JP3649361B2 - 超硬合金製複合ロール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼系材からなる内層の外周に、耐摩耗性に優れた超硬焼結合金の外層を形成した複合スリーブを軸材に嵌合固定した超硬合金製複合ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延機用ロールには、被圧延材と接触する胴部表面において、摩耗が少ないこと、肌荒れが生じにくいこと、亀裂や欠けが発生しないこと等が要求される。これらの目的のため、例えば特公昭５８−８７２４９号公報には、鋳造法によりロール外層材質を高合金化した鋳造複合ロールが記載されている。しかし、鋳造法で高合金成分材を形成すると、合金中に存在する炭化物が不均一に分布しやすく微視的に偏摩耗の原因となる問題がある。
【０００３】
一方、鋳造法に代わって超硬焼結合金により外層を形成した複合ロールを得る試みが行われている。例えば特開昭５８−１２８５２５号公報には、超硬合金粉末を内層の外周に焼結すると同時に拡散接合させた複合スリーブを軸材に焼嵌めた超硬合金製複合ロールが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
超硬合金は硬くて耐摩耗性に優れる反面、衝撃や引張応力に対しては弱いという欠点がある。上記従来の超硬合金製複合ロールにおいては、この欠点を補うことが考慮されていないため、圧延圧力、熱応力、圧延異常に伴う過大な応力等を受けることにより、外層に亀裂の発生あるいは亀裂の進展が起こりやすい問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性、耐肌荒れ性を損なうことなく、耐亀裂性が著しく向上した超硬合金製複合ロールを提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複合スリーブの外層を耐摩耗性、耐肌荒れ性に優れた超硬焼結合金で形成するとともに、外層に常時大きな圧縮応力を付与させると亀裂は抑止できるという知見に基づいてなされたものである。実際の圧延事象を解析追求した結果、外層に１００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与させると亀裂の抑止効果が得られることが分かった。そして、常時この圧縮応力を付与させるためには複合スリーブにおける「外層の断面積／内層の断面積」の比を最適化することにより達成されることを見いだした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の超硬合金製複合ロールは、溶製の鋼系材からなる内層の外周に、超硬焼結合金からなる外層を形成した胴部構成用の複合スリーブを、軸材に嵌合固定してなり、かつ前記複合スリーブは、回転軸と直角の断面における「外層の断面積／内層の断面積」の比が０．７以下であり、前記外層に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮応力を付与してなり、該複合スリーブを焼嵌め率０．１／１０００〜０．２／１０００で軸材に嵌合固定する際、キー止め固定を併用したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の超硬合金製複合ロールにおいて、内層は鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからなる。また、外層は周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結してなる。
【０００９】
本発明の複合スリーブは、焼嵌め率０．１／１０００〜０．２／１０００で、キー止め固定を併用して軸材に焼嵌める。
【００１０】
本発明における複合スリーブは公知の粉末焼結法により外層の上記超硬合金の混合粉末を焼結させると同時に内層に拡散接合させて製作する。また、軸材は鋳鋼、鍛鋼、鋳鉄等の金属製軸材からなり特に限定されない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の超硬合金製複合ロールの回転軸方向の断面図である。図２は、図１の複合ロール胴部における回転軸と直角方向の断面図である。図１及び図２において、中空の溶製の鋼系材からなる内層２の外周に、超硬合金からなる外層１が焼結と同時に拡散接合された胴部構成用の複合スリーブは、軸受部４の外径以上にて軸材３に焼嵌め固定されている。
【００１２】
表１は、２種類（Ｎo.１、Ｎo.２）の連続熱間薄板仕上圧延用ロールを対象として、それぞれ実施例及び比較例の超硬合金製複合ロールを製作したものを示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
各例の複合スリーブの外層は、平均粒径５μｍのＷＣ粉末８５重量％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１０重量％、平均粒径１μｍのＮｉ粉末４重量％、平均粒径１μｍのＣｒ粉末１重量％の混合粉末を焼結した超硬焼結合金からなる。また、複合スリーブの内層は、実施例１及び比較例１はＳＣＭ−４４０相当の鍛鋼、実施例２及び比較例２は黒鉛鋳鋼を用いた。また、軸材はＳＣＭ−４４０相当の合金鋼を用いた。
【００１５】
各例の複合スリーブに、表２に示す諸元の加工を施した。表２において、実施例１、２は初径から廃却径まで、外層と内層の断面積比（外層の断面積÷内層の断面積）が０．７以下となる。一方、比較例１、２は初径の時点はその比が０．７を超え、廃却径までの途中、圧延により複合スリーブの外径が小さくなった時点でその比が０．７以下となる。
【００１６】
【表２】

【００１７】
各例の超硬合金製複合ロールについて、外層表面に作用している円周方向の圧縮応力を検討した。その結果を表３及び表４に示す。この圧縮応力は、複合スリーブの外層が本来有していた円周方向の残留応力σ11と、焼嵌めにより発生した円周方向の焼嵌め応力σ12とを合成した応力σ15である。残留応力σ11は、各例と同等の複合スリーブをそれぞれ別に製作し、歪ゲージを貼付後その部分を40mm×40mm×40mmのブロックに切断して、開放法により測定した。焼嵌め応力σ12は、表２と表３に示す諸元を基にし、一般的に知られている厚肉円筒の計算式を用いて求めた。焼嵌め率は通常圧延用ロールに採用されているものを用いたが、この焼嵌め率を変えることによっても圧縮応力は若干変動する。
【００１８】
【表３】

【００１９】
【表４】

【００２０】
表４より、本発明の実施例１、２のロールは外層が初径から廃却径までいかなる外径のときでも１００ＭＰａを超えた圧縮応力を有し、耐亀裂性が十分であることが分かる。また、比較例１、２のロールは圧延により外径が小さくなって廃却径に近づくと１００ＭＰａ以上になるが、使用開始の初径近くでは１００ＭＰａ未満のため、耐亀裂性が十分といえない。
【００２１】
以上は、外層の耐亀裂性について検討したものだが、さらに複合スリーブでは、内層が薄肉になると引張残留応力が増加して、圧延中に複合スリーブの内面（焼嵌め面）から割損するか、または塑性変形により焼嵌め率が低下することがある。このため、複合スリーブの内面に発生する円周方向の引張応力について検討を加えた。
【００２２】
各例の超硬合金製複合ロールについて、内層の内面に作用している円周方向の引張応力の検討結果を表４に併記する。この引張応力は、複合スリーブの内層が本来有していた円周方向の残留応力σ21と、焼嵌めにより発生した円周方向の焼嵌め応力σ22と、使用中の圧延荷重により加わる円周方向の圧延応力σ23と、同じく熱により加わる円周方向の熱応力σ24とを合成した応力σ25である。残留応力σ21は、別に製作した各例と同等の複合スリーブの内面を旋削加工して、ザックス法により測定した。焼嵌め応力σ22は、表２と表３に示す諸元を基にし、前述同様計算により求めた。焼嵌め率も前述同様である。
【００２３】
圧延応力σ23は、模型ロールの実験結果から得た次の実験式により求めた。
σ23＝{3.6−0.6(ｒ2／ｒ1)}・{Ｐ／(π・ｒ1・Ｌ)}
σ23:圧延応力〔=合成応力〕(MPa)
Ｐ :圧延荷重 (kN)
ｒ1 :複合スリーブの内面半径〔=焼嵌め面半径〕(mm)
ｒ2 :複合スリーブの外表面半径 (mm)
Ｌ :複合スリーブの長さ〔=焼嵌め面の長さ〕(mm)
【００２４】
熱応力σ24は、温度分布Ｔ(r)が与えられたときの一般的熱応力式を基にし、複合スリーブの内面に対して外表面の温度が△Ｔ℃だけ高くなると仮定した次式により求めた。
σ24＝{(α・Ｅ)／(1-ν)}・(△Ｔ／3)・{(2・ｒ2+ｒ1)／(ｒ2+ｒ1)}
σ24:熱応力〔=合成応力〕(MPa)
α :複合スリーブの熱膨張係数=1.2×10-⁵ (1／℃)
Ｅ :複合スリーブの弾性係数=21×10⁴ (MPa)
ν :複合スリーブのポアソン比=0.3
△Ｔ:複合スリーブの外面と内面の温度差=40 (℃)
ｒ1 :複合スリーブの内面半径〔=焼嵌め面半径〕(mm)
ｒ2 :複合スリーブの外表面半径 (mm)
【００２５】
実施例１と比較例１の複合スリーブの内層は、鍛鋼であり引張強さは６８６ＭＰａである。実施例２と比較例２の複合スリーブの内層は、黒鉛鋳鋼であり引張強さは４９０ＭＰａである。これら内層の強さと、複合スリーブ内面に発生する応力σ25とを比較すると、本発明の実施例１、２のロールではいずれも、使用外層がいかなる外径のときでも、発生する引張応力に比べて大きい強さを有するので、割損に対して安全である。一方、比較例１、２のロールでは、使用により外径が小さくなって廃却径近くになると、残留応力が小さくなることにより内面の合成応力σ25が小さくなり、割損や内面の塑性変形の危険がなくなるが、外径が大きい使用開始の初径近くでは、残留応力σ21が大きいことにより合成応力σ25が引張強さ以上またはそれに近くなり、割損や内面の塑性変形の危険がある。
【００２６】
本発明の超硬合金製複合ロールは、複合スリーブの回転軸と直角の断面における「外層の断面積／内層の断面積」の比を０．７以下にすることにより、複合スリーブの外層はいかなる外径の時点で圧延に供されても、常に１００ＭＰａ以上の圧縮応力が付与された状態になるため、異常圧延等により外層表面に亀裂が発生しても、圧縮応力により打ち消されるので亀裂の進展が阻止される。また、複合スリーブの割損も起こらないものが得られた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の超硬合金製複合ロールは、胴部構成用の複合スリーブの外層に超硬焼結合金を用いることにより、耐摩耗性、耐肌荒れ性に優れると共に、外層と内層の断面積比を特定の範囲にして、外層に所望の圧縮応力を付与しておくことにより耐亀裂性、耐割損性に優れたものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超硬合金製複合ロールの回転軸方向の断面図である。
【図２】図１の胴部における回転軸と直角方向の断面図である。
【符号の説明】
１ 外層、 ２ 内層、 ３ 軸材、 ４ 軸受部

Claims (3)

1. 溶製の鋼系材からなる内層の外周に、超硬焼結合金からなる外層を形成した胴部構成用の複合スリーブを、軸材に嵌合固定してなり、かつ前記複合スリーブは、回転軸と直角の断面における「外層の断面積／内層の断面積」の比が０．７以下であり、前記外層に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮応力を付与してなり、該複合スリーブを焼嵌め率０．１／１０００〜０．２／１０００で軸材に嵌合固定する際、キー止め固定を併用したことを特徴とする超硬合金製複合ロール。
2. 前記内層が鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製複合ロール。
3. 前記外層が周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超硬合金製複合ロール。

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