(57)【要約】【課題】耐摩耗材層の耐摩耗性も靱性も共に優れた耐摩耗ロールとその製造方法を提供する。【解決手段】鋼系軸材１の外周部に、ハイス系材料の粉末２を、無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結してある耐摩耗材層３を金属接合してある。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼系軸材の外周部に、ハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、前記鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、前記ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結してある耐摩耗材層を金属接合してある耐摩耗ロール。
【請求項２】
前記鋼系軸材が０．８重量％以下の炭素を含有し、前記ハイス系材料が２．０〜３．５重量％の炭素を含有している請求項１記載の耐摩耗ロール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の耐摩耗ロールの製造方法であって、
鋼系軸材の外周部を筒状の側壁部材で囲んで、前記鋼系軸材と前記側壁部材との間に凹入部を形成し、
ハイス系材料の粉末を前記凹入部に充填し、
前記凹入部に充填したハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、前記鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、前記ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結して、前記鋼系軸材の外周部に溶着された硬質体を作成し、
前記側壁部材の一部又は全部を除去して前記硬質体を露出させて、前記耐摩耗材層を形成する耐摩耗ロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば圧延用や搬送用に使用され、鋼系軸材の外周部に耐摩耗材層を金属接合してある耐摩耗ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉末ハイスを原料にしたロールの製造方法としては、ＨＩＰ炉を用いた方法がある。この方法は、粉末ハイスをキャニングしてＨＩＰ処理する方法であるが、一般的には固相焼結であり、ＨＩＰ時の高温高圧によって、粉末ハイスの緻密化と母材となる鋼系材質への接合を行っている（例えば、特許文献１，２参照）  。
小型の部品等の場合は、粉末ハイスを加圧成形し、真空炉で焼結する方法がある。粉末ハイスの焼結では、一般的には、固相焼結であり、焼結時に液相は発生させない。
鋳造系のハイスロールの製造方法としては、連続鋳掛け肉盛り法がある。当然のことながら、鋳込み時のハイスは、液相の状態（液相線以上の温度）  である（例えば、特許文献３参照）  。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３０３２９９７号公報
【特許文献２】
特開平９−２０９６７号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５８３３７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＩＰ炉を用いた粉末ハイスロールは、キャニングやＨＩＰ処理にかかる費用が非常に高価である。特に、キャニングは、粉末ハイスを母材となる鋼系材質に均一焼結させるための形状をとり、かつ、粉末ハイス焼結時の収縮で缶が破れない工夫を行わなければならない。そのため、キャニング費用は非常に高くなる。
小型部品等で用いられる加圧成形・焼結法は、ロールのような円筒形状品（あるいは円柱形状品）  では、粉末ハイスの加圧成形や鋼系材質との接合が困難である。
連続鋳掛け肉盛りロールは、特別な専用装置で製造されており、高額の設備投資が必要となる。
粉末ハイスロールは、鋳造ハイスロールと比較して、以下の特徴がある。
▲１▼  耐摩耗性が良い。
▲２▼  偏析が発生しない。
▲３▼  内層が強靱な鋼系材質である。
粉末ハイス系ロールの特徴を維持し、かつ、それを安価に提供する方法が望まれている。
また、ハイス系材料の粉末を液相線以上（液相域）  の温度で焼結して鋼系軸材の外周部に金属接合してある耐摩耗材層は、粉末作成時の急冷によってできた微細組織が消滅し、通常の溶製材の凝固組織となって、組織が粗大化する欠点がある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、耐摩耗材層の耐摩耗性も靱性も共に優れた耐摩耗ロールとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明による耐摩耗ロールの特徴構成は、鋼系軸材の外周部に、ハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、前記鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、前記ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結してある耐摩耗材層を金属接合してある点にある。
【０００６】
〔作用及び効果〕
鋼系軸材の外周部に、ハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結して緻密化してある耐摩耗材層は、組織が粗大化しておらず、また、引け巣も殆ど発生しておらず、耐摩耗材層の耐摩耗性も靱性も共に優れた耐摩耗ロールを提供できる。
【０００７】
請求項２記載の本発明による耐摩耗ロールの特徴構成は、前記鋼系軸材が０．８重量％以下の炭素を含有し、前記ハイス系材料が２．０〜３．５重量％の炭素を含有している点にある。
【０００８】
〔作用及び効果〕
炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結した耐摩耗材層を、炭素が０．８重量％以下の鋼系軸材に金属接合してあるので、耐摩耗材層の耐摩耗性も靱性も一層優れている。
つまり、炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料の粉末を固相線以下（固相域）  で焼結する場合、加圧成形後に焼結するか、もしくは焼結時にＨＩＰ炉を使用して加圧する必要がある。そのような加圧を行わないと、鋼系軸材との接合も緻密化も不充分となる。
液相線以上（液相域）  で焼結すると組織が粗大化するとともに、組織成長時に成分偏析が発生するなど、鋳造ハイスと同じ問題が発生する。
無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域に昇温して液相焼結すると、液相の存在によって緻密化が達成され、さらに、液相中に残存した固相の存在によって、液相凝固時にその結晶成長が妨げられる。
そのため、液相焼結後も原料である粉末ハイスの組織そのものがある程度維持されて、粗大化せず、結晶成長に伴う偏析も発生しない。
また、凝固収縮が少ないために引け巣も殆ど発生していない。
一般論として、加圧プロセスを用いた固相焼結ハイスは、鋳造ハイスに比べて破壊靱性値が低いという課題があるが、固液共存域で焼結を行う本発明品は鋳造品に近い靱性が得られる。
また、ハイス系材料の粉末を焼結して鋼系軸材に金属接合するにあたって、炭素が０．８重量％を越える鋼系軸材と炭素が２．０重量％未満のハイス系材料とを組み合わせて使用してあると、鋼系軸材とハイス系材料との融点の差が小さくなって、焼結時に鋼系軸材がハイス系材料中に溶け出しているおそれがあり、炭素が３．５重量％を越えるハイス系材料を使用してあると、共晶点を超えている場合が多いため、材質が脆くなっているおそれがあるが、炭素が０．８重量％以下の鋼系軸材と炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料とを組み合わせて、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域で液相焼結してあるので、鋼系軸材が固液共存領域で液相焼結しているハイス系材料中に溶け出しているおそれも、材質が脆くなっているおそれも少なく、耐摩耗材層の耐摩耗性も靱性も一層優れている。
【０００９】
請求項３記載の発明の特徴構成は、請求項１又は２記載の耐摩耗ロールの製造方法であって、鋼系軸材の外周部を筒状の側壁部材で囲んで、前記鋼系軸材と前記側壁部材との間に凹入部を形成し、ハイス系材料の粉末を前記凹入部に充填し、前記凹入部に充填したハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、前記鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、前記ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結して、前記鋼系軸材の外周部に溶着された硬質体を作成し、前記側壁部材の一部又は全部を除去して前記硬質体を露出させて、前記耐摩耗材層を形成する点にある。
【００１０】
〔作用及び効果〕
鋼系軸材の外周部を筒状の側壁部材で囲んで、鋼系軸材と側壁部材との間に凹入部を形成し、その凹入部に充填したハイス系材料の粉末を焼結して、鋼系軸材の外周部に溶着された硬質体を作成するので、所望の寸法や形状になるように充填したハイス系材料の粉末を焼結して硬質体を作成しながら、同時に、その硬質体を鋼系軸材に金属接合して、製造工程を簡略化でき、更に、凹入部を形成している側壁部材の一部又は全部を除去して硬質体を露出させて耐摩耗材層を形成するので、摩耗代の大きい耐摩耗材層を鋼系軸材に金属接合でき、耐久性の高い耐摩耗ロールを容易に製造できる。
また、ハイス系材料の粉末を固相線以下（固相域）  で焼結すると、鋼系軸材との接合も粉末ハイスの緻密化も不充分で、緻密化しても靱性が低く、また、液相線以上（液相域）  で焼結すると組織が粗大化するが、無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度に昇温して液相焼結するので、粉末ハイスが緻密化しても組織の粗大化や偏析が発生せず、また、引け巣も殆ど発生していない耐摩耗性も靱性も一層優れた耐摩耗材層を金属接合することができる。
そして、請求項２記載の耐摩耗ロールを製造する場合は、炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料の粉末を、無酸素雰囲気中で、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結した硬質体からなる耐摩耗材層を、炭素が０．８重量％以下の鋼系軸材に金属接合するので、耐摩耗性も靱性も一層優れた耐摩耗材層を金属接合することができる。
つまり、ハイス系材料の粉末を焼結した硬質体を鋼系軸材に溶着するにあたって、炭素が０．８重量％を越える鋼系軸材と炭素が２．０重量％未満のハイス系材料とを組み合わせて使用すると、鋼系軸材とハイス系材料との融点の差が小さくなって、焼結時に鋼系軸材がハイス系材料中に溶け出し易く、炭素が３．５重量％を越えるハイス系材料を使用すると共晶点を超える場合が多いため、材質が脆くなり、また、融点が逆に上昇してしまうが、炭素が０．８重量％以下の鋼系軸材と炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料とを組み合わせて、鋼系軸材の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度に昇温して液相焼結するので、鋼系軸材が固液共存領域で液相焼結しているハイス系材料中に溶け出すおそれも、材質が脆くなるおそれも少なく、耐摩耗性と靱性とを備えた硬質体を効率良く焼結できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による鋼材圧延用の耐摩耗ロールを示し、中実円柱状の鋼系軸材１の外周部に、ハイス系材料の粉末（以下、粉末ハイスという）  ２を、無酸素雰囲気中（好ましくは、１Ｔｏｒｒ  以下の真空中）  で、鋼系軸材１の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結してある耐摩耗材層３を金属接合してある。
【００１２】
前記鋼系軸材１は、機械加工が比較的容易で炭素が０．８重量％以下のＪＩＳ  Ｓ５０Ｃなどの機械構造用炭素鋼鋼材やＪＩＳ  ＳＣＭ４４０Ｈなどの構造用鋼鋼材で形成し、支軸部４を両端に切削形成してある。
【００１３】
前記粉末ハイス２の製造可能範囲は、その固液共存域の温度で決まる。その温度に最も影響のある元素はＣであり、その範囲は２．０〜３．５重量％と規定した。その他の元素の凝固点への影響は、Ｃに比べて１桁以上小さく、かつ、大半の合金元素は添加すると固液共存域の温度が低下する方向であるため、無視しても問題ないものと考える（例外：Ｃｒは固相線を上昇させる場合がある）  。
上記条件（固液共存域の温度）  の範囲内であれば、ハイス以外の高Ｃｒ材等の粉末でも良い。
耐摩耗性を確保するための粉末ハイス２の成分として、［表１］に示す成分範囲（重量％）  が挙げられる。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
前記粉末ハイス２は、具体的には、耐摩耗性を備えた炭素が２．０〜３．５重量％のハイス系材料を粉末化したもので、その組成例を［表２］に示す。
【００１６】
【表２】
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粉末ハイス２の粒度は、５〜５００μｍ程度が良い。より好ましくは、１０〜３００μｍ（平均粒径１２０μｍ程度）  である。
粗くなり過ぎると、溶融し難い（焼結性が悪くなる）  。また、細かくなり過ぎると、粉体の嵩比重が低くなる。焼結前の初期密度が低いと、焼結時に欠陥が発生しやすくなる。
【００１７】
前記耐摩耗ロールの製造方法を説明する。
図２（イ）  に示すように、鋼系軸材１の外周部のうち、耐摩耗材層３を接合する部位を、機械構造用炭素鋼製の円筒状側壁部材５で囲んで、側壁部材５の一端側内面に形成してある鍔６を鋼系軸材１に溶接固定し、鋼系軸材１と側壁部材５との間に凹入部７を形成する。
【００１８】
そして、凹入部７に粉末ハイス２を充填して、側壁部材５ごと加振して締め固め、更に、粉末ハイス２を金属棒などで突いて硬く締め固めた後、窒素ガスなどの不活性ガスの導入ガス圧を調整することにより真空度を０．２〜０．８Ｔｏｒｒに調整した真空炉の無酸素雰囲気中で、粉末ハイス２を鋼系軸材１の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結して、図２（ロ）  に示すように、鋼系軸材１に溶着された硬質体８を作成する。
尚、液相が５０％以上となる固液共存領域（液相線直下）  の温度で液相焼結するのが望ましい。
【００１９】
次に、凹入部７を外側から囲んでいる側壁部材５を鍔６とともに切除して硬質体８を露出させ、鋼系軸材１の外周部に金属接合してある耐摩耗材層３を形成する。
【００２０】
組成例１の粉末ハイス２を使用した場合は、１２６０℃の固液共存領域の温度で約３０分間に亘って液相焼結して、その後、１０５０℃の温度まで徐冷し、液相を完全に凝固させた後に、１０５０℃の温度より焼き入れ（急速冷却）  処理して室温まで冷却した後、５４０℃で５時間の焼き戻し処理を大気炉中で二回行った。焼結した硬質体８は、ＨＲＣ６５の硬度が得られた。
［表２］に示した組成例１〜３の粉末ハイス２を使用した場合の製造条件を  ［表３］に示す。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
〔第２実施形態〕
図３は、本発明による搬送用の耐摩耗中空ロールとその製造方法を示し、図３（イ）  に示すように、筒軸状の鋼系軸材１の外周を、機械構造用炭素鋼製の円筒状側壁部材５で囲んで、側壁部材５の一端側内面に形成してある鍔６を鋼系軸材１に溶接固定し、鋼系軸材１と側壁部材５との間に凹入部７を形成する。
【００２３】
そして、第１実施形態の場合と同様に、凹入部７に粉末ハイス２を充填して硬く締め固めた後、真空度を０．２〜０．８Ｔｏｒｒに調整した真空炉の無酸素雰囲気中で、粉末ハイス２を鋼系軸材１の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結し、図３（ロ）  に示すように、側壁部材５および両端部を切除して、鋼系軸材１に硬質体８が溶着された耐摩耗中空ロールを製造する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２４】
〔第３実施形態〕
図４は、本発明によるカリバー用耐摩耗ロールとその製造方法を示し、図４（イ）  に示すように、複数の環状段部９を備えた鋼系軸材１の外周部のうち、耐摩耗材層３を接合する部位を、その外面形状に沿うように機械構造用炭素鋼製の円筒状側壁部材５で囲んで、側壁部材５の一端側内面に形成してある鍔６を鋼系軸材１に溶接固定し、鋼系軸材１と側壁部材５との間に凹入部７を形成する。
【００２５】
そして、第１実施形態の場合と同様に、凹入部７に粉末ハイス２を充填して硬く締め固めた後、真空度を０．２〜０．８Ｔｏｒｒに調整した真空炉の無酸素雰囲気中で、粉末ハイス２を鋼系軸材１の固相線以下の温度で、かつ、ハイス系材料の固液共存領域の温度で液相焼結し、図４（ロ）  に示すように、側壁部材５を切除して、鋼系軸材１に硬質体８が溶着されたカリバー用耐摩耗ロールを製造する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２６】
〔その他の実施形態〕
１．本発明による耐摩耗ロールとその製造方法は、合金工具鋼や一般圧延用炭素鋼，ステンレス鋼などで形成した鋼系軸材を使用しても良い。
２．本発明による耐摩耗ロールとその製造方法は、ハイス系材料の粉末を無酸素雰囲気中で焼結するにあたって、水素ガスを炉中に充填して焼結する還元焼結によっても良い。
３．本発明による耐摩耗ロールとその製造方法は、鋼系軸材に硬質体を溶着してから、その鋼系軸材に支軸部を切削形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】耐摩耗ロールの断面図
【図２】製造方法を示す断面図
【図３】耐摩耗中空ロールとその製造方法を示す断面図
【図４】カリバー用耐摩耗ロールとその製造方法を示す断面図
【符号の説明】
１  鋼系軸材
２  ハイス系材料の粉末
３  耐摩耗材層
５  側壁部材
７  凹入部
８  硬質体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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