熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および複合ロール
【課題】耐摩耗性、およびロール表層の耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および遠心鋳造製複合ロールを提供する。
【解決手段】外層を、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、10.4＜（Mo＋Ｖ）≦12.5、および0.6≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦1.3（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する遠心鋳造製外層材とし、該外層材に軸材を溶着一体化した複合ロールとする。これにより、耐摩耗性に優れるとともに、表層の耐疲労性にも優れた、熱間仕上圧延後段用ロールとして好適な遠心鋳造製複合ロールとなる。
【解決手段】外層を、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、10.4＜（Mo＋Ｖ）≦12.5、および0.6≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦1.3（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する遠心鋳造製外層材とし、該外層材に軸材を溶着一体化した複合ロールとする。これにより、耐摩耗性に優れるとともに、表層の耐疲労性にも優れた、熱間仕上圧延後段用ロールとして好適な遠心鋳造製複合ロールとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延用ロールに係り、とくに鋼板の熱間圧延仕上スタンド用として好適な遠心鋳造製複合ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、熱間圧延用ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、熱間圧延負荷の大きな鋼板の生産量が増大している。このため、使用される熱間圧延用ロールの特性向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発され、多用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２には、圧延用ロール外層材が提案されている。特許文献１に記載された外層材は、Ｃ：1.5〜3.5％、Ni：5.5％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用外層材となるとしている。また、特許文献２に記載された外層材は、Ｃ：1.5〜3.5％、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。
【０００４】
しかし、熱間圧延製品の品質向上と生産性向上の観点から熱間圧延用ロールの使用環境は苛酷化し、さらに熱間圧延製品の表面品質への要求も厳しくなり、上記した圧延用ロールを用いてもなお、要求される耐摩耗性、表面品質を満足できないという問題があった。
このような問題に対し、例えば特許文献３には、Ｃ：2.5〜4.0％、Cr：6.0〜20.0％、Mo：2.0〜12.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.6〜5.0％を、Ｃ，Ｖ，Nb，Cr含有量が特定の関係式を満足するように調整して含有する熱間圧延用ロール外層材が提案されている。特許文献３に記載された技術によれば、外層材において、硬質粒状炭化物に加えて共晶炭化物を増加させ、さらに炭化物および基地相を強化して、外層が、耐摩耗性に優れ、さらには耐疲労性にも優れ、かつ熱膨張係数が低く耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用複合ロールを製造できるとしている。また、特許文献４には、外層が、Ｃ：2.4〜2.9％、Cr：12〜18％、Mo：3〜9％、Ｖ：３〜８％、Nb：0.5〜４％を、Mo／Cr、Ｃ＋0.2Crが特定範囲内となるようにＣ，Mo，Cｒ含有量を調整して含有する熱間圧延用ロールが提案されている。特許文献４に記載された技術によれば、ＭＣ型炭化物とＭ７Ｃ３型炭化物の適量導入と、ＭＣ型炭化物とＭ７Ｃ３型炭化物の強化が図られ、ロール外層における炭化物の偏析が抑制され、圧延製品の表面品質の劣化を防止できるとしている。
【０００５】
また、特許文献５には、外層が、Ｃ：2.2〜2.6％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％を、Mo＋Ｖ、Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nbがそれぞれ特定範囲内となるようにMo、Ｖ、Ｃ、Nb含有量を調整して含有する熱間圧延用ロールが提案されている。特許文献５に記載された技術によれば、耐疲労性が顕著に向上し、ロール表面損傷を著しく抑制でき、ロール寿命を向上できるとともに、圧延製品の表面品質の顕著な向上が得られるとしている。
【特許文献１】特開平05−1350号公報
【特許文献２】特開平05−295479号公報
【特許文献３】特開平08−73977号公報
【特許文献４】特開平10−183289号公報
【特許文献５】特開2009−221573号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、最近の熱延鋼板（圧延製品）には、更なる薄肉化、高強度化および高品質化が要望され、圧延負荷の増大は著しく、また生産性向上に伴う連続圧延量の増加など、熱間圧延条件は一層、厳しさを増し、熱間圧延用ロールの使用環境はますます苛酷化している。熱間圧延用ロール（作業ロール）の表面には、被圧延材を熱間圧延するに際し、ロール転動方向に作用するすべり応力、ロール軸方向に作用する転動応力とが繰返し作用し、さらにはバックアップロールからの繰返し転動応力が作用する。このような熱と応力の繰返し負荷により、とくに作業ロール表層が疲労し、肌荒れ、疲労亀裂発生・成長、表層の欠け落ちなど、疲労損傷の発生が大きな問題となっている。
【０００７】
特許文献３，４に記載された技術では、このような使用環境下においてロール表層の疲労損傷を抑制して、所望のロール寿命を達成できているとはいい難いという問題がある。また、特許文献５に記載された技術では、ロール表層の疲労損傷を低減し耐疲労性を向上させることを目的としてはいるが、最近の更なる使用環境の苛酷化には、十分に対応できておらず、更なる耐疲労性の向上が要望されているという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、最近の熱間圧延用作業ロールの使用環境に適合した、優れた耐摩耗性と優れたロール表層の耐疲労性とを兼備する熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および遠心鋳造製複合ロールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、遠心鋳造製ロール外層材における、熱間圧延時の耐疲労性に及ぼす合金元素の影響について鋭意研究した。その結果、Crを5.0〜8.0質量％に制限し、さらに適正範囲のMo、Ｖを特定関係を満足するように調整して含有し、さらに適正範囲のＣ、Ｖ、Nbを含有させたうえ、さらに適正範囲のTiを、Ｃ、Ｖ、Nb、Ti含有量が特定関係を満足するように調整して含有し、さらに適正量のCuを複合して含有させることにより、熱間圧延時の耐摩耗性に優れるうえ、耐疲労性の更なる向上が期待できるという知見を得た。
【００１０】
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、Ｃ：2.0〜2.9％、Si：0.3〜0.6％、Mn：0.3〜0.6％、Nb：0.6〜2.3％とし、Crを4.9〜9.8％、Moを3.1〜7.5％、Ｖを4.9〜7.8％の範囲で変化させ、さらにTiを０〜0.17％、Cuを０〜0.13％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を、高周波炉で溶解し、ロール外層材に相当するリング状ロール材（外径：250mmφ、肉厚：60mm）を遠心鋳造法により鋳造した。なお、鋳込み温度は1400℃〜1500℃、遠心力は重力倍数で160Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをHS 80〜85に調整した。
【００１１】
なお、熱間仕上圧延後段圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（2.2質量％Ｃ−0.3質量％Si−0.4質量％Mn−6.1質量％Cr−3.6質量％Mo−5.1質量％Ｖ−1.5質量％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）相当材を、同様に遠心鋳造し、ついで同様な熱処理を施し、基準（従来例）とした。
得られたリング状ロール材から疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）および摩耗試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）を採取して、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。なお、疲労試験片には、図２に示すようなノッチ（深さｔ：1.0mm、周方向長さＬ：1.2mm）を外周面の２箇所（180°離れた位置）に、0.25mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。また、摩耗試験片および疲労試験片の転動面の端部には面取りを施した。
【００１２】
熱間転動疲労試験は、図１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い、図２に示すようなノッチを有する試験片（疲労試験片）を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：8％で転動させた。疲労試験片に導入した２つのノッチが折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を、折損転動回転数とした。
【００１３】
そして、従来例の折損転動回転数を1.0（基準）とし、基準に対する各リング状ロール材の折損転動回転数の比、（リング状ロール材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出した。この比が1.3を超える場合を耐疲労性が顕著に優れると評価した。得られた結果を、折損転動回転数の比と（Mo＋Ｖ）（質量％）量との関係で図３に示す。なお、図３では、Ｃ：2.3〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％を含有する範囲で、かつTi、Cuを含有する場合と、Ti、Cuを含有しない場合に限定して、示した。
【００１４】
図３から、（Mo＋Ｖ）量の増加とともに、折損転動回転数の比が増加して耐疲労性が向上しており、（Mo＋Ｖ）量を10.4以上とすることにより、折損転動回転数の比が1.3以上と、従来例（◆印）に比して耐疲労性が顕著に向上していることがわかる。さらに、同一（Mo＋Ｖ）量で比較して、Ti、Cuを複合含有する場合（●印）が、Ti、Cuを無添加の場合（○印）に比べ、折損転動回転数の比が、20％以上大きく増加していることがわかる。すなわち、（Mo＋Ｖ）量を所定値10.4以上としたうえで、適正範囲のTi、Cuを複合含有することにより、耐疲労性がさらに顕著に向上するという新規な知見を得た。
【００１５】
なお、この熱間転動疲労試験を用いれば、熱間圧延用ロールで生じる肌荒れ、疲労亀裂の発生・進展を再現することができ、熱間圧延用ロールの耐疲労性を簡便に評価できることを確認している。折損転動回転数が多いほど、優れた耐疲労性を有するロール外層材であるとすることができる。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
【００１６】
（１）熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、次（１）式および次（２）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
【００１７】
（２）外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、次（１）式および次（２）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【００１８】
（３）（２）において、前記外層と溶着一体化した内層に代えて、該外層と溶着一体化した中間層と該中間層と溶着一体化した内層とすることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、耐疲労性が顕著に向上した高性能の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールを、容易にしかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。本発明の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールは、耐疲労性が顕著に向上し、高圧延負荷が作用するような苛酷な熱間圧延環境下においても、摩耗や、肌荒れ、疲労亀裂の発生・成長、表層欠け落ち等のロール表面損傷を著しく抑制できる。本発明によれば、熱延鋼板の表面品質の顕著な向上、熱延鋼板の生産性向上、さらにはロール寿命の向上をともに達成できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】摩耗試験、熱間転動疲労試験で使用した試験機の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】熱間転動疲労試験用試験片（疲労試験片）の外周面に導入されたノッチの形状、寸法を模式的に示す説明図である。
【図３】熱間転動疲労試験における折損転動回転数の比と（Mo＋Ｖ）量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のロール外層材は、遠心鋳造製で、そのままリングロール、スリーブロールとすることもできるが、熱間仕上圧延用として好適な、熱間圧延用複合ロールの外層材として適用される。また、本発明の熱間圧延用複合ロールは、遠心鋳造された外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる。なお、外層と内層との間に中間層を配してもよい。すなわち、外層と溶着一体化した内層に代えて、外層と溶着一体化した中間層および該中間層と溶着一体化した内層としてもよい。なお、内層は静止鋳造法で製造することが好ましい。本発明では、内層、中間層の組成はとくに限定されないが、内層は球状黒鉛鋳鉄、中間層は、Ｃ：1.5〜3質量％の高炭素材とすることが好ましい。
【００２２】
まず、ロール外層材（外層）の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記す。
Ｃ： 2.2〜2.8％
Ｃは、固溶して基地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、ロール外層材の耐摩耗性を向上させる作用を有する。Ｃ含有量に応じて共晶炭化物量が変化する。共晶炭化物は圧延使用特性に影響するため、Ｃ含有量が2.2％未満では、共晶炭化物量が不足し、圧延時の摩擦力が増加し圧延が不安定となる。一方、2.8％を超える含有は、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、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃは2.2〜2.8％の範囲に限定した。なお、好ましくは2.3〜2.8％である。
【００２３】
Si：0.2〜0.7％
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り、本発明では0.2％以上含有することが望ましいが、0.7％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、Siは0.2〜0.7％に限定した。
【００２４】
Mn：0.2〜0.7％
Mnは、ＳをMnSとして固定し、無害化する作用を有するとともに、基地に固溶し、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。このような効果を得るためには0.2％以上の含有を必要とするが、0.7％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、Mnは0.2〜0.7％に限定した。
【００２５】
Cr：5.0〜8.0％
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、ロール表面の損傷を軽減させ、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、8.0％を超える含有は、硬脆な共晶炭化物が増加しすぎて、耐疲労性を低下させる。このため、Crは5.0〜8.0％の範囲に限定した。
【００２６】
Mo：4.4〜6.0％
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、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、ロール外層材の耐疲労性、耐摩耗性を向上させる。このような効果を得るためには、4.4％以上の含有を必要とするが、6.0％を超える含有は、Mo主体の硬脆な炭化物が生成し、耐疲労性を低下させる。このため、Moは4.4〜6.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは4.5〜5.8％である。
【００２７】
Ｖ：5.3〜7.0％
Ｖは、耐摩耗性と耐疲労性を兼備させるために、本発明において重要な元素である。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、ロール外層材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、5.3％以上の含有で顕著となるが、7.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるとともに、ＭＣ型炭化物の遠心鋳造偏析を助長させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖは5.3〜7.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは5.4〜6.8％である。
【００２８】
Nb：0.6〜1.3％
Nbは、ＭＣ型炭化物に固溶してＭＣ型炭化物を強化し、破壊抵抗を増加させる作用を介し、耐摩耗性とさらには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、耐疲労性を向上させる。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、0.6％以上の含有で顕著となるが、1.3％を超える含有は、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長を促進させ、遠心鋳造時の炭化物偏析を助長する。このため、Nbは0.6〜1.3％の範囲に限定した。
【００２９】
Ti：0.002〜0.1％
Tiは、少量の含有で、ＭＣ型炭化物の晶出核を微細に形成し、粒状のＭＣ型炭化物を生成させて、耐疲労性を顕著に向上させ、本発明では重要な元素である。このような効果を確保するためには、0.002％以上の含有を必要とする。一方、0.1％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させ、鋳造時の炭化物偏析を助長するようになる。このため、Tiは0.002〜0.1％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.003〜0.08％である。
【００３０】
Cu：0.01〜0.2％
Cuは、固溶して基地を強化し、耐疲労性を向上させる作用を有するとともに、Ｓ、Ｂ等の不純物元素の悪影響を緩和する作用を有する元素である。このような効果は、0.01％以上の含有で顕著となるが、0.2％を超えて含有すると、脆化が著しくなるという悪影響が顕著となる。このため、Cuは0.01〜0.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.15％である。
【００３１】
本発明ではMo、Ｖを、上記した含有範囲内で、かつ下記（１）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
（Mo＋Ｖ）量が、10.4％以下で（１）式を満足しない場合には、所望の優れた耐摩耗性、耐疲労性を確保できなくなる。一方、12.5％を超えて多量に含有すると、硬質な炭化物が増加しすぎ、ロール外層材を硬脆化するとともに、耐疲労性が低下し、さらには鋳造性が低下する。このため、（Mo＋Ｖ）量を、（１）式を満足する10.4％超え、12.5％以下に限定した。
【００３２】
また、本発明では、Ｃ、Ｖ、Nb、Tiを、上記した含有範囲内で、かつ下記（２）式
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
Ｖ、Nb、さらにTiは、Ｃと結合し、ＭＣ型炭化物を形成する。したがって、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）は、共晶炭化物を形成するか、基地に固溶する炭素量を意味し、基地硬さや共晶炭化物量に影響を与え、被圧延材である鋼板とロールとの摩擦力や、ロールの耐肌荒れ性を支配する因子であり、精度よく制御することが肝要となる。
【００３３】
（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が0.6未満では、共晶炭化物量が不足し、鋼板圧延時の摩擦力が増加する。一方、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が1.3を超えると、共晶炭化物量が過度に増加し、ロール外層材を硬脆化させ、耐クラック性を低下させる。このため、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が（２）式を満足する、0.6以上1.3以下に限定した。
【００３４】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.05％以下、Ｎ：0.06％以下、Ｂ：0.02％以下が例示できる。Ｐは、粒界に偏析し、材質を劣化させるため、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓは、硫化物系介在物として存在し材質を低下させるため、できるだけ低減することが好ましいが、0.05％以下であれば許容できる。Ｎは、通常の溶解であれば、0.06％以下程度混入するが、この程度であれば本発明の効果に影響することはない。また、Ｂは、溶解原料であるスクラップや鋳造フラックス等から混入する元素であり、炭化物に固溶し炭化物を脆弱化する作用を有し、本発明ではできるだけ低減することが好ましいが、0.02％以下であれば本発明の効果に悪影響を及ぼすことはなく、許容できる。
【００３５】
つぎに、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい製造方法について説明する。
まず、本発明では、ロール外層材の製造方法は、エネルギーコストの低い安価な、遠心鋳造法とする。
まず、内面にジルコン等を主材とした耐火物が被覆された、回転する鋳型に、上記したロール外層材組成の溶湯を、所定の肉厚となるように、注湯し、遠心鋳造する。そして、中間層を形成する場合には、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層材を静置鋳造して、複合ロールとすることが好ましい。これにより、ロール外層材の内面側が再溶解され外層と内層、あるいは外層と中間層、中間層と内層とが溶着一体化した複合ロールとなる。
【００３６】
なお、静置鋳造される内層は、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄（VC鋳鉄）などを用いることが好ましい。遠心鋳造製ロールは、外層と内層が一体溶着されているため、外層材の成分が１〜８％程度内層に混入する。外層材に含まれるCr、Ｖ等の炭化物形成元素が内層へ混入すると、内層を脆弱化する。このため、外層成分の内層への混入率は６％未満に抑えることが好ましい。
【００３７】
また、中間層を形成する場合は、中間層材として、黒鉛鋼、高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等を用いることが好ましい。中間層と外層とは同じように一体溶着されており、外層成分が中間層へ10％以上90％以下の範囲で混入する。内層への外層成分の混入量を抑える観点から、外層成分の中間層への混入量はできるだけ低減しておくことが肝要となる。
本発明の熱間圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、950〜1150℃に加熱し空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに450〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。
【００３８】
なお、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい硬さは、79〜88HS、より好ましい硬さは80〜86HSである。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理を調整することが推奨される。
【実施例】
【００３９】
表１に示すロール外層材組成の溶湯を、高周波炉で溶解し遠心鋳造法により、リング状試験材（リングロール；外径：250mmφ、肉厚：65mm）とした。なお、鋳込み温度は1400〜1450℃、遠心力は重力倍数で160Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さを80〜84HSに調整した。また、熱間仕上圧延後段圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（質量％で、2.2％Ｃ−0.3％Si−0.4％Mn−6.1％Cr−3.6％Mo−5.1％Ｖ−1.5％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）組成のリング状試験材（リングロール）を、同様に遠心鋳造法で鋳造し、さらに熱処理を施し、基準材（従来例）とした。
【００４０】
得られたリング状試験材から、硬さ試験片、疲労試験片および摩耗試験片を採取して、硬さ試験、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）硬さ試験
得られた硬さ試験片について、JIS Z 2246 の規定に準拠して、ショア硬さHSを測定した。
【００４１】
（２）熱間転動疲労試験
得られたリング状試験材から図２に示す形状の疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取した。疲労試験片には、図２に示すようなノッチ（深さｔ：1.0mm、周方向長さＬ：1.2mm）を外周面の２箇所（180°離れた位置）に、0.25mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
熱間転動疲労試験は、図１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い、疲労試験片を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、810℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：８％で転動させた。そして、疲労試験片に導入した２つのノッチが折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を、折損転動回転数とした。そして、従来例の折損転動回転数を基準（1.0）とし、得られた各リング状試験材と従来例との折損転動回転数の比、（各リング状試験材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出し、耐疲労性の指標とした。
【００４２】
（３）摩耗試験
得られたリング状試験材から摩耗試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取して、摩耗試験を実施した。摩耗試験は、図１に示す、試験片と相手材との２円盤すべり摩耗方式で行った。試験片（摩耗試験片）を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：８％で転動させた。累積転動回転数が252000回になるまで、転動させ、試験片の摩耗減量を求めた。そして、従来例の摩耗減量を基準（＝1.0）として、各リング状試験材の摩耗減量と従来例の摩耗減量の比、（各リング状試験材の摩耗減量）／（従来例の摩耗減量）を算出し、耐摩耗性の指標とした。
【００４３】
得られた結果を表２に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
本発明例はいずれも、従来例に比べて耐摩耗性および耐疲労性が顕著に向上している。とくに、耐疲労性の向上が著しい。（Mo＋Ｖ）量が本発明範囲内で、Ti、Cuを含有しない比較例は、従来例に比べてほぼ1.4〜1.7倍程度、耐疲労性が向上しているが、本発明例は、これら比較例に比べて、さらにほぼ20％以上、耐疲労性が向上している。一方、上記した比較例以外の、本発明の範囲を外れる比較例は、耐摩耗性、耐疲労性のいずれか一方、あるいは両方が従来例に比べて顕著な向上を示していない。本発明の範囲を外れる比較例は、従来例よりむしろ、耐摩耗性、耐疲労性が低下している場合もある。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延用ロールに係り、とくに鋼板の熱間圧延仕上スタンド用として好適な遠心鋳造製複合ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、熱間圧延用ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、熱間圧延負荷の大きな鋼板の生産量が増大している。このため、使用される熱間圧延用ロールの特性向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発され、多用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２には、圧延用ロール外層材が提案されている。特許文献１に記載された外層材は、Ｃ：1.5〜3.5％、Ni：5.5％以下、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用外層材となるとしている。また、特許文献２に記載された外層材は、Ｃ：1.5〜3.5％、Cr：5.5〜12.0％、Mo：2.0〜8.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.5〜7.0％を含み、かつ、NbおよびＶを、Nb、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにNbとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。
【０００４】
しかし、熱間圧延製品の品質向上と生産性向上の観点から熱間圧延用ロールの使用環境は苛酷化し、さらに熱間圧延製品の表面品質への要求も厳しくなり、上記した圧延用ロールを用いてもなお、要求される耐摩耗性、表面品質を満足できないという問題があった。
このような問題に対し、例えば特許文献３には、Ｃ：2.5〜4.0％、Cr：6.0〜20.0％、Mo：2.0〜12.0％、Ｖ：3.0〜10.0％、Nb：0.6〜5.0％を、Ｃ，Ｖ，Nb，Cr含有量が特定の関係式を満足するように調整して含有する熱間圧延用ロール外層材が提案されている。特許文献３に記載された技術によれば、外層材において、硬質粒状炭化物に加えて共晶炭化物を増加させ、さらに炭化物および基地相を強化して、外層が、耐摩耗性に優れ、さらには耐疲労性にも優れ、かつ熱膨張係数が低く耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用複合ロールを製造できるとしている。また、特許文献４には、外層が、Ｃ：2.4〜2.9％、Cr：12〜18％、Mo：3〜9％、Ｖ：３〜８％、Nb：0.5〜４％を、Mo／Cr、Ｃ＋0.2Crが特定範囲内となるようにＣ，Mo，Cｒ含有量を調整して含有する熱間圧延用ロールが提案されている。特許文献４に記載された技術によれば、ＭＣ型炭化物とＭ７Ｃ３型炭化物の適量導入と、ＭＣ型炭化物とＭ７Ｃ３型炭化物の強化が図られ、ロール外層における炭化物の偏析が抑制され、圧延製品の表面品質の劣化を防止できるとしている。
【０００５】
また、特許文献５には、外層が、Ｃ：2.2〜2.6％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％を、Mo＋Ｖ、Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nbがそれぞれ特定範囲内となるようにMo、Ｖ、Ｃ、Nb含有量を調整して含有する熱間圧延用ロールが提案されている。特許文献５に記載された技術によれば、耐疲労性が顕著に向上し、ロール表面損傷を著しく抑制でき、ロール寿命を向上できるとともに、圧延製品の表面品質の顕著な向上が得られるとしている。
【特許文献１】特開平05−1350号公報
【特許文献２】特開平05−295479号公報
【特許文献３】特開平08−73977号公報
【特許文献４】特開平10−183289号公報
【特許文献５】特開2009−221573号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、最近の熱延鋼板（圧延製品）には、更なる薄肉化、高強度化および高品質化が要望され、圧延負荷の増大は著しく、また生産性向上に伴う連続圧延量の増加など、熱間圧延条件は一層、厳しさを増し、熱間圧延用ロールの使用環境はますます苛酷化している。熱間圧延用ロール（作業ロール）の表面には、被圧延材を熱間圧延するに際し、ロール転動方向に作用するすべり応力、ロール軸方向に作用する転動応力とが繰返し作用し、さらにはバックアップロールからの繰返し転動応力が作用する。このような熱と応力の繰返し負荷により、とくに作業ロール表層が疲労し、肌荒れ、疲労亀裂発生・成長、表層の欠け落ちなど、疲労損傷の発生が大きな問題となっている。
【０００７】
特許文献３，４に記載された技術では、このような使用環境下においてロール表層の疲労損傷を抑制して、所望のロール寿命を達成できているとはいい難いという問題がある。また、特許文献５に記載された技術では、ロール表層の疲労損傷を低減し耐疲労性を向上させることを目的としてはいるが、最近の更なる使用環境の苛酷化には、十分に対応できておらず、更なる耐疲労性の向上が要望されているという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、最近の熱間圧延用作業ロールの使用環境に適合した、優れた耐摩耗性と優れたロール表層の耐疲労性とを兼備する熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および遠心鋳造製複合ロールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、遠心鋳造製ロール外層材における、熱間圧延時の耐疲労性に及ぼす合金元素の影響について鋭意研究した。その結果、Crを5.0〜8.0質量％に制限し、さらに適正範囲のMo、Ｖを特定関係を満足するように調整して含有し、さらに適正範囲のＣ、Ｖ、Nbを含有させたうえ、さらに適正範囲のTiを、Ｃ、Ｖ、Nb、Ti含有量が特定関係を満足するように調整して含有し、さらに適正量のCuを複合して含有させることにより、熱間圧延時の耐摩耗性に優れるうえ、耐疲労性の更なる向上が期待できるという知見を得た。
【００１０】
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、Ｃ：2.0〜2.9％、Si：0.3〜0.6％、Mn：0.3〜0.6％、Nb：0.6〜2.3％とし、Crを4.9〜9.8％、Moを3.1〜7.5％、Ｖを4.9〜7.8％の範囲で変化させ、さらにTiを０〜0.17％、Cuを０〜0.13％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を、高周波炉で溶解し、ロール外層材に相当するリング状ロール材（外径：250mmφ、肉厚：60mm）を遠心鋳造法により鋳造した。なお、鋳込み温度は1400℃〜1500℃、遠心力は重力倍数で160Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをHS 80〜85に調整した。
【００１１】
なお、熱間仕上圧延後段圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（2.2質量％Ｃ−0.3質量％Si−0.4質量％Mn−6.1質量％Cr−3.6質量％Mo−5.1質量％Ｖ−1.5質量％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）相当材を、同様に遠心鋳造し、ついで同様な熱処理を施し、基準（従来例）とした。
得られたリング状ロール材から疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）および摩耗試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）を採取して、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。なお、疲労試験片には、図２に示すようなノッチ（深さｔ：1.0mm、周方向長さＬ：1.2mm）を外周面の２箇所（180°離れた位置）に、0.25mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。また、摩耗試験片および疲労試験片の転動面の端部には面取りを施した。
【００１２】
熱間転動疲労試験は、図１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い、図２に示すようなノッチを有する試験片（疲労試験片）を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：8％で転動させた。疲労試験片に導入した２つのノッチが折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を、折損転動回転数とした。
【００１３】
そして、従来例の折損転動回転数を1.0（基準）とし、基準に対する各リング状ロール材の折損転動回転数の比、（リング状ロール材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出した。この比が1.3を超える場合を耐疲労性が顕著に優れると評価した。得られた結果を、折損転動回転数の比と（Mo＋Ｖ）（質量％）量との関係で図３に示す。なお、図３では、Ｃ：2.3〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％を含有する範囲で、かつTi、Cuを含有する場合と、Ti、Cuを含有しない場合に限定して、示した。
【００１４】
図３から、（Mo＋Ｖ）量の増加とともに、折損転動回転数の比が増加して耐疲労性が向上しており、（Mo＋Ｖ）量を10.4以上とすることにより、折損転動回転数の比が1.3以上と、従来例（◆印）に比して耐疲労性が顕著に向上していることがわかる。さらに、同一（Mo＋Ｖ）量で比較して、Ti、Cuを複合含有する場合（●印）が、Ti、Cuを無添加の場合（○印）に比べ、折損転動回転数の比が、20％以上大きく増加していることがわかる。すなわち、（Mo＋Ｖ）量を所定値10.4以上としたうえで、適正範囲のTi、Cuを複合含有することにより、耐疲労性がさらに顕著に向上するという新規な知見を得た。
【００１５】
なお、この熱間転動疲労試験を用いれば、熱間圧延用ロールで生じる肌荒れ、疲労亀裂の発生・進展を再現することができ、熱間圧延用ロールの耐疲労性を簡便に評価できることを確認している。折損転動回転数が多いほど、優れた耐疲労性を有するロール外層材であるとすることができる。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
【００１６】
（１）熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、次（１）式および次（２）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
【００１７】
（２）外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、Ｃ：2.2〜2.8％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、次（１）式および次（２）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【００１８】
（３）（２）において、前記外層と溶着一体化した内層に代えて、該外層と溶着一体化した中間層と該中間層と溶着一体化した内層とすることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、耐疲労性が顕著に向上した高性能の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールを、容易にしかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。本発明の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールは、耐疲労性が顕著に向上し、高圧延負荷が作用するような苛酷な熱間圧延環境下においても、摩耗や、肌荒れ、疲労亀裂の発生・成長、表層欠け落ち等のロール表面損傷を著しく抑制できる。本発明によれば、熱延鋼板の表面品質の顕著な向上、熱延鋼板の生産性向上、さらにはロール寿命の向上をともに達成できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】摩耗試験、熱間転動疲労試験で使用した試験機の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】熱間転動疲労試験用試験片（疲労試験片）の外周面に導入されたノッチの形状、寸法を模式的に示す説明図である。
【図３】熱間転動疲労試験における折損転動回転数の比と（Mo＋Ｖ）量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のロール外層材は、遠心鋳造製で、そのままリングロール、スリーブロールとすることもできるが、熱間仕上圧延用として好適な、熱間圧延用複合ロールの外層材として適用される。また、本発明の熱間圧延用複合ロールは、遠心鋳造された外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる。なお、外層と内層との間に中間層を配してもよい。すなわち、外層と溶着一体化した内層に代えて、外層と溶着一体化した中間層および該中間層と溶着一体化した内層としてもよい。なお、内層は静止鋳造法で製造することが好ましい。本発明では、内層、中間層の組成はとくに限定されないが、内層は球状黒鉛鋳鉄、中間層は、Ｃ：1.5〜3質量％の高炭素材とすることが好ましい。
【００２２】
まず、ロール外層材（外層）の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記す。
Ｃ： 2.2〜2.8％
Ｃは、固溶して基地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、ロール外層材の耐摩耗性を向上させる作用を有する。Ｃ含有量に応じて共晶炭化物量が変化する。共晶炭化物は圧延使用特性に影響するため、Ｃ含有量が2.2％未満では、共晶炭化物量が不足し、圧延時の摩擦力が増加し圧延が不安定となる。一方、2.8％を超える含有は、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、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃは2.2〜2.8％の範囲に限定した。なお、好ましくは2.3〜2.8％である。
【００２３】
Si：0.2〜0.7％
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り、本発明では0.2％以上含有することが望ましいが、0.7％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、Siは0.2〜0.7％に限定した。
【００２４】
Mn：0.2〜0.7％
Mnは、ＳをMnSとして固定し、無害化する作用を有するとともに、基地に固溶し、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。このような効果を得るためには0.2％以上の含有を必要とするが、0.7％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、Mnは0.2〜0.7％に限定した。
【００２５】
Cr：5.0〜8.0％
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、ロール表面の損傷を軽減させ、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、8.0％を超える含有は、硬脆な共晶炭化物が増加しすぎて、耐疲労性を低下させる。このため、Crは5.0〜8.0％の範囲に限定した。
【００２６】
Mo：4.4〜6.0％
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、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、ロール外層材の耐疲労性、耐摩耗性を向上させる。このような効果を得るためには、4.4％以上の含有を必要とするが、6.0％を超える含有は、Mo主体の硬脆な炭化物が生成し、耐疲労性を低下させる。このため、Moは4.4〜6.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは4.5〜5.8％である。
【００２７】
Ｖ：5.3〜7.0％
Ｖは、耐摩耗性と耐疲労性を兼備させるために、本発明において重要な元素である。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、ロール外層材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、5.3％以上の含有で顕著となるが、7.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるとともに、ＭＣ型炭化物の遠心鋳造偏析を助長させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖは5.3〜7.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは5.4〜6.8％である。
【００２８】
Nb：0.6〜1.3％
Nbは、ＭＣ型炭化物に固溶してＭＣ型炭化物を強化し、破壊抵抗を増加させる作用を介し、耐摩耗性とさらには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、耐疲労性を向上させる。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、0.6％以上の含有で顕著となるが、1.3％を超える含有は、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長を促進させ、遠心鋳造時の炭化物偏析を助長する。このため、Nbは0.6〜1.3％の範囲に限定した。
【００２９】
Ti：0.002〜0.1％
Tiは、少量の含有で、ＭＣ型炭化物の晶出核を微細に形成し、粒状のＭＣ型炭化物を生成させて、耐疲労性を顕著に向上させ、本発明では重要な元素である。このような効果を確保するためには、0.002％以上の含有を必要とする。一方、0.1％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させ、鋳造時の炭化物偏析を助長するようになる。このため、Tiは0.002〜0.1％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.003〜0.08％である。
【００３０】
Cu：0.01〜0.2％
Cuは、固溶して基地を強化し、耐疲労性を向上させる作用を有するとともに、Ｓ、Ｂ等の不純物元素の悪影響を緩和する作用を有する元素である。このような効果は、0.01％以上の含有で顕著となるが、0.2％を超えて含有すると、脆化が著しくなるという悪影響が顕著となる。このため、Cuは0.01〜0.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.15％である。
【００３１】
本発明ではMo、Ｖを、上記した含有範囲内で、かつ下記（１）式
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
（Mo＋Ｖ）量が、10.4％以下で（１）式を満足しない場合には、所望の優れた耐摩耗性、耐疲労性を確保できなくなる。一方、12.5％を超えて多量に含有すると、硬質な炭化物が増加しすぎ、ロール外層材を硬脆化するとともに、耐疲労性が低下し、さらには鋳造性が低下する。このため、（Mo＋Ｖ）量を、（１）式を満足する10.4％超え、12.5％以下に限定した。
【００３２】
また、本発明では、Ｃ、Ｖ、Nb、Tiを、上記した含有範囲内で、かつ下記（２）式
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
Ｖ、Nb、さらにTiは、Ｃと結合し、ＭＣ型炭化物を形成する。したがって、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）は、共晶炭化物を形成するか、基地に固溶する炭素量を意味し、基地硬さや共晶炭化物量に影響を与え、被圧延材である鋼板とロールとの摩擦力や、ロールの耐肌荒れ性を支配する因子であり、精度よく制御することが肝要となる。
【００３３】
（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が0.6未満では、共晶炭化物量が不足し、鋼板圧延時の摩擦力が増加する。一方、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が1.3を超えると、共晶炭化物量が過度に増加し、ロール外層材を硬脆化させ、耐クラック性を低下させる。このため、（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）が（２）式を満足する、0.6以上1.3以下に限定した。
【００３４】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.05％以下、Ｎ：0.06％以下、Ｂ：0.02％以下が例示できる。Ｐは、粒界に偏析し、材質を劣化させるため、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓは、硫化物系介在物として存在し材質を低下させるため、できるだけ低減することが好ましいが、0.05％以下であれば許容できる。Ｎは、通常の溶解であれば、0.06％以下程度混入するが、この程度であれば本発明の効果に影響することはない。また、Ｂは、溶解原料であるスクラップや鋳造フラックス等から混入する元素であり、炭化物に固溶し炭化物を脆弱化する作用を有し、本発明ではできるだけ低減することが好ましいが、0.02％以下であれば本発明の効果に悪影響を及ぼすことはなく、許容できる。
【００３５】
つぎに、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい製造方法について説明する。
まず、本発明では、ロール外層材の製造方法は、エネルギーコストの低い安価な、遠心鋳造法とする。
まず、内面にジルコン等を主材とした耐火物が被覆された、回転する鋳型に、上記したロール外層材組成の溶湯を、所定の肉厚となるように、注湯し、遠心鋳造する。そして、中間層を形成する場合には、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層材を静置鋳造して、複合ロールとすることが好ましい。これにより、ロール外層材の内面側が再溶解され外層と内層、あるいは外層と中間層、中間層と内層とが溶着一体化した複合ロールとなる。
【００３６】
なお、静置鋳造される内層は、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄（VC鋳鉄）などを用いることが好ましい。遠心鋳造製ロールは、外層と内層が一体溶着されているため、外層材の成分が１〜８％程度内層に混入する。外層材に含まれるCr、Ｖ等の炭化物形成元素が内層へ混入すると、内層を脆弱化する。このため、外層成分の内層への混入率は６％未満に抑えることが好ましい。
【００３７】
また、中間層を形成する場合は、中間層材として、黒鉛鋼、高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等を用いることが好ましい。中間層と外層とは同じように一体溶着されており、外層成分が中間層へ10％以上90％以下の範囲で混入する。内層への外層成分の混入量を抑える観点から、外層成分の中間層への混入量はできるだけ低減しておくことが肝要となる。
本発明の熱間圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、950〜1150℃に加熱し空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに450〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。
【００３８】
なお、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい硬さは、79〜88HS、より好ましい硬さは80〜86HSである。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理を調整することが推奨される。
【実施例】
【００３９】
表１に示すロール外層材組成の溶湯を、高周波炉で溶解し遠心鋳造法により、リング状試験材（リングロール；外径：250mmφ、肉厚：65mm）とした。なお、鋳込み温度は1400〜1450℃、遠心力は重力倍数で160Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さを80〜84HSに調整した。また、熱間仕上圧延後段圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（質量％で、2.2％Ｃ−0.3％Si−0.4％Mn−6.1％Cr−3.6％Mo−5.1％Ｖ−1.5％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）組成のリング状試験材（リングロール）を、同様に遠心鋳造法で鋳造し、さらに熱処理を施し、基準材（従来例）とした。
【００４０】
得られたリング状試験材から、硬さ試験片、疲労試験片および摩耗試験片を採取して、硬さ試験、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）硬さ試験
得られた硬さ試験片について、JIS Z 2246 の規定に準拠して、ショア硬さHSを測定した。
【００４１】
（２）熱間転動疲労試験
得られたリング状試験材から図２に示す形状の疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取した。疲労試験片には、図２に示すようなノッチ（深さｔ：1.0mm、周方向長さＬ：1.2mm）を外周面の２箇所（180°離れた位置）に、0.25mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
熱間転動疲労試験は、図１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い、疲労試験片を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、810℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：８％で転動させた。そして、疲労試験片に導入した２つのノッチが折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を、折損転動回転数とした。そして、従来例の折損転動回転数を基準（1.0）とし、得られた各リング状試験材と従来例との折損転動回転数の比、（各リング状試験材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出し、耐疲労性の指標とした。
【００４２】
（３）摩耗試験
得られたリング状試験材から摩耗試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取して、摩耗試験を実施した。摩耗試験は、図１に示す、試験片と相手材との２円盤すべり摩耗方式で行った。試験片（摩耗試験片）を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：８％で転動させた。累積転動回転数が252000回になるまで、転動させ、試験片の摩耗減量を求めた。そして、従来例の摩耗減量を基準（＝1.0）として、各リング状試験材の摩耗減量と従来例の摩耗減量の比、（各リング状試験材の摩耗減量）／（従来例の摩耗減量）を算出し、耐摩耗性の指標とした。
【００４３】
得られた結果を表２に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
本発明例はいずれも、従来例に比べて耐摩耗性および耐疲労性が顕著に向上している。とくに、耐疲労性の向上が著しい。（Mo＋Ｖ）量が本発明範囲内で、Ti、Cuを含有しない比較例は、従来例に比べてほぼ1.4〜1.7倍程度、耐疲労性が向上しているが、本発明例は、これら比較例に比べて、さらにほぼ20％以上、耐疲労性が向上している。一方、上記した比較例以外の、本発明の範囲を外れる比較例は、耐摩耗性、耐疲労性のいずれか一方、あるいは両方が従来例に比べて顕著な向上を示していない。本発明の範囲を外れる比較例は、従来例よりむしろ、耐摩耗性、耐疲労性が低下している場合もある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、
Ｃ：2.2〜2.8％、 Si：0.2〜0.7％、
Mn：0.2〜0.7％、 Cr：5.0〜8.0％、
Mo：4.4〜6.0％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.3％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
記
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％）
【請求項２】
外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、
Ｃ： 2.2〜2.8％、 Si：0.2〜0.7％、
Mn：0.2〜0.7％、 Cr：5.0〜8.0％、
Mo：4.4〜6.0％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.3％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
記
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記外層と溶着一体化した内層に代えて、該外層と溶着一体化した中間層と該中間層と溶着一体化した内層とすることを特徴とする請求項２に記載の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【請求項１】
熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、
Ｃ：2.2〜2.8％、 Si：0.2〜0.7％、
Mn：0.2〜0.7％、 Cr：5.0〜8.0％、
Mo：4.4〜6.0％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.3％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
記
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％）
【請求項２】
外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、
Ｃ： 2.2〜2.8％、 Si：0.2〜0.7％、
Mn：0.2〜0.7％、 Cr：5.0〜8.0％、
Mo：4.4〜6.0％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.3％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表層の耐疲労性に優れることを特徴とする熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
記
10.4 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb−0.25Ti）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb、Ti：各元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記外層と溶着一体化した内層に代えて、該外層と溶着一体化した中間層と該中間層と溶着一体化した内層とすることを特徴とする請求項２に記載の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１１７０８３（Ｐ２０１２−１１７０８３Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５０１０（Ｐ２０１０−２６５０１０）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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