(57)【要約】【課題】軽量で剛性が高くかつ耐摩耗性に優れ、さらに割れや欠け等の欠陥が生じにくい圧延用ローラーを提供する。【解決手段】圧延用ローラーの素材として、Ａｌ合金にＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維を複合させてなるＡｌ合金基複合材料を使用し、かつ圧延用ローラー中のＳｉＣ充填率を径方向において変化させ、表面部は充填率を高くし、内部では充填率を低くすることにより、表面は耐摩耗性に優れ、内部は破壊靭性が高くかつ軽量な圧延用ローラーを作製することができる。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ合金にＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維を複合させてなるＡｌ合金基複合材料を用いた圧延用ローラーであって、ローラー断面の径方向で、ＳｉＣ充填率が異なっていることを特徴とするＡｌ合金基複合材料製圧延用ローラー。
【請求項２】
前記Ａｌ合金基複合材料製圧延用ローラーの表面のＳｉＣ充填率が５０体積％以上８５体積％以下であって、ローラー内部に向かって段階的に充填率が低下することを特徴とする請求項１記載のＡｌ合金基複合材料製圧延用ローラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属にセラミックス強化材を複合させてなる金属−セラミックス複合材料に関し、さらに詳しくは、Ａｌ合金にＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維を複合させてなるＡｌ合金基複合材料であって、主に圧延用ローラーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス粒子またはセラミックス繊維で強化された金属−セラミックス複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスとしての優れた特性と、延性、高靭性、高熱伝導性等の金属としての優れた特性の両方を兼ね備えている。また、特にマトリックス金属をアルミニウム合金とした複合材料は、アルミニウムの軽量性という特徴を維持したまま、硬度、耐摩耗性を改善できるという特徴を有している。また、セラミックスの充填率を変化させることにより靭性を変化させることができ、耐摩耗性と高い靭性を兼ね備えた材料とすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に圧延用ローラーは表面は耐摩耗性を有し、内部では靭性が高い材料が望ましい。これまで用いられてきた圧延用ローラーは、主に金属製ローラーとセラミックス製ローラーが挙げられる。しかしながら、金属製ローラーでは靭性は高いもののローラーそのものが重く、また耐摩耗性が劣る。一方、セラミックス製ローラーでは耐摩耗性は優れているものの、脆く欠けやすいという欠点がある。
【０００４】
本発明は、上述した圧延用ローラーが有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐摩耗性に優れ、かつ軽量で欠けにくい圧延用ローラーを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、Ａｌ合金にＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維を複合させてなるＡｌ合金基複合材料を用いて圧延用ローラーを作製し、かつそのローラーの径方向でＳｉＣ充填率を変化させることで達成される。ローラーの表面のＳｉＣ充填率を高くすることで表面の耐摩耗性を向上させ、内部のＳｉＣ充填率を低くすることでより靭性を高くでき、かつ軽量な圧延用ローラーを提供できる。
【０００６】
つまり本発明は、Ａｌ合金にＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維を複合させてなるＡｌ合金基複合材料を用いた圧延用ローラーであって、さらにローラー断面の径方向で、ＳｉＣ充填率が異なっていることを特徴とするＡｌ合金基複合材料製圧延用ローラー（請求項１）であって、また、該Ａｌ合金基複合材料製圧延用ローラーの表面のＳｉＣ充填率が５０体積％以上８５体積％以下であって、ローラー内部に向かって段階的に充填率が低下することを特徴とするＡｌ合金基複合材料製圧延用ローラー（請求項２）である。
【０００７】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明で提案した圧延用ローラーは、その素材として、強化材がＳｉＣであり、マトリックスをＡｌ合金とするＡｌ合金基複合材料とした。その理由は、鉄などの金属製ローラーであると重くまた耐摩耗性が劣っていること、またセラミックス製であると破壊靭性が低く、欠けやすいという欠点があるのに対し、該Ａｌ合金基複合材料は、軽量で高剛性であり、耐摩耗性に優れていること、さらに破壊靭性が高いことから欠けにくいという特徴を有しているからである。また、ローラー断面においてその径方向で強化材の充填率を変化させることで、表面のＳｉＣ充填率が高い部分では剛性が高くまた耐摩耗性が高く、内部のＳｉＣ充填率が低い部分では破壊靭性が高く欠けにくいという特徴を生かした設計が可能となる。
【０００８】
ローラー表面のＳｉＣ充填率は５０体積％以上８５体積％以下であることが望ましい。これはＳｉＣ充填率が５０体積％未満であると耐摩耗性が低下し、逆に８５体積％を越えるＳｉＣ含有率を有する金属基複合材料は、破壊靱性が低下し、欠けやすくなるからである。
【０００９】
本発明の圧延用ローラーに使用する複合材料のＡｌ合金中のＭｇの含有量は、０．１質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。その理由は、Ｍｇが０．１質量％未満であると部材の水分に対する耐食性が低下し、逆に３０質量％を越えるとマトリックス合金が脆くなり欠けやすくなるため好ましくない。
【００１０】
また、Ａｌ合金中のＳｉ含有量は５質量％以上が好ましい。その理由は、Ｓｉ含有量が５質量％より少ない場合Ａｌ合金のプリフォーム中への含浸が遅く、未含浸部分が生じやすくなるからである。逆にＳｉ含有量が５０質量％を越えて多い場合も、合金の融点が高くなり未含浸部分が生じやすくなるため好ましくない。
【００１１】
本発明では、使用するＳｉＣ粉末またはＳｉＣ繊維として、その粒径または繊維の長さが０．３μｍ以下のものの占める割合が１０％以下であり、かつ、１００μｍ以上のものの占める割合が１％以下であるとした。その理由は、０．３μｍ以下のものの占める割合が１０％より多いとＡｌ合金が含浸しにくく、未含浸部分が生じやすくなるからであり、また、１００μｍ以上のものの占める割合が１％より多いと、複合材料の加工性が悪くなり精度の良い加工をすることが困難となるため好ましくないからである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をＳｉＣ粉末を使用した場合を例に挙げさらに詳しく述べると、まず強化材として粒径が０．３μｍ以下のものの占める割合が１０％以下であり、かつ１００μｍ以上のものの占める割合が１％以下であるＳｉＣ粉末を用意する。
【００１３】
このＳｉＣ粉末を分級した後、プリフォーム作製後種々の充填率となるよう、種々の粒度の粉末を所定割合で配合し、これにバインダーを添加混合し、加圧成形など種々の成型方法により粉末充填率が５０〜８５体積％の範囲内のプリフォームを形成する。この際、作製されたプリフォームのＳｉＣ充填率は、径方向で同心円状に変化していれば良く、変化が連続的であっても良いし、不連続であってもよい。たとえば、所定のＳｉＣ充填率を有する所定の径および厚みを持つ円筒形のプリフォームを複数作製し、これら組み合わせることによって、径方向で充填率の異なる円筒棒状のプリフォームを作製してもよい。
【００１４】
形成したプリフォームにＭｇおよびＳｉを含むＡｌ合金を接触させ、それを窒素雰囲気中でＡｌ合金が溶融する温度以上まで加熱し、Ａｌ合金をプリフォーム中に含浸させた後冷却することによって複合材料を作製し、加工することによって圧延用ローラーを作製する。
【００１５】
以上の方法で複合材料を作製すれば、マトリックス金属がＡｌ合金で、表面はＳｉＣ充填率が高いため耐摩耗性に優れ、内部は靭性が高く割れにくく、かつ軽量な圧延用ローラーを作製することができる。
なお、強化材としてＳｉＣ繊維を使用した場合でも、同様な手順にて圧延用ローラーを作製することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１７】
（実施例１）
（１）Ａｌ合金基複合材料製圧延用ローラーの作製
まず強化材であるＳｉＣ粉末として粒度＃２０００（信濃電気製錬社製、ＧＣ＃２０００）および＃１８０（信濃電気製錬社製、ＧＣ＃１８０）の粉末を２：８の割合で混合した混合粉末を用意し、これにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）をＳｉＣ混合粉末１００質量部に対して５質量部添加し、ミル混合を行う。得られた混合粉末を、離型剤を塗布した内寸が１５０×２１０×１１０ｍｍの金型中に投入し、２．０ＭＰａの荷重をかけてプレス成型してＳｉＣ充填率６０体積％の１５０×２１０×１１０ｍｍの成形体を得た。得られた成形体を生加工によって外径１００ｍｍ内径６０ｍｍ長さ２００ｍｍの円筒形状のプリフォーム（プリフォーム１）および１０５×１０５×１０ｍｍのプリフォーム（プリフォーム２）を得た。同様にして＃６００のＳｉＣ粉末（信濃電気製錬社製、ＧＣ＃６００）のみを用いて成形体を作製した後生加工し、ＳｉＣ充填率５２体積％のφ６０×長さ２００ｍｍの円柱状プリフォームを作製した（プリフォーム３）。プリフォーム１の筒の中にプリフォーム３を挿入して圧延用ローラープリフォームとし、またプリフォーム２については耐摩耗性試験試料用プリフォームとした。得られた圧延用ローラープリフォームおよび耐摩耗性試験試料用プリフォームそれぞれにＡｌ−１０質量％Ｓｉ−５質量％Ｍｇ合金を接触させて設置し、窒素雰囲気中８５０℃で１００時間保持してプリフォーム中にＡｌ合金を含浸させ、Ａｌ合金基複合材料を得た。これを加工してφ９５×長さ１９５ｍｍの圧延用ローラーおよび５０×５０×６ｍｍの耐摩耗性試験用複合材料を得た。
【００１８】
（２）圧延試験
得られたＡｌ合金基複合材料製圧延用ローラー２本を用いて２段圧延機に取り付け、これを用いて２００×８０×厚さ５ｍｍのアルミニウム製板（ＪＩＳ１０６０）を圧延率４０％で圧延を行い、圧延後の部材の長手方向で、圧延先端部から２０ｍｍの位置を基点として８０ｍｍ毎の位置で、幅方向に対して中央および中央から４０ｍｍ離れた位置の厚み測定を行った。圧延試験の結果、いずれの測定位置においても厚さ３±０．３ｍｍ以内であり、良好な圧延結果となった。
【００１９】
（３）耐摩耗性、破壊靭性の測定
一般的に耐摩耗性の指標として硬さ試験が用いられていることから、プリフォーム２を用いて作製された耐摩耗性試験用複合材料を用いてロックウェル硬度測定を行った。その結果、得られた複合材料の硬さは、ＨＲＢで１０６であり、炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）のＨＲＢ９０に比較し高い値となった。
また、作製した圧延用ローラーの表面及び内部より３×４×４０ｍｍの試験片を切り出しＳＥＰＢ法により破壊靭性を測定したところ、表面は７ＭＰａ・ｍ１／２、内部は１０ＭＰａ・ｍ１／２であり、表面に比べ内部の靭性を高くすることができた。
【００２０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明のＡｌ合金基複合材料を用いた圧延用ローラーによって軽量で剛性が高く耐摩耗性に優れた圧延用ローラーを作製できた。