(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料からなるロール軸材の外側に、鉄基合金粉末とセラミック材との複合材料を焼結してなる外層材を設けた冷間圧延用の複合ロールであって、
前記外層材における鉄基合金のＣ量が０．１ｍａｓｓ％以上、０．８ｍａｓｓ％未満であり、
前記外層材のセラミック材として、平均繊維直径が１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲内のセラミック繊維を含み、
かつ前記外層材における平均繊維直径が１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲内のセラミック繊維の割合が、焼結前の配合量で鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対して１０体積％以上であり、
しかも前記外層材における前記セラミック繊維を含む全セラミック材の割合が、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対して１０〜４０体積％であることを特徴とする複合ロール。
【請求項２】
請求項１に記載の複合ロールにおいて、
前記セラミック材の全量が前記セラミック繊維であることを特徴とする複合ロール。
【請求項３】
請求項１に記載の複合ロールにおいて，
前記セラミック材として、前記セラミック繊維と、平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のセラミック粒子とが用いられていることを特徴とする複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板鋼帯等の金属製品の製造プロセスで使用される冷間圧延用のロールに関するものであり、特に胴部の外層が、鉄基合金にセラミックを配合した複合材からなる複合ロールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間圧延ロールや冷間圧延ロール等の圧延ロールとしては、従来から、鉄もしくは鉄系合金からなる金属マトリックスに炭化物などの微小粒子が分散された硬度の高い材料、例えば工具鋼（いわゆるハイス系合金等）などが使用されている。このような圧延ロール材は、一般的に鋳造法や鍛造法で製造されており、成分調整や熱処理条件などの最適化によって、圧延ロールとして使用するのに必要な強度や硬度を確保している。
例えば冷間圧延ロールのロール材としては、軸受鋼に近いものが使用されており、一般的にＣ量が０．８〜１．２ｗｔ％、Ｃｒ量が３〜１０ｗｔ％の鍛鋼ロールが使用されている。
【０００３】
ところで圧延ロールのうちでも、鋼材などの熱間圧延用のワークロールとしては、そのロール胴部表面の耐摩耗性を向上させると同時に、内側の軸部分の靭性を確保するため、軸材（内層材）として鍛鋼等の高靭性の材料を用い、その外側、特にロール胴部の外周面となる部分に、複合材料からなる外層を形成した複合ロールが使用されるようになっている。この場合、上記の外層の複合材料としては、鉄基合金等の金属マトリックス中にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＶＣ等のセラミック成分を繊維あるいは粒子の形態で分散・一体化させた焼結材料とするのが一般的である。このような複合ロールの製造方法としては、例えば鍛鋼からなる軸材の外面に、鉄基合金粉末と、セラミック成分(繊維もしくは粒子粉末)を混合し、その混合粉末を、例えば鍛鋼からなる軸材の外面に配して高温で焼結する方法が一般的である。
【０００４】
上述のように外層材として焼結材料からなる複合材料を用いた複合ロールの従来技術としては、特許文献１〜３に示すような技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、外層材にセラミック粒子を複合させたロール（熱間圧延用、冷間圧延用を問わない）として、マトリックスの鉄基合金のＣ量が１．２〜２．３ｗｔ％の範囲内で、平均粒径が１〜２０μｍのＶＣ炭化物が１〜１５ｗｔ％複合され、焼結法で製造されたロール材が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２、特許文献３には、鉄基合金に、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックの繊維や粒子を複合して、焼結法で製造されたロール材（ＦＲＭ材）が開示されており、鋳造製のロール材よりも優れた耐摩耗性や耐焼付き性を示し得るとされている。但し、特許文献２、特許文献３の提案のロールは、主に熱間圧延用として使用されることを前提として設計されたものであって、セラミック繊維やセラミック粒子の配合量は、最大７０体積％まで、マトリックスの鉄基合金のＣ量は０．８〜３．５ｗｔ％が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２９０９５１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／０１０５４７号
【特許文献３】特開平１１−２８５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、高強度鋼材の圧延量の増加や圧延速度の高速化など、圧延ロールの使用環境はますます厳しい条件になってきており、圧延ロールにはさらなる耐摩耗性の改善が必要となってきている。とりわけ冷間圧延ロールは、熱間圧延ロールよりも小径でかつ圧延速度が速く、またロール径の小さい６Ｈｉ圧延機で使用されることが多いため、熱間圧延ロールよりも高いヘルツ接触応力下で、より多くの転動回数にも耐えることが必要である。
【０００９】
しかしながら、従来の鍛鋼ロール材からなる一般的な冷間圧延ロールでは、耐摩耗性が不十分であって、近年の高強度鋼材の圧延量増加や圧延速度の高速化に伴い、ロール交換頻度が増して、生産性が悪くなるという問題がある。
【００１０】
一方、特許文献１〜３で提案されているような外層にセラミックを複合化したロールでは、セラミック成分の存在によって耐摩耗性は優れた性能を発揮させることができるが、耐疲労特性は、冷間圧延用ロールとして十分ではなかった。そのため、転動回数の増大に伴って疲労起因のピットやスポーリングが発生しやすくなり、疲労によりロール表面肌が悪化しやすく、ロールの交換頻度が高くなって、生産性が劣らざるを得ないという問題がある。
【００１１】
本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、特に冷間圧延用のロールとして、耐摩耗性が優れるばかりでなく、高ヘルツ接触応力かつ高転動回数のような疲労が進みやすい圧延条件でも、疲労によるピットやスポーリングが発生しにくく、耐疲労特性が優れたロール、すなわち良好な耐摩耗性と優れた耐疲労特性を兼ね備えた複合ロールを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上述した課題を解決すべく、複合ロールの外層材の構成について鋭意実験・検討を重ねた結果、外層材を構成する複合材料焼結体のマトリックスの鉄基合金のＣ量を適切に規制すると同時に、マトリックス中に分散するセラミック成分、とりわけセラミック繊維の配合量等を適切に調整することによって、良好な耐摩耗性を維持しながら、優れた耐疲労特性を得ることができることを見い出し、本発明をなすに至った。
【００１３】
具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）の複合ロールは、
鉄系材料からなるロール軸材の外側に、鉄基合金粉末とセラミック材との複合材料を焼結してなる外層材を設けた冷間圧延用の複合ロールであって、
前記外層材における鉄基合金のＣ量が０．１ｍａｓｓ％以上、０．８ｍａｓｓ％未満であり、
前記外層材のセラミック材として、平均繊維直径が１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲内のセラミック繊維を含み、
かつ前記外層材における平均繊維直径が１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲内のセラミック繊維の割合が、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対して１０体積％以上であり、
しかも前記外層材における前記セラミック繊維を含む全セラミック材の割合が、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対して１０〜４０体積％であることを特徴とするものである。
【００１４】
このように、焼結体からなる外層材について、マトリックスを構成する鉄基合金のＣ量を０．１ｗｔ％以上０．８ｗｔ％未満という比較的少量とすることによって、耐疲労特性を向上させ、同時に、平均繊維直径が１〜５０μｍのセラミック繊維を１０体積％以上の配合割合とするとともに、全セラミック材の配合割合を１０〜４０体積％とすることによって、良好な耐摩耗性、すなわち特許文献１〜３に示されるような複合ロールと同等レベルの耐摩耗性を確保することが可能となった。したがって、熱間圧延の場合よりも高ヘルツ接触応力条件および高転動回数で実施されることが多い冷間圧延のような条件下でも、セラミック材を複合させた高耐摩耗性ロールを適用することができ、例えば従来の鍛鋼製ロールよりも耐摩耗性で１．５倍以上、疲労強度で同等レベル以上を確保することが可能となり、圧延ロールの交換周期の大幅な延長が達成でき、生産性や歩留まりを向上させることができる。
【００１５】
また本発明の第２の態様の複合ロールは、前記第１の態様の複合ロールにおいて、前記セラミック材の全量が前記セラミック繊維であることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明の第３の態様の複合ロールは、前記第１の態様の複合ロールにおいて、
前記セラミック材として、前記セラミック繊維と、平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のセラミック粒子とが用いられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の複合ロールは、高ヘルツ接触応力条件および高転動回数で実施される圧延で使用される圧延ロール、とりわけ冷間圧延に使用されるロールとして、耐摩耗性が優れるばかりでなく、耐疲労特性も充分に優れており、そのため、疲労に起因する肌荒れの早期の進行を防止して、ロールの交換周期の大幅な延長を達成することができ、したがって従来よりも生産性や歩留まりの向上を図ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の複合ロールについて、実施形態に基づいて説明する。
本発明の複合ロールは、基本的には、鍛鋼や軸受鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼などの高靭性の鉄系材料を、ロールの軸材（内層材）とし、その外面、特に被圧延材に接する胴部の外周面に、鉄基合金粉末とセラミック材との複合材の焼結体からなる外層材を形成したいわゆる複合ロールを前提とし、その外層材を構成する焼結体のセラミック材と鉄基合金を規定している。特に、外層材を構成する焼結体の鉄基合金粉末としては、Ｃ量が０．１ｍａｓｓ％以上、０．８ｍａｓｓ％未満という比較的低炭素量の鉄基合金を用いることとし、一方、同じく外層材を構成する焼結体のセラミック材の割合（但し焼結前における、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対するセラミック材の配合量の割合）を、１０〜４０体積％の範囲内とすると同時に、そのセラミック材のうちの平均繊維直径が１〜５０μｍの範囲内のセラミック繊維の割合（前記と同じく焼結前の鉄基合金における、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対するセラミック繊維の配合量の割合）を、１０体積％以上としている。
【００１９】
なお、鉄基合金には、炭化物が含まれるのが通常であるが、鉄基合金中の炭化物は、本発明で鉄基合金に対して配合するとしているセラミック材（セラミック繊維、セラミック粒子）の配合量に比べて非常に少量であるから、本発明で規定するセラミック材の配合量に含まれるものではない。
【００２０】
また本発明で規定するセラミック材（セラミック繊維、セラミック粒子）は、鉄基合金よりも融点が高く鉄基合金と反応しないものであるから、焼結前のセラミック材の配合割合は、焼結工程や熱処理工程を経て製品としての圧延ロールになったときの、外層材を構成する焼結体のセラミック材の配合割合に等しい。したがって、焼結前における、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対するセラミック材の配合量の割合を１０〜４０体積％の範囲内とすると同時に、セラミック材のうちの平均繊維直径が１〜５０μｍの範囲内のセラミック繊維の割合（前記と同じく焼結前の鉄基合金における、鉄基合金粉末とセラミック材との合計量に対するセラミック繊維の配合量の割合）を１０体積％とすれば、実質的に、焼結後のセラミック材の配合量の割合が１０〜４０体積％の範囲内で、且つ焼結後のセラミック材のうちの平均繊維直径が１〜５０μｍの範囲内のセラミック繊維の割合が１０体積％となる。
そこで、まず外層材焼結体を構成する各材料の条件について説明する。
【００２１】
＜鉄基合金＞
Ｃは、焼結体におけるマトリックスの鉄基合金の硬さを向上させて、耐摩耗性の向上に寄与する元素であるが、Ｃ量が多くて硬さが大きければ、疲労強度が低下し、ロールの転動回数の増加に伴って、基地の鉄基合金から疲労起因のピットやスポーリングが発生しやすくなる。すなわち、冷間圧延用ロールとして望まれる優れた耐疲労特性を得ることが困難となる。
一方、鉄基合金のＣ量を少なくすれば、疲労強度の低下を少なくすることが可能ではあるが、硬さの低下による耐摩耗性の低下を招く。しかるに、本発明の場合、耐摩耗性は、主としてセラミック材（とりわけセラミック繊維）によって担保することとして、疲労強度向上の観点から、比較的低Ｃ量の鉄基合金の粉末を用いることとしている。
【００２２】
ここで、鉄基合金のＣ量が０．１ｍａｓｓ％より少なければ、どのような合金元素を添加しても、ロールとして必要とする硬度レベルを熱処理によって得ることが困難となり、またセラミック材（とりわけセラミック繊維）の配合による耐摩耗性補償効果にも限界があり、そのため外層材として充分な耐摩耗性を確保することが困難となる。一方、鉄基合金のＣ量が０．８ｍａｓｓ％以上となれば、熱処理によってロールとして必要とする硬度レベルを確保することは容易であるが、疲労強度が低下して、鉄基合金の基地から疲労起因のピットが発生しやすくなる。そこで鉄基合金の粉末としては、Ｃ量が０．１ｍａｓｓ％以上、０．８ｍａｓｓ％のものを用いることとしている。
【００２３】
外層材を構成する焼結体の鉄基合金におけるＣ量以外の合金元素については、特に限定しないが、この種の圧延ロール外層の鉄基合金としては、一般に耐摩耗性向上のために炭化物形成元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ等のうちの１種以上を添加することが多い。また、同じく炭化物形成元素であるＴｉ、Ｚｒ、Ｍｇの少なくとも１種類以上を微量添加することがある。本発明で使用する鉄基合金でも、これらの炭化物形成元素の１種以上を含有させることが好ましいが、過剰に添加すれば、靭性や耐疲労特性を損なうこともあるから、これらの炭化物形成元素を添加する場合の添加量は、合計で、１５ｍａｓｓ％、好ましくは１０ｍａｓｓ％以下に規制することが望ましい。また、これらの炭化物形成元素の添加によって耐摩耗性向上を図る場合、合計で、１ｍａｓｓ％、好ましくは２ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。
【００２４】
上記の炭化物形成元素の中でも、Ｃｒは炭化物を形成するだけでなく、鉄基合金の焼入れ性を向上させ熱処理による硬度向上に寄与する。Ｃｒは０．５〜１０ｍａｓｓ％、好適には１〜８ｍａｓｓ％添加することが好ましい。Ｃｒ添加量が過剰になれば、ロールとして必要な靭性を確保することができず、Ｃｒ添加量が過少となれば、焼入れ性を向上させることが困難となって、必要な硬度を得ることが困難になることがある。
またＭｏは炭化物を形成するだけでなく、鉄基合金の高温硬さや高温強度を向上させる効果があり、高速圧延時にロール表面温度が上昇しても高硬度を維持する効果がある。Ｍｏは０〜５ｍａｓｓ％、好適には０〜３ｍａｓｓ％添加することが好ましい。Ｍｏ添加量が過剰となれば、靭性や耐肌荒れ性の点で好ましくない。
Ｖは高硬度のＭＣ型炭化物を形成するだけでなく、鉄基合金とセラミックとの濡れ性を改善して、金属とセラミックとの焼結時の結合強度の向上に寄与する。なおＶは０〜６ｍａｓｓ％、好適には０〜３ｍａｓｓ％添加することが好ましい。Ｖ添加量が過剰となれば、炭化物が粗大化して脱落しやすくなり、逆に耐摩耗性を低下させるおそれがある。
【００２５】
そのほか、この種の鉄基合金には、焼入れ性や焼き戻し性などの熱処理特性向上のためにＮｉやＣｏが添加されることがある。
Ｎｉは、焼入れ性を向上させ鉄基合金の硬度向上に寄与するものであるから、０〜８ｍａｓｓ％、好適には０〜５ｍａｓｓ％添加することが好ましい。Ｎｉ添加量が過剰になれば、圧延中に肌荒れを発生しやすくなる。
またＣｏは、焼き戻し時の２次硬化に寄与するものであり、０〜２ｍａｓｓ％、好適には０〜１ｍａｓｓ％添加することが好ましい。Ｃｏ添加量が過剰となれば、焼入れ性を悪化させるおそれがある。
【００２６】
以上の各合金元素のほかは、基本的にはＦｅおよび不可避的不純物であればよい。不純物としては、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓなどがあるが、ＭｎとＳｉの合計量は多くても３ｍａｓｓ％以下、好適には２ｍａｓｓ％以下、ＰとＳの合計量は０．１ｍａｓｓ％未満が好ましい。
【００２７】
〔セラミック材の形態〕
本発明において、外層材を構成する複合材料焼結体中のセラミック材としては、繊維状のもの（セラミック繊維）を単独で使用しても、また繊維状のもの（セラミック繊維）と紛体粒子状のもの（セラミック粒子）とを併用してもよい。但し、耐疲労特性の向上には、これらのうちセラミック繊維が寄与し、セラミック粒子は耐摩耗性向上には寄与するが、耐疲労特性の向上には寄与しない。そこで、セラミック材としては、セラミック繊維を必須（１０体積％以上の配合量が必須）としている。すなわち、セラミック繊維は、鉄基合金マトリックス中において線状あるいは網状、枝分かれ状等として存在し、そのため疲労亀裂の進展を阻止する効果を示すから、耐疲労特性の向上に有効である。
【００２８】
〔セラミック材の種類〕
セラミック材としては、セラミック繊維、セラミック粒子を問わず、酸化物、炭化物、窒化物の１種類もしくは２種類以上を使用することができる。但し、セラミック材としては、焼結時に鉄基合金と反応しないものを選択することが望ましい。すなわち、焼結時に鉄基合金と反応するセラミック材を用いた場合、脆化物を形成して、圧延用ロールとして必要な強度が得られなくなるおそれがある。したがって本発明で使用するセラミック材としては、焼結時に鉄基合金と反応しない（あるいは反応するおそれが少ない）ものとして、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、窒化チタン、炭化チタン、炭化バナジウム等が好ましい。なお、炭化珪素，炭化ホウ素は、鉄基合金と焼結時に反応するおそれがあるため、使用しないことが望まれる。
【００２９】
〔セラミック繊維の平均繊維直径：１μｍ〜５０μｍ〕
セラミック繊維の平均繊維直径が１μｍよりも小さければ、鉄基合金とセラミック繊維とを混合した際に繊維が絡み合って凝集し、欠陥となって健全な品質のロールが製造できなくなる。一方、セラミック繊維として平均繊維直径が５０μｍよりも大きいものを使用すれば、セラミック繊維自身が疲労亀裂の起点・進展経路となって、かえってピット状の肌荒れやスポーリングを起こしやすくなる。そこでセラミック繊維としては、平均繊維直径が１μｍ〜５０μｍの範囲内のものを使用することとした。なおこの範囲内でも、特に平均繊維直径が５μｍ〜３０μｍの範囲内のものが好ましい。
なおセラミック繊維のアスペクト比は、繊維凝集を発生させずに混合することができれば、特に制約するものではないが、混合粉末の製造効率の観点からは、現実的には５〜５０、好ましくは１０〜３０程度が好ましい。
【００３０】
〔セラミック繊維の配合割合：１０体積％以上〕
セラミック繊維の配合量が、鉄基合金粉末及びセラミック材の合計量に対する割合で１０体積％よりも小さければ、必要な耐疲労特性を得ることが困難となる。すなわち、１０体積％以上セラミック繊維が混合されていなければ、焼結後のロールの破壊靭性値や亀裂進展特性が、冷間圧延用ロールとして使用可能なレベルを維持することが困難となる。特に亀裂進展特性に関しては、焼結法で製作された鉄基合金は極端に悪くなりやすいから、セラミック繊維を複合していなければ、圧延用ロールとして必要な性能を確保することが困難となる。そこで、セラミック繊維の配合量は、１０体積％以上とした。なお、セラミック繊維の配合量は好ましくは１３体積％以上とする。
なお、セラミック繊維の配合量の上限は、次に述べる全セラミック材の配合量の上限（４０体積％）との関係から、必然的に４０体積％となる。
【００３１】
〔全セラミック材の配合割合：１０〜４０体積％〕
全セラミック材の配合量が、鉄基合金粉末と全セラミック材の合計量に対する割合で１０体積％よりも小さければ、必要とする耐摩耗性が得られない。また前述のようにセラミック繊維の配合量が１０体積％未満となれば、充分な耐疲労特性を得ることができない。一方、セラミック材の配合量が鉄基合金粉末と全セラミック材の合計量に対する割合で４０体積％を上回り、とりわけセラミック繊維の配合量が４０体積％を上回れば、セラミック繊維と鉄基合金粉末を混合する際にセラミック繊維が絡み合って凝集し、欠陥となって健全な品質のロールが製造できない。またここで、セラミック繊維の配合量が４０体積％を上廻っていなくても、セラミック粒子を含めて全セラミックの配合量が４０体積％を上回れば、セラミック繊維や粒子を保持する鉄基合金の割合が小さくなり、高速圧延時や高接触応力での圧延時にセラミック繊維や粒子が欠け落ちて製品の表面品位を低下させるおそれがある。そこで、全セラミック材の配合割合は、１０〜４０体積％の範囲内とした。なおその範囲内でも、特に１３〜３５体積％の範囲内が好ましい。
【００３２】
ここで、セラミック繊維による耐疲労特性は、セラミック繊維の配合量が２０体積％を越えれば、実質的に飽和する。一方、耐摩耗性については、セラミック繊維の配合量が２０体積％を越えても、さらなる向上を図ることができる。しかしながら、耐摩耗性の向上効果は、セラミック繊維よりもセラミック粒子の方が大きい。
そこで、比較的耐摩耗性を重視する観点からは、セラミック繊維の配合量が１０体積％を越える全セラミック材配合分量、とりわけ１３体積％を越える全セラミック材配合分量については、セラミック粒子に置き換えてもよい。
【００３３】
〔セラミック粒子の平均粒径：１〜５０μｍ〕
セラミック粒子の平均粒径が１μｍ未満では、セラミック粒子の配合による耐摩耗性向上効果が期待できない。一方、セラミック粒子の平均粒径が５０μｍを越えれば、圧延中にセラミック粒子が脱落しやすくなり、脱落したセラミック粒子が製品に押し込まれたり、またはバックアップロールを疵付けてロール疵の原因ないしはバックアップロールの摩耗を促進したりする。そこでセラミック粒子の平均粒径は、１〜５０μｍの範囲内とした。
【００３４】
なお、本発明の複合ロールにおける胴部外表面部分を構成する焼結体からなる外層材の厚みは特に限定されないが、通常は２０〜５０ｍｍ程度である。また、高靭性材料からなる軸材と焼結体外層材との間に、Ｎｉ基合金等からなる中間層が介在していてもよい。さらに外層材の焼結体を形成するにあたって使用する原料粉末としては、前述のような鉄基合金粉末とセラミック材（セラミック繊維、又はセラミック繊維とセラミック粒子粉末）との混合材料を用いればよい。ここで、焼結助剤は特に必要ないが、鉄基合金やセラミック繊維ならびにセラミック粒子と反応しない酸化物等が添加されていてもよい。
【００３５】
〔製造方法〕
本発明の複合ロールを製造するための方法は特に限定されるものではないが、例えば次のように焼結方法としてＨＩＰ法を用いた方法が好適に適用される。
すなわち、予め鋳造―鍛造―切削などの通常のプロセスによって、鍛鋼や軸受鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼などの高靭性の鉄系材料からなるロール軸材を所定の形状、寸法に作っておく。一方、鉄基合金粉末とセラミックの繊維（もしくは繊維と粒子状粉末）を所定の割合で混合して混合粉末とする。そして軸材（内層材）のロール胴部外周部に相当する部分の外周面を取り囲むように、鋼などからなる中空円筒状のカプセルを配置する。次いでカプセルの内面とロール軸芯外周面との間の隙間に混合粉末を充填した後、カプセルを密閉してカプセル内を真空脱気する。そしてカプセルの全体をＨＩＰ用の耐圧容器内に挿入して、カプセルの外側から高温高圧力を加え、カプセル内の混合粉末を高温高圧下で焼結させる。その後、冷却してからカプセルを除去し、必要に応じて熱処理を行う。ここで熱処理条件は、鉄基合金の成分によっても異なるが、例えば冷間圧延用ロールとして適用する場合、通常の冷延鍛鋼ロール材と同じ熱処理条件（例えば、９５０℃〜１１００℃に３０分以上加熱・保定後、水焼入れを実施し、サブゼロ処理後に、１２０℃〜２００℃で１時間以上保定後、炉冷もしくは空冷を適用すればよい。
【実施例】
【００３６】
以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。なお確認実験は、特に高ヘルツ接触応力条件および高転動回数で実施されることが多い冷間圧延条件を模擬した条件で実施した。
鉄基合金粉末としては、質量％でＣを０．０５％〜１．２％、Ｃｒを１．８％、Ｖを０．２％，Ｍｏを０．４％を含み、そのほか不可避的にＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓを含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金の粉末（表１から表４）と、表５に示す成分の鉄基合金粉末５種類とを使用した。なお、鉄基合金粉末の平均粒径はいずれも１５μｍである。セラミック材のうち、セラミック繊維としては、平均繊維直径が０．４μｍ〜９５μｍ、アスペクト比が２０〜３０の範囲内の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）繊維、もしくは平均繊維直径が０．４〜１１．０μｍ、アスペクト比が２０〜３０の範囲内の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）繊維を使用し、セラミック粒子粉末として、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、もしくは炭化チタン（ＴｉＣ）を用いた。これらの平均粒径は０．５〜１２０μｍのものを使用した。酸化アルミニウム粒子の平均粒径は０．５〜１２０μｍ、炭化チタン粒子の平均粒径は１５μｍである。
【００３７】
これら鉄基合金粉末およびセラミック材（セラミック繊維、もしくはセラミック繊維とセラミック粒子粉末）を、表１〜表４に示すように配合して混合し、その混合材料を、軸材の外周上にＨＩＰ法によって焼結させ、複合ロール材を模した試験片として、転動摩耗試験片（直径８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状）と転動疲労試験片（直径２００ｍｍ、厚さ５０ｍｍの円板形状）を製作した。
【００３８】
ＨＩＰ法による具体的な焼結方法としては、軸材として直径６０ｍｍもしくは１２０ｍｍの丸棒状のＣｒ−Ｍｏ鋼を使用し、その軸材の周囲を、軸材外周面とカプセル内周面との間隙が、焼結後の外層材の厚みで約１０ｍｍとなるように円筒状のカプセルによって取り囲み、軸材外周面とカプセル内周面との間の空隙に、前述の混合原料を充填した。なおカプセルの材料としては、厚み４ｍｍの軟鋼材を用いた。そしてカプセルの蓋を溶接してカプセル内を密封した後、カプセルの中を真空脱気して、カプセル外から９０ＭＰａの圧力を等方的に加えながら、１０５０℃に１２０分間加熱して混合材料を焼結させた。室温まで冷却した後、カプセル材を除去し、ショア硬度Ｈｓが９０以上になるように、従来の冷延鍛鋼ロールと同じ条件で熱処理を行った。転動摩耗試験片は直径８０ｍｍ、幅１０ｍｍの大きさに、転動疲労試験片は直径２００ｍｍ、幅５０ｍｍの大きさに、それぞれ加工（外層材厚さは約１０ｍｍ）して各試験片を作成した。なお、焼結前に配合したセラミック材（セラミック繊維、セラミック粒子）の配合量と、焼結後の試験片として仕上がった状態でのセラミック材（セラミック繊維、セラミック粒子）の配合量（表面露出量）とがほぼ同じであることを確認した。
【００３９】
こうして製作した転動摩耗試験片を用いて耐摩耗性の評価試験を行うとともに、転動疲労試験片を用いて耐疲労特性の評価試験を行った。
すなわち、耐摩耗性の評価試験としては、転動摩耗試験による試験片の表面粗度の低下しにくさを耐摩耗性の指標（初期粗度Ｒａに対する試験後の表面粗度Ｒａの比率：１００％が初期粗度が転動試験後もそのまま維持）とし、また、耐疲労特性の評価試験としては、転動疲労試験による疲労起因のピット発生までの転動回数を調査した。なお、各試験片製作後には、試験片の表面硬度を測定するとともに、超音波欠陥検査により凝集欠陥の有無を調査した。
【００４０】
転動摩耗試験の条件は、Ｓ４５Ｃ製の相手片（直径１６０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、被圧延鋼材に相当）を用いて、相手片温度を２００℃、荷重７０ｋｇ、回転速度３０００ｒｐｍ、すべり率４．４％、相手片温度を２００℃、試験片温度を室温レベルとして、合計１０万回転動摩擦を与えた後の摩耗量を、表面粗度の低減率で調査した。なお、試験片の初期粗度は約０．３μｍＲａにそろえて実験を行った。
【００４１】
転動疲労試験の条件は、相手片にＳＵＪ２（Ｈｓ６８〜７２、バックアップロールに相当）製の直径２００ｍｍ、厚さ５０ｍｍで表面はＲ５００ｍｍのクラウン加工を施した試験相手片を準備して、すべり率ゼロで荷重約４０００ｋｇｆをかけて試験片と相手片を押しつけ、１０００ｒｐｍで転動疲労を負荷した。一定間隔で試験片の接触面の表面観察を行い、疲労起点のピットが発生するまでの転動回数を調査した。なお各試験片の初期粗度は、約０．３μｍＲａにそろえて各実験を行った。
その結果を、表１〜表５中に示す。
【００４２】
【表１】
0006358044.tif 000002
【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
【表４】
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【００４６】
【表５】
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【００４７】
表１〜表４に示すように、外層材焼結体の鉄基合金のＣ量及びセラミック材の条件が、本発明範囲内にある実施例（本発明例）では、表面粗度残存率で評価される耐摩耗性が優れ、しかもピット発生転動回数で評価される耐疲労特性が優れていることが確認された。またいずれの本発明例でも、凝集欠陥がないことが確認された。
【００４８】
これに対して、セラミック材としてセラミック繊維（アルミナ）のみを用いて、全セラミック材の配合割合(すなわちセラミック材の配合割合)が過剰であったＮｏ．４の比較例、及びセラミック材としてセラミック繊維（アルミナ）およびセラミック粒子（アルミナ）を用いて、全セラミック材の配合割合(すなわちセラミック材の配合割合)が過剰であったＮｏ．１９の比較例では、凝集欠陥が生じてしまった。
またセラミック材としてセラミック繊維（アルミナ）のみを用いて、全セラミック材の配合割合(すなわちセラミック材の配合割合)が過少であったＮｏ．６の比較例では、表面粗度残存率で評価される耐摩耗性が劣っていた。
【００４９】
さらに、鉄基合金のＣ量が低すぎたＮｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．３４、Ｎｏ．３５の比較例では、いずれも表面粗度残存率で評価される耐摩耗性が劣っていた。
一方、鉄基合金のＣ量が高すぎたＮｏ．１３〜Ｎｏ．１５、Ｎｏ．４１，Ｎｏ．４２の比較例では、いずれもピット発生転動回数で評価される耐疲労特性が劣っていた。
さらに、セラミック繊維の平均繊維直径が小さすぎたＮｏ．２７、Ｎｏ．４３の比較例では、凝集欠陥が生じてしまった。
【００５０】
一方、セラミック繊維の平均繊維直径が大き過ぎたＮｏ．３１、Ｎｏ．３２、Ｎｏ．４７〜Ｎｏ．４９の比較例では、いずれもピット発生転動回数で評価される耐疲労特性が劣っていた。
【００５１】
なおＮｏ．５３の比較例は、従来から冷間圧延用ロールとして用いられている５％Ｃｒ鍛鋼ロール材の試験片についての例（従来例）である。この例から、本発明例が従来例よりも優れた性能を示すことが明らかである。
【００５２】
また、表５に示すように本発明で規定する範囲内のＣ量で添加元素の組成を変えた鉄基合金粉末を用いて作成した複合ロール材（Ｎｏ．５３〜Ｎｏ．５８の本発明例）についても、欠陥の無い試験片を製作することが可能で、耐疲労特性や耐摩耗性に優れた特性を示すことが確認された。
【００５３】
以上のような実験結果から、本発明の複合ロールは、従来の冷間圧延用鍛鋼ロールの１．５倍以上の耐摩耗性を有し、しかも耐疲労特性も従来の冷間圧延用鍛鋼ロールよりも優れていて、疲労起因のピット発生転動回数が従来の冷延用鍛鋼ロールよりも向上することが明らかになった。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施形態および実験例について説明したが、これらの実施形態、実験例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。