(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼製の中空円筒状の内層の外周に拡散接合された外層を有する複合スリーブを軸材に焼嵌めしてなる熱間圧延用組立式ロールであって、前記外層はハイス系合金粉末を熱間等方圧プレス法により焼結したものであり、焼嵌め後の外層におけるロール円周方向の応力が−６００〜−２００ＭＰａ、外層におけるロール半径方向の応力が＋１００ＭＰａ以下であり、かつ内層の伸びが１％以上であることを特徴とする耐事故性、耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れた熱間板圧延用組立式ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼製の中空円筒状の内層の外周に、ハイス系粉末の焼結合金からなる外層を形成した複合スリーブを軸材に焼嵌めしてなる熱間圧延用組立式ロールに関し、特に、耐事故性、耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れているために、連続熱間薄板仕上圧延機の作動ロールとして好適な熱間板圧延用組立式ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間板圧延ロールにおいては、ロールコストの削減や圧延板の高品質化などに応えるべく耐摩耗性や耐肌荒れ性に対する要求は厳しさを増しており、外層がハイス系合金材からなる連続鋳掛け肉盛ロール（Ｗ０８８／０７５９４号公報）や、外層がハイス系合金材からなる遠心鋳造ロール等の適用が進んでいるが、要求に十分追いつけていないのが現状である。
【０００３】
更なる耐摩耗、耐肌荒れ材としては熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）法によるハイス系焼結合金が注目されている。ハイス系焼結合金を外層に形成したロールを製造する場合、ロールの軸材の周りに金属カプセルを取り付け、軸材と金属カプセルとの間の環状空間内に所定のハイス系合金粉末を充填し、ロール全体をＨＩＰ炉に装入してＨＩＰ処理を施す必要がある。ロール全体をＨＩＰ炉に装入するために熱間板圧延用のような大型のロールにあってはそれ相応の大型のＨＩＰ炉を用いる必要があるので、エネルギーコストおよび雰囲気コストは極めて高くなっていた。
【０００４】
そこで、特開昭56-69304号で提案されているように、ロールの胴部に相当する長さの軸材を用いて、その周囲に金属粉末をＨＩＰ処理した上で、ＨＩＰ処理の後、軸材の両端の支持部を溶接などで取り付ける方法がある。この方法によればＨＩＰ処理する際の炉の大きさはロールの胴部が入るだけの大きさがあればよいので、ロール全体を収容するほどの大きさのＨＩＰ炉を必要としないと言う利点がある。
【０００５】
しかしながら、上記方法では内層材を中実円筒状の形状にする必要がある。中実円筒状の内層では、中空円筒状の内層に比べ重量が増加し、ＨＩＰ炉の制限を受ける可能性がある。従って、ＨＩＰ炉の制限や製造コストを考慮すると中空状の軸材の外周にハイス焼結合金をＨＩＰ法により形成させた複合スリーブを、ロール軸材に焼嵌めして組立てた構造にすることが有効である。
【０００６】
一方、最近の熱間板圧延方式ではワークロールに多大な荷重が作用し、ワークロールの最大接触圧力も増大しており、絞り込みや咬み止めなどの圧延操業上の事故は不可避的なものとなっている。これらの圧延操業上の事故によって、ロール表層部には熱亀裂や焼付きを伴った絞り亀裂が生じることがある。
【０００７】
通常、亀裂が生じたときは研削加工などにより亀裂を完全に除去してから次回の圧延に用いるようにする。亀裂を残したまま圧延に使用した場合、圧延による外力を受けて亀裂がしばしば進展する。この亀裂は圧延中の繰り返し負荷により、主にロールの回転方向と逆の円周方向に斜め深部に進んだ後、ロールの表面とほぼ平行に進展する傾向を示す。この進展過程で亀裂が限界寸法に達すると、ロール表層部が大きく剥離するスポーリングに至る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで従来から、スポーリングの起点となる亀裂の進展を抑止するために、常時外層にロール円周および軸方向の圧縮応力を付与させる方法が採られている。しかしながら、極めて稀な現象ではあるが、前述の圧延負荷に伴ったスポーリングとは異なる現象として、進展した亀裂を内在したままで圧延負荷を加えていない状態にあっても、亀裂が進展して剥離する（遅れ破壊と呼ぶ）ことがあり安全上の課題が残る。
【０００９】
スリーブロールをロール軸材に焼嵌めする場合、圧延時にスリーブロールとロール軸材の滑りやスリーブロールの破壊等を防止するために、適正な焼嵌率を設定する必要がある。
しかしながら、焼嵌めを実施すると前述の目的にて付与した応力は変化してしまう。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、焼嵌め後の適正な残留応力を付与することにより、絞り込み時などにおける外層の亀裂の進展を抑えるとともに、圧延負荷を加えていない状態において生じる遅れ破壊を引き起こすような亀裂の進展を抑えた耐事故性と安全性に優れるとともに、耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れた熱間板圧延用組立式ロールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、ロール内層に伸びのある材質を用い、その内層の外周にハイス系粉末の焼結合金からなる外層を形成した複合スリーブを軸材に焼嵌めしてなる熱間圧延用組立式ロールにおいて、外層におけるロール円周方向の圧縮応力を所定の範囲にすると同時に、外層におけるロール半径方向の応力を一定値以下にすることにより、耐事故性ならびに安全性を著しく向上できることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明の熱間板圧延用組立式ロールは、鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼製の中空円筒状の内層の外周に拡散接合された外層を有する複合スリーブを軸材に焼嵌めしてなる熱間圧延用組立式ロールであって、前記外層はハイス系合金粉末を熱間等方圧プレス法により焼結したものであり、焼嵌め後の外層におけるロール円周方向の応力が−６００〜−２００ＭＰａ、外層におけるロール半径方向の応力が＋１００ＭＰａ以下であり、かつ内層の伸びが１％以上であることを特徴とする。ここで、応力の符号−は圧縮、＋は引張を表す。
【００１３】
【発明の実施の形態】
複合スリーブロールの製造工程で、焼入れや焼戻しなどの熱処理や、ＨＩＰ焼結するときに外層と内層の熱膨張率や変態特性の差により残留応力が発生する。たとえば、熱処理を施す場合、外層に対してより高温で変態する内層は変態膨張するときに未変態の外層によって締めつけられて弾塑性変形するが、内層の変態膨張する温度が高いほど塑性変形の比率が高くなる。内層の変態膨張が完了した時点では塑性変形により内層の内部応力は小さいが、ロールがさらに冷却されると、今度は未変態であった外層が変態膨張する。外層の変態膨張の過程では、外層の軸、円周、半径の各方向の寸法は、内層より相対的に大きくなろうとするが、両者の接合部分において、強固に接合されているため、内層と外層の負荷が釣り合おうとする。その結果、内層は外層によって軸、円周、半径の各方向に引っ張られる一方、外層は軸および円周方向に圧縮され、半径方向に引っ張られる形となる。
【００１４】
外層においては、圧延咬止め時の熱亀裂を浅くするために円周、軸方向の圧縮応力を高い状態に保持したいが、円周、軸方向の圧縮応力が高ければ高いほど半径方向の引張応力が高くなるため、外層剥離の危険性が大きくなるので、半径方向の引張応力はなるべく小さく抑える必要がある。
【００１５】
外層でのロール円周方向の圧縮応力が２００ＭＰａを下回ると熱亀裂が深く入りやすく、６００ＭＰａを超えると剥離しやすくなるので、外層でのロール円周方向の応力は−６００〜−２００ＭＰａの範囲が好ましい。より好ましいロール円周方向の応力は、−４００〜−２５０ＭＰａである。また、外層でのロール半径方向の応力が＋１００ＭＰａを超えると圧延負荷を与えない状態においても亀裂が進展しやすく剥離が起きやすくなるので好ましくない。
【００１６】
本発明においては、外層は耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れたハイス系合金材からなり、内層は鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼製など伸びが１％以上の強靭材からなる。
【００１７】
【実施例】
内層として伸びが１％以上のＳＣＭ４４０相当の鍛鋼製のリング体を用い、その外周にハイス系合金粉末をＨＩＰ法により焼結、拡散接合させた外層を有する複合スリーブを形成した。そして、この複合スリーブを鍛鋼製のロール軸材に焼嵌めにより嵌合し、組立一体構造の複合ロールを製作した。このロールの諸元は、胴部外径φ４１５ｍｍ×長さ９００ｍｍ、外層と内層の境界径φ２７２ｍｍ、スリーブ内径φ１３２ｍｍ、焼嵌め率１／１０００である。
【００１８】
このロールを種々の焼入れ方法と条件を試行した結果、以下の条件で本発明の残留応力分布が得られることを見出した。すなわち、１０８０℃にて表面低・中周波焼入れを施し、その後に５００〜５５０℃で２回の焼戻しをした。次に、本ロールをザックス法で外層での応力を測定した結果、外層でのロール円周方向の応力は外層表面で−２５０ＭＰａ、外層内部では最大−３００ＭＰａが測定された。また、焼嵌めによる組立状態では焼嵌めによる半径方向の圧縮応力が加味されることを考慮して、外層でのロール半径方向の応力は最大＋７０ＭＰａであった。この応力分布を図１に示す。
また、図２に示すようにロールの胴部中央に９０度の鋭角をもった突切り工具で重旋削を行い、工具先端隅角からの剥離の有無を調べた。当該ロールは剥離が生じなかった。この試験は、外層における剥離傾向の程度を調べるために行なったもので、本試験によって剥離しない残留応力分布を有する複合ロールは、実機圧延機においても耐剥離性に優れていることが経験的に確かめられている。一方、比較例として、同一寸法のロールで半径方向応力１３０ＭＰａのものは、図２に示すように工具先端部が境界層手前３ｍｍに達した際に、工具先端隅角を起点とする剥離が生じた。
【００１９】
これらの結果より、本発明のロールは、外層に所定の円周方向の圧縮応力が付与されているので、熱亀裂が浅く抑えられ、また、外層に過大でない所定の半径方向引張応力および所定の円周方向応力が付与されているので、亀裂の進展速度は抑制される。その結果、圧延負荷の作用時においても剥離が生じ難く、さらには無負荷時における剥離に対しても著しく安全性を向上させることが十分期待できる。
【００２０】
本発明ロールを実際の連続熱間薄板仕上圧延機の作動ロールとして使用した結果、溶製ハイスロールと比較したところ、耐肌荒れ性は２．３倍、耐摩耗性は２．７倍の効果が得られた。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の熱間圧延用組立式ロールは、ハイス系焼結合金からなる外層に所定の円周方向の圧縮応力が付与されているので、スポーリングに発展する熱亀裂が浅く抑えられ、亀裂を排除するロール研削量が少なくなる。また、外層に過大でない所定の半径方向引張応力および所定の円周方向応力が付与されているので、亀裂の進展速度は抑制される。その結果、圧延負荷の作用時においても剥離が生じ難く、さらには無負荷時における剥離に対して著しく安全性が高められたロールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の圧延用組立式ロールに係わる応力分布図である。
【図２】本発明の工具先端隅角からの剥離の有無を調べる方法を示す概念図である。
【図１】
0003783408.tif 000002
【図２】
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