JPH04191315A - 複合部材の熱処理方法 - Google Patents

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、鋼材圧延用ロール等のように、耐摩耗性、耐
熱性等を必要とし、かつ高荷重や熱的・機械的衝撃等に
対する抵抗性が要求される部材として有用な、円筒状金
属基材の表面に高速度鋼系合金焼結層が形成された複合
部材の熱処理方法に関する。

〔従来の技術〕

鋼材の熱間圧延または冷間圧延用ロールの胴部表面は、
耐摩耗性の良いこと、肌荒れ（亀裂、凹凸、欠は等）を
生じ難いこと、被圧延鋼材との焼付きを生じ難いこと等
が必要である。従来より、熱間圧延用ロールとして鋳鉄
ロールが、冷間圧延用ロールとしては鍛鋼ロールがそれ
ぞれ使用されてきた。

近時は、圧延条件の苛酷化対策・ロール耐久性改善策と
して、熱間静水圧加圧焼結法等により胴部表面に高速度
鋼系化学組成を有する焼結合金層を形成したロールの使
用も試みられている（特開昭５８−２１３８５６号、特
開昭６３−２９７５１０号等）。

高速度鋼系合金焼結層を表面層とする複合ロールは従来
の鋳鉄ロールや鍛鋼ロールを凌ぐ改良された耐久性を期
待することができる。

高速度鋼系合金は調質熱処理として焼入れ・焼もどし処
理が施される。焼入れにおいて、多量の残留オーステナ
イトを生じ、焼もどしによりその残留オーステナイトは
炭化物を析出すると共に、焼もどしの冷却過程でマルテ
ンサイトやベイナイトに変態して著しい二次硬化がもた
らされる。

北記焼入れ処理は、抵抗発熱体等を給熱源とする輻射加
熱により焼結合金層を所定温度に加熱した後、油浴中に
浸漬し、またはガス（Ｎ　Ｚガス等）を冷媒として２、
冷することにより行われている。焼入れにつづく焼もど
し処理は、所定温度に加熱保持した後、空冷する操作を
１回もしくは複数回実施することにより達成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

円筒状金属基材の外周面に高速度鋼系合金焼結層を形成
した複合部材に焼入れ・焼もどし処理（加熱源：抵抗発
熱体等使用）を行って得られる焼結層の肉厚方向の硬さ
分布の例を第５図に示す。

供試複合部材のサイズ：外径３８０ｍｍ、胴長４００＋
＋＋＋ｎ、焼結合金層厚２５−０焼結層合金化学組成：
後記発明例の複合部材と同じ。焼入れ：　１２００°Ｃ
→ガス冷却、焼もどし＝５４０°Ｃに５Ｈｒ加熱保持後
空冷する処理を３回反復実施。

図示のとおり、焼結合金層は、表面からある深さまでの
領域に亘って−様な硬度を示し、それより内部に向かっ
て急激に低下する硬度分布を有している。

第６図は、焼結合金層の肉厚全体にマルテンサイト変態
が生したと仮定して行った応力解析による表面の軸方向
応力（σ２）の軸方向における分布の例を示している（
焼結合金層肉厚：　３２．５ｍｍ、胴長：４５０ｍ＋）
。この図から、焼結合金層の表面の残留応力（σ２）は
、胴部中央領域では圧縮応力であるが、端部領域におけ
るそれは引張応力となっている。その応力の分布は、複
合部材の胴長が短くなる程、また焼結合金層の肉厚が厚
くなる程、引張応力の領域が端部から中央領域側へと拡
大することも確かめられている。

複合部材の焼結合金層が第５図のような肉厚方向の硬度
分布を有していることは、圧延ロール等の用途では高荷
重や衝撃により硬化層に剥離等を生じる原因となり、ま
た第６図のように焼結合金層表面に引張応力が導入され
た状態では、高荷重や熱的・機械的衝撃の作用によりロ
ールの折損等の事故を生じ易くなる。このような剥離、
折損等に対する抵抗性を高めるには、焼結合金層の焼入
れ・焼もどし処理において、焼結合金層にその表面から
内部に向って傾斜する硬度分布を与えると共に、その表
面全体に亘って圧縮応力を導入することが必要であり、
それにより圧延ロール等としての実機使用における安定
性を高め、耐久性の向上を期待することが可能となる。

本発明は上記に鑑みてなされたものである。

（課題を解決するための手段および作用〕本発明は、円
筒状金属基材の外周面に熱間静水圧加圧焼結法により高
速度鋼系合金焼結層が形成された複合部材の熱処理方法
であって、その焼結合金層を誘導加熱により肉厚方向の
温度勾配をもたせて所定温度に加熱し、ガスを冷媒とし
て焼入れ処理した後、焼きもどし処理することを特徴と
している。

以下、本発明について詳しく説明する。

被処理材の表面に交流電源により交番磁界を印加すると
、被処理材の表面層は誘導電流により、肉厚方向の温度
勾配を以て加熱される。この誘導加熱による被処理材表
面層の加熱温度、加熱層厚さ、温度勾配等は、被処理材
の透磁率や電気抵抗等と、交番電流周波数、投入電力、
時間等により制御される。

円筒状金属基材の外周面に高速度鋼系合金の焼結層を形
成した複合部材の調質熱処理（焼入れ・焼もどし）にお
ける焼入れ処理に誘導加熱を通用し、肉厚方向の温度勾
配をもたせて所定温度に加熱して焼入れすることにより
、焼結合金層に肉厚方向に傾斜する硬度分布をなす硬化
層が形成され、かつその表面には、端部を含めて全長に
亘って圧縮応力が導入される。

第１図は、複合部材の高速度鋼系合金焼結層の焼入れを
誘導加熱により行い、その焼入れの後、焼もどし処理を
施して形成した硬化層の肉厚方向の硬度分布、第２図は
その表面の軸方向における残留応力分布を示している。

供試複合部材の構成および焼入れ・焼もどし処理条件は
次のとおりである。

供電Ｊ１卸虱林 炭素鋼円筒体の表面に熱間静水圧加圧焼結（温度：　１
０００°Ｃ１加圧カニ　１００１００Ｏ／ｃ＋ｆｌ、保
持時間：２Ｈｒ）により、高速度鋼系合金焼結層ＣＣ７
２，３％、Ｓ　ｉ：ｏ、４％、Ｍ　ｎ　：　０　、３％
、Ｃｒ：４．３％、Ｖ：６．２％、Ｗ：６．３％、Ｃｏ
：　８．１％、Ｍｏ：　６．８％、Ｂａｌ：Ｆｅ）を形
成。

外径：３８０ｍｍ、胴長：４００閣、焼結層肉厚：２５
閣。

著入並 高周波誘導加熱（周波数：２ｋＨｚ、時間＝３０秒）を
行ったのち、窒素ガス（常温）を導入して２、冷。焼入
れ時の焼結合金層表面温度：　１２００°Ｃ１冷却速度
：１５°Ｃ／分。

読五炙り 抵抗発熱体により５４０’Ｃに５Ｈｒ加熱保持したのち
放冷する操作を３回反復。

第１図に示したように、焼結合金層表面は十分に硬化し
ており、かつ誘導加熱による傾斜焼入れ効果として肉厚
方向に勾配をなす硬度分布が与えられている。また、第
２図（イ：周方向応力σ。

、ロ：軸方向応力σ２）に示したように、円周表面の残
留応力は、周方向応力σ、のほか、軸方向応力σ２につ
いても、軸方向中央領域のみならず端部領域を含む全長
に亘って圧縮応力が導入されている。

本発明の複合部材の焼結合金層を形成する高速度鋼系合
金の化学組成に本質的な制限はなく、目的とする複合部
材の用途・要求特性に応じて任意に設計されるものであ
る。その合金として公知の各種成分系のものを選択適用
することができるが、冷間圧延・熱間圧延用ロールとし
て供される複合部材における焼結合金層の好適な合金の
例として下記合金ａ　−ｄが挙げられる。

金金工 Ｃ：　２〜３．５％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．
４％以下、Ｃｒ：３〜６％、■：６〜１２％、Ｗ：５〜
１４％、００８７〜１４％、ＭＯ：３〜９％、Ｂａｌ：
実質的にＦｅ。

金金立 Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．４
％以下、Ｃｒ：　６．５〜２０％、■：６〜１２％、Ｗ
：５〜１４％、００８７〜１４％、ＭＯ＝３〜９％、Ｂ
ａｌ：実質的にＦｅ。

金金工 Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：　０．６〜３．５％、Ｍｎ：
０．４％以下、Ｃｒ：３〜６％、■＝６〜１２％、Ｗ：
５〜１４％、００８７〜１４％、ＭＯ＝３〜９％、Ｂａ
ｌ：実質的にＦｅ。

合金す Ｃ：　２〜３．５％、Ｓｉ：　０．６〜３．５％、Ｍｎ
：　０．４％以下、Ｃｒ：　６．５〜２０％、■：６〜
１２％、Ｗ：５〜１４％、ｃｏ＝７〜１４％、ＭＯ＝３
〜９％、Ｂａｌ：実質的にＦｅ。

上記各高速度鋼系合金ａ　−ｄのうち、合金ａは、その
成分構成により、強度、靭性等の機械的性質と共に、圧
延用ロールとして望まれる改良された耐摩耗性、耐肌あ
れ性、および耐焼付性等を有する合金であり、また合金
ｂ−ｄは、上記合金ａの改良材であって、合金ａと同様
のすぐれた耐摩耗性、耐焼付性等と共に、Ｃｒの増量（
合金ｂ）、Ｓｉの増量（合金Ｃ）、またはＣｒとＳｉの
増量（合金ｄ）によって、孔食（孔食によりロール表面
に生じる微小孔は肌あれの起点となる）に対する、より
高度の抵抗性を具備せしめ、長期に亘る平滑美麗な表面
状態の維持を可能とした合金である。

なお、複合部材の基材層である金属円筒体の材質につい
ても本質的な制限はないが、圧延用ロール等の如く強度
・靭性等が要求される用途では、強靭鋼、例えばＣｒ−
Ｍｏ系鋼（Ｊ　、Ｉ　Ｓ　　Ｃ，４１０５）やＣｒ−Ｎ
ｉ−Ｍｏ系鋼（Ｊ　Ｉ　Ｓ　　Ｇ　４１０３）等を使用
すればよい。

金属基材の外周面に対する焼結合金層の形成は、好まし
くは熱間静水圧加圧焼結法により行われる。

同法によれば、高加圧力の均一な作用下に、緻密均質な
焼結層を形成することができるからである。

その焼結合金層は、金属基材の周囲を、中空円筒状カプ
セル材（例えば炭素鋼製スリーブ）で囲包し、これに焼
結原料粉末として高速度鋼系合金粉末（平均粒径：例え
ば１５０μｍ）を充填して脱気密封したうえ焼結を行う
ことにより形成される。

焼結合金粉末が比較的多量の酸化皮膜を付随するもので
ある場合は、粉末充填層内に水素含有ガス等の還元ガス
を導入し加熱下に酸化皮膜を還元除去したうえ脱気密封
して焼結処理を行えばよい。

焼結処理は、温度：約９００〜１２００°Ｃ１加圧カニ
約５００〜１５００ｋｇｆ／ｃｆｌｌに適当時間（約２
〜４Ｈｒ）保持することにより好適に達成される。焼結
完了後、機械加工によりカプセル材の除去および必要な
形状修正を行う。焼結合金層厚は任意であるが、圧延用
ロール等では、例えば３〜３０ｍａ＋である。

金属基材の表面に高速度鋼系合金焼結層を形成した後、
焼結合金層の調質のための熱処理（焼入れ・焼もどし）
を行う。その焼入れ処理には、前記のように誘導加熱を
適用し、交番電流周波数や投入電力、時間等により、肉
厚方向に温度勾配をもたせて焼結合金層を所定温度に加
熱する。焼入れ時の表面温度は約１０５０〜１２５０″
Ｃ１好ましくは１１００〜１２００°Ｃであり、同温度
からの焼入れは、焼結合金層の亀裂・割れ等の防止のた
めに、ガス（Ｎ２ガス等）を冷媒とし、略常圧のガス、
または加圧ガス（例えば３〜７ｋｇｆ／ｃｆｆｌ）をチ
ャンバ内に導入して制御された冷却速度（例えば５〜２
０°Ｃ／分）で冷却するとよい。

焼入れにつづく焼もどし処理は、約５００〜６００°Ｃ
好ましくは５２０〜５８０°Ｃに加熱保持したのち、徐
冷（例えば空冷）する操作を１回、または複数回（例え
ば２〜４回）実施することにより達成される。その焼も
どし処理における加熱手段は任意である。

第３図および第４図は、複合部材（１０）をロール胴部
材とし、これに別途用意したアーバー（２０）を組付け
て圧延用ロールとした例を示している。複合部材（１０
）は、円筒状金属基材（１１）の外周面に高速度鋼系合
金焼結層（１２）が形成され、その焼結合金層（１２）
には、調質熱処理として前記のように誘導加熱による焼
入れと、焼入れにつづく焼もどし処理が施されている。

第３図の例における焼結合金層（１２）は平坦な周面を
有し、第４図では、例えば丸鋼棒の仕上圧延用ロールと
して、焼結合金層（１２）に周方向の丸溝（１３）が形
成されているが、いずれの例においても、その焼結合金
層（１２）は、本発明の調質熱処理によって、前記第１
図に示したように肉厚方向に傾斜した硬度分布をなす硬
化層を有すると共に、その表面は第２図のように軸方向
の全長に亘って圧縮応力状態が与えられている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、円筒状金属基材の外周面に形成された
高速度鋼系合金焼結層に、肉厚方向に傾斜した硬度分布
を有する硬化層を付与することができると共に、その焼
結合金層表面に、端部領域を含む軸方面の全長に亘って
圧縮応力を導入することができる。従ってその複合部材
は、圧延用ロールの胴部材のように高温・高荷重の作用
下に良好な耐摩耗性、耐焼付性、耐肌えれ性等が要求さ
れる部材として好適であり、特に焼結合金層に肉厚方向
に傾斜する硬度分布が与えられていることにより、高荷
重や熱的・機械的衝撃の反復作用に対し良好な耐剥離抵
抗性等を有すると共に、焼結合金層の全表面に圧縮応力
が導入されていることにより、折損等に対するすぐれた
抵抗性を備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による複合部材の焼結合金層の肉厚方向
の硬度分布を示す図、第２図はその焼結合金層表面の残
留応力の軸方向分布を示す図、第３図、第４図は複合部
材の例を示す一部切欠正面図、第５図は従来の熱処理に
よる複合部材の焼結合金層の肉厚方向の硬度分布を示す
図、第６図はその焼結合金層表面の残留応力の軸方向分
布を示す図である。 ｌＯ：複合部材、ｌｌ：円筒状金属基材、１２：高速度
鋼系合金焼結層、２０ニア−バー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、円筒状金属基材の外周面に熱間静水圧加圧焼結法に
   より形成された高速度鋼系合金焼結層を、誘導加熱によ
   り肉厚方向の温度勾配をもたせて所定温度に加熱し、ガ
   スを冷媒として焼入れ処理した後、焼きもどし処理する
   ことを特徴とする複合部材の熱処理方法。