JP2004244684A

JP2004244684A - 超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法及びそのロール

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Publication number: JP2004244684A
Application number: JP2003036254A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hattori; 敏幸服部; Hirochika Tomita; 弘哉冨田; Katsuhiko Kojo; 勝彦古城
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP4221703B2

Abstract

【課題】超硬合金製複合ロールの製造時に超硬合金の液相温度以上でＨＩＰすることにより、外層形成用超硬合金素材として、焼結をしていない粉末、プレス成形体あるいは仮焼結体を用いても、本来の液相焼結を施した超硬合金と同様の特性を持つ複合ロールを得ることのできる製造方法を提供する。
【解決手段】鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、外層形成用の超硬合金素材を配置して、両者をＨＩＰ処理により接合させる超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法であって、鋼系材料からなるＨＩＰ缶の内面と外層形成用超硬合金素材の外面との間に、外層形成用超硬合金素材より融点の高い材料からなる拡散防止層を設けて、外層形成用超硬合金素材の液相が発生する温度以上でＨＩＰ処理を行うことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、靭性に優れる鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、高硬度の超硬合金からなる外層を形成した圧延用複合ロールの製造方法及びそれにより得られたロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には超硬合金と鋼材を金属的に接合した複合ロールが提案されている。これは鋼材からなる内層を形成するスリーブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の硬質粒子の少なくとも１種または２種以上を６０〜９０重量％と、残部実質的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも１種または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼結すると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層を有し、外層表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残留応力を付与した複合スリーブを、ロール軸材に嵌合固定したものである。また、特許文献２には超硬合金と鋼製の中実軸材を金属的に接合した中実構造の複合ロールも提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−８２１２号公報
【特許文献２】
特開平１０−８２１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種の超硬合金製複合ロールは、従来の組立て式超硬ロールにおける固定リング、皿バネ、ナットなどが不要であり、ロール胴部長さの全表面を外層で構成するため圧延に使用できる部分を拡大できる利点を有する。
【０００５】
このような超硬合金製複合ロールでは、超硬合金の外層と鉄系あるいは鋼系の内層を接合させる必要があり、通常、外層形成用の超硬合金素材（超硬合金の原料粉末、成形体、仮焼結体、焼結体）と内層とを鋼系材料からなるＨＩＰ缶に封入し、ＨＩＰ炉中で高温高圧を作用させて接合させる方法が採られてきた。
【０００６】
ＨＩＰ処理の際、超硬合金の少なくとも一部が液相となる温度以上まで温度を上げると、ＨＩＰ缶の内面と超硬合金が接する界面にて、炭素量の高い超硬合金から炭素量の低いＨＩＰ缶に炭素が拡散移動する。その結果、ＨＩＰ缶の炭素含有量が増加しそれに応じて融点が低下する。このＨＩＰ缶の融点低下によって、ＨＩＰ処理中にＨＩＰ缶が溶損し、封入したロールに圧力がかからず、外層と内層の接合が不完全となることがあった。
【０００７】
そこで、従来はＨＩＰ処理によって内層と超硬合金の外層とを接合する際には、ＨＩＰ缶の溶融破損を防止するため、超硬合金の液相が発生しない、低温で固相接合せざるを得なかった。
【０００８】
一方、超硬合金が本来の特性を発揮するためには、超硬合金の少なくとも一部が液相となる温度で焼結するいわゆる液相焼結をしなければ、健全な焼結体が得られず、組織ムラや強度不足をもたらす。
【０００９】
超硬合金製複合ロールをＨＩＰ処理で接合する際には、前述したようにＨＩＰ缶の溶融破損を防止するため、超硬合金の液相温度以下でＨＩＰ接合を施さなければならないので、本来の超硬合金を有する外層特性を有するロールを得るには、ＨＩＰ接合前に液相温度以上での焼結を施さなければならなかった。
【００１０】
しかしながら、焼結済みの超硬合金素材をＨＩＰ処理する工程をとると、ＨＩＰ缶に挿入するための外層スリーブを焼結硬化した難削状態で所定の寸法に加工しなければならず、焼結前の粉末状態やプレス成形体あるいは、１０００℃以下程度で処理する仮焼結体に比べ、加工に工数、コストを要する。
【００１１】
さらに、超硬合金素材を短尺に分割したスリーブで複数個製作し、内層の周囲にこれらの分割スリーブを複数個積み重ねておき、内層とのＨＩＰ接合時にこれらの分割スリーブを同時にロール軸方向に接合する場合、焼結後に液相温度以下でＨＩＰ接合すると、分割スリーブ同士の接合部にコバルト等のバインダー相が富化した偏析が発生する。このためこの部分を圧延に使用すると、バインダーが富化した部分の摩耗が大きく、これに対応する線状の凹み疵が発生し、これが圧延材に転写されるという不具合が発生する。
【００１２】
本発明はこのような問題に鑑み、超硬合金製複合ロールの製造時に超硬合金の液相温度以上でＨＩＰすることにより、外層形成用超硬合金素材として、焼結をしていない粉末、プレス成形体あるいは仮焼結体を用いても、本来の液相焼結を施した超硬合金と同様の特性を持つ複合ロールを得ることのできる製造方法を提供することを目的とする。さらに、このようなＨＩＰ条件を採用することにより、外層形成用超硬合金素材が液相焼結された分割スリーブであって、それらをロール軸方向に接合する場合でも、分割スリーブ同士の接合部に偏析が発生しない製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、外層形成用の超硬合金素材を配置して、両者をＨＩＰ処理により接合させる超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法であって、鋼系材料からなるＨＩＰ缶の内面と外層形成用超硬合金素材の外面との間に、外層形成用超硬合金素材より融点の高い材料からなる拡散防止層を設けて、外層形成用超硬合金素材の液相が発生する温度以上でＨＩＰ処理を行うことを特徴とする。
【００１４】
前記拡散防止層が、４ａ族、５ａ族および６ａ族の金属あるいはそれらの合金のうちいずれかからなることを特徴とする。また、前記拡散防止層が、ニオブ、ニオブ系合金、タンタル、タンタル系合金、クロム、クロム系合金、モリブデン、モリブデン系合金のうちいずれかからなることを特徴とする。また、前記拡散防止層が、酸化物または窒化物からなることを特徴とする
【００１５】
また、前記拡散防止層を箔材または板状材により形成したことを特徴とする。さらに、前記拡散防止層をめっき等の表面処理により形成する、あるいは溶射または塗布により形成したことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
ＨＩＰプロセスで製造する超硬合金製複合ロールにおいて、外層材質が通常の超硬合金と同様、液相焼結プロセス材と同様の特性を持つためには、ＨＩＰ処理において、液相焼結で製造できなければならない。また、そのような液相温度以上でＨＩＰ処理することにより、焼結後の超硬合金の分割スリーブ同士を接合したときの接合部の偏析防止も可能となる。
【００１７】
そのために、ＨＩＰでの液相発生温度以上での超硬合金と鋼系材料からなるＨＩＰ缶との反応を防止することが不可欠であり、具体的な方法として、ＨＩＰ缶の内面と外層形成用超硬合金素材の外面との間に、両者の直接接触を防止するため、外層形成用超硬合金素材より融点の高い材料からなる拡散防止層を設ける。
【００１８】
拡散防止層は、４ａ族、５ａ族および６ａ族の金属あるいはそれらの合金が望ましい。例えば、ニオブ、ニオブ系合金、タンタル、タンタル系合金、クロム、クロム系合金、モリブデン、モリブデン系合金などが望ましい。なかでもニオブ、ニオブ系合金、タンタル、タンタル系合金がより好ましい。具体的な形成方法としては、ＨＩＰ缶の内面にニオブの箔材を配置したり、ＨＩＰ缶の内面にクロムめっきの表面処理を施すことがよい。
【００１９】
また拡散防止層は、前記のような金属材料だけでなく、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、などの酸化物や、ＡｌＮ、ＢＮなどの窒化物を用いても差し支えない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
まず、外層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が５μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ原料粉末を用意し、それぞれを重量％でＷＣ原料粉末８０％、Ｃｏ原料粉末２０％の割合で配合し、ボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥した。
【００２１】
この混合粉末を用いて、外径φ３００ｍｍ、内径φ２４０ｍｍ、長さ１００ｍｍの超硬合金製の仮焼結体からなる短尺な中空スリーブを複数個作製した。これを外層形成用の超硬合金素材とした。
【００２２】
また、外層と内層の間に配置する中間層形成用の超硬合金原料粉末として、平均粒径が３μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１μｍのＣｏ粉末を用意し、重量％でＷＣ原料粉末３０％、Ｃｏ原料粉末７０％の割合で配合し、それをボールミルで２０時間湿式混合した後、乾燥し、中間層形成用素材とした。
【００２３】
また、内径φ３１０ｍｍ、長さ５５０ｍｍの鋼系材料からなるＨＩＰ缶の中央に、内層として、外径φ２２０ｍｍ、内径φ１６０ｍｍ、長さ５００ｍｍの中空円筒状のＳＣＭ４４０を配置した。
【００２４】
そして、ＨＩＰ缶と外層形成用超硬合金素材が直接接触しないように、本発明の特徴とする拡散防止層として、ＨＩＰ缶の内面に、外層形成用の超硬合金素材より融点の高いニオブからなる箔材を設けた。
【００２５】
次いで、外層形成用の超硬合金素材である中空スリーブを内層の周りに複数個同軸上に積み重ねて挿入した。
【００２６】
次いで、内層の外面と中空スリーブの外層の内面との間に形成された空隙に、前記の中間層形成用素材を充填した。その後、ＨＩＰ缶を鋼の蓋で溶接密封した後、７００℃にて真空ポンプで脱気処理を行なった。ＨＩＰ缶にリークが生じていないことを確認した後、１３５０℃、１４００気圧にて、つまり外層形成用超硬合金素材の液相が発生する温度以上でＨＩＰ処理を行なった。
【００２７】
冷却後、ＨＩＰ缶を加工除去し、超音波探傷検査にて、外層、中間層および内層の接合が健全であることを確認した。また、ＨＩＰ缶の溶融破損は認められなかった。
【００２８】
さらに、ロール軸方向に接合した中空スリーブ同士の接合部にはコバルト等のバインダー相が富化した偏析は見られなかった。また、ロール直径方向に、内層、中間層および外層を含む境界接合部の抗折試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験を行ない、坑折強度を測定した。坑折強度は１７８０（ＭＰａ）であり十分な強度を得ることができた。
【００２９】
（実施例２）
前述の実施例１において、拡散防止層として、ＨＩＰ缶の内面に、外層形成用の超硬合金素材より融点の高いニオブからなる箔材を設けないで、実施例１同様のＨＩＰ処理を行った。結果、ＨＩＰ缶が溶融破損し、ロールに所定のＨＩＰ圧力が作用しなかったため、超硬合金の外層と内層の接合はなされず、複合ロールを得ることはできなかった。
【００３０】
【発明の効果】
超硬合金製複合ロールの製造時に超硬合金の液相温度以上でＨＩＰすることにより、外層形成用超硬合金素材として、焼結をしていない粉末、プレス成形体あるいは仮焼結体を用いても、本来の液相焼結を施した超硬合金と同様の特性を持つ複合ロールを得ることができる。また、このようなＨＩＰ条件を採用することにより、外層形成用超硬合金素材が液相焼結された分割スリーブであって、それらをロール軸方向に接合する場合でも、分割スリーブ同士の接合部に偏析が発生しない。

Claims

鋼系または鉄系材料からなる内層の外周に、外層形成用の超硬合金素材を配置して、両者をＨＩＰ処理により接合させる超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法であって、鋼系材料からなるＨＩＰ缶の内面と外層形成用超硬合金素材の外面との間に、外層形成用超硬合金素材より融点の高い材料からなる拡散防止層を設けて、外層形成用超硬合金素材の液相が発生する温度以上でＨＩＰ処理を行うことを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記拡散防止層が、４ａ族、５ａ族および６ａ族の金属あるいはそれらの合金のうちいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記拡散防止層が、ニオブ、ニオブ系合金、タンタル、タンタル系合金、クロム、クロム系合金、モリブデン、モリブデン系合金のうちいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記拡散防止層が、酸化物または窒化物からなることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記拡散防止層を箔材または板状材により形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記拡散防止層を表面処理、溶射、塗布のうちいずれかにより形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超硬合金製圧延用複合ロールの製造方法。
前記請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造されたことを特徴とする超硬合金製圧延用複合ロール。