(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、
ロール内部からロール表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減し、
且つ前記セラミックス成分の粒子は、前記ロール表面において該粒子が粒成長されて前記ロール内部側に比して粗大化していることを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項２】
請求項１記載の圧延ロールにおいて、前記ロール表面の金属量が、面積率で６％未満に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項３】
請求項１記載の圧延ロールにおいて、前記金属成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．５ｍｍ以上に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧延ロールにおいて、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｍｏ2Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ3Ｃ2またはＶＣの中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス成分であり、かつ、セラミックス量が、
８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ2Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ
＋Ｃｒ3Ｃ2＋ＶＣ
≦９７ｗｔ％
に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧延ロールにおいて、前記ロール表面の硬度がＨＲＡ９１以上であることを特徴とする複合材製圧延ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製圧延ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、回転する二つのロール間に材料（ワーク）を通すことにより、厚さあるいは断面積を連続的に減少させ、所定の寸法あるいは形状等に加工する圧延加工方法が広く行われている。例えば、鉄系材、アルミニウム系材または銅系材等の板、薄板、棒または管等に対し様々な加工が施されている。これらの圧延加工に用いられる工具は、一般的に圧延ロールと総称されており、ガイドロール、ワークロール、サイジングロール、センジミヤロール、タンデムミルロール、ピンチロールおよび３方向ロール等の冷間圧延ロールや、ガイドロール、モルガンロールおよびＮＴブロックミルロール等の熱間圧延ロール等が知られている。
【０００３】
これらの圧延ロールに要求される特性としては、冷間圧延用と熱間圧延用とでは若干異なるものの、高硬度で耐摩耗性に優れること、圧縮強度が高いこと、弾性率が高いこと、摩擦係数が小さいこと、転写機能を有するためにロール自体の鏡面仕上げがし易いこと、弱磁性乃至非磁性を有し圧延により生ずる加工片が付着し難いこと、耐熱性が高いこと、ワークとの反応性が低いこと、および耐酸化性に優れること等が挙げられる。
【０００４】
上記のような要求特性から、圧延ロールの材質としては、高速度鋼、粉末ハイス材、または超硬材等がそのまま、あるいはＰＶＤ、ＣＶＤによる硬質セラミックスコーティング等の表面処理を施して使用されている。
【０００５】
ここで、圧延可能なストリップの厚さｔは、下記式により得られる。
【０００６】
ｔ＝Ｋｄμ（σ−Ｓ）／Ｅ
（但し、Ｋ：比例定数
ｄ：作業ロールの直径
μ：ロールとストリップ間の摩擦係数
σ：ストリップの降伏応力
Ｓ：ストリップの抗張力
Ｅ：ロールの弾性係数）
超硬合金は、鋼に比べて弾性係数（ヤング率）が２倍〜３倍も大きいため、ストリップの厚さｔを比較的薄くすることができ、様々な圧延加工に使用されている。しかも、圧延加工が連続的に行われるため、他の加工分野に比べてロールへの衝撃応力の作用が小さく、脆性材である超硬合金の使用に適している。
【０００７】
しかしながら、超硬ソリッドロールでは、１個の大きさが直径で１０ｍｍ〜１００ｍｍ、長さで５０ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲にまで及んでおり、超硬組み込み式の構造でも、直径で５０ｍｍ〜４００ｍｍ、長さで３０ｍｍ〜５００ｍｍと非常に寸法の大きなものが用いられている。これにより、コスト的にも、操業安定度を高める点からも、より一層の耐摩耗性が要求されている。
【０００８】
さらに、熱間圧延では、ロールの酸化の問題や、ワーク加工片の付着等の問題があり、より一層の耐酸化性および化学的な安定性が求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、均質体の超硬材や鋼材では、剛性や耐摩耗性を確保しようとすると、靱性や強度が低下してしまい、特に、高温下の使用では、熱によるクラックの生成と進展からロールが破損するという不具合が生じてしまう。しかも、均質体であるために、表面に露出する金属が酸化し、ロール表面の荒れ等が発生するという問題がある。その際、ロール表面に硬質セラミックスコーティングを施すことが考えられるが、密着性に問題があり、高負荷応力下や高温下では被膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に供することができなかった。
【００１０】
そこで、実際に圧延加工を行うロール表層近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、ロール内部が高強度を有するロールの開発を検討したところ、本出願人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用することを見い出した。
【００１１】
すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機能を有する複合材製圧延ロールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材製圧延ロールでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、ロール内部からロール表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減している。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬度、強度および靱性とには相関があり、金属成分の割合が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、硬度、耐摩耗性および剛性等は向上するものの脆くなってしまう。一方、この脆さを改善するために、金属成分の割合を多くすると、強度および靱性は向上するものの、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。
【００１３】
そこで、実際に圧延加工を行うロール表面側を高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、内部を高靱性で高強度を有する物性とするとともに、前記表面側と前記内部側との間の組成や物性が緩やかに変化するようにすれば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えた圧延ロールを得ることが可能となる。
【００１４】
このため、ロール表面近傍のセラミックス粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部に向かうに従って小さくし、金属成分がこの粒成長に伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、実際に圧延加工を行うロール表面部分の組成がセラミックスリッチで高耐摩耗性を有し、ロール内部が金属リッチで高強度および高靱性を有するとともに、ロール内部における応力集中を有効に減少させることが可能になる。従って、高速度鋼並み、あるいはそれ以上の高靭性と、超硬に匹敵する耐摩耗性とを有することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０の斜視説明図であり、図２は、前記圧延ロール１０の縦断面説明図である。
【００１６】
圧延ロール１０は、冷間圧延用工具であり、略円柱形状を有している。圧延ロール１０の中央部にロール部１２が形成されるとともに、このロール部１２の両端に小径な支持軸１４が形成される。圧延ロール１０は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されており、ロール内部に金属リッチな金属部２０が設けられるとともに、ロール表面には、セラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２との間には、ロール内部からロール表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられている。
【００１７】
ロール表面のセラミックスに富む高硬度層であるセラミックス部２２は、粒成長促進剤の濃度やその集積濃度により制御可能であって、その厚さが０．１ｍｍ〜数１０ｍｍ単位まで設定可能であるとともに、金属量を０．３ｗｔ％以下に設定することができる。ロール表面の表面露出金属量は、耐酸化性が悪化するために、一般的には少ないほうがよいが、一定温度に保持した後にその酸化増量性を観察したところ、実用的な１０００℃以下の温度範囲では、金属量が１ｗｔ％以下（面積率で２．３％以下）において略飽和傾向となる。従って、得られる傾斜複合材である圧延ロール１０の表面金属量が、面積率で６％未満に設定されると、耐酸化性は従来品に比べて３倍程度向上することになる。
【００１８】
金属成分は、主成分として実用的な周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じてクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）またはモリブデン（Ｍｏ）等が強度向上等を図るとともに、非磁性や弱磁性の観点から混入される。
【００１９】
圧延ロール１０を構成する複合材中のセラミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ２  Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ３  Ｃ２  ）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から選択される少なくとも一種以上を主体とするものであり、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種々のものをその一部に添加してもよい。
【００２０】
セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ２  Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ３  Ｃ２  ＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定され、残部が金属である。これらのセラミックス成分は、圧延ロール１０による圧延加工時に実際に加工を行うロール部１２の表面層を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐酸化性等の性質を備えている。セラミックス成分が９７ｗｔ％を超えると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は十分であるものの、強度および靱性が低くなって折損や欠損が発生し易く、実用に供することが難しい。また、セラミックス成分が８５ｗｔ％未満では、剛性が低下して圧延ロール１０として十分な機能を確保することができず、実用的ではない。
【００２１】
一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％以上、好ましくは、９０ｗｔ％〜９５ｗｔ％では、ロール表面の金属量が０．７ｗｔ％以下となり、その硬度もＨＲＡ９２〜９５となって耐摩耗性を向上させることができる。また、剛性も略６００ＧＰａ以上となり、圧延ロール１０としての機能も十分に確保することが可能になる。さらに、圧延ロール１０の表面金属量が些少であるため、耐熱性、耐酸化性、および化学的安定性に優れるという効果が得られる。
【００２２】
しかも、圧延ロール１０の化学的安定性、耐熱性、剛性および耐摩耗性は、金属量との関係の他、複合されているセラミックス粒子成分とも関係している。例えば、炭化タングステンおよび炭化２モリブデンの耐酸化性は、炭化チタンや窒化チタン等に比べて劣っている。従って、この種の要請に対応するためには、炭化タングステンや炭化２モリブデンに炭化チタン、窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化クロムまたは炭化バナジウムを適宜添加すればよく、その添加量は総量で１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％の範囲内である。添加量が１５ｗｔ％未満では添加効果が得られない一方、４５ｗｔ％を超えると、それらの効果が飽和しており、剛性や強度の低下が惹起されてしまう。
【００２３】
粒成長促進剤は、添加均質性、均一性および濃縮の簡便性等の観点から、イオンとして添加される。その元素種としては、取り扱い性、利便性等の観点から、鉄、コバルト、またはニッケル等がよい。
【００２４】
セラミックス粒子の粒成長は、促進剤濃度、温度、時間およびそれぞれの元素種等によって変化するが、１４００℃で２時間程度の焼結を行うと、初期の大きさの１０倍〜５０倍程度まで拡大する。実際上、２μｍ〜３μｍの初期粉末粒度が２０μｍ〜１００μｍ程度にまで拡大する。この２０μｍ〜１００μｍの範囲は、雰囲気による調整幅であって、雰囲気を一定にすれば、その大きさのばらつきは非常に小さくなり、例えば、８０μｍ〜８５μｍの範囲内に設定される。これにより、粒子の拡大が促進されると、金属が殆ど存在しない状態となり、耐酸化性、耐熱性、耐食性、耐摩耗性、熱伝導性、硬度、剛性、化学的安定性および摩耗係数等、殆ど全ての物性の向上が図られる。
【００２５】
この第１の実施形態では、粒子の成長に伴って強度の向上が図られ、初期状態からその粒成長が２０倍程度までは、従来の均質組成の材料に比べて強度の向上が図られ、粒成長が３０倍程度で同等となる。従って、圧延ロール１０は、従来品に比べて強度の向上が図られることになる。
【００２６】
また、ワークとの摩擦係数μは、圧延ロール１０のロール部１２が硬く、反応性が低く、しかも表面仕上げ精度がよいほど低くなる。従来の微粒子組成の超硬材では、強度が高いが金属量が多くなり、その粒子が鋭角であって摩擦係数μがそれほど低くなかった。これに比べて、この第１の実施形態に係る圧延ロール１０では、その表面側の粒子が粗大化しており、強度が高いことから仕上げ加工によってセラミックス粒子そのものが加工され、金属の露出量が少ないために、摩擦係数μも低くなっている。
【００２７】
さらに、第１の実施形態では、含浸により粒子成長促進剤を導入しているため、圧延ロール１０の形状に沿って均質にセラミックス部２２、傾斜部２４および金属部２０を形成することができる。これにより、機能および性能が向上するとともに、安定的に操業を維持することが可能な圧延ロール１０を得ることが可能になる。
【００２８】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０ａの斜視説明図であり、図４は、前記圧延ロール１０ａの縦断面説明図である。この圧延ロール１０ａは、熱間圧延用工具を構成しており、上述した第１の実施形態に係る圧延ロール１０と同一の構成要素には同一の参照符号に符号ａを付して、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０ｂの斜視説明図であり、図６は、前記圧延ロール１０ｂの縦断面説明図である。この圧延ロール１０ｂは、矯正用工具を構成しており、上述した第１の実施形態に係る圧延ロール１０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
圧延ロール１０ａ、１０ｂでは、図４および図６に示すように、セラミックス部２２ａ、２２ｂ、傾斜部２４ａ、２４ｂおよび金属部２０ａ、２０ｂがそれぞれのロール形状に沿って均質に形成されている。このため、高剛性で耐摩耗性に優れ、耐熱性や耐酸化性にも優れるとともに、化学的安定性を有する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
実施例１
実施例１では、平均粒径が３μｍの炭化タングステン（ＷＣ）と、平均粒径が０．８μｍのコバルト（Ｃｏ）と、平均粒径が０．４μｍのニッケル（Ｎｉ）と、平均粒径が５μｍのクロム（Ｃｒ）とを用意し、ＷＣ−７Ｃｏ、ＷＣ−９Ｃｏ、ＷＣ−１５Ｃｏ、ＷＣ−１０ＭおよびＷＣ−１５Ｍの組成物を得た。
【００３１】
ここで、例えば、ＷＣ−７Ｃｏとは、炭化タングステンが９３ｗｔ％で、コバルトが７ｗｔ％であることを示している。また、ＷＣ−１０Ｍとは、炭化タングステンが９０ｗｔ％に対して、Ｃｏ：Ｎｉ：Ｃｒ＝３：５：２の比率に設定された組成を１０ｗｔ％だけ加えることを意味し、具体的には、炭化タングステンが９０ｗｔ％、コバルトが３ｗｔ％、ニッケルが５ｗｔ％およびクロムが２ｗｔ％である。これらの組成は、一般的な実用超硬合金に相当するものであり、実際に圧延ロール材として用いられている。
【００３２】
そこで、これらの粉末をそれぞれ設定量ずつ計量した後、ヘキサンを媒液として十分混合し、液分が９％になるように乾燥した。そして、成形用バインダの影響を回避するために、バインダレスで金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形圧力にて２０ｍｍ×２０ｍｍ×１２０ｍｍの成形体を作成した。得られた成形体の成形密度は、５３．６％〜５３．８％であり、これら全てを窒素気流中において９００℃で３０分間の仮焼成を行い、仮焼成体を得た。
【００３３】
これらの仮焼成体の中から、ＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１０Ｍを抜き出し、これらに粒成長剤として１０％濃度のＮｉ塩水溶液を用意し、このＮｉ塩水溶液中にそれぞれの仮焼成体を十分に浸漬した後、１３０℃で２時間の乾燥処理を施して、成長剤の濃度勾配を形成させてそれぞれ試料材ＡＯ、ＢＯを得た。また、ニッケル塩水溶液に浸漬した後、１３０℃での乾燥を行わずに粉中に埋設し、水分の蒸発により濃度勾配が生じないようにしたものも用意した。
【００３４】
次いで、これらの試料材に対し、１４００℃で２時間、窒素気流下で焼成処理を施した後、それぞれの表面を片側０．２ｍｍずつ削り落とした試料を得た。一方、それぞれの試料材ＡＯ、ＢＯについても同様の操作を行い、試料ＡおよびＢを得た。
【００３５】
そこで、これらの試料および試料Ａ、Ｂの高温硬さを室温から８００℃まで変化させて測定する実験を行った。その結果が、図７に示されている。ここで、硬さは加工後の表面硬さである。いずれの試料においても、温度の上昇に伴って硬度は大きく低下しており、現状超硬品のＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１５Ｃｏでは、その低下度合いが非常に大きくなった。一方、金属成分がＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ組成の場合、その低下度合いは減少したが、室温硬度が低いものとなっている。
【００３６】
これらの現状超硬合金に対して、ニッケル塩を含浸した試料ＡおよびＢでは、その表面硬度がＨＲＡ９３．４、９２．６と非常に高く、従来品に比べて大きな有利性を有している。さらに、試料ＡおよびＢでは、温度上昇とともに硬度の低下が惹起するものの、現状超硬合金と比較すると、４２０℃での試料Ａおよび３００℃での試料Ｂの硬度が、室温でのＷＣ−７Ｃｏの硬度と同等となっており、加工の実用温度域において、圧延ロールとしての所望の剛性を有効に維持することが可能になる。これは、粒成長に伴って、ロール表面近傍のセラミックス粒子が大きくなったことと、それに伴って金属量が低減したことと、粒成長が傾斜的に変化したこと等に起因するものである。従って、実施例１により得られる圧延ロールは、従来品に比べて顕著な効果を有することになる。
【００３７】
図８は、相手材として低炭素鋼を用いた摩擦試験の結果を示している。この種の摩耗試験では、ＳＫＤ材の場合に摩耗が大きく、滑り距離が８０ｍ程度で既に３０×１０−３ｍｍ３  となるが、現状超硬合金であるＷＣ−７Ｃｏを用いると、その摩耗量が１／２０程度に減少している。さらに、試料Ａでは、ＷＣ−７Ｃｏの１／５程度の摩耗量となり、ＳＫＤ材と比べると、耐摩耗性が１００倍程度向上し、現状ロール材であるＷＣ−７Ｃｏに比べても、５倍以上に向上するという結果が得られた。
【００３８】
図９には、試料Ａ、Ｂの中央部を切断した後に研磨し、その硬度変化を表面から内部に向かって測定した結果が示されている。試料Ａ、Ｂの断面は、成形時に２０ｍｍ×２０ｍｍであったが、焼結による密度の向上とともに縮小し、その大きさが１６ｍｍ×１６ｍｍ程度となっている。試料Ａ、Ｂは、共にその表面からの均質厚さが略１ｍｍ程度であり、その後連続的に硬度が減少している。傾斜層厚さは、表面からいずれも７ｍｍ程度であって、表面と内部との硬度差は、ＨＲＡ７程度となった。
【００３９】
ここで、試料ＡおよびＢの金属露出量は、それぞれの表面において面積率で０．６％および１．０％であった。強度的には、ＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１０Ｍの抗折強度が２．３ＧＰａ〜２．５ＧＰａおよび１．７ＧＰａ〜２．１ＧＰａであるのに対し、含浸操作を行うとともに、濃度勾配をつけなかった焼結体の強度が３．２ＧＰａ〜３．４ＧＰａおよび２．７ＧＰａ〜２．９ＧＰａとなって、３０％〜４０％の改善が見られた。これは、傾斜組成にしたものについても同様であり、粒子と金属および粒子と粒子の結合力が増大したことに起因している。
【００４０】
ヤング率に関しては、ＷＣ−７Ｃｏが５８０ＧＰａ〜６００ＧＰａであるのに対して、６２０ＧＰａに向上し、さらに傾斜化した場合には、６４０ＧＰａ近くまで向上していた。圧延ロールによる成形に際して、ヤング率の向上は非常に大きな効果を有するものであり、圧延加工にとって大きな効率の向上が図られることになる。
【００４１】
しかも、ロール形状に沿って高硬質部であるセラミックス部２２、２２ａおよび２２ｂと傾斜部２４、２４ａおよび２４ｂが形成されるため、支持軸１４、１４ｂまで高剛性化を図ることができ、加工効率の向上とともに圧延ロール自体の強靱化が容易に図られる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る複合材製圧延ロールでは、ロール内部からロール表面に向かうに従って、複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行うロール表面部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、ロール内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、耐用性に優れるとともに、製品精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図２】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図４】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図６】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図７】ロール材の温度と硬度との関係説明図である。
【図８】滑り距離と摩耗量の関係説明図である。
【図９】表面からの距離と硬度の関係説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ…圧延ロール  １２、１２ａ、１２ｂ…ロール部
１４、１４ｂ…支持軸              ２０、２０ａ、２０ｂ…金属部
２２、２２ａ、２２ｂ…セラミックス部
２４、２４ａ、２４ｂ…傾斜部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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