(57)【要約】【課題】外層と内層との熱膨張係数差が大きい場合でも、ロール内部に過大な残留応力が発生せず、ロール製造時に境界接合部が剥離するなどのロールの破壊を防止した超硬合金製圧延用複合ロールを提供する。【解決手段】鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層（中間層Ａ）のヤング率が１９０ＧＰａ以下であることを特徴とする。前記中間層Ａは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちいずれか１種を３０重量％以上含有する合金であることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層（中間層Ａ）のヤング率が１９０ＧＰａ以下であることを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項２】
鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に２層以上の中間層を有し、内層と接合した中間層（中間層Ａ）のヤング率が１９０ＧＰａ以下であることを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項３】
前記中間層Ａは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちいずれか１種を３０重量％以上含有する合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項４】
前記中間層Ａは、厚みが５００μｍ以上であ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圧延用複合ロール。
【請求項５】
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項６】
ロール胴部の中央部の外層表面に、１００〜８００ＭＰａの円周方向の圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄帯板、板材、線材、棒材などの鋼材の圧延に用いられ、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製圧延用複合ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
寸法精度の向上など圧延材に対する高品質化、あるいはロール替え工数減少による生産性向上の要求に応えるため、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れた炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金が線材、棒鋼、平鋼、帯鋼などの圧延用ロールに適用されている。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどの金属元素で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しばしばある。
【０００３】
従来、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、ＷＣ系超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製圧延用複合ロールとして、種々の技術が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、靭性に優れる材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層の内側にＷＣ粒子の含有量が外層のそれより少ない、超硬合金の中間層を少なくとも１層以上有し、内層と中間層とが金属層を介して接合された超硬合金製複合ロールが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、ロールバレルが同心円状の３つ以上の層からなり、最外層はヤング率が３５０００ｋｇｆ／ｍｍ２以上、かつ層の厚みがロール半径の３％以上であり、該最外層と軸芯との間に位置する中間層は、ヤング率が最外層のヤング率より小さく、軸芯のヤング率より大きいステンレス鋼冷間圧延用複合ロールが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４７１１１号公報
【特許文献２】
特許第３１８８６４３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のように、外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールの場合、内層が外層より熱膨張係数が大きいため、すなわち、内層の熱膨張係数が１０〜１２×１０−６／Ｋ、外層の熱膨張係数が５〜８×１０−６／Ｋであるため、圧延中のロール温度上昇により、外層の表面に引張応力が作用する。
【０００８】
ロールの外層表面に過大な引張応力が作用した状態で圧延すると、圧延時の熱衝撃により、容易に表面にクラックが発生し進展する。外層を形成する超硬合金は、比較的靭性が低いので、表面にクラックが発生すると進展しやすく、ロールが割損することがある。
【０００９】
そこで、超硬合金製複合ロールにおいては、ロールの外層表面に過大な引張応力が作用しないように、あらかじめロールの外層表面に適正な圧縮残留応力を付与する必要がある。
【００１０】
しかしながら、外層中のＷＣ含有量が高くなればなるほど、内層に対し熱膨張率がさらに小さくなるため、ロール内部に発生する残留応力が増加する。この応力は内層には軸方向および円周方向に引張応力として作用し、半径方向には外層および内層のいずれの位置においても引張応力として作用する。したがって、このような残留応力が過大になると、製造時や圧延使用時に、ロール境界接合部の剥離や内層からのロール破壊が起こる可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、外層と内層との熱膨張係数差が大きい場合でも、ロール内部に過大な残留応力が発生せず、ロール製造時に境界接合部が剥離するなどのロールの破壊を防止した超硬合金製圧延用複合ロールを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に１層以上の中間層を有し、少なくとも１層の中間層（これを中間層Ａとする）のヤング率が１９０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層と外層との間に２層以上の中間層を有し、内層と接合したすなわち内層に最も隣接した中間層（これを中間層Ａとする）のヤング率が１９０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、中間層Ａは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちいずれか１種を３０重量％以上含有する合金から形成される。また中間層Ａは、ロール軸方向と直角をなす断面における厚みが５００μｍ以上であることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１６】
さらに、ロール胴部の中央部の外層表面に、１００〜８００ＭＰａの円周方向の圧縮残留応力が付与されていることが望ましい。
【００１７】
【作用】
外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールにおいて、外層と内層を接合する際、高温での接合処理後の冷却時の熱収縮の差により、両者の間に歪とこれによる内部応力が発生する。つまり、超硬合金は線熱膨張係数が５〜８×１０−６／Ｋと小さく、一方、内層は１０〜１２×１０−６／Ｋと高く、熱収縮量が異なるため両者の間に歪とこれによる内部応力が発生する。
【００１８】
この内部応力は、材質のヤング率と歪量に比例する。外層を形成する超硬合金のヤング率は合金に含有されるＷＣ量に依存して４５０〜６５０ＧＰａ、内層を形成する鉄系あるいは鋼系の材料は２０５ＧＰａ程度である。
【００１９】
そこで、内層と外層との間に１層以上の中間層を介在させて、そのうち少なくとも１層の中間層のヤング率を１９０ＧＰａ以下にすることにより、内層と外層間の歪みを吸収し発生する内部応力を低減できる。
【００２０】
外層と内層とを金属接合する際に、外層から内層へＣの拡散が起こる。その結果、外層と内層の接合部近傍の超硬合金のＷＣが複炭化物（Ｗ、Ｃｏ）３Ｃに変わる。この複炭化物は、ＷＣと比べて脆く境界接合部の強度を下げる要因となる。中間層Ａを、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちいずれか１種を基とする合金で形成することにより、このＣの拡散を抑えることができ、外層との親和性が良く接合強度を高めることができる。
【００２１】
中間層が歪みを吸収する場合、その弾性変形が必要であるから、その厚みがある程度なければ、歪みが過大となり、中間層自体が破壊する可能性がある。これを防ぐため、中間層Ａは厚みが５００μｍ以上必要である。
【００２２】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、前記内層と中間層と外層との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上とする、またロール胴部の中央部の外層表面に、１００〜８００ＭＰａの円周方向の圧縮残留応力を付与させることにより、圧延使用時の境界接合部からの剥離に対する安全率を高めることができる。
【００２３】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、特に内層が中実状である場合に、ロール内部の過大な残留応力を抑え、外層表面に適切な圧縮残留応力を付与させる効果を一層発揮するので好ましい。また、中間層Ａとしてインバー系合金が好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例１の圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。なお、図１において右半分部分は対称であるため省略した。図１において、内径φ３００ｍｍ、長さ６５０ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、内層１として、外径φ２４２ｍｍ、内径φ１８０ｍｍ、長さ６００ｍｍの中空円筒状のＳＣＭ４４０を配置した。内層１のヤング率は２０６ＭＰａである。
【００２５】
また、本発明の特徴である中間層Ａを示す中間層４として、重量比でＣ：０．５％、Ｎｉ：３０％、Ｃｏ：１６％、残部実質的にＦｅのインバー系合金からなる外径φ２４９ｍｍ、内径φ２４３ｍｍ、長さ６００ｍｍの中空円筒状のスリーブを用意し、これを内層１の外周に配置した。中間層４のヤング率は１３５ＧＰａである。実施例１において、中間層は中間層Ａのみで構成される単層である。
【００２６】
そして、中間層４の外面とＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に、外層３として、重量比でＷＣ：８８％、Ｃｏ：１２％の仮焼結体からなる外径φ２９８ｍｍ、内径φ２５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの超硬合金製スリーブを配置した。外層３を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は５００ＧＰａである。
【００２７】
その後、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、１３００℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を機械加工除去し、内層の外周に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を得た。カラーチェックにて、ロール端面に割れがないことを確認した。また、超音波探傷装置により、外層と中間層と内層が健全に接合していることを確認した。
【００２８】
また、ロールの境界接合部の強度を測定するために、ロール中央部からサンプルを加工切り出し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験を行った。ロール直径方向に、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片を切り出し試験したところ、抗折強度が平均で９００ＭＰａであった。また、ロール胴部の中央部の外層表面に歪ゲージを貼り、この位置の残留応力を測定したところ、円周方向の圧縮残留応力が３５０ＭＰａであり、適正な範囲内にあることを確認した。
【００２９】
（実施例２）
図２は実施例２の圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。なお、図２において右半分部分は対称であるため省略した。図２において、内径φ１００ｍｍ、長さ１８００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、内層１として、外径φ７０ｍｍ、長さ１７００ｍｍの中実状のＳＮＣＭ４３９を配置した。内層１のヤング率は２０６ＭＰａである。
【００３０】
また、本発明の特徴である中間層Ａを示す第１の中間層４として、ＳＵＳ３０４材からなる外径φ７３ｍｍ、内径φ７１ｍｍ、長さ１７００ｍｍの中空円筒状のスリーブを用意し、これを内層１の外周に配置した。第１の中間層４のヤング率は１３５ＧＰａである。
【００３１】
そして、第１の中間層４の外面と、ＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に、外層３として、重量比でＷＣ：８７％、Ｃｏ：１３％の仮焼結体からなる外径φ９８ｍｍ、内径φ７８ｍｍ、長さ１７００ｍｍの超硬合金製スリーブを配置した。外層３を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は５００ＧＰａである。
【００３２】
さらに、第１の中間層４の外面と、外層３の内面との間に形成された空隙に、第２の中間層７として、重量比でＷＣ：４０％，Ｃｏ：６０％の超硬合金の混合粉末を充填した。後述のＨＩＰ処理後、第２の中間層７は焼結される。その第２の中間層７のヤング率は３００ＧＰａである。実施例２において、中間層は第１の中間層４および第２の中間層７で構成される複層である。
【００３３】
その後、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、１３００℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を機械加工除去し、内層の外周に超硬合金からなる外層が接合された超硬合金製複合ロールを得た。カラーチェックにて、ロール端面に割れがないことを確認した。また、超音波探傷装置により、外層、第２の中間層、第１の中間層、内層のそれぞれが健全に接合していることを確認した。
【００３４】
また、ロールの境界接合部の強度を測定するために、ロール中央部からサンプルを加工切り出し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験を行った。ロール直径方向に、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片を切り出し試験したところ、抗折強度が平均で１０００ＭＰａであった。また、ロール胴部の中央部の外層表面に歪ゲージを貼り、この位置の残留応力を測定したところ、円周方向の圧縮残留応力が３３０ＭＰａであり、適正な範囲内にあることを確認した。
【００３５】
（比較例１）
中間層４の材料が異なる以外は、実施例１と同様に図１の方法で、比較例１の圧延用複合ロールを製造した。図１において、内径φ３００ｍｍ、長さ６５０ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、内層１として、内層１として、外径φ２４２ｍｍ、内径φ１８０ｍｍ、長さ６００ｍｍの中空円筒状のＳＣＭ４４０を配置した。内層１のヤング率は２０６ＭＰａである。
【００３６】
また、中間層４として、重量比でＷＣ：４０％、Ｃｏ：６０％の仮焼結体からなる外径φ２４９ｍｍ、内径φ２４３ｍｍ、長さ６００ｍｍの中空円筒状の超硬合金製スリーブを用意し、これを内層１の外周に配置した。中間層４のヤング率は３００ＧＰａである。比較例１において、中間層は中間層４のみで構成される単層である。
【００３７】
そして、外層３として、重量比でＷＣ：８８％、Ｃｏ：１２％の仮焼結体からなる外径φ２９８ｍｍ、内径φ２５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの超硬合金製スリーブを内層１の外周に配置した。外層３を形成する超硬合金製スリーブのヤング率は５００ＧＰａである。
【００３８】
その後、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、１３００℃、１０００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を機械加工除去し、内層の外周に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を得た。カラーチェックを実施したところ、ロール端面に割れを確認した。また、超音波探傷装置により、外層と内層が全周面にわたって剥離していることを確認した。
【００３９】
【発明の効果】
本発明により、外層と内層との熱膨張係数差が大きい場合でも、ロール内部に過大な残留応力が発生せず、ロール製造時に境界接合部が剥離するなどのロールの破壊を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【図２】他の圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【符号の説明】
１  内層、  ２  ＨＩＰ缶、  ３  外層、
４  中間層、  ５  加熱ヒータ、  ６  ＨＩＰ炉、  ７  第２の中間層
【図１】
2004167501.tif 000002
【図２】
2004167501.tif 000003