JPH04228210A - 金属材料の圧延方法および圧延ロール表面の調製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の板、帯、および
箔の圧延に関し、特に、各圧延スタンドのワークロール
およびバックアップロールに微細な処理を施した表面組
織および皮膜を付与するロール表面仕上げ方法に関する
。この表面組織および皮膜は、摩耗屑の発生を低減し、
十分な圧延牽引力を提供し、また、ロール／圧延材料界
面に適度な摩擦を確保することにより摩擦力を制御する
。このロール表面仕上げ方法は、熱間圧延および冷間圧
延するためにインゴットの厚さを減少させるリバーシン
グ（分塊）ミルに用いるロールから、冷間圧延ミルや箔
圧延ミルの最終スタンドに用いるロールまで適用される
。

【０００２】

【従来の技術】牽引力については、圧延された材料（す
なわち板、帯、箔）が所望の圧下量となっているように
、ミル（圧延機）のワークロールと圧延されている板、
帯、あるいは箔との間に、最小の牽引力が必要になる。 液体による潤滑と高度に研磨したロールとを用いた場合
、バックアップロールとワークロールとの間でもワーク
ロールと圧延材料との間でもスリップが起こり易いので
、バックアップロールとワークロールとの間の牽引力お
よびワークロールと圧延材料（圧延される材料）との間
の牽引力が問題になる。研削およびクロムメッキしたロ
ールの表面が実質的な牽引力が確保できる程度に粗い場
合には、圧延を受けている表面の材料がロールによって
移動させられる微視的な加工が起きる。この加工された
材料は金属および金属酸化物の粒子であり、圧延された
材料の表面に集積する。この現象はアルミニウムの板、
帯、箔の圧延において非常に大きな問題となる。それは
、圧延された材料の表面から加工されて発生した相対的
に硬い酸化アルミニウムの粒子は、酸化されず元のまま
の相対的に柔らかいアルミニウム中に埋め込まれた状態
になり、これが更にロールの表面組織内に付着あるいは
押し込まれ、ロールを被覆した状態になるからである。 その結果、硬い粒子がロールから圧延材料表面に再転移
する現象が常に起こることになる。

【０００３】上記の問題は、従来の研削ロールを用いた
タンデムミルの場合には特に重大である。タンデムミル
の各スタンドには一般的に単一の冷却・潤滑剤が用いら
れ、この冷却・潤滑剤はいわゆる「オイルハウス」と呼
ばれる単一の潤滑剤浄化設備で濾過される。摩耗屑が多
量に発生すると、オイルハウスでの濾過に対する負荷が
かなり大きくなる。

【０００４】タンデムミルの場合にもう一点注意すべき
ことは、潤滑条件が各スタンドで異なるということであ
る。スタンド毎に潤滑条件が異なる原因は、ロールスピ
ード、温度、圧下率、材料厚さ、および各スタンドで圧
延材料に負荷されるフロントテンションとバックテンシ
ョンが異なることである。潤滑条件の差異の原因は、異
なる種類の冷却・潤滑剤を用いることではない。冷却・
潤滑剤の物理的・化学的性質はミル全体について同一で
あり、各スタンドでの潤滑条件を変える一つの方法は、
そのスタンドについてロールの表面組織を最適化するこ
とである。

【０００５】アルミニウムの圧延で生ずる種々の問題は
、アルミニウム生地がロール表面に付着し易いことがそ
の一因となっている。付着の発生が特に著しいのは、ロ
ールの圧下作用領域で潤滑剤の量が不十分であり、潤滑
剤の品質が悪く、圧延材料の表面がロール表面に鋤かれ
て小さな残留部が生じて付着を助長するようなロール表
面粗さの場合である。アルミニウムの表面自体は柔らか
いので、ロール表面に付着した材料が圧延材料の表面に
再転移すると、アルミニウム摩耗屑と潤滑剤残滓とが混
ざった圧着汚れや黒い縞模様等の重大な表面損傷が生ず
る。このような表面損傷が生じたものは商品としての価
値がほとんど無いので、スクラップにしてリサイクルに
回すしかない。ロール表面は、次に圧延する材料の表面
品質を確保するために、もう一度仕上げ処理を施して付
着物質を除去しなければならない。

【０００６】連続熱間圧延ミルとリバーシング（分塊）
ミルの場合、潤滑条件を適正にすることが非常に難しく
、ロール表面および圧延材料表面が高温であるためワー
クロール表面への多量の摩耗屑の転移は通常避けられな
い。高温のため潤滑剤はロール圧下位置に入る前に部分
的に蒸発する。発生した蒸気膜がロール表面の油「被覆
」を妨害する。それによってロール圧下作用領域内での
有機潤滑剤の分解が助長され、その結果ロール表面の境
界保護皮膜が破れる。圧延スピードが遅かったり、ロー
ル表面粗さが大きかったり、圧下量が大きかったりする
ときにも、多量の摩耗屑転移が起きる。これらの要因が
組み合わさると、流体力学的な作用が阻害される結果、
界面圧力および温度が上昇し、圧延材料表面の微視的加
工が著しくなり、ロール圧下作用領域でのロールと圧延
材料との接触長さが増加する。スクラッチブラシのよう
な補助具を用いて、ロール表面に転移した金属を除去し
なければならない。転移物質を確実に除去しないと、既
に説明したように圧延材料表面への再転移が起きる。ス
クラッチブラシの使用のような付加的工程を行うと、熱
間圧延工程の機械的負荷（すなわち製造工程および装置
）を増加させることになり、圧延コストが上昇する。

【０００７】最も大きい粒子が支配的な場所では、３部
材間摩耗によるワークロールとバックアップロールとの
間の摩耗が著しく、局部的な塑性変形が起きる。そのた
め、ロール表面を再ドレッシングしなければならないの
で、多大な時間の浪費となる上、研削済ロールを余分に
在庫しなければならない。圧延工程に特有な上記の各問
題は、従来ロール工場で行われている、一回または二回
以上の研削工程を行う仕上げ処理に起因していると考え
られる。研削は確率過程であるため、研削されたロール
は不規則な表面粗さになり、このロール表面ではロール
圧下作用領域での潤滑剤レオロジーおよび摩擦を適正に
緩和することができない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の基本的
な目的は、リバーシングミルから冷間圧延ミルの最終ス
タンドまでを含む商用圧延ミルの各スタンドの異なる潤
滑条件に適用できる十分な汎用性を持たせ、ミルのどの
スタンドでも十分摩擦を緩和し、潤滑および摩耗を調整
できるロール表面仕上げ技術を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、個別の３
工程を含む表面仕上げ方法により達成される。第１工程
は前処理工程であり、ロール表面を研磨（ポリッシュ）
・研削（グラインド）により鏡面仕上げする工程であっ
て、この仕上げを行った表面粗さは０．３μｍ未満、望
ましくは０．１μｍ以下のミクロン範囲内である。第２
工程は主処理工程であり、ロール表面にミクロンサイズ
の窪みが不連続に存在する表面組織を付与する工程であ
って、最終（冷間圧延）スタンド用のロールにはこの処
理を行わない場合もある。個々の窪みはその開口縁に沿
った環状唇部を有する。この唇部の形成機構は、下地が
局部的に融解した後集束エネルギービーム装置および／
または補助ガス（使用した場合）の圧力で盛り上がる作
用と、気化あるいは蒸発した材料が後から堆積する作用
との組合せによる。この唇部の物理的な寸法、すなわち
直径および高さは、窪みを形成するのに用いる技術に依
存している。この窪み形成技術としては、一般的にレー
ザビームまたは電子ビームのような集束エネルギービー
ム装置を用いるものが含まれる。熱間圧延工程の前部ス
タンドに用いるロールについては、唇部を部分的に除去
する。すなわち、ロール表面との冶金学的結合が一般的
に弱い蒸発堆積部分は完全に除去し、下地金属が融解し
て僅かに盛り上がった部分のみを残す。この盛り上がり
部分は、ゲージ厚の非常に大きい材料を圧延する熱間圧
延工程の前部スタンドで必要な牽引力を提供する。熱間
圧延工程の後部スタンドおよび冷間圧延工程の前部スタ
ンドで用いるロールについては、この唇部を実質的に除
去してロール表面に窪みを残す。この除去プロセスには
研磨工程が含まれる。いずれの表面組織形態も、熱間圧
延または冷間圧延のロール圧下作用領域により多くの潤
滑剤を供給する作用を果たし、ロール／圧延材料界面を
効果的に潤滑すると同時に必要な牽引力を提供する。

【００１０】表面仕上げ方法の第３工程すなわち最終工
程では、前述の研磨を行った後に、ロール表面組織の細
部に良く馴染む硬質皮膜材料を被覆する。冷間圧延工程
の後部スタンドの場合には、窪み唇部の蒸発堆積部分を
研磨によって除去し窪み唇部の融解部分を残す。冷間圧
延工程の後部スタンドで用いるロール表面の窪みの寸法
（すなわち直径および深さ）は、熱間圧延ロール表面の
窪みの寸法よりも小さい。この研磨によって窪みの開口
縁に非常に僅かな環状唇部が残される。

【００１１】窪みの研磨および被覆は、どの圧延工程用
のロールについても、窪み唇部の残留部分の傾斜がロー
ルの公称表面に対して２５°未満の非常に緩い傾斜にな
るように行う。この浅い唇部がロール圧下作用領域に入
ると、唇部はロールと圧延材料の協同作用表面内に緩や
かに鋤き入って、スリップを防止するのに十分な牽引力
と提供するが、従来の研削ロールのように多量の摩耗屑
を発生させることはない。窪みは、ワークロール表面へ
の圧延材料の付着を防止するのに十分な潤滑をロール圧
下作用領域に提供する。一方で唇部は圧延材料表面にミ
クロンサイズの凹部を形成し、この凹部は、次スタンド
での圧延、圧延された製品の深絞り加工、扱き加工、ス
タンピング加工等の金属成形工程で少量の潤滑剤を保持
する作用をする。

【００１２】ロール圧下作用領域での摩耗屑発生が低減
されることにより、従来のロール研削法に比べて、圧延
された製品およびロールが清浄であり、また最終的な圧
延製品の表面品質も優れている。冷間圧延工程の最終ス
タンド（１基または複数）のロールについては、窪みを
設ける代わりに、本発明者の米国出願第３４２，３００
号（１９８９年４月２４日出願）に記載した螺旋溝を設
けることもできる。上記出願の内容は本発明において参
考として取り入れた。

【００１３】ミクロンサイズの溝は高度に集束された細
い電子ビームまたはレーザビームによって形成すること
ができ、一般にその場合の窪み直径は電子ビームの幅ま
たはレーザビームの波長の数倍になる。電子ビームを構
成する電子の衝撃あるいはロール表面層による電磁放射
線の吸収によって、融解および蒸発による切除が行われ
て窪みが形成される。このタイプの微視的加工中に、表
面層の材料の一部は蒸発切除作用によって窪みの開口縁
上に移動し、一部は融解切除作用によって窪み内部で移
動し、その結果形成される唇部の全体的な寸法はこれら
両作用に依存している。蒸発した材料は一般的に軽研磨
（後処理工程の一部）で容易に除去できるが、融解した
材料は容易に除去されない。堆積した材料はその大部分
を除去することによって、その望ましい機能を失わず且
つ圧延中に摩耗屑となることがない。更に、このロール
表面を硬質高密度材料で被覆すると、ミクロンサイズの
窪みと唇部の融解部分とが上記材料で被覆され、窪みの
深さおよび残留している唇部の斜面傾斜が減少する。ロ
ール表面の窪み形成は化学エッチングによって行うこと
もできる。その場合には、窪みの唇部に沿った材料の堆
積は生じない。

【００１４】近年、特に鋼の圧延に関して、レーザー装
置を用いて圧延ミルロールにミクロンサイズの窪みを形
成する特許および刊行物がかなり出されている。しかし
、これら特許および刊行物に開示されている内容には、
鋼製ロール表面に圧延材料が非常に付着し易いという問
題については全く考慮されていない。ミルロールを構成
する鋼よりも柔らかいアルミニウムのような圧延材料が
付着、機械的噛み合い（すなわち掴み合い）、および押
し込み（ｂａｃｋ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）を起こし、そ
の結果摩耗屑が発生する現象は、速いロールスピードで
かなりの高圧下をかけた場合に特に顕著な問題である。

【００１５】Ｂｒａｇｇａｒｄらの米国特許第４，８０
６，７３１号は、間欠的なレーザビームによてミルロー
ルに設けた窪みの周囲に形成された尾根状部分（ｒｉｄ
ｇｅ）の「脱離　（ｐｕｌｌｉｎｇ　ｏｆｆ）」に関す
るものである。Ｂｒａｇｇａｒｄらはこの「脱離」問題
に対処するため、材料の各尾根状部分を窪みの片側に且
つレーザビームの衝撃によって加熱されたロール表面領
域の上方に配置した。更にＢｒａｇｇａｒｄらは第２の
レーザービームを用いてロール表面の尾根状部分を再融
解させて脱離現象を制御することを示唆している。Ｂｒ
ａｇｇａｒｄらは、前処理工程（すなわちロール表面を
研磨／研削により鏡面仕上げすること）および後処理工
程（すなわち蒸発堆積した材料を除去した後、ロール表
面に硬質皮膜を被覆すること）については全く記載して
いない。

【００１６】更にＢｒａｇｇａｒｄらは、ＣＯ２　レー
ザーと回転円板とを用いて間欠的ビームを形成している
。ＣＯ２　レーザーでは、その光の波長である１０．６
４μｍより小さい直径の窪みを形成することは理論的に
不可能である。原理的には、数波長を用いて１０．６４
μｍよりも大きい直径の窪みを形成することは可能であ
る。１０．６４μｍあるいはそれより大きい粗さのロー
ルでアルミニウムシートを圧延した場合、シートに転写
された表面組織は肉眼で検知可能であり、パッケージ分
野の顧客の立場からすれば、このことは冷間圧延工程の
後部スタンドでは特に望ましくない。また、ＣＯ２　プ
ロセスで形成される窪み唇部の寸法は、アルミニウムの
熱間圧延および冷間圧延のいずれにおいてもかなりの摩
耗屑を発生させることになるので実用に向かない。

【００１７】ＣＯ２　レーザーは、波長０．５３２μｍ
の光を生成する２倍周波数Ｎｄ：ＹＡＧレーザーに比べ
て、鏡面研磨された工具鋼表面へのエネルギー結合効率
が良くない。ＣＯ２　レーザーを用いた場合、他の結合
媒体を用いず又はロール表面がほぼ鏡面研磨仕上げされ
ていると、ＣＯ２　レーザービームの多くが反射してし
まう。また、結合効率が低いことによって、鏡面研磨さ
れたロール表面にＣＯ２　レーザーによって生成される
表面粗さには若干バラツキが生ずる。ＣＯ２　レーザー
で望みの粗さを生成するには、ロール表面上で発熱反応
を起こすために酸素を必要とする。ＹＡＧ　レーザーで
必要なのは工場のエア配管から得られる補助ガスのみで
あり、純粋な酸素を用いるよりも経済的であり、且つ殆
どの生産現場で容易に採用できる。補助ガス（エア）は
ビーム／金属間の相互作用によって発生したプラズマ／
蒸気を効果的に移動させ、プラズマ／蒸気による光の散
乱を防止し、ＹＡＧ　レーザーのエネルギーを効果的に
鏡面仕上げ表面に結合させる。

【００１８】Ｂｒａｇｇａｒｄらが用いたような機械的
ビームチョッパーはＣＯ２　パルスのピークパワーを幾
分増加させる作用はあるが、Ｑスイッチ式ＹＡＧ　レー
ザーによって生成されるパルスのピークエネルギーには
及ばない。

【００１９】ロール表面粗さを鏡面仕上げ状態にする本
発明の前処理の基本的な目的は、研削によって生じた表
面粗さが持つ確率的な要素を極力少なくすることである
。事実、ロール表面を最初に鏡面仕上げしておくことに
よって、ロール表面および圧延材料表面の研削マークが
かなり少なくなる。このことによって、レーザー処理し
たロール表面組織で圧延製品の表面光沢および成形性を
制御することが容易になる。

【００２０】また、Ｂｒａｇｇａｒｄらの装置は、機械
的なチョッピングが必要な連続波を用いているので、機
械的な負担が大きい。その上、Ｂｒａｇｇａｒｄらの方
法は、ロール表面の各窪みに近接した尾根状***部分（
ｒｉｄｇｅ）を融解させ溶接するために第２のレーザー
ビームを用いるので更に機械的負荷が大きくなる。

【００２１】Ｂｒａｇｇａｒｄらの方法によって得られ
る表面粗さは、最終スタンドにおいて最少の潤滑を行い
小さい圧下量で焼鈍圧延を行うことが一般的である鋼の
圧延には用いることができる。しかし、圧延材料が窪み
に付着して押し込まれ、これがロール表面から圧延材料
表面に再転移するアルミニウム等の非鉄軽金属の圧延に
用いることはできない。この問題はロールに付与すべき
表面組織の設計によって注意深く解決されなければなら
ない。その最良の方法は、表面組織の付与に用いるエネ
ルギーの集束ビームを適正に機械操作し、この表面組織
付与工程を前処理工程および後処理工程を含む表面仕上
げ方法全体の中に組み込むことである。以下に、添付図
面を参照し実施例によって本発明を更に詳細に説明する
。

【００２２】

【実施例】既に説明したように、本発明のロール表面仕
上げ技術は、圧延ミルの個々のスタンドのロール表面を
そのスタンドに必要な潤滑条件に合わせて調製するよう
にロール表面を微視的処理するために別個の３工程を含
む。それによって、摩耗屑の発生が大幅に減少し、摩耗
屑が原因となる問題全てが減少する。そして、製品表面
は個々の最終品質および用途（例えば、光沢、成形性等
）に合わせて調製されるので、高品質の圧延製品を製造
することができる。

【００２３】図１に模式的に示した３基の圧延ミルスタ
ンド１、２、３は、スタンド１におけるインゴット１２
の分塊から、板１４が通る冷間圧延ミルの最終パスのス
タンド３までの圧延によって金属材料の厚さを減少させ
る工程１０の全段階を代表するものである。以下の説明
の便宜上、スタンド１でリバーシング（分塊）ミルを代
表させ、スタンド２で熱間圧延ミル（通常は多数のスタ
ンドを含む）を代表させることとする。スタンド２は、
分塊工程から出た板１６の厚さを巻き取りに適した寸法
まで減少させる。１６のコイルを形成したのちに、この
コイルを冷間圧延ミル（スタンド３）に送り、そこでコ
イルを巻き戻して（解いて）冷間圧延ミルを通して更に
厚さ減少させる。

【００２４】ミルスタンドの殆どは、直径が一般的に約
１０〜３０インチの範囲に入る比較的小径のワークロー
ル１８と、直径が一般的に約３０〜５０インチの範囲に
入る大径のバックアップロール２０とを有しているが、
本発明の技術思想は、ロールを２個だけ用いたミルスタ
ンドにも４個より多いロールを用いたミルスタンドにも
適用できる。

【００２５】本発明においては、ワークロール１８を、
そして望ましくはバックアップロール２０をも、十分な
牽引力を提供できると同時に摩耗屑の発生を極力減少さ
せるような状態に調製する。これは３工程表面仕上げ方
法によって達成される。この方法の第１工程においては
、平均粗さが望ましくは０．１μｍ以下となる程度にロ
ール表面を研磨（ポリッシュ）または研削（グラインド
）する。この方法の第２工程においては、図５の顕微鏡
写真および図２および３のロール部分断面図に示したよ
うに、上記研磨または研削した表面にミクロンサイズの
窪み２２を形成する。

【００２６】この窪み２２は後に詳述する電子ビームま
たはレーザビーム（図示せず）で形成することが望まし
い。形成されたままの状態では窪みの深さは５μｍ程度
であり、この深さは表面仕上げの第３工程で硬質皮膜２
３（図２および３）を施したときに減少する。この皮膜
としては、例えば１０μｍより薄い高密度のクロムある
いは類似の材質を用いることができる。この皮膜はロー
ル１８の表面への圧延材料１２および１６の付着を著し
く減少させる効果があることが分かった。そして、個々
の窪み２２の深さが浅く且つ斜面が緩やか（２５°未満
）であるため、ロール表面がそれよりも柔らかい１２お
よび１６の材料中に微視的に切り込む作用が著しく低減
するので、摩耗屑（発生した後ロール表面に拾い上げら
れる）が減少する。（図２および３において、ロールの
回転および圧延材料の走行の方向を矢印２５で示してあ
る。）更に、皮膜２３はロール表面組織を保存する作用
があるので、ロールを頻繁に研削によって再ドレッシン
グする必要がない。

【００２７】並んでいる窪み２２同士の間隔は、圧延方
向および横断方向のいずれについても、ロール圧下作用
領域での圧延材料とロールとが接触する長さと、圧延過
程のスピードとによって一般的に決定される。これら両
方向についての望ましい窪み間隔は上記接触長さの３０
％未満であり、接触長さは下記式のＬで近似的に得られ
る。 ＬＣ　＝（ａＲｔ１）１／２　　　　　　　　　　　　
　（１）ここで、Ｒ＝厚さ減少比（圧延材料の元の厚さ
に対する圧下量の比） ａ＝ロール半径 ｔ１　＝金属走入ゲージ

【００２８】個々の窪み２２の公称の窪み直径の寸法あ
るいはスパンは４つの要因によって制限される。第１の
要因はロール圧下作用領域での摩耗機構である。摩耗の
立場からは、窪みの密度が低く公称直径が小さいほど、
摩耗屑の発生速度は小さくなる。窪みを小さく、浅く、
疎らにすることが重要な理由は、圧延中に圧延材料の表
面がロールに対してスリップするということである。ロ
ール圧下作用領域に沿って圧延材料の厚さが減少するた
め（すなわち塑性変形中に体積は一定なので）、圧延材
料がロール間に入ってから出るまでの間で圧延材料のス
ピードは増加する。この現象はアルミニウムの圧延に用
いる比較的速い圧延スピードでは特に顕著になる。ロー
ル圧下作用領域内には、圧延材料とロール表面とが同じ
スピードになる中立点として知られている点がある。ロ
ール表面はこの中立点に到達する前には圧延材料よりも
速いスピードで圧延方向に移動する。この中立点を通過
した圧延材料はロール表面よりも速いスピードで移動す
る。このようにロール圧下作用領域内でスピード差があ
るため、ロール表面は圧延材料表面を扱くことになる。 そのため、摩耗屑の発生量はロール表面が圧延材料表面
を扱く距離に比例する。冷間圧延の場合、扱き距離ＳＤ
（ｓｍｅａｒｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　）は近似的に
下記式で表される。 　　ＳＤ＝（ａＲ３　ｔ１）１／２　／３（１−Ｒ）　
　　　　　　　　　　　　　（２）ここで、各記号の意
味は前記式（１）で定義した通りである。熱間圧延につ
いては式（２）に相当するものは知られていない。しか
し、熱間圧延の場合の扱き距離ＳＤは、厚さ減少比、ロ
ール半径、および圧延材料の走入ゲージに比例すること
が知られている。

【００２９】摩耗屑発生量は、〔１〕窪み２２の開口縁
に沿って位置するロール材の周囲堆積部２４（図２およ
び４）の凸部（ピーク）カウント数、〔２〕２４の凸部
斜面傾斜、および〔３〕公称ロール表面粗さにも比例す
る。一般的には、窪み２２の密度が高いほど堆積材２４
の斜面傾斜が大きく、その結果摩耗屑発生速度が大きい
。

【００３０】窪み２２の寸法を制限する第２の要因は、
ロール圧下作用領域で必要な牽引力の大きさである。窪
みの最小寸法は金属の厚さを減少させるのに要する最小
の牽引力によって制限される。冷間圧延のような速い圧
延スピードでは、ロール圧下作用領域での潤滑剤膜の厚
さが大きくなる。したがって、十分な牽引力を提供し、
純粋に流体力学的な潤滑あるいは完全に膜による潤滑が
起きるのをを防止するには、ロール表面に大きい窪みを
高密度で形成することが望ましい。上記２つの要因（す
なわち小さい低密度の窪みに対して、大きい高密度の窪
み）は明らかに相反する作用をするので、これら２要因
をバランスさせなけらばならない。

【００３１】窪み寸法を制限する第３の要因は、集束さ
れたレーザビームの波長および瞬間的なプロフィルまた
は集束された電子ビームの幅である。理想的には、レー
ザビームの波長と一致した窪み直径を微視的加工できる
はずである。現実には、回折（例えば、ガウス形あるい
はベル形の強度プロフィルを用いた場合）、光学系の不
完全さ、およびビームの安定性のため、この値を幾つか
合わせたところが限度である。ビームの波長は、ロール
表面に有効に吸収されるビームエネルギー量をも制限す
る。レーザーは一般的にパルス状であり、その瞬間的な
プロフィルは単位時間内にロール表面に衝突するエネル
ギーの量を制限し、その時間内に吸収できるエネルギー
量を制限する。更に、全体的な窪みの形状および性状は
、衝突するビームのエネルギー、ビームの衝突角度、お
よび補助ガス（必要な場合）の角度によって部分的に制
御される。

【００３２】窪み寸法に影響を及ぼす第４の要因は肉眼
による解像力である。例えばパッケージ業界で一般的に
金属シート製品の顧客に好まれるのは、均一で滑らかな
光沢のあるシート表面すなわち肉眼で知覚できる表面組
織の無いシート表面である。したがって、冷間圧延ミル
から出てくるストリップの表面の窪みは最大直径が３０
．０μｍ以下でなくてはならない。（これは肉眼で見分
けられない寸法である。）熱間圧延の場合は、それ以降
の圧延で表面組織が隠されるので特に制限は無い。

【００３３】本発明の仕上げ方法の第２工程で適用する
表面組織は、前述のように、集束されたエネルギービー
ムの装置（図示せず）を用いて高度の正確さで形成でき
る。その際に望ましい装置は前出の米国特許出願第３４
２，３００号に記載されているＱスイッチ式Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザーである。このレーザーは広い自由度で波長を
選択できるため、表面組織の寸法がビームの電磁気的エ
ネルギーの波長と直接関係することを利用して、種々の
幅および深さの表面組織（窪み）をロール表面に付与す
ることができる。この点については上記米国出願に記載
されており、その細部を本明細書中でも参照している。

【００３４】本発明の表面組織を付与できるもう一つの
集束エネルギービーム装置は電子ビーム装置である。こ
の装置は粒子状物質（即ち電子）の集束ビームを提供す
る。電子ビーム装置は殆どのレーザー装置に比べて処理
スピードが速い点で特に有利である。これは、レーザー
の光エネルギーの場合、窪みを形成する前に表面を短時
間加熱する必要があるためである。電子ビームの粒子状
物質は直ちに窪みを形成できるが、ロールとビームとを
制御された環境、即ち真空チャンバ内に配置しなくては
ならない点でレーザー装置より不利である。レーザーの
場合はこのようなチャンバは不要である。いずれの装置
もコンピュータ制御が可能であり、それによって照射プ
ロセスの変動を最小限にできる。

【００３５】本発明において、上記集束エネルギービー
ム装置の電子制御によって行われるようにロール表面の
窪み形成を安定して行うことにより、ロール／ロール界
面およびロール／圧延材料界面の複雑な界面物理現象に
対処して、分塊スタンドから、最終圧延製品が出てくる
圧延ミル最終スタンドまでの金属の圧延プロセス、特に
アルミニウムおよびその合金のような軽金属の圧延プロ
セス全体について、牽引力を高めながら摩耗屑の発生を
低減させる。

【００３６】ロール表面組織を正確に制御して付与する
ことは、化学エッチングによっても可能である。これは
、例えば次のような手順で行うことができる。先ず、正
確な位置および寸法の貫通孔を設けたマスクでロールを
覆う。次に、このロールをエッチング用化合物の浴内で
回転させ、上記正確な位置および寸法の貫通孔によって
ロール表面の各貫通孔の位置をエッチングする。エッチ
ング用化合物が、ミクロンサイズの窪みを形成するのに
十分なだけロール表面の材料を除去する。回転を停止さ
せてから、マスクをロールから外し、その後、以下に詳
述するように硬質材料でロールを被覆する。このエッチ
ングプロセスでは、周囲堆積部２４の有る窪み２２は形
成されない。したがって、化学エッチングによる窪み形
成方法は、圧延工程全体の前部スタンド、すなわち熱間
圧延ミルの後部スタンドおよび冷間圧延スタンドの前部
スタンドに用いることが望ましい。

【００３７】本発明の表面仕上げ方法の第３工程におい
ては、圧延工程の前部スタンド（すなわち熱間圧延を行
うスタンドまたは冷間圧延の前部スタンド）に用いるロ
ールについて、窪み２２の開口縁を取り巻く堆積材料２
４（図２および４）の尾根（頂部、ｒｉｄｇｅ　）を部
分的にまたは殆ど除去する。堆積材料の除去プロセスは
下記の操作を単独でまたは組み合わせて行う。すなわち
、ラッピング、電動ブラッシング、化学的および電気化
学的表面仕上げ、電界研磨、化学研磨、および付加的な
機械研磨の各操作である。蒸着堆積材料の残留量は、蒸
着堆積した材料全量の１０％以下とすることが望ましい
。

【００３８】図３に、ロール表面に形成された２つの窪
み２２を断面図で示す。開口縁を取り巻くロール材の周
囲堆積部を除去して微細な窪み２２のみを残した状態で
ある。堆積材料を除去しておくと、ロール１８の表面に
よって圧延材料１６の表面が微視的凸部で加工あるいは
鋤かれること少なくなるので、摩耗屑の発生が低減する
。図３に示したように窪みの縁部が比較的滑らかになる
ので、圧延材料１６の表面に形成された圧痕あるいは突
起（小丘）２６のみが、圧延材料が窪み２２内へ移動し
て生じたミクロンサイズの突起（２６）である。圧延材
料１６の一部が窪み２２内へ押し出されてできたこの突
起２６は、圧延材料１６が図３の矢印２５の方向に移動
する際に、良好な圧延を実行するための付加的な牽引力
を提供する。この部分的な押出しが進行する際に、圧延
材料１６の表面がロール表面組織内に取り込まれた潤滑
剤を図３に矢印２８で示したように排除することによっ
て、小丘２６および窪み２２の近傍でロール／圧延材料
界面の再潤滑作用が行われる。

【００３９】ロール表面組織すなわち窪みの微視的形状
および間隔を適当に設計することによって、牽引力と上
記再潤滑とを微妙に均衡させ、圧延で必要な牽引力を提
供すると同時に、界面の安定な再潤滑により摩耗とロー
ル表面への圧延材料の付着とを減少させる。この突起あ
るいは小丘は後続の圧延で扱かれて圧延材料１６表面か
ら除去されるので、圧延材料が冷間圧延の最終スタンド
に到達したときには、それより前部のスタンドのロール
とは異なる表面組織を持つ最終スタンド３のワークロー
ルによって、顧客の要求に合わせて圧延製品の表面を仕
上げることができる。

【００４０】窪み２２の微視的形状および配置密度（頻
度）は個々の目的に応じて制御される。例えば、分塊ミ
ルでの牽引力および潤滑は分塊工程に特有のものであっ
て、他の圧延工程での牽引力および潤滑とは異なる。窪
みの寸法（深さおよび幅）と配置密度は、個々のスタン
ドと圧延工程の必要に合わせて設定しなければならない
。

【００４１】図２に断面図で示したロール表面の窪み２
２は、その開口縁を取り巻いてロール材がドーナッツ状
に（図４）堆積している。既に説明したように、堆積材
料の外周斜面部は、ロールの生地と冶金学的に強く結合
しているわけではないので、ロール表面の軽研磨あるい
はバフ研磨によって減少させることができる。斜面部を
減少させた後に残るものは、窪みの周囲に沿ったなだら
かな盛り上がり部分である。この盛り上がり部分は最初
に堆積した材料が再凝固したものである。すなわち、こ
の再凝固部分は、窪み形成用ビームの衝撃で蒸発ではな
く融解したものである。この残留盛り上がり部分の斜面
はロールの公称表面に対して２５°以下とすべきである
。このようにした盛り上がり部分は、ロール表面から脱
離したり圧延材料表面を微視的に加工したりすることが
なく、許容できないレベルの摩耗屑発生が起きることが
ない。同時に、窪みの盛り上がり部分はそれよりも柔ら
かい（鋼製ロールより柔らかい）圧延材料にドーナッツ
状の凹部を形成するが、この凹部は潤滑剤の溜まり（ト
ラップ）として作用し、圧延製品を成形する際の潤滑を
助ける。

【００４２】更に、窪み２２の周囲盛り上がり部分２４
は、圧延材料に所定の厚さ減少を施すための圧延材料／
ワークロール間の牽引力を高め、同時にロール圧下作用
領域での摩擦力および摩耗機構を制御する。

【００４３】このようにして窪み（必要なら上記環状盛
り上がり部分２４のある窪み）を形成した後、各ワーク
ロールおよびバックアップロールを硬質高密度材料で被
覆する。この被覆に適した材料としては、例えば高密度
クロムの薄い層がある。

【００４４】被覆したロールのプロフィルは例えば図３
に示したように浅くなっており、盛り上がり部分２４は
圧延材料１６の表面やバックアップロール表面と接触し
たときの応力集中が小さく、ロール材が加工されたり破
砕されたりする顕著な***部がないので、高い耐摩耗性
が得られる。もちろん図３のプロフィルには、窪みの周
囲を取り巻く盛り上がり部分がなく、ロールは０．１μ
ｍ以内の滑らかさであり、窪みの深さは３μｍ程度であ
る。

【００４５】以上説明したように、本発明によれば、従
来知られていなかった方法によって、圧延工程全体につ
いて摩擦、潤滑、および摩耗が制御される。本発明をそ
の望ましい実施態様について説明したが、特許請求の範
囲は本発明の技術思想の範囲に入る全ての態様を含むも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】複数のスタンドを用いる圧延工程の模式図であ
る。

【図２】熱間圧延ミルの前部スタンド用および冷間圧延
ミルの最終スタンド用のロール表面の一部を示す断面図
である。

【図３】熱間圧延ミルの後部スタンド用および冷間圧延
ミルの前部スタンド用のロール表面の一部を示す断面図
である。

【図４】図２の表面を示す平面図である。

【図５】冷間圧延の最終スタンド（１基または２基以上
）のワークロールの表面の金属組織を示す顕微鏡写真（
倍率：２００倍）であり、レーザー装置により形成した
、形成時の深さが３．０μｍ程度ミクロンサイズの窪み
を示す。

【符号の説明】

１２…インゴット １４…板（圧延材料） １６…板（圧延材料または圧延製品） １８…ワークロール ２０…バックアップロール ２２…窪み ２３…硬質皮膜 ２４…周囲堆積部 ２６…突起

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ワークロールを含む一つ以上の金属ロ
   ールを各々有する複数の圧延スタンド内で金属材料を圧
   延する方法であって、該ロール表面を平均粗さ０．３μ
   ｍ未満にまで研削する工程、該ロール表面にミクロンサ
   イズの微小な窪みを複数有する表面組織を付与する工程
   、該表面組織を付与したロール表面に硬質高密度材料を
   被覆する工程、該ロール表面に潤滑剤を供給する工程、
   該窪みによって潤滑剤を保持して該ロールの圧下作用領
   域へ搬送し、該ロール表面へ圧延材料金属をほとんど付
   着させず且つロールおよび圧延材料の表面に摩耗屑をほ
   とんど発生させずに、圧延材料を該複数のスタンドを通
   して走行させる工程、およびワークロール間で該圧延材
   料に圧縮力を負荷してその厚さを減少させる工程、を含
   んで成る金属材料の圧延方法。
2. 【請求項２】　　化学エッチングを用いて該窪みを形成
   する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　細いエネルギービームを発生できる手
   段を設ける工程、該細いエネルギービームを発生させる
   工程、該ビームを該ロール表面に照射する工程、および
   該ビームで該窪みを形成する工程を含む請求項１記載の
   方法。
4. 【請求項４】　　電子ビーム装置を用いて該細いエネル
   ギービームを発生させる請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】　　レーザー装置を設ける工程、該レーザ
   ー装置を用いて該細いエネルギービームを発生させる請
   求項３記載の方法。
6. 【請求項６】　　該ミクロン程度の窪みを形成する工程
   中に、蒸発したロール材料が該窪みの開口縁の周囲に堆
   積する場合に、この蒸発・堆積材料を除去する付加的な
   工程を含む請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】　　該窪み開口縁の周囲に堆積した材料の
   外側斜面が、該ロールの公称表面に対して２５°以下の
   角度である請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】　　複数の金属ロールを有する複数の圧延
   スタンド内で金属材料を圧延する方法であって、ロール
   表面を平均粗さ０．１μｍ以下にまで研磨する工程、該
   複数のスタンドのうち前部および中間部のスタンドのロ
   ールの研磨された表面に、ミクロンサイズの微小な窪み
   を複数有する表面組織を付与する工程、該複数のスタン
   ドのうち後部のスタンドのロールに、圧延された製品の
   最終用途に応じた仕上げ表面を有する表面組織を付与す
   る工程、該前部、中間部、および後部のスタンドのロー
   ルを、硬質高密度材料で被覆する工程、圧延材料を該複
   数のスタンドを通して走行させる工程、該スタンド内で
   該圧延材料に圧縮力を維持して該圧延材料の厚さを減少
   させる工程、および該圧延材料をロール表面にほとんど
   付着させず且つロールおよび圧延された材料の表面に摩
   耗屑をほとんど発生させずに、該圧延材料の厚さ減少が
   なされるように、該窪みを用いて潤滑剤を保持し該ロー
   ルの圧下作用領域へ搬送する工程を含んでなる金属材料
   の圧延方法。
9. 【請求項９】　　圧延スタンド各々の圧延特性に適合し
   た表面組織を各圧延スタンドのロール表面に付与するロ
   ール表面の調製方法であって、ロールの表面を平均粗さ
   ０．１μｍ以下にまで研磨する工程、該ロール表面に硬
   質高密度材料を被覆する前に、各スタンドの研磨された
   ロール表面に互いに離間した窪みを設け、該窪み同士の
   離間距離は、ロール表面に硬質高密度材料を被覆した後
   に特定スタンドの必要な潤滑、摩擦および牽引力に適合
   させる工程、および該ロール表面に硬質高密度材料を被
   覆する工程、を含んで成り、該被覆された窪みは、圧延
   材料を該窪み内へほとんど押し戻さず且つロールおよび
   圧延された材料の表面に摩耗屑をほとんど発生させるこ
   となく、潤滑剤を保持してロールの圧下作用領域に搬送
   することが可能である圧延スタンドのロール表面を調製
   する方法。
10. 【請求項１０】　　圧延機の、金属材料を圧延するため
    のロール表面を調製する方法であって、ロール表面を平
    均粗さ０．１μｍ以下にまで研磨する工程、該ロール表
    面にミクロンサイズの微小な窪みを形成し、その際に、
    該窪みの形成中に発生した蒸気によって該窪みの開口縁
    の周囲にロール表面の金属を堆積させるように該窪みの
    形成を行う工程、蒸気から該窪み開口縁の周囲に堆積し
    た金属を除去し、ロール表面に残留する堆積金属の高さ
    が該除去された材料の１０％以下となるようにする工程
    、および該窪み形成後且つ該堆積金属除去後に、ロール
    表面に硬質高密度材料を被覆する工程を含んで成る金属
    材料圧延用ロールの表面を調製する方法。
11. 【請求項１１】　　該堆積金属の除去を、ラッピング用
    化合物で該ロール表面をラッピングすることによって行
    う請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】　　アルミニウムを圧延するための複数
    の圧延スタンドのロールの表面を調製する方法であって
    、該ロールの表面を平均粗さ０．１μｍ以下にまで研磨
    する工程、前部のスタンドのロールの表面に、圧延され
    た材料の最終用途に応じた仕上げ表面を有する表面組織
    を付与する工程、および前部スタンドおよび後部スタン
    ドのロールに硬質高密度材料を被覆し、それによって、
    該被覆された表面組織付与表面は潤滑剤を保持して該ロ
    ールの圧下作用領域へ搬送できるようにし、圧延材料を
    該窪み内へほとんど押し戻させず且つロールおよび圧延
    された材料の表面に摩耗屑がほとんど発生しないように
    する工程、を含んで成る圧延用ロールの表面を調製する
    方法。