JP3690617B2

JP3690617B2 - 超硬合金製複合ロール

Info

Publication number: JP3690617B2
Application number: JP15865896A
Authority: JP
Inventors: 拓巳大畑; 宏福沢
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: JPH105823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金製の外層を有する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】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来よりＷＣ−Ｃｏ系等の超硬合金が熱間圧延機用ロール材として用いられている。超硬合金は他のロール材である鋳鋼や工具鋼に比べて高価であるため、圧延時に被圧延材と直接接触し、耐摩耗性の要求される部分のみに使われるのが考えられる。また、超硬合金では大径・長尺化が難しいので、中空のスリーブを作り、このスリーブを金属製軸材に嵌合するのが望ましい。さらに、超硬合金単体ロールの場合、圧縮残留応力が殆どなく、耐クラック性に劣るという問題がある。
【０００３】
超硬合金は硬くて耐摩耗性に優れ、圧縮応力に対しては強いが、衝撃や引張応力に対しては弱いという問題がある。このため、従来の金属製スリーブに対して行われていた焼嵌め、冷嵌め、圧入等の嵌合方法をそのまま適用することができない。すなわち、超硬合金製スリーブは弾性係数が大きく、変形能に乏しいため、嵌合面に僅かな凹凸があったりすると、嵌合によって局部的に過大な引張応力が発生し、超硬合金製スリーブの破壊強度を超え、スリーブが割れやすいという問題がある。
【０００４】
そこで、超硬合金製スリーブを金属製軸材に嵌合する方法として種々提案されている。例えば特開昭６０−８３７０８号には、内周部より外周部が漸次厚肉に形成されたスペーサを加熱して膨張せしめた状態で、超硬合金製スリーブ及びディスクスプリングと共に軸材に装入して、固定部材の間に挟み込み、スペーサの冷却収縮によりディスクスプリングに大きい側圧を発生させて、スリーブの側面を押圧固定する方法が開示されている。しかしながら、このような嵌合方法はスペーサ、固定部材等の部材点数が多く組立構造が複雑であるという問題がある。また、焼嵌めた後の超硬合金製スリーブの表面に作用する引張応力による割れの防止についても十分なものとは言えない。
【０００５】
また、従来の超硬合金製複合ロールとして、超硬合金リングとその内側の鋼製リングとの間にろう材を入れて加熱ろう付けしたものや、鋼製リングの外周に超硬合金を鋳包み法により溶着させたものがある。しかしながら、前者のろう付け法ではろう付け層の高温での疲労強度が弱く、圧延使用中に剥離等が発生するという問題がある。また、後者の鋳包み法ではその製造法の限界から高い耐摩耗性を得ることができないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、このような問題点に鑑みてなされたもので、内層を形成するスリーブの外周に、焼結法を用いて外層材用の超硬合金の混合粉末を焼結すると同時に拡散接合させて、外層表面に適正な圧縮残留応力を付与することにより、耐亀裂性、耐割損性を向上させると共に、耐摩耗性、耐肌荒れ性に優れた熱間圧延機用の超硬合金製複合ロールを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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を形成するスリーブの外周に、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すると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、前記内層が２００〜６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５０℃でパーライト及びベーナイト変態を起こす鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからなり、かつ前記外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与した複合スリーブを、軸材に嵌合固定したことを特徴とする超硬合金製複合ロールであって、前記内層と前記外層との接合境界部に、外層の超硬合金よりは熱膨張係数が内層に近づくように、硬質粒子及び結合相の組成を変えた超硬合金の混合粉末を用いて０．０１〜５ｍｍ厚さの傾斜合金層を形成することを特徴とする。
【０００８】
また本発明の超硬合金製複合ロールは以下が望ましい。
【０００９】
本発明の超硬合金製複合ロールにおいて、前記硬質粒子はＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ及びＶＣからなる群から選ばれた少なくとも１種または２種以上である。また、前記金属粉末はさらにＣｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ及びＣｒＳｉ₂の少なくとも１種または２種以上からなるＣｒ−Ｓｉ化合物を０．１〜３．０重量％含有するのが望ましい。
【００１０】
【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を構成する複合スリーブの一例を示す横断面図である。図２は、図１の複合スリーブを軸材に焼嵌めた複合ロールを示す回転軸方向の断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の複合スリーブ１は外層１１及び内層１２からなる。中空の内層１２の内面には係止用キー５を嵌めるための長手方向の溝４が設けられている。本発明の超硬合金製複合ロールは複合スリーブ１と軸材３とからなり、両者は焼嵌めにより強固に嵌合固定されている。焼嵌めの際、軸材３の外周面に設けられた長手方向の溝内に挿入されたキー５は内層１２の内周面に設けられた長手方向の溝４に係合し、焼嵌め後に複合スリーブ１が軸材３に対して回転するのを防止する。この例では、複合スリーブを軸材にキーを用いて焼嵌め固定しているが、キーを用いないで焼嵌め固定しても構わない。
【００１１】
複合スリーブ１の外層１１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の混合粉末を焼結してなる。所望に応じてこの混合粉末にＣｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ₂等のＣｒ−Ｓｉ化合物粉末を含有させることにより靭性及び耐酸化性を向上できる。
【００１２】
複合スリーブ１の内層１２は、鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼、合金炭素鋼などの溶製の鋼系材からなるスリーブである。内層１２に靭性のある鋼系材を用いることにより、外層１１を形成する超硬合金の脆性を補うことができる。内層１２の好ましい組成は、重量％でＣ：０．１〜２．０、Ｓｉ：０．２〜１．２、Ｎｉ：０．１〜５．０、Ｃｒ：０．１〜２．０、Ｍｏ：０．１〜３．０、残部実質的にＦｅである。Ｃが２．０％を超えると炭化物量又は黒鉛量が過剰になるので、内層として必要な引張強度、靭性などが確保できない。また、Ｃが０．１％未満のときは軟弱すぎるので必要な強度が確保できない。このような鋼系材としてＳＣＭ鋼、ＳＮＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼等が挙げられる。
【００１３】
複合スリーブ１は上記混合粉末を内層１２の外周に真空焼結法等の焼結法により拡散接合させることにより形成される。本発明の複合ロールは、上記複合スリーブ１を軸材３に焼嵌め等で嵌合固定してなる。軸材３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。
【００１４】
外層１１の超硬合金材の熱膨張率は、内層１２の鋼系材の熱膨張率の約１／２〜１／３であるため、焼結の降温過程で両材層間に熱応力が発生し、この熱応力が各材層の強度を上回ると破壊に至る。複合スリーブ１の破壊を防止するために、内層１２として、２００〜６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５０℃でパーライト＋ベーナイト変態を起こす鋼系材が好ましい。このような内層材を用いることにより、内外層間の収縮差が小さくなり、複合スリーブ１の破壊が起こらなくなる。
【００１５】
本発明の複合スリーブ１では、拡散接合により超硬合金の外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与させる。好ましくは２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与させるのがよい。超硬合金の外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与させると、嵌合後に作用する引張応力に対しても、異常圧延等により表面に引張応力が作用して亀裂が発生するような事態に遭遇しても、この圧縮残留応力により打ち消されるので、割れや亀裂の進展が阻止される。圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満のときは、この効果が十分に得られない。
【００１６】
外層を形成する超硬合金の硬質相として、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種以上の粉末を用いる。なかでも、炭化物であるＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ等の硬質粒子を用いるのが好ましく、特にＷＣが好ましい。これらの硬質粒子は、複合スリーブ１の外層１１の基質となるもので、多いほど耐摩耗性に寄与する。硬質粒子の配合量が６０重量％未満では耐摩耗性が不十分となり、耐肌荒れ性が不足する。また、９０重量％を超えると破壊靭性が低下する。従って、硬質粒子の配合量は６０〜９０重量％とする。
【００１７】
ＷＣ等の硬質粒子の平均粒径は１〜１０μｍとするのが好ましい。硬質粒子の平均粒径が１μｍ未満であると、外層１１の破壊靭性が著しく低下する。また、１０μｍを超えると抗折強度が低下する。外層１１に高靭性、高強度及び優れた耐摩耗性を付与するため、硬質粒子の平均粒径は３〜７μｍとするのがより好ましい。また、硬質粒子を十分に均粒化することにより、外層の耐肌荒れ性及び靭性を向上させることができる。
【００１８】
外層を形成する超硬合金の結合相として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの金属は、固溶体の結合相を形成し、複合スリーブ１の外層１１を強化する。これらの金属粉末はそれぞれ単独で添加してもよいが、複合添加するのが好ましい。金属粉末が１０重量％未満では結合相が不十分である。また、４０重量％を超えると、外層１１は極端に硬度が低下するとともに、耐摩耗性が劣化する。従って、結合相を形成する金属粉末の配合量は１０〜４０重量％とする。より好ましい金属粉末の配合量は１５〜２５重量％である。
【００１９】
上記金属粉末にさらにＣｒ−Ｓｉ化合物粉末を添加することができる。Ｃｒ−Ｓｉ化合物としては、Ｃｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ₂等が好ましい。Ｃｒ−Ｓｉ化合物粉末は外層１１の破壊靭性及び耐酸化性を向上させる作用を有する。焼結過程で結合相に固溶したＣｒ−Ｓｉ化合物は冷却過程で硬質相と結合相との界面に析出するので、二相間の界面エネルギーは上昇し、圧延負荷により発生するクラックの進展を抑制するとともに機械的強度を向上させる。さらに、密着性のあるＣｒ₂Ｏ₃粒子とＳｉＯ₂粒子を形成して多硬質酸化層の成長を抑制する。このような作用により、Ｃｒ−Ｓｉ化合物を含有する外層１１は靭性及び耐酸化性を向上できる。
【００２０】
Ｃｒ−Ｓｉ化合物粉末の配合量が０．１重量％未満では上記効果が十分に得られず、また３．０重量％を超えるとＭ₆Ｃ相（Ｗ₃Ｃｏ₃Ｃ）が析出して靭性が低下する。より好ましいＣｒ−Ｓｉ化合物粉末の配合量は０．５〜１．０重量％である。
【００２１】
上記配合比の各成分の粉末を、例えばボールミル等を用いて混合し、乾燥した後分級して、混合粉末を作製する。次いで、溶製の鋼系材からなる内層の外周に混合粉末を充填配備し真空焼結等により焼結する。焼結温度は混合粉末の液相出現温度＋１００℃から液相出現温度−１００℃の温度範囲であるのが好ましい。混合粉末の液相出現温度は組成により多少異なるが、１２５０〜１３５０℃である。焼結時間は１〜５時間とするのが好ましい。
【００２２】
また、溶製の鋼系材からなる内層を形成するスリーブの外周面に、外層の超硬合金よりは熱膨張係数が内層に近づくように、硬質粒子及び結合相の組成を変えた超硬合金の混合粉末を、ペースト状に塗布する等して、０．０１〜５ｍｍ厚さで傾斜合金層を成形するのが好ましい。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径がそれぞれ５μｍのＷＣ粉末、１μｍのＣｏ粉末、１μｍのＮｉ粉末、１μｍのＣｒ粉末、１μｍのＣｒＳｉ₂粉末を表１に示す割合（重量％）で配合し、ボールミルで２０時間、混合した後、乾燥した。次いで、表１に示す焼結温度で２時間焼結を行い、超硬合金製の試験片を製作した。
【００２４】

【００２５】
得られた各試験片について、クラック抵抗試験、酸化試験、抗折試験、硬度試験、破壊靭性試験（Ｋ1C）を行った。これらの試験結果を表２に示す。
【００２６】
クラック抵抗試験
平均粒径３μｍ及び１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて鏡面研磨した試験片の表面に、ビッカース圧子により荷重１．４７ｋＮで圧痕を５箇所打ち、圧痕端から延びたクラック長さ（ｍｍ）を測定し、荷重（ｋＮ）／クラック長さ（ｍｍ）の値をクラック抵抗（ＭＮ／ｍ）とした。
【００２７】
酸化試験
各試験片（13.5ｍｍ×13.5ｍｍ×4.6ｍｍ）について、８００℃で１時間、酸化処理を行い、酸化減量（ｍｇ／ｃｍ²・ｈ）を測定した。ここで酸化減量とは、加熱保持により形成された酸化物層を除去し、試験片の重量減少値を求め、これを単位面積で割った値である。酸化減量値が小さいほど耐酸化性がよいことを示す。
【００２８】
抗折試験
各試験片（4ｍｍ×8ｍｍ×30ｍｍ）に支点間距離２５ｍｍの４点曲げ試験を行った。
【００２９】
硬度試験
鏡面研磨した各試験片に、ビッカース圧子を荷重２９４Ｎで圧痕を３箇所打ち、圧痕長さを測定した。
【００３０】
破壊靭性試験（Ｋ1C）
破壊靭性値Ｋ1CはＳＥＰＢ法より求めた。
【００３１】

【００３２】
表２から、本発明の超硬合金はクラック抵抗、耐酸化性、抗折力、破壊靭性値（Ｋ1C）のいずれも良好であった。また、超硬合金中のＷＣ粒子をＳＥＭで観察した結果、実施例の試験片ではＷＣ粒子は鋭い角を持たなかったが、比較例の試験片ではＷＣ粒子は鋭い角を有するように成長していた。
【００３３】
（実施例２）
ＳＮＣＭ鋼からなる外径３００ｍｍ、内径２００ｍｍの内層の外周に、平均粒径５μｍのＷＣ粉末８５重量％、１μｍのＣｏ粉末９重量％、１μｍのＮｉ粉末５．５重量％、１μｍのＣｒＳｉ₂粉末０．５重量％からなる混合粉末を充填配備した。次に、温度１３２０℃、１時間の条件で焼結し、外径３３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの複合スリーブを得た。この複合スリーブを外径２００ｍｍ、長さ１５００ｍｍの鋼製軸材に焼嵌めて、本発明の超硬合金製複合ロールを得た。
【００３４】
得られた複合スリーブについて、超硬合金の外層表面に歪ゲージを貼付け後、その部分を40ｍｍ×40ｍｍ×40ｍｍのブロックに切断して、開放法により外層表面に作用している円周方向の圧縮残留応力を測定した。結果、２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を示し、十分な耐亀裂性を有していることを確認できた。
【００３５】
また、外層と内層との境界部の接合状態を超音波法により検査したところ、外層は内層に強固に拡散接合されており、接合不良及びクラックは全く認められなかった。本発明の超硬合金製複合ロールは、熱間薄板圧延機用ロール、熱間条鋼圧延機用ロール等に用いるのに適し、これらの圧延に使用したところ、優れた耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐亀裂性、耐割損性を有することが分かった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の超硬合金製複合ロールは、外層が内層に焼結と同時に拡散接合されているので、外層表面に適正な圧縮残留応力を付与でき、耐亀裂性、耐割損性に優れている。このため高温かつ高荷重下で使用される熱間圧延用ロールに用いる場合に優れた性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合スリーブの横断面図である。
【図２】本発明の複合ロールの回転軸方向の断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１複合スリーブ、１１外層、１２内層、３軸材

Claims

溶製の鋼系材からなる内層を形成するスリーブの外周に、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すると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、前記内層が２００〜６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５０℃でパーライト及びベーナイト変態を起こす鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからなり、かつ前記外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与した複合スリーブを、軸材に嵌合固定したことを特徴とする超硬合金製複合ロールであって、前記内層と前記外層との接合境界部に、外層の超硬合金よりは熱膨張係数が内層に近づくように、硬質粒子及び結合相の組成を変えた超硬合金の混合粉末を用いて０．０１〜５ｍｍ厚さの傾斜合金層を形成することを特徴とする超硬合金製複合ロール。
前記硬質粒子がＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ及びＶＣからなる群から選ばれた少なくとも１種または２種以上であ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。
前記金属粉末がさらにＣｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ及びＣｒＳｉ₂の少なくとも１種または２種以上からなるＣｒ−Ｓｉ化合物を０．１〜３．０重量％含有す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。