高速度鋼 (HSS) ロールは、慎重に設計された超硬システムという基本的な利点により、従来の鋳鉄や高ニッケルクロム ロールよりも優れた性能を発揮します。合金元素 (炭素、バナジウム、タングステン、モリブデン、クロム、場合によってはニオブ) は、硬度を高めるだけではありません。これらは、どの炭化物相が沈殿するか、それらの炭化物がどのように分布するか、そして最終的にはロールがミル上でどのくらいの期間存続するかを決定します。化学反応を正しく行うかどうかで、優れた効果を発揮するロールが得られます。 溝あたりの鋼処理量の 3 ～ 5 倍 そして早期に摩耗するもの。
私たちの ハイスロール(HSS) は、要求の厳しい圧延スケジュールに必要な靭性を維持しながら、炭化物の体積分率を最大化するために、精密に制御された合金組成で設計されています。
HSS ロールの微細構造では、4 つの炭化物相が重労働を担っています。ビッカース スケールで測定された硬度値は、耐摩耗性の明確な優先順位を設定します。
| 超硬タイプ | 一次形成要素 | 硬度（HV） | 主要な役割 |
|---|---|---|---|
| MC | V、Nb (VC、NbC) | ～3000 | 一次耐摩耗性 |
| M7C3 | Cr | ～2500 | 共晶超硬、摩耗靱性 |
| M2C | モ、W | ～2000年 | 共晶炭化物、耐クラック性 |
| M6C | モ、W, Fe | ~1500–1800 | マトリックスの強化 |
MC 炭化物 (主に VC) は最も硬く、摩耗に対する抵抗力が最も優れています。 M7C3 および M2C 共晶炭化物は、十分に分散され、相互接続されていない場合、両方とも亀裂の伝播に抵抗します。適切に設計された HSS 材種の総炭化物体積分率は、通常、約 30% に達します。 15% 従来のロール素材のレベルと比較して、はるかに低いレベルです。
炭素は炭化物形成の基礎です。炭素含有量が高くなると、炭化物の体積分率と焼入れ性が直接的に高まります。 HSS ロールで使用されるレベル (1.50 ～ 2.20%) では、炭素により MC、M2C、および M7C3 相の共沈が可能になります。この範囲を下回ると炭化物密度が不十分となる。それを超えると脆性が急激に増加します。マトリックスの組成と熱処理の応答も炭素に依存しており、最適な硬度は通常、焼き入れ前のオーステナイト中に約 1.0% の炭素が溶解したときに達成されます。
バナジウムは耐摩耗性にとって最も重要な元素です。これは、HSS の他の炭化物相よりも硬い、約 HV 3000 の硬度を持つ MC タイプの炭化物 (主に VC) を形成します。これらの微細な前共晶 MC 粒子は均一に分布しており、連続的なネットワークを形成しないため、許容可能な靭性が維持されます。研究により、主に MC 炭化物を含む試験片は、混合 MC M2C 構造を有する試験片と同等以上の耐摩耗性を示すことが確認されており、バナジウムの最適化が圧延合金設計の中心となります。ロール用途に推奨されるバナジウム含有量は 5 ～ 6% です。
モリブデンは二重の機能を果たします。まず、M2C および M6C 炭化物の形成が促進され、炭化物の総体積分率が増加します。第 2 に、これが重要なことですが、炭化物粒子内のモリブデンの富化により、使用負荷時の亀裂の感受性が低下します。これは、ロール キャンペーンの寿命を直接延長するメカニズムです。 この強化効果は、モリブデンが 4 ～ 8% の範囲に保持されたときに最大になります。 その範囲を超えると、より粗い炭化物の形態が形成される可能性があります。ロール合金の推奨含有量は 3 ～ 4% です。
タングステンは、赤硬度（高い圧延温度での硬度の保持）に寄与し、モリブデンとともに M2C および M6C 炭化物の形成に関与します。タングステンとモリブデンは部分的に互換性があり、モリブデンは重量パーセントの約半分でタングステンの代わりに使用できます。最新の HSS ロール組成では、炭化物の形態制御がより有利であるため、モリブデンが優先されることが多く、タングステンが補完的な添加物として使用されます。
クロムは、焼入れ性、耐酸化性、および焼き戻し応答性を向上させます。これは M7C3 炭化物 (HV ～ 2500) の主な形成物であり、耐摩耗性に大きく寄与し、十分に分散すると亀裂の伝播を妨げます。クロムはまた、熱処理中にオーステナイトを安定化します。ロールの最適な含有量は 5 ～ 7% で、靱性を低下させる大きな相互接続された炭化クロムネットワークのリスクと炭化物の形成のバランスをとります。推奨含有量は5～7%です。
ニオブを添加すると、VC に似た MC タイプの炭化物である NbC が形成されますが、融点の安定性はわずかに高くなります。全体的な炭化物の分布を改善し、バナジウムを部分的に置き換えることができます。 HSS ロールでの使用は大規模ではなく対象を絞ったものですが、炭化物の分散均一性が目に見えて改善されます。
炭化物体積分率 (CVF) は、単純に「多ければ多いほど良い」というものではありません。過度に高い CVF は、特に粗く相互接続された共晶炭化物によって達成される場合、靭性を低下させ、熱サイクル下での剥離を促進します。目標は、制御された CVF を約 標準ハイスグレードで 15% 、微細な個別の MC 粒子と、十分に分散した相互結合していない M2C および M7C3 共晶炭化物で構成されています。
適切な靭性を備えた最大の耐摩耗性を実現するための主要な微細構造目標は次のとおりです。
炭素とクロムの含有量を増やすだけでも CVF は増加しますが、摩耗損失は直線的には改善されません。使用ストレス下では粗大な炭化物に亀裂が生じます。モリブデンの制御された添加により、炭化物の破壊が防止され、炭化物の量が実際の摩耗性能に変換されます。
圧延位置が異なれば、必要な合金バランスも異なります。仕上げスタンドには最高の硬度と耐摩耗性が求められます。荒加工スタンドにはより高い靭性が必要です。以下の表は、標準の HSS および準高速度鋼 (S-HSS) ロールに使用される組成ウィンドウをまとめたものです。
| グレード | C% | Cr% | Mo% | V% | W% | 硬度（HSD） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HSS | 1.50～2.20 | 3.00～8.00 | 2.00～8.00 | 2.00～9.00 | 0～8.00 | 75–95 |
| S-HSS | 0.60～1.20 | 3.00～9.00 | 2.00～5.00 | 0.40～3.00 | 0～3.00 | 75–98 |
HSS グレードには、仕上げ用途での MC カーバイド密度を最大化するために、より多くのバナジウムと炭素が含まれています。 S-HSS グレードはこれらの要素を緩和して、熱間圧延工場でのワークロール用途の熱疲労耐性を優先します。どちらも弊社で入手可能です 鋳鋼ロール 範囲、特定のローリングスケジュールとスタンドポジションに合わせて設計されています。
合金組成と炭化物の体積分率が正しく最適化されている場合、運用結果は測定可能です。ハイスロールが達成する 溝あたりの鋼処理量が 3 ～ 5 倍増加 鋳鉄ロールと比較して、総耐用年数は少なくとも 4 倍長くなります。高硬度の MC カーバイド表面が溝の摩耗に耐え、頻繁に再研磨することなく製品の寸法精度を維持できるため、長期間のキャンペーンでもパスプロファイルが安定しています。相互接続されていない炭化物構造が、転がり接触領域の繰り返し加熱と焼入れ下での亀裂の発生と伝播を制限するため、熱疲労耐性が維持されます。
これらのパフォーマンスの向上は、ロール交換の減少、ダウンタイムの削減、1 トンあたりの圧延コストの削減に直接つながります。これが、正しく指定された HSS ロールが世界中の棒鋼、線材、および形鋼の仕上げスタンドに選ばれる材料であり続ける理由です。
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