(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の円筒状成形体の、又は２個の半円筒状成形体の直線端辺同士を接合により閉じて円筒体とした、接合部を有する中空ロール胴体用の部材であって、上記接合部の円筒外面側の部分は液相拡散接合法によって形成されていると共に、他の部分は被溶接材が溶融する温度に加熱して行うサブマージアーク溶接法又は炭酸ガスアーク溶接法により形成されていることを特徴とする中空ロール胴体部材。
【請求項２】
前記接合部の、円筒外面側の液相拡散接合法によって形成されている部分の深さが３〜15mmである請求項１に記載の中空ロール胴体部材。
【請求項３】
金属板を円筒状に、又は半円筒状に成形加工するとともに、直線端辺の形状を、端面の円筒外面側の所定部分同士を突合わせうるように形成し、次いで上記所定部分の端面同士をインサート材を介して突合わせ、加熱により上記インサート材を溶融させて液相拡散接合し、このあと、端面の液相拡散接合されていない部分同士を被溶接材が溶融する温度に加熱して行うサブマージアーク溶接法又は炭酸ガスアーク溶接法により溶接して前記円筒体を形成することを特徴とする中空ロール胴体部材の製造方法。
【請求項４】
液相拡散接合されていない部分同士の溶接は、円筒外面側から冷却しながら行う請求項３に記載の中空ロール胴体部材の製造方法。
【請求項５】
前記インサート材を介して突合わせた部分の外周に外気遮断被覆を施して前記加熱を行う請求項３又は４に記載の中空ロール胴体部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属板の製造等に使用される中空状の胴体を有する板巻きタイプのロールに、優れた表面特性を具備させるための胴体部材の構成、ならびに、該構成の胴体部材を有利に製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板をはじめとする金属板あるいはプラスチックフィルムなどのシート材の製造，加工プロセスにおいては、ロールが多数使用される。これらのロールは、圧延用のワークロールやレベラーロールのように特に高荷重で用いられるものを除けば、大多数のロールはその胴体部分が中空状に形成された中空ロールである。
【０００３】
しかして、中空ロールの胴体は、通常、遠心鋳造法，鍛造法、あるいは板巻き法によって製造される。この中で、板巻き法は、寸法対応性，材質の均質性あるいは安価に製造できるという点において、他の方式よりも格段に勝っているが、金属板を丸めて接合するという製造過程に由来して、製品には必らず接合部が存在する。
【０００４】
従来、上記板巻き法における接合手段としては、各種溶接が利用されており、溶接の形態は種々異なっても、溶加材あるいは被溶接材そのものが加熱溶融され凝固することによって接合部が形成されるという共通の履歴を有している。このため、溶接部の性状を母材部と大差がないようにするための種々の工夫がなされてきた。
【０００５】
しかしながら、上述の目的で、たとえば、溶接部の組成を他の部分と同じにする仕様の溶接が行われても、前記凝固過程において初析フェライトバンドが形成されて局部的な組成むらが生じるなどの凝固組織特有の状況が生じ、これは、溶接後の熱処理等によっても完全に解消されるものではなく、上記組成むらに起因して焼入れ硬度差、ひいてはむら状の摩耗が、あるいは研摩やブラスチングに対する感受性の差による肌目のむらが微妙ながら生じて、ロールに接するシート材の表面に好ましくない影響をもたらすことがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、板巻き法で製造される中空ロール胴体部材の、前述の接合部に関わる問題点を払拭した中空ロール胴体部材及びその製造方法を提供することを、その課題とする。
【０００７】
しかして、本発明の発明者らは、板巻き法における接合部を、前記問題点の原因となる凝固組織を生じないように形成することを指向し、実現策を検討した。凝固組織を生じない接合手段としては、ガス圧接法，液相拡散接合法，固相拡散接合法，摩擦圧接法、あるいは、超音波接合法が挙げられる。中でも、液相拡散接合法はロール胴体に要請される接合強度，組織の連続性，寸法精度，作業性をバランス良く満たすことができる好ましい方法である。しかしながら、この液相拡散接合法は、高々100cm2の小面積の接合に利用されてきた接合手段であって、板巻き法中空ロールの接合部のような1000cm2に及ぶこともある大面積の接合には、設備規模，作業性などの点で適用が困難と見られた。
【０００８】
ここで、発明者らは、前記接合部の凝固組織の問題がロールの表面側に限られたものであることに思い到り、接合部のロール表面側の部分のみを液相拡散接合法によって形成することを着想して、本発明を達成した。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記課題を解決することを目的としてなされた本発明中空ロール胴体部材の構成は、金属板の円筒状成形体の、又は２個の半円筒状成形体の直線端辺同士を接合により閉じて円筒体とした、接合部を有する中空ロール胴体用の部材であって、上記接合部の円筒外面側の部分は液相拡散接合法によって形成されていると共に、他の部分は被溶接材が溶融する温度に加熱して行うサブマージアーク溶接法又は炭酸ガスアーク溶接法により形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
上記本発明で云う液相拡散接合法とは、接合すべき両母材面の間に母材より融点の低いインサート材を介在させた被接合部を、加圧下でインサート材の融点以上，母材の融点未満の温度に加熱して、インサート材のみを溶融させる操作により、インサート材中の作用成分を両側の母材中に拡散同化させて接合する方法である。即ち、インサート材は溶融はするものの、その凝固は、主として上記作用成分の拡散逸出によるインサート材融点の上昇に伴って等温的に起こるので、系の冷却に伴って起る通常の凝固過程のような偏析を生じることがなく、又、加熱温度が溶接法に比べて顕著に低くて済んで、熱影響による近傍の母材組織の変化も軽微であるため、接合部は熱影響部も含めて、母材部と性状差が殆んどない状態に形成される。
【００１１】
よって、上記本発明の構成によれば、板巻き法で製造される中空ロールの胴体表面に、前記凝固組織等の問題点を含んだ接合部が露呈されなくなり、又、液相拡散接合法を胴体外面側の必要な小領域のみに適用すればよいため、前記設備規模や作業性に関する制約なしに実施できるところとなって、前記課題が解決されるのである。
【００１２】
ここで、上記胴体外面側の如何ほどの領域を液相拡散接合法による接合部とするかは、ロールの用途に応じて設定するのがよい。即ち、再研摩を行わずに使用し続けるロールの場合には、ロール製作時の削り代が十分確保されていればよいので、外面から深さ３mm程度迄の部分が液相拡散接合されていればよい。一方、再研摩を繰返しながら使用する用途については、たとえば、延べ10mmの削り代に対して15mm程度の液相拡散接合部を設けるとよい。又、設備規模，作業性の点からも１〜２m巾のロール胴体について、15mm程度迄が液相拡散接合を実施しやすい範囲である。
【００１３】
次に、上記接合部における液相拡散接合されていない部分の接合手段は原則的には任意であるが、接合部全体の強度の確保，液相拡散接合法で形成された接合部に対する過大な熱影響の回避，低コストと云った点で、サブマージアーク溶接法，炭酸ガスアーク溶接法などが推奨される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図により説明する。図１は本発明中空ロール胴体部材の接合部態様の一例を示す断面図、図２は金属板の円筒状成形体の断面図、図３は２個の半円筒状成形体の突合わせ状態の断面図、図４は成形加工前の金属板に対する被接合端辺の精整を示す断面図、図５は本発明中空ロール胴体部材の接合部外面側の接合線を横切る方向の表面硬さ分布を示す図表である。
【００１５】
即ち、本発明の中空ロール胴体部材は、金属板の円筒状成形体１の直線端辺２と３を接合して成る円筒体４の接合部５を、液相拡散接合法によって形成された円筒外面側の部分5aと、たとえばＶ字状に形成した開先部へのサブマージアーク溶接によって形成された円筒内面側の部分5bとにより構成したものである。
【００１６】
ここで、液相拡散接合による部分5aの深さは、前述のように、ロール製作時ないしは使用時の削り代に応じて３〜15mm程度とすればよいが、円筒体４の肉厚が30mm以上の厚いものである場合には、残り部分の溶接を行いやすくする等の観点から、上記削り代に関わりなく10mm以上確保した方がよい。上記肉厚が15mm以下の薄いものである場合には、上記5aの部分の深さはロールの使用条件に応じて設定してもよい。
【００１７】
本発明中空ロール胴体部材の全体構成は、図２に示した１ピース型（円筒状成形体１による）、図３に示した２ピース型（２個の半円筒状成形体1′による）のいずれかとなる。１ピース型は成形及び接合の工程数が少なく、又、接合される端辺が位置決めされている点に、一方、２ピース型は、成形後の端面精整を行いやすいという点に、それぞれ特長を有するものであり、寸法等の仕様に応じて好都合な方を選定すればよい。ここで、上記円筒状，半円筒状といった形状は、必ずしも断面が真円又は半円である必要はなく、特開平３−１６９４１２号公報に開示されているように、接合すべき端辺近傍を平坦な形状に形成し、端辺同士を当接しやすくして接合を行い、接合後の異形円筒体を真円状の円筒体に形状矯正する方式によってもよい。なお、３ピース以上の構成とすることもできるが、手間が増えるだけであり、メリットは考えられない。
【００１８】
上記円筒状成形体等の被接合端辺の精整は、概して、成形加工前の金属板Ｍbに対して図４に例示したように行うのが容易であるが、液相拡散接合のための突合わせ面の形成については、被接合面間を平行に形成しやすいという点で成形後の精整に歩がある。なお、通常の溶接法によって接合する、図１の5bの部分については、溶接仕様に応じてＶ字開先等を設けるものであるが、この開先加工も成形前の金属板段階で図４の5bのように行うのが容易である。
【００１９】
さて、図１の5aの部分の液相拡散接合は、たとえば、以下のように行う。先ず研削，研摩，ブラスチングなどによる上記5aの部分の平坦化，清浄化を行い、両面間に液相拡散接合用のインサート材を挿入した被接合部に10MPa程度の圧縮力をかけた状態におく。因に、鋼材に適したインサート材としては、液相拡散接合用に処方された、Fe基，Ni基，Ni-P基等の、融点900〜1100℃程度の材料が適しており、接合部の要求仕様あるいは接合作業条件に応じて箔材，粉体層，溶射層、あるいはめっき層の形で適用することができる。インサート材の厚さは薄すぎると接合が不完全となり、厚すぎると拡散が容易でなくなるので20〜200μm程度が好適である。
【００２０】
次に、上記圧縮力のかかった被接合部を900〜1250℃程度に加熱して３分間程度温度保持することにより、インサート材が溶融してその作用成分が両側の母材中に拡散同化するとともにインサート材が等温的に凝固して接合が完了する。
【００２１】
上記加熱の手段としては、被接合系を集中的に急速加熱できるという点で誘導加熱法が好適である。上記誘導加熱は、被接合系全体に対して一気に行ってもよく、又、部分的な加熱を移動方式で順次進めて行くようにしてもよい。更に、上記加熱は、被接合部の酸化を避けるために、無酸化雰囲気下であるいは突合わせ部の外周に粘土質スリップコーティングなどの外気遮断被覆を施して行うのがよい。本発明は大型部材を対象とするので、設備の簡略化を図ることが可能な後者の方法が推奨される。
【００２２】
上記液相拡散接合に続く、図１の5b部分の接合は、通常の溶接法によって行うものであり、その手段は任意であるが、液相拡散接合されている5aの部分に過度の熱影響を及ぼさない溶接法によるのがよい。又、5bの部分に比べて5aの部分の比率が小さいなど、上記熱影響が懸念される場合には、既に液相拡散接合されている5aの部分を、円筒外面側から冷却しながら5b部分の溶接を行うとよい。
【００２３】
上記接合操作により形成された接合部の円筒体外面側は、液相拡散接合のための900℃以上の加熱を経ており、粗粒化しているが、溶接接合部のように初析フェライトバンド等の偏析組織が存在しないため、その後の焼入れ，焼ならし等の熱処理によって、母材部との間の特性差は解消され、前記摩耗むら，ブラスチングむら等の問題点は払拭される。
【００２４】
【実施例】
実施例１
外径600mm，巾1500mm，肉厚40mmの鋼板（S48C）からなる中空ロール胴体部材を、本発明構成（１ピース型）により製作した。製作仕様は下記の通りである。
液相拡散接合部（外面側）
・深さ15mm
・50μm厚さのFe基インサート材（融点1100℃）使用
・母材端面間に上記インサート材を介在させた被接合部の外周を市販の酸
化防止用塗布剤（東京熱化学工業(株)製「サーモジンブラック」）にて
封じ、該被接合部をその表裏に亘って接合線に沿って取囲む形で１ター
ンの電磁コイルを配し、被接合部に10MPaの圧縮力を加えた状態で該コ
イルに２kHz，400kW(max)の通電を行って、被接合系を誘導加熱し、180
秒で1250℃に到達させ、120秒温度保持し、放冷して接合操作を終えた
。
溶接接合部（内面側）
・深さ25＋αmm
・Ｖ字開先を形成しサブマージアーク溶接により溶接。
熱処理
・焼ならし（850℃）
・表面高周波焼入れ（900℃）
・焼戻し（200℃）
【００２５】
次に、上記本発明中空ロール胴体部材の接合部外面側の接合線を横切る方向の表面硬さ分布を測定し、図５に示す結果を得た。即ち、前記摩耗むら等のパラメータとなる表面硬さの分布は接合線においても乱れることがなく平坦であり、本発明の効果が確認された。
【００２６】
実施例２
実施例１のインサート材をNi基インサート材料の溶射層（150μm厚さ、融点1050℃）に変更した被接合部を、移動方式で誘導加熱して液相拡散接合させる構成とし、他の条件は実施例１と同じにして中空ロール胴体部材を製作した。液相拡散接合の誘導加熱の仕様は下記の通りである。
・コイル：180mm長さの直線部を有する１ターンコイルを、該直線部を接合線
に近接して沿わせる形で円筒外面側に配置。
・操  作：上記コイルに２kHz，100〜150kWの通電を行いながら、コイルを接
合線の一端側から他端側へ１mm/sの速度で移動。
上記のようにして製作した中空ロール胴体部材についても、接合線を横切る方向の硬度分布は、実施例１と同様に良好であった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、板巻きタイプの中空ロール胴体部材の接合部の、少なくとも円筒外面側を液相拡散接合法によって形成する構成により、従来の溶接接合法では皆無にできなかった、接合部に関わる表面硬さむら等の問題を払拭できたものである。液相拡散接合法は、従来より、上記硬さむら等を生じにくい接合法と目されていたが、板巻き中空ロールのような大面積の接合に適用できるなどとは考えられていなかった。本願の発明者らは、中空ロールにおける品質要求が特に外面側にあることに思い到り、ロール胴体の外面側の部分に液相拡散接合を適用することを着想し、中空ロール胴体部材への適用を実現し得たものである。
【００２８】
板巻き方式は、遠心鋳造法，鋳造法といった他の中空ロール胴体製造方式と比べて、前記接合部の硬度むら等の問題を除けば、設計の自由度，品質，あるいはコストにおいて格段に勝っており、本発明による接合部問題の解決によって全面的に優位性を確保できたことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明中空ロール胴体部材の接合部態様の一例を示す断面図。
【図２】  金属板の円筒状成形体の断面図。
【図３】  ２個の半円筒状成形体の突合わせ状態の断面図。
【図４】  成形加工前の金属板に対する被接合端辺の精整を示す断面図。
【図５】  本発明中空ロール胴体部材の接合部外面側の接合線を横切る方向の表面硬さ分布を示す図表。
【符号の説明】
１        円筒状成形体
２，３    直線端辺
４        円筒体
５        接合部
5a        円筒外面側
5b        円筒内面側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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