JP3755758B2

JP3755758B2 - 圧延用複合ロール

Info

Publication number: JP3755758B2
Application number: JP2002074608A
Authority: JP
Inventors: 満喜堀内; 敏幸服部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-03-18
Also published as: JP2003275809A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄帯材、板材、線材、棒材などの鋼材をはじめとする金属材の圧延に用いられる圧延用ロールに関し、特に靭性に優れる材料からなる内層材と、この内層材の外周に超硬合金からなる外層材を備えた超硬合金製圧延用複合ロールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
寸法精度の向上など圧延材に対する高品質化、あるいはロール替え工数減少による生産性向上の要求に応えるため、耐摩耗性、耐肌荒れ性などに優れた炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金が線材、棒鋼、平鋼、帯鋼などの圧延用ロールに適用されている。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属元素で結合した焼結合金である。
【０００３】
超硬合金を圧延用ロールとして使用するため、靭性に優れた内層材と金属接合した複合ロールが開発されている。例えば特開２００１−４７１１１号公報には、超硬合金からなる外層材と内層材との間に中間層を有するとともに、内層材と中間層との間に金属層が介在している複合ロールが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の複合ロールは優れた性能を有するが、超硬合金からなる外層材と鋼などの内層材を接合するため、両者の間に傾斜層あるいは金属からなる中間層を介在させる必要がある。これは、超硬合金からなる外層材と鉄系材からなる内層材を直接金属接合すると炭素活量の高い外層材から内層材に炭素が拡散し、境界接合部付近の外層材の炭素が減少するため、ＷＣ−Ｃｏ２層域の化学量論組成より炭素が減少し、η相が発生し材質が脆化するためである。中間層を有していてもその厚みが十分でない場合、焼結接合時にこの中間層を越えて炭素が拡散移動するため、外層材の境界接合部にη相が出現する。このようにある一定以上の厚みを持った中間層を設けることにより、圧延ロールの境界接合部は十分な強度を得ることができるが、製造にあたっては中間層を形成させる工程が必要となる。
【０００５】
超硬合金のような粉末合金系の複合ロールを製造する際に、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法を用いることが広く知られている。熱間静水圧プレスで粉末合金を焼結製造する際には、原料となる合金粉末を鋼製のＨＩＰ缶と呼ばれる容器に充填し、溶接によって密封した後、ＨＩＰ缶内を脱気して、ＨＩＰ処理を行なうのが一般的である。この方法を用いて複合ロールを製造する際、内層材となる中空円筒状のスリーブあるいは中実の軸材を予めＨＩＰ缶内に設置し、この内層材とＨＩＰ缶との間の空隙に外層材となる原料粉末を充填し、ＨＩＰ缶を溶接密封後、ＨＩＰ処理を行い、外層材を焼結すると同時に内層材とも接合して製造することができる。
【０００６】
しかしながら、外層材と内層材の間に中間層が必要な場合、ＨＩＰ缶内に外層材用粉末と中間層用粉末の２種類の粉末を２層に分けて充填しなくてはならない。このような充填方法では、ロール軸方向にわたって粉末組成、厚みを均一に安定させることが非常に困難である。特開２００１−４７１１１号公報では、その実施例において、ＨＩＰ缶への充填の際、外層材が形成される部分と中間層が形成される部分の間に仕切り材を設け、外層材用粉末と中間層用粉末を充填する技術が開示されている。しかし、このような方法でも２種類の粉末が混合することを完全に防止することは、困難であり手間も掛かる。
【０００７】
本発明の目的は、超硬合金製圧延用複合ロールを製造するにあたり、施工の困難な中間層を必要とせず、しかも強度の十分高い境界接合部が得られる圧延用複合ロールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧延用複合ロールは、Ｃ：０.５重量％以上を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、ＷＣ系超硬合金からなる外層材が実質的に直接に金属接合された圧延用複合ロールであって、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。なお、本発明でいう実質的に直接に金属接合されるとは、外層材と内層材との間に中間層を施工により介在させないで外層材と内層材を金属接合させることをいう。
【０００９】
また第２の本発明の圧延用複合ロールは、Ｃ：０.５重量％以上を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、ＷＣ系超硬合金からなる外層材が、厚み１ｍｍ以下の中間層を外層材と内層材との間に介在させて金属接合された圧延用複合ロールであって、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。また、これらの本発明において、前記内層材にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれか一種以上を合計で１.５重量％以上含むことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
超硬合金の外層材と鋼などの鉄系合金の内層材を接合するとき、両者の炭素活量の差により、焼結接合時に接合界面において炭素が拡散移動する。超硬合金の炭素活量の方が高い場合には、接合界面付近の超硬合金から炭素が内層材側に拡散するので、超硬合金内の炭素が低下する。その結果、低炭素組成の炭化物であるη相がこの部分に出現する。したがって、鋼の炭素活量が超硬合金同等以上になれば超硬合金からの炭素の拡散がなくなりη相の発生を防ぐことができる。
【００１１】
発明者は、超硬合金と各種鉄系合金との接合実験を行い、鉄系合金の炭素含有量が０.５重量％を超えれば超硬合金からの炭素の拡散は殆どなく、η相の発生を防止でき、十分な接合強度を持つ複合ロールが得られることを確認した。つまり、鉄系合金の炭素含有量が０.５重量％以上であれば、鉄系合金の炭素活量が超硬合金のそれと同等以上になり、ＨＩＰによる接合を行なっても、炭素の拡散が殆どなく、η相の発生を防止することができるのである。したがって、このような内層材を使用すれば、中間層の施工なしにη相のない健全な接合界面を得ることができる。また、中間層の施工の容易な刷毛塗りやスプレー塗布により、厚み１ｍｍ以下の中間層を形成してもη相のない健全な接合界面を得ることができる。
【００１２】
このような手段により、外層材と内層材との接合強度が十分な圧延用ロールを得ることができる。本発明における接合強度は、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片をロールから切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験により測定した抗折強度により評価する。一般的には、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した測定法で評価する。本発明の複合ロールは、この評価法による抗折強度が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００１３】
さらに、内層材となる鉄系合金に、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれか一種以上を合計で１.５重量％以上含むことが好ましい。このような複合ロールの内層材には、より熱収縮の小さな超硬合金の外層材に対し、内層材の大きな熱収縮により発生する歪みを緩和させる変態膨張特性が必要である。この変態がパーライト変態では、変態後高温での塑性変形による緩和により、常温への冷却過程での熱収縮差により、大きな歪みが発生しロール破壊の原因となる。このため、このような変態は、ベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態のようにある程度低温で起こらなければならない。したがって、焼結後の冷却過程でベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態が起こるように、内層材にはＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれか一種以上を合計で１.５重量％以上含むことが必要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。図１において、内径φ３５０ｍｍ、長さ９００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、表１の本発明例１に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層材１を配置し、内層材１の外面とＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に超硬合金の粉末３を充填した。超硬合金の粉末３の組成は、重量比でＷＣ８０％、Ｃｏ２０％である。本実施例では中間層の施工を行なわなかった。なお、図１において右半分部分は対称なため省略している。
【００１５】

【００１６】
ＨＩＰ缶２を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ装置にて、１３００℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶２を機械加工により除去した。これにより得られた超硬合金の外層材を有する本発明の複合ロールは、カラーチェックにて、ロール端面に割れがないことを確認し、超音波探傷装置により、外層材と内層材が健全に接合していることを確認した。また、ロール中央部から外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験によりその抗折強度を測定した結果、その抗折強度は１１００ＭＰａであった。また、組織観察により境界接合部付近にはη相がないことを確認した。なお、内層材として中空円筒状のみならず、中実の軸材を用いることもできる。
【００１７】
（実施例２）
図２は圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。図２において、内径φ３５０ｍｍ、長さ９００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、表１の本発明例２に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層材１を配置した。そして、中間層４を形成するために、重量比でＷＣ５０％、Ｃｏ５０％の混合粉末をスラリー状にしたものを、内層材１の外表面に刷毛で厚みが０.２〜０.５ｍｍになるよう塗布した。その後、内層材１の外面とＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に超硬合金の粉末３を充填した。超硬合金の粉末３の組成は、重量比でＷＣ８０％、Ｃｏ２０％である。なお、図２において右半分部分は対象なため省略している。
【００１８】
ＨＩＰ缶２を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ装置にて、１３００℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を施した。冷却後、ＨＩＰ缶２を機械加工により除去した。これにより得られた超硬合金の外層材を有する本発明の複合ロールは、カラーチェックおよび超音波探傷で検査したところ、外層材と内層材とが中間層を挟んで健全に接合していることを確認した。また、ロール中央部から外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験によりその抗折強度を測定した結果、その抗折強度は１１００ＭＰａであった。また、組織観察により境界接合部付近にはη相がないことを確認した。
【００１９】
（比較例１）
表１の比較例１１に示す組成の中空円筒状の内層材を用いた以外は、実施例１と同様の方法で超硬合金の外層材を有する複合ロールを製造した。結果、カラーチェックにて、ロール端面に割れがないことを確認し、超音波探傷装置により、外層材と内層材が健全に接合していることを確認した。しかしながら、ロール中央部から外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験によりその抗折強度を測定した結果、その抗折強度は４５０ＭＰａであった。村上試薬エッチングによる組織観察を行なったところ、境界接合部付近の外層材にη相が存在し、これが抗折強度劣化の原因であることが判った。
【００２０】
（比較例２）
表１の比較例１２に示す組成の中空円筒状の内層材を用いた以外は、実施例１と同様の方法で超硬合金の外層材を有する複合ロールを製造した。ＨＩＰ缶を加工除去し、ロール端面のカラーチェックを実施したところ、外層材と内層材の接合部に全周割れが発生していた。また、超音波探傷で検査したところ、ロール全面に割れが進展していることを確認した。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、従来行なわれていた中間層の施工の手間を省き、境界接合部に脆弱なη相がなく、信頼性の高い境界接合部を有する超硬合金製圧延用複合ロールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【図２】圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【符号の説明】
１内層材、２ＨＩＰ缶、３超硬合金粉末、４中間層

Claims

Ｃ：０.５重量％以上を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、ＷＣ系超硬合金からなる外層材が実質的に直接に金属接合された圧延用複合ロールであって、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする圧延用複合ロール。
Ｃ：０.５重量％以上を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、ＷＣ系超硬合金からなる外層材が、厚み１ｍｍ以下の中間層を外層材と内層材との間に介在させて金属接合された圧延用複合ロールであって、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする圧延用複合ロール。
前記内層材にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂのいずれか一種以上を合計で１.５重量％以上含むことを特徴とする請求項１または２に記載の圧延用複合ロール。