JP2004167503A

JP2004167503A - 超硬合金製圧延用複合ロール

Info

Publication number: JP2004167503A
Application number: JP2002333539A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hattori; 敏幸服部; Mitsuyoshi Horiuchi; 満喜堀内; Hirochika Tomita; 弘哉冨田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】ロール外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、外層と内層の境界接合部に過大な内部応力が発生することを防止できる超硬合金製圧延用複合ロールを提供する。
【解決手段】鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層は、２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数が７〜１０×１０^−６／Ｋの範囲内にあることを特徴とする。また外層は、炭化タングステン粒子を８０重量％以上含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄帯板、板材、線材、棒材などの鋼材の圧延に用いられ、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製圧延用複合ロールに関する。特に耐摩耗性がより一層要求される用途に好適な圧延用複合ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
寸法精度の向上など圧延材に対する高品質化、あるいはロール替え工数減少による生産性向上の要求に応えるため、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れたＷＣ系超硬合金が線材、棒鋼、平鋼、帯鋼などの圧延用ロールに適用されている。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどの金属元素で結合した焼結合金であり、ＷＣの他にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭化物を含有することもしばしばある。
【０００３】
特許文献１には、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−ＣｒのＷＣ系超硬合金で構成した線材圧延用ロールが記載されている。この線材圧延用ロールは、超硬合金単体を焼結した小型のスリーブロールであり、靭性に優れた鋼製のロール軸材に０．１／１０００程度の焼嵌め率で嵌合し、そのスリーブロールの側面を固定リング、スペーサーリングなどにより押圧固定して機械的に組立てたものである。この種の超硬合金製スリーブロールの寸法は、外径が１００〜５００ｍｍ、回転軸方向の長さが１０〜３００ｍｍ程度の比較的短尺なものである。
【０００４】
このように超硬合金製スリーブをロール軸材に嵌合したロールの場合、固定リング、スペーサーリング、皿バネ、ナットなど多くの部材が必要で組立て構造が複雑であり、かつ高い組立て精度を要求されるので組立てに係わる工数や費用がかかるという問題がある。また、ロール胴部の長さに対して、超硬合金の占める部分つまり圧延に使用できる部分が半分以下であり効率的でない問題がある。
【０００５】
この不具合を解消するものとして、特許文献２には、鉄系材料からなる内層の外周に、ＷＣ粒子を含む超硬合金からなる外層が金属接合された超硬合金製複合ロールであって、内層と外層との間に１層以上のＷＣ粒子を５０重量％以下含有する超硬合金からなる中間層を有し、中間層のＷＣ粒子の含有量を外層より少なくしたものが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭５８−３９９０６号公報
【特許文献２】
特開２００２−３０１５０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ロールの外層を形成する超硬合金は、硬質のＷＣを含有するため耐摩耗性が格段に優れる。ＷＣ含有量が多いほど材質の硬さが増し耐摩耗性は向上するが、材質の靭性が低下するため耐クラック性は劣化する。逆に、ＷＣ含有量が少ないと材質の硬さが低下し耐摩耗性は劣化するが、材質の靭性が増すため耐クラック性は向上する。そこで、圧延用ロールの用途によってＷＣ含有量を適宜選択し、耐摩耗性がより要求される用途にはＷＣ含有量を多くすることが必要となる。
【０００８】
鉄系または鋼系材料からなる内層の外周に超硬合金からなる外層を形成した複合ロールの場合、内層の線熱膨張係数が１０〜１２．５×１０^−６／Ｋであるのに対し、外層の線熱膨張係数が５〜８×１０^−６／Ｋであり、内層の線熱膨張係数の方が外層のそれより大きい。このため、高温での熱間静水圧の利用等による接合処理後の冷却時、内層の収縮量がより大きくなり、外層と内層の境界接合部を引き剥がす応力が働く。外層の超硬合金中のＷＣ含有量が多くなるほど、外層の線熱膨張係数が小さくなり熱収縮量が小さくなるとともに、ヤング率が高くなるため内層との間に発生する内部応力が一層高くなり、外層と内層の接合が難しくなる。
【０００９】
また、超硬合金の外層と炭素を含有する内層とを金属接合する際に、外層から内層へＣの拡散が起こる。その結果、外層と内層の接合部近傍にある超硬合金のＷＣが複炭化物（Ｗ、Ｃｏ）_３Ｃに変わる。この複炭化物の相（η相）は、ＷＣと比べて脆く境界接合部の強度を下げる要因となる。
【００１０】
特許文献２は、ＷＣ含有量が少ないほど炭素量が減少しこのη相が発生しにくくなるという性質を利用して、中間層としてＷＣ含有量が５０重量％以下である超硬合金を用いる点で優れている。
【００１１】
しかしながら、耐摩耗性がより一層要求されて外層中のＷＣ含有量を８０重量％以上とする場合、外層の線熱膨張係数と内層のそれとの差が拡大するため、接合処理後の熱収縮差による内部応力が過大となり、製造中に割れが発生したり、製造後の過大な残留応力で圧延使用中にロールが破壊する可能性が出てくる。
【００１２】
つまり、特許文献２は、超硬合金からなる中間層中のＷＣ含有量を少なくして、η相の発生を抑制できるが、中間層の線熱膨張係数が大きくなり、内層の線熱膨張係数に近似してくるため、外層と内層との熱収縮の差を緩衝する役目を果たし難い問題がある。
【００１３】
したがって、本発明はロール外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、外層と内層の境界接合部に過大な内部応力が発生することを防止できる超硬合金製圧延用複合ロールを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層は、２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数が７〜１０×１０^−６／Ｋの範囲内にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記少なくとも１層の中間層は、インバー系合金で形成されていることを特徴とする。また、前記少なくとも１層の中間層は、炭化タングステン粒子を４５〜７０重量％含有する超硬合金で形成されていることを特徴とする。さらに、前記外層は炭化タングステン粒子を８０重量％以上含有する超硬合金で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
線熱膨張係数の小さい超硬合金からなる外層と、線熱膨張係数の大きい鋼系または鉄系材料からなる内層を高温にて接合後冷却すると、両者の熱収縮の差により、接合界面に大きな応力が発生する。外層と内層を直接接合させると、両者の熱収縮の差による歪みが接合界面に集中し大きな内部応力が発生し接合が困難になる。
【００１７】
そこで、境界接合部の内部応力を分散させるため、外層と内層の間に中間層を介在させる。この中間層の線熱膨張係数が内層のそれに近ければ、内層と中間層の間の内部応力は小さくなるが、中間層と外層の間の歪みは外層と内層を直接接合したときと同程度となるため、中間層による内部応力の分散作用は小さい。
【００１８】
一方、中間層の線熱膨張係数が外層のそれに近ければ、内層と中間層の間に歪みが集中するため、やはり内部応力の分散効果は小さい。
【００１９】
そこで、外層に十分な耐摩耗性を確保するとともに、外層と内層の境界接合部に過大な内部応力が発生することを防止できる中間層の最適化を検討するにあたり、ＷＣ系超硬合金中のＷＣ含有量と、そのＷＣ系超硬合金の線熱膨張係数の関係を調べた。
【００２０】
図１に、ＷＣ系超硬合金中のＷＣ含有量（重量％）と２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数（×１０^−６／Ｋ）の関係を示す。図１から、ＷＣ含有量が少なくなるにしたがい線熱膨張係数が大きくなる。ＷＣ含有量が約４５重量％以下になると、線熱膨張係数が１０×１０^−６／Ｋ以上となり、鋼系または鉄系材料からなる内層の線熱膨張係数（１０〜１２．５×１０^−６／Ｋ）に近似する。また、ＷＣ含有量が約８０重量％以上になると、線熱膨張係数が７×１０^−６／Ｋ以下となり、内層の線熱膨張係数との差が大きくなる。
【００２１】
この結果より、中間層としては２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数が７〜１０×１０^−６／Ｋの範囲内にあることが望ましいと考えた。このような条件を満たす材質としては、例えばインバー系合金のような金属材料が適している。また、図１から判るように、中間層をＷＣ含有量が４５〜７５重量％であるＷＣ系超硬合金で形成するのが適している。
【００２２】
また、中間層としてＷＣ含有量が６０重量％を超える超硬合金を用いる場合、この中間層を直接内層に接合すると、内層と中間層の間にη相が生成し、接合強度が低下する可能性がある。このようなη相の生成を防止するために、中間層と内層の間によりＷＣ含有量が少ない超硬合金を第２の中間層として介在させることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
表１に、後述の各実施例および比較例における外層、第１の中間層、第２の中間層の化学組成（重量％）を示す。第１の中間層は外層と隣接する層であり、第２の中間層は第１の中間層と内層との間に介在する中間層のことである。また表１に、ロール製造時に外層と内層との境界接合部に割れが発生したか、また境界接合部にη相が発生したかどうかの有無を併記した。
【００２４】
（実施例１）
まず、外層として、外径１００ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ２００ｍｍであり、表１の実施例１に示す組成の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブを作製した。次いで、外径１１０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶の中央に、外径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鍛鋼製内層を配置し、内層の周りに前記超硬合金製の中空スリーブを挿入した。内層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は１１×１０^−６／Ｋ、外層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は６×１０^−６／Ｋである。
【００２５】
次いで、内層の外面と、中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、インバー系合金からなる中空円筒状のスリーブ材を挿入した。インバー系合金の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は７×１０^−６／Ｋである。
【００２６】
その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３００℃、１４００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールを得た。そして、超音波探傷検査にて外層と内層の境界接合部の割れ発生の有無を調べた。また組織調査により境界接合部のη相の有無を確認した。
【００２７】
（実施例２）
まず、外層として、外径１００ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ２００ｍｍであり、表１の実施例２に示す組成の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブを作製した。次いで、外径１１０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶の中央に、外径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鍛鋼製内層を配置し、内層の周りに前記超硬合金製の中空スリーブを挿入した。内層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は１１×１０^−６／Ｋ、外層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は６．２×１０^−６／Ｋである。
【００２８】
次いで、内層の外面と、中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、第１の中間層として、表１に示す超硬合金の混合粉末を充填した。この第１の中間層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は８．７×１０^−６／Ｋである。実施例２において、中間層は第１の中間層のみで構成される単層である。
【００２９】
その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３００℃、１４００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールを得た。そして、超音波探傷検査にて外層と内層の境界接合部の割れ発生の有無を調べた。また組織調査により境界接合部のη相の有無を確認した。
【００３０】
（実施例３）
まず、外層として、外径１００ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ２００ｍｍであり、表１の実施例３に示す組成の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブを作製した。次いで、外径１１０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶の中央に、外径６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鍛鋼製内層を配置し、内層の周りに前記超硬合金製の中空スリーブを挿入した。内層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は１１×１０^−６／Ｋ、外層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は５．８×１０^−６／Ｋである。
【００３１】
次いで、内層の外面と、中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、外層に隣接する第１の中間層として、外径７８ｍｍ、内径７０ｍｍ、長さ２００ｍｍの予め焼結した超硬合金製リングを挿入した。第１の中間層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は７．５×１０^−６／Ｋである。
【００３２】
さらに、内層の外面と、第１の中間層である超硬合金製リングの内面との間に形成された空隙に、第２の中間層として、表１に示す超硬合金の混合粉末を充填した。この第２の中間層の２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は９．５×１０^−６／Ｋである。実施例３において、中間層は第１の中間層および第２の中間層で構成される複層である。
【００３３】
その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３００℃、１４００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールを得た。そして、超音波探傷検査にて外層と内層の境界接合部の割れ発生の有無を調べた。また組織調査により境界接合部のη相の有無を確認した。
【００３４】
（比較例１）
表１の比較例１に示す外層、第１の中間層を用いた以外は、実施例２と同様に超硬合金製複合ロールを製造した。２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は、内層が１１×１０^−６／Ｋ、外層が６．２×１０^−６／Ｋ、第１の中間層が１１×１０^−６／Ｋである。
【００３５】
（比較例２）
表１の比較例２に示す外層、第１の中間層、第２の中間層を用いた以外は、実施例３と同様に超硬合金製複合ロールを製造した。２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数は、内層が１１×１０^−６／Ｋ、外層が６．２×１０^−６／Ｋ、第１の中間層が１０．４×１０^−６／Ｋ、第２の中間層が１１．３×１０^−６／Ｋである。
【００３６】
本発明の実施例１〜３によれば、外層と内層の境界接合部に割れが発生せず、また境界接合部にη相の発生もみられなかった。特に、線熱膨張係数が小さく、ヤング率の高いＷＣ含有量が８０重量％以上（より好ましくは８５重量％以上）とする耐摩耗性を一層要求される外層を形成する場合に本発明は有効である。
【００３７】
比較例１〜２によれば、外層と内層の境界接合部におけるη相の発生は抑制できたが、境界接合部に割れが発生した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【発明の効果】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールによれば、ロール外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、外層と内層の境界接合部に過大な内部応力が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＷＣ系超硬合金中のＷＣ含有量と２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数の関係を示すグラフである。

Claims

鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層は、２０〜８００℃間の平均線熱膨張係数が７〜１０×１０^−６／Ｋの範囲内にあることを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。
前記少なくとも１層の中間層は、インバー系合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
前記少なくとも１層の中間層は、炭化タングステン粒子を４５〜７０重量％含有する超硬合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
前記外層は、炭化タングステン粒子を８０重量％以上含有する超硬合金で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。