JP3211348B2 - 圧延用ロールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性および耐肌荒
れ性を有する硬質材料からなる外殻層と強靭性材料から
なる内層あるいは軸部とによって構成した圧延用ロー
ル、および遠心鋳造法によって外殻層を形成する圧延用
ロールの製造方法に関するものであり、特に微細組織お
よび均質性に優れた外殻層を有する圧延用ロールおよび
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼材料等の構造材料の圧延に使用され
る熱間あるいは冷間圧延用のロールは、被圧延材料と直
接接触する外殻層について、その鋳造組織が均一である
ことおよび耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐クラック性を有す
ることが要求される。このような要求に応えるために
は、外殻層を遠心鋳造法によって形成することが有効で
あり、従来から広く使用されている。この遠心鋳造法に
おいては、中空円筒状であり、かつ、その軸線のまわり
に高速で回転するように構成した鋳型内に、外殻層を形
成すべき溶湯を供給して凝固させるのが最も一般的であ
る。

【０００３】この場合、通常鉄鋼材料によって形成され
た鋳型（金型）の内表面と接触した溶湯は急冷されるた
め、ロールを構成する外表面に微細金属組織を得ること
ができる。しかしながら、外表面から内部に至るにつれ
て冷却速度が低く、温度勾配が小となるため、金属組織
が次第に粗大化する。当初は、外殻層の表面が微細組織
で、耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐クラック性を有するが、
長時間使用し改削を繰り返すと、外殻層の表面の金属組
織が粗大となり、耐摩耗性をはじめとする前記の諸特性
が低下するという問題点がある。このような問題点を解
決するためには、外殻層を形成すべき溶湯の冷却速度を
高めることが有効であると共に、鋳造組織の均一化のた
めに半径方向のそれぞれの位置における冷却速度を可能
な限り一様にすることが必要である。

【０００４】上記外殻層を形成すべき溶湯の冷却速度を
高める手段として、鋳型を水冷する手段をはじめとし
て、溶湯を鋳型の内周面に霧状に吹き付けて鋳造する手
段が提案されている（例えば特開平１−２５４３６３号
公報参照）。また外殻層に発生する偏析その他の材質的
欠陥を防止し、かつ均質性を向上させるために、遠心鋳
造手段における溶湯の注湯位置を移動させる内容の提案
もある（例えば特公昭５０−３３０２１号公報参照）。
さらに外殻層を形成する材料についても研究開発が盛ん
であるが、現在では遠心鋳造法による外殻層の材質とし
ては、主として高合金鋳鉄、高クロム鋳鉄、高クロム鋳
鋼等が使用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記外殻層を形成する
材料のうち、例えば熱間タンデム圧延機における粗スタ
ンドおよび仕上前段用ロールに使用される高クロム鋳鋼
系の圧延用ロールにおいては、鋳造組織の粗大化や偏析
等による不均一性が発生すると、耐摩耗性や耐肌荒れ性
が低下して圧延用ロールの原単位を悪化し、増大させた
り、被圧延材の品質を劣化させる。一方、近年における
圧延材は次第に高級化する傾向が大であるため、圧延用
ロールに対する要求が頻に厳しくなってきており、外殻
層の組織微細化および均一性を従来以上に高める必要が
ある。

【０００６】上記高クロム鋳鋼は、外殻層を形成した場
合に、表面付近は鋳型からの急冷作用によって金属組織
は微細になるが、内部においては急冷作用が緩慢となる
ため、金属組織が粗くなる。このため外殻層の表面付近
では、金属組織が微細であることによって、耐摩耗性、
耐肌荒れ性に優れ、一方、外殻層の内部においては、金
属組織が粗いことから、耐摩耗性の低下および肌荒れの
発生傾向が大であるという問題点がある。

【０００７】次に、遠心鋳造法によって外殻層を形成す
る場合に、内部に鋳造欠陥や金属組織の不均一が発生す
ることがあるという問題点がある。すなわち、外殻層の
内部においては表面より冷却速度が小さく、また温度勾
配も小であるために、溶湯中に含有されるガス、溶質元
素、不純物等の内面側への排出が困難となる。このため
溶湯の凝固中においてこれらが捕捉されて、炭化物の偏
析、粗大化した金属組織が存在する偏析、ガス欠陥等が
発生することとなるのである。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決し、微細な金
属組織および均質性に優れた外殻層を有する圧延用ロー
ルおよびその製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者等は、遠心鋳造法により種々の実験、検討
を行った結果、外殻層を形成すべき溶湯の供給温度およ
び積層速度を適切に制御することにより、外殻層の凝固
中の部位の冷却速度と温度勾配を増大させ、外殻層の内
部組織の粗大化を防止し、鋳造欠陥のない外殻層を得る
ことができることを見出した。

【００１０】すなわち、第１の本発明においては、耐摩
耗性および耐肌荒れ性を有する硬質材料からなる外殻層
と強靭性材料からなる内層あるいは軸部とによって構成
した圧延用ロールにおいて、外殻層を重量比でＣ０．８
〜２．０％、Ｓｉ０．３〜１．５％、Ｍｎ０．５〜１．
５％、Ｐ０．１％以下、Ｓ０．０５％以下、Ｎｉ０．５
〜２．０％、Ｃｒ８〜１８％、Ｍｏ０．５〜５．０％、
残部実質的にＦｅおよび不可避的不純物元素からなる鋳
鋼材料によって形成すると共に、外殻層の基地組織の平
均寸法を製品外殻層の表面から深さ５０ｍｍの範囲にお
いて、画像解析法による３０μｍを超える基地の平均径
を１００μｍ以下に形成し、かつ製品外殻層の表面およ
び表面から深さ５０ｍｍの位置における基地組織の寸法
を、それぞれ、ｍ₁ 、ｍ₂ としたときに、ｍ₂ ≦１．２
ｍ₁ という技術的手段を採用した。

【００１１】さらに、第２の発明においては、遠心鋳造
法により、化学成分が、重量比でＣ０．８〜２．０％、
Ｓｉ０．３〜１．５％、Ｍｎ０．５〜１．５％、Ｐ０．
１％以下、Ｓ０．０５％以下、Ｎｉ０．５〜２．０％、
Ｃｒ８〜１８％、Ｍｏ０．５〜５．０％、残部実質的に
Ｆｅおよび不可避的不純物元素からなる外殻層を形成す
る圧延用ロールの製造方法において、中空円筒状であ
り、かつ、その軸線のまわりに回転自在に形成した鋳型
へ前記外殻層の溶湯を供給する温度ＴをＴ_C ≦Ｔ≦Ｔ_C
＋９０℃（ただし、Ｔ_C は外殻層を形成する材料の初晶
生成温度である。）とすると共に、前記外殻層の平均積
層速度を２〜４０ｍｍ／分とする、という技術的手段を
採用した。

【００１２】

【作用】上記第１の発明において、外殻層の基地組織の
平均寸法が１００μｍを超えると、圧延用ロールとして
要求される耐摩耗性および耐肌荒れ性を著しく低下させ
るため好ましくない。上記要件を外殻層の表面から深さ
５０ｍｍの範囲に規定したのは、圧延用ロールの使用さ
れる深さ（最大削り代）と対応させたためである。ま
た、ｍ₂ ＞１．２ｍ₁ であると、改削によって外殻層を
加工した場合に、耐摩耗性および耐肌荒れ性を著しく低
下させると共に、ロール原単位を低下させるため不都合
である。なお外殻層の化学組成は、本発明が対象とする
圧延用ロールの化学組成を規定明瞭化するものである。

【００１３】次に第２の発明における溶湯の供給温度お
よび外殻層の積層速度の限定理由について述べる。

【００１４】(1) Ｔ_C ≦Ｔ≦Ｔ_C ＋９０℃ 通常遠心鋳造法においては、外殻層を形成すべき溶湯を
収容する取鍋から鋳込漏斗に鋳込む温度、いわゆる鋳込
温度を制御するのであるが、本発明における溶湯の供給
温度とは、鋳型（通常は金型が使用される）内面に落下
する際の溶湯の温度である。そして、いわゆる鋳込温度
は、温度低下を考慮して、供給温度より高く設定する必
要がある。外殻層を形成すべき溶湯は、その材料の初晶
生成温度Ｔ_C に対して＋０℃〜＋９０℃の温度範囲で鋳
型に供給する必要がある。

【００１５】この場合、溶湯が鋳型内に供給されると直
ちに初晶オーステナイトを発生することになり、鋳型内
に供給された溶湯は直ちに凝固を開始することになる。
Ｔ＞Ｔ_C ＋９０℃であると、溶湯が凝固するまでの時間
が長すぎるため大きな冷却速度が得られず、金属組織が
粗大化して、好ましくない。一方、Ｔ＜Ｔ_C ℃である
と、溶湯が鋳込ノズル中で凝固を始めるため、健全な外
殻層を形成できなくなり、不都合である。

【００１６】 (2) 外殻層の平均積層速度 ２〜４０ｍｍ／分 本発明における外殻層の平均積層速度とは、外殻層を鋳
造して形成する外殻層の厚さを鋳込み所要時間で割った
値、すなわち、単位時間あたりに溶湯が積層されて外殻
層の厚さが増加する速度をいう。一般に、遠心鋳造法に
おける外殻層の鋳込み速度は、鋳込んだ溶湯が回転する
鋳型内面に確実に巻き付くことを勘案して、平均積層速
度を５０〜２００ｍｍ／分に設定している。これに対し
て本発明における平均積層速度を大幅に低く設定してい
るのは、外殻層を形成すべき溶湯の凝固界面の進行速度
に同調させて溶湯を供給するためである。このように凝
固界面の進行速度に合わせた速度で外殻層を形成すべき
溶湯を供給し、外殻層を逐次積層することにより、凝固
界面の前方には常に薄い層状の溶湯プールを保持しつ
つ、これを半径方向に移動させることができるようにな
るのである。

【００１７】上記溶湯プールは薄い層状であるため熱容
量が小さいから、鋳型およびすでに凝固完了している外
殻層への熱伝導あるいは放熱により、大きな冷却速度を
得ることができる。また上記の薄い層状の溶湯プール内
において、初晶生成温度近傍から固相線凝固温度まで変
化することになるため、大きな温度勾配が得られるので
ある。前記の薄い層状の溶湯プールを外殻層の積層中に
おいて一定に保持し、平行移動させれば、上記のような
大きな冷却速度と温度勾配は、外殻層の内部の位置にお
いても確保することができ、金属組織の微細化および均
一化、鋳造欠陥の防止に寄与する。しかし、外殻層の平
均積層速度が４０ｍｍ／分を超えると、前記効果が期待
できず、従来同様の外殻層形成態様となり、外殻層内部
の金属組織の粗大化を招くため好ましくない。一方、外
殻層の積層速度が２ｍｍ／分未満であると、溶湯の供給
が溶湯の凝固界面の進行に追従できず健全な外殻層を形
成できないため不都合である。

【００１８】

【実施例】本発明をさらに以下の実施例により詳細に説
明する。

【００１９】実施例１ 内径４２０ｍｍ、胴長１５３０ｍｍの鋳型を用い、遠心
鋳造法によって、表１に示す組成の外殻層を総鋳込重量
７００ｋｇ、肉厚６０ｍｍに鋳造してスリーブロールを
製造した。

【００２０】

【表１】

【００２１】いずれも鋳型内面における塗型材の厚さを
２．５ｍｍとし、鋳型の回転数は外殻層を形成すべき溶
湯の表面における遠心力の重力倍数が１４０Ｇとなるよ
うに設定した。なお初晶生成温度を示差熱分析によって
測定したところ、発明法１ではＴ_C ＝１３９５℃であ
り、発明法２ではＴ_C ＝１３６０℃であった。溶湯の供
給温度は従来法および発明法１においてＴ_C ＋４０℃、
発明法２においてＴ_C ＋３５℃である。次に発明法にお
ける溶湯の供給に際して、積層速度１５ｍｍ／分で溶湯
を供給し、所要時間４分０５秒で鋳込みを完了した。

【００２２】なお発明法１においては、溶湯の凝固界面
の進行速度を測定するために、溶湯厚１０ｍｍおよび４
０ｍｍ形成時において、鋳込受口内の残りの溶湯に硫化
鉄を２００ｇ添加し、サルファープリントによる検出を
試みた。上記のようにして鋳造した外殻層から機械加工
によって試験片を採取した。図２は、本発明の実施例に
おけるサルファープリント試験の結果を模式的に示す図
である。また、表２に試験片の調査結果を示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】図２に示すように、溶湯厚１０ｍｍ形成時
においては、溶湯の凝固界面の位置は、外殻層の表面
（鋳型の内面）から８ｍｍの位置であったことから、表
２に示すように未凝固の溶湯のプールの層厚は２ｍｍ、
凝固界面の平均進行速度は１２．０ｍｍ／分（０．２ｍ
ｍ／秒）であった。また溶湯厚４０ｍｍ形成時において
は溶湯の凝固界面の位置は３５ｍｍの位置であったこと
から、未凝固の溶湯プールの層厚は５ｍｍ、凝固界面の
平均進行速度は１３．１ｍｍ／分（０．２２ｍｍ／秒）
であることが認められる。

【００２５】上記外殻層の金属組織を観察した。その結
果、基地組織は外殻層の外表面はもちろん、外表面から
深さ５０ｍｍの部位においても微細かつ均質であること
を確認した。

【００２６】実施例２ 次に、内径１２７５ｍｍ、胴長２５６３ｍｍの鋳型を用
いて、実施例１と同様の遠心鋳造法によって、表３に示
す化学組成の外殻層を肉厚１１０ｍｍに鋳造してスリー
ブロールを製造した。

【００２７】

【表３】

【００２８】いずれも鋳型内面における塗型材の厚さを
２．０ｍｍとし、鋳型の回転数は外殻層を形成すべき溶
湯の表面における遠心力の重力倍数が１２０Ｇとなるよ
うに設定した。なお初晶生成温度を示差熱分析によって
測定したところＴ_C ＝１３８０℃であった。溶湯の供給
温度は従来法および発明法において、いずれもＴ_C ＋４
５℃である。

【００２９】発明法における溶湯の供給は、実施例１と
同様に行った。但し、全溶湯厚（外殻層の肉厚１１０ｍ
ｍ）の３０％に相当する溶湯厚３３ｍｍは積層速度１０
０ｍｍ／分で溶湯を供給し、残りの溶湯厚７７ｍｍに対
しては積層速度１１ｍｍ／分で溶湯を供給し、所要時間
７分２０秒で鋳込みを完了した。したがって、平均積層
速度は約１５ｍｍ／分である。

【００３０】実施例１と同様に、鋳造した外殻層から機
械加工によって試験片を採取し調査した。また、鋳放し
時の仕上げ代を切削および研削した製品外殻層の外表面
から片肉深さ２５ｍｍおよび５０ｍｍの位置において、
全長２５００ｍｍにわたって超音波内部探傷、肉眼検
査、マクロエッチングにより鋳造欠陥の有無を調査し
た。

【００３１】図１に実施例２の発明法と従来法の製品外
殻層の表面部および表面から深さ５０ｍｍの部位の濃腐
食した金属組織を示す。これらの金属組織において、黒
色に見える部分が基地組織であり、白色に見える部分が
炭化物である。また、実施例２の発明法と従来法の製品
外殻層の表面部および表面から深さ５０ｍｍの部位の金
属組織の大きさを画像解析法により定量化した。基地組
織の大きさ（面積）が真円に換算して直径が３０μｍを
超えるものについて測定し、その平均直径を求めた。測
定は基地組織部を濃腐食により黒化し２０視野で行な
い、その平均値を基地組織寸法とした。その結果、従来
法においては、基地組織の寸法は表面部では８０μｍで
あるが、深さ５０ｍｍの部位では１１０μｍに粗大化し
ていた。これに対して、発明法においては、基地組織の
寸法が表面部で７７μｍであり、深さ５０ｍｍの部位に
おいても８９μｍであった。これらの結果より、本発明
のロールは、表面から内部にわたって微細な金属組織を
形成していることが確認された。

【００３２】次に、超音波内部探傷の結果は、従来法に
よる外殻層には、わずかな異常波形が認められた。該当
部分から試料を採取し調査したところ、微細なキャビテ
ィ欠陥が認められた。一方、発明法による外殻層からは
異常は認められなかった。

【００３３】

【発明の効果】本発明は上記のような構成および作用を
なすものであるから、従来問題であった、遠心鋳造製の
外殻層を有する圧延用ロールの内部金属組織の粗大化お
よび鋳造欠陥や偏析等の組織不均一性を解消することが
でき、圧延用ロールの品質向上、ロール原単位の低減に
寄与するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例２および従来法における、それ
ぞれ、製品外殻層の表面部および表面から深さ５０ｍｍ
の位置の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図２】サルファープリント試験の結果を模式的に示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２２Ｄ 13/02 ５０２ Ｂ２２Ｄ 13/02 ５０２Ｅ Ｃ２２Ｃ 38/44 Ｃ２２Ｃ 38/44 (56)参考文献 特開 平５−247582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−24806（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−101643（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−176841（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−53043（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−110166（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−350143（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 302 C22C 38/44

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐摩耗性および耐肌荒れ性を有する硬質
   材料からなる外殻層と強靭性材料からなる内層あるいは
   軸部とによって構成した圧延用ロールにおいて、外殻層
   を重量比でＣ０．８〜２．０％、Ｓｉ０．３〜１．５
   ％、Ｍｎ０．５〜１．５％、Ｐ０．１％以下、Ｓ０．０
   ５％以下、Ｎｉ０．５〜２．０％、Ｃｒ８〜１８％、Ｍ
   ｏ０．５〜５．０％、残部実質的にＦｅおよび不可避的
   不純物元素からなる鋳鋼材料によって形成すると共に、
   外殻層の基地組織の平均寸法を製品外殻層の表面から深
   さ５０ｍｍの範囲において、画像解析法による３０μｍ
   を超える基地の平均径を１００μｍ以下に形成し、かつ
   製品外殻層の表面および表面から深さ５０ｍｍの位置に
   おける基地組織の寸法を、それぞれ、ｍ₁ 、ｍ₂ とした
   ときに、ｍ₂ ≦１．２ｍ₁ としたことを特徴とする圧延
   用ロール。
2. 【請求項２】 遠心鋳造法により、化学成分が、重量比
   でＣ０．８〜２．０％、Ｓｉ０．３〜１．５％、Ｍｎ
   ０．５〜１．５％、Ｐ０．１％以下、Ｓ０．０５％以
   下、Ｎｉ０．５〜２．０％、Ｃｒ８〜１８％、Ｍｏ０．
   ５〜５．０％、残部実質的にＦｅおよび不可避的不純物
   元素からなる外殻層を形成する圧延用ロールの製造方法
   において、中空円筒状であり、かつ、その軸線のまわり
   に回転自在に形成した鋳型へ前記外殻層の溶湯を供給す
   る温度ＴをＴ_C ≦Ｔ≦Ｔ_C ＋９０℃（ただし、Ｔ_C は外
   殻層を形成する材料の初晶生成温度である。）とすると
   共に、前記外殻層の平均積層速度を２〜４０ｍｍ／分と
   したことを特徴とする圧延用ロールの製造方法。