JP2003048004A

JP2003048004A - 複合材製圧延ロールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2003048004A
Application number: JP2001237967A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れるとともに脆性破壊が生じ難
く、しかも、ワークに対して効率よく圧延加工を施すこ
とが可能な複合材製圧延ロールおよびその製造方法を提
供する。【解決手段】非酸化物セラミックス粒子と金属粒子との
混合粉末を成形して、圧延ロールの形状に対応する形状
の成形体とする（成形工程Ｓ１）。次いで、この成形体
の表面にホウ素化合物含有溶液を塗布する（塗布工程Ｓ
２）。その後、焼結工程Ｓ３において成形体を焼結する
ことにより、複合材製圧延ロールが得られる。または、
成形体を焼結することにより多孔質体とし、次いで、該
多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸した後、該多孔質
体の表面にホウ素化合物含有溶液を塗布した後に該多孔
質体の再焼結（緻密化）を行うようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複合材製圧延ロー
ルおよびその製造方法に関し、一層詳細には、高強度お
よび高硬度と高靱性とを兼ね備え、しかも、ワークに対
して効率よく圧延加工を施すことが可能な複合材製圧延
ロールおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ワークに対して圧延加工を施す圧延ロー
ルには、硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性、圧縮強度
等に優れ、さらに、高弾性率で摩擦係数が小さいこと、
圧延する際に生じる小片が付着することがない程度に磁
力が弱いこと、ワークと反応しないことが要求される。
このような観点から、近年では、コバルト（Ｃｏ）粉末
と炭化タングステン（ＷＣ）粉末が焼結されてなるＷＣ
−Ｃｏ系超硬合金や、モリブデン（Ｍｏ）粉末と炭化チ
タン（ＴｉＣ）粉末が焼結されてなるＴｉＣ系サーメッ
ト等、金属とセラミックスとを含有する複合材料からな
る複合材製圧延ロールが活用されつつある。この種の複
合材製圧延ロールには、一回の圧延加工における圧下率
を大きくすることができるという利点がある。

【０００３】なお、圧延ロールの表面の硬度や耐摩耗性
をさらに向上させるため、該表面に対し、物理的気相成
長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法によって
ＴｉＮやＴｉＣからなる被膜が形成されることもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】圧延ロールが著しく摩
耗した場合には、ワークを所定の厚みの板材に展延する
ことが困難となるため、交換が必要となる。

【０００５】ところで、圧延ロールの寸法は、一般的な
ものでも直径１ｃｍ〜１ｍ、長さ５０ｃｍ〜１．５ｍ程
度であり、大きなものでは直径４ｍ、長さ５ｍに及ぶこ
ともある。一方、上記したような複合材料は小寸法のも
のでも高価であり、必然的に、前記のような寸法の複合
材製圧延ロールはかなり高価である。このため、交換頻
度が多くなると、複合材製圧延ロールの購入費が高騰し
て圧延加工コストも上昇してしまうという不具合を招
く。したがって、複合材製圧延ロールには、通常の圧延
ロールに比して耐摩耗性が優れていることが要求され
る。

【０００６】複合材製圧延ロールの耐摩耗性を向上させ
るには、セラミックスの組成比を高くすることによって
該ロールの硬度を向上させればよい。しかしながら、こ
の場合、該ロールの強度および靱性が低下し、その結
果、該ロールに脆性破壊が生じ易くなるという不具合が
惹起される。このような理由から、充分な耐摩耗性を有
しながらも脆性破壊が生じにくい複合材製圧延ロール
は、これまでのところ得られていない。

【０００７】また、ＰＶＤ法やＣＶＤ法により被膜を形
成する場合、被膜形成対象の大きさや形状に制約を受け
るという不都合があるため、被膜を効率よく形成するこ
とができない。このため、複合材製圧延ロールの製造コ
ストを上昇させ、結局、複合材製圧延ロールの価格をさ
らに高騰させてしまう。しかも、この被膜は、高応力下
では容易に剥離してしまう。

【０００８】本発明は上記した問題を解決するためにな
されたもので、被膜が形成されなくとも充分な耐摩耗性
を有するとともに優れた靱性を示し、しかも、ヤング率
も向上した複合材製圧延ロールおよびその製造方法を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１つ
の非酸化物セラミックスを８５〜９７重量％含有すると
ともに、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの１種以上を構
成元素とする合金の群から選択された少なくとも１つの
金属を３〜１５重量％含有し、かつ前記金属にＢが重量
割合で１〜１０ｐｐｍ固溶されている複合材料で構成し
たことを特徴とする。なお、Ｂの割合は、複合材製圧延
ロールの全体で前記の範囲内であればよく、局所的には
７〜３０ｐｐｍ程度で固溶されていてもよい。

【００１０】Ｂが上記の割合で固溶された金属は、固溶
前に比して硬度および強度が向上する。したがって、複
合材製圧延ロールにおいて、靱性を向上させて脆性破壊
が生じることを回避するために金属の組成比を大きくし
た場合であっても、硬度および強度を確保することがで
きる。すなわち、高硬度および高強度と高靱性とを兼ね
備える複合材料を構成することができ、結局、耐摩耗性
に優れかつ脆性破壊が生じ難い複合材製圧延ロールとす
ることができる。しかも、この複合材製圧延ロールはヤ
ング率が大きく、このために一回の圧延加工における圧
下率を大きくすることができる。すなわち、ワークに対
して効率よく圧延加工を施すことができるという利点も
有する。

【００１１】なお、Ｂが１ｐｐｍ未満である場合には、
複合材製圧延ロールの硬度（耐摩耗性）、強度、および
靱性を向上させる効果に乏しい。また、１０ｐｐｍを超
える場合、複合材製圧延ロールの靱性が低下するので脆
性破壊が生じ易くなる。

【００１２】ここで、この複合材製圧延ロールは、Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から
選択された少なくとも１つを５〜４５重量％含有し、か
つＷＣを含有する複合材料からなるものであることが好
ましい。ＷＣを含有する複合材製圧延ロールは、製造コ
ストが安価となるからである。また、ＴｉＣ、ＴｉＮ、
ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少
なくとも１つによって複合材製圧延ロールの耐酸化性が
向上する。

【００１３】さらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌの群から選
択された少なくとも１つを含有することが好ましい。こ
の場合、複合材製圧延ロールの磁力が弱くなるので、圧
延加工の際にワークから欠損して生じた小片が該複合材
製圧延ロールに付着することはない。したがって、次な
るワークに対して圧延加工を施す際に、このワークに傷
が付くことを回避することができる。

【００１４】該ロールを構成する複合材料中では、非酸
化物セラミックス粒子の粒径が５〜１００μｍに達し、
かつ該粒子同士が融着し合うことにより３次元網目構造
が形成されることがある。この理由は、Ｂが、上記した
ような非酸化物セラミックス粒子の粒成長を促進する粒
成長促進剤としても機能するからである。そして、この
場合、該非酸化物セラミックスが強度、靱性および硬度
に優れたものとなるので、結局、複合材製圧延ロールも
強度、靱性および硬度に優れたものとなる。

【００１５】ここで、３次元網目構造とは、複数個の粒
子が互いに融着してなる線状粒子鎖同士が立体的に結合
することによって形成された、３次元的に連なる立体粒
子鎖として定義される。

【００１６】そして、非酸化物セラミックス粒子が窒化
されており、かつ端部が湾曲していることが好ましい。
この場合、粒子端点で起こる応力集中が小さくなるの
で、複合材製圧延ロールに優れた耐久性が発現するから
である。換言すれば、複合材製圧延ロールの長寿命化を
図ることができるからである。

【００１７】また、本発明に係る複合材料の製造方法
は、非酸化物セラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を
成形して成形体とする成形工程と、前記成形体の表面に
ホウ素化合物含有溶液を塗布する塗布工程と、ホウ素化
合物含有溶液が塗布された前記成形体を焼結して焼結体
とする焼結工程と、を有することを特徴とする。

【００１８】塗布工程において塗布されたホウ素化合物
含有溶液に溶解ないし分散されたホウ素化合物中のＢ
は、焼結工程において、非酸化物セラミックス粒子の粒
成長剤として機能する。このため、該粒子が大きく粒成
長するので、非酸化物セラミックスの強度、靱性および
硬度が向上する。

【００１９】しかも、Ｂが金属中に固溶されるので、金
属の硬度および強度も向上する。このため、複合材製圧
延ロールにおける靱性を向上させるために金属の組成比
を大きくした場合であっても、該複合材製圧延ロールの
硬度（耐摩耗性）および強度を確保することができる。

【００２０】このように、成形体にホウ素化合物含有溶
液を塗布することにより、耐摩耗性に優れ、かつ脆性破
壊が生じ難い複合材製圧延ロールを製造することができ
る。

【００２１】さらにまた、本発明は、非酸化物セラミッ
クス粒子と金属粒子の混合粉末を成形して成形体とする
成形工程と、前記成形体を焼結して多孔質体とする一次
焼結工程と、前記多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸
する含浸工程と、前記多孔質体の表面にホウ素化合物含
有溶液を塗布する塗布工程と、ホウ素化合物含有溶液が
塗布された前記多孔質体を焼結して焼結体とする二次焼
結工程と、を有することを特徴とする。

【００２２】このように、成形体に替えて多孔質体とし
ても、上記したＢの作用によって耐摩耗性に優れかつ脆
性破壊が生じ難い複合材製圧延ロールを製造することが
できる。

【００２３】しかも、この場合、触媒含有溶液に含有さ
れた触媒によって非酸化物セラミックス粒子の粒成長が
一層促進されるので、上記の製造方法で得られる複合材
料に比して硬度、強度および靱性が一層優れる複合材製
圧延ロールを得ることができる。すなわち、耐摩耗性に
一層優れかつ脆性破壊が著しく生じ難い複合材製圧延ロ
ールを製造することができる。

【００２４】ここで、前記触媒含有溶液に含有される触
媒の好適な例としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｔｉ、ＺｒまたはＡｌの少なくともいずれか１つを
挙げることができる。

【００２５】いずれの場合においても、前記混合粉末に
Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌの群から選択された少なくとも１
つをさらに混合することが好ましい。この場合、磁力が
弱く、したがって、ワークから欠損して生じた小片が付
着し難い複合材製圧延ロールを得ることができるからで
ある。

【００２６】なお、前記ホウ素化合物含有溶液に含有さ
れるホウ素化合物の好適な例としては、ホウ化チタン、
ホウ化モリブデン、六方晶系窒化ホウ素または炭化ホウ
素を挙げることができる。

【００２７】さらに、焼結体を得る際の雰囲気を窒素と
することが好ましい。Ｂは、上記の非酸化物セラミック
スに対して窒化触媒としても機能する。そして、窒化さ
れた非酸化物セラミックス粒子の端部は湾曲して丸みを
帯びる。このため、粒子端点で起こる応力集中が小さく
なり、その結果、複合材料に優れた耐久性が発現するの
で、複合材製圧延ロールの長寿命化を図ることができ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る複合材製圧延
ロールおよびその製造方法につき好適な実施の形態を挙
げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

【００２９】本実施の形態に係る複合材製圧延ロール
は、非酸化物セラミックスと金属とを含有してなり、金
属内にはホウ素が固溶されている。

【００３０】非酸化物セラミックスは、複合材製圧延ロ
ールに硬度および強度をもたらす成分である。すなわ
ち、非酸化物セラミックスの組成比が高いほど複合材製
圧延ロールの硬度および強度が高くなる。

【００３１】非酸化物セラミックスとしては、ＷＣ、Ｔ
ｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群か
ら選択された少なくとも１つが選定される。これらは、
複合材製圧延ロールを得る際の焼結時に、後述するホウ
素化合物によって粒成長が促進される。すなわち、本実
施の形態に係る複合材製圧延ロールにおいては、該ロー
ルを構成する複合材料中で、非酸化物セラミックス粒子
同士が融着し合うことによって該粒子同士による３次元
網目構造が形成されている。このため、該非酸化物セラ
ミックスが強度、靱性および硬度に優れたものとなり、
結局、複合材料（複合材製圧延ロール）も強度、靱性お
よび硬度に優れたものとなる。

【００３２】ここで、非酸化物セラミックスにはＷＣが
含有されていることが好ましい。ＷＣ粒子は他の物質の
粒子よりも安価に市販されており、このために複合材製
圧延ロールを低コストで製造することができるからであ
る。そして、複合材製圧延ロールの耐酸化性を向上させ
るためには、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、
Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１つとＷＣとを
併用するようにすればよい。

【００３３】なお、該ロールを得る際の焼結を窒素雰囲
気下で行うと、非酸化物セラミックス粒子の端部は湾曲
して丸みを帯びる。この場合、粒子端点で起こる応力集
中が小さくなるので、該ロールに優れた耐久性が発現
し、寿命が長期化する。

【００３４】該ロール中での非酸化物セラミックスの粒
径は、概ね５〜１００μｍの範囲内でかつ略一様であ
る。原材料として使用されるセラミックス粒子の粒径は
０．１〜３μｍであることがほとんどであるので、焼結
により２０〜５０倍程度の粒成長を起こす。

【００３５】金属は、該ロールに高靱性をもたらす成分
である。すなわち、金属の含有量が高いほど該ロールの
靱性が向上し、その結果、割れや欠け等の脆性破壊が生
じ難くなる。

【００３６】金属としては、非酸化物セラミックス粒子
を焼結する際に融解を起こすことのないもの、換言すれ
ば、非酸化物セラミックス粒子の緻密化が行われる温度
よりも融点が高いものであって、かつＢを固溶すること
が可能なものが選定される。具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、
Ｃｏまたはこれらの１種以上を構成元素とする合金の群
から選択された少なくとも１つである。

【００３７】金属には、これらに加えて、Ｃｒ、Ｖ、Ｍ
ｏ、Ａｌがさらに含有されていてもよい。これらの金属
は磁力が著しく弱く、したがって、これらが添加された
複合材製圧延ロールは磁力が小さくなる。このため、ワ
ークに対して圧延加工を施す際にこのワークから欠損し
て生じた小片が該ロールに付着することが抑制されるの
で、次に圧延加工が施されるワークの表面に傷が付くこ
とを回避することができる。

【００３８】そして、本実施の形態に係る複合材製圧延
ロールにおいては、該ロールを構成する複合材料に含有
された金属中にホウ素（Ｂ）が重量割合で１〜１０ｐｐ
ｍ固溶されている。このように極少量のＢが固溶された
金属では、固溶前に比して強度および硬度が向上する。
このため、金属の組成比が大きい複合材料からなる複合
材製圧延ロールであっても、Ｂを固溶していない金属を
含有する複合材料からなる複合材製圧延ロールに比して
優れた強度および硬度を示す。

【００３９】また、金属の組成比が大きいので、該ロー
ルの靱性も向上する。例えば、Ｂが固溶されたＣｏを１
５重量％含有するＷＣ−Ｃｏ系複合材料からなる複合材
製圧延ロールは、Ｂが固溶されていないＣｏを６重量％
含有するＷＣ−Ｃｏ系複合材料からなる複合材製圧延ロ
ールに比して、非酸化物セラミックスの組成比が小さい
ながらも強度や硬度に優れる。また、Ｃｏの組成比が著
しく高いことから、靱性も著しく優れている。

【００４０】さらに、この複合材製圧延ロールは、Ｂが
固溶されていない金属を含有する複合材製圧延ロールに
比して耐酸化性や耐熱性に優れ、かつ表面の摩擦抵抗係
数が低い。すなわち、本実施の形態に係る複合材製圧延
ロールは、圧延ロールとして好適な特性を備える。

【００４１】なお、Ｂが１ｐｐｍ未満である場合には、
強度、硬度および靱性に乏しいロールとなる。また、１
０ｐｐｍを超えると、ロールの靱性が低下するので脆性
破壊が生じ易くなる。Ｂの固溶量は、例えば、湿式化学
分析によって定量することができる。

【００４２】このＢは、後述するように、複合材製圧延
ロールとなる成形体または多孔質体の表面に塗布された
ホウ素化合物含有溶液に含有されたホウ素化合物を源と
して金属中に拡散したものである。ここで、ホウ素化合
物含有溶液とは、ホウ素化合物が溶解ないし分散された
溶液のことをいう。

【００４３】複合材料においては、非酸化物セラミック
スの組成比が高くなると、必然的に金属の組成比が低く
なる。その結果、該複合材料、ひいては複合材製圧延ロ
ールの靱性が低下する。一方、非酸化物セラミックスの
組成比が低くなる金属の組成比が高くなり、硬度および
強度が乏しくなる。このため、非酸化物セラミックスと
金属の組成比は、複合材製圧延ロールの硬度、強度およ
び靱性が損なわれることのない範囲に設定される。具体
的には、非酸化物セラミックスの組成比を８５〜９７重
量％、金属の組成比を３〜１５重量％とする。非酸化物
セラミックスの組成比を９０〜９５重量％、金属の組成
比を５〜１０重量％とすることがより好ましい。

【００４４】ここで、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１つ
と、ＷＣとを非酸化物セラミックスとして併用する場
合、前記群の少なくとも１つの割合は、複合材製圧延ロ
ールを構成する複合材料全体に対して５〜４５重量％に
設定することが好ましい。すなわち、非酸化物セラミッ
クスを９０重量％含有し、かつ金属を１０重量％含有す
る複合材製圧延ロールの場合、例えば、ＷＣを７５重量
％、ＴｉＣを１５重量％、Ｃｏを１０重量％に設定すれ
ばよい。

【００４５】なお、前記群から選択された少なくとも１
つの割合が５重量％未満または４５重量％を超える場合
のいずれにおいても、複合材製圧延ロールの耐酸化性を
向上させる効果に乏しくなる。５重量％未満では耐酸化
性を向上させる成分の量が充分ではなく、一方、複合材
料の耐酸化性は、前記群から選択されたものの割合が４
５重量％で略飽和するからである。

【００４６】このように構成された複合材製圧延ロール
は、Ｂが固溶されていない金属を含有する複合材製圧延
ロールに比してヤング率が大きい。このため、一回の圧
延加工における圧下率を大きくすることができる。すな
わち、ワークに対して効率よく圧延加工を施すことがで
きる。

【００４７】本実施の形態に係る複合材製圧延ロール
は、冷間圧延装置および熱間圧延装置のいずれにおいて
も使用することができる。すなわち、２段圧延装置、４
段圧延装置、６段圧延装置、ゼンジマー圧延装置、プラ
ネタリ圧延装置、ユニバーサル圧延装置等をはじめとす
る種々の圧延装置のワークロールとして採用することが
できる。また、ガイドロールやバックアップロールとし
て使用するようにしてもよい。

【００４８】上記した複合材製圧延ロールは、以下のよ
うにして製造することができる。

【００４９】本発明の第１実施形態に係る複合材料の製
造方法（以下、第１の製法という）のフローチャートを
図１に示す。第１の製法は、成形体を得る成形工程Ｓ１
と、前記成形体の表面の全部または一部にホウ素化合物
含有溶液を塗布する塗布工程Ｓ２と、ホウ素化合物含有
溶液が塗布された前記成形体を焼結して複合材製圧延ロ
ールとする焼結工程Ｓ３とを有する。

【００５０】まず、成形工程Ｓ１において、非酸化物セ
ラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。

【００５１】ここで、非酸化物セラミックス粒子として
は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、Ｃ
ｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１つの粒子が選定
される。なお、複合材製圧延ロールにおける割合が上記
した範囲内になるように、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、Ｎ
ｂＣ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１
つの粒子と、ＷＣ粒子とを混合して非酸化物セラミック
ス粒子とすることが好ましい。一方、金属粒子として
は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの１種以上を構成元
素とする合金の群から選択された少なくとも１つの粒子
が選定される。上記したように、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌ
の粒子をさらに添加してもよい。いずれの場合において
も、非酸化物セラミックス粒子と金属粒子とは、８５：
１５〜９７：３の割合で混合される。

【００５２】このようにして調製された混合粉末に対し
て成形荷重を加え、複合材製圧延ロールの形状に対応す
る形状の成形体を作製する。成形法としては、プレス成
形法やシート成形法を採用することができる。

【００５３】または、混合粉末にエチルアルコール等の
溶媒を添加した後、金型のキャビティに該混合粉末を溶
媒ごと充填し、この状態で金型により混合粉末および溶
媒に対して圧力を加えるようにしてもよい。この場合、
圧力が加えられた直後に溶媒がまず流動して混合粉末と
分離し、該混合粉末と金型との間に介在するようにな
る。その結果、混合粉末が溶媒から略均等に押圧される
ようになるので、混合粉末から成形体を作製する最中に
クラックや欠けが発生することが著しく抑制される。す
なわち、この成形方法においては、混合粉末に対し、ま
ず、溶媒による等圧成形が遂行される。

【００５４】加圧が進行するに従って、溶媒は、金型の
クリアランスを介してキャビティ外に排出される。この
ため、混合粉末は、次に金型で直接押圧される。このよ
うに、溶媒を排出するようにしているので、金型による
混合粉末の加圧が妨げられることはない。

【００５５】そして、この場合、樹脂、パラフィンおよ
びワックス等を粉末に添加する必要がない。したがっ
て、脱脂工程を省略することができるので、多元系セラ
ミックス粉末を効率よく製造することができる。

【００５６】次いで、得られた成形体の表面に対し、塗
布工程Ｓ２において、ホウ素化合物含有溶液を塗布す
る。塗布は、例えば、スプレー塗布等の公知技術により
遂行することができる。

【００５７】ホウ素化合物含有溶液の好適な例として
は、ホウ化チタン（ＴｉＢ₂）、ホウ化モリブデン（Ｍ
ｏＢ₂）、六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）または炭化
ホウ素（Ｂ₄Ｃ）がキシレンやトルエンあるいはアセト
ン等の有機溶媒に溶解ないし分散された溶液を挙げるこ
とができる。これらの有機溶媒は揮発性であるので、成
形体から容易に除去することができる。

【００５８】なお、金属へのＢの固溶量は、ホウ素化合
物含有溶液の塗布量を設定することによって制御するこ
とができる。

【００５９】最後に、焼結工程Ｓ３において、前記成形
体を焼結する。すなわち、非酸化物セラミックス粒子を
粒成長させる。

【００６０】この際、ホウ素化合物は、まず、非酸化物
セラミックス粒子を促進させる。このため、非酸化物セ
ラミックス粒子同士の融着が容易に起こり、その結果、
粒子が５〜１００μｍ程度にまで成長するとともに、粒
子同士が融着し合うことによる３次元網目構造が形成さ
れる。このため、強度、靱性および硬度に優れた複合材
製圧延ロールが得られる。

【００６１】焼結工程Ｓ３は、窒素雰囲気下で行うこと
が好ましい。ホウ素化合物は、非酸化物セラミックスと
窒素との反応を促進する窒化触媒としても機能する。窒
化された上記非酸化物セラミックス粒子の端部は湾曲し
て丸みを帯びるので、粒子端点で起こる応力集中が小さ
くなる。このため、優れた耐久性を有する複合材製圧延
ロールを得ることができるようになるからである。

【００６２】そして、ホウ素化合物を構成するＢは、金
属中に固溶し、該金属の強度および硬度をともに向上さ
せる。その結果、Ｂを固溶していない金属を含有する複
合材製圧延ロールに比して金属の組成比が大きい場合で
あっても、強度および硬度に優れた焼結体（複合材製圧
延ロール）が製造されるに至る。金属の組成比を大きく
することにより、複合材製圧延ロールの靱性も向上す
る。

【００６３】次に、本発明の第２実施形態に係る複合材
料の製造方法（以下、第２の製法という）につき、その
フローチャートである図２を参照して説明する。なお、
第１の製法と同様の操作を行う工程については第１の製
法と同一の工程名を付し、その詳細な説明を省略する。

【００６４】第２の製法は、成形体を得る成形工程Ｓ１
０と、前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工
程Ｓ２０と、前記多孔質体を触媒含有溶液に含浸する含
浸工程Ｓ３０と、前記多孔質体の表面または一部にホウ
素化合物含有溶液を塗布する塗布工程Ｓ４０と、ホウ素
化合物含有溶液が塗布された前記多孔質体を再焼結して
焼結体（複合材製圧延ロール）とする二次焼結工程Ｓ５
０とを有する。

【００６５】まず、成形工程Ｓ１０において、上記成形
工程Ｓ１に準拠して成形体を作製する。この際の成形荷
重は、一次焼結工程Ｓ２０で多孔質体が確実に得られる
ようにするために、成形体の開気孔が閉塞されることが
ない程度に設定される。具体的には、成形荷重を１００
〜３００ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、
金属粒子が塑性変形を起こすことを回避することができ
るので、成形体の開気孔が閉塞されることはない。

【００６６】次いで、一次焼結工程Ｓ２０において、開
気孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質体と
する。この時点で緻密な焼結体とすると、含浸工程Ｓ３
０において、該焼結体に触媒含有溶液を含浸させること
が困難となるからである。

【００６７】したがって、一次焼結工程Ｓ２０における
焼結温度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該粒
子同士にネックが形成された状態で終了されるように設
定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２０では、非酸化
物セラミックス粒子は緻密化されない。

【００６８】次いで、含浸工程Ｓ３０において、前記多
孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸させる。具体的に
は、触媒含有溶液中に前記多孔質体を浸漬する。この浸
漬により、該多孔質体の開気孔を介して触媒含有溶液が
内部へと浸透する。

【００６９】触媒は、後述する二次焼結工程Ｓ５０にお
いて非酸化物セラミックス粒子の粒成長を促進する物質
であれば特に限定されるものではないが、好適な例とし
ては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒまた
はＡｌ等を挙げることができる。触媒含有溶液として
は、上記した金属を含有する硝酸塩や酢酸塩等の金属塩
を溶媒に溶解ないし分散させたものを使用すればよい。
溶媒も特に限定されるものではないが、水やアルコール
等を好適な例として挙げることができる。または、チタ
ニウムイソプロポキシド等、これらの金属アルコキシド
を触媒含有溶液として使用するようにしてもよい。勿
論、有機溶媒で金属アルコキシドを希釈してもよい。

【００７０】含浸工程Ｓ３０を行った後は、自然放置に
より触媒含有溶液を乾燥して溶媒を揮散除去させる。ま
たは、多孔質体を３３０〜３９０Ｋで３０分程度加熱し
て触媒含有溶液を乾燥するようにしてもよい。これによ
り、溶媒の大部分が多孔質体から揮散除去して触媒が残
留する。

【００７１】次いで、塗布工程Ｓ４０において、多孔質
体の表面に対してホウ素化合物含有溶液を塗布する。塗
布は、上記したように、スプレー塗布等により遂行する
ことができる。

【００７２】次いで、二次焼結工程Ｓ５０において、ホ
ウ素化合物含有溶液が塗布された多孔質体を再焼結して
焼結体（複合材製圧延ロール）とする。すなわち、上記
焼結工程Ｓ３と同様に、非酸化物セラミックス粒子を粒
成長させるとともに金属中にＢを固溶させる。

【００７３】二次焼結工程Ｓ５０における非酸化物セラ
ミックス粒子の粒成長は、Ｂの他、上記した触媒によっ
ても促進される。このため、得られる複合材料の硬度お
よび強度は、第１の製法により製造された複合材料に比
して大きくなる。勿論、この場合においても、Ｂの作用
によって、粒子同士が融着し合うことによる３次元網目
構造が形成される。

【００７４】この二次焼結工程Ｓ５０も、第１の製法に
おける焼結工程Ｓ３と同様に、窒素雰囲気下で行うこと
が好ましい。上記したように、窒化された上記非酸化物
セラミックス粒子の端部が丸みを帯びるので粒子端点で
の応力集中が小さくなり、その結果、複合材製圧延ロー
ルに優れた耐久性が発現するからである。

【００７５】勿論、ホウ素化合物を構成するＢは、金属
中に固溶して該金属の強度および硬度をともに向上させ
る。すなわち、Ｂを固溶していない金属を含有する複合
材製圧延ロールに比して金属の組成比が大きい場合であ
っても、強度および硬度が大きな焼結体（複合材製圧延
ロール）が製造されるに至る。金属の組成比を大きくす
ることにより、必然的に靱性も向上する。

【００７６】このように、成形体または多孔質体の表面
にホウ素含有溶液を塗布することにより、非酸化物セラ
ミックス粒子同士が互いに融着した３次元網目構造が形
成されるので、該非酸化物セラミックスの強度、硬度お
よび靱性が向上する。このため、優れた強度、硬度およ
び靱性を有する複合材製圧延ロールが得られる。

【００７７】しかも、ホウ素化合物を構成するＢが金属
中に固溶するので、該金属の強度および硬度が向上す
る。したがって、複合材製圧延ロールにおける金属の組
成比を大きくすることができるので、該複合材製圧延ロ
ールの強度、硬度および靱性を一層向上させることもで
きる。

【００７８】また、この複合材製圧延ロールは耐摩耗性
に優れているので、ＴｉＣやＴｉＮ等からなる被膜を形
成する必要がない。このため、製造コストが高騰化する
ことを回避することもできる。

【００７９】

【実施例】平均粒径１μｍの炭化タングステン（ＷＣ）
粒子が９３重量％、平均粒径１．４μｍのコバルト（Ｃ
ｏ）粒子が７重量％となるように秤量し、ヘキサンを用
いて両粒子を湿式混合して混合粉末とした。そして、ヘ
キサンが９重量％となるまで乾燥した後、金型にて１０
０ＭＰａの加圧力でこの混合粉末を縦２０ｍｍ×横２０
ｍｍ×長さ１２０ｍｍの直方体形状に成形した。なお、
成形は、前記金型のクリアランスからヘキサンを排出し
ながら行った。

【００８０】次いで、この直方体状成形体を窒素雰囲気
下において９００℃で３０分間保持することにより、多
孔質体とした。

【００８１】さらに、該多孔質体を濃度１０％の硝酸ニ
ッケル水溶液に浸漬することによって多孔質体の内部に
Ｎｉイオンを分散させた後、１１０℃で２時間保持する
ことにより乾燥させた。

【００８２】そして、直方体状成形体の全表面に対し
て、Ｂ₄Ｃがキシレンに分散された溶液をスプレー塗布
した後、窒素雰囲気下において１４００℃で２時間保持
することにより、ＷＣ粒子を粒成長させた。すなわち、
ＷＣとＣｏの焼結体からなり、かつＣｏにＢが固溶され
た複合材製直方体を得た。これを実施例１とする。この
実施例１の複合材製直方体におけるＢの固溶量は、該複
合材製直方体の表面近傍で２０ｐｐｍであり、これを複
合材製直方体全体に換算すると７ｐｐｍであった。

【００８３】また、ＷＣ粒子を９０重量％、Ｃｏ粒子を
３重量％、平均粒径０．４μｍのＮｉ粒子を５重量％、
平均粒径５μｍのＣｒ粒子を２重量％として混合粉末を
得たことを除いては実施例１に準拠して、ＷＣ、Ｃｏ、
ＮｉおよびＣｒの焼結体からなり、かつＣｏ、Ｎｉおよ
びＣｒにＢが固溶された複合材製直方体を作製した。こ
れを実施例２とする。実施例２の複合材製直方体におけ
るＢの固溶量は、該複合材製直方体の表面近傍では１４
ｐｐｍであり、これを複合材製直方体全体に換算すると
４ｐｐｍであった。

【００８４】なお、実施例１、２の各複合材製直方体の
組織を電子顕微鏡にて観察したところ、ＷＣ粒子同士が
融着し合って３次元網目構造が形成されていることと、
ＷＣ粒子の端部が丸みを帯びていることが観察された。

【００８５】さらに、比較のため、ＷＣ粒子、Ｃｏ粒
子、Ｎｉ粒子、Ｃｒ粒子の割合を図３に示すように変化
させて混合粉末とした。そして、実施例１、２に準拠し
て同一寸法の直方体状成形体とした後、該直方体状成形
体を窒素雰囲気下において１４００℃で２時間保持する
ことによって複合材製直方体とした。これらをそれぞれ
比較例１〜４とする。なお、図３には、実施例１、２に
おける混合粉末の組成も併せて示した。また、実施例１
および比較例３、４の組成は、複合材製圧延ロールの原
材料として採用されている超硬合金の組成に相当するも
のである。

【００８６】以上の各直方体状焼結体の側周壁部に対
し、表面から深さ０．２ｍｍまでを全周に亘って切削除
去した。この切削除去後に露呈した表面につき、温度と
Ａスケールのロックウェル硬度との関係を調べた。高硬
度であるほど耐摩耗性に優れた材料であることを表す。
結果を図４に示す。この図４から、実施例１、２の複合
材製直方体は、全温度領域に亘って比較例１〜４の複合
材製直方体よりも著しく高い硬度を示すこと、すなわ
ち、耐摩耗性が優れていることが明らかである。

【００８７】また、実施例１および比較例１の各直方体
状焼結体につき、大越式摩耗試験機にて、低炭素鋼を相
手材とする摩耗試験を行った。すべり距離と摩耗量との
関係をグラフにして図５に示す。図５から、金属の割合
が同一であるにも関わらず、実施例１の直方体状焼結体
の方が著しく優れた耐摩耗性を有することが分かる。

【００８８】さらに、実施例１、２および比較例１、２
の各直方体状焼結体につき、抗折強度を測定した。実施
例１、比較例１については、ヤング率も測定した。結果
を図３に併せて示す。この測定結果から、金属にＢを固
溶させることによって強度およびヤング率を向上させる
ことができるということがいえる。

【００８９】以上の結果から、複合材料を構成する金属
にＢを固溶させることにより、耐摩耗性に優れ、かつ高
強度でヤング率も大きな複合材料とすることができるこ
とが諒解される。そして、該複合材料の耐摩耗性、強
度、ヤング率等は、該複合材料を圧延ロールとする際に
充分な値である。すなわち、この複合材料を使用するこ
とによって、交換頻度が少なくかつ脆性破壊が生じ難い
上、ワークに対して効率よく圧延加工を施すことが可能
な複合材製圧延ロールを得ることができる。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る複合
材製圧延ロールによれば、Ｂが１〜１０ｐｐｍ固溶され
ることにより硬度および強度が向上した金属を含有す
る。このため、複合材料の靱性を向上させるために金属
の組成比を大きくした場合であっても耐摩耗性に優れた
複合材製圧延ロールとすることができるという効果が達
成される。

【００９１】しかも、この複合材製圧延ロールはヤング
率が大きい。このため、一回の圧延加工における圧下率
を大きくすることができる。すなわち、ワークに対して
効率よく圧延加工を施すことができるという利点があ
る。

【００９２】また、本発明に係る複合材製圧延ロールの
製造方法によれば、成形体または多孔質体にホウ素化合
物含有溶液を塗布した後に緻密化（焼結）を行うように
している。この焼結の際、ホウ素が非酸化物セラミック
ス粒子の粒成長促進剤として機能するので該粒子同士が
良好に融着し合い、かつ金属中に固溶される。これによ
り、高硬度と高靱性とを兼ね備え、したがって、耐摩耗
性に優れかつ脆性破壊を生じ難い複合材製圧延ロールを
得ることができるという効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る複合材製圧延ロー
ルの製造方法のフローチャートである。

【図２】本発明の第２実施形態に係る複合材製圧延ロー
ルの製造方法のフローチャートである。

【図３】実施例１、２および比較例１〜４の焼結体（複
合材製直方体）における原料粒子の組成比と、抗折強度
およびヤング率とを示す図表である。

【図４】実施例１、２および比較例１〜４の複合材製直
方体における温度とＡスケールのロックウェル硬度との
関係を示すグラフである。

【図５】実施例１および比較例１の複合材製直方体にお
けるすべり距離と摩耗量との関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、
ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なくとも１つの非
酸化物セラミックスを８５〜９７重量％含有するととも
に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはこれらの１種以上を構成元
素とする合金の群から選択された少なくとも１つの金属
を３〜１５重量％含有し、かつ前記金属にＢが重量割合
で１〜１０ｐｐｍ固溶されている複合材料で構成したこ
とを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項２】請求項１記載の複合材製圧延ロールにおい
て、当該複合材製圧延ロールは、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔａ
Ｃ、ＮｂＣ、ＶＣ、Ｃｒ₂Ｃ₃の群から選択された少なく
とも１つを５〜４５重量％含有し、かつＷＣを含有する
複合材料からなることを特徴とする複合材製圧延ロー
ル。
【請求項３】請求項１または２記載の複合材製圧延ロー
ルにおいて、さらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌの群から選
択された少なくとも１つを含有することを特徴とする複
合材製圧延ロール。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合
材製圧延ロールにおいて、前記非酸化物セラミックス粒
子の粒径が５〜１００μｍであり、かつ該粒子同士が融
着し合うことにより３次元網目構造が形成されているこ
とを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合
材製圧延ロールにおいて、前記非酸化物セラミックス粒
子が窒化されており、かつ端部が湾曲していることを特
徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項６】非酸化物セラミックス粒子と金属粒子の混
合粉末を成形して成形体とする成形工程と、前記成形体の表面にホウ素化合物含有溶液を塗布する塗
布工程と、ホウ素化合物含有溶液が塗布された前記成形体を焼結し
て焼結体とする焼結工程と、を有することを特徴とする複合材製圧延ロールの製造方
法。
【請求項７】非酸化物セラミックス粒子と金属粒子の混
合粉末を成形して成形体とする成形工程と、前記成形体を焼結して多孔質体とする一次焼結工程と、前記多孔質体の内部に触媒含有溶液を含浸する含浸工程
と、前記多孔質体の表面にホウ素化合物含有溶液を塗布する
塗布工程と、ホウ素化合物含有溶液が塗布された前記多孔質体を焼結
して焼結体とする二次焼結工程と、を有することを特徴とする複合材製圧延ロールの製造方
法。
【請求項８】請求項７記載の製造方法において、前記触
媒含有溶液に含有される触媒を、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒまたはＡｌの少なくともいずれか
１つとすることを特徴とする複合材製圧延ロールの製造
方法。
【請求項９】請求項６〜８のいずれか１項に記載の製造
方法において、前記混合粉末にＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｌの
群から選択された少なくとも１つをさらに混合すること
を特徴とする複合材製圧延ロールの製造方法。
【請求項１０】請求項６〜９のいずれか１項に記載の製
造方法において、前記ホウ素化合物含有溶液に含有され
るホウ素化合物を、ホウ化チタン、ホウ化モリブデン、
六方晶系窒化ホウ素または炭化ホウ素とすることを特徴
とする傾斜複合材の製造方法。
【請求項１１】請求項６〜１０のいずれか１項に記載の
製造方法において、前記焼結体を得る際の雰囲気を窒素
とすることを特徴とする複合材製圧延ロールの製造方
法。