JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）p. 63-68

放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価
Evaluation of Coating and Wear Characteristics of Roll Surface Coatedwith TiC by Electrical Discharge Coating
植野雅康

UENO Masayasu

JFE スチール

スチール研究所

圧延・加工プロセス研究部

主任研究員（副部長）藤田昇輝

FUJITA Noriki

JFE スチール

スチール研究所

圧延・加工プロセス研究部

主任研究員（課長）木村幸雄

KIMURA Yukio

JFE スチール

スチール研究所

圧延・加工プロセス研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）要旨
薄鋼板の表面テクスチャーはプレス成形性や塗装後鮮映性等に大きな影響を与える。表面テクスチャーの制御は，調質圧延においてロール表面テクスチャーを鋼板に転写させることで行われるが，実生産ではロール摩耗による表面テクスチャーの変化が問題となる。これに対してロール摩耗を抑制する新たな技術として，放電表面処理法の適用を検討した。TiC 焼結体電極を用いた放電表面処理によって，圧延ロール表面に TiC 硬質皮膜を形成し，電気加工条件に対する皮膜特性および耐摩耗性を調査した結果，従来用いられている硬質クロムめっきより優れた特性を有することを明らかにした。

Abstract:
The surface texture of a steel sheet exerts a considerable effect on sheet press formability and image clarity aftercoating. Temper rolling is one of the key processes for determining the surface texture, because the final procedure
is printing using an appropriate work-roll surface. To carry out stable control of the surface texture by temper rolling,
it is important to maintain the topography of the roll surface and increase the roll service life for industrial use. In thisstudy, electrical discharge coating is applied as a means of improving the wear resistance of the roll surface. First,
characteristics of the film coating made by electrical discharge coating using a TiC sintered electrode are investigatedexperimentally. Then, the influence of the electrical machining conditions on the film thickness, hardness, and surface
roughness is evaluated and discussed. Furthermore, a rolling experiment is conducted and the wear resistance wasevaluated by comparison with a film fabricated by the conventional hard chromium plating method.

1． はじめに工具の観点からはロール表面の加工方法として従来のショットブラスト加工に加えて，放電ダル加工，レーザー加薄鋼板の表面形態は製品品質に大きな影響を与えること工，電子ビーム加工などが開発され，製品品質を向上できが知られている。特にプレス成形に用いられる冷延鋼板やる規則的な表面テクスチャーの形成も可能になってきてい

表面処理鋼板では，プレス成形時の金型との界面においてる。しかし，実生産においては摩耗による表面テクスチャー潤滑油を保持するため，潤滑油の保持性に優れた表面テクの変化が問題となる。
摩耗抑制手段としては，硬質クロムメッキスチャーを付与しておくことが要求される。また塗装後の鮮映性が要求される場合には，長波長の凹凸を除去しておくことが重要であるとされている

1, 2）

。

よる炭窒化物の表面コーティング

5, 6）

や PVD に7）といった表面改質技術の適用が検討されている。PVD は Hv2000 程度の非常に硬実際の鋼板表面テクスチャーの制御は最終工程となる調い皮膜を形成できるが，圧延ロールのような大型部材を処質圧延においてロール表面テクスチャーを鋼板に転写させ理するためには，装置の導入コストが極めて高価となるため，ることで行われる。しかし転写機構は必ずしも明らかにはさ

現状は Hv1000 程度の硬質クロムメッキロールが用いられるれておらず，圧延ロール表面の被圧延材への転写挙動を含場合が多い。
近年，上記の従来表面改質法の課題を補う新たな技術とめたミクロ変形解析に関する研究も盛んに行われており，圧延条件の影響などが調査されている

3, 4）

。

して放電表面処理が注目されている。放電表面処理は，放電加工の技術をベースとし，液中で電極と工作物との間に2018 年 2 月 15 日受付

パルス状の放電を連続的に発生させ，そのエネルギーによ－ 63 －Copyright © 2018 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価

り電極材料を工作物表面に移行させる技術である。毛利らの研究

8）を初めとして多くの研究が行われており，TiC 圧粉体電極を用いた場合には Hv2000 の TiC 皮膜が形成され9）ることが報告されている 。しかしその研究の多くは放電加工時の電極材質や加工液中への粉末添加，電気加工条件を変更した場合の膜厚や皮膜硬さといった基礎データを調査したものが多く

10-13），圧延ロールへ適用し，実際の摩耗挙動を調査した報告は Simao ら

14）のみと少なく，それも表面図 2 放電加工時の電気加工条件の模式図改質無しのロールと比較したものである。

Fig. 2

Schematic diagram of electrical discharge condition

そこで本論文では放電表面処理法を圧延用ロールに適用した場合の電気加工条件による成膜特性の評価を行い，さらに圧延実験により，ロール表面粗さの低下挙動（耐摩耗性）

3． 電気加工条件による成膜特性変化を従来から広く用いられている硬質クロムメッキロールと比3.1較した結果について報告する。

実験方法

調質圧延用ロールへの放電表面処理適用の可能性を評価

2． 放電表面処理による硬質皮膜形成するため，実際のロール材料に対して放電表面処理加工を実施した。ロールは SUJ-2（2％ Cr 鋼）製の直径 70 mm で放電表面処理による硬質皮膜形成では，当初は炭化物をあり，鏡面研磨（0.1 μ mRa）したものを用いた。電極は表 1形成しやすい Ti などのバルク金属，あるいは圧粉体を電極に示す熱物性値を有する TiC 焼結体電極を使用した。放電とし，油中で工作物との間に放電パルスを印加することで，加工機は EA12（三菱電機製）を用い，加工液は灯油系を用油から熱分解したカーボンと電極材料の反応生成物であるいた。表 2 に電気加工条件を示す。極性は電極側を負極性炭化物を工作物表面に堆積させることを狙っていた。しかとし，無負荷電圧を 150 V とし，放電電流 ie を 8～25 A のし至近では，炭化物を放電熱による化学反応によって形成範囲，パルス幅 te を 8～100 μ s の範囲で変更し，休止時間 toするのではなく，炭化物を焼結した電極を用いて，放電加はアークスポットが発生しないようにデューティファクター工によって直接工作物表面に形成させる技術が，電極の取（te/to）が 0.05 以下となるように設定した。またロールはり扱いや電極摩耗の制御性などに優れるため開発されてい20 rpm の一定速で回転させ，電極幅 10 mm の領域（加工面る215-17）積で 2 190 mm ）を，時間 10～60 min の範囲で加工した。

。図 1 に放電表面処理の模式図を示す。

調質圧延用ロールへの適用にあたっては，放電ダル加工形成した皮膜の評価は，表面粗さ，膜厚，硬さの測定を行っ機の電極材質を変更することで表面粗さの付与と硬質皮膜た。表面粗さは触針式表面粗度計を用いて，ロールバレルの形成を同一プロセスで行える可能性がある。しかし，放方向に測定長 4 mm，カットオフ値 0.8 mm で測定し，算術電表面処理の電気加工条件は，通常のダル加工と異なり，平均粗さ Ra 及びピークカウント PPI（カウントレベル±

硬質皮膜材料の供給源となる電極側の極性を，消耗が大き

表 1 電極仕様くなる負極性とする。また図 2 で示される放電電流 ie，パルTable 1

ス幅 te，休止時間 to といった電気加工条件を変更することで，

Specification of electrode形成される皮膜の膜厚，硬さ，表面粗さが変化するため，Material

TiC (Sintered)

ダル加工で目標の表面粗さを確保しつつ，圧延にも耐えう

Size

10 mm×15 mm×50 mm

Density

2.57 g/cm

Specific heat

0.54 J/g · K

Thermal conductivity

0.98 W/m · K

る硬質な皮膜を均一に形成できるかが問題となる。

3

表 2 放電表面処理における電気加工条件
Table 2

Condition of electrical discharge coating

Polarity

図 1 放電表面処理の模式図
Fig. 1

Schematic diagram of electrical discharge coating

JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

－ 64 －

Work: (＋)
Electrode: (−)

Discharge current ie

8, 16, 25 A

Discharge duration te

8, 20, 50, 100 μ s

Machining area

2 190 mm

Machining time

10, 30, 60 min

2放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価

図 3 断面 SEM 観察結果
Fig. 318）

図 4 表層からの硬度分布測定結果

Cross sections of machined surface

Fig. 418）

Variation of hardness in cross section

0.625 μ m）を算出した。膜厚は作成したロールから断面観
察用のサンプルを切り出し，SEM 観察画像から，幅方向位とで皮膜を形成する。このとき，陽極側のロール表面が溶置 20 点の膜厚を求め，その平均値で評価した。また硬さは融していることが皮膜を強固に堆積させるには必要となる。

断面観察サンプルを用いて，マイクロビッカース硬さ計にてところが，加工時間が長い場合は，ロール側の最表面には押込み荷重 10 g の条件で，表層からのビッカース硬さ Hv

既に TiC が形成された箇所も存在し，その部分では陽極側の分布を測定した。

材料の熱物性値が大きく変わる。毛呂らは

3.29）

は，TiC を工作物とし TiC 焼結体電極を用いた放電表面処理を実施した

実験結果

場合に，電極材料の移行が見られず除去加工となることを

図 3 は放電電流 ie を 25 A の一定とし，パルス幅 te と加工報告しており，加工時間が長い条件では表層に形成された

時間 T を変更したサンプルの断面 SEM 写真である。表面にTiC によってロール表面の融点が TiC の融点 3 137℃まで上電極材料が移行して形成された皮膜が確認できる。膜厚は昇するため，ロール側に放電溶融痕が形成できず，それ以パルス幅が長いほど大きくなっている。また加工時間に対す降の TiC の堆積が困難になり，放電時の衝撃等により皮膜る膜厚の変化は小さいが，加工時間の増加に伴い，皮膜へにクラックが形成されたと考えられる。
次に放電電流 ie とパルス幅 te の影響を整理した。ie，te がクラック等の欠陥が形成されている。
図 4 はサンプル表層からの硬さ分布の測定結果である。

大きい高エネルギー条件では単発放電での電極消耗が増加

上段（a）は ie 及び T を一定としパルス幅の影響を見たもの，し，ロール側へ移行する TiC の量が大きくなる。図 5 に ie，下段（b）は，ie 及び te を一定とし加工時間の影響を見たもte に対する膜厚の変化を示す。ie および te の増加に伴い膜厚のである。表層から深さ 5 μ m 位置での Hv で 1 500 以上の硬質皮膜を形成している。パルス幅が大きいほど硬さが高い領域が大きくなり膜厚が増加している。また同一の電気加工条件で加工時間のみを変更した場合には，膜厚，硬さともに変化しておらず，SEM 観察結果とも整合性が取れている。
加工時間を増加しても皮膜厚や硬さが上昇しない理由は，以下が考えられる。放電加工では，放電アーク柱で陰極側の電位降下が陽極側に比べて大きく，陰極側表面では蒸発散逸が主体で生じ，陽極側では安定した放電溶融痕が形成される。放電表面処理では，これを利用して陰極側から散逸した TiC を陽極側で溶融したロール表面へ固溶させるこ－ 65 －図 5 電気加工条件による膜厚変化

18）Fig. 5 Relationship between thickness of coated layer andelectrical discharge condition
JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価

図 6 電気加工条件による表層部硬度変化

18）Fig. 6 Relationship between hardness of coated layer andelectrical discharge condition

が大きくなっている。同一の te で，ie に対する膜厚を比較するとばらつきはあるが，ie に比例した膜厚変化をしている。
一方，te に対する膜厚変化は ie に比べて小さい。これは，放電アーク中の電流密度に対する影響が異なるためと考えられる。放電加工時の単発放電痕の直径 d に与える ie 及び teの影響は小林等の報告

19）

図 7 電気加工条件に対する表面粗さ変化によれば（1）式の関係をとる。

18）

Fig. 7 Relationship between surface roughness and electricaldischarge condition (a) Ra, (b) PPI

電流密度は ie を放電痕の面積（真円仮定）で除したものであるので，電流密度 ρ と ie と te の関係は（2）式で示される。
この式の形から分かるように，te は電流密度を小さくする方向に作用するため，投入エネルギーを大きくした効果が ieより小さくなる。但し，従来のクロムメッキが 10 μ m 程度の膜厚であることを考えると，電気加工条件を最適化することで充分な膜厚を確保可能と考えられる。

d ∝ i e 0.4 ⋅ t e 0.4………………………………… （1）ρ = i /(π d 2 / 4) ∝ ie 0.2 ⋅ t e −0.8 ………………… （2）
図 6 は電気加工条件に対する表層から 5 μ m 深さ位置の

図 8 放電ダルと放電表面処理での粗さ制御範囲比較

ビッカース硬さの変化である。硬さはばらつきが大きく，電Fig. 8 Comparison of roll surface texture between electricaldischarge coating and electrical discharge texturing

気加工条件と明瞭な相関は見られない。これは TiC 焼結体18）電極を用いた放電表面処理ではロール表面への TiC の移行であるため，硬さに対しては初期電極材料の硬さの影響が4． 放電表面処理 TiC 皮膜の摩耗特性支配的であるためと考えられ，従来クロムメッキより硬い

4.1

Hv1 500～2 000 程度を確保できている。

実験方法

図 7 は電気加工条件に対するロール表面粗さの変化であ

放電表面処理 TiC コーティングロールの耐摩耗性を評価る。ie および te の増加に伴い Ra が大きくなり，PPI が小さするため圧延実験を行った。圧延は直径 70 mm，バレル幅くなっているが，これは放電エネルギーの増加に伴い，単発40 mm のワークロールと直径 140 mm のバックアップローの放電でロール表面に移行する TiC の量が大きくなること

ルで構成される 4 段式圧延機を用い，コイルでの張力圧延を考えれば，その集合で形成されるロール表面の凹凸が大を実施した。被圧延材は板厚 1.0 mm，板幅 25 mm，降伏応きくなることは理解できる。

力 230 MPa の軟鋼（SPCC）を用い，ドライ潤滑で圧延荷重

図 8 は 今 回 の 放 電 表 面 処 理 と従 来 の 放 電 ダ ル 加 工 機（EDT）でのロール表面粗さの制御範囲

20）19.6 kN を負荷した状態で圧延速度 20 m/min の条件で圧延を比較したものを行った。圧延荷重の設定は，実機調質圧延とはロール径である。放電表面処理でも電気加工条件の調整で従来のダが異なるため，ワークロールとバックアップロールの接触面ル加工の表面テクスチャー制御の範囲内に制御可能である。

圧が実機同等の 1 100 MPa となるように設定している。
評価ロールの材質は SUJ-2（2％ Cr 鋼）であり，従来技術

JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

－ 66 －放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価

表 3 テストロール条件
Table 3

Test roll condition

Thickness ofcoating/μ mHardness
HvRoughness
Ra/μ m

SUJ-2 (No coating)

―695

2.45

Cr-coating

8.0

1 096

2.80

TiC-1 (With crack)

10.0

1 811

2.29

TiC-2 (No crack)

10.0

1 623

2.92との比較を行うためにクロムメッキロールも準備した。クロムメッキロールは，あらかじめ通常の放電ダル加工によって

図 9 圧延長に対するロール粗さ変化

表面粗さを調整後に硬質クロムメッキ処理を行った。またFig. 918）

Relationship between roll roughness and rolling length

TiC コーティングロールの電気加工条件は，放電電流 ie＝25 A，パルス幅 te＝8 μ s とし，加工時間を変更し皮膜欠陥があるものと無いものを準備し，コーティング無しのロールも含め 4 種類のロールで圧延実験を行った。
表 3 に各ロールの初期表面粗さ，皮膜厚み，表層から5 μ m 深さ位置のビッカース硬度の測定結果を示す。表面粗さはいずれのロールも 2.0～3.0 μ mRa であり，一般的に調質圧延のダルロールとして用いられている粗さの範囲に入っている。耐摩耗性の評価は，圧延長に対するロール表面の算術平均粗さ Ra の変化を触針式表面粗度計で測定し，Raの低下挙動を比較することで評価した。また圧延による皮膜の剥離有無を確認するため，圧延前後のロール表面を光学顕微鏡にて拡大観察した。

4.2

実験結果

図 9 に各ロールの圧延長に対するロール表面粗さの変化を測定した結果を示す。いずれのロールも最初の圧延で初18）

期摩耗によって粗度が大きく低下したのち，緩やかに粗度

図 10 圧延前後のロール表面拡大観察写真が低下していくが，その低下量はロールによって大きく異なFig. 10 Optical micrographs of the roll surface in rolling
experiment

ることが分かる。コーティングが無い SUJ-2 は，1 km 程度の圧延で粗度が 2.0 μ mRa 以下となるのに対し，クロムメッキを施したロールでは 2.5 km 圧延後でも 2.0 μ mRa 以上のした結果である。クロムメッキロールでは圧延後に凸部が平粗度を維持することができており，クロムメッキの有効性を坦化している様子が観察されるが，健全な TiC コーティン確認することができる。

グロールでは圧延前からの表面形態の変化が小さいことが放電表面処理によって TiC 皮膜をコーティングしたロー分かる。一方，クラックの存在する TiC コーティングロー

ルでは，当然ながら皮膜中の欠陥の有無で結果が大きく変ルでは圧延後に皮膜の剥離が観察される。これは圧延時にわる。皮膜中にクラックが存在するロールでは，圧延初期作用する応力によってクラックが進展し，クラックが連結すから大きな粗度低下が生じ，1 km 程度の圧延で初期粗度のることによって皮膜の剥離が生じ，早期に粗度が低下したも半分程度まで低下し，2.5 km 圧延後では 1.2 μ mRa 程度までのと考えられる。

粗度が小さくなっている。一方，欠陥の無い健全な放電表以上の結果から，放電表面処理によって TiC コーティン

面処理皮膜では粗度の低下量はクロムメッキロールと比較グを施したロールは電気加工条件を最適化し，健全な皮膜しても小さく，9.0 km 圧延後でも 2.5 μ mRa 以上の粗度を維を形成すれば，従来のクロムメッキロールよりも優れた耐摩持しており，極めて優れた耐摩耗性（粗度維持性）を有す耗性を有し，調質圧延用ロールへ適用できる可能性があるることが分かる。

ことが明らかとなった。また本技術は一般的に使用されてい図 10 はクロムメッキロールおよび TiC コーティングロー

る放電ダル加工機の電極材質と電気加工条件を変更するのルの圧延前と 2.5 km 圧延後の表面状態を光学顕微鏡で観察みで実施する事が可能であり，PVD 等の他の硬質皮膜コー－ 67 －JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

放電表面処理による圧延ロールへの TiC コーティングの成膜特性および耐摩耗性評価

ティングプロセスと比較して，鉄鋼圧延用ロールへの適用に

5）出石智也．塑性と加工．1991, vol. 32, p 458-463.

有利である。

6）Simao, J.; Aspinwall, D, K. Journal of Materials Processing Technology.
1999, vol. 92-93, p. 281-287.
7）Jimbo, Y.; Azushima, A. Wear. 2001, vol. 249, p. 415-421.
8）毛利尚武，齋藤長男，恒川好樹，籾山英教，宮川昭彦．精密工学会誌．

5． おわりに

1993, vol. 59-4, p. 625-630.
9）毛呂俊夫，後藤昭弘，毛利尚武，斎藤長男，松川公映，福島泰弘．日

放電表面処理法の圧延用ロールへの適用の可能性を明らかにするため，TiC 焼結体電極を用いた放電表面処理を冷

本機械学会論文集 C 編．2003, vol. 69-683, p. 174-180.
10）Simao, J.; Lee, H, G.; Aspinwall, D, K.; Dewes, R, C.; Aspinwall, E, M.
International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003, vol. 43,p. 121-128.

延ロール素材（2％ Cr 鋼）に実施し，その成膜特性と耐摩

11）Hwang, Y.; Kuo, C.; Hwang, S. Jour nal of Materials Processing

耗性を実験的に評価し，以下の知見を得た。
（1）TiC 焼結体電極を用いた放電表面加工によって，2％ Cr
鋼素材の表面に Hv＝1 500 以上の硬質皮膜を形成できることが分かった。
（2）放電表面処理では加工時間が長すぎる場合，膜厚や硬さは増加せずに，皮膜にクラック等の欠陥が形成される。これは陽極側のロール表面に TiC 皮膜が形成された箇所を再度放電するときに表面の融点上昇によって，ロール表面が溶融しにくくなるため，電極材料が固着しにくくなり，放電時の衝撃のみが作用するためと考えられる。
（3）放電表面処理での表面粗さは従来の放電ダル加工の範囲内で制御可能である。

Technology. 2010, vol. 210, p. 642-652.
12）Wanga, Z.; Fanga, Y.; Wua, P.; Zhaoa, W.; Chengb, K. Journal of Materials
Processing Technology. 2002, vol. 129, p. 139-142.
13）Moro, T.; Mohri, N.; Otsubo, H.; Goto, A.; Sato, N. Journal of Materials
Processing Technology. 2004, vol. 149, p. 65-70.
14）Simao, J.; Aspinwall, D. K.; Menshawy, F. E.; Meadows, K. Journal ofMaterials Processing Technology. 2002, vol. 127, p. 211-216.
15）後藤昭弘，毛呂俊夫，松川公映．電気加工学会誌．2000, vol. 34, p. 3843.
16）後藤昭弘，寺本浩行，鷲見信行，中野善和．素形材．2010, vol. 61, p.
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2005, vol. 45, p. 72-79.
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19）小林和彦．三菱電機技報．1971, vol. 45, p. 1259-1272.
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（4）放電表面処理 TiC コーティングロールの耐摩耗性（粗度維持性）はクロムメッキロールより優れる。
参考文献
1）Scheers, J.; Vermeulen, M.; DeMare, C.; Meseure, K. International
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植野 雅康

藤田 昇輝

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