JP4221700B2 - 超硬合金製複合ロール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄帯板、板材、線材、棒材などの鋼材の圧延に用いられ、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、炭化タングステン(WC)系超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製圧延用複合ロールに関する。
【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、耐肌荒れ性等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、Feなどの金属元素で結合した焼結合金であり、WCの他にTi、Ta、Nbなどの炭化物を含有することもしばしばある。
【0003】
従来、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、WC系超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製圧延用複合ロールとして、種々の技術が提案されている。
【0004】
特許文献1には、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層の内側にWC粒子の含有量が外層のそれより少ない、超硬合金の中間層を少なくとも1層以上有し、内層と中間層とが金属層を介して接合された超硬合金製複合ロールが記載されている。
【0005】
特許文献2には、ロールバレルが同心円状の3つ以上の層からなり、最外層はヤング率が35000kgf/mm2以上、かつ層の厚みがロール半径の3%以上であり、該最外層と軸芯との間に位置する中間層は、ヤング率が最外層のヤング率より小さく、軸芯のヤング率より大きいステンレス鋼冷間圧延用複合ロールが記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−47111号公報
【特許文献2】
特許第3188643号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のように、外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールの場合、内層が外層より熱膨張係数が大きいため、すなわち、内層の熱膨張係数が10〜12×10−6/K、外層の熱膨張係数が5〜8×10−6/Kであるため、圧延中のロール温度上昇により、外層の表面に引張応力が作用する。
【0008】
ロールの外層表面に過大な引張応力が作用した状態で圧延すると、圧延時の熱衝撃により、容易に表面にクラックが発生し進展する。外層を形成する超硬合金は、比較的靭性が低いので、表面にクラックが発生すると進展しやすく、ロールが割損することがある。
【0009】
そこで、超硬合金製複合ロールにおいては、ロールの外層表面に過大な引張応力が作用しないように、あらかじめロールの外層表面に適正な圧縮残留応力を付与する必要がある。
【0010】
しかしながら、外層中のWC含有量が高くなればなるほど、内層に対し熱膨張率がさらに小さくなるため、ロール内部に発生する残留応力が増加する。この応力は内層には軸方向および円周方向に引張応力として作用し、半径方向には外層および内層のいずれの位置においても引張応力として作用する。したがって、このような残留応力が過大になると、製造時や圧延使用時に、ロール境界接合部の剥離や内層からのロール破壊が起こる可能性がある。
【0011】
そこで、本発明の目的は、外層と内層との熱膨張係数差が大きい場合でも、ロール内部に過大な残留応力が発生せず、ロール製造時に境界接合部が剥離するなどのロールの破壊を防止した超硬合金製圧延用複合ロールを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が冶金的に接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に1層以上の中間層を有し、外層と中間層と内層が冶金的に接合してなり、少なくとも1層の中間層(これを中間層Aとする)のヤング率が190GPa以下であることを特徴とする。
【0013】
また本発明は、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が冶金的に接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に2層以上の中間層を有し、外層と中間層と内層が冶金的に接合してなり、内層と接合したすなわち内層に最も隣接した中間層(これを中間層Aとする)のヤング率が190GPa以下であることを特徴とする。
【0014】
本発明において、中間層Aは、Fe、Ni、Coのうちいずれか1種を30重量%以上含有する合金から形成される。また中間層Aは、ロール軸方向と直角をなす断面における厚みが500μm以上であることが望ましい。
【0015】
また、本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、JIS R1601に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が600MPa以上であることが望ましい。
【0016】
さらに、ロール胴部の中央部の外層表面に、100〜800MPaの円周方向の圧縮残留応力が付与されていることが望ましい。
【0017】
【作用】
外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールにおいて、外層と内層を接合する際、高温での接合処理後の冷却時の熱収縮の差により、両者の間に歪とこれによる内部応力が発生する。つまり、超硬合金は線熱膨張係数が5〜8×10−6/Kと小さく、一方、内層は10〜12×10−6/Kと高く、熱収縮量が異なるため両者の間に歪とこれによる内部応力が発生する。
【0018】
この内部応力は、材質のヤング率と歪量に比例する。外層を形成する超硬合金のヤング率は合金に含有されるWC量に依存して450〜650GPa、内層を形成する鉄系あるいは鋼系の材料は205GPa程度である。
【0019】
そこで、内層と外層との間に1層以上の中間層を介在させて、そのうち少なくとも1層の中間層のヤング率を190GPa以下にすることにより、内層と外層間の歪みを吸収し発生する内部応力を低減できる。
【0020】
外層と内層とを金属接合する際に、外層から内層へCの拡散が起こる。その結果、外層と内層の接合部近傍の超硬合金のWCが複炭化物(W、Co)3Cに変わる。この複炭化物は、WCと比べて脆く境界接合部の強度を下げる要因となる。中間層Aを、Fe、Ni、Coのうちいずれか1種を基とする合金で形成することにより、このCの拡散を抑えることができ、外層との親和性が良く接合強度を高めることができる。
【0021】
中間層が歪みを吸収する場合、その弾性変形が必要であるから、その厚みがある程度なければ、歪みが過大となり、中間層自体が破壊する可能性がある。これを防ぐため、中間層Aは厚みが500μm以上必要である。
【0022】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、JIS R1601に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が600MPa以上とする、またロール胴部の中央部の外層表面に、100〜800MPaの円周方向の圧縮残留応力を付与させることにより、圧延使用時の境界接合部からの剥離に対する安全率を高めることができる。
【0023】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、特に内層が中実状である場合に、ロール内部の過大な残留応力を抑え、外層表面に適切な圧縮残留応力を付与させる効果を一層発揮するので好ましい。また、中間層Aとしてインバー系合金が好適である。
【0024】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は実施例1の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。なお、図1において右半分部分は対称であるため省略した。図1において、内径φ300mm、長さ650mmのHIP缶2の中央に、内層1として、外径φ242mm、内径φ180mm、長さ600mmの中空円筒状のSCM440を配置した。内層1のヤング率は206MPaである。
【0025】
また、本発明の特徴である中間層Aを示す中間層4として、重量比でC:0.5%、Ni:30%、Co:16%、残部実質的にFeのインバー系合金からなる外径φ249mm、内径φ243mm、長さ600mmの中空円筒状のスリーブを用意し、これを内層1の外周に配置した。中間層4のヤング率は135GPaである。実施例1において、中間層は中間層Aのみで構成される単層である。
【0026】
そして、中間層4の外面とHIP缶2の内面との間に形成された空隙に、外層3として、重量比でWC:88%、Co:12%の仮焼結体からなる外径φ298mm、内径φ250mm、長さ600mmの超硬合金製スリーブを配置した。外層3を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は500GPaである。
【0027】
その後、HIP缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を実施後、HIP装置により、1300℃、1000気圧にてHIP処理を行なった。冷却後、HIP缶を機械加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合スリーブロールを得た。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た。また、超音波探傷装置により、外層と中間層と内層が健全に接合していることを確認した。
【0028】
また、ロールの境界接合部の強度を測定するために、ロール中央部からサンプルを加工切り出し、JIS R1601に準拠した抗折試験を行った。ロール直径方向に、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片を切り出し試験したところ、抗折強度が平均で900MPaであった。また、ロール胴部の中央部の外層表面に歪ゲージを貼り、この位置の残留応力を測定したところ、円周方向の圧縮残留応力が350MPaであり、適正な範囲内にあることを確認した。
【0029】
(実施例2)
図2は実施例2の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。なお、図2において右半分部分は対称であるため省略した。図2において、内径φ100mm、長さ1800mmのHIP缶2の中央に、内層1として、外径φ70mm、長さ1700mmの中実状のSNCM439を配置した。内層1のヤング率は206MPaである。
【0030】
また、本発明の特徴である中間層Aを示す第1の中間層4として、SUS304材からなる外径φ73mm、内径φ71mm、長さ1700mmの中空円筒状のスリーブを用意し、これを内層1の外周に配置した。第1の中間層4のヤング率は135GPaである。
【0031】
そして、第1の中間層4の外面と、HIP缶2の内面との間に形成された空隙に、外層3として、重量比でWC:87%、Co:13%の仮焼結体からなる外径φ98mm、内径φ78mm、長さ1700mmの超硬合金製スリーブを配置した。外層3を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は500GPaである。
【0032】
さらに、第1の中間層4の外面と、外層3の内面との間に形成された空隙に、第2の中間層7として、重量比でWC:40%,Co:60%の超硬合金の混合粉末を充填した。後述のHIP処理後、第2の中間層7は焼結される。その第2の中間層7のヤング率は300GPaである。実施例2において、中間層は第1の中間層4および第2の中間層7で構成される複層である。
【0033】
その後、HIP缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を実施後、HIP装置により、1300℃、1000気圧にてHIP処理を行なった。冷却後、HIP缶を機械加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールを得た。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た。また、超音波探傷装置により、外層、第2の中間層、第1の中間層、内層のそれぞれが健全に接合していることを確認した。
【0034】
また、ロールの境界接合部の強度を測定するために、ロール中央部からサンプルを加工切り出し、JIS R1601に準拠した抗折試験を行った。ロール直径方向に、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片を切り出し試験したところ、抗折強度が平均で1000MPaであった。また、ロール胴部の中央部の外層表面に歪ゲージを貼り、この位置の残留応力を測定したところ、円周方向の圧縮残留応力が330MPaであり、適正な範囲内にあることを確認した。
【0035】
(比較例1)
中間層4の材料が異なる以外は、実施例1と同様に図1の方法で、比較例1の圧延用複合ロールを製造した。図1において、内径φ300mm、長さ650mmのHIP缶2の中央に、内層1として、内層1として、外径φ242mm、内径φ180mm、長さ600mmの中空円筒状のSCM440を配置した。内層1のヤング率は206MPaである。
【0036】
また、中間層4として、重量比でWC:40%、Co:60%の仮焼結体からなる外径φ249mm、内径φ243mm、長さ600mmの中空円筒状の超硬合金製スリーブを用意し、これを内層1の外周に配置した。中間層4のヤング率は300GPaである。比較例1において、中間層は中間層4のみで構成される単層である。
【0037】
そして、外層3として、重量比でWC:88%、Co:12%の仮焼結体からなる外径φ298mm、内径φ250mm、長さ600mmの超硬合金製スリーブを内層1の外周に配置した。外層3を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は500GPaである。
【0038】
その後、HIP缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を実施後、HIP装置により、1300℃、1000気圧にてHIP処理を行なった。冷却後、HIP缶を機械加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合スリーブロールを得た。カラーチェックを実施したところ、ロール端面に割れを確認した。また、超音波探傷装置により、外層と内層が全周面にわたって剥離していることを確認した。
【0039】
【発明の効果】
本発明により、外層と内層との熱膨張係数差が大きい場合でも、ロール内部に過大な残留応力が発生せず、ロール製造時に境界接合部が剥離するなどのロールの破壊を防止できる。
【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】他の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、 2 HIP缶、 3 外層、
4 中間層、 5 加熱ヒータ、 6 HIP炉、 7 第2の中間層
Claims (6)
- 鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が冶金的に接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に1層以上の中間層を有し、外層と中間層と内層が冶金的に接合してなり、少なくとも1層の中間層(中間層A)のヤング率が190GPa以下であることを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。
- 鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が冶金的に接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に2層以上の中間層を有し、外層と中間層と内層が冶金的に接合してなり、内層と接合した中間層(中間層A)のヤング率が190GPa以下であることを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。
- 前記中間層Aは、Fe、Ni、Coのうちいずれか1種を30重量%以上含有する合金であることを特徴とする請求項1または2に記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
- 前記中間層Aは、厚みが500μm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
- JIS R1601に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層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請求項1〜4のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
- ロール胴部の中央部の外層表面に、100〜800MPaの円周方向の圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
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