(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、ロール表面の熱亀裂の進展を抑えて、ロールが割損すること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してなり、外層を平均粒径が１０μｍ以上のＷＣ原料粉末を用いて形成したことを特徴とする。また、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してなり、外層は倍率が１０００倍の組織観察像における０．１ｍｍ×０．１ｍｍの組織観察視野内に、粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子が１０個以上存在してな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してなり、外層を平均粒径が１０μｍ以上のＷＣ原料粉末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】
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してなり、外層は倍率が１０００倍の組織観察像における０．１ｍｍ×０．１ｍｍの組織観察視野内に、粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子が１０個以上存在してな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】
前記外層と内層の間に中間層を少なくとも１層以上介在させ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】
ロール軸方向中央部の外層表面において、ロール表面と平行な方向の残留応力として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１〜３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。本発明は、特に熱間圧延用ロールに用いられるのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延においては、肌品質の向上、耐摩耗性の向上の要求から、従来はダクタイル系鋳鉄、グレン系鋳鉄、チルド系鋳鉄ロールが広く用いられてきたが、近年は高品質な圧延用ロールの使用が進んでいる。特に耐摩耗性の要求が強い分野では、ハイス系ロールが用いられている。
【０００３】
さらに最近では、ハイス系ロールなどに比べて耐摩耗性が格段に優れる超硬合金を用いたロールが提案されている。超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【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
【０００７】
【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、すなわち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。
【０００８】
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り、ロールが破損するおそれがある。
【０００９】
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。また、内層が鋼系または鉄系材料であるため、内層からの割れは発生せず、適切な焼嵌率をもって軸材に嵌合できる。さらに、外層は超硬合金であるため、従来の鋳造ロールに比べ耐摩耗性が格段に優れる。
【００１０】
しかしながら、超硬合金製複合ロールは、ロール表面の初期クラックを抑制する耐クラック性がいまだ十分でない。このため、熱亀裂が発生すると、次回の圧延を行なう前にこの熱亀裂を完全に除去加工する必要がある。よって、ロール消耗量が大きくなり生産効率が悪化する。
【００１１】
このような熱亀裂は、圧延による過大な熱衝撃によりロール外層の表面に発生する。そして、その後の圧延による熱的、機械的な繰り返し負荷により、ロール外層の内部に進展していき、ロールが破損するおそれもある。
【００１２】
したがって、本発明は、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、ロール表面の熱亀裂の進展を抑えて、ロールが割損すること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を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の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してなり、外層を平均粒径が１０μｍ以上のＷＣ原料粉末を用いて形成したことを特徴とする。
【００１４】
また、第２の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してなり、外層は倍率が１０００倍の組織観察像における０．１ｍｍ×０．１ｍｍの組織観察視野内に、粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子が１０個以上存在してなることを特徴とする。
【００１５】
前記第１および第２の本発明の超硬合金製圧延用複合ロールにおいて、前記外層と内層の間に中間層を少なくとも１層以上介在させることを特徴とする。また、ロール軸方向中央部の外層表面においてロール表面と平行な方向の残留応力として圧縮応力が付与されていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
超硬合金からなるロール外層の表面に発生した熱亀裂がいかに進展するかは、外層自体の破壊靭性値、亀裂長さ、亀裂先端に作用している応力状態により決まる。超硬合金は、主として炭化タングステン（ＷＣ）の硬質相とＣｏ等の金属バインダー相とからなる。金属バインダー相の含有量を増加させるにしたがい破壊靭性値は大きくなるが、ＷＣ硬質相の量が減少するため耐摩耗性は劣化する。
【００１７】
つまり、ＷＣ含有量を一定量維持したままで、破壊靭性値を向上できれば、耐摩耗性と耐クラック性の両立が可能となる。これを達成するように種々検討した結果、外層を形成するのに粒子径が比較的粗大であるＷＣ原料粉末を使用すれば、破壊靭性値を向上できることがわかった。亀裂はＷＣ粒子とバインダーとの境界部に沿って優先的に進展する傾向がある。そこで、粗大なＷＣ粒子が存在すると、このＷＣ粒子を迂回するように亀裂が蛇行して進展する、すなわち微細なＷＣ粒子に比べ進展距離が長くなるため亀裂の進展抵抗が増大するものと考えられる。
【００１８】
外層を形成するＷＣ原料粉末の平均粒径が微細になり過ぎると外層の破壊靭性が低下しやすいので、ＷＣ原料粉末の平均粒径は１０μｍ以上であることが望ましい。一方、ＷＣ原料粉末の平均粒径が粗大になり過ぎると外層の抗折強度が低下するので、より好ましいＷＣ原料粉末の平均粒径は１０μｍを超え３０μｍ以下である。
【００１９】
また、外層の超硬焼結合金から試験片を切り出して公知の方法による組織観察を行なった場合、倍率が１０００倍の組織観察像における０．１ｍｍ×０．１ｍｍの組織観察視野内に、粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子を１０個以上存在させることにより、外層の破壊靭性を高めることができる。粒径が１０μｍを超え３０μｍ以下のＷＣ粒子を１０個以上存在させることがより好ましい。
【００２０】
また、本発明の複合ロールにおいては十分な耐摩耗性を確保するために、ＷＣ粒子の含有量を６０重量％以上、望ましくは６０〜９５重量％含有させることが好ましい。
【００２１】
また、超硬合金からなる外層と、鋼系または鉄系材料からなる内層との間に超硬合金または金属で形成された中間層を少なくとも１層以上介在させることにより、外層と内層との接合強度を高められるので好ましい。この中間層は、その組成において、金属系のバインダー相の重量比率が３０％以上のサーメット系材質であることがより望ましい。
【００２２】
さらに、ロール軸方向中央部の外層（ロール胴部）の表面に、ロール表面に対して平行に圧縮残留応力を付与することにより、耐事故性を十分向上させ、かつ外層と内層との境界部から剥離し難くなるので望ましい。この圧縮応力は境界部および内層の強度面も考慮して１００〜５００ＭＰａであることが望ましい。
【００２３】
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。
【００２４】
【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を４種類準備した。すなわち、平均粒径が５μｍ、７μｍ、１０μｍ、３０μｍの４種類の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。
【００２５】
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を１種類準備した。すなわち、平均粒径が５μｍ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、ボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、中間層形成用の超硬合金原料粉末とした。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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の超硬合金原料粉末を充填した。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。
【００２９】
このようにして、平均粒径がそれぞれ異なるＷＣ原料粉末の種類毎に同一仕様のロールを複数本づつ製造した。そして、外層の超硬合金から試験片を切り出して、鏡面研磨後、村上氏薬でエッチング処理し光学顕微鏡による組織観察を行ない、倍率が１０００倍の組織観察像における０．１ｍｍ×０．１ｍｍの組織観察視野内において、粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子の個数を測定した。
【００３０】
また、外層から試験片を切り出し、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験により外層の破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＭＰａ・ｍ１／２）を測定した。また、外層のロール軸方向中央部に歪ゲージを貼り、破壊法により外層におけるロール円周方向の残留応力（ＭＰａ）を測定した。これらの結果を表１に示す。表１において、ＷＣ粒径は用いたＷＣ原料粉末の平均粒径（μｍ）、ＷＣ粒子数は前述の組織観察における粒径が１０μｍ以上のＷＣ粒子の個数、残留応力のマイナス符号は圧縮を表す。
【００３１】
表１
Ｎｏ ＷＣ粒径 ＷＣ粒子数 Ｋ１Ｃ 残留応力 圧延時の状況
１      ５          ０      ２２    −２０５    ロール胴部表面に亀裂発生進展
２      ７          ２      ２４    −２５２    ロール胴部表面に亀裂発生進展
３    １０        ２０      ３０    −２２３    良好
４    ３０        １１      ３２    −２４８    良好
【００３２】
表１から、Ｎｏ．１およびＮｏ．２のロールは圧延に供したところ、耐摩耗性は十分であったが、外層表面に熱亀裂が発生進展しロール割損に至った。Ｎｏ．３およびＮｏ．４のロールは、耐摩耗性が十分であるとともに、外層表面に熱亀裂は発生したが、その深さは１ｍｍ以下で良好な結果を得ることができた。
【００３３】
（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。
【００３４】
平均粒径が１５μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ原料粉末を用意し、それぞれを重量％で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。
【００３５】
また、鋼管の内面と内層の外面との間の空隙に中間層となる平均粒径７μｍのＷＣ粉末３０％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末７０％の混合粉末を充填した。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。冷却後ＨＩＰ缶を加工除去して超硬合金製複合スリーブロールを作製した。この複合スリーブロールの内径を加工した後、クロムモリブデン鋼の軸材に焼嵌め、本発明の冷間圧延用組立式ロールを完成した。
【００３６】
実施例１同様に、外層の破壊靱性値、ロール円周方向の残留応力（ＭＰａ）を測定したところ、破壊靱性値Ｋ１ｃは２４（ＭＰａ・ｍ１／２）、残留応力は−３００（ＭＰａ）であり十分な特性値を得ることができた。
【００３７】
【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、ロール表面の熱亀裂の進展を抑えて、ロールが割損することを防止できる。