(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、圧延中にロール温度が上昇しても、内層が熱膨張することによる外層の引張応力の発生を抑えて、ロール表面にクラックが発生することを防止した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、内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数が、８×１０−６／℃以下であることを特徴とする。また前記内層は、重量比でＣを０．２％以上、Ｎｉを２０％以上５０％未満含むことを特徴とする。【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、内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数が、８×１０−６／℃以下であることを特徴とする圧延用複合ロール。
【請求項２】
前記内層は、重量比でＣを０．２％以上、Ｎｉを２０％以上５０％未満含むことを特徴とする請求項１に記載の圧延複合ロール。
【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、特に圧延中にロール温度が上昇する用途に用いられる熱間圧延用ロール等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特に強い分野では、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、特公昭５８−３９９０６号には、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、スぺ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】
こ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、スぺーサーリング、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。
【０００６】
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。
【０００７】
また、超硬合金単体では、焼結時に自重の影響により成形体に大きな変形が生じやすいため大型長尺のスリーブロールが製造できない問題がある。
【０００８】
このような組立式超硬ロールの欠点を克服するため、例えば特開平１０−８２１２号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、特開平１０−８２１３号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。
【０００９】
この種の超硬合金製複合ロールは、従来の組立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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールの場合、内層が外層より熱膨張係数が大きいため、すなわち、内層の熱膨張係数が１０〜１２×１０−６／℃、外層の熱膨張係数が５〜８×１０−６／℃であるため、熱間圧延時等の圧延中のロール温度上昇により、外層の表面に引張応力が作用する。これを防止するため、ロールの外層表面に圧縮の残留応力を付与することもできるが、ロール温度が高い場合には、熱応力の方が大きくなり、合計の応力が引張になることもある。ロール表面に引張応力が作用した状態で圧延すると、圧延時の熱衝撃により、容易に表面にクラックが発生し進展する。外層を形成する超硬合金は、比較的靭性が低いので、表面にクラックが発生すると進展しやすく、ロールが割損することがある。
【００１１】
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、圧延中にロール温度が上昇しても、内層が熱膨張することによる外層の引張応力の発生を抑えて、ロール表面にクラックが発生することを防止した圧延用複合ロールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の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、内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数が８×１０−６／℃以下であることを特徴とする。また本発明において、内層は重量比でＣを０．２％以上、Ｎｉを２０％以上５０％未満含有することが好ましい。また、外層と内層の間に超硬合金等のサーメット系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が望ましい。
【００１３】
【作用】
外層を超硬合金、内層を鉄系あるいは鋼系の材料で構成した複合ロールにおいて、内層に外層の超硬合金と同等レベル以下の熱膨張係数を有する低熱膨張材料を用いることにより、圧延中温度上昇時にも、内層がより膨張することによる外層の引張応力の発生を防止することができる。
【００１４】
このような低熱膨張係数を得るためには、内層は重量比でＮｉを２０％以上５０％未満含有する鋼系または鉄系合金を使用することが有効である。さらに、超硬合金の外層と内層との接合界面において、超硬合金からのＣの拡散移動を抑制し、良好な接合境界を得るためには、内層は重量比でＣを０．２％以上含有することが望ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
まず、外層として、外径３５０ｍｍ、内径３００ｍｍ、長さ６００ｍｍであり、組成がＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブを作製した。次いで、外径３５５ｍｍ、長さ６５０ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶の中央に、外径２９０ｍｍ、長さ６００ｍｍの表１に示す組成の低熱膨張材の内層を配置し、内層の周りに前記中空スリーブを挿入した。なお、表１において、内層の化学組成（重量％）とともに、その内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数（×１０−６／℃）を示す。
【００１８】
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、中間層として重量比で平均粒径５μｍ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。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、１２５０℃、１０００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、内層の接合が健全であることを確認した。
【００１９】
このようにして得られた超硬合金製複合ロールを、外径３３０ｍｍ、全長４５０ｍｍに機械加工し、シャフトに焼き嵌めにより固定し、本発明例１の熱間圧延用ワークロールを作製した。
【００２０】
（比較例１）
また、比較例として、外層にＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる中空スリーブ、内層に表１に示す組成の合金鋼を用いて他は実施例１同様に比較例１の熱間圧延機用ワークロールを作製した。
【００２１】
これらの本発明例および比較例の圧延機用ワークロールを平鋼用熱間圧延機に組み込み、普通鋼材の実機圧延を行なった。表２にこれらの結果を示す。
【００２２】
【表１】
2004136297.tif 000002
【００２３】
【表２】
2004136297.tif 000003
【００２４】
また、他形態の方法で、本発明の圧延用複合ロールを製造した例を以下に説明する。
【００２５】
（実施例２）
外径１３０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの鋼で構成されるＨＩＰ缶に、外径８０ｍｍ、長さ１９００ｍｍの内層となる表３に示す組成の中実の低熱膨張材料を設置し、その外側にＷＣ８５重量％、Ｃｏ１５重量％の超硬合金製の焼結体からなる外径１２５ｍｍ、長さ１９５０ｍｍ、内径９０ｍｍのスリーブ形状の外層を設置し、内層の外面と外層の内面との間に形成された空隙に、中間層として重量比で平均粒径５μｍ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。ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封した後、５００℃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、１２５０℃、１２００気圧にてＨＩＰ処理を行なった。冷却後ＨＩＰ缶を加工除去して本発明例２の超硬合金製複合ロールを作製した。なお、表３において、内層の化学組成（重量％）とともに、その内層の２０〜２００℃間の平均線熱膨張係数（×１０−６／℃）を示す。
【００２６】
【表３】
2004136297.tif 000004
【００２７】
本発明例２の圧延機用ワークロールを熱間圧延機に組み込み、普通鋼材の実機圧延を行なった結果、ロール表面にクラックは発生せず良好な圧延を行なうことができた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、超硬合金製の複合ロールの内層に低熱膨張材を用いることにより、圧延時の温度上昇時にも、内層の熱膨張による引張応力の発生を抑えることができ、圧延の熱衝撃による表面からのクラックを防止することが可能となる。この技術により、熱間圧延を始め、ロール温度が上昇する圧延用途に於いても信頼性の高い超硬複合ロールの供給が可能となる。