JPS592738B2 - 耐スポ−リング性にすぐれたバツクアツプロ−ル材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱延用または冷延用バックアップロールとし
て使用される鍛鋼製焼入ロール材の改良に関し、特にそ
の耐スポーリング性を改善したものである。

熱延用または冷延用バックアップロールに要求される材
質特性の主なるものとして耐スポーリング性及び耐摩耗
性が挙げられる。

バックアップロールのスポーリングとは、熱衝撃あるい
は転勤疲労により生じた微少な亀裂がロールの転勤中に
伝播して生ずるものであり、ロール１回の組込み使用中
に、深さ数十ミリメートルにも達し、応々にして表面剥
離に到ることがある。

バックアップロール材としては中炭素低クロム鋼を焼入
れ焼もどして表面硬度（Ｈｖ）３４０〜４５０に調整し
たものが広く用いられてきた。

その化学成分組成は、一般に、Ｃ０１４〜０．５係、Ｓ
ｉＯ，１５〜１．６％、Ｍｎ ０．１５〜１．６％、Ｎ
ｉ Ｏ，９９係以下、Ｃｒ ２．Ｃ）−５，０％、Ｍｏ
０．４’％以下、ＶＯ１２Ｏ１２係上下他不純物少量、
残部鉄から成る。

しかるに、近年は耐摩耗性改善の要請から、Ｃ量を増し
、焼もどし温度を下げることによりロールの表面硬度を
高める傾向にあり、将来は更に表面硬度（Ｈｖ）５００
前後に高めた高硬度ロールの需要が増大するものと予想
される。

ところが、このようにＣ量を高め、また焼もどし温度を
下げて表面硬度を高めると、それと同時にもう一方の主
要特性である耐スポーリング性が劣化するという問題が
ある。

この耐スポーリング性の改善は、従来もっばら、転勤疲
労強度すなわち繰返し回転下での耐強度限界を高めるこ
と、および剥離につながる脆性破壊を防止するために衝
撃値等の靭性を高めること等の見地から試みられ、これ
ら転勤疲労強度及び衝撃値の良好なものが耐スポーリン
グ性にもすぐれたロールであるとされてきた。

しかし、そのようなロール材であっても、実際の使用に
おけるスポーリング発生頻度は殆んど改善されていない
のが実情である。

本発明は、バックアップロール材に関する上記問題点を
克服し、耐スポーリング性と耐摩耗性のいづれにもすぐ
れた新規なロール材を開発せんとするものである。

本発明者等は、上記目的を達成すべく、バックアップロ
ールにおけるスポーリングの過程について膠細な調査を
行なった結果、スポーリングの寿命を支配しているのは
、従来一般に言われているような転勤疲労強度や靭性値
ではすく、これらの特性と全く異なる疲労亀裂伝播特性
であるという新事実を発見した。

なお、この疲労亀裂伝播特性とは、後述のように、亀裂
伝播速度ｄａ／ｄｎ（ｍｍ／ｃｙｃｌｅ）と応力拡大係
数ΔＫ （ｋｇ・ｒｎｍ−３／２ ）との関係に基づく
特性値である。

すなわち、本発明者等の詳細な研究によれば、バックア
ップロール使用時の表面における微少亀裂は、ロール表
面に存在する介在物や研削疵の部分から比較的初期に発
生してしまい、たとえ転勤疲労強度を上げても、亀裂発
生時期を若干遅らせ得るにすぎず、スポーリング寿命全
体に対してはそれほどの寄与はすく、また一方表面亀裂
が進展し、ある臨界長さに達したときの脆性破壊により
生ずる表面剥離に対しては、たとえ靭性値を上げたとこ
ろで、亀裂の臨界長さをわずかに増大させ得るにすぎず
、従って亀裂の成長速度が速い場合は、スポーリング寿
命にそれほどの差はないことが判明した。

しかして、かかる転勤疲労強度や靭性値とは異なり、疲
労亀裂伝播特性がすぐれる場合、すなわち該伝播速度が
十分に遅い場合には、表面に亀裂が発生しても殆んど成
長しないためスポーリングに発展することはすく、また
たとえ成長が始まった場合でも、伝播速度が十分に遅い
ので該亀裂が脆性破壊を起す臨界長さに達する前にロー
ル組替時期が到来し、その時期に研削等の表面手直しに
より亀裂を除去すれば、スポーリングの発生を未然に防
ぐことができる等、疲労亀裂伝播特性がスポーリングを
支配する最も重要な因子であり、この特性を改善するこ
とによって耐スポーリング性を効果的に高め得ることが
明らかになった。

従来、疲労亀裂伝播特性に着目して耐スポーリング性を
改善しようとする試みは全く見当らないが、本発明者等
は上記知見に基づいて、該伝播特性を改善することによ
って耐スポーリング性を高めることを企図し、これをロ
ール材の化学成分組成の工夫により達成すべく、該特性
に及ぼす各種合金元素の影響について更に詳細な研究を
進めた。

その結果、Ｍｏ及び■が、該特性の向上に顕著な効果を
有し、殊に該両元素を複合的に一定量添加することによ
り、耐スポーリング性を効果的に高め得ることを見出し
た。

本発明は以上の諸知見にもとづいて完成されたものであ
る。

すなわち、本発明は、Ｃ０，６％を越え、０．９５％以
下、Ｓ ｉ Ｏ，１５〜１．６％、Ｍ ｎ Ｏ，１，５
〜１．６係、Ｎｉ０．９９％以下、Ｃｒ ３．０〜５．
０％、Ｍ。

０．５〜１．２係、Ｖｏ、２〜０．８係、残部鉄及び不
可避的不純物から成り、耐摩耗性を満たしつつ更に耐ス
ポーリング性にもすぐれた新規なるバックアップロール
材を提供するものである。

Ｍｏ及び■の両元素はいづれも転勤疲労強度や靭性値の
改善には殆んど効果はなく、また従来バックアップロー
ル材の主要成分として用いられた例はない。

これに対し、本発明は、耐スポーリング性改善元素とし
て該両元素を特定量富化して成る特異の成分組成を構成
した点に一特徴を有するものである。

以下、本発明に係るバックアップロール材の成分組成限
定理由について説明する。

Ｃは、ロール材の硬度を高め、耐摩耗性を付与するに有
用な元素であるが、第６図に示すようにその量が０．６
％を越えたところから摩耗量が著しく減少し、一方約０
．９５％を越えると炭化物の均一な分散状態が得られず
、靭性その他の機械的性質が低下する。

このため、Ｃ量は０．６ ％を越え０．９５％以下とす
る。

なお、試験条件は下記の通りである。

供試材： ０．３〜０．８５ Ｃ−０，７Ｓ ｉ −０
，５Ｍｎ −３、５Ｃｒ −０，Ｉ Ｎｉ −０，６Ｍ
ｏ−０，３Ｖ材硬さはＨｖ約５００に調整。

相手材： ０．８５ Ｃ−３，５Ｃｒ （Ｈｖ ８８０
）材試験条件：押圧力Ｐｍａｘ １４０ ｋｙ／７１
−７１すべり率９％ 潤滑条件下 Ｓｉ及びＭｎは、製鋼過程での脱酸剤として用いられる
ほか、ロール材の焼入性の改善に有効な元素である。

このため約０．１５％以上添加すべきであるが、過度に
添加すると脱酸生成物が増加し、鋼の清浄度を損なう。

よって、Ｓｉ及びＭｎはそれぞれ、０．１５〜１．６％
の範囲で加えられる。

Ｎｉは、焼入性の改善、結晶粒の微細化に有用な元素で
ある。

但し、過度に添加すると炭化物の球状化を阻害する。

よって添加量は０．９９％を上限とする。

Ｃｒは、靭性を付与するほか、その炭化物を形成して硬
度、耐摩耗性を高めるための重要な元素である。

Ｃ，Ｃｒはどちらを増量しても炭化物の体積率は上昇し
、その上昇に伴って耐摩耗性が向上するが、Ｃｒ量を変
えずにＣ量のみを増加させると、微細なＣｒ７Ｃ３型炭
化物の他に粗大なセメンタイト型（Ｃｒ３Ｃ２）の炭化
物が生成し、靭性が著しく低下するので、Ｃ量とともに
Ｃｒ量を増加させる必要がある。

この場合、Ｃｒ量が約３．０％に満たないと、靭性が不
足し、一方約５．０係を超える添加は、製鋼技術上の問
題を伴い、健全な鋼塊の製造が困難になる。

よって、３６０〜５．０％の範囲で添加する。

Ｍｏ及び■は前述のように、疲労亀裂伝播特性を改善し
、耐スポーリング性を高めるのに有効な元素である。

このＭｏ及びＶの添加効果につき、第１表に掲示の化学
成分組成を有する鋼を例に挙げて説明する。

第１図は、第１表掲示の各鋼を素材とするロール材をそ
れぞれ硬度Ｈｖ ５００とな来るように熱処理しく鉱／
／６１〜４：焼入れ温度９３０℃、焼もどし温度５４０
℃、鋼Ａ６５〜７：焼入れ温度９３０℃、焼もどし温度
５７５℃）、それぞれの亀裂伝播速度ｄ ａ ／ ｄ
ｎ （ａｍ／ ｃｙｃ Ｉ ｅ ）と応力拡大係数範囲
ΔＫ（ｋｇ・ｍｍ−３／２）とを測定してプロットした
グラフである。

疲労亀裂伝播特性は該伝播速度ｄａ／ｄｎと応力負荷振
幅に対応する応力拡大係数範囲Δにとの関数として求め
られ、従って同図における曲線が右側に位置するものほ
ど、疲労亀裂伝播特性にすぐれると評価することができ
る。

図中、曲線番号１〜５は各々前記第１表の鋼番号を表わ
す。

これより、疲労亀裂伝播特性は、Ｍｏ添加量の増加に伴
って改善されることが認められる。

なお、第１表に併記した破壊靭性及び転勤疲労強度（繰
返し数Ｉ Ｘ １０６回）に示されるように、これらの
特性に対してＭｏ及び■は実質的な影響を与えず、専ら
疲労亀裂伝播特性に関し特有の効果を発揮するものであ
る。

また、第２図は前記第１表掲示の各鋼について疲労亀裂
進展下限界応力拡大係数ΔＫｔｈ（ｋｇ・ｍｍ ａ／２
）の値とＭｏ添加量の関係を示したグラフであり、図
中の番号は第１表の各鋼番号を表わす。

この応力拡大係数ΔＫｔｈは、亀裂伝播速度ｄ ａ ／
ｄ ｎが０になる（すなわち亀裂の成長がすくする）
ようなくり返し負荷する応力拡大係数範囲Δにの限界値
を示すものであり、疲労亀裂伝播特性の良否を示す特性
値である。

その値が高い程、疲労亀裂伝播特性にすぐれることを意
味する。

上記第１図及び第２図に示されるように、ＭＯ添加効果
を十分に発揮させ、良好な疲労亀裂伝播特性を得るには
、ＭＯ約０．５係以上を添加することが望ましい。

但し、約１．２係を超えて多量に添加しても効果の増大
は殆んど期待できない。

従っテ、好ましくは０．５〜１．２％の範囲で加えられ
る。

第３図は、■添加量を変えた場合の疲労亀裂伝播特性を
示すグラフであり、図中の曲線番号は前記第１表掲示の
鋼番号を表わす。

同図と前記第１図との対比から明らかなようにＭｏとと
もに■を複合添加することにより、疲労亀裂伝播特性は
顕著に改善されることが認められる。

また、その改善効果は、添加量の増加に伴なって一層増
大することも明らかである。

但し、■約０．２係以下では十分な効果を得難く、一方
約ｏ、ｓ％を超えて添加しても効果の増大はそれほど期
待できず高価７ａ’Ｖの多量使用による経済的不利を伴
なう。

従って、■は０．２〜０．８％の範囲内で添加される。

上記各成分元素のほか、製鋼過程で必然的に混入するＰ
、Ｓその他の不純物は、この種の鋼に通常許容される範
囲内で存在してよく、例えばＰは約０．０３５％以下、
Ｓは約０．０４０係以下であれば本発明の趣旨は何ら損
なわれない。

ε 次に、実施例を挙げて、本発明ロール材の材質特性
を具体的に説明する。

実施例 第２表に掲示の成分組成を有す・る各ロール材について
緒特性を測定し比較した。

同表中、供試材ＡＩ、ＩＩ及び■は比較材であり、この
うち、ａｌと■は従来一般に用いられているロール材の
代表的組成を有するものである。

供試材扁■〜■は本発明に係る成分組成を有するロール
材である。

なお、各試供材とも、Ｈ■５００の高硬度を付与するた
めに第３表に示す熱処理を施こした。

上記各供試材の疲労亀裂伝播特性を第４図に示す。

縦軸は亀裂伝播速度（ａｍ／ ｃｙｃ Ｉｅ ）、横軸
は応力拡大係数範囲（ｋｇ・ｍ７１２−３／２）を表わ
す。

図より、本発明に係るロール材（痛■〜■）は、いづれ
の比較材（ＡＩ、ＩＩ、１１１）よりもすぐれた疲労亀
裂伝播特性を備えることが認められる。

第５図は、前記第４図に示した疲労亀裂伝播特性にもと
づいて、実際のロール（ロール径：１２００ｒＩＬｍφ
、ワークロール径：６００ｍ１φ、接触応カニ １４０
ｋｇ／ｒＩｔｍ、 １回の組込みにおけるロール転動
数： １．４Ｘ １０６回）において、深さ０．２朋の
微少亀裂が２．０ｍｍ深さの割れに成長するまでのロー
ル転勤回数を示したグラフである。

図より、比較材（ＡＩ 、 ＩＩ、及び■）の転勤回数
が約４×１０５もしくはそれ以下であるのに対し、本発
明ロール材（／／６．ｌＶ〜Ｖ）のそれは約１．８ＸＩ
Ｏ６ないし１×１０７にも及ぶ耐スポーリング性を備え
、その寿命は前者の約５〜２５倍に達することが認めら
れる。

以上のように、本発明は、疲労亀裂伝播特性を高めるこ
とにより耐スポーリング性を改善し、併せて高度の硬さ
を付与してバックアップロール材としての特性を高め、
従来材に比し飛躍的にすぐれた耐久性を保証するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図及び第４図は疲労亀裂伝播特性を示すグ
ラフ、第２図は下限応力拡大係数とＭ。 添加量の関係を示すグラフ、第５図はロール転勤数と亀
裂深さの関係を示すグラフである。 第６図はＣ量と摩耗量との関係を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ Ｃ０，６係を越え０．９５％以下、ＳｉＯ，１５
   〜１．６係、Ｍｎ ０．１５〜１．６％、ＮｉＯ，９９
   ％以下、Ｃｒ ３．０〜５．０ ％、Ｍｏ０．５〜１．
   ２％、Ｖｏ、２〜０．８％、残部鉄及び不可避的不純物
   から成る耐スポーリング性にすぐれたバックアップロー
   ル材。