第37回ものづくり基礎講座 2014年6月5日
東北大学 正橋直哉

圧延の基礎
ものづくり基礎講座（第37回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう 第二弾 プロセス技術編 第一回』

東北大学金属材料研究所
正橋直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp
2014. June 5 14:05~14:35

クリエイション・コア東大阪 南館3階 技術交流室A

圧延とはものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

圧延加工は、回転する複数のロールの間に板状または棒状の材料を通し、その厚さまたは断面積を減じ、同時に断面を目的形状に成形する加工法。材料はロールからの摩擦力によってロール間隙に引込まれ、そこでロールからの圧縮力を受けて変形する。

熱間圧延

冷間圧延

・素材が軟化し高加工可能

・扱い易く、寸法精度が高い。

・高温のため酸化する

・表面がきれい・寸法精度が悪い

・加工硬化し焼鈍が必要

・加熱エネルギーが必要

圧延ロール①ワークロール
材料に接する②バックアップロール
ワークロールを支持する
2

1

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東北大学 正橋直哉

圧延の種類

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

ロール圧延

ユニバーサル圧延
H型鋼等製造厚板・コイル製造

圧縮

引張

一対の円柱状のロールを配置し、ロールを回転しながら素材を巻き込んで成型する加工

孔型圧延

上下一対の水平ロールと左右一対の垂直ロールを組み合わせて成型する加工

マンネスマン穿孔圧延
素材・異形棒製造

ｼｰﾑﾚｽﾊﾟｲﾌﾟ製造

上下のロールに幾つもの孔型を作り、圧延時に通る経路を変えて目的の素材に加工
マンドレル

圧延技術の進歩J.B.Tytus, 1875-1944

斜めに配置した一対のロールで断面が丸い素材を回転しながら圧延することで中央に孔をあけそこにマンドレルを挿入
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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

American Rolling Mill Companyが製造した最初の連続圧延機

1. 圧延品の機械的性質や組織に及ぼす、圧延ロールの形状や材質、圧延時の圧下率や圧延パスの回数、鋼材の板厚・板幅の影響を実験で調べる。
2. 連続制御圧延技術を発明し、広幅の圧延板を短時間製造に成功する。
旧圧延設備

連続圧延技術

連続圧延技術500~600 t/月

9000 t/月

40,000 t/月

1920年代初頭

1924年1月

1927年

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東北大学 正橋直哉

連続鋳造：分塊鋳造する

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

底の開いた長い鋳型で溶融金属を凝固し、底部から連続的に引出して切断する鋳造法
取鍋

溶鋼

タンデッシュ
鋳型（モールド）
ガス切断機

ロングノズルタンデッシュ
300mm
以上

130mm 130mm
以上
以下

浸漬ノズル
凝固殻スラブブルーム ビレット
分塊鋳造の形状

熱間プロセス電磁撹拌
鋳型（モールド）

熱いうちに熱間圧延工程に送られるが、厳しい用途に使用される鋼は、表面・内部欠陥の5検査のため、冷却後に圧延工程に送られるものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

金属の変形抵抗の低い高温で、圧延ロールの荷重で加工する

1000℃以上

板厚1.2mm程度まで薄くする

時速100km以上で圧延板が進む

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圧延加工

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
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【圧延】回転する複数のロールの間に、板状あるいは棒状の素材を通して、その厚さ又は断面積を減じ、同時に断面を目的の形状に成形する加工法。
○ 寸法精度が良く、大量に製造することが可能
× ロール扁平による不良を改善するため、ロール管理やバックアップロールが必要

３ロール縦圧延

２ロール縦圧延

２ロール傾斜圧延

３ロール傾斜圧延

素材は軸の周りを回転しつつ前進する

素材は長さ方向に並進する

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各種圧延機のロール配置

ＶＶ

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
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ＶＶＶ

Ｖ

Ｖ

２重圧延機

３重圧延機

４重圧延機

ＶＶ

Ｖ

６本ロール
クラスターミル

ＶＶ

ＶＶＶ
Ｖ

Ｖ

２０本ロールクラスターミル

素材の板厚は、スラブの数百mmから箔の数十μmまで、広範囲にわたる。一般に板厚が薄くなるにつれてロール直径も小さくしなければならないが、胴長はあまり変らないので、ロールは細長くなり、弾性変形で曲り易くなる。したがって、小径のワークロールではそれを支持するバックアップロールが必要となる。
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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
圧延加工による材料の変形 2014.
June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

h1、h2：入口と出口の板厚、 b1、b2：入口と出口の板幅、 V1、V2：入口と出口の速度
R：ロール半径、L：素材がロールと接触する圧延方向の長さ、 ：Lに対応するロール中心角

ロール

LQb

Qf

Qbb1

DVR

上ロール
Qf
h2

h1b2

RV1V2L

平面図

下ロール

側面図

圧下量 h  h1  h 2 圧下率 r  h / h1 幅拡がり量 b  b 2  b1
ロール中心角   2 sin

1

拡がり率  b / b1

h /(4 R )  h / R

投影接触長 L  Rh  h 2 / 4  R  h9

中立点と先進率

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

変形域の入口から出口に近づくと、材料の断面積が減少し、素材速度は速くなる。ロール
し、接触弧内に存在する。ロールから材料に働く面圧(s)が接触弧に沿って一定と仮定すVR

周速と材料速度が一致する点を中立点と称
h1

V1ると、中立点位置()は以下のようになる。

V hsin   (cos(  )  cos /(2 sin)V2h2
中立点  tan 1 ：摩擦角、：摩擦係数
材料がスリップしないで圧延するためには、
≧0であるから   2 となり、 V2  VR

VR＞V1VR＜V2となる。そこで先進率を以下のように定義

V2  VRVR

ロールから材料に中立点方向に10摩擦力(τ)が作用する。

5第37回ものづくり基礎講座 2014年6月5日
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圧下力を高めるには

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

圧下力（圧延荷重）P：材料から圧延ロールに作用する力の合力P  1.15Ym b1L' Q p  1.15Ym b1 R ' h  Q p

R '  R{1  C0 P /( b1h )}L'  R ' hQ p  1.08  1.79r R ' / h1  1.02r
Ym：平均変形抵抗、Q：圧下力関数、λ：トルクアーム係数（約0.5）、r：圧下率、：摩擦係数
L’：ロールの偏平変形により接触弧の曲率半径がRからR’に増加した時の投影接触長

圧下力を大きくするには、Qpを大きくすればよいから、R/hl , r , μ が大きくすればよいロールの曲率半径Rは？→大きくする
加工前の素材の板厚hlは？→小さくする
圧下率rは？→大きくする
摩擦係数μは？→大きくする（ロールを粗く加工する）

タデウス・センジミア

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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
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"Let's imagine a piece of a hard pastry. We are rolling it on
the pastry-board to decrease its thickness. However it
would be faster and easier if we asked someone to stretch
it by holding the edges".
1920 年代 亜鉛メッキ鋼板の研究
1931 年 連続式亜鉛めっきライン開発
1936 年 同技術特許を取得したアームコ社が実生産
1940 年 T. Sendzimir, Inc.,設立
1953 年 八幡製鐵戸畑が同ラインを導入し稼働
Tadeusz Sendzimir
July 15, 1894 – Sept. 1, 1989

Tadeusz Sendzimir製鐵所（ﾎﾟｰﾗﾝﾄﾞ）
2005年Arcelor-Mittalの傘下となる

日本センヂミアHPより http://www.sendzimir.co.jp/products/index.html 126

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圧延におけるメタルフロー

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
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中立点



中立点

Ih1

IIIIIh2

IIII




L
ロールからの摩擦力τで、表面に垂直な格子線は表面が中心部より先進して湾曲し、表面程せん
断変形が大きい

摩擦力の反転により、入口側と逆向きのせん断変形が生じ、格子線は入口側で生じた湾曲を少し戻すように変形する

領域I材料は変形しない

領域II大きな変形を生ずる

領域III

小さな変形を生じる

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圧延の不均一変形
後端

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

断面前端板厚バレリング

板厚

ダブルバレリング板厚

板厚

ダブルバレリングの進展

切断

切断

板厚

板厚

圧縮応力が及ばない

ロール間隙の平均板厚 h m  ( h1  2h2 ) / 3① hm/L<2：圧延材横断面と先後端形状はバレリングを形成② hm/L>2：板厚中央が先進するよう変形し横断面と先後端形状はダブルバレリング形成③ ダブルバレリング材の繰返圧延：板の先後端と側端にオーバーラップ発生

147第37回ものづくり基礎講座 2014年6月5日
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圧延の不均一変形

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

長方形スラブから板に圧延する時、板厚圧下(水平圧延)と板幅圧下(幅圧延)を行う。この時、長方形板の平面形状は、先後端の非定常変形のためきれいな長方形にはなりにくい。
後端

先端

フレア

bl/hlが小さいため横断面はドックボーン形

後端

フレア

フイッシュテール

水平圧延

先端

フイッシュテール

板幅圧延

後端

後端

先端
先端

ワニ口割れ

耳割れ

表面より板厚中心が伸び易いため、先端の板厚中心部に板厚方向の引張応力が生じる（バレリング）

ロールの変形と板の形状

板縁は材料が幅方向に流れるために延伸が不足して、圧延方向の張力が生じる

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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

弾性体のロールは圧下力がかかると弾性変形し、軸方向に不均等な熱膨張による変形(サーマルクラウン)によりロールギャップが変化し、板厚精度や平坦度が悪くなる。
ロールの弾性変形は、① 軸心たわみ(bending)： 板の中央が厚くなる板クラウンを生じる② 偏平変形(flattening)：板の両端部で板厚が急激に減少するエッジドロップを生じるがあり、過大なクラウンは歩留り低下と、耳伸び(edgewave) を生じ平坦度を悪くする
荷重
バックアップロール

金属

ワークロール金属

バックアップロール

荷重

エッジドロップtetc

tcとteの差をクラウンと称し、小さい程良い168

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東北大学 正橋直哉

ロール圧延

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

荷重
バックアップロール

金属

ワークロール金属

バックアップ
ロール

荷重

te

tc

tcとteの差をクラウンと称し、小さい程良い金属を押さえる力を大きくすると大きな荷重が発生し、ワークロールが変形する。変形したワークロールで圧延された鋼板は、中央部が厚く端部が薄くなる
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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
クラウンに勝つ：６重圧延機 2014.
June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

バックアップ
ロール
中間ロール

Ｖ

ワークロール
中間ロール

Ｖ

バックアップロール① 中間ロールを板幅に応じて幅方向で動かす② 端部におけるバックアップロールとワークロールの直接的な接触を防ぐ③ ワークロールの変形をコントロールする④ ワークロールは撓（たわ）まず強圧下でもクラウン値の小さい圧延が可能となる
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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
クラウンに勝つ：ペアクロス圧延 2014.
June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

角度を制御し圧下力分布を制御

バックアップロール

ワークロール

ワークロール
バックアップロール

中央部の圧下力を強くしクラウンを小さくする① 上下それぞれのバックアップロールとワークロールをペアーで前後クロスさせる② 幅方向の上下ロール間隙を変えて、幅中央部の圧下力を強くする。
③ クラウン値の小さい板を圧延で成形できる。
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マンネスマン穿孔圧延

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

① コーン形のロールを傾斜角約10~20°で交差させて同方向に回転② 前方から自由に回転するマンドレルバーの先に穿孔プラグを取りつけて、ロール間にセット③ 後方から加熱した丸ビレットを送ることで、ビレットはロール間で回転圧縮されながら前進し、プラグによって穿孔される
http://www.nssmc.com/tech/nssmc_tech/process/06.html

穿孔直前のビレット中心部は半径方向に引張り応力が生じ、中心部の材料はその中で回転圧縮を受けるためミクロ的な空孔が形成され、穿孔され易い。そこにプラグを当てて穿孔する。

2010第37回ものづくり基礎講座 2014年6月5日
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圧延で結晶を揃える

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

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ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
圧延再結晶を築いた日本人 2014.
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東北大学 正橋直哉

圧延で新材料を創ろう

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

高強度で耐熱性があるが変形能のないFe-Al 合金を活用しよう☞ 単体では利用できないので、鋼材と複合化（クラッド圧延）
強度・変形能・耐食性・軽量性に優れた複合材料を創ろう
1600

Atomic percent Al

1538
1394

1200

2.0

1310

510151215

 Fe

1092
1000

延性的、低強度

1.5

Weight mg/cm2

Temperature / ℃

14000

耐食性に劣る
912

B2800

600

400

Fe2O3 nodules+Al2O3Fe2O3+Int. Ox

1.0

Al2O30.5

脆性的、高強度200

耐食性に優れる
Fe102030040012

Al weight %圧延で新材料を作ろう

3456

Weight percent Al

78923

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

・Fe-20 at.% Al , FeCrMo, FeCNb, FeCMn
・真空溶解 → 熱間/冷間圧延 (1273K, 50%)・予備接合 （1273K, 4 h）
・クラッド加工（873K / 1273K, 70 – 99.8%）

Fe-Al合金VRh2h1
R

鋼材
酸化（ 873, 973, 1073, 1173, 1273 K for 12h）
腐食テスト（0.01N H2SO4 at 313 K for 3h）2412