JP3596592B2

JP3596592B2 - Composite rolls

Info

Publication number: JP3596592B2
Application number: JP10554799A
Authority: JP
Inventors: 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2000301216A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製圧延ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、回転する二つのロール間に材料（ワーク）を通すことにより、厚さあるいは断面積を連続的に減少させ、所定の寸法あるいは形状等に加工する圧延加工方法が広く行われている。例えば、鉄系材、アルミニウム系材または銅系材等の板、薄板、棒または管等に対し様々な加工が施されている。これらの圧延加工に用いられる工具は、一般的に圧延ロールと総称されており、ガイドロール、ワークロール、サイジングロール、センジミヤロール、タンデムミルロール、ピンチロールおよび３方向ロール等の冷間圧延ロールや、ガイドロール、モルガンロールおよびＮＴブロックミルロール等の熱間圧延ロール等が知られている。
【０００３】
これらの圧延ロールに要求される特性としては、冷間圧延用と熱間圧延用とでは若干異なるものの、高硬度で耐摩耗性に優れること、圧縮強度が高いこと、弾性率が高いこと、摩擦係数が小さいこと、転写機能を有するためにロール自体の鏡面仕上げがし易いこと、弱磁性乃至非磁性を有し圧延により生ずる加工片が付着し難いこと、耐熱性が高いこと、ワークとの反応性が低いこと、および耐酸化性に優れること等が挙げられる。
【０００４】
上記のような要求特性から、圧延ロールの材質としては、高速度鋼、粉末ハイス材、または超硬材等がそのまま、あるいはＰＶＤ、ＣＶＤによる硬質セラミックスコーティング等の表面処理を施して使用されている。
【０００５】
ここで、圧延可能なストリップの厚さｔは、下記式により得られる。
【０００６】
ｔ＝Ｋｄμ（σ−Ｓ）／Ｅ
（但し、Ｋ：比例定数
ｄ：作業ロールの直径
μ：ロールとストリップ間の摩擦係数
σ：ストリップの降伏応力
Ｓ：ストリップの抗張力
Ｅ：ロールの弾性係数）
超硬合金は、鋼に比べて弾性係数（ヤング率）が２倍〜３倍も大きいため、ストリップの厚さｔを比較的薄くすることができ、様々な圧延加工に使用されている。しかも、圧延加工が連続的に行われるため、他の加工分野に比べてロールへの衝撃応力の作用が小さく、脆性材である超硬合金の使用に適している。
【０００７】
しかしながら、超硬ソリッドロールでは、１個の大きさが直径で１０ｍｍ〜１００ｍｍ、長さで５０ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲にまで及んでおり、超硬組み込み式の構造でも、直径で５０ｍｍ〜４００ｍｍ、長さで３０ｍｍ〜５００ｍｍと非常に寸法の大きなものが用いられている。これにより、コスト的にも、操業安定度を高める点からも、より一層の耐摩耗性が要求されている。
【０００８】
さらに、熱間圧延では、ロールの酸化の問題や、ワーク加工片の付着等の問題があり、より一層の耐酸化性および化学的な安定性が求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、均質体の超硬材や鋼材では、剛性や耐摩耗性を確保しようとすると、靱性や強度が低下してしまい、特に、高温下の使用では、熱によるクラックの生成と進展からロールが破損するという不具合が生じてしまう。しかも、均質体であるために、表面に露出する金属が酸化し、ロール表面の荒れ等が発生するという問題がある。その際、ロール表面に硬質セラミックスコーティングを施すことが考えられるが、密着性に問題があり、高負荷応力下や高温下では被膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に供することができなかった。
【００１０】
そこで、実際に圧延加工を行うロール表層近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、ロール内部が高強度を有するロールの開発を検討したところ、本出願人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用することを見い出した。
【００１１】
すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機能を有する複合材製圧延ロールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材製圧延ロールでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、ロール内部からロール表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減している。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬度、強度および靱性とには相関があり、金属成分の割合が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、硬度、耐摩耗性および剛性等は向上するものの脆くなってしまう。一方、この脆さを改善するために、金属成分の割合を多くすると、強度および靱性は向上するものの、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。
【００１３】
そこで、実際に圧延加工を行うロール表面側を高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、内部を高靱性で高強度を有する物性とするとともに、前記表面側と前記内部側との間の組成や物性が緩やかに変化するようにすれば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えた圧延ロールを得ることが可能となる。
【００１４】
このため、ロール表面近傍のセラミックス粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部に向かうに従って小さくし、金属成分がこの粒成長に伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、実際に圧延加工を行うロール表面部分の組成がセラミックスリッチで高耐摩耗性を有し、ロール内部が金属リッチで高強度および高靱性を有するとともに、ロール内部における応力集中を有効に減少させることが可能になる。従って、高速度鋼並み、あるいはそれ以上の高靭性と、超硬に匹敵する耐摩耗性とを有することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０の斜視説明図であり、図２は、前記圧延ロール１０の縦断面説明図である。
【００１６】
圧延ロール１０は、冷間圧延用工具であり、略円柱形状を有している。圧延ロール１０の中央部にロール部１２が形成されるとともに、このロール部１２の両端に小径な支持軸１４が形成される。圧延ロール１０は、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されており、ロール内部に金属リッチな金属部２０が設けられるとともに、ロール表面には、セラミックスリッチなセラミックス部２２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２との間には、ロール内部からロール表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられている。
【００１７】
ロール表面のセラミックスに富む高硬度層であるセラミックス部２２は、粒成長促進剤の濃度やその集積濃度により制御可能であって、その厚さが０．１ｍｍ〜数１０ｍｍ単位まで設定可能であるとともに、金属量を０．３ｗｔ％以下に設定することができる。ロール表面の表面露出金属量は、耐酸化性が悪化するために、一般的には少ないほうがよいが、一定温度に保持した後にその酸化増量性を観察したところ、実用的な１０００℃以下の温度範囲では、金属量が１ｗｔ％以下（面積率で２．３％以下）において略飽和傾向となる。従って、得られる傾斜複合材である圧延ロール１０の表面金属量が、面積率で６％未満に設定されると、耐酸化性は従来品に比べて３倍程度向上することになる。
【００１８】
金属成分は、主成分として実用的な周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じてクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）またはモリブデン（Ｍｏ）等が強度向上等を図るとともに、非磁性や弱磁性の観点から混入される。
【００１９】
圧延ロール１０を構成する複合材中のセラミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から選択される少なくとも一種以上を主体とするものであり、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種々のものをその一部に添加してもよい。
【００２０】
セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ_２Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ_３Ｃ_２＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定され、残部が金属である。これらのセラミックス成分は、圧延ロール１０による圧延加工時に実際に加工を行うロール部１２の表面層を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐酸化性等の性質を備えている。セラミックス成分が９７ｗｔ％を超えると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は十分であるものの、強度および靱性が低くなって折損や欠損が発生し易く、実用に供することが難しい。また、セラミックス成分が８５ｗｔ％未満では、剛性が低下して圧延ロール１０として十分な機能を確保することができず、実用的ではない。
【００２１】
一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％以上、好ましくは、９０ｗｔ％〜９５ｗｔ％では、ロール表面の金属量が０．７ｗｔ％以下となり、その硬度もＨＲＡ９２〜９５となって耐摩耗性を向上させることができる。また、剛性も略６００ＧＰａ以上となり、圧延ロール１０としての機能も十分に確保することが可能になる。さらに、圧延ロール１０の表面金属量が些少であるため、耐熱性、耐酸化性、および化学的安定性に優れるという効果が得られる。
【００２２】
しかも、圧延ロール１０の化学的安定性、耐熱性、剛性および耐摩耗性は、金属量との関係の他、複合されているセラミックス粒子成分とも関係している。例えば、炭化タングステンおよび炭化２モリブデンの耐酸化性は、炭化チタンや窒化チタン等に比べて劣っている。従って、この種の要請に対応するためには、炭化タングステンや炭化２モリブデンに炭化チタン、窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化クロムまたは炭化バナジウムを適宜添加すればよく、その添加量は総量で１５ｗｔ％〜４５ｗｔ％の範囲内である。添加量が１５ｗｔ％未満では添加効果が得られない一方、４５ｗｔ％を超えると、それらの効果が飽和しており、剛性や強度の低下が惹起されてしまう。
【００２３】
粒成長促進剤は、添加均質性、均一性および濃縮の簡便性等の観点から、イオンとして添加される。その元素種としては、取り扱い性、利便性等の観点から、鉄、コバルト、またはニッケル等がよい。
【００２４】
セラミックス粒子の粒成長は、促進剤濃度、温度、時間およびそれぞれの元素種等によって変化するが、１４００℃で２時間程度の焼結を行うと、初期の大きさの１０倍〜５０倍程度まで拡大する。実際上、２μｍ〜３μｍの初期粉末粒度が２０μｍ〜１００μｍ程度にまで拡大する。この２０μｍ〜１００μｍの範囲は、雰囲気による調整幅であって、雰囲気を一定にすれば、その大きさのばらつきは非常に小さくなり、例えば、８０μｍ〜８５μｍの範囲内に設定される。これにより、粒子の拡大が促進されると、金属が殆ど存在しない状態となり、耐酸化性、耐熱性、耐食性、耐摩耗性、熱伝導性、硬度、剛性、化学的安定性および摩耗係数等、殆ど全ての物性の向上が図られる。
【００２５】
この第１の実施形態では、粒子の成長に伴って強度の向上が図られ、初期状態からその粒成長が２０倍程度までは、従来の均質組成の材料に比べて強度の向上が図られ、粒成長が３０倍程度で同等となる。従って、圧延ロール１０は、従来品に比べて強度の向上が図られることになる。
【００２６】
また、ワークとの摩擦係数μは、圧延ロール１０のロール部１２が硬く、反応性が低く、しかも表面仕上げ精度がよいほど低くなる。従来の微粒子組成の超硬材では、強度が高いが金属量が多くなり、その粒子が鋭角であって摩擦係数μがそれほど低くなかった。これに比べて、この第１の実施形態に係る圧延ロール１０では、その表面側の粒子が粗大化しており、強度が高いことから仕上げ加工によってセラミックス粒子そのものが加工され、金属の露出量が少ないために、摩擦係数μも低くなっている。
【００２７】
さらに、第１の実施形態では、含浸により粒子成長促進剤を導入しているため、圧延ロール１０の形状に沿って均質にセラミックス部２２、傾斜部２４および金属部２０を形成することができる。これにより、機能および性能が向上するとともに、安定的に操業を維持することが可能な圧延ロール１０を得ることが可能になる。
【００２８】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０ａの斜視説明図であり、図４は、前記圧延ロール１０ａの縦断面説明図である。この圧延ロール１０ａは、熱間圧延用工具を構成しており、上述した第１の実施形態に係る圧延ロール１０と同一の構成要素には同一の参照符号に符号ａを付して、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る複合材製圧延ロール１０ｂの斜視説明図であり、図６は、前記圧延ロール１０ｂの縦断面説明図である。この圧延ロール１０ｂは、矯正用工具を構成しており、上述した第１の実施形態に係る圧延ロール１０と同一の構成要素には同一の参照数字に符号ｂを付して、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
圧延ロール１０ａ、１０ｂでは、図４および図６に示すように、セラミックス部２２ａ、２２ｂ、傾斜部２４ａ、２４ｂおよび金属部２０ａ、２０ｂがそれぞれのロール形状に沿って均質に形成されている。このため、高剛性で耐摩耗性に優れ、耐熱性や耐酸化性にも優れるとともに、化学的安定性を有する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
実施例１
実施例１では、平均粒径が３μｍの炭化タングステン（ＷＣ）と、平均粒径が０．８μｍのコバルト（Ｃｏ）と、平均粒径が０．４μｍのニッケル（Ｎｉ）と、平均粒径が５μｍのクロム（Ｃｒ）とを用意し、ＷＣ−７Ｃｏ、ＷＣ−９Ｃｏ、ＷＣ−１５Ｃｏ、ＷＣ−１０ＭおよびＷＣ−１５Ｍの組成物を得た。
【００３１】
ここで、例えば、ＷＣ−７Ｃｏとは、炭化タングステンが９３ｗｔ％で、コバルトが７ｗｔ％であることを示している。また、ＷＣ−１０Ｍとは、炭化タングステンが９０ｗｔ％に対して、Ｃｏ：Ｎｉ：Ｃｒ＝３：５：２の比率に設定された組成を１０ｗｔ％だけ加えることを意味し、具体的には、炭化タングステンが９０ｗｔ％、コバルトが３ｗｔ％、ニッケルが５ｗｔ％およびクロムが２ｗｔ％である。これらの組成は、一般的な実用超硬合金に相当するものであり、実際に圧延ロール材として用いられている。
【００３２】
そこで、これらの粉末をそれぞれ設定量ずつ計量した後、ヘキサンを媒液として十分混合し、液分が９％になるように乾燥した。そして、成形用バインダの影響を回避するために、バインダレスで金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成形圧力にて２０ｍｍ×２０ｍｍ×１２０ｍｍの成形体を作成した。得られた成形体の成形密度は、５３．６％〜５３．８％であり、これら全てを窒素気流中において９００℃で３０分間の仮焼成を行い、仮焼成体を得た。
【００３３】
これらの仮焼成体の中から、ＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１０Ｍを抜き出し、これらに粒成長剤として１０％濃度のＮｉ塩水溶液を用意し、このＮｉ塩水溶液中にそれぞれの仮焼成体を十分に浸漬した後、１３０℃で２時間の乾燥処理を施して、成長剤の濃度勾配を形成させてそれぞれ試料材ＡＯ、ＢＯを得た。また、ニッケル塩水溶液に浸漬した後、１３０℃での乾燥を行わずに粉中に埋設し、水分の蒸発により濃度勾配が生じないようにしたものも用意した。
【００３４】
次いで、これらの試料材に対し、１４００℃で２時間、窒素気流下で焼成処理を施した後、それぞれの表面を片側０．２ｍｍずつ削り落とした試料を得た。一方、それぞれの試料材ＡＯ、ＢＯについても同様の操作を行い、試料ＡおよびＢを得た。
【００３５】
そこで、これらの試料および試料Ａ、Ｂの高温硬さを室温から８００℃まで変化させて測定する実験を行った。その結果が、図７に示されている。ここで、硬さは加工後の表面硬さである。いずれの試料においても、温度の上昇に伴って硬度は大きく低下しており、現状超硬品のＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１５Ｃｏでは、その低下度合いが非常に大きくなった。一方、金属成分がＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ組成の場合、その低下度合いは減少したが、室温硬度が低いものとなっている。
【００３６】
これらの現状超硬合金に対して、ニッケル塩を含浸した試料ＡおよびＢでは、その表面硬度がＨＲＡ９３．４、９２．６と非常に高く、従来品に比べて大きな有利性を有している。さらに、試料ＡおよびＢでは、温度上昇とともに硬度の低下が惹起するものの、現状超硬合金と比較すると、４２０℃での試料Ａおよび３００℃での試料Ｂの硬度が、室温でのＷＣ−７Ｃｏの硬度と同等となっており、加工の実用温度域において、圧延ロールとしての所望の剛性を有効に維持することが可能になる。これは、粒成長に伴って、ロール表面近傍のセラミックス粒子が大きくなったことと、それに伴って金属量が低減したことと、粒成長が傾斜的に変化したこと等に起因するものである。従って、実施例１により得られる圧延ロールは、従来品に比べて顕著な効果を有することになる。
【００３７】
図８は、相手材として低炭素鋼を用いた摩擦試験の結果を示している。この種の摩耗試験では、ＳＫＤ材の場合に摩耗が大きく、滑り距離が８０ｍ程度で既に３０×１０^−３ｍｍ^３となるが、現状超硬合金であるＷＣ−７Ｃｏを用いると、その摩耗量が１／２０程度に減少している。さらに、試料Ａでは、ＷＣ−７Ｃｏの１／５程度の摩耗量となり、ＳＫＤ材と比べると、耐摩耗性が１００倍程度向上し、現状ロール材であるＷＣ−７Ｃｏに比べても、５倍以上に向上するという結果が得られた。
【００３８】
図９には、試料Ａ、Ｂの中央部を切断した後に研磨し、その硬度変化を表面から内部に向かって測定した結果が示されている。試料Ａ、Ｂの断面は、成形時に２０ｍｍ×２０ｍｍであったが、焼結による密度の向上とともに縮小し、その大きさが１６ｍｍ×１６ｍｍ程度となっている。試料Ａ、Ｂは、共にその表面からの均質厚さが略１ｍｍ程度であり、その後連続的に硬度が減少している。傾斜層厚さは、表面からいずれも７ｍｍ程度であって、表面と内部との硬度差は、ＨＲＡ７程度となった。
【００３９】
ここで、試料ＡおよびＢの金属露出量は、それぞれの表面において面積率で０．６％および１．０％であった。強度的には、ＷＣ−７ＣｏおよびＷＣ−１０Ｍの抗折強度が２．３ＧＰａ〜２．５ＧＰａおよび１．７ＧＰａ〜２．１ＧＰａであるのに対し、含浸操作を行うとともに、濃度勾配をつけなかった焼結体の強度が３．２ＧＰａ〜３．４ＧＰａおよび２．７ＧＰａ〜２．９ＧＰａとなって、３０％〜４０％の改善が見られた。これは、傾斜組成にしたものについても同様であり、粒子と金属および粒子と粒子の結合力が増大したことに起因している。
【００４０】
ヤング率に関しては、ＷＣ−７Ｃｏが５８０ＧＰａ〜６００ＧＰａであるのに対して、６２０ＧＰａに向上し、さらに傾斜化した場合には、６４０ＧＰａ近くまで向上していた。圧延ロールによる成形に際して、ヤング率の向上は非常に大きな効果を有するものであり、圧延加工にとって大きな効率の向上が図られることになる。
【００４１】
しかも、ロール形状に沿って高硬質部であるセラミックス部２２、２２ａおよび２２ｂと傾斜部２４、２４ａおよび２４ｂが形成されるため、支持軸１４、１４ｂまで高剛性化を図ることができ、加工効率の向上とともに圧延ロール自体の強靱化が容易に図られる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る複合材製圧延ロールでは、ロール内部からロール表面に向かうに従って、複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行うロール表面部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、ロール内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、耐用性に優れるとともに、製品精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図２】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図４】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る複合材製圧延ロールの斜視説明図である。
【図６】前記圧延ロールの縦断面説明図である。
【図７】ロール材の温度と硬度との関係説明図である。
【図８】滑り距離と摩耗量の関係説明図である。
【図９】表面からの距離と硬度の関係説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ…圧延ロール１２、１２ａ、１２ｂ…ロール部
１４、１４ｂ…支持軸２０、２０ａ、２０ｂ…金属部
２２、２２ａ、２２ｂ…セラミックス部
２４、２４ａ、２４ｂ…傾斜部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite roll made of a composite material containing a ceramic component and a metal component.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Generally, a rolling method for continuously reducing a thickness or a cross-sectional area by passing a material (work) between two rotating rolls and processing the material into a predetermined size or shape is widely performed. For example, various processes are performed on a plate, a thin plate, a rod, a pipe, or the like of an iron-based material, an aluminum-based material, a copper-based material, or the like. The tools used for these rolling processes are generally referred to as rolling rolls, and include cold rolling rolls such as guide rolls, work rolls, sizing rolls, Sendzimir rolls, tandem mill rolls, pinch rolls, and three-way rolls. Also, hot rolls such as guide rolls, Morgan rolls, and NT block mill rolls are known.
[0003]
The characteristics required for these rolling rolls are slightly different between those for cold rolling and those for hot rolling, but they have high hardness and excellent wear resistance, high compressive strength, high elastic modulus, friction The coefficient is small, the mirror surface of the roll itself is easy to be finished because it has a transfer function, it is weakly magnetic or non-magnetic, and the work piece generated by rolling is hard to adhere, the heat resistance is high, the reaction with the work Low oxidation resistance and excellent oxidation resistance.
[0004]
From the above-mentioned required characteristics, as the material of the rolling roll, a high-speed steel, a powdered high-speed steel, a cemented carbide, or the like is used as it is, or is subjected to a surface treatment such as a hard ceramic coating by PVD or CVD. .
[0005]
Here, the thickness t of the strip that can be rolled is obtained by the following equation.
[0006]
t = Kdμ (σ-S) / E
(However, K: proportional constant d: diameter of work roll μ: friction coefficient between roll and strip σ: yield stress of strip S: tensile strength of strip E: elastic modulus of roll)
Since the cemented carbide has a modulus of elasticity (Young's modulus) that is two to three times as large as that of steel, the thickness t of the strip can be made relatively thin, and it is used for various rolling processes. In addition, since the rolling process is performed continuously, the effect of impact stress on the roll is smaller than in other processing fields, and it is suitable for use of a cemented carbide which is a brittle material.
[0007]
However, in the solid carbide roll, the size of one piece ranges from 10 mm to 100 mm in diameter and 50 mm to 1500 mm in length, and even in the case of a built-in solid carbide structure, the diameter is 50 mm to 400 mm and the length is And a very large one having a size of 30 mm to 500 mm. As a result, further abrasion resistance is required both in terms of cost and improvement of operation stability.
[0008]
Further, in hot rolling, there are problems such as oxidation of a roll and adhesion of a work piece, and further oxidation resistance and chemical stability are required.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of homogenous cemented carbide or steel, the toughness and strength are reduced in order to ensure rigidity and wear resistance. A defect of breakage occurs. In addition, since it is a homogeneous body, there is a problem that the metal exposed on the surface is oxidized and the roll surface becomes rough. At this time, it is conceivable to apply a hard ceramic coating on the roll surface, but there is a problem in adhesion, and under high load stress or under high temperature, peeling of the coating may be caused, and the roll cannot be put to practical use. .
[0010]
In consideration of the development of a roll having a high hardness and abrasion resistance near the surface layer of the roll where the rolling is actually performed, and a high strength inside the roll, the applicant of the present invention disclosed in Japanese Patent No. 2593354 and Japanese Patent Laid-Open No. It has been found that a “composite material having a gradient function containing a ceramic powder and a metal component” disclosed in US Pat.
[0011]
That is, an object of the present invention is to provide a composite-made rolling roll having a tilting function in which physical properties such as toughness and strength are improved as the surface goes toward the inside with high hardness.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the composite material roll according to the present invention, while being composed of a composite material containing a ceramic component and a metal component, the ratio of the metal component in the composite material is gradually reduced from the inside of the roll toward the roll surface. I have. Here, there is a correlation between the proportion of the metal component in the composite material and the hardness, strength, and toughness. When the proportion of the metal component decreases and the proportion of the ceramic component increases, the hardness, wear resistance, rigidity, and the like are improved. But it becomes brittle. On the other hand, when the proportion of the metal component is increased in order to improve the brittleness, the strength and the toughness are improved, but the rigidity and the wear resistance are reduced.
[0013]
Therefore, the roll surface side to be actually rolled is made to have high hardness and wear resistance physical properties, and the inside is made to have high toughness and high strength physical properties, and the composition between the surface side and the inside side is If the physical properties are changed slowly, it is possible to obtain a roll having desired abrasion resistance without stress concentration.
[0014]
For this reason, the ceramic particles in the vicinity of the roll surface promote the grain growth as compared with the inside, and become coarser and become smaller toward the inside, and the metal component is accumulated inside by the particle composition rearrangement accompanying the grain growth. Therefore, the composition of the roll surface portion that is actually subjected to the rolling process is ceramic-rich and has high wear resistance, the inside of the roll is metal-rich and has high strength and high toughness, and effectively reduces the stress concentration inside the roll. It becomes possible. Therefore, it can have high toughness equal to or higher than that of high-speed steel and wear resistance comparable to carbide.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective explanatory view of a composite roll 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical sectional explanatory view of the roll 10.
[0016]
The rolling roll 10 is a tool for cold rolling, and has a substantially cylindrical shape. A roll portion 12 is formed at the center of the rolling roll 10, and small-diameter support shafts 14 are formed at both ends of the roll portion 12. The rolling roll 10 is made of a composite material containing a ceramic component and a metal component. A metal-rich metal portion 20 is provided inside the roll, and a ceramic-rich ceramic portion 22 is provided on the roll surface. An inclined portion 24 is provided between the metal portion 20 and the ceramic portion 22 such that the ratio of the metal component gradually decreases from the inside of the roll toward the roll surface.
[0017]
The ceramic portion 22, which is a high-hardness layer rich in ceramics on the roll surface, can be controlled by the concentration of the grain growth promoter and its accumulation concentration, and the thickness can be set from 0.1 mm to several tens of mm. , The amount of metal can be set to 0.3 wt% or less. The amount of exposed metal on the surface of the roll is generally preferably smaller because the oxidation resistance is deteriorated. However, when the oxidation increase is observed after maintaining the temperature at a certain temperature, a practical temperature of 1000 ° C. or lower is obtained. Within this range, the metal content tends to be substantially saturated when the amount of metal is 1 wt% or less (area ratio is 2.3% or less). Therefore, when the surface metal amount of the rolling roll 10 as the obtained inclined composite material is set to be less than 6% in area ratio, the oxidation resistance is improved about three times as compared with the conventional product.
[0018]
The metal component is at least one selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni) and cobalt (Co), which are practical group VIII elements of the periodic table, and if necessary, chromium (Cr). , Vanadium (V), aluminum (Al), molybdenum (Mo), etc. are added from the viewpoint of improving the strength and the like, and from the viewpoint of non-magnetism and weak magnetism.
[0019]
Ceramic components in the composite material constituting the rolling roll 10 include tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC), titanium nitride (TiN), molybdenum carbide (Mo ₂ C), tantalum carbide (TaC), and niobium carbide ( NbC), chromium carbide (Cr ₃ C ₂ ) or vanadium carbide (VC) as a main component, and various kinds of nitrides, borides or carbonitrides as necessary. May be added to a part thereof.
[0020]
The amount of ceramics is set to 85 wt% ≦ WC + TiC + TiN + Mo ₂ C + TaC + NbC + Cr ₃ C ₂ + VC ≦ 97 wt%, with the balance being metal. These ceramic components constitute the surface layer of the roll portion 12 that is actually worked at the time of rolling by the rolling roll 10 and have properties such as heat resistance, wear resistance, and oxidation resistance. If the amount of the ceramic component exceeds 97 wt%, the amount of the metal component becomes too small and the wear resistance is sufficient, but the strength and toughness are reduced, and breakage and breakage are liable to occur, making it difficult to put to practical use. If the content of the ceramic component is less than 85 wt%, the rigidity is reduced, and a sufficient function as the rolling roll 10 cannot be secured, which is not practical.
[0021]
On the other hand, when the ceramic component is 85% by weight or more, preferably 90% by weight to 95% by weight, the metal amount on the roll surface becomes 0.7% by weight or less, and the hardness becomes HRA 92 to 95, so that the wear resistance can be improved. . Further, the rigidity becomes approximately 600 GPa or more, and the function as the rolling roll 10 can be sufficiently secured. Furthermore, since the surface metal amount of the rolling roll 10 is insignificant, an effect of being excellent in heat resistance, oxidation resistance, and chemical stability can be obtained.
[0022]
Moreover, the chemical stability, heat resistance, rigidity and wear resistance of the rolling roll 10 are related not only to the amount of metal but also to the composite ceramic particle component. For example, the oxidation resistance of tungsten carbide and molybdenum carbide is inferior to titanium carbide and titanium nitride. Therefore, in order to respond to this type of request, titanium carbide, titanium nitride, tantalum carbide, niobium carbide, chromium carbide or vanadium carbide may be appropriately added to tungsten carbide or molybdenum carbide. It is in the range of 15 wt% to 45 wt%. If the added amount is less than 15 wt%, the effect of addition cannot be obtained, while if it exceeds 45 wt%, those effects are saturated, and rigidity and strength are reduced.
[0023]
The grain growth promoter is added as an ion from the viewpoint of uniformity of addition, uniformity, and simplicity of concentration. As the element type, iron, cobalt, nickel, or the like is preferable from the viewpoint of handleability, convenience, and the like.
[0024]
The grain growth of the ceramic particles varies depending on the concentration of the accelerator, the temperature, the time, and the type of each element. Expanding. In practice, the initial powder particle size of 2 μm to 3 μm expands to about 20 μm to 100 μm. The range of 20 μm to 100 μm is the adjustment range depending on the atmosphere. If the atmosphere is kept constant, the variation in the size becomes very small, and is set, for example, within the range of 80 μm to 85 μm. Thereby, when the expansion of the particles is promoted, there is almost no metal present, and oxidation resistance, heat resistance, corrosion resistance, wear resistance, heat conductivity, hardness, rigidity, chemical stability and wear coefficient, etc. Almost all physical properties can be improved.
[0025]
In the first embodiment, the strength is improved with the growth of the particles. From the initial state, up to about 20 times the grain growth, the strength is improved as compared with the conventional material having a homogeneous composition. The grain growth is about 30 times the same. Therefore, the strength of the rolling roll 10 is improved as compared with the conventional product.
[0026]
Further, the coefficient of friction μ with the work becomes lower as the roll portion 12 of the rolling roll 10 is harder, the reactivity is lower, and the surface finishing accuracy is better. A conventional hard metal having a fine particle composition has high strength but a large amount of metal, and its particles are sharp and the friction coefficient μ is not so low. On the other hand, in the rolling roll 10 according to the first embodiment, the particles on the surface side are coarse and the strength is high, so that the ceramic particles themselves are processed by finishing, and the amount of exposed metal is small. Therefore, the friction coefficient μ is also low.
[0027]
Further, in the first embodiment, since the particle growth promoter is introduced by impregnation, the ceramic portion 22, the inclined portion 24, and the metal portion 20 can be formed uniformly along the shape of the rolling roll 10. As a result, it is possible to obtain the rolling roll 10 whose function and performance are improved and whose operation can be stably maintained.
[0028]
FIG. 3 is an explanatory perspective view of a composite roll 10a according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an explanatory longitudinal sectional view of the roll 10a. The rolling roll 10a constitutes a hot rolling tool, and the same components as those of the rolling roll 10 according to the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the details thereof will be described. Detailed description is omitted.
[0029]
FIG. 5 is a perspective explanatory view of a composite roll 10b according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a longitudinal sectional explanatory view of the roll 10b. The rolling roll 10b constitutes a straightening tool, and the same components as those of the rolling roll 10 according to the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is given. Is omitted.
[0030]
In the rolling rolls 10a and 10b, as shown in FIGS. 4 and 6, the ceramics portions 22a and 22b, the inclined portions 24a and 24b, and the metal portions 20a and 20b are formed uniformly along the respective roll shapes. Therefore, the same effects as in the first embodiment, such as high rigidity, excellent wear resistance, excellent heat resistance and oxidation resistance, and chemical stability, can be obtained.
Example 1
In Example 1, tungsten carbide (WC) having an average particle size of 3 μm, cobalt (Co) having an average particle size of 0.8 μm, nickel (Ni) having an average particle size of 0.4 μm, 5 μm of chromium (Cr) was prepared to obtain compositions of WC-7Co, WC-9Co, WC-15Co, WC-10M and WC-15M.
[0031]
Here, for example, WC-7Co indicates that tungsten carbide is 93 wt% and cobalt is 7 wt%. WC-10M means that 10 wt% of a composition set at a ratio of Co: Ni: Cr = 3: 5: 2 is added to 90 wt% of tungsten carbide. 90 wt% tungsten carbide, 3 wt% cobalt, 5 wt% nickel and 2 wt% chromium. These compositions correspond to general practical cemented carbides and are actually used as rolling roll materials.
[0032]
Then, these powders were each weighed by a set amount, and then thoroughly mixed with hexane as a solvent, and dried so that the liquid content became 9%. Then, in order to avoid the influence of the molding binder, a molded body of 20 mm × 20 mm × 120 mm was produced at a molding pressure of 100 MPa by a binderless hydrostatic pressure molding method in a mold. The molding density of the obtained molded body was 53.6% to 53.8%, and all of them were calcined at 900 ° C. for 30 minutes in a nitrogen stream to obtain a calcined body.
[0033]
From these calcined bodies, WC-7Co and WC-10M were extracted, and a 10% strength aqueous solution of Ni salt was prepared as a grain growth agent, and each calcined body was sufficiently placed in the aqueous solution of Ni salt. After the immersion, a drying treatment was performed at 130 ° C. for 2 hours to form a concentration gradient of the growth agent to obtain sample materials AO and BO, respectively. In addition, after immersion in a nickel salt aqueous solution, one that was buried in a powder without drying at 130 ° C. to prevent a concentration gradient from occurring due to evaporation of water was also prepared.
[0034]
Next, after baking treatment was performed on these sample materials at 1400 ° C. for 2 hours under a nitrogen stream, samples were obtained by shaving each surface by 0.2 mm on each side. On the other hand, the same operation was performed for each of the sample materials AO and BO, and samples A and B were obtained.
[0035]
Therefore, an experiment was conducted in which the high-temperature hardness of these samples and the samples A and B were changed from room temperature to 800 ° C. for measurement. The result is shown in FIG. Here, the hardness is the surface hardness after processing. In any of the samples, the hardness was greatly reduced with an increase in temperature, and the degree of the reduction was extremely large in the current carbide products WC-7Co and WC-15Co. On the other hand, when the metal component has a Co—Ni—Cr composition, the degree of decrease is reduced, but the room temperature hardness is low.
[0036]
Samples A and B impregnated with a nickel salt with respect to these existing cemented carbides have extremely high surface hardnesses of HRA 93.4 and 92.6, which is a great advantage over conventional products. . Further, although the hardness of Samples A and B decreases with increasing temperature, the hardness of Sample A at 420 ° C. and that of Sample B at 300 ° C. are lower than those of the current cemented carbide. , And it is possible to effectively maintain the desired rigidity as a rolling roll in a practical working temperature range. This is attributable to the fact that the ceramic particles in the vicinity of the roll surface became larger with the grain growth, the metal amount was reduced accordingly, and the grain growth was inclinedly changed. Therefore, the rolling roll obtained in Example 1 has a remarkable effect as compared with the conventional product.
[0037]
FIG. 8 shows the results of a friction test using low carbon steel as a mating material. In this type of wear test, the wear is large in the case of the SKD material, and the slip distance is already about 30 × 10 ⁻³ mm ³ when the sliding distance is about 80 m. Is reduced to about 1/20. Further, in Sample A, the wear amount was about 1/5 that of WC-7Co, the wear resistance was improved about 100 times as compared with the SKD material, and 5 times as much as that of the current roll material WC-7Co. The result that the above was improved was obtained.
[0038]
FIG. 9 shows the results of measuring the change in hardness from the surface to the inside of each of the samples A and B, which was polished after cutting the central portion thereof. The cross section of each of the samples A and B was 20 mm × 20 mm at the time of molding, but the size was reduced to about 16 mm × 16 mm as the density was increased by sintering. Both the samples A and B have a uniform thickness of about 1 mm from the surface thereof, and thereafter, the hardness continuously decreases. The thickness of the inclined layer was about 7 mm from the surface, and the hardness difference between the surface and the inside was about HRA7.
[0039]
Here, the metal exposure amounts of Samples A and B were 0.6% and 1.0% in area ratio on the respective surfaces. In terms of strength, while the flexural strength of WC-7Co and WC-10M was 2.3 GPa to 2.5 GPa and 1.7 GPa to 2.1 GPa, the impregnation operation was performed and no concentration gradient was given. The strength of the sintered body was 3.2 GPa to 3.4 GPa and 2.7 GPa to 2.9 GPa, and an improvement of 30% to 40% was observed. The same is true for the composition having the gradient composition, which is due to the increase in the bonding force between the particles and the metal and between the particles.
[0040]
Regarding the Young's modulus, WC-7Co was 580 GPa to 600 GPa, but was improved to 620 GPa, and when it was further inclined, it was improved to nearly 640 GPa. In forming with a rolling roll, the improvement of the Young's modulus has a very large effect, and a great improvement in efficiency for rolling is achieved.
[0041]
Moreover, since the ceramic portions 22, 22a and 22b, which are high-hardness portions, and the inclined portions 24, 24a and 24b are formed along the roll shape, the rigidity can be increased up to the support shafts 14 and 14b, and the processing efficiency can be improved. And the toughness of the rolling roll itself can be easily attained.
[0042]
【The invention's effect】
In the composite roll according to the present invention, since the ratio of the metal component in the composite gradually decreases from the inside of the roll toward the roll surface, the roll surface portion actually processed has high hardness and wear resistance. On the other hand, the inside of the roll has high toughness and high strength, and the composition and physical properties during this change gradually. As a result, the durability is improved and the product accuracy is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective explanatory view of a composite roll according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory longitudinal sectional view of the rolling roll.
FIG. 3 is an explanatory perspective view of a composite material roll according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory longitudinal sectional view of the rolling roll.
FIG. 5 is an explanatory perspective view of a composite roll according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory longitudinal sectional view of the rolling roll.
FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the temperature and the hardness of a roll material.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a sliding distance and a wear amount.
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the distance from the surface and the hardness.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10b ... rolling rolls 12, 12a, 12b ... roll parts 14, 14b ... support shafts 20, 20a, 20b ... metal parts 22, 22a, 22b ... ceramic parts 24, 24a, 24b ... inclined parts

Claims

セラミックス成分と金属成分とを含む複合材で構成されるとともに、
ロール内部からロール表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減し、
且つ前記セラミックス成分の粒子は、前記ロール表面において該粒子が粒成長されて前記ロール内部側に比して粗大化していることを特徴とする複合材製圧延ロール。While being composed of a composite material containing a ceramic component and a metal component,
As going from the inside of the roll to the roll surface, the proportion of the metal component in the composite material gradually decreases ,
The composite material rolling roll , wherein the particles of the ceramic component are coarsened as compared with the inside of the roll due to the growth of the particles on the roll surface .

請求項１記載の圧延ロールにおいて、前記ロール表面の金属量が、面積率で６％未満に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。The composite roll according to claim 1, wherein the amount of metal on the surface of the roll is set to be less than 6% in area ratio.

請求項１記載の圧延ロールにおいて、前記金属成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．５ｍｍ以上に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。2. The composite material roll according to claim 1, wherein the thickness of the inclined portion where the ratio of the metal component gradually decreases is set to 0.5 mm or more.

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧延ロールにおいて、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＶＣの中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス成分であり、かつ、セラミックス量が、
８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ
＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ
≦９７ｗｔ％
に設定されることを特徴とする複合材製圧延ロール。The roll according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic component in the composite material is selected from WC, TiC, TiN, Mo ₂ C, TaC, NbC, Cr ₃ C ₂ or VC. At least one or more ceramic components selected, and the amount of ceramics is
85 wt% ≦ WC + TiC + TiN + Mo ₂ C + TaC + NbC
+ Cr ₃ C ₂ + VC
≤97wt%
A roll made of a composite material, wherein the roll is set to:

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧延ロールにおいて、前記ロール表面の硬度がＨＲＡ９１以上であることを特徴とする複合材製圧延ロール。5. The composite roll according to claim 1, wherein a hardness of the roll surface is HRA91 or more. 6.