JP7041679B2 - 鋼板の表面形状を圧延成形するためのロールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、鋼板を圧延成形するためのロールおよびその製造方法に関し、特に特殊な表面形状を有するロールおよびその製造方法に関する。

背景技術
一般的には、冷間圧延機の最後の圧延工程および冷間圧延矯正機の作業ロールは、ダル加工ロール、即ち、一定の表面粗さを有するロールを使用して、鋼板の表面を一定の表面形状に形成する。

従来のロールダル加工技術は、主に、ショットブラストダル加工、放電ダル加工、レーザダル加工、電子ビームダル加工およびクロムめっきダル加工を含む。ショットブラストダル加工、放電ダル加工、レーザダル加工および電子ビームダル加工によって形成された表面形状は、主に穴である。このような表面形状を有するロールは、圧延時に転写率が低く、穴が金属粉末で充填され易いため、表面粗さが急速に低下する。クロムめっきダル加工は、電気メッキ中に処理パラメータを合理的に制御することによって、ロールの表面上に複数の半球状の凸起を成長させることができる。このような表面形状を有するロールは、より高い形状転写率を有すると共に、圧延後の鋼板上には多数の小さな穴が形成されるため、鋼板のオイル貯留効果を改善することができる一方、この技術の最大の欠点は、クロム電気メッキを使用するため、環境には非常に大きな悪影響を与えてしまう。

また、上記のロールダル加工技術は、処理パラメータを適切に調整することによって、ダル加工後のロール表面の表面粗さ、ピーク数および起伏度を適切に調整することができるが、調整範囲が非常に狭く限られ、ダル加工によって形成された表面形状のいくつかの固有特徴を変更することができず、且つダル加工点を個別に制御することができないため、表面形状を精密に設計および制御することができない。

一方、より多くのユーザは、鋼板の塗装に対する要求が高まっていく。研究により、鋼板表面の起伏度を低減することによって鋼板の塗装を効果的に改善することができることが分かった。したがって、製鋼所は、ロールの起伏度を制御する必要がある。しかしながら、従来のダル加工技術は、表面形状を精密に設計および処理することが困難であるため、起伏度を制御することには限界がある。

上記によれば、従来のダル加工技術は、表面形状を穴構造に形成するまたは環境に対する悪影響を与えるため、表面形状を精密に設計および制御することができない。

２０１５年９月２日に公開され、「金属材料特に鋼材料から製造された平板製品、当該平板製品の応用、ロールおよび当該平板製品を製造する方法」と題された中国特許出願ＣＮ１０４８８４１８０Ａは、金属材料、特に鋼から製造された平板製品、当該平板製品の有利な応用、当該平板製品の製造に特に適しているロール、および当該平板製品を製造する方法に関する。この特許文献は、ＩＩ字型、Ｈ字型、十字型、Ｃ字型またはＸ字型などの明確なテクスチャを有するロールを開示している。この技術的解決策は、表面構造の精密な設計および加工を実現し、起伏度を適切に低減することができるが、ロールの表面形状が依然として主に穴であるため、ロールの形状転写率が改善されていない。また、このロールの表面テクスチャが特定パターンを有するため、このようなロールを用いて製造された鋼板を塗装するときに「モアレ」パターン欠陥が生じ易くなる。

２０１６年４月１３日に公開され、「鋼製エンボスロールの構造化表面を形成するための方法および装置」と題された中国特許出願ＣＮ１０３８８９６４２Ｂは、短パルスレーザを用いて鋼製エンボスロールの構造化表面を形成するための方法および装置に関する。この構造は、２０μｍを超える大きさおよび２００μｍ以上の深さを有するマクロ構造である。この特許文献は、短パルスレーザを用いて加工された特殊なパターンを有するエンボスロールを開示した。この技術的解決策は、表面構造の精密な設計および加工を実現したが、表面形状が主に穴であるため、ロールの表面形状が有効的に改善されていない。

要約すると、一部の専門家および学者は、表面形状の精密な設計および加工に対していくつかの研究を行ったが、ロールの表面構造の改良、形状転写率の向上およびロール表面起伏度の低減などにおいてまだ有効的な技術的解決策を提案していない。

発明の概要
本発明の目的は、良好な形状転写率および低い起伏度で鋼板の表面形状を圧延形成するができる特殊な表面形状を有するロールを提供することである。

本発明の目的は、以下の技術的解決策によって達成することができる。
鋼板の表面形状を圧延成形するためのロールであって、ロール表面には、複数のダル加工点が設けられ、各々のダル加工点とロール表面との間の接合部の形状は、円形またはほぼ円形であり、当該円の上記接合部の位置での直径は、５０～１５０μｍであり、各々のダル加工点の突起高さは、２～１２μｍであり、隣接するダル加工点同士の上記接合部の位置での重畳量は、１０％未満であり、１平方ミリメートル当たりのロール表面において、ダル加工点の数の相対範囲は、２０％未満であり、ダル加工点の被覆面積の割合は、３０～９０％である。

ダル加工点を円形またはほぼ円形に形成することによって、一方では異なる方向における表面形状の違いを回避することができ、他方ではダル加工点間の相互干渉を避けるように互いに独立したダル加工点を簡単に形成することができる。

また、各ダル加工点の直径は、５０～１５０μｍに設けられる。その理由は、以下にある。ダル加工点の直径が５０μｍ未満である場合、ロールの表面構造が微細になり、使用時にロールの耐摩耗性が著しく低下する。一方、ダル加工点の直径が１５０μｍを超える場合、ロールの表面構造が粗くなり、ロールによって圧延または処理された鋼板を塗装する時に塗膜が鋼板の表面を完全に被覆し難くなる。

また、ダル加工点を凸状構造にすることによって、表面形状の転写率を高めることができる。ダル加工点の突起高さを２～１２μｍにすることによって、ロール表面の粗さを適切な範囲に制御することができる。ダル加工点間の重畳量が大きくなりすぎると、ダル加工点の独立性および整合性を損なう可能性があり、局所領域の微細形状が不均一になる。したがって、隣接するダル加工点間の重畳量を１０％未満に制御する必要がある。

単位面積のダル加工点の数の相対範囲が大きくなるほど、ロールの表面形状の全体的な均一性が悪くなる。したがって、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の数の相対範囲を２０％未満に制御する必要がある。ダル加工点の数が少なくなりすぎると、ダル加工点の平均間隔が大きくなり、起伏度の増加を引き起こし、圧延または処理された鋼板の塗装が悪くなる。また、ダル加工点の数が多くなりすぎると、ダル加工点の平均間隔が狭くなり、材料の流動性に影響を及ぼし、粗さの転写率が低下する。したがって、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の被覆面積の割合を３０％～９０％に制御する必要がある。

技術的解決策のさらなる改良として、凸状ダル加工点の底部直径は、頂部直径以上である。例えば、各々のダル加工点は、円錐台形状を有する。

技術的解決策のさらなる改良として、隣接するダル加工点同士の重畳量は、５％未満である。好ましくは、隣接するダル加工点同士の重畳量は、０である。

技術的解決策のさらなる改良として、１平方ミリメートル当たりのロール表面において、ダル加工点の数の相対範囲は、１０％未満、好ましくは５％未満である。

さらに、技術的解決策のさらなる改良として、１平方ミリメートル当たりのロール表面において、ダル加工点の被覆面積の割合は、５０～８０％である。

鋼板は、冷間圧延鋼板であってもよい。
本発明の目的は、鋼板の表面形状を圧延するためのロールを製造する方法を提供することである。この製造方法は、以下の工程、即ち、
（１）加工対象物としてのロールの表面粗さＲａが０．５μｍ未満になるように、ロールの表面を処理する工程と、
（２）ロールの表面材料を層ごとにアブレーションすることによって、ダル加工点を形成する工程とを含む。

製造方法のさらなる改良として、超短パルスレーザを用いて、ロールの表面材料を層ごとにアブレーションする。アブレーション時に、ロールを駆動して回転させながら、超短パルスレーザをロールの母線に沿って横方向に並進移動させる。

上述したように、特殊な表面形状を有するロールおよび対応する製造技術を用いて、表面形状を精密に設計および加工することができ、ロールの表面形状を効果的に改善することができるため、ロールが良好な形状転写率および低い起伏度を有することができる。

実施例１のロールの表面形状を示す図である。 実施例２のロールの表面形状を示す図である。 実施例３のロールの表面形状を示す図である。 本発明の製造方法に対応する装置の構成を示す図である。 １）～８）合計８つの状態／工程を含む実施例１の表面加工プロセスを示す図である。

具体的な実施形態
以下、添付の図面を参照して、本発明の具体的な実施形態をさらに詳細に説明する。

本発明は、特殊な表面形状を有するロールを提供する。このロールの表面形状は、以下の特徴を有する。

表面には多数のダル加工点が設けられ、ダル加工点の形状は、ほぼ円形またはほぼ円形であり、その直径は、５０～１５０μｍである。ダル加工点は、凸状構造であり、突起高さは、２～１２μｍである。隣接するダル加工点同士の重畳量は、１０％未満である。１平方ミリメートル当たりのダル加工点の数の相対範囲は、２０％未満である。１平方ミリメートル当たりのダル加工点の被覆面積の割合は、３０～９０％の間である。

本発明者らは、多くの実験および研究によって、ロールが上述した特徴の表面形状を有する場合、良好な形状転写率および低い起伏度を達成できることを見出した。

したがって、本発明の他の目的は、上述した特徴の表面形状を有するロールを製造する方法を提供することである。

この方法は、以下の工程、即ち、
（１）ロールを研磨し、ロール表面を洗浄することによって、ロール表面粗さＲａを０．５μｍ未満に制御し、表面の油を除去する工程と、
（２）上述した特徴を有するロールの表面形状を設計する工程と、
（３）数値制御工作機械を用いて、ロールを駆動して回転させながら、超短パルスレーザをロールの母線に沿って横方向に並進移動させる工程と、
（４）設計された表面形状に従って超短パルスレーザを制御することによって、ロールの表面材料を選択的にアブレーションする工程とを含む。

以下、図面および具体的な実施例を参照して、本発明に係る特殊な表面形状を有するロールおよびその製造方法をさらに詳しく説明するが、本発明は、これらの説明に限定されない。

実施例１～３および比較例１～３：
実施例１～３は、ロールの表面を精密に設計および加工することによって、以下の特徴をロールの表面形状に与える。表面には多数のダル加工点が設けられ、ダル加工点の形状は、ほぼ円形またはほぼ円形であり、その直径は、５０～１５０μｍであり、ダル加工点は、凸状構造であり、突起高さは、２～１２μｍであり、隣接するダル加工点同士の重畳量は、１０％未満であり、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の数の相対範囲は、２０％未満であり、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の被覆面積の割合は、３０～９０％の間である。図１～３は、設計されたロールの表面形状を示している。

ガウシアンフィルタを用いて、測定標準ＩＳＯ ４２８７：１９９７に従って、実施例１～３および比較例１～３のロールを計測した。粗さのサンプリング長は、１２．５ｍｍであり、起伏度のサンプリング長は、４０ｍｍであり、フィルタ波長の範囲は、０．８～８ｍｍであった。その後、ロールを研磨機に装入して、実質的に同一の加工条件で同一規格の材料を研磨する。研磨後の鋼板の表面粗さとロールの粗さとの比率を測定する。この比率は、形状転写率の指標として使用される。

具体的な設計パラメータおよび測定結果は、以下の表１に示される。

ロールの表面形状の微細構造がロール表面形状の転写率および起伏度に影響を与えるため、実施例１～３のようにロールの表面形状を設計し、本発明の製造方法に従ってロールを加工した。加工されたロールの表面には多数のダル加工点が設けられ、ダル加工点の形状は、ほぼ円形またはほぼ円形であり、その直径は、５０～１５０μｍであり、ダル加工点は、凸状構造であり、突起高さは、２～１２μｍであり、隣接するダル加工点同士の重畳量は、１０％未満であり、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の数の相対範囲は、２０％未満であり、１平方ミリメートル当たりのダル加工点の被覆面積の割合は、３０～９０％の間である。比較例１～３は、従来の放電ダル加工を採用しているため、得られたロールの表面は、上述した特徴を有さず、形状転写率が低く、起伏度が大きい。

以下、図１、図４および図５を参照して、実施例１のロール製造方法の具体的な実施工程を説明する。

（１）ロールを研磨し、ロール表面を洗浄することによって、ロール表面粗さＲａを０．５μｍ未満に制御し、表面の油を除去する。

（２）図１に示すように、ロールの表面形状を設計する。
（３）図４に示すように、数値制御工作機械１を用いて、ロール２を駆動して回転させながら、超短パルスレーザ３をロール２の母線に沿って横方向に並進移動させる。

（４）設計された表面形状に従って超短パルスレーザを制御することによって、ロールの表面材料を選択的にアブレーションする。

実施例１において、平均出力１００Ｗのピコ秒パルスレーザを使用した。各パルスのレーザは、集束させた後、ロールの表面に直径約５μｍ、深さ約１μｍの材料をアブレーションする。したがって、実施例１の微細形状の最大突起高さによれば、８層の加工を行う必要がある。図５は、ロール表面の一部の領域を加工するプロセスを示している。超短パルスレーザを用いて、材料を１層ずつ除去することによって、最終の表面形状を得た。

上記は、本発明の特定の実施形態にすぎず、本発明は、上記の実施形態に限定されず、当業者が多くの変形を行うことができる。これらの変形は、本発明の範囲に含まれる。

１ 数値制御工作機械、２ ロール、３ 超短パルスレーザ。

Claims (8)

1. 鋼板の表面形状を圧延成形するためのロールを製造する方法であって、
   前記ロールにおいては、
   ロール表面には複数の凸状ダル加工点が設けられ、各々の前記ダル加工点と前記ロール表面との間の接合部の形状は、円形またはほぼ円形であり、当該円の前記接合部の位置での直径は、５０～１５０μｍであり、
   各々の前記ダル加工点の突起高さは、２～１２μｍであり、隣接するダル加工点の同士の前記接合部の位置での重畳量は、１０％未満であり、
   １平方ミリメートル当たりの前記ロール表面において、前記ダル加工点の数の相対範囲は、２０％未満であり、前記ダル加工点の被覆面積の割合は、３０～９０％であり、
   前記製造方法は、
   （１）加工対象物としてのロールを研磨し、ロール表面を洗浄することによって、ロールの表面粗さＲａが０．５μｍ未満になるように制御し、表面の油を除去する工程と、
   （２）ロールの表面材料を層ごとにアブレーションすることによって、ダル加工点を形成する工程とを含み、
   超短パルスレーザを用いて、前記ロールの表面材料を層ごとにアブレーションし、
   アブレーション時に、前記ロールを回転させながら、前記超短パルスレーザを前記ロールの母線に沿って横方向に並進移動させる、製造方法。
2. 前記凸状ダル加工点の前記円の前記接合部の位置での直径は、頂部直径以上である、請求項１に記載の製造方法。
3. 隣接するダル加工点同士の前記接合部の位置での重畳量は、５％未満である、請求項１に記載の製造方法。
4. 隣接するダル加工点同士の前記接合部の位置での重畳量は、０である、請求項３に記載の製造方法。
5. １平方ミリメートル当たりの前記ロール表面において、前記ダル加工点の数の相対範囲は、１０％未満である、請求項１に記載の製造方法。
6. １平方ミリメートル当たりの前記ロール表面において、前記ダル加工点の数の相対範囲は、５％未満である、請求項５に記載の製造方法。
7. １平方ミリメートル当たりの前記ロール表面において、前記ダル加工点の被覆面積の割合は、５０～８０％である、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記鋼板は、冷間圧延鋼板である、請求項１に記載の製造方法。

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