熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール
【課題】耐摩耗性、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、Ｃ：2.2〜2.6％、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、10.0＜（Mo＋Ｖ）≦12.5および0.6≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、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、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、Ｃ：2.2〜2.6％、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、10.0＜（Mo＋Ｖ）≦12.5および0.6≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、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、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ロール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さらに苛酷化し、また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％、Mo：2.0〜12％、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平04−365836号公報
【特許文献２】特開平05−1350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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、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、ロール表面が疲労し、肌荒れ、疲労亀裂発生・成長、表層の欠け落ちなど、疲労損傷が大きな問題となっている。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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の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％に制限したうえ、Ｂを含有し、ＶとMoとが、さらにはＣ、Ｖ、Nbとが特定関係を満足するように、各元素の含有量を調整することにより、熱間圧延時の耐摩耗性に優れるうえ、さらに耐疲労性が顕著に向上するという従来にない知見を得た。
【０００９】
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：2.3〜2.6％、Si：0.3〜0.6％、Mn：0.4〜0.8％、Cr：5.0〜7.8％、Nb：0.7〜1.3％、Ｂ：0.003〜0.030％とし、Moを3.4〜5.8％、Ｖを4.7〜6.7％の範囲で変化させ、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℃〜1450℃、遠心力は重力倍数で180Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをHS 81〜84に調整した。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（2.3質量％Ｃ−0.3質量％Si−0.4質量％Mn−6.2質量％Cr−3.7質量％Mo−5.2質量％Ｖ−1.6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。なお、従来例では、Ｂは不可避的不純物で0.001％であった。
【００１０】
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：1.1mm、周方向長さＬ：1.1mm）を外周面の２箇所に、0.2mmφ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。
【００１１】
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：10mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％で転動させた。熱間転動疲労試験では、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1.2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。
【００１２】
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、耐疲労性が向上するが、さらにＢを0.01％以上含有することにより耐疲労性が向上する傾向が認められることがわかる。また、この範囲のCr含有量であれば、耐疲労性への影響は大きくないといえる。さらに、図３から、基準材の1.2倍以上の耐疲労性を確保するためには、Ｂを0.01％以上含有したうえで、（Mo＋Ｖ）量を10.0％超えとする必要があることが示唆される。
【００１３】
なお、本発明者らの検討によれば、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。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。
また、摩耗試験は、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、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、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：10％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1.0〈基準〉として、基準に対する各リング状ロール材の摩耗減量の比、（リング状ロール材の摩耗減量）／（従来例の摩耗減量）を算出した。得られた摩耗減量の比と（Mo＋Ｖ）（質量％）量との関係を図４に示す。
【００１４】
図４から、（Mo＋Ｖ）量の増加とともに、摩耗減量の比が小さくなり、耐摩耗性が向上するが、さらにＢを0.01％以上含有することにより耐摩耗性が向上する傾向が認められる。また、この範囲のCr含有量であれば、耐摩耗性への影響は大きくないといえる。さらに、図３から、とくにＢを0.01％以上含有したうえで（Mo＋Ｖ）量を10.0％超えとすることにより、摩耗減量の比はさらに小さくなり、耐疲労性の向上とともに、耐摩耗性も向上することが示唆される。
【００１５】
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。
（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：2.2〜2.6％、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、次（１）式および次（２）式
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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。
【００１６】
（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：2.2〜2.6％、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、次（１）式および次（２）式
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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。
【００１７】
（３）（２）において、前記該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】
【００１８】
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】
【００１９】
【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。
【図４】摩耗試験における摩耗減量の比と（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】
【００２０】
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。
【００２１】
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：2.2〜2.6％
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、2.6％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、耐クラック性を低下させる。このため、Ｃは2.2〜2.6％の範囲に限定した。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。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、0.6％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。
【００２８】
本発明ではMo、Ｖを、上記した含有範囲内で、かつ下記（１）式
10.0 ＜（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、10.0％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10.0％超え、12.5％以下に限定した。
【００２９】
また、本発明では、Ｃ、Ｖ、Nbを、上記した含有範囲内で、かつ下記（２）式
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Ｖ、Ｃ、Nb：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）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。
【００３０】
（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）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）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）が（２）式を満足する、0.6以上1.3以下に限定した。
Ｂ：0.01〜0.07％
Ｂは、炭化物中に固溶し、炭化物量を増加させることを介して耐摩耗性や耐疲労性を向上させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.07％を超える含有は、炭化物を脆弱化して耐摩耗性、耐疲労性をともに低下させる。このため、Ｂは0.01〜0.07％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.04％である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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100％未満の範囲で混入する。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。
【００３５】
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】
【００３６】
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：60mm）とした。なお、鋳込み温度は1400〜1450℃、遠心力は重力倍数で180Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さを81〜85HSに調整した。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（質量％で、2.3％Ｃ−0.3％Si−0.4％Mn−6.2％Cr−3.7％Mo−5.2％Ｖ−1.6％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（試験材No.Ｙ：従来例）とした。
【００３７】
得られたリング状試験材から疲労試験片および摩耗試験片を採取して、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）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：1.1mm、周方向長さＬ：1.1mm）を外周面の２箇所に、0.2mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
【００３８】
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、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：10mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％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。
（２）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、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：10％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。
【００３９】
得られた結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
本発明例はいずれも、従来例に比べて耐疲労性が1.2倍を超えて顕著に向上するとともに、耐摩耗性も従来例の磨耗減量の0.9以下と顕著に向上している。これに対し、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がある。
【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ロール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さらに苛酷化し、また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％、Mo：2.0〜12％、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平04−365836号公報
【特許文献２】特開平05−1350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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、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、ロール表面が疲労し、肌荒れ、疲労亀裂発生・成長、表層の欠け落ちなど、疲労損傷が大きな問題となっている。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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の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％に制限したうえ、Ｂを含有し、ＶとMoとが、さらにはＣ、Ｖ、Nbとが特定関係を満足するように、各元素の含有量を調整することにより、熱間圧延時の耐摩耗性に優れるうえ、さらに耐疲労性が顕著に向上するという従来にない知見を得た。
【０００９】
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：2.3〜2.6％、Si：0.3〜0.6％、Mn：0.4〜0.8％、Cr：5.0〜7.8％、Nb：0.7〜1.3％、Ｂ：0.003〜0.030％とし、Moを3.4〜5.8％、Ｖを4.7〜6.7％の範囲で変化させ、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℃〜1450℃、遠心力は重力倍数で180Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをHS 81〜84に調整した。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（2.3質量％Ｃ−0.3質量％Si−0.4質量％Mn−6.2質量％Cr−3.7質量％Mo−5.2質量％Ｖ−1.6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。なお、従来例では、Ｂは不可避的不純物で0.001％であった。
【００１０】
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：1.1mm、周方向長さＬ：1.1mm）を外周面の２箇所に、0.2mmφ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。
【００１１】
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：10mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％で転動させた。熱間転動疲労試験では、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1.2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。
【００１２】
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、耐疲労性が向上するが、さらにＢを0.01％以上含有することにより耐疲労性が向上する傾向が認められることがわかる。また、この範囲のCr含有量であれば、耐疲労性への影響は大きくないといえる。さらに、図３から、基準材の1.2倍以上の耐疲労性を確保するためには、Ｂを0.01％以上含有したうえで、（Mo＋Ｖ）量を10.0％超えとする必要があることが示唆される。
【００１３】
なお、本発明者らの検討によれば、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。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。
また、摩耗試験は、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、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、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：10％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1.0〈基準〉として、基準に対する各リング状ロール材の摩耗減量の比、（リング状ロール材の摩耗減量）／（従来例の摩耗減量）を算出した。得られた摩耗減量の比と（Mo＋Ｖ）（質量％）量との関係を図４に示す。
【００１４】
図４から、（Mo＋Ｖ）量の増加とともに、摩耗減量の比が小さくなり、耐摩耗性が向上するが、さらにＢを0.01％以上含有することにより耐摩耗性が向上する傾向が認められる。また、この範囲のCr含有量であれば、耐摩耗性への影響は大きくないといえる。さらに、図３から、とくにＢを0.01％以上含有したうえで（Mo＋Ｖ）量を10.0％超えとすることにより、摩耗減量の比はさらに小さくなり、耐疲労性の向上とともに、耐摩耗性も向上することが示唆される。
【００１５】
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。
（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：2.2〜2.6％、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、次（１）式および次（２）式
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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。
【００１６】
（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：2.2〜2.6％、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、次（１）式および次（２）式
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 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、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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。
【００１７】
（３）（２）において、前記該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】
【００１８】
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】
【００１９】
【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。
【図４】摩耗試験における摩耗減量の比と（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】
【００２０】
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。
【００２１】
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：2.2〜2.6％
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、2.6％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、耐クラック性を低下させる。このため、Ｃは2.2〜2.6％の範囲に限定した。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。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、0.6％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。
【００２８】
本発明ではMo、Ｖを、上記した含有範囲内で、かつ下記（１）式
10.0 ＜（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、10.0％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10.0％超え、12.5％以下に限定した。
【００２９】
また、本発明では、Ｃ、Ｖ、Nbを、上記した含有範囲内で、かつ下記（２）式
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
（ここで、Ｖ、Ｃ、Nb：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）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。
【００３０】
（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）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）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）が（２）式を満足する、0.6以上1.3以下に限定した。
Ｂ：0.01〜0.07％
Ｂは、炭化物中に固溶し、炭化物量を増加させることを介して耐摩耗性や耐疲労性を向上させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.07％を超える含有は、炭化物を脆弱化して耐摩耗性、耐疲労性をともに低下させる。このため、Ｂは0.01〜0.07％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.04％である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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100％未満の範囲で混入する。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。
【００３５】
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】
【００３６】
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：60mm）とした。なお、鋳込み温度は1400〜1450℃、遠心力は重力倍数で180Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さを81〜85HSに調整した。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（質量％で、2.3％Ｃ−0.3％Si−0.4％Mn−6.2％Cr−3.7％Mo−5.2％Ｖ−1.6％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（試験材No.Ｙ：従来例）とした。
【００３７】
得られたリング状試験材から疲労試験片および摩耗試験片を採取して、熱間転動疲労試験および摩耗試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）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：1.1mm、周方向長さＬ：1.1mm）を外周面の２箇所に、0.2mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
【００３８】
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、820℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：10mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％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。
（２）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、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：10％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。
【００３９】
得られた結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
本発明例はいずれも、従来例に比べて耐疲労性が1.2倍を超えて顕著に向上するとともに、耐摩耗性も従来例の磨耗減量の0.9以下と顕著に向上している。これに対し、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がある。
【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：2.2〜2.6％、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、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：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：2.2〜2.6％、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、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記該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：2.2〜2.6％、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、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：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：2.2〜2.6％、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、下記（１）式および下記（２）式を満足するように含有し、さらにＢ：0.01〜0.07％含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、ロール表面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
10.0 ＜（Mo＋Ｖ）≦ 12.5 ‥‥（１）
0.6 ≦（Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nb）≦ 1.3 ‥‥（２）
ここで、Mo、Ｖ、Ｃ、Nb：各元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記該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４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２６５４９６（Ｐ２０１０−２６５４９６Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６０７８（Ｐ２００９−１１６０７８）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【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２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【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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