CN1706981A - 盘形辊及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过在表面上形成含有NbC的PTA堆焊层，而使耐磨损性、耐粘结性优良的盘形辊。将盘形辊的圆环部件(30)固定在PTA堆焊装置(10)的圆环固定夹具(11)上。固定后将除实施PTA堆焊的表面以外的圆环部件(30)的表面用保温片(20)包住。固定后使圆环固定夹具(11)转动，在圆环部件(30)的表面上实施PTA堆焊。此时，通过喷嘴16A～16E将圆环部件的温度保持在250℃～350℃。在PTA堆焊后，通过热装将圆环部件(30)安装在轴部件上。
Description
技术领域
本发明涉及盘形辊及其制造方法，更详细地说，涉及用于制造中径无缝管(外径为150mm～450mm的无缝管)的穿孔轧机所使用的盘形辊及其制造方法。
背景技术
通常，中径无缝管通过曼内斯曼(Mannesmann)制管法来制造。如图15和图16所示，在曼内斯曼制管法中，穿孔轧机70在作为被轧制材料4的圆坯的轴心部上开孔，形成中空管坯(中空壳)。中空壳经过延伸轧机处理和形状矫直处理而成为无缝管。
穿孔轧机70具有一对倾斜辊1、一对盘形辊2、以及用于穿孔被轧制材料4的顶头3。一对倾斜辊1以夹住被轧制材料4通过的作业线的中心线(以下称为孔型中心(pass centra)L)的方式相向配置。一对盘形辊2相对于一对倾斜辊1而被配置在以孔型中心L为中心90°的位置上。
被轧制材料4在孔型中心L上输送，被旋转的倾斜辊1咬入。被轧制材料4通过倾斜辊1而一边螺旋旋转一边向X方向挤出。此时，被轧制材料4由顶头3穿孔，被轧制成中空壳。随着穿孔的进行，被轧制材料4(中空壳)的外径增加。
如图17所示，盘形辊2在表面22有曲率。在穿孔轧制中，盘形辊2一边使表面22与被轧制材料4(中空壳)接触一边旋转，抑制被轧制材料4的外径的增加。
如上所述，盘形辊2承受在螺旋旋转的同时外径有增加趋势的被轧制材料4。因此，在表面22上承受有较高的表面压力，产生摩擦。在因摩擦而造成盘形辊2的表面22磨损的情况下，盘形辊2变得不能抑制被轧制材料4的外径的增加。此外，当在表面22上产生偏磨损或者粘结的情况下，在被轧制材料4的表面上产生疵点(缩管缺陷)。因此，盘形辊2的耐磨损对策以及耐粘结对策是很重要的。在下述专利文献1以及2中发表了通过调整轧制方法来抑制盘形辊2的磨损以及粘结的方法。然而，并没有发表提高盘形辊本身的耐磨损性以及耐粘结性的方法。
可是，作为耐磨损、耐粘结的对策，发表了在接触被轧制材料的工具表面上通过等离子体粉末堆焊法(Plasma Transferred Arc：PTA法)形成堆焊层(PTA堆焊层)的技术(参照下述专利文献3以及4)。由于PTA堆焊层是高硬度的，所以耐磨损性优良。此外，通过反复与高温的被轧制材料接触，PTA堆焊层的表面被氧化。该氧化膜具有润滑作用，防止产生粘结。总之，PTA堆焊层在耐粘结性方面也很优秀。其中，具有PTA堆焊层的工具在开始使用时，在PTA堆焊层表面涂敷润滑剂，在形成氧化膜之前，此润滑剂可以防止粘结的发生。润滑剂在与被轧制材料的多次接触中从工具剥离，由于此期间形成了氧化膜，所以在润滑剂剥离后，氧化膜防止产生粘结。
如上所述，PTA堆焊层在耐磨损性以及耐粘结性方面优良。在专利文献4中，通过在PTA堆焊层中含有NbC而使工具的耐磨损性和耐粘结性得到提高。
可是，具有在表面上含有NbC的PTA堆焊层的盘形辊至今也没有制造出来。在用于制造中径管的穿孔轧机中所使用的盘形辊2是大型的，直径为3200mm～3500mm。当在这种大型的盘形辊上实施用PTA法的堆焊(下面称为PTA堆焊)时，在PTA堆焊层中很容易产生热应力，在PTA堆焊层的表面上会产生很多裂纹。当在PTA堆焊层上存在裂纹时，担心因为该裂纹而在被轧制材料的表面上产生疵点。此外，还存在PTA堆焊层以裂纹为起点而剥离的情况。因此，当在盘形辊上形成PTA堆焊层时，有必要使PTA堆焊层的裂纹抑制在能够实用的程度。
此外，一般在PTA堆焊中，由于使焊道相互重叠来形成PTA堆焊层，所以在PTA堆焊层的表面上产生凹凸。凹凸的存在是在被轧制材料的表面上产生疵点的主要原因。这是因为被轧制材料接触焊道的凸部，应力集中在凸部。因此，如下述专利文献3和4所示，一般PTA堆焊层的表面用研磨机等进行研磨来消除凹凸。然而，在大型的盘形辊上，要研磨PTA堆焊层的整个表面需要很长时间，同时，成本也随之而增加。而且，为了研磨表面的PTA堆焊层，至少是被研磨的PTA堆焊层部分的盘形辊的寿命变短。因此，若考虑到制造成本和研磨量引起的寿命问题，优选使用能够不用对PTA堆焊层的表面进行研磨的方法。
专利文献1：特开2002-248506号公报
专利文献2：特开2001-340904号公报
专利文献3：特开平9-85487号公报
专利文献4：特开平6-315704号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过在表面上形成含有NbC的PTA堆焊层而使耐磨损性以及耐粘结性优良的盘形辊。
本发明的另一目的在于提供一种不用对PTA堆焊层的表面进行研磨而能够使用的盘形辊。
本发明人在盘形辊上形成含有NbC的PTA堆焊层，调查了形成后的PTA堆焊层的产生裂纹的原因。其结果，发明人认为PTA堆焊中的盘形辊的温度是产生PTA堆焊层的裂纹的原因。PTA堆焊层是高硬度的，缺乏延展性。因此，当在PTA堆焊中使用常温的盘形辊时，形成的PTA堆焊层不能随因焊接热量造成的盘形辊的热膨胀而膨胀，而产生裂纹。另一方面，当使用在适当温度范围内预热的盘形辊时，可以抑制因焊接热量造成的盘形辊的热膨胀。因此形成的PTA堆焊层难以产生裂纹。
基于以上认识，对在PTA堆焊中的盘形辊的保温温度进行了调查，其结果发现，若将盘形辊的温度保持在250℃～350℃，则在盘形辊上能够形成可实用状态的含有NbC的PTA堆焊层。在250℃以下不能充分抑制因焊接热量而造成的盘形辊的热膨胀。此外，若超过350℃，则接受PTA堆焊的电弧的盘形辊的表面熔融，由于盘形辊熔入PTA堆焊层中而使PTA堆焊层的硬度降低。
此外，本发明人调查了PTA堆焊层表面的凹凸。如图1所示，在本发明中测定了PTA堆焊层相邻焊道的峰顶的差Δh，将Δh作为表示凹凸状态的凹凸值。如图2所示，使用与盘形辊50的表面30C的曲率相同的量规500可以测定凹凸值Δh。
本发明人对凹凸值Δh和被轧制材料产生的疵点的关系进行了调查，其结果发现，若将PTA堆焊层的凹凸值Δh抑制在2mm以内，则可以抑制疵点的产生。认为这是因为通过减少PTA堆焊层表面的凹凸，被轧制材料与PTA堆焊层整体接触，缓解了在表面凸部产生的负荷。
此外还发现，若凹凸值Δh不在0.1mm以上，则不能防止疵点的产生。当使用具有PTA堆焊层的盘形辊时，在使用初期在表面涂敷润滑剂。这是为了在PTA堆焊层上形成氧化膜之前，防止发生粘结。可是，若在PTA堆焊层表面上没有凹凸，则在形成氧化膜之前润滑剂剥离而产生粘结。因此，凹凸值Δh大于或等于0.1mm是必要的。
如上述那样，若使盘形辊的PTA堆焊层表面的凹凸值Δh为0.1～2.0mm，则能够防止在盘形辊使用初期的被轧制材料表面疵点的产生。其中，因为没有必要在PTA堆焊后对PTA堆焊层进行研磨，所以与经研磨的情况相比，提高了盘形辊的寿命。
为了将表面的凹凸值Δh抑制在0.1～2.0mm，本发明人对PTA堆焊的条件进行了研究。在盘形辊上实施PTA堆焊，对形成的焊道的形状进行了调查，其结果，本发明人发现每个焊道形状不同。
如图3所示，若将在具有曲率的表面上形成的焊道BD3和BD4进行对比，则发现角度αBD3＜角度αBD4。这里，如图4所示，角度α是由通过摆动宽度W1的垂直二等分线和盘形辊表面的交点的切线、与水平线所形成的角度。这里，所谓的摆动宽度W1是指形成焊道中的PTA焊枪的移动宽度。详细内容在后面进行叙述。
回到图3，因为焊道BD3的角度αBD3和BD4的角度αBD4不同，所以焊道BD3和焊道BD4成为不同的形状。具体地说，角度α大的BD4的凸部的峰顶偏移至比二等分线L4更靠向波谷侧(BD3侧)。角度α越大，焊道的峰顶相对于二等分线的偏离就越大。因此，发明人认为，若将在PTA堆焊时的角度α控制在规定范围内，则也可以使形成的焊道的形状成为大体相同的形状，可以调整PTA堆焊层表面的凹凸。在以上研究的基础上，导出了(1)式：
W1×tanα≤1.0mm (1)
此外，在PTA堆焊中，使相邻焊道重叠而形成PTA堆焊层。参照图5，PTA焊枪一边移动摆动宽度W1，一边在相对图5的纸面垂直方向移动，形成焊道BD1。在形成焊道BD1以后，PTA焊枪仅平移了焊道平移宽度W2。当平移以后，PTA焊枪以平移后的位置为中心在摆动宽度W1间一边移动一边形成BD2。通过这样形成多个焊道而完成了PTA堆焊层。
为了抑制凹凸值Δh，发明人认为不仅要控制角度α，而且有必要对使焊道BD1和焊道BD2相互重叠的区域SP进行调整。若相互重叠的区域SP小，则区域SP变成凹的形状，若相互重叠的区域SP大，则区域SP变成凸的形状。因此，为了使凹凸值Δh在适当的范围内，有必要使相互重叠的区域SP为适当的尺寸。换句话说，有必要适当规定焊道宽度W1和平移宽度W2的比。
基于上述的研究，导出了(2)式：
0.8≤W2/W1≤1.5 (2)
如上所述，本发明人发现，在PTA堆焊时若满足(1)式和(2)式，则可以使凹凸值Δh为0.1mm～2mm。本发明人基于这些认识而完成以下的本发明。
本发明的盘形辊是表面具有通过等离子体粉末堆焊法而形成的堆焊层的盘形辊，其中，堆焊层含有体积％为30％～60％、颗粒直径在50μm以上的NbC为主的碳化物和Co基合金或者Ni基合金所构成的马特里斯合金。
堆焊层表面的凹凸优选为0.1～2mm。这里，所谓的凹凸是指图1所示的凹凸值Δh。
本发明的盘形辊的制造方法是在表面具有堆焊层的盘形辊的制造方法，其中，包括在250～350℃预热盘形辊的工序、以及一边保持预热的温度一边用等离子体粉末堆焊法在盘形辊表面上形成堆焊层的工序，形成堆焊层的工序以体积％为30％～70％、颗粒直径在50～250μm的以NbC为主的碳化物和Co基合金或者Ni基合金所构成的马特里斯合金粉末为PTA堆焊层的原料。
在形成堆焊层工序种，等离子体粉末堆焊法的摆动宽度W1和焊道平移宽度W2优选满足以下的(1)式和(2)式：
W1×tanα≤1.0mm (1)
0.8≤W2/W1≤1.5 (2)
其中，如图4所示，α是指由通过摆动宽度W1的垂直二等分线和盘形辊表面的交点的切线、与水平线所形成的角度。
附图说明
图1是用于说明表示形成在本发明的盘形辊的表面上的PTA堆焊层的凹凸的凹凸值Δh的定义的简图。
图2是用于测量凹凸值Δh的量规的简图。
图3是用于说明PTA堆焊后的焊道形状的简图。
图4是用于说明作为在本发明的盘形辊上的PTA堆焊条件的角度α定义的简图。
图5是用于说明PTA焊接的简图。
图6是表示本发明实施方式的盘形辊的结构的立体图。
图7是表示用于制造本发明的实施方式的盘形辊的PTA堆焊装置的侧视图。
图8是图7所示PTA堆焊装置的正视图。
图9是表示图8所示PTA堆焊装置中的圆环部件30的周边结构的图示。
图10是表示图8所示PTA堆焊装置的动作的一个例子的图示。
图11是用于说明PTA堆焊中的PTA焊枪的动作的简图。
图12是用于说明图11后的PTA焊枪的动作的简图。
图13是用于说明熔入深度的简图。
图14是用于说明对PTA堆焊后的盘形辊的表面的裂纹的调查方法的简图。
图15是表示从上面看到的现有穿孔轧机的结构简图。
图16是表示从侧面看到的图15所示的穿孔轧机的结构简图。
图17是表示从正面看到的图15所示的穿孔轧机的结构简图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。图中相同或者相当的部分采用同一符号，不对其进行重复说明。
1.化学组成
在通过本发明的实施方式而在盘形辊的表面上形成的PTA堆焊层含有以NbC为主的碳化物和马特里斯合金。
(以NbC为主的碳化物)
NbC在高温下的硬度和耐氧化性比其他碳化物(WC、TiC等)优良。因此，含有以NbC为主的碳化物的PTA堆焊层的耐磨损性和耐粘结性优良。所谓以NbC为主的碳化物例如是含有体积％在50％以上的碳化物。NbC的颗粒直径在50μm以上。其中，这里所说的颗粒直径，是指在测定存在于PTA堆焊层截面的碳化物的长直径和短直径之后，用(长直径+短直径)/2求出的值。长直径以及短直径是使用光学显微镜或者扫描电子显微镜(SEM)来测定的。
若NbC的颗粒直径小于50μm，则不能充分阻碍被轧制材料和PTA堆焊层中的马特里斯合金的接触，不能防止粘结。希望颗粒直径在100μm以上。此外，使在PTA堆焊层中的以NbC为主的碳化物的体积比率为30％～60％。以NbC为主的碳化物的体积比率影响耐磨损性。若小于30％，则耐磨损性降低。另一方面，若高于60％，则PTA堆焊层的韧性明显降低。因此，在使用时PTA堆焊层的一部分容易剥落，寿命变短。以NbC为主的碳化物的体积比率优选为40％～60％。
(马特里斯合金)
马特里斯合金考虑到盘形辊的使用环境而采用在耐氧化性以及耐蚀性方面优良的Co基合金或者Ni基合金。
所谓Co基合金例如是含有Co的质量％在30％以上的合金。一般作为硬化堆焊材料而使用的钨铬钴合金(stellite)是Co基合金。例如，表1所示的钨铬钴合金1、钨铬钴合金6、钨铬钴合金21、钨铬钴合金32等都相当于Co基合金。
(表1)
| 组成(单位为质量％) | ||||||||
| C | Si | Ni | Cr | Mo | Fe | Co | W | |
| 钨铬钴合金1 | 2.5 | 1.1 | 1.5 | 30 | 0.6 | 1.5 | Bal. | 12 |
| 钨铬钴合金6 | 1.2 | 1.1 | 1.5 | 30 | 0.8 | 1.5 | Bal. | 4 |
| 钨铬钴合金21 | 0.25 | 1.1 | 3 | 26 | 6 | 1.5 | Bal. | - |
| 钨铬钴合金32 | 1.8 | 1.1 | 22 | 26 | 0.6 | 1.5 | Bal. | 12 |
所谓Ni基合金例如是含有Ni的质量％在30％以上的合金。例如表2中所示的合金600、合金625、合金718、C-276、50Cr50Ni等。
(表2)
| 组成(单位为质量％) | |||||||
| Cr | Mo | Fe | Nb | Ti | Al | Ni | |
| 合金600 | 15 | - | 7.5 | - | - | - | Bal. |
| 合金625 | 22 | 9 | - | 3.6 | 0.25 | 0.25 | Bal. |
| 合金718 | 19 | 3 | 19 | 5 | 1 | 0.6 | Bal. |
| C-276 | 16 | 16 | 6 | - | - | - | Bal. |
| 50Cr50Ni | 50 | - | - | - | - | - | Bal. |
成为PTA堆焊层的原材料的盘形辊可以是软的材质。这是因为能够防止热裂的扩展。例如，可以是STKM13A或者S45C。
2.制造方法
下面，说明在表面上具有本实施方式的PTA堆焊层的盘形辊的制造方法。
参照图6，盘形辊50分为：包括轴21的轴部件40以及圆环部件30。当交换安装在穿孔轧机上的盘形辊50时，将圆环部件30作为消耗品进行更换。具体地说，将磨损后的圆环部件30从轴部件40上取出，通过热装将新的圆环部件30安装在轴部件40上。在本实施方式中，在圆环部件30的表面30c上实施PTA堆焊。PTA堆焊使用PTA堆焊装置来实施。
参照图7～图9，PTA堆焊装置10包括：圆环固定夹具11、转动换位器(positioner)12、PTA支架14、以及主体15。
圆环固定夹具11具有：圆板状的夹具主体部110和八根臂部11A。各臂部11A等间隔地被配置在夹具主体部110的圆周上。各臂部11A将圆环部件30夹住并固定。具体地说，在圆环部件30上，除了进行PTA堆焊的表面30c以外的侧面30a和底面30b都由保温片20所包住。臂部11A夹住包在保温片20中的圆环部件30。
图8中的圆环固定夹具11是图7中的VII-VII线的截面图。在臂部11A上形成有贯通孔111，在贯通孔111内插入固定有夹具11C。固定夹具11C例如是螺栓和螺母。夹住圆环部件30的各臂部11A由固定夹具11C所紧固，牢牢地夹住圆环部件30。
保温片20由车辆隔层(car wall)所构成。在PTA堆焊中，圆环部件30难以保持一定的热量。因此，需要在使圆环部件30的温度保持一定的方面下工夫。在本实施方式中，使用保温片20直接包住圆环部件30的表面来抑制PTA堆焊中的温度变化。
转动换位器12具有：设置在地面上的台架120、以及转动倾斜部件121。台架120图8所示呈“コ”字形，上部突起部120A可转动地支承转动倾斜部件121。转动倾斜部件121安装有固定着圆环部件30的圆环固定夹具11，使圆环部件30转动或者倾斜。
转动倾斜部件121具有倾斜部件122和转动机构123。倾斜部件122由半圆板状的齿条齿轮、通过驱动设置在台架120上的图未示出的小齿轮，使水平轴120B绕轴转动。转动倾斜部件122，如图10所示使圆环部件30处于倾斜的状态。从而，能够在PTA堆焊时调整角度α。
转动机构123具有安装板124、直齿轮125和126、以及电动机127。安装板124为矩形板，在一个面上安装有圆环固定夹具11。此外，在另一个面上固定有直齿轮125。直齿轮125可自由转动地被支承在倾斜部件122上。直齿轮125与直齿轮126啮合。若使用电动机127驱动直齿轮126，则固定有直齿轮125的安装板124转动。其结果，圆环固定夹具11以及圆环部件30沿着图7的顺时针方向(或者逆时针方向)转动。
主体15具有顶板15A和两个框架151以及152。如图7所示，框架151和152并行配置，如图8所示，框架151和152的一部分固定在顶板15A上。在框架151和152的下部具有多个车轮153，在多个车轮153的下面设置有导轨160。主体15可以在导轨160上沿着水平方向移动。
主体15还具有PTA支架14和PTA焊枪控制盘145。PTA支架14以及PTA焊枪控制盘145被设置在顶板15A上。PTA支架14具有PTA支杆141和PTA焊枪142。PTA支杆141被固定在水平方向上，在其前端上沿着垂直方向固定有PTA焊枪142。如图10所示，即使圆环部件30倾斜，通过使主体15在水平方向上移动，也能够调整PTA焊枪142相对圆环部件30的表面30c的位置。
喷嘴16A～16E被分别配置在图7所示的从夹具主体部110的中心的3点、5点、7点、9点、11点的位置上。
对本实施方式的盘形辊50的制造方法进行说明。
开始，用保温片20包住圆环部件30。接着，将由保温片20包住的圆环部件30固定在圆环固定夹具11上。然后，将圆环固定夹具11安装在安装板124上。此时，调整转动换位器12，使得圆环部件30的中心轴成水平状态(即，图8所示的状态)。
当调整了调整转动换位器12以后，预热圆环部件30。具体地说，通过电动机127转动安装板124来转动圆环部件30。圆环部件30在转动中由喷嘴16进行加热。此时，圆环部件30的温度保持在250℃～350℃。使用图未示出的温度计每隔规定的时间间隔来测量圆环部件30的温度，基于测量的结果来调整喷嘴16。喷嘴16A～16E的火力可以在强、中、弱三个阶段变化。喷嘴16A的火力一般设定为“强”。此外，喷嘴16C以及16D的火力设定为“中”。喷嘴16B和16E的火力开始设定为“中”，但基于盘形辊的温度而变化。将温度计设置在PTA焊枪142附近，每隔规定期间测定温度。
当将圆环部件30的温度稳定保持在250℃～350℃以后，通过PTA法在圆环部件30的表面30c上形成PTA堆焊层。作为PTA堆焊层的原料，使用颗粒直径为50～250μm的以NbC为主的碳化物和马特里斯合金粉末。以NbC为主的碳化物的体积％为原料的30％～70％。马特里克斯合金粉末为Co基合金或者Ni基合金。
在PTA堆焊中形成焊道时，以满足(1)式和(2)式的方式来确定角度α和摆动宽度W1和焊道平移宽度W2。
当确定角度α和摆动宽度W1和焊道平移宽度W2以后，使圆环部件30转动，进行第一次PTA堆焊。当圆环部件30旋转一周时，如图11所示，在圆环部件30的表面30c上形成焊道BD。此时，完成一周的PTA堆焊。接着，如图12所示，当将PTA焊枪142仅平移焊道平移宽度W2后，实施第二次的PTA堆焊。同样地，若完成n-1次，则当将PTA焊枪142仅平移焊道平移宽度W2以后，实施第n次的PTA堆焊。在实施第n次的PTA堆焊之前，要确认角度αn是否超过设定的角度α。在没有超过的情况下，实施PTA堆焊。在角度αn超过角度α的情况下，要调整圆环部件30的表面30c和PTA焊枪142的位置关系，使α＝0°。具体地说，如图10所示，使转动换位器12的倾斜部件122转动，使圆环部件30倾斜，使角度α＝0°。此时，使主体15沿着水平方向移动，调整PTA焊枪142相对圆环部件30的表面30c的位置。调整后实施PTA堆焊。
如上述这样以满足(1)式和(2)式的方式反复实施PTA堆焊，在圆环部件30的表面30c上形成含有NbC的PTA堆焊层。形成后的PTA堆焊层的凹凸值Δh可以抑制在0.1mm～2.0mm。
在PTA堆焊以后，通过热装将圆环部件30安装在轴部件40上，制成盘形辊50。
在PTA堆焊中，通过保温片20来防止圆环部件30的温度变化，并通过将多个喷嘴大体均等地配置在盘形辊的圆周方向上，能够将圆环部件30的温度稳定地保持在250℃～350℃。因此，可以抑制在PTA堆焊层上的裂纹的产生。此外，转动换位器12能够改变圆环部件30的角度，使得第n次PTA堆焊时的角度αn在设定的角度α以内。从而，可以把PTA堆焊层的凹凸值Δh抑制在0.1mm～2mm。
(实施例1)
在盘形辊D1～D4以及E1～E4的表面上形成有PTA堆焊层。此时，作为原料使用颗粒直径75～150μm的NbC和表3中的马特里斯合金粉末。在盘形辊D1～D4中，使用表3中的马特里斯合金D0。在盘形辊E1～E4中，使用表3中的马特里斯合金E02。其中，NbC相对整个原料的体积比率为50％。
(表3)
| 组成(单位为质量％) | |||||||
| C | Si | Cr | Fe | Co | Ni | Mo | |
| DO | 0.25 | 1.1 | 26 | 1.5 | bal. | 3 | 6 |
| EO | 0.03 | 0.1 | 15 | 7.5 | - | bal. | - |
当形成PTA堆焊层以后，调查PTA堆焊层的状态。使盘形辊D1～D4、E1～E4都是含有按质量％为C：0.2～2.0％、Si：0.15～0.35％、Cr：3.1～3.5％的0.6C-0.2Si-3.0Cr系。
在等离子体粉末堆焊中，在表4所示的盘形辊的预热温度以及保温温度下进行PTA堆焊。其中，除了预热和PTA堆焊中的温度以外的制造条件均相同。
在制造以后，调查了各盘形辊D1～D4、E1～E4的PTA堆焊层的组成和NbC颗粒直径以及体积比率。具体地说，在堆焊层的截面中，选择多个区域。此时，选择的区域的面积合计为大于3mm×3mm。使用扫描电子显微镜(SEM)测量了选择区域内的全部碳化物的颗粒直径和面积比率。以(碳化物的长直径+碳化物的短直径)/2的值作为颗粒直径。通过图象分析测量了颗粒直径和面积比率。用求出的面积比率作为碳化物的体积比率。已经证明了某个相的体积比率等于截面上的面积比率(例如参照日本金属学会志Vol10，No.5，279～289页)。表4表示了调查的结果。在盘形辊D1～D4的PTA堆焊层的组成方面没有大的差别。此外，在盘形辊E1～E4的PTA堆焊层的组成方面没有大的差别。
(表4)
| 盘形辊 | 预热以及保温温度(℃) | 组成 | |||
| NbC | 马特里斯合金 | ||||
| NO | 观察的颗粒直径(μm) | 颗粒直径在50μm以上的体积比率(％) | |||
| 对比件 | D1 | 100 | 30～120 | 45 | D0 |
| 本发明件 | D2 | 250 | 40 | D0 | |
| 本发明件 | D3 | 350 | 35 | D0 | |
| 对比件 | D4 | 450 | 30 | D0 | |
| 对比件 | E1 | 100 | 20～120 | 45 | E0 |
| 本发明件 | E2 | 250 | 40 | E0 | |
| 本发明件 | E3 | 350 | 35 | E0 | |
| 对比件 | E4 | 450 | 30 | E0 | |
(PTA堆焊层的评价方法)
对于在上述条件下制造出的PTA堆焊层来说，调查了表面的裂纹和熔入的深度。所谓熔入的深度是指PTA堆焊层熔入盘形辊原材料的深度。具体地说，如图13所示，将从盘形辊50的表面30C熔入的PTA堆焊层150的深度DEP作为熔入的深度。
(1)表面裂纹的调查
用目测观察了PTA表面，调查了在PTA表面产生的表面裂纹的情况。具体地说，调查了在表面上产生的裂纹的大小和在表面上产生的裂纹的数量。
当在PTA堆焊层的表面上产生较大裂纹时，不能将此盘形辊用于穿孔轧机上。这是因为裂纹的形状被印在被轧制材料表面，在被轧制材料的表面上会产生疵点。另外对在盘形辊表面上产生的裂纹的开口宽度进行了调查。在各盘形辊D1～D4、E1～E4中，在PTA堆焊层的表面上产生的裂纹中，当最大开口宽度在0.5mm以下时评价为合格，当大于0.5mm时评价为不合格。
另一方面，即使没有产生较大开口的裂纹，在产生很多微小裂纹的情况下，在使用时，PTA堆焊层从盘形辊剥离的可能性高。若PTA堆焊层剥离，则剥离部分在被轧制材料上产生疵点。因此，也不能使用产生大量微细裂纹的盘形辊。因此，对在盘形辊表面上产生的裂纹数进行了调查。裂纹数如下述那样来进行调查。如图14所示，在PTA堆焊层表面的任意位置的十个部位上，在圆周方向上引出10cm的直线，统计与此直线相交的裂纹的数量。把统计的数量用引出直线的部位数平均。裂纹数在八个以下评价为合格，在九个以上的情况下评价为不合格。
(2)熔入深度的调查
在PTA堆焊中，使盘形辊的表面熔在PTA堆焊层中是必要的。这是因为可以确保盘形辊和堆焊层的结合强度。在盘形辊相对于PTA堆焊层的熔入深度较大的情况下，例如即使PTA堆焊层的表面不产生裂纹，PTA堆焊层的耐磨损性也要降低。具体地说，PTA堆焊层由于熔入的盘形辊的材质而变薄，每单位体积的碳化物量减少，所以，PTA堆焊层的硬度降低。而且，因为盘形辊的材质中的Fe的耐蚀性能差，所以Fe的熔入会引起PTA堆焊层发生腐蚀磨损。因此，PTA堆焊层的耐磨损性降低。
这里，对各盘形辊D1～D4、E1～E4的PTA堆焊层熔入深度进行了调查。具体地说，将含有PTA堆焊层的盘形辊主体沿着半径方向切取成十个部位。用光学显微镜对截面进行观察，测量了从PTA堆焊前的原材料表面的熔入深度。认为熔入深度在0.5mm以上3.0mm以下时为合格，除此以外为不合格。当熔入深度比3.0mm深时，耐磨损性恶化，当不足0.5mm时，因为结合强度不够，担心在使用中PTA堆焊层剥离。
(评价结果)
表5表示裂纹数、裂纹大小和熔入率的评价结果。
(表5)
| 盘形辊 | 预热和保温温度(℃) | 裂纹数 | 最大开口宽度 | 熔入深度 | 综合 | |
| NO | ||||||
| 对比件 | D1 | 100 | × | ○ | ○ | × |
| 本发明件 | D2 | 250 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 本发明件 | D3 | 350 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 对比件 | D4 | 450 | ○ | × | × | × |
| 对比件 | E1 | 100 | × | ○ | ○ | × |
| 本发明件 | E2 | 250 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 本发明件 | E3 | 350 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 对比件 | E4 | 450 | ○ | × | × | × |
参照表5，盘形辊D1以及E1的PTA堆焊层的裂纹数不合格。由于在100℃预热原材料温度不够，所以在PTA堆焊层上产生微细裂纹。此外，盘形辊D4和E5的PTA堆焊层熔入深度深，不合格。此外，也产生很大的裂纹。
另一方面，对于本发明的盘形辊D2、D3、E2以及E3来说，裂纹数、裂纹大小和熔入深度都合格。也就是说，即使是大型的盘形辊，也能够形成可以使用的PTA堆焊层。
(第二实施例)
在多个盘形辊上形成有具有不同凹凸值Δh的PTA堆焊层，调查了基于各盘形辊而产生的管疵点和在盘形辊上产生的粘结。
(表6)
| 盘形辊 | 制造条件 | 表面凹凸Δh(mm) | 被轧制材料材质 | 管疵点(mm) | 粘结 | ||||||||
| NO | 预热和保温温度(℃) | 粉末供给量(g/min) | 输入热量 | W1(mm) | W2(mm) | 角度α(°) | W1×tanα | W2/W1 | |||||
| 对比件 | D5 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 5 | 1.0 | 1.0 | 0.0(表面研磨) | SUS304 | 无 | 有 |
| 对比件 | D6 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 5 | 1.0 | 1.0 | 0.0(表面研磨) | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | D7 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 13 | 2 | 0.3 | 1.3 | 0.1 | SUS304 | 无 | 无 |
| 本发明件 | D8 | 300 | 43 | 3000 | 9 | 8 | 3 | 0.5 | 0.9 | 0.5 | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | D9 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 4 | 0.8 | 1.0 | 0.5 | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | D10 | 300 | 43 | 3000 | 9 | 12 | 4 | 0.6 | 1.3 | 1.0 | SUS304 | 0.1 | 无 |
| 本发明件 | D11 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 10 | 5 | 0.9 | 1.0 | 1.5 | SUS304 | 0.2 | 无 |
| 本发明件 | D12 | 300 | 43 | 3000 | 13 | 15 | 4 | 0.9 | 1.2 | 2.0 | STKM13A | 0.2 | 无 |
| 对比件 | D13 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 13 | 9 | 1.6 | 1.3 | 2.5 | STKM13A | 0.4 | 无 |
| 对比件 | D14 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 8 | 4 | 0.8 | 0.7 | 2.5 | SUS304 | 0.5 | 有 |
| 对比件 | E5 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 5 | 1.0 | 1.0 | 0.0(表面研磨) | SUS304 | 无 | 有 |
| 对比件 | E6 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 5 | 1.0 | 1.0 | 0.0(表面研磨) | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | E7 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 13 | 2 | 0.3 | 1.3 | 0.1 | SUS304 | 无 | 无 |
| 本发明件 | E8 | 300 | 43 | 3000 | 9 | 8 | 3 | 0.5 | 0.9 | 0.6 | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | E9 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 12 | 4 | 0.8 | 1.0 | 0.7 | STKM13A | 无 | 无 |
| 本发明件 | E10 | 300 | 43 | 3000 | 9 | 12 | 4 | 0.6 | 1.3 | 1.2 | SUS304 | 0.1 | 无 |
| 本发明件 | E11 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 10 | 5 | 0.9 | 1.0 | 1.6 | SUS304 | 0.2 | 无 |
| 本发明件 | E12 | 300 | 43 | 3000 | 13 | 15 | 4 | 0.9 | 1.2 | 2.0 | STKM13A | 0.2 | 无 |
| 对比件 | E13 | 300 | 43 | 3000 | 10 | 13 | 9 | 1.6 | 1.3 | 2.6 | STKM13A | 0.5 | 无 |
| 对比件 | E14 | 300 | 43 | 3000 | 12 | 8 | 4 | 0.8 | 0.7 | 2.5 | SUS304 | 0.5 | 有 |
盘形辊D5～D14以及E5～E14在表6的制造条件下实施PTA堆焊。在盘形辊D5～D14中使用的马特里斯合金作为钨铬钴合金21。此外，在盘形辊E5～E14中使用的马特里斯合金作为合金600。此外，作为原料使用颗粒直径为75～125μm的NbC。其中，NbC相对于整个原料的体积比率为50％。
当实施PTA堆焊以后，测量各盘形辊D5～D14以及E5～E14的PTA堆焊层的凹凸值Δh。其中，为了进行对比，盘形辊D5、D6、E5、E6对PTA堆焊层的表面进行磨削和研磨，使凹凸值Δh＝0。
在测量凹凸值Δh以后，将各盘形辊D5～D14和E5～E14设置在穿孔轧机上。设置时在盘形辊的表面上涂敷润滑剂。设置后，将五根被加热到1230℃的被轧制材料穿孔轧制，在使被轧制材料成为中径管以后，调查了在中径管的表面产生的管疵点。被轧制材料使用STKM13A钢和SUS304。
用以下方法进行管疵点的调查。对于STKM13A钢来说，用磁粉探伤法调查了管疵点的有无以及产生的管疵点的深度。此时，使磁粉浓度为0.2g/L，使电流值为5500AT。此外，对于SUS304来说，在实施喷丸以后，通过酸洗来调查管疵点。在酸洗中使用硝酸以及氢氟酸，通过调查酸洗后的酸液浸透的部位来调查管疵点的有无以及管疵点的深度。
此外，在穿孔轧制五根被轧制材料以后，调查了各盘形辊D5～D14以及E5～E14的PTA堆焊层是否产生粘结。通过目测来确认有无粘结，当被轧制材料转移附着在PTA堆焊层表面时，判定为产生了粘结。
参照图5，满足(1)式和(2)式的盘形辊D7～D12和E7～E12的凹凸值Δh为0.1mm～2.0mm。而且，在盘形辊D7～D12以及E7～E12上没有产生管疵点，或者即使产生管疵点，其深度也在允许范围的0.2mm以内。而且，在盘形辊D7～D12以及E7～E12上也没有产生粘结。
另一方面，在不满足(1)式和(2)式的盘形辊D13、D14、E13、E14中，凹凸值Δh超过2.0mm，管疵点的深度超过0.2mm。认为由于凹凸值Δh超过2.0mm，因此当被轧制材料与PTA堆焊层接触时，应力集中在PTA堆焊层的凸部上，产生管疵点。此外，由于发生了应力集中，所以在盘形辊D14以及E14上产生了粘结。
在通过表面磨削使凹凸值Δh＝0的盘形辊D5、D6、E5、E6上没有产生管疵点。可是在盘形辊D5、E5上，在轧制后的PTA堆焊层上产生了粘结。认为在凹凸值Δh＝0的情况下，在氧化膜形成前，在使用初期涂敷的润滑剂剥离而产生了粘结。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，上述实施方式只不过是用于实施本发明的示例。因此，本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内，可以对上述实施方式进行适当的变化来实施。
Claims (4)
1.一种盘形辊，其特征在于：
是表面具有通过等离子体粉末堆焊法而形成的堆焊层的盘形辊，其中，
所述堆焊层包括：
体积％占30％～60％、颗粒直径为50μm以上的以NbC为主的碳化物，以及
由Co基合金或者Ni基合金构成的马特里斯合金。
2.如权利要求1所述的盘形辊，其特征在于：
所述堆焊层的表面的凹凸为0.1～2mm。
3.一种盘形辊的制造方法，其特征在于：
是表面具有堆焊层的盘形辊的制造方法，包括：
在250～350℃预热盘形辊的工序，
一边保持所述预热的温度一边通过等离子体粉末堆焊法在所述盘形辊的表面上形成堆焊层的工序，其中，
形成所述堆焊层的工序，
是以体积％占30％～70％、颗粒直径在50～250μm以上的以NbC为主的碳化物，以及由Co基合金或者Ni基合金构成的马特里斯合金粉末作为PTA堆焊层的原料。
4.如权利要求3所述的盘形辊的制造方法，其特征在于：
在形成所述堆焊层工序中，等离子体粉末堆焊法的摆动宽度W1以及焊道平移宽度W2满足以下的(1)式和(2)式，
W1×tanα≤1.0mm (1)
0.8≤W2/W1≤1.5 (2)
这里，角度α是由通过所述摆动宽度W1的垂直二等分线和所述盘形辊表面的交点的切线、与水平线所形成的角度。
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