JPH0533300B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属とタングステン炭化物粒子とか
らなる複合組織を有する圧延用鋳造ロールに関す
る。

金属基地と該基地中に均一緻密に分散するタン
グステン炭化物粒子とからなる複合組織を有する
金属−炭化物粒子複合材料は、タングステン炭化
物粒子による高耐摩耗性と、該粒子同士を結合す
る金属基地による強度・靭性とを兼備する。この
複合材料の製造法としては、鋳造法を利用し、金
属溶湯と炭化物粒子の固液混合物を鋳型内に鋳込
み、溶湯と炭化物粒子の比重差により、第６図に
示すように炭化物粒子Ｐを溶湯Ｍ内で沈降凝集さ
せ、溶湯の凝固完了をまつてその鋳造体を鋳型１
から取出し、炭化物粒子が比重分離された上部の
金属相部分Ｂを切断除去すれば下部のＡ部分を金
属Ｍと炭化物粒子とからなる複合鋳物として採取
することができる。

この複合鋳物を圧延用ロールとして使用する場
合の具備すべき特性として耐摩耗性と耐肌荒れ性
の２つが挙げられる。すなわち、耐摩耗性はロー
ル寿命などに直接関連する特性であり、耐摩耗性
が悪いと、連続耐用期間が短く、摩損表面の手直
し（改削加工）作業およびそれに伴うロール取替
と圧延ライン操業中断の頻度が高くなり、かつロ
ールのトータル寿命も短くなる。また、ロール表
面の摩耗は圧延製品寸法精度の低下の原因ともな
る。一方、耐肌荒れ性も圧延製品々質やロール寿
命などを大きく左右する特性である。ロール表面
に肌荒れが生じると、その凹凸が被圧延材表面に
ロールマークとして転写され被圧延材の品質を著
く損うことになり、これを防ぐには頻繁にロール
表面の改削加工を施こさねばならないので、改削
加工のためのロール取替・ラインの中断、改削加
工コスト負担の増大、ロールのトータル寿命の低
下などを余儀なくされる。

本発明は、上記に鑑み、耐摩耗性および耐肌荒
れ性にすぐれ、圧延ロールとして最適の材質を有
する複合鋳造ロールを提供するものであり、その
特徴とするところは、鋳鉄もしくは合金鋳鉄の金
属基地とタングステン炭化物粒子とからなる複合
組織における該炭化物粒子の80％以上が53〜88μ
ｍの粒径を有し、かつ複合組織に占める炭化物粒
子の容積比率が50〜75％の範囲にあることであ
る。

以下、本発明について詳しく説明する。

複合組織を構成するタングステン炭化物粒子の
粒径および組織中に占める容積比率は耐摩耗性お
よび鋳造組織の健全性（特に鋳造欠陥であるミク
ロポロシテイ発生の有無）に関連する。具体例を
挙げると、第１図は粒径による耐摩耗性を比摩耗
量で比較したもので、供試材Ａは粒子の平均粒径
が63μｍ、供試耐Ｂのそれは44μｍである（いづ
れも基地金属はニツケルグレン鋳鉄、炭化物は
W₂C。炭化物粒子の容積比率は60％である）。比
摩耗量は大越式迅速摩耗試験による値である（但
し、相手材：SUJ−２、無潤滑、摩耗距離：200
mm、速度：3.4ｍ／ｓ、最終荷重：18.6Kgｆ）。図
から、細粒の炭化物粒子を含む供試材Ｂ（平均粒
径44μｍ）の比摩耗量は8.0×10^-8mm²／Kgｆである
のに対し、粗粒の炭化物粒子を含む供試材Ａ
（63μｍ）の比摩耗量は3.7×10^-8mm²／Kgｆと、前
者の半分以下であり、粒径の大きい方が耐摩耗性
のよいことが判る。

第２図は、複合組織の基地中に発生するミクロ
ポロシテイの大きさ・個数に対する炭化物粒子の
粒径の影響を示す。同図は前記供試材Ａの複合
組織（粒子の平均粒径63μｍ）、同図は粒径
200μｍの粗大炭化物を含む複合組織（供試材Ｃ）
であり、粗大炭化物粒子を含む供試材Ｃには大き
なピンホールＨが発生している。この供試材Ａお
よびＣの個々のミクロポロシテイの大きさとその
個数を簡易的に計測しグラフ化すると第３図のと
おりであり、供試材Ａ（平均粒子径63μｍ）には、
供試材Ｃ（同200μｍ）のような50μｍをこえる粗
大なピンホールはなく、またミクロポロシテイの
総量（ミクロポロシテイの大きさの総和）は供試
材Ｃの約1/3とわずかで、組織の健全性にすぐれ
ていることが判る。

第４図は、複合組織中に占める炭化物粒子の容
積比率（粒子充填率）の影響を耐摩耗性（比摩耗
量。測定法は前記と同じ）との関係で示したもの
であり、供試材Ｄの粒子容積比率は約60％、供試
材Ｅのそれは約20％である（いづれも、基地金属
はNiグレン鋳鉄、炭化物は平均粒径63μｍのW₂C
粒子）。炭化物粒子の容積比率が20％と低い供試
材Ｅの比摩耗量は約9.0×10^-8mm²／Kgｆであるの
に対し、容積比率が60％と比較的高い供試材Ｄの
比摩耗量は約3.7×10^-8mm²／Kgｆと前者の２倍以
上の耐摩耗性を示している。

上述のように、耐摩耗性については、粗粒の炭
化物粒子が望ましく、炭化物粒子があまり微細で
あると、耐摩耗性付与効果が弱い。圧延用ロール
として十分な摩耗抵抗を得るには、複合組織中の
炭化物粒子総数の80％以上が、粒径53μｍ以上で
あることが必要である。粒径が大きい程、耐摩耗
性は高くなるが、その反面粒子間隙の金属基地
に、凝固収縮に伴う鋳造欠陥として第２図に示す
ようにミクロポロシテイ（ピンホール）が多発し
易くなる。大きなミクロポロシテイはロール表面
の粗度に直接影響し、肌荒れと同様の弊害を招
く。微細なミクロポロシテイは、直ちに肌荒れと
同様の悪影響をなすものではないにしても、圧延
操業過程でそれを起点として肌荒れに発展し、あ
るいは熱疲労などによりそれを起点とするクラツ
クの発生・表面の欠損を誘発し肌荒れとなる。従
つて、ミクロポロシテイは、可能な限り少いこと
が望ましく、完全な防止は困難にしても粗大なミ
クロポロシテイの発生は確実に避けねばならな
い。このために、組織中の炭化物粒子の粒径は、
総粒子数の80％以上が88μｍをこえない範囲にあ
ることを要する。

一方、複合組織中に占める炭化物粒子の容積比
率は耐摩耗性および強度・靭性と関連し、炭化物
粒子が少いと、炭化物粒子の複合効果が弱く、耐
摩耗性が不足する。炭化物粒子が多い程、耐摩耗
性の向上をみるが、過度に多くなると、金属基地
容積の相対的減少に伴い脆弱化してしまう。圧延
用ロールとして望まれる耐摩耗性と、使用時の高
負荷・応力に耐える十分な強度・靭性とを満たす
ためには、複合組織中の炭化物粒子の占める容積
比率は50〜75％の範囲にあることが必要である。

本発明鋳造ロールを構成する基地金属は、各種
鋳鉄、例えばダクタイル鋳鉄など、または各種低
合金・高合金鋳鉄、例えばニツケルグレン鋳鉄な
どであり、ロールの使用条件・所要性能に応じて
適宜選択される。一般に鉄系金属はタングステン
炭化物粒子に対する濡れ性がよいので、相互に混
合し易く、金属−粒子界面での強固な結合関係を
形成するのに有利である。加えて鋳鉄系は凝固温
度が低いので、炭化物粒子が混合された際の粒子
の吸熱による降温を補償するための過熱度を大き
くとることができ、従つて、粒子の沈降・凝集に
必要な十分な流動性を保持し易い点でも有利であ
る。また、鋳鉄系は、圧延ロール材として十分な
実績と信頼性を有する材料でもある。

一方、タングステン炭化物は、WC（比重15.7）、
W₂C（同17.2）、あるいはタングステンチタン複炭
化物などである。これらの炭化物は極めて硬質で
あり、すぐれた耐摩耗付与効果を有する。なお、
タングステンチタン複炭化物は種類により比重は
4.9〜17.2と異なるが、鋳造時の溶湯中での沈
降・凝集を生じさせるために、溶湯より比重の大
きいものが選らばれるべきことは言うまでもな
く、沈降促進のためには、比重10以上であること
が好ましい。

本発明ロールは、中実円柱体として鋳造するこ
ともできるが、ロール類に要求される耐摩耗性は
外側表面の問題であるから、中実円柱体に代え
て、第７図に示すような中空円筒状鋳物として鋳
造し、その中空孔には安価な金属材料をコアーと
して鋳造などにより充填さればよい。こうすれば
高価なタングステン炭化物粒子の消費が節減され
るほか、コアーの金属材料によつて強度・靭性な
どが高められる利点がある。

本発明ロールの鋳造において、炭化物粒子の沈
降・凝集による健全な複合組織を形成するために
適正な溶湯温度・流動性が与れられるべきことは
言うまでもなく、そのための熱的条件の制御法と
して溶湯鋳込温度の調整、炭化物粒子の予熱使用
等のほか、溶湯と炭化物粒子の鋳込速度（単位時
間当りの鋳型内供給量）や両者の鋳込速度比の調
節なども効果的な方法である。

本発明ロールの鋳造方案の具体例を示すと、第
５図において、１は鋳型、２は鋳型直上に配置さ
れた鋳込みホツパーであり、溶湯Ｍおよび炭化物
粒子Ｐはそれぞれ取鍋３および炭化物粉末投与治
具４から鋳込みポツパ２に供給され、固液混合物
として鋳型１内に鋳込まれる。鋳型１は円筒状外
壁部１１の底部中央に円柱状中子１２を有し、中
子の頂部の半球面中心に固液混合物を流下させ、
固液混合物を中子頂部中心から放射状に分散させ
ることにより、鋳型内の円周方向の各部に対し均
等に鋳込まれるようにしたものである。分散の均
等性を更に高めるには、鋳型１を水平回転台５上
に設置し適当な回転速度で回転させながら鋳込み
を行うことも効果的である。上記鋳型内に所要量
の溶湯および炭化物粒子を鋳込み、炭化物粒子の
沈降・凝集により鋳型内底部の中子１２と外壁部
１１とで画成される円筒状空間内に複合組織を形
成させ、凝固完了後、上部の金属相部分を切断除
去すると下部の複合組織部分を、第７図のような
中空円筒状の複合鋳物として得ることができる。

本発明の実施例について説明すると、第５図の
鋳造方案により、W₂C粒子（平均粒径63μｍ）13
Kgと、Niグレン鋳鉄溶湯45Kgとを鋳型内に鋳造
し、円筒状複合鋳物を製造した。但し、鋳型１は
セラミツク鋳型であり、バツクサンド７にて枠体
８にセツトし、850℃に予熱して使用した。溶湯
鋳込温度は1550℃であり、W₂C粒子は350℃に予
熱して溶湯中に投与した。また比較例として、粒
径200μｍの粗粒W₂C粒子を使用する以外は上記
と同一の鋳造条件で円筒状複合鋳物を得た。本発
明例の鋳物の複合組織におけるW₂C粒子の容積
比率は66％、比較例のそれは63％である。

得られた各鋳物を解体し、断面を研摩後、カラ
ーチエツクを行つた結果、粗大W₂C粒子（200μ
ｍ）を使用した比較例では多数のミクロポロシテ
イが発現し、圧延用ロールとして使用し得ないの
に対し、本発明例では、粗大なミクロポロシテイ
はなく、緻密で健全な組織を有していることが観
察された。

以上のように本発明鋳造ロールは、高耐摩耗性
を有するとともに、ミクロポロシテイが少く緻密
な組織を有するので耐肌荒れ性にすぐれ、また強
度・靭性に富むなど、圧延用ロールとして好適な
特性を兼備している。従つて、従来ロールに比し
連続耐用寿命、トータル寿命にすぐれ、ロール表
面改削加工頻度の減少とそれに伴う圧延ライン中
断頻度の低減、改削加工コストの大幅な節減など
の諸効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第４図は比摩耗量を示すグラフ、
第２図，は鋳物の複合組織を示す図面化用顕
微鏡写真（倍率42倍）、第３図はミクロポロシテ
イの分布態様を示すグラフ、第５図は鋳造方案
の例を示す縦断面図、は鋳型部分の平面図、第
６図は鋳型内での炭化物粒子の沈降・凝集状況を
模式的に示す縦断面図、第７図は複合鋳物の形状
を例示する斜視図である。 １：鋳型、２：鋳込みホツパー、Ｍ：金属、
Ｐ：タングステン炭化物粒子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鋳鉄もしくは合金鋳鉄基地と基地中に均一に
   混在するタングステン炭化物粒子とからなる複合
   組織を有し、かつその複合組織における炭化物粒
   子の粒径は、粒子総数の80％以上が53〜88μｍの
   範囲にあるとともに、全容積に占める炭化物粒子
   の容積比率が50〜75％の範囲にあることを特徴と
   する耐摩耗性および耐肌荒れ性にすぐれた圧延用
   鋳造ロール。