(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、前記内層は化学成分が重量比にてＣ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｒ：４．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下を含み、Ｂ＝２７０×Ｃ(wt%)＋９０×Ｍｎ(wt%)＋３７×Ｎｉ(wt%)＋７０×Ｃｒ(wt%)＋８３×Ｍｏ(wt%)に示すＢ値が３００ｗｔ％以上を満足する残部鉄および不可避的不純物からなる合金からなり、前記外層と接合された内層の外周部が、ロール製造時に外層が存在する状態でＨＩＰ処理した後の冷却により生成されたマルテンサイトを主体とする金属組織からなることを特徴とする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、残留応力は外層である超硬合金と内層の鉄系合金の体積比や内層の形状、すなわち中心に孔を設けた中空形状であるか、もしくは中心に孔がない中実であるかなどの構造の違いによって変化し、前記のような内層の変態による引張応力の緩和はいまだ不十分であるという課題がある。
【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、圧延中のロール破壊を防止した安全性の高い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】
すなわち、本発明の超硬合金製複合ロールは、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、前記内層は化学成分が重量比にてＣ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｒ：４．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下を含み、Ｂ＝２７０×Ｃ(wt%)＋９０×Ｍｎ(wt%)＋３７×Ｎｉ(wt%)＋７０×Ｃｒ(wt%)＋８３×Ｍｏ(wt%)に示すＢ値が３００ｗｔ％以上を満足する残部鉄および不可避的不純物からなる合金からなり、前記外層と接合された内層の外周部が、ロール製造時に外層が存在する状態でＨＩＰ処理した後の冷却により生成されたマルテンサイトを主体とする金属組織からなることを特徴とする。
【００１０】
前記本発明において、ロール外層の回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留応力が、常温において１００〜５００ＭＰａであることが望ましい。
【００１１】
【作用】
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複合ロールにおいて、外層と接合された内層の外周部に実質的にマルテンサイトを主体とする変態を発生させることにより、外層と内層との接合境界部の引張残留応力を緩和できるとともに、なおかつ十分な接合強度が得られ、圧延中に割れなどを防止できる。
【００１２】
内層の外周部にマルテンサイトを生成させるためには、内層は以下に示す合金を重量比で含有する必要がある。内層の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ため最も基本的な成分である。Ｃが０.１％未満の場合、内層はパーライト変態が主体となり、外層と内層の境界接合部にて過大な引張残留応力が発生し、外層と内層の境界接合部の剥離が生じやすい。また、２.０％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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、オーステナイトを安定化させる元素のため、変態制御を行な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、機械的性質が劣化し、また変態制御が難しくなる。
【００１５】
Ｍｏは、Ｃと結合して炭化物を形成するため、硬さつまり機械的強度を制御するために重要な元素である。しかし、添加量が多すぎると靱性を低下させる。よって、Ｍｏは３.０％以下とする。
【００１６】
Ｍｎは、脱酸効果があり、焼入れ硬化性を高める作用がある。しかし、２.０％を越えると靱性が劣化するため２.０％以下が望ましい。
【００１７】
また、各々の成分のマルテンサイト変態への寄与を鋭意研究した結果、ベイナイト開始温度に基づいた関係から、Ｂ＝２７０×Ｃ(wt%)＋９０×Ｍｎ(wt%)＋３７×Ｎｉ(wt%)＋７０×Ｃｒ(wt%)＋８３×Ｍｏ(wt%)の式で表わされるＢ値が３００ｗｔ％以上となった場合に、内層の外周部にマルテンサイト変態が安定して得られることが判った。
【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なため省略した。図１において、内径φ１５０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ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実の内層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、焼結して厚み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：８５％、Ｃｏ：１２％、Ｎｉ：３％からなる超硬合金粉末３を充填した。
【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装置にて、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、カラーチェックにより、ロール端面に割れがないこと、また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。また、外層と接合された内層の外周部、つまり外層と内層との接合境界部近傍の内層のサンプルを採取し、この硬さを測定した。さらに、このサンプルの組織を確認したところ、マルテンサイトを主体とする金属組織からなっていた。
【００２１】
さらに、ロール外層の回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留応力を、歪ゲージを用いた破壊方法によって測定した。表２に、内層の外周部の硬さおよび外層の回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留応力値を示す。
【００２２】
（実施例２）
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φ３００ｍｍ、長さ１５００ｍｍのＨＩＰ缶２の中央に、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、ロール外層として予めプレス成形した重量比でＷＣ：８０％、Ｃｏ：２０％からなる超硬合金素材３を挿入した。
【００２３】
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：３０％、Ｃｏ：７０％の超硬合金からなる中間層用の粉末４を充填した。
【００２４】
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、外層と接合された内層の外周部はマルテンサイトを主体とする金属組織からなることが確認できた。表２に、内層の外周部の硬さおよび外層の圧縮残留応力値を示す。
【００２５】
（実施例３）
中間層の施工を行なわなかった以外は、実施例２と同様の方法で、表１の実施例３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、外層と内層が健全に接合しており、外層と接合された内層の外周部はマルテンサイトを主体とする金属組織からなることが確認できた。表２に、内層の外周部の硬さおよび外層の圧縮残留応力値を示す。
【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。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。また、外層と接合された内層の外周部のサンプルを採取し組織を確認したところ、ベイナイトを主体とする金属組織からなっていた。表２に、内層の外周部の硬さおよび外層の圧縮残留応力値を示す。
【００２７】
（比較例２）
実施例２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スリーブロールを製造した。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。また、外層と接合された内層の外周部のサンプルを採取し組織を確認したところ、ベイナイトを主体とする金属組織からなっていた。しかしながら、外層の回転軸方向中央部における円周方向の圧縮残留応力が５５９ＭＰａと高いものであった。
【００２８】
このスリーブロールを焼嵌めによって軸に固定し、実際の圧延に用いたところ、圧延後、外層と内層の接合部に割れが発生した。これは、圧延中に作用する圧延荷重などの応力が作用した結果、外層と内層の接合部に作用する引張残留応力と相俟って境界の接合強度以上の応力が作用したことが原因と考えられる。
【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。またロール全面に割れが進展していた。また、外層と接合された内層の外周部のサンプルを採取し組織を確認したところ、ベイナイトを主体とする金属組織からなっていた。
【００３０】
0004221696.tif 000002
【００３１】
0004221696.tif 000003
【００３２】
以上の結果から、本発明は、超硬合金からなる外層と接合された鉄系合金からなる内層の外周部に実質的にマルテンサイトを主体とする変態を発生させることにより、外層と内層との接合境界部の引張残留応力を緩和できる。また、前述の内層のＢ値を３００ｗｔ％以上とすることにより、外層と内層との接合境界部の引張残留応力を確実に緩和できることがわかった。
【００３３】
【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、圧延中のロール破壊を防止した安全性の高い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】
0004221696.tif 000004
【図２】
0004221696.tif 000005