(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
【請求項２】
重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
【請求項３】
重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
【請求項４】
Ａｌ：０.０１〜０.５０％及び／又はＺｒ：０.０１〜０.５０％を含有している請求項１乃至３の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
【請求項５】
Ｂ：０.０１〜０.５０％を含有している請求項１乃至４の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
【請求項６】
ハイス系鋳鉄材に含有されるランタノイド元素の少なくとも一種は、Ｃｅ又はＬａである請求項１乃至５の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
【請求項７】
ハイス系鋳鉄材に含有されるランタノイド元素は、少なくともＣｅとＬａを含んでいる請求項１乃至５の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での耐摩耗性を具え、圧延用複合ロールの外層材として好適なハイス系鋳鉄材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延用複合ロールの外層材として、従来より、硬度が高く耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材が使用されている(特開平３−２１９０４７号等)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ハイス系鋳鉄材の高硬度特性は、晶出する炭化物の寄与によるものであるが、晶出炭化物中、特にＭＣ型炭化物は比重が大きいことから、圧延ロールを遠心鋳造により作製した際、比重差により層状偏析を生じ易いという問題がある。この層状偏析は、ミクロ組織的には、炭化物の多い部分と少ない部分とが不均一に存在するため、ロール表面は肌荒れ或いは摩耗に微妙な差異が生じ、それが圧延製品に転写されて仕上がり表面を悪化させる不都合がある。
【０００４】
また、ハイス系鋳鉄材の鋳造後のミクロ組織は基地と晶出炭化物からなり、基地の大部分は初晶オーステナイトとして晶出する。この基地部分はその後の熱処理により二次炭化物を析出するものの、析出量が少なくかつ微細であるため、熱間圧延時、高温にさらされると硬度が低下し、基地部分が優先的に摩耗及び降伏する問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、遠心鋳造時における層状偏析の発生を抑制すると共に、高温でも高硬度を具え、熱間圧延時にすぐれた耐摩耗性を発揮するハイス系鋳鉄材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００７】
請求項２に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００８】
請求項３に記載された本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下／又はＴｉ：２.０％以下と、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６４〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００９】
本発明のハイス系鋳鉄材は、必要に応じて、前記合金成分の他に、Ａｌ：０.０１〜０.５０％、Ｚｒ：０.０１〜０.５０％のうち一種又は二種、及び／又はＢ：０.０１〜０.５０％を含有することができる。
【００１０】
【作用】
本発明のハイス系鋳鉄材は、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｆｅ、さらにはＮｂ、Ｔｉとが相互に結合した高硬度の複合炭化物が晶出しており、常温及び高温における硬度が高く、耐摩耗性にすぐれている。また、Ｎｉ、Ｃｏを含有することにより、基地が強化され強靱性にすぐれている。
【００１１】
本発明の鋳鉄材に含まれるランタノイド元素は、溶湯の粘性を高める作用があり、液相中に晶出した比重の大きいＭＣ型炭化物が遠心力鋳造中に溶湯中を移動するのを抑制する。この結果、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制される。
ランタノイド元素はまた、晶出炭化物の量を増やし、結果的に初晶オーステナイト量を低減する作用がある。この作用により、炭化物晶出量が増加して高硬度が得られ、しかも、初晶オーステナイト量が低減されるので高温での硬度低下が小さく、高温で高硬度を確保することができる。従って、熱間圧延ロールの外層材として用いられたとき、高温ですぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００１２】
【成分限定理由の説明】
Ｃ：１.６〜３.０％
Ｃは、主としてＦｅ及びＣｒと結合してＭ7Ｃ3型の高硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと結合して、ＭＣ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型等の高硬度複合炭化物を形成する。Ｃの含有量が１.６％に満たないと炭化物量が少なくなる一方、含有量が３.０％を超えると炭化物量が過多となり、材質が脆くなる傾向があるため、Ｃの含有量は、１.６〜３.０％に規定する。
【００１３】
Ｓｉ：１.０％未満
Ｓｉは、湯流れ性を確保するために必要な元素である。含有量が１.０％以上になると黒鉛を晶出し、黒鉛を起点とする摩耗を生じ易くなる。このため、含有量は１.０％未満に規定する。
【００１４】
Ｍｎ：１.２％以下
Ｍｎは、硬化能を増す働きがある。また、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる脆化を防止するのに有効な元素である。一方、含有量が多くなりすぎると靭性の低下を招くため、含有量の上限を１.２％に規定する。
【００１５】
Ｃｒ：１.５〜１０.０％
Ｃｒは、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共にＣと結合して、高硬度複合炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与する。また、一部は基地中に固溶して焼入れ性及び耐摩耗性を改善する。含有量が１.５％に満たないとその効果が少なく、一方１０.０％を超えると複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて、耐熱性を劣化させる。このため、含有量は１.５〜１０.０％に規定する。
【００１６】
Ｍｏ：２.０〜８.０％
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂなどと共にＣと結合して、主としてＭ7Ｃ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型の複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、２.０％に満たないとその効果を十分に得られず、一方、８.０％を超えると、複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて炭化物が偏析を起こし易くなり好ましくない。このため、含有量は、２.０〜８.０％に規定する。
【００１７】
Ｖ：２.０〜８.０％
Ｖは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏなどと共にＣと容易に結合して、主としてＭＣ型の炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、このＭＣ型炭化物は、厚さ方向に枝状に生成するから、基地の塑性変形を抑制し、機械的性質、さらには耐クラック性の向上にも寄与する。このため、少なくとも２.０％以上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、炭化物が偏析を起こし易くなるため、上限は８.０％に規定する。
【００１８】
Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下
Ｎｂ及びＴｉは、Ｖと同様に、Ｃと容易に結合してＭＣ型炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するので、Ｖと共に添加することが望ましい。しかし、添加量が多すぎると溶解が困難になるため、上限はそれぞれ３.０％以下、２.０％以下とする。
【００１９】
Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下
Ｎｉ、Ｃｏは、基地に固溶して強靱性を増す。更にＣｏは高温硬度をも高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、炭化物生成元素のオーステナイト中への固溶量を増大させて、基地の硬度と焼戻し抵抗を増大させる効果があるため、含有させることが望ましい。一方、あまりに多く含有すると残留オーステナイトが増加し、後の熱処理で強靱組織を得ることが困難になる。このため、含有量の上限は、それぞれ３.０％以下及び５.０％以下とする。
【００２０】
ランタノイド元素：少なくとも一種を合計量で０.２１〜２.０％
ランタノイド元素とは、原子番号５７から７１までの１５種類の希土類元素、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを意味し、各元素は外側の電子配置が類似しており、互いによく似た性質を有している。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、初晶オーステナイト中でのＭＣ型炭化物の晶出量を減らす一方、共晶領域でのＭＣ型炭化物の量を増やす働きがあり、特に高温での硬度を高める作用があり、高温での耐摩耗性を向上させる。これらの効果を発揮させるために、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、少なくとも０.２１％(複数種類を含有するときは合計量で)以上含有させるものとするが、０.２５％以上がより望ましく、０.３％以上がさらに望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、介在物が増えて材料の清浄度が低下し、鋳造欠陥の原因となる虞れがある。このため、上限は２.０％(複数種類を含有するときは合計量で)に規定するが、清浄度の点からは１.８％以下がより望ましく、１.６％以下がさらに望ましい。
ところで、鋳鉄材の溶製に際しては、ランタノイド元素の原料として、通常はミッシュメタルが使用される。ミッシュメタルを使用する場合、ランタノイド元素は、ＣｅとＬａが約６０〜８０％を占め、残部にはＮｄ、Ｐｒを含む他、微量のＰｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂなどが含まれる。
なお、ランタノイド元素は溶湯の粘性を高める効果もある。圧延用複合ロールを鋳造する場合、一般的には遠心力鋳造を用いて行われるが、溶湯中の粘性が高くなると、遠心分離による重量偏析が少なくなるため、ロールの外層表面側での層状偏析が軽減される利点を有する。
【００２１】
Ａｌ、Ｚｒ：各々０.０１〜０.５０％
Ａｌ、Ｚｒは、溶湯中で酸化物を生成して、溶湯中の酸素含有量を低下させ、製品の健全性を向上させると共に、生成した酸化物が結晶核として作用するために凝固組織の微細化に効果がある。このため、必要に応じて、含有することが望ましい。各元素は、含有量が０.０１％に満たないと、その効果は十分でなく、一方、０.５０％を超えて含有すると介在物となって残留し、好ましくない。なお、Ａｌ、Ｚｒの添加は、前述のように主として鋳造組織の微細化による耐摩耗性改善のために添加されるものであり、単に脱ガスを目的として添加されるものではない。
【００２２】
Ｂ：０.０１〜０.５０％
Ｂは、溶湯中の酸素と結合して脱酸効果を示す。その他、生成した酸化物を核とする凝固組織の微細化効果、及び基地中に溶け込んだＢによる焼入れ性の改善効果を有する。圧延ロールのような大質量の鋳物の場合、冷却温度を速くすることが困難な場合があるが、Ｂの添加により、焼入れ性の増大により良好な焼入れ組織を得易くなる。このため、必要に応じて含有させるものとするが、含有量が０.０１％に満たないとその効果が十分でなく、一方０.５０％を超えると材質が脆くなり好ましくない。
【００２３】
本発明のハイス系鋳鉄材は、上記成分を含有し、残部はＦｅ及び不可避的に混入する不純物からなる。例えば、Ｐ、Ｓは原料より不可避的に混入するが、材質を脆くするので少ない程好ましく、Ｐ：０.２％以下、Ｓ：０.１％以下にするのがよい。
【００２４】
なお、本発明の鋳鉄材は、この種鋳鉄材で一般的に使用されるＷを含有していない。Ｗは、炭化物を形成し、硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するが、一方、ロールとしての使用時、ロール表面に黒皮と呼ばれる酸化鉄を生成し易くする傾向がある。この黒皮がロール表面に付着すると、ロール表面の肌荒れ性が悪くなる。このため、本発明の鋳鉄材では、Ｗを積極的に使用しないようにしている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明のハイス系鋳鉄材は、外層が中実状内層又は円筒状内層に、溶着又は焼き嵌めされた二層複合ロール、あるいは外層と内層との間に中間層を鋳造形成した三層複合ロールの外層材として好適に使用される。
内層材として、高級鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、黒鉛鋼等の強靱性を有する材料が使用され、中間層材としてアダマイト材が使用される。
中実複合ロールは、金型遠心力鋳造法により外層、必要に応じて中間層を鋳造した後、その内部に内層が静置鋳造することにより作製できる。スリーブ状のロールの場合、内層も遠心力鋳造により作製される。遠心力鋳造法には、金型の回転軸が水平方向の横型、斜め方向の傾斜型、鉛直方向の縦型の各種の方法を用いることができる。また、遠心力鋳造法以外にも、公知の連続肉盛溶接法(Continuous Pouring Process)を用いることもできる。
【００２６】
本発明のハイス系鋳鉄材を外層に用いた圧延用複合ロールの場合、鋳造後、外層に所定の熱処理が施される。例えば、オーステナイト化温度から６５０〜４００℃までの温度域を１００℃／Ｈｒ以上の冷却速度で急冷し、良好な焼入れ組織を得た後、５００〜６００℃の温度で１回乃至数回の焼戻しが行なわれる。
【００２７】
【実施例】
高周波誘導溶解炉にて、表１に示す各種成分組成の合金溶湯を溶製し、遠心力鋳造に付して供試用の中空円筒体を得た。遠心力鋳造時の金型回転数はＧナンバーが１４０、鋳込み温度は１３５５℃であり、 得られた供試材は外径２４０mm、内径１４０mm、長さ２００mmである。表１中、供試材No.２、No.３、No.６〜No.１０及びNo.１２は本発明の実施例であり、No.１、No.４、No.５及びNo.１１は、参考例である。また、No.２１はＣｅ、Ｌａを全く含まない比較例、No.２２はＣｅとＬａの含有量が本発明の規定よりも少ない比較例である。なお、本発明の実施例中、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂを含有するものがあるが、その量は極く微量であるため、測定対象から除外している。
【００２８】
次に、各試料を１１００℃で１時間保持した後、強制空冷により焼入れし、その後５４０℃で１０時間の熱処理を３回繰り返した後、ビッカース硬度計で表面硬度を測定した。次に、各試料を再び５００℃の温度に加熱し、５００℃の温度で表面硬度を測定した。
供試材の合金化学成分及び硬度測定結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0003751433.tif 000002
【００３０】
表１の結果から明らかなように、本発明の供試材No.２、No.３、No.６〜No.１０及びNo.１２は、比較例の供試材No.２１〜No.２２と比べて、特に５００℃の温度で高い硬度を具えていることがわかる。これは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ及び／又はＴｉ等の高硬度複合炭化物形成元素とＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素の含有による相乗効果により、高硬度複合炭化物の共晶領域が増大したこと、初晶オーステナイト量の低減により高温での硬度低下が少なく抑えられたことによるものと推察される。高温における高硬度を具えた鋳鉄材は、熱間圧延用複合ロールの外層材として使用されたとき、ロール表面は高温圧延材との接触による摩耗抵抗性が大きく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のハイス系鋳鉄材は、高温において高い硬度を具えている。従って、外層に本発明の鋳鉄材を用いたロールは、熱間圧延に際して、非常にすぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、本発明のハイス系鋳鉄材は、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制されるため、本発明の鋳鉄材を用いた熱間圧延ロールは、圧延量が増大してもロール表面に層状偏析による模様が生じない。このため、１回のロール組込み当たりの圧延量を増加でき、圧延の生産性向上が達成できる。