JPH04158910A

JPH04158910A - 圧延用複合ロール及びその製造法

Info

Publication number: JPH04158910A
Application number: JP2279322A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Uchida; 哲郎内田; Masayuki Era; 江良　雅之; Hideyo Kodama; 英世児玉; Masami Shimizu; 正己清水; Osamu Shimotamura; 下タ村　修
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1992-06-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、圧延用ワークロールに係り、特に高強度、耐
摩耗性の要求される箔層ロールや被圧延材にデンドライ
トが転写されないロールに好適な圧延用複合ロール及び
その製造法に関する。

〔従来の技術〕

最近の圧延用ワークロールに対するニーズとしては被圧
延材の高光輝度の持続性、板厚精度の向上、及びデンド
ライトが転写されないことが重要視されている。これに
対処するには、組織の微細化、均質化及び高合金化等が
必要である。又、６段ミル等の圧延機では高圧下のもと
て圧延する必要があるため、ロールの径を小さくする方
向に進んでいる。そのため、ロールに要求される特徴と
しては、ロールの胴部に対しては耐スポール性及び耐摩
耗性が、軸部に対しては高強度及び強靭性が要求される
。このような相反する両特性を兼ね備えた圧延用ロール
とするためには、従来の溶解−鋳造一縦進によるいわゆ
る溶製材では、特に、ロール胴部の特性向上が限界とな
っている。

すなわち、溶製材からなる圧延用ワークロールでは基地
中の炭化物サイズが広範囲に分布する上、特にその中に
は、熱処理性、縦進性及び耐スポール性を著しく劣化さ
せるという欠点を有する巨大炭化物が出現する。又、炭
化物含有量にも限界がある。さらに、溶製材においては
粗大デンドライト組織の出現を防止出来ず、被圧延材に
転写されたり、ロール表面が激しい肌荒れを起こすとい
う問題を有している。これらの欠点は溶製材にとって宿
命的なものであり、製法及び成分に対して自ら制限され
ている要因となっている。

上記の欠点を解決する技術としては、急冷凝固の効果を
利用して、耐摩耗性及び耐スポール性を有する金属粉末
やサーメット並びにセラミックス粉末から出発する下記
の方法が知られている。

（１）熱間静水圧法、（２）インサート法（スリーブ式
）、（３）液相焼結法、又は（４）溶射肉盛法による複
合ロールの製作法である。

（１）は軸材の周りに配したガスアトマイズ粉末を冷間
成形後、熱間静水圧法（Ｈ，１，Ｐ、）や熱間押し出し
法等により複合ロールを製造する方法である（「複合加
工技術」昭和５７年１り月初版発行、ｐ９７〜１２８．
複合加工研究全編参照）。しかし、この方法では境界部
の拡散層が僅かなため、熱処理時に応力集中が起り、割
れや剥離を誘発するという問題があった。

（２）は粉末焼結で作ったスリーブを、いわゆる焼はめ
により軸材にはめ込んで複合ロールを作る方法である（
「塑性と加工Ｊ　Ｖｏｌ、２３．Ｎα２６１．１９８２
年１０月発行、ｐ９４５〜９５１参照）。しかし、高弾
性率及び低熱膨張率の材料を焼ばめすることは無理であ
り、必然的に冷ばｔが採用されているが、圧延荷重が大
きくなると接合部が剥離したり、バックアップロールの
損傷が大きくなったりする問題があった。

（３）は焼結体スリーブを軸材に冶金的に結合させる方
法であるが（「鉄鋼便覧」１日本鉄鋼協会編、昭和５７
年１０月発行、　　ｐ４４５〜４５６）、複合ロールの
軸材と焼結体との境界層部の遷移層の厚みが０．２　ｍ
ｍ以下のため、残留応力が境界部近傍に集中し、割れや
剥離を誘発するという問題があった。

（４）はロール表面に溶射肉盛を施こす方法（特開昭５
５−１４９７１０号、特開昭５２−８８５２６号、特開
昭６３−２４２０号、特開昭６４−５６１１号各公報）
であるが、溶射層中に出現する非金属介在物の組成はア
ルミナ系、シリケート系の酸化物系及びマンガン系の硫
化物系であり、しばしばそれが起点となり割れや亀裂を
誘発するという問題を防ぐことが出来なかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように、従来のいずれの方法で作られた圧延用複
合ロールにおいても非金属介在物組成の点には配慮がさ
れておらず、非金属介在物が起因して亀裂や割れが発生
する問題があった。

本発明の目的は、上記の問題を克服し、高圧下圧延に耐
え、被圧延材の光輝度の向上及び板厚精度の向上がはか
れる圧延用複合ロール及びその製造法を提供することに
ある。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記目的を達成するた狛に、本発明では、高強度及び強
靭性を有する金属軸材の表面に軸材より耐摩耗性の高い
金属の被覆層を有する複合ロールにおいて、前記被覆層
の組成が、重量％でＣ：１．５〜６．０％、Ｓｉ：０．
１〜３％、Ｍｎ二〇、２〜３．０％、Ｃｒ：１０〜３５
％、Ｍｏ：１〜２０％、ｖ：１〜２０％、Ｗ：１〜２０
％、Ｎｌ又ハＣＯ：　１〜１０％、Ｃａ：　０．０２〜
０．５％、残Ｆｅからなることを特徴とする圧延用複合
ロールとしたものである。

そして、前記の圧延用複合ロールは、高強度及び強靭性
を有する金属軸材の表面に、前記の組成を有する該軸材
より耐摩耗性の材料を減圧溶射し、肉厚溶射層の耐摩耗
性の被覆層を形成することによって製造できる。

また、得られた圧延用複合ロールの肉盛溶射層の耐摩耗
性の被覆層には、しばしば非金属介在物が出現するが、
本発明では、この非金属介在物の熱膨張係数を７Ｘ１０
−６〜１５Ｘ１０−’［ｔ−”］の範囲のものにして、
非金属介在物に起因する溶射層部内に発生する亀裂や剥
離を防止するものである。

上記の非金属介在物には、組成中にＣａを含んだ酸化物
系及び硫化物系のものを含んでいるのがよいが、これは
Ｃａが非金属介在物の形態を球型の方向に変えると同時
に、鋼の延性や靭性の改善に効果のある元素であるため
である。

次に、本発明の詳細な説明する。

本発明の圧延用複合ロールは、第１図の断面図に示すよ
うに、強度及び靭性に優れた軸材１の胴部の表面に境界
層３を介して、耐摩耗性及び耐スポール性の肉盛溶射層
４が形成されている。

第２図は本発明に係る複合ロールを製造する装置の例を
示したものであり、溶射ノズル１３、を具えた溶射トー
チ５、複数の粉末送給装置６゜６′、制御装置７、を主
要構成要素としている。

粉末送給装置には、境界層部を含む溶射層を形成させる
ために溶射される夫々異なる粉末や、Ｃａ合金粉末８．
８′が収納されていて、ガスボンベ９、から粉末送給ガ
スを導入することによって、粉末を順次に溶射トーチ５
、に送給出来るようになっている。又、溶射トーチ５、
には制御装置７、を経て作動ガス、冷却水１１、が供給
される。なお、１２は電源である。

このような制御装置を用いて軸材１、の胴部に境界層部
３、と溶射層部４、を形成する。この際軸材１、を矢印
ａのように回転させて、多層溶射を行う。溶射作業はＩ
　Ｘ　１０−２Ｔｏｒｒ以上の真空度にした後、約５０
〜８０Ｔｏｒｒの減圧度のＡｒ／Ｈ２の不活性ガス雰囲
気中で、いわゆる減圧溶射を行うのが望ましい。

上記において、境界層３を設けるのは、軸部である芯材
が強度及び靭性を要求されるのに対して、溶射で形成す
る胴部材は耐摩耗性という相反する性質が要求されるか
ら、当然ながら両者の材質は異なる。そのため接合部近
傍は、応力集中や熱膨張率の差などにより、接合性の不
具合や亀裂発生の起因となることがある。この問題を解
決するため、軸材と胴部材の接合部に軸材の各成分を有
する粉末と、胴部材の成分を有する粉末をブレンドし、
組成を軸材組成から胴部材組成へと逐次変えて、傾斜機
能を持たせた中間層を形成させたものであり、これを境
界層３とした。

また、本発明で用いる溶射用の粉末材料は、冷却速度を
１０２℃／ｓｅｃ以上で凝固させた粉末を用いるのがよ
いが、これは冷却速度をこれ以下にすると、デンドライ
ト組織が出現したり、炭化物のサイズが不均一となるお
それがあり、被圧延材の板厚精度や光輝性に悪影響を及
ぼすためである。

〔作用〕

本発明による複合ロールでは、高強度及び高靭性を有す
る軸材の胴部の周囲に、変形抵抗の大きい耐摩耗性の粉
末を溶射して厚肉の溶射層を形成した複合ロールを形成
する。この際、溶射層中に出現する非金属介在物の熱膨
張係数を７Ｘ１０−６〜１５　ｘ　１０−’　［ｔ−’
］の範囲のものにする。それによって、粉末の特性を十
分発揮するとともに、非金属介在物起因による溶射層部
の亀裂や剥離などの事故を防止する上、延性や靭性も改
善される。

次に、本発明において、各組成割合としたための理由を
述べる。以下、％は重量％である。

ＣはＣｒ、　Ｗ、　Ｖ及びＦｅ等と結合し、炭化物を形
成し、さらに基地中にも固溶し強度を与える元素である
が、１．５％未満ではＣｒ、　Ｗ及び■の増量に対応出
来なく、逆に６％を起えて添加されると不均一に分布す
ることがあるので１．５〜６．０％とした。特に、３．
０〜６．０％が好ましい。

Ｓｉは耐酸化性と流動性が向上する元素であるが、０．
１％未満では流動性が悪くなり３％を起えると靭性の低
下をみるので、０．１〜３．０％とした。特に、１．０
〜３．０％が好ましい。

ＣｒはＣと共に炭化物を作り硬さを上昇し、耐摩耗性が
向上すると共に耐酸化性も向上する元素であるが、１０
％未満ではその向上が十分でなく、３５％を起えると添
加量はどの耐摩耗性の向上はみられない。特に、２５〜
３５％が好ましい。

Ｎｉはオーステナイトの安定化元素であり殆んどがマ）
　ＩＪフックス固溶し、耐食性、靭性及び耐摩耗性を向
上させる性質がある。通常は２％以下の含有量でも十分
であるが、マトリックスを焼戻しマルテンサイトにし、
耐摩耗性の向上と共に耐食性を向上させるには１０％以
下が望ましい。特に、２〜６％が好ましい。

ＣＯはオーステナイト基質強化元素であり、耐摩耗性を
向上させるのに効果があり、１０％を起えてもその添加
量の増加はどの効果はない。

特に、２〜６％が好ましい。

Ｍｎは主に脱酸効果をねらったものであるが０．２％以
下ではその効果は少なく、３％以上になると残留オース
テナイトの量が多くなり望ましくない。特に、１〜２％
が好ましい。

ＷはＣｒと共存して特殊炭化物を形成し、非常に硬さを
上げ耐摩耗性を向上させる元素であり、１％以上必要で
あるが、２０％以上添加しても添加量はどの効果はなく
、むしろ比重が大きいため偏析をおこしやすい。特に、
６〜１５％が好ましい。

ＶはＷと同様な性質を有する元素で１％以上必要である
が、２０％以上添加しても効果は少なく、むしろ軽い元
素のため作業性をわるくする。６〜１５％が好ましい。

ＭｏはＣｒと共同で特殊炭化物を形成し、非常に硬いＭ
ｏ２Ｃや複炭化物を晶出する。更に添加量に比例してマ
トリックスを強化する作用を有し、耐焼付性や耐摩耗性
を向上させるため１％以上必要である。しかし、２０％
をこえての添加は飽和傾向な上、高価である。特に、６
〜１５％が好ましい。

Ｃａは非金属介在物の形態を変えると同時に、鋼の延性
や靭性の改善に役立つ元素である。しかし、鋼への固溶
限は０．２〜０．３％と非常に小さく、０．５％よりも
多くの添加は効果が少ない。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はこれらに限定されない。

実施例１軸材として直径２５ｍｍ、長さ８００ｍｍの材質ＪＩＳ
規格５ＫＤ−１１の表面処理を施こした丸棒２本を用意
し、その胴部３００ｍｍの個所に境界層２ｍｍ（ＳＫＤ
−１１及び表１の組成の粉末をブレンドしたものと、５
ＫＤ−１１及び表２の組成をブレンドしりもの）を溶射
後、１本は表１のものを他の１本は表２のものを厚み８
ｍｍまで溶射して形成させたのち、１１５０℃に加熱し
ながら胴部の鍜錬比を１〜３まで変えて熱間加工し、そ
れぞれの鍜錬比の位置より切断し、断面をＥＰＭＡ及び
光学顕微鏡により非金属介在物の組成と亀裂の発生状況
を調べた。

なお、粉末はいずれもＡｒガスアトマイズ法により製造
した１５０メツシユ以下のものを使用した。

なお、溶射はＩ　Ｘ　１０−２Ｔｏｒｒの真空度にしだ
後５０〜６０Ｔｏｒｒの減圧度のＡｒ／Ｈ２の不活性ガ
ス雰囲気とした装置内で行った。

結果を第３図に示す。第３図は、加工比を１．１〜３．
０まで変えたときの亀裂の発生の有無（図中の×は亀裂
発生、・は亀裂発生せず）を調べ、それぞれの非金属介
在物組成を分析し、それを熱膨張係数で整理したもので
ある。

たとえば非金属介在物の組成が３　Ｃａ［］　’　Ａ１
２Ｄ。

の熱膨張係数は約１０　Ｘ　１０−’　［ニー’］で、
いずれの加工比でも亀裂の発生はみられない。それに対
し、熱膨張係数が約６．５　Ｘ　１０−’　（Ｉｔ−’
）のＣａＯ・＾ｌ、０３のものは、１．１５の加工比で
は亀裂は発生しないが、１．３以上の加工比では亀裂が
発生する。

これにより、非金属介在物の熱膨張係数が、７Ｘ１０−
６〜１５　Ｘ　１０−’　［ｔ−’）であれば非金属介
在物が起因となる亀裂や剥離の発生はなくなることを確
認した。

実施例２軸材として、直径６０ｎｏｎ、長さ１０００ｍｍの材質
ＪＩＳ規格５ＫＤ−１１（合金工具鋼材）の表面処理を
施こした丸棒を用い、その胴部５００ｍｍの個所に対し
て、５０〜８０Ｔｏｒｒの＾ｒ／Ｈ２ガス雰囲気中で境
界層を５ｍｍ、表１に示す組成の高炭素高クロム鋼の溶
射層１５ｍｍをプラズマ溶射により形成させ、１１５０
℃に加熱しながら胴部の直径が、８０ｍｍになるまで熱
間加工し、所定の熱処理を施こし所望の複合ロールを作
製した。

本圧延用複合ロールの製造及び使用中においての非金属
介在物起因による割れや剥離の事故はほとんどなくなり
、寿命は１研摩当り、従来の複合ロールに比べ、２．４
倍程度であり、さらに圧延中のヘルツ接触応力が２５０
　ｋｇ／ｍｍ”でロール回転数をＮ＝６ＸＬＯ６として
も、本複合ロールにおいては剥離あるいは割れ等の問題
は生じなかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、軸材の高強度及び高靭性を有し、一方
被圧延材が接触する溶射層は耐スポール及び耐摩耗性に
すぐれているため高圧下、高回転で圧延しても偏平変形
がなく、且つ剥離及び割れ等の生じない圧延用複合ロー
ルを提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧延用複合ロールの概要断面図、第２
図は本発明の複合ロールの製造に用いる装置の構成図、
第３図は非金属介在物の熱膨張係数と加工比の関係を示
すグラフである。１・・・軸材、３・・・境界層部、４・・・溶射層部、
５・・・溶射トーチ、６・・・粉末送給装置、７・・・
制御装置、８・・・粉末、９．１０・・・ガスボンベ、
１１・・・冷却水、１２・・・電源特許出願人　　株式会社　日立製作所

Claims

【特許請求の範囲】

１．高強度及び強靭性を有する金属軸材表面に該軸材よ
り耐摩耗性の高い金属の被覆層を有する複合ロールにお
いて、前記被覆層の組成が、重量％でＣ：１．５〜６．
０％、Ｓｉ：０．１〜３％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、
Ｃｒ：１０〜３５％、Ｍｏ：１〜２０％、Ｖ：１〜２０
％、Ｗ：１〜２０％、Ｎｉ又はＣｏ：１〜１０％、Ｃａ
：０．０２〜０．５％、残Ｆｅからなることを特徴とす
る圧延用複合ロール。
２．請求項１記載において、前記耐摩耗性の被覆層中に
出現する非金属介在物は、熱膨張係数が７×１０＾−＾
６〜１５×１０＾−＾６〔℃＾−＾１〕の範囲内である
ことを特徴とする圧延用複合ロール。
３．請求項２記載において、前記非金属介在物は、組成
中にＣａを含んだ酸化物系及び硫化物系のものであるこ
とを特徴とする圧延用複合ロール。
４．高強度及び強靭性を有する金属軸材の表面に、組成
が、重量％でＣ：１．５〜６．０％、Ｓｉ：０．１〜３
％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｃｒ１０〜３５％、Ｍｏ
：１〜２０％、Ｖ：１〜２０％、Ｗ：１〜２０％、Ｎｉ
又はＣｏ：１〜１０％、Ｃａ：０．０２〜０．５％、残
Ｆｅからなる該軸材より耐摩耗性の材料を減圧溶射し、
肉盛溶射層の耐摩耗性の被覆層を形成することを特徴と
する圧延用複合ロールの製造法。
５．請求項４記載において、前記耐摩耗性の材料は１０
＾２℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で凝固させた粉末である
ことを特徴とする圧延用複合ロールの製造法。