(57)【要約】【課題】軽量で剛性が高くかつ耐摩耗性に優れ、さらに表面温度の制御が容易で圧延精度に優れた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に温度制御用の水冷管を導入することで、軽量高剛性でかつ耐摩耗性に優れ、表面温度の制御が容易で圧延精度が改善した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、ローラー内部に水冷管を配し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。また強化材としてＳｉＣを使用したＡｌ合金基複合材料では、強化材およびマトリックスの両方とも高い熱伝導性を有していることから、得られる複合材料も高熱伝導率を示すという特徴を有していることが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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であるが、これらは圧延時に摩擦熱等の発熱が発生し、使用時間とともに温度が上昇するため圧延精度の維持に限界があった。この発熱に対処するために水冷するが、金属製ローラーでは部材の剛性が低いことから一般にローラーの肉厚を厚くしなければならず、このため温度が伝わりにくくなり放熱が困難であった。一方セラミックス製ローラーでは、脆く欠けやすいだけでなく、一般に熱伝導率が低いためにやはり放熱が困難であった。
【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、軽量で耐摩耗性に優れ、ローラー表面の温度制御が容易で圧延精度に優れた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内部に水冷管を導入することで達成される。
【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、さらにローラー内部に水冷管を配し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、マトリックス合金を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ばかりでなく、十分な比剛性が無く、水冷管から圧延用ローラー表面までの肉厚が厚くなり、温度制御が困難であること、またセラミックス製であると破壊靭性が低く、欠けやすいばかりでなく、一般に熱伝導率が低く、ローラー表面の温度制御が困難であるという欠点がある。これに対し、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、また破壊靭性が高いため欠けにくく、熱伝導率が高いためにローラー表面の温度制御が容易であるという特徴を有しているからである。
【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剛性も十分でなく、逆に８５体積％を越えるＳｉＣ充填率を有するＡｌ合金基複合材料は、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こと、また部材の熱伝導率が低下す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所定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形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てもよくこれも本発明に包含される。
【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】
水冷管は、ＳｉＣプリフォーム中に、例えばアルミナ製のパイプを挿入してＡｌ合金を含浸しても良いし、円柱状のＡｌ合金基複合材料を作製後、軸方向に貫通穴を開けてこれを水冷管としても良いし、またＳＵＳ製等の水冷管等を挿入しても良い。その際、穴形状の加工をより容易にするため、穴となる部分のＳｉＣ充填率を低充填または未充填としておくことも本特許に包含される。
【００１６】
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合金であり、軽量で剛性が高く、欠け等の欠陥が生じにくく、ローラー表面の温度制御が容易で圧延精度に優れた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。
【００１７】
【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。
【００１８】
（実施例）
（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、ミル混合を行った。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、１５０℃で加熱しながら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。得られた成形体から、生加工によって外径１００ｍｍ内径２６ｍｍ長さ２００ｍｍの円筒形状のプリフォームを得た。得られたプリフォーム、およびＡｌ−１０質量％Ｓｉ−５質量％Ｍｇ合金を接触させた状態で設置し、窒素雰囲気中９００℃で１０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。これを加工して外径９５ｍｍ内径２６ｍｍ長さ１９５ｍｍの円筒形の圧延用ローラーを作製した。得られた圧延用ローラーの中心にφ３０ｍｍの穴加工を施し、同寸法のＳＵＳ３０４水冷管を嵌め込んで水冷管とした。
【００１９】
（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を水冷しながら、これに１０００×８０×厚さ５ｍｍのアルミニウム製板（ＪＩＳ１０６０）を圧延率４０％で圧延を行い、これを５０枚繰り返して、圧延用ローラー表面の温度及び圧延後の５０枚のアルミニウム板の厚さを測定した。厚さの測定箇所は、部材の長手方向において、圧延先端部から１００ｍｍの位置を基点として２００ｍｍ毎の位置で、幅方向に対しては中央部である計５箇所とした。その結果、圧延用ローラー表面は１９℃でありほとんど温度上昇がなかった。また、厚さも３±０．２ｍｍと圧延精度は良好であった。
【００２０】
（比較例）
鋳鉄（ＦＣ２５０）を用いて同様な形状の水冷管を有する圧延用ローラーを作製し、上記と同様の圧延試験を行った。その結果、圧延用ローラー表面温度は、３２℃となり、温度上昇が認められた。また、板の厚さは３±０．５ｍｍとばらつきが大きくなった。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の水冷管を配したＡｌ合金基複合材料を用いて圧延用ローラーを作製することにより、軽量で剛性が高く耐摩耗性に優れた圧延用ローラーが容易に得られ、また熱伝導率が高くローラー表面温度の制御が容易で、結果として圧延精度に優れた圧延用ローラーが作製できる。