JP2920138B1 - 熱間圧延ライン用セラミック治具 - Google Patents

熱間圧延ライン用セラミック治具

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JP2920138B1 JP10044784A JP4478498A JP2920138B1 JP 2920138 B1 JP2920138 B1 JP 2920138B1 JP 10044784 A JP10044784 A JP 10044784A JP 4478498 A JP4478498 A JP 4478498A JP 2920138 B1 JP2920138 B1 JP 2920138B1
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Abstract

【要約】 【課題】 耐摩耗性、耐食性、耐欠損性を向上させた熱
間圧延ライン用セラミック治具を提供する。 【解決手段】 窒化珪素と焼結助剤および炭化珪素から
構成される焼結体よりなる熱間圧延ライン用セラミック
治具である。炭化珪素の含有率を、窒化珪素と焼結助剤
の合算重量に対して、外比で1〜30wt%とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、条鋼、鋼管等を
製造する熱間圧延ラインに使用されるガイドローラや圧
延ロール等のセラミック治具に関し、さらに詳しくは、
炭化珪素および焼結助剤の添加量等を所定のものとする
ことにより、耐摩耗性、耐食性、耐欠損性を向上させた
窒化珪素基焼結体からなるセラミック治具に関する。
【0002】
【従来の技術】 従来、条鋼や鋼管等を製造する熱間圧
延ラインに使用されるガイドローラや圧延ロール等の治
具には、金属製のものが多く用いられていたが、一般的
に摩耗が激しく、短寿命であり、かつ重量が重いという
欠点があった。このため、耐摩耗性に優れる超硬合金か
らなる治具が開発されているが、超硬合金もまた比重が
大きく、重量が重くなるために圧延時のローラの回転が
加速されるまでの間に著しい摩耗を受け、肌荒れや焼き
付けを起こしやすいといった問題があった。
【0003】 そこで、近年、耐摩耗性や耐熱性、軽量
性等に優れる窒化珪素(Si34)をベースにしたセラ
ミック治具の開発が鋭意行われている。ここで、一般的
に、Si34は難焼結性であるために、その製造に際し
ては、通常、イットリア(Y23)やアルミナ(Al2
3)、マグネシア(MgO)等の各種酸化物を焼結助
剤として添加し、Si34粒子間に形成されるガラス相
により、焼結を促進させている。
【0004】 しかしながら、このようにして製造され
たSi34焼結体においては、Si34粒子間のガラス
相が、被圧延材中の鉄や冷却水と反応することにより腐
食され、使用により摩耗量が著しく増大するという問題
があった。また、圧延ラインの最終圧延機入側のよう
に、高温の圧延鋼材が極めて高速で通過する極めて厳し
い環境下では、チッピングや割れといった欠損の発生が
認められる等、信頼性に欠ける問題があった。
【0005】 そこで、このようなガラス相を形成を回
避し、耐摩耗性を向上させた発明として、特開平8−2
15731号公報には、Si34粒子間が、80%のカ
スピディン構造の結晶相と、10%以下のアパタイト構
造の結晶相および5%以下の珪灰石構造の結晶相からな
る熱間圧延用セラミック治具が開示され、また、特開平
9−278529号公報には、相対密度が99%以上で
あり、平均径0.5〜10μmの窒化クロム(Cr
2N)粒子を、体積分率で1〜8%分散させたSi34
焼結体からなる線材圧延ガイドローラが開示されてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、特開
平8−215731号公報記載の熱間圧延用セラミック
治具は、Si34粒界のガラス相の耐腐食性の改善によ
る耐摩耗性の改善を目的としてなされたものであり、S
34粒界に所定の結晶相を析出させるためには、焼結
助剤の成分が一定のものに限定されることとなる。ま
た、高硬度化や耐欠損性の向上は図られおらず、耐摩耗
性についても、さらに改善が要求されるところである。
【0007】 一方、特開平9−278529号公報に
記載の線材圧延ガイドローラは、高硬度化、高靭性化、
高耐熱衝撃性化を目的としてなされたものであるが、所
定の相対密度を得るには、熱間静水圧プレス(HIP)
処理を必要とすることから、製造コストが高くつくとい
う問題がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】 本発明は、上述した従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的
とするところは、高硬度であり、かつ、耐摩耗性と耐食
性に優れた炭化珪素(SiC)をSi34焼結体に分散
させることにより、Si34基焼結体の高硬度化、高耐
食性化、高靭性化を図り、熱間圧延ライン用治具として
耐摩耗性と耐欠損性に優れたSi34基焼結体からなる
セラミック治具を、安価に提供することにある。
【0009】 すなわち、本発明によれば、窒化珪素と
焼結助剤および炭化珪素から構成される焼結体よりなる
熱間圧延ライン用セラミック治具であって、当該炭化珪
素の含有率が、窒化珪素と焼結助剤の合算重量に対し
て、外比で1〜30wt%であるとともに、当該炭化珪
素の平均粒径が1〜20μmであることを特徴とする熱
間圧延ライン用セラミック治具、が提供される。
【0010】 ここで、本発明の熱間圧延ライン用セラ
ミック治具は、平均粒径が1〜10μmの炭化珪素粒子
をSi34焼結体内へ分散させてなることが好ましい。
また、このようなSi34基焼結体を製造するにあたっ
て使用される焼結助剤としては、希土類元素化合物であ
ることが好ましく、特に、希土類元素として、イットリ
ウムおよび/またはイッテルビウムが好適に用いられ
る。
【0011】
【発明の実施の形態】 本発明の熱間圧延ライン用セラ
ミック治具においては、Si34基焼結体中に高硬度の
SiC粒子が分散され、機械的強度を維持したまま、高
硬度化と高靭性化が図られていることから、耐摩耗性、
耐欠損性に優れ、かつ、耐食性にも優れた特徴を示す。
しかも、常圧焼結による製造を可能ならしめるように焼
結助剤が選択されていることから、製造コストを安価に
抑えることが可能となる。
【0012】 熱間圧延ラインに用いられる各種の治具
としては、たとえば、圧延ロールやガイドローラー、ガ
イドスリーブ等が挙げられる。なお、本発明のセラミッ
ク治具は、上述の通り、Si34と焼結助剤およびSi
Cから構成されるSi34基焼結体よりなるが、このこ
とは、Si34基焼結体に、製造にあたって使用される
出発原料中に含まれる微量の不純物が混入することまで
も排除するものではない。
【0013】 ここで、SiCの含有率は、Si34
焼結助剤の合算重量に対して、外比で1〜30wt%の
範囲とされる。これは、1%未満の添加量では、SiC
粒子による耐摩耗性の向上と高靭性化の効果が現れず、
一方、30%超では、Si34の焼結が困難となり、材
料強度が低下するといった問題が生ずるためである。
【0014】 また、SiC原料としては、α型、β
型、非晶質のいずれのものを用いてもよいが、平均粒径
が1〜20μmの粉末が好適に用いられ、より好適には
1〜10μmの粉末が用いられる。これらSiC粉末
は、粒子の状態でSi34基焼結体内に分散される。こ
こで、SiC粒子の粒子径が1μm未満では、Si34
基材よりSiC粒子が脱粒しやすくなり、耐摩耗性が改
善されず、また、靭性も向上しない。一方、20μm超
では焼結性が低下して材料強度が低下し、チッピングや
欠けといった欠損が発生しやすくなるため、好ましくな
い。
【0015】 次に、焼結助剤については、上述の通
り、従来からY23やAl23、MgO等が知られてい
るが、本発明においては、焼結助剤として、希土類元素
化合物、特に、イットリウム(Y)および/またはイッ
テルビウム(Yb)の化合物、たとえば、これらの酸化
物や窒化物が好適に用いられる。なお、その他、YやY
bと同様に用いることができる希土類元素としては、ユ
ーロピウム(Eu)やツリウム(Tm)が挙げられる。
【0016】 このような希土類元素化合物を焼結助剤
として用いることにより、Al23やMgOを用いた場
合に、Si34粒界相の軟化点が低くなり高温強度が低
下するといった問題点を回避することができる。
【0017】 続いて、上述した組成を有するSi34
基焼結体からなるセラミック治具の作製方法について説
明する。まず、Si34と焼結助剤およびSiCの原料
粉末を所定組成に均一に混合した後、バインダー等を添
加して造粒粉を作製し、冷間静水圧プレス(CIP)法
により、ブロック状の成形体を作製する。
【0018】 次に、得られた成形体を、次工程での焼
成における焼成収縮および焼成後の研削代を見込んだ所
定形状に、NC旋盤等を用いて切削加工し、窒素雰囲気
中、所定温度にて所定時間焼成する。こうして得られた
焼結体に研削・研磨加工を行うことで、目的とするセラ
ミック治具が作製される。
【0019】 なお、原料粉末からのブロック状の成形
体の作製にあたっては、CIP法の他に、一軸プレス
法、鋳込み成型法等の種々のセラミック粉末の成形方法
を用いることができることはいうまでもない。また、未
焼成のブロック状成形体を適度な加工強度を有するよう
に仮焼し、得られた仮焼体を所定形状に切削加工した
後、焼成を行ってもよい。
【0020】 こうして得られたセラミック治具は、従
来のSi34基焼結体と比較して、耐摩耗性、耐欠損性
が著しく向上し、熱間圧延ライン用に好適に使用され
る。以下、本発明に係るセラミック治具について、熱間
圧延ラインの入り口ガイドローラに用いた場合を実施例
として、さらに詳細に説明する。但し、本発明が以下の
実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【0021】
【実施例】 Si34粉末に、表1中の実施例1〜5お
よび比較例1〜3に示すように、焼結助剤としてのY2
3とYb23およびSiCを所定量ほど添加して混合
し、得られた成形原料をゴム型に充填して、圧力2.5
ton/cm2にて、CIP成形した。得られた成形体
をNC旋盤を用いて切削加工し、目的とすべきガイドロ
ーラの最終形状および焼成後の研削加工代を見込んだ寸
法において、ニアネット形状に加工し、作製した切削加
工体を、窒素雰囲気中、所定温度にて焼成した後、得ら
れた焼結体の内径部、端面、カリバー部をダイヤモンド
砥石を用いて研削加工し、外形80mmφ×内径50m
mφ×幅40mm、溝部曲率がR10の製品たるガイド
ローラを得た。
【0022】
【表1】
【0023】 圧延試験は、被圧延材としてSUS系鉄
合金を用い、ガイドローラ取付部では被圧延材の温度は
950℃、被圧延材の速度は20m/sであった。耐摩
耗性の評価については、2500tの被圧延材の圧延後
に、ガイドローラのカリバー部の摩耗量を測定すること
で行った。これらの評価結果を表1に並記する。
【0024】 一方、作製したセラミック治具を構成す
る材料の室温強度および破壊靭性値を測定するために、
CIP成形後の成形体から、JIS R−1601に従
う試験を行うための試験片を切り出し、ガイドローラの
焼成条件と同じ条件において焼成し、所定形状に研削加
工して形状を整えた後、室温強度等を測定した。これら
の特性の測定結果についても表1に並記した。
【0025】 表1より、SiCの添加量が多くなるに
したがって、室温強度は低下する傾向にあることがわか
る。これは、SiCが難焼結性であるために、添加量が
増加すると焼結性が低下するためと考えられる。事実、
実施例1〜8に対し、SiC添加量が40wt%と多
く、室温強度の低い比較例5の場合においては、試験中
にローラが割損する事故が生じた。なお、SiC添加量
が1wt%未満と少ない場合には、比較例2の結果に示
されるように、耐摩耗性の改善が見られなかった。
【0026】 また、破壊靭性値は、SiCの添加量が
20wt%のとき最大となった。破壊靭性値は、SiC
の添加量増加にともなう破壊靭性値の増加と、焼結不足
による強度低下に起因する破壊靭性値の低下との兼ね合
いで決まるものと考えられる。
【0027】 さらに、添加するSiC粒子の粒径が1
μm以下であると、ローラ表面と被圧延材が摺動する際
に、SiC粒子がSi34基材より脱粒しやすくなり、
耐摩耗性の向上に寄与しない。このため、比較例3で
は、SiCを添加しない比較例1と同等の耐摩耗性しか
得られなかった。
【0028】 一方、SiC粒径が20μmを越える
と、焼結性が低下し、室温強度が低下する。現に、比較
例4は、実施例4〜7とは添加したSiCの粒径のみが
異なるものであるが、比較例4においてのみ、試験中に
ローラ表面にチッピングが発生した。
【0029】
【発明の効果】 以上、本発明によれば、耐摩耗性およ
び耐欠損性が極めて良好な、信頼性に優れる熱間圧延用
セラミック治具が提供される。また、本発明の熱間圧延
用セラミック治具は、HIP処理を必要とせず、常圧焼
結が可能であるので、安価に製造することが可能であ
る。これにより、条鋼等の熱間圧延において、安定した
品質の鋼材等の生産が可能となるとともに、生産性の向
上が図られるという優れた効果を奏する。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素と焼結助剤および炭化珪素から
    構成される焼結体よりなる熱間圧延ライン用セラミック
    治具であって、 当該炭化珪素の含有率が、窒化珪素と焼結助剤の合算重
    量に対して、外比で1〜30wt%であるとともに、当
    該炭化珪素の平均粒径が1〜20μmであることを特徴
    とする熱間圧延ライン用セラミック治具。
  2. 【請求項2】 当該炭化珪素の平均粒径が1〜10μm
    であることを特徴とする請求項1記載の熱間圧延ライン
    用セラミック治具。
  3. 【請求項3】 当該焼結助剤が、希土類元素化合物であ
    ることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱間圧延ラ
    イン用セラミック治具。
  4. 【請求項4】 当該希土類元素が、イットリウムおよび
    /またはイッテルビウムであることを特徴とする請求項
    記載の熱間圧延ライン用セラミック治具。
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