(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比でＣ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：４.０％以下、Ｃｒ：２.５〜４.０％を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、超硬合金からなる外層材が金属接合された超硬合金製圧延用複合ロールであって、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験において、外層材の破壊靱性値Ｋ１ｃが１５.５ＭＰａ・ｍ1/2以上であり、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であり、かつ外層材におけるロール円周方向の応力が−６００〜−１００ＭＰａであることを特徴とする耐事故性に優れた超硬合金製圧延用複合ロール。
【請求項２】
ＪＩＳ  Ｚ２２４１に準拠した引張試験において、前記内層材の引張強さが６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の耐事故性に優れた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、薄帯板、板材、線材、棒材などの各種鋼材の圧延に用いられる圧延用ロールに関し、特に靭性に優れる材料からなる内層材と、この内層材の外周に超硬合金からなる外層材を備えた超硬合金製圧延用複合ロールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
寸法精度の向上、表面疵の減少、表面光沢度の向上など圧延材に対する高品質化の要求に応えるために、耐摩耗性、耐肌荒れ性などに優れた超硬合金が線材、棒鋼、平鋼などの圧延用ロールに適用されている。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。
【０００３】
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】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような超硬合金製スリーブをロール軸材に嵌合したロールは、固定リング、スペーサーリングなど多くの部材が必要になって組立て構造が複雑になり、かつ高い組立て精度を要求されるために、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という問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決するものとして、例えば特開平１０−５８２３号公報に超硬合金製複合ロールが提案されている。これは鋼材からなる内層材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材を有し、外層材表面に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。
【０００６】
このような超硬合金製複合ロールは、内層材の靭性が高いので、スリーブ全長を焼嵌めによりロール軸材に固定でき簡単な構造となる。また、ロール胴部長さの全表面を外層材で構成するため圧延に使用できる部分を拡大できる。そのため、ロール交換の頻度が少なくなり圧延の停止時間を短くすることができる。
【０００７】
また、熱膨張係数の異なる内層材と外層材を金属接合することにより、外層材表面に圧縮残留応力を付与することができる。その結果、超硬合金単体ロールに比べ圧延時に発生するヒートクラック等のクラック進展を抑え、ロール改削量の軽減を図ることができる。
【０００８】
このように内層材の外周に超硬合金の外層材を金属接合させた超硬合金製複合ロールは多くの利点を有するが、外層材に圧縮残留応力を付与するとそれに概ね比例する大きさの半径方向引張り残留応力が生じるため、内層材と超硬合金の外層材との接合が不十分な場合、圧延中に内層材と外層材との接合部にて破壊する可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、超硬合金製複合ロールの特徴である簡単なロール構造、圧延に使用できるロール胴部長さ部分の拡大などのメリットを確保しつつ、超硬合金からなる外層材の機械的強度と適正な残留応力を付与することにより、耐事故性を向上させた超硬合金製圧延用複合ロールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールは、重量比でＣ：０.１〜１.０％、Ｎｉ：４.０％以下、Ｃｒ：２.５〜４.０％を含む鉄系合金からなる内層材の外周に、超硬合金からなる外層材が金属接合された超硬合金製圧延用複合ロールであって、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験において、外層材の破壊靱性値Ｋ１ｃが１５.５ＭＰａ・ｍ1/2以上であり、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であり、かつ外層材におけるロール円周方向の応力が−６００〜−１００ＭＰａであることを特徴とする。
【００１１】
発明者は、外層材と内層材との境界接合部近傍でのロール円周・軸方向の尖頭残留応力にて境界接合部から外層材と内層材とが剥離することがない程度に残留応力を付与しつつ、耐事故性を向上させる手段を鋭意研究した。その結果、超硬合金からなる外層材の機械的強度が、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験において、破壊靱性値Ｋ１ｃを１５.５ＭＰａ・ｍ1/2以上有した場合、ロール胴部表面に−６００〜−１００ＭＰａ（マイナス符号は圧縮を表す）の圧縮の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ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であれば圧延中に外層材と内層材とが剥離することがないことを見出した。
【００１２】
本発明の超硬合金製圧延用複合ロールにおいて、外層材は炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金からなり、圧延用途に応じて、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。ＷＣ粒子の含有量が６０重量％未満では、耐摩耗性が低下し耐肌荒れ性が悪くなり、９５重量％を超えると破壊靭性が低下する。
【００１３】
外層材中のＷＣ粒子の平均粒径は１〜１０μｍの範囲で適宜設定するとよい。外層材中のＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ未満では破壊靭性が低下し、特に外層材の破壊靭性が著しく低下し、１０μｍを超えると抗折強度が低下する。
【００１４】
本発明の外層材は内層材の外周に金属接合され、内層材としては中空円筒状のスリーブもしくは中実の軸材が使用される。内層材は機械的強度に優れ、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した引張試験において、内層材の引張強さが６００ＭＰａ以上を有することが好ましい。特に、スリーブの内層材を焼嵌め時には内面に引張応力を受けるためより十分な内層材の引張強さが必要である。
【００１５】
内層材のＣ量は鉄系材料において重要な要因である。Ｃはその含有量によって鉄系材料の基地組織を決定する。基地組織の変態によって残留応力が大きく変化するため、最も基本的な成分である。Ｃが０.１％未満の場合、内層材はパーライト変態が主体となり、外層材と内層材の境界接合部にて過大な引張残留応力が発生し、外層材と内層材の境界接合部の剥離が生じやすい。また、１.０％を超えると、オーステナイトが大量に残留するため変態制御が難しく、残留応力の制御が困難となる。
【００１６】
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、焼入れ性を向上させるため、本発明ではＣについで重要な元素である。しかしながら、４.０％を超えると残留オーステナイト量が増加し、基地組織が不安定となるため４.０％以下であることが好ましい。
【００１７】
ＣｒはＣと結合して炭化物を形成し硬さを向上させるため、機械的性質に影響を与える重要な元素である。また、Ｎｉ同様オーステナイトを安定化させる元素のため、変態制御を行う上でも重要な元素である。Ｃｒが４.０％を超えると残留オーステナイト量が増加し、機械的性質の劣化や変態制御が難しくなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下詳細に説明する。
（実施例１）
まず、内層材として表1に示す成分（重量％）を含む鋼材を４種類準備した。内層材は各々中空円筒状であり、外径２８５mm、内径２００mm、長さ６００mmである。
【００１９】
表１
実施例Ｎｏ Ｃ Ｎｉ Ｃｒ
本発明例１    ０．３    ２．３    ２．５
比較例１      １．２    ２．６      −
比較例２      ０．４    ４．８    １．０
比較例３      ０．０５    −      １．０
【００２０】
外層材となる超硬合金粉末の一例を次の手順で製作した。すなわち、各々平均粒径が６μｍのＷＣ粉末、１μｍのＣｏ粉末、１μｍのＮｉ粉末、１μｍのＣｒ粉末を用意し、重量％でＷＣ８５％、Ｃｏ９．３％、Ｎｉ４．７％、Ｃｒ１％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、超硬合金の素材となる混合粉末を準備した。これを外層材用の混合粉末とした。
【００２１】
続いて、外層材と内層材の間に配置する中間層となる超硬合金粉末の一例を次の手順で製作した。すなわち、各々平均粒径が５μｍのＷＣ粉末、１μｍのＣｏ粉末を用意し、重量％でＷＣ５０％、Ｃｏ５０％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、超硬合金の素材となる混合粉末を準備した。これを中間層用の混合粉末とした。
【００２２】
次いで、前述の中空円筒状の鋼製内層材の外周から２ｍｍほど離れた外側に、中間層形成用の環状仕切り材を設けた。そして、環状仕切り材の外側に上記した外層材用の混合粉末を充填し、この環状仕切り材の内側であって、内層材の外面と環状仕切り材の内面との間に形成された隙間に上記した中間層用の混合粉末を充填した。
【００２３】
続いて環状仕切り材を取り外し、キャニングして、脱気処理、封着した後、１３２０℃、１００ＭＰａ、２時間の熱間等方圧（ＨＩＰ）処理を行った。その後、冷却し、ＨＩＰ炉から取り出した後、機械加工によりＨＩＰ処理用カプセルを除去し、外径３３０ｍｍ、内径（焼嵌め径）２０５ｍｍ、長さ６００ｍｍに仕上げ加工を施して、内層材の種類毎に４種類の超硬合金製圧延用複合スリーブロールを得た。
【００２４】
実施例１では外層材と内層材の間に中間層を設けた例であるが、中間層は外層材と内層材との境界接合強度を向上させるので好ましい。ただし、中間層を設けずに外層材と内層材を直接接合させても境界接合強度を十分に得ることができる。
【００２５】
実施例１で得られた複合スリーブロールを鋼製（ＳＣＭ４４０）軸材に焼嵌め、組立て式圧延用ロールとした。なお、焼嵌め率は０.１／１０００〜２.０／１０００の範囲に設定するのが望ましい。焼嵌め率が０.１／１０００未満であると圧延中の複合スリーブと軸材間で滑りが発生し、２.０／１０００を超えると複合スリーブが内面から割損しやすくなる。
【００２６】
実施例１によって、内層材の種類毎に同一仕様のロールを２本づつ製造した。内１本は外層材から試験片を切り出し、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験により外層材の破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＭＰａ・ｍ1/2）を測定した。また、外層材と内層材との境界接合部を含む抗折試験片を切り出し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験によりその抗折強度（ＭＰａ）を測定した。他方の１本は焼嵌め後、ロール軸方向中央部に歪ゲージを貼り、破壊法により外層材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２に示す。表２において残留応力のマイナス符号は圧縮を表す。
【００２７】
表２
実施例Ｎｏ Ｋ１ｃ 抗折強度 残留応力 圧延時の状況
本発明例１    ２０    １０５０  −４００  異常なし
比較例１      ２０      ９００    −９０  ロール胴部表面にクラック発生
比較例２      ２０      ８５０  −７８０  境界接合部にクラック発生
比較例３      ２０      ４９０      ※１  ※２
※１：クラックのため測定できず
※２：製造中に境界接合部にクラック発生
【００２８】
（実施例２）
まず、軸材（内層材）として表３に示す成分（重量％）を含む鋼材を４種類準備した。軸材は各々中実体であり、外径９０mm、長さ１０００mmである。
【００２９】
表３
実施例Ｎｏ Ｃ Ｎｉ Ｃｒ
比較例２１  １．１    ３．２  ０．５
比較例２２  ０．４      −    １．０
比較例２３  ０．０８  ２．６  ０．５
【００３０】
内層材を中実の軸材とした以外は実施例１と同様の手順により複合ロールを製造した。外径１３０ｍｍ、胴部長さ４００ｍｍ、全長９００ｍｍに仕上げ加工を施して、軸材の種類毎に４種類の超硬合金製圧延用複合ロールを得た。なお、中実の軸材の両端部には外層材を形成させず、加工を施すことによりロール軸部として使用した。
【００３１】
実施例１同様に、軸材の種類毎に同一仕様のロールを２本づつ製造した。内１本は外層材から試験片を切り出し、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９に準拠した試験により外層材の破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＭＰａ・ｍ1/2）を測定した。また、外層材と軸材との境界接合部を含む抗折試験片を切り出し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験によりその抗折強度（ＭＰａ）を測定した。他方の１本は、ロール軸方向中央部に歪ゲージを貼り、破壊法により外層材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４に示す。
【００３２】
表４
実施例Ｎｏ Ｋ１ｃ 抗折強度 残留応力 圧延時の状況
比較例２１  １７      ９００    −４０  ロール胴部表面にクラック発生
比較例２２  １７      ７５０  −６８０  境界接合部にクラック発生
比較例２３  １７      ４７０      ※１  ※２
※１：クラックのため測定できず
※２：製造中に境界接合部にクラック発生
【００３３】
表２および表４から、外層材の破壊靭性値Ｋ１ｃが１５.５ＭＰａ・ｍ1/2以上の場合でもロール胴部表面の圧縮残留応力が不足した場合（比較例１、比較例２１）は、圧延荷重や圧延中のヒートサイクルによってロール胴部表面に引張応力が発生するため、噛みどめなどの圧延事故が発生するとクラックがロール全体に伝播しロールの使用が不可能となる。
【００３４】
また、圧縮残留応力が過多の場合（比較例２、比較例２２）や外層材と内層材との境界接合強度が弱い場合（比較例３、比較例２３）は境界接合部の応力に耐えられず、境界接合部が破壊したと考えられる。
【００３５】
【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、苛酷な圧延用途にも適用拡大できる耐事故性に優れた圧延用複合ロールを提供することができる。