JPH06271903A - Roll material for high-performance hot rolling - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To produce the roll material for hot rolling which exhibits excellent surface roughening resistance and wear resistance by uniformly dispersing hard particles specified in grain size and inter-particle distance into a metallic matrix such as iron. CONSTITUTION:The hard particle powder having >=0.1mu to <=5mu grain sizes is added into the metallic matrix of iron, nickel, aluminum or cobalt and the mixture is uniformly mixed, is molded to the shape of a roll and is sintered by an HIP method and adjusted in such a manner that the inter-particle distance attains about >=0.3 to <=2 times the grain sizes. A metal carbide, nitride, oxide or boride having >=1100 Vickers hardness is used for the hard particles. As a result, the roll for hot rolling which exhibits the excellent wear resistance and surface roughening resistance is obtd. The production efficiency is improved by decreasing roll exchange frequencies.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は薄鋼板の熱間圧延にお
いて、特に仕上げスタンドで用いられ、優れた耐肌荒れ
性と耐摩耗性を発揮するロール材料に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a roll material which is used in hot rolling of a thin steel sheet, particularly in a finishing stand, and exhibits excellent surface roughening resistance and abrasion resistance.

【０００２】[0002]

【従来の技術】薄鋼板の熱間圧延に用いられるロールに
おいては、その表面が高温かつ高面圧の下での摩擦であ
るため、摩耗、肌荒れなどの種々の表面損傷が生じる。
ロールの表面損傷は圧延される製品の寸法、形状および
表面品質に直接影響するので、その防止技術の開発は圧
延において極めて重要な課題である。それ故に、従来か
ら表面損傷が生じ難いロール材料の開発が多く行われて
きた。それらは化学成分、鋳造法、もしくは熱処理法に
関するものがほとんどである。2. Description of the Related Art A roll used for hot rolling a thin steel sheet has various surface damages such as wear and roughening because its surface is frictional under high temperature and high surface pressure.
Since the surface damage of the roll directly affects the size, shape and surface quality of the product to be rolled, the development of the prevention technique is a very important issue in rolling. Therefore, many roll materials have been developed so far that surface damage hardly occurs. Most of them are related to chemical composition, casting method, or heat treatment method.

【０００３】本発明にかかわる金属組織構造の観点から
耐肌荒れ性および耐摩耗性の向上を図った従来技術は少
ないが、例えば、特開昭５６−２０１４５号、特開平３
−４０４号公報などにそれぞれ、炭化物長さ２００〜４
００μｍ、同幅５０〜１００μｍのロール材と、平均粒
径５〜３０μｍの一次炭化物を含むロールについて開示
されている。しかし、ロールの耐摩耗性、耐肌荒れ性向
上のニーズは圧延技術の進展につれて強くなる一方であ
るにもかかわらず、炭化物の寸法、分布などの最適な金
属組織が明確ではなく、その製造技術が確立されていな
いので、それら従来材質のロール特性は満足なものとは
いえない。From the viewpoint of the metallographic structure according to the present invention, there are few conventional techniques for improving the surface roughening resistance and the abrasion resistance, but for example, JP-A-56-20145 and JP-A-3-3145
-404 publication, etc., respectively, carbide lengths 200-4
A roll material having a diameter of 50 μm and a width of 50 to 100 μm and a primary carbide having an average particle diameter of 5 to 30 μm is disclosed. However, although the needs for improving the wear resistance and surface roughening resistance of rolls are becoming stronger with the progress of rolling technology, the optimal metallographic structure such as the size and distribution of carbides is not clear and the manufacturing technology Since it has not been established, the roll properties of these conventional materials cannot be said to be satisfactory.

【０００４】優れたロール材質は金属組織を微細化する
ことにより得られることが経験的に知られているが、従
来材質ロールの製造法は主に鋳造法であるので、微細な
金属組織を得ることは困難である。そこで、微細組織を
得る新しい方法として粉末冶金法の適用が考えられ、特
開平４−５９９０１号公報などにも開示されているが、
原料粉末の種類とサイズについて規定するのみで、焼結
後の製品の組織最適化という観点ではない。It is empirically known that an excellent roll material can be obtained by refining the metal structure. However, since the conventional material roll manufacturing method is mainly a casting method, a fine metal structure is obtained. Is difficult. Therefore, application of the powder metallurgy method is considered as a new method for obtaining a fine structure, and is disclosed in JP-A-4-59901 and the like.
It only specifies the type and size of the raw material powder, not the viewpoint of optimizing the microstructure of the product after sintering.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、従
来よりも格段に優れたロール材料を導出するために、熱
延ロールの表面損傷機構の観点から最適な材質設計を試
みた。すなわち、熱延ロールの摩耗は摩擦面に介在する
粒子によるマトリックスのアブレージョン（引っかき）
が主であり、また肌荒れはロール組織中にある炭化物な
どの硬質粒子の破壊（亀裂発生）と脱落（亀裂伝播）に
よることから、組織中の硬質粒子の性状がロール特性を
強く支配すると考えた。そこで、本発明は組織中の硬質
粒子のサイズおよび分布の最適化を図ることにより、優
れた耐摩耗性と耐肌荒れ性を有するロール材料を提供す
ることを目的とする。In the present invention, in order to derive a roll material far superior to the conventional one, an optimum material design was attempted from the viewpoint of the surface damage mechanism of the hot rolling roll. That is, the wear of the hot rolling roll is caused by the abrasion of the matrix due to the particles existing on the friction surface.
It is thought that the properties of the hard particles in the tissue strongly control the roll characteristics, since the rough skin is mainly due to the destruction (cracking) and the removal (crack propagation) of hard particles such as carbides in the roll tissue. . Therefore, an object of the present invention is to provide a roll material having excellent wear resistance and rough surface resistance by optimizing the size and distribution of hard particles in the structure.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、粉末冶金法を応用してロール材料の金属
組織を制御し、耐摩耗性と耐肌荒れ性を改善することを
特徴とする。すなわち、本発明の要旨とするところは次
のとおりである。 （１）鉄、ニッケル、アルミニウムもしくはコバルト金
属マトリックス中に、粒径が０．１μｍ以上、５μｍ以
下の硬質粒子を、粒子間距離が粒径の０．３倍以上、２
倍以下になるように均一に分散せしめた金属組織を有す
る熱間圧延用ロール材料。 （２）硬質粒子が、ビッカース硬さ１１００以上の、金
属炭化物、窒化物、酸化物、もしくは、ほう素化物であ
る前記（１）記載の熱間圧延用ロール材料。にある。な
お、ここで金属マトリックスとは、硬質粒子を保持する
ための金属素地を指す。In order to solve the above problems, the present invention is characterized by applying a powder metallurgy method to control the metal structure of a roll material to improve wear resistance and rough surface resistance. To do. That is, the gist of the present invention is as follows. (1) In an iron, nickel, aluminum or cobalt metal matrix, hard particles having a particle size of 0.1 μm or more and 5 μm or less and an interparticle distance of 0.3 times or more of the particle size, 2
A roll material for hot rolling, which has a metallographic structure in which it is uniformly dispersed so as to be double or less. (2) The roll material for hot rolling according to (1) above, wherein the hard particles are metal carbide, nitride, oxide, or boride having a Vickers hardness of 1100 or more. It is in. In addition, a metal matrix here points out the metal base material for hold | maintaining a hard particle.

【０００７】[0007]

【作用】発明者らはまず、圧延に使用した熱延ロールの
表面を電子顕微鏡により詳細に観察したところ、マトリ
ックス部に無数のアブレージョン（引っかき）跡があ
り、それらは炭化物に遮られていること、しかし炭化物
には熱応力などにより亀裂が入り、脱落しかかっている
ものがあることが明らかになった。アブレージョン跡
は、マトリックスが軟らかく、面積が広いと多く、炭化
物の亀裂はその寸法が大きいと甚だしい。一般的に、セ
ラミックスである炭化物は金属のマスリックスより硬い
ので、まずマトリックスが先に摩耗する。そのアブレー
ジョン跡の深さは、アブレージョン跡が全面積を覆いつ
くすに必要な回数だけ摩擦したときの摩耗深さにほぼ一
致することから、熱延ロールの摩耗機構はアブレージョ
ンが支配的であるということができる。マトリックスが
まずアブレーシブ摩耗し、炭化物が取り残されて突出す
ると、そこに高面圧が集中するので、摩擦による温度も
上昇して今度は炭化物が破壊脱落、または酸化消耗す
る。この繰り返しにより摩耗が進行する。ここで、炭化
物の寸法が小さいとマトリックスとともに掘り起こされ
て脱落してしまい、また大きいとそこに応力が集中して
その破壊が生じ易くなり大きな単位で脱落するので、い
ずれの場合も摩耗抵抗作用を失う。また、破壊脱落の単
位が大きい後者の場合には、表面の凹凸が大きくなり、
肌荒れ原因ともなる。The inventors of the present invention first observed the surface of the hot-rolled roll used for rolling in detail with an electron microscope, and found that the matrix had innumerable abrasion marks, which were interrupted by carbides. However, it became clear that some carbides were cracked due to thermal stress and were about to fall off. Abrasion traces are often found when the matrix is soft and the area is large, and carbide cracks are significant when the size is large. In general, the carbides, which are ceramics, are harder than the metal matrix, so that the matrix wears first. The depth of the abrasion mark is almost the same as the wear depth when the abrasion mark is rubbed enough times to cover the entire area. You can When the matrix undergoes abrasive wear first and carbides are left behind and protrude, high surface pressure concentrates there, and the temperature due to friction also rises, which in turn causes the carbides to break off, or to be consumed by oxidation. By repeating this, wear progresses. Here, when the size of the carbide is small, it is excavated together with the matrix and falls off, and when it is large, stress concentrates on it and the fracture easily occurs, and it falls off in large units. lose. Also, in the latter case where the unit of destruction and dropout is large, the unevenness of the surface becomes large,
It also causes rough skin.

【０００８】一方、肌荒れの機構は上記のような摩耗の
究極過程の他に、熱疲労亀裂が存在する状態でのころが
り疲労亀裂の進展がある。この亀裂の進展方向は表面に
ほぼ平行なので、局部的に表層が脱落し、特に最表面に
酸化膜が生じている場合などには脱落部が目立つので、
著しい肌荒れとなる。これらの疲労亀裂は最初は炭化物
に入り、炭化物サイズが大きく、その分布が粗である
と、脱落する表層のサイズも大きくなる。On the other hand, the mechanism of rough skin is the development of rolling fatigue cracks in the presence of thermal fatigue cracks in addition to the above-mentioned ultimate process of wear. Since the propagation direction of this crack is almost parallel to the surface, the surface layer is locally dropped off, and especially when an oxide film is generated on the outermost surface, the dropped portion is conspicuous.
It becomes extremely rough. These fatigue cracks first enter the carbide, and when the carbide size is large and the distribution thereof is rough, the size of the surface layer that falls off is also large.

【０００９】上記のような機構から、耐摩耗性および耐
肌荒れ性に対しては、炭化物などの硬質粒子の性状が支
配的となり、微細組織が好ましいことが明らかとなっ
た。しかし、ロール材料の従来の製造法である鋳造法に
より微細組織を得るには限界がある。従来法より格段に
微細組織が得られ、組織制御が容易な製造法として粉末
冶金法がある。そして、この場合には硬質粒子として、
炭化物の他に窒化物、酸化物、ほう素化物などを用いる
ことができる。また、マトリックスは鉄、ニッケル、ア
ルミニウムもしくはコバルトなどの強度靭性が高く、容
易に入手できる金属であることが好ましい。これらの粉
末を十分均一に混合し、ロールの形に成形してＨＩＰ法
などを応用して焼結することにより、本発明のロール材
質を得ることができる。この時、粉末の粒径および混合
割合は焼結後に本発明と一致するように調整しなければ
ならない。From the mechanism as described above, it has been clarified that the properties of hard particles such as carbides are dominant in wear resistance and rough skin resistance, and that a fine structure is preferable. However, there is a limit in obtaining a fine structure by a casting method which is a conventional manufacturing method of roll materials. There is a powder metallurgy method as a manufacturing method in which a fine structure can be remarkably obtained as compared with the conventional method and the structure can be easily controlled. And, in this case, as hard particles,
In addition to carbides, nitrides, oxides, borides, etc. can be used. The matrix is preferably a metal such as iron, nickel, aluminum or cobalt which has high strength and toughness and is easily available. The roll material of the present invention can be obtained by sufficiently uniformly mixing these powders, molding them into a roll shape, and applying the HIP method or the like to sintering. At this time, the particle size and mixing ratio of the powder should be adjusted so as to be consistent with the present invention after sintering.

【００１０】次に、これら硬質粒子の寸法と粒子間距離
の限定理由を述べる。まず、熱亀裂の起点となる硬質粒
子サイズは細かいほど亀裂サイズも細かくなり、最終的
に脱落する表層のサイズも小さくなるので耐肌荒れ性の
点からは好ましい。しかしながら、摩耗原因となるアブ
レーシブ粒子のサイズはアブレージョンの跡から０．１
ないし１μｍ、その室温における硬さはＨｖ１１００前
後と推測されるので、アブレージョンを阻止する硬質粒
子の大きさは０．１μｍ以上、硬さはＨｖ１１００以上
でないと効果がない。それより小さいとアブレージョン
の障壁となり得ず、アブレーシブ粒子によりマトリック
スとともに掘り起こされたりあるいは切削されてしま
う。従って、硬質粒子寸法の下限は０．１μｍとした。
このように、耐摩耗性の点からは、硬質粒子サイズは大
きい方が好ましいように思われるが、大きすぎると表面
に突出した場合に表面粗さが大きくなること、応力集中
を受けて破壊脱落する単位も大きくなることなどにより
上限があるので、ここでは熱延ロールとして好ましい表
面粗さの点から上限を５μｍとした。また、肌荒れの点
からも、５μｍを超える表面粗さは好ましくない。Next, the reasons for limiting the size of these hard particles and the distance between the particles will be described. First, the smaller the hard particle size that is the origin of thermal cracking, the finer the crack size, and the smaller the size of the surface layer that eventually falls off, which is preferable from the viewpoint of resistance to rough skin. However, the size of the abrasive particles that cause wear is 0.1 from the trace of abrasion.
Since the hardness at room temperature is estimated to be around Hv1100, the effect is required only if the size of the hard particles that prevent abrasion is 0.1 μm or more and the hardness is Hv1100 or more. If it is smaller than that, it cannot be a barrier of abrasion and is abraded or cut together with the matrix by the abrasive particles. Therefore, the lower limit of the hard particle size is 0.1 μm.
Thus, from the viewpoint of wear resistance, it seems that a larger hard particle size is preferable, but if it is too large, the surface roughness will be large when it protrudes on the surface, and it will break down due to stress concentration. The upper limit is set to 5 μm from the viewpoint of the surface roughness preferable for the hot-rolling roll, because the unit for increasing the size also becomes large. Also, in terms of skin roughness, a surface roughness exceeding 5 μm is not preferable.

【００１１】最後に、粒子間距離は硬質粒子の最適含有
量から次のように定めた。すなわち、その量が少ないと
耐摩耗性が劣ることは容易に理解できるが、多過ぎると
硬質粒子を保持するマトリックスの量が減るので、粒子
の脱落が生じ易くなり、また、粒子間距離が近くなって
亀裂が連結して表層脱落が生じ易くなる。経験的に求め
た粒子の適正面積率は１０〜４０％であり、これから粒
子を球とした場合の粒子間距離を求めると、粒子径の
０．３〜２倍となる。Finally, the interparticle distance was determined as follows from the optimum content of hard particles. That is, it can be easily understood that the wear resistance is inferior when the amount is small, but when the amount is too large, the amount of the matrix that holds the hard particles decreases, so that the particles easily fall off, and the distance between the particles is close. Then, the cracks are connected and the surface layer is likely to drop off. The appropriate area ratio of the particles obtained empirically is 10 to 40%, and the distance between particles when the particles are spherical is 0.3 to 2 times the particle diameter.

【００１２】[0012]

【実施例】従来から圧延ロールの摩耗と肌荒れをよくシ
ミュレートできるといわれている高周波を利用した熱間
摩耗試験機を用いて次の実験を行った。圧延材に相当す
る相手片にＳ４５Ｃを、ロールに相当する試験片に現用
の高クロム鋳鉄と本発明材Ａ，Ｂ，Ｃを使用して表１に
示す条件で熱間摩耗実験を実施した。供試材に含まれる
硬質粒子の種類、硬さと粒子間距離、およびマトリック
スの種類は表２のとおりである。供試材Ａ，Ｂ，ＣはＨ
ＩＰ法により製造され、使用した粉末の種類、粒径およ
び混合割合は同表中に示す。また、比較用として従来材
質である高クロム鋳鉄（ＨＣＲ）を用いたが、これは鋳
造法により製造した。[Examples] The following experiments were conducted using a hot wear tester using high frequency, which has been conventionally said to be able to well simulate wear and surface roughness of rolling rolls. S45C was used for the counterpart piece corresponding to the rolled material, and current high-chromium cast iron and the present invention materials A, B, and C were used for the test piece corresponding to the roll, and hot wear experiments were conducted under the conditions shown in Table 1. Table 2 shows the types of hard particles, the hardness and the distance between particles, and the types of matrix contained in the test material. Specimen A, B, C are H
The type, particle size and mixing ratio of the powder produced by the IP method and used are shown in the same table. For comparison, a conventional material, high chromium cast iron (HCR) was used, which was manufactured by a casting method.

【００１３】実験結果としてまず、摩耗量を図１に示
す。本発明材はいずれも従来材の２倍以上の耐摩耗性を
示すことがわかる。次に、肌荒れの指標として実験後の
試験片の表面粗さプロフィールを図２に示す。本発明材
Ａ，Ｂ，Ｃは従来材ＨＣＲよりも粗さが小さく、優れた
耐肌荒れ性を有することがわかる。As an experimental result, the amount of wear is shown in FIG. It can be seen that each of the materials of the present invention exhibits wear resistance twice or more that of the conventional material. Next, FIG. 2 shows the surface roughness profile of the test piece after the experiment as an index of skin roughness. It can be seen that the materials A, B and C of the present invention have smaller roughness than the conventional material HCR and have excellent resistance to roughening.

【００１４】[0014]

【表１】 [Table 1]

【００１５】[0015]

【表２】 [Table 2]

【００１６】[0016]

【発明の効果】これまで述べてきたように、本発明によ
る材質を薄鋼板の熱間圧延仕上げ用ロールに使用すれ
ば、優れた耐摩耗性および耐肌荒れ性を発揮するので、
ロール交換頻度が減少し、生産能率の向上、ロール原単
位の低減および製品の品質向上が可能となる。As described above, when the material according to the present invention is used for the hot rolling finishing roll of a thin steel sheet, it exhibits excellent wear resistance and rough surface resistance.
The frequency of roll replacement is reduced, which makes it possible to improve production efficiency, reduce the unit consumption of rolls, and improve product quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明ロール材質の実施例（Ａ，Ｂ，Ｃ）と従
来材質（ＨＣＲ）の耐摩耗性を比較するために行った熱
間摩耗実験の結果である。FIG. 1 is a result of a hot wear experiment conducted to compare the wear resistance of the roll material of the present invention (A, B, C) and the conventional material (HCR).

【図２】同じく肌荒れの指標となる表面粗さプロフィー
ルである。FIG. 2 is a surface roughness profile which is also an index of skin roughness.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 鉄、ニッケル、アルミニウムもしくはコ
バルト金属マトリックス中に、粒径が０．１μｍ以上、
５μｍ以下の硬質粒子を、粒子間距離が粒径の０．３倍
以上、２倍以下になるように均一に分散せしめた金属組
織を有する熱間圧延用ロール材料。1. An iron, nickel, aluminum or cobalt metal matrix having a particle size of 0.1 μm or more,
A roll material for hot rolling having a metal structure in which hard particles of 5 μm or less are uniformly dispersed so that the distance between particles is 0.3 times or more and 2 times or less of the particle diameter. 【請求項２】 硬質粒子が、ビッカース硬さ１１００以
上の、金属炭化物、窒化物、酸化物、もしくは、ほう素
化物である請求項１記載の熱間圧延用ロール材料。2. The roll material for hot rolling according to claim 1, wherein the hard particles are a metal carbide, a nitride, an oxide, or a boride having a Vickers hardness of 1100 or more.