JP3814054B2 - 複合ロールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ロール及びその製造方法に係わり、さらに詳しくは、耐摩耗性、耐クラック性に優れた構造の複合ロールおよびその製造方法に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属や非金属材料の圧延加工や成形加工に耐摩耗性に優れた複合ロールが使用されている。
【０００３】
図７は従来の鋼材圧延用複合ロールを示す図である。
【０００４】
図７（イ）、（ロ）に示すように鋼製のロール軸材１の回りに耐摩耗材の外層部２として耐摩耗性に優れた高炭素高バナジウム鋳鉄を溶着させた複合ロールは、既に鋼材圧延用ロールとして多量に使用されているロールである。
【０００５】
このロールの外層部の組織はいわゆる高速度鋼の基地組成にＶＣ炭化物等が分散した組織であるためにハイスロールと呼ばれている。
【０００６】
このロールは耐摩耗性は極めて優れている反面、耐クラック性に問題があり、ロール寿命は、このクラックの進行によってほぼ決定付けられている。ロール寿命を延ばすためには、耐摩耗性を犠牲にすることなく、クラックの進行をいかに抑制するかが問題になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、耐摩耗性を犠牲にすることなく、なおかつクラックの進展を抑制する効果のある新しい構造の複合ロールおよびその製造方法を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、複合ロールの外層の少なくとも表層部を、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金とセラミックス繊維とから構成させることにより、耐摩耗性に優れかつクラックの進展を防止できる複合ロールとすることができることを知見、また、セラミックス繊維を鉄基合金の基地に小片として分散させるとクラックの進展を防止させる効果が更に向上することができることを知見した。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいて完成したもので、その具体的解決手段は以下の通りである。
【００１０】
（１） 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が酸化物、窒化物で被覆された炭化珪素繊維或いは窒化珪素繊維であることを特徴とすることを特徴とする複合ロール。
【００１１】
（２） 上記セラミックス繊維の小片が、鉄基合金中に分散してなることを特徴とする上記（１）記載の複合ロール。
【００１２】
（３） 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が鋼製のロール軸の周方向に巻回、或いは軸方向に配向され、この繊維の間隙に上記鉄基合金が含浸されてなることを特徴とする複合ロール。
【００１３】
（４） 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の複合ロール。
【００１４】
（５） 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、その上、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の複合ロール。
【００１５】
（６） 鋼製のロール軸の周囲に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りに、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金粉末と酸化物または窒化物で被覆された炭化珪素繊維あるいは窒化珪素繊維であるセラミックス繊維の小片とを混合して配置した後、この鉄基合金粉末とセラミックス繊維を加熱し、焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１６】
（７） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体に溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金を供給することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１７】
（８） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１８】
（９） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を溶融することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１９】
（１０） 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
【００２０】
（１１） 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、その上質量比で、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１の複合ロールは、その外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金とセラミックス繊維とから構成することによりクラックの進行を防止するものであり、また本発明でのセラミックス繊維としては請求項２に示すように、鉄基合金の基地に小片として分散させることによりクラックの進展を効果的に防止するものである。セラミックス小片は外層全体、つまり表面から軸材との接合部まで全体にわたって分散させてもよいが、本発明の目的のためには少なくともロールの使用限界寸法内に分散させればよい。
【００２２】
組織をＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金の基地を得るには、これらの元素および炭素を含む鉄基合金を溶解し、冷却して炭化物を晶出させたものを粉砕あるいは炭化物を晶出させた溶湯をアトマイズして粉末化して得られた粉末とセラミックス繊維の小片を混合分散し、焼結あるいは溶解後凝固させる等により該組織を得ることができる。均一な混合分散法としては、例えばスラリー状で混合分散する方法や超音波振動を付与しながら混合分散する方法等が活用できる。
【００２３】
なお、この鉄基合金は、前述のように所要の元素および炭素を含む鉄基合金を溶解し、アトマイズする方法、あるいは冷却後に粉砕して粉末にする方法などにより粉末を得てもよいが、上記の元素を含む炭化物と所要組成の合金をそれぞれ準備し、これらを所望の比率で混合することによっても炭化物を含む鉄基合金を得ることができる。
【００２４】
準備した炭化物あるいは鉄合金が粉末の場合は、これらを混合することによって、また、塊状の場合は混合粉砕するかあるいは再溶解して前述の方法により粉末を得ることができる。なお、準備した炭化物あるいは鉄合金を所望の比率で混合後、溶融させ溶融含浸に供することができる。
【００２５】
セラミックス繊維の小片は径３μｍ〜３０μｍ、長さ０．０５〜５．０ｍｍの長さのものを、外層の体積％で概ね５〜９０％の範囲とし、上記粉末と均一に混合分散させるのがよい。
【００２６】
本発明の請求項３の複合ロールは、鋼製の軸の周囲にセラミックスの長繊維を図１に示すように周方向に幾重にも巻回あるいは図２に示すように軸方向に平行に配位させてもよく、該繊維の間隙にＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上を含む鉄基合金を溶融含浸して充填した構造、或いはＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金粉末を充填した後、焼結することによってクラックの進行を防止するものである。溶融含浸（溶浸）充填構造の場合、充填部は冷却に伴い所定の炭化物を晶出することになる。
【００２７】
鋼製のロール軸へのセラミックス繊維の巻回は、巻回密度に応じて例えば有機バインダー（ワックス）を塗布し、その厚みを調整しながら巻回すること、あるいは繊維巻回時に繊維の間に有機バインダーシートもしくは金属箔等を挿入、その厚みを調整しながら巻回を行えばよい。周方向に巻回時に鋼製の軸方向に対して直角方向でもよいが、角度をもたせて巻回してもよく、またそのうえに巻回を繰返す時にはクロス方向に巻回して図３に示すような菱形状に巻回してもよい。また、予め有機バインダーシート等に繊維を所望の体積分率になるように平行に配位して繊維入りの有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向に直角あるいはある角度も持つように軸の周囲に重ねても同様な効果を得られる。
【００２８】
セラミックス繊維を平行に配位するときは、巻回の場合と同じように所望の体積分率となるように繊維を平行に配位した繊維入り有機バインダーシートを予め製作し、このシートを繊維の方向が軸に平行になるように重ねること等によって配位させることができる。
【００２９】
この場合、セラミックス繊維は直径３μｍ〜３０μｍの長繊維を用い、繊維の巻回密度あるいは配位密度は、外層の体積分率で５〜９０％の範囲が好ましい。
【００３０】
セラミックス繊維の種類は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2などの酸化物系、ＳｉＣ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃなどの炭化物系、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮなどの窒化物系などいずれの種類も使用することができるが、この中で炭化珪素繊維あるいは窒化珪素繊維が最も好ましい。使用に当って基地の鉄基合金と反応しないように、表面にＴｉＯ2、ＺｒＯ2等の酸化物、ＢＮ、ＺｒＮ、ＴｉＮ等の窒化物のセラミックス被覆するのがよい。被覆はＣＶＤ法や、ゾル−ゲル法等の方法で１〜３μｍ厚さ被覆すればよい。
【００３１】
外層の鉄基合金は、鉄を主体とし、炭化物を生成するＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種また２種以上と、炭化物を生成するに足る炭素量を含有するものでよいが、熱間強度あるいは靭性を向上させるためにＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉなどを添加することができるが、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷ、３〜１５％のＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏ、残部実質的にＦｅからなる組成が好ましい。
【００３２】
Ｃは、炭化物形成のため必要で、下限未満では晶出炭化物が少なく耐摩耗性の点で十分でない。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素の量の和が３％未満では、Ｃとのバランスで、炭化物が網目状に晶出して靭性、耐肌荒れ性の点で本発明の目的が達成できない。また上限以上では大きな初晶炭化物が晶出して肌荒れの問題が発生する。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆはＭＣ系炭化物を形成するほか、これらの金属は鉄基合金とセラミックス繊維の濡れ性改善に著効があり、本発明では必須元素である。
【００３３】
Ｃは上限値を超えると炭化物の分散が均一でなくなり、強靭性、耐肌荒れ性の点で問題が起こる。
【００３４】
Ｃｒは下限値未満では、焼入性に劣り、上限を超えると、Ｃｒ系炭化物が過多となり靭性、耐摩耗性が低下する。
【００３５】
Ｍｏ、Ｗは、焼入性と高温硬さを得るために必要であるが、上限を超えると靭性、耐肌荒れ性の点で好ましくない。なお、Ｗは炭化物も形成する元素としても添加しうる。
【００３６】
上記元素の他、Ｎｉ、Ｃｏは単独、または複合して添加してよい。Ｎｉは焼入性を向上させる元素であるが、上限を超えると残留オーステナイトが多くなり、割れや圧延中の肌荒れを起こし好ましくない。
【００３７】
Ｃｏは焼戻し軟化抵抗と二次硬化の点で有利であるが、上限を超えると焼入性が悪くなる。
【００３８】
本発明ロールは、非酸化性雰囲気で製造されるので、鋳造鉄基合金に通常添加されるＳｉ、Ｍｎは必ずしも添加の必要はない。
【００３９】
本発明の複合ロールは、図４に示すように、鋼製ロール軸の周囲に、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末とセラミックス繊維の小片とを混合した混合物を配置し、これをホットプレス或いは熱間静水圧成形により焼結成形して製造することができる。
【００４０】
すなわち、図４の（イ）に示すように、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末とセラミックス繊維の小片とを所望の配合比で混合した繊維混合体５を、鋼製ロール軸材１の周囲に溶接６等により設けた筒状のカプセル４中に充填することによって、鋼製ロール軸材１の周りに配置し、次いで図４の（ロ）に示すようにカプセル４を真空脱気したのち、カプセル４に蓋７を溶接６することにより密閉して熱間静水圧成形する方法、あるいは、鋼製ロール軸の周りにこのロール軸と所望の間隔もって金型を設け、この金型内に上記混合粉末を充填することによって、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維の小片と上記鉄基合金粉末を配置し、ホットプレスにより焼結成形する方法などによって製造することができる。
【００４１】
また、鋼製ロール軸の周りに、ゴム或いは樹脂などの可撓性の筒状のカプセルを設け、この中に上記混合物を充填することによって、ロール軸の周りにセラミックス繊維の小片と上記鉄基合金粉末を配置し、これを冷間静水圧成形（ＣＩＰ）によってロール軸の周りに成形体を形成した後、これを加熱焼結することによって複合ロールを製造することができる。
【００４２】
これらの方法において、この加熱成形、加熱焼結によって、外層が焼結形成され、同時に焼結体とロール軸とが接合される。
【００４３】
また、本発明の複合ロールは、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体に、溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金を供給することによって製造できる。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、ロール軸材１の周りにセラミックス繊維を巻回或いはロール軸の方向に配向してセラミックス繊維体８を形成した後、このセラミックス繊維体８の周りに筒状の鋳型１０を設け、この鋳型中に溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基溶融含浸（溶浸）用合金９を注入することにより、上記繊維体の繊維の周りに鉄基合金を含浸させると共に、ロール軸と鉄基合金とを接合することができる。また、この溶融した鉄基合金が冷却凝固する際に、炭化物が晶出し、炭化物が分散した鉄基合金とセラミックス繊維とからなる外層が形成される。
【００４５】
ところで、鋼製ロール軸の周りに繊維体を形成する方法としては、鋼製ロール軸の周りに有機バインダー、ワックス等の繊維の巻回密度を調整するための間隔材を塗布し、その厚みを調整しながらセラミックス繊維を、或いは巻回時に繊維の間に有機バインダーのシートを装入しながらセラミックス繊維を、ロール軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねることによってセラミックス繊維が所望の体積分率となるようにして繊維体を形成する方法がある。
【００４６】
また、予め有機バインダーのシートにセラミックス繊維を所望の体積分率となるように平行に配位して繊維入り有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するようにして巻回する方法、或いはこの繊維入り有機バインダーシートを繊維の方向がロール軸方向となるように重ねるなどの方法により、ロール軸の周りにセラミックス繊維を配したセラミックス繊維体を形成することができる。なお、有機バインダー、ワックスなどの間隔材は、溶融した上記鉄基合金を注入した際に分解燃焼し、複合ロールの外層は実質的にセラミックス繊維と炭化物を含有する鉄基合金とで形成される。
【００４７】
また、本発明の複合ロールは、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を繊維の周囲に充填配置した後、ホットプレス或いは熱間静水圧成形により鉄基合金粉末を焼結成形すること、或いは加熱して鉄基合金粉末を加熱溶融させることにより製造できる。
【００４８】
すなわち、鋼製ロール軸の周りに、有機バインダーあるいはワックス等の間隔材とＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末等を塗布し、その厚みを調整しながらセラミックス繊維を、あるいは巻回時に繊維の間に有機バインダーのシートと上記鉄基合金粉末を装入しながら繊維を、ロール軸方向と直角方向に或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねて所望の体積分率となるように繊維体を形成する方法によってロール軸の周りに繊維体を形成するとともに繊維の周囲に炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置する。
【００４９】
或いは、予め上記鉄基合金粉末を塗布した有機バインダーシート、または上記鉄基合金粉末と有機バインダーとを混合した有機バインダーシートにセラミックス繊維を所望の体積分率となるように平行に配位した繊維入り有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねて所望の体積分率となるように繊維体を形成する方法によってロール軸の周りに繊維体を形成するとともに繊維の周囲に炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置したセラミックス繊維体を形成することができる。
【００５０】
このようにして形成した繊維体をホットプレス或いは熱間静水圧成形により焼結成形することによって、複合ロールを製造することができる。
【００５１】
ホットプレス或いは熱間静水圧成形においては、ホットプレス或いは熱間静水圧成形に先だって予め繊維体を加熱し有機バインダー、ワックスのような間隔材を分解除去した後、焼結成形することが好ましい。これによって外層は実質的にセラミックス繊維と上記炭化物を含有する鉄基合金の焼結体により形成され、ロール軸と外層とは接合される。
【００５２】
また、上記繊維体の周囲に金属製あるいは耐火物製の筒状の鋳型を設け、繊維体を加熱して鉄基合金粉末を溶融させることによって、複合ロールを製造することができる。その際、有機バインダー、ワックスのような間隔材は分解消失し、外層は実質的にセラミックス繊維と溶融後の冷却において晶出した上記炭化物を含有する鉄基合金により形成され、ロール軸と外層とは接合される。
【００５３】
ロール成形後は、ロールの使用条件において要求される硬度、表面粗度を得るように、熱処理条件、研磨条件を選定して処理すればよい。
【００５４】
本発明の複合ロールの軸は鋼製であるが、鋳鋼、鍛鋼、強靭鋳鉄等も使用できる。なお、図６に示すように鋼製ロール軸材１と耐摩耗材の外層部２との間に鋼製の中間体１１を設け、中間体の上に外層を設ける構造としてもよい。
【００５５】
本発明の複合ロールは外層に相当する部分の少なくとも表層部を特許請求の範囲の繊維強化金属とした単層或いは複層にしたスリーブとし、内層との接合は溶接、焼結、溶融等の接合方法の他、焼嵌め、嵌合等の方法によって接合し、複合ロールとしても使用できる。
【００５６】
また、本発明の外層材はロール材のみならず、シームレス、線材圧延、熱押し、鍛造等の熱間加工用工具や冷間加工用工具としても使用できる。
【００５７】
【実施例】
（実施例１）
ロール直径：１００ｍｍ、ロール胴部長さ：１００ｍｍ
軸の長さ ：２００ｍｍ
軸材 ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼
外層部の鉄基合金の成分：質量％
Ｃ ：２．０ Ｃｒ：５．０ Ｖ ：５．０ Ｍｏ：５．０
Ｗ ：５．０ Ｓｉ：１．５ Ｍｎ：１．０
セラミックス繊維：直径１４μｍ、長さ０．５ｍｍのＳｉＣ繊維の表面にＴｉＮを３μｍ被覆。
【００５８】
上記鉄基合金粉末にＳｉＣ繊維を１５質量％混合し、軸周りに形成した後、図４（イ）に示すように鉄製のカプセルの中に納め、（ロ）の蓋を溶接し、カプセルの中を真空脱気して封入した後、１２００℃でＨＩＰ成型した。冷却後、カプセル材を除去し、硬度がショアー硬度で８０〜８５になるように焼入れ、焼戻し処理を行った。
【００５９】
この場合、炭化物としてはＶＣと複合炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）6Ｃが晶出していた。
【００６０】
耐クラック性評価試験実ロールと同じ熱サイクルを与えて耐クラック性を評価した。熱サイクルは、高周波により局部的に約６００℃に加熱し、直後に水冷することにより行い、加熱−水冷サイクルを１０5回繰り返し、クラック深さをクラックメータで測定した。
【００６１】
結果
クラック深さは、１．２ｍｍであった。なお、比較のために同じ条件で作製したＳｉＣ繊維の入っていない成分のロールでは、クラック深さ、４．８ｍｍであった。本発明構造は耐クラック性に効果があることを確認した。
【００６２】
（実施例２）
ロール直径：１００ｍｍ、ロール胴部長さ：５０ｍｍ
軸の径：５０ｍｍ、軸の長さ ：１５０ｍｍ
軸材 ：Ｃｒ−Ｍｏ鋼
外層部の鉄基合金の成分：質量％
Ｃ ：２．２ Ｃｒ：６．０ Ｖ ：６．０ Ｍｏ：４．０
Ｗ ：６．０
セラミックス繊維：直径１４μｍのＳｉＣ及び直径１５μｍのＳｉ3Ｎ4繊維の表面にアルミナを２μｍ被覆。
【００６３】
ＳｉＣ繊維をリング状に巻回密度約４０％で成形した後、これを図５に示すようにアルミナセラミックスの型に納め、上記外層部の鉄基合金を真空中１４５０℃で溶解してＳｉＣ繊維のリングに溶融含浸（溶浸）させた。
【００６４】
冷却後、鋳型から取り出し硬度がショアー硬度で８０〜９０になるように焼入れ、焼戻し処理をした。この場合、炭化物としてはＶＣと複合炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）6Ｃが晶出していた。
【００６５】
なお、Ｓｉ3Ｎ4繊維についても同様な成形および処理を行った。
【００６６】
耐クラック性評価試験
実施例１と同じ熱サイクルを与えて耐クラック性を評価した。
【００６７】
結果
クラック深さは、ＳｉＣ繊維で０．５ｍｍ、Ｓｉ3Ｎ4繊維で０．７ｍｍであった。なお、比較のために同じ条件で作製したセラミックス繊維の入っていない成分のロールでは、クラック深さ、４．０ｍｍであった。本発明構造は耐クラック性に効果があることを確認した。
【００６８】
耐摩耗性の比較
上記ＳｉＣ繊維入りとＳｉ3Ｎ4繊維入りと繊維が入っていないロールについて、熱間コイル圧延試験機（単スタンド圧延）にて、耐摩耗性を評価した。圧延材は普通鋼コイル（幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ１０００ｍ）を用い、圧延条件はコイル加熱温度９００℃、圧下率３０％で行い、コイルを各ロール材で１０本圧延した。摩耗量は圧延前後のロールプロフィールを測定し、その最大深さの差で比較した。摩耗深さは、繊維が入っていないロールの場合を１とすると、ＳｉＣ繊維入りロールの場合で０．７３、Ｓｉ3Ｎ4繊維入りロールの場合が０．８０であり、繊維を入れることにより耐摩耗性の改善が確認できた。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明は耐摩耗性を改善するとともに、耐クラック性改善に効果があり、ロール寿命の向上に多大の貢献を成すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合ロールの１例を示すもので、強化繊維をロール軸の周方向に巻回した時の（イ）は断面図、（ロ）は斜視図である。
【図２】本発明の複合ロールの他の例を示すもので、強化繊維をロール軸に平行に配位させた時の（イ）は断面図、（ロ）は斜視図である。
【図３】本発明の複合ロールの他の例を示すもので、強化繊維の巻回時に繊維をクロスさせた例を示す斜視図である。
【図４】本発明の複合ロールの製作方法の一例としてＨＩＰによる方法を説明する図であり、（イ）はロール軸の周りのカプセル内に外層材（繊維混合体）を納めた状態、（ロ）はカプセルの蓋を溶接し、外層材（繊維混合体）を封入した後の状態を示す図である。
【図５】本発明の複合ロールの製作方法の他の例として、溶融含浸（溶浸）による方法を示す断面模式図であり、セラミックス繊維体を型に納め、合金を溶融含浸（溶浸）させる状態を示す図である。
【図６】本発明の複合ロールの一例を示すもので、鋼製ロール軸と外層の間に中間体を設けた例を示す図である。
【図７】従来の複合ロールの断面を示す図である。
【符号の説明】
１ ロール軸材
２ 外層部
３ 強化繊維
４ カプセル
５ 繊維混合体
６ 溶接
７ 蓋
８ セラミックス繊維体
９ 溶融含浸（溶浸）用合金
１０ 鋳型
１１ 中間体
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ロール及びその製造方法に係わり、さらに詳しくは、耐摩耗性、耐クラック性に優れた構造の複合ロールおよびその製造方法に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属や非金属材料の圧延加工や成形加工に耐摩耗性に優れた複合ロールが使用されている。
【０００３】
図７は従来の鋼材圧延用複合ロールを示す図である。
【０００４】
図７（イ）、（ロ）に示すように鋼製のロール軸材１の回りに耐摩耗材の外層部２として耐摩耗性に優れた高炭素高バナジウム鋳鉄を溶着させた複合ロールは、既に鋼材圧延用ロールとして多量に使用されているロールである。
【０００５】
このロールの外層部の組織はいわゆる高速度鋼の基地組成にＶＣ炭化物等が分散した組織であるためにハイスロールと呼ばれている。
【０００６】
このロールは耐摩耗性は極めて優れている反面、耐クラック性に問題があり、ロール寿命は、このクラックの進行によってほぼ決定付けられている。ロール寿命を延ばすためには、耐摩耗性を犠牲にすることなく、クラックの進行をいかに抑制するかが問題になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、耐摩耗性を犠牲にすることなく、なおかつクラックの進展を抑制する効果のある新しい構造の複合ロールおよびその製造方法を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、複合ロールの外層の少なくとも表層部を、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金とセラミックス繊維とから構成させることにより、耐摩耗性に優れかつクラックの進展を防止できる複合ロールとすることができることを知見、また、セラミックス繊維を鉄基合金の基地に小片として分散させるとクラックの進展を防止させる効果が更に向上することができることを知見した。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいて完成したもので、その具体的解決手段は以下の通りである。
【００１０】
（１） 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が酸化物、窒化物で被覆された炭化珪素繊維或いは窒化珪素繊維であることを特徴とすることを特徴とする複合ロール。
【００１１】
（２） 上記セラミックス繊維の小片が、鉄基合金中に分散してなることを特徴とする上記（１）記載の複合ロール。
【００１２】
（３） 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が鋼製のロール軸の周方向に巻回、或いは軸方向に配向され、この繊維の間隙に上記鉄基合金が含浸されてなることを特徴とする複合ロール。
【００１３】
（４） 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の複合ロール。
【００１４】
（５） 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、その上、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の複合ロール。
【００１５】
（６） 鋼製のロール軸の周囲に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りに、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金粉末と酸化物または窒化物で被覆された炭化珪素繊維あるいは窒化珪素繊維であるセラミックス繊維の小片とを混合して配置した後、この鉄基合金粉末とセラミックス繊維を加熱し、焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１６】
（７） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体に溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金を供給することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１７】
（８） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１８】
（９） 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を溶融することを特徴とする複合ロールの製造方法。
【００１９】
（１０） 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
【００２０】
（１１） 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、その上質量比で、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１の複合ロールは、その外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金とセラミックス繊維とから構成することによりクラックの進行を防止するものであり、また本発明でのセラミックス繊維としては請求項２に示すように、鉄基合金の基地に小片として分散させることによりクラックの進展を効果的に防止するものである。セラミックス小片は外層全体、つまり表面から軸材との接合部まで全体にわたって分散させてもよいが、本発明の目的のためには少なくともロールの使用限界寸法内に分散させればよい。
【００２２】
組織をＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金の基地を得るには、これらの元素および炭素を含む鉄基合金を溶解し、冷却して炭化物を晶出させたものを粉砕あるいは炭化物を晶出させた溶湯をアトマイズして粉末化して得られた粉末とセラミックス繊維の小片を混合分散し、焼結あるいは溶解後凝固させる等により該組織を得ることができる。均一な混合分散法としては、例えばスラリー状で混合分散する方法や超音波振動を付与しながら混合分散する方法等が活用できる。
【００２３】
なお、この鉄基合金は、前述のように所要の元素および炭素を含む鉄基合金を溶解し、アトマイズする方法、あるいは冷却後に粉砕して粉末にする方法などにより粉末を得てもよいが、上記の元素を含む炭化物と所要組成の合金をそれぞれ準備し、これらを所望の比率で混合することによっても炭化物を含む鉄基合金を得ることができる。
【００２４】
準備した炭化物あるいは鉄合金が粉末の場合は、これらを混合することによって、また、塊状の場合は混合粉砕するかあるいは再溶解して前述の方法により粉末を得ることができる。なお、準備した炭化物あるいは鉄合金を所望の比率で混合後、溶融させ溶融含浸に供することができる。
【００２５】
セラミックス繊維の小片は径３μｍ〜３０μｍ、長さ０．０５〜５．０ｍｍの長さのものを、外層の体積％で概ね５〜９０％の範囲とし、上記粉末と均一に混合分散させるのがよい。
【００２６】
本発明の請求項３の複合ロールは、鋼製の軸の周囲にセラミックスの長繊維を図１に示すように周方向に幾重にも巻回あるいは図２に示すように軸方向に平行に配位させてもよく、該繊維の間隙にＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上を含む鉄基合金を溶融含浸して充填した構造、或いはＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種或いは２種以上よりなる炭化物を含む鉄基合金粉末を充填した後、焼結することによってクラックの進行を防止するものである。溶融含浸（溶浸）充填構造の場合、充填部は冷却に伴い所定の炭化物を晶出することになる。
【００２７】
鋼製のロール軸へのセラミックス繊維の巻回は、巻回密度に応じて例えば有機バインダー（ワックス）を塗布し、その厚みを調整しながら巻回すること、あるいは繊維巻回時に繊維の間に有機バインダーシートもしくは金属箔等を挿入、その厚みを調整しながら巻回を行えばよい。周方向に巻回時に鋼製の軸方向に対して直角方向でもよいが、角度をもたせて巻回してもよく、またそのうえに巻回を繰返す時にはクロス方向に巻回して図３に示すような菱形状に巻回してもよい。また、予め有機バインダーシート等に繊維を所望の体積分率になるように平行に配位して繊維入りの有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向に直角あるいはある角度も持つように軸の周囲に重ねても同様な効果を得られる。
【００２８】
セラミックス繊維を平行に配位するときは、巻回の場合と同じように所望の体積分率となるように繊維を平行に配位した繊維入り有機バインダーシートを予め製作し、このシートを繊維の方向が軸に平行になるように重ねること等によって配位させることができる。
【００２９】
この場合、セラミックス繊維は直径３μｍ〜３０μｍの長繊維を用い、繊維の巻回密度あるいは配位密度は、外層の体積分率で５〜９０％の範囲が好ましい。
【００３０】
セラミックス繊維の種類は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2などの酸化物系、ＳｉＣ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃなどの炭化物系、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮなどの窒化物系などいずれの種類も使用することができるが、この中で炭化珪素繊維あるいは窒化珪素繊維が最も好ましい。使用に当って基地の鉄基合金と反応しないように、表面にＴｉＯ2、ＺｒＯ2等の酸化物、ＢＮ、ＺｒＮ、ＴｉＮ等の窒化物のセラミックス被覆するのがよい。被覆はＣＶＤ法や、ゾル−ゲル法等の方法で１〜３μｍ厚さ被覆すればよい。
【００３１】
外層の鉄基合金は、鉄を主体とし、炭化物を生成するＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種また２種以上と、炭化物を生成するに足る炭素量を含有するものでよいが、熱間強度あるいは靭性を向上させるためにＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉなどを添加することができるが、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷ、３〜１５％のＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏ、残部実質的にＦｅからなる組成が好ましい。
【００３２】
Ｃは、炭化物形成のため必要で、下限未満では晶出炭化物が少なく耐摩耗性の点で十分でない。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素の量の和が３％未満では、Ｃとのバランスで、炭化物が網目状に晶出して靭性、耐肌荒れ性の点で本発明の目的が達成できない。また上限以上では大きな初晶炭化物が晶出して肌荒れの問題が発生する。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆはＭＣ系炭化物を形成するほか、これらの金属は鉄基合金とセラミックス繊維の濡れ性改善に著効があり、本発明では必須元素である。
【００３３】
Ｃは上限値を超えると炭化物の分散が均一でなくなり、強靭性、耐肌荒れ性の点で問題が起こる。
【００３４】
Ｃｒは下限値未満では、焼入性に劣り、上限を超えると、Ｃｒ系炭化物が過多となり靭性、耐摩耗性が低下する。
【００３５】
Ｍｏ、Ｗは、焼入性と高温硬さを得るために必要であるが、上限を超えると靭性、耐肌荒れ性の点で好ましくない。なお、Ｗは炭化物も形成する元素としても添加しうる。
【００３６】
上記元素の他、Ｎｉ、Ｃｏは単独、または複合して添加してよい。Ｎｉは焼入性を向上させる元素であるが、上限を超えると残留オーステナイトが多くなり、割れや圧延中の肌荒れを起こし好ましくない。
【００３７】
Ｃｏは焼戻し軟化抵抗と二次硬化の点で有利であるが、上限を超えると焼入性が悪くなる。
【００３８】
本発明ロールは、非酸化性雰囲気で製造されるので、鋳造鉄基合金に通常添加されるＳｉ、Ｍｎは必ずしも添加の必要はない。
【００３９】
本発明の複合ロールは、図４に示すように、鋼製ロール軸の周囲に、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末とセラミックス繊維の小片とを混合した混合物を配置し、これをホットプレス或いは熱間静水圧成形により焼結成形して製造することができる。
【００４０】
すなわち、図４の（イ）に示すように、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末とセラミックス繊維の小片とを所望の配合比で混合した繊維混合体５を、鋼製ロール軸材１の周囲に溶接６等により設けた筒状のカプセル４中に充填することによって、鋼製ロール軸材１の周りに配置し、次いで図４の（ロ）に示すようにカプセル４を真空脱気したのち、カプセル４に蓋７を溶接６することにより密閉して熱間静水圧成形する方法、あるいは、鋼製ロール軸の周りにこのロール軸と所望の間隔もって金型を設け、この金型内に上記混合粉末を充填することによって、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維の小片と上記鉄基合金粉末を配置し、ホットプレスにより焼結成形する方法などによって製造することができる。
【００４１】
また、鋼製ロール軸の周りに、ゴム或いは樹脂などの可撓性の筒状のカプセルを設け、この中に上記混合物を充填することによって、ロール軸の周りにセラミックス繊維の小片と上記鉄基合金粉末を配置し、これを冷間静水圧成形（ＣＩＰ）によってロール軸の周りに成形体を形成した後、これを加熱焼結することによって複合ロールを製造することができる。
【００４２】
これらの方法において、この加熱成形、加熱焼結によって、外層が焼結形成され、同時に焼結体とロール軸とが接合される。
【００４３】
また、本発明の複合ロールは、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体に、溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金を供給することによって製造できる。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、ロール軸材１の周りにセラミックス繊維を巻回或いはロール軸の方向に配向してセラミックス繊維体８を形成した後、このセラミックス繊維体８の周りに筒状の鋳型１０を設け、この鋳型中に溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基溶融含浸（溶浸）用合金９を注入することにより、上記繊維体の繊維の周りに鉄基合金を含浸させると共に、ロール軸と鉄基合金とを接合することができる。また、この溶融した鉄基合金が冷却凝固する際に、炭化物が晶出し、炭化物が分散した鉄基合金とセラミックス繊維とからなる外層が形成される。
【００４５】
ところで、鋼製ロール軸の周りに繊維体を形成する方法としては、鋼製ロール軸の周りに有機バインダー、ワックス等の繊維の巻回密度を調整するための間隔材を塗布し、その厚みを調整しながらセラミックス繊維を、或いは巻回時に繊維の間に有機バインダーのシートを装入しながらセラミックス繊維を、ロール軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねることによってセラミックス繊維が所望の体積分率となるようにして繊維体を形成する方法がある。
【００４６】
また、予め有機バインダーのシートにセラミックス繊維を所望の体積分率となるように平行に配位して繊維入り有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するようにして巻回する方法、或いはこの繊維入り有機バインダーシートを繊維の方向がロール軸方向となるように重ねるなどの方法により、ロール軸の周りにセラミックス繊維を配したセラミックス繊維体を形成することができる。なお、有機バインダー、ワックスなどの間隔材は、溶融した上記鉄基合金を注入した際に分解燃焼し、複合ロールの外層は実質的にセラミックス繊維と炭化物を含有する鉄基合金とで形成される。
【００４７】
また、本発明の複合ロールは、鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を繊維の周囲に充填配置した後、ホットプレス或いは熱間静水圧成形により鉄基合金粉末を焼結成形すること、或いは加熱して鉄基合金粉末を加熱溶融させることにより製造できる。
【００４８】
すなわち、鋼製ロール軸の周りに、有機バインダーあるいはワックス等の間隔材とＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末等を塗布し、その厚みを調整しながらセラミックス繊維を、あるいは巻回時に繊維の間に有機バインダーのシートと上記鉄基合金粉末を装入しながら繊維を、ロール軸方向と直角方向に或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねて所望の体積分率となるように繊維体を形成する方法によってロール軸の周りに繊維体を形成するとともに繊維の周囲に炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置する。
【００４９】
或いは、予め上記鉄基合金粉末を塗布した有機バインダーシート、または上記鉄基合金粉末と有機バインダーとを混合した有機バインダーシートにセラミックス繊維を所望の体積分率となるように平行に配位した繊維入り有機バインダーシートとし、このシートを繊維の向きが軸方向と直角方向或いは軸方向と角度を有するように巻き重ねて所望の体積分率となるように繊維体を形成する方法によってロール軸の周りに繊維体を形成するとともに繊維の周囲に炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置したセラミックス繊維体を形成することができる。
【００５０】
このようにして形成した繊維体をホットプレス或いは熱間静水圧成形により焼結成形することによって、複合ロールを製造することができる。
【００５１】
ホットプレス或いは熱間静水圧成形においては、ホットプレス或いは熱間静水圧成形に先だって予め繊維体を加熱し有機バインダー、ワックスのような間隔材を分解除去した後、焼結成形することが好ましい。これによって外層は実質的にセラミックス繊維と上記炭化物を含有する鉄基合金の焼結体により形成され、ロール軸と外層とは接合される。
【００５２】
また、上記繊維体の周囲に金属製あるいは耐火物製の筒状の鋳型を設け、繊維体を加熱して鉄基合金粉末を溶融させることによって、複合ロールを製造することができる。その際、有機バインダー、ワックスのような間隔材は分解消失し、外層は実質的にセラミックス繊維と溶融後の冷却において晶出した上記炭化物を含有する鉄基合金により形成され、ロール軸と外層とは接合される。
【００５３】
ロール成形後は、ロールの使用条件において要求される硬度、表面粗度を得るように、熱処理条件、研磨条件を選定して処理すればよい。
【００５４】
本発明の複合ロールの軸は鋼製であるが、鋳鋼、鍛鋼、強靭鋳鉄等も使用できる。なお、図６に示すように鋼製ロール軸材１と耐摩耗材の外層部２との間に鋼製の中間体１１を設け、中間体の上に外層を設ける構造としてもよい。
【００５５】
本発明の複合ロールは外層に相当する部分の少なくとも表層部を特許請求の範囲の繊維強化金属とした単層或いは複層にしたスリーブとし、内層との接合は溶接、焼結、溶融等の接合方法の他、焼嵌め、嵌合等の方法によって接合し、複合ロールとしても使用できる。
【００５６】
また、本発明の外層材はロール材のみならず、シームレス、線材圧延、熱押し、鍛造等の熱間加工用工具や冷間加工用工具としても使用できる。
【００５７】
【実施例】
（実施例１）
ロール直径：１００ｍｍ、ロール胴部長さ：１００ｍｍ
軸の長さ ：２００ｍｍ
軸材 ：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼
外層部の鉄基合金の成分：質量％
Ｃ ：２．０ Ｃｒ：５．０ Ｖ ：５．０ Ｍｏ：５．０
Ｗ ：５．０ Ｓｉ：１．５ Ｍｎ：１．０
セラミックス繊維：直径１４μｍ、長さ０．５ｍｍのＳｉＣ繊維の表面にＴｉＮを３μｍ被覆。
【００５８】
上記鉄基合金粉末にＳｉＣ繊維を１５質量％混合し、軸周りに形成した後、図４（イ）に示すように鉄製のカプセルの中に納め、（ロ）の蓋を溶接し、カプセルの中を真空脱気して封入した後、１２００℃でＨＩＰ成型した。冷却後、カプセル材を除去し、硬度がショアー硬度で８０〜８５になるように焼入れ、焼戻し処理を行った。
【００５９】
この場合、炭化物としてはＶＣと複合炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）6Ｃが晶出していた。
【００６０】
耐クラック性評価試験実ロールと同じ熱サイクルを与えて耐クラック性を評価した。熱サイクルは、高周波により局部的に約６００℃に加熱し、直後に水冷することにより行い、加熱−水冷サイクルを１０5回繰り返し、クラック深さをクラックメータで測定した。
【００６１】
結果
クラック深さは、１．２ｍｍであった。なお、比較のために同じ条件で作製したＳｉＣ繊維の入っていない成分のロールでは、クラック深さ、４．８ｍｍであった。本発明構造は耐クラック性に効果があることを確認した。
【００６２】
（実施例２）
ロール直径：１００ｍｍ、ロール胴部長さ：５０ｍｍ
軸の径：５０ｍｍ、軸の長さ ：１５０ｍｍ
軸材 ：Ｃｒ−Ｍｏ鋼
外層部の鉄基合金の成分：質量％
Ｃ ：２．２ Ｃｒ：６．０ Ｖ ：６．０ Ｍｏ：４．０
Ｗ ：６．０
セラミックス繊維：直径１４μｍのＳｉＣ及び直径１５μｍのＳｉ3Ｎ4繊維の表面にアルミナを２μｍ被覆。
【００６３】
ＳｉＣ繊維をリング状に巻回密度約４０％で成形した後、これを図５に示すようにアルミナセラミックスの型に納め、上記外層部の鉄基合金を真空中１４５０℃で溶解してＳｉＣ繊維のリングに溶融含浸（溶浸）させた。
【００６４】
冷却後、鋳型から取り出し硬度がショアー硬度で８０〜９０になるように焼入れ、焼戻し処理をした。この場合、炭化物としてはＶＣと複合炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）6Ｃが晶出していた。
【００６５】
なお、Ｓｉ3Ｎ4繊維についても同様な成形および処理を行った。
【００６６】
耐クラック性評価試験
実施例１と同じ熱サイクルを与えて耐クラック性を評価した。
【００６７】
結果
クラック深さは、ＳｉＣ繊維で０．５ｍｍ、Ｓｉ3Ｎ4繊維で０．７ｍｍであった。なお、比較のために同じ条件で作製したセラミックス繊維の入っていない成分のロールでは、クラック深さ、４．０ｍｍであった。本発明構造は耐クラック性に効果があることを確認した。
【００６８】
耐摩耗性の比較
上記ＳｉＣ繊維入りとＳｉ3Ｎ4繊維入りと繊維が入っていないロールについて、熱間コイル圧延試験機（単スタンド圧延）にて、耐摩耗性を評価した。圧延材は普通鋼コイル（幅２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ１０００ｍ）を用い、圧延条件はコイル加熱温度９００℃、圧下率３０％で行い、コイルを各ロール材で１０本圧延した。摩耗量は圧延前後のロールプロフィールを測定し、その最大深さの差で比較した。摩耗深さは、繊維が入っていないロールの場合を１とすると、ＳｉＣ繊維入りロールの場合で０．７３、Ｓｉ3Ｎ4繊維入りロールの場合が０．８０であり、繊維を入れることにより耐摩耗性の改善が確認できた。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明は耐摩耗性を改善するとともに、耐クラック性改善に効果があり、ロール寿命の向上に多大の貢献を成すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合ロールの１例を示すもので、強化繊維をロール軸の周方向に巻回した時の（イ）は断面図、（ロ）は斜視図である。
【図２】本発明の複合ロールの他の例を示すもので、強化繊維をロール軸に平行に配位させた時の（イ）は断面図、（ロ）は斜視図である。
【図３】本発明の複合ロールの他の例を示すもので、強化繊維の巻回時に繊維をクロスさせた例を示す斜視図である。
【図４】本発明の複合ロールの製作方法の一例としてＨＩＰによる方法を説明する図であり、（イ）はロール軸の周りのカプセル内に外層材（繊維混合体）を納めた状態、（ロ）はカプセルの蓋を溶接し、外層材（繊維混合体）を封入した後の状態を示す図である。
【図５】本発明の複合ロールの製作方法の他の例として、溶融含浸（溶浸）による方法を示す断面模式図であり、セラミックス繊維体を型に納め、合金を溶融含浸（溶浸）させる状態を示す図である。
【図６】本発明の複合ロールの一例を示すもので、鋼製ロール軸と外層の間に中間体を設けた例を示す図である。
【図７】従来の複合ロールの断面を示す図である。
【符号の説明】
１ ロール軸材
２ 外層部
３ 強化繊維
４ カプセル
５ 繊維混合体
６ 溶接
７ 蓋
８ セラミックス繊維体
９ 溶融含浸（溶浸）用合金
１０ 鋳型
１１ 中間体
Claims (11)
- 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が酸化物、窒化物で被覆された炭化珪素繊維或いは窒化珪素繊維であることを特徴とすることを特徴とする複合ロール。
- 上記セラミックス繊維の小片が、鉄基合金中に分散してなることを特徴とする請求項１記載の複合ロール。
- 鋼製の軸の周辺に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールにおいて、該外層の少なくとも表層部が、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金とセラミックス繊維とからなり、前記セラミックス繊維が鋼製のロール軸の周方向に巻回、或いは軸方向に配向され、この繊維の間隙に上記鉄基合金が含浸されてなることを特徴とする複合ロール。
- 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらにＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合ロール。
- 上記鉄基合金が、質量比で、０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらにＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、その上５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合ロール。
- 鋼製のロール軸の周囲に耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りに、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金粉末と酸化物または窒化物で被覆された炭化珪素繊維あるいは窒化珪素繊維であるセラミックス繊維の小片とを混合して配置した後、この鉄基合金粉末とセラミックス繊維を加熱し、焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
- 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体に溶融したＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上を含有する鉄基合金を供給することを特徴とする複合ロールの製造方法。
- 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を焼結成形することを特徴とする複合ロールの製造方法。
- 鋼製のロール軸の廻りに耐摩耗性材料からなる外層を設けた複合ロールの製造方法であって、前記鋼製ロール軸の周りにセラミックス繊維を巻回あるいは軸方向に配向すると共に、このセラミックス繊維の周囲にＷ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種以上よりなる炭化物を含有する鉄基合金粉末を充填配置してセラミックス繊維体を形成した後、このセラミックス繊維体を加熱して鉄基合金粉末を溶融することを特徴とする複合ロールの製造方法。
- 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
- 上記鉄基合金が、質量比で０．８〜３．５％のＣ、２〜７％のＣｒ、１０％以下のＭｏ、２０％以下のＷを含み、さらに、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆの群から選ばれた１種または２種以上の元素を群での総量で３〜１５％含み、さらに質量比で、５％以下のＮｉ、１０％以下のＣｏのいずれか又は両方を含み、残部実質的にＦｅからなることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の複合ロールの製造方法。
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