(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ系超硬合金からなる外層と、鉄系合金からなる内層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層中の酸素量が０．０５ｗｔ％以下であり、内層はＣｒを０．６ｗｔ％以上含み、かつ前記外層と内層の間に中間層を設け、中間層中の酸素量が０．０５ｗｔ％以下であることを特徴とする超硬合金製複合ロール。
【請求項２】
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、外層と内層との接合境界部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄帯材、板材、線材、棒材などの鋼材をはじめとする金属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と、この内層の外周に超硬合金からなる外層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】
寸法精度の向上など圧延材に対する高品質化、あるいはロール替え工数減少による生産性向上の要求に応えるため、耐摩耗性、耐肌荒れ性などに優れた炭化タングステン（ＷＣ）系超硬合金が線材、棒鋼、平鋼、帯鋼などの圧延用ロールに適用されている。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、ＷＣをＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属元素で結合した焼結合金である。
【０００３】
超硬合金は他のロール材と比較して高価であり、また耐摩耗性には優れるが、その高硬度のため靭性に乏しい。そのため、超硬合金を圧延用ロールとして使用する場合、超硬合金製の中空状のスリーブを、靭性に優れた金属製軸材に嵌合する構造が一般的に採用されている。このような構造の場合、超硬合金製スリーブ内面の粗度が粗い場合、嵌合時、局部的に過大な引張応力が発生し、超硬合金製スリーブの破壊強度を超えてスリーブが割れやすいという問題がある。
【０００４】
そこで近年、超硬合金からなる外層と靭性に優れた鉄系合金からなる内層を金属接合した複合ロールが、例えば特開平１０−５８２３号公報、特開平１０−５８２４号公報などに開示されている。
【０００５】
前記従来の複合ロールは優れた性能を有するが、超硬合金と鉄系合金では、熱膨張係数がそれぞれ約６×１０−６／℃、１２×１０−６／℃と約２倍異なるため、金属接合した後の冷却の際に、外層と内層との接合境界部に大きな引張応力が発生する。この状態で圧延を行うと、圧延による応力が接合境界部に作用し、この合成応力が境界の接合強度を超えるとロールが破壊するおそれがある。
【０００６】
この引張応力を緩和するため、例えば特開平１０−５８２４号公報には内層となる鉄系合金を２００〜６００℃でベイナイト変態、もしくは２００〜８５０℃にてパーライト及びベイナイト変態を起こす材料が好ましいと開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような鉄系合金を比較的低温にて変態を起こさせるためには、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉなどを多量に添加する必要がある。これらの元素は酸化物形成元素でもあり、特に外層と内層の接合境界部に酸化物が生成されると、接合境界部の接合強度が劣化し、圧延中に接合境界部からロールが破壊するおそれがあるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、超硬合金からなる外層と鉄系合金からなる内層を金属接合させた複合ロールにおいて、接合境界部の引張残留応力を緩和させるとともに、酸化物生成による外層と内層との接合境界部の接合強度の劣化を防止した接合信頼性の高い超硬合金製複合ロールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を検討するにあたり、超硬合金からなる外層中の酸素量を抑えることにより接合境界部の接合強度の低下を防ぐことができる。また、鉄系合金からなる内層中のベイナイト形成元素であるＣｒを適量含有させることにより接合境界部の引張り残留応力を緩和できるという知見を得て、本発明を完成した。すなわち、本発明は、ＷＣ系超硬合金からなる外層と、鉄系合金からなる内層が金属接合された超硬合金製複合ロールにおいて、外層中の酸素量が０．０５ｗｔ％以下であり、かつ内層はＣｒを０．６ｗｔ％以上含み、かつ前記外層と内層の間に中間層を設け、中間層中の酸素量が０．０５ｗｔ％以下であることを特徴とする。
【００１０】
また本発明において、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験において、外層と内層との接合境界部を含む抗折試験片の抗折強度が６００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
超硬合金の外層と鉄系合金の内層を焼結金属接合する際に、接合界面において外層中の酸素が内層中に拡散する。そして、内層中に含まれる酸化物形成元素である特にＣｒと反応して、接合境界部の近傍にＣｒ系酸化物が形成されやすい。
【００１２】
このＣｒ系酸化物が接合境界部に沿って配列して生成すると接合強度を低下させる。したがって、十分な接合強度を保つためには、外層中の酸素量を一定以下に抑え、内層中のＣｒ系酸化物の生成を制御する必要がある。また、内層中のＳｉ、ＭｎもＣｒ同様に酸化物形成元素であり、接合境界部の接合強度を劣化させやすい。
【００１３】
本発明のロールは、外層中の酸素量を０．０５ｗｔ％以下、より好ましくは０．０２ｗｔ％以下に抑えることにより、接合境界部付近に配列する酸化物生成を防止することができる。
【００１４】
また、本発明ロールは外層と内層の間に超硬合金からなる中間層を設けても良い。その場合も、前記同様、中間層中の酸素量を０．０５ｗｔ％以下、より好ましくは０．０２ｗｔ％以下に抑えることにより、接合境界部付近に配列する酸化物生成を防止できる。
【００１５】
超硬合金は硬質粒子であるＷＣ粉末とバインダーとなるＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒなどの粉末を混合して焼結することによって製造するが、通常市販されている超硬粉末は酸素を多く含有している。この酸素はＷＣの炭素（Ｃ）と反応してＣＯガスとして排出することができるため、焼結温度や焼結炉内雰囲気などの焼結条件を制御することにより、超硬合金中の酸素量をロール全体にわたって調整することが可能である。
【００１６】
また、外層と内層との接合境界部の引張残留応力を低下させるためには、ベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態のように、ある程度低温で変態を起こさなければならない。したがって、焼結後の冷却過程でベイナイト変態あるいはマルテンサイト変態が起こるようにするために、内層にはベイナイト形成元素であるＣｒを少なくとも０．６ｗｔ％以上添加することが必要である。一方、内層中のＣｒ量が多すぎると、外層中のＷＣにおけるＣのバランスが変化し、ＷＣが比較的脆い複炭化物（Ｗ，Ｃｏ）3Ｃに変化するため、４．０ｗｔ％以下が望ましい。また、同様の理由で内層は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉのいずれか一種以上を合計で０．５〜２．０ｗｔ％含有することが望ましい。
【００１７】
本発明の複合ロールにおける外層と内層の接合強度は、外層と内層との接合境界部を含む抗折試験片をロールから切り出し、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠した抗折試験により測定した抗折強度により評価する。本発明の複合ロールは、この評価法による抗折強度が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。なお、図１において右半分部分は対称であるため省略した。図１において、内径φ３５０ｍｍ、長さ９００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、表１の実施例１に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層１を配置した。また、重量比でＷＣ：５０％、Ｃｏ：５０％からなる超硬合金粉末をＣＩＰにて成形を行った後、酸素を低下させるために真空炉を用いて焼結を行い、厚み２ｍｍの中間層素材４を作製した。そして、内層１の外周に中間層として中間層素材４を配置した。
【００１９】
その後、中間層素材４の外面とＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に、ロール外層として重量比でＷＣ：８０％、Ｃｏ：２０％からなる超硬合金粉末３を充填した。超硬合金粉末３は予め造粒し、酸素を低下させるために真空炉で、予備焼結を行ったものを用いた。
【００２０】
次いで、ＨＩＰ缶２を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ処理を行なった。ここで、５は加熱ヒータ、６はＨＩＰ炉を表わす。冷却後、ＨＩＰ缶２を機械加工により除去した。このようにして本発明の超硬合金の外層を有する複合ロールを得た。本発明の複合ロールは、超音波探傷検査により、外層、中間層および内層が健全に接合していることを確認した。さらに、組織観察により中間層と内層の境界接合部付近には境界に沿って配列した酸化物の生成がないことを確認した。
【００２１】
外層および中間層からサンプルを採取し、それらに含有する酸素量を測定した。その結果を表２に示す。また、ロール中央部から中間層が介在した外層と内層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を測定した。その結果を表３に示す。
【００２２】
（実施例２）
中間層の施工を行わなかった以外は、実施例１と同様の方法で、表１の実施例２に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層を用いて、内層と超硬合金の外層とが直接に接合した複合ロールを製造した。実施例１同様の検査をしたところ、外層と内層は健全に接合しており、接合境界部付近に境界に沿って配列した酸化物の生成も認められなかった。表２に外層中の酸素量、表３に接合境界部の抗折強度の測定結果を示す。
【００２３】
（実施例３）
図２に圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。なお、図２において右半分部分は対称なため省略した。図２において、内径φ２００ｍｍ、長さ２０００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、表１の実施例３に示す組成の鉄系合金からなる中実の内層１を配置し、内層１の外面とＨＩＰ缶２の内面との間に形成された空隙に、ロール外層として重量比でＷＣ：８０％、Ｃｏ：２０％からなる超硬合金素材３を挿入した。なお、超硬合金素材３は、予めプレスを用いて成形し、酸素を低下させるために雰囲気炉を用いて焼結しておいたものである。
【００２４】
この超硬合金素材３の内面と内層１の外面との間に約５ｍｍの隙間を形成して、その隙間に重量比でＷＣ：５０％、Ｃｏ：５０％の超硬合金からなる中間層用の粉末４を充填した。この中間層用粉末４は、予めスプレードライヤーを用いて造粒し、酸素を低下させるために雰囲気炉にて予備焼結を行ったものを用いた。
【００２５】
次いで、ＨＩＰ缶２を溶接密封し、真空ポンプで脱気処理した後、ＨＩＰ装置にて、ＨＩＰ処理を施した。冷却後、ＨＩＰ缶２を機械加工により除去した。このようにして本発明の超硬合金の外層を有する複合ロールを得た。実施例１同様の検査をしたところ、外層と内層とが中間層を挟んで健全に接合しており、接合境界部付近に境界に沿って配列した酸化物の生成も認められなかった。表２に外層および中間層中の酸素量、表３に接合境界部の抗折強度の測定結果を示す。
【００２６】
（比較例１）
実施例１と同様の方法で、表１の比較例１に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層を用いて複合ロールを製造した。ただし、中間層を形成する中間層素材４、ロール外層を形成する超硬合金粉末３は、それぞれ実施例１と組成は同じであるが、予めの造粒および酸素を低下させるための予備焼結を施していないものを用いた。
【００２７】
ロール製造後、実施例１同様の検査をしたところ、外層と内層とが中間層を挟んで健全に接合しており、またロール全面にわたっても割れは確認されなかった。しかしながら、外層と内層との接合境界部の抗折強度が４００ＭＰａと低いものであった。組織観察の結果、接合境界部付近には境界に沿って配列したＣｒ系酸化物が多く生成しており、この酸化物が接合強度を劣化させた原因であることがわかった。
【００２８】
（比較例２）
実施例１と同様の方法で、表１の比較例２に示す組成の鉄系合金からなる中空円筒状の内層を用いて複合ロールを製造した。ロール製造後、実施例１同様の検査をしたところ、外層、中間層と内層の接合部に全周にわたって割れが発生していた。また、超音波探傷で検査したところ、ロール全面に割れが進展していた。組織調査の結果、内層中のＣｒ含有量が０．４７ｗｔ％と少ないため、基地がオーステナイトにならず、ベイナイト及びマルテンサイト系の応力割れを誘発する基地になったことが原因であることがわかった。
【００２９】
（比較例３）
実施例３と同様の方法で、表１の比較例３に示す組成の中実の内層を用いて複合ロールを製造した。ロール製造後、実施例１同様の検査をしたところ、外層、中間層と内層の接合部に全周にわたって割れが発生していた。また、超音波探傷で検査したところ、ロール全面に割れが進展していた。組織調査の結果、内層のＣｒ含有量が多すぎるため、Ｃｒ系酸化物が多く生成しており、接合境界部に沿って配列していること、また比較的脆いＣｒ系炭化物も接合境界部に生成していた。これらが接合境界部の接合強度を劣化させた原因であることがわかった。
【００３０】
表１
0004277250.tif 000002
【００３１】
表２
0004277250.tif 000003
比較例３  ０.０６２    ０.０７４
【００３２】
表３
0004277250.tif 000004
【００３３】
以上の結果から、本発明は、超硬合金からなる外層および中間層中の酸素量を抑えることにより、外層と内層と接合強度を劣化させる要因となる接合境界部付近に配列する酸化物生成を防止できるので、外層と内層の接合強度が高い複合ロールが得られる。また、内層のＣｒ含有量を所定量以上にすることにより、外層と内層との接合境界部の引張残留応力を緩和でき、ロールの割れを防止できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の超硬合金からなる外層と鉄系合金からなる内層を金属接合させた複合ロールによれば、接合境界部の引張残留応力を緩和させるとともに、酸化物生成による外層と内層との接合境界部の接合強度の劣化を防止した接合信頼性の高い超硬合金製複合ロールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【図２】他の圧延用複合ロールを製造するのに用いるＨＩＰ法を説明する概略断面図を示す。
【符号の説明】
１  内層、  ２  ＨＩＰ缶、  ３  超硬合金粉末（超硬合金素材）、
４  中間層素材（中間層用粉末）、  ５  加熱ヒータ、  ６  ＨＩＰ炉
【図１】
0004277250.tif 000005
【図２】
0004277250.tif 000006