(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料からなる中空形状の内層の外周に、外周面に圧延成形部を形成した超硬合金からなる外層が金属接合した超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記内層がCを0.75〜1.2質量％、Niを1.9〜7.5質量％、Crを0.01〜3質量％、Moを0.01〜1.5質量％、Siを0.5〜2質量％、Mｎを0.1〜0.9質量％、残部鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする超硬合金製複合スリーブロール。
【請求項２】
前記外層と内層の境界部の引張強度が600MPa以上であることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製複合スリーブロール。
【請求項３】
前記外層と内層の境界部の疲労強度が200MPa以上であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の超硬合金製複合スリーブロール。
【請求項４】
前記超硬合金からなる外層が、WCを70〜88質量％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超硬合金製複合スリーブロール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の超硬合金製複合スリーブロールをロール軸材の外周に着脱可能に組み付けたことを特徴とする超硬合金製複合スリーブロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線材、棒材などの金属材料の圧延に使用される超硬合金製複合スリーブロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
線材や棒材などの金属材料を圧延する場合、靱性に優れる金属材料からなる内層の外周に、耐摩耗性に優れた炭化タングステン（WC）系超硬合金からなる外層を備えた超硬合金製複合スリーブロールが用いられている。スリーブロールはロール軸材の外周に嵌合され、締付部材による締付けや焼嵌め等により着脱可能に組み付けられている。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、WCをCo、Ni、Crなどの金属元素で結合した焼結合金である。
【０００３】
例えば、特許文献1には、所定の有効肉厚を有するリング状超硬合金の内周にその肉厚が0.3〜5ｍｍの鋳鉄製リングを圧入し、該鋳鉄製リングの内周に円柱または円筒状の鋼材を冷し嵌めし、しかる後、還元性や中性の雰囲気または真空中で鋳鉄の融点を越えない温度によって処理し、鋳鉄を外周側の超硬合金と内周側の鋼材に相互拡散せしめて前記三つの金属を一体化した超硬合金製複合ロールが記載されている。特許文献1に記載の発明によれば、難加工性の超硬合金をロールの所要作用面のみとし、他を超硬合金に比べ安価で軽く剛性に富み機械加工が容易な鋼材を超硬合金に接合し割損が少なく軽量で加工コストと材料費の低減を可能とすることができる。
【０００４】
特許文献2には、シャフトの外周に圧延加工に供するリングを嵌合固定してなる圧延ロールにおいて、前記リングを、超硬合金からなる外側リング部と、鋼等の超硬合金以外の材質からなり、前記外側リング部の内周に嵌合固定された内側リング部とから構成し、しかも前記内側リング部の内周と前記シャフトの外周とに互いに嵌まり合うキー部を形成した圧延ロールが記載されている。特許文献2に記載の発明によれば、リングが割損することなく、そのスリップ事故を確実に防止でき、しかも圧延ロールの製造費の低減およびリングの締付け作業の軽減を図ることができる。
【０００５】
特許文献3には、靭性の優れた鋼材で形成された円筒状のリング基体と、該基体の外周面に形成された環状の凹溝に充填された超鋼材若しくは高速度鋼等の耐摩耗性に優れた高合金鋼材の粉末が熱間静水圧加圧により焼結されると共に、凹溝内面に拡散接合された圧延用環体とからなる複合リングロールが記載されている。特許文献3に記載の発明によれば、圧延材と接する部分はＷＣ系超硬材等で形成されているにも拘らず、リング基体は鋼材であるため加工性が良く、また強靭であり溶接性も良好という効果がある。
【０００６】
特許文献4には、C：0.5重量％以上を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、WC系超硬合金からなる外層材が実質的に直接に金属接合された圧延用複合ロールであって、JIS R1601に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が600MPa以上である圧延用複合ロールが記載されている。特許文献4に記載の発明によれば、境界接合部に脆弱なη相がなく、信頼性の高い境界接合部を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−６８４８８号公報
【特許文献２】特開昭６０−２４２０８号公報
【特許文献３】特公平５−５５２０２号公報
【特許文献４】特開２００３−２７５８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の超硬合金製複合スリーブロールは、超硬合金からなる外層は耐摩耗性に優れ、鋼材からなる内層は靭性に優れ、機械加工しやすい等の利点を有する。しかしながら、特許文献1は、リング状超硬合金に鋳鉄製リングを圧入した後、鋳鉄製リングの内周へ円筒状の鋼材を冷し嵌めするため、圧入と冷し嵌めといった二段階で締め代が設けられることになり、接合一体化が煩雑であり、強固な接合を得難かった。
【０００９】
特許文献2は、超硬合金からなる外側リング部と、鋼材からなる内側リング部を機械的に嵌合固定するため、外側リング部と内側リング部の接合が十分に強固であるとはいえず、外側および内側リング部が相対的に移動しずれてしまうおそれがあった。
【００１０】
特許文献3は、鋼材からなるリング基体（内層）の外周面に超硬合金を拡散接合するため接合が強固であるが、鋼材の内層の外周面に超硬合金を拡散接合すると、炭素活量の高い超硬合金の外層から内層に炭素が拡散移動するため、接合境界部にη相が出現し材質が脆化する。このため、外層と内層の接合信頼性が十分でない場合があり、接合後に外層が接合部分から剥離しやすい課題があった。特許文献4は、内層の残留応力が高くなりすぎて、内層が破壊しやすい課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題について鑑み、靱性に優れる鉄系材料からなる内層と超硬合金からなる外層の接合信頼性が改善された超硬合金製複合スリーブロールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールは、鉄系材料からなる中空形状の内層の外周に、外周面に圧延成形部を形成した超硬合金からなる外層が金属接合した超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記内層がCを0.65〜1.2質量％、Niを1.8〜7.5質量％含有する鉄系材料からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記内層がCrを3質量％以下、Moを1.5質量％以下含有することが好ましい。
【００１４】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記内層がCr、Ni、Mo、V、W、Ti、Nbのいずれか一種以上を合計で1.0質量％以上含有することが好ましい。
【００１５】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記外層と内層の境界部の引張強度が600MPa以上であることが好ましい。また、前記外層と内層の境界部の疲労強度が200MPa以上であることが好ましい。
【００１６】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記超硬合金からなる外層が、WCを70〜88質量％含有することが好ましい。
【００１７】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールをロール軸材の外周に着脱可能に組み付けることにより構成したロールであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の靱性に優れる鉄系材料からなる内層と超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合スリーブロールによれば、長期間の圧延にも適用できる、接合信頼性の向上した超硬合金製複合スリーブロールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の超硬合金製複合スリーブロールの概略断面図である。
【図２】本発明の超硬合金製複合スリーブロールを軸材に組み付けた例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の超硬合金製複合スリーブロールを拡散接合法により製造する方法を説明するための図面である。
【図４】本発明の超硬合金製複合スリーブロールをＨＩＰ法で接合する製造方法を説明する概略断面図である。
【図５】本発明の実施例１及び実施例２における接合方法を説明する図面である。
【図６】本発明の実施例２の引張試験片を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施するための形態を具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識にも基づいて、以下の実施形態に適宜変更、改良が加えられたものも本発明の範囲内に含まれる。
【００２１】
図１は本発明の超硬合金製複合スリーブロールの概略断面図である。本発明の超硬合金製複合スリーブロール１は、超硬合金製の外層2と鉄系材料からなる中空形状の内層3とを直接、金属接合したものである。外層2の外周面の一部に、被圧延材が接触する凹溝状の圧延成形部2ａを形成する。内層3は中空部5を有する。3ａは内層3の内周面である。4は外層2と内層3が接合された境界部である。１対の超硬合金製複合スリーブロールの間に金属材料からなる棒線などの被圧延材を通過させ圧延が行われる。
【００２２】
（１）外層
本発明の超硬合金製複合スリーブロールの超硬合金からなる外層2は、公知の材料であり、硬質粒子であるWCをCo、Ni、Cr、Feなどの金属元素を結合相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ある。外層の耐摩耗性および機械的強度を両立させる観点から、WCの平均粒径は3〜10μｍ、WCの含有量は70〜88質量％が好ましい。WC含有量の下限は72質量％がより好ましい。WC含有量の上限は85質量％がより好ましい。外層１の最大厚さは、圧延使用により、徐々に摩耗することを考慮して、5〜50ｍｍの範囲に設定される。
【００２３】
（２）内層
本発明の超硬合金製複合スリーブロールの内層3は、C（炭素）を0.65〜1.2質量％、Niを1.8〜7.5質量％含有する鉄系材料とする。
【００２４】
超硬合金からなる外層と鉄系材料からなる内層を接合する際には、両者の炭素活量の差により、焼結接合時に接合界面において炭素が拡散移動し、超硬合金の炭素活量の方が高い場合には、接合界面付近の超硬合金から炭素が内層側に拡散するので、超硬合金内の炭素が低下することが知られている。その結果、低炭素組成の炭化物であるη相がこの部分に出現し、超硬合金の機械的強度が劣化することがある。
【００２５】
超硬合金と鉄系合金との接合実験を各種鉄系材料からなる内層を用いて鋭意行った結果、内層の炭素含有量が0.65重量％以上であれば超硬合金からの炭素の拡散は殆どなく、η相の発生を確実に防止できることを確認した。内層の炭素含有量が1.2％を超えると、外層2と内層3の境界部4に有害な黒鉛が発生して接合強度が低下する。内層の炭素含有量の下限は、0.7質量％がより好ましく、0.75質量％がさらに好ましい。内層の炭素含有量の上限は、1.0質量％が好ましい。
【００２６】
また、内層がNiを1.8〜7.5質量％含有する鉄系材料とすることにより、接合後の内層の内部残留応力の制御が可能であり、内層自体の強度確保が可能であることを確認した。Niが1.8質量％未満の場合は、内層の残留応力が高くなりすぎて、内層が破壊することもあるからである。また、Niが7.5質量％を超えると内層の強度が低くなるためであり、後述する外層と内層の境界部の引張強度600MPaが確保できなくなるためである。Ni含有量の下限は、1.9質量％がより好ましく、2質量％が更に好ましい。Ni含有量の上限は、6質量％が好ましく、5質量％がより好ましい。
【００２７】
以上説明したように、内層3のC（炭素）を0.65〜1.2質量％、Niを1.8〜7.5質量％含有する鉄系材料とすることにより、十分な接合強度を持つ超硬合金製複合スリーブロールを得ることができる。
【００２８】
内層3は、Crを3質量％以下、Moを1.5質量％以下含有することが好ましい。Crが3質量％を超えると、内層の硬度が高くなりすぎて、脆くなり、内層が破壊することもあるからである。Cr含有量の下限は、0.01質量％が好ましく、0.03質量％がより好ましい。Cr含有量の上限は、1.5質量％がより好ましい。Moが1.5質量％を超えると、内層の硬度が高くなりすぎて、脆くなり、内層が破壊することもあるからである。Mo含有量の下限は、0.01質量％が好ましく、0.05質量％がより好ましい。Mo含有量の上限は、1質量％がより好ましい。
【００２９】
更に、内層3は、Siを0.5〜2質量％、Mnを0.1〜0.9質量％含有することが好ましい。内層3のSiは、脱酸効果があり、焼き入れ硬化性を高める作用があるため、0.5質量％以上が好ましいが、2質量％を超えると靱性が劣化することもあるため、2質量％以下が好ましい。また、同様に、内層3のMnは、脱酸効果があり、焼き入れ硬化性を高める作用があるため、0.1質量％以上が好ましいが、0.9質量％を超えると靱性が劣化することもあるため、0.9質量％以下が好ましい。更に、内層3は不可避不純物として、V、Nb、Co、W、Cu等を含んでもよい。
【００３０】
本発明の超硬合金製複合スリーブロールにおいて、前記外層と内層の境界部の引張強度が600MPa以上であることが好ましい。外層と内層の境界部の引張強度が600MPa 以上であれば、長期間の圧延に使用した場合であっても、外層と内層が剥離することを防ぐことが可能になるからである。外層と内層の境界部の引張強度は700MPa 以上がより好ましい。
【００３１】
また、前記外層と内層の境界部の疲労強度が200MPa 以上であることが好ましい。この疲労強度とは引圧疲労強度のことをいう。外層と内層の境界部の疲労強度が200MPa 以上であれば、接合後に、外層と内層が剥離することを防ぐことが可能になるからである。外層と内層の境界部の疲労強度は250MPa 以上がより好ましい。
【００３２】
（３）接合
本発明の超硬合金製複合スリーブロールは、超硬合金からなる外層と、Cを0.65〜1.2質量％、Niを1.8〜7.5質量％含有する鉄系材料からなる内層を金属接合した構造である。従って、外層及び内層の界面が隙間なく接合していれば良く、拡散接合法、ＨＩＰ法などの方法を用いて接合することができる。
【００３３】
［拡散接合法］
図３は本発明の超硬合金製複合スリーブロールを拡散接合法により製造する方法を説明するための図面である。
【００３４】
図３に示すように、中空円筒状の内層3を基台11の上に載置する。別に準備した超硬合金製の外層2を受台12に載置し、内層3の外周側に配置、嵌合する。超硬合金製の外層2は、鉄系材料である内層3に比べて熱膨張係数が小さいため、接合温度に加熱された際に外層2と内層3の界面に適切な面圧が作用するよう、室温での配置時には隙間を形成しておく。その後、外層2及び内層3を、図３のように配置した状態で、不活性ガス、還元ガス、減圧および真空のうちのいずれかの雰囲気で加熱して拡散接合を行い、外層2と内層3が拡散接合された超硬合金製複合スリーブロールを得る。拡散接合の接合温度は1000〜1320℃である。前述のように、超硬合金製の外層2は、鉄系材料である内層3に比べて熱膨張係数が小さいため、接合温度が1000℃未満であると、外層2と内層3の間の面圧が不足して、十分な接合強度が得られないこともあるからであり、接合温度が1320℃を超えると、超硬合金製の外層2が接合中に溶融することもあるからである。より好ましい接合温度は1100〜1300℃であり、更に好ましい接合温度は1200〜1260℃である
【００３５】
外層2と内層3の嵌合は、これらの部材の熱膨張係数や変形能を考慮して、接合温度に加熱された際に部材間に空隙がなく、部材同志が密接するように設定する。必要に応じて、外層2の外側に、内層3の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することにより、内層の熱膨張を拘束する拘束部材14を配置する。このような拘束部材14を配置することにより、外層2と内層3の拡散接合を確実に行うことができる。拘束部材14としては、外層2及び内層3より熱膨張係数が小さく、接合温度において一定の強度を有し、塑性変形しにくい材料であれば良く、例えば黒鉛、アルミナなどが使用できるが、加工の容易さから黒鉛が好ましい。
【００３６】
得られた超硬合金製複合スリーブロール体9の外層2の外周面の一部に凹溝状に圧延成形部2ａ等を機械加工して超硬合金製複合スリーブロール1を製作する。ここで、図２は本発明の超硬合金製複合スリーブロールを軸材に組み付けた例を示す概略断面図である。図２において、一方側にフランジ部6ａを設けた軸材6の外周に、フランジ部6ａに接するように固定用リング7を嵌めて固定する。次に軸材6の外周に超硬合金製複合スリーブロール1を嵌合する。次に軸材6の外周に固定用締結リング8を挿入してねじ締結することにより超硬合金製複合スリーブロール1を固定して超硬合金製組立ロール10を着脱可能に組み立てる。軸材6の外周に超硬合金製複合スリーブロール1を嵌合するには焼嵌めや、内層3の内周面および軸材6の外周面にキー溝を設けてキーで嵌合固定してもよい。
【００３７】
［ＨＩＰ法］
図４は、本発明の超硬合金製複合スリーブロールをＨＩＰ法により製造する場合の方法を説明する概略断面図である。図４において、円筒状のＨＩＰ缶15の中央に、中空円筒状の内層3を配置する。内層3の外面と、ＨＩＰ缶15の内面との間に形成された空隙に、外層2として、超硬合金の焼結体または仮焼結体からなるスリーブを配置する。ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封し、真空ポンプで脱気処理を実施後、ＨＩＰ装置により、ＨＩＰ処理を行う。ＨＩＰ処理の温度は1100〜1300℃、圧力は100〜140MPaが好ましい。冷却後、ＨＩＰ缶を機械加工で除去し、内層3の外周に超硬合金からなる外層2が接合された超硬合金製複合スリーブロール体9を得ることができる。なお外層は、内層3とＨＩＰ缶15の内面との間の空隙に超硬合金粉末を充填することにより形成することも可能である。
【００３８】
前述同様に、得られた超硬合金製複合スリーブロール体9の外層2の外周面の一部に凹溝状に圧延成形部2ａ等を機械加工して超硬合金製複合スリーブロール1を製作する。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の実施例に基づいて詳細に説明するが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
表１に示す特性を有する超硬合金からなり、外径20ｍｍ、厚さ20ｍｍの円柱状の外層材試験片31を準備した。一方、表２に示す組成を有する鉄系材料からなり、外径30ｍｍ、長さ25ｍｍの円柱状の内層材試験片32を5種類（内層1〜5）準備した。これらの外層材試験片31、内層材試験片32を図５に示すように積み重ね、黒鉛製治具34に収めた後、積み重ねた面に圧力Pを加えた状態で、真空中、表２に示す条件で接合して、試験Ｎｏ.1〜5の接合試験片35を作製した。その後、得られた接合試験片35の接合境界の観察を行った。
【００４１】
試験Ｎｏ.1および試験Ｎｏ.4の接合試験片では、内層材試験片32と外層材試験片31の接合境界にη相や黒鉛の発生が抑えられていたため、接合強度が十分高く接合信頼性が高いものである。試験Ｎｏ.3の接合試験片では、内層材試験片32と外層材試験片31の接合境界に黒鉛が発生していたため、接合強度の低いことが想定される。また試験Ｎｏ.2および試験Ｎｏ.5の接合試験片では、内層材試験片32と外層材試験片31の接合境界にη相が確認されたため、接合強度の低いことが想定される。
【００４２】
【表１】
0006489405.tif 000002
【００４３】
【表２】
0006489405.tif 000003
【００４４】
（実施例２）
外層材として表１に示す特性を有するφ25ｍｍ×75ｍｍの試験片、内層材として表2に示す内層1を使用しφ25ｍｍ×75ｍｍの試験片を２種類準備した。これらの外層材試験片41、内層材試験片42を、図５に示す方法と同様に、黒鉛製治具に収めた後、積み重ねた面に圧力を加えた状態で、真空中、表３に示す条件で接合して試験Ｎｏ.6及び7の接合試験片45を作製した。得られた接合試験片45から、図６に示すような引張試験片46を作製した。引張試験片46の直径6.3ｍｍ、標点距離19ｍｍとし、標点間の中央に境界接合部が存在するようにした。得られた引張試験片46を用いて、引張強度試験、疲労強度（引圧）試験を行った。
【００４５】
試験結果を表３に示す。試験Ｎｏ.6の引張試験片46では、引張強度、疲労強度共に、試験Ｎｏ.7の引張試験片46より、高い値が得られ、且つ引張強度は600MPa 以上、疲労強度は200MPa が得られた。
【００４６】
【表３】
0006489405.tif 000004
【００４７】
（実施例３）
表１に示す特性を有し、外径360ｍｍ、内径313ｍｍ、全長280ｍｍの中空円筒状の外層2を準備した。また、表４に示す組成を有する鉄系合金（内層6）からなり、外径312ｍｍ、内径245ｍｍ、全長320ｍｍの内層3を準備した。更に外径600ｍｍ、内径361.7ｍｍ、全長350ｍｍの中空円筒状で、黒鉛からなる拘束部材14を準備した。各部材を図３に示すように、黒鉛からなる基台11の上に配置された円筒形状の内層3の外周側に外層2を配置し、外層2の外周側に中空円筒状の黒鉛からなる拘束部材14を配置した。これらの部材を、図３のように配置した状態で、真空炉の中に配置し、1250℃の温度で接合を行い、試験Ｎｏ.8の超硬合金製複合スリーブロール体9を作製した。得られた超硬合金製複合スリーブロール体9の外層2の外周面の一部に図1に示すような凹溝状の圧延成形部2ａ等を機械加工して超硬合金製複合スリーブロール1を作製した。
【００４８】
【表４】
0006489405.tif 000005
【００４９】
接合処理後、外層、内層の端部の目視検査、接合面全域の浸透探傷検査を行った。その結果、接合面全域にわたって境界の欠陥は観察されなかった。また、外層、内層の剥離も認められなかった。
【符号の説明】
【００５０】
1  超硬合金製複合スリーブロール、2  外層、  2ａ  圧延成形部、  3  内層、
3ａ  内層の内周面、  4  境界部、  5  中空部、  6  軸材、  6ａ  フランジ部、
7  固定用リング、  8  固定用締結リング、  9  超硬合金製複合スリーブロール体、
10  超硬合金製組立ロール、
11  基台、  12  受台、  14  拘束部材、  15  ＨＩＰ缶、
31、41  外層材試験片、  32、42  内層材試験片、
34  黒鉛製治具、  35、45  接合試験片、  46  引張試験片
【図１】
0006489405.tif 000006
【図２】
0006489405.tif 000007
【図３】
0006489405.tif 000008
【図４】
0006489405.tif 000009
【図５】
0006489405.tif 000010
【図６】
0006489405.tif 000011