JP2014193487A - 溶射被覆ワークロール - Google Patents
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Abstract
【課題】金属又は金属合金シートの表面品質に害を与えることなく長期間の使用ができ、磨耗及び腐蝕に対して改善された抵抗性を有するワークロールの提供。
【解決手段】円筒状構造体の外周面上に溶射被覆されたワークロールであって、該溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、。Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＦｅおよびＮｉを含む金属バインダー並びに該金属炭化物、及び該金属バインダーを保護する、スプラット境界の少なくとも一部にあるＣｒ２Ｏ３層を含む上記の溶射被覆ワークロール。第ＶＩ族金属炭化物は式MxCで表すことができ、MxC相はMC、M2C、M6C、M9C及びM12Cより成る溶射被覆ワークロール。（ＭはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ及びＷの内の１種又は２種以上；ｘは１〜１２の整数）
【選択図】図２
【解決手段】円筒状構造体の外周面上に溶射被覆されたワークロールであって、該溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、。Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＦｅおよびＮｉを含む金属バインダー並びに該金属炭化物、及び該金属バインダーを保護する、スプラット境界の少なくとも一部にあるＣｒ２Ｏ３層を含む上記の溶射被覆ワークロール。第ＶＩ族金属炭化物は式MxCで表すことができ、MxC相はMC、M2C、M6C、M9C及びM12Cより成る溶射被覆ワークロール。（ＭはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ及びＷの内の１種又は２種以上；ｘは１〜１２の整数）
【選択図】図２
Description
関連出願
この出願は、参照することによって本願明細書に含まれる、２００６年５月１２日出願の米国仮特許出願第６０／７９９，６５６号の利益を請求するものである。
この出願は、参照することによって本願明細書に含まれる、２００６年５月１２日出願の米国仮特許出願第６０／７９９，６５６号の利益を請求するものである。
発明の分野
この発明は、金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用の、溶射被覆されたワークロール、金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールを作成する方法、溶射被覆されたワークロールを用いて金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートを製造する方法、並びに金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末に関する。
この発明は、金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用の、溶射被覆されたワークロール、金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールを作成する方法、溶射被覆されたワークロールを用いて金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートを製造する方法、並びに金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末に関する。
発明の背景
ワークロールは金属および金属合金シートの製造において重要な役割を果たす。例えば、アルミニウム工業はアルミニウム合金シートのラインを連続様式で運転することに高い価値を置く。有意の損失（エネルギー、容量、生産性、製品損傷等々）はアルミニウム合金シート製造の停止時間に関連している。シートのゲージを減少させ、そしてシート品質を改善するためにワークロールによって加えられる高いライン速度と力は、ワークロール表面の著しい磨耗を引き起こす。アルミニウム合金シートは、缶素材のような容器、車両部品、耐蝕性建築材料、箔等を作るために使用される。
ワークロールは金属および金属合金シートの製造において重要な役割を果たす。例えば、アルミニウム工業はアルミニウム合金シートのラインを連続様式で運転することに高い価値を置く。有意の損失（エネルギー、容量、生産性、製品損傷等々）はアルミニウム合金シート製造の停止時間に関連している。シートのゲージを減少させ、そしてシート品質を改善するためにワークロールによって加えられる高いライン速度と力は、ワークロール表面の著しい磨耗を引き起こす。アルミニウム合金シートは、缶素材のような容器、車両部品、耐蝕性建築材料、箔等を作るために使用される。
典型的なアルミニウム合金シートのプロセスにおいては、スラブを鋳造し、そして焼きなまし（均質化）することができるが、そのアルミニウム合金は中間ゲージのシートを与えるために熱間および冷間圧延（厚み減少（reduction））することができる。スラブおよびシートの温度、その他の運転制御事項は、これらの工程においては重大なこととなる可能性がある。その後、アルミニウム合金シートは、厚さ（最終ゲージ）を調整し、そしてシートの表面仕上げを改善するためにワークロールを通過させることができる。
一般に、アルミニウム合金シートと接触するワークロールは次の条件を満足することが望ましい：ワークロールは耐摩耗性である（メンテナンスのための運転停止間の時間を延ばす）；ワークロールはアルミニウム合金シートに最小限の表面損傷しか与えない；ワークロールは異なるタイプの潤滑剤によって引き起こされる腐蝕に抵抗する；およびワークロールのライフサイクルコストが低い。
普通のワークロールは鉄ベースの合金から作られるが、圧延プロセスによって与えられる高速ラインと高い力による磨耗が原因となってその寿命は限られている。いったんロール表面が悪化し、ロールがシートの品質にマイナスの影響を与えるようになると、そのロールは運転作業から外される。潜在的な品質問題の例に、縞模様形成（banding）、破壊屑（debris）、振動、表面欠陥（ピット）、増大した表面粗さ等がある。鉄系ロールは追加のコストを掛けてクロムメッキすることができるが、ロール寿命の延長は限られている。
この技術分野においては、金属または金属合金シートの表面品質に害を与えることなく長期間使用することができるワークロールの必要が引き続き存在する。また、磨耗および腐蝕に対して改善された抵抗性を有するワークロールの必要も引き続き存在する。
発明の概要
この発明は、ひとつには、外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含む、金属また金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールであって、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記のワークロールに関する。
この発明は、ひとつには、外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含む、金属また金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールであって、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記のワークロールに関する。
この発明は、また、ひとつには、（ｉ）外周面を有する円筒状構造体を用意し、そして（ｉｉ）上記円筒状構造体の外周面上に被膜を溶射することを含む、金属また金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールを作成する方法であって、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法に関する。
この発明は、さらに、ひとつには、（ｉ）金属または金属合金スラブを鋳造し、そして随意に焼きなましを行い、（ｉｉ）上記の金属または金属合金スラブを圧延して中間ゲージの金属または金属合金シートを与え、そして（ｉｉｉ）上記の中間ゲージの金属または金属合金シートを１個または２個以上のワークロールを通過させて最終ゲージの金属または金属合金シートを与えることを含む金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートを製造する方法であって、上記の１個または２個以上のワークロールが外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含み、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法に関する。
この発明は、なおもさらに、ひとつには、金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の溶射粉末に関する。
発明の詳細な説明
上に示したように、この発明は、ひとつには、金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の溶射粉末に関する。好ましくは、この発明は、ひとつには、アルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む上記の溶射粉末に関する。
上に示したように、この発明は、ひとつには、金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の溶射粉末に関する。好ましくは、この発明は、ひとつには、アルミニウム合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む上記の溶射粉末に関する。
特に金属合金、例えばアルミニウム合金のシートを圧延する方法で使用されるワークロールに望ましい耐摩耗性と耐蝕性を有する溶射被膜を達成することができる溶射用粉末が提供される。また、このような溶射用粉末を用いて上記ワークロール上に溶射被膜を形成する方法が提供される。
実例としての第ＶＩ族金属炭化物は式MxCで表すことができ、ここでＭはＣｒ、Ｃｏ、ＭｏおよびＷの内の１種または２種以上を表し、そしてｘは１〜１２の整数である。MxC相はMC、M2C、M6C、M9CおよびM12Cより成ることができる。この発明で有用な、適した第ＶＩ族金属炭化物に、例えばWC、MoC、CrC、WCrC、WMoC、CrMoC等がある。この発明で有用な第ＶＩ族金属炭化物の適した混合物に、例えばWCとWCrCとの混合物、WC とCrCとの混合物等がある。金属バインダーとして有用な、実例としての遷移金属に、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの内の１種または２種以上がある。この発明で有用な遷移金属の適した混合物には、例えばＣｒとＣｏとの混合物、ＣｒとＭｏとの混合物等がある。
溶射用粉末中の１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物の含有量は、約６５〜約９５重量パーセント、好ましくは約７０〜約９０重量パーセントの範囲であることができる。１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物の含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性が低下することがある。１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物の含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の靱性と密着性が低下することがある。クロムに関し、クロムは第ＶＩ族金属炭化物としてのみならず遷移金属としても存在できることが了解される。
溶射用粉末中の１種または２種以上の遷移金属の金属バインダー含有量は、約５〜約３５重量パーセント、好ましくは約１０〜約３０重量パーセントの範囲であることができる。１種または２種以上の遷移金属の含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の靱性および密着性が低下することがあるか、または溶射被膜の摩耗および酸化抵抗性が低下することがある。バインダー相中の１種または２種以上の遷移金属の含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性が低下することがあるか、または溶射被膜の靱性および密着性が低下することがある。クロムに関し、クロムは遷移金属としてのみならず第ＶＩ族金属炭化物としても存在できることが了解される。
上に示したように、この発明の好ましい溶射用粉末はWCCoCrを含む。このような粉末は金属合金、例えばアルミニウム合金を圧延する方法で使用されるワークロール用の溶射被膜の製造において有用である可能性がある。好ましい粉末中の元素濃度は様々であることができるが、以下に述べられる範囲内にあるのがよい。
溶射用粉末中のタングステンの含有量は約７６〜約８６重量パーセント、好ましくは約７８〜約８４重量パーセントの範囲であることができる。タングステンの含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性が低下することがある。タングステンの含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の靱性および密着性が低下することがある。
溶射用粉末中の炭素の含有量は約３〜約５．５重量パーセント、好ましくは約３．５〜約５．２重量パーセントの範囲であることができる。炭素の含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性が低下することがある。炭素の含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の靱性および密着性が低下することがある。
溶射用粉末中のコバルトの含有量は約７〜約１３重量パーセント、好ましくは約７〜約１１重量パーセントの範囲であることができる。コバルトの含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の靱性および密着性が低下することがある。コバルトの含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性が低下することがある。
溶射用粉末中のクロムの含有量は約２．５〜約７重量パーセント、好ましくは約３〜約６重量パーセントである。クロムの含有量が低すぎる場合は、溶射被膜の摩耗および酸化抵抗性が低下することがある。クロムの含有量が高すぎる場合は、溶射被膜の靱性および密着性が低下することがある。
クロムは被膜中に腐蝕遮断層として作用する強靱な酸化物層を形成するので、クロムの添加は好ましい組成物の重要な変更の１つである。クロムは溶射被膜中に多くの形で；即ち、被膜スプラット境界（coating splat boundaries）では酸化物として、被膜バインダー相中ではコバルトの金属合金として、そして潜在的には耐摩耗性の錯体炭化物（complex carbide）として見いだすことができる。クロム相は被膜の耐蝕性を改善し、そして被膜内および被膜とロールベースとの間のガルバーニ電気相互作用の可能性を低下させる。
溶射用粉末中の第ＶＩ族金属炭化物および金属バインダー、例えばタングステン、炭素、コバルトおよびクロムの総含有量は９７％以上であるべきである。溶射された粉末が第ＶＩ族金属炭化物および遷移金属以外の成分を含有している場合、溶射用粉末中のそれら他の成分の含有量は３重量％未満である。
この発明で有用な溶射用粉末の平均粒径（particle size）は、好ましくは溶射装置のタイプおよび溶射中に用いられる溶射条件に従って設定される。粒径は約５〜約５０ミクロン、好ましくは約１０〜約４５ミクロンの範囲であることができる。
この発明において有用な溶射用粉末内の第ＶＩ族金属炭化物の平均粒度（grain size）は、好ましくは溶射装置のタイプおよび溶射中に用いられる溶射条件に従って設定される。第ＶＩ族金属炭化物の粒度は約０．２〜約５ミクロン、好ましくは約０．３〜約２ミクロンの範囲であることができる。
この発明は、さらに、錯体相（complex phases）の形成を促進し、腐食性媒体による攻撃に役立つ金属バインダーの量を効果的に低下させる細かい第ＶＩ族金属炭化物粒子を溶射粉末内で用いて開始することに関する。溶射プロセス中には、第ＶＩ族金属炭化物粒子の中には部分的に溶けて金属バインダー相と合金を作ることができるものもある。第ＶＩ族金属炭化物粒子が細かすぎる場合は、溶射被膜の耐摩耗性を低下させる原因となる溶解または脱炭を起こすものが多すぎる可能性がある。
この発明で有用な溶射用粉末は、凝集法（噴霧乾燥・焼結（spray dry and sinter）法または焼結・破砕（sinter and crush）法）、または鋳造・破砕法（cast and crush）のような常用の方法によって製造することができる。噴霧乾燥・焼結法では、複数の原料粉末と適切な分散媒体とを混合することによってスラリーがまず調製される。このスラリーは次に噴霧乾燥によって粒状化され、次にその粒状粉末を焼結することによって凝集粉末粒子が形成される。次に、篩分けと分級によって溶射用粉末が得られる（凝集物が大きすぎる場合は、それらは破砕によって大きさを小さくすることができる）。上記粒状粉末の焼結中の焼結温度は、好ましくは１０００〜１３００℃である。
この発明による溶射用粉末は、もう１つの凝集技術である焼結・破砕法によって製造することができる。この焼結・破砕法では、複数の原料粉末を混合し、続いて圧縮することによって圧縮物がまず形成され、次いで１２００〜１４００℃の間の温度で焼結される。次に、その結果得られた圧縮物を破砕および分級して適切な粒径分布とすることによって溶射用粉末が得られる。
この発明による溶射用粉末は、また、凝集に代えて、鋳造（溶融）・破砕法によっても製造することができる。この溶融・破砕法では、複数の原料粉末を混合し、続いて急速加熱、鋳造、次いで冷却することによってインゴットがまず形成される。次に、上記の結果得られたインゴットを破砕および分級することによって溶射用粉末が得られる。
一般に、溶射用粉末は次のような常用の方法によって製造することができる：
ａ．噴霧乾燥・焼結法―例えば、ＷＣ、ＣｏおよびＣｒが混合されてスラリーとされ、次いで噴霧粒状化される。この凝集粉末は次に高温（少なくとも１０００℃）で焼結され、そして噴霧に適切な粒径分布に篩い分けられる；
ｂ．焼結・破砕法―例えば、ＷＣ、ＣｏおよびＣｒが水素ガスまたは（酸素分圧が低い）不活性雰囲気中で高温において焼結され、次いで機械的に破砕され、そして噴霧に適切な粒径分布に篩い分けられる；
ｃ．鋳造・破砕法―例えば、ＷＣ、Ｗ、ＣｏおよびＣｒがるつぼの中で融解され（Ｃを加えるのには黒鉛るつぼが使用できる）、その結果得られた鋳物が次いで機械的に破砕および篩い分けられる；
被覆粒子法（coated particle method）―例えば、ＷＣ粒子の表面がＣｏおよびＣｒのメッキに付される；および
緻密化法（densification method）―上記方法（ｉ）〜（ｉｖ）のいずれか１つで製造された粉末がプラズマ炎またはレーザーによって加熱され、そして篩い分けられる（プラズマ緻密化（plasma densifying）またはレーザー緻密化（laser densifying）法）。
各原料粉末の平均粒径は、好ましくは０．１ミクロン以上、さらに好ましくは０．２ミクロン以上であるが、好ましくは１０ミクロン以下である。原料粉末の平均粒径が小さすぎる場合は、コストが増大することがある。原料粉末の平均粒径が大きすぎる場合は、原料粉末を均一に分散させることが困難になることがある。
溶射用粉末を構成する個々の粒子は、溶射プロセス中に凝集したままでいるのに十分な機械的強さを有するのが好ましい。機械的強さが小さすぎる場合は、その粉末粒子はばらばらに砕けてノズルを詰まらせるか、または溶射装置の内壁に蓄積することがある。
溶射法は、粉末を加熱し、そしてロールベース（基材）上へと加速する溶射装置にその粉末を通して流すことを含む。衝突すると、その加熱された粒子は変形し、溶射ラメラまたは同スプラット（splat）をもたらす。部分的に重なり合ったスプラットが被膜構造を作る。この発明において有用な爆発溶射法は米国特許第２，７１４，５６３号明細書に開示されているが、その開示は参照することによって本明細書中に含められる。爆発溶射法は、さらに、開示が参照することによって本明細書中に含められる米国特許第４，５１９，８４０号および同第４，６２６，４７６号明細書に開示され、そしてそれらはタングステン、炭化物、コバルトおよびクロムの組成物を含有する被膜を含む。開示が参照することによって本明細書中に含められる米国特許第６，５０３，２９０号明細書は、この発明で有用な、Ｗ、Ｃ、ＣｏおよびＣｒを含んでいる組成物を被覆する高速ガスフレーム溶射法（high velocity oxygen fuel process）を開示する。
また、前記したように、この発明は、ひとつには、（ｉ）外周面を有する円筒状構造体を用意し、そして（ｉｉ）上記円筒状構造体の外周面上に被膜を溶射することを含む、金属また金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールを作成する方法であって、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、並びに約５〜約３５重量パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法に関する。好ましくは、この発明は、ひとつには、（ｉ）外周面を有する円筒状構造体を用意し、そして（ｉｉ）上記円筒状構造体の外周面上に被膜を溶射することを含む、アルミニウム合金シートの製造用ワークロールを作成する方法であって、上記溶射被膜が約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む上記の方法に関する。
被膜形成工程において、溶射用粉末はロールの表面上へと溶射され、その結果ロールの表面に溶射被膜が形成される。高速ガスフレーム溶射法または爆発ガン溶射法が溶射用粉末を溶射する好ましい方法である。他の被膜形成法に、プラズマ溶射法、プラズマトランスファーアーク（plasma transfer arc：PTA）法、フレーム溶射法またはレーザークラッディング法がある。
この方法の好ましい態様の１つでは、前記の被膜形成工程で基材の表面に形成された溶射被膜の上にシール処理剤が塗布される。実例としてのシール処理に、例えば２部分型エポキシ樹脂（two-part epoxies）（エポキシ樹脂と、それに加えてエポキシ硬化剤）がある。シール処理剤は、例えば浸漬、はけ塗りまたは吹付け処理によって適用される。
シール処理剤は、その表面張力および粘度が低いためにミクロメートル範囲の小さな穴またはギャップの中に容易に浸透することができる。ロール表面上における細孔中へのシーラントの浸透を向上させるために、適切な湿潤剤を加えることができる。実例としての湿潤剤に、例えばトルエン、アセトン、キシレンおよびアルコール類がある。
この発明によれば、金属または金属合金、例えばアルミニウム合金のシートと接触させて使用しようと意図されるワークロールは、まず、第ＶＩ属金属炭化物遷移金属、例えばタングステンカーバイドコバルトクロムの保護層で溶射被覆される。シーラントは、次に、ロールの基材に対する腐食性媒体の浸透を防ぎ、また被覆されたロールの表面上における破壊屑または酸化物の堆積を最小限に抑えるために、その被膜を覆って付着させることができる。
本発明の態様の１つでは、非仕上げ処理溶射層は、約０．０２５〜約１．０ミリメートルの厚さおよび約２．５％以下の多孔度を有する。非仕上げ処理溶射層は、約０．０２５〜約０．５ミリメートルの好ましい厚さおよび約１．５％以下の多孔度を有する。被膜が厚すぎる場合は、応力は早期の亀裂形成、および厚み減少力（reduction forces）による被膜破砕（coating spallation）をもたらし得るだろう。この発明による溶射被膜形成法によって形成される溶射被膜は、望ましい耐摩耗性（例えば表面状態および表面粗さ保持性）および耐蝕性を有することができる。
この発明のワークロールは、劣化、即ち表面粗さの急速な増加に対して抵抗性であり、そしてシートのマーキング、および白色欠陥、即ち酸化物形成のような表面欠陥を最小限に抑える望ましい表面粗さを示す。この発明のワークロールは約６０ミクロインチ未満の表面粗さＲａ、好ましくは約４０ミクロインチ未満の表面粗さＲａ、さらに好ましくは約３０ミクロインチに等しいか、またはそれ以下の表面粗さＲａを有する。
この発明の態様の１つにおいて、溶射被膜は金属または金属合金、例えばアルミニウムのシートを圧延し、そして仕上げ処理するのに使用されるワークロールの表面に適用され、この場合その溶射被覆ワークロールは磨耗および腐蝕に対して卓越した抵抗性を有する。この溶射被覆ワークロールは金属または金属合金、例えばアルミニウム合金のシートの卓越した品質と高生産性での製造に効果的である。爆発溶射法または高速ガスフレーム溶射法で適用される材料である第ＶＩ族金属炭化物遷移金属、例えばタングステンカーバイドコバルトクロムは、金属および金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの圧延および仕上げラインにおいて増加した装置寿命を与えることができる。
この発明の溶射被覆ワークロールは磨耗および腐蝕に対して抵抗性を示すことができ、このことが溶射被覆ワークロールにより長い寿命をもたらす。溶射被膜の重要な一面は表面仕上げ状態である。その被覆表面は、特定のロール輪郭（例えば、ワークロール表面がその中央部に向かって盛り上げられているが、ワークロールの端部に向かっては盛り上がりが少ない王冠形状）を得るか、またはそれを保持するために切削工具または硬質媒体を用いて機械加工または研削することができる。機械加工および／または研削された表面は、シート製品中の表面欠陥を最小限に抑える特定の表面粗さを得るために、柔軟なベルト（ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素媒体）で仕上げ処理することができる。シーラー被膜は腐食性媒体および／または潤滑性化合物に対して抵抗性とするために適用することができる。１つの好ましい態様においては、溶射被膜表面は、ワークロールを用いて製造された金属または金属合金シート上のマーキングまたは欠陥を最小限に抑えるかまたはなくすのに十分な仕上げ処理がなされる。
本発明の態様の１つにおいて、上記仕上げ処理溶射被覆層は、約０．０２５〜約０．２５ミリメートルの厚さおよび約２．５％以下の多孔度を有する。仕上げ処理溶射被覆層は、約０．０２５〜約０．１ミリメートルの好ましい厚さおよび約１．５％以下の多孔度を有する。被膜が厚すぎる場合は、応力は早期の亀裂形成、および厚み減少力による被膜破砕をもたらすことがあり得るだろう。この発明による溶射被膜形成法によって形成された溶射被膜は、望ましい耐摩耗性（例えば表面状態および表面粗さ保持性）並びに耐蝕性を有することができる。
前記したように、この発明は、ひとつには、外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含む、金属また金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールであって、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記のワークロールに関する。好ましくは、この発明は、ひとつには、外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含む、アルミニウム合金シートの製造用ワークロールであって、上記溶射被膜が約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む上記のワークロールに関する。
この発明の、金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造用ワークロールは形状および大きさが色々であることができる。これらワークロールは、典型的には、外周面と中空またはソリッドコアを持つ円筒状構造体を有する。ある１つの態様において、ワークロール上の被覆表面は、特定のロール輪郭（例えば、ワークロール表面がその中央部に向かって盛り上げられているが、ワークロールの端部に向かっては盛り上がりが少ない王冠形状）を得るか、またはそれを保持するために、切削工具または硬質媒体を用いて機械加工または研削することができる。ワークロールの大きさは、長さが約９００ミリメートルまたはそれ以下から約３０５０ミリメートルまたはそれ以上まで、また直径が約１５０ミリメートルまたはそれ以下から約４６０ミリメートルまたはそれ以上までの範囲であることができる。この発明のワークロールの形状と大きさは厳密には重要ではなく、金属または金属合金シートの製造で有用な十分な大きさと形状であることが必要なだけである。
アルミニウム合金シートを製造する典型的な方法は、アルミニウム合金スラブを鋳造し（このプロセスは連続またはバッチであることができ、また焼鈍し工程を含むことは随意である）、そのアルミニウム合金スラブを圧延して中間ゲージのアルミニウム合金シートを与え、そしてその中間ゲージのアルミニウム合金シートをワークロール系に通し、通過させて最終ゲージのアルミニウム合金シートを与えることを含む。
前記のように、この発明は、ひとつには、（ｉ）金属または金属合金スラブを鋳造し、そして随意に焼きなましを行い、（ｉｉ）上記の金属または金属合金スラブを圧延して中間ゲージの金属または金属合金シートを与え、そして（ｉｉｉ）上記の中間ゲージの金属または金属合金シートを１個または２個以上のワークロールを通過させて最終ゲージの金属または金属合金シートを与えることを含む金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートを製造する方法であって、上記の１個または２個以上のワークロールが外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含み、上記溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物並びに約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法に関する。
好ましくは、この発明は、ひとつには、（ｉ）アルミニウム合金スラブを鋳造し、そして随意に焼きなましを行い、（ｉｉ）上記アルミニウム合金スラブを圧延して中間ゲージのアルミニウム合金シートを与え、そして（ｉｉｉ）上記の中間ゲージのアルミニウム合金シートを１個または２個以上のワークロールを通過させて最終ゲージのアルミニウム合金シートを与えることを含むアルミニウム合金シートを製造する方法であって、上記の１個または２個以上のワークロールは外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含み、上記溶射被膜は約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む上記の方法に関する。
厚み減少に用いられるロールの上に形成された溶射被覆層では、仕上げ被覆層の厚さが重要な因子の１つである。被覆されたロールが一緒に加圧されると（圧力は典型的にはバックアップロールによって加えられる）、その被覆層およびロール基材の内部に大きな応力が生ずる。約０．２５ミリメートルより厚い仕上げ処理済み溶射被覆層は、圧延による被膜への損傷に抵抗するには厚すぎるだろう。
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの１種または２種以上から構成される金属バインダーを持つ第ＶＩ族金属炭化物に関して本発明によれば、溶射層は、金属炭化物MxC（ここで、Ｍは金属を表し、そしてＣｒ、Ｃｏ、ＭｏおよびＷの内の１種または２種以上である）；Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉより成る金属バインダー；並びに上記の炭化物、バインダー、および結果として生ずる粒子のスプラット境界を保護することができる保護Cr2O3層より成ることができる。MxC相はMC、M2C、M6C、M9CおよびM12Cより成ることができる。
この発明のWCCoCr溶射層の態様について、その支配的な炭化物相はWCが主要であり、そしてW2Cが副次的である。錯体炭化物相は観察することが難しいが、それは、特に主要または副次的の炭化物相が金属マトリックス中に溶解されている領域中に少量で存在していることができるだろう。溶液から沈殿する炭化物はＣｏおよびＣｒを含んでいることができる。この溶射層は、金属または金属合金シート、例えばアルミニウム合金シートの製造で使用されるワークロールの表面に形成される。この発明によれば、この溶射被覆層は冷間圧延プロセス中に耐摩耗性と耐蝕性を示すことができる。このような溶射被覆層を用いることによって、金属または金属合金、例えばアルミニウム合金のシート製品において高生産性と良好な品質を実現することができる。
この発明の溶射被膜はクロムメッキ鋼ロールよりも大きい耐摩耗性を提供することができる。溶射被覆ロールはクロムメッキ鋼ロールよりもコストが高いことがあるけれども、ロール寿命を延ばし、かつ損失（エネルギー、容量、製品損傷等々）を減少させることによって価値が得られる。
次の実施例は本発明をさらに説明するために与えられるものである。これらの実施例は事実として例示することが意図されるものであって、本発明の範囲を限定すると解されるべきではない。
実施例
下記の表Ｉに列挙される例は鋼基材に適用された溶射被膜である。表Ｉは組成物（重量パーセント）、溶射法、粉末製造法（出発タングステンカーバイドの大きさを含む）、図２に示される表面保持性データに基づく定性的性能、および追加のコメントを示す。
下記の表Ｉに列挙される例は鋼基材に適用された溶射被膜である。表Ｉは組成物（重量パーセント）、溶射法、粉末製造法（出発タングステンカーバイドの大きさを含む）、図２に示される表面保持性データに基づく定性的性能、および追加のコメントを示す。
試験法は、（ｔ＝０における）出発表面粗さを持つ磨き仕上げ被膜表面を振動仕上げ機のBuehler Vibromet Iの中に置くことを含む。試料は同一荷重の下で１−２μｍの二酸化チタン粒子により（乾燥条件中で）磨耗処理された。設定時間間隔（図２に示される）において、試料の表面粗さが測定および比較されて表面保持性が決定された。
上記の組成物ＡおよびＢについて、高速ガスフレーム溶射法（HVOF JP-5000）で適用されたWCCoCrは卓越した表面保持性を示した。組成物ＣおよびＤは良好な表面保持性を示した。これらの炭化物含有被膜は、全て、ワークロールに改善された耐摩耗性を与え、またより良好な表面保持性は圧延・仕上げ製造ラインにおけるより良好な金属シート品質と相関するはずである。溶射被覆ワークロールは炭化物被膜の増大した耐摩耗性から利益を得、かつ良好なシート品質の故に運転作業により長く留まっているだろう。
本発明の好ましい態様であると考えられるものが示され、そして説明されたが、本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、形態または細部において種々の修正および変更が容易になされ得るだろうことは、勿論了解されるだろう。従って、本発明は、本明細書に示され、そして説明される正確な形態および細部にも、また本明細書に開示される、後記で特許請求されるとおりの本発明の全体とは言えない任意のものにも限定されないことが意図される。
Claims (22)
- 外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含む、金属また金属合金シートの製造用ワークロールであって、該溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、および約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記のワークロール。
- 金属または金属合金シートがアルミニウム若しくはアルミニウム合金、鉄若しくは鉄合金、銅若しくは銅合金、チタン若しくはチタン合金またはニッケル若しくはニッケル合金を含む、請求項１に記載のワークロール。
- 鉄若しくは鉄合金が鋼またはステンレス鋼を含む、請求項２に記載のワークロール。
- １種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物がWC、MoC、CrC、WCrC、WMoCおよびCrMoCから選ばれる、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約７０〜約９０重量パーセントの該１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、および約１０〜約３０重量％パーセントの該１種または２種以上の遷移金属を含む、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約７６〜約８６重量パーセントのタングステン、約３〜約５．５重量パーセントの炭素、約７〜約１３重量パーセントのコバルトおよび約２．５〜約７重量パーセントのクロムを含む、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約７８〜約８４重量パーセントのタングステン、約３．５〜約５．２重量パーセントの炭素、約７〜約１１重量パーセントのコバルトおよび約３〜約６重量パーセントのクロムを含む、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜にシーラントが適用される、請求項１に記載のワークロール。
- シーラントがエポキシ硬化剤を加えたエポキシ樹脂を含む、請求項８に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約０．０２５〜約１．０ミリメートルの厚さを有する、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約２．５％以下の多孔度を有する請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜が約６０ミクロインチ未満の表面粗さを有する、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜がプラズマ溶射法、高速ガスフレーム溶射法または爆発溶射法によって形成される、請求項１に記載のワークロール。
- アルミニウム合金シート製造用の、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜表面が機械加工および／または研削される、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜表面が、王冠形状を有するワークロール輪郭を得るかまたは保持するのに十分な機械加工および／または研削がなされる、請求項１に記載のワークロール。
- 溶射被膜表面が、該ワークロールを用いて製造された金属または金属合金シート上のマーキングまたは欠陥を最小限に抑えるかまたはなくすのに十分な仕上げ処理がなされる、請求項１に記載のワークロール。
- 仕上げ処理された溶射被膜が約０．０２５〜約０．２５ミリメートルの厚さを有する、請求項１７に記載のワークロール。
- （ｉ）外周面を有する円筒状構造体を用意し、そして（ｉｉ）該円筒状構造体の外周面上に被膜を溶射することを含む、金属また金属合金シートの製造用ワークロールを作成する方法であって、該溶射被膜が約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、および約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法。
- （ｉ）金属または金属合金スラブを鋳造し、そして随意に焼きなましを行い、（ｉｉ）上記の金属または金属合金スラブを圧延して中間ゲージの金属または金属合金シートを与え、そして（ｉｉｉ）上記の中間ゲージの金属または金属合金シートを１個または２個以上のワークロールを通過させて最終ゲージの金属または金属合金シートを与えることを含む金属または金属合金シートを製造する方法であって、該１個または２個以上のワークロールは外周面およびその外周面上の溶射被膜を有する円筒状構造体を含み、該溶射被膜は約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、および約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の方法。
- 金属または金属合金シートの製造用ワークロールの外周面を被覆するための溶射粉末であって、約６５〜約９５重量パーセントの１種または２種以上の第ＶＩ族金属炭化物、および約５〜約３５重量％パーセントの、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびニッケルから選ばれる１種または２種以上の遷移金属を含む上記の溶射粉末。
- 約０．１〜約５ミクロンの粒度を有する、請求項２１に記載の溶射粉末。
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