JP3017764B2 - 耐摩耗複合ロール及びその製造法 - Google Patents

耐摩耗複合ロール及びその製造法

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JP3017764B2 JP02024062A JP2406290A JP3017764B2 JP 3017764 B2 JP3017764 B2 JP 3017764B2 JP 02024062 A JP02024062 A JP 02024062A JP 2406290 A JP2406290 A JP 2406290A JP 3017764 B2 JP3017764 B2 JP 3017764B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧延用に適する耐摩耗複合ロール及びその製
造法に係り、特に母材の外周に耐摩耗性とともに靱性に
優れた焼結材を形成して外層とした耐摩耗複合ロール及
びその製造法に関するものである。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕
圧延用ロールの胴部は、使用される表面において、摩
耗が少ないこと、肌荒れが生じにくいこと、圧延材との
焼付きが生じにくいこと、亀裂や欠けが発生しないこと
等が要求される。これらの目的のため、従来から胴部と
して硬質の外層を有する鋳造複合ロールや、胴部を熱処
理により硬化させた鍛鋼ロール等があり、用途に応じて
これらの種々の材質や製法のロールが一般に用いられて
いる。
さらに飛躍的に耐摩耗性を向上させたロールとして、
WCとCoを含有する原料を焼結一体化したWC系超硬ロール
が、組立式ロールとして用いられているが、高価である
上に、組立方法に特殊な構造を必要とすることや、材質
自体が靱性に劣ること等により、線材の仕上げ圧延のよ
うな特定の用途以外に用いるには、必ずしも有利でな
い。
一方、圧延用ロールにおいては、よりいっそうの耐摩
耗性の向上が求められており、近年粉末合金の素材を用
いて外層を形成した複合ロールが提供されるようになっ
てきた。
例えば、特開昭62−7802号公報において、具体的には
SKH52、SKH10、SKH57、SKD11等のハイスや、高Mo鋳鉄、
高クロム鋳鉄、高合金グレン鋳鉄、Ni−Cr基合金等の粉
末を用い、これを外層材として母材の外周にHIP処理し
て焼結すると同時に、母材と拡散接合する複合ロールが
提案されている。
また、特開昭63−33108号公報において、高温下での
耐摩耗性の改善を目的として、Cr−Fe系、Cr−Ni−Fe
系、Cr−Ni−Co−Fe系等の鉄基耐熱合金、Cr−Co系、Cr
−Ni−Co系等のCo基合金、Cr−Ni系、Cr−Co−Ni系等の
Ni基合金などの金属マトリックスに、WC、Cr3C2、CrC、
SiC、TiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3等のセラミック粒子を混
合分散させた金属−セラミック複合材層で、胴部表面を
溶接肉盛法により被覆したロールが提案されている。
これらのロールによって、従来の鋳造ロールや鍛鋼ロ
ールに比べて耐摩耗性は改善されたが、近年益々高くな
る耐摩耗性の要求レベルに対して、なお不十分である。
ところで、ロール材に炭化物を形成する元素を多量に
加え、これによりロールが基地中に高硬度の金属炭化物
を多量に形成させれば、耐摩耗性を向上させることがで
きると考えられる。特にバナジウム炭化物(VC)は他の
金属炭化物と比べて極めて高い硬度を有しており、VCを
ロール基地中に形成することにより、耐摩耗性を格段に
向上させることができる。
しかしながら、単にロール材にVを多量に加えて鋳造
によりロールを形成するのでは、晶出あるいは析出する
炭化物が微細でなく、またその分布も均一ではないの
で、ロールの耐摩耗性や耐肌荒れ性の向上の観点から
は、十分でない。また鋳造性や加工性も低下する。
例えば、特公昭42−23706号は、C、Si、Ni、Co、C
r、Mo、W、V及びMnを含有する耐摩耗性に優れた鋳鉄
を開示しているが、そこではVの含有量を1〜6%の範
囲と規定している。Vの含有量が6%を超えると、鋳造
性が劣るとともに脆弱化するためにである。Vの配合量
が6%以下と低いために、上記組成の鋳鉄では、熱間や
冷間圧延ロール等に要求される耐摩耗性を得ることがで
きない。
一方、特開昭58−87249号は、C2.4〜3.5%、Si0.5〜
1.3%、Mn0.3〜0.8%、Ni0〜3%、Cr2〜7%、Mo2〜9
%、W0〜10%、V6〜14%、Co0〜4%、残部Fe及び通常
の不純物よりなる熱間圧延用耐摩耗性鋳鉄ロール材を開
示している。上記組成のロール材では、上限が14%と比
較的多量のVを含有しているので、ロール基地中に晶出
あるいは析出するVC量も多くなり、耐摩耗性に優れたロ
ールとなる。しかし、鋳造品であるので、VCの大きさ
(粒径)及び分布は必ずしも微細均一ではないという問
題がある。
従って本発明の目的は、耐摩耗性と靱性に優れ、かつ
微細なVC粒子が均一に分散した表面層を有する耐摩耗複
合ロール、及びその製造法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕 本発明者は、上記目的を達成すべく種々検討を重ねた
結果、Vを含む特定組成の大粒径の合金粉末に、さらに
小粒径のVC粉末を配合した混合材を用いればよいことを
見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の第一の耐摩耗複合ロールは、化学
成分が重量比でC1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、C
r10%以下、W及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Mo
で3〜35%、V1〜12%、残部不可避的不純物元素及び実
質的にFeからなる平均粒径が30〜150μmの合金粉末
に、前記合金粉末に対して重量比で1〜15%の平均粒径
が1〜20μmのVC粉末を分散した混合粉末の焼結材から
なる外層を有し、前記外層は前記VC粉末の粒子が前記合
金粉末の粒子の外周界面に相当する位置に網目状に分布
した金属組織を有することを特徴とする。
本発明の第二の耐摩耗複合ロールは、化学成分が重量
比でC1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr10%以
下、W及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Moで3〜3
5%、Co3〜15%、V1〜12%、残部不可避的不純物元素及
び実質的にFeからなる平均粒径が30〜150μmの合金粉
末に、前記合金粉末に対して重量比で1〜15%の平均粒
径が1〜20μmのVC粉末を分散した混合粉末の焼結材か
らなる外層を有し、前記外層は前記VC粉末の粒子が前記
合金粉末の粒子の外周界面に相当する位置に網目状に分
布した金属組織を有することを特徴とする。
これらの耐摩耗複合ロールにおいて、VC粉末の平均粒
径に対する合金粉末の平均粒径の比は50以下であるのが
好ましい。
次に、VC粒子が合金粒子の外周界面に相当する位置に
網目状に分布した金属組織を有する外層を有する耐摩耗
複合ロールを製造する本発明の第一の方法は、化学成分
が重量比でC1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr10
%以下、W及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Moで
3〜35%、V1〜12%、残部不可避的不純物元素及び実質
的にFeからなる平均粒径が30〜150μmの合金粉末に、
前記合金粉末に対して重量比で1〜15%の平均粒径が1
〜20μmのVC粉末を混合した後、ロール母材の周囲に配
設した金属カプセル内に充填し、脱気と密封の後HIP
(熱間等方圧加圧)処理することにより前記外層を形成
することを特徴とする。
また、VC粒子が合金粒子の外周界面に相当する位置に
網目状に分布した金属組織を有する外層を有する耐摩耗
複合ロールを製造する本発明の第二の方法は、化学成分
が重量比でC1.2〜3・5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr
10%以下、W及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Mo
で3〜35%、Co3〜15%、V1〜12%、残部不可避的不純
物元素及び実質的にFeからなる平均粒径が30〜150μm
の合金粉末に、前記合金粉末に対して重量比で1〜15%
の平均粒径が1〜20μmのVC粉末を混合した後、ロール
母材の周囲に配設した金属カプセル内に充填し、脱気と
密封の後HIP処理することにより前記外層を形成するこ
とを特徴とする。
本発明を以下詳述する。
本発明において用いる合金粉末は、化学成分が重量比
でC1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr10%以下、
W及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Moで3〜35
%、V1〜12%、残部不可避的不純物元素及び実質的にFe
を含む合金、又はさらにCo3〜15%を含む合金からな
る。
これらの合金において、Cは同時に含有されているC
r、W、Mo、Vと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗
性向上に寄与する。しかし、過剰になると炭化物量が増
加して材質が脆化する。さらに、Cは基地中に固溶して
基地を焼戻し二次硬化させる作用をもつが、過剰になる
と基地の靱性が低下する。これらの理由により、C含有
量は1.2〜3.5重量%である。好ましいC含有量は1.2〜
2.3重量%である。
Siは脱酸を目的とし、さらに基地の硬化、粉末にする
ときのアトマイズ作業性の向上等も目的として、2重量
%以下含有させる。好ましいSi含有量は0.2〜1.0重量%
である。
Mnも脱酸効果があり、さらに焼入性を高める作用があ
るので、2重量%以下含有させる。好ましいMn含有量は
0.2〜1.0重量%である。
Crは、Cと結合して炭化物を形成し耐摩耗性向上に寄
与するとともに、基地に固溶して焼入性を高め、また焼
戻し二次硬化性を高める効果がある。しかし、過剰にな
るとM23C6型の炭化物が増えて基地の靱性を害したり、
熱影響を受けて焼戻しされるときに炭化物の凝集を速め
て、軟化抵抗を減じたりするので、10重量%以下含有さ
せる。好ましいCr含有量は3〜6重量%、特に3〜5重
量%である。
W及びMoは、Cと結合してM6C型の炭化物を形成して
耐摩耗性を向上させるとともに、基地に固溶し、熱処理
によって基地の硬さを高める効果がある。しかし、過剰
になると靱性が低下するのみならず、材料も高価になる
ので、本発明においてはW+2Mo量で3〜35重量%含有
させる。なお、本発明において原子%で等量のWとMoは
ほぼ等価の作用を有している。好ましいW+2Mo量は7
〜35重量%、特に10〜30重量%である。なお個々の含有
量としては、Wは3〜15重量%、Moは2〜10重量%が好
ましい。
Vは、W及びMoと同じくCと結合する。そしてMC型炭
化物を形成するが、このMC型炭化物の硬さはHV2500〜30
00であり、M6C型炭化物の硬さHV1500〜1800に比較して
著しく高い硬さである。このため、Vは特に耐摩耗性の
向上に寄与する元素である。Vの含有量が1重量%未満
であると、その効果が微弱であり、また12重量%を超え
ると、粉末化するためのアトマイズ作業時において、合
金の溶融溶湯の粘度を大きくし、適切なアトマイズ粉末
ができなくなるので、好ましくない。Vの含有量はVC粉
末の添加量により変動し得るが、好ましくは1〜7重量
%、特に3〜7重量%である。
さらに、Coは耐熱性を付与するために有効な元素であ
るが、過剰に含有すると靱性が低下する。このため、本
発明においては、3〜15重量%含有させることができ
る。好ましいCo添加量は5〜10重量%である。
上記合金粉末を製造するには、上記組成の合金を溶融
し、例えばガスアトマイズ法により粉末化する。このよ
うな方法により得られる合金粉末の平均粒径は30〜150
μmである。上記組成の合金は溶融溶湯の粘度が低いた
め、アトマイズ法によって粉末化することができる。
更に、本発明における最大の特徴は、上記合金粉末に
VC粉末を配合することである。VC粉末は硬度が高く、HI
P処理において溶融することがなく、また合金粉末との
固溶反応が激しく起こらないので、合金粉末に配合する
ことによって耐摩耗性を著しく向上させるとともに靱性
を確保することができる。
上記合金自体にVを多量に含有させても晶出したVCの
量は増えるが、Vは上記合金の溶湯の粘度を大きくする
ために、アトマイズ法による粉末化が困難となってく
る。従って、上記合金に含有させるV量には制限があ
る。これを補充するためVCという形態で混合して、ロー
ル基地中のVC量が確保されるのである。
また、混合されたVC粉末は、後述する実施例の金属組
織写真(第1図)、及びその模式説明図である第2図に
て、Kで示すように、合金の粒子Jの外周界面に相当す
る位置に網目状に分布して存在する。この状態で、例え
ば使用中の焼結材に外力が加わって亀裂が発生するよう
な事態が生じたとき、亀裂Lの伝播経路は、矢印Rで示
すように、この網目状に分布したVC粒子(K)を伝わっ
て蛇行したり、分岐(M)したりする。蛇行により本来
亀裂を進展させようとする方向の外力に耐え、分岐によ
り外力を分岐するので、亀裂進展に対する抵抗性、即ち
靱性値を向上させる結果となる。このように、VC粉末の
添加は単にVC量の増加を図るだけではなく、靱性の向上
をも図ることができる。従って、意図的に合金中に含有
させるV量を少なくし、VC粉末の量を多くしてもよい。
VC粉末の配合量は、合金粉末に対して重量比で1〜15
%が好ましい。配合量が少なすぎると耐摩耗性向上効果
が期待できず、逆に多すぎると脆化して靱性が低下す
る。好ましいVC粉末の配合量は2〜12重量%であり、更
に好ましくは2〜10重量%である。
VC粉末の平均粒径は1〜20μmであり、またVC粉末に
対する合金粉末の平均粒径の比は好ましくは50以下であ
る。該平均粒径比が大きすぎると、合金粉末とVC粉末と
の混合が均一に行えず、ロール中に合金粉末とVC粉末と
が一様に分散しにくくなり、そのために所望の機械的特
性、耐摩耗性が得られなくなる。
以上に詳述した合金粉末とVC粉末とを用いて、後述す
る製法によりロールを製造すれば、耐摩耗性と機械的特
性に優れた焼結材の外層を母材の外周に拡散接合した複
合ロールを得ることができる。
次に本発明の耐摩耗複合ロールの製造法について説明
する。
アトマイズ合金粉末とVC粉末とを混合するには公知の
任意の方法を用いることができるが、特に乾式混合が好
ましく、例えばV型混合機により3〜6時間混合すれば
よい。
かくして得られた混合粉末Pを、第3図に示すよう
に、ロール母材1の周囲に配設した金属カプセル2内に
充填し、金属カプセル2の上部に設けた脱気口3から脱
気し、密封することにより金属カプセル2内を真空に維
持し、次いでHIP処理を施す。なお、金属カプセル2と
しては、例えば厚さ3〜10mm程度の鋼板あるいはステン
レス板などを用いる。
HIP処理は、通常、温度1,100〜1,300℃、圧力1,000〜
1,500atmで、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で1〜6
時間行う。
その後、金属カプセル2を旋盤で削り取るなどの方法
で取り除き、その後、例えば第4図に示すようなパター
ンの熱処理を施す。次いで所定の形状に加工して、目的
とする複合ロールを完成する。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。
実施例1 第1表に示す組成の合金粉末とVC粉末とを、V型混合
機により5時間混合した。このようにして得た混合粉末
Qを、第5図に示す直径110mm、高さ88mm、厚さ10mmのS
S41鋼からなる円筒形の金属カプセル4内に充填した。
カプセル4全体を約600℃に加熱しながら、上部の脱気
口5から脱気してカプセル4内を約1×10-5torrに保
ち、脱気口5を密封した。その後、このカプセル4全体
を、アルゴンガス雰囲気中で、第1表に記載の温度及び
圧力条件でHIP処理を施した。
HIP処理の後、旋盤加工により外側のカプセル4の部
分を削除し、次いで第4図のパターンの熱処理を施し
た。このようにして得られた各素材から、第6図に示す
平面形状のASTM規格のCT(Compact Tension)試験片6
を採取した。寸法は横52mm、縦50mm、厚さ15mmである。
これらの試験片の金属組織例として、実施例4の金属
組織を第1図に示す。同図において、白色に見える部分
が炭化物であるが、前述の通り、混合されたVC粉末の粒
子は合金粉末の粒子の界面相当位置に網目状に分布して
存在する。またVC粉末を混合していない比較例3の金属
組織写真を第7図に示す。同図の場合は、網目状に配列
された炭化物の分布形態は見られない。
次に、サーボパルサー(引圧疲労試験機)を用いて、
第6図の矢印T、Cで示す方向に引張と圧縮の繰返荷電
を加え、切欠きの先端部7に予亀裂を発生させた。その
後、引張試験機にて引張破断強さを求め、この破断強さ
から破壊靱性値(KIC値)を計算により求めた。各試験
片のKIC値を第2表に示す。KICは硬さによっても変動す
るので、同表には硬さも同時に表示している。
この結果から、本発明の実施例のKIC値は、VC粉末を
混合していない比較例のものと比べて、高い水準にある
のがわかる。
実施例2 実施例1と同様にして製作した粉末を用い、第3図に
示す直径35mm、長さ40mmのSCM440鋼のロール母材1の周
囲に配設した厚さ5mmのSS41鋼のカプセル2内に、振動
を加えながら十分に充填し、カプセル2の上部に設けた
脱気口3から脱気し、金属カプセル2内を真空にした。
その後、脱気口3を密閉し、アルゴンガス雰囲気中で、
第1表に示す温度及び圧力条件と同じ条件でHIP処理を
施した。
HIP処理後、カプセル2を施盤にて削り取り、次いで
第4図に示した熱処理パターンで熱処理を施した。その
後、表面を研磨して直径60mm、長さ40mmの圧延摩耗試験
用の複合ロールを作成した。
このようにして作成した各ロールを、第8図に示す圧
延摩耗試験機に組み込み、第3表に示す試験条件で試験
を行った。そして、試験用ロール9、10の表面に生じた
摩耗部の深さを触針式表面荒さ計(SURFCOM)を用いて
測定し、その平均摩耗深さによって耐摩耗性を評価し
た。ここで第8図に示す圧延摩耗試験機は、圧延機8
と、圧延材Sを予熱する加熱炉11と、圧延材Sを冷却す
る冷却水槽12と、圧延材の巻取機13とテンションコント
ローラ14とからなる。
試験結果は、第4表に示す通りであった。同表におい
て、例No.は第1表の例No.と同じである。
この結果から、本発明(実施例)の複合ロールの耐摩
耗性は、VC粉末を混合していない比較例の複合ロールに
比べて、摩耗深さが小さい水準にあり、従って耐摩耗性
に優れていることがわかる。
〔発明の効果〕
以上説明した通り、本発明によれば、Vを含む合金粉
末とVC粉末とを混合することにより、複合ロール外層の
基地中のVC量を多くすることができるので、耐摩耗性が
著しく向上する。また、VC量が多くなれば一般的には靱
性が低下するが、本発明においては靱性の低下がなく、
逆に向上する。さらにまた、従来は合金中に多量のVを
含有させてVCの多い焼結外層を得るのが困難であった
が、この問題は本発明によって解決され、耐摩耗性のあ
る焼結外層を有する複合ロールの提供が可能となった。
なお、本発明の耐摩耗複合ロールは、単に前述の実施
例程度のロールに適用が限定されるものではなく、熱間
圧延や冷間圧延用ロールとして広く使用され得るもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の複合ロール用材料から採取した試験片
の金属組織写真であり、 第2図は第1図の金属組織写真の模式図であり、 第3図は本発明の耐摩耗複合ロールを製造するための装
置の断面図であり、 第4図は本発明の耐摩耗性ロールを製造する際に適用さ
れる熱処理条件の一例を熱処理パターンとして示す図で
あり、 第5図はロール用材料の試験片を製造するための装置の
断面図であり、 第6図はCT試験片を示す概略平面図であり、 第7図は従来のロール材料の金属組織写真であり、 第8図はロールの耐摩耗性を測定する装置の概略図であ
る。 1……ロール母材 2、4……金属カプセル 3、5……脱気口 6……圧縮引張試験片 7……切欠き先端 8……圧延機 9……上ロール 10……下ロール 11……加熱炉 12……冷却水槽 13……巻取機 14……テンションコントローラ J……合金粒子 K……VC粉末 L……亀裂 M……亀裂の分岐 P、Q……混合粉末 S……圧延材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−41980(JP,A) 特開 昭58−58255(JP,A) 特開 昭61−73867(JP,A) 特開 昭58−181848(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 33/02 C22C 38/00 - 38/60 B22F 5/00 B21B 27/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化学成分が重量比でC1.2〜3.5%、Si2%以
    下、Mn2%以下、Cr10%以下、W及びMoのいずれか1種
    又は2種をW+2Moで3〜35%、V1〜12%、残部不可避
    的不純物元素及び実質的にFeからなる平均粒径が30〜15
    0μmの合金粉末に、前記合金粉末に対して重量比で1
    〜15%の平均粒径が1〜20μmのVC粉末を分散した混合
    粉末の焼結材からなる外層を有し、前記外層は前記VC粉
    末の粒子が前記合金粉末の粒子の外周界面に相当する位
    置に網目状に分布した金属組織を有することを特徴とす
    る耐摩耗複合ロール。
  2. 【請求項2】化学成分が重量比でC1.2〜3.5%、Si2%以
    下、Mn2%以下、Cr10%以下、W及びMoのいずれか1種
    又は2種をW+2Moで3〜35%、Co3〜15%、V1〜12%、
    残部不可避的不純物元素及び実質的にFeからなる平均粒
    径が30〜150μmの合金粉末に、前記合金粉末に対して
    重量比で1〜15%の平均粒径が1〜20μmのVC粉末を分
    散した混合粉末の焼結材からなる外層を有し、前記外層
    は前記VC粉末の粒子が前記合金粉末の粒子の外周界面に
    相当する位置に網目状に分布した金属組織を有すること
    を特徴とする耐摩耗複合ロール。
  3. 【請求項3】請求項1又は2に記載の耐摩耗複合ロール
    において、前記VC粉末の平均粒径に対する前記合金粉末
    の平均粒径の比が50以下であることを特徴とする耐摩耗
    複合ロール。
  4. 【請求項4】VC粒子が合金粒子の外周界面に相当する位
    置に網目状に分布した金属組織を有する外層を有する耐
    摩耗複合ロールの製造法であって、化学成分が重量比で
    C1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr10%以下、W
    及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Moで3〜35%、V
    1〜12%、残部不可避的不純物元素及び実質的にFeから
    なる平均粒径が30〜150μmの合金粉末に、前記合金粉
    末に対して重量比で1〜15%の平均粒径が1〜20μmの
    VC粉末を混合した後、ロール母材の周囲に配設した金属
    カプセル内に充填し、脱気と密封の後HIP処理すること
    により前記外層を形成することを特徴とする耐摩耗複合
    ロールの製造法。
  5. 【請求項5】VC粒子が合金粒子の外周界面に相当する位
    置に網目状に分布した金属組織を有する外層を有する耐
    摩耗複合ロールの製造法であって、化学成分が重量比で
    C1.2〜3.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr10%以下、W
    及びMoのいずれか1種又は2種をW+2Moで3〜35%、C
    o3〜15%、V1〜12%、残部不可避的不純物元素及び実質
    的にFeからなる平均粒径が30〜150μmの合金粉末に、
    前記合金粉末に対して重量比で1〜15%の平均粒径が1
    〜20μmのVC粉末を混合した後、ロール母材の周囲に配
    設した金属カプセル内に充填し、脱気と密封の後HIP処
    理することにより前記外層を形成することを特徴とする
    耐摩耗複合ロールの製造法。
  6. 【請求項6】請求項4又は5に記載の耐摩耗複合ロール
    の製造法において、前記VC粉末の平均粒径に対する前記
    合金粉末の平均粒径の比が50以下であることを特徴とす
    る耐摩耗複合ロールの製造法。
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