JP7158312B2 - 熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールならびに熱間圧延用ロール外層材の製造方法 - Google Patents
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Description
重力の影響でラミネーション偏析が生成するのなら、従来とは逆に溶湯に積極的に回転方向の加速度を付与すれば、そこで生まれた剪断力によってラミネーション偏析を生成させることができるのではないかと考えた。この逆転の発想に基づき、ラミネーション偏析の抑制法を鋭意検討した結果、鋳型回転速度を連続的あるいは断続的に変更して鋳型回転方向に加速度を付与することにより、無数のラミネーション偏析を生成させることも原理的に可能であり、しかるに無数のラミネーション偏析が生成すれば、マクロ的には均一な組織が得られるという知見を得た。さらに、本発明者らの詳細な検討により、遠心鋳造鋳型に鋳込む際の外層材溶湯の供給速度(kg/s)を特定の範囲内に調整することで、所定の硬度差が得られ、ラミネーション偏析が著しく軽減し表面品質に優れた熱間圧延用ロール外層材を得られるという、従来にない知見を得た。
[1]質量%で、C:1.5~3.0%、Si:0.1~2.0%、Mn:0.1~2.0%、Cr:5.0~15.0%、Mo:2.0~12.0%、V:3.0~10.0%、Nb:0.5~5.0%を含有し、かつMoおよびCrの含有量が下記式(1)を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
下記式(2)で表される炭化物量の変化率Sが20%以下となる炭化物量分布を有し、さらに下記(3)式で表される硬度差が3.0以下を満たすことを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
0.35≦[%Mo]/[%Cr]≦0.70 (1)
ここで、[%Mo]、[%Cr]は、各元素の含有量(質量%)である。
S=(Xmax-Xmin)×100/Xave (2)
ここで、
Xmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値(面積%)
Xmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最小値(面積%)
Xave:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における平均値(面積%)
である。
ΔHS=HSXmax-HSXmin (3)
ここで、
HSXmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値の位置におけるショア硬さ
HSXmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最小値の位置におけるショア硬さ
である。
[2]前記熱間圧延用ロール外層材において、質量%で、Co:5.0%以下、Ni:3.0%以下、W:5.0%以下のいずれか1種または2種以上を含有する[1]に記載の熱間圧延用ロール外層材。
[3]外層、中間層、内層の3層構造または外層、内層の2層構造を有する熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が[1]または[2]に記載の熱間圧延用ロール外層材からなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
[4][1]または[2]に記載の組成を有する溶湯を、注湯し遠心鋳造する際に、ロール外層材の外表面における遠心力が1.0G/s以上で変化するように、遠心鋳造鋳型の回転数を2回以上変動させるとともに、前記溶湯の供給速度を80~200kg/sとすることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材の製造方法。
Cは、固溶して基地(マルテンサイト及び/又はベイナイト)の硬さを増加させるとともに、炭化物形成元素と結合し硬質炭化物を形成し、その結果、ロール外層材の耐摩耗性を向上させる作用を有する。C含有量が1.5%未満では、炭化物量が不足するため、耐摩耗性が低下する。一方、3.0%を超える含有は、炭化物の粗大化や共晶炭化物量を過度に増加させ、ロール外層材を硬質、脆化させて、疲労亀裂の発生・成長を促進し、耐疲労性を低下させる。このため、Cは1.5~3.0%に限定する。なお、好ましくは、1.7~2.7%である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、溶湯の鋳造性を向上させる元素である。また、Siは基地中に固溶して、基地を強化する作用がある。このような効果を得るためには、0.1%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となり、さらには、基地組織を脆化させる場合もある。このため、Siは0.1~2.0%に限定する。なお、好ましくは、0.2~1.5%である。
Mnは、SをMnSとして固定し、Sを無害化する作用を有するとともに、一部は基地組織に固溶し、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。また、Mnは基地中に固溶して、基地を強化(固溶強化)する作用がある。このような効果を得るためには、0.1%以上の含有を必要とする。一方、2.0%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり、さらには材質を脆化する場合もある。このため、Mnは0.1~2.0%に限定する。なお、好ましくは、0.2~1.6%である。
Crは、Cと結合して主に共晶炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、圧延時に鋼板との摩擦力を低減し、ロールの表面損傷を軽減させ、圧延を安定化させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには、5.0%以上の含有を必要とする。一方、15.0%を超える含有は、粗大な共晶炭化物が増加するため、耐疲労性を低下させる。このため、Crは5.0~15.0%に限定する。なお、好ましくは、5.5~13.0%である。
Moは、Cと結合して硬質な炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、Moは、V、NbとCが結合した硬質なMC型炭化物中に固溶して、炭化物を強化するとともに、共晶炭化物中にも固溶し、それら炭化物の破壊抵抗を増加させる。このような作用を介してMoは、ロール外層材の耐摩耗性、耐疲労性を向上させる。このような効果を得るためには、2.0%以上の含有を必要とする。一方、12.0%を超える含有は、Mo主体の硬脆な炭化物が生成し、耐熱間転動疲労性を低下させ、耐疲労性を低下させる。このため、Moは2.0~12.0%に限定する。なお、好ましくは、3.0~9.0%である。
Vは、ロールとしての耐摩耗性と耐疲労性とを兼備させる元素である。Vは、極めて硬質な炭化物(MC型炭化物)を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、共晶炭化物を分断、分散晶出させることに有効に作用し、耐熱間転動疲労性を向上させ、ロール外層材としての耐疲労性を顕著に向上させる元素である。このような効果は、3.0%以上の含有で顕著となる。一方、10.0%を超える含有は、MC型炭化物を粗大化させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。また、共晶融液量が減少し、粗大なザク巣が形成される。このため、Vは3.0~10.0%に限定する。なお、好ましくは、4.0~9.0%である。
Nbは、MC型炭化物に固溶してMC型炭化物を強化し、MC型炭化物の破壊抵抗を増加させる作用を介し、耐摩耗性、とくに耐疲労性を向上させる。NbとMoとがともに、炭化物中に固溶されることにより、耐摩耗性とさらには耐疲労性の向上が顕著となる。また、Nbは、共晶炭化物の分断を促進させ、共晶炭化物の破壊を抑制する作用を有し、ロール外層材の耐疲労性を向上させる元素である。また、NbはMC型炭化物の遠心鋳造時の偏析を抑制する作用を併せ有する。このような効果は、0.5%以上の含有で顕著となる。一方、含有量が5.0%を超えると、溶湯中でのMC型炭化物の成長が促進され、耐熱間転動疲労性を悪化させる。また、共晶融液量が減少し、粗大なザク巣が形成される。このため、Nbは0.5~5.0%に限定する。なお、好ましくは、0.8~2.5%である。
0.35≦[%Mo]/[%Cr]≦0.70 (1)
ここで、[%Mo]、[%Cr]は、各元素の含有量(質量%)である。
上記の範囲のMoおよびCrを含有し、かつ、[%Mo]/[%Cr]の値が0.35以上とすると、MC型炭化物中にMoが固溶して固溶強化され、耐摩耗性が向上する。一方、[%Mo]/[%Cr]の値が0.70を超えると、固溶強化に寄与しないMoの量が増大し、脆弱な共晶炭化物が形成されるため、耐肌荒れ性、耐摩耗性が劣化する。より好ましくは、0.40≦[%Mo]/[%Cr]≦0.65である。
Coは、基地中に固溶し、耐疲労性を向上させる作用を有する元素である。5.0%を超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利となる。このため、Coを含有する場合、5.0%以下の範囲に限定する。なお、好ましくは、3.5%以下である。また、このような効果を得るためには、0.2%以上含有することが好ましく、さらに好ましくは0.3%以上である。
Niは、基地中に固溶し、熱処理中のオーステナイトの変態温度を低下させ、基地の焼入れ性を向上させる元素である。3.0%を超えて含有すると、オーステナイトの変態温度が低くなりすぎて、熱処理後にオーステナイトが残留しやすくなる。オーステナイトが残留すると、熱間圧延中にクラックが発生するなど、耐熱間転動疲労性を低下させる。そのため、Niを含有する場合、3.0%以下の範囲に限定する。なお、熱処理中の冷却速度が遅くても、マルテンサイトおよび/またはベイナイト組織が得られるという、操業のし易さから、0.2%以上含有することが好ましく、さらに好ましくは0.3%以上である。
Wは、基地中に固溶し、基地を強化して耐疲労性を向上させる作用を有する元素であり、且つM2CまたはM6C系の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。5.0%を超えて含有すると、効果が飽和するだけでなく、粗大なM2CまたはM6C系の炭化物が形成され、耐熱間転動疲労性を低下させる。このため、Wを含有する場合、5.0%以下の範囲に限定する。なお、このような効果を得るため、0.2%以上含有することが好ましく、さらに好ましくは、0.5%以上である。
S=(Xmax-Xmin)×100/Xave (2)
ここで、
Xmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値(面積%)
Xmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最小値(面積%)
Xave:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における平均値(面積%)
である。
ΔHS=HSXmax-HSXmin (3)
ここで、
HSXmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値の位置におけるショア硬さ
HSXmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値の位置におけるショア硬さ
である。
<変動パターン1>
α=1000rpm
β=40rpm
nの変動範囲:1040~960rpm
Τ=10s
nの平均増減速度:80/(10/2)=16rpm/s
<変動パターン2>
α=900rpm
β=20rpm
nの変動範囲:920~880rpm
Τ=8s
nの平均増減速度:40/(8/2)=10rpm/s
このとき、スリーブロール外表面の遠心力の増減速度について、変動パターン1では、n=1040rpm、960rpmのときの遠心力がそれぞれ151G、129Gであることから平均約4.4G/s(=(151-129)/(10/2))である。また、変動パターン2では、n=920rpm、880rpmのときの遠心力がそれぞれ113G、108Gであることから平均約1.3G/s(=(113-108)/(8/2))である。
摩耗試験は、図9に示すように、試験片と相手材との2円盤すべり転動方式で行った。試験片4を冷却水5で水冷しながら700rpmで回転させ、回転する試験片4に、高周波誘導加熱コイル6で800℃に加熱した相手片(材質:S45C、外径:190mm、幅:15mm、C1面取り)7を荷重980Nで接触させながら、すべり率:9%で転動させた。摩耗試験は300分間実施し、50分毎に相手片を新品に交換して、試験を実施した。従来例を基準とし、基準値に対する各試験片の摩耗量の比を、摩耗比(=(各試験片の摩耗量)/(基準片の摩耗量))で評価し、摩耗比が0.97以上の場合を従来例と同等以上の耐摩耗性を有しているとし、0.97よりも小さい場合を耐摩耗性に劣る、と判定した。
2 溶湯供給管
3 外層材溶湯
4 試験片(摩耗試験片)
5 冷却水
6 高周波誘導加熱コイル
7 相手片
8 試験片(熱延疲労試験片)
9 ノッチ
Claims (4)
- 質量%で、C:1.5~3.0%、Si:0.1~2.0%、Mn:0.1~2.0%、Cr:5.0~15.0%、Mo:2.0~12.0%、V:3.0~10.0%、Nb:0.5~5.0%を含有し、かつMoおよびCrの含有量が下記式(1)を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
下記式(2)で表される炭化物量の変化率Sが20%以下となる炭化物量分布を有し、さらに下記(3)式で表される硬度差が3.0以下を満たすことを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
0.35≦[%Mo]/[%Cr]≦0.70 (1)
ここで、[%Mo]、[%Cr]は、各元素の含有量(質量%)である。
S=(Xmax-Xmin)×100/Xave (2)
ここで、
Xmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値(面積%)
Xmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最小値(面積%)
Xave:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における平均値(面積%)
である。
ΔHS=HSXmax-HSXmin (3)
ここで、
HSXmax:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最大値の位置におけるショア硬さ
HSXmin:ロール半径方向に外表面から30mmまでの領域の炭化物量分布における最小値の位置におけるショア硬さ
である。 - 前記熱間圧延用ロール外層材において、質量%で、Co:5.0%以下、Ni:3.0%以下、W:5.0%以下のいずれか1種または2種以上を含有する請求項1に記載の熱間圧延用ロール外層材。
- 外層、中間層、内層の3層構造または外層、内層の2層構造を有する熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が請求項1または2に記載の熱間圧延用ロール外層材からなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
- 請求項1または2に記載の組成を有する溶湯を、注湯し遠心鋳造する際に、ロール外層材の外表面における遠心力の増減速度が1.0G/s以上であるように、遠心鋳造鋳型の回転数を40回以上変動させるとともに、前記溶湯の供給速度を80~137kg/sとすることを特徴とする請求項1または2に記載の熱間圧延用ロール外層材の製造方法。
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