JPS5890363A - 高合金鋳鉄複合ロ−ルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は熱間圧延機のワークロール等に使用される高
合金鋳鉄複合ロールの製造方法に関し、４ＩＫ遠心鋳造
法によシ外殻層を高合金グレン鋳鉄とする複合ロールの
内層の製造技術に関するものである。

周知のように熱間圧延機におけるワークロールは、極め
て厳しい条件下で使用されるものであって、強靭性、耐
摩耗性、耐熱亀裂性、耐スポーリング性など各種の条件
が要求される。このような諸条件を単一材で充分に満足
させることは困離であハそこで最近では遠心鋳造法によ
り耐摩耗性等の外表面に要求される特性を満、足する材
質の外殻層を形成してその内側に強靭性を有する材質の
内層を形成したいわゆる複合ロールを使用することが多
い、すなわちこの複合ロールは、所定の速度で回転して
いる鋳型内に外殻材溶湯を注入し、所定厚みまで外殻材
の凝固が進行した段階で内層材の溶湯を注入して凝固さ
せることによシ製造される。

ところで熱間圧延用ワークロールに使用される鋳鉄ロー
ルとしては、最近では硬さ、強さを高め鋳鉄と異なシ表
面まで黒鉛が析出されたＣ２．８〜３．８−程度の高合
金グレン鋳鉄が使用されることが多くなりているが、こ
の高合金グレン鋳鉄は極めて硬質であシまた炭化物の晶
出量が多く、強靭性に欠けるから、前述のよ）な複合ロ
ールの外殻材として使用し、靭性に富む内層材と組合せ
るのが通常である。このように外殻材として高合金グレ
ン鋳鉄を用いた複合ロールの内層材としては、従来は化
学組成がＣ３，０〜３．６チ、Ｓｉ　１．０〜２．０−
で片状黒鉛を有する普通鋳鉄もしくは小量の合金元素を
含有する強靭鋳鉄を使用することが多く、この場合内層
材の強度は引張シ強さ１５〜３〇１程度、ヤング率１０
０００〜１４０００移−″程度であった。しかしながら
この程度の強度では・最近の圧延条件の青酸化に耐えら
れないことがわシ、そこで最近では強度をさらに向上さ
せ、特に強靭性や耐偏平性を高めるため、内層材として
−同じく高炭素鋳鉄系のダクタイル鋳鉄、すなわちＭｇ
合金などを添加して黒鉛形状を球状化した球状黒鉛鋳鉄
が用いられるようになっている。この種の内層材は、引
張ヤ強さ３０〜５〇−程度、ヤング率１６０００〜ｉｓ
ｏｏｏｋｇ／ｉｉ程度であシ、普通鋳鉄の場合と比較す
れば相当に改善されている。

ところが上述のように外殻材として高合金グレン鋳鉄が
用いられている複合ロールの強度向上を目的として内層
材にダクタイル鋳鉄を用いた場合、外殻層との溶着部に
片状黒鉛層が形成されて、機械的性質の劣化域が局部的
に生じ、その結果圧延に使用した際に溶着部からクラッ
クが発生したシ、外殻層の剥離事故に至る危険が生じる
。このような外殻層と内層との溶着部の片状黒鉛層の生
成を防止するためには、外殻層のＳ含有量を低下させて
おく方法、あるいは外殻材にＭｇ合金等を添加して外殻
層をもダクタイル化しておく方法、あるいは外殻層と内
層との間に第３相として中間層を鋳込む方法等があるが
、これらの方法社いずれも生産工程が複雑化してコスト
の上昇を招く等の問題がある。

また前述のように従来から内層材として使用されている
普通鋳鉄や強靭化を目的としたダクタイル鋳鉄は、いず
れも外殻材である高合金グレン鋳鉄とＣ含有量がほぼ同
じかまたは近いため、凝固温度がほぼ同じである。その
ため複合鋳込みを行ってもロール外周から中心に向って
の凝固はほぼ連続的に進行し、外殻層から内層への移行
領域すなわち溶着部における内外両溶湯の混合領域の幅
が狭く、その領域での材質変化が急激となシ、その結果
圧延に使用した際にその移行領域、すなわち溶着部附近
に応力集中が生じ易く、このことも溶着部にクラックが
発生したルし易い原因となっていた。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、外殻材
として高合金グレン鋳鉄を使用した場合において内外層
の溶着部が機械的性質の劣化域とならないようにすると
ともに外殻層から内層への移行領域における材質変化を
緩やかにじて、内外層の冶金学的な結合を良好にし、こ
れによって圧延に使用した際の溶着部のクラック発生や
外殻層の剥離を防止し、併せてダクタイル鋳鉄よ身もさ
らに高強度、高靭性の内層を有する複合ロールを得名こ
とを目的とするものである。

すなわちこの発明の複合ロールの製造方法ぽ、基本的に
は遠心鋳造法により外殻を高合金グレン鋳鉄とした複合
ロールを製造するにあたって、鋳放して球状もしくは球
状に近い塊状の黒鉛を有する高炭素鋳鋼を内層として形
成するものである。

具体的には、外殻が所定厚さまで凝固した後に、内層材
溶湯としてＭｇ合金、ＣＩ合金もしくはＭｇ　ａＯａの
両者を含有する合金により溶湯処理したＣ１．０〜１．
８％、Ｓ１１．Ｏ〜２．０％、８０．０２０％以下、残
部Ｆ・および２％以下の不純物元素からなる高炭素鋳鋼
溶湯を注入し、鋳型内部に満たした後凝固させて、鋳放
して球形もしくは塊状の黒鉛を析させた高炭素鋳鋼を内
層とする高合金鋳鉄複合胃−ルを製造することを特徴と
するものである。

以下この発明の方法をさらに詳細に説明すξにの発明の
方法を実施するにあたっては、先ずて内層を形成する。

すなわち回転する鋳型内に外殻材溶湯を注入し、外殻層
が所定厚みまで凝固した段階で内層材溶湯を注入し、鋳
型内に内層材溶湯を満たして凝固させる。ここで外殻材
としては公知の高合金グレン鋳鉄、すなわちｃ２．８〜
３．８チ１．８ｉ０．８〜１．８−１Ｋｎ　０．３〜１
．０　Ｔｏ、Ｐ　０．３チ以下、８０．０６　％以下、
Ｃｒ　０．５〜２．Ｏ４％Ｎｉ５、〇−以下、および必
要に応じて小量（０，３％程度）のＭｏを含有し、残部
Ｆｅおよ、び不可避的不純（よシなる組成の鋳鉄を用い
る。一方、内層材としては前述ノヨうＫ　Ｃ１，０〜１
．８　％、Ｓｉ１．Ｏ〜２．０％、８０．０２０−以下
、残部ｐｅおよび２チ以下の不純物元素からなる高炭素
鋳鋼溶湯にその鋳込み前Ｋ　Ｍｇ　、　Ｃｍの一種また
は２種を含有する合金で溶湯処理したものを使用する。

ここで内層材の化学組成の限定理由について説明すると
、Ｃ含有量が１．０％未満では鋳放して黒鉛の析出を得
るとと拡困難であシ、冷却速度が速い場合にはチル化し
て材質劣化をもたらす。しかも溶湯注入温度として１５
５０’Ｃ以上が必要となるため、既に形成されている外
殻層を大幅に再溶融′させて必要な外殻−厚みが確保で
きなくなるおそ昨があると共に、ロール軸芯部にひけ巣
や収縮巣などの内部欠陥を形成させるおそれがある。一
方Ｃ含有量が１．８１を越えれば、黒鉛形状が粗大とな
るとともに球状黒鉛が得られなくなり、黒鉛が片状に近
い形状となって強度低下が生じる。

別は黒鉛化促進元素として知られているが、この発明に
おける一Ｃ含有量範囲においては、Ｓｉ含有量、が１．
０１未満では析出する黒鉛量が少なく、しかも黒鉛形状
が微細な粒状となって、黒鉛析出による体積膨張に伴な
う欠陥発生防止効果が期待できない。一方Ｓｉ含有量が
２．０　％を越えれば黒鉛化が促進され過ぎて黒鉛形状
が球形となシにくく、粗大塊状黒鉛を析出させてしまう
ため強度的に好ましくない。

Ｓ含有量を０．０２０　嗟以下に規制するのは、Ｍｇ合
金もしくはＣａ合金による溶湯処理におけるＭｇもしく
ｉｃｅの作用を完全ならしめる。ためであシ、Ｓ含有量
が０．０２０チを越えればＭｇもしく祉ＣａがＳと結合
して硫化物すなわちＭｇＳもしくはＣａＳを形成し、黒
鉛球状化に寄与しなくなる。

その他の化学成分としては、Ｍｎ　、　Ｐ　、　Ｃｒ　
、　Ｍ。

などが必要に応じて０．３〜２．０％の範囲で加えられ
る。

この発明において上述のような組成範囲の内層材用の高
炭素鋳鋼溶湯に対して鋳込み前にＭｇ合金、Ｃａ合金、
もしくはＭｇシよび−Ｃｍの両者を含有する合金を添加
して溶湯処理するやは、内層となる高炭素鋳鋼中に鋳放
しにおいて球形もしくは球形に近い塊状の黒鉛を析出さ
せる丸めであル、この処理を行なわない場合には黒鉛形
状が球形もしくはそれに近い塊状とならないため、黒鉛
が切欠きとなって高強度が得られない。

次に上述のような外殻材、内層材を使用しての外殻層か
ら内層にかけての凝固進行状況について説明する。盗来
から内層材として使用されている畳過鋳鉄もしく紘ダク
タイル鋳鉄の場合には、前述のと、とく外殻の高合金グ
レン鋳鉄とＣ含有量範囲が類似しているため、外殻材溶
湯と内層材溶湯の凝固温度がほぼ同じであル、そのため
複合鋳込みを行なってもロール外周から中心に向ってほ
ぼ連続的に凝固が進行してしまい、その結果外殻層から
内層への移行領域すなわち両溶湯の混合領域の幅が狭い
。これに対しこの発明においては、内層材としてＣ含有
量が外殻材のグレン鋳鉄よりも低い過共析鋼範囲にある
高炭素鋳鋼を用いておシ、その凝固開始温度は１３５０
〜１４５０℃と高温であるから、内層材溶湯の注入温度
も高くなる。

したがって内層材溶湯注入時に社外殻部内側の未凝固外
殻材溶湯と内層材溶湯との混合が充分に行なわれ、しか
も既に凝固が終了している外殻層内壁の一部を再溶融さ
せることも可能であり、そのため外殻層と内層との境界
部に溶着不良が発生することがなく、シかも内外両溶湯
の混合領域の幅が広くなシ、外殻層から内層へかけての
急激な材質変化のない健全な複合ロールが得られる。

なお内層材としての高炭素鋳鋼溶湯を鋳込む際には、そ
の内層材溶湯を１回に全量注湯しても良いが、数向に分
割して注入しても良い。小量に分割して注入する場合に
は、既に凝固している外殻層に不必要な高温の熱を与え
ることが避けられ、ロール外周側から中心へ向けての凝
固進行状況を適切に制御することができる。

前述のようにこの発明の方法においては内層材の高炭素
鋳鋼に鋳放して球状もしくは塊状黒鉛を析出させるので
あるが、その目的は、１）高強度を得ること、２）黒鉛
化による体積膨張を利用して健全な複合ソールを得るこ
と、および３）熱処理工程を省略することにある。これ
らについてさらに詳細に説明すると、鋳放しで球状黒鉛
もしくは球状に近い塊状黒鉛を有する高炭素鋳鋼は引張
り強さが５０〜７　Ｑ　ＡＩＩ／４ｗ１ｔ、伸び１〜５
％と優れた値をｉることができ、従来から内層材として
使用されている普通鋳鉄の２．５〜３倍、ダレタイル鋳
鉄と比較しても１．５倍程度の強度向上が達成される。

また凝固冷却時に、高炭素鋳鋼中に一固溶していた炭素
原子が黒鉛を形成して析出することによって体積膨張が
生じるため、凝固収縮に伴なう体積減少が相殺され、そ
の結果内層中心にひｉ゛す巣、収縮巣などの内部欠陥が
発生することが有効に防止でき、内部が健全な複合ソー
ルが得られる。さらに、高炭素鋳鋼の黒鉛化については
、この発明の方法の如く鋳放しで析出させるほか、凝固
時には一旦チル化させてセメンタイトとして析出させ、
後に熱処理によって黒鉛化を図ることも可能であるが、
その場合には高温でしかも長時間の熱処理が必要となる
ため、エネルギー面、コスト面から不利になるばかりで
なく、熱処理によって外殻の高台金グレン鋳鉄の硬さ、
炭化物量等が低下して、圧延ロールに要求される外殻特
性を満足できなくなるおそれがあり、これらの理由から
内層材としての高炭素鋳鋼に鋳放して黒鉛を析出させる
ことが不可欠となる。

次にこの発明の方法を熱間圧延仕上げ後段ワークロール
の製造に適用した実箆例および従来の普通鋳鉄を内層材
として前記同様なワークセールを製造した比較例を記す
。

実施例 遠心鋳造法によって外殻を高合金グレン鋳鉄とし、内層
を高炭素鋳鋼とするロールサイズ−７００ｗｃ　Ｘ　７
１　ｊ　Ｑ　Ｑ　ｍの複合−−ルを製造した。外殻の高
合金グレン鋳鉄の化、生成分は、０３．２６％、ｓｔｏ
、７（ＮＧ、Ｍｎ　０．６１　％、Ｐｏ、０５１％、Ｓ
Ｑ、０１７％、ｙ１４．３５　％、Ｏｒ　１−８１％、
Ｍ。

０．３８％、残部実質的に！・とし、また内層の高炭素
鋳鋼の化学成分は、０１．２７％、６１１．５３％、Ｍ
ｕ　０．４９％、Ｐｏ、０３０％、５０．０１２％、Ｎ
ｉ０００４％、Ｏｒ　０．０７％、Ｎｏ　Ｏ，０２９ｇ
、ＣａＯ１００４％、残部実質的にｌＰｅとし、その高
炭素鋳鋼溶浸には鋳込み前にＦｅ−４５％５ｌ−２５％
Ｏａ合金を１．５％添加して溶湯処理した。なお内層と
なる高炭素鋳鋼溶湯の注入温度は１４８０　”Ｃとし、
またその溶湯は１回に全量注入した・比較例 遠心鋳造法によっｔ外殻を高台金グレン鋳鉄とし、内層
を普通鋳鉄とする前記同様なロールサイズの複合ロール
を製造した。外殻の高合金グレン鋳鉄の化学成分は実施
例の場合と同じであり、また内層の普通鋳鉄は従来から
内層として用いられているものと同様であってその化学
成分は０３．３１％、８１１．２３％、Ｍｎ０．４５％
、Ｐｏ、０８６％、８０．０１２％、Ｎｉ　ｏ、７５％
、Ｑｒｏ、５０％、Ｍｏ　０．１４％、残部実質的にＦ
ｅとした。

なお内層となる普通鋳鉄の注入温度は１３３０℃であり
、実施例の場合よりも１５０℃低い。また内層材溶湯の
注入方式は実施例と同様に１回に全量を注入する方式を
採用した。

上述の実施例により得られたロールの軸方向に対し直角
な断面における内部溶着状態マクロ組織の写真を第１図
に示す。第１図においてｌは高合金グレン鋳鉄からなる
外殻層、２は外殻材と内層材との溶着混合領域、３は高
炭素鋳鋼からなる内層を示しており、この発明の実施例
によれば、外殻層と内層との境界附近に溶着不良などの
内部欠陥の発生がなく、冶金学的に良好に結合されてい
ることが明らかである。また外殻材と内層材との゛゛混
合領域の幅は３．０ｓＩＩ以上と広くなっており、外殻
組織−から内層組織へ材質が連続的かつ緩やかに変化し
ていることが確認された。またこの発明の実施例により
得られた四−ルの内層におけるミクロ組織は、第２図の
写真に示す通りであって、鋳放しでほぼ球状の黒鉛−一
られており、またセメンタイトの析出は全く認められな
い。

一方、普通鋳鉄を内層材とする比較例により得られた四
−ルの軸方向に対し直角な断面における内部溶着状態マ
ク四組織の写真を第３図に示す。

第３図において４は高合金グレン鋳鉄からなる外殻層、
５は外殻材と内層材との溶着部、６は普通鋳鉄からなる
内層を示しており、この場合溶着部に溶着不良等の欠陥
は特に発生していないが、外殻材から内層材への移行領
域の幅は著しく狭く、材質変化が急激であることが明ら
かである。

このように普通鋳鉄を内層材に用いた実施例の場合には
外殻層から内層への材質変化が急激であったのに対し、
高炭素鋳鋼を内層材に用いたこの発明の実施例によれば
前述のように外殻層から内層へかけての材質変化が緩や
かであり、良好な組織変化を得ることができた。このよ
うな緩やかな連続的材質変化を得ることができたのは、
内層材として高炭素鋳鋼を用いることによ、って内層材
溶湯の高温注入が可能となり、凝固形態を適切に保つこ
とが可能となったからである。

また上述のようにこの発明の実施例により外殻層から内
層へかけて緩やかな連続的材質変化を達成できたことは
、次に示す硬さ測定結果からも明らかである。すなわち
第４図は高炭素鋳鋼を内層材としたこの発明の実施例に
よる複合ウール１および普通鋳鉄を内層材とした比較例
による複合ロールの外表面から内部へ向っての半径方向
の硬さ変化を示すものであり、第４図において７はこの
発明′の実施例による複合ロールの硬さ変化、８は比較
例による複合ｐ−ルの硬さ変化をそれぞれ示す。

第４図から、内層材として高炭素鋳鋼溶湯を高温注入し
たこの発明の実施例による複合シールにおいても外層部
分の硬さは低下することなく、比較例による複合ロール
と変わ、らない値を示しているが、外殻層から内層への
移行領域の硬さの変化の形態には著しい差が認められる
。すなわち、普通鋳鉄を内層材とする比較例の複合リー
ルにおいては移行領域は約１１０ｌ１程度の幅で形成さ
れ、外殻層から内層にかけて急激に硬さが低下している
のに対し、この発明の実施例の複合ロールにおいては移
行領域の幅は３０■以上となっており、外殻層から内層
へ向けての硬さ低下の勾配は緩やかなものと藷っており
、材質の急激な変化が防止されているどとが明らかであ
る。

またこの：発明の実施例による複合シールおよび比較例
によ：る複合ロールの各溶着部、内層部について機械的
強度を調べたところ、次のような結果が得られた。すな
わち複合シールの溶着部の引張り強さは、普通鋳鉄を内
層材とする比較例にょろり一ルにおいては１５〜１８７
９／＆ｌｌ”程度であったのに対し、高炭素鋳鋼を内層
材とするこの発明の実施例によるシールにおいては４０
〜４３　ｋｇ７ｈｍ’の値が得られた。このようにこの
発明の実施例によれば溶着部の強度が２倍以上に向上し
、圧延使用時において溶着部における亀裂の発生や外殻
層の剥離などの事故は全く生じないことが確認された。

また内層部分の強度は、普通鋳鉄を内層材とする比較例
によるロールにおいては、引張り強さ１８〜２８１１ｇ
／４１ｍ２ミャンク率１１０００〜１４０００３１９，
４’程度にとどまったが、高炭素鋳鋼を内層材とする比
較例によるロールにおいては引張り強さ５０，９〜５６
．６　ｋｇ７Ｍヤング率１８１００峰−２程度の優れた
値が得らｋた。併せて複合し−〜の内層部分の衝撃試験
も行ったが、その結果もこの発明の実施例による複合ロ
ールの場合には比較例による複合ロールと比較して約５
割程度衝撃値が向上していることが認められた。

なお比較例としては掲げなかったが、内層材としてダク
タイル鋳鉄を用いた従来の複合０−ルにおいては内層部
分の引張り強さは３０〜５０啼−程度であり、これと比
較してもこの発明の実施例による複合−−ルが強度的に
優れており、また外殻層と内層との中間に異常組織層や
内部欠陥がなく、急激な材質変化も、ない高強度強靭鋳
鉄ロールが得られることが確認された。

以上の説明で明らかなようにこの発明によれば、外殻材
として高台金グレン鋳鉄が用いられた懐合四−ルを製造
するにあたり、内層材を従来の普通鋳鉄もしくはダクタ
イル鋳鉄に代え、鋳放しで球状もしくは球状に近い塊状
の黒鉛を有する高炭素鋳鋼とすることにより、その内外
両層の溶着部における欠陥発生を防止し、内外両層の材
質の混合領域の幅を広くして急激な材質変化をなくすと
ともに、溶着部の機械的強度を向上させ、これにより溶
着部からのクラック発生や外殻層の剥離等の問題を一掃
することができ、しかも内層部の強度も従来と比較して
格段に向上させることができる。

ま、た製造過程としても従来の鋳造方法や設備を改変す
ることなく、また熱処理を施すことなく、鋳放しで球状
もしくは球状に近い塊状の黒鉛を有する高炭素鋳鋼を適
用するという簡単な手段で高強度かつ健全な耐久性の高
い複合ロールを容易に製造することが可能となった。こ
のようにこの発明の方法によれば苛酷な圧延条件下でも
充分に良好な使用性能を有する複合ロールを容易に製造
することができ、工業的に実施して多大な利益をもたら
すことができる１

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例により得られた複合ロールの
溶着部組織を示すマクロ組織写真、第２は同上複合ロー
ルの内層部のミクロ組織写真、第３図は従来法による比
較例によって得られた複合ロールの溶着部組織を示すマ
クロ組織写真、第４図はこの発明の実施例により得られ
た複合ｐ−ルおよび従来法による比較例により得られた
複合ロールの硬さ分布を示す線図である。 １・・・外殻層、２・・・溶着混合領域、３・・・内層
。 出願人　川崎製鉄株式会社 代理人　弁理士　豊田武人 （ばか１名） 第１図 第３図 第４図 ロー１し長１ｖうの距綾（ｍｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 遠心鋳造法によシ外殻層を高合金グレン鋳鉄とする複合
   ロールを製造するにあた）、外殻層が所定厚さまで凝固
   した段階で、内層材溶湯として、Ｍｇ合金あるいはＣｍ
   合金またはＣｍ　、　Ｍｇの両者を含有する合金によシ
   溶湯処理したＣ１．Ｏ〜１．８チ、Ｓ！　１．０〜２．
   ０　’ｌｋｓ　Ｓ　０．０２０　％以下、残部Ｆｅ　＞
   よびλ０チ以下の不純物元素からなる高炭素鋳鋼溶湯を
   注入し、鋳型内部に満たしてこれを凝固させ、鋳放して
   球状もしく拡流状の黒鉛を析出させ先高炭素鋳鋼を内層
   とする複合ロールを得ることを特徴とする高合金鋳鉄複
   合ロールの製造方法゛。