本发明涉及在热轧钢板的辊轧设备中使用的助卷辊、夹紧辊、活套辊、搬送用台辊等热辊轧(热轧)加工用辊及其制造方法。
背景技术：
：多数情况下，在热轧钢板的辊轧设备中使用的热轧加工用辊在高温的腐蚀环境下一边承受较高的机械负荷一边进行使用。这是因为，与高温的钢板发生接触或者碰撞的同时又与冷却水和水蒸气接触。因此，要求耐腐蚀性、耐烧结性、耐磨损性、耐热冲击性、耐碰撞瑕疵性等各种耐久性能。从这样的观点出发，先前以来，作为助卷辊等热轧加工用辊，使用至少在主体部的外周(表层部分)具有包含数％～10％左右的cr的不锈钢的辊。原因在于，含有较多cr的钢材的硬度高，同时，耐腐蚀性/耐氧化性优异。即使在下述的专利文献1、2的示例中，也使用在主体部的外周具有这种材质的覆盖层(外层材料)的辊。此外，在下述专利文献1、2的示例中，通过连续浇铸铸造法(cpc加工)形成该覆盖层。在连续浇铸铸造法中，如图3所示的方法为，向中空的组合模具21的内部，同心笔直地插入以钢为素材的实心或者中空的芯材23，并向该芯材23的外侧的环状空隙部注入熔融金属22，同时，使芯材23连续地下降，由此，使上述熔融金属熔敷于芯材23的外周并凝固，从而形成覆盖层24。与通过焊接固化覆盖法或者热喷涂法形成覆盖层的情况不同，根据该方法，具有通过一次铸造便能够高效率地形成成分和组织均匀的覆盖层等优点。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平9-70655号公报专利文献2：日本特开平10-7212552号公报技术实现要素：(发明要解决的技术问题)在近年的炼铁厂中，随着辊轧材质的多样化和辊轧的高速化，热轧加工用辊的使用条件变得苛刻化，另一方面，强烈寻求减少辊更换等的频率从而削减制造成本。对于辊轧制品的表面品质的要求也很高，因此，也需要提高辊的表面性状的维持特性。鉴于这样的状况，对于热轧加工用辊，要求前所未有的耐久性能。基于近年的炼铁厂的如上所述的要求，本发明提供一种与现有技术相比耐久性能更加优异的热轧加工用辊及其制造方法。(解决技术问题的技术手段)本发明的第一热轧加工用辊的特征在于，在外周部具有厚度5mm以上的覆盖层，所述覆盖层含有按照质量比计算的0.5～0.7％的c、2.8～4.0％的si、0.9～1.1％的cu、0.5～2.0％的mn、2.7～3.3％的ni、13.5～14.5％的cr、0.8～1.1％的mo、0.9～1.1％的co、0.2～0.4％的nb，剩余部分由fe以及不可避免的杂质构成。在这样的辊中，外周部的覆盖层富有拉伸强度和耐力、伸展性、拉深性(絞り)、硬度(特别是高温下的硬度)等机械强度，除此之外，耐磨损性、耐烧结性、耐热冲击性、耐高温氧化特性等也优异。因此，适合于助卷辊、夹紧辊、活套辊、搬送用台辊等用于热轧钢板的辊轧设备的热轧加工用辊，发挥较高的耐久性能。而且，由于覆盖层的厚度为5mm以上的厚度，因此，在产生磨损的情况下、或者在使用中产生表面损伤等的情况下，通过对外周面进行再研削加工能够再次使用，因此，能够使用相当长时间。另外，如果覆盖层具有该程度以上的厚度的话，则即使在承受较高的热冲击或者物理负荷的情况下，也难以产生剥离或者裂纹。另外，本发明的第二热轧加工用辊也可以在外周部具有厚度5mm以上的覆盖层，所述覆盖层含有按照质量比计算的0.7～0.9％的c、3.0～4.2％的si、0.9～1.1％的cu、1.4～1.6％的mn、2.7～3.3％的ni、13.5～14.5％的cr、1.8～4％的mo、0.9～1.1％的co、0.9～1.1％的nb，剩余部分由fe以及不可避免的杂质构成。与现有的覆盖层相比较，其特征在于使cr增加至13.5～14.5％的量，同时，新添加了1％左右的cu以及co，并且，在这一点上与前述的情况(第一热轧加工用辊)共通。在这样的辊中，与前述的辊同样，外周部的覆盖层富有拉伸强度和耐力、伸展性、拉深性、硬度(特别是高温下的硬度)等机械强度，除此之外，耐磨损性、耐烧结性、耐热冲击性、耐高温氧化特性等优异，因此，当作为助卷辊、夹紧辊、活套辊、搬送用台辊等热轧钢板的辊轧设备中的热轧加工用辊使用时，发挥较高的耐久性能。与前述的情况相比较，含有稍多的c和si，除此之外，mo和nb的含量也多，因此，高温特性更强(在高温下难以软化)，因此，特别适合作为钢板发生碰撞而容易产生碰撞瑕疵的夹紧辊等使用。在该辊中具有如下优点：由于外周部的覆盖层的厚度为5mm以上的厚度，因此，通过反复进行外周面的再加工，能够使用相当长时间等。关于所述覆盖层，特别优选的是500℃的高温硬度为hs50以上。就热轧加工用辊中的外周部的覆盖层而言，通常来说，表面越硬，耐久性方面越有利。由于接触辊轧钢板从而表面变成500℃左右，因此，特别优选的是该程度的高温度中的表面硬度较高。在具有前述化学成分的辊中，当使500℃的表面硬度为hs50以上时，这种温度下的耐磨损性和耐烧结性变得特别高，作为热轧加工用辊而发挥优异的耐久性能。对于上述覆盖层，sus(不锈钢)辊轧时的耐烧结性(发生临界滑动率(発生限界滑り率)、烧结宽度0.5mm以上)为60％以上，在四十八小时的耐腐蚀性试验(jisz2371)中，耐腐蚀性(腐蚀减量)为0.0065mg/mm2以下，此时热轧加工用辊的耐久性能更加优选。对于上述的热轧加工用辊，优选为如下构成：碳素钢制的套筒在外周部具有上述的覆盖层，通过将该套筒嵌套于辊轴的外侧而形成主体部。图1中示出这样的辊的一例。图中的符号3为套筒，在外周部具有覆盖层4，该套筒3嵌套在辊轴2上，从而形成与热轧钢板接触的主体部5。作为发明的热轧加工用辊，能够采用如下构成：辊轴本身一体地具有主体部，并在其外周部设置有覆盖层。但是，如上所述，如果将套筒嵌套于辊轴而形成主体部，在该套筒的外周部形成覆盖层的话，则通过更换套筒，能够相当长时间使用相同的辊轴。例如，通过对应于覆盖层的磨损而反复进行切削加工，即使在该覆盖层变薄的情况下，或者在想要根据辊轧钢板的材质等变更辊(主体部)的表面的材质的情况下等，也无需变更辊轴而仅更换带有覆盖层的套筒便能够使用。如果套筒(覆盖层以外的部分)为碳素钢(低碳素钢即软钢)制的话，则作为套筒整体兼具耐冲击性和硬度，覆盖层难以产生裂纹或者剥离，对于耐久性能方面特别有利。此外，嵌套于辊轴之前的套筒相对于包括辊轴的辊的整体来说尺寸较小并且轻量，容易操作。因此，如果对嵌套于辊轴之前的套筒形成覆盖层并且也进行热处理等的话，则在诸多的工序中能够使作业简单化/高效化，并且也能够实现热轧加工用辊的低成本化以及缩短制造时间。如果外周部的上述覆盖层以形成主体部的实心轴或者套筒为芯材并通过连续浇铸铸造法(cpc加工)形成的话，则更加优选。所谓的连续浇铸铸造法为按照图3的要领向芯材的周围注入熔融金属并使其凝固从而连续地形成覆盖层的所述方法。如前所述，如果利用连续浇铸铸造法的话，则与通过焊接硬化覆盖法或者喷镀法形成覆盖层的情况不同，具有通过一次铸造便能够高效地形成成分和组织均匀且具有足够的厚度的覆盖层这样的优点。另外，也能够使芯材和覆盖层的边界部成为不会发生剥离的坚固的金属结合。而且，与通过离心铸造和一般静置铸造形成任意层的情况不同，能够提高铸造时的冷却速度，除此之外，难以产生偏析或者异常碳化物，因此，通过能够多量添加cr、v、mo等来提高所铸造的层的机械强度和耐腐蚀性等并不难。因此，可以说通过连续浇铸铸造法形成有上述覆盖层的上述辊在关于耐久性能的各种特性方面是相当优选的。发明的热轧加工用辊的制造方法的特征在于，以形成为主体部的实心轴或者套筒为芯材，并在其外周部通过连续浇铸铸造法形成所述覆盖层。如果通过连续浇铸铸造法形成外周部的覆盖层的话，则如上所述，具有如下优点：a)通过一次铸造便能够高效地形成成分和组织均匀且具有足够的厚度(5mm以上)的覆盖层；b)能够形成使芯材和覆盖层之间不会发生剥离的坚固的金属结合；c)由于能够多量添加cr、v、mo等，因此，能够提高覆盖层的机械强度和耐腐蚀性等。因此，根据上述制造方法，能够高效地制造耐久性能优异的热轧加工用辊。特别优选的是，于1000℃对通过如上方法形成有覆盖层的实心轴或者套筒进行七小时的固溶化处理，之后，通过强制风冷进行淬火，进一步，于400～600℃进行七小时的时效处理，不进行连续浇铸铸造后的退火。如果如上所述进行固溶化处理后进行急速冷却并进行时效硬化处理的话，则通过固溶化处理能够使合金元素均匀地固溶化在钢中，而且，通过时效硬化处理能够形成均质且微细的析出化合物。因此，含有上述化学成分的覆盖层的机械强度和耐热性、耐腐蚀性提高，并且具有显著的耐久性能。连续浇铸铸造后的退火通常是为了防止冷却中的变形或者使材质柔软从而改善加工性而进行的。但是，在此次发明的材质的情况下，由于铸造后具有约50％级的奥氏体组织，因此，具有能够柔软且变形少地制造的特征。在铸造后进行退火的情况下，尽管特意利用高速冷却(淬火)将二次枝晶以及晶粒组织微细化，但是通过高温且长时间的退火，导致晶粒的粗大化，同时，使晶界附近的m23c6的cr主成分的二次析出碳化物析出，因此，引起晶界附近的cr浓度的偏析，有损耐腐蚀性。进一步，如果在连续浇铸铸造之后进行退火的话，则为了使m7c3或者m23c6的cr碳化物较多固溶于基体组织而进行的固溶化处理需要高温化以及维持时间的长时间化。因此，优选的是，通过在连续浇铸铸造后省略退火，能够以低温度/短时间的固溶化处理实现均质化，进而能够进一步提高本发明的材质成分所具有的耐腐蚀性。此外，用于精加工的覆盖层表面的机械加工在上述的热处理之后进行。可以对形成有覆盖层的套筒进行上述的固溶化处理、淬火以及时效处理，之后，将其嵌套于辊轴的外侧从而形成主体部。也就是说，通过套筒构成辊的主体部，该套筒在进行覆盖层的形成和之后的热处理的基础上嵌套于辊轴。图1中例示的辊也通过这样的步骤制造。如果通过该方法制造热轧加工用辊的话，则能够在铸造和热处理相关的诸多工序中使作业简略化/高效化，并且能够削减制造成本以及缩短制造时间。嵌套于辊轴之前的套筒相对于包括辊轴的辊的整体来说尺寸较小并且轻量，容易操作。(发明的效果)在发明的热轧加工用辊中，外周部的覆盖层的机械强度和耐腐蚀性、耐磨损性、耐烧结性等高且耐久性能优异，因此，适合于在热轧钢板的辊轧设备中所使用的助卷辊、夹紧辊、芯轴、搬送辊等。由于覆盖层具有相当厚的厚度，因此，能够根据磨损的进行来对外周面进行再加工，从而能够在相当长的时间内继续使用。采用将在外周部具有上述覆盖层的碳素钢制的套筒嵌套于辊轴的外侧来形成主体部的构成、或者利用以形成主体部的实心轴或者套筒为芯材的连续浇铸铸造法形成覆盖层的构成，在制造和使用的容易性以及耐久性能方面也是优选的。在本发明的热轧加工用辊的制造方法中，通过连续浇铸铸造法形成外周部的覆盖层，因此，a)能够高效地形成成分和组织均匀且具有足够的厚度的覆盖层；b)能够使芯材和覆盖层之间的边界部形成为坚固的金属结合；c)能够多量添加合金元素，从而能够提高覆盖层的机械强度和耐腐蚀性等。因此，根据本发明的制造方法，能够容易地制造耐久性能优异的热轧加工用辊。按照上述方法形成覆盖层之后，通过实施适当的热处理，由此能够进一步提高覆盖层的耐久性能。如果由套筒构成辊的主体部，并将完成了覆盖层的形成和热处理的套筒嵌套于辊轴而形成主体部的话，能够使制造过程中的各种作业简略化/高效化。附图说明图1为示出热轧加工用辊1的纵向截面图。特别示出作为辊轧设备的夹紧辊等使用的辊。图2为示出热轧钢板a的辊轧设备中的各种热轧加工用辊的配置的示意图。图3为示出作为热轧加工用辊的制造过程的一部分的连续浇铸铸造法的说明图。图4为针对设置于热轧加工用辊的覆盖层，示出实施例1～4和比较例1的高温硬度的曲线图。符号说明1热轧加工用辊2辊轴3套筒4覆盖层5主体部13夹紧辊15助卷辊。具体实施方式图1中示出作为发明的一例的热轧加工用辊1的结构。在图示的辊1中，通过热装法将中空的套筒3安装于辊轴2的外侧，并且在该套筒3的外周部一体地形成覆盖层4。使具有覆盖层4的套筒3嵌套于辊轴2，由此形成与辊轧钢板接触的部分即主体部5。辊轴2和套筒3的一个端部通过焊接部6被固定。就辊1的主体部5而言，由于在一边与辊轧钢板滑动并碰撞一边与冷却水等接触的高温腐蚀环境下使用，因此，为了提高其外周部的机械强度和耐腐蚀性等，在低碳素钢(例如jis-ss400)制的套筒3的外侧设置有由高合金钢形成的覆盖层4(厚度5mm以上。优选10mm以上的厚度)。图2中示出包括与图1的辊1相同的结构的辊的各种热轧加工用辊12～15的配置图。在热轧钢板a的辊轧设备中，如图所示，仅在精轧机11的下游侧配置有输出台辊(搬送辊)12和夹紧辊13、卷绕用芯轴14以及助卷辊14等多个热轧加工用辊。任何一个辊都可以在高温的腐蚀环境下一边承受较高的机械负荷一边进行使用。图1的辊1虽然被构成为用于作为图2的配置中的夹紧辊13和助卷辊14使用，但也可以作为其他的热轧加工用辊使用。另外，即使形成为任意的热轧加工用辊，辊的结构也不仅限于图1的结构。例如即使为辊不包括套筒，且辊轴一体地具有主体部，并在该主体部上形成覆盖层，也能够作为热轧加工用辊使用。在图1的辊1中，套筒3的外周部的覆盖层4通过图3中示意性示出的连续浇铸铸造法形成。也就是说，向中空的组合模具21的内部，同心笔直地插入上述低碳素钢制的套筒(图1中的符号3)作为芯材23，并向该芯材23的外侧的环状空隙部注入熔融金属22，同时，使芯材23连续地下降。由此，使上述熔融金属熔敷于芯材23(即图1的套筒3)的外周并凝固，从而形成覆盖层24(即图1的覆盖层4)。即使是与图1不同的结构的辊，图2所示的热轧加工用辊12～15等同样也可以通过如图3的连续浇铸铸造法形成。在辊不具有套筒的情况下，能够使辊轴的主体部为实心的芯材23，并且在其外周形成覆盖层24。在中空或者实心的芯材23的外周形成了覆盖层24之后，对覆盖层4等进行适当的热处理，在此基础上对表面等进行机械精加工。如图1的例子所示，在使用中空的套筒3的辊1中，将完成了热处理以及机械精加工的套筒3嵌套于辊轴2。作为图1的覆盖层4所采用的材料，本申请发明人们制成下述的表1中所示的化学成分(任何一种情况下的剩余部分均为fe以及不可避免的杂质)的钢样品，并对这些样品进行了有关耐久性能的各种试验。表1中的比较例1的样品采用以往一直使用的材料作为助卷辊等的覆盖层，而实施例1～4为此次新开发的覆盖层用材料。此外，在各个试验中，对于后述的实机试验，制造并使用了通过图3所示的连续浇铸铸造法形成有覆盖层的辊，而对于实机试验以外，使用由凝固速度与通过连续浇铸铸造法制造的情况类似的试验用磨具模具(内径φ90mm×长度400mm)得到的试验片进行试验。对于制造成的试验片以及实机试验用辊，在于1000℃进行七个小时的固溶化处理之后进行强制风冷，进一步，实施于400～600℃进行七个小时的时效固化处理的热处理，在此基础上进行使用。不进行连续浇铸铸造后的退火。[表1]样品编号csicumnnicrmoconbv实施例10.642.940.961.532.7313.80.81.080.36-实施例20.864.121.021.63.0513.91.980.931.01-实施例30.864.081.041.553.0613.82.820.921.01-实施例40.864.011.011.492.9713.53.540.90.96-比较例10.512.99-0.75.797.261.53--0.23在表1中的实施例1中，对于覆盖层4的化学成分，将下述定为目标值。也就是说，按照质量比，c为0.5～0.7％、si为2.8～4.5％、cu为0.9～1.1％、mn为1.4～1.6％、ni为2.7～3.3％、cr为13.5～14.5％、mo为0.8～1.1％、co为0.9～1.1％、nb为0.2～0.4％(剩余部分为fe以及不可避免的杂质)。由于cr具有提高耐腐蚀性的作用，si具有防止烧结的作用，因此，为了适当地使两者的作用平衡，如上所述设定两者的含量的范围。si由于含有上述范围的量，也具有改善高温氧化性和高温水蒸气下的耐腐蚀性的作用。mo和co为了提高高温特性而含有适量。nb出于抑制cr碳化物向晶界以及晶粒内的析出、防止由于金属cr的减少而导致的耐腐蚀性以及韧性的降低、以及抑制凝固或者固溶化处理时晶粒的成长并且使晶粒微细化的目的而添加适量。另外，由于cu为析出固化型元素，因此，如上所述，通过添加适量的cu从而实现了基体的强度提高。在表1的实施例2～4中，对于覆盖层4的化学成分，将下述定为目标值。也就是说，按照质量比，c为0.7～0.9％、si为3.0～4.2％、cu为0.9～1.1％、mn为1.4～1.6％、ni为2.7～3.3％、cr为13.5～14.5％、mo为1.8～4％、co为0.9～1.1％、nb为0.9～1.1％(剩余部分为fe以及不可避免的杂质)。与实施例1的情况相比，c和mo、nb质量增加。通过质量增加而在上述范围内含有上述成分，强化了覆盖层4的高温特性。对于如上所述制造而成的试验片(实施例1和比较例1的各个覆盖层)进行各种试验，调查有关耐久性能的特性。将其结果示于表2。实施例1的试验片在拉伸强度和耐力、伸展性、拉深性、硬度的任意方面均高于比较例1的试验片，关于高温下的各个特性也是相同的。在实施例1的试验片中，由于线膨胀系数低且耐力强，因此，可以推测在耐热裂性方面实施例1的试验片比较优异。除此之外，有关耐腐蚀性、耐烧结性、高温氧化特性，实施例1的试验片优于比较例1的试验片。[表2]用于了解表2所示的特性的各种试验(中的特殊的情况)按照下述的要领实施。耐腐蚀性：基于jisz2371的盐水喷雾试验方法进行四十八小时的试验，并测定试验前/后的腐蚀减量。耐烧结性：使用(株)フジコー开发的热烧结/磨损试验机，使试验片旋转，并以规定的压力将负荷材料按压于其表面(假设sus的辊轧时，使不锈钢材为负荷材料)，由此调查烧结发生时的滑动率(发生临界滑动率。烧结宽度为0.5mm以上)。耐热冲击性：将已事先确认没有龟裂的试验片在加热至规定的温度的基础上投入水中，并测定裂纹产生时的加热温度。高温氧化特性：将试验片洗净并使其干燥之后，放入大气中的电炉内于900℃状态下保持二十四小时，然后进行冷却，并测定包括水锈的质量在内的试验片的氧化增加量。另外，对于具有实施例1的覆盖层的辊和具有比较例1的覆盖层的辊进行实机试验。也就是说，将上述的各个辊作为实际的热轧工厂的助卷辊使用规定时间(大约一百天)。在该工厂的助卷辊中，由于在超过700℃的温度下缠绕不锈钢板等，因此，施加于辊的外周部的负荷较高。上述实机试验的结果是，实施例1的覆盖层的外径由于磨损等减少的量(每单位时间的减少量)为比较例1的覆盖层同样地减少的量的3.5分之一。而且，在上述试验期间的结束时间点，观察到在比较例1的覆盖层的表面存在红锈，而在实施例1的覆盖层4上未观察到，整个表面一直维持试验开始前的光泽。本申请发明人们进一步测定了包括实施例2～4的试验片在内的自室温至700℃的高温硬度。其结果示于图4。实施例1～4的试验片在300℃/500℃(及其附近)的硬度均大幅度地超过比较例1的试验片。这被认为是实施例1～4中具有高温强度维持特性的特殊添加元素的影响。可推测高温区域的硬度较高这种现象对以实机使用环境下的辊的磨损特性为首的耐损伤性和耐烧结性等产生有利的作用。当前第1页12