バックアップロール鋼塊の鍛造割れ低減対策

要約：バックアップロール鋼塊に発生する深刻な鍛造割れの問題を考慮して、鋼塊の表面品質に影響を与える要因と鍛造割れの原因を、組成、製錬、鋳塊鋳造、脱型、熱間供給、加熱、鍛造の観点から分析しました。また、鋼塊の鍛造割れを減らす対策も提案しました。

キーワード: バックアップロール 鋼塊; 鍛造割れ; 応力

鍛造工程では バックアップロール 鋼塊の場合、鋼塊本体の表面に目に見える亀裂が常に技術者を悩ませる問題となっています。亀裂欠陥が軽微な場合は、酸素吹き付けや火炎剥離によって救うことができます。亀裂欠陥が重度の場合は、直接廃棄され、重大な経済的損失を引き起こします。この記事では、バックアップロール鋼塊の表面亀裂につながる要因を理論的な観点から予備分析し、効果的な制御方法を探ります。

クラックの概要

バックアップローラー鋼塊は、据え込み時に滑らかな亀裂が発生することが多く、KD時に横方向の亀裂が発生し、ニップが押されたときにも亀裂が発生します。大型鋼塊の面取り工程がキャンセルされているため、据え込み前に鋼塊本体はまだ鍛造されていません。亀裂が鋼塊自体に原因があるのか、鍛造や加熱によって発生したのかを判断するために、脱型、熱間輸送、鍛造までの全工程で鋼塊の表面品質を注意深く検査しました。一部の鋼塊は、脱型後に表面に微細な横方向の亀裂や滑らかな亀裂が発生していることがわかりました。加熱炉に入る前には表面亀裂がなかった鋼塊は、ニップが押されたときに鋼塊本体の表面に細い直線や細い水平亀裂が発生しました。鋼塊の鍛造工程で発生した亀裂の一部は、鋼塊自体に存在していて、発見されていないと判断できます。面取りがないため、プレスニップ口に存在する亀裂のほとんどは酸化スケールの下に隠れていますが、同時に、いくつかの亀裂は細く短いため、確認が困難です。

割れの形状や発生時期が異なり、原因も異なることは確かです。鋼塊の表面品質に影響を与える要因と鍛造割れの原因を、成分、製錬、鋳塊鋳造、脱型、熱間供給、加熱、鍛造から一つ一つ分析し、鋼塊の鍛造割れを低減する対策を提案します。

製造プロセス分析

化学組成

量産条件では、YB-65、YB-70、YB-75製のバックアップロール鋼塊に亀裂が集中しています。YB-75の亀裂発生率が最も高く、YB-65がそれに続きます。YB-70とYB-75はCr5製、YB-65はCr4製で、YB-65とYB-75の炭素含有量は0.45%〜0.55%、YB-70の炭素含有量は0.48%〜0.58%です。これら3つの材料は、中炭素鋼に合金元素を加えたものと見なすことができます。炭素含有量が0.4%〜0.6%の中炭素鋼材料の鋳放し組織の耐熱割れ性は比較的低いです。この範囲で同じ炭素含有量を持つ42CrMoや45などの材料の中炭素鋼インゴットも、鍛造中に深刻な亀裂が発生しますが、生産バッチが少なく、注目されていません。実際の成分統計によると、YB-70の炭素含有量はYB-65やYB-75よりも高く、YB-65のMn含有量はYB-75よりも高くなっています。これは、CおよびMn元素がこれら3つのバックアップローラー材料の高温割れ抵抗に影響を与え、鋼塊の亀裂の形成に一定の影響を与えることを示しています。したがって、成分規格範囲が変更されないという前提で、計算材料科学の方法を使用して合金組成を設計および調整すると、バックアップローラー鋼塊の亀裂傾向を軽減するのに役立ちます。また、Cu、Pb、Sn、Asなどの元素とその化合物が粒界に濃縮され、粒界強度が低下します。これも亀裂を誘発する原因の1つです。原材料やスクラップ鋼に持ち込まれる上記元素の含有量は厳密に管理する必要があります。

製錬とインゴット鋳造

製錬

鋼中の水素、酸素、窒素、リン、硫黄、非金属介在物の含有量が多いと、鋼の強度と可塑性がさまざまな程度に低下します。そのため、鉱石、蛍石、フェロアロイはよく焼き、フェロシリコン粉、アルミニウム粉、ケイ酸カルシウム粉、電極粉、炭素粉は乾燥させる必要があり、雨期には厳しい要件が必要です。特に、石灰は十分に燃焼する必要があり、輸送中や保管中に湿気を防ぐように注意し、窯から出る時間が24時間以内になるようにする必要があります。脱炭が40%以上になるように酸化操作を強化して、脱炭強度を確保し、介在物の浮上と除去に役立つ良好な溶融池を形成します。また、アルミニウムの添加量を厳密に制御し、窒素含有量を可能な限り減らす必要があります。アルミニウムが多すぎると、鍛造中にAlN析出面に割れが発生します。

インゴット鋳造

（１）注入温度

データ統計により、鋳込み速度が一定で鋳込み温度が高すぎると、鋼塊に割れが生じやすいことがわかった。これは、鋼塊鋳型の冷却能力が変わらないという前提で、鋳込み温度の上昇により鋼塊のチル層が薄くなるためである。溶湯の静圧の作用により、割れや溶鋼中の介在物の流出などの問題が発生する。同時に、鋳込み温度が高すぎると、鋼塊が鋼塊鋳型に溶着しやすく、脱型が困難になり、鋼塊に割れが生じやすくなる。第二に、鋳込み温度が高いと、凝固前面の温度勾配が大きいため、固液二相域が狭く、二相域の一次デンドライトが短く、一次デンドライト間の間隔も狭くなる。そのため、鋼塊全体の内側収縮による側面の線状収縮が大きく、縦方向の収縮が阻害されると横方向の亀裂が生じやすくなります。横方向の収縮が阻害されると、平滑な亀裂が発生する傾向が大きくなり、また、鋳込み温度が高すぎると耐火物の侵食が激しくなり、鋼中の介在物が増加します。

（２）注入速度

キルド鋼は一般に表面割れに非常に敏感であるため、ゆっくりと適切に注湯する必要がありますが、非金属介在物の浮上を確保する必要があります。注湯速度は、注湯温度に応じて調整する必要があります。注湯温度が高い場合は、ゆっくりと注湯します。逆に、注湯温度が低い場合は、迅速に注湯する必要があります。これは、ゆっくりと注湯することは溶鋼の温度を下げることに相当し、速く注湯することは鋳型内の溶鋼の温度を上げることに相当するためです。射出速度を指定範囲内に制御するには、ノズルが膨張しないようにする必要があります。割れに敏感なサポートローラーで作られた鋼塊は、鋼塊の冷却層を厚くし、鋼塊の対流循環を弱め、溶鋼の静圧を遅くし、高温割れの発生を防ぐために、均一にゆっくりと注湯する必要があります。

（３）ゲートシステム

溶鋼が耐火物などの非金属介在物に巻き込まれないように、注湯システム全体を清潔に保ち、焼成を強化する必要があります。鋼塊の表面と表面下に非金属介在物が集中すると、鋼塊に亀裂が生じる危険性が最大になります。

インゴット全体に対して以下の対策を講じることができます。

1) 取鍋の製造には、耐スラグ性に優れた耐火材料を使用します。

2) 鋼塊鋳型を真空チャンバー内に降ろした後、鋼塊の偏心注入によってチル層が局所的に薄くなるのを防ぐため、中心位置が揃っていることを確認します。

3) 射出温度と射出速度を厳密に制御し、高温での低速射出と低温での高速射出を実現し、溶鋼の安定した上昇を維持します。

4) 夏季には、鋳込み前の鋼塊鋳型の温度が高くなりすぎないようにするとともに、鋼塊鋳型内の温度の不均一性によって鋼塊の焼入れ層の厚さに過度な差が生じないようにします。

5) 断熱キャップと鋼塊鋳型の間にアスベストロープを置き、鋼が隙間に入り込んで垂れ下がり、縦方向の収縮を妨げるのを防ぎます。鋳塊重量の引張力の作用により、鋼塊本体のライザー端がチル層の弱い部分を引っ張って割れ、横方向の割れが発生します。

6) 鋼塊鋳型の底面の研磨に注意し、鋼塊のノズルでの酸素燃焼を避け、鋳型とシャーシの接続が緩いために鋼塊本体のノズル端に横方向の亀裂が生じたり、溶融鋼が浸透してフラッシュを形成し、鋼塊の縦方向の凝縮収縮が妨げられるのを防ぎます。

7) 鋼塊鋳型の内壁の研削を強化する。粗すぎて亀裂や穴がひどいと、鋼塊の収縮を妨げ、亀裂の原因になります。

鋼塊の冷却と脱型

鋼塊が冷却されると、内層と外層は同時に凝固しません。外層が殻状に凝固すると、内部の凝固していない溶鋼が外層の鋼殻に静圧をかけ、殻を引き裂こうとします。同時に、鋼塊の凝固プロセスでは、表面層の温度が内部よりも速く低下するため、内層と外層の間に大きな温度差が生じます。この差により、鋼塊の内層と外層の体積収縮が不一致になります。最初に収縮する表面層の部分は、収縮していない内層の部分に妨げられ、熱応力が発生します。また、鋼が650°Cに冷却されると、構造変化が発生し、急激な体積膨張を伴います。内外の温度差があるため、この体積膨張は必然的に同時に発生しません。例えば、通常の冷却過程では表面組織が変形して体積が収縮しますが、内部組織が変形して体積が膨張します。膨張した内層は必然的に表面層に明らかな引張応力を与えます。これら 3 つの応力の合計が粒界強度を超えると、鋼塊に亀裂が発生します。亀裂は鋼塊の皮膜の下に現れることが多く、鍛造中に表面亀裂に拡大します。したがって、鋼塊の早期離型を避け、鋼塊が冷却して温度が下がるときに体積収縮によって生じる熱応力と、徐冷による構造変形によって生じる構造応力を排除する必要があります。取ることができる対策は次のとおりです。

（１）相変化後に鋼塊を型から取り出すことができるように、適切な型から取り出す時間を指定する必要があります。

（２）型から取り出した後は雨や湿気にさらさないようにしてください。

鋼塊の熱間搬送と加熱

実際の生産では、大型鋼塊を炉に熱間輸送する場合、鋼塊の表面温度（鋳塊本体のライザー端からの距離の3分の1）は650℃を超えることは難しく、鋼塊の表層は基本的に識別できます。特に、鋼塊のノズル端では構造変態が発生しています。加熱中、表面の亀裂はオーステナイト粒界の深さに限定され、介在物が濃縮されている粒界に沿って内部に深く浸透することはありません。表面温度が550℃を超える鋼塊は、高温炉で直接加熱できます。加熱の初期段階では、炉内の輻射と対流の伝熱が特に強く、鋼塊の表面温度が急速に上昇します。後期には、鋼塊の表面温度が上昇するにつれて、輻射と対流の伝熱が減少し、鋼塊の表面温度の上昇率が遅くなります。熱間供給鋼塊のノズル端はライザー端より100〜150℃低く、ノズル端の直径が小さいため、ノズル端は最も速く加熱され、温度差による最大の熱応力に耐えます。鋼塊が約750℃に加熱されると、相変態が起こり、構造応力が発生します。同時に、鋼塊の可塑性は550〜750℃で低くなります。加熱速度が速すぎると、巨大な熱応力と構造応力が重なり、鋼塊の表面に滑らかな亀裂が発生します。鋼塊が750〜1200℃に加熱されると、金属の可塑性が急激に増加し、構造応力と熱応力が消えます。取ることができる対策は次のとおりです。

（１）遅延を回避するための鋼塊の熱間搬送および炉への積込み。

（２）鋼塊の表面を750℃まで加熱する場合、過度の応力を避けるために、その速度はできるだけ遅くする必要がある。

（３）熱間輸送された鋼塊は相変態後に加熱され、再結晶柱状結晶を改善することで介在物や微細ひけ巣の危険性を低減する。

（４）鋼塊の析出相を完全に溶解し、ミクロ偏析を改善し、組織を均質化し、鋳塊の塑性組織を改善するために、据え込み炉の加熱温度を1270℃まで上げる。ただし、過燃焼を避け、高温に長時間留まらないように、最高加熱温度（炉温）が1270℃を超えないように制御する必要がある。

鍛造

割れやすい材質のバックアップローラー鋼塊の場合、プレスニップで面取りを復元する必要があります。溶接により表面がわずかに変形するため、鋼塊の表面に皮下の微小亀裂などの欠陥が発生する可能性がありますが、同時に表面金属が鋳造状態から鍛造状態に変わり、高温塑性が大幅に向上するため、鋼塊の表面は据え込み時に亀裂を生じません。面取りにより、鋼塊本体から酸化鉄スケールを除去し、酸化鉄スケールの下に隠れた亀裂をできるだけ早く検出することもできます。表面に長さが100 mmを超える滑らかな亀裂がある場合は、据え込みプロセス中に亀裂が拡大して深くなるのを防ぐために、酸素を吹き付けて1つずつ取り除く必要があります。

据え込み工程では、鋼塊の縁の間の凹面に亀裂がよく発生します。亀裂の伸展方向は直線または約 45° の斜め、あるいはその両方の組み合わせです。これは、鋼塊を注入した後、鋼塊の縁の放熱条件が良く、冷却が速いためです。チル層は縁の間の凹面よりも厚く、「補強リブ」として機能します。一部の鋼塊の据え込み工程では、ドラム形状が明らかになる前に亀裂が発生しています。亀裂は、主にインゴット本体のノズル端にあり、次にインゴット本体の中央部分 (ドラム形状の最大直径) にあり、インゴット本体のライザー端に亀裂が発生することはほとんどありません。

鋼塊のノズル端面と据込みカバープレート（またはアンビル）間の据込み時の摩擦の影響と鋼塊の断面半径の違いにより、据込み時に鋼塊が不均一に変形し、鋼塊の軸方向に大きな圧縮応力が発生します。鋼塊の側面の周辺変形帯の不均一な変形により、フープ（接線）引張応力が発生します。応力は結晶化方向と垂直に作用し、表面に近づくほど大きくなります。同時に、半径方向の圧縮応力は弱まり、表面に近づくほど小さくなります。据込み変形は金属の等強度温度以上で行われ、粒界変形が大きくなります。同時に、鋼塊の柱状結晶がよく発達しているため、多くの冶金欠陥、非金属介在物、微細な収縮孔が粒界に蓄積することが多く、柱状結晶界を分離し、粒子間の結合力を大幅に低下させます。マクロ的な現れは、柱状結晶領域の塑性が低いことです。引張応力が十分に大きい場合、柱状粒界介在物は粒界割れを引き起こし、微小亀裂を形成し、それが拡大してつながり、表面に対して垂直な大きな亀裂を形成します。据え込み変形速度が遅い場合、亀裂は柱状領域でのみ拡大でき、表面の高塑性領域まで伸びることはできません。据え込み中、軸に対して45°の方向に最大せん断応力がかかるため、鋼塊表面の介在物が多い低塑性領域では、角度45°の斜め亀裂が発生しやすくなります。また、鋼塊自体に存在する応力亀裂も、追加の引張応力の作用により、鋼塊の表面に向かって外側に広がります。圧下量が増加すると、生成されるドラム形状は必然的に徐々に大きくなり、側面の円周方向の引張応力が増加します。ドラムの最大断面の外側に存在する微小欠陥の応力状態が臨界値に達し、微細な亀裂が発生し、継続的な圧縮により側面に縦方向の亀裂が発生します。次の対策を講じることができます。

（１）据え込み加工の目的は、次の伸長・圧縮工程に向けて鍛造比を高めることにあるため、圧縮効果は非常に小さい。鍛造工程を策定する際には、据え込み加工を採用せず、鋼塊長さと鍛造比が３より大きい鋼塊タイプを優先し、例えば１つの鋼塊から２つの部品を製造する工程を策定するのが最善である。

（２）鋼塊は温度が不均一な状態で炉に戻され加熱されるが、各部の温度が不均一であるため、各部の塑性は異なり、変形時の整列効果により局所的な裂け目が発生する。

（３）鍛造工程を設計する際には、据え込み量が材料の塑性度の許容範囲よりも小さくなるように考慮する。

（４）鋼塊は、圧縮成形に必要な圧力を低減するために、材料が許容する最高温度まで加熱される。

（５）据え込み加工の際には、プレス速度をできるだけ遅くし、油圧プレスの最大能力を据え込み加工に使用してはならない。

（６）据え込み加工には凹型据え込みカバーを使用する。凹型据え込みカバープレートの据え込み加工中、端部直径の増加はほぼすべて側部金属の反転によって引き起こされ、ノズル端部の外表面への追加の引張応力は平型据え込みカバープレートのそれよりも小さくなります。

KD引き抜き時に側面に横割れが発生する原因は、送り量と圧下量が大きい場合、軸心部の変形が大きく、側面が軸方向に引張応力を受けるためと考えられます。変形帯の前後はアンビル面と接触していないため、摩擦抵抗の影響は非常に小さく、介在物が比較的集中している低塑性帯であれば、表面横割れが発生しやすいです。主な対策は、圧下量と圧下率を適切に制御し、油圧プレスの最大能力を使って長さを引き抜くことはできません。KD中に、鋼塊の表面自体の塑性が良好であるか、局所的に横割れがある場合でも、局所的な塑性変形により割れを鈍らせ、平坦化することができます。

亀裂先端の先端半径はゼロに近づき、先端応力は無限大に近づくため、その後の鍛造変形プロセス中に亀裂が急速に拡大します。したがって、横亀裂であれ縦亀裂であれ、亀裂が比較的鋭い場合は、鍛造を続ける際に亀裂が発達して鋼塊がひどく裂けて廃棄されることを避けるために、適時に除去する必要があります。

結論

バックアップロール鋼塊の鍛造割れは、ほとんどの場合、複数の要因が組み合わさって発生します。割れの根本的な原因は、割れの発生源の応力が、その場所と作業条件での鋼の強度限界を超えることです。したがって、割れを防止するには、鋼の成分設計と管理から始めて、鋼中の介在物を厳密に管理し、鋳造、鋼塊の冷却と加熱のプロセスを厳密に管理し、合理的な鍛造プロセスを策定するなど、管理を強化する必要があります。