(57)【要約】    【課題】  外部からの圧力によっても凹み痕が生じにくいような耐圧痕性と耐磨耗性を備えた、ロールの提供。    【解決手段】  ロールの母材表面に第１層目として自溶合金を溶射被覆して第１溶射皮膜３を形成し、第２層目として第１溶射皮膜３の表面上に積層して自溶合金を溶射被覆して第２溶射皮膜を形成した、２層構造のロールとする。これによって、ロール表面に局所的な圧力が加わった場合にも、ロール表面内側の第１溶射皮膜３が十分な硬さを有しているため、ロール表面を形成する第２溶射皮膜に、凹みや割れが生じにくい耐圧痕性及び耐磨耗性の高いロールを提供できる。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロール母材の表面上に自溶合金溶射法により形成されるショア硬さＨｓ７５以上の第１の自溶合金溶射皮膜と、
前記第１の自溶合金溶射皮膜上に自溶合金溶射法により形成されるショア硬さＨｓ７５以上の第２の自溶合金溶射皮膜とを有することを特徴とする耐圧痕性に優れたロール。
【請求項２】
前記第１の自溶合金溶射皮膜は、Ｃを０．６〜１．０重量％、Ｓｉを１．５〜５．５重量％、Ｂを２．５〜４．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕを２０〜３０重量％含み、残部がＮｉ又はＣｏからなる自溶合金で構成され、前記第２の自溶合金溶射皮膜は、炭化タングステンを２０〜４０重量％、Ｃを０．４〜１．０重量％、Ｓｉを１．５〜５．５重量％、Ｂを２．５〜４．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕを２０〜３０重量％含み、残部がＮｉ又はＣｏからなることを特徴とする請求項１に記載の耐圧痕性に優れたロール。
【請求項３】
前記第１の自溶合金溶射皮膜の厚みが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍであり、前記第２の自溶合金溶射皮膜の厚みが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の耐圧痕性に優れたロール。
【請求項４】
前記第１及び第２の自溶合金溶射皮膜の厚みの合計が３．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の耐圧痕性に優れたロール。
【請求項５】
該ロールは、表面にスケールが存在する鋼板を加圧して搬送するロールであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の耐圧痕性に優れたロール。
【請求項６】
該ロールは、表面に凹凸部が形成された鋼板を加圧して搬送するロールであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の耐圧痕性に優れたロール。
【請求項７】
前記母材と前記第１の自溶合金溶射皮膜との間および前記第１の自溶合金溶射皮膜と第２の自溶合金溶射皮膜との間に拡散層を有し、前記母材及び前記第１、第２の自溶合金溶射皮膜同士が密着していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の耐圧痕性に優れたロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板を加圧する耐圧痕性に優れたロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性や耐食性に優れたロール等の金属部品を提供するために、自溶合金溶射法によって、部材の表面に溶射皮膜を形成する方法が知られている。
【０００３】
ここで自溶合金とは、Ｎｉ基、Ｎｉ−Ｃｒ基又はＣｏ基の合金にＢとＳｉを１％から数％程度添加して構成されるもので、耐摩耗性、耐食性などに優れている。この自溶合金の粒子を、被覆対象物の表面に衝突させて、凝固させ堆積させることで、表面に皮膜が形成された機械部品や摺動部材等を製造することができ、このような皮膜を有することによって耐摩耗性、耐食性に優れた部材等を提供することができる。また、自溶合金を溶射し皮膜を形成した後、燃焼バーナなどを用いて、さらに加熱再溶融処理（フュージング）を施すことにより、皮膜と母材との密着力が高く、耐食性に優れた緻密な膜を形成することができる。
【０００４】
さらに自溶合金は、摺動摩耗や腐食摩耗が起こりやすい部品などのメンテナンスを極力軽減し、メンテナンスによる生産休止を無くすことができるような、非常に高い耐摩耗性や、溶けた鋼板が付着しにくい耐焼付性を有する材料として、様々な部品や部材に用いられている。
【０００５】
この自溶合金の溶射皮膜が被覆された部品・部材として、特許文献１には母材と皮膜との界面近傍の耐食性の低下を防止する組成の溶射材料を、自溶合金溶射技術を用いて被覆した耐食・耐摩耗部品が提案されている。化学プラント工場などで使用する、摺動部材等には、皮膜の耐食性の観点からＮｉ基自溶合金が使用されてきたが、溶射皮膜と界面近傍に形成される微細な炭化物層が腐食の原因となって、皮膜と母材とが剥離してしまうという問題があった。そこで、母材と接する溶射皮膜部分に炭素を比較的多く固溶できるＣｏあるいはＦｅを適量添加した自溶合金を用いることで母材側へのＣの拡散量を減少させ、微細炭化物の密集した層を形成させないことで、局部腐食を抑制する耐酸性の高い部品・部材を提供するものである。
【０００６】
さらに、特許文献１には、２層の溶射皮膜が形成された部材が開示されている。具体的には、母材と接する第１層目に、上述の母材との界面近傍の耐食性を高めることができるＣｏ、Ｆｅを添加した溶射材料を溶射して皮膜を形成し、この第１層目の上にさらに耐食性、耐摩耗性を考慮して使用用途に合わせた組成の自溶合金溶射材料を溶射皮膜するものである。
【０００７】
また、特許文献２には、耐摩耗性及び耐食性に優れ、寿命が長く、製作コストの低減を図ることのできる、自溶合金の溶射皮膜を被覆したゴム混練機用ロータが提案されている。タイヤやコンベヤーベルト等の耐摩耗性や可撓性が必要な材料には、摩耗に強い硬質な添加物や塩素を含む離型剤等を加え、混練機で十分練りこみ成形して使用している。そのため、ゴムを練る混練機用ロータには、上記の硬質な添加物による摩耗や、離型剤による腐食に耐え得るような性質が要求される。そこで、文献２に記載の発明は、ロータ母材表面に自溶合金を溶射して皮膜を形成した、耐摩耗性、耐食性の高いゴム混練機用ロータを提案するものである。文献２に記載の自溶合金溶射材料には、クロムやホウ素、珪素等を加えたＮｉ基自溶合金又はＣｏ基自溶合金を使用するものや、更に耐摩耗性を向上させる目的で炭化タングステン（ＷＣ）を含ませた上記自溶合金を溶射して、皮膜を形成することも提案されている。
【０００８】
さらに、母材との密着を高めるとともに、表面の耐摩耗性も高めるために、それぞれ組成の異なる自溶合金溶射材料を溶射して、複層の自溶合金溶射皮膜を形成することも記載されている。これは、炭化タングステンを含んだ溶射皮膜は、硬く耐摩耗性に優れている一方で、脆いため亀裂が生じやすく母材との接合強度が弱いため、母材と接触する第１層目に用いた場合には皮膜が母材から剥離してしまう等、ロールの寿命が短くなってしまうという欠点がある。そこで、母材と接する第１層目には、炭化タングステンを含まないＮｉ基又はＣｏ基自溶合金の溶射皮膜を形成し、ロール表面を形成する２層目あるいは最も外側に位置する層には耐摩耗性に優れた炭化タングステンを含むサーメットからなる溶射皮膜を形成している。
【０００９】
以上いずれの文献に記載の発明も、部材・部品表面の耐摩耗性、耐食性を高めるとともに、母材と溶射皮膜との耐剥離性や耐食性を高めるために、自溶合金溶射材料の組成を用途に合わせて変更したり、各層ごとに目的に合わせた自溶合金溶射材料を使用し、２層又はそれ以上の積層構造として皮膜を形成することが記載されている。
【００１０】
一方、本発明に係るロールが使用される鋼板の製造工程には、熱延工程や酸洗工程などがある。熱延工程において熱延されたコイル鋼板は、そのまま建築用などの材料として黒皮付き、すなわち表面に熱延スケールが付着した状態で出荷される。また、酸洗工程において塩酸などを用いて熱延スケールを除去した後に、冷延工程に送られて製品となる場合もある。
【００１１】
上記熱延工程においては熱延された鋼板は巻き取りロールによってコイル状に巻き取られ、一旦冷却される。その後コイルをほどいて表面を磨くスキンパスライン、あるいは切断してパイラーにするシャーラインなどの熱延後の精整工程を通して熱延鋼板として供給される。また、熱延鋼板をさらに薄く圧延する場合には熱延工程後に冷延工程に送られるが、冷延工程では巻取りロールに巻き取られたコイル鋼板を引き出して、ピンチロール、レベリングロールなどのプロセスロールを介して切断部に導いて切断し、切断されたコイル鋼板を溶接した後に、酸洗槽内の塩酸に浸水させて熱延スケールを選択的に除去している。また、酸洗以外にもデスケーリング装置によって、熱延スケールを機械的に除去することも行われている。
【特許文献１】特開２００５−２７２９９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２７７８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このような鋼板の熱延・酸洗等の工程では、酸洗槽の塩酸に浸水される前のコイル鋼板に形成された堆積スケールや、デスケーリング装置によって鋼板表面から取り除かれたスケール小片などが発生し、これらがピンチロールやレベリングロールと鋼板との間に存在し当接すると、ロールの当接箇所にこのスケールにより圧痕が形成されるおそれがある。
【００１３】
また、上記工程の間に設けられた切断処理によってバリが生じたり、溶接処理の際に鋼板表面にスケールが生じたりし、これらのバリやスケールがロールに当接して、ロールの当接箇所に圧痕が形成される場合もある。特に、酸洗冷延工程では鋼板を常温で処理するため熱延材の場合に比べ、圧力を加える対象物である鋼板の強度・硬さが高く、局所的に過大な圧力を受ける場合がある。
【００１４】
その他、ワークロールの胴長より短い胴長の分割バックアップロールが配備されているプレッシャーロールでは、ワークロールがバックアップロールの端角から集中面圧を受けることがある。また、熱延鋼板でも縞鋼板やスパングル鋼板のように表面に凹凸を有している場合には、鋼板を加圧するロールが局所的な圧力を受け、鋼板の凹凸部との当接箇所に圧痕が形成される恐れがある。
【００１５】
このような、局所的な圧力による圧痕の発生は、部材の表面が耐摩耗性について十分な硬さや強度を有していたとしても、十分に防ぐことができないものである。
【００１６】
しかし、上記の特許文献には、自溶合金溶射皮膜が表面に形成された部材は耐摩耗性が高い、または薬品等によって腐食が起こりにくいように耐食性に優れているという効果については記載されているが、ロールの外部から局所的に大きな圧力が加わった場合に凹み等の変形が起こらないような構造や構成を備えること、即ち耐圧痕性については考慮されていない。
【００１７】
これは、文献１や２に記載の摺動部材や混練用のロールなどは、摺動の際や混練物との間に生じる摩耗、薬品による腐食といった問題は生じるが、局所的に大きな圧力が加わることがないため、部材表面の耐摩耗性や硬度、部材表面と母材との接着面などにおける耐腐食性を考慮すれば十分だからである。
【００１８】
しかし、鋼板のような硬い板状のものを送り出したり、巻き取ったりするのに用いるロールの場合は、送り出す鋼板等に対し加圧した状態で送り出しを行うため、ロール表面に大きな圧力が加わっており、上述したような除去されたスケールやバリなどの硬い小片がロールと鋼板の間に入ってしまった場合には、その小片によって局所的に強い圧力が加わることになる。その結果、上記文献に記載のように部材表面が耐摩耗性を十分備えた硬度を有していても圧痕が生じてしまうことになる。また、表面に凹凸のある縞鋼板（チェッカープレート）の製造工程において、縞溝を有する圧延ロールで縞をプレス成形した後、ピンチロール等で加圧しながら送り出す場合にも、ピンチロールに対して鋼板表面の凹凸が加圧接触し、上記のスケールと同様に局所的に圧力が加わり、圧痕が生じてしまう。
【００１９】
このように、自溶合金溶射した皮膜表面は非常に高硬度で耐摩耗性に優れ十分な耐久性を有しているが、局所的な高圧力に対してはロール上に単に自溶合金溶射皮膜を形成したのみでは耐えることはできず、さらに溶射皮膜に圧痕が形成されると、その内側の母材も硬度が十分でないために変形してしまう。
【００２０】
そして、このようにロール表面に凹み痕ができるなど変形してしまったロールは、ピンチロール等であれば正確に送り出し等を行うことができなかったり、板材の巻き取りに用いるロールの場合には巻取り形状の崩れや巻き取った板に傷ができたりするなどの問題が生じてしまう。この問題によって短い期間でロールの再研磨や取替えを行わなければならず、結果的にロール部材としての寿命が足りないという問題が生じていた。
【００２１】
また、図７に示すように圧痕による局所的な凹みの深さが大きいと、表面の自溶合金溶射層１２の凹みの回りに亀裂が発生し、更にそれが原因となって溶射層が剥離することもある。その場合には、緊急に生産を中止し、ロールを取り替える必要が生じる。
【００２２】
従って、以上のように局所的な圧力が加わる可能性のあるロールには、従来の耐摩耗性や耐食性といった性質のみならず、局所的に大きな力が加わっても、凹み痕が形成されないような耐性、即ち耐圧痕性を考慮した構造や構成を備えたロールを提供する必要があった。
【００２３】
本発明の目的は、このような課題解決のために、母材と接する下地層に十分な硬度・強度を有するような自溶合金の溶射皮膜を形成し、ロール表面の皮膜に大きな圧力が加わっても、凹み等の変形が生じないような耐圧痕性の高い複層の自溶合金溶射皮膜を有する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】
【００２４】
上記課題を解決するために、本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールの構成は、ロール本体の表面上に形成されるショア硬さＨｓ７５以上の第１の自溶合金溶射皮膜と、前記第１の自溶合金溶射皮膜上に形成される第２の自溶合金溶射皮膜とを有することを特徴とする。
【００２５】
また、本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールの構成は、第１の自溶合金溶射皮膜は、Ｃを０．６〜１．０重量％、Ｓｉを１．５〜５．５重量％、Ｂを２．５〜４．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕを２０〜３０重量％含み、残部がＮｉ又はＣｏからなる自溶合金で構成され、第２の自溶合金溶射皮膜は、炭化タングステンを２０〜４０重量％、Ｃを０．４〜１．０重量％、Ｓｉを１．５〜５．５重量％、Ｂを２．５〜４．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕを２０〜３０重量％含み、残部がＮｉ又はＣｏからなることを特徴とする。
【００２６】
本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールの構成は、第１の自溶合金溶射皮膜の厚みが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍであり、第２の自溶合金溶射皮膜の厚みが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする。
【００２７】
本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールの構成は、第１及び第２の自溶合金溶射皮膜の合計の厚みが３．０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００２８】
本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールは、該ロールが、表面にスケールが存在する鋼板を加圧して搬送するロールであることを特徴とする。
【００２９】
本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールは、該ロールが、表面に凹凸部が形成された鋼板を加圧して搬送するロールであることを特徴とする。
【００３０】
本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールの構成は、母材と第１の自溶合金溶射皮膜との間および第１の自溶合金溶射皮膜と第２の自溶合金溶射皮膜との間に拡散層を有し、母材及び前記第１層目、第２の自溶合金溶射皮膜同士が密着していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
上記のように、本願発明に係る耐圧痕性に優れたロールは母材とロールの表面である第２の自溶合金溶射皮膜の間にショア硬さＨｓ７５以上の第１の自溶合金溶射皮膜を有し、母材表面からロール表面に亘って硬度の高い層を従来に比して厚く備えているため、局所的な圧力によって圧痕が生じるのを防ぐことができる。
【００３２】
また、母材と第１溶射皮膜との間や、第１溶射皮膜と第２溶射皮膜との間には、フュージング処理の際に、拡散層が形成され、相互の金属元素が化学的に結合し、母材および各溶射皮膜がより強固に密着したロールが得られる。従って、従来の自溶合金溶射皮膜を有するロールでは解決できなかった、耐圧痕性が高く経済性に優れた寿命の長いロールの提供が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。
【００３４】
図１は、本発明に係る実施例である、ロールの平面図であり、図２は図１に示したロールのＸ−Ｘ’位置における断面図である。
【００３５】
本実施例に係るロールは、ロール母材を芯材として、その表面に自溶合金溶射法により２層の自溶合金溶射層が形成されている。第１層目の第１溶射皮膜３は、ロール母材２表面上にＮｉ基又はＣｏ基の自溶合金溶射材料を溶射することにより形成されており、第２層目の第２溶射皮膜４は、第１溶射皮膜３の上に、同じくＮｉ基又は、Ｃｏ基の自溶合金溶射材料を溶射することにより形成されている。また、この本実施形態における第１溶射皮膜３および第２溶射皮膜４は耐圧痕性を得るためにショア硬さＨｓ７５以上である必要がある。
【００３６】
以下本実施形態のロールに関して、具体的にそれぞれの層の構造・構成について説明する。
【００３７】
まず、ロール母材に対して自溶合金溶射材料を溶射し、第１層目の自溶合金溶射皮膜３（以下、第１溶射皮膜３とする）を形成する。この第１溶射皮膜３に用いる自溶合金溶射材料は、上記のようにＮｉ又はＣｏを主たる組成物とするものであり、その組成はＣを０．６〜１．０重量％、Ｓｉを１．５〜５．５重量％、Ｂを２．５〜４．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕを２０〜３０重量％含み、残部がＮｉまたはＣｏからなる。この溶射材料をロール母材の表面に自溶合金溶射法で溶射して第１溶射皮膜３を形成する。厚みは１．５ｍｍから３．０ｍｍ程度であるのが好ましい。
【００３８】
第１溶射皮膜３の厚みの下限値を１．５ｍｍに設定した理由は、厚みが１．５ｍｍに満たないと耐圧痕性を得ることができないからである。この場合、第１溶射皮膜３が下地層として必要なショア硬さＨｓ７５以上を有しており、かつその上の第２溶射皮膜を後述する条件により形成したとしても、圧痕が発生してしまう場合がある。
【００３９】
これに関して、第１溶射皮膜３の厚みに応じて生じる凹みの深さおよび割れの発生の有無についての試験を行った。その結果を図３に示す。この試験は、それぞれの厚みの第１溶射皮膜３の上に第２溶射皮膜４を形成して得られる各ロールに対し、１０ｍｍの径を有する鋼球を３トンの圧下力で押し付けて行ったものである。なお、第1溶射皮膜の厚み以外は、本実施形態に示す条件を満たして皮膜を形成したものである。
【００４０】
その結果、第１溶射皮膜３の厚みが０．５ｍｍおよび１ｍｍの場合にはそれぞれ、凹み量が０．１７ｍｍおよび０．１ｍｍであり、両方とも割れが発生してしまった。一方、第１溶射皮膜３の厚みが１．５ｍｍである場合には凹み量が０．０５ｍｍとより小さく、割れも発生しなかった。以上の結果より、第２溶射皮膜４表面に圧痕が形成されにくくするためには、第１溶射皮膜３の厚みが１．５ｍｍ以上であるのが好ましいことがわかる。
【００４１】
一方、第１溶射皮膜３の厚みの上限値を３．０ｍｍに設定した理由は、厚みが３．０ｍｍを越えると、後述する加熱再溶融処理（フュージング処理）を行うバーナの熱が溶射皮膜の内側まで到達せず、膜全体が再溶融しないため均一な膜が得られにくいという問題が生じるからである。
【００４２】
フュージング処理とは、ガス炎等を用いて溶射皮膜を１１００℃程度に加熱し、溶射皮膜を再溶融させる処理である。これにより皮膜中の酸化物が除去されると共に、皮膜中の気孔が無くなって緻密化し、さらに、後述するように母材２と第１溶射皮膜３との間に拡散層ができることによって、母材２との密着性が高く硬い皮膜を得ることができる。
【００４３】
第１溶射皮膜３を溶射した後に、このフュージング処理により１１００℃程度の熱で第１溶射皮膜３を加熱して再溶融させる。
【００４４】
以上の工程により形成された第１溶射皮膜３は、上述のようにショア硬さＨｓ７５以上を有する必要があるが、これは、下地層である第１溶射皮膜３がショア硬さＨｓ７５に満たない場合、ロール表面である第２溶射皮膜４の硬さが十分であっても、強い圧力が加わった場合には凹みが生じ、割れの原因になってしまうからである。ロール表面の割れは、第２溶射皮膜４の剥離の原因にもなる。
【００４５】
また、第１溶射皮膜３の組成は上述のようにＮｉやＣｏなどをベースとする非鉄材料であるのが好ましい。これは、鉄ベースの合金であってもマルテンサイト系の鋼ならばショア硬さをＨｓ７５以上にすることは可能であるが、フュージング処理を行うと鋼の組織がマルテンサイト系からベイナイト系に変態しＨｓ７５以下に焼き戻されてしまうからである。また、鋼中のＣの組成率を上げてマルテンサイト＋炭化物系の鋼にすれば、フュージング処理の熱を受けてもＨｓ７５以上の硬さを維持することはできるが、脆く割れやすいという問題がある。よって、ＮｉまたはＣｏベースの材料を溶射して第１溶射皮膜３を形成するのが望ましい。
【００４６】
次に、ロール表面に形成される皮膜である第２溶射皮膜４について説明する。第２溶射皮膜４は、炭化タングステンを２０〜４０重量％含み、残部がＮｉ又はＣｏを主たる組成物とする溶射材料を溶射して形成する。但し、第１溶射皮膜３との密着性の面から、ベース金属となるＮｉ又はＣｏは第１溶射皮膜３と同じものを溶射したほうがよい。溶射は第１溶射皮膜３の溶射と同じく、一般的な自溶合金溶射技術を用いて行い、溶射皮膜の厚さは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度であるのが好ましい。
【００４７】
第２溶射皮膜４の厚みは、第１溶射皮膜３の場合と同様に、０．５ ｍｍ以下では十分な強度が得られず、３ｍｍより厚いとフュージング処理の際に熱が内部まで到達せず、均一な膜が得られないからである。第２溶射皮膜４は、送り出し対象物や水分に接触する本ロールの表面であるため耐摩耗性・耐食性も要求される。従って、フュージング処理により表面を均一にして緻密化することは非常に重要である。
【００４８】
尚、第１溶射皮膜３よりも厚みの下限値を低く設定できるのは、第２溶射皮膜４には後述する炭化タングステンを混合するため、第１溶射皮膜３より薄くても十分な硬さを確保できるからである。また、３ｍｍを超える厚みの皮膜を形成した場合、フュージング処理の熱が内部まで到達できず、皮膜全体が再溶融しないため、下地層である第１溶射皮膜３との密着性が不足し剥離の原因となってしまう。したがって第２溶射皮膜４の厚みは、最大で３ｍｍ程度にするのが好ましい。
【００４９】
以上の条件において第２溶射皮膜４を形成した後、フュージング処理を行う。第２溶射皮膜４のフュージング処理も第１溶射皮膜３の場合と同様に、１１００℃程度の熱で第１溶射皮膜３を加熱して再溶融させる。これによって、皮膜表面が緻密になり耐食性や耐摩耗性が増し、第１溶射皮膜３との密着性も高くなる。
【００５０】
以上の工程により形成された第２溶射皮膜４は、第１溶射皮膜３と同様ショア硬さＨｓ７５以上を有する必要があるが、第２溶射皮膜４は炭化タングステンを含有しているため、上記の厚みを満たす自溶合金溶射皮膜であれば、Ｈｓ７５以上の硬さは得られる。そして、この炭化タングステンは溶射の際に溶射材料中の金属と焼結し、非常に硬く耐摩耗性の高い複合体を形成するものである。従って、ロール表面の性質として必要な耐摩耗性を有するロールを得るためには、第２溶射皮膜４は炭化タングステンを含有することが好ましい。
【００５１】
但し、炭化タングステンは第２溶射皮膜４中に２０〜４０重量％程度混合するのが好ましい。上述のように、第２溶射皮膜４は炭化タングステンにより硬さを得ているため、炭化タングステンの含有量が２０重量％に満たない場合には、皮膜の厚みの条件を満たしたとしても、Ｈｓ７５以上の硬さが得られず圧痕や割れが発生する可能性がある。
【００５２】
この点に関して、炭化タングステン以外の組成条件を満たし、炭化タングステンの混合比を１０重量％および３０重量％として第２溶射皮膜４を形成したロールについて、第２溶射皮膜４の各厚みにおける割れの発生を調べた結果を図４に示す。試験方法は、径が１０ｍｍの鋼球を３トンの圧下力で押し付けて行ったものである。
【００５３】
この結果より、炭化タングステンが２０重量％に満たない場合であって、第２溶射皮膜４の厚みが薄いと、圧痕が形成され割れが生じてしまうことがわかる。
【００５４】
一方、炭化タングステンを上限値である４０重量％より多く混合しても特に問題は無いが、本実施形態に係るロールが必要とする硬さＨｓ７５は炭化タングステンを２０〜４０重量％含有することで達成できるため、上記範囲が好ましい。
【００５５】
この炭化タングステンは非常に硬い反面、脆い性質も有しており、第１溶射皮膜３に用いた場合には亀裂が生じて母材との接合強度が不足するため、第１溶射皮膜３には用いることができない。なお、第２溶射皮膜４において炭化タングステンの代わりに、いわゆるサーメットと呼ばれる、金属の炭化物や窒化物などの硬質化合物で金属と焼結し複合体を形成するものを、溶射材料に添加することも可能である。
【００５６】
以上のように、第１溶射皮膜３と第２溶射皮膜４の２層構造にすることによって、局所的に高圧の負荷が掛かっても凹み等の変形がおきにくい耐圧痕性の高いロールを得ることができる。これは、通常の１層の溶射皮膜のロールであれば、フュージングを満遍なく行うためには最大でも３ｍｍの厚さの皮膜を形成できるに過ぎないのに対し、２層にすることによって、合計で最大６ｍｍの溶射皮膜を有するロールを形成することができるからである。第１及び第２溶射皮膜の厚みを増すことによって、耐圧痕性の性能もより高めることが可能である。
【００５７】
従って、溶射材料を溶射する厚みを調整すれば、要求される強度や耐圧痕性に応じたロールの製造が可能となる。また、溶射皮膜の厚みが上記した範囲であれば、各層のフュージング処理を確実に行うことができるため、耐摩耗性および耐食性についても優れたロールを得ることができる。
【００５８】
また、例えば、一層のみで厚みが３ｍｍ程度の自溶合金溶射皮膜を有するロールの場合には、ショア硬さＨｓ７５以上になるようにすれば、本発明のロールの条件を一部満たすことになるが、ロール表面の耐摩耗性を考慮すると、溶射材料に炭化タングステンを混合する必要がある。その場合、炭化タングステンによって硬く、表面の耐摩耗性を高くすることはできるが、脆い性質を有するため、母材２との接着面付近で割れが生じてしまうという問題がある。
【００５９】
それに対し、本願発明に係るロールの場合には２層に分かれており、母材２と接触する第１層目には、炭化タングステンを含まない材料を溶射し、十分な硬度を有しつつ母材２との密着性の高い第１溶射皮膜３を形成している。そして、第２層目には、要求される耐摩耗性を考慮して炭化タングステンを混合した材料を溶射し、第２溶射皮膜４を形成している。従って、各溶射皮膜層に要求される性質に合わせて溶射材料を選択することができるという効果が得られる。
【００６０】
また、第１、第２溶射皮膜４に対するフュージング処理で金属が再溶融することにより、第１溶射皮膜３であれば母材金属と、第２溶射皮膜４であれば第１溶射皮膜３の金属とが互いに反応して拡散層が形成される。これによって、各溶射皮膜とその下地となる層の金属とが化学的に結合し、より密着性が高まるという効果も得られる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例として下地層及びロール表層を自溶合金溶射により実際に形成したロールの物性試験の結果を示す。
【００６２】
試験対象である、本願発明に係る実施例のロールは、以下の工程で製造した。まず、組成がＣ：０．８重量％、Ｓｉ：４．０重量％、Ｂ：３．８重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕ：２７重量％、その残部がＮｉとなるような溶射材料を溶射して第１溶射皮膜３を形成し、１１００℃程度に加熱して第１溶射皮膜３に対するフュージング処理を行なった。次に組成が、炭化タングステン：３０重量％、Ｃ：０．７重量％、Ｓｉ：３．５重量％、Ｂ：３．５重量％、Ｃｒ＋Ｆｅ＋Ｍｏ＋Ｃｕ：２５重量％、その残部がＮｉとなるような溶射材料を溶射して、第２溶射皮膜４を形成し、第１溶射皮膜３と同様に１１００℃程度まで加熱してフュージング処理を行ない形成した。得られたロールの第１溶射皮膜３の厚みは２．０ｍｍ程度であり、第２溶射皮膜４は１．５ｍｍ程度である。
【００６３】
また、比較対照として２つのロールを用意し、一つ目のロールは（以下、第１比較ロール）第１層を下地硬化肉盛溶接によって形成し、第２層は本実施例と同様の自溶合金溶射材料を溶射して形成した。また、第１層は約５．５ｍｍ、第２層は約１．５ｍｍであった。
【００６４】
２つ目のロール（以下、第２比較ロール）は、Ｓ２５Ｃ機械構造用炭素鋼鋼材を使用して形成した母材ロールの上に、第１層目として上記と同様の自溶合金溶射皮膜を約１．５ｍｍ被覆したロールである。
【００６５】
尚、本実施例のロール及び第１比較ロールの母材についてもＳ２５Ｃ炭素鋼で形成されている。
【００６６】
以上のようにして形成したロールの断面硬さ（ビッカース硬さＨＶ、ショア硬さＨＳ）をＪＩＳ−Ｚ−２２４６に規格される試験方法により調べたところ、図５に示すような断面固さ分布が得られた。縦軸（左）はビッカース硬さ、縦軸（右）はショア硬さＨｓを示し、横軸はロールの断面におけるロール表面からロール中心軸方向への距離を表している。また、断面硬さは、０．５ｍｍ間隔で計測した。
【００６７】
グラフより、本実施例のＳ２５Ｃ炭素鋼を用いた母材２に相当する部分（断面位置：４ｍｍ〜５ｍｍ付近）の硬さは、おおよそＨＶ２００（ＨＳ２９）程度であった。そして、本実施例におけるロールの第１層目である１溶射皮膜３（２ｍｍ〜３．５ｍｍ付近）の硬さは約HV７００（ＨＳ８５）であり、ロールの表層である第２溶射皮膜４（０．５ｍｍ~１．５ｍｍ付近）は約ＨＶ９００（ＨＳ１０７）程度であった。
【００６８】
第１比較例のロールは母材ロールに相当する部分（断面位置：７．５ｍｍ〜９ｍｍ付近）の硬さはおおよそＨＶ２００（ＨＳ２９）程度であり、第１層目の硬化肉盛溶接層（２ｍｍ〜７ｍｍ付近）はＨＶ４６０〜５１０（ＨＳ６２〜６７）であった。第２溶射皮膜（断面位置：０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ付近）は約ＨＶ９００（ＨＳ１０７）程度であり、本実施例のロールと略同じである。
【００６９】
また、第２比較例のロールは母材部分（２ｍｍ〜３．５ｍｍ付近）は約ＨＶ２００（ＨＳ３２）程度であり、ロール表層の自溶合金溶射皮膜（０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ付近）の硬さは、本実施例のロールおよび第１比較例のロールと略同じで、約ＨＶ９００（ＨＳ１０７）であった。
【００７０】
以上のような硬さを有するロールを用いて転動疲労試験を行った結果を、表１に示した。転動疲労試験は、ショア硬さＨＳ７５の肉盛り溶接材のロールを転動疲労試験を行うロールに圧接し、表１に示すヘルツ面圧、回転数で行った。接触幅は２ｍｍでロール同士のすべり率は０％である。また、参照例として硬さ分布試験を行なった第１比較例と第２比較例のロールについても同様に試験を行ないその結果を示した。
【００７１】
【表１】
2008291300.tif 000003
【００７２】
結果からわかるように、第１層と第２層に自溶合金溶射皮膜を有する本実施例のロールが凹み量４μｍと最も変形が少ないことがわかる。さらに、本実施例のロールの場合は、ヘルツ面圧２１０ ｋｇｆ／ｍｍ２で２００万回転の試験を行ったのに加え２５０ ｋｇｆ／ｍｍ２で２００万回転の試験も行った結果である。従って、他のロールより多い回転数でかつ強い面圧の試験を行っているにも拘らず、内部共に割れはなく、凹みに関しても第１層に下地硬化肉盛り溶接を用いたロールが１４μｍであるの対し、本実施例のロールは４μｍと非常に少ないことがわかる。
【００７３】
第１比較例のロールの場合は、上述のように本実施例に比べ試験回転数が少ないが、皮膜表層にわれが発生してしまっている。この結果より、ロール表面が実施例と同じ溶射材料を溶射して形成され、同じ硬さを有していても、その下地となる第１層目の硬さが十分でなければ、割れが生じるということがわかる。このことは、第２比較例の試験結果を見ても明白であり、十分な硬さを有する自溶合金層がロール表面にあっても、その内部がＨＳ３０程度の硬さの材質であれば局所的な圧力には耐えることができない。
【００７４】
また、上記の実施例および第１、第２比較例のロールについて、径が１０ｍｍの鋼球をグラフに示す力で押し付けた場合の凹みの深さおよびその凹み周辺の割れの発生の有無について試験を行った結果を図６に示す。図６に示す結果より、第１比較例および第２比較例のロールの場合にはどの圧下量でも割れが発生してしまった。しかし、本実施例のロールの場合には凹みがより小さく、割れの発生もなかった。
【００７５】
以上の結果より、本実施例のロールが耐摩耗性、耐圧痕性といった耐久性が極めて高く、割れの発生も防ぐことができるため、従来に比べ寿命の長いロールを提供することができることがわかる。
【００７６】
以上の本実施形態および実施例では、第１溶射皮膜３を溶射した後フュージング処理を行い、次に第２溶射皮膜４を溶射し、フュージング処理をするという工程で本ロールを形成するように説明したが、これに限られるものではなく、例えば、第１溶射皮膜３と第２溶射皮膜４の溶射を行った後に、一括してフュージング処理を行ってもよい。但し、その際には第１溶射皮膜３と第２溶射皮膜４の厚みの合計が、フュージングによる熱が皮膜の内側まで到達し、溶射皮膜全体が確実に再溶融する範囲である必要がある。
【００７７】
また、本実施形態の自溶合金溶射材料の組成はこれに限られるものではなく、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅを主成分とするような自溶合金であって、十分な硬度を得られるように添加物を加えることができる。
【００７８】
また、本願発明にかかる耐圧痕性に優れたロールは、熱延工場のピンチロール、ラッパーロール、精整ロールや酸洗工場用に用いる酸洗ピンチロール、レベリングロール等に適用できるが、これに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の本実施例に係るロールの平面図。
【図２】図１に示すロールのＸ−Ｘ’位置での断面図。
【図３】第１溶射皮膜３の厚みに応じて生じる圧痕の大きさおよび割れの発生の有無を示すグラフ。
【図４】第２溶射皮膜４の厚み及び炭化タングステンの含有量と、凹み量及び割れの発生の有無を示すグラフ。
【図５】実施例および各比較例のロールの硬さ分布を示すグラフ。
【図６】実施例および各比較例のロールに対する鋼球の圧下による凹み量および割れの発生の有無を示すグラフ。
【図７】従来のロールにおける凹みと割れの発生を示す断面図。
【符号の説明】
【００８０】
１  ロール
２  ロール母材
３  第１溶射皮膜
４  第２溶射皮膜
【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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