JPH0679312A

JPH0679312A - 圧延用複合ロール

Info

Publication number: JPH0679312A
Application number: JP23929392A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Uchida; 哲郎内田; Masayuki Era; 雅之江良; Noriyuki Watabe; 典行渡部; Takeshi Yasuda; 健安田; Osamu Shimotamura; 修下タ村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】変形抵抗が大きくかつ表面の剥離、割れを防
止した圧延用複合ロールを提供することにある。【構成】本発明の圧延用複合ロールは、強度及び靭性
に優れたロール軸材１の胴部の表面に中間層２を介した
サーメット材からなる硬化層４と硬化層４の欠陥部に充
填して補強する補強層３からなる被覆層５が不活性ガス
雰囲気中での溶射により形成されている。

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用ロール
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に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の圧延用ワークロールに対する要求
としては、被圧延材の高光輝度の持続性、板厚精度の向
上及び鋳造の際に生じる樹枝状の組織であるデンドライ
トが転写されないことを重要視している。これに対処す
るには、ロール材組織の微細化、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条件
で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性と
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靱性が要求され
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、鍛造の工程によ
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、溶解して鋳型に鋳造する
方法から出発して製造される材料中の炭化物の大部分は
融体から晶出するため不均一分布で粗大炭化物が生成し
やすい。特に、鋼塊が大型化し鋼塊の径が２倍、３倍と
なると炭化物の粗さは４倍、９倍というように増加す
る。これを均質加熱処理し熱間鍛造を行っても組織を均
一にすることは困難で炭化物は不均一に分散する上、熱
処理性、鍛造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生成する。又、炭化物含
有量にも限度がある。その結果、これをロールに適用す
ると耐摩耗性の不均一性から、ロール表面が凹凸となり
被圧延材の精度が上がらない上、粗大デンドライト組織
の出現を防止できず、被圧延材に転写されるという問題
を有している。これらの問題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る要因
となっている。

【０００３】上記の問題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を用い
る下記の方法が知られている。

【０００４】（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。

【０００５】（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．Ｉ．Ｐ）や熱
間押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１０月初版発行、ｐ９７
〜１２８、複合加工研究会編参照）。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
が起こり、割れや剥離を誘発するという問題がある。

【０００６】（２）は粉末焼結で作ったスリーブを、い
わゆる焼ばめにより軸材にはめこんで複合ロールを作る
方法である（「塑性と加工」vol.２３，Ｎo.２６１，１
９８２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
困難であり、必然的に冷ばめ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る問題がある。

【０００７】（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」、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
０．２ｍｍ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る。

【０００８】（４）はロール表面に溶射肉盛を施す方法
（特開昭６３−２４２４０号公報、特開昭６０−１５８
９０６号公報）であるが、硬化層の材料がサーメットや
セラミックス等のようにより硬度のものになると剥離や
割れが発生するため、ロール特性の向上が図れない上に
硬化層中の気孔が影響し極薄の被圧延材製造時には、品
質を低下させるという問題を解決できない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上の説明のように、
従来の何れの方法で製作された圧延用複合ロールにおい
ても、特に硬化層材がサーメットやセラミックス等のよ
うに硬度が大きくて脆い材料に対する亀裂や割れの発生
防止の点には配慮がされておらず、圧延用ロールとして
は問題がある。

【００１０】本発明の目的は、変形抵抗が大きくかつ表
面の剥離、割れを防止した圧延用複合ロールを提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ロール軸材
に溶射した中間層と該中間層に溶射した被覆層を備えた
圧延用複合ロールにおいて、前記被覆層は前記中間層よ
り変形抵抗が大きく耐摩耗性を有する硬化層と、該硬化
層に溶射し該硬化層の欠陥部に充填される補強層とから
なることにより達成される。

【００１２】上記目的は、前記硬化層がサーメット材か
らなり、前記補強層の融点が１１５０℃以下で硬度ＨＲ
ｃが３０〜６０のＮｉ基合金またはＣｏ基合金からなる
ことにより達成される。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、高強度及び高靭性を有する
ロール軸材に変形抵抗が大きく耐摩耗性を有する硬化層
を接合強化及び応力緩和のための中間層を介して溶射
し、更に硬化層の欠陥を補強する補強層を溶射して複合
ロールを形成することにより、硬化層に生成する亀裂や
気孔の欠陥部に補強層が充填され、変形抵抗が大きくか
つ表面の剥離、割れを防止した圧延用複合ロールが得ら
れる。

【００１４】中間層はロール軸材と硬化層の間に設ける
層であり、その組成をロール軸材組成から硬化層の組成
に段階的に変化させ、ロール軸材と硬化層の線膨張係数
の差が３／１０⁶（１／℃）／mm以下となるようにし、
その厚さγ(mm)が複合ロールの半径をＲ(mm)とすると
１．５≦Δγ≦０．３Ｒを満たすように構成する。

【００１５】硬化層はロール表面の変形抵抗を大きく
し、かつ耐摩耗性及び耐スポール性を与えるために設け
る層であり、その材料として例えば硬度の高い金属、サ
ーメット、セラミックスを用いる。

【００１６】補強層は上記の硬化層が硬度の高い脆い材
料で形成されるために発生する亀裂や割れを防止するも
のである。その材料として融点が１１５０℃以下のＮｉ
基合金またはＣｏ基の自溶性合金を用いることにより、
それ自身流動性が良いため通常の拡散処理やＨＩＰ処理
で硬化層中の亀裂や気孔部へ補強層が十分に浸透しかつ
充填され、補強層の硬さがＨＲｃ（ｃスケールのロック
ウエル硬度）で２９以下であると硬化層の欠陥中に補強
層が充填されても弱いため補強の効果が無くまた後処理
時に流出することがある。ＨＲｃが６６以上になると硬
度が大きい故に硬化層の欠陥中に十分充填されない上に
脆くなる。

【００１７】

【実施例】図３は本発明の実施例の圧延用複合ロールを
製造する装置の構成を示した説明図である。

【００１８】本図に示すように、溶射を行うための溶射
ノズル７を先端に備えた溶射トーチ６、溶射トーチ６に
溶射の材料となる粉末を供給する複数の粉末送給装置
８、８８、溶射の制御を行う制御装置１２、制御装置１
２に溶射のエネルギと制御用の電力を供給する電源１
３、溶射トーチ６を冷却する冷却水１４を主要構成要素
としている。粉末送給装置８、８８には、被覆層部を形
成させるたに溶射されるそれぞれ異なる粉末９、９９、
が収納されていて、ガスボンベ１１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６に送
給する。又、溶射トーチ６には制御装置１２を経て作動
ガスボンベ１０から作動ガスと、別途冷却水１４が供給
される。

【００１９】このような製造装置を用いてロール軸材１
に中間層部２、補強層部３及び硬化層４からなる被覆層
５を形成する。この際ロール軸材１を矢印ａのように回
転させて多層溶射を行う。溶射作業は空気中の酸素を排
除するため１×１０~²Torr以上の真空度にした後不活性
ガスを注入し、約５０〜８０Torrの減圧度のＡｒ／Ｈ₂
の不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。

【００２０】上記において、補強層３を形成するのは、
硬化層部にしばしば出現する亀裂や気孔に起因する硬化
層部の脱落を防止して健全な被覆層を形成するためであ
る。

【００２１】そのために補強層３の材料として所定の流
動性の指標となる融点と硬さが要求される。

【００２２】なお、ロール軸材１と被覆層５の両材料の
組成が傾斜的に変化する中間層部２の組成及び厚さを次
に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】実施例１ロール軸材として直径１０ｍｍ、長さ５００ｍｍの材質
ＪＩＳ規格ＳＫＤ−１１の表面処理を施した丸棒を用意
し、その胴部１５０ｍｍの個所に上述の方法によって中
間層２ｍｍを形成後、硬化層用材料としてＣｒ＋Ｎｉ１
０〜２０ｗｔ％、残部は表２中のＡ項のサーメット材を
約２．５ｍｍまで溶射した従来技術のロール素材と、更
にその表層部にＣｏ：８２．５ｗｔ％、Ｃｒ：１０．０
ｗｔ％、Ｂ：３．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．５ｗｔ％、Ｃ：
１．０ｗｔ％、Ｆｅ：２．０ｗｔ％なる組成の補強層を
溶射した本発明のロール素材を３本製造した。

【００２５】図１は本発明の実施例の圧延用複合ロール
横断面図である。

【００２６】図２は図１の縦断面図である。

【００２７】各図に示すように、強度及び靭性に優れロ
ール軸材１に中間層２を介したサーメット材からなる硬
化層４と補強層３からなる被覆層５が形成されている。

【００２８】図１の円内は硬化層４と補強層３の境界拡
大図で、補強層３が硬化層４の欠陥部である気孔や亀裂
に充填されている状態を示している。本実施例の被覆層
５は補強層３と硬化層４を積層したものが１層示されて
いる。

【００２９】

【表２】

【００３０】この素材を９５０〜１０００℃の温度で拡
散処理を施した後に機械加工をしてロールに仕上げ、そ
のうちの１本を特性の計測用に、２本を１対として２０
μｍ厚みのステンレス板を圧延する圧延機にて実機テス
トを行った。その結果を表３に従来の実機圧延回数を１
とした相対比で示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】この結果で明らかなように補強層を硬化層
の上に形成することによりロールの性能は大幅に改善さ
れた。なお、本発明のロールは、機械加工時に補強層を
除去する時間を要したが硬化層よりも硬さが低いため、
問題となるほどの時間ではなかった。

【００３３】実施例２ロール軸材として直径１０ｍｍ、長さ５００ｍｍの材質
ＪＩＳ規格ＳＫＤ−１１（合金工具鋼材）の表面処理を
施した丸棒を用い、その胴部１５０ｍｍの個所に上記の
公知技術による中間層２ｍｍを形成後、硬化層用材料と
してＮｉ１５〜５０ｗｔ％、残部表２中のＢ項のサーメ
ット材を、補強層用材料としてＮｉ：９２．２ｗｔ％、
Ｂ：２．５ｗｔ％、Ｓｉ：１．５ｗｔ％、Ｃ：０．８ｗ
ｔ％、Ｆｅ：１．０ｗｔ％、Ｃｕ：１．０ｗｔ％、Ｍ
ｏ：１．０ｗｔ％を用い、図１に示したような構造のロ
ール素材を２本製造した。その内の１本は１０００℃、
１０００Ｋｇ／ｃｍ²の条件でＨＩＰ処理を行い、他の
１本は１０００℃、３ｈの条件で拡散処理を施し、それ
ぞれを所定の機械加工を行ってロールに仕上げ、Ｃｕ合
金板の実機圧延を行った。その結果、従来技術で製造さ
れたロールにしばしば見られた亀裂や気孔に起因する損
傷はなくなり、先の実施例１で確認されたような事も確
認され、被圧延材の高輝度及び板圧精度も改善された。
又、ＨＩＰ処理でも拡散処理でも効果は同じであるこ
と、ＨＩＰ処理に際しては、補強層がキャニング材の役
割を果たすために特別な準備の必要のないことなども確
認した。

【００３４】実施例３ロール軸材として直径１０ｍｍ、長さ５００ｍｍの材質
ＪＩＳ規格のＳＫＤ−１１の表面処理を施した丸棒を用
い、その胴部１００ｍｍの個所に上記の公知技術による
中間層２ｍｍを形成後、硬化層用材料として実施例１と
同じサーメット材を、補強層用材料としてＮｉまたはＣ
ｏをベースとした補強層を溶射し、実施例２と同条件下
の拡散処理やＨＩＰ処理による硬化層部の亀裂及び気孔
の有無を調査した。

【００３５】図４は補強層の融点と気孔、亀裂の減少率
の関係を示す図表である。

【００３６】図５は補強層の硬さＨＲｃと気孔、亀裂の
減少率の関係を示す図表である。

【００３７】各図に示すように、補強層としては、融点
が１１５０℃以下で硬さが３０〜６５の範囲に有ること
が必須条件である。すなわち、補強層の融点が１１５０
℃以上であれば通常の拡散処理やＨＩＰ処理では硬化層
中の亀裂や気孔部へ補強層が充填されない。又、硬さが
ＨＲｃ６６以上になると硬化層部の欠陥中に補強層が十
分充填されない上、脆くなり、ＨＲｃ２９以下であると
硬化層部の欠陥中に補強層が充填されても弱いため補強
の効果が無く、後処理時に流出することがある。以上の
硬さの範囲と融点を満足する補強層の組成は表４に示す
通りであった。

【００３８】

【表４】

【００３９】実施例４図６は本発明の実施例４の圧延用複合ロール横断面図で
ある。

【００４０】図７は図６の縦断面図である。

【００４１】各図に示すように、強度及び靭性に優れロ
ール軸材１に中間層２を介したサーメット材からなる硬
化層４と補強層３からなる被覆層５が形成されている。

【００４２】図１の円内は硬化層４と補強層３の境界拡
大図で、補強層３が硬化層４の欠陥部である気孔や亀裂
に充填されている状態を示している。本実施例の被覆層
５は補強層３と硬化層４を積層したものが２層示されて
いるが２層に限定されるものでなくロールの計画寿命に
応じて何層設けても良い。

【００４３】以上述べたように本実施例によれば、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性及び耐摩耗性に優れているため高
圧下、高速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
とができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ロール軸材に変形抵抗
が大きく耐摩耗性を有する硬化層を中間層を介して溶射
し、更に硬化層に補強層を溶射することにより、硬化層
の欠陥部に補強層が充填されて補強され、変形抵抗が大
きくかつ表面の剥離、割れを防止した圧延用複合ロール
を提供することが可能となる効果が得られる。

【００４５】補強層の融点を１１５０℃以下とし、補強
層の硬さをＨＲｃで３０〜６０の範囲に定めるすること
により、硬化層中の欠陥部に補強層が十分に浸透し充填
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の圧延用複合ロール横断面図
である。

【図２】図１の縦断面図である。

【図３】本発明の実施例の圧延用複合ロールを製造する
装置の構成を示した説明図である。

【図４】本発明の実施例の補強層の融点と気孔、亀裂の
減少率の関係を示す図表である。

【図５】本発明の実施例の補強層の硬さＨＲｃと気孔、
亀裂の減少率の関係を示す図表である。

【図６】本発明の実施例４の圧延用複合ロール横断面図
である。

【図７】図６の縦断面図である。

【符号の説明】

１ロール軸材２中間層３補強層４硬化層５被覆層６溶射トーチ７溶射ノズル８粉末送給装置８８粉末送給装置９粉末９９粉末１０作動ガスボンベ１１ガスボンベ１２制御装置１３電源１４冷却水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安田健茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者下タ村修茨城県勝田市堀口832番地の２株式会社日立製作所素形材事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロール軸材に溶射した中間層と該中間層
に溶射した被覆層を備えた圧延用複合ロールにおいて、
前記被覆層は前記中間層より変形抵抗が大きく耐摩耗性
を有する硬化層と、該硬化層に溶射し該硬化層の欠陥部
に充填される補強層とからなることを特徴とする圧延用
複合ロール。
【請求項２】ロール軸材に溶射した中間層と該中間層
に溶射した被覆層を備えた圧延用複合ロールにおいて、
前記被覆層は、前記中間層に溶射した変形抵抗が大きく
耐摩耗性を有する硬化層と該硬化層に溶射し該硬化層の
欠陥部に充填される補強層とからなる複合層上に前記硬
化層と前記補強層とからなる複数の複合層を積層したこ
とを特徴とする圧延用複合ロール。
【請求項３】前記硬化層はサーメット材からなり、前
記補強層は融点が１１５０℃以下で硬度ＨＲｃが３０〜
６０のＮｉ基合金からなることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の圧延用複合ロール。
【請求項４】前記硬化層はサーメット材からなり、前
記補強層は融点が１１５０℃以下で硬度ＨＲｃが３０〜
６０のＣｏ基合金からなることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の圧延用複合ロール。