(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ti-Zr-B固溶体粒子、又は、Ti-Zr-B固溶体粒子とTi-Hf-B固溶体粒子の両方を分散した炭化珪素を焼結した粒子分散炭化珪素質焼結体を成形加工してなることを特徴とするバーマッシャーロール。
【請求項２】
前記Ti-Zr-B 固溶体粒子の組成が、Ti1-X ZrX B2(0.02 ≦x ≦0.25) である請求項１記載のバーマッシャーロール。
【請求項３】
前記Ti-Hf-B 固溶体粒子の組成が、Ti1-X HfX B2(0.02 ≦x ≦0.25) である請求項１記載のバーマッシャーロール。
【請求項４】
前記固溶体粒子の平均粒径が1 〜10μm である請求項1 記載のバーマッシャーロール。
【請求項５】
前記固溶体粒子の体積分率が20〜70% である請求項1 記載のバーマッシャーロール。
【請求項６】
前記粒子分散炭化珪素質焼結体の相対密度が99.5% 以上である請求項1 記載のバーマッシャーロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーマッシャーロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼製造工程において、鋼板のサイドトリミングを行うが、その際に発生する切断面のバリ、カエリを圧着して平坦にするために用いるロールをバーマッシャーロールと呼んでいる。従来から、鋼材(SUJ2)に硬質クロムメッキと高周波焼き入れを施した上ロールと耐摩耗鋼を表面研磨し高周波焼き入れを施した下ロールが使用されている。図１に示すようにサイドトリミングされた厚さ0.3 〜1.2mm の鋼板のエッジ部を圧下して平坦化されている。なお、この時の通板速度は150m/ 分にも達することがある。このような構造となっているため、各ロールは、常に同一円周線上に押し付け負荷が掛かり、不規則な振動を受け続けるなど、その使用環境は極めて厳しいものである。このため、このロールの材質としては、金属材では耐久性に劣り、2 〜3 ヶ月に1 回以上と交換頻度が高いため、硬度が高く耐摩耗性に優れたセラミックス材の適用が検討されている。
【０００３】
これまで、炭化珪素質焼結体は、大気雰囲気下での高温強度や硬度には優れた特性を有するものの、破壊靭性、耐摩耗性が劣り、実用的な材料とは言い難かった。そこで、炭化珪素質焼結体の高靭性化を図るために、各種粒子、ウィスカーを分散させる粒子分散炭化珪素質焼結体の研究開発が進められている。しかしながら、高硬度・耐摩耗性を維持できる材料系が殆ど無く、実用化を阻害している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように実際のロールの使用環境では、通板する際の高さ変動時の振動に対する機械的耐久性、ハンドリング時の耐欠損性等の機械的安定性にも優れている必要があり、このような特性にも優れている材質を有し、鋼板などのサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するバーマッシャーロールの提供が望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上述の従来の問題点を解決し、機械的安定性に優れ、長期耐久性を有する、鉄鋼製造工程における鋼板などのサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するバーマッシャーロールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題点を解決するために、セラミックス焼結体への分散粒子を鋭意検討した結果、特定の分散粒子を用いた場合に鋼板などのサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するバーマッシャーロールとして優れた特性を有する焼結体が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、
(1) Ti-Zr-B固溶体粒子、又は、Ti-Zr-B固溶体粒子とTi-Hf-B固溶体粒子の両方を分散した炭化珪素を焼結した粒子分散炭化珪素質焼結体を成形加工してなることを特徴とするバーマッシャーロール、
(2) 前記Ti-Zr-B固溶体粒子の組成が、Ti1-XZrXB2(0.02≦x≦0.25)である(1)記載のバーマッシャーロール、
(3) 前記Ti-Hf-B固溶体粒子の組成が、Ti1-XHfXB2(0.02≦x≦0.25)である(1)記載のバーマッシャーロール、
(4) 前記固溶体粒子の平均粒径が1〜10μmである(1)記載のバーマッシャーロール、
(5) 前記固溶体粒子の体積分率が20〜70%である(1)記載のバーマッシャーロール、
(6) 前記粒子分散炭化珪素質焼結体の相対密度が99.5%以上である(1)記載のバーマッシャーロール、
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明者等は、従来使用されていた鋼板のサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化する金属製バーマッシャーロールについて、その損耗状況を鋭意解析した結果、鋼板が高速で通過する場合、硬度に劣る材料では、盛り上がり部に接触する表面層が容易に摩耗し、消耗していくことを見い出した。また、摩耗部周囲には肌荒れが数多く認められることも見い出した。これらの摩耗と肌荒れは、鋼板の盛り上がり部を平坦化するロールの材質が硬度が低い場合に特に顕著に認められた。したがって、鋼板のサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するバーマッシャーロールを長期間安定して使用するためには、耐摩耗性と耐欠損性を同時に向上させることが必要で、そのためには硬度が高く、高靭性な材質を用いることが必要不可欠である。
【０００９】
そこで、これらの特性を同時に向上させるために、各種粒子分散セラミックス焼結体を作製し、その特性を評価した結果、硬度が高くかつ耐欠損性に優れたセラミックス焼結体が優れた特性を有することを見い出した。特に、特定の固溶体粒子を分散した炭化珪素を焼結した粒子分散炭化珪素質焼結体を成形加工したバーマッシャーロールは、従来の金属製バーマッシャーロールに比べて、耐摩耗性を高めつつ、かつチッピングや割れ等の耐欠損性を著しく改善できる。
【００１０】
ところで、炭化珪素単体では、破壊靭性に劣るため、炭化珪素に以下の基準で選ばれた粒子を分散させることが有効である。炭化珪素とTi-Zr-B 固溶体粒子及び/ 又はTi-Hf-B 固溶体粒子との熱膨張差やヤング率の相違等により、分散したTi-Zr-B 固溶体粒子及び/ 又はTi-Hf-B 固溶体粒子の近傍に残留応力が発生し、焼結体の破壊に際して破壊エネルギーを分散させる作用を有し、靭性を著しく向上させ、かつ耐摩耗性も向上させる作用もある。
【００１１】
このTi-Zr-B 固溶体粒子及び/ 又はTi-Hf-B 固溶体粒子は、硬質かつ耐酸化性のあるhcp 構造の高融点化合物であり、焼結後に炭化珪素質焼結体中に分散粒子として残留し、焼結体全体の硬度や破壊靭性値を向上させる作用を有する。
Ti-Zr-B 固溶体粒子及び/ 又はTi-Hf-B 固溶体粒子の組成は、それぞれTi1-X ZrX B2、Ti1-X HfX B2で表され、x の範囲は0.02〜0.25が好ましく、より好ましくは0.02〜0.05である。TiB2にZrB2やHfB2を固溶させると、TiB2単体に比べ、硬度や破壊靭性値が上昇する。しかしながら、x が0.02より小さい場合には、Zr、HfのTiB2への固溶効果が乏しくなり、十分な高硬度化が図れない恐れがあり、一方、x が0.25を越える場合には、マトリックスの炭化珪素との熱膨張係数が掛け離れてしまうため、焼結時に緻密化し難くなり、相対密度の低い焼結体となり易く、また破壊靭性も低下する恐れが高くなる。
【００１２】
また、前記固溶体粒子の平均粒径は1 〜10μm であることが望ましい。より好ましくは3 〜5 μm である。平均粒径が1 μm より小さいと、靭性への寄与が得られ難く、一方、10μm より大きいと、硬さや破壊靭性値の低下を招く。前記Ti-Zr-B 固溶体粒子及び/ 又はTi-Hf-B 固溶体粒子の体積分率は20〜70% であることが望ましい。体積分率が20% より少ないと、硬さ、靭性の向上に対する寄与が得られ難く、一方、70% を越えると、粒子分散による残留応力が過大となり、破壊靭性の低下と共に耐欠損性が低下する。
【００１３】
さらに、前記Ti-Zr-B固溶体粒子、又は、Ti-Zr-B固溶体粒子とTi-Hf-B固溶体粒子の両方を分散した炭化珪素質焼結体の相対密度は理論密度に対して99.5% 以上であることが望ましい。相対密度が99.5%未満では、粒子分散による焼結体への残留応力の付与が不充分になり、破壊靭性の向上効果が見られない。
本発明の鋼板のサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するロールの製造方法は、特に限定するものではなく、炭化珪素粉末にTi-Zr-B固溶体粒子、又は、Ti-Zr-B 固溶体粒子とTi-Hf-B固溶体粒子との両方と必要に応じて焼結助剤を所定量添加、混合した後、焼結したものを成形加工することにより製造できる。ここで、Ti-Zr-B 固溶体粒子やTi-Hf-B 固溶体粒子は、複合硼化物粒子として添加する以外に、例えばTiB2とZrB2、ZrC、HfB2、HfCの所定量を炭化珪素に混合し、焼結時の反応により複合硼化物を形成しても良い。また、炭化珪素は共有結合性の強い物質であり、単独では焼結が困難であることが多いため、緻密化するために焼結助剤を添加することが望ましい。焼結助剤としては、炭化硼素、金属硼素、カーボンブラックや有機質炭素等の各種炭素材料、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、希土類酸化物、等を用いることができる。焼結助剤の添加量は、炭化珪素粉末の純度や粒径によって変動する必要があるが、炭化珪素100質量部に対し、炭化硼素が0.1〜2.0質量部、炭素が0.5〜2.5質量部であるのが好ましい。
【００１４】
焼結方法としては、特に限定するものではなく、例えば無加圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法、ホットプレス焼結法、等の各種焼結法を用いることができ、さらにこれらの焼結法を複数組み合せても良い。無加圧焼結法は、真空中又は不活性ガス流通中で行なうと緻密な焼結体が得られ易い。また、厚肉形状の鋼板のサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化するバーマッシャーロールを製造する場合には、十分な緻密化を図るために、無加圧焼結後に、さらに不活性ガス雰囲気中での熱間静水圧プレス焼結を行うことが好ましい。焼結条件としては、焼結温度が1850〜2200℃、保持時間が3 時間以上であることが望ましい。1850℃未満では、緻密な焼結体が得られず、固溶体粒子近傍に残留応力を十分に発生させることが困難となり、高靭性の焼結体とすることができない。一方、2200℃を越える高温では、マトリックスの炭化珪素が昇華、分解するため、焼結体が得られない。また、保持時間が3 時間未満では、焼結反応による複合硼化物粒子生成が十分には起こらないため、焼結体の粒子分散の効果が得られない。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
(実施例１〜３、参考例４、５)
炭化珪素(SiC) 粉末(α型、純度99% 、平均粒径0.7μm)に硼化チタン(TiB2)粉末(平均粒径3.2μm)、硼化ジルコニウム(ZrB2)粉末( 平均粒径3μm)、炭化ジルコニウム(ZrC) 粉末(平均粒径2.5μm)、硼化ハフニウム(HfB2)粉末(平均粒径4μm)、炭化ハフニウム(HfC) 粉末(平均粒径4.5μm)、炭化硼素(B4C)粉末(平均粒径0.6μm)、及び炭素(C)粉末(平均粒径0.02μm)を表1に示す所定量( 質量%)添加し、分散媒として精製水またはアセトンを用い、炭化珪素セラミックスを内貼りしたボールミルで48時間混練した。精製水またはアセトンの添加量は、セラミックス全粉末原料100gに対し80gとした。
【００１６】
次いで、得られた混合粉末を成形後、焼結した。成形条件としては冷間静水圧による加圧150MPaとし、φ120mm ×長さ75mmを2 個、φ200mm ×長さ2400mmを1 個の各円柱を成形した。これを素地加工し、φ115mm(内径60mm) ×長さ72mmのリング形状を2 個、φ190mm ×長さ2300mmの円柱を1 個の各形状を有する計3 個の成形体を得た。焼結条件としては、Arガス流通中にて、表1 中に示す温度で12時間保持の無加圧焼結後、同じく表1 中に示す温度、高圧Arガス雰囲気中にて6 時間保持の熱間静水圧プレス(HIP) 焼結を行った。得られた焼結体3 個から、φ90mm( 内径54mm) ×長さ60mmのリング形状2 個、φ150mm ×長さ1800mmの円柱を研削加工し、図1 に示す設備の上ロール1 対、下ロール1 本として組み込み、鋼板の通板中での耐久試験に供した。
【００１７】
また、得られた焼結体から各種形状の試験片を切り出し、機械的特性を評価した。硬さは、押込荷重98N にてビッカース硬さとして測定した。靭性についてはJIS  R1607のSEPB法により室温にて破壊靭性値 KICを測定した。焼結体密度は、アルキメデス法により相対密度として測定した。Ti-Zr-B 、Ti-Hf-B 固溶体の粒径および体積分率は、焼結体の鏡面研磨面を撮影した光学顕微鏡像( 拡大率500 倍) より30個以上の粒子径および撮影面中の粒子面積分率として測定し、その平均値として表した。また、X 線回折法を用いて、混合前の原料粉末段階でのTiB2、ZrC 、ZrB2、HfC 及びHfB2各粉末のX 線回折ピークをそれぞれ測定し、混合・成形し焼結後の焼結体のX 線回折ピークと照合し、TiB2中にZrもしくはHfが固溶していることを確認した。
【００１８】
得られた各焼結体の諸特性をTi-Zr-B 、Ti-Hf-B 固溶体の粒径、体積分率、x 値、焼結体密度と共に表2 に示す。オンライン通板試験としては、常温大気中、押付け荷重9.8N、板厚0.6mm 、通板速度は150m/ 分の条件にて行った。4 ヶ月間の鋼板の通板後、上下各ロールに発生した摩耗痕跡の深さh を投影型顕微鏡にて測定した。また、摩耗痕跡周囲の損傷有無、チッピングの深さ、およびヒビ割れの深さを蛍光探傷法および断面研磨面の光学顕微鏡観察により評価した。
【００１９】
(比較例６〜１０)
比較例６〜８は、実施例１〜３、参考例４、５と同一原料を用い、同じく精製水またはアセトンで調製したが、それぞれTiB2のみを添加した場合(比較例6)、ZrB2のみを添加した場合(比較例７)、 HfB2のみを添加した場合(比較例8)の各比較例である。比較例9は粒子分散を行っていない炭化珪素焼結体である。これらを併せて表1に示す。また、これら比較例の材料も実施例１〜３と同様の条件で通板試験を行い、その結果を表2に示した。比較例10は、従来の金属製ロールで、摩耗試験結果のみ、表2に併記した。
【００２０】
【表１】
0004050858.tif 000002
【００２１】
【表２】
0004050858.tif 000003
【００２２】
表2 に示すように、本発明の実施例によるものは、摩耗痕跡深さが１５μｍ以下と非常に少なく、かつ摩耗痕跡周囲には割れ・チッピングの欠損が何れの場合も認められず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れるが、比較例の各バーマッシャーロールは本発明の実施例に比べて、使用不能になるまでの摩耗痕跡深さ１２０μｍ以上と大きく、その上、ヒビ等の欠損も発生する場合があり、耐摩耗性、耐欠損性が不充分であることが確認された。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の固溶体粒子を分散した炭化珪素質焼結体を成形加工してなるバーマッシャーロールは、硬度や破壊靭性値に代表される機械的安定性に優れ、長期耐久性を有する。本発明のバーマッシャーロールを使用すれば、鉄鋼製造工程等におけるバーマッシャーロールの長寿命化による資材費圧縮と安定操業による生産性向上に伴う製造コスト低減に寄与すること大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の鋼板のサイドトリミング後の盛り上がり部を平坦化する設備のバーマッシャーロール配置図である。
【符号の説明】
1 …バーマッシャーロール（上ロール、φ９０ｍｍ( 内径５４ｍｍ) ×長さ６０ｍｍ、２個/ セット）
2 …バーマッシャーロール（下ロール、φ１５０ｍｍ×長さ１７００ｍｍ）
3 …通板中の鋼板
【図１】
0004050858.tif 000004