JP2001087805A

JP2001087805A - 超硬合金製複合スリーブ

Info

Publication number: JP2001087805A
Application number: JP26658499A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kamiya; 欣宏神谷; Giichi Sano; 義一佐野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【目的】外層を高度な耐摩耗性を有するＷＣ系超硬合
金とし、内層を鋼材とする超硬合金製複合スリーブを、
安定して製造するとともに、圧延時の熱き裂発生に起因
するスリーブ破損の防止、圧延工程における工数の節減
をはかる。【構成】ＷＣ系超硬合金からなる外層を、熱間等方圧
加圧処理により、金属組織が実質的にパーライト単独又
は実質的にパーライトと面積率で３０％以下のフェライ
トにより構成された鋼材からなる内層の外周に形成した
超硬合金製複合スリーブである。さらに、複合スリーブ
の回転軸方向に直角の断面において、外層の断面積／内
層の断面積の比を１.２以上とする。また、ＷＣ系超硬
合金からなる外層のスリーブの回転軸方向中央部におけ
る円周方向の圧縮残留応力を常温において１５〜６０kg
／mm２とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外殻となるスリーブ
を軸部に嵌合固定した組立式圧延ロールに関し、特に外
殻となるスリーブがＷＣ（タングステンカーバイド）系
超硬合金の外層と鋼材の内層とからなる複合スリーブに
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＷＣ系超硬合金単体からなるスリーブ
は、例えばブロックミルのような特殊な圧延機による線
材、棒材、管材圧延等の分野で、古くから用いられてい
る。近年は、焼結技術の進歩に伴い、超硬合金を一般的
な線材、棒材、板材等の圧延機に適用する様々な試みが
なされ、一部の用途では実用化され、優れた耐摩耗性能
を発揮している。例えば、耐摩耗性に優れた超硬合金を
外層とし、靱性に優れた鋼材を内層として、両者を熱間
等方圧加圧（以下「ＨＩＰ」と略記する）処理により、
焼結と同時に拡散接合した複合材質構造のスリーブがあ
る。

【０００３】例として、特開平10-8211号公報には、各
種ハイス又は超硬合金の外層を鋳鋼又は鍛鋼又は黒鉛鋳
鋼からなる内層の外周に設けた複合スリーブを軸部に嵌
合固定する組立式圧延ロールが開示され、複合スリーブ
の胴端部を同公報記載の特定形状にすることで、圧延に
供しても胴端部の破損が防止できるとされている。

【０００４】さらに参考例として、特開平1-241306号公
報には、耐摩耗性に優れた高合金材としてハイスの外層
を圧縮降伏強度が９０kg／mm^２以上の鋼材からなる内層
の外周に設けた複合リングロールが開示され、内層を強
化することにより、リングロールをロール軸に軸嵌固着
して長期間使用しても、固着の緩むことがないとされて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術例のよ
うに、耐摩耗性に優れた超硬合金若しくは高合金材を外
層とし、靱性に優れた鋼材を内層とする複合スリーブ
は、構成は簡単であるが、実用化するに当たって、残留
応力が不安定、割れ、複合境界部からの剥離等製造面及
び使用面での課題が多々あり、これを解決するため適用
目的に応じて様々な創意工夫がなされている。

【０００６】圧延ロールには、圧延による摩耗や肌あれ
の進行が少なく、かつ圧延に伴う発熱がロールへおよぼ
す熱サイクル、咬み止め（圧延停止）のような圧延不具
合等に起因する熱き裂に対する強さが求められる。ＷＣ
系超硬合金ロールにおいては、その優れた耐摩耗性と耐
肌あれ性を活かして、弱点である耐熱き裂性を向上させ
たロールが望まれる。従来、ＷＣ系超硬合金の耐熱き裂
性を向上させるため、耐摩耗性を犠牲にしてＷＣ比率を
低減する方法、内層を鋼材の複合スリーブにしてＷＣ系
超硬合金の外層へ圧縮残留応力を付与する方法等が提案
されている。

【０００７】従来のＷＣ系超硬合金製複合スリーブは熱
的及び機械的負荷の比較的軽微な線材や丸鋼等の主に仕
上圧延にしか使用されていなかった。耐摩耗性を最高状
態に維持しつつ熱き裂に起因する割損が防止でき、かつ
安定して製造できる複合スリーブはまだ実現していな
い。本発明はこのような複合スリーブの実現を目的とす
るもので、仕上圧延は勿論のこと、負荷が苛酷な中間圧
延、粗圧延、さらに板材圧延等への適用拡大を目的にし
てなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１発明は、Ｗ
Ｃ系超硬合金からなる外層を、ＨＩＰ処理により、金属
組織が実質的にパーライト単独又は実質的にパーライト
と面積率で３０％以下のフェライトにより構成された鋼
材からなる内層の外周に形成した超硬合金製複合スリー
ブである。

【０００９】第２発明は、第１発明の超硬合金製複合ス
リーブの回転軸方向に直角の断面において、外層の断面
積／内層の断面積の比が１.２以上の超硬合金製複合ス
リーブである。

【００１０】第３発明は、第１発明又は第２発明の超硬
合金製複合スリーブのＷＣ系超硬合金からなる外層のス
リーブの回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留
応力が常温において１５〜６０kg／mm^２である超硬合金
製複合スリーブである。

【００１１】図１は本発明実施例ＷＣ系超硬合金製複合
スリーブの回転軸方向に直角の断面図である。同図にお
いて、外層１はＷＣ系超硬合金からなり、内層２は鋼材
からなる。外層１と内層２はＨＩＰ処理により金属的に
拡散接合されている。第１発明において、内層２の金属
組織が実質的にパーライトとする限定は、フェライトと
セメンタイトが共析反応により層状に析出した層状パー
ライトが主体の金属組織にすることである。パーライト
組織にてなる鋼材の中には、初析セメンタイト、初析フ
ェライト、残留オーステナイト、ベイナイト、マルテン
サイト等の各種金属組織が少量混在する場合もありう
る。これらの金属組織が少量混在しても、パーライトが
本来有する物理的、機械的特性に大きな影響をおよぼさ
ない限り、本発明の範囲に含むものとする。

【００１２】さらにフェライトに限っては、内層鋼材の
パーライト組織中に面積率で３０％以下混在させてもよ
い。フェライトは内層鋼材の機械的性質の伸びを大きく
するので、咬み止め（圧延停止）等の圧延不具合に遭遇
した場合、内層に生じる過大な引張歪みに対して耐える
ようにするためである。フェライトの面積率が３０％を
超えると、軟弱になり過ぎて、圧延時の機械的負荷に耐
えられなくなる。以上により構成される本発明の内層用
鋼材は、引張残留応力とそれに基づく引張歪みが付与さ
れており、さらに引張・圧縮応力や熱応力による歪みが
圧延中に生じるため、機械的性質として１％以上の伸び
を有するのが好ましい。伸びが１％未満のときは、引張
破断を生じることがある。

【００１３】図２は、ＷＣ系超硬合金の外層を、ＨＩＰ
処理により、内層の外周に形成したときの、冷却過程に
おける外層及び内層の熱収縮の模式説明図である。同図
において、線ＡはＷＣ系超硬合金外層の熱収縮を示す。
内層の鋼材は2種類について示し、線Ｂはその金属組織
がパーライトの場合、線Ｃは参考としてベイナイトの場
合の熱収縮を示す。ここで、ＷＣ８０重量％程度含有す
るＷＣ系超硬合金の熱収縮率は概略7×10^−６／℃、鋼
材のオーステナイトの熱収縮率は概略18×10⁻ ^６／℃、
同じくパーライトは概略12×10^−６／℃である。

【００１４】複合スリーブをＨＩＰ処理により形成し、
冷却途中の図２の高温ｔ４からの冷却において、ＷＣ系
超硬合金の外層は、線Ａのように相対的に小さい勾配で
収縮するので、常温ｔ１に到達した時点での収縮量が少
ない。内層鋼材は、その金属組織がパーライトのとき
は、線Ｂのように、パーライト変態が始まる温度ｔ３
（概略750〜600℃）迄はオーステナイト状態にあるた
め、相対的に大きい勾配で収縮し、温度ｔ３に到達後パ
ーライト変態が始まって終了する迄は膨張が起こり、終
了後は常温ｔ１に到達する迄相対的に中等の勾配で収縮
する。仮に、鋼材内層の金属組織がベイナイトのとき
は、線Ｃのように、ベイナイト変態が始まる温度ｔ２
（概略400〜250℃）迄はオーステナイト状態にあるた
め、相対的に大きい勾配で収縮し続け、温度ｔ２に到達
後ベイナイト変態が始まって終了する迄は膨張が起こ
り、終了後は常温ｔ１に到達する迄直線的に収縮する。
なお、常温ｔ１に到達しても変態が完了しない場合は残
留オーステナイトとして残存する。

【００１５】ＷＣ系超硬合金外層と鋼材内層がＨＩＰ処
理により金属的に拡散接合された複合スリーブは、外層
に比べて内層の熱収縮量が大きいので、外層に圧縮応力
が付与される。この圧縮応力が過大な場合は、外層の端
部、接合の境界部等から破壊する。ここで、熱収縮と発
生する応力との関係は、高温領域では塑性変形しやすい
ので、歪みが解消されて、応力として残留し難い。温度
降下とともに高変形抵抗状態となり、外層と内層との熱
収縮量の差に伴う応力が生じ、常温状態ではその収縮量
の差にほぼ比例して残留応力が生じる。

【００１６】内層の金属組織がパーライトの場合は、丁
度パーライト変態が起こる温度ｔ３くらいから高変形抵
抗領域になり始め、最初は変態の進行に伴って膨張する
が、変態完了後は温度降下とともに収縮し、内層のほう
が大きく収縮する結果、内層に引張応力が作用し、外層
に圧縮応力が作用する。そして、常温ｔ１に到達した時
点で、残留応力として残存する。

【００１７】仮に、内層の金属組織がベイナイトの場合
は、変態温度ｔ２が低いので、ほぼ高変形抵抗領域にな
ってからも、オーステナイトの状態で収縮する。オース
テナイトのほうが、パーライトよりも熱収縮率が大きい
ので、同一温度においてパーライトの場合よりも大きな
値の内層に引張、外層に圧縮の応力が作用する。そし
て、ベイナイト変態直前の時点ｔ２でこれらの応力値は
最大になり、外層の端部、外層と内層との境界部等にて
破損する場合がある。ベイナイト変態が始まると、これ
まで内層に発生していた引張応力が、膨張により打ち消
される傾向になる。さらにベイナイト変態が進んで、内
層の引張応力が圧縮応力に逆転すると、外層が必須とす
る圧縮応力は引張応力に変わってしまう。外層に引張応
力が発生すると、外層に割れが発生したり、使用中に熱
き裂が発生し易く、これを起点にしてスリーブが破損し
たりする。さらに、ベイナイトのようなオーステナイト
が低温領域で変態する金属組織にするのは、金属組織の
安定性の点でも問題があり、化学成分、冷却条件、その
他の製造条件の影響を著しく受け易く、製造が不安定に
なる。

【００１８】一方、パーライトは安定して生成する金属
組織であるので、安定して製造することができるととも
に、外層に圧縮残留応力を安定して付与することができ
る。さらに製造を安定化するには、第２発明のとおり外
層の断面積／内層の断面積の比を１.２以上にする必要
がある。内層鋼材の金属組織をパーライトにすると、前
記のようにパーライト変態温度ｔ３にて膨張が始まり、
外層に比べて内層の断面積が大きいと、外層に引張応力
が作用する場合がある。この時点で外層の引張応力が過
大なときは、外層に割れが発生する。また、常温ｔ１ま
で冷却されたとき外層に圧縮応力が作用し、内層は引張
応力となるが、この引張応力が過大になると、スリーブ
半径方向の引張応力も過大となって、外層の端部若しく
は外層と内層の境界部にて破損する。これら過大な両応
力の発生を防ぐには、外層に比べて内層の断面積を小さ
くする必要があり、上記の限定により、健全なＷＣ系超
硬合金製複合スリーブを安定して製造できる。

【００１９】さらに第３発明では、ＷＣ系超硬合金外層
のスリーブの回転軸方向中央部における円周方向の圧縮
残留応力を常温ｔ１において１５〜６０kg／mm^２とする
が、この限定により外層は耐熱き裂性と耐摩耗性に優れ
るとともに、スリーブの耐破損性に優れ、さらに安全に
使用できる超硬合金製複合スリーブとなる。圧縮残留応
力が１５kg／mm^２未満のときは圧延に供して十分な耐熱
き裂性がなく、同じく６０kg／mm^２を超えるときは圧縮
残留応力に比例する半径方向の引張残留応力が過大とな
り、圧延に供したときさらに圧延応力と熱応力が加わっ
て、外層の端部若しくは外層と内層との境界部にて破損
する危険性が大きくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明複合スリーブに用いる内層
には、パーライト組織になる鋳造、鍛造、圧延等により
製造した炭素鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼等の鋼材を選
ぶ。外層はその用途に応じてＷＣ50〜90重量％を含有す
るＷＣ系超硬合金とする。ＨＩＰ処理は、例えば、内層
となる円筒状鋼材素材の外周にＮｉめっきを施し、内層
となる素材から少し離れた位置に環状の仕切板を予め設
け、仕切板の内側にＷＣ50重量％、外側にＷＣ60〜90重
量％を含有するＷＣ系超硬合金の素材を充填後、仕切板
を除去してＷＣ重量％が異なる2種類のＷＣ系超硬合金
の素材を充填した鋼板缶部を設け、鋼板缶部を脱気密封
の後ＨＩＰ処理し、ＷＣ系超硬合金を焼結するとともに
鋼材素材の外周に拡散接合して本発明の複合スリーブと
する。ここで用いるＷＣ系超硬合金の素材は、粉末状
態、焼結した状態等の素材を適宜選ぶことができる。ま
た、上述のように、内層の鋼材素材とＷＣ系超硬合金の
素材との間に、ＷＣ含有量を減じたＷＣ系超硬合金の素
材を配置して中間層を形成することにより、より強靭な
複合スリーブを得ることができる。

【００２１】

【実施例】図３は本発明複合スリーブ実施例の線材圧延
用組立式圧延ロールの回転軸方向断面概略図である。超
硬合金製複合スリーブ３はＷＣ系超硬合金の外層１と鋼
材の内層２とからなり、軸部４へ嵌合固定する。外層１
は化学成分が重量比でＷＣ80％、Ｃｏ 13％、Ｎｉ 6
％、Ｃｒ 1％からなるＷＣ系超硬合金である。内層２は
JIS SCM440鋼の圧延素材から加工した。

【００２２】実施例１試験調査用として、外層と内層の接合境界の径を表１に
て示す3種類に変えた試験No.1〜No.3のＷＣ系超硬合金
製複合スリーブ３を製作した。段落番号0020〜0021の諸
元を基準として、鋼材内層２の粗材の外周に、ＨＩＰ処
理によりＷＣ系超硬合金の外層１を形成した。ＨＩＰ処
理して常温まで冷却した後、外径 360mm、内径 220mm、
長さ 650mmに仕上加工した。複合スリーブ３の表面は、
カリバーを設けないで、平坦に加工した。

【００２３】表１にて示すように、試験No.1の複合スリ
ーブは外径加工中に割れが発生した。外層の断面積／内
層の断面積の比が小さいため、外層の圧縮残留応力が過
大となり、境界部の半径方向の引張応力が大きくなった
結果、端部加工中に入った切り欠きを起点にして、割れ
が発生したものと考えられる。試験No.2及びNo.3の複合
スリーブは、加工後に超音波により内部検査したが、き
裂等の異常はなかった。No.2及びNo.3複合スリーブ表面
の回転軸方向中央位置に歪ゲージを貼り付け、歪ゲージ
を挟むようにしてその両側を円周方向に幅15mmで切断
し、次いで半径方向深さ5mm位置で切り取って、歪み解
放法により外層のスリーブ円周方向の残留応力を測定し
た。測定結果を表１に示す。これら両スリーブに異常が
なかったのは、外層の断面積／内層の断面積の比が適切
であり、圧縮残留応力が過大でなかったためと考えられ
る。各スリーブの内層部から試験片を採取して、顕微鏡
により金属組織を調べた結果、パーライト 100％であっ
た。

【００２４】表１試験外層と内層の外層断面積円周方向異常の有無 No．境界の直径／内層断面積残留応力 (mm) (比) (kg／mm^２) １３０００.９５加工中に割れる２２８５１.５ −５７異常なし３２５０４.８ −２４異常なし

【００２５】実施例２次に実圧延試験用として、実施例１と同一寸法、同等化
学成分、同一製法により製作したＷＣ系超硬合金製複合
スリーブ３を2個準備した。外層１と内層２の境界の直
径は260mmとした。これらの複合スリーブ３をそれぞれ
軸部４へしまりばめにより嵌合固定して、1対の線材圧
延中間スタンド用組立式圧延ロールとした。複合スリー
ブ３の表面には14本のカリバーを設けた。線材の圧延に
試験使用してみたが、摩耗が殆どないのは勿論、圧延肌
が美しく、スリーブ破損につながるような深い熱き裂や
欠損は認められず、さらに継続使用しても問題ないこと
が判明した。

【００２６】なお、このスタンドの場合、従来使用され
ていた超硬合金製ロールは、スリーブの回転軸方向の長
さが短く、4本のカリバーしか設けられないスリーブ2個
を軸部へ嵌合固定されたものである。これに対して、本
発明の複合スリーブは胴部の全長に亘る長さであり、14
本のカリバーを設けたので、カリバー数が多い分だけ、
ロール組み替え工数が節減されるとともに、ロールの寿
命が向上する。また、このように回転軸方向の長さが長
い場合は、表面にカリバーがない平鋼圧延に用いたと
き、カリバー位置による制約のようなものがなく、圧延
位置は間隔を狭くして胴部の全長に亘って変更できるの
で、ロール組み替え工数節減及びロール寿命がさらに向
上する。

【００２７】

【発明の効果】本発明により、ＷＣ系超硬合金製複合ス
リーブを、安定して製造することができる。また、高度
な耐摩耗性を有するとともに、外層に適切な圧縮残留応
力が付与されており、圧延時の熱き裂発生に起因するス
リーブの破損防止に寄与する。さらに、圧延工程におけ
る工数節減とロール寿命向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例ＷＣ系超硬合金製複合スリーブの
回転軸方向に直角の断面図である。

【図２】ＷＣ系超硬合金の外層をＨＩＰ処理により内層
の外周に形成したしたときの冷却過程における外層及び
内層の熱収縮の模式説明図である。

【図３】本発明複合スリーブ実施例の線材圧延用組立式
圧延ロールの回転軸方向断面概略図である。

【符号の説明】

１；外層２；内層３；複合スリーブ４；軸部Ａ；ＷＣ系超硬合金の熱収縮線Ｂ；パーライト
組織の熱収縮線Ｃ；ベイナイト組織の熱収縮線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２２Ｆ 7/04 Ｂ２３Ｋ 20/00 ＢＢ２３Ｋ 20/00 Ｂ２２Ｆ 5/00 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣ系超硬合金からなる外層を、熱間等
方圧加圧処理により、金属組織が実質的にパーライト単
独又は実質的にパーライトと面積率で３０％以下のフェ
ライトにより構成された鋼材からなる内層の外周に形成
したことを特徴とする超硬合金製複合スリーブ。
【請求項２】複合スリーブの回転軸方向に直角の断面
において、外層の断面積／内層の断面積の比が１.２以
上であることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製
複合スリーブ。
【請求項３】ＷＣ系超硬合金からなる外層のスリーブ
の回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留応力が
常温において１５〜６０kg／mm^２であることを特徴とす
る請求項１又は２の何れかに記載の超硬合金製複合スリ
ーブ。