JPH0818053B2 - 金属材料の圧延方法および圧延ロール表面の調製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の板、帯、および
箔の圧延に関し、特に、各圧延スタンドのワークロール
およびバックアップロールに微細な処理を施した表面組
織および皮膜を付与するロール表面仕上げ方法に関す
る。この表面組織および皮膜は、摩耗屑の発生を低減
し、十分な圧延牽引力を提供し、また、ロール／圧延材
料界面に適度な摩擦を確保することにより摩擦力を制御
する。このロール表面仕上げ方法は、熱間圧延および冷
間圧延するためにインゴットの厚さを減少させるリバー
シング（分塊）ミルに用いるロールから、冷間圧延ミル
や箔圧延ミルの最終スタンドに用いるロールまで適用さ
れる。

【０００２】

【従来の技術】牽引力については、圧延された材料（す
なわち板、帯、箔）が所望の圧下量となっているよう
に、ミル（圧延機）のワークロールと圧延されている
板、帯、あるいは箔との間に、最小の牽引力が必要にな
る。液体による潤滑と高度に研磨したロールとを用いた
場合、バックアップロールとワークロールとの間でもワ
ークロールと圧延材料との間でもスリップが起こり易い
ので、バックアップロールとワークロールとの間の牽引
力およびワークロールと圧延材料（圧延される材料）と
の間の牽引力が問題になる。研削およびクロムメッキし
たロールの表面が実質的な牽引力が確保できる程度に粗
い場合には、圧延を受けている表面の材料がロールによ
って移動させられる微視的な加工が起きる。この加工さ
れた材料は金属および金属酸化物の粒子であり、圧延さ
れた材料の表面に集積する。この現象はアルミニウムの
板、帯、箔の圧延において非常に大きな問題となる。そ
れは、圧延された材料の表面から加工されて発生した相
対的に硬い酸化アルミニウムの粒子は、酸化されず元の
ままの相対的に柔らかいアルミニウム中に埋め込まれた
状態になり、これが更にロールの表面組織内に付着ある
いは押し込まれ、ロールを被覆した状態になるからであ
る。その結果、硬い粒子がロールから圧延材料表面に再
転移する現象が常に起こることになる。

【０００３】上記の問題は、従来の研削ロールを用いた
タンデムミルの場合には特に重大である。タンデムミル
の各スタンドには一般的に単一の冷却・潤滑剤が用いら
れ、この冷却・潤滑剤はいわゆる「オイルハウス」と呼
ばれる単一の潤滑剤浄化設備で濾過される。摩耗屑が多
量に発生すると、オイルハウスでの濾過に対する負荷が
かなり大きくなる。

【０００４】タンデムミルの場合にもう一点注意すべき
ことは、潤滑条件が各スタンドで異なるということであ
る。スタンド毎に潤滑条件が異なる原因は、ロールスピ
ード、温度、圧下率、材料厚さ、および各スタンドで圧
延材料に負荷されるフロントテンションとバックテンシ
ョンが異なることである。潤滑条件の差異の原因は、異
なる種類の冷却・潤滑剤を用いることではない。冷却・
潤滑剤の物理的・化学的性質はミル全体について同一で
あり、各スタンドでの潤滑条件を変える一つの方法は、
そのスタンドについてロールの表面組織を最適化するこ
とである。

【０００５】アルミニウムの圧延で生ずる種々の問題
は、アルミニウム生地がロール表面に付着し易いことが
その一因となっている。付着の発生が特に著しいのは、
ロールの圧下作用領域で潤滑剤の量が不十分であり、潤
滑剤の品質が悪く、圧延材料の表面がロール表面に鋤か
れて小さな残留部が生じて付着を助長するようなロール
表面粗さの場合である。アルミニウムの表面自体は柔ら
かいので、ロール表面に付着した材料が圧延材料の表面
に再転移すると、アルミニウム摩耗屑と潤滑剤残滓とが
混ざった圧着汚れや黒い縞模様等の重大な表面損傷が生
ずる。このような表面損傷が生じたものは商品としての
価値がほとんど無いので、スクラップにしてリサイクル
に回すしかない。ロール表面は、次に圧延する材料の表
面品質を確保するために、もう一度仕上げ処理を施して
付着物質を除去しなければならない。

【０００６】連続熱間圧延ミルとリバーシング（分塊）
ミルの場合、潤滑条件を適正にすることが非常に難し
く、ロール表面および圧延材料表面が高温であるためワ
ークロール表面への多量の摩耗屑の転移は通常避けられ
ない。高温のため潤滑剤はロール圧下位置に入る前に部
分的に蒸発する。発生した蒸気膜がロール表面の油「被
覆」を妨害する。それによってロール圧下作用領域内で
の有機潤滑剤の分解が助長され、その結果ロール表面の
境界保護皮膜が破れる。圧延スピードが遅かったり、ロ
ール表面粗さが大きかったり、圧下量が大きかったりす
るときにも、多量の摩耗屑転移が起きる。これらの要因
が組み合わさると、流体力学的な作用が阻害される結
果、界面圧力および温度が上昇し、圧延材料表面の微視
的加工が著しくなり、ロール圧下作用領域でのロールと
圧延材料との接触長さが増加する。スクラッチブラシの
ような補助具を用いて、ロール表面に転移した金属を除
去しなければならない。転移物質を確実に除去しない
と、既に説明したように圧延材料表面への再転移が起き
る。スクラッチブラシの使用のような付加的工程を行う
と、熱間圧延工程の機械的負荷（すなわち製造工程およ
び装置）を増加させることになり、圧延コストが上昇す
る。

【０００７】最も大きい粒子が支配的な場所では、３部
材間摩耗によるワークロールとバックアップロールとの
間の摩耗が著しく、局部的な塑性変形が起きる。そのた
め、ロール表面を再ドレッシングしなければならないの
で、多大な時間の浪費となる上、研削済ロールを余分に
在庫しなければならない。圧延工程に特有な上記の各問
題は、従来ロール工場で行われている、一回または二回
以上の研削工程を行う仕上げ処理に起因していると考え
られる。研削は確率過程であるため、研削されたロール
は不規則な表面粗さになり、このロール表面ではロール
圧下作用領域での潤滑剤レオロジーおよび摩擦を適正に
緩和することができない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の基本的
な目的は、リバーシングミルから冷間圧延ミルの最終ス
タンドまでを含む商用圧延ミルの各スタンドの異なる潤
滑条件に適用できる十分な汎用性を持たせ、ミルのどの
スタンドでも十分摩擦を緩和し、潤滑および摩耗を調整
できるロール表面仕上げ技術を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、個別の３
工程を含む表面仕上げ方法により達成される。第１工程
は前処理工程であり、ロール表面を研磨（ポリッシュ）
・研削（グラインド）により鏡面仕上げする工程であっ
て、この仕上げを行った表面粗さは０．３μｍ未満、望
ましくは０．１μｍ以下のミクロン範囲内である。第２
工程は主処理工程であり、ロール表面にミクロンサイズ
の窪みが不連続に存在する表面組織を付与する工程であ
って、最終（冷間圧延）スタンド用のロールにはこの処
理を行わない場合もある。個々の窪みはその開口縁に沿
った環状唇部を有する。この唇部の形成機構は、下地が
局部的に融解した後集束エネルギービーム装置および／
または補助ガス（使用した場合）の圧力で盛り上がる作
用と、気化あるいは蒸発した材料が後から堆積する作用
との組合せによる。この唇部の物理的な寸法、すなわち
直径および高さは、窪みを形成するのに用いる技術に依
存している。この窪み形成技術としては、一般的にレー
ザビームまたは電子ビームのような集束エネルギービー
ム装置を用いるものが含まれる。熱間圧延工程の前部ス
タンドに用いるロールについては、唇部を部分的に除去
する。すなわち、ロール表面との冶金学的結合が一般的
に弱い蒸発堆積部分は完全に除去し、下地金属が融解し
て僅かに盛り上がった部分のみを残す。この盛り上がり
部分は、ゲージ厚の非常に大きい材料を圧延する熱間圧
延工程の前部スタンドで必要な牽引力を提供する。熱間
圧延工程の後部スタンドおよび冷間圧延工程の前部スタ
ンドで用いるロールについては、この唇部を実質的に除
去してロール表面に窪みを残す。この除去プロセスには
研磨工程が含まれる。いずれの表面組織形態も、熱間圧
延または冷間圧延のロール圧下作用領域により多くの潤
滑剤を供給する作用を果たし、ロール／圧延材料界面を
効果的に潤滑すると同時に必要な牽引力を提供する。

【００１０】表面仕上げ方法の第３工程すなわち最終工
程では、前述の研磨を行った後に、ロール表面組織の細
部に良く馴染む硬質皮膜材料を被覆する。冷間圧延工程
の後部スタンドの場合には、窪み唇部の蒸発堆積部分を
研磨によって除去し窪み唇部の融解部分を残す。冷間圧
延工程の後部スタンドで用いるロール表面の窪みの寸法
（すなわち直径および深さ）は、熱間圧延ロール表面の
窪みの寸法よりも小さい。この研磨によって窪みの開口
縁に非常に僅かな環状唇部が残される。

【００１１】窪みの研磨および被覆は、どの圧延工程用
のロールについても、窪み唇部の残留部分の傾斜がロー
ルの公称表面に対して２５°未満の非常に緩い傾斜にな
るように行う。この浅い唇部がロール圧下作用領域に入
ると、唇部はロールと圧延材料の協同作用表面内に緩や
かに鋤き入って、スリップを防止するのに十分な牽引力
と提供するが、従来の研削ロールのように多量の摩耗屑
を発生させることはない。窪みは、ワークロール表面へ
の圧延材料の付着を防止するのに十分な潤滑をロール圧
下作用領域に提供する。一方で唇部は圧延材料表面にミ
クロンサイズの凹部を形成し、この凹部は、次スタンド
での圧延、圧延された製品の深絞り加工、扱き加工、ス
タンピング加工等の金属成形工程で少量の潤滑剤を保持
する作用をする。

【００１２】ロール圧下作用領域での摩耗屑発生が低減
されることにより、従来のロール研削法に比べて、圧延
された製品およびロールが清浄であり、また最終的な圧
延製品の表面品質も優れている。冷間圧延工程の最終ス
タンド（１基または複数）のロールについては、窪みを
設ける代わりに、本発明者の米国出願第３４２，３００
号（１９８９年４月２４日出願）に記載した螺旋溝を設
けることもできる。上記出願の内容は本発明において参
考として取り入れた。

【００１３】ミクロンサイズの溝は高度に集束された細
い電子ビームまたはレーザビームによって形成すること
ができ、一般にその場合の窪み直径は電子ビームの幅ま
たはレーザビームの波長の数倍になる。電子ビームを構
成する電子の衝撃あるいはロール表面層による電磁放射
線の吸収によって、融解および蒸発による切除が行われ
て窪みが形成される。このタイプの微視的加工中に、表
面層の材料の一部は蒸発切除作用によって窪みの開口縁
上に移動し、一部は融解切除作用によって窪み内部で移
動し、その結果形成される唇部の全体的な寸法はこれら
両作用に依存している。蒸発した材料は一般的に軽研磨
（後処理工程の一部）で容易に除去できるが、融解した
材料は容易に除去されない。堆積した材料はその大部分
を除去することによって、その望ましい機能を失わず且
つ圧延中に摩耗屑となることがない。更に、このロール
表面を硬質高密度材料で被覆すると、ミクロンサイズの
窪みと唇部の融解部分とが上記材料で被覆され、窪みの
深さおよび残留している唇部の斜面傾斜が減少する。ロ
ール表面の窪み形成は化学エッチングによって行うこと
もできる。その場合には、窪みの唇部に沿った材料の堆
積は生じない。

【００１４】近年、特に鋼の圧延に関して、レーザー装
置を用いて圧延ミルロールにミクロンサイズの窪みを形
成する特許および刊行物がかなり出されている。しか
し、これら特許および刊行物に開示されている内容に
は、鋼製ロール表面に圧延材料が非常に付着し易いとい
う問題については全く考慮されていない。ミルロールを
構成する鋼よりも柔らかいアルミニウムのような圧延材
料が付着、機械的噛み合い（すなわち掴み合い）、およ
び押し込み（back extrusion）を起こし、その結果摩耗
屑が発生する現象は、速いロールスピードでかなりの高
圧下をかけた場合に特に顕著な問題である。

【００１５】Braggardらの米国特許第４，８０６，７３
１号は、間欠的なレーザビームによてミルロールに設け
た窪みの周囲に形成された尾根状部分（ridge)の「脱離
(pulling off)」に関するものである。Braggardらはこ
の「脱離」問題に対処するため、材料の各尾根状部分を
窪みの片側に且つレーザビームの衝撃によって加熱され
たロール表面領域の上方に配置した。更にBraggardらは
第２のレーザービームを用いてロール表面の尾根状部分
を再融解させて脱離現象を制御することを示唆してい
る。Braggardらは、前処理工程（すなわちロール表面を
研磨／研削により鏡面仕上げすること）および後処理工
程（すなわち蒸発堆積した材料を除去した後、ロール表
面に硬質皮膜を被覆すること）については全く記載して
いない。

【００１６】更にBraggardらは、ＣＯ₂ レーザーと回転
円板とを用いて間欠的ビームを形成している。ＣＯ₂ レ
ーザーでは、その光の波長である１０．６４μｍより小
さい直径の窪みを形成することは理論的に不可能であ
る。原理的には、数波長を用いて１０．６４μｍよりも
大きい直径の窪みを形成することは可能である。１０．
６４μｍあるいはそれより大きい粗さのロールでアルミ
ニウムシートを圧延した場合、シートに転写された表面
組織は肉眼で検知可能であり、パッケージ分野の顧客の
立場からすれば、このことは冷間圧延工程の後部スタン
ドでは特に望ましくない。また、ＣＯ₂ プロセスで形成
される窪み唇部の寸法は、アルミニウムの熱間圧延およ
び冷間圧延のいずれにおいてもかなりの摩耗屑を発生さ
せることになるので実用に向かない。

【００１７】ＣＯ₂ レーザーは、波長０．５３２μｍの
光を生成する２倍周波数Nd:YAGレーザーに比べて、鏡面
研磨された工具鋼表面へのエネルギー結合効率が良くな
い。ＣＯ₂ レーザーを用いた場合、他の結合媒体を用い
ず又はロール表面がほぼ鏡面研磨仕上げされていると、
ＣＯ₂ レーザービームの多くが反射してしまう。また、
結合効率が低いことによって、鏡面研磨されたロール表
面にＣＯ₂ レーザーによって生成される表面粗さには若
干バラツキが生ずる。ＣＯ₂ レーザーで望みの粗さを生
成するには、ロール表面上で発熱反応を起こすために酸
素を必要とする。YAG レーザーで必要なのは工場のエア
配管から得られる補助ガスのみであり、純粋な酸素を用
いるよりも経済的であり、且つ殆どの生産現場で容易に
採用できる。補助ガス（エア）はビーム／金属間の相互
作用によって発生したプラズマ／蒸気を効果的に移動さ
せ、プラズマ／蒸気による光の散乱を防止し、YAG レー
ザーのエネルギーを効果的に鏡面仕上げ表面に結合させ
る。

【００１８】Braggardらが用いたような機械的ビームチ
ョッパーはＣＯ₂ パルスのピークパワーを幾分増加させ
る作用はあるが、Ｑスイッチ式YAG レーザーによって生
成されるパルスのピークエネルギーには及ばない。

【００１９】ロール表面粗さを鏡面仕上げ状態にする本
発明の前処理の基本的な目的は、研削によって生じた表
面粗さが持つ確率的な要素を極力少なくすることであ
る。事実、ロール表面を最初に鏡面仕上げしておくこと
によって、ロール表面および圧延材料表面の研削マーク
がかなり少なくなる。このことによって、レーザー処理
したロール表面組織で圧延製品の表面光沢および成形性
を制御することが容易になる。

【００２０】また、Braggardらの装置は、機械的なチョ
ッピングが必要な連続波を用いているので、機械的な負
担が大きい。その上、Braggardらの方法は、ロール表面
の各窪みに近接した尾根状隆起部分（ridge)を融解させ
溶接するために第２のレーザービームを用いるので更に
機械的負荷が大きくなる。

【００２１】Braggardらの方法によって得られる表面粗
さは、最終スタンドにおいて最少の潤滑を行い小さい圧
下量で焼鈍圧延を行うことが一般的である鋼の圧延には
用いることができる。しかし、圧延材料が窪みに付着し
て押し込まれ、これがロール表面から圧延材料表面に再
転移するアルミニウム等の非鉄軽金属の圧延に用いるこ
とはできない。この問題はロールに付与すべき表面組織
の設計によって注意深く解決されなければならない。そ
の最良の方法は、表面組織の付与に用いるエネルギーの
集束ビームを適正に機械操作し、この表面組織付与工程
を前処理工程および後処理工程を含む表面仕上げ方法全
体の中に組み込むことである。以下に、添付図面を参照
し実施例によって本発明を更に詳細に説明する。

【００２２】

【実施例】既に説明したように、本発明のロール表面仕
上げ技術は、圧延ミルの個々のスタンドのロール表面を
そのスタンドに必要な潤滑条件に合わせて調製するよう
にロール表面を微視的処理するために別個の３工程を含
む。それによって、摩耗屑の発生が大幅に減少し、摩耗
屑が原因となる問題全てが減少する。そして、製品表面
は個々の最終品質および用途（例えば、光沢、成形性
等）に合わせて調製されるので、高品質の圧延製品を製
造することができる。

【００２３】図１に模式的に示した３基の圧延ミルスタ
ンド１、２、３は、スタンド１におけるインゴット１２
の分塊から、板１４が通る冷間圧延ミルの最終パスのス
タンド３までの圧延によって金属材料の厚さを減少させ
る工程１０の全段階を代表するものである。以下の説明
の便宜上、スタンド１でリバーシング（分塊）ミルを代
表させ、スタンド２で熱間圧延ミル（通常は多数のスタ
ンドを含む）を代表させることとする。スタンド２は、
分塊工程から出た板１６の厚さを巻き取りに適した寸法
まで減少させる。１６のコイルを形成したのちに、この
コイルを冷間圧延ミル（スタンド３）に送り、そこでコ
イルを巻き戻して（解いて）冷間圧延ミルを通して更に
厚さ減少させる。

【００２４】ミルスタンドの殆どは、直径が一般的に約
１０〜３０インチの範囲に入る比較的小径のワークロー
ル１８と、直径が一般的に約３０〜５０インチの範囲に
入る大径のバックアップロール２０とを有しているが、
本発明の技術思想は、ロールを２個だけ用いたミルスタ
ンドにも４個より多いロールを用いたミルスタンドにも
適用できる。

【００２５】本発明においては、ワークロール１８を、
そして望ましくはバックアップロール２０をも、十分な
牽引力を提供できると同時に摩耗屑の発生を極力減少さ
せるような状態に調製する。これは３工程表面仕上げ方
法によって達成される。この方法の第１工程において
は、平均粗さが望ましくは０．１μｍ以下となる程度に
ロール表面を研磨（ポリッシュ）または研削（グライン
ド）する。この方法の第２工程においては、図５の顕微
鏡写真および図２および３のロール部分断面図に示した
ように、上記研磨または研削した表面にミクロンサイズ
の窪み２２を形成する。

【００２６】この窪み２２は後に詳述する電子ビームま
たはレーザビーム（図示せず）で形成することが望まし
い。形成されたままの状態では窪みの深さは５μｍ程度
であり、この深さは表面仕上げの第３工程で硬質皮膜２
３（図２および３）を施したときに減少する。この皮膜
としては、例えば１０μｍより薄い高密度のクロムある
いは類似の材質を用いることができる。この皮膜はロー
ル１８の表面への圧延材料１２および１６の付着を著し
く減少させる効果があることが分かった。そして、個々
の窪み２２の深さが浅く且つ斜面が緩やか（２５°未
満）であるため、ロール表面がそれよりも柔らかい１２
および１６の材料中に微視的に切り込む作用が著しく低
減するので、摩耗屑（発生した後ロール表面に拾い上げ
られる）が減少する。（図２および３において、ロール
の回転および圧延材料の走行の方向を矢印２５で示して
ある。）更に、皮膜２３はロール表面組織を保存する作
用があるので、ロールを頻繁に研削によって再ドレッシ
ングする必要がない。

【００２７】並んでいる窪み２２同士の間隔は、圧延方
向および横断方向のいずれについても、ロール圧下作用
領域での圧延材料とロールとが接触する長さと、圧延過
程のスピードとによって一般的に決定される。これら両
方向についての望ましい窪み間隔は上記接触長さの３０
％未満であり、接触長さは下記式のＬ _C で近似的に得ら
れる。 Ｌ_C ＝ (ａＲｔ₁)^1/2 （１） ここで、Ｒ＝厚さ減少比（圧延材料の元の厚さに対する
圧下量の比） ａ＝ロール半径 ｔ₁ ＝金属走入ゲージ

【００２８】個々の窪み２２の公称の窪み直径の寸法あ
るいはスパンは４つの要因によって制限される。第１の
要因はロール圧下作用領域での摩耗機構である。摩耗の
立場からは、窪みの密度が低く公称直径が小さいほど、
摩耗屑の発生速度は小さくなる。窪みを小さく、浅く、
疎らにすることが重要な理由は、圧延中に圧延材料の表
面がロールに対してスリップするということである。ロ
ール圧下作用領域に沿って圧延材料の厚さが減少するた
め（すなわち塑性変形中に体積は一定なので）、圧延材
料がロール間に入ってから出るまでの間で圧延材料のス
ピードは増加する。この現象はアルミニウムの圧延に用
いる比較的速い圧延スピードでは特に顕著になる。ロー
ル圧下作用領域内には、圧延材料とロール表面とが同じ
スピードになる中立点として知られている点がある。ロ
ール表面はこの中立点に到達する前には圧延材料よりも
速いスピードで圧延方向に移動する。この中立点を通過
した圧延材料はロール表面よりも速いスピードで移動す
る。このようにロール圧下作用領域内でスピード差があ
るため、ロール表面は圧延材料表面を扱くことになる。
そのため、摩耗屑の発生量はロール表面が圧延材料表面
を扱く距離に比例する。冷間圧延の場合、扱き距離ＳＤ
（smearing distance ）は近似的に下記式で表される。 ＳＤ＝（ａＲ³ ｔ₁)^1/2 ／３（１−Ｒ） （２） ここで、各記号の意味は前記式（１）で定義した通りで
ある。熱間圧延については式（２）に相当するものは知
られていない。しかし、熱間圧延の場合の扱き距離ＳＤ
は、厚さ減少比、ロール半径、および圧延材料の走入ゲ
ージに比例することが知られている。

【００２９】摩耗屑発生量は、〔１〕窪み２２の開口縁
に沿って位置するロール材の周囲堆積部２４（図２およ
び４）の凸部（ピーク）カウント数、〔２〕２４の凸部
斜面傾斜、および〔３〕公称ロール表面粗さにも比例す
る。一般的には、窪み２２の密度が高いほど堆積材２４
の斜面傾斜が大きく、その結果摩耗屑発生速度が大き
い。

【００３０】窪み２２の寸法を制限する第２の要因は、
ロール圧下作用領域で必要な牽引力の大きさである。窪
みの最小寸法は金属の厚さを減少させるのに要する最小
の牽引力によって制限される。冷間圧延のような速い圧
延スピードでは、ロール圧下作用領域での潤滑剤膜の厚
さが大きくなる。したがって、十分な牽引力を提供し、
純粋に流体力学的な潤滑あるいは完全に膜による潤滑が
起きるのをを防止するには、ロール表面に大きい窪みを
高密度で形成することが望ましい。上記２つの要因（す
なわち小さい低密度の窪みに対して、大きい高密度の窪
み）は明らかに相反する作用をするので、これら２要因
をバランスさせなけらばならない。

【００３１】窪み寸法を制限する第３の要因は、集束さ
れたレーザビームの波長および瞬間的なプロフィルまた
は集束された電子ビームの幅である。理想的には、レー
ザビームの波長と一致した窪み直径を微視的加工できる
はずである。現実には、回折（例えば、ガウス形あるい
はベル形の強度プロフィルを用いた場合）、光学系の不
完全さ、およびビームの安定性のため、この値を幾つか
合わせたところが限度である。ビームの波長は、ロール
表面に有効に吸収されるビームエネルギー量をも制限す
る。レーザーは一般的にパルス状であり、その瞬間的な
プロフィルは単位時間内にロール表面に衝突するエネル
ギーの量を制限し、その時間内に吸収できるエネルギー
量を制限する。更に、全体的な窪みの形状および性状
は、衝突するビームのエネルギー、ビームの衝突角度、
および補助ガス（必要な場合）の角度によって部分的に
制御される。

【００３２】窪み寸法に影響を及ぼす第４の要因は肉眼
による解像力である。例えばパッケージ業界で一般的に
金属シート製品の顧客に好まれるのは、均一で滑らかな
光沢のあるシート表面すなわち肉眼で知覚できる表面組
織の無いシート表面である。したがって、冷間圧延ミル
から出てくるストリップの表面の窪みは最大直径が３
０．０μｍ以下でなくてはならない。（これは肉眼で見
分けられない寸法である。）熱間圧延の場合は、それ以
降の圧延で表面組織が隠されるので特に制限は無い。

【００３３】本発明の仕上げ方法の第２工程で適用する
表面組織は、前述のように、集束されたエネルギービー
ムの装置（図示せず）を用いて高度の正確さで形成でき
る。その際に望ましい装置は前出の米国特許出願第３４
２，３００号に記載されているＱスイッチ式Nd:YAGレー
ザーである。このレーザーは広い自由度で波長を選択で
きるため、表面組織の寸法がビームの電磁気的エネルギ
ーの波長と直接関係することを利用して、種々の幅およ
び深さの表面組織（窪み）をロール表面に付与すること
ができる。この点については上記米国出願に記載されて
おり、その細部を本明細書中でも参照している。

【００３４】本発明の表面組織を付与できるもう一つの
集束エネルギービーム装置は電子ビーム装置である。こ
の装置は粒子状物質（即ち電子）の集束ビームを提供す
る。電子ビーム装置は殆どのレーザー装置に比べて処理
スピードが速い点で特に有利である。これは、レーザー
の光エネルギーの場合、窪みを形成する前に表面を短時
間加熱する必要があるためである。電子ビームの粒子状
物質は直ちに窪みを形成できるが、ロールとビームとを
制御された環境、即ち真空チャンバ内に配置しなくては
ならない点でレーザー装置より不利である。レーザーの
場合はこのようなチャンバは不要である。いずれの装置
もコンピュータ制御が可能であり、それによって照射プ
ロセスの変動を最小限にできる。

【００３５】本発明において、上記集束エネルギービー
ム装置の電子制御によって行われるようにロール表面の
窪み形成を安定して行うことにより、ロール／ロール界
面およびロール／圧延材料界面の複雑な界面物理現象に
対処して、分塊スタンドから、最終圧延製品が出てくる
圧延ミル最終スタンドまでの金属の圧延プロセス、特に
アルミニウムおよびその合金のような軽金属の圧延プロ
セス全体について、牽引力を高めながら摩耗屑の発生を
低減させる。

【００３６】ロール表面組織を正確に制御して付与する
ことは、化学エッチングによっても可能である。これ
は、例えば次のような手順で行うことができる。先ず、
正確な位置および寸法の貫通孔を設けたマスクでロール
を覆う。次に、このロールをエッチング用化合物の浴内
で回転させ、上記正確な位置および寸法の貫通孔によっ
てロール表面の各貫通孔の位置をエッチングする。エッ
チング用化合物が、ミクロンサイズの窪みを形成するの
に十分なだけロール表面の材料を除去する。回転を停止
させてから、マスクをロールから外し、その後、以下に
詳述するように硬質材料でロールを被覆する。このエッ
チングプロセスでは、周囲堆積部２４の有る窪み２２は
形成されない。したがって、化学エッチングによる窪み
形成方法は、圧延工程全体の前部スタンド、すなわち熱
間圧延ミルの後部スタンドおよび冷間圧延スタンドの前
部スタンドに用いることが望ましい。

【００３７】本発明の表面仕上げ方法の第３工程におい
ては、圧延工程の前部スタンド（すなわち熱間圧延を行
うスタンドまたは冷間圧延の前部スタンド）に用いるロ
ールについて、窪み２２の開口縁を取り巻く堆積材料２
４（図２および４）の尾根（頂部、ridge ）を部分的に
または殆ど除去する。堆積材料の除去プロセスは下記の
操作を単独でまたは組み合わせて行う。すなわち、ラッ
ピング、電動ブラッシング、化学的および電気化学的表
面仕上げ、電界研磨、化学研磨、および付加的な機械研
磨の各操作である。蒸着堆積材料の残留量は、蒸着堆積
した材料全量の１０％以下とすることが望ましい。

【００３８】図３に、ロール表面に形成された２つの窪
み２２を断面図で示す。開口縁を取り巻くロール材の周
囲堆積部を除去して微細な窪み２２のみを残した状態で
ある。堆積材料を除去しておくと、ロール１８の表面に
よって圧延材料１６の表面が微視的凸部で加工あるいは
鋤かれること少なくなるので、摩耗屑の発生が低減す
る。図３に示したように窪みの縁部が比較的滑らかにな
るので、圧延材料１６の表面に形成された圧痕あるいは
突起（小丘）２６のみが、圧延材料が窪み２２内へ移動
して生じたミクロンサイズの突起（２６）である。圧延
材料１６の一部が窪み２２内へ押し出されてできたこの
突起２６は、圧延材料１６が図３の矢印２５の方向に移
動する際に、良好な圧延を実行するための付加的な牽引
力を提供する。この部分的な押出しが進行する際に、圧
延材料１６の表面がロール表面組織内に取り込まれた潤
滑剤を図３に矢印２８で示したように排除することによ
って、小丘２６および窪み２２の近傍でロール／圧延材
料界面の再潤滑作用が行われる。

【００３９】ロール表面組織すなわち窪みの微視的形状
および間隔を適当に設計することによって、牽引力と上
記再潤滑とを微妙に均衡させ、圧延で必要な牽引力を提
供すると同時に、界面の安定な再潤滑により摩耗とロー
ル表面への圧延材料の付着とを減少させる。この突起あ
るいは小丘は後続の圧延で扱かれて圧延材料１６表面か
ら除去されるので、圧延材料が冷間圧延の最終スタンド
に到達したときには、それより前部のスタンドのロール
とは異なる表面組織を持つ最終スタンド３のワークロー
ルによって、顧客の要求に合わせて圧延製品の表面を仕
上げることができる。

【００４０】窪み２２の微視的形状および配置密度（頻
度）は個々の目的に応じて制御される。例えば、分塊ミ
ルでの牽引力および潤滑は分塊工程に特有のものであっ
て、他の圧延工程での牽引力および潤滑とは異なる。窪
みの寸法（深さおよび幅）と配置密度は、個々のスタン
ドと圧延工程の必要に合わせて設定しなければならな
い。

【００４１】図２に断面図で示したロール表面の窪み２
２は、その開口縁を取り巻いてロール材がドーナッツ状
に（図４）堆積している。既に説明したように、堆積材
料の外周斜面部は、ロールの生地と冶金学的に強く結合
しているわけではないので、ロール表面の軽研磨あるい
はバフ研磨によって減少させることができる。斜面部を
減少させた後に残るものは、窪みの周囲に沿ったなだら
かな盛り上がり部分である。この盛り上がり部分は最初
に堆積した材料が再凝固したものである。すなわち、こ
の再凝固部分は、窪み形成用ビームの衝撃で蒸発ではな
く融解したものである。この残留盛り上がり部分の斜面
はロールの公称表面に対して２５°以下とすべきであ
る。このようにした盛り上がり部分は、ロール表面から
脱離したり圧延材料表面を微視的に加工したりすること
がなく、許容できないレベルの摩耗屑発生が起きること
がない。同時に、窪みの盛り上がり部分はそれよりも柔
らかい（鋼製ロールより柔らかい）圧延材料にドーナッ
ツ状の凹部を形成するが、この凹部は潤滑剤の溜まり
（トラップ）として作用し、圧延製品を成形する際の潤
滑を助ける。

【００４２】更に、窪み２２の周囲盛り上がり部分２４
は、圧延材料に所定の厚さ減少を施すための圧延材料／
ワークロール間の牽引力を高め、同時にロール圧下作用
領域での摩擦力および摩耗機構を制御する。

【００４３】このようにして窪み（必要なら上記環状盛
り上がり部分２４のある窪み）を形成した後、各ワーク
ロールおよびバックアップロールを硬質高密度材料で被
覆する。この被覆に適した材料としては、例えば高密度
クロムの薄い層がある。

【００４４】被覆したロールのプロフィルは例えば図３
に示したように浅くなっており、盛り上がり部分２４は
圧延材料１６の表面やバックアップロール表面と接触し
たときの応力集中が小さく、ロール材が加工されたり破
砕されたりする顕著な隆起部がないので、高い耐摩耗性
が得られる。もちろん図３のプロフィルには、窪みの周
囲を取り巻く盛り上がり部分がなく、ロールは０．１μ
ｍ以内の滑らかさであり、窪みの深さは３μｍ程度であ
る。

【００４５】以上説明したように、本発明によれば、従
来知られていなかった方法によって、圧延工程全体につ
いて摩擦、潤滑、および摩耗が制御される。本発明をそ
の望ましい実施態様について説明したが、特許請求の範
囲は本発明の技術思想の範囲に入る全ての態様を含むも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】複数のスタンドを用いる圧延工程の模式図であ
る。

【図２】熱間圧延ミルの前部スタンド用および冷間圧延
ミルの最終スタンド用のロール表面の一部を示す断面図
である。

【図３】熱間圧延ミルの後部スタンド用および冷間圧延
ミルの前部スタンド用のロール表面の一部を示す断面図
である。

【図４】図２の表面を示す平面図である。

【図５】冷間圧延の最終スタンド（１基または２基以
上）のワークロールの表面の金属組織を示す顕微鏡写真
（倍率：２００倍）であり、レーザー装置により形成し
た、形成時の深さが３．０μｍ程度ミクロンサイズの窪
みを示す。

【符号の説明】

１２…インゴット １４…板（圧延材料） １６…板（圧延材料または圧延製品） １８…ワークロール ２０…バックアップロール ２２…窪み ２３…硬質皮膜 ２４…周囲堆積部 ２６…突起

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルイス ジー． ヘクター アメリカ合衆国，ペンシルバニア 15069, アルコア センター，アルコア テクニカ ル センター（番地なし) (56)参考文献 特開 昭64−34504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−119916（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140714（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−41703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−112086（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−202303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−49310（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−11922（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の金属ロールを有する複数の圧延ス
   タンド内で金属材料を圧延する方法であって、該ロールの表面を鏡面研磨する前処理工程、 該複数スタンドのうちの前部および中間部のスタンドの
   該ロールの該研磨した表面に、不規則でない不連続な微
   小なミクロンサイズの複数の窪みを設ける主処理工程、 該複数スタンドのうちの単数または複数の最終スタンド
   のロールに、圧延された金属の最終用途に応じた仕上げ
   表面組織を付与する工程、 該前部、中間部、および最終スタンドのロールを、硬質
   高密度材料で被覆する工程、 該金属材料を該複数のスタンドを通して走行させる工
   程、 該スタンド内で該金属材料に圧縮力を維持して該スタン
   ド内で該金属材料の厚さを実質的に減少させる工程、お
   よび 該金属材料を該ロール表面にほとんど付着させず且つロ
   ールおよび圧延された金属材料の表面に摩耗屑をほとん
   ど発生させずに、該金属材料の厚さ減少が比較的高速で
   なされるように、該窪みを用いて潤滑剤を保持し該ロー
   ルの圧下作用領域へ搬送する工程を含んで成る金属材料
   の圧延方法。
2. 【請求項２】 アルミニウム材料の厚さを実質的に減少
   させるための複数のスタンドのロールの表面を調製する
   方法であって、 該ロールの表面を鏡面研磨する前処理工程、 該鏡面研磨したロール表面に不規則でない不連続な微小
   なミクロンサイズの窪みを形成する主処理工程であっ
   て、その際にロール金属の溶解および蒸発堆積により該
   窪みの縁の回りに表面金属が移動する主処理工程、 該窪みの縁の回りに該蒸発堆積した金属を軽い研磨で除
   去し、該溶解による金属は該縁の回りに残す工程、およ
   び 該窪みを形成し該蒸発堆積した金属を除去した後に、該
   ロール表面を硬質高密度材料で被覆する工程を含んで成
   る圧延ロール表面の調製方法。