JP3572334B2 - 熱間ロール摩耗試験装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延ロールの摩耗に係り、とくに熱間圧延ロールが使用中に受ける負荷をシュミレートし、熱間圧延ロール材料の耐摩耗性の評価を可能とする熱間ロール摩耗試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温に加熱された被圧延材を圧下する熱間圧延ロールは、近年負荷応力も高くなり、厳しい使用条件に耐えなければならない。そのため、熱間圧延ロールには、強靱性、耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐熱亀裂性などが優れていることが要求されている。なかでも、作業ロールの耐摩耗性と耐肌荒れ性は、製品鋼板の表面性状や、ロール研削頻度に影響して生産効率、生産コストに直接影響するため、特に優れていることが強く要求されている特性である。例えば、作業ロールは、被圧延材を圧延する際に、被圧延材との接触による急熱、高温における被圧延材とのすべり、バックアップローラとの転動、ロール冷却水による急冷等の負荷を受け、摩耗・肌荒れを起こし損耗する。このため、耐摩耗性と耐肌荒れ性に優れた作業ロールを開発すべく、各種の検討がなされている。
【０００３】
従来、熱間圧延作業ロールの耐摩耗性・耐肌荒れ性の検討は、図７に模式的に示す２円盤転がり滑り方式の熱間摩耗試験装置、あるいは図８に模式的に示すような被圧延材を実際に圧延する小型ミル方式の熱間摩耗試験装置等で実施されていた。
図７に示す２円盤転がり滑り方式の熱間摩耗試験装置では、作業ロールに相当する試験片１に、高周波加熱コイル１４により加熱された被圧延材に相当する相手片２を、油圧シリンダー１８により荷重を負荷して押付けながら転動させて、試験片１の摩耗・肌荒れを測定する。
【０００４】
一方、図８に示す小型ミル方式の熱間摩耗試験装置では、実機の熱間圧延と同じように、加熱炉２８で所定の温度に加熱された被圧延材２６を、バックアップロール２７、２７と高圧接触した作業ロールに相当する試験ロール２５、２５により実際に圧下し、試験ロール２５、２５の摩耗・肌荒れ状況を調査する。なお、圧下された被圧延材２６は試験ロール２５で圧下されたのち、水槽２９中で冷却され巻き取られる。なお、より実機圧延に近ずけるように被圧延材２６には張力調整機３０で張力を付加することもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す方式の摩耗試験装置では、試験片、相手片とも小型円盤でよく、試験材料も少なくてすみ、しかも、軽量で取扱が簡単で、試験が容易であるという利点がある。さらに、相手片２の温度、試験片１と相手片２の回転数、すべり率、負荷荷重を自由に選択できるなどの利点もある。 しかしながら、図７に示す方式の摩耗試験装置では、相手片２の温度を７００ ℃以上の高温とすると、高荷重負荷に際し相手片２が変形し、高ヘルツ応力での摩耗試験ができないという問題を残していた。低いヘルツ応力での試験では、試験片１表面での摩耗量が少なくなり、実機ロールの摩耗挙動を推定することが困難となる。
【０００６】
また、さらにこの方式の摩耗試験装置では、試験材は被圧延材である相手リングとの転動のみで、実機作業ロールで常に発生するバックアップロールによる転動疲労を再現することができないという問題と、転動の振動が直接ロードセルへ入力され、負荷荷重がハンチング等振動するという問題があった。
一方、図８に示す方式の摩耗試験装置では、バックアップロール２７との転動もあり、実機圧延に近い状態で試験ロール２５の損耗を測定でき、実機ロールの損耗現象を推定しやすい。しかしながら、実際に鋼板を圧延するため、実機ロールに近い損耗現象を再現するには、被圧延材２６を多量に圧延する必要があり、簡単には試験が実施できないという問題を残していた。また、被圧延材２６を圧延するため試験ロール２５との摩擦条件の選択の自由度が少ないという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記した既存の摩耗試験装置の問題点を有利に解決し、熱間圧延における作業ロール等熱間圧延ロールの摩耗・肌荒れ現象を、安定して再現できる熱間ロール摩耗試験装置を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱間圧延作業ロールの摩耗・肌荒れによる損耗挙動について調査した結果、作業ロールは、圧延材を熱間圧延するに際し、バックアップロールとの高圧転動、圧延材と冷却水とによる繰返し加熱冷却、および圧延材との高温高圧下すべり等による転動疲労、熱疲労、すべり摩耗、あるいは腐食を受け、塑性流動、摩耗、亀裂が発生し、そしてそれらが連結し欠落ち（図６参照）となるなど摩耗・肌荒れが進行して損耗していくことを知見した。
【０００９】
このような知見をもとに、本発明者らは、熱間圧延ロールの損耗挙動を安定して簡易に再現できるロール摩耗試験装置として、３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置に想到した。
すなわち、本発明は、ハウジングと、円盤状の試験片と、該試験片の上方で該試験片と円周面で接し転動可能に配設された円盤状の相手片と、前記試験片を挟んで該相手片の反対側で該試験片の円周面に接し転動可能に配設されたバックアップロールを有する３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置であって、前記ハウジングに固設された軸受を介し回転自在に配設され前記試験片に回転駆動を伝達する試験片回転軸と、該試験片回転軸を回転駆動する試験片回転軸駆動装置と、前記試験片を前記相手片との接触の入側および／または出側で冷却する冷却装置と、前記ハウジングに上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設された軸受を介し回転自在に配設され前記相手片に回転駆動を伝達する相手片回転軸と、該相手片回転軸を回転駆動する相手片回転軸駆動装置と、前記ガイド機構をもって配設された軸受を荷重点とし前記相手材を介し前記相手片と前記試験片との転動時に転動荷重を負荷する相手片荷重負荷装置と、前記相手片を所定の加熱温度に加熱保持する相手片加熱装置と、前記試験片と前記バックアップローラとの転動時に前記バックアップローラを介して転動荷重を負荷するバックアップローラ荷重負荷装置とを有することを特徴とする３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置である。
【００１０】
また、本発明では、前記相手片荷重負荷装置をレバー方式、詳しくはてこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とし、負荷レバーは前記ハウジングに支点を有し、力点として該負荷レバーの先端部には弾性体を介して荷重負荷手段が接続されるとともに、さらに荷重負荷方向に振動吸収手段が付設されるのが好ましい。また、前記荷重負荷手段はねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、また、前記弾性体はばねとし、前記振動吸収手段は油圧ダンパーとするのが好ましく、また、前記バックアップローラ荷重負荷装置は油圧シリンダーとするのが好ましい。また、本発明では、前記バックアップローラは、上下方向に移動自在に配設されるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の熱間摩耗試験装置は、３円盤方式とし、ハウジングと、円盤状の試験片と、円盤状の相手片と、バックアップローラとを有する。
本発明の１実施例である、熱間ロール摩耗試験装置の概略を模式的に図２に示す。
【００１２】
試験片１は、試験片１上方で相手片２と、試験片１下方で試験片１を挟んで相手片２と反対側でバックアップローラ３と、それぞれ円周面で接し転動可能とされる。
試験片１は、軸受４１を介し回転自在に配設された試験片回転軸４の一方の端部に、試験片回転軸４の回転と同期するようにナット止め、ピン止め、あるいはそれらの両方で固定されるのが好ましく、試験が終了したら取り外される。
【００１３】
試験片回転軸４は、試験片回転軸駆動装置６ａからの回転駆動を試験片１に伝達する。試験片回転軸駆動装置６ａは、モータ６と、モータ６の回転を減速する変速機６１ａ とを有する。なお、試験片回転軸４を支持する軸受４１は、ハウジング１３に固設され、これにより試験片の位置を固定する。また、図２においては、１台の変速機６１ａ と１個の電磁クラッチ６２ａ が図示されているが、これに限定されるものではない。
【００１４】
本発明の試験片回転駆動装置６ａにおいては、モータ、変速機、減速機および電磁クラッチ等からなる駆動系を複数系統配設し、これらの組合せにより、モータの回転駆動を、高速から低速域まで適宜選択可能とし、試験片１の回転数を任意の回転数に変更可能とすることができる。また、試験片１に付加されるトルクを測定するため、試験片回転軸４の適当な箇所にトルクメータ６４ａ を配設するのが好ましい。その他カップリング等は適宜設置できるのは言うまでもない。
【００１５】
試験片１には、図１に示すように、相手片との接触の入側および／または出側で試験片１を冷却する冷却装置１７が付設される。冷却剤は、水、水溶性潤滑材、あるいは油とするのが好ましい。試験片１を冷却することにより、熱間圧延作業ロールに発生する熱疲労をシミュレートすることが可能となる。また、試験片１の温度を測定するため測温計１６を設置するのが好ましい。測温計１６は、放射温度計等非接触方式の測温計とするのが好ましい。なお、測温計１６の出力信号にもとづいて冷却装置１７を作動させるように冷却装置１７の制御手段を付設してもよい。
【００１６】
相手片２は、試験片１の上方で試験片１と円周面で接触転動する。相手片２は、軸受５１を介し回転自在に配設された相手片回転軸５の１方の端部に取り付けられ、相手片回転軸５の回転と同期するように、ナット止め、ピン止めあるいはそれらの両方で固定されるのが好ましく、摩耗したら取り外され、新しい相手片と交換する。
【００１７】
相手片回転軸５は、相手片回転軸駆動装置６ｂの回転駆動を相手片２に伝達する。試験片回転軸駆動装置６ａとは別の回転駆動装置としているため、試験片１とは独立して異なる回転数を相手片２に付与することもできる。
相手片２の回転数を試験片１の回転数と異なる回転数とすることにより試験片１にすべりを伴う摩耗を与えることができる。また、試験片１の外径と、相手片２の外径を変えることで周速差を与えてもよい。さらに相手片を介し負荷される荷重により、実圧延と同様に試験片に塑性流動を与えこともできる。
【００１８】
相手片回転軸駆動装置６ｂは、モータ６の回転を減速する減速機６１ｂ と電磁クラッチ６２ａ を有する。図２には、１台の減速機６１ｂ と電磁クラッチ６２ａ が図示されているが、相手片の回転数を試験片と独立して、任意の回転数に設定するために、図２に限定されるものではなく、変速機、減速機、電磁クラックは適宜複数台設置できるのは言うまでもない。
【００１９】
相手片回転軸５を支持する相手片回転軸軸受５１は、ハウジング１３に上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設される。この軸受５１には、相手片荷重負荷量の荷重点が接続され、この軸受５１を介し相手片に荷重を負荷することができる。また、軸受５１は上下方向に移動自在であり、相手片の上下方向の移動が簡便にでき、試験片や相手片の交換が容易となる。
【００２０】
相手片２は、図２に示すように相手片加熱装置１５により所定の温度に加熱される。加熱方式はとくに限定されないが、温度制御性の観点からは高周波誘導加熱方式が好ましく、図１に示すように相手片２に沿って付設された加熱コイル１４を介し相手片加熱装置１５により加熱されるのが好ましい。相手片の加熱は、測温計１６により測定され、その出力信号により所定の温度に制御される。相手片２は、熱間圧延材の加熱温度に加熱されることにより、実機熱間圧延作業ロールに相当する試験片１に実圧延相当の熱的負荷を与えることが可能となる。
【００２１】
相手片２には、相手片回転軸軸受５１を介し相手片荷重負荷装置１２から、転動時に転動荷重が負荷され、相手片２は回転しながら、回転する試験片１に荷重を圧接する。相手片荷重負荷装置１２からの荷重は、荷重点１２ｄ から軸受５１を介し相手片２に負荷される。
本発明では、相手片荷重負荷装置１２は、レバー方式、詳しくはてこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とするのが好ましい。負荷レバーは、レバー１２ａ とレバーの各位置に支点１２ｂ と荷重点１２ｄ と力点１２ｃ と、バランスウェイト１２ｅ を有し、荷重点に圧縮力が負荷されるように設定される。支点１２ｂ はハウジング１３の天板に接続され、一方、荷重点１２ｄ にはロッド等を介し相手片回転軸軸受５１が接続される。負荷レバーの荷重点から、相手片回転軸軸受に圧縮荷重が伝達され、相手片回転軸と相手片を介し転動時に試験片に転動荷重が負荷される。レバー方式の荷重負荷装置とすることにより、試験片と相手片との転動時の振動が、荷重検出器であるロードセルに直接伝達されにくくなり、安定した摩耗試験が実施できる。
【００２２】
また、力点１２ｃ として負荷レバーの先端部にはロッド等が接続され、ロッド等には弾性体１０を介して荷重負荷手段９が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段８が付設されるのが好ましい。
荷重負荷手段９としては、ねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、とくに、サーボモータ９ｂとボールネジ９ａとの組み合わせ方式が好適である。荷重負荷手段９と負荷レバーとの間には荷重検出用のロードセル１１を組み込むのが好ましい。荷重の制御は、ロードセルフィードバックによるクローズドループ方式とするのが好ましい。
【００２３】
図３に示すように、弾性体１０を介し、荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷すると、まず弾性体１０が圧縮され、これによって生じる反発力によりレバー１２ａ に荷重が伝達され、さらに荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷することにより、レバー１２ａ 、相手片回転軸軸受５１、相手片２を介し試験片１に圧縮荷重が負荷されることになる。
【００２４】
荷重負荷手段９に弾性体１０、あるいはさらに振動吸収手段８を配設するのは、試験片と相手片との転動時等に発生する振動を吸収し、ハンチングを防止して、試験片に一定荷重を負荷することができるようにするためである。弾性体１０は波長の長い振動を吸収し、振動吸収手段８は波長の短い振動を吸収する。弾性体１０は、ばね、ゴム、ばね特性を持たせた加工部品等とするのが好ましい。また、振動吸収手段８としては、油圧ダンパ、エアダンパ等とするのが好ましい。
【００２５】
本発明の試験装置では、試験片に転動荷重を負荷する目的でバックアップローラ３を配設する。バックアップローラ３は、試験片１を挟んで相手片２の反対側で該試験片１の円周面に接し転動可能に配設される。バックアップローラには回転駆動装置を付設する必要はない。試験片の回転に従い転動可能であればよい。バックアップローラ３には、バックアップローラ荷重負荷装置７が付設される。バックアップローラ３を下方から試験片に接触させ、負荷荷重を加えながら転動させることにより、熱間圧延作業ロールと同様に転動疲労が加味された摩耗試験を実施できる。バックアップローラ荷重負荷装置７は油圧シリンダーとするのが好ましい。バックアップローラ３とバックアップローラ荷重負荷装置７との間には荷重検出用ロードセルＩＩが配設されるのが好ましい。荷重の制御はバックアップローラ荷重負荷装置をロードセルフィードバックによるクローズドループ方式とするのが好ましい。
【００２６】
なお、バックアップローラは、試験片の交換等を容易にするため、上下方向に移動自在に配設される。
本発明の試験装置の構成とすることにより、加熱された相手片との接触面で高温すべりが、またバックアップローラとの接触面で高圧転動が再現され、実圧延における作業ロール等熱間圧延ロールの使用環境に近似した条件でロール摩耗試験が実施でき、ロール材料の正確な性能評価が可能となる。
【００２７】
【実施例】
図２に示す構成の３円盤式熱間摩耗試験装置を用いて、高速度鋼系ロール材の摩耗試験を実施した。試験片は、外径６０ｍｍφ×１０ｍｍ幅、相手片（ Ｓ４５Ｃ 製）は、外径 １９０ｍｍφ×１５ｍｍ幅、バックアップローラ（ ＳＫＤ６ ）は、外径７０ｍｍφ×５０ｍｍ幅、の円盤状試片を用いた。摩耗試験は、試験片の回転数を ３００ｒｐｍ とし、相手片を８００ ℃に加熱し、相手片と試験片とのすべり率を１０％、試験片と相手片との間の負荷荷重を１００ｋｇ とした。また、バックアップローラは試験片の回転に従う転動とし、負荷荷重を５００ｋｇ とした。
【００２８】
また、従来例として、同一高速度鋼系ロール材について、図７に示す従来の２円盤式熱間摩耗試験を用いて摩耗試験を実施した。摩耗試験条件は、実施例と同じとし、試験片の回転数を ７００ｒｐｍ 、相手片を８００ ℃に加熱し、相手片と試験片とのすべり率を１０％、試験片と相手片との間の負荷荷重を１００ｋｇ とした。それらの結果を比較して図４に示す。
【００２９】
図４から、本発明の熱間摩耗試験装置を用いた本発明例では、２円盤式の摩耗試験装置で行った比較例の場合にくらべ、摩耗量が増加していることがわかる。また試験片の肌荒れも大きくなり、実機ロールの損傷状況に近づくことが確認された。さらに、図５に示すように、本発明の熱間ロール摩耗試験装置での負荷荷重は、試験中一定であったのに対し、従来例では、負荷荷重が微小振動を含んでおり、試験中一定となっていない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、転動疲労、熱疲労、高温すべり等熱間圧延ロールに発生する摩耗・肌あれを試験片に再現よく発生することが可能であり、熱間圧延ロールの損耗状況を従来にくらべ忠実にしかも安定して再現することができ、熱間圧延ロール材の開発を促進するという産業上格段の効果を奏する。しかも試験条件の選択も自由であり、少ない材料で試験実施が可能で、研究開発コストの低減に寄与できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱間ロール摩耗試験装置の概要を模式的に示す概略説明図である。
【図２】本発明の１実施例を示す概略説明図である。
【図３】荷重負荷装置と試験片への荷重負荷状況を示す説明図である。
【図４】摩耗量と回転数との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の装置（ａ）および従来の装置（ｂ）における負荷荷重の変化状況を示すグラフである。
【図６】熱間圧延作業ロールに発生する損耗状況の１例をしめす断面図である。
【図７】従来の熱間摩耗試験装置の概略を示す説明図である。
【図８】従来の熱間摩耗試験装置の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 試験片
２ 相手片
３ バックアップローラ
４ 試験片回転軸
４１ 試験片回転軸軸受
５ 相手片回転軸
５１ 相手片回転軸軸受
６ モータ
６ａ 試験片回転軸駆動装置
６ｂ 相手片回転軸駆動装置
６１ａ 変速機
６１ｂ 減速機
６２ａ 、６２ｂ 電磁クラッチ
６３ 軸受
６４ａ 、６４ｂ トルクメータ
６５ ジョイント
７ バックアップローラ荷重負荷装置
８ 振動吸収手段
９ 荷重負荷手段
９ａ ボールネジ
９ｂ サーボモータ
１０ 弾性体（ばね）
１１ ロードセル
１２ 相手片荷重負荷装置
１２ａ レバー
１２ｂ 支点
１２ｃ 力点
１２ｄ 荷重点
１２ｅ バランスウェイト
１３ ハウジング
１４ 加熱コイル
１５ 相手片加熱装置
１６ 測温計
１７ 冷却装置
１８ 油圧シリンダー
２５ 試験ロール
２６ 被圧延材
２７ バックアップローラ
２８ 加熱炉
２９ 水槽
３０ 張力調整機
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延ロールの摩耗に係り、とくに熱間圧延ロールが使用中に受ける負荷をシュミレートし、熱間圧延ロール材料の耐摩耗性の評価を可能とする熱間ロール摩耗試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温に加熱された被圧延材を圧下する熱間圧延ロールは、近年負荷応力も高くなり、厳しい使用条件に耐えなければならない。そのため、熱間圧延ロールには、強靱性、耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐熱亀裂性などが優れていることが要求されている。なかでも、作業ロールの耐摩耗性と耐肌荒れ性は、製品鋼板の表面性状や、ロール研削頻度に影響して生産効率、生産コストに直接影響するため、特に優れていることが強く要求されている特性である。例えば、作業ロールは、被圧延材を圧延する際に、被圧延材との接触による急熱、高温における被圧延材とのすべり、バックアップローラとの転動、ロール冷却水による急冷等の負荷を受け、摩耗・肌荒れを起こし損耗する。このため、耐摩耗性と耐肌荒れ性に優れた作業ロールを開発すべく、各種の検討がなされている。
【０００３】
従来、熱間圧延作業ロールの耐摩耗性・耐肌荒れ性の検討は、図７に模式的に示す２円盤転がり滑り方式の熱間摩耗試験装置、あるいは図８に模式的に示すような被圧延材を実際に圧延する小型ミル方式の熱間摩耗試験装置等で実施されていた。
図７に示す２円盤転がり滑り方式の熱間摩耗試験装置では、作業ロールに相当する試験片１に、高周波加熱コイル１４により加熱された被圧延材に相当する相手片２を、油圧シリンダー１８により荷重を負荷して押付けながら転動させて、試験片１の摩耗・肌荒れを測定する。
【０００４】
一方、図８に示す小型ミル方式の熱間摩耗試験装置では、実機の熱間圧延と同じように、加熱炉２８で所定の温度に加熱された被圧延材２６を、バックアップロール２７、２７と高圧接触した作業ロールに相当する試験ロール２５、２５により実際に圧下し、試験ロール２５、２５の摩耗・肌荒れ状況を調査する。なお、圧下された被圧延材２６は試験ロール２５で圧下されたのち、水槽２９中で冷却され巻き取られる。なお、より実機圧延に近ずけるように被圧延材２６には張力調整機３０で張力を付加することもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す方式の摩耗試験装置では、試験片、相手片とも小型円盤でよく、試験材料も少なくてすみ、しかも、軽量で取扱が簡単で、試験が容易であるという利点がある。さらに、相手片２の温度、試験片１と相手片２の回転数、すべり率、負荷荷重を自由に選択できるなどの利点もある。 しかしながら、図７に示す方式の摩耗試験装置では、相手片２の温度を７００ ℃以上の高温とすると、高荷重負荷に際し相手片２が変形し、高ヘルツ応力での摩耗試験ができないという問題を残していた。低いヘルツ応力での試験では、試験片１表面での摩耗量が少なくなり、実機ロールの摩耗挙動を推定することが困難となる。
【０００６】
また、さらにこの方式の摩耗試験装置では、試験材は被圧延材である相手リングとの転動のみで、実機作業ロールで常に発生するバックアップロールによる転動疲労を再現することができないという問題と、転動の振動が直接ロードセルへ入力され、負荷荷重がハンチング等振動するという問題があった。
一方、図８に示す方式の摩耗試験装置では、バックアップロール２７との転動もあり、実機圧延に近い状態で試験ロール２５の損耗を測定でき、実機ロールの損耗現象を推定しやすい。しかしながら、実際に鋼板を圧延するため、実機ロールに近い損耗現象を再現するには、被圧延材２６を多量に圧延する必要があり、簡単には試験が実施できないという問題を残していた。また、被圧延材２６を圧延するため試験ロール２５との摩擦条件の選択の自由度が少ないという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記した既存の摩耗試験装置の問題点を有利に解決し、熱間圧延における作業ロール等熱間圧延ロールの摩耗・肌荒れ現象を、安定して再現できる熱間ロール摩耗試験装置を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱間圧延作業ロールの摩耗・肌荒れによる損耗挙動について調査した結果、作業ロールは、圧延材を熱間圧延するに際し、バックアップロールとの高圧転動、圧延材と冷却水とによる繰返し加熱冷却、および圧延材との高温高圧下すべり等による転動疲労、熱疲労、すべり摩耗、あるいは腐食を受け、塑性流動、摩耗、亀裂が発生し、そしてそれらが連結し欠落ち（図６参照）となるなど摩耗・肌荒れが進行して損耗していくことを知見した。
【０００９】
このような知見をもとに、本発明者らは、熱間圧延ロールの損耗挙動を安定して簡易に再現できるロール摩耗試験装置として、３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置に想到した。
すなわち、本発明は、ハウジングと、円盤状の試験片と、該試験片の上方で該試験片と円周面で接し転動可能に配設された円盤状の相手片と、前記試験片を挟んで該相手片の反対側で該試験片の円周面に接し転動可能に配設されたバックアップロールを有する３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置であって、前記ハウジングに固設された軸受を介し回転自在に配設され前記試験片に回転駆動を伝達する試験片回転軸と、該試験片回転軸を回転駆動する試験片回転軸駆動装置と、前記試験片を前記相手片との接触の入側および／または出側で冷却する冷却装置と、前記ハウジングに上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設された軸受を介し回転自在に配設され前記相手片に回転駆動を伝達する相手片回転軸と、該相手片回転軸を回転駆動する相手片回転軸駆動装置と、前記ガイド機構をもって配設された軸受を荷重点とし前記相手材を介し前記相手片と前記試験片との転動時に転動荷重を負荷する相手片荷重負荷装置と、前記相手片を所定の加熱温度に加熱保持する相手片加熱装置と、前記試験片と前記バックアップローラとの転動時に前記バックアップローラを介して転動荷重を負荷するバックアップローラ荷重負荷装置とを有することを特徴とする３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置である。
【００１０】
また、本発明では、前記相手片荷重負荷装置をレバー方式、詳しくはてこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とし、負荷レバーは前記ハウジングに支点を有し、力点として該負荷レバーの先端部には弾性体を介して荷重負荷手段が接続されるとともに、さらに荷重負荷方向に振動吸収手段が付設されるのが好ましい。また、前記荷重負荷手段はねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、また、前記弾性体はばねとし、前記振動吸収手段は油圧ダンパーとするのが好ましく、また、前記バックアップローラ荷重負荷装置は油圧シリンダーとするのが好ましい。また、本発明では、前記バックアップローラは、上下方向に移動自在に配設されるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の熱間摩耗試験装置は、３円盤方式とし、ハウジングと、円盤状の試験片と、円盤状の相手片と、バックアップローラとを有する。
本発明の１実施例である、熱間ロール摩耗試験装置の概略を模式的に図２に示す。
【００１２】
試験片１は、試験片１上方で相手片２と、試験片１下方で試験片１を挟んで相手片２と反対側でバックアップローラ３と、それぞれ円周面で接し転動可能とされる。
試験片１は、軸受４１を介し回転自在に配設された試験片回転軸４の一方の端部に、試験片回転軸４の回転と同期するようにナット止め、ピン止め、あるいはそれらの両方で固定されるのが好ましく、試験が終了したら取り外される。
【００１３】
試験片回転軸４は、試験片回転軸駆動装置６ａからの回転駆動を試験片１に伝達する。試験片回転軸駆動装置６ａは、モータ６と、モータ６の回転を減速する変速機６１ａ とを有する。なお、試験片回転軸４を支持する軸受４１は、ハウジング１３に固設され、これにより試験片の位置を固定する。また、図２においては、１台の変速機６１ａ と１個の電磁クラッチ６２ａ が図示されているが、これに限定されるものではない。
【００１４】
本発明の試験片回転駆動装置６ａにおいては、モータ、変速機、減速機および電磁クラッチ等からなる駆動系を複数系統配設し、これらの組合せにより、モータの回転駆動を、高速から低速域まで適宜選択可能とし、試験片１の回転数を任意の回転数に変更可能とすることができる。また、試験片１に付加されるトルクを測定するため、試験片回転軸４の適当な箇所にトルクメータ６４ａ を配設するのが好ましい。その他カップリング等は適宜設置できるのは言うまでもない。
【００１５】
試験片１には、図１に示すように、相手片との接触の入側および／または出側で試験片１を冷却する冷却装置１７が付設される。冷却剤は、水、水溶性潤滑材、あるいは油とするのが好ましい。試験片１を冷却することにより、熱間圧延作業ロールに発生する熱疲労をシミュレートすることが可能となる。また、試験片１の温度を測定するため測温計１６を設置するのが好ましい。測温計１６は、放射温度計等非接触方式の測温計とするのが好ましい。なお、測温計１６の出力信号にもとづいて冷却装置１７を作動させるように冷却装置１７の制御手段を付設してもよい。
【００１６】
相手片２は、試験片１の上方で試験片１と円周面で接触転動する。相手片２は、軸受５１を介し回転自在に配設された相手片回転軸５の１方の端部に取り付けられ、相手片回転軸５の回転と同期するように、ナット止め、ピン止めあるいはそれらの両方で固定されるのが好ましく、摩耗したら取り外され、新しい相手片と交換する。
【００１７】
相手片回転軸５は、相手片回転軸駆動装置６ｂの回転駆動を相手片２に伝達する。試験片回転軸駆動装置６ａとは別の回転駆動装置としているため、試験片１とは独立して異なる回転数を相手片２に付与することもできる。
相手片２の回転数を試験片１の回転数と異なる回転数とすることにより試験片１にすべりを伴う摩耗を与えることができる。また、試験片１の外径と、相手片２の外径を変えることで周速差を与えてもよい。さらに相手片を介し負荷される荷重により、実圧延と同様に試験片に塑性流動を与えこともできる。
【００１８】
相手片回転軸駆動装置６ｂは、モータ６の回転を減速する減速機６１ｂ と電磁クラッチ６２ａ を有する。図２には、１台の減速機６１ｂ と電磁クラッチ６２ａ が図示されているが、相手片の回転数を試験片と独立して、任意の回転数に設定するために、図２に限定されるものではなく、変速機、減速機、電磁クラックは適宜複数台設置できるのは言うまでもない。
【００１９】
相手片回転軸５を支持する相手片回転軸軸受５１は、ハウジング１３に上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設される。この軸受５１には、相手片荷重負荷量の荷重点が接続され、この軸受５１を介し相手片に荷重を負荷することができる。また、軸受５１は上下方向に移動自在であり、相手片の上下方向の移動が簡便にでき、試験片や相手片の交換が容易となる。
【００２０】
相手片２は、図２に示すように相手片加熱装置１５により所定の温度に加熱される。加熱方式はとくに限定されないが、温度制御性の観点からは高周波誘導加熱方式が好ましく、図１に示すように相手片２に沿って付設された加熱コイル１４を介し相手片加熱装置１５により加熱されるのが好ましい。相手片の加熱は、測温計１６により測定され、その出力信号により所定の温度に制御される。相手片２は、熱間圧延材の加熱温度に加熱されることにより、実機熱間圧延作業ロールに相当する試験片１に実圧延相当の熱的負荷を与えることが可能となる。
【００２１】
相手片２には、相手片回転軸軸受５１を介し相手片荷重負荷装置１２から、転動時に転動荷重が負荷され、相手片２は回転しながら、回転する試験片１に荷重を圧接する。相手片荷重負荷装置１２からの荷重は、荷重点１２ｄ から軸受５１を介し相手片２に負荷される。
本発明では、相手片荷重負荷装置１２は、レバー方式、詳しくはてこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とするのが好ましい。負荷レバーは、レバー１２ａ とレバーの各位置に支点１２ｂ と荷重点１２ｄ と力点１２ｃ と、バランスウェイト１２ｅ を有し、荷重点に圧縮力が負荷されるように設定される。支点１２ｂ はハウジング１３の天板に接続され、一方、荷重点１２ｄ にはロッド等を介し相手片回転軸軸受５１が接続される。負荷レバーの荷重点から、相手片回転軸軸受に圧縮荷重が伝達され、相手片回転軸と相手片を介し転動時に試験片に転動荷重が負荷される。レバー方式の荷重負荷装置とすることにより、試験片と相手片との転動時の振動が、荷重検出器であるロードセルに直接伝達されにくくなり、安定した摩耗試験が実施できる。
【００２２】
また、力点１２ｃ として負荷レバーの先端部にはロッド等が接続され、ロッド等には弾性体１０を介して荷重負荷手段９が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段８が付設されるのが好ましい。
荷重負荷手段９としては、ねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、とくに、サーボモータ９ｂとボールネジ９ａとの組み合わせ方式が好適である。荷重負荷手段９と負荷レバーとの間には荷重検出用のロードセル１１を組み込むのが好ましい。荷重の制御は、ロードセルフィードバックによるクローズドループ方式とするのが好ましい。
【００２３】
図３に示すように、弾性体１０を介し、荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷すると、まず弾性体１０が圧縮され、これによって生じる反発力によりレバー１２ａ に荷重が伝達され、さらに荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷することにより、レバー１２ａ 、相手片回転軸軸受５１、相手片２を介し試験片１に圧縮荷重が負荷されることになる。
【００２４】
荷重負荷手段９に弾性体１０、あるいはさらに振動吸収手段８を配設するのは、試験片と相手片との転動時等に発生する振動を吸収し、ハンチングを防止して、試験片に一定荷重を負荷することができるようにするためである。弾性体１０は波長の長い振動を吸収し、振動吸収手段８は波長の短い振動を吸収する。弾性体１０は、ばね、ゴム、ばね特性を持たせた加工部品等とするのが好ましい。また、振動吸収手段８としては、油圧ダンパ、エアダンパ等とするのが好ましい。
【００２５】
本発明の試験装置では、試験片に転動荷重を負荷する目的でバックアップローラ３を配設する。バックアップローラ３は、試験片１を挟んで相手片２の反対側で該試験片１の円周面に接し転動可能に配設される。バックアップローラには回転駆動装置を付設する必要はない。試験片の回転に従い転動可能であればよい。バックアップローラ３には、バックアップローラ荷重負荷装置７が付設される。バックアップローラ３を下方から試験片に接触させ、負荷荷重を加えながら転動させることにより、熱間圧延作業ロールと同様に転動疲労が加味された摩耗試験を実施できる。バックアップローラ荷重負荷装置７は油圧シリンダーとするのが好ましい。バックアップローラ３とバックアップローラ荷重負荷装置７との間には荷重検出用ロードセルＩＩが配設されるのが好ましい。荷重の制御はバックアップローラ荷重負荷装置をロードセルフィードバックによるクローズドループ方式とするのが好ましい。
【００２６】
なお、バックアップローラは、試験片の交換等を容易にするため、上下方向に移動自在に配設される。
本発明の試験装置の構成とすることにより、加熱された相手片との接触面で高温すべりが、またバックアップローラとの接触面で高圧転動が再現され、実圧延における作業ロール等熱間圧延ロールの使用環境に近似した条件でロール摩耗試験が実施でき、ロール材料の正確な性能評価が可能となる。
【００２７】
【実施例】
図２に示す構成の３円盤式熱間摩耗試験装置を用いて、高速度鋼系ロール材の摩耗試験を実施した。試験片は、外径６０ｍｍφ×１０ｍｍ幅、相手片（ Ｓ４５Ｃ 製）は、外径 １９０ｍｍφ×１５ｍｍ幅、バックアップローラ（ ＳＫＤ６ ）は、外径７０ｍｍφ×５０ｍｍ幅、の円盤状試片を用いた。摩耗試験は、試験片の回転数を ３００ｒｐｍ とし、相手片を８００ ℃に加熱し、相手片と試験片とのすべり率を１０％、試験片と相手片との間の負荷荷重を１００ｋｇ とした。また、バックアップローラは試験片の回転に従う転動とし、負荷荷重を５００ｋｇ とした。
【００２８】
また、従来例として、同一高速度鋼系ロール材について、図７に示す従来の２円盤式熱間摩耗試験を用いて摩耗試験を実施した。摩耗試験条件は、実施例と同じとし、試験片の回転数を ７００ｒｐｍ 、相手片を８００ ℃に加熱し、相手片と試験片とのすべり率を１０％、試験片と相手片との間の負荷荷重を１００ｋｇ とした。それらの結果を比較して図４に示す。
【００２９】
図４から、本発明の熱間摩耗試験装置を用いた本発明例では、２円盤式の摩耗試験装置で行った比較例の場合にくらべ、摩耗量が増加していることがわかる。また試験片の肌荒れも大きくなり、実機ロールの損傷状況に近づくことが確認された。さらに、図５に示すように、本発明の熱間ロール摩耗試験装置での負荷荷重は、試験中一定であったのに対し、従来例では、負荷荷重が微小振動を含んでおり、試験中一定となっていない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、転動疲労、熱疲労、高温すべり等熱間圧延ロールに発生する摩耗・肌あれを試験片に再現よく発生することが可能であり、熱間圧延ロールの損耗状況を従来にくらべ忠実にしかも安定して再現することができ、熱間圧延ロール材の開発を促進するという産業上格段の効果を奏する。しかも試験条件の選択も自由であり、少ない材料で試験実施が可能で、研究開発コストの低減に寄与できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱間ロール摩耗試験装置の概要を模式的に示す概略説明図である。
【図２】本発明の１実施例を示す概略説明図である。
【図３】荷重負荷装置と試験片への荷重負荷状況を示す説明図である。
【図４】摩耗量と回転数との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の装置（ａ）および従来の装置（ｂ）における負荷荷重の変化状況を示すグラフである。
【図６】熱間圧延作業ロールに発生する損耗状況の１例をしめす断面図である。
【図７】従来の熱間摩耗試験装置の概略を示す説明図である。
【図８】従来の熱間摩耗試験装置の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 試験片
２ 相手片
３ バックアップローラ
４ 試験片回転軸
４１ 試験片回転軸軸受
５ 相手片回転軸
５１ 相手片回転軸軸受
６ モータ
６ａ 試験片回転軸駆動装置
６ｂ 相手片回転軸駆動装置
６１ａ 変速機
６１ｂ 減速機
６２ａ 、６２ｂ 電磁クラッチ
６３ 軸受
６４ａ 、６４ｂ トルクメータ
６５ ジョイント
７ バックアップローラ荷重負荷装置
８ 振動吸収手段
９ 荷重負荷手段
９ａ ボールネジ
９ｂ サーボモータ
１０ 弾性体（ばね）
１１ ロードセル
１２ 相手片荷重負荷装置
１２ａ レバー
１２ｂ 支点
１２ｃ 力点
１２ｄ 荷重点
１２ｅ バランスウェイト
１３ ハウジング
１４ 加熱コイル
１５ 相手片加熱装置
１６ 測温計
１７ 冷却装置
１８ 油圧シリンダー
２５ 試験ロール
２６ 被圧延材
２７ バックアップローラ
２８ 加熱炉
２９ 水槽
３０ 張力調整機
Claims (5)
- ハウジングと、円盤状の試験片と、該試験片の上方で該試験片と円周面で接し転動可能に配設された円盤状の相手片と、前記試験片を挟んで該相手片の反対側で該試験片の円周面に接し転動可能に配設されたバックアップローラを有する３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置であって、前記ハウジングに固設された軸受を介し回転自在に配設され前記試験片に回転駆動を伝達する試験片回転軸と、該試験片回転軸を回転駆動する試験片回転駆動装置と、前記試験片を前記相手片との接触の入側および／または出側で冷却する冷却装置と、前記ハウジングに上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設された軸受を介し回転自在に配設され前記相手片に回転駆動を伝達する相手片回転軸と、該相手片回転軸を回転駆動する相手片回転駆動装置と、前記ガイド機構をもって配設された軸受を荷重点とし前記相手材を介し前記相手片と前記試験片との転動時に転動荷重を負荷する相手片荷重負荷装置と、前記相手片を所定の加熱温度に加熱保持する相手片加熱装置と、前記試験片と前記バックアップローラとの転動時に前記バックアップローラを介して転動荷重を負荷するバックアップローラ荷重負荷装置とを有することを特徴とする３円盤方式の熱間ロール摩耗試験装置。
- 前記相手片荷重負荷装置は、レバー方式の荷重負荷装置とし、負荷レバーは前記ハウジングに支点を有し、力点として、該負荷レバーの先端部には弾性体を介して荷重負荷手段が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段が付設されることを特徴とする請求項１に記載の熱間ロール摩耗試験装置。
- 前記荷重負荷手段は、ねじ式荷重負荷手段であることを特徴とする請求項２に記載の熱間ロール摩耗試験装置。
- 前記弾性体がばねで、前記振動吸収手段が油圧ダンパーであることを特徴とする請求項２または３に記載の熱間ロール摩耗試験装置。
- 前記バックアップローラ荷重負荷装置は、油圧シリンダーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱間ロール摩耗試験装置。
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