および耐熱衝撃性を著しく向上する効果を有する。また、Moは熱膨張係数の低下にも効果的に作用する。このような効果は、2.5 ％以上の含有で認められる。しかし、10％を超える含有は、脆弱なMo系の炭化物が多量に出現し、耐肌荒れ性と耐摩耗性が著しく劣化する。このため、Moは2.5 〜10％の範囲に限定した。
【００２３】
0.27≦Mo（％）／ Cr （％）≦0.8
本発明では、さらにMo/Cr が0.27〜0.8 の範囲となるようにCr含有量に応じMo含有量を調整する。Mo/Cr が0.27未満では、Cr系炭化物の強化が不十分であり、一方、0.8 を超えると、強化されたCr系炭化物に比べて脆弱なMo系の炭化物が多量に出現し、耐肌荒れ性と耐摩耗性が著しく劣化する。
【００２４】
Ｖ：３〜10％
Ｖは、硬質なMC炭化物を形成させ、耐摩耗性を向上させる効果を有し、一定レベルの耐摩耗性を得るために、ハイス系ロールとしては必須な元素である。耐摩耗性の向上は、３％以上の含有で認められるが、10％を超える含有は、溶湯の融点を上昇させるとともに溶湯の流動性を低下させ、遠心鋳造を困難にする。このため、Ｖは３〜10％の範囲に限定した。なお、好ましくは、３〜７％の範囲である。
【００２５】
Nb： 0.5〜５％
Nbは、Ｖと同様に硬質なMC炭化物を形成させ、さらにMoをより効果的にMC炭化物中に濃化させる作用を有し、本発明の範囲のCr、Moとの共存により耐摩耗性を著しく向上する。さらに、MC炭化物を粒状化して、亀裂生成への抵抗力を高める作用も有する。このような効果は、0.5 ％以上の含有で認められるが、５％を超えて添加しても効果が飽和するうえ、MC型炭化物の晶出温度を著しく上昇させ、MC型炭化物の著しい粗大化を招き、炭化物の偏析を助長する。なお、好ましくは、0.5 〜３％である。
【００２６】
Co：10％以下、Ni：３％以下のうちから選ばれた１種または２種
Coは、基地中に固溶するとともに、他元素の基地への固溶量を高めて基地をより強化する効果を有し、必要に応じ含有できる。また、Coは、熱膨張係数を低下する作用も有する。10％を超えて含有してもその効果が飽和するため、Coは10％を上限とするのが好ましい。
【００２７】
Niは、焼入れ性を向上させる作用があり、熱処理での変態挙動を制御するのに有用な元素であり、必要に応じ添加できる。しかし、耐摩耗性を劣化する作用も合わせもつため、３％以下に限定するのが好ましい。Ni含有量が３％を超えると、焼入れ性向上効果も飽和する。
さらに、本発明の外層では、下記の範囲内であれば、Ｗ、Ｂを含有してもよい。
【００２８】
Ｗ：１％以下
Ｗは、硬質な炭化物を形成する元素であり、１％以下であれば含有してもよい。しかし、１％を超えると、耐肌荒れ性や耐熱衝撃性が劣化する。
Ｂ：0.05％以下
Ｂは、Ｎと結合しＮを安定化させる作用を有するため、0.05％以下であれば含有してもよい。本発明では、Cr、Ｖ、Nbなどの合金元素を多量に含有するため、通常の大気溶解では多量のＮが不可避的に溶湯に混入し、Ｎの悪影響も懸念される。ＢはＮとともにＢＮを形成してＮを安定化する作用を有するため、Ｂを0.05％以下であれば含有してもよい。しかし、0.05％を超えると材質が脆くなる。
【００２９】
本発明の複合ロールの外層は、上記した成分以外は残部Feおよび不可避的不純物である。
また、本発明の複合ロールの外層は、室温から 300℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃以下の低熱膨張係数を有する外層である。とくに、外層の熱膨張係数の低減は、ロールのサーマルクラウンを大幅に低減し、ロールの通板性向上に最も有効に作用する。室温から 300℃における平均熱膨張係数が11.5×10-6／℃を超えると、ロールのサーマルクラウンが大幅に増大する傾向を有し、優れた通板性を確保できなくなる。
【００３０】
本発明の外層は、従来のハイスロールに比べて耐摩耗性も向上しているため、ロール消耗量が小さくなる。このため、外層が従来と同じに膨張すると、従来に比べ、あたかもロールが膨張したように見えてしまう。すなわち、摩耗量が小さくなった分だけ、見掛け上サーマルクラウンが増大したようにみえる。しかし、本発明のロールは、室温から 300℃における熱膨張係数を11.5×10-6／℃以下と小さく限定されているため、実際にはサーマルクラウンが大幅に低下しており、従来のハイス系ロールに比べて見掛け上のサーマルクラウンも減少する。このため、本発明の熱間圧延用ロールは、通板性が向上するのである。
【００３１】
本発明では、外層を、上記した組成範囲とすることにより、平均熱膨張係数が小さく、耐摩耗性、耐熱衝撃性が向上したロールとなる。つぎに、平均熱膨張係数、耐摩耗性、耐熱衝撃性におよぼす外層組成の影響について、本発明者らが行った実験結果に基づき説明する。
表１に示す組成の溶湯を溶製し、遠心鋳造法で690 mmφのロール外層材（肉厚：80mm）とした。ついで、これら外層材を、1050℃に加熱したのち、焼入れし、さらに500 〜550 ℃で２回焼戻しを実施した。熱処理済み外層材から、試験片を採取し、摩耗試験、熱衝撃試験および熱膨張試験を実施した。
【００３２】
摩耗試験は、相手材（S45C）と試験片の２円盤すべり摩耗方式で実施した。回転数600rpmで回転させながら、相手材を800 ℃に加熱し、試験片を水冷し、試験片と相手材のすべり率を10％として、荷重 100kgで圧接しながら転動させた。この試験を相手材を更新して４回繰り返した後（転動回数：72000 回）、試験片の摩耗減量を測定した。
【００３３】
熱衝撃試験は、加熱回転した円板状の相手材（S45C）を25mm厚の板状の試験片に圧接し、圧接終了直後に水冷する方式で行った。相手材の温度は 800℃から1050℃の間（50℃ピッチ）で変化させた。この熱衝撃試験では、相手材の温度が高いほど試験片への熱負荷が大きくなり、試験片に熱衝撃亀裂が入りやすくなるため、亀裂が発生する温度が高いほど耐熱衝撃性が優れることを意味する。
【００３４】
熱膨張試験は、５mmφ×20mm長さの試験片を用いて、室温（20℃）〜300 ℃における平均熱膨張係数を測定した。
これらの結果を表２に示す。
【００３５】
【表１】
0003945935.tif 000002
【００３６】
【表２】
0003945935.tif 000003
【００３７】
本発明範囲の外層例（No.O-1〜No.O-7）では、従来例である外層材No.O-11 （NiG 鋳鉄）と比べて、いずれも摩耗量が1/10程度までに低減しており、極めて優れた耐摩耗性を有している。また、室温から 300℃における熱膨張係数も11.1×10-6以下と極めて小さい熱膨張係数を有しており、サーマルクラウンの減少による通板性向上が期待できる。
【００３８】
さらに、本発明範囲の外層例（No.O-1〜No.O-7）では、熱衝撃試験における熱衝撃亀裂発生温度が1050℃以上と高く、耐熱衝撃性に優れ、絞りクラックの抑制が達成できる。
なお、本発明の範囲を外れた外層例（No.O-8〜No.O-10 ）は、熱膨張係数が大きいか、耐摩耗性、耐熱衝撃性のいずれかが劣化している。
【００３９】
外層例No.O-8は、Cr量とCr/Cが本発明の範囲を外れたため、熱膨張係数が大きく、耐摩耗性、耐熱衝撃性が著しく劣化している。
外層例No.O-9は、Ｃ量が本発明の範囲を外れたため、耐熱衝撃性が著しく劣化している。
外層例No.O-10 は、Ｗを多量に含有し、Nb量が本発明の範囲を外れたため、熱膨張係数が大きく、耐摩耗性と耐熱衝撃性が著しく劣化している。
【００４０】
本発明では、上記した組成の溶湯を、遠心鋳造法で外層としたのち、さらに内層を静置鋳造して、外層と内層が溶着一体化した複合ロールとする。
静置鋳造される内層は、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄を用いるのが好ましい。
つぎに、内層の組成について説明する。
【００４１】
Ｃ：2.5 〜 4.0％
Ｃは、鋳造性の向上と黒鉛を出現させるために添加される。Ｃ含有量が 2.5％未満では黒鉛の量が少なく、鋳造性が劣化し、引け巣が発生しやすくなる。一方、4.0 ％を超えると粗大な黒鉛が出現し内層材質が脆弱となる。このため、Ｃは 2.5〜 4.0％の範囲に限定する。
【００４２】
Si：1.5 〜 3.5％
Siは、Ｃと同様に鋳造性の向上と黒鉛化のために添加される。Si含有量が 1.5％未満では黒鉛化が不十分となり、炭化物の晶出が増加する。このため内層が硬脆化する。一方、 3.5％を超えて含有しても、黒鉛化の効果は飽和するうえ、形の崩れた黒鉛が出現しやすくなり、内層強度が低下する。このため、Siは1.5 〜3.5 ％の範囲に限定する。
【００４３】
Mn：0.3 〜 2.0％
Mnは、溶湯中のＳをMnS として固定し、Ｓの悪影響を除去する作用を有する。このような作用は0.3 ％以上の含有で認められるが、２％を超えて含有すると内層材質が脆化する。
Cr：0.1 〜 0.8％
Crは、パーライト組織を安定にする作用を有し、内層強度を向上させ、さらに熱膨張係数を低下させる効果を有する。この効果は0.1 ％以上の含有で認められるが、0.8 ％を越えて含有すると共晶炭化物の晶出が増加して内層材質が硬脆化する。
【００４４】
Mo：0.1 〜 4.0％
Moは、焼入れ性を向上させる元素であり、内層の熱膨張係数を低下させる作用も有している。この効果を得るためには 0.1％以上含有させる必要があるが、4.0 ％を超えて含有すると炭化物の晶出量が増加して内層材質が硬脆化する。
Ｖ：0.1 〜１％
Ｖは、MC炭化物を形成し、脆弱なセメンタイトの出現を抑制するとともに、内層強度を上昇させる効果を有する。この効果を得るには0.1 ％以上の含有が必要である。一方、１％を超える含有は、内層材質を硬脆化させる。このため、Ｖは 0.1〜１％の範囲に限定する。
【００４５】
Nb：0.09〜0.5 ％
Nbは、Ｖと同様にMC炭化物を形成させ、脆弱なセメンタイトの出現を抑制するとともに、内層強度を上昇させる効果を有する。しかし、0.5 ％を超える含有は、内層材質を硬脆化させる。このため、Nbは0.09〜 0.5％に限定する。
Ni：1.5 超〜6.0 ％
Niは、ベイナイト組織を生成するための必須の元素である。1.5 ％以下の含有では、ベイナイト量が少なく、一方、6.0 ％を超えて含有しても効果が飽和するため、経済的に不利となる。このため、Niは1.5 超〜6.0 ％に限定するのが好ましい。
【００４６】
Mg：0.02〜0.08％
Mgは、黒鉛を球状化して強度を向上するために必須な元素である。黒鉛を球状化するためには、0.02％以上の含有を必要とする。0.02％未満では、黒鉛が球状化度合いが低下する。一方、0.08％を超えると白銑化しやすくなり、また、ドロスなどの介在物欠陥が多くなる。このため、Mgは0.02〜0.08％の範囲に限定する。
【００４７】
Co：10％以下
Coは、熱膨張係数を低下するのに効果をもち、必要に応じ含有できる。しかし、10％を超えて含有しても、効果が飽和する。このため、Coは10％以下に限定するのが好ましい。
なお、内層は、上記した成分以外は残部Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物として、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.03％以下とするのが好適である。
【００４８】
内層は、上記した組成を有する球状黒鉛鋳鉄とするのが好ましく、さらに安定したロール製造を可能とするため、面積率で20％以上のベイナイトを含む組織とする。
本発明の複合ロールの熱処理は、焼入れに引き続いて 400〜 600℃での焼戻し処理が１回から複数回実施される。外層と内層の熱処理中あるいは熱処理後の熱膨張差を低減するために、本発明の内層は、20％以上のベイナイトを含む組織とする。
【００４９】
本発明の熱延複合ロールでは、外層の熱膨張係数が小さいことから、内層の熱膨張係数が大きいと、ロール製造における熱処理時に内層と外層との収縮量差が著しく大きくなり、内層に過大な引張応力が、外層には過大な圧縮応力が発生する。内層の過大な引張応力は熱処理でのロール割損事故を発生させ、外層の過大な圧縮残留応力は粗大な絞りクラックの発生原因となる。このため、本発明では、内層を焼入れ時にベイナイトを生成する組成とし、ベイナイト変態による膨張によって内層における見掛けの熱収縮量を低減する。これにより、外層と内層の熱収縮量差を減少でき、内層、外層に発生する応力を制限し、ロール割損事故や粗大絞りクラックの生成を抑制する。
【００５０】
ベイナイト量が20％未満では、外層との熱収縮量の差が大きく、熱処理時の残留応力が低下しない。
本発明では、外層を上記した組成とし、さらに内層を、上記した組成範囲と組織とすることにより、外層との焼入れ時の熱収縮量差が顕著に減少し、熱処理時および熱処理後のロール残留応力を低減でき、製造時のロール割損、熱間圧延時の絞りクラック発生を抑制できる。つぎに、外層との焼入れ時の熱収縮量差におよぼす内層組成の影響について、実験結果に基づき説明する。
【００５１】
表３に示す内層組成の溶湯を溶製し、肉厚50mmの鋳造品を製造した。
まず、内層材から、熱膨張試験片を採取し、焼入れ時の熱収縮挙動、変態後の組織を調査した。なお、表１に示す外層材O-2 から同様の熱膨張試験片を採取し同様の調査を行った。
各材から採取した熱膨張試験片について、変態測定装置を用いて、1050℃に加熱したのち、複合ロール（700 mmφ）の焼入れ冷却速度に相当する冷却速度で室温（20℃）まで冷却し、各材の熱収縮量（＝熱収縮量／試験片長さ×100 ％）を測定した。熱膨張−温度曲線の１例を図１に示す。
【００５２】
図１から、本発明範囲の内層組成を有する内層材I-3 では、300 〜400 ℃間でベイナイト変態による大きな膨張が生じ、その結果、見掛け上の収縮が低減し、外層材O-1 との熱収縮量の差が低減していることがわかる。これに対し、本発明範囲外の内層組成を有する内層材I-5 では、ベイナイト変態による膨張がないため、外層材との熱収縮量の差は大きくなっている。
【００５３】
外層材O-1 と内層各材との焼入れ時熱収縮量差を表４に示す。
【００５４】
【表３】
0003945935.tif 000004
【００５５】
【表４】
0003945935.tif 000005
【００５６】
本発明範囲の内層組成を有する内層材（I-1 、I-2 、I-3 、I-4 ）では、ベナイト相の生成が多いため、焼入れ時熱収縮量は小さく、本発明範囲の外層組成を有する外層材（O-1 ）の焼入れ時熱収縮量との差が0.13〜0.25％と少なくなっている。これに対し、本発明範囲の内層組成範囲から外れる内層材（I-5 、I-6 ）では、ベナイト相の生成が少なく、外層材との熱収縮量差が0.29〜0.45％と大きくなっている。
【００５７】
ついで、内層材を、1050℃に加熱したのち、焼入れし、さらに540 ℃で２回焼戻しを実施した。熱処理済み内層材から、試験片を採取し、組織調査、および引張試験を実施し、引張強さを測定した。
これらの結果を表４に併記して示す。
表４から、本発明範囲の内層組成としベイナイト相を20％以上とすることにより、引張強さは、複合ロール内層として十分な580MPa以上の強度を有している。これに対し、本発明範囲を外れる組成の内層材（I-5 、I-6 ）では、ベイナイト相の生成量が少ないが引張強さは500MPa以上であった。Nb、Ｖ含有量が本発明範囲を外れる組成の内層材（I-7 ）では、ベナイト相の生成が多く、熱外層との収縮差は小さくなるが、引張強さが500MPa未満であり、複合ロールの内層としては不適である。
【００５８】
また、本発明の複合ロールでは、外層と内層の間に中間層を設け、内層と外層を溶着一体化させることができる。中間層は、外層を遠心鋳造法で製造したのち、遠心鋳造法で外層の内側に形成させるのが好ましい。中間層の存在は、外層と内層の熱膨張率、ヤング率などの物理的性質や機械的性質の隔たりを埋める緩衡層としての役割をもち、かつ、外層成分、とくに炭化物形成元素（Cr）が内層に過剰に混入し内層が硬脆化するのを防止するのに有効である。
【００５９】
中間層は、１〜３％のＣを含有した合金材料、例えば、過共析鋼、黒鉛鋼、鋳鉄系材料とするのが好ましい。さらにより好ましくは、外層と内層の中間あるいは内層と同等の熱膨張係数をもつことが、ロール製造上、あるいはロール使用上推奨される。
つぎに、中間層の好ましい組成について、説明する。
【００６０】
Ｃ：１〜３％
Ｃは、基地中に溶け込んで強度を確保する。Ｃ含有量が1 ％未満ではその効果が不十分であり、一方、３％を超えると、炭化物が多くなり靱性が低下する。このため、Ｃは1 〜3 ％に限定する。なお、好ましくは1.5 〜3 ％である。
Si：0.5 〜3.5 ％
Siは、硬脆化の抑制と鋳造性確保のため、0.5 ％以上必要である。しかし、3.5 ％を超えるて含有しても効果が飽和する。このため、Siは0.5 〜3.5 ％とするのが好ましい。
【００６１】
Mn：0.2 〜2 ％
Mnは、強度を向上させる効果があり、強度確保のためには0.2 ％以上の含有が必要であるが、２％を超える含有は効果が飽和する。このため、Mnは0.2 〜2 ％とするのが好ましい。
Cr：1.0 〜6.0 ％
Crは、熱膨張係数を低下させるのに有効であり、かつ熱伝導率を低下させる作用もあり、圧延材からの熱が内層に伝導して内層が熱膨張するのを防ぐ効果も併せ有する。これらの効果は、1.0 ％以上の含有で認められる。一方、6.0 ％を超える含有は、炭化物が過多となり、材質を劣化させる。
【００６２】
Mo：1.0 〜6.0 ％
Moは、熱膨張係数を低下させるのに有効であり、外層、内層の熱膨張係数に、近づけるには1.0 ％以上含有させることが好ましい。一方、6.0 ％を超えると脆質な炭化物が多量に出現し、材質を脆化させる。このため、Moは1.0 〜6.0 ％に限定するのが好ましい。
【００６３】
Ｖ：３％以下
Ｖは、中間層の強度を向上させる作用があり、中間層では必ず含有する。しかし、３％を超えて含有すると、中間層にミクロな引け巣が形成されやすくなり、中間層の強度が低下する。このため、Ｖは３％以下に限定するのが好ましい。
Nb：２％以下
Nbは、Ｖと同様に中間層の強度を向上させる作用があり、中間層では必ず含有する。しかし、２％を超えて含有すると、中間層にミクロな引け巣が形成されやすくなり、中間層の強度が低下する。このため、Nbは２％以下に限定するのが好ましい。
【００６４】
Ni：４％以下
Niは、焼入れ性を向上させるために重要な元素であり、中間層をベイナイト変態させるのに有効に作用し、中間層では必ず含有する。４％を超えて含有しても効果が飽和する。このため、Niは４％以下に限定するのが好ましい。
Co：８％以下
Coは、熱膨張係数を低下させる作用を有し、必要に応じ含有できる。８％を超えて含有してもその効果は変化がないため、８％以下に限定するのが好ましい。
【００６５】
なお、中間層は上記した成分以外は残部Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.03％以下とするのが好適である。また、脱酸剤として、Al、Ti、Zr等を添加してもよい。
なお、本発明の複合ロールにおける中間層は、外層の平均熱膨張係数と内層の平均熱膨張係数との中間の平均熱膨張係数、または内層の平均熱膨張係数と同等の平均熱膨張係数を有するものであることが好ましい。
【００６６】
【実施例】
胴径 690mm、胴長2400mmの複合ロールを以下の手順で製造した。
遠心力 140Ｇで回転する鋳型内に、外層として肉厚80mmになるように、表５に示す組成の溶湯を鋳込んだ。外層が凝固した直後に、外層の内面に肉厚40mmに相当する中間層を鋳造して、外層の内面を７〜20mm再溶解させ、中間層と一体溶着させた。中間層が凝固した後に鋳型の回転を停止し、内層材を鋳造することによって外層−中間層−内層を一体溶着させた。外層の表面温度が80℃以下になるまで冷却した後、鋳型を解体した。
【００６７】
得られた複合ロールは、1050℃から焼入れし、引き続いて 500〜 550℃で３回以上焼戻しする熱処理を実施し、外層の硬さを77〜82Hsとした。
熱処理後、ロール胴端部から外層と中間層の試験材を採取した。外層は化学組成分析用試料、熱膨張試験用試験材を採取し、中間層はその肉厚中央部から化学組成分析用試料、組織観察用試験片を採取した。なお、内層についてはロール軸端の中心部から化学組成分析用試料と、組織観察用試験片を採取した。中間層、内層の組織は、光学顕微鏡で観察し、組織写真（20視野、倍率：100 倍）について画像解析装置によりベイナイト量を測定した。
【００６８】
各複合ロールの外層、中間層、内層の化学組成と、中間層、内層の組織（ベイナイト面積率）および外層の熱膨張係数を表５に示す。
【００６９】
【表５】
0003945935.tif 000006
【００７０】
本発明例の外層は、いずれも低い熱膨張係数を有している。これに対し、本発明の外層組成範囲を外れる比較例（ロールNo. Ｃ、従来のハイス系ロール）では、高い熱膨張係数を有し、内層組成が本発明範囲を外れ、組織がベイナイトを含まないものとなっている。また、ロールNo. Ｄ（比較例）では、外層が本発明範囲であるが、内層が本発明範囲を外れているため、熱処理中にロール胴端部が割損した。この割損は、内層と外層の熱歪差に基づく過大な熱応力の発生に起因している。なお、仮に熱処理中にロールが割損せずに製造できたとしても、熱間圧延中に、ロールの熱膨張によって割損する可能性が大きく、また、絞り圧延が発生した場合には非常に大きな亀裂が生成しやすくなるものと考えられる。
【００７１】
ロールNo. Ｄを除く、ロールNo. Ａ〜No. Ｃの複合ロールを、熱間仕上圧延ミルのF7スタンドの作業ロールとして投入し、試験圧延を実施した。試験圧延は、圧延距離約200km とした。
本発明例（ロールNo. Ａ、No. Ｂ）は、鋼板の蛇行や耳伸び、腹伸び等の圧延トラブルの発生もなく、極めて良好な通板性が確認された。これに対し、比較例（ロールNo. Ｃ）（従来のハイス系ロール）では、鋼板に腹伸びが生じ、通板性の劣化が認められた。
【００７２】
圧延直後、ロールをミルから引き出し、ロール表面温度の低下推移とロール外径の収縮量の推移を４時間測定し、ロール全体としての見掛け上の熱膨張係数（見掛けの熱膨張係数）を求めた。なお、見掛けの熱膨張係数は、ロール内部の温度を表面温度と同じ温度とみなして熱膨張係数を算出した。このため、内層の温度が表面温度より低い場合にはロール全体の平均熱膨張係数より低くなる。
【００７３】
その結果を図１に示す。
図１から、本発明例（ロールNo. Ａ、Ｂ）では、比較例（ロールNo. Ｃ）（従来のハイス系ロール）と比べて見掛けの熱膨張係数が大幅に低下している。本発明の複合ロールは、外層にCrを多量含有していることにより、内層への熱伝導が抑制され見掛けの熱膨張係数が非常に小さくなっている。このことから、本発明の複合ロールは、サーマルクラウンの抑制効果が極めて大きいことが明らかである。
【００７４】
また、本発明の複合ロールの圧延肌は良好で、肌荒れの発生もなかった。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、熱間仕上圧延の最終スタンドにおいても、良好な通板性を有し、絞り圧延などの圧延トラブルを防止でき、安定した熱間仕上圧延が可能となり、さらに、ロールの耐摩耗性が向上しロール消耗量が減少し、ロール原単位が向上する。また、ロール製造時の割損が防止でき、ロールの安定製造が可能となる効果もある。
【００７６】
なお、本発明の複合ロールは、熱間仕上圧延後段スタンドに適用するのが好適であるが、耐摩耗性と耐肌荒れ性に優れるため熱延仕上げ前段用ロールあるいは熱延粗ミル用ロールとしても適用できることはいうまでもない。また、本発明の複合ロールは、中間層を省略した外層と内層の２層からなるロールとしてもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】各複合ロールの見掛けの熱膨張係数を示すグラフである。
【図１】
0003945935.tif 000007