(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の試験片と、円盤状の相手片とを有し、前記相手片を加熱し回転しながら前記試験片に圧接したのち試験片を急冷して熱間ロールの熱衝撃を再現する熱間ロール熱衝撃試験装置であって、ハウジングと、前記試験片と前記ハウジングに固設され、該試験片を取替え自在に固定する試験片台と、前記試験片の上方で円周面を該試験片の板面に回転接触可能に配設された前記相手片と、前記ハウジングに上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設された軸受を介し、回転自在に配設され前記相手片に回転駆動を伝達する相手片回転軸と、該相手片回転軸を回転駆動させる相手片回転軸駆動装置と、前記ガイド機構をもって配設された軸受を荷重点とし前記相手材を介し前記相手片と前記試験片との接触時に荷重を負荷する相手片荷重負荷装置と、前記相手片を所定の加熱温度に加熱保持する相手片加熱装置と、前記試験片と前記相手片との圧接後に前記試験片を冷却する冷却装置と、前記相手片と前記試験片との接触時間を制御する制御装置と、を有することを特徴とする熱間ロール熱衝撃試験装置。
【請求項２】
前記相手片荷重負荷装置は、レバー方式の荷重負荷装置とし、負荷レバーは前記ハウジングに支点を有し、力点として、前記負荷レバーの先端部には弾性体を介して荷重負荷手段が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段が付設されることを特徴とする請求項１に記載の熱間ロール熱衝撃試験装置。
【請求項３】
前記荷重負荷手段は、ねじ式荷重負荷手段であることを特徴とする請求項２に記載の熱間ロール熱衝撃試験装置。
【請求項４】
前記弾性体がばねで、前記振動吸収手段が油圧ダンパーであることを特徴とする請求項２または３に記載の熱間ロール熱衝撃試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延ロールの損耗に係り、とくに熱間圧延ロールが使用中に受ける熱負荷をシュミレートし、熱間圧延ロール材料の耐熱亀裂性の評価を可能とする熱間ロール熱衝撃試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温に加熱された被圧延材を圧下する熱間圧延ロールは、近年負荷応力も高くなり、厳しい使用条件に耐えなければならない。そのため、熱間圧延ロールには、強靱性、耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐熱亀裂性などが優れていることが要求されている。
【０００３】
とくに、熱間圧延の仕上げ後段においては、圧延材後端のエッジが折れ曲がった状態で圧延される「絞り圧延」が、頻度高く発生し、絞り圧延時の摩擦発熱および加工発熱を起因とした熱衝撃により、作業ロールに亀裂が発生するという問題があった。このため、熱間圧延作業ロールにおいては、耐熱亀裂性が耐摩耗性とともに重要な特性となっている。
【０００４】
熱間圧延ロールの耐熱亀裂性の評価は、従来から例えば、図４、図５に示すような試験装置で行われてきた。図４に示す試験装置では、ラックとピニオンを噛み合わせ、重錘の落下によりラックを垂直方向に急速に移動させて、噛込み材を固着させピニオンを回転させて、試験片に噛込み材を衝撃的に摩擦する。この試験片と噛込み材との衝撃的摩擦による発熱で、試験片に熱亀裂を発生させようとするものである。また、図５に示す試験装置では、室温で回転する金属製のロールを試験片に圧接したのち水冷して、圧接時の摩擦発熱とその後の急冷により熱亀裂を試験片に発生させようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す試験装置では、試験片と噛込み材との摩擦で発生する熱量が少なく、実機圧延でロールに発生するような深い亀裂が試験片に生成されない。また、図５に示す試験装置でも同様に、金属製ロールと試験片との摩擦で発生する熱量が少なく、試験片に実圧延ロールに発生する熱亀裂を再現できていないのである。また、図４、図５に示す方法は、いずれも噛込み材、金属製ロール等の相手材が室温であり、実圧延における相手材が有する熱、スケール等の表面性状が無視されている。
【０００６】
「絞り圧延」に際し発生する衝撃的な熱負荷では、ロール表面に数ｍｍ程度の深さを有する亀裂が生成される場合が多い。従来の試験装置では、実圧延における「絞り圧延」によりロールに発生する熱負荷を十分に再現できていないため、熱間圧延ロール用材料の耐熱亀裂性を十分に評価できていないという問題が残されていた。
【０００７】
「絞り圧延」の熱負荷により作業ロール表面に亀裂が発生すると、その後のバックアップロールとの高圧繰返し接触により、亀裂が伝播し作業ロールのスポーリングに発展する危険がある。
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、実圧延における「絞り圧延」によりロールに発生する熱負荷を安定して再現し、熱間圧延ロール用材料の耐熱亀裂性を評価できる、熱間ロール熱衝撃試験装置を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、熱間ロール熱衝撃試験装置において、圧延ロール表面に相当する試験片に深い初期亀裂を発生させる熱負荷を再現するために、鋭意検討した。その結果、静止状態の試験片に相手片を回転しながら摩擦接触させ急冷する方式が「絞り圧延」の熱負荷を再現するのにもっとも適しているという知見を得た。そして、さらに相手片を所定の温度以上に加熱して摩擦接触させるのがもっとも良いことに想到した。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づいてさらに検討して構成されたものである。
すなわち、本発明は、板状の試験片と、円盤状の相手片とを有し、前記相手片を加熱し回転しながら前記試験片に圧接したのち該試験片を急冷して熱間ロールの熱衝撃を再現する熱間ロール熱衝撃試験装置であって、ハウジングと、前記試験片と、前記ハウジングに固設され該試験片を取替え自在に固定する試験片台と、前記試験片の上方で円周面を該試験片の板面に回転接触可能に配設された前記相手片と、回転駆動を伝達する相手片回転軸と、該相手片回転軸を回転駆動させる相手片回転軸駆動装置と、前記ハウジングに上下方向に移動自在のガイド機構をもって配設された軸受を介し回転自在に配設され前記相手片に前記ガイド機構をもって配設された軸受を荷重点とし前記相手材を介し前記相手片と前記試験片との接触時に荷重を負荷する相手片荷重負荷装置と、前記相手片を所定の加熱温度に加熱保持する相手片加熱装置と、前記試験片と前記相手片との圧接後に前記試験片を冷却する冷却装置と、前記相手片と前記試験片との接触時間を制御する制御装置と、を有することを特徴とする熱間ロール熱衝撃試験装置である。
【００１０】
本発明では、前記相手片荷重負荷装置を、レバー方式、詳しくは、てこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とし、負荷レバーは前記ハウジングに支点を有し、力点として、前記負荷レバーの先端部には弾性体を介して荷重負荷手段が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段が付設されるのが好ましく、また、前記荷重負荷手段は、ねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、また、前記弾性体をばねとし前記振動吸収手段を油圧ダンパーとするのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の熱間ロール熱衝撃試験装置は、ハウジングと、板状の試験片と、円盤状の相手片とを有する。
本発明の熱間ロール熱衝撃試験装置による熱衝撃試験の概略を模式的に図１に、熱間ロール熱衝撃試験装置全体の構成の概略を模式的に図２に示す。
【００１２】
本発明の熱間ロール熱衝撃試験装置を用いた熱衝撃試験について説明する。
円盤状の相手片２を、所定の温度に加熱し、一定速度で回転駆動する。ついで、図１（ａ）に示すように、回転駆動させたまま、相手片２の円周面を、試験片１の板面表面に上方から、荷重を負荷しながら摩擦接触させる。接触は所定時間継続させるのが好ましい。所定時間接触させたのち、相手片２は引上げられ試験片１から離反される。ついで、図１（ｂ）に示すように、相手片２を引き上げたのち、直ちに冷却装置１７から冷却水を噴射し試験片１  を冷却する。相手片２との摩擦により発熱し高温となった試験片１は、冷却装置１７からの冷却水により急冷され、急熱急冷の熱負荷を与えられる。この熱負荷により、耐熱亀裂性の劣る材料は亀裂を発生する。
【００１３】
試験片１は、板状とし、試験片台３に板面を水平面として取替え可能に固定される。なお、試験片台３はハウジング１３に取外し自在にネジで固設される。
相手片２は、相手片回転軸５の１方の端部に取り付けられ、相手片回転軸５の回転と同期するようにナット止め、またはピン止め、あるいはそれらの両方で止められるのが好ましく、１回の試験が終了後、取り外され、新しい相手片と交換される。
【００１４】
相手片回転軸５は、相手片回転軸軸受５１により支持され、相手片回転軸駆動装置６ｂにより回転駆動され、相手片２を回転させる。相手片回転軸駆動装置６ｂは、モータ６と、モータ６の回転を減速する減速機６１ｂ  と電磁クラッチを有するのが好ましい。図２には、１台の減速機６１ｂ  が図示されているが、これに限定されるものではない。相手片の回転数を任意の回転数に設定するために、モータ６と、変速機、減速機、電磁クラック等を複数配設し、これらの組合せにより高速から低速域まで任意に回転数を変更できる。
【００１５】
また、相手片１に付加されるトルクを測定するため、相手片回転軸５の適当な箇所にトルクメーター６４ｂ  を配設するのが好ましい。その他カップリング等は適宜設置できるのは言うまでもない。
相手片回転軸５を支持する相手片回転軸軸受５１は、上下方向に移動自在のガイド機構をもってハウジング１３に配設される。この相手片回転軸軸受５１を介し相手片２に荷重を負荷することができる。しかもガイド機構により上下方向に移動可能とされるため、相手片の上下方向の移動が簡便にでき、試験片や相手片の交換が容易となる。
【００１６】
相手片２は、相手片加熱装置１５により所定の温度に加熱される。相手片を加熱し試験片に摩擦接触させることが、熱亀裂を発生させるために最も重要である。相手片２を、熱間圧延材相当の温度に加熱されることにより、圧延ロールである試験片１に実圧延相当の熱的負荷を与えることができる。加熱方式はとくに限定されないが、温度制御性の観点からは高周波誘導加熱方式が好ましく、図１に示すように相手片２に沿って付設された加熱コイル１４を介し相手片加熱装置１５により加熱されるのが好ましい。相手片の加熱は、測温計１６により測定され、その出力信号により所定の温度に制御される。
【００１７】
相手片２には、相手片荷重負荷装置１２により、試験片１との接触時に荷重が負荷される。相手片荷重負荷装置１２からの荷重は、負荷レバーの荷重点１２ｄ  から相手片回転軸軸受５１を介し相手片２に負荷される。
本発明では、相手片荷重負荷装置１２は、レバー方式、詳しくは、てこ機構の片持ちレバー方式の荷重負荷装置とするのが好ましい。負荷レバーは、レバー１２ａ  とレバーの各位置に支点１２ｂ  と荷重点１２ｄ  と力点１２ｃ  と、バランスウェイト１２ｅ  を有し、荷重点に圧縮力が負荷されるように設定される。支点１２ｂ  はハウジング１３の天板に接続され、一方、荷重点１２ｄ  にはロット等を介し相手片回転軸軸受５１が接続されるのが好ましい。荷重点１２ｄ  から、相手片回転軸軸受５１に圧縮荷重が伝達され、相手片回転軸５と相手片２を介し接触時に試験片に荷重が負荷される。
【００１８】
相手片荷重負荷装置１２を、レバー方式の荷重負荷装置とすることにより、試験片１と相手片２との接触時の振動が、荷重検出器であるロードセル１１に直接伝達されにくくなり、安定した熱衝撃試験が実施できる。
また、負荷レバーの力点１２ｃ  にはロッド等が接続され、ロッド等には弾性体１０を介して荷重負荷手段９が接続され、あるいはさらに荷重負荷方向に振動吸収手段８が付設されるのが好ましい。
【００１９】
荷重負荷手段９としては、ねじ式荷重負荷手段とするのが好ましく、とくに、サーボモータ９ｂとボールネジ９ａとの組み合わせ方式が好適である。荷重負荷手段と負荷レバーとの間には荷重検出用ロードセル１１を組込むのが好ましい。荷重の制御は、ロードセルフィードバックによるクローズドループ方式とするのが好ましい。
【００２０】
図３に示すように、弾性体１０を介し、荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷すると、まず弾性体１０が圧縮され、これによって生じる反発力によりレバー１２ａに荷重が伝達され、さらに荷重負荷手段９のボールネジ９ａを回転させて荷重を負荷することにより、レバー１２ａ  、相手片回転軸軸受５１、相手片２を介し試験片１に圧縮荷重が負荷されることになる。
【００２１】
荷重負荷手段９に弾性体１０、あるいはさらに振動吸収手段８を配設することにより、試験片と相手片との転動時等に発生する振動を吸収しハンチングを防止して、試験片に一定荷重を負荷することができるようになる。弾性体１０は波長の長い振動を吸収し、振動吸収手段８は波長の短い振動を吸収する。
弾性体１０は、ばね、ゴム、ばね特性を持たせた加工部品等とするのが好ましい。また、振動吸収手段８としては、油圧ダンパ、エアダンパ等とするのが好ましい。
【００２２】
試験片１には、図１に示すように、相手片との接触の入側および／または出側で試験片１を冷却する冷却装置１７が付設される。冷却剤は、水、水溶性潤滑剤、または油とするのが好ましい。試験片１を冷却することにより、図１（ｃ）に示すように、耐熱亀裂性が低い材料の試験片には亀裂が発生し、「絞り圧延」時に熱間圧延作業ロールに発生するクラックへの抵抗性（耐絞りクラック性）をシミュレートすることが可能となる。なお、相手片２と試験片１の回転接触が終了後直ちに試験片１に冷却水を噴射するため、相手片の引上げのタイミングと連動し、冷却水を噴射するのが好ましい。
【００２３】
また、本発明の装置では、相手片と試験片との接触時間を制御する制御装置が配設され、試験片に加えられる熱負荷を調整することができる。
本発明の構成とすることにより、試験片に高温加熱と急冷の熱負荷が再現され、実熱間圧延における「絞り圧延」時の作業ロールの熱衝撃状況に近似した条件で試験が実施でき、ロール材料の耐熱亀裂性の正確な評価が可能となる。
【００２４】
【実施例】
図２に示す構成の熱間ロール熱衝撃試験装置を用いて、高速度鋼系ロール材Ａ、Ｂの熱衝撃試験を実施した。
試験片は、２５ｍｍ厚×６０ｍｍ×３０ｍｍの板状試片、相手片（  Ｓ４５Ｃ  製）は、外径１９０  ｍｍφ×１５ｍｍ幅の円盤状試片を用いた。
【００２５】
熱衝撃試験は、相手片を７００  ℃に加熱し、回転数を２５０  ｒｐｍ  として、回転させながら、負荷荷重を１００ｋｇ  として、試験片に圧接した。３０ｓ  間圧接後、相手片を引上げると同時に冷却装置から冷却水を噴射した。試験後、試験片の断面を観察し、亀裂の有無を観察した。その結果、高速度鋼系ロールＡには亀裂が発生し、高速度鋼系ロール材Ｂには亀裂の発生は認められなかった。この傾向は、実圧延における、各ロールの熱亀裂発生傾向に一致した。
【００２６】
また、比較例として、同一の高速度鋼系ロール材Ａ、Ｂについて、図５に示す試験装置を用いて熱衝撃試験を実施した。試験条件は、相手片の回転数を１００  ｒｐｍ  、相手片を常温とし、負荷荷重を１００ｋｇ  とし、試験片に圧接した。３０ｓ  圧接後、相手片を引上げ、直に冷却装置から冷却水を噴射した。試験後、試験片の断面を観察し、亀裂の有無を観察した。その結果、いずれのロール材にも亀裂の発生は認められなった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、「絞り圧延」時熱間圧延作業ロールに発生する熱亀裂を再現よく発生することが可能であり、熱間圧延ロール材の性能評価を正確にしかも簡便に行うことができ、熱間圧延ロール材の開発を促進するという産業上格段の効果を奏する。試験条件の選択も自由であり、しかも少ない材料で試験実施が可能で、研究開発コストの低減に寄与できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱間ロール熱衝撃試験装置による熱衝撃試験の概要を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の１実施例を示す概略説明図である。
【図３】荷重負荷装置と試験片への荷重負荷状況を示す説明図である。
【図４】従来の熱間ロール熱衝撃試験装置の概略を示す説明図である。
【図５】従来の熱間ロール熱衝撃試験装置の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１    試験片（板状）
２    相手片
３    試験片台
５    相手片回転軸
５１    相手片回転軸軸受
６    モータ
６ｂ    相手片回転軸駆動装置
６１ｂ      減速機
６３      軸受
６４ｂ      トルクメータ
６５    ジョイント
８    振動吸収手段
９    荷重負荷手段
９ａ    ボールネジ
９ｂ    サーボモータ
１０    弾性体（ばね）
１１    ロードセル
１２    相手片荷重負荷装置
１２ａ    レバー
１２ｂ    支点
１２ｃ    力点
１２ｄ    荷重点
１２ｅ    バランスウェイト
１３    ハウジング
１４      加熱コイル
１５    相手片加熱装置
１６      測温計
１７      冷却装置
１８    ラック
１９        ピニオン
２０    噛込み材
２１    錘
２２    試験材
【図１】
0003572335.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003572335.tif 000004
【図４】
0003572335.tif 000005
【図５】
0003572335.tif 000006