(57)【要約】【課題】ロールの外層を耐摩耗性に優れた超硬合金で形成するとともに、η相の発生を抑えて超硬合金からなる高強度の中間層を具備させ、強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールを提供する。【解決手段】超硬合金からなる外層と、鉄系または鋼系合金からなる内層との間に、少なくとも１層以上の超硬合金からなる中間層を形成した超硬合金製圧延用複合ロールであって、該中間層のＷＣ含有量が外層のＷＣ含有量より少なく、該中間層は超硬合金原料粉末に炭素を添加した中間層形成用素材を用いて形成したことを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金からなる外層と、鉄系または鋼系合金からなる内層との間に、少なくとも１層以上の超硬合金からなる中間層を形成した超硬合金製圧延用複合ロールであって、該中間層のＷＣ含有量が外層のＷＣ含有量より少なく、該中間層は超硬合金原料粉末に炭素を添加した中間層形成用素材を用いて形成した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】
前記中間層形成用素材が、粉末、仮焼結体および焼結体のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項３】
前記中間層中の炭素含有量／ＷＣ含有量の重量比率が５．５％以上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】
中間層の厚みが１ｍｍ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、靭性に優れる鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、高硬度の超硬合金からなる外層を形成した圧延用複合ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延においては、肌品質の向上、耐摩耗性の向上の要求から、高硬度の材質が用いられる傾向があり、最も耐摩耗性が要求される用途においては、粉末金属系材料や硬質粒子を含有するサーメット系ロールも用いられている。その中でも超硬合金製ロールは、優れた耐摩耗性、耐クラック性を有することから、仕上スタンドを中心として多く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−ＣｒのＷＣ系超硬合金で構成した線材圧延用ロールが記載されている。この線材圧延用ロールは、超硬合金単体を焼結した小型のスリーブロールであり、靭性に優れた鋼製のロール軸材に０．１／１０００程度の焼嵌め率で嵌合し、そのスリーブロールの側面を固定リング、スペーサーリングなどにより押圧固定して機械的に組立てたものである。この種の超硬合金製スリーブロールの寸法は、外径が１００〜５００ｍｍ、回転軸方向の長さが１０〜３００ｍｍ程度の比較的短尺なものである。
【０００４】
特許文献２には超硬合金と鋼材を金属的に接合した複合ロールが提案されている。これは鋼材からなる内層を形成するスリーブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結すると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与した複合スリーブを、ロール軸材に嵌合固定したものである。また、特許文献３には超硬合金と鋼製の中実軸材を金属的に接合した中実構造の複合ロールも提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭５８−３９９０６号公報
【特許文献２】
特開平１０−８２１２号公報
【特許文献３】
特開平１０−８２１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように超硬合金製スリーブをロール軸材に嵌合したロールの場合、固定リング、スペーサーリング、皿バネ、ナットなど多くの部材が必要で組立て構造が複雑であり、かつ高い組立て精度を要求されるので組立てに係わる工数や費用がかかるという問題がある。また、ロール胴部の長さに対して、超硬合金の占める部分つまり圧延に使用できる部分が半分以下であり効率的でない問題がある。
【０００７】
さらに、超硬合金は熱伝導率が高いため、圧延使用時に超硬合金の温度が上昇しやすく、その熱が鋼製のロール軸材に伝わりやすく、ロール軸材が大きく膨張する。そこで、超硬合金の熱膨張係数は鋼より小さいので、超硬合金製スリーブには半径方向および軸方向に引張り応力が付与される。焼嵌め時の締め代が大きい場合、半径方向の引張り応力が高くなり過ぎると、超硬合金製スリーブの内面から割れを引き起こすおそれがある。また、逆にこのような割れを懸念するあまり焼嵌め時の締め代が小さい場合、圧延中に超硬合金製スリーブが滑るおそれがある。
【０００８】
一方、特許文献２および特許文献３においては、従来の組立て式超硬ロールにおける固定リング、皿バネ、ナットなどが不要であり、ロール胴部長さの全表面を外層で構成するため圧延に使用できる部分を拡大できる利点を有する。
【０００９】
また、超硬合金製複合ロールは、靭性の高い内層と複合化した構造であるから、ロール軸材との締結に焼嵌めやキー止めを用いることが可能なため、板圧延用ロールを含めた各種ロールへの適用が可能である。
【００１０】
しかし、軸材への焼嵌めによる焼嵌め応力や、圧延の負荷による繰り返し応力がロールに作用し、ロール強度設計上、超硬合金の外層と鋼系材料等の内層との境界の接合層の強度が最もロール破壊に対して影響を与える。特に、ロール表面からの割損を防ぐため、ロール表面に圧縮残留応力を付与している場合、外層と内層との境界部にはロール半径方向に引張成分の残留応力が作用しており、さらに境界からロールが破壊するおそれが高まる。このようなロール割損を防ぐため、境界部の接合強度の増加が必要となる。
【００１１】
強度の高い境界層を形成する方法として、超硬合金の外層と鉄系あるいは鋼系材質の内層との中間に、ＷＣ粒子で形成した超硬合金からなる中間層を介在させることが有効である。しかし、中間層と鉄系あるいは鋼系材質の内層との接合界面では、両者の炭素活量差により、中間層から鉄あるいは鋼層に炭素が拡散移動し、境界近傍の超硬合金層の炭素が欠乏し、η相と呼ばれる層が形成され、材料強度の低下が起こる。
【００１２】
したがって、本発明は、η相の発生を抑えて強度的に信頼性の高い中間層を形成した超硬合金製圧延用複合ロールを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超硬合金からなる外層と、鉄系または鋼系合金からなる内層との間に、少なくとも１層以上の超硬合金からなる中間層を形成した超硬合金製圧延用複合ロールであって、該中間層のＷＣ含有量が外層のＷＣ含有量より少なく、該中間層は超硬合金原料粉末に炭素を添加した中間層形成用素材を用いて形成したことを特徴とする。
【００１４】
前記本発明において、中間層形成用素材が、粉末、仮焼結体および焼結体のうちのいずれかからなることを特徴とする。また、中間層中の炭素含有量／ＷＣ含有量の重量比率が５．５％以上であることを特徴とする。さらに、中間層の厚みが１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
超硬合金の外層と鉄系あるいは鋼系材料の内層との境界に介在させるＷＣ系超硬合金からなる中間層は、十分な接合強度を確保するためにη相のないものが望ましい。η相は、ＷＣ−Ｃｏ合金の２相組成領域から低炭素側にシフトすることによって、より炭素量の少ない安定層として出現する。中間層と鉄あるいは鋼系内層が拡散接合する際、炭素活量の差により、中間層側から内層側に炭素が拡散移動し、中間層側の炭素が低下することにより、特に内層との接合界面でη相が発生しやすい。
【００１６】
本発明は、このような中間層の炭素低下によるη層の発生を防ぐために、超硬合金原料粉末に炭素を添加した中間層形成用素材を用いて中間層を形成せしめ、すなわち予め中間層形成用素材に炭素を富化させておき、たとえ内層に炭素が拡散移動してもη相が発生しないようにするものである。
【００１７】
η相発生防止のため、中間層の組成として、ＷＣ含有量に対する炭素含有量（炭素含有量／ＷＣ含有量）の重量比率を５．５％以上とすることが有効である。さらに、中間層の厚みが１ｍｍ以上であれば、内層への炭素の拡散が起きてもη相が発生しにくいので有効である。
【００１８】
本発明の複合ロールの製造方法として、鋼系または鉄系材料からなる内層を用いて、真空焼結、加圧焼結ないしは熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法により超硬合金からなる外層を接合させる。ロールの構成は、中実の複合ロールでもよく、複合スリーブロールを鋼等の軸材に焼嵌めて組み立てたものでも良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
まず、外層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が５μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍの１種類のＣｏ原料粉末を用意し、それぞれを重量％でＷＣ原料粉末８０％、Ｃｏ原料粉末２０％の割合で配合し、ボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、外層形成用の超硬合金原料粉末とした。
【００２０】
また、外層と内層の間に配置する中間層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が３μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ粉末を用意し、重量％でＷＣ原料粉末３０％、Ｃｏ原料粉末７０％の割合で配合した。
【００２１】
そして、この配合した超硬合金原料粉末に、炭素粉末をＷＣ粉末１００重量部に対し１重量％の割合で添加し、それをボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、中間層形成用素材とした。
【００２２】
前述の外層形成用の超硬合金原料粉末を用いて、外径３００ｍｍ、内径２４０ｍｍ、長さ５００ｍｍの超硬合金製の仮焼結体からなる中空スリーブを作製した。
【００２３】
また、内径φ３１０ｍｍ、長さ５５０ｍｍのＨＩＰ缶の中央に、内層として、外径φ２２０ｍｍ、内径φ１６０ｍｍ、長さ５００ｍｍの中空円筒状のＳＣＭ４４０を配置した。そして、前記超硬合金製の中空スリーブを内層の周りに挿入した。
【００２４】
次いで、内層の外面と中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、前記の中間層形成用素材を充填した。その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封した後、７００℃にて真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３５０℃、１４００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、超音波探傷検査にて、外層、中間層および内層の接合が健全であることを確認した。
【００２５】
また、中間層の化学組成分析を実施し、含有する炭素の重量割合が、ＷＣの重量割合の５．９％であることを確認した。さらに、組織観察により中間層と内層の境界接合部付近には、η相が発生していないことを確認できた。
【００２６】
また、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、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験を行ない、坑折強度を測定した。坑折強度は１７８０（ＭＰａ）であり十分な強度を得ることができた。
【００２７】
（実施例２）
外径７３０ｍｍ、長さ２３００ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶に、外径４８０ｍｍ、内径３００ｍｍ、長さ２５００ｍｍの中空円筒状の内層となる鍛鋼を設置し、この内層の周囲に内径４９０ｍｍ、厚み２ｍｍの仕切りとなる鋼管を配置した。
【００２８】
平均粒径が７μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ原料粉末を用意し、ＷＣ原料粉末８５％、Ｃｏ原料粉末１５％の割合で配合し、ボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、外層形成用の超硬合金原料粉末を作製し、これをＨＩＰ缶の内面と鋼管の外面との間の空隙に充填した。
【００２９】
また、鋼管の内面と内層の外面との間の空隙に中間層形成用素材として、平均粒径３μｍのＷＣ粉末３０％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７０％の超硬合金原料粉末に、炭素粉末をＷＣ粉末１００重量部に対し１．５重量部の割合で添加したものを充填した。充填後、仕切りの鋼管を引き抜きいた後、次いでＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封し、７００℃にて真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３００℃、１４００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。
【００３０】
実施例１同様に、外層、中間層および内層の接合が健全であり、化学分析により、中間層の炭素含有量がＷＣ含有量の６．１％であることを確認した。また、組織観察により中間層と内層の境界接合部付近には、η相が発生していないことを確認できた。また、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片において、坑折強度は１６３０（ＭＰａ）であり十分な強度を得ることができた。
【００３１】
（実施例３）
内径φ３１０ｍｍ、長さ５５０ｍｍのＨＩＰ缶の中央に、内層として、外径φ２２０ｍｍ、内径φ１６０ｍｍ、長さ５００ｍｍの中空円筒状のＳＣＭ４４０を配置した。
【００３２】
外層と内層の間に配置する中間層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が３μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ粉末を用意し、重量％でＷＣ原料粉末４０％、Ｃｏ原料粉末６０％の割合で配合した。
【００３３】
そして、この配合した超硬合金原料粉末に、炭素粉末をＷＣ原料粉末１００重量部に対し２重量％の割合で添加し、それをボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、中間層形成用の混合粉末とした。
【００３４】
中間層形成用の混合粉末をＣＩＰまたはプレスにて成形を行った後、真空焼結炉を用いて１０００℃にて仮焼結を行ない、厚み２ｍｍで相対密度６３％の中間層形成用素材を作製した。そして、内層の外周に中間層として中間層形成用素材を配置した。中間層形成用素材は仮焼結体であるため内層の外周に容易に配置することができた。
【００３５】
その後、中間層形成用素材の外面とＨＩＰ缶の内面との間に形成された空隙に、外層として重量比でＷＣ：８０％、Ｃｏ：２０％からなる超硬合金粉末を充填した。次いで、ＨＩＰ缶を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ処理を行なった。
【００３６】
実施例１同様に、外層、中間層および内層の接合が健全であり、中間層の化学分析により、中間層の炭素含有量がＷＣ含有量の６．０％であることを確認した。さらに、組織観察により中間層と内層の境界接合部付近には、η相が発生していないことを確認できた。また、内層、中間層および外層を含む境界接合部の坑折強度は十分な強度を得ることができた。
【００３７】
（実施例４）
内径φ２００ｍｍ、長さ２０００ｍｍのＨＩＰ缶の中央に、ＳＣＭ４４０からなる中実状の内層を配置し、内層の外面とＨＩＰ缶の内面との間に形成された空隙に、ロール外層として重量比でＷＣ：８０％、Ｃｏ：２０％からなる超硬合金素材を挿入した。なお、この外層形成用超硬合金素材は、予めプレスを用いて成形し、真空焼結炉を用いて焼結しておいたものである。
【００３８】
外層と内層の間に配置する中間層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が３μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ粉末を用意し、重量％でＷＣ原料粉末５０％、Ｃｏ原料粉末５０％の割合で配合した。
【００３９】
そして、この配合した超硬合金原料粉末に、炭素粉末をＷＣ原料粉末１００重量部に対し２重量％の割合で添加し、それをボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、中間層形成用の混合粉末とした。
【００４０】
中間層形成用の混合粉末をＣＩＰまたはプレスにて成形を行った後、真空焼結炉を用いて１３００℃にて焼結した。このようにして、相対密度９８％の焼結体からなる厚み２ｍｍの中間層形成用素材を得た。この中間層成形素材の化学分析を行ったところ、中間層に含有する炭素が含有ＷＣ量の６．２％であることを確認した。
【００４１】
そして、前述の外層形成用超硬合金素材の内面と内層の外面との間の隙間に、中間層形成用素材を挿入し、ＨＩＰ缶を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ処理を行なった。
【００４２】
実施例１同様に、外層、中間層および内層の接合が健全であり、組織観察により中間層と内層の境界接合部付近には、η相が発生していないことを確認できた。また、内層、中間層および外層を含む境界接合部の坑折強度は十分な強度を得ることができた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールによれば、ロールの外層は耐摩耗性に優れるとともに、η相の発生を抑えて超硬合金からなる高強度の中間層を具備させ、強度的に信頼性の高い超硬合金製圧延用ロールを得ることができる。