JPWO2019151402A1 - 超硬合金製複合ロール及び超硬合金製複合ロールの製造方法 - Google Patents

超硬合金製複合ロール及び超硬合金製複合ロールの製造方法 Download PDF

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Abstract

鉄系合金からなる内層（１）、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる外層（３）、前記内層（１）の軸方向の少なくとも一方の端部に金属接合された軸部材（４）、及び軸端部材（５）を有し、前記外層（３）の超硬合金が、WC 粒子55〜90 質量部と、Fe を主成分とする特定の組成からなる結合相10〜45 質量部とを含有し、前記内層（１）が、Cr、Ni、及びMo から選ばれた少なくとも一種を合計で2.0 質量%以上含有する鉄系合金からなり、前記軸部材（４）及び軸端部材（５）が、Cr、Ni、及びMo から選ばれた少なくとも一種を合計で1.5 質量%以下含有する鉄系合金からなる超硬合金製複合ロール。

Description

本発明は、薄帯板、板材、線材、棒材などの鋼材の圧延に用いられ、靭性に優れる材料からなる内層材の外周に、超硬合金からなる外層材が金属接合された超硬合金製複合ロール及び超硬合金製複合ロールの製造方法に関する。
鋼材の寸法精度の向上、表面疵の減少、表面光沢度の向上など圧延材に対する高品質化の要求に応えるために、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れた超硬合金が線材、棒鋼、平鋼などの圧延用ロールに適用されている。超硬合金は公知のごとく、炭化タングステン(WC)をCo、Ni、Feなどの金属を結合材として結合した焼結合金であり、WCの他にTi、Ta、Nbなどの炭化物を含有することもしばしばある。
超硬合金は高価であり、大型品の製造が難しいため、金属製軸材に超硬合金製スリーブを嵌合した構造のロールが開示されている。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り、高い組立精度が要求されるため、組立に係わる工数や費用がかかるという問題があり、現実的でない。
上記問題を解消するため、本出願人は、特開2003-342668号において、超硬合金からなる外層と、鉄系合金からなる内層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層中の酸素量が0.05質量%以下であり、かつ内層はCrを0.06質量%以上含むことを特徴とする超硬合金製複合ロールを開示した。超硬合金及び鉄系合金では、熱膨張係数がそれぞれ約6×10-6/℃及び12×10-6/℃と約2倍異なるため、金属接合した後の冷却の際に、外層と内層との接合境界部に大きな引張応力が発生する。この状態で圧延を行うと、圧延による応力がさらに接合境界部に作用するため、引張応力と圧延による応力との合成応力が接合境界部に作用するようになる。これらの合成応力が境界の接合強度を超えるとロールが破壊するおそれがあるため、外層との金属接合後の内層にベイナイト変態又はマルテンサイト変態を起こさせて引張残留応力を低下させるように、内層にはベイナイト形成元素であるCrを少なくとも0.06質量%以上含有させている。
特開2003-342668号の実施例3では、内径φ200 mm、長さ2000 mmのHIP缶の中央に、C：0.31質量％、Si：0.24質量%、Mn：0.39質量%、Ni：3.25質量%、Cr：1.81質量％の組成を有する鉄系合金からなる中実の内層1を配置し、内層の外面とHIP缶の内面との間に形成された空隙に、WC：80質量%、Co：20質量%からなる外層用の超硬合金素材及び、C：50質量%、Co：50質量%からなる中間層用の超硬合金素材を配置して、HIP(熱間静水圧プレス)処理を行っている。
板材の圧延に使用される超硬合金製複合ロールの場合、板材の板幅にもよるが、その全長が長くなる。外層と内層の接合はHIPにより行われるため、複合ロールの全長を収納できる大型のHIP炉を使用する必要があり、例えば、外径が200 mm超で、全長が2000 mmを超えるような大型の超硬合金製複合ロールの場合はHIP炉のランニングコストが膨大になるという問題がある。さらに、例えば、全長が4000 mmを超えるような大型の超硬合金製複合ロールの場合は、複合ロールを収納できるHIP炉が存在せず、超硬合金製複合ロールを実質的に製造できないという問題もある。
特開平5-171339号は、WC＋Crが95重量％以下、Co＋Niが10重量％未満、Cr/Co＋Ni＋Crが2〜40重量％であるWC-Co-Ni-Crからなる超硬合金を開示している。特開平5-171339号は、このような組成の超硬合金とすることにより、従来組成の合金より高い耐摩耗性及び靭性を有する超硬合金となるので、熱間圧延ロールやガイドローラーとして使用すれば、カリバー当りの圧延量の増大、再研摩量の減少、割損現象等、ロール原単価の低減に大きく寄与すると記載している。しかし、WC粒子及びCo-Ni-Cr系結合相からなる超硬合金からなる圧延ロールでは、鋼帯板を十分に冷間圧延できないという問題がある。鋭意検討の結果、この不十分な冷間圧延は、Co-Ni-Cr系結合相を有する超硬合金の圧縮時の降伏強度が300〜500 MPaと低いために、鋼帯板を冷間圧延するときにロール表面が降伏して微小凹みが発生し、鋼帯板を十分に圧縮できないためであることが分った。
特開2000-219931号は、焼き入れ性のある結合相中に50〜90質量％のサブミクロンWCを含有させた超硬合金であって、前記結合相が、Feに加えて、10〜60質量％のCo、10質量％未満のNi、0.2〜0.8質量％のC、及びCr及びW及び任意のMo及び/又はVからなり、前記結合相中のC、Cr、W、Mo及びVのモル分率XC、XCr、XW、XMo及びXVが2XC＜XW＋XCr＋XMo＋XV＜2.5XCの条件を満し、かつCr含有量(質量％)が0.03＜Cr/［100-WC(質量％)］＜0.05を満たす超硬合金を開示している。特開2000-219931号は、焼き入れ性を有する結合相により、この超硬合金は高い耐摩耗性を有すると記載している。しかし、この超硬合金は、結合相に10〜60質量％のCoを含有するために、焼入れ性が低下しており、十分な圧縮降伏強度を有さない。さらに、WC粒子がサブミクロンと微細であるため、この超硬合金は靱性に乏しく、圧延ロール外層材としては耐クラック性に劣るため使用できない。
以上の事情に鑑み、十分な圧縮降伏強度を有するために、金属帯板の冷間圧延に使用した場合でもロール表面に降伏による凹みが発生しにくく、且つ、低コストで製造できる長尺の超硬合金製複合ロールが望まれている。
従って、本発明の目的は、高い耐摩耗性及び機械的強度を有するとともに、十分な圧縮降伏強度を有する超硬合金を、外層として使用することにより、金属帯板の冷間圧延に使用した場合であってもロール表面の凹みが発生しにくい超硬合金製複合ロールを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、板圧延に使用できる長尺の超硬合金製複合ロールを低コストで提供することにある。特にロール径が200 mm超、全長が2000 mm超であるような長尺の超硬合金製複合ロールを提供することにある。
上記目的に鑑み、本発明者は、外層の組成、内層及び軸部の鉄系合金の組成について鋭意検討した結果、上記課題が解決できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の第一の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなることを特徴とする。
本発明の第一の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層を構成する超硬合金が5μm以上の円相当径を有する複炭化物を実質的に含有しないことが好ましい。
本発明の第一の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層を構成する超硬合金に含まれる前記WC粒子のメディアン径D50が0.5〜10μmであることが好ましい。
本発明の第一の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層を構成する超硬合金の結合相が、さらに0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜1質量％のMnを含有するが好ましい。
本発明の第一の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層を構成する超硬合金の結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であることが好ましい。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる中間層と、前記中間層の外周に接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなることを特徴とする。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金が5μm以上の円相当径を有する複炭化物を実質的に含有しないことが好ましい。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金に含まれる前記WC粒子のメディアン径D50が0.5〜10μmであることが好ましい。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金の結合相が、さらに0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜1質量％のMnを含有するが好ましい。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金の結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であることが好ましい。
本発明の第一及び第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記内層が、C：0.2〜0.45質量％、Cr：0.5〜4.0質量％、Ni：1.4〜4.0質量％、及びMo：0.10〜1.0質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であることが好ましい。
本発明の第一及び第二の超硬合金製複合ロールにおいて、前記軸部材及び軸端部材は、C：0.2〜0.58質量％、Cr：0〜1.2質量％、及びMo：0〜0.3質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であるのが好ましい。
鉄系合金からなる内層と超硬合金からなる外層とが金属接合されてなる第一の超硬合金製複合ロールを製造する本発明の第一の方法は、
Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなる内層の外周に、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる外層素材を配置するとともに、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部にCr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸部材を配置した後、前記外層素材、前記内層及び前記軸部材の外周を鋼系材料からなるHIP缶で封印、真空排気した後、HIP処理を行い、前記外層素材、前記内層、及び前記軸部材を一体化することを特徴とする。
本発明の第一の製造方法において、前記外層を構成する超硬合金は、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有するのが好ましい。
鉄系合金からなる内層と超硬合金からなる中間層と超硬合金からなる外層とが金属接合されてなる第二の超硬合金製複合ロールを製造する本発明の第二の方法は、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなる内層の外周に、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる中間層素材と、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる外層素材とを配置するとともに、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部にCr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸部材を配置した後、前記外層素材、前記中間層素材、前記内層及び前記軸部材の外周を鋼系材料からなるHIP缶で封印、真空排気した後、HIP処理を行い、前記外層素材、前記中間層素材、前記内層、及び前記軸部材を一体化することを特徴とする。
本発明の第二の製造方法において、前記外層を構成する超硬合金は、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有するのが好ましく、前記中間層を構成する超硬合金は、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記中間層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有するのが好ましい。
本発明の超硬合金製複合ロールの第一及び第二の製造方法において、前記HIP処理後に、前記軸部材に、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸端部材を溶接することが好ましい。
本発明の超硬合金製複合ロールによれば、鋼帯板の冷間圧延に使用した場合でも、鋼板の高品質な冷間圧延を連続的に行うことができるとともに、直径2000 mm超、全長2000 mm以上の長尺のロールを低コストで得ることができる。
超硬合金製複合ロールの製造においては、超硬合金からなる外層と鉄系合金からなる内層との境界の残留応力を低減できるように内層の材料を選択することが必要となるが、このような内層材は、熱膨張係数が小さい外層の超硬合金との熱収縮量差が大きいため残留応力が過大となり、実圧延には強度的に不足し耐用できなかったり、さらには製造中破壊したりする場合がある。これらの問題を避けるため、HIP接合後の冷却時にマルテンサイト等の変態膨張により内層の熱収縮を相殺する方法が有効である。このため内層には焼き入れ性に寄与するCr、Ni、Moと言った合金を合計で2％以上添加する必要がある。一方で、このような内層用高合金鋼は溶接を行うと割れが発生しやすく、HIP炉サイズの制約のため内層の長さが不足する場合、HIP後に軸端部材を溶接し長さを確保することが困難になる。本発明によれば、HIP時に溶接に適したCr、Ni、Mo含有量が少ない鉄系合金からなる軸部材を選択して内層の端部に配置して、HIP処理により一体化しているため、圧延に使用した際のロールが破壊するリスクを低減できるとともに、溶接により軸部を延長でき、長尺の超硬合金製複合ロールを低コストで製造可能になる。
試料2の超硬合金の断面組織を示すSEM写真である。 試料2及び試料8について、一軸圧縮試験により得られた応力-歪曲線を示すグラフである。 一軸圧縮試験に使用する試験片を示す模式図である。 示差熱分析装置による液相化開始温度の測定例を示すグラフである。 内層材、中間層用焼結体、外層用焼結体、及び軸部材をHIP缶に封入した様子を示す模式断面図である。 HIP処理後の形状を示す模式断面図である。 軸部材端部を加工した様子を示す模式断面図である。 軸部材端部に軸端部材を溶接によって継ぎ足した様子を示す模式断面図である。
本発明の実施形態を以下詳細に説明するが、特に断りがなければ一つの実施形態に関する説明は他の実施形態にも適用される。また下記説明は限定的ではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更を施しても良い。
[1] 超硬合金製複合ロール
本発明の第一の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、前記超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる中間層と、前記中間層の外周に接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる。
[1-1] 外層及び中間層を構成する超硬合金
以下、第一の超硬合金製複合ロールの外層を構成する超硬合金、並びに第二の超硬合金製複合ロールの外層及び中間層を構成する超硬合金について説明するが、特に断りのない限り、外層の構成は第一及び第二の超硬合金製複合ロールに共通する。
(A) 組成
第一及び第二の超硬合金製複合ロールの外層を構成する超硬合金は、55〜90質量部のWC粒子と10〜45質量部のFeを主成分とする結合相とからなり、第二の超硬合金製複合ロールの中間層を構成する超硬合金は、30〜65質量部のWC粒子と35〜70質量部のFeを主成分とする結合相とからなる。
外層を構成する超硬合金におけるWC粒子の含有量c1は55〜90質量部である。外層中のWC粒子が55質量部未満であると硬質なWC粒子が相対的に少なくなるため、超硬合金のヤング率が低くなりすぎる。一方、WC粒子が90質量部を超えると、結合相が相対的に少なくなるため、超硬合金の強度が確保できなくなる。外層中のWC粒子の含有量の下限は60質量部が好ましく、65質量部がより好ましい。また外層中のWC粒子の含有量の上限は85質量部が好ましい。
外層と中間層との境界部分の接合強度、及び内層と中間層との境界部分の接合強度をともに向上させ、境界接合部近傍でのロール円周及び軸方向の残留応力を低減させるために、中間層を構成する超硬合金におけるWC粒子の含有量c2は30〜65質量部である。中間層中のWC粒子の含有量の下限は33質量部が好ましく、35質量部がより好ましい。また中間層中のWC粒子の含有量の上限は60質量部が好ましく、55質量部がより好ましい。
さらに外層中のWC粒子の含有量c1(質量部)、中間層中のWC粒子の含有量c2(質量部)が、式：
0.45≦c2/c1≦0.85
を満たすように外層及び中間層中のWC粒子の含有量を設定する。本発明の第二の超硬合金製複合ロールは、後述するようにHIP処理により、外層、中間層、内層が金属接合され一体化されるが、外層及び中間層中のWC粒子の含有量を上記のように設定することにより、中間層の熱収縮量を外層の熱収縮量と内層の熱収縮量との中間的な値にでき、HIP処理後の冷却過程において残留応力を低減することができる。c2/c1の下限は0.5が好ましく、0.55がより好ましい。また、c2/c1の上限は0.8が好ましく、0.75がより好ましい。
(1) WC粒子
外層及び中間層を構成する超硬合金に含まれるWC粒子は0.5〜10μmのメディアン径D50(累積体積の50％の粒径に相当)を有するのが好ましい。平均粒子径が0.5μm未満の場合、WC粒子と結合相間の境界が増えるため、後述する複炭化物が発生しやすくなり、超硬合金の強度が低下する。一方、平均粒子径が10μmを超えると、超硬合金の強度が低下する。WC粒子のメディアン径D50の下限は1μmが好ましく、2μmがより好ましく、3μmが最も好ましい。またWC粒子のメディアン径D50の上限は9μmが好ましく、8μmがより好ましく、7μmが最も好ましい。
超硬合金中ではWC粒子が連結するように密集しているため、WC粒子の粒径を顕微鏡写真上で求めるのは困難である。本発明で使用される超硬合金の場合は、後述するように、成形体を(液相化開始温度)乃至(液相化開始温度＋100℃)の温度で真空中で焼結するため、成形用のWC粉末の粒径と超硬合金中のWC粒子の粒径とはほとんど差がない。従って、超硬合金中に分散するWC粒子の粒径を成形用WC粉末の粒径で表す。
WC粒子は比較的均一な粒径を有するのが好ましい。そのため、WC粒子の好ましい粒径分布は、レーザ回折散乱法で求めた累積粒径分布曲線において、以下のような範囲である。すなわち、D10(10％の累積体積における粒径)の下限は0.3μmであるのが好ましく、1μmであるのがより好ましい。D10の上限は3μmであるのが好ましい。またD90(90％の累積体積における粒径)の下限は3μmであるのが好ましく、6μmであるのがより好ましい。D90の上限は12μmであるのが好ましく、8μmであるのがより好ましい。メディアン径D50は前述したとおりである。
外層及び中間層に含まれるWC粒子は、上記粒径分布を満たす限り、同じであっても異なっていても良いが、同じ物を用いるのが好ましい。
(2) 結合相
外層及び中間層を構成する超硬合金において、結合相は
0.5〜10質量％のNi、
0.2〜2質量％のC、
0.5〜5質量％のCr、及び
0.1〜5質量％のWを含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有する。
(i) 必須元素
(a) Ni：0.5〜10質量％
Niは結合相の焼き入れ性を確保するのに必要な元素である。Niが0.5質量％未満であると、結合相の焼き入れ性が不十分であり、材料強度が低下する可能性がある。一方、Niが10質量％を超えると、結合相がオーステナイト化して得られる超硬合金は十分な圧縮降伏強度を有さない。Niの含有量の下限は2.0質量％が好ましく、2.5質量％がより好ましく、3質量％が更に好ましく、4質量％が最も好ましい。またNiの含有量の上限は8質量％が好ましく、7質量％がより好ましい。
(b) C：0.2〜2.0質量％
Cは結合相の焼き入れ性を確保するとともに、複炭化物の発生を抑制するのに必要な元素である。Cが0.2質量％未満では結合相の焼き入れ性が不足するとともに、複炭化物発生が多く材料強度が低下する。一方、Cが2.0質量％を超えると、生成する複炭化物が粗大となり超硬合金の強度が低下する。Cの含有量の下限は0.3質量％が好ましく、0.5質量％がより好ましい。また、Cの含有量の上限は1.5質量％が好ましく、1.0質量％がより好ましい。
(c) Cr：0.5〜5質量％
Crは結合相の焼き入れ性を確保するのに必要な元素である。Crが0.5質量％未満であると、結合相の焼き入れ性が低くすぎ、十分な圧縮降伏強度を確保できない。一方、Crが5質量％を超えると粗大な複炭化物が発生して、超硬合金の強度が低下する。Crは4質量％以下が好ましく、3質量％以下がより好ましい。
(d) W：0.1〜5質量％
結合相中のWの含有量は0.1〜5質量％である。結合相中のWの含有量が5質量％を超えると、粗大な複炭化物が発生し、超硬合金の強度が低下する。Wの含有量の下限は0.8質量％が好ましく、1.2質量％がより好ましい。また、Wの含有量の上限は4質量％が好ましい。
(ii) 任意元素
(a) Si：0.2〜2.0質量％
Siは結合相を強化する元素であり、必要に応じ含有しうる。Siが0.2質量％未満であると、結合相を強化する効果がほとんど得られない。一方、Siが2.0質量％超になると、黒鉛が晶出しやすく超硬合金の強度が低下する。そのため、Siを含有させる場合、0.2質量％以上2.0質量％以下であるのが好ましい。さらに結合相の強化効果は、Siの含有量が0.3質量％以上、さらには0.5質量％以上である場合により発揮される。また、Siの含有量の上限は1.9質量％が好ましい。
(b) Co：0〜5質量％
Coは焼結性を向上させる作用を有するが、本発明で使用される超硬合金では必須ではない。すなわち、Coの含有量は実質的に0質量％であるのが好ましい。しかし、Coの含有量が5質量％以下であれば、超硬合金の組織及び強度に影響を与えない。Coの含有量の上限は2質量％であるのがより好ましく、1質量％であるのが最も好ましい。
(c) Mn：0〜5質量％
Mnは焼入れ性を向上させる作用を有するが、本発明で使用される超硬合金では必須ではない。すなわち、Mnの含有量は実質的に0質量％であるのが好ましい。しかし、Mnの含有量が5質量％以下であれば、超硬合金の組織及び強度に影響を与えない。Mnの含有量の上限は2質量％がより好ましく、1質量％が最も好ましい。
(iii) 不可避的不純物
不可避的不純物としては、Mo、V、Nb、Ti、Al、Cu、N、O等が挙げられる。これらのうち、Mo、V及びNbからなる群から選ばれた少なくとも一種の含有量は合計で2質量％以下であるのが好ましい。Mo、V及びNbからなる群から選ばれた少なくとも一種の含有量は、合計で1質量％以下であるのがより好ましく、0.5質量％以下であるのが最も好ましい。また、Ti、Al、Cu、N及びOからなる群から選ばれた少なくとも一種の含有量は単独で0.5質量％以下であり、合計で1質量％以下であるのが好ましい。特に、N及びOはそれぞれ1000 ppm未満であるのが好ましい。不可避的不純物の含有量が上記範囲内であれば、超硬合金の組織及び強度は実質的に影響されない。
外層及び中間層の超硬合金を構成する結合相の組成は同じであっても異なっていても良いが、同じ組成の結合相とするのが好ましい。
(B) 組織
(1) 複炭化物
外層及び中間層を構成する超硬合金の組織は、5μm以上の円相当径を有する複炭化物を実質的に含有しないのが好ましい。複炭化物とはWと金属元素との複炭化物であり、例えば、(W, Fe, Cr)23C6、(W, Fe, Cr)3C、(W, Fe, Cr)2C、(W, Fe, Cr)7C3、(W, Fe, Cr)6C等である。ここで、複炭化物の円相当径とは、超硬合金の研磨断面を示す顕微鏡写真(1000倍程度)において、複炭化物粒子の面積と同じ面積を持つ円の直径のことである。結合相中に5μm以上の円相当径を有する複炭化物が存在しない超硬合金は1700 MPa以上の抗折強度を有する。ここで、「複炭化物を実質的に含有しない」とは、SEM写真(1000倍)上で5μm以上の円相当径を有する複炭化物が観測されないことを意味する。円相当径が5μm未満の複炭化物については、本発明の超硬合金製複合ロールの外層及び中間層を構成する超硬合金にEPMA分析で5面積％未満程度存在しても構わない。
(2) ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相
外層及び中間層を構成する超硬合金の結合相は、ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相を合計で50面積％以上含有する組織を有するのが好ましい。なお、「ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相」とするのは、ベイナイト相及びマルテンサイト相が実質的に同じ作用を有し、かつ顕微鏡写真上で両者を区別するのが困難であるからである。このような組織により、本発明の超硬合金製複合ロールの外層及び中間層を構成する超硬合金は高い圧縮降伏強度及び強度を有する。
結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であるために、超硬合金は1200 MPa以上の圧縮降伏強度を有する。ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相は合計で70面積％以上が好ましく、80面積％以上がより好ましく、実質的に100面積％であるのが最も好ましい。ベイナイト相及びマルテンサイト相以外の組織はパーライト相、オーステナイト相等である。
(3) WC粒子中へのFeの拡散
EPMA分析の結果、本発明の超硬合金製複合ロールの外層及び中間層を構成する超硬合金ではWC粒子中にFeが0.3〜0.7質量％存在していることが分った。
本発明の超硬合金製ロールの外層は、金属帯板の冷間圧延に使用した場合であってもロール表面の凹みの発生を低減できる。
(C) 特性
上記組成及び組織を有する超硬合金は、1200 MPa以上の圧縮降伏強度、及び1700 MPa以上の抗折強度を有するので、前記超硬合金からなる外層(及び中間層)を有する圧延ロールを金属帯板(鋼帯板)の冷間圧延に使用した場合に、ロール表面の圧縮降伏による凹みを低減することができる。このため、金属帯板の高品質な圧延を連続的に行うことができるとともに、圧延ロールの長寿命化が達成できる。勿論、本発明の超硬合金製複合ロールは金属帯板の熱間圧延ロールにも使用できる。
圧縮降伏強度は、図3に示す試験片を用いて軸方向に荷重を加える一軸圧縮試験における降伏応力を言う。すなわち、図2に示すように、一軸圧縮試験の応力-歪曲線において、応力と歪が直線関係から外れる点の応力を圧縮降伏強度と定義する。
外層及び中間層を構成する超硬合金において、圧縮降伏強度は1500 MPa以上がより好ましく、1600 MPa以上が最も好ましい。また、抗折強度は2000 MPa以上がより好ましく、2300 MPa以上が最も好ましい。
外層及び中間層を構成する超硬合金はさらに385 GPa以上のヤング率、及び80 HRA以上のロックウェル硬度を有する。ヤング率は400 GPa以上が好ましく、450 GPa以上がより好ましい。また、ロックウェル硬度は82 HRA以上が好ましい。
[1-2] 内層
内層は、靭性に優れる、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなる。内層にこのような鉄系合金を用いることにより、外層と中間層と内層とを金属接合した後の冷却過程で内層にベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態を起こさせることができ、その結果、低熱膨張の超硬合金との熱膨張差を小さくし、外層及び中間層の残留応力を低減することができる。
内層に用いる鉄系合金としては、C：0.2〜0.45質量％、Cr：0.5〜4.0質量％、Ni：1.4〜4.0質量％、及びMo：0.10〜1.0質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であるのが好ましい。
(a) C：0.2〜0.45質量％
CはFeと合金化し、機械的性質を確保するための必須元素である。Cの含有量が0.2%質量未満となると高融点となるとともに、欠陥も発生しやすく、比較的安価に製造するためには0.2質量%以上のC含有量が必要となる。C含有量が0.45質量％よりも高くなると硬質化するとともに靱性が低下する。
(b) Cr：0.5〜4.0質量％
Crは合金化により材料の強度を確保するとともに焼き入れ性を向上させ、ベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態を起こりやすくさせるために必要な元素である。Cr含有量が0.5質量%未満では十分な強度をえることができない。Crは焼き入れ性に効果があり残留応力軽減に有効であるが、その添加量は4質量％以下で十分である。それ以上の添加はコスト的に不利となるため、Cr添加の上限は4質量％となる。
(c) Ni：1.6〜4.0質量％
Niは、焼き入れ性を向上させ、ベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態を起こりやすくさせるために有効な元素であり、残留応力低減の主体となる元素である。Ni含有量が1.6質量％未満ではその効果は少なく、4.0質量％を超えるとオーステナイトが安定化し過ぎ、変態が困難になる。
(d) Mo:0.1〜1.0％質量
Moは、材質の強度を向上させるとともに、焼き入れ性を向上させ、ベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態を起こりやすくさせるためにも効果がある。この目的でCrやNiに加えて添加するが、Mo含有量が0.1質量%未満ではその効果が少なく、1.0質量％を超えると材質が脆くなる作用が大きくなる。
内層に用いる鉄系合金の具体例としては、SNCM439、SNCM630等のニッケル、クロム、モリブデン鋼が挙げられる。
[1-3]軸部材及び軸端部材
軸部材及び軸端部材としては、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金を用いる。軸部材及び軸端部材は、内層に接合し、超硬合金製複合ロールの軸として使用されるため強度及び耐摩耗性が必要である。さらに軸部材は、軸端部材を溶接するため、軸端部材との溶接性が良好な材質とする必要がある。Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金を用いることにより、HIP処理後の軸部材の端部に、軸端部材を容易に溶接ができるため、長尺の超硬合金製複合ロールを得ることができる。
軸部材及び軸端部材に用いる鉄系合金としては、C：0.2〜0.58質量％、Cr：0〜1.2質量％、及びMo：0〜0.3質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であるのが好ましい。軸部材と軸端部材とは、同じ組成であっても良いし異なる組成であっても良いが、同じ組成であることが溶接性の観点から好ましい。
(a) C： 0.2〜0.58質量％
Cは軸部材及び軸端部材としての降伏強度や硬度を確保するために必要であり、C含有量が0.2質量%未満では十分な強度や硬度を得るのが困難となる。0.58質量%を超えると溶接時に割れが発生しやすく、溶接が困難になる。
(b) Cr：0〜1.2質量%
Crは軸部材及び軸端部材としての強度確保のため添加するのが有効である。Cr含有量が1.2質量%を超えると焼き入れ性が過大になり、溶接時に割れが発生しやすくなる。
(c) Mo：0〜0.3質量%
Moは軸部材及び軸端部材としての強度確保のため添加するのが有効である。Mo含有量が0.3質量%を超えると焼き入れ性が過大になり、溶接時に割れが発生しやすくなる。
軸部材及び軸端部材に用いる鉄系合金の具体例としては、S45C、S55C等の機械構造用炭素鋼や、SCM440等のクロムモリブデン鋼が挙げられる。
前記内層と前記軸部材との境界部の接合強度は、引張強度で600 MPa以上であるのが好ましい。
[2] 超硬合金の製造方法
(1) 超硬合金の焼結体を用いる方法
最初に、外層素材(及び中間層素材)として超硬合金の焼結体を用いる場合について超硬合金の製造方法を説明する。
(A-1) 成形用粉末(外層用)
WC粉末55〜90質量部と、2.5〜10質量％のNi、0.3〜1.7質量％のC、0.5〜5質量％のCr、0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜2質量％のMnを含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる金属粉末10〜45質量部とをボールミル等で湿式混合した後、乾燥し、超硬合金の素材となる成形用粉末を調製する。焼結中にWC粉末中のWが結合相に拡散するので、前記金属粉末にWを含ませなくてもよい。WC粉末の含有量は60〜90質量部であるのが好ましく、65〜90質量部であるのがより好ましい。なお、WC粉末の含有量の上限は85質量部であるのが好ましい。また、複炭化物の生成を防止するために、前記金属粉末中のC含有量は0.3〜1.7質量％である必要があり、好ましくは0.5〜1.5質量％である。
(A-2) 成形用粉末(中間層用)
WC粉末30〜65質量部と、2.5〜10質量％のNi、0.3〜1.7質量％のC、0.5〜5質量％のCr、0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜2質量％のMnを含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる金属粉末35〜70質量部とをボールミル等で湿式混合した後、乾燥し、超硬合金の素材となる成形用粉末を調製する。焼結中にWC粉末中のWが結合相に拡散するので、前記金属粉末にWを含ませなくてもよい。WC粉末の含有量は33〜65質量部であるのが好ましく、35〜65質量部であるのがより好ましい。なお、WC粉末の含有量の上限は60質量部であるのが好ましい。また、複炭化物の生成を防止するために、前記金属粉末中のC含有量は0.3〜1.7質量％である必要があり、好ましくは0.5〜1.5質量％である。
外層用及び中間層用ともに、結合相を形成するための金属粉末は、各構成元素の粉末の混合物でも、全ての構成元素を合金化した粉末でも良い。炭素はグラファイト、カーボンブラック等の粉末状で添加しても、各金属又は合金の粉末に含有させても良い。CrはSiとの合金(例えば、CrSi2)の状態で添加しても良い。各金属又は合金の粉末のメディアン径D50については、例えば、Fe粉末、Ni粉末、Co粉末、Mn粉末及びCrSi2粉末のいずれも1〜10μmであるのが好ましい。
(B) 成形
第一の超硬合金製複合ロールを製造する場合、外層用の成形用粉末を、金型成形、冷間静水圧成形(CIP)等の方法で成形し、前記内層の外周に接合させるための外層用のスリーブ状成形体を作製する。また第二の超硬合金製複合ロールを製造する場合、外層用及び中間層用の成形用粉末を、金型成形、冷間静水圧成形(CIP)等の方法で成形し、前記内層の外周に中間層を介して外層を接合させるための中間層用及び外層用のスリーブ状成形体を作製する。
(C) 焼結
得られた中間層用及び外層用のスリーブ状成形体を、(液相化開始温度)乃至(液相化開始温度＋100℃)の温度で真空中で焼結する。成形体の液相化開始温度は、焼結の昇温過程で液相化が開始する温度であり、示差熱分析装置を用いて測定する。図4に測定結果の一例を示す。成形体の液相化開始温度は、図4に矢印で示すように、吸熱反応が開始する温度である。液相化開始温度＋100℃を超える温度で焼結すると、粗大な複炭化物が生成して、得られる超硬合金の強度は低下する。また液相化開始温度未満の温度で焼結すると、緻密化が不十分であり、得られる超硬合金の強度は低い。焼結温度の下限は液相化開始温度＋10℃が好ましく、焼結温度の上限は液相化開始温度＋90℃が好ましく、液相化開始温度＋80℃がより好ましい。
(D) HIP処理
得られた焼結体に対して、さらにHIP処理を行う。第二の超硬合金製複合ロールを製造する場合を例にして以下に具体的に説明する。なお第一の超硬合金製複合ロールを製造する場合は、中間層用の焼結体を使用しない以外第二の超硬合金製複合ロールを製造する方法と同様である。
HIP処理は、図5に示すように、内層材11の外周に中間層用のスリーブ状焼結体12をその内面が接するように配置し、中間層用のスリーブ状焼結体12の外周に外層用のスリーブ状焼結体13をその内面が接するように配置する。さらに軸部材14をその端面を前記内層の端面11aに当接させて配置し、外層用のスリーブ状焼結体13の外面に円筒状HIP缶15aを配置し、前記円筒状HIP缶に溶接するためのフランジ部を有する円筒状HIP缶15bにより内層材11及び軸部材14を覆い、さらに前記フランジ部を有する円筒状HIP缶15bに円板状HIP缶15cを溶接し、脱気用排気管(図示せず)からHIP缶内を真空脱気した後、脱気用排気管の排気経路を溶接し密閉する。その後、HIP缶15をHIP炉に入れ、HIP処理を行う。HIP温度は1150〜1300℃が好ましく、HIP圧力は100〜140 MPaが好ましい。溶接では接合困難な高合金の内層材と軸部材との接合もHIPによる拡散接合では問題なく金属接合可能である。HIP処理後のHIP缶15及び超硬合金製複合ロール10の形状を図6に示す。
(E) 冷却
HIP処理後、900℃〜600℃の間で60℃/時間以上の平均速度で冷却する。60℃/時間未満の平均速度で冷却すると超硬合金の結合相中のパーライト相の割合が多くなるため、ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相を合計で50面積％以上とすることができず、超硬合金の圧縮降伏強度が低下する。60℃/時間以上の平均速度での冷却は、HIP炉中の冷却過程で行っても良いし、HIP炉で冷却した後、別の炉で再度900℃以上に加熱して60℃/時間以上の平均速度で行っても良い。
(2)超硬合金の成形体又は仮焼体を用いる方法
上記、中間層用のスリーブ状焼結体12及び外層用のスリーブ状焼結体13を用いた場合について説明したが、中間層用のスリーブ状焼結体12及び外層用のスリーブ状焼結体13に代わって、中間層用の超硬合金のスリーブ状成形体及び外層用の超硬合金スリーブ状成形体を用いてもよいし、中間層用の超硬合金のスリーブ状仮焼体及び外層用の超硬合金スリーブ状仮焼体を用いてもよい。成形体又は仮焼体を用いた場合も、焼結体を用いた場合と同様にHIP缶に密封した後、HIP処理及び前記冷却を行い、超硬合金製複合ロールを製造する。
(3)超硬合金の粉末を用いる方法
本発明において、外層素材(及び中間層素材)として超硬合金の粉末を用いて製造しても良い。超硬合金の粉末を用いる場合は、内層材11の外周に空間を設けるようにHIP缶を配置し、その空間に円環状仕切りシートを配置し、内層材の外周と仕切りシートの間に中間層用の超硬合金粉末を充填し、仕切りシートとHIP缶の内面の間に外層用の超硬合金粉末を充填した後に仕切りシートを除去し、さらに軸部材14をその端面を前記内層の端面11aに当接させて配置してHIP缶を密封する。その後は、焼結体を用いた場合と同様にHIP処理及び前記冷却を行い、超硬合金製複合ロールを製造する。なお、中間層を形成しない場合は内層材11の外周に外層用の空間のみを設けて外層用の超硬合金粉末を充填して製造すればよい。
以上のようにして、図6に示すような、鉄系合金からなる内層1と、前記内層1と超硬合金製の中間層2を介して金属接合された超硬合金製の外層3と、前記内層1の少なくとも一方の端部に軸方向に金属接合された鉄系合金からなる軸部材4とからなる超硬合金製複合ロール10が得られる。
所定の製品長さを確保するため軸部材の端部に軸端部材を溶接する。軸端部材は溶接が容易な合金含有量の低い材質であるため、アーク溶接、摩擦圧接等各種溶接が可能である。溶接後は必要に応じて歪取り熱処理を行えばよい。
本発明は、図7に示すように、この超硬合金製複合ロール10の軸部材4の端部、及び軸端部材5にそれぞれ開先6を設けて軸端部材5を配置し、この開先6を溶接して図8に示すように溶接部7を形成し、軸部材4と軸端部材5を接合、継ぎ足す工程を有している場合に効果的であり、HIP炉に挿入できる寸法以上の長尺の超硬合金製複合ロールを得ることができる。
[3] 用途
本発明の超硬合金製複合ロールの外層は、高い圧縮降伏強度、抗折強度、ヤング率及び硬度を有するので、特に金属帯板(鋼帯板)の冷間圧延に好適である。本発明の超硬合金製複合ロールは、(a) 金属帯板を圧延する上下一対の作業ロールと、各作業ロールを支持する上下一対の中間ロールと、各中間ロールを支持する上下一対の補強ロールとを具備する6段式の圧延機、又は(b) 金属帯板を圧延する上下一対の作業ロールと、各作業ロールを支持する上下一対の補強ロールとを具備する4段式の圧延機において、作業ロールとして使用するのが好ましい。少なくとも1スタンドの上記圧延機を、複数の圧延機スタンドを並べたタンデム圧延機に設けるのが好ましい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
参考例1
WC粉末(純度：99.9％、メディアン径D50：6.4μm、レーザ回折式粒度分布測定装置(株式会社島津製作所製SALD-2200)で測定したD10：4.3μm,D50：6.4μm,D90：9.0μm)と、表1の組成となるように配合した結合相用粉末とを表2に示す割合で混合し、成形用粉末(試料1〜10)を調整した。なお結合相用粉末はいずれも1〜10μmのメディアン径D50を有し、微量の不可避的不純物を含んでいた。
得られた成形用粉末をボールミルを用いて20時間湿式混合し、乾燥した後、98 MPaの圧力でプレス成形して、直径60 mm×高さ40 mmの円筒状成形体(試料1〜10)を得た。各成形体から1 mm×1 mm×2 mmの試料を切出し、示差熱分析装置を用いて液相化開始温度を測定した。結果を表3に示す。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
(1) 残部は不可避的不純物を含む。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
各成形体を表4に示す条件で真空焼結後、表4に示す条件でHIP処理し、試料1〜10の超硬合金を作製した。各超硬合金を以下の方法により評価した。なお試料7、8及び10は本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
(1) 900℃〜600℃間の平均冷却速度。
(1) 圧縮降伏強度
各超硬合金から切り出した図3に示す各圧縮試験用試験片の中央部表面に歪ゲージを貼り付け、軸方向に荷重を加えて、応力-歪曲線を作成した。応力-歪曲線において、応力と歪が直線関係から外れたときの応力を圧縮降伏強度とした。結果を表5に示す。
(2) 抗折強度
各超硬合金から切り出した4 mm×3 mm×40 mmの試験片に対して、支点間距離30 mmの4点曲げの条件で抗折強度を測定した。結果を表5に示す。
(3) ヤング率
各超硬合金から切り出した幅10 mm×長さ60 mm×厚さ1.5 mmの試験片に対して、自由共振式固有振動法(JIS Z2280)で測定した。結果を表5に示す。
(4) 硬さ
各超硬合金に対して、ロックウェル硬度(Aスケール)を測定した。結果を表5に示す。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
(5) 組織の観察
各試料を鏡面研磨した後、SEM観察を行い、複炭化物の存在、結合相中のベイナイト相及びマルテンサイト相の合計面積率を求めた。結果を表6に示す。図1は、試料2の超硬合金のSEM写真である。白い粒状部はWC粒子であり、灰色の部分は結合相である。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
(1) 結合相におけるベイナイト相及びマルテンサイト相の合計面積率(％)。
(2) 結合相における直径が5μm以上の複炭化物の存否。
(6) 結合相の組成
各試料の結合相の組成を電界放出型電子線マイクロアナライザー(FE-EPMA)で測定した。ビーム径1μmの点分析により、WC粒子以外の部分に対して任意の10箇所の点で測定を行い、得られた測定値を平均することにより、結合相の組成を求めた。ただし直径が5μm以上の複炭化物が存在する場合、WC粒子及び複炭化物以外の部分を測定した。結果を表7に示す。
注：*本発明の超硬合金製複合ロールに使用する超硬合金の組成範囲外の例である。
(1) 分析値。
(2) 残部は不可避的不純物を含む。
参考例2
参考例1における試料1と同じ組成の成形用粉末を用いて、参考例1と同じ方法で円柱状成形体を作製した。各成形体を参考例1と同様にして焼結し、外径44 mm×全長620 mmの一体ロールを製作した。このロールを、厚さ0.6 mmの純Ni板材の冷間圧延に使用した結果、純Ni板材にロール表面の凹みに起因する疵が発生しなかった。
参考例1における試料10と同じ組成の成形用粉末を用いて、同様に外径44 mm×全長620 mmの一体ロールを作成した。このロールを、厚さ0.6 mmの純Ni板材の圧延に使用した結果、純Ni板材にロール表面の凹みに起因する疵が発生した。
実施例1
参考例1で作製した試料1と同じ原料を用いて、表8の組成となるよう成形用粉末を調整し、参考例1の試料1と同様にして外層用及び中間層用のスリーブ状成形体を作製し、参考例1の試料1と同様にして真空焼結し、外層用のスリーブ状焼結体(外径194 mm、内径171 mm、全長1050 mm)及び中間層用のスリーブ状焼結体(外径171 mm、内径152 mm、全長1050 mm)を作製した。
(1) WC粉末と結合相用粉末との合計に対する割合。
(2) 結合相用粉末中の各金属の含有率。
(3) 残部は不可避的不純物を含む。
図5に示すように、円柱状の内層材11(外径152 mm、全長1150 mm、SNCM439製)の外周に得られた中間層用のスリーブ状焼結体12を配置し、その外周に得られた外層用のスリーブ状焼結体13を配置し、内層の両方の端部に軸部材14(外径152 mm、全長80 mm、S45C製)を当接させて配置した。さらに、外層用のスリーブ状焼結体13の外面を円筒状HIP缶で覆い、前記円筒状HIP缶に溶接するためのフランジ部を有する円筒状HIP缶により内層材11及び軸部材14を覆い、さらに前記フランジ部を有する円筒状HIP缶に円板状HIP缶を溶接した後、脱気用排気管(図示せず)からHIP缶内を真空脱気した後、脱気用排気管を溶接し、HIP缶密閉した。
その後、HIP缶をHIP炉に入れ、1230℃及び140 MPaの条件でHIP処理を行った。なおHIP処理後の外層及び中間層は80〜100℃/時間の平均速度となるよう冷却した。
以上のようにして、図6に示すような、鉄系合金からなる内層1と、前記内層1と超硬合金製の中間層2を介して金属接合された超硬合金製の外層3と、前記内層1の両方の端部に軸方向に金属接合された鉄系合金からなる軸部材4とからなる超硬合金製複合ロール10が得られた。この超硬合金製複合ロール10の中間層2及び外層3の結合相の組成を参考例1と同様にして求めた。結果を表9に示す。
(1) 分析値。
(2) 残部は不可避的不純物を含む。
この超硬合金製複合ロール10の外層3の圧縮降伏強度、抗折強度、ヤング率、及び硬さの測定、並びに組織観察を参考例1と同様にして実施した。結果を表10及び表11に示す。
(1) 結合相におけるベイナイト相及びマルテンサイト相の合計面積率(％)。
(2) 結合相における直径が5μm以上の複炭化物の存否。
図7に示すように、この超硬合金製複合ロール10の軸部材4の端部を加工して開先6を設け、その端部に対向させて、開先6を設けた軸端部材5(外径152 mm、全長300 mm、S45C製)を配置し、この開先6を溶接して、図8に示すように溶接部7を形成し、軸部材4と軸端部材5との接合・継ぎ足しを行った。さらに、HIP缶を加工除去、外形加工を行い、外径190 mm、外層及び中間層長900 mm、全長1850 mmの超硬合金製複合ロールを得た。
実施例2
表12の組成となるよう成形用粉末を調整した以外実施例1と同様にして、外層用のスリーブ状焼結体(外径298 mm、内径264 mm、全長1720 mm)及び中間層用のスリーブ状焼結体(外径264 mm、内径254 mm、全長1720 mm)を作製した。
(1) WC粉末と結合相用粉末との合計に対する割合。
(2) 結合相用粉末中の各金属の含有率。
(3) 残部は不可避的不純物を含む。
図5に示すように、円柱状の内層材11(外径245 mm、全長2150 mm、SNCM630製)の外周に得られた中間層用のスリーブ状焼結体12を配置し、その外周に得られた外層用のスリーブ状焼結体13を配置し、内層の両方の端部に軸部材14(外径245 mm、全長500 mm、SCM440製)を当接させて配置した。さらに、実施例1と同様にしてHIP缶に密封した。
その後、HIP缶をHIP炉に入れ、1230℃及び140 MPaの条件でHIP処理を行った。なおHIP処理後の外層及び中間層は80〜100℃/時間の平均速度で冷却した。
以上のようにして、図6に示すような、鉄系合金からなる内層1と、前記内層1と超硬合金製の中間層2を介して金属接合された超硬合金製の外層3と、前記内層1の両方の端部に軸方向に金属接合された鉄系合金からなる軸部材4とからなる超硬合金製複合ロール10が得られた。この超硬合金製複合ロール10の中間層2及び外層3の結合相の組成を参考例1と同様にして求めた。結果を表13に示す。
(1) 分析値。
(2) 残部は不可避的不純物を含む。
図7に示すように、この超硬合金製複合ロール10の軸部材4の端部を加工して開先6を設け、その端部に対向させて、開先6を設けた軸端部材5(外径245 mm、全長300 mm、SCM440製)を配置し、この開先6を溶接して、図8に示すように溶接部7を形成し、軸部材4と軸端部材5との接合・継ぎ足しを行った。さらに、HIP缶を加工除去、外形加工を行い、外径295 mm、外層及び中間層長1600 mm、全長3700 mmの超硬合金製複合ロールを得た。
上記問題を解消するため、本出願人は、特開2003-342668号において、超硬合金からなる外層と、鉄系合金からなる内層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層中の酸素量が0.05質量%以下であり、かつ内層はCrを0.06質量%以上含むことを特徴とする超硬合金製複合ロールを開示した。超硬合金及び鉄系合金では、熱膨張係数がそれぞれ約6×10-6/℃及び12×10-6/℃と約2倍異なるため、金属接合した後の冷却の際に、外層と内層との接合境界部に大きな引張応力が発生する。この状態で圧延を行うと、圧延による応力がさらに接合境界部に作用するため、引張応力と圧延による応力との合成応力が接合境界部に作用するようになる。これらの合成応力が境界の接合強度を超えるとロールが破壊するおそれがあるため、外層との金属接合後の内層にベイナイト変態又はマルテンサイト変態を起こさせて引張残留応力を低下させるように、内層にはベイナイト形成元素であるCrを0.06質量%以上含有させている。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる中間層と、前記中間層の外周に接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記中間層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、
前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、
前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなることを特徴とする。
本発明の超硬合金製複合ロールによれば、鋼帯板の冷間圧延に使用した場合でも、鋼板の高品質な冷間圧延を連続的に行うことができるとともに、直径200 mm超、全長2000 mm以上の長尺のロールを低コストで得ることができる。
超硬合金製複合ロールの製造においては、超硬合金からなる外層と鉄系合金からなる内層との境界の残留応力を低減できるように内層の材料を選択することが必要となるが、このような内層材は、熱膨張係数が小さい外層の超硬合金との熱収縮量差が大きいため残留応力が過大となり、実圧延には強度的に不足し耐用できなかったり、さらには製造中破壊したりする場合がある。これらの問題を避けるため、HIP接合後の冷却時にマルテンサイト等の変態膨張により内層の熱収縮を相殺する方法が有効である。このため内層には焼き入れ性に寄与するCr、Ni、Moと言った合金元素を合計で2％以上添加する必要がある。一方で、このような内層用高合金鋼は溶接を行うと割れが発生しやすく、HIP炉サイズの制約のため内層の長さが不足する場合、HIP後に軸端部材を溶接し長さを確保することが困難になる。本発明によれば、HIP時に溶接に適したCr、Ni、Mo含有量が少ない鉄系合金からなる軸部材を選択して内層の端部に配置して、HIP処理により一体化しているため、圧延に使用した際のロールが破壊するリスクを低減できるとともに、溶接により軸部を延長でき、長尺の超硬合金製複合ロールを低コストで製造可能になる。
本発明の第二の超硬合金製複合ロールは、鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる中間層と、前記中間層の外周に接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記中間層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、
前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、
前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる。
結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であるために、超硬合金は1200 MPa以上の圧縮降伏強度を有する。ベイナイト相及び/又はマルテンサイト相は合計で70面積％以上が好ましく、80面積％以上がより好ましく、実質的に100面積％であるのが最も好ましい。ベイナイト相及びマルテンサイト相以外の相はパーライト相、オーステナイト相等である。
(a) C：0.2〜0.45質量％
CはFeと合金化し、機械的性質を確保するための必須元素である。Cの含有量が0.2質量%未満となると高融点となるとともに、欠陥も発生しやすく、比較的安価に製造するためには0.2質量%以上のC含有量が必要となる。C含有量が0.45質量％よりも高くなると硬質化するとともに靱性が低下する。
参考例1
WC粉末(純度：99.9％、レーザ回折式粒度分布測定装置(株式会社島津製作所製SALD-2200)で測定したD10：4.3μm，メディアン径D50：6.4μm，D90：9.0μm)と、表1の組成となるように配合した結合相用粉末とを表2に示す割合で混合し、成形用粉末(試料1〜10)を調製した。なお結合相用粉末はいずれも1〜10μmのメディアン径D50を有し、微量の不可避的不純物を含んでいた。
実施例1
参考例1で作製した試料1と同じ原料を用いて、表8の組成となるよう成形用粉末を調製し、参考例1の試料1と同様にして外層用及び中間層用のスリーブ状成形体を作製し、参考例1の試料1と同様にして真空焼結し、外層用のスリーブ状焼結体(外径194 mm、内径171 mm、全長1050 mm)及び中間層用のスリーブ状焼結体(外径171 mm、内径152 mm、全長1050 mm)を作製した。
実施例2
表12の組成となるよう成形用粉末を調製した以外実施例1と同様にして、外層用のスリーブ状焼結体(外径298 mm、内径264 mm、全長1720 mm)及び中間層用のスリーブ状焼結体(外径264 mm、内径254 mm、全長1720 mm)を作製した。

Claims (17)

  1. 鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周に金属接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
    前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
    前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、
    前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、
    前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  2. 請求項1に記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層を構成する超硬合金が、5μm以上の円相当径を有する複炭化物を実質的に含有しないことを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  3. 請求項1又は2に記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層を構成する超硬合金に含まれる前記WC粒子のメディアン径D50が0.5〜10μmであることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層を構成する超硬合金の結合相が、さらに0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜1質量％のMnを含有することを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層を構成する超硬合金の結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  6. 鉄系合金からなる内層と、前記内層の外周にされた超硬合金からなる中間層と、前記中間層の外周に接合された超硬合金からなる外層とからなる超硬合金製複合ロールであって、
    前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
    前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記中間層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
    前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部に、前記内層と金属接合された軸部材及び前記軸部材に溶接された軸端部材を有しており、
    前記内層が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなり、
    前記軸部材及び軸端部材が、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  7. 請求項6に記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金が、5μm以上の円相当径を有する複炭化物を実質的に含有しないことを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  8. 請求項6又は7に記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金に含まれる前記WC粒子のメディアン径D50が0.5〜10μmであることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  9. 請求項6〜8のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金の結合相が、さらに0.2〜2.0質量％のSi、0〜5質量％のCo、及び0〜1質量％のMnを含有することを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  10. 請求項6〜9のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記外層及び/又は前記中間層を構成する超硬合金の結合相におけるベイナイト相及び/又はマルテンサイト相の含有量が合計で50面積％以上であることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  11. 請求項1〜10のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記内層が、C：0.2〜0.45質量％、Cr：0.5〜4.0質量％、Ni：1.4〜4.0質量％、及びMo：0.10〜1.0質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  12. 請求項1〜11のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールにおいて、
    前記軸部材及び軸端部材が、C：0.2〜0.58質量％、Cr：0〜1.2質量％、及びMo：0〜0.3質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鉄系合金であることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
  13. 鉄系合金からなる内層と超硬合金からなる外層とが金属接合されてなる超硬合金製複合ロールの製造方法であって、
    Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなる内層の外周に、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる外層素材を配置するとともに、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部にCr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸部材を配置した後、前記外層素材、前記内層及び前記軸部材の外周を鋼系材料からなるHIP缶で封印、真空排気した後、HIP処理を行い、前記外層素材、前記内層、及び前記軸部材を一体化することを特徴とする超硬合金製複合ロールの製造方法。
  14. 請求項13に記載の超硬合金製複合ロールの製造方法において、
    前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とする超硬合金製複合ロールの製造方法。
  15. 鉄系合金からなる内層と超硬合金からなる中間層と超硬合金からなる外層とが金属接合されてなる超硬合金製複合ロールの製造方法であって、
    Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で2.0質量%以上含有する鉄系合金からなる内層の外周に、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる中間層素材と、超硬合金の粉末、成形体、仮焼体、又は焼結体からなる外層素材とを配置するとともに、前記内層の軸方向の少なくとも一方の端部にCr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸部材を配置した後、前記外層素材、前記中間層素材、前記内層及び前記軸部材の外周を鋼系材料からなるHIP缶で封印、真空排気した後、HIP処理を行い、前記外層素材、前記中間層素材、前記内層、及び前記軸部材を一体化することを特徴とする超硬合金製複合ロールの製造方法。
  16. 請求項15に記載の超硬合金製複合ロールの製造方法において、
    前記外層を構成する超硬合金が、WC粒子55〜90質量部と、Feを主成分とする結合相10〜45質量部とを含有し、前記外層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、
    前記中間層を構成する超硬合金が、WC粒子30〜65質量部と、Feを主成分とする結合相35〜70質量部とを含有し、前記中間層の結合相が0.5〜10質量％のNi、0.2〜2.0質量％のC、0.5〜5質量％のCr、及び0.1〜5質量％のWを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とする超硬合金製複合ロールの製造方法。
  17. 請求項13〜16のいずれかに記載の超硬合金製複合ロールの製造方法において、
    前記HIP処理後に、前記軸部材に、Cr、Ni、及びMoから選ばれた少なくとも一種を合計で1.5質量%以下含有する鉄系合金からなる軸端部材を溶接することを特徴とする超硬合金製複合ロールの製造方法。
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