JP3447361B2 - 冷間圧延用ワークロール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、各種の匡体、車体、建
築物、装飾品等の素材となる金属板の冷間圧延に用いる
ワークロールに関する。ここで圧延を行う金属板として
は、普通鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等の
板及び箔が含まれる。 【０００２】 【従来技術】今日、鉄鋼、アルミニウム等冷間圧延によ
り製造される金属板の品質の改善に関する需要家からの
期待は大きく、メーカーでは高い品質の冷間圧延板をよ
り安価に製造する方法の研究開発が行われている。高い
品質が求められている冷間圧延金属板の特性の具体例の
ひとつとして表面の光沢度があり、高い光沢度をもつ板
を安価に製造する技術に対する要請は大きい。また、冷
間圧延金属板の製造コストを低下させる有力な手だてと
して、耐摩耗性が高く寿命が長いロールを使用する方法
があり、高耐摩耗性ロールの開発が強く望まれている。 【０００３】一般に冷間圧延金属板の表面の光沢度は、
圧延潤滑油が圧延ワークロールと板の間（ロールバイ
ト）に閉じ込められて、板表面に形成されるオイルピッ
トと呼ばれる窪み、及び研削痕を始めとするワークロー
ルの表面モフォロジーが鋼板表面に転写されて形成され
る凹凸の形態と分布と面積率、更にはヒートスクラッチ
等に代表される疵の有無により決定される。従来、冷間
圧延により製造される金属板の光沢度を上げるためには
以下の項目をひとつまたはそれ以上適宜組み合わせて圧
延条件を決定することが行われている。 （１）ワークロールの径を小さくする。 （２）圧延板速度を低下させる。 （３）ワークロールの表面を滑らかにする。 （４）粘度の低い潤滑油を用いる。 （５）圧下率を高くする。 【０００４】しかしながら、これら上に挙げた方法は他
方で以下の問題点をもっている為、単純に条件を設定す
ることは出来ない。即ち、 （１）ロールバイト入口の断面形状を噛みこみ角αが頂
角であるくさび型と仮定したとき、流体力学的な計算に
より求められる入口油膜厚さｈはαに反比例する。ロー
ル径が小さいほど、αは大きくなることから入口油膜厚
さｈは低下する。ｈの低下によってロールバイトに持ち
込まれる油量が低下すればオイルピット数が減少するこ
とで板の光沢度は上昇することになる。しかし、クラス
ター圧延機に使用されることが多いφ３０mmからφ１２
０mm程度の小径のワークロールを用いる場合には、タン
デム圧延機に使用されることが多いφ４００mmからφ６
００mm程度の大径のロールを用いる場合と比較して圧延
速度が低い値に制限される為に生産性が低下して製造コ
ストが上昇する。特に、ステンレス鋼板等の圧延に用い
られることが多いゼンジミア圧延装置の様なクラスター
ミルに小径のワークロールを用いて圧延を行う場合に、
この生産性の低下による製造コストの上昇は顕著とな
る。 【０００５】小径ワークロールを用いて圧延することで
生産性が低くなり製造コストが上昇するという問題点
は、特開昭６１−４９７０１号公報に開示されているよ
うに、ステンレス鋼板をタンデム圧延機によりほぼ目的
の厚み寸法まで圧延を行った後に仕上げ圧延のみをゼン
ジミアミルにより圧延した場合にも同様にある。更にこ
の場合には、生産が二工程となることの他、生産途中製
品の仕掛り量を増大させるというデメリットもある。 【０００６】（２）流体力学的な計算によればロールバ
イト入口での油膜厚さｈは、ロールバイト入口速度と出
口速度の和に比例する為、板速度の低下はオイルピット
数を減少させることで圧延後の板の光沢度を上昇させ
る。しかし、板速度の低下は生産性の低下に直結してお
り、製造コストを上昇させるデメリットがある。 【０００７】（３）一般に、金属板の冷間圧延を行うワ
ークロール表面の粗度を低くすると、 ロールバイト入口で機械的に捕捉されてロールバイト
内に導入される油の量が少なくなり、ロールバイトでの
オイルピット数が減少すること、及び研削をはじめと
するワークロール表面の凹凸が減少することで圧延板の
表面に転写されて形成される凹凸が減少するという理由
により圧延された板の光沢度は高まる。しかし、ロール
表面の粗度が低くなるとオイルピットはその数が減少す
ると同時に分布が不均一になる傾向があり、結果として
板に一定以上の光沢度をもたせることが難しく、更にタ
ンデム圧延機で用いるような大径ワークロールの粗度を
低下させると、スリップやチャタリング等の圧延異常が
発生し易くなるために、実用的なロール粗度には下限が
存在するのが普通である。 【０００８】（４）一般にロールバイト内で板材料が塑
性変形している箇所では板とワークロール間の油膜は薄
く、両者は境界潤滑状態で接すると考えられている。ま
た、流体力学的な計算によればロールバイト入口での油
膜厚さｈは潤滑油の粘度η_o に比例する為、粘度が低い
油を使用することでオイルピット数を減少させて板の光
沢度を上昇させることは出来る。しかし、光沢度を上げ
る目的で粘度が低い潤滑油を用いた圧延を行う場合、境
界潤滑部分では完全な油切れによる金属接触が生じ易く
なる。油切れによる金属接触が生じた箇所ではヒートス
トリーク（焼き付き）が発生することにより、板の表面
には疵が残りその板は製品とならないことが多いという
危険がある。そのために潤滑油の粘度の低下による光沢
度の向上には限界がある。 【０００９】（５）冷間圧延の圧下率が高い程ロールバ
イト入口での噛み込み角αは大きくなり、圧延後の板の
光沢度は上がる傾向にある。しかし高圧下条件で圧延を
行う場合にはロールバイトでの油膜切れとそれに伴うヒ
ートストリークが発生し易くなることから、圧下率を大
きく上げて光沢度を上昇させるのは難しい場合が多い。
尚、この圧下率を上げた際に油膜切れを生じる可能性は
粘度が低い潤滑油を用いた場合に更に大きくなる。 【００１０】近年、高圧下率圧延の場合にも良好な境界
潤滑状態が保て、且つ耐摩耗性が高い焼結超硬合金製ワ
ークロールも開発されている。しかし、焼結超硬合金製
ロールは大径のものを製造することが困難であり、例え
ば鉄鋼薄板製造のタンデム圧延機等に用いることはでき
ない。これに対して、例えば特開昭６１−４６３０７号
に開示されたように、鍛鋼ロールの表面に炭化物粉体を
肉盛りを行ったり、または溶射を行うことにより焼結超
硬合金製ロールに近い特性をもつロールもある。これら
肉盛りや溶射による被覆法を用いれば、例えばタンデム
圧延機で用いる大径ロールも超硬合金製に近い特性をも
つものが製作出来る。しかし肉盛や溶射を行ったままの
表面は凹凸が大きすぎるためにそのままでは圧延を行う
ことが出来ない。よって、肉盛りや溶射で被覆したロー
ルは研削した後に使用するが、被覆材が硬質材料である
ために研削は困難であり、その労力やコストは多大であ
る。よって表面処理ロールは処理後に手入れ無しで使用
できることが望ましい。 【００１１】以上の様に、従来の技術ではロールの耐摩
耗性を高めつつ光沢度の高い金属板を生産性高く冷間圧
延で製造するには制限が多く、またロール径も自由に決
定することはできなかった。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】以上のように、光沢度
が高い金属板の製造を冷間圧延によって行おうとする場
合、従来の方法では小径ロールを用いるか、低粘度の潤
滑油を用いるか、または、低速もしくは高圧下率で圧延
を行うことの何れかもしくはその組合せによる対策が行
われてきた。しかし、これらの対策は何れの場合も生産
効率の低下またはヒートスクラッチの発生可能性の増大
等のデメリットをもたらすか、またはロールの製造に問
題があったために生産性を確保出来る圧延条件及びロー
ル径等が限られていた。 【００１３】かかる現状の課題に対して、本発明が目的
とするところは、従来は生産性を低下させたり疵入りの
危険があった圧延条件でも耐摩耗性を確保しながら金属
板の冷間圧延加工を行うことができるワークロールを提
供するものである。 【００１４】発明者らは、圧延中にロールと金属板の間
のオイルピットの面積率が小さくなり両者の境界潤滑部
の面積率が上昇する圧延条件でも、良好な圧延潤滑状態
を保つことが出来る表層材質をもつワークロールを使用
することにより、圧延条件や圧延潤滑油の特性の制限に
縛られること無く冷間圧延加工が出来ると考え、最適な
ロール表層材質の実現のために鋭意研究を行ってきた。
その結果得られた本発明は、金属板の冷間圧延に用いる
鉄基合金製ワークロールで、チタン、ハフニウム、また
はタンタルの少なくとも一種類以上、および炭素をイオ
ン注入法により表層に添加することでマトリクス組織を
非晶質合金としたものであり、該非晶質合金中に含まれ
る炭素は濃度が４５原子％以上８０原子％以下であり、
グラファイトを主な存在形態として分散析出しているこ
とを特徴とする冷間圧延用ワークロールである。 【００１５】 【作用】本発明が開示する内容で、ロールの表層として
いる材料組織のマトリクスである鉄と遷移金属元素と炭
素を主成分とする非晶質合金の遷移金属としてはチタ
ン、ハフニウム、タンタルが代表的に挙げられる。例え
ば、遷移金属元素がチタンであるＦｅ−Ｔｉ−Ｃ非晶質
合金は、耐摩耗材料の観点からは鉄と摺動させるときの
乾燥摩擦係数が低く摩耗が少ないことが既に知られてい
る（I.L.Singer, C.A.Carosella, and J.R.Reed, Nucl.
Instrum. Meth., 182/183 (1981) 923-932）。しかし
本発明者らは、この非晶質合金は鉄と乾燥状態で摺動さ
せた後に摺動痕をＥＰＭＡ（電子線プローブマイクロア
ナライザ）により元素分析を行ったところ、該非晶質合
金と鉄いずれからも他方への凝着移着を生じていないこ
とを見いだし、この非晶質合金が低凝着性をもつことを
明らかにした。よって該非晶質合金でワークロール表層
を覆うことで、ロールバイト（ロールと板の接触界面部
分）におけるワークロールと板の境界潤滑部分での凝着
力が低下するため、オイルピットの面積率が減少して境
界潤滑部の面積率が増加した場合にも良好な圧延潤滑状
態で板の圧延を行うことができる。しかし、この非晶質
合金は硬度が鍛鋼と同程度であるため、摩耗により失わ
れる危険が高い。そのため、そのままではワークロール
の表層材料として用いることが出来ない。 【００１６】しかし、本発明が開示する内容でワークロ
ールの表層を形成する材料は、該非晶質合金をマトリク
スとして炭素がグラファイトを主な存在形態として分散
析出していることで降伏応力を増している。そのために
該表層材料は非晶質合金マトリクスによって低い凝着特
性を保ちながら高い耐アブレーシブ摩耗性を実現する。
また炭素析出物はそれ自身が潤滑性がある材料であるた
めに、分散強化により材料の強度を高める働きのみなら
ず、材料の潤滑性を損なうことが無い。 【００１７】更に、本発明のロールは凝着性が低いこと
から耐焼き付き性が優れているために、従来のロールで
は焼き付きが発生するような高圧下での圧延または低粘
度の圧延潤滑油の使用が可能となる為、高い光沢の板を
製造することが出来る。又、本発明のロールは圧延板と
の凝着が少ないために摩耗粉の発生を抑えることが出来
ることからミルクリーン性が向上する。摩耗粉発生量の
減少は、スカム（摩耗粉と油脂の固まり）の発生を減少
させることによりスカムが板表面に落ちて圧延されるこ
とによって生じるボタンマーク疵の発生も減少させる。
従って潤滑油を循環する際にフィルター等で除去される
油も減少するので油原単位も向上する。 【００１８】図１には該ロール断面の模式図を示す。こ
こで炭素は最大濃度が４５原子％以上８０原子％以下且
つグラファイト析出物は粒径が２０nm以下のものが全析
出物の９０％以上あることが望ましい。炭素の最大濃度
が上記の範囲の上または下であっても本発明が提供する
効果が得られることは変わりないが、ある程度耐荷重が
低下する傾向は見られる為、望ましい濃度範囲として４
５原子％以上８０原子％以下を記述した。粒径が２０nm
より大さいものがこれより増えると、分散強化による材
料強度上昇効果が低下して耐摩耗性の効果が低下しはじ
める傾向がある。また、鉄とチタンと炭素を主成分とす
る非晶質合金中に炭素を含む析出物が分散することで材
料組織の強化をおこない耐摩耗特性を向上させる場合
に、析出物の主たる存在形態がグラファイトではなく炭
化物である材料として該非晶質合金にチタン炭化物を分
散させたものが既に知られている（例えば、D. M. Foll
staedt, J.A.Knapp, and L.E.Pope, Nucl. Instrum. Me
th., B42 (1989) 205-211 ）。しかし、チタン炭化物は
本発明で析出物として用いたグラファイトと異なり、そ
れ自体は潤滑性をもたない材料であり、この場合チタン
炭化物はその分散によって降伏応力を増すことにより耐
アブレーシブ摩耗性を上げる効果のみを与えているため
本発明とは作用が異なるものである。 【００１９】本発明が開示する内容である、鉄と遷移金
属と炭素を主成分とする非晶質合金をマトリクスとして
炭素がグラファイトを主な存在形態として分散析出して
いる表層の作製は、例えばイオン注入法を用いることに
より簡便に行うことが出来る。その際に圧延ロール母材
に対してチタンと炭素の二種の元素のイオン注入を行
う。この際、チタンと炭素のイオン注入はどちらの元素
が先に注入されても構わず、また二つの元素が同時に注
入されても効果は変わらない。イオン注入法はその特徴
として、所望の材料の作製の前後で母材とする素材の寸
法や粗度の変化が無い。その為に、もしイオン注入法に
よる表面材料の作製を行った場合には、上記の溶射や肉
盛りの紹介で述べたような、表面材料作製後の研削等の
後処理工程が不要であるという優れた特徴がある。 【００２０】尚、冷間圧延ロールの表面にイオン注入を
行うことでその特性を向上させる技術として、例えば特
開昭６１−１２９２０５号公報の様にクロムメッキを施
したロールの上から窒素等のイオンを注入したものが知
られている。しかし、この発明はメッキの最表層に硬質
層を形成することでロールの耐摩耗性を向上するもので
あり本発明とはその目的が異なる上に、イオン注入の下
地としてクロムメッキ層が必要であり二工程の表面処理
を行うものであることからコストの上昇が発生する。 【００２１】 【実施例】以下に実施例として、直径φ４００mmの冷間
圧延用鍛鋼ワークロール（初期粗度０．３μｍ）で、従
来品ロール及び表層０．２μｍが鉄とチタンと炭素を主
成分する非晶質合金（組成は不均質）中に炭素が主とし
てグラファイト形態で最大濃度６０原子％以上分散析出
している本発明品ロールを、２Ｈｉ圧延機に組み込んで
厚み１mm×幅２００mmのＳＰＣ普通鋼板及びＳＵＳ４３
０ステンレス鋼板を圧延したときの結果を述べる。尚、
該表層を形成させるために本実施例ではエネルギー１５
０keV のチタンイオンビームとエネルギー４０keV の炭
素イオンビームによる二重イオン注入を、表層のチタン
及び炭素濃度が上記になる様に行った。イオンビームは
処理に際して方向性をもつが、ロール表面全面を処理す
るために、処理中はロールをイオン注入処理用の真空チ
ャンバー中で終始回転させた。 【００２２】（実施例１）上記の従来品ロールおよび本
発明品のロールによりＳＰＣ普通鋼板１０ｋｍを、牛脂
系エマルジョン潤滑油（実験開始時に新油を供給）をリ
サーキュレーションさせて吹き付けながら圧下率３０％
で圧延を行ったときの耐摩耗性およびミルクリーン性評
価成績を評価した。圧延によるロール表面の粗度変化を
表１に示す。本発明品のロールを用いた場合には従来品
ロールと比較して粗度落ちが少なく、高い耐摩耗性が得
られることがわかる。次に、圧延試験前後でタンク内の
鉄粉の濃度を調査したところ、試験前には検出限界以下
（０ppm ）であった鉄粉が試験後には、従来品ロールを
用いた場合には８００ppm なのに対して、本発明品ロー
ルを用いた場合には２００ppm であり、ミルクリーン性
の向上が観測された。 【００２３】また同様にＳＰＣ普通鋼板を用いて圧下率
を上昇させることにより耐焼き付きを調査したところ、
従来品ロールは圧下率４０％でヒートストリークが発生
したのに対して、本発明品のロールでは圧下率６０％ま
で上昇させた場合にもヒートストリークは発生せず、本
発明品ロールを使用することによって耐焼き付き性の向
上が得られることがわかる。 【００２４】（実施例２）本発明品ロールを用いて圧下
率３０％で冷間圧延を行ったＳＵＳ４３０ステンレス鋼
板の光沢度（４５゜反射）を従来品ロールを用いて圧延
した鋼板の光沢度と比較した結果、本発明品ロールで圧
延した鋼板の光沢度は従来品ロールで圧延した鋼板の光
沢度と比較して４０％の上昇が得られた。 【００２５】 【表１】 【００２６】 【発明の効果】本発明のロールを使用することによっ
て、高耐摩耗性と高耐焼き付き性および高ミルクリーン
性を保持しながら光沢が高い金属板を、ロール径や潤滑
油の制限を余り受けずに広い範囲の圧延条件で良好な冷
間圧延を行うことができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明品ロールの構造を示す断面模式図 【符号の説明】 １ 鉄と遷移金属元素と炭素を主成分とする非晶質合金
中に炭素がグラファイトを主な存在形態として分散析出
している表層 ２ ロール本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 利幸 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (56)参考文献 特開 平５−33130（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−229854（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−273206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−72406（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−53780（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−2229（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 B21B 27/00 B21B 27/02 B23K 15/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 金属板の冷間圧延に用いる鉄基合金製ワ
   ークロールで、チタン、ハフニウム、またはタンタルの
   少なくとも一種類以上、および炭素をイオン注入法によ
   り表層に添加することでマトリクス組織を非晶質合金と
   したものであり、該非晶質合金中に含まれる炭素は、濃
   度が４５原子％以上８０原子％以下であり、グラファイ
   トを主な存在形態として分散析出していることを特徴と
   する冷間圧延用ワークロール。