JPH105823A

JPH105823A - 超硬合金製複合ロール

Info

Publication number: JPH105823A
Application number: JP15865896A
Authority: JP
Inventors: Takumi Ohata; 拓巳大畑; Hiroshi Fukuzawa; 宏福沢
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 1998-01-13
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: JP3690617B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐亀裂性、耐割損性を向上させると共に、耐
摩耗性、耐肌荒れ性に優れた熱間圧延機用の超硬合金製
複合ロールを提供する。【解決手段】溶製の鋼系材からなる内層を形成するス
リーブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の
炭化物、窒化物及び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１
種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的に
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種
または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結す
ると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、前
記外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応
力を付与した複合スリーブを、軸材に嵌合固定したこと
を特徴とする超硬合金製複合ロール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超硬合金製の外層
を有する複合スリーブを軸材に嵌合固定した超硬合金製
複合ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
りＷＣ−Ｃｏ系等の超硬合金が熱間圧延機用ロール材と
して用いられている。超硬合金は他のロール材である鋳
鋼や工具鋼に比べて高価であるため、圧延時に被圧延材
と直接接触し、耐摩耗性の要求される部分のみに使われ
るのが考えられる。また、超硬合金では大径・長尺化が
難しいので、中空のスリーブを作り、このスリーブを金
属製軸材に嵌合するのが望ましい。さらに、超硬合金単
体ロールの場合、圧縮残留応力が殆どなく、耐クラック
性に劣るという問題がある。

【０００３】超硬合金は硬くて耐摩耗性に優れ、圧縮応
力に対しては強いが、衝撃や引張応力に対しては弱いと
いう問題がある。このため、従来の金属製スリーブに対
して行われていた焼嵌め、冷嵌め、圧入等の嵌合方法を
そのまま適用することができない。すなわち、超硬合金
製スリーブは弾性係数が大きく、変形能に乏しいため、
嵌合面に僅かな凹凸があったりすると、嵌合によって局
部的に過大な引張応力が発生し、超硬合金製スリーブの
破壊強度を超え、スリーブが割れやすいという問題があ
る。

【０００４】そこで、超硬合金製スリーブを金属製軸材
に嵌合する方法として種々提案されている。例えば特開
昭６０−８３７０８号には、内周部より外周部が漸次厚
肉に形成されたスペーサを加熱して膨張せしめた状態
で、超硬合金製スリーブ及びディスクスプリングと共に
軸材に装入して、固定部材の間に挟み込み、スペーサの
冷却収縮によりディスクスプリングに大きい側圧を発生
させて、スリーブの側面を押圧固定する方法が開示され
ている。しかしながら、このような嵌合方法はスペー
サ、固定部材等の部材点数が多く組立構造が複雑である
という問題がある。また、焼嵌めた後の超硬合金製スリ
ーブの表面に作用する引張応力による割れの防止につい
ても十分なものとは言えない。

【０００５】また、従来の超硬合金製複合ロールとし
て、超硬合金リングとその内側の鋼製リングとの間にろ
う材を入れて加熱ろう付けしたものや、鋼製リングの外
周に超硬合金を鋳包み法により溶着させたものがある。
しかしながら、前者のろう付け法ではろう付け層の高温
での疲労強度が弱く、圧延使用中に剥離等が発生すると
いう問題がある。また、後者の鋳包み法ではその製造法
の限界から高い耐摩耗性を得ることができないという問
題がある。

【０００６】本発明の目的は、このような問題点に鑑み
てなされたもので、内層を形成するスリーブの外周に、
焼結法を用いて外層材用の超硬合金の混合粉末を焼結す
ると同時に拡散接合させて、外層表面に適正な圧縮残留
応力を付与することにより、耐亀裂性、耐割損性を向上
させると共に、耐摩耗性、耐肌荒れ性に優れた熱間圧延
機用の超硬合金製複合ロールを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の超硬合金製複合
ロールは、溶製の鋼系材からなる内層を形成するスリー
ブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の炭化
物、窒化物及び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種ま
たは２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的にＦ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種ま
たは２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結する
と同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、前記
外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力
を付与した複合スリーブを、軸材に嵌合固定したことを
特徴とする。

【０００８】本発明の超硬合金製複合ロールにおいて、
前記硬質粒子はＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ及びＶＣ
からなる群から選ばれた少なくとも１種または２種以上
である。また、前記金属粉末はさらにＣｒ₃Ｓｉ、Ｃｒ
Ｓｉ及びＣｒＳｉ₂の少なくとも１種または２種以上か
らなるＣｒ−Ｓｉ化合物を０．１〜３．０重量％含有す
るのが望ましい。

【０００９】また前記内層を形成するスリーブは２００
〜６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５０
℃でパーライト及びベーナイト変態を起こす鋳鋼、鍛
鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからな
る。また前記内層を形成するスリーブと超硬合金製の外
層との接合境界部に０．０１〜５ｍｍ厚さの傾斜合金層
を形成するのが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の超硬合金製複合
ロールを構成する複合スリーブの一例を示す横断面図で
ある。図２は、図１の複合スリーブを軸材に焼嵌めた複
合ロールを示す回転軸方向の断面図である。図３は、図
２のＡ−Ａ断面図である。本発明の複合スリーブ１は外
層１１及び内層１２からなる。中空の内層１２の内面に
は係止用キー５を嵌めるための長手方向の溝４が設けら
れている。本発明の超硬合金製複合ロールは複合スリー
ブ１と軸材３とからなり、両者は焼嵌めにより強固に嵌
合固定されている。焼嵌めの際、軸材３の外周面に設け
られた長手方向の溝内に挿入されたキー５は内層１２の
内周面に設けられた長手方向の溝４に係合し、焼嵌め後
に複合スリーブ１が軸材３に対して回転するのを防止す
る。この例では、複合スリーブを軸材にキーを用いて焼
嵌め固定しているが、キーを用いないで焼嵌め固定して
も構わない。

【００１１】複合スリーブ１の外層１１は、周期律表の
ＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物
の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上を６０〜９
０重量％と、残部実質的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍ
ｏ及びＷの少なくとも１種または２種以上の金属粉末と
の混合粉末を焼結してなる。所望に応じてこの混合粉末
にＣｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ₂等のＣｒ−Ｓｉ化合
物粉末を含有させることにより靭性及び耐酸化性を向上
できる。

【００１２】複合スリーブ１の内層１２は、鋳鋼、鍛
鋼、黒鉛鋳鋼、炭素鋼、合金炭素鋼などの溶製の鋼系材
からなるスリーブである。内層１２に靭性のある鋼系材
を用いることにより、外層１１を形成する超硬合金の脆
性を補うことができる。内層１２の好ましい組成は、重
量％でＣ：０．１〜２．０、Ｓｉ：０．２〜１．２、Ｎ
ｉ：０．１〜５．０、Ｃｒ：０．１〜２．０、Ｍｏ：
０．１〜３．０、残部実質的にＦｅである。Ｃが２．０
％を超えると炭化物量又は黒鉛量が過剰になるので、内
層として必要な引張強度、靭性などが確保できない。ま
た、Ｃが０．１％未満のときは軟弱すぎるので必要な強
度が確保できない。このような鋼系材としてＳＣＭ鋼、
ＳＮＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼等が挙げられる。

【００１３】複合スリーブ１は上記混合粉末を内層１２
の外周に真空焼結法等の焼結法により拡散接合させるこ
とにより形成される。本発明の複合ロールは、上記複合
スリーブ１を軸材３に焼嵌め等で嵌合固定してなる。軸
材３は鋳鋼、鍛鋼、鋳鉄等の金属製軸材からなり特に限
定されない。

【００１４】外層１１の超硬合金材の熱膨張率は、内層
１２の鋼系材の熱膨張率の約１／２〜１／３であるた
め、焼結の降温過程で両材層間に熱応力が発生し、この
熱応力が各材層の強度を上回ると破壊に至る。複合スリ
ーブ１の破壊を防止するために、内層１２として、２０
０〜６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５
０℃でパーライト＋ベーナイト変態を起こす鋼系材が好
ましい。このような内層材を用いることにより、内外層
間の収縮差が小さくなり、複合スリーブ１の破壊が起こ
らなくなる。

【００１５】本発明の複合スリーブ１では、拡散接合に
より超硬合金の外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向
の圧縮残留応力を付与させる。好ましくは２００ＭＰａ
以上の圧縮残留応力を付与させるのがよい。超硬合金の
外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力
を付与させると、嵌合後に作用する引張応力に対して
も、異常圧延等により表面に引張応力が作用して亀裂が
発生するような事態に遭遇しても、この圧縮残留応力に
より打ち消されるので、割れや亀裂の進展が阻止され
る。圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満のときは、この効
果が十分に得られない。

【００１６】外層を形成する超硬合金の硬質相として、
周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物及
び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上
の粉末を用いる。なかでも、炭化物であるＷＣ、Ｔｉ
Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ等の硬質粒子を用いるのが好
ましく、特にＷＣが好ましい。これらの硬質粒子は、複
合スリーブ１の外層１１の基質となるもので、多いほど
耐摩耗性に寄与する。硬質粒子の配合量が６０重量％未
満では耐摩耗性が不十分となり、耐肌荒れ性が不足す
る。また、９０重量％を超えると破壊靭性が低下する。
従って、硬質粒子の配合量は６０〜９０重量％とする。

【００１７】ＷＣ等の硬質粒子の平均粒径は１〜１０μ
ｍとするのが好ましい。硬質粒子の平均粒径が１μｍ未
満であると、外層１１の破壊靭性が著しく低下する。ま
た、１０μｍを超えると抗折強度が低下する。外層１１
に高靭性、高強度及び優れた耐摩耗性を付与するため、
硬質粒子の平均粒径は３〜７μｍとするのがより好まし
い。また、硬質粒子を十分に均粒化することにより、外
層の耐肌荒れ性及び靭性を向上させることができる。

【００１８】外層を形成する超硬合金の結合相として、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの金属は、固溶
体の結合相を形成し、複合スリーブ１の外層１１を強化
する。これらの金属粉末はそれぞれ単独で添加してもよ
いが、複合添加するのが好ましい。金属粉末が１０重量
％未満では結合相が不十分である。また、４０重量％を
超えると、外層１１は極端に硬度が低下するとともに、
耐摩耗性が劣化する。従って、結合相を形成する金属粉
末の配合量は１０〜４０重量％とする。より好ましい金
属粉末の配合量は１５〜２５重量％である。

【００１９】上記金属粉末にさらにＣｒ−Ｓｉ化合物粉
末を添加することができる。Ｃｒ−Ｓｉ化合物として
は、Ｃｒ₃Ｓｉ、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ₂等が好ましい。Ｃ
ｒ−Ｓｉ化合物粉末は外層１１の破壊靭性及び耐酸化性
を向上させる作用を有する。焼結過程で結合相に固溶し
たＣｒ−Ｓｉ化合物は冷却過程で硬質相と結合相との界
面に析出するので、二相間の界面エネルギーは上昇し、
圧延負荷により発生するクラックの進展を抑制するとと
もに機械的強度を向上させる。さらに、密着性のあるＣ
ｒ₂Ｏ₃粒子とＳｉＯ₂粒子を形成して多硬質酸化層の成
長を抑制する。このような作用により、Ｃｒ−Ｓｉ化合
物を含有する外層１１は靭性及び耐酸化性を向上でき
る。

【００２０】Ｃｒ−Ｓｉ化合物粉末の配合量が０．１重
量％未満では上記効果が十分に得られず、また３．０重
量％を超えるとＭ₆Ｃ相（Ｗ₃Ｃｏ₃Ｃ）が析出して靭性
が低下する。より好ましいＣｒ−Ｓｉ化合物粉末の配合
量は０．５〜１．０重量％である。

【００２１】上記配合比の各成分の粉末を、例えばボー
ルミル等を用いて混合し、乾燥した後分級して、混合粉
末を作製する。次いで、溶製の鋼系材からなる内層の外
周に混合粉末を充填配備し真空焼結等により焼結する。
焼結温度は混合粉末の液相出現温度＋１００℃から液相
出現温度−１００℃の温度範囲であるのが好ましい。混
合粉末の液相出現温度は組成により多少異なるが、１２
５０〜１３５０℃である。焼結時間は１〜５時間とする
のが好ましい。

【００２２】また、溶製の鋼系材からなる内層を形成す
るスリーブの外周面に、外層の超硬合金よりは熱膨張係
数が内層に近づくように、硬質粒子及び結合相の組成を
変えた超硬合金の混合粉末を、ペースト状に塗布する等
して、０．０１〜５ｍｍ厚さで傾斜合金層を成形するの
が好ましい。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）平均粒径がそれぞれ５μｍのＷＣ粉末、１
μｍのＣｏ粉末、１μｍのＮｉ粉末、１μｍのＣｒ粉
末、１μｍのＣｒＳｉ₂粉末を表１に示す割合（重量
％）で配合し、ボールミルで２０時間、混合した後、乾
燥した。次いで、表１に示す焼結温度で２時間焼結を行
い、超硬合金製の試験片を製作した。

【００２４】

【００２５】得られた各試験片について、クラック抵抗
試験、酸化試験、抗折試験、硬度試験、破壊靭性試験
（Ｋ1C）を行った。これらの試験結果を表２に示す。

【００２６】クラック抵抗試験平均粒径３μｍ及び１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて
鏡面研磨した試験片の表面に、ビッカース圧子により荷
重１．４７ｋＮで圧痕を５箇所打ち、圧痕端から延びた
クラック長さ（ｍｍ）を測定し、荷重（ｋＮ）／クラッ
ク長さ（ｍｍ）の値をクラック抵抗（ＭＮ／ｍ）とし
た。

【００２７】酸化試験各試験片（13.5ｍｍ×13.5ｍｍ×4.6ｍｍ）について、
８００℃で１時間、酸化処理を行い、酸化減量（ｍｇ／
ｃｍ²・ｈ）を測定した。ここで酸化減量とは、加熱保持
により形成された酸化物層を除去し、試験片の重量減少
値を求め、これを単位面積で割った値である。酸化減量
値が小さいほど耐酸化性がよいことを示す。

【００２８】抗折試験各試験片（4ｍｍ×8ｍｍ×30ｍｍ）に支点間距離２５ｍ
ｍの４点曲げ試験を行った。

【００２９】硬度試験鏡面研磨した各試験片に、ビッカース圧子を荷重２９４
Ｎで圧痕を３箇所打ち、圧痕長さを測定した。

【００３０】破壊靭性試験（Ｋ1C）破壊靭性値Ｋ1CはＳＥＰＢ法より求めた。

【００３１】

【００３２】表２から、本発明の超硬合金はクラック抵
抗、耐酸化性、抗折力、破壊靭性値（Ｋ1C）のいずれも
良好であった。また、超硬合金中のＷＣ粒子をＳＥＭで
観察した結果、実施例の試験片ではＷＣ粒子は鋭い角を
持たなかったが、比較例の試験片ではＷＣ粒子は鋭い角
を有するように成長していた。

【００３３】（実施例２）ＳＮＣＭ鋼からなる外径３０
０ｍｍ、内径２００ｍｍの内層の外周に、平均粒径５μ
ｍのＷＣ粉末８５重量％、１μｍのＣｏ粉末９重量％、
１μｍのＮｉ粉末５．５重量％、１μｍのＣｒＳｉ₂粉
末０．５重量％からなる混合粉末を充填配備した。次
に、温度１３２０℃、１時間の条件で焼結し、外径３３
０ｍｍ、長さ５００ｍｍの複合スリーブを得た。この複
合スリーブを外径２００ｍｍ、長さ１５００ｍｍの鋼製
軸材に焼嵌めて、本発明の超硬合金製複合ロールを得
た。

【００３４】得られた複合スリーブについて、超硬合金
の外層表面に歪ゲージを貼付け後、その部分を40ｍｍ×
40ｍｍ×40ｍｍのブロックに切断して、開放法により外
層表面に作用している円周方向の圧縮残留応力を測定し
た。結果、２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を示し、十
分な耐亀裂性を有していることを確認できた。

【００３５】また、外層と内層との境界部の接合状態を
超音波法により検査したところ、外層は内層に強固に拡
散接合されており、接合不良及びクラックは全く認めら
れなかった。本発明の超硬合金製複合ロールは、熱間薄
板圧延機用ロール、熱間条鋼圧延機用ロール等に用いる
のに適し、これらの圧延に使用したところ、優れた耐摩
耗性、耐肌荒れ性、耐亀裂性、耐割損性を有することが
分かった。

【００３６】

【発明の効果】本発明の超硬合金製複合ロールは、外層
が内層に焼結と同時に拡散接合されているので、外層表
面に適正な圧縮残留応力を付与でき、耐亀裂性、耐割損
性に優れている。このため高温かつ高荷重下で使用され
る熱間圧延用ロールに用いる場合に優れた性能を発揮す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合スリーブの横断面図である。

【図２】本発明の複合ロールの回転軸方向の断面図で
ある。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１複合スリーブ、１１外層、１２内層、３
軸材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２２Ｆ 7/08 Ｂ２２Ｆ 7/08 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶製の鋼系材からなる内層を形成するス
リーブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の
炭化物、窒化物及び炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１
種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的に
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種
または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結す
ると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、前
記外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応
力を付与した複合スリーブを、軸材に嵌合固定したこと
を特徴とする超硬合金製複合ロール。
【請求項２】前記硬質粒子がＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、
ＮｂＣ及びＶＣからなる群から選ばれた少なくとも１種
または２種以上であることを特徴とする請求項１に記載
の超硬合金製複合ロール。
【請求項３】前記金属粉末がさらにＣｒ₃Ｓｉ、Ｃｒ
Ｓｉ及びＣｒＳｉ₂の少なくとも１種または２種以上か
らなるＣｒ−Ｓｉ化合物を０．１〜３．０重量％含有す
ることを特徴とする請求項１又は２に記載の超硬合金製
複合ロール。
【請求項４】前記内層を形成するスリーブが２００〜
６００℃でベーナイト変態、もしくは２００〜８５０℃
でパーライト及びベーナイト変態を起こす鋳鋼、鍛鋼、
黒鉛鋳鋼、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれかからなるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超硬合
金製複合ロール。
【請求項５】前記内層を形成するスリーブと前記外層
との接合境界部に０．０１〜５ｍｍ厚さの傾斜合金層を
形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の超硬合金製複合ロール。
【請求項６】熱間薄板圧延機用ロールに用いられるこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超硬合
金製複合ロール。
【請求項７】条鋼及び平鋼等の熱間圧延機用ロールに
用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
記載の超硬合金製複合ロール。