(57)【要約】【課題】  焼き付き（ヒートスクラッチ）の発生限界圧下率・圧延速度を上げて、強圧下・高速圧延の可能で、かつ効率性の良い安定した金属帯の冷間圧延方法、冷延鋼帯の製造方法および冷間圧延用圧延ロールを提供することにある。【解決手段】  圧延油（エマルション圧延油あるいはニート油）を供給しつつ、表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する圧延ロールにより、該圧延ロールと金属帯との間に磁界を印加しながら、冷間圧延をする。金属帯の材質として鋼、ステンレス鋼、非鉄金属等が挙げられる。圧延機は冷間タンデム圧延機でもリバース式冷間圧延機でもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延油を供給しつつ、表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する圧延ロールにより、該圧延ロールと金属帯との間に磁界を印加しながら、冷間圧延をすることを特徴とする金属帯の冷間圧延方法。
【請求項２】
前記冷間圧延方法を冷間タンデム圧延機の少なくとも１スタンドに適用することを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷間圧延方法。
【請求項３】
前記冷間圧延方法をリバース式冷間圧延機に適用することを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷間圧延方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷間圧延方法を適用して冷延鋼帯を製造することを特徴とする冷延鋼帯の製造方法。
【請求項５】
表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する冷間圧延用圧延ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐焼き付き性の向上により、高速・強圧下の冷間圧延を行うことができる金属帯の冷間圧延方法および冷延鋼帯の製造方法並びに冷間圧延用圧延ロールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷間圧延機によるストリップ（金属帯）の圧延時には、ストリップと圧延ロールが、ストリップの加工発熱やストリップとロールとの間での摩擦発熱などにより高温となり、焼き付き現象（ヒートスクラッチとも呼ぶ）が生じることがある。このため、ストリップやロールに圧延油が供給される。これは、圧延油の潤滑効果により圧延ロール（ワークロール）と被圧延材（ストリップ）間の焼き付き現象を防止することで、強圧下かつ高速の圧延が可能となり生産性が著しく向上するためである。
また、冷間圧延では、圧延ロールには、通常、鋳造後に表面を鍛造して製造される、耐摩耗性等に優れたいわゆる鍛鋼ロールが使用される。
【０００３】
圧延油の供給には、基本的なものとして、循環式圧延油供給方式と直接式（ダイレクト式）圧延油供給方式がある。
【０００４】
循環式圧延油供給方式は、圧延油と水等を混合・撹拌して、エマルション化した圧延油（以下、「エマルション圧延油」と呼ぶ）を循環しながら使用し、潤滑および冷却を目的として、ロールバイト部近傍のストリップおよびロールにむけて供給するものであり、潤滑と冷却が同時に行われる。図４に、全５スタンドのタンデム冷間圧延機にこの循環式圧延油供給方式が適用された装置の１例を概略的に示した。
【０００５】
直接式圧延油供給方式は、圧延油として、水を介さないで圧延油単体（ニート油）を、循環使用することなく、一過性で使用し、ロールバイト部近傍のストリップやロールに向けて供給するものである。図５に１２段のリバース式クラスター圧延機に直接式圧延油供給方式が適用された装置の１例を概略的に示す。
【０００６】
図４において、１は上下１対のワークロール、２は上下１対のバックアップロール、３は被圧延材のストリップ（金属帯）である。ストリップ３は、Ｎｏ．１スタンド〜Ｎｏ．５スタンド（＃１ＳＴＤ〜＃５ＳＴＤ）の５スタンドのタンデム圧延機により圧延されつつ、図において左から右方向へ進み圧延される。７（７ａ、７ｂ）はロールバイト部近傍のストリップの入側と出側にエマルション圧延油を供給する圧延油供給ノズル、９は攪拌機、１０は圧延油供給タンク、１１は圧延油供給ポンプ、１２は圧延油供給ライン、１３は回収オイルパン、１４は戻り配管である。圧延油と冷却水等とをあらかじめ混合、撹拌してエマルション化されたエマルション圧延油は、圧延油供給用ポンプ１１により、圧延油供給ライン１２を経由して、ノズル７ａ、７ｂからストリップの上下面のロールバイト部入側および出側の近傍に供給される。供給後のエマルション圧延油は回収オイルパン１３にて回収された後、戻り配管１４を介して圧延油供給タンク１０に戻され、循環使用される。
【０００７】
図５において、１はワークロール、２はバックアップロール、３は被圧延材のストリップ（金属帯）、７は圧延機の左右に設けられた圧延油供給ノズル、８は中間ロールである。ここでの圧延機はリバース（可逆）式であるので、一方の搬送方向での圧延が終了すると、搬送方向を反転して先程とは逆の搬送方向で圧延が行われる。この１連の圧延が繰り返される。その間、圧延油供給タンク１０から圧延油供給ポンプ１１により配管に通された圧延油単体（ニート油）が圧延油供給ノズル７よりロールバイト部近傍のストリップやロールに供給される。ストリップが左から右方向に向かって圧延されるときは左側の圧延油供給タンクから、また、ストリップが右から左方向に向かって圧延されるときは、右側の圧延油供給タンクからそれぞれ圧延油（ニート油）が供給される。圧延油は循環使用されることなく、一過性で使用される。
【０００８】
ところで、金属間の接触においては磁界の影響下で摺動すると著しく磨耗量を低減することができることが知られている（例えば、非特許文献1参照）。また、それを応用し、被圧延材と接触する表面を永久磁石層とした圧延ロール（ワークロール）により、圧延ロールと被圧延材の金属帯との間に磁界を印加して圧延を行うことで圧延ロールの磨耗量を低減させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図６に磁界を印加する手段の１例を示す。図６において、１は永久磁石層を有する上下１対の圧延ロール(ワークロール)、３は被圧延材(ストリップ)である。圧延ロール１は、外周部に強磁性材料で構成した円筒体１５を嵌めこみ、次いで、この円筒体を着磁して永久磁石層を形成している。この永久磁石層を有する圧延ロール１で被圧延材３を圧延すると、圧延ロールと被圧延材との接触部である摺動面に磁気が作用して酸素の吸着が活発になり、酸化膜が生成する。この酸化膜が摺動面に介在することによって、新生面同士の接触・凝着が少なくなるため、摩耗粉が微細化して、圧延ロール１の摩耗を大幅に低減することが可能になる。
【非特許文献１】トライボロジスト、Vol.34、No.6（1989）、p.430-436
【特許文献１】特開平１０−２４９４１５号公報
【０００９】
近年、生産性向上のため、時間あたり圧延重量の劣る薄物材の高速圧延が志向され、また、例えば高張力鋼（ハイテン）のように一般に難圧延材と呼ばれる、圧延荷重の高くなる材料の圧延性向上が要求されている。
【００１０】
しかし、エマルション圧延油を使用する循環式圧延油供給方式は、エマルション圧延油を使用するため、潤滑性が比較的劣り、薄物材の高速・高圧下圧延時では潤滑不足となりヒートスクラッチが発生することがあり、圧延速度を上げられず、生産性を上げられない問題があった。これに対し、このような図４に示されるような従来の循環式圧延油供給方式に改良を加え、エマルション圧延油を供給する手段に、エマルション粒径がより大きいエマルション圧延油を供給する手段や気体でエマルション圧延油を霧化・供給する２流体ノズルの供給手段を設けて圧延油供給量を調整すること等により圧延油の供給方法を改善することで圧延油の付着を促進し焼き付きを改善する方法が開示されているが（例えば、特許文献２）、この方法でも、潤滑条件を安定的に制御することは依然として厳しく、工具であるワークロールと被圧延材とのスリップを誘発し安定した圧延が困難である。
【特許文献２】特開２００６−２６３７７２号公報
【００１１】
他方、圧延油単体（ニート油）を使用する直接式圧延油供給方式は、循環式圧延油供給方式に比べて、比較的潤滑性に優れるが、冷却効果がさほど期待できないので、ロール表面温度が上昇して、圧延油の油膜切れが生じやすく、潤滑不足による焼き付きや冷却不足による圧延油の着火等の発生があり、やはり十分な高速・高圧下の圧延はできず、生産性を上げられない問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、最近においては、さらなる強圧下・高速圧延の可能な金属帯の冷間圧延方法が強く望まれてきているものの、循環式圧延油供給方式および直接式圧延油供給方式のいずれにおいても満足すべき結果は得られていない。
本発明の課題は、焼き付き（ヒートスクラッチ）の発生限界圧下率・圧延速度を上げて、強圧下・高速圧延の可能で、かつ効率性の良い安定した金属帯の冷間圧延方法および冷延鋼帯の製造方法並びに冷間圧延用圧延ロールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記の課題を達成するためになされたものであり、その手段は、以下の［１］〜［５］の通りである。
［１］圧延油を供給しつつ、表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する圧      延ロールにより、該圧延ロールと金属帯との間に磁界を印加しながら、冷間圧延を      することを特徴とする金属帯の冷間圧延方法。
［２］前記冷間圧延方法を冷間タンデム圧延機の少なくとも１スタンドに適用することを      特徴とする上記［１］に記載の金属帯の冷間圧延方法。
［３］前記冷間圧延方法をリバース式冷間圧延機に適用することを特徴とする上記［１］      に記載の金属帯の冷間圧延方法。
［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の冷間圧延方法を適用して冷延鋼帯を製造す      ることを特徴とする冷延鋼帯の製造方法。
［５］表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する冷間圧延用圧延ロール。
【００１４】
本発明においては、圧延ロール（ワークロール）に永久磁石層を形成して、磁界を発生させ、圧延ロールと被圧延材の金属帯との接触部に磁界を印加している。
本発明者は、先に引用した上記の特許文献１に記載の技術に着目し、圧延油の供給下で行う冷間圧延において、磁力を作用させることにより、耐焼き付き性を飛躍的に向上させることを見出したのである。
【００１５】
圧延ロールと被圧延材間に磁力が作用していると、酸素の化学吸着が著しく促進される。冷間圧延においては、非圧延材表面の塑性変形に伴って発生する新生面に酸化膜が次々と吸着するので、ワークロール表面と被圧延材新生面との直接接触およびそれに伴う凝着が抑制されて、磨耗粉が微細化される。
【００１６】
焼き付き現象とは、発生した磨耗粉が再び押しつぶされて発生する現象であるから（非特許文献２参照）、発生した磨耗粉が微細化されると焼き付き自体も非常に細かなものとなって、実際には圧延に全く影響を及ぼさなくなるのである。
【非特許文献２】機械の研究、Vol.58、No.2（2006）、p.285-294
【００１７】
その効果は二つに分けられる。
一つ目はエマルション中の水分が圧延油とともにロールバイト内に引き込まれると、これが酸素供給源となって磁力の付与による酸化膜の生成を促進する効果である。これは、エマルションの基油（水を介さないで圧延油単体(ニート油)）を供給した場合とで、磁力付与の効果を比較することにより明らかとなった。
【００１８】
二つ目は、磁力付与により（更に水分が介在する場合には上記の効果もあり）酸化膜が増加し、これが微細な磨耗粉となることによって、この磨耗粉間に圧延油がより多く保持されてロールバイト内の潤滑性が増すことである。そのため、ロール材料間の直接接触をほとんど完全に防止することが出来、高速・強圧下冷間圧延が可能になる。
【００１９】
上記のように、冷間圧延における磁力付与の効果は、エマルション状態の圧延油を供給することにより最大となる。しかし、第一の効果は水のみを供給した場合にも得られ、第二の効果は圧延油単体（ニート油）を供給した場合にも得られるので、潤滑方式を問わず効果がある。
【００２０】
圧延ロールと金属帯との間に磁界を印加する手段としては、圧延ロールの近傍に配された永久磁石を備えるＣ型リターンヨークのほかに、図６に示すように、被圧延材の金属帯が接触する圧延ロールの表層に永久磁石層を形成した圧延ロール等が知られている（特許文献１参照）。
【００２１】
図6に示されるような、この被圧延材の金属帯が接触する表層に永久磁石層を形成した圧延ロールは、表面を永久磁石として好適な素材で形成する必要があるため、硬度の不足によりロールのクラックが入りやすくなったり、磨耗粉がかえって出やすくなって焼き付きを助長してしまうなど、十分な効果が得られないという問題があった。
【００２２】
本発明では、表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する圧延ロールにより、圧延ロールと金属帯との間に磁界を印加している。このため、強圧下・高速圧延においても、圧延ロール（ワークロール）表面の強度（硬度）を保持したまま、磁界の付与による耐焼き付き性の向上効果を享受する事ができるので、限界の圧下率や圧延速度を高めることにより効率的な生産ができる。
【００２３】
すでに記載したように、圧延油の供給方式には、基本的なものとして循環式圧延油供給方式と直接式圧延油供給方式とがあるが、本発明は、これらの方式に限られず、いかなる圧延油供給方式を使用する冷間圧延にも有効である。
【００２４】
本発明の被圧延材である金属帯としては特に材料に制限はなく、鋼帯、アルミニウム合金帯、銅合金帯が挙げられるが、変形抵抗が高く生産量も多い炭素鋼に本発明を適用すると効果が高い。その中でも、変形抵抗の大きいハイテンや、表面酸化膜が薄く焼き付きの発生しやすいステンレス鋼に適用すると、さらに大きな効果が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、耐焼き付き性が重要な課題となる強圧下・高速の冷間圧延において、耐焼き付き性が向上し、限界の圧下率や圧延速度を高め、強圧下・高速圧延で、かつ安定した冷間圧延をすることができることにより効率的な生産ができる。また、ワークロールを層構造を持つものに変更したのみなので、圧延機自体の大掛かりな改造を必要とせずに効果を得られるというメリットもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１には、本発明による圧延方法が適用された５基（５スタンド）の圧延機からなる冷間タンデム圧延機の構成の概略が示されている。このタンデム圧延機のＮｏ．５スタンド（＃５ＳＴＤ）の上下１対のワークロールには、表層が鍛鋼材からなり、該層の内側に永久磁石層を有する圧延ロールが使用されている点以外は、図４に示された従来のものと同じであるのである（なお、図１においては、エマルション圧延油の供給系統は、図４に示されるものと同じであるので省略した）。図１中、被圧延材である金属帯３は左方から右方に向かって５スタンドの圧延機により連続的に圧延される。各圧延機（圧延スタンドとも呼ぶ）は上下一対のワークロール１とそれらを支える上下一対のバックアップロール２からなる４段式の圧延機であり、各スタンドの入側および出側の圧延油供給ノズル７ａ、７ｂからエマルション圧延油がロールバイト部入側および出側の近傍に供給される。そして、Ｎｏ．１スタンド〜Ｎｏ．４スタンド（＃１ＳＴＤ〜＃４ＳＴＤ）の上下ワークロール１は通常のものであるが、最終スタンドＮｏ．５スタンド（＃５ＳＴＤ）の上下１対のワークロール１は、後述の図２に示すように、表層に鍛鋼材層４を有し、該層４の内側に永久磁石層５を有するロールであり、該ワークロール１と被圧延材の金属帯３との間（接触部）に磁界を印加している。
【００２７】
図２には、図1に示される冷間タンデム圧延機のＮｏ．５スタンドに用いられる圧延ロール（ワークロール）が示されている（左側の図は、ロール軸に垂直な面での断面図であり、右側の図はロール軸に沿う面での断面図である）。図のようにワークロールの表層４が鍛鋼材からなり、該層の内側の内層５に永久磁石層を有する。このロールは、遠心鋳造の手法により鋼材層と磁石層を一体でロールに形成した後に表層の鋼材を鍛造することにより製造することができる。この場合には層間の境界は図のように明確なものではないが性能上問題となることはない。また、鍛鋼材の層を予め製造しておき嵌合する方法でも製造することができる。また、軸芯部（胴部中心付近およびネック部）６は永久磁石材で作る必要は全く無いので、軸芯部６と永久磁石層５についても、鍛鋼材層４と永久磁石層５の場合と同様にして製造することができる。図２では、永久磁石層５は軸芯部６まで達しているが、十分な磁界が印加できればよく、必ずしも軸芯部まで達する必要はない。永久磁石はなるべく磁力の大きいものが好ましく、通常、希土類磁石、フェライト磁石が用いられる。残留磁束密度としては、１５０ｍＴ以上、好ましくは２００ｍＴ以上とするのが良い。鍛鋼材層４は圧延部になるべく大きな磁束を与えるためには薄いことが好ましいが、ロールの剛性や製造の容易さの点で制約がある。被圧延材とワークロール間の磁束密度は、５ｍＴ以上、好ましくは、４０ｍＴ以上とすると良い。
【００２８】
図１の本実施形態では、最終スタンドＮｏ．５スタンド（＃５ＳＴＤ）の１対のワークロール１、１が表層に鍛鋼材層４を有し、該層４の内側に永久磁石層５を有するロールであり、該ワークロール１、１と被圧延材の金属帯との間（接触部）に磁界を印加している。この永久磁石層が形成されたワークロールを適用したスタンドでは耐焼き付き性が向上し、該スタンドの圧下率や圧延速度を上昇させることができる。
【００２９】
冷間タンデム圧延機では、後段スタンドほど圧延速度が速く、しかも、板厚が薄くなるため、圧延荷重が高くなり、焼き付き（ヒートスクラッチ）が発生しやすくなるが、本実施形態では、このタンデム圧延機において圧延を行うと、磁界を付与した最終スタンドの耐焼き付き性が向上し、該スタンドの圧下率を上昇させて全体の圧下率を向上させることができるとともに、該スタンドにおける圧延速度（すなわち圧延機全体としての圧延速度）も増速することができる。
【００３０】
図1では４段５スタンド式のタンデム圧延機を示したが、段数、スタンド数ともこれに限られるものではない。また、状況の許す範囲で、本発明の圧延ロールを適用するスタンド数を増やすことにも特に問題はなく、適用スタンド数を増やすほど大きな効果が得られることは言うまでもない。
【００３１】
図３には、本発明による圧延方法が適用される１２段型のリバース式冷間圧延機の構成が示されている。図３中、金属帯３は左右方向に交互にリバース（可逆）圧延される。この１２段型圧延機は、上下一対のワークロール１、ワークロール１を支える４本の中間ロール８および中間ロール８を支える６本のバックアップロール２からなる。ノズル７からは潤滑のため圧延油単体（ニート油）がロールバイト近傍に供給される。
【００３２】
図３の本実施形態でも、上下１対のワークロール１は、図２に示されるものであり、表層に鍛鋼材層４を有し、該層４の内側に永久磁石層５を有するものであり、該ロールと被圧延材の金属帯３との間に磁界を印加している。
この本実施形態でも、ワークロール１、１と金属帯３の接触面に磁界を印加したことにより、耐焼き付き性が向上し、圧下率や圧延速度を向上させることができる。
【実施例１】
【００３３】
図1に示す圧延機において、板厚3mm、板幅1500mmの590MPa級ハイテンを板厚0.8mmまで圧延することを試みた。圧延油としては、40℃での動粘度が43cStの合成エステル圧延油を使用し、油分濃度は３質量%となるように、冷却水と混合し撹拌してエマルション状態にして、ノズル７からロールバイト部近傍に供給した。
【００３４】
本発明のワークロールは直径600mm、バレル長2000mmであり、表層100mmが5%クロム鍛鋼層、下部100mmがフェライト磁石（残留磁束密度200mT以上）である。これらを層の厚みが±2mmの範囲に収まるようにそれぞれをスリーブ状に形成した後、軸芯に焼き嵌めしてロールと成した。
【００３５】
従来例として、本発明と同一材質のフェライト磁石を表層100mmに有する同寸法のロールを、比較例として本発明の表層と同一材質の5%Cr鍛鋼を表面に有する同寸法のロールをそれぞれ用意した。
【００３６】
第1〜第４スタンドのワークロールには前記比較例用のワークロールを用い、第5スタンドのワークロールを上記の本発明の永久磁石層が形成されたロール、上記の従来例および比較例のロールに、それぞれ変更して圧延を行った。
【００３７】
まず比較例の圧延ロールを使用した冷間タンデム圧延機では、圧延速度（最終スタンドの圧延速度）400mpmで焼き付きが発生し、それ以上の増速することが出来なかった。また、従来例の圧延ロールを使用した冷間タンデム圧延機では、圧延を開始して間もなくワークロール表面に亀裂が発生し剥離する現象（一般にスポーリングと呼ばれる）が発生し、圧延を継続することが出来なかった。
【００３８】
一方、本発明の表層に鍛鋼材層を有し、該層の内側に永久磁石層を有する圧延ロールを使用した冷間タンデム圧延機では、駆動能力としての限界である600mpmまで速度を上げても焼き付きが起きず、安定した圧延を行うことが出来た。
【実施例２】
【００３９】
図3に示す12段型圧延機において、板厚3mm、板幅900mmのSUS430フェライト系ステンレス鋼を0.4mmまで多パス圧延することを試みた。圧延油としては、40℃での動粘度が8cStの合成エステル圧延油とし、直接（ダイレクト）供給（圧延油原油を水と混合させること無く供給するする方式）した。
【００４０】
本発明のワークロールは、直径100mm、バレル長1200mmであり、表層10mmが高速度鋼、下層20mmがネオジム・鉄・ボロン磁石（残留磁束密度250mmT以上）である。これらの層を厚みが±3mmの範囲に収まるように遠心鋳造により製造した後、鍛造によりロールと成した。
【００４１】
従来例として、本発明と同一のネオジム・鉄・ボロン磁石を表層30mmに有する同寸法のロール、比較例として本発明の表層と同一材質の高速度鋼を有する同寸法の鍛鋼ロールを用意した。
【００４２】
まず比較例の圧延ロールでは、最高圧延速度300mpmで9パス（1パスあたり平均圧下率20%）必要であった。また、従来例の圧延ロールでは、1パス目の圧延を開始して間もなくワークロール表面に亀裂が発生して剥離を起こし、圧延を継続することが出来なかった。
【００４３】
一方、本発明では、最高圧延速度300mpm、7パス（1パスあたり平均圧下率25%）で焼き付きを生じることなく圧延を終了することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態における冷間タンデム圧延機の構成例を概略的に示した図である。
【図２】本発明の圧延ロールの構成を概略的に示した図である。
【図３】本発明の一実施形態のリバース式１２段型冷間圧延機の構成例を概略的に示した図である。
【図４】循環式圧延油供給方式の従来の構成例を概略的に示した図である。
【図５】直接式圧延油供給方式の従来の構成例を概略的に示した図である。
【図６】磁界を印加できる従来の圧延ロールの構成例を概略的に示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：ワークロール
２：バックアップロール
３：被圧延材（金属帯）
４：ワークロール表層（鍛鋼材層）
５：ワークロール内層（永久磁石層）
６：軸芯部
７：圧延油供給ノズル
８：中間ロール
９：攪拌機
１０：圧延油供給タンク
１１：圧延油供給ポンプ
１２：圧延油供給ライン
１３：回収オイルパン
１４：戻り配管
１５：円筒体（永久磁石層）
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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