JPS63297510A - 耐摩耗性・耐焼付性・耐肌荒性にすぐれた複合部材およびその製造方法 - 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、金属基材と焼結合金層との積層構造を有する
複合部材およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

熱間圧延用または冷間圧延用ロールの胴部表面は、摩耗
が少ないこと、肌荒れ（亀裂、凹凸、欠は等）が生じに
（いこと、および被圧延材との焼付きを生じにくいこと
等が必要である。従来より、熱間圧延用ロールとしては
、鋳鉄からなる胴部を有する鋳鉄ロールが、冷間圧延用
ロールとしては、鍛鋼からなる胴部を有する鍛鋼ロール
が使用されており、また、その耐摩耗性を高めるために
、鋳鉄ロールでは、胴部を高合金化し、セメンタイト、
および複炭化物、その他の特殊炭化物を晶出させること
により硬度を高め、他方鍛鋼ロールでは、胴部の高合金
化と、焼入れ・焼もどしの熱処理により、マルテンサイ
ト変態、ベイナイト変態、および二次硬化等を生起させ
て高硬度化を図っている。なお、冷間圧延用ロールとし
ては、上記のはかに、合金粉末（Ｃ：１．３〜３％、Ｃ
ｒ：１５〜２１％、Ｗ＋２Ｍｏ：８％以下）を焼結材料
とする焼結晶を使用することも提案されている（特開昭
５８−２１３８５６号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

鋳鉄ロールおよび鍛鋼ロールのいずれも、その胴部は、
鋳造品を素材として製作される。これらの鋳造品は一般
に組織が粗大であり、炭化物は粗大なネット状の晶出形
態を呈する。鋳鉄ロールの胴部は、この粗大な鋳造組織
を殆どそのまま有し、他方鍛鋼ロールの場合は、加工と
熱処理による組織変化を経由するけれども、もとの鋳造
組織の影響をうけるため、その組織は比較的粗大である
。

そのため、これらのロールは、耐摩耗性は比較的良好で
あるが、靭性や延性等の機械的性質に劣るという問題が
ある。他方、前記合金粉末の焼結材は、緻密で微細な組
織を有し、鋳鉄ロールや鍛鋼ロールを凌ぐ耐摩耗性・耐
肌荒性と共に、良好な機械的性質を備えているが、被圧
延材との間に焼付が生じ易いという欠点がある。

本発明は上記に鑑み、耐摩耗性、耐肌荒性および耐焼付
性等の表面特性、並びに良好な機械的性質、特に強靭性
を具備する複合部材およびその製造方法を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の複
合部材は、金属基材と、その表面に積層形成された焼結
合金層からなり、前記焼結合金層は、Ｃ：２〜３．５％
、Ｓ　ｉ　：０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ
：３〜６％、７２６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、ＣＯ：
７〜１４％、ＭＯ：３〜９％、残部実質的にＦｅからな
る成分組成を有することを特徴としている。

以下、本発明について、まずその焼結合金層の成分限定
理由から説明する。％はすべて重量％である。

Ｃ：２〜３．５％ Ｃは、マトリックスに固溶し、また一部はＶやＷと結合
して炭化物を形成することにより焼結合金の硬度を高め
る。Ｃ量の下限値を２％としたのは、それより少ないと
、ＶやＷの炭化物の形成に必要なＣ量のバランスが悪く
、焼結合金を高合金化したことの効果が十分に得られず
、他方３．５％をこえると、ＶやＷの炭化物の粗大化等
により靭性が低下する。よって、２〜３．５％とした。

Ｓｉ：０．４％以下 Ｓｔは焼結合金の焼入れ性を高めるが、焼もどし処理に
よる二次硬化への関与は殆どないため、高温硬さの改善
効果は小さく、従って０．４％までの添加で十分である
。

Ｍｎ＝０．４％以下 Ｍｎは焼結合金の焼入れ性を改善する元素であるが、焼
もどし処理による二次硬化は期待できないので、高温硬
さの改善効果は小さく、従って０．４％までの添加で十
分である。

Ｃｒ：３〜６％ Ｃｒは焼結合金のマトリックスに固溶して焼入性を大き
く高め、また焼もどし軟化抵抗性を示す元素である。こ
の効果を得るには３％以上の添加を必要とする。しかし
、Ｃｒの増量は、焼結合金の焼付抵抗性の低下を招き、
特に熱間圧延用ロール等の用途においては、６％をこえ
ると、実用上焼付の問題が生じる。よって、Ｃｒ１ｌは
３〜６％とした。

ｖ：６〜１２％ ■は本発明における焼結合金の成分構成を特徴づける最
も重要な元素の１つである。すなわち、■は、焼結合金
のマトリックスに固溶し、焼入れ後の焼もどし処理によ
り、微細なＭＣ型炭化物として析出し顕著な二次硬化現
象を生起し、併せて焼もどし軟化抵抗性を示す。また、
焼結合金組織の微細化とそれによる靭性等の機械的性質
の向上に寄与する。その添加量が、６％未満の少量であ
っても、組織の微細化による機械的性質の改善効果は得
られるが、焼もどし処理により十分な量のＭＣ型炭化物
を析出させて高硬度・高耐摩耗性を得るには、少なくと
も６％の添加を必要とする。

添加量の増加に伴ってその効果は増すが、１２％をこえ
ると、析出炭化物が粗大化し、靭性等の機械的硅質が低
下し、また切削加工性等が悪くなる。

よって、Ｖ量は６〜１２％とした。

Ｗ：　５〜１４％ Ｗは前記Ｖと並ぶ重要な元素である。すなわち、Ｗは強
力な炭化物形成元素であり、マトリックスに固溶し、焼
もどし処理によりＭＣ型炭化物として微細析出し顕著な
二次硬化を生起させる。また焼もどし軟化抵抗性を示す
。添加量の下限値を５％としたのは、それより少ないと
、ＭＣ型炭化物の析出量が不足し、十分な二次硬化を達
成できないからである。添加量を増すほど、その効果は
増大するが、１４％をこえると、析出炭化物の粗大化に
より、靭性等の機械的性質の低下をみる。よって、５〜
１４％に規定した。

Ｃｏ：７〜１４％ Ｃｏは、焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリッ
クスの二次マルテンサイト化による焼結合金の強化を助
長すると共に、高温硬さの向上に奏効する。この効果を
得るには、少な（とも７％の添加を必要とするが、１４
％をこえるとその効果はほぼ飽和する。従つて、７〜１
４％とした。

ＭＯ：３〜９％ Ｍｏは、焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により
微細な炭化物を形成して顕著な二次硬化を生起し、高温
硬さの保持に奏効する。添加量が３％に満たないと、そ
の効果が十分でなく、他方９％をこえると、その効果は
ほぼ飽和する。よって、３〜９％とした。

本発明の複合部材は、前記成分組成を有する金属粉末を
焼結材料とし、好ましくは熱間静水圧加圧焼結法により
、金属基材の表面に焼結合金層を形成し、ついでその焼
結合金層の調質のための焼入れおよび焼もどし処理を行
うことにより製造される。

金属基材の表面に対する焼結合金層の形成は、公知の工
程に従って行えばよい。すなわち、金属基材の表面に、
適宜のカプセル材を用いて焼結材料である金属粉末の充
填層を形成し、その粉末充填層内を脱気したうえ、密封
し、熱間静水圧加圧焼結に付し、例えば９００〜ｂ ／−１１の条件下に焼結合金層を形成する。使用する金
属粉末が比較的多量の酸化皮膜を有するものである場合
には、その粉末充填層の脱気・密封を行う前に、加熱下
に還元ガスを導入して酸化皮膜を還元すればよい。焼結
完了後、カプセル材の除去および必要な形状修正のため
の機械加工が加えられる。なお、金属基材の材質は、目
的とする複合部材の用途・使用条件等に応じて任意に選
択されるものであり、例えば圧延用ロール等のように強
度や靭性を必要とするものである場合は、各種の強靭鋼
、例えば、ＳＣＭ鋼やＳＮ０Ｍ鋼等が好ましく用いられ
る。

焼結合金層の焼入れ処理における焼入れ温度は１０５０
〜１２５０℃、好ましくは、１１００〜１２００℃であ
り、またその温度からの冷却は、亀裂・変形等の防止の
ために、略常圧のガスを冷媒とするガス冷却、または加
圧ガス（例えば３〜７　ｋｇ　ｆ　／　ａｄ）を冷媒と
する強制ガス冷却により行うことが好ましい。上記焼入
れ処理につづく焼もどし処理は、５００〜６００℃、よ
り好ましくは５２０〜５８０℃に加熱保持した後、徐冷
する操作を１回または複数回（例えば２〜４回）反復す
ることにより好適に達成される。この焼もどし処理によ
り、焼結合金層は、そのマトリックスのオーステナイト
からマルテンサイトもしくはベイナイトへの相変態、お
よびＭＣ型炭化物の微細析出による二次硬化が生起する
。

本発明の複合部材は、熱間静水圧加圧焼結により形成さ
れる焼結合金層の緻密かつ微細組織と、その合金成分組
成および焼入れ・焼もどしの熱処理効果とが相まって、
高度の耐摩耗性、耐肌荒性および耐焼付性を備え、また
金属部材との複合構造であるので、例えばこれを圧延用
ロールの胴部材として使用する場合に必要な強度・靭性
等の機械的性質をも兼ね備えていると共に、アーバーな
どの他部材と組合せる場合にも、焼嵌め等の簡単な操作
により所望の構造部材に組立てることができる。

〔実施例〕

去旌斑上 第４図に示すように、円環形状の金属基材（１０）′に
円筒状金属カプセル材（Ｃ）を嵌装して溶接接合し、カ
プセル部材（Ｃ）の内側の空間内に、焼結材料である金
属粉末（２０）を充填し、室温で脱気後、密封したうえ
、熱間静水圧加圧焼結に付す。

焼結完了後、カプセル材（Ｃ）を機械加工により除去す
ると共に、１ｆｌの余肉化を残して粗加工を行う。つい
で、焼結合金層の調質のための焼入れ・焼もどし処理を
行い、熱処理後、金属基材（１０）の内径面に仕上げ加
工を施す。上記工程を経て、焼結合金層である外層と金
属基材である内層との同心円状二層積層構造をもつ円環
形状の複合部材を得た。外径：３６４ｍ、内径：　２２
０８、長さ：１００鶴、焼結合金層層厚ニアｆｉ。

（Ｉ）金属基材 材質：　Ｓ　ＣＭ　４４０ｆ！！４（０，４％Ｃ−０，
３５％５Ｌ−０，７５％Ｍｎ−１％Ｃｒ　−０，２％Ｍ
　ｏ　）サイズ：内径（Ｄ＋）２００ｍ、外径（Ｄｚ）
３５０ｍ、カプセル材外径（Ｄ　ａ）４１０鶴、幅（Ｗ
）　：　１２０１２　（ｍ”）（ＩＩ）焼結材料（金属
粉末） ガスアトマイズ粉末（１００メツシユアンダー）成分組
成（賀ｔ％）： Ｃ２，２，Ｓ　ｉ　Ｏ，３，Ｍｎ　Ｏ，３，Ｃｒ　４．
４゜Ｖ　　６．２．　　Ｖ／　　７．１．　　Ｃｏ　　
１０．８．　　Ｍｏ　　７．２．　　Ｆ　ｅ−Ｂａｄ。

酸素濃度１５０ｐｐｍ。

（ＩＩＩ）焼結条件 １１５０℃Ｘ１０００ｋｇ　ｆ　／ｃｎｉｘ　３　Ｈｒ
（ＩＶ）焼結合金層の熱処理 （１）焼入れ処理 真空焼入れチャンバー内にて１２００℃に１時間保持後
、ガス（常温常圧Ａｒガス）を導入してガス冷却による
焼入れを行う。

（２）焼もどし処理 ５４０℃に５時間加熱保持して放冷する処理を３回反復
実施する。

（Ｖ）焼結合金層の材質 （１）表面硬さ 焼結合金層の表面硬度は、軸方向および円周方向の全表
面に亘って、Ｈｓ９２〜９４と高く、そのバラツキは±
ＩＨｓ以内である。また、超音波探傷により、焼結合金
層と金属基材との界面は、全周全長に亘って完全に融着
結合していることが確認された。

（２）耐焼付性試験 第１図に、フレックス型焼付試験（荷重：１５０ｋｇ）
による焼結合金層の焼付抵抗性測定結果を示す。第２図
および第３図は比較例であり、第２図は、従来の代表的
な鋳造ロールの胴部材料であるチルド鋳鉄について、ま
た第３図は、焼結材料として、前記金属粉末の代りに、
Ｃ２，８％、５ｔＯ０４％、Ｍｎ０．４％、Ｎｉ１．２
％、Ｃｒ２Ｏ％、Ｍｏ　　１％、ＦｅＢａｊｉ’からな
る金属粉末を用いた以外は、前記と同一の焼結条件およ
び焼入れ焼もどし処理を経て形成された焼結合金層につ
゛いての測定結果を示している。各図とも、曲線（イ）
は、試験片表面に対する相手材（材質：５ＵＳ３０４）
の荷重（ｋｇ）、曲線（ロ）は回転トルク（ｋｇ−ｃｍ
）である。荷重（ｋｇ）を示す縦軸の１目盛りは５０ｋ
ｇ、トルク（’ｋｇ−ｃｍ）を示す縦軸の１目盛りは１
０ｋｇ・口であり、横軸は時間（１目盛り１０秒）を示
している。

発明例の焼結合金（第１図）は、トルク値が安定してい
ることから、相手材との接触界面に焼付きを生じていな
いことがわかる。他方、従来材であるチルド鋳鉄（第２
図）および比較焼結合金（第３図）では、トルク値の変
動が著しく、相手材との界面に焼付きが生じており、特
に後者（第３図）では、荷重の増加に従ってトルク値の
鋭いピークがみられ、著しい焼付が生じていることがわ
かる。

（３）実機使用試験 本実施例の複合部材の中空孔内にアーバーを境域めによ
り嵌装し、圧延ロールとして必要な仕上げ加工を行った
うえ、丸鋼仕上圧延用ロールとして実機使用に供した結
果、従来の代表的鋳造ロールである高硬度ダクタイル鋳
鉄ロール（表面硬度）（ｓ：６５）に比し、摩耗速度は
約１／６であり、かつ肌荒れは極く軽微であり、被圧延
鋼材との焼付も皆無であった。

大嵐勇１ 第５図に示すように、円筒状金属基材（１０）にカプセ
ル材（Ｃ）として金属円筒体を外嵌して溶接により接合
固定し、カプセル材（Ｃ）の内側の空間内に焼結材料で
ある金属粉末（２０）を充填する。

これを真空脱気しながら８００℃に加熱したのち、金属
粉末層内を真空脱気して還元ガス（Ｈｚガス）で置換し
、カプセル内の金属粉末を゛還元したのち、再び真空脱
気して密封する。ついで、熱間静水圧加圧焼結に付し、
焼結完了後、カプセル材（Ｃ）を機械加工により除去す
ると共に、余肉化１ｆｉを残して粗加工を加える。その
後、焼結合金層の焼入れ焼もどし処理を行い、その熱処
理後、金属基材（１０）の内面に仕上加工を施す。上記
工程を経て、焼結合金層である外層と金属基材である内
層との同心円状二層積層構造を有する中空円筒形状の複
合部材を得た。外径：　４３０ｍ、内径：２５０ｍ、長
さ：　４１０ｍ、焼結合金層の層厚：１５ｆｉ。

ＣＩ）金属基材 材質：　Ｓ４５Ｃｍ　（０，４５％Ｃ−０，７％Ｍ　ｎ
　）サイズ：内径（Ｄ　＋）２００鶴、外径（Ｄｚ）４
００ｆｌ、カプセル材外径（Ｄｓ）４９０ｍ、長さくＬ
）４２０ｍ（ＩＩ）焼結材料（金属粉末） 水アトマイズ粉末（１５０メツシユアンダー）成分組成
（ｗｔ％）： Ｃ２，７，Ｓ　ｉ　　Ｏ，２，Ｍｎ　　Ｏ，３，Ｃｒ　
　４．０゜Ｖ　　９．２．　　Ｗ　９．５．　　Ｍｏ　
　３．６．　　Ｇｏ　　９．３．　　ＦｅＢａｄ　　酸
素濃度９５０ＰＰｍ。

（ＩＩ［）焼結条件 １１００℃Ｘ　１２００ｋｇ　ｆ　／　ｅｌｌ！　Ｘ　
３　Ｈｒ（ＩＶ）焼結合金層の熱処理 （１）焼入れ処理 真空焼入れチャンバー内で、１２００℃に１時間加熱保
持後、５ｋｇｆ／ａｉ！のＡｒガス（常温）を冷媒とし
て導入し、強制ガス冷却による焼入れを行う。

（２）焼もどし処理 ５２０℃に６時間加熱保持したのち放冷する焼もどし処
理を３回反復実施する。

（Ｖ）焼結合金層の材質 （１）表面硬さ 得られた複合部材の焼結合金層の表面硬度は、軸方向お
よび円周方向の全表面に亘って、Ｈｓ９１〜９４と高く
、バラツキは主１゜５　Ｈｓ以内である。

また、超音波探傷により、焼結合金層と金属基材との界
面は全周全長に亘って完全に融着結合していることが確
認された。

（２）耐焼付性試験 焼結合金層の焼付抵抗性につき、ファレツクス型焼付試
験機による測定を行い、実施例１の焼結合金層の測定結
果（第１図）と実質的に同一の測定結果を得た。

（３）実機使用試験 得られた複合部材の中空孔内にアーバーを境域めにより
嵌装固定し、圧延ロールとして必要な仕上加工を行った
うえ、平鋼仕上圧延用ロールとして実機使用に供した結
果、従来の代表的な鋳造ロールであるチルド鋳鉄ロール
に比し、摩耗速度は約１／７と小さく、かつ表面の肌荒
れは極めて軽微であり、被圧延材との焼付の発生も皆無
であった。

〔発明の効果〕

本発明の複合部材は、表面の耐摩耗性、耐肌荒れ性およ
び耐焼付性にすぐれ、また構造部材として必要な強靭性
等を備えていると共に１．他部材との組立ても容易であ
る。本発明の複合部材を、例えば圧延用ロールの胴部材
料としてアーバー等と組合せて使用することにより、圧
延ロールの耐用寿命が向上し、またその胴部表面状態が
安定していることにより、被圧延材の品質改善にも奏効
する０本発明複合部材は、そのほか軸受、シリンダ等の
構造部材としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はファレックス型焼付試験によるトルク
および荷重変化測定結果を示すグラフ、第４図、第５図
は、金属基材の外周面に焼結材料（金属粉末）を充填し
た例を示す径方向部分断面図である。 １０：金属基材、２０：焼結材料、Ｃ：カプセル材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属基材と、該金属基材の表面に形成された、Ｃ
   ：２〜３．５％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．４％
   以下、Ｃｒ：３〜６％、Ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４
   ％、Ｃｏ：７〜１４％、Ｍｏ：３〜９％、残部実質的に
   Ｆｅである焼結合金層とからなる複合部材。
2. （２）金属基材の表面に、Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：０
   ．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：３〜６％、Ｖ
   ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｃｏ：７〜１４％、Ｍ
   ｏ：３〜９％、残部実質的にＦｅである金属粉末を焼結
   材料として熱間静水圧加圧焼結法により焼結合金層を形
   成し、ついで１０５０〜１２５０℃からの焼入れ、およ
   び５００〜６００℃での焼もどし処理を行うことを特徴
   とする金属基材と上記成分組成を有する焼結合金層とか
   らなる複合部材の製造方法。