JPH06271903A - 高性能熱間圧延用ロール材料 - Google Patents
高性能熱間圧延用ロール材料Info
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- JPH06271903A JPH06271903A JP5616293A JP5616293A JPH06271903A JP H06271903 A JPH06271903 A JP H06271903A JP 5616293 A JP5616293 A JP 5616293A JP 5616293 A JP5616293 A JP 5616293A JP H06271903 A JPH06271903 A JP H06271903A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 鋼材の熱間圧延用ロールとして、優れた耐摩
耗性および耐肌荒れ性を有する材質を提供する。 【構成】 熱間圧延ロールの摩耗および肌荒れの機構か
ら、ロールの特性は金属マトリックス中に含まれる硬質
粒子の寸法と分布に大きく支配されることが明らかにな
った。そこで、硬質粒子を炭化物、窒化物、酸化物もし
くはほう素化物とし、その粒径を０．１μｍ以上、５μ
ｍ以下とし、粒子間距離を粒径の０．３倍以上、２倍以
下とした。このような構成により、本発明材料は従来の
高クロム鋳鉄に比べて２倍以上の耐摩耗性と優れた耐肌
荒れ性を有する。
耗性および耐肌荒れ性を有する材質を提供する。 【構成】 熱間圧延ロールの摩耗および肌荒れの機構か
ら、ロールの特性は金属マトリックス中に含まれる硬質
粒子の寸法と分布に大きく支配されることが明らかにな
った。そこで、硬質粒子を炭化物、窒化物、酸化物もし
くはほう素化物とし、その粒径を０．１μｍ以上、５μ
ｍ以下とし、粒子間距離を粒径の０．３倍以上、２倍以
下とした。このような構成により、本発明材料は従来の
高クロム鋳鉄に比べて２倍以上の耐摩耗性と優れた耐肌
荒れ性を有する。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【表２】
【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。
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。
【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。
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。
【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。
ルである。
Claims (2)
- 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5616293A JPH06271903A (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 高性能熱間圧延用ロール材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5616293A JPH06271903A (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 高性能熱間圧延用ロール材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06271903A true JPH06271903A (ja) | 1994-09-27 |
Family
ID=13019405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5616293A Pending JPH06271903A (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 高性能熱間圧延用ロール材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06271903A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100292061A1 (en) * | 2007-02-20 | 2010-11-18 | Soentgen Thomas | Cylinder and/or roller and a process for the production of a cylinder and/or roller |
| US20130025127A1 (en) * | 2009-07-14 | 2013-01-31 | TDY Industries, LLC | Reinforced roll and method of making same |
| US20160298254A1 (en) * | 2015-04-13 | 2016-10-13 | Materion Corporation | Anodized metal matrix composite |
-
1993
- 1993-03-16 JP JP5616293A patent/JPH06271903A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100292061A1 (en) * | 2007-02-20 | 2010-11-18 | Soentgen Thomas | Cylinder and/or roller and a process for the production of a cylinder and/or roller |
| US20130025127A1 (en) * | 2009-07-14 | 2013-01-31 | TDY Industries, LLC | Reinforced roll and method of making same |
| US9266171B2 (en) | 2009-07-14 | 2016-02-23 | Kennametal Inc. | Grinding roll including wear resistant working surface |
| US20160298254A1 (en) * | 2015-04-13 | 2016-10-13 | Materion Corporation | Anodized metal matrix composite |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20011017 |