冷間圧延ワークロールの性能要件と材料開発動向

冷間圧延鋼板（亜鉛メッキ、スズメッキ、コーティング、エナメル鋼板を含む）は、化学工業、軽工業、自動車、機械、建築、水道・電気、石油、石炭、鉄道などの分野で広く使用されており、国民経済に不可欠で重要な鋼種です。ロールは、冷間圧延板の生産に不可欠で非常に重要な設備部品です。冷間圧延板の需要の増加に伴い、ロール生産会社の数も大幅に増加しました。しかし、ハイエンドの冷間圧延鍛鋼ロールの生産能力は依然として非常に不足しています。輸入設備を使用しているため、一部のハイエンドロールを提供できるロール会社はわずかであり、そのギャップは依然として輸入によってのみ埋めることができます。圧延工場の数値制御、近代化、自動化、継続性が徐々に向上するにつれて、ロールの品質に対する要求はますます高くなっています。

冷間圧延鋼板の主な性能要件 ワークロール 製品

①ロール強度

冷間圧延時の変形抵抗は、熱間圧延時よりもはるかに高く、かみ込みの初期段階では、冷間圧延ワークロールの表面は1×104MPaを超える圧力に耐えるだけでなく、ロールとプレートの界面の摩擦によって生じるせん断応力にも耐える必要があります。過酷な使用要件を満たすために、冷間圧延ワークロールの引張強度σbは約2×103MPaで、内部構造は均一でなければなりません。真空製錬、真空脱ガス、真空注入などの技術の出現は、酸化物の生成を防ぐだけでなく、注入温度と注入速度を制御することで鋼塊内の合金元素の偏析を改善し、組織の緻密さと組成の均一性を向上させます。エレクトロスラグ再溶解技術は、鋼の純度を新しい時代にもたらします。モリブデン、バナジウムなどの合金元素を添加すると、冷間圧延ロール鋼の強度が向上し、冷間圧延ワークロール鋼材のさまざまな特性が向上します。

②ローラーの耐摩耗性

冷間圧延工程における冷間ロールの摩耗には、半径方向のマクロ摩耗と表面粗さの低下という 2 つの主な形態があります。マクロ摩耗の量が冷間ロールの寿命を決定します。ビレットがインゴットからスラブに変わるとき、特に各種の薄板を高速で圧延する場合、冷間圧延工程中の激しい摩耗により、冷間圧延作業ロールの耐用年数が大幅に短縮されます。これは緊急に解決する必要がある大きな問題となっています。多くの文献で、冷間圧延作業ロールの摩耗問題が広範かつ深く議論されています。たとえば、冷間圧延ロール鋼のアルミニウム酸化物による摩耗です。大きな周期的な圧延応力の作用により、冷間圧延ロールのロール表面が変形し、微細な摩耗粒子が生成され、それが酸化されて研磨粒子となり、冷間圧延作業ロールの摩耗を直接引き起こします。冷間圧延ワークロールがホットゾーンで冷間圧延される過程で、ロール表面はすぐに酸化により酸化物を生成し、その後酸化物がロールを摩耗させます。冷間ロールを高速で圧延すると、ビレットが食い込むにつれて表面粗さが徐々に増加します。したがって、ロール表面を再生できるかどうかが、冷間圧延ワークロールのその後の圧延寿命を決定します。

まとめると、冷間ロールの耐摩耗性を向上させる対策は次のようになります。

（１）冷間ロールの寿命を延ばすためにクロム含有量を増やす。

（２）表面処理技術を用いて転がり寿命を向上させる。

（３）高速度鋼冷間ロール

（４）Tiを添加すると耐摩耗性が向上する。

（５）金属スプレー成形技術を採用し、耐摩耗性を向上させる。

③ロールの耐事故性能

耐事故性とは、熱割れ、剥離、熱衝撃に対する耐性を指します。 冷間圧延ロール 使用中。現代の圧延機は高速・高圧化が進むにつれて、冷間圧延機の圧延工程中に鋼材の詰まり、重なり、滑りなどの事故が発生すると、冷間ロールの表面の摩擦が増加し、瞬間的な温度上昇を引き起こします。鋼材の固着は、温度が1000℃に達すると発生します。一般に、冷間ロールの局所的な表面温度の上昇は、局所的な過熱と組織特性の変化を引き起こします。冷間圧延ワークロールの表面の亀裂は、主に圧延工程中の局所的な過熱によって引き起こされる熱応力と構造応力の組み合わせによって引き起こされます。前回の圧延工程中に冷間圧延ワークロールに発生した亀裂は、適時に研磨して完全に除去する必要があります。そうしないと、次の圧延工程で大きく深い剥離が発生し、冷間圧延ワークロールが早期に故障します。この微小亀裂の拡大という形の剥離は、使用中の冷間圧延ワークロールの早期故障の主な原因です。

④硬化層の深さ

冷間ロールの硬化層の深さを増やすことで、ロールの実際の直径を大きくすることができ、冷間圧延作業ロールの耐用年数を効果的に延ばすことができます。再焼入れ回数が減るため、冷間ロールの使用コストを効果的に削減できます。冷間圧延ロール鋼のクロム含有量が2%から3%に増加すると、冷間圧延作業ロールの硬化層の深さも10mmから15mmに増加します。冷間圧延作業ロールの硬度を向上させるために、従来のクロムベースの鍛鋼冷間圧延作業ロール鋼に適切な量のニッケル元素を添加することができます。冷間圧延ロールの硬度を高めると同時に、硬化層の深さも7〜8mm増加させることができます。1980年代半ばまでに、液体窒素極低温処理と二重周波数誘導加熱技術が広く使用され、合金元素クロムの含有量は3%から5%に増加しました。硬化層の深さが50mmを超えるだけでなく、冷間圧延ロールの初期表面硬度値も100（HSD）にまで高くなります。

材料開発の動向 冷間圧延作業ロール

①高クロム冷間ロール

Cr元素の含有量を増やすことで、冷間圧延ワークロール材の焼入れ性を向上させることができます。三菱製鋼は、新型の高クロム鍛鋼冷間ロール材を開発しました。試験結果によると、Cr含有量が10%の冷間ロールの耐摩耗性は、Cr含有量が3%の冷間ロールの2倍です。Cr元素の含有量をさらに増やして18%にすると、冷間圧延ロールの耐摩耗性も向上します。炭素とクロムのバランスを調整することで、より低い焼入れ温度でより高い硬度を得られるだけでなく、ロール材の破損感受性も低下し、ロール破損事故の発生を減らすことができます。冷間圧延ロールは、ロール破損に対する耐性が強く、粗さの保持が良好で、大きな圧延力や高い製品精度要求などの厳しい作業条件下での圧延に適応できます。

②高合金化改良冷間圧延ロール

新型冷間圧延ワークロールの機械的性質と性能を向上させるために、5% Cr冷間圧延ワークロール材料をベースに改良を加え、Mo、Vなどの元素の含有率を変えたり、Ti、Nbなどの強力な炭化物形成元素を適量添加したりすることで、Cr5シリーズロール用の新材料を形成できます。新型Cr5シリーズ材料冷間ロールの耐摩耗性と熱衝撃強度は大幅に向上します。

窒素はロールの機械的性質を強化することができます。鋼中のクロム、バナジウム、チタン、ニオブなどの合金元素との親和性が強く、鋼中にさまざまな形で存在する安定した窒化物を生成することができます。窒化物は、微細で分散した第2相を形成しやすく、オーステナイト粒の成長を抑制し、結晶粒を微細化する効果が大きく、ロール材料の強度、硬度などの機械的性質を大幅に向上させます。したがって、冷間圧延ロール材料中の窒素含有量を制御することで、冷間圧延ワークロールの全体的な性能を向上させることができ、ロール材料の開発にも重要な方向性を提供します。

③ 鍛造セミハイス冷間ロール

実際の使用中 冷間圧延作業ロール、鋼材詰まり、鋼材固着、ベルト破損などの生産事故が発生する可能性があります。 Cr3およびCr5シリーズの材料で作られた冷間圧延ワークロール本体の局所的な構造と硬度が変化し、ロール表面に局所的なマイクロクラックまたは大規模な剥離を引き起こし、冷間圧延ロールの耐事故性が低下します。 鍛造セミハイス鋼冷間圧延ロールの材料は、5% Cr冷間圧延ワークロールの材料に基づいて開発されています。 強力な炭化物形成元素Cr、Mo、Vを大量に添加するため、焼入れ後に得られる炭化物の種類は主にM7C3タイプです。 (HV2500)およびMCタイプ(HV3000)の炭化物が主に使用されます。 高硬度炭化物の存在により、鍛造セミハイス鋼ロールは優れた耐摩耗性と高い耐事故性を備えています。

④高速度鋼冷間ロール

ハイスロールは1988年に日本で初めて実用化され、その後、米国でも1990年代初頭に採用され始めました。日本や米国と比較すると、欧州でのハイスロールの実用化は遅れて始まりましたが、急速に発展しました。現在、わが国の大規模なハイスロール製造はまだ初期段階にあり、主要な技術はまだ突破されていません。ハイスロールは、宝鋼を筆頭とするいくつかの大手鉄鋼会社でのみ使用されています。ハイスロールの製造および使用技術の研究を行うことは、新しいハイスロールの推進と応用の基礎を築くことができるため、非常に重要な実用的価値を持っています。

現在、ハイス冷間ロールは、米国のインランドスチール社、カナダのドファスコ社、スウェーデンのアーカーズ社、日本製鉄など数十社の鉄鋼会社で使用されており、使用実績は良好です。ハイスロールの材質には、炭化物形成元素が多く含まれています。炭化物の種類は主にMC型とM2C型で、冷間圧延ロールの強度、表面粗さ、耐摩耗性が大幅に向上します。そのため、ハイスロールを使用すると、ロールの消費量が大幅に削減され、ロール交換回数が減り、圧延コストの削減と板品質の向上に役立ちます。ハイス冷間圧延ロールは炭素と合金の含有量が多いため、製造プロセスがより複雑です。現在、信頼できる製錬、鍛造、熱処理方法がなく、加工技術が劣っており、歩留まりも低くなっています。これも将来解決する必要がある重要な技術です。