JPH05148510A

JPH05148510A - 耐摩耗複合ロール及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05148510A
Application number: JP12963192A
Authority: JP
Inventors: Takuya Oosue; 卓也大末; Akira Noda; 朗野田; Hiroshi Fukuzawa; 宏福沢; Itsuo Korenaga; 逸生是永
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-06-15

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性に優れた焼結合金の外層を有する複
合ロールを提供する。【構成】このロールは、重量比でＣ 1.0〜3.5 ％、Si
２％以下、Mn２％以下、Cr10％以下、Ｗ３〜15％、Mo２
〜10％、Ｖ１〜15％、残部実質的にFe及び不可避的不純
物からなり、マルテンサイト或いはベイナイトの基地に
粒径が３〜50μｍの範囲内にわたって分布する炭化物を
分散させた焼結合金の外層を有する。このロールは、芯
材の周囲に配設した金属カプセル内に合金粉末を充填
し、脱気、密封の後、合金粉末の溶融開始点以上の温度
でＨＩＰ処理して製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧延用に適した耐摩耗複
合ロール及びその製造方法に関し、特に芯材の外周に耐
摩耗性に優れた焼結合金の外層を形成した耐摩耗複合ロ
ール及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧延ロールには、使用される胴部表面に
おいて、摩耗が少ないこと、肌荒れが生じにくいこと、
圧延材との焼け付きが生じにくいこと、亀裂や欠けが発
生しないこと等が要求される。これらの目的のため、従
来から胴部に硬質の外層を有する鋳造複合ロールや、熱
処理により胴部を硬化させた鋳造ロール等があり、用途
に応じてこれら種々の材質や製法のロールが一般に用い
られている。

【０００３】さらに近年、圧延用ロールにいっそうの耐
摩耗性の向上が求められており、焼結合金の材料を用い
て外層を形成した複合ロールが提供されるようになって
きた。例えば、特開昭62−7802号公報においては、高速
度鋼、高Mo鋳鉄、高合金Ni−Cr鋳鉄、Ni−Cr合金等の粉
末を用い、これをＨＩＰ処理により芯材の外周に外層材
として焼結すると同時に、拡散接合する複合ロールが記
載されている。他にも、特開昭58−128525号公報に超
硬、超合金複合リングロールの例等がある。

【０００４】一方、鋳造によりロール外層材質を高合金
化した例として、特公昭58−87249号公報には、Ｃ 2.4
〜3.5 ％、Si 0.5〜1.3 ％、Mn 0.3〜0.8 ％、Ni０〜３
％、Cr２〜７％、Mo２〜９％、Ｗ０〜10％、Ｖ６〜14
％、残部Fe及び通常の不純物よりなる耐摩耗鋳鉄ロール
が記載されている。上記成分の中で特に、Ｗ、Mo、Ｖが
金属炭化物となって鋳鉄ロールの耐摩耗性向上に寄与し
ている。しかし、鋳造法で高合金成分材を形成すると、
存在する炭化物の粒径が50〜200 μｍと大きくなり、不
均一に分布するとともに微視的に偏摩耗の原因となる。

【０００５】このため、近年鋳造法に代わって、前述の
焼結合金を用いてＨＩＰ処理することにより、金属炭化
物を微細均一化した複合ロールを得る試みがさかんに行
われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの焼結合金ロー
ルは従来の鋳造ロールや鍛造ロールに比べ耐摩耗性が改
善されているが、近年益々高くなる耐摩耗性の要求レベ
ルに対してなお不十分である。耐摩耗性のさらなる向上
のために、従来からロール基地中に炭化物を形成する元
素を多量に加える方法が用いられている。特にバナジウ
ム炭化物（ＶＣ）は、他の金属炭化物に比べて高い硬さ
を有し、ＶＣをロール基地中に形成することにより、耐
摩耗性を格段に向上させることが一般的に知られてい
る。

【０００７】しかしながら、炭化物形成元素（特にＶ）
を多く含有する合金粉末を使用し、ＨＩＰ処理法により
ロール基地中に微細で均一な炭化物を形成させた場合、
多量にＶＣが含まれるにもかかわらず比較的摩耗量が多
く、さらにロール表面の肌荒れのために圧延成品にロー
ル表面の摩耗形状がプリントされるという問題点があっ
た。

【０００８】従って、本発明の目的は、耐摩耗性及び耐
肌荒れ性に優れた焼結合金を外層に有する耐摩耗複合ロ
ールを提供することである。

【０００９】本発明のもう１つの目的は、かかる耐摩耗
複合ロールを製造する方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、所定の組成を有する合金粉末をＨ
ＩＰ処理する際に、ＨＩＰ温度を前記合金粉末の溶融開
始点以上の温度とすると、析出する炭化物の粒径を比較
的大きくすることができ、そのために焼結合金からなる
外層の耐摩耗性及び耐肌荒れ性がかえって向上すること
を発見し、本発明に完成した。

【００１１】すなわち、本発明の耐摩耗複合ロールは、
焼結合金の外層及び芯材からなり、前記焼結合金の外層
材は、重量比でＣ 1.0〜3.5 ％、Si２％以下、Mn２％以
下、Cr10％以下、Ｗ３〜15％、Mo２〜10％、Ｖ１〜15
％、残部実質的にFe及び不可避的不純物元素からなり、
マルテンサイト或いはベイナイトの基地に粒径が３〜50
μｍの範囲内にわたって分布する炭化物が分散している
ことを特徴とする。

【００１２】上記耐摩耗複合ロールにおいて、焼結合金
の外層材はさらに３〜15％のCoを含有していてもよく、
外層材中に分布する粒径が３〜50μｍの範囲内の炭化物
の面積率は金属組織の15％以上である。また、粒径が
0.5μｍ以上の炭化物のうち、粒径が３μｍ以上の炭化
物の個数割合は10％以上である。

【００１３】また、本発明の焼結合金の外層及び芯材か
らなる耐摩耗複合ロールの製造方法は、(a) 重量比でＣ
1.0〜3.5 ％、Si２％以下、Mn２％以下、Cr10％以下、
Ｗ３〜15％、Mo２〜10％、Ｖ１〜15％、残部実質的にFe
及び不可避的不純物元素からなる合金粉末を、ロール芯
材の周囲に配設した金属カプセル内に充填し、(b) 脱
気、密封の後、前記合金粉末の溶融開始点以上の温度で
ＨＩＰ処理することを特徴とする。

【００１４】上記耐摩耗複合ロールの製造方法におい
て、ＨＩＰ処理を1100〜1300℃の温度及び1000〜1500気
圧の圧力下で、不活性ガス雰囲気中で1 〜8 時間行うの
が好ましい。

【００１５】以下に本発明を詳述する。〔１〕外層の焼結合金本発明の耐摩耗複合ロールの外層を形成するのに用いる
合金粉末は、化学成分が重量比でＣ 1.0〜3.5 ％、Si２
％以下、Mn２％以下、Cr10％以下、Ｗ３〜15％、Mo２〜
10％、Ｖ１〜15％、残部実質的にFe及び不可避的不純物
元素を含む合金からなる。

【００１６】この合金において、Ｃは同時に含有される
Cr、Ｗ、Mo及びＶと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩
耗性の向上に寄与する。しかし、過剰になると炭化物量
が過剰となり、材質が脆化する。さらに、Ｃは基地中に
固溶して基地を焼戻し硬化させる作用をもつが、過剰に
なると基地の靭性を低下させる。従って、Ｃの含有量は
1.0〜3.5 重量％である。好ましいＣ含有量は 1.5〜3.
0 重量％である。

【００１７】Siは、脱酸効果の他に基地の硬さを高める
効果、耐酸化性及び耐食性を高める効果、アトマイズ作
業性を高める効果を有するので、２重量％以下含有させ
る。好ましいSi含有量は 0.2〜１重量％である。

【００１８】Mnも脱酸効果を有し、さらに焼入性を高め
る作用を有するので、２重量％以下含有させる。好まし
いMn含有量は 0.2〜１重量％である。

【００１９】CrはＣと結合して炭化物を形成し、耐摩耗
性を付与するとともに、基地に固溶して焼入性を高め、
さらに焼もどし硬化性を高める効果がある。しかし、過
剰に含有すると基地の靭性を低下させるので、10重量％
以下の含有量とする。好ましいCr含有量は３〜６重量％
である。

【００２０】Ｗ及びMoは、Ｃと結合してＭ₆Ｃ型の炭化
物を形成して耐摩耗性を向上させるとともに、焼戻し熱
処理による二次硬化性を高める作用がある。しかし、過
剰に含有させると材料が高価になるのみならず靭性を低
下させるので、本発明における含有量として、Ｗは３〜
15重量％、Moは２〜10重量％である。好ましいＷ含有量
は３〜１０重量％であり、好ましいMo含有量は４〜10重
量％である。

【００２１】ＶもＷ及びMoと同じくＣと結合する。得ら
れる炭化物はＭＣ型炭化物であるが、このＭＣ型炭化物
の硬さはＨｖ2500〜3000であり、Ｍ₆Ｃ型炭化物の硬さ
（Ｈｖ1500〜1800）より硬い。このため、耐摩耗性を必
要とするロールにＶ含有量の多い合金を用いるとロール
寿命が向上する。しかし、過剰に含有させても、アトマ
イズ作業性の低下、被切削加工性の低下等が起こる。ま
たＶ含有量が少量すぎても効果が発揮できない。従って
Ｖ含有量は１〜15重量％である。好ましいＶ含有量は４
〜１５重量％である。

【００２２】Coは耐熱性を付与するために有効であるの
で、任意元素として添加することができる。しかしなが
ら、過剰になると靭性が低下するので、その含有量を３
〜15重量％とする。好ましいCo含有量は５〜10重量％で
ある。

【００２３】上記の合金粉末を製造するには、上記組成
の合金を溶融した後で、公知の方法、例えばガスアトマ
イズ法等を用いることができる。このような方法により
得られる合金粉末の平均粒径は30〜300 μｍであること
が望ましい。

【００２４】〔２〕芯材本発明の耐摩耗複合ロールの芯材は、圧延負荷に耐える
のに十分な強度を有する限り、鋳鉄、鋳鋼、鉄鋼等の任
意の鉄基合金により形成することができる。

【００２５】〔３〕耐摩耗複合ロールの製造方法図２に示すように、アトマイズ法等により作られた合金
粉末Ｐを、ロール芯材１の周囲に配設した金属カプセル
２内に充填し、金属カプセル２の上部に設けた脱気口３
から脱気し、密封することにより金属カプセル２内を真
空に維持し、次いでＨＩＰ処理を施す。なお、金属カプ
セル２は約３〜１０mmの厚さを有するスチール製又はス
テンレススチール製の板により形成することができる。

【００２６】ここで本発明の最大の特徴は、このＨＩＰ
処理の温度を溶融開始点以上にすることである。これに
よって外層の焼結合金の基地中の炭化物の粒径及び分布
が制御され、ロールの耐摩耗性が向上する。ＨＩＰ処
理の好ましい条件は、アルゴン等の不活性ガス中におい
て、1000〜1500atm の圧力を加えながら、1100〜1300℃
の温度（ただし、溶融開始点以上）で１〜８時間加熱し
て行うものである。より好ましいＨＩＰ処理時間は２〜
５時間である。

【００２７】以上の条件でＨＩＰ処理を施すことによ
り、耐摩耗性に優れた焼結合金の外層を芯材の外周に拡
散接合した複合ロールを得ることができる。

【００２８】ＨＩＰ処理後、金属カプセル２を旋盤によ
り除去し、次いで図４に示すような熱処理パターンに従
って熱処理を施す。最後に外層に仕上げ加工を施す。

【００２９】〔４〕外層の焼結合金の組織後述の実施例１及び比較例１の金属組織を示す図１及び
図９において、白色の粒状に見える部分が炭化物である
が、同一合金成分であってもＨＩＰ処理する温度によっ
て基地中の炭化物の粒径及び分布に顕著な差があること
が分かる。

【００３０】比較例１の図９に示すように、基地中の炭
化物が微細で均一な金属組織であるほど材料として理想
的なように思われるが、圧延用ロールにおける耐摩耗性
の点では劣ることがわかった。これに対して、図１に示
すような粒径の大きい炭化物が基地中に存在する場合、
ロールの耐摩耗性は３倍程度向上している。

【００３１】図１に示すように、耐摩耗性の向上に寄与
する炭化物の粒径は３μｍ以上である。基地中に分散す
る炭化物が図９に示すような３μｍ未満である場合、図
３(b)に示す機構により、炭化物は耐摩耗性の向上にほ
とんど寄与しないと考えられる。すなわち、摩耗を進行
させる摩耗粒子９がロール表面に接触すると、外層の基
地10中に含まれる炭化物11の粒径が小さいため、外層の
金属組織が変形し易く、その結果摩耗が進行すると考え
られる。よって、耐摩耗性の向上には、外層の基地中に
分散する炭化物粒径が３μｍ以上であることが必要であ
る。一方炭化物の粒径が50μｍを超えると、炭化物が存
在する部分と存在しない部分とで微視的な偏摩耗が顕著
になるので好ましくない。

【００３２】また、炭化物の粒径が３μｍ以上であって
も、外層の基地中に炭化物が少量しか存在しないのでは
耐摩耗性の向上は望めない。よって、外層の基地中に存
在する３μｍ以上50μｍ以下の粒径の炭化物は、面積率
で15％以上であることが必要である。３μｍ以上50μｍ
以下の粒径の炭化物の好ましい面積率は20〜40％であ
る。

【００３３】さらに、外層の基地中の炭化物の粒度分布
としては、 0.5μｍ以上の炭化物の個数に対して粒径３
μｍ以上の炭化物の個数の割合が10％以上であることが
必要である。この割合が１０％未満であると、外層の耐
摩耗性は低い。好ましくは、この割合は１０〜４０％で
ある。

【００３４】上記要件を満たした金属組織を有する外層
は、図３(a) に示す機構により耐摩耗性が向上してい
る。即ち、摩耗粒子９が外層表面に接触しても、炭化物
11の粒径が大きいためこれによって受け止められ、金属
組織全体に影響が及ぼされず、摩耗が進行しないものと
考えられる。

【００３５】なお、上記炭化物が均一に分散した外層の
金属組織の基地は、マルテンサイト或いはベイナイトか
らなる。この基地により、外層の強度及び耐熱性が高
い。

【００３６】

【実施例】本発明を以下の実施例により更に詳細に述べ
るが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００３７】実施例１、比較例１表１に示す組成の合金粉末Ｐを図２に示すロール芯材１
の周囲に配設した金属カプセル２内に充填した。その
後、図２の装置全体を約 500℃に加熱しながら、上部の
脱気口３から脱気してカプセル２内を約１×10^-3Torrに
保持し、脱気口３を密封した。次に、この装置全体をア
ルゴンガス雰囲気中で、温度1250℃、圧力1000atm で２
時間ＨＩＰ処理を行った。なお、表１に示す合金粉末の
溶融開始点温度は1195℃である。

【００３８】

【表１】合金粉末の化学成分（wt％）Ｃ Si Mn Cr Mo ＷＶ Co Fe 2.5 0.4 0.4 4.0 5.3 8.8 6.9 8.4 Bal.

【００３９】ＨＩＰ処理の後、旋盤による加工により外
側のカプセル２を除去し、図４のパターンの熱処理を施
した。その後仕上加工を施し、焼結合金の外層４（外径
350mm、厚さ20mm）及び芯材５（内径 250mm、長さ 400
mm）を有する図５に示す形状の複合中空ロールを得た。
このロールの外層４の金属組織を図１に示す。

【００４０】また、比較のためにＨＩＰ処理温度を1170
℃（溶融開始点未満）とし、その他は実施例１と同じ条
件で作製した複合中空ロール（比較例１）について、そ
の外層の金属組織を観察した。その顕微鏡写真を図９に
示す。なお比較例１のロール外層の合金粉末の組成も表
１に示した組成と同じである。

【００４１】切断面の顕微鏡観察の結果、両方のロール
とも、外層４と芯材５とがＨＩＰ処理により拡散接合し
たことが分かった。また、図１及び図９において、白色
の粒状に見える部分は炭化物であるが、この炭化物の粒
度及び分布は、表２に示すように大きな差が認められ
た。

【００４２】

【表２】炭化物の面積率（％）粒径３μｍ炭化物の粒径（μｍ）炭化物粒径３〜50 以上の炭化物平均最小最大の全量 ⁽¹⁾ μｍ炭化物の個数割合（％）実施例１ 5.2 0.3 18.7 30 22 32 比較例１ 1.0 0.2 2.5 30 ００注：（１）０．５μｍ以上の粒径の炭化物について測定した。

【００４３】次に、上記の方法で製造したロールのアブ
レッシブ摩耗試験を行った。両方のロールの外層４の合
金層から10mm×10mm×15mmの試験片を切出し、焼戻し熱
処理により種々の硬さにした試験片８を作製した。図６
に示すように、試験台６の上にエメリー紙７を貼りつ
け、試料台６ごと回転させ、その上に試験片８を60kg／
mm２の圧力で３分間押しつけることにより摩耗試験を行
った。試験前後の試験片の重量差を測定し、摩耗減量を
算出して耐摩耗性を評価した。図７にその結果を示す。
同図において、直線Ａは実施例１を示し、直線Ｂは比較
例１を示す。図７から、同一硬さで比較すると、実施例
１の摩耗減量は比較例１の摩耗減量の約３分の１である
ことがわかる。これは、本発明の耐摩耗複合ロールの耐
摩耗性が比較例のものの約３倍に向上していることを意
味する。

【００４４】実施例２、比較例２焼結合金製の外層４（外径 400mm、厚さ30mm）と芯材５
（内径 280mm、長さ 500mm）とからなる図８に示す形状
の複合中空ロールを実施例１及び比較例１と同じ条件で
それぞれ製造し、これらのロールの焼結合金製外層４の
外周に、半径11mmのラウンドカリバー（Kal)を４条設け
た。得られた実施例２及び比較例２の複合中空ロールを
それぞれ実際の棒鋼圧延用仕上スタンドに使用した。

【００４５】圧延の結果は、比較例２のロールが210ton
／Kal 、実施例２のロールが690ton／Kal であった。従
って本発明の複合ロールは、外層合金粉末の溶融開始点
未満の温度でＨＩＰ処理した比較例２の複合ロールに比
べて、３倍強の圧延屯数となり、耐摩耗性に優れている
ことがわかる。

【００４６】

【発明の効果】本発明において外層合金粉末のＨＩＰ処
理温度を溶融開始点以上の温度に設定することにより、
外層の基地中の炭化物の粒径を大きくした結果、耐摩耗
性を従来の約３倍に向上することができた。これによ
り、耐摩耗性が大幅に向上した外層を有する複合ロール
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明（実施例１）の複合ロールの外層から切
り出した試験片の金属組織を示す顕微鏡写真である。

【図２】本発明の耐摩耗複合ロールを製造するための装
置の断面図である。

【図３】複合ロールの摩耗機構を示す概略図であり、
（ａ）は本発明の場合を示し、(b) は従来例の場合を示
す。

【図４】本発明の耐摩耗複合ロールを製造するのに使用
する熱処理パターンの一例を示す概略図である。

【図５】複合ロールの一例を示す断面図である。

【図６】アブレッシブ摩耗試験方法を説明するための概
略図である。

【図７】実施例１及び比較例１の複合ロールについて、
それぞれ摩耗減量と硬度との関係を示すグラフである。

【図８】複合ロールの他の例を示す断面図である。

【図９】比較例１の複合ロールの外層の金属組織を示す
顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１芯材２金属カプセル３脱気口４焼結合金製外層５芯材６試験台７エメリー紙８試験片Ｐ合金粉末

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 33/02 Ｂ 38/00 ３０４ 7217−4Ｋ 38/18 (72)発明者是永逸生福岡県北九州市若松区北浜一丁目９番１号日立金属株式会社若松工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結合金の外層及び芯材からなる耐摩耗
複合ロールにおいて、前記焼結合金の外層材は、重量比
でＣ 1.0〜3.5 ％、Si２％以下、Mn２％以下、Cr10％以
下、Ｗ３〜15％、Mo２〜10％、Ｖ１〜15％、残部実質的
にFe及び不可避的不純物元素からなり、マルテンサイト
或いはベイナイトの基地に粒径が３〜50μｍの範囲内に
わたって分布する炭化物が分散していることを特徴とす
る耐摩耗複合ロール。
【請求項２】請求項１に記載の耐摩耗複合ロールにお
いて、前記焼結合金の外層材はさらに３〜15％のCoを含
有することを特徴とする耐摩耗複合ロール。
【請求項３】請求項１又は２に記載の耐摩耗複合ロー
ルにおいて、前記焼結合金の外層材中に分布する粒径が
３〜50μｍの範囲内の炭化物の面積率は金属組織の15％
以上であることを特徴とする耐摩耗複合ロール。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩
耗複合ロールにおいて、粒径が 0.5μｍ以上の炭化物の
うち、粒径が３μｍ以上の炭化物の個数割合が10％以上
であることを特徴とする耐摩耗複合ロール。
【請求項５】焼結合金の外層及び芯材からなる耐摩耗
複合ロールの製造方法において、(a) 重量比でＣ 1.0〜
3.5 ％、Si２％以下、Mn２％以下、Cr10％以下、Ｗ３〜
15％、Mo２〜10％、Ｖ１〜15％、残部実質的にFe及び不
可避的不純物元素からなる合金粉末を、ロール芯材の周
囲に配設した金属カプセル内に充填し、(b) 脱気、密封
の後、前記合金粉末の溶融開始点以上の温度でＨＩＰ処
理することを特徴とする耐摩耗複合ロールの製造方法。
【請求項６】請求項５に記載の耐摩耗複合ロールの製
造方法において、前記焼結合金の外層材はさらに３〜15
％のCoを含有することを特徴とする耐摩耗複合ロールの
製造方法。
【請求項７】請求項５又は６に記載の耐摩耗複合ロー
ルの製造方法において、前記ＨＩＰ処理を1100〜1300℃
の温度及び1000〜1500気圧の圧力下で、不活性ガス雰囲
気中で1 〜8 時間行うことを特徴とする耐摩耗複合ロー
ルの製造方法。