JP4320699B2

JP4320699B2 - Composite roll for rolling

Info

Publication number: JP4320699B2
Application number: JP2002301010A
Authority: JP
Inventors: 敏幸服部; 満喜堀内
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP2004136297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、靭性に優れる鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、高硬度の超硬合金からなる外層を形成した圧延用複合ロールに関する。本発明は、特に圧延中にロール温度が上昇する用途に用いられる熱間圧延用ロール等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延においては、肌品質の向上、耐摩耗性の向上の要求から、従来はダクタイル鋳鉄、グレン系鋳鉄、チルド系鋳鉄ロールが広く用いられてきたが、近年は高品質な圧延用ロールの使用が進んでいる。特に耐摩耗性の要求が特に強い分野では、ハイス系ロールが用いられている。
【０００３】
さらに最近では、ハイス系ロールなどに比べて耐摩耗性が格段に優れる超硬合金を用いたロールが提案されている。超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、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。
【０００４】
例えば、特公昭５８−３９９０６号には、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−ＣｒのＷＣ系超硬合金で構成した線材圧延用ロールが記載されている。この線材圧延用ロールは、超硬合金単体を焼結した小型のスリーブロールであり、靭性に優れた鋼製のロール軸材に０．１／１０００程度の焼嵌め率で嵌合し、そのスリーブロールの側面を固定リング、スぺーサーリングなどにより押圧固定して機械的に組立てたものである。この種の超硬合金製スリーブロールの寸法は、外径が１００〜５００ｍｍ、回転軸方向の長さが１０〜３００ｍｍ程度の比較的短尺なものである。
【０００５】
このように超硬合金製スリーブをロール軸材に嵌合したロールの場合、固定リング、スぺーサーリング、皿バネ、ナットなど多くの部材が必要で組立て構造が複雑であり、かつ高い組立て精度を要求されるので組立てに係わる工数や費用がかかるという問題がある。また、ロール胴部の長さに対して、超硬合金の占める部分つまり圧延に使用できる部分が半分以下であり効率的でない問題がある。
【０００６】
さらに、超硬合金は熱伝導率が高いため、圧延使用時に超硬合金の温度が上昇しやすく、その熱が鋼製のロール軸材に伝わりやすく、ロール軸材が大きく膨張する。そこで、超硬合金の熱膨張係数は鋼より小さいので、超硬合金製スリーブには半径方向および軸方向に引張り応力が付与される。焼嵌め時の締め代が大きい場合、半径方向の引張り応力が高くなり過ぎると、超硬合金製スリーブの内面から割れを引き起こすおそれがある。また、逆にこのような割れを懸念するあまり焼嵌め時の締め代が小さい場合、圧延中に超硬合金製スリーブが滑るおそれがある。
【０００７】
また、超硬合金単体では、焼結時に自重の影響により成形体に大きな変形が生じやすいため大型長尺のスリーブロールが製造できない問題がある。
【０００８】
このような組立式超硬ロールの欠点を克服するため、例えば特開平１０−８２１２号には超硬合金と鋼材を金属的に接合した複合ロールが提案されている。これは鋼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族元素の炭化物、窒化物およ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、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、ロール軸材に嵌合固定したものである。また、特開平１０−８２１３号には超硬合金と鋼製の中実軸材を金属的に接合した中実構造の複合ロールも提案されている。
【０００９】
この種の超硬合金製複合ロールは、従来の組立式超硬ロールにおける固定リング、皿バネ、ナットなどが不要であり、ロール胴部長さの全表面を外層で構成するため圧延に使用できる部分を拡大できる利点を有する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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／℃、外層の熱膨張係数が５〜８×１０^−６／℃であるため、熱間圧延時等の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。これを防止するため、ロールの外層表面に圧縮の残留応力を付与することもできるが、ロール温度が高い場合には、熱応力の方が大きくなり、合計の応力が引張になることもある。ロール表面に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。
【００１１】
したがって、本発明は、ロールの外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、圧延中にロール温度が上昇しても、内層が熱膨張することによる外層の引張応力の発生を抑えて、ロール表面にクラックが発生することを防止した圧延用複合ロールを提供することを目的とする。
【００１２】
【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、重量比でＣを０．２％以上０．７％以下、Ｎｉを２０％以上５０％未満含む鋼系材料からなる内層の外周に超硬合金からなる外層が接合してなり、内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数が、８×１０^−６／℃以下であることを特徴とする。また、外層と内層の間に超硬合金等のサーメット系合金または金属で形成された中間層を少なくとも１層以上介在させることが望ましい。
【００１３】
【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、内層に外層の超硬合金と同等レベル以下の熱膨張係数を有する低熱膨張材料を用いることにより、圧延中温度上昇時にも、内層がより膨張することによる外層の引張応力の発生を防止することができる。
【００１４】
このような低熱膨張係数を得るためには、内層は重量比でＮｉを２０％以上５０％未満含有する鋼系合金を使用することが有効である。さらに、超硬合金の外層と内層との接合界面において、超硬合金からのＣの拡散移動を抑制し、良好な接合境界を得るためには、内層は重量比でＣを０．２％以上０．７％以下含有することが望ましい。
【００１５】
また、超硬合金からなる外層と、鋼系または鉄系材料からなる内層との間に超硬合金または金属で形成された中間層を少なくとも１層以上介在させることにより、外層と内層との接合強度を高められるので好ましい。この中間層は、その組成において、金属系のバインダー相の重量比率が３０％以上のサーメット系材質であることがより望ましい。
【００１６】
本発明の複合ロールの製造方法として、鋼系または鉄系材料からなる内層を用いて、真空焼結、加圧焼結ないしは熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法により超硬合金からなる外層を接合させる。ロールの構成は、中実の複合ロールでもよく、複合スリーブロールを鋼等の軸材に焼嵌めて組み立てたものでも良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
まず、外層として、外径３５０ｍｍ、内径３００ｍｍ、長さ６００ｍｍであり、組成がＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブを作製した。次いで、外径３５５ｍｍ、長さ６５０ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶の中央に、外径２９０ｍｍ、長さ６００ｍｍの表１に示す組成の低熱膨張材の内層を配置し、内層の周りに前記中空スリーブを挿入した。なお、表１において、内層の化学組成（重量％）とともに、その内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数（×１０^−６／℃）を示す。
【００１８】
次いで、内層の外面と中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、中間層として重量比で平均粒径５μｍのＷＣ粉末３０％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７０％の混合粉末を充填した。その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封した後、７００℃にて真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１２５０℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、超音波探傷検査にて、外層、中間層、内層の接合が健全であることを確認した。
【００１９】
このようにして得られた超硬合金製複合ロールを、外径３３０ｍｍ、全長４５０ｍｍに機械加工し、シャフトに焼き嵌めにより固定し、本発明例１の熱間圧延用ワークロールを作製した。
【００２０】
（比較例１）
また、比較例として、外層にＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブ、内層に表１に示す組成の合金鋼を用いて他は実施例１同様に比較例１の熱間圧延機用ワークロールを作製した。
【００２１】
これらの本発明例および比較例の圧延機用ワークロールを平鋼用熱間圧延機に組み込み、普通鋼材の実機圧延を行なった。表２にこれらの結果を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
また、他形態の方法で、本発明の圧延用複合ロールを製造した例を以下に説明する。
【００２５】
（実施例２）
外径１３０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶に、外径８０ｍｍ、長さ１９００ｍｍの内層となる表３に示す組成の中実の低熱膨張材料を設置し、その外側にＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる外径１２５ｍｍ、長さ１９５０ｍｍ、内径９０ｍｍのスリーブ形状の外層を設置し、内層の外面と外層の内面との間に形成された空隙に、中間層として重量比で平均粒径５μｍのＷＣ粉末３０％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７０％の混合粉末を充填した。ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封した後、５００℃にて真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１２５０℃、１２００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後ＨＩＰ缶を加工除去して本発明例２の超硬合金製複合ロールを作製した。なお、表３において、内層の化学組成（重量％）とともに、その内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数（×１０^−６／℃）を示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
本発明例２の圧延機用ワークロールを熱間圧延機に組み込み、普通鋼材の実機圧延を行なった結果、ロール表面にクラックは発生せず良好な圧延を行なうことができた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、超硬合金製の複合ロールの内層に低熱膨張材を用いることにより、圧延時の温度上昇時にも、内層の熱膨張による引張応力の発生を抑えることができ、圧延の熱衝撃による表面からのクラックを防止することが可能となる。この技術により、熱間圧延を始め、ロール温度が上昇する圧延用途に於いても信頼性の高い超硬複合ロールの供給が可能となる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite roll for rolling in which an outer layer made of a cemented carbide with high hardness is formed on the outer periphery of an inner layer made of a steel-based or iron-based material having excellent toughness. The present invention is particularly suitable for hot rolling rolls used for applications in which the roll temperature rises during rolling.
[0002]
[Prior art]
In hot rolling, ductile cast iron, glen cast iron, and chilled cast iron rolls have been widely used in the past due to demands for improved skin quality and wear resistance. Use is progressing. High-speed rolls are used particularly in fields where the requirement for wear resistance is particularly strong.
[0003]
Furthermore, recently, a roll using a cemented carbide which has much higher wear resistance than a high speed roll has been proposed. As is well known, cemented carbide is a sintered alloy in which WC is bonded with a metal element such as Co, Ni, and Fe, and often contains carbides such as Ti, Ta, and Nb in addition to WC.
[0004]
For example, Japanese Examined Patent Publication No. 58-39906 describes a wire-rolling roll made of a WC-Co-Ni-Cr WC cemented carbide. This wire rolling roll is a small sleeve roll obtained by sintering a cemented carbide single body, and is fitted to a steel roll shaft material with excellent toughness at a shrinkage fit of about 0.1 / 1000. The roll side is pressed and fixed by a fixing ring, a spacer ring or the like, and mechanically assembled. The size of this kind of cemented carbide sleeve roll is relatively short with an outer diameter of 100 to 500 mm and a length in the rotation axis direction of about 10 to 300 mm.
[0005]
In the case of a roll in which a cemented carbide sleeve is fitted to the roll shaft material in this way, many members such as a fixing ring, a spacer ring, a disc spring, and a nut are required, the assembly structure is complicated, and high assembly accuracy is achieved. Since this is required, there is a problem that man-hours and costs for assembly are required. In addition, the portion occupied by the cemented carbide, that is, the portion that can be used for rolling is less than half of the length of the roll body, which is not efficient.
[0006]
Furthermore, since the cemented carbide has a high thermal conductivity, the temperature of the cemented carbide is likely to rise during rolling, the heat is easily transferred to the steel roll shaft material, and the roll shaft material expands greatly. Therefore, since the thermal expansion coefficient of cemented carbide is smaller than that of steel, tensile stress is applied to the cemented carbide sleeve in the radial and axial directions. When the tightening allowance at the time of shrink fitting is large, if the tensile stress in the radial direction becomes too high, there is a risk of causing cracks from the inner surface of the cemented carbide sleeve. On the other hand, if the tightening allowance at the time of shrink fitting is so small that there is a concern about such cracking, the cemented carbide sleeve may slip during rolling.
[0007]
In addition, the cemented carbide alone has a problem that large and long sleeve rolls cannot be manufactured because large deformation is likely to occur in the formed body due to the influence of its own weight during sintering.
[0008]
In order to overcome the drawbacks of such an assembled cemented carbide roll, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-8212 proposes a composite roll in which a cemented carbide alloy and a steel material are joined metallically. In the outer periphery of the sleeve forming the inner layer made of steel material, 60 to 90% by weight of at least one or more of carbides, nitrides, and carbonitrides of IVa to VIa group elements of the periodic table is used. A cemented carbide outer layer formed by sintering and simultaneously bonding a mixed powder composed of at least one or more metal powders of Fe, Ni, Co, Cr, Mo, and W. A composite sleeve having a circumferential compressive residual stress of 100 MPa or more applied to the outer layer surface is fitted and fixed to a roll shaft material. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-8213 proposes a composite roll having a solid structure in which a cemented carbide and a steel solid shaft material are metallically joined.
[0009]
This kind of cemented carbide composite roll does not require a fixing ring, disc spring, nut, etc. in the conventional assembling type cemented carbide roll, and the part that can be used for rolling because the entire surface of the roll body length is composed of an outer layer. Has the advantage that can be expanded.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a composite roll in which the outer layer is made of a cemented carbide and the inner layer is made of an iron-based or steel-based material, the inner layer has a larger thermal expansion coefficient than the outer layer, that is, the inner layer has a thermal expansion coefficient of 10 to 12 × 10 ^{− Since} the thermal expansion coefficient of ⁶ / ° C. and the outer layer is 5 to 8 × 10 ⁻⁶ / ° C., tensile stress acts on the surface of the outer layer due to an increase in roll temperature during rolling such as during hot rolling. In order to prevent this, compressive residual stress can be applied to the outer layer surface of the roll. However, when the roll temperature is high, the thermal stress becomes larger, and the total stress may become tensile. When rolling is performed in a state where tensile stress is applied to the roll surface, cracks are easily generated and propagated due to thermal shock during rolling. Since the cemented carbide forming the outer layer has relatively low toughness, it tends to develop when cracks occur on the surface, and the roll may break.
[0011]
Therefore, according to the present invention, the outer layer of the roll is formed of a cemented carbide having excellent wear resistance, and even if the roll temperature rises during rolling, the occurrence of tensile stress in the outer layer due to the thermal expansion of the inner layer is suppressed. An object of the present invention is to provide a rolling composite roll that prevents cracks from being generated on the roll surface.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The rolling composite roll of the present invention has an outer layer made of a cemented carbide on the outer periphery of an inner layer made of a steel-based material containing 0.2% to 0.7% C by weight and 20% to less than 50% Ni. The average linear thermal expansion coefficient between 20 to 200 ° C. of the inner layer is 8 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less. In addition, it is desirable that at least one intermediate layer formed of a cermet alloy such as cemented carbide or metal is interposed between the outer layer and the inner layer.
[0013]
[Action]
In a composite roll composed of a cemented carbide outer layer and an iron or steel material in the inner layer, by using a low thermal expansion material having a thermal expansion coefficient equal to or lower than that of the outer cemented carbide in the inner layer, the temperature during rolling Even when it rises, it is possible to prevent generation of tensile stress in the outer layer due to further expansion of the inner layer.
[0014]
In order to obtain such a low thermal expansion coefficient, it is effective to use a steel alloy containing Ni in a weight ratio of 20% or more and less than 50%. Furthermore, in order to suppress the diffusion movement of C from the cemented carbide at the joining interface between the outer layer and the inner layer of the cemented carbide, and to obtain a good joining boundary, the inner layer has a weight ratio of C of 0.2% or more. It is desirable to contain 0.7% or less.
[0015]
Further, by joining at least one intermediate layer formed of cemented carbide or metal between the outer layer made of cemented carbide and the inner layer made of steel or iron-based material, the outer layer and the inner layer are joined. It is preferable because the strength can be increased. The intermediate layer is more preferably made of a cermet material having a composition in which the weight ratio of the metal-based binder phase is 30% or more.
[0016]
As a manufacturing method of the composite roll of the present invention, an outer layer made of cemented carbide is joined by vacuum sintering, pressure sintering or hot isostatic pressing (HIP) method using an inner layer made of steel or iron-based material. Let The roll configuration may be a solid composite roll or an assembly in which the composite sleeve roll is shrink-fitted onto a shaft such as steel.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
First, as an outer layer, a hollow sleeve made of a cemented carbide sintered body having an outer diameter of 350 mm, an inner diameter of 300 mm, and a length of 600 mm and a composition of WC 85 wt% and Co 15 wt% was manufactured. Next, an inner layer of a low thermal expansion material having the composition shown in Table 1 having an outer diameter of 290 mm and a length of 600 mm is arranged in the center of the HIP can made of steel having an outer diameter of 355 mm and a length of 650 mm, and the hollow is formed around the inner layer. A sleeve was inserted. In addition, in Table 1, the average linear thermal expansion coefficient (* 10 < ^-6 > / degreeC) between 20-200 degreeC of the inner layer is shown with the chemical composition (weight%) of an inner layer.
[0018]
Next, in the void formed between the outer surface of the inner layer and the inner surface of the outer layer of the hollow sleeve, a mixed powder of 30% WC powder having an average particle diameter of 5 μm and 70% Co powder having an average particle diameter of 1 μm as an intermediate layer. Filled. Thereafter, the HIP can was hermetically sealed with a steel lid, and then deaerated with a vacuum pump at 700 ° C. After confirming that no leak occurred in the HIP can, the HIP treatment was performed at 1250 ° C. and 1000 atm. After cooling, the HIP can was processed and removed, and it was confirmed by ultrasonic flaw detection that the joining of the outer layer, the intermediate layer, and the inner layer was sound.
[0019]
The composite roll made of cemented carbide thus obtained was machined to an outer diameter of 330 mm and a total length of 450 mm, and fixed to the shaft by shrink fitting to produce a work roll for hot rolling of Example 1 of the present invention.
[0020]
(Comparative Example 1)
Further, as a comparative example, a hollow sleeve made of a cemented carbide made of cemented carbide of WC 85 wt% and Co 15 wt% is used for the outer layer, and an alloy steel having the composition shown in Table 1 is used for the inner layer. A work roll for a hot rolling mill of Example 1 was produced.
[0021]
These work rolls for rolling mills according to the present invention and the comparative example were incorporated into a flat steel hot rolling mill, and ordinary steel was rolled. Table 2 shows these results.
[0022]
[Table 1]

[0023]
[Table 2]

[0024]
Moreover, the example which manufactured the composite roll for rolling of this invention with the method of another form is demonstrated below.
[0025]
(Example 2)
A HIP can made of steel with an outer diameter of 130 mm and a length of 2000 mm is provided with a solid low thermal expansion material having the composition shown in Table 3 as an inner layer with an outer diameter of 80 mm and a length of 1900 mm. A sleeve-shaped outer layer having an outer diameter of 125 mm, a length of 1950 mm, and an inner diameter of 90 mm made of a sintered body made of cemented carbide of Co 15 wt% is installed, and a gap formed between the outer surface of the inner layer and the inner surface of the outer layer As an intermediate layer, a mixed powder of 30% WC powder having an average particle diameter of 5 μm and 70% Co powder having an average particle diameter of 1 μm was filled in a weight ratio. The HIP can was hermetically sealed with a steel lid and then deaerated at 500 ° C. with a vacuum pump. After confirming that no leak occurred in the HIP can, the HIP treatment was performed at 1250 ° C. and 1200 atm. After cooling, the HIP can was processed and removed to produce a cemented carbide composite roll of Invention Example 2. In addition, in Table 3, the average linear thermal expansion coefficient (x10 < ^-6 > / degreeC) between 20-200 degreeC of the inner layer is shown with the chemical composition (weight%) of an inner layer.
[0026]
[Table 3]

[0027]
As a result of incorporating the work roll for a rolling mill of Example 2 of the present invention into a hot rolling mill and performing actual rolling of the normal steel material, no cracks were generated on the roll surface, and good rolling could be performed.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, by using a low thermal expansion material for the inner layer of the composite roll made of cemented carbide, it is possible to suppress the occurrence of tensile stress due to the thermal expansion of the inner layer even when the temperature rises during rolling. It is possible to prevent cracks from the surface due to impact. With this technology, it is possible to supply a cemented carbide composite roll with high reliability even in rolling applications where the roll temperature rises, including hot rolling.

Claims

An outer layer made of cemented carbide is bonded to the outer periphery of the inner layer made of a steel-based material containing 0.2% to 0.7% and C in a weight ratio of 20% to less than 50%. An average linear thermal expansion coefficient between 200 ° C. is 8 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less.

The composite roll for rolling according to claim 1, wherein at least one intermediate layer is interposed between the outer layer and the inner layer.