WO2019181085A1

WO2019181085A1 - 段ロールおよびその製造方法

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Publication number: WO2019181085A1
Application number: PCT/JP2018/044535
Authority: WO
Inventors: 幸平石田; 保志北村; 利幸中嶋
Original assignee: 株式会社野村鍍金
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2019-09-26
Also published as: TW201938357A; TWI690413B

Abstract

歯型状段山を有する段ロールの長寿命化を達成すると共に、ロール本体の再研削による再生及び再利用回数を大幅に伸ばす。段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による厚み１～１０ｍｍの高炭素鋼または合金鋼の肉盛り溶接層を有する。

Description

段ロールおよびその製造方法

　本発明は、段ボール用の芯紙を波形に成型させる歯型状段山を有する段ロールおよびその製造方法に関するものである。

　段ボールの波形状は、歯型状段山を有する段ロール２本を、噛合い状態に設置し、噛合い部に芯紙を通過させることにより波形に成型したシートが作製される。相互に噛合う２本の段ロールの歯形状段山は、芯紙の通過する方向に対して横方向に伸びるように形成されている。芯紙は上下２本の段ロールの噛合い部に、段山部を滑りながら引き込まれるため、段ロールの段山部は擦り摩耗により摩耗が発生しやすい。また芯紙の引き込み時に異物を噛み込むことにより段山部に凹み状の変形を生じる場合がある。段山部の摩耗量が大きくなったり、段山部に凹みが生じると波形の成型が不良となり、段ロールの寿命となる。

　そこで、段ロールの寿命を延長するために、段ロールの表面に硬質クロムめっき層を被覆して耐摩耗性を向上させることが知られている。また、段山部の凹み対策として、段山部の段ロール基体の硬度をビッカース硬さ６８０以上にすることが知られている。

　段ロールが摩耗や凹みにより寿命となった場合、損傷部分を再研削により除去し、歯型状の段山形状を再生する。しかし、再研削によりロール径は小さくなることから、上下２本の段ロールの噛合いを最適に維持するための段山形状の調整が必要になる。再研削による段ロールの再生法では、再生回数を重ねるほど直径が小さくなることから、再研削による再生回数は３回程度が上限とされている。

　特許文献１では、寿命に達した実機段ロールの段山部の硬さ（ショアー硬さＨｓ）と凹み数の関係を調べ、段ロール基体の硬度ＨｓについてＨｓ＞８０となるようにすれば、凹み（すなわち圧痕）をほぼ０にできることを示している。また、浸炭窒化法と加熱焼入れを併用した複合熱処理法を実施することにより、段ロール基体の硬度ＨｓについてＨｓ＞８０にする方法を示している。さらに、耐摩耗性を向上させる目的で、硬質クロムめっきやダイヤモンド膜やＷＣ－Ｃｏ溶射膜を高硬度の段ロール基体表面に被覆することが提案されている。

　特許文献２では、耐摩耗性の向上を目的として、高速燃焼ガス炎で鋼製の段ロール基体表面にＷＣ－Ｃｏのような炭化物系サーメットを溶射し、その溶射膜の表面にＮｉ－Ｐなどの無電解めっきを行う段ロールの製造方法が提案されている。

　特許文献３では、段ロールの再生を目的とし、段山深さよりも厚く且つショアー硬さＨｓが８０以上の高硬度肉盛り溶接層を段ロール基体に融着して形成し、余肉を削って所定寸法に加工することを提案している。

特開平８－６０２５０９号公報特開平９－２６２９１５号公報特開平１－１７７９５６号公報

　特許文献１では、耐摩耗性を向上させる目的で、硬質クロムめっきを高硬度の段ロール基体表面に被覆する方法が提案されているが、硬質クロムめっきを被覆するために、窒化処理もしくは浸炭窒化処理又は焼入れ処理と焼戻し処理により段ロール基体表面を高硬度化する必要があり、段ロールの製造工程が煩雑である。また、段ロールが寿命に達した場合、摩耗した部分を再研削により除去すると、再度、段ロール基体表面を高硬度化する処理が必要となり、再研削による再生回数も３回程度に限られるという不都合な点がある。

　また、特許文献１や特許文献２のように、ダイヤモンド膜やＷＣ－Ｃｏ溶射膜を段ロール基体表面に被覆する方法は、膜自身の耐摩耗性は優れていても、段ロール基体との密着性が不十分であれば、摩耗以外の要因、例えば、膜中の亀裂生成や膜剥離等により、期待されるほどの寿命延長を達成することができない。

　さらに、特許文献３に記載の方法で再生された段ロールを使用すると、肉盛り溶接時に混入すると思われる酸化物の巻き込みや溶接欠陥等により、段山が欠けやすく、新品の段ロールに比べて遥かに短い寿命となる。

　本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性と硬さのみならず、段ロール基体表面との密着性に優れている被覆層として、レーザー肉盛り溶接層（段ロール基体表面に金属粉末を供給しながら、レーザー照射することにより、段ロール基体表面で上記金属粉末を溶融させ、それを順次、冷却して固化して堆積させる金属積層法）を段ロール基体表面に形成することにより、摩耗のみならず摩耗以外の要因による寿命の短縮を防止し、段ロールのさらなる長寿命化を達成することを目的とする。

　また、本発明は、硬質クロムめっきの下地となる段ロール基体表面を高硬度化するために、焼き入れにより硬化しやすい高炭素鋼や合金鋼をレーザー肉盛り溶接法により精度よく肉盛り形成することにより、使用により摩耗及び損傷した段ロールの再生を容易に実現可能とすることも目的とする。

　本発明は、前記課題を解決するために鋭意検討をおこなった結果、次のような手段を採用するものである。本明細書において、段ロール基体とは、ロールの外周に段ボール用の芯紙を波形に成型させる歯型状段山を有する段ロールそのものを意味し、耐摩耗性を向上するための耐摩耗層や段ロール表面の硬さを向上するための硬化層などを施すための物理的および化学的処理が一切施されていない段ロールを指す。

（１）ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロールにおいて、段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による厚み１～１０ｍｍの高炭素鋼または合金鋼の肉盛り溶接層を有することを特徴とする段ロールを第一の発明とする。

（２）ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロールにおいて、段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物からなる厚み０．１～３ｍｍの高耐摩耗被覆層を有することを特徴とする段ロールを第二の発明とする。

（３）第一または第二の発明において、段ロール基体が、あらかじめ窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化していることを特徴とする段ロールを第三の発明とする。

（４）第二または第三の発明において、高耐摩耗被覆層は、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化ジルコニウムの中の１種又は２種以上を５～３０重量％含有し、残部が０．３重量％以上の炭素を含有する高炭素鋼又は合金鋼からなることを特徴とする段ロールを第四の発明とする。

（５）第一ないし第四のいずれかの発明において、表面に厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆したことを特徴とする段ロールを第五の発明とする。

（６）第一ないし第五のいずれかの発明において、レーザー肉盛り溶接法が不活性ガス雰囲気下で実施されることを特徴とする段ロールを第六の発明とする。

（７）ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロール基体表面に、平均粒径２０～１５０μｍの高炭素鋼または合金鋼の粉末を供給しながらレーザーを照射して段ロール基体表面に上記粉末成分からなる溶融プールを形成し、この粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、順次上記溶融プールを固化させて一層または多層の肉盛り溶接層を形成することを特徴とする段ロールの製造方法を第七の発明とする。

（８）ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロール基体表面に、平均粒径２０～１５０μｍの高炭素鋼もしく合金鋼と炭化物の混合粉末を供給しながらレーザーを照射して段ロール基体表面に上記混合粉末成分からなる溶融プールを形成し、この混合粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、順次上記溶融プールを固化させて一層または多層のレーザー肉盛り溶接層を形成することを特徴とする段ロールの製造方法を第八の発明とする。

（９）第七または第八の発明において、レーザーを照射する前に、段ロール基体に、あらかじめ窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化処理を施すことを特徴とする段ロールの製造方法を第九の発明とする。

（１０）第七ないし第九のいずれかの発明において、表面に厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆する処理を施すことを特徴とする段ロールの製造方法を第十の発明とする。

（１１）第七ないし第十のいずれかの発明において、レーザーの照射が不活性ガス雰囲気下で実施されることを特徴とする段ロールの製造方法を第十一の発明とする。

　第一の発明によれば、レーザー肉盛り溶接時の急速な加熱と冷却による焼き入れ効果により、肉盛り溶接層の硬さを高めることができるので、芯紙の引き込み時に異物を噛み込んでも段山部に凹みを生じにくく、段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第二の発明によれば、段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物からなる厚み０．１～３ｍｍの高耐摩耗被覆層を有するので、耐摩耗性と硬さのみならず、段ロール基体との密着性の高い被覆層を形成することができ、段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第三および第九の発明によれば、段ロール基体は、あらかじめ窒化処理もしくは浸炭処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化しているので、第一または第二の発明に比べて、耐塑性変形性に優れることから、さらに段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第四の発明によれば、高耐摩耗被覆層は、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化ジルコニウムの中の１種又は２種以上を５～３０重量％含有し、残部が０．３重量％以上の炭素を含有する高炭素鋼又は合金鋼からなるので、レーザー肉盛り溶接時の急速な加熱と冷却による焼き入れ効果により、高耐摩耗被覆層のマトリックスである高炭素鋼もしくは合金鋼自体の硬さを高めることができるとともに、高耐摩耗被覆層のマトリックスの高炭素鋼もしくは合金鋼が段ロール基体の鋼材と溶け合うことにより、高耐摩耗被覆層と段ロール基体との密着性を高めることができ、そのうえ、上記炭化物セラミックスにより硬さと耐摩耗性を一層向上できるので、さらに段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第五および第十の発明によれば、肉盛り溶接層の表面に高硬度で耐摩耗性と潤滑性に優れる厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆したので、芯紙が段山部を滑りながら引き込まれる際の摩耗を低減することができ、さらに段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第六および第十一の発明によれば、レーザー肉盛り溶接法が不活性ガス雰囲気下で実施されることにより、酸化物の巻き込みの少ない肉盛り溶接層とすることができ、段ロールの長寿命化を図ることができる。

　第七の発明によれば、粉末の粒径が２０～１５０μｍであることにより、粉末供給を詰まり無くスムースに行えることから、肉盛り溶接層の厚さ制御が容易であり、また、肉盛り溶接層の表面粗さも平滑にすることが可能である。さらに、粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、溶融プールが急速に固化することによる焼き入れ硬化により高硬度の肉盛り溶接層を得ることができるとともに、段ロール基体の鋼材もレーザーの照射スポットの通過により、急速な加熱と冷却による熱処理の影響を受けて硬さを高めることができるという効果がある。

　第八の発明によれば、混合粉末の粒径が２０～１５０μｍであることにより、粉末供給を詰まり無くスムースに行えることから、肉盛り溶接層の厚さ制御が容易であり、また、肉盛り溶接層の表面粗さも平滑にすることが可能である。また、混合粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、溶融プールが急速に固化することによる焼き入れ硬化により高硬度の肉盛り溶接層を得ることができるとともに、段ロール基体の鋼材もレーザーの照射スポットの通過により、急速な加熱と冷却による熱処理の影響を受けて硬さを高めることができるという効果がある。

　第一ないし第十一の発明は、段ロールの新作時のみならず、摩耗および損傷した段ロールの再生時においても同様の効果が期待できる。

あらかじめ焼入れ処理と焼戻し処理により硬化した合金鋼の表面にレーザー肉盛り溶接法による合金鋼とＷＣの混合粉末からなる高耐摩耗被覆層を形成した本発明例３及び本発明例４のレーザー肉盛り溶接層の断面組織と、あらかじめ焼入れ処理と焼戻し処理により硬化した合金鋼の表面にレーザー肉盛り溶接法による合金鋼粉末からなる高耐摩耗被覆層を形成した本発明例５のレーザー肉盛り溶接層の断面組織を示す写真である。合金鋼と炭化タングステンの混合粉末中の炭化タングステン含有量と被膜硬さの関係を示す図である。

　以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、様々な変形や修正が可能であることは言うまでもない。

　段ボールの波型形状を成型するための歯型状段山を有する段ロールが寿命に至る形態は、上下段ロールの噛合い部に生じる摩耗と、芯紙の引き込み時に異物を噛み込むことによる段山部の凹み状の変形との２種類があり、段ロールの歯型状段山を形成する部分は耐摩耗性と耐変形性の両方に優れる材料が必要とされる。歯型状段山を有する段ロール基体表面に耐摩耗層を被覆する場合、変形性を考慮して、厚く被覆するか又は段ロール基体の硬さをＨＶ（ビッカース硬さ）で６８０以上にしておく必要がある。このため、現在多く使用されている段ロール基体表面に硬質クロムめっきの耐摩耗層を被覆した段ロールでは、通常、窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理などにより段ロール基体の硬さをＨＶで６８０以上にしている。

　窒化処理もしくは浸炭窒化処理としては、ガス窒化法、イオン窒化法、イオン浸炭窒化法、低温ガス浸炭窒化法、溶融塩中で浸炭窒化するタフトライド法等がある。焼入れは、鋼を８５０℃前後のオーステナイト相域で加熱した後、急冷することによって、マルテンサイト組織の状態に変化させる熱処理であり、焼戻しは、焼入れによって硬化した鋼に靭性を与える熱処理で、マルテンサイト組織の状態から鋼を５５０～６５０℃に再加熱し、一定時間保持した後に冷却する熱処理である。

　このようにして硬化させた段ロール基体表面にダイヤモンド膜やＷＣ－Ｃｏ溶射膜を被覆する方法が特許文献１に提案されているが、膜自身の耐摩耗性は優れていても、段ロール基体との密着性が不十分であれば、摩耗以外の要因、例えば、膜中の亀裂生成や膜剥離等により、期待されるほどの寿命延長を達成することができない。これらのことから、耐摩耗層には、耐摩耗性と硬さ、および段ロール基体との密着性に優れていることが求められる。

　本発明によれば、焼き入れ硬化しやすい高炭素鋼または合金鋼の粉末を、好ましくは不活性ガス雰囲気下で供給しながら、レーザー照射することにより、段ロール基体表面で上記粉末を溶融させ、それを順次、冷却して固化して堆積させるレーザー肉盛り溶接法により、高強度で耐摩耗性に優れる被覆層を段ロール基体に形成し、研削および研磨を施すことにより精密な歯型状段山を形成する。そして、さらにその表面に高硬度で耐摩耗性と潤滑性に優れる硬質クロムめっき層を被覆し、段ロールの長寿命化を実現する。また、不活性ガス雰囲気下でレーザー肉盛り溶接を行うことにより、肉盛り溶接層への酸化物の巻き込みを防止することができるので好ましい。

　摩耗あるいは変形が生じた使用済み段ロールを再生するために、段ロール表面を１ｍｍ以上研削除去した後、除去した段ロール表面に相当する部分に、レーザー肉盛り溶接法により高硬度の高炭素鋼または合金鋼から成る被覆層を形成することにより、研削前の段ロール寸法を有する段ロール形状を再生することを可能にする。段ロール形状を再生後、最表面に耐摩耗性に優れる硬質クロムめっき層を形成することは、再生した段ロールの寿命延長にとって重要である。また、レーザー肉盛り溶接と硬質クロムめっき層による段ロールの再生を繰り返すことで、段ロール本体の再研削による再生および再利用回数を大幅に伸ばすことが可能になる。

　段ロール基体表面を高硬度に焼き入れする方法については、特許文献１に記載されている。通常の焼き入れ温度の９３０℃ではロールの熱変形が問題になり、低温化した焼き入れでは、焼き入れ深さが不均一になったり、焼き入れ硬さが不足するという問題があった。このため、あらかじめ、浸炭あるいは窒化を行い、その後比較的低温で焼き入れと焼き戻しを行っていた。また、焼き入れに伴う歪みを小さくするために、焼き入れは歯型状段山のみに行い、かつ焼き入れと焼き戻しに１５時間以上の長時間を要していた。

　このように、段ロール基体表面を高硬度に焼き入れするには煩雑な処理を必要としていた。これに対して、本発明では、高炭素鋼または合金鋼からなる高硬度のレーザー肉盛り溶接層が１ｍｍ以上形成されているので、それだけで十分に段ロール基体表面を高硬度化したのと同等の耐塑性変形性（凹み防止効果）を備えており、特許文献１のように、段ロール基体表面を窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化しておくことが必要ではない。もちろん、本発明においても、窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理によりレーザー肉盛り溶接前の段ロール基体表面を硬化しても構わない。その場合、耐塑性変形性（凹み防止効果）はさらに高くなる。

　本発明において、高炭素鋼または合金鋼からなるレーザー肉盛り溶接層の厚みは１～１０ｍｍが好ましい。１ｍｍ未満の厚みでは、段ロールとして使用時に凹みや圧痕などの塑性変形に対する抵抗力が小さくなる。また、その厚みが１０ｍｍを超えると、塑性変形に対する抵抗力が飽和して、ほとんど向上しない。係る高炭素鋼または合金鋼としては、熱処理によりＨＶ６５０以上に硬化する鋼種が好ましく、具体的には、０．３重量％以上の炭素をＳＫＤ６１などの炭素鋼やＳＣＭ４４０、ＳＵＳ４２０などの合金鋼が好ましい。

　硬質クロムめっきの硬さはＨＶ１０００以上である。従って、本発明のように、高炭素鋼または合金鋼の肉盛り溶接層を形成した段ロール表面に厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆すると、耐摩耗性と潤滑性を向上することができる。硬質クロムめっき層の厚みが１０μｍ未満では、耐摩耗性向上による寿命延長はそれほど期待できない。一方、硬質クロムめっき層の厚みが２００μｍを超えると、段ロールの形状が非常に複雑なために均一にめっきすることが非常に困難であるため、山部の耐摩耗、潤滑性は向上するが、谷部は必要な膜厚が得られないので、谷部の耐摩耗、潤滑性は向上しないという、性能が不均一な被膜になってしまう。

　また、本発明は、歯型状段山を有する段ロールの一層の長寿命化を達成するために、窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化された段ロール基体表面に、高強度で耐摩耗性に優れる高耐摩耗被覆層を形成するものである。具体的には、耐摩耗性と硬さ、および段ロール基体との密着性に優れている高耐摩耗被覆層として、焼入れ硬化しやすい高炭素鋼もしくは合金鋼をマトリックス材料とし、耐摩耗性が高くて高硬度の炭化物セラミックスを分散剤とするレーザー肉盛り溶接層が段ロールの長寿命化に極めて有効である。

　すなわち、上記のマトリックス材料と炭化物セラミックスの分散剤との混合粉末を段ロール基体表面に供給しながらレーザーを照射することにより、段ロール基体表面で溶融したマトリックス中に炭化物セラミックスを分散させ、それを順次、冷却して固化して堆積させるレーザー肉盛り溶接法により、高強度で耐摩耗性に優れる高耐摩耗被覆層を密着性よく形成し、段ロールの長寿命化を実現することができる。

　レーザービームの直径は数ｍｍ程度と小さく、供給する「高炭素鋼もしくは合金鋼の粉末」または「高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物との混合粉末」が溶融するプールの大きさも同程度である。上記粉末または混合粉末の供給量とレーザービームのエネルギーおよびレーザービームの走査速度を制御することにより、溶融プールが段ロール基体と接触する界面から段ロール基体成分が溶融プールに混入する量を１０重量％以下にすることで、肉盛り溶接層の耐摩耗性を損なうことなく、密着性に優れる高強度の高耐摩耗被覆層を得ることができる。溶融プールへの段ロール基体成分の混入量を２～６重量％にすることにより、肉盛り溶接層の耐摩耗性を損なうことなく、さらに密着性を向上することができる。

　レーザー肉盛り溶接層の焼き入れ効果を高めること、あるいは溶融プールが段ロール基体と接触する界面から段ロール基体成分が溶融プールに混入する量を少なくするためには、溶融プールを小さくすることが好ましい。溶融プールの直径が数ｍｍ程度と小さく、従って、熱容量が小さいこと、溶融プールの温度は高炭素鋼もしくは合金鋼の融点以上であり、高温から急冷固化することで焼き入れ硬化と同程度の硬さに達する。例えば、炭化物を含有しないＳＣＭ４４０相当の合金鋼のみの場合でも、ＨＶ６５０以上の硬さが得られる。さらに、高炭素鋼もしくは合金鋼のマトリックス中に炭化物セラミックスを分散剤として有する場合、その分散剤の量を変化させることにより、ＨＶ１１００以上の硬さを容易に得ることができる。

　レーザー肉盛り溶接層の膜厚は、「高炭素鋼もしくは合金鋼の粉末」または「高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物との混合粉末」の供給量とレーザービームのエネルギーおよびレーザービームの走査速度を制御することにより、調整することができる。例えば、レーザービームの走査速度を遅くすることで、レーザー肉盛り溶接層の厚さを厚くできる。一方、このようにしてレーザー肉盛り溶接層の厚さを厚くすると、単位面積当たりの供給エネルギー量が大きくなり、溶融プールの深さが深くなって熱容量が大きくなるので、冷却速度が低下することから、高硬度を得るのが困難になるとともに、熱歪みが大きくなる。そこで、レーザー肉盛り溶接層の厚さを厚くしたい場合は、薄い肉盛り溶接層を複数積層することで所望の厚さの肉盛り溶接層を得るのが好ましい。特に、一度使用した段ロールの損傷部分を研削により除去し、除去量と同程度の厚さおよび形状に段ロールを再生する場合は、薄いレーザー肉盛り溶接層の上に薄いレーザー肉盛り溶接層を繰り返し積層する方法が好ましい。

　本発明の高強度で耐摩耗性に優れる高耐摩耗被覆層を、研削した段ロール基体表面にレーザー肉盛り溶接法で形成することにより、研削前の段ロール寸法を有する段ロール形状を再生することを可能にする。また、このレーザー肉盛り溶接法を繰り返すことで、段ロール基体の再研削による再生および再利用回数を大幅に伸ばすことも可能である。

　高耐摩耗被覆層の厚みは、０．１～３ｍｍが好ましい。０．１ｍｍ未満の厚みでは、一定の耐摩耗性は得られるが、加工コストに見合うほどの段ロールの寿命延長は期待できない。また、耐摩耗性は高耐摩耗被覆層の厚みに対応して向上するので、高耐摩耗被覆層の厚みを０．１ｍｍ以上とすることで段ロールの寿命を延長することは可能である。一方、その厚みが３ｍｍを超えると、肉盛り溶接層（高耐摩耗被覆層）内の欠陥存在確率が増加したり、歯型状段山の高硬度化による靭性低下等に基づく欠損などの別の寿命低下要因が現れやすくなるという不都合がある。薄いレーザー肉盛り溶接層の上に薄いレーザー肉盛り溶接層を繰り返し積層する方法で高耐摩耗被覆層の厚みを大きくして高強度化したり、歯型状段山の段山深さよりも厚い高耐摩耗被覆層を段ロール基体表面に形成し、余肉を削って所定寸法の段山にすることも可能であるが、高耐摩耗被覆層の厚みは３ｍｍ以下とすることが好ましい。

　高耐摩耗被覆層は、分散相成分としての炭化物セラミックスと、マトリックス成分としての高炭素鋼もしくは合金鋼から構成される。分散相成分としての炭化物セラミックスは、高硬度で耐摩耗性と耐熱性に優れる炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化ジルコニウムの中の１種又は２種以上から選ばれる。高耐摩耗被覆層中の炭化物セラミックスの含有量は、５～３０重量％であることが好ましい。炭化物セラミックスの含有量が５重量％未満であると、硬さの顕著な向上が実現できず、耐摩耗性の向上も十分ではない。一方、炭化物セラミックスの含有量が３０重量％を超えると、レーザー肉盛り溶接層の靭性が低下するので好ましくない。なお、炭化物セラミックスは、必ずしも、高耐摩耗被覆層内に均一に分散している必要はなく、高耐摩耗被覆層の外側部が内側部に比べて多くてもよい。

　後記する図２に示されるように、炭化物セラミックスの含有量が多くなるほど硬くなることが分かっているので、薄いレーザー肉盛り溶接層の上に薄いレーザー肉盛り溶接層を繰り返し積層することにより形成されるレーザー肉盛り溶接層において、炭化物セラミックスの含有量を、例えば、５重量％、１０重量％、２０重量％、３０重量％というように、内側から外側にかけて徐々に増やしていけば、外側ほど硬くなり、内側は段ロール基体の鋼材の硬さに近い硬さとすることができる。そこで、段ロールが異物を噛み込む等の要因により段ロールを凹ませる力が加わっても、段ロールは割れにくく、高耐摩耗被覆層中に亀裂が生成しにくく、高耐摩耗被覆層が剥離しにくいという利点がある。

　薄いレーザー肉盛り溶接層の上に薄いレーザー肉盛り溶接層を繰り返し積層する方法は、段ロールの歯型状段山に厚い高耐摩耗被覆層を形成する場合に特に有効である。仮に、歯型状段山に一層で厚い高耐摩耗被覆層を形成しようとすると、「高炭素鋼もしくは合金鋼の粉末成分」または「高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物との混合粉末成分」からなる溶融プールが大きくなるので、溶融プール中の溶融金属が固化する前に段山から溶融金属が流れ落ちるという不具合が生じる。しかし、薄いレーザー肉盛り溶接層の上に薄いレーザー肉盛り溶接層を繰り返し積層する方法であれば、そのような不具合は生じないので、段ロールの歯型状段山に所望の厚みの高耐摩耗被覆層を形成することができる。

　分散相成分として高耐摩耗被覆層中に分散する炭化物セラミックスは、粒径が小さくかつ均一に分散するほど、高耐摩耗被覆層の硬さおよび耐摩耗性が向上する。そこで、数μｍ程度の炭化物セラミックスを高炭素鋼もしくは合金鋼のマトリックスと混合した後、レーザー肉盛り溶接しやすい粒径（２０～１５０μｍ）に造粒することが好ましい。

　高耐摩耗被覆層のマトリックス成分は、熱処理により６５０以上に硬化する鋼種が好ましい。具体的には、０．３重量％以上の炭素を含有するＳＫＤ６１などの炭素鋼やＳＣＭ４４０、ＳＵＳ４２０などの合金鋼が好ましい。

　段ロール基体としては、従来から、普通鋼（Ｃの含有量が０．３０～０．３８重量％である構造用炭素鋼Ｓ４３Ｃ）または合金鋼（Ｃの含有量が０．３８～０．４３重量％であるクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０）等を用いるのが一般的である。

　本発明のレーザー肉盛り溶接法に使用する「高炭素鋼もしくは合金鋼の粉末」または「高炭素鋼もしくは合金鋼のマトリックスと炭化物セラミックスとの混合粉末」は、２０～１５０μｍの平均粒径であることが好ましい。レーザービームの照射スポットに粉末を供給する際、粉末や溶融プールの酸化を防止するためにアルゴンガスともに供給することが好ましいが、粒径２０μｍ未満の微粒子を多く含む粉末の場合、微粒子は溶融プールに納まらず、レーザー肉盛り溶接装置の周辺に飛散しやすい。このため、レーザー肉盛り溶接層の厚さの制御が困難となるだけでなく、微粒子は空気中に長く滞在するので、作業環境上からも好ましくない。一方、粒径が１５０μｍを超えると、レーザー肉盛り溶接層の表面粗さが大きくなり、肉盛り溶接後の表面研磨加工に時間を要するだけでなく、炭化物セラミックスがマトリックス中に不均一に分散しやすくなる。そこで、「高炭素鋼もしくは合金鋼の粉末」または「高炭素鋼もしくは合金鋼のマトリックスと炭化物セラミックスとの混合粉末」の平均粒径は２０～１５０μｍが好ましい。

　なお、段ロールの歯型状段山の形状は特に限定されるものではなく、例えば、特許文献１ないし３に例示されているような公知の形状を適宜採用すればよい。各々の歯型状段山の形状は段ロールの軸方向と垂直な断面上で円弧状とされるのが一般的であり、その場合、歯型状段山と噛み合う段谷部の形状も円弧状となり、段山部と段谷部の円弧は適宜の長さの直線部または曲線部を介して滑らかに接続されるのが一般的である。（例えば、特開２００７－９８９０２号公報）

［実施例１］
　直径が１００ｍｍで長さが１５０ｍｍの合金鋼ＳＣＭ４４０からなる基材の表面に、０．３重量％以上の炭素を含有する炭素鋼ＳＫＤ６１の粉末、合金鋼ＳＣＭ４４０の粉末又はステンレス鋼ＳＵＳ４２０の粉末をアルゴンガス雰囲気中で供給しながら半導体レーザーを照射して厚さ５ｍｍのレーザー肉盛り溶接層を形成した。各粉末の粒径は４０～９０μｍになるようにそれぞれ調整し、粉末を供給速度６または８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、レーザビームの走査速度を３００または６００ｍｍ／ｍｉｎとし、波長が９５０～１０７０ｎｍで、出力が１３００Ｗである半導体レーザーを照射した。表１に試験条件を示す。

　上記試験条件Ａを４回、試験条件Ｂを８回、それぞれ繰り返すことにより、約５ｍｍ厚みのレーザー肉盛り溶接層を形成し、表面を研磨により平坦に加工した後、試験力２００ｇで１５秒間保持したときのビッカース硬さを測定した。その測定結果を表２に示す。

　試験条件Ａよりも、粉末供給速度が小さく、且つ、レーザービーム走査速度が速い試験条件Ｂでは、溶融プールが小さくなり、溶融金属が急冷されるから、試験条件Ａの場合に比べて、より高い硬度に達することが分かった。したがって、レーザー肉盛り溶接層を多層に積層する際に、下層から上層にかけて、粉末供給速度を低下させると共に、レーザービーム走査速度を速くするように制御すれば、下層よりも上層の硬度を高めることができ、好都合であると言える。

　段ロール用には、レーザー肉盛り溶接層を形成した後、研削研磨加工により、所望の寸法精度で歯型状段山を形成した後、その表面に厚み０．０１～０．２ｍｍの硬質クロムめっき層を被覆することができる。

［実施例２］
　焼き入れ焼き戻しにより硬さＨＶ５６０とした、直径が１００ｍｍで長さが１５０ｍｍの合金鋼ＳＣＭ４４０からなる基材の表面に、０．３重量％以上の炭素を含有する炭素鋼ＳＫＤ６１の粉末、合金鋼ＳＣＭ４４０の粉末又はステンレス鋼ＳＵＳ４２０の粉末をアルゴンガス雰囲気中で供給しながら半導体レーザーを照射して厚さ５ｍｍのレーザー肉盛り溶接層を形成した。各粉末の粒径は４０～９０μｍになるようにそれぞれ調整し、粉末を供給速度６または８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、レーザビームの走査速度を３００または６００ｍｍ／ｍｉｎとし、波長が９５０～１０７０ｎｍで、出力が１３００Ｗである半導体レーザーを照射した。表３に試験条件を示す。

　上記試験条件Ａを４回、試験条件Ｂを８回、それぞれ繰り返すことにより、約５ｍｍ厚みのレーザー肉盛り溶接層を形成し、表面を研磨により平坦に加工した後、試験力２００ｇで１５秒間保持したときのビッカース硬さを測定した。その測定結果を表４に示す。

　試験条件Ａよりも、粉末供給速度が小さく、且つ、レーザービーム走査速度が速い試験条件Ｂでは、溶融プールが小さくなり、溶融金属が急冷されるから、試験条件Ａの場合に比べて、より高い硬度に達することが分かった。したがって、レーザー肉盛り溶接層を多層に積層する際に、下層から上層にかけて、粉末供給速度を低下させると共に、レーザービーム走査速度を速くするように制御すれば、下層よりも上層の硬度を高めることができ、好都合であると言える。また、表２と表４を比べると明らかなように、レーザー肉盛り溶接層表面の表４のビッカース硬さの数値は、表２より若干向上しているが顕著な差はなく、レーザー肉盛り溶接層自体の硬度変化はほとんどない。段ロール基体を硬化しておくことは、異物噛み込み時などの耐塑性変形性の観点で有利であるが、擦り摩耗のみを考慮する場合には、必ずしも段ロール基体を硬化しておくことは必要でないと言える。

［実施例３］
　合金鋼ＳＣＭ４４０（直径が６０ｍｍで厚さが１０ｍｍである円盤状のもの）の表面に、平均粒径４５～１２５μｍの炭化チタンの粉末と平均粒径４５～１２５μｍのＳＵＳ４２０の粉末を混合した混合粉末を供給速度８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、レーザービームの走査速度が６００ｍｍ／ｍｉｎで、波長が９５０～１０７０ｎｍで、出力が１３００Ｗである半導体レーザーを照射し、マトリックスであるＳＵＳ４２０中に炭化チタンを分散させた厚さ２ｍｍのレーザー肉盛り溶接層を形成した。混合粉末中の炭化チタン粉末は１０重量％とした。また、上記炭化チタン粉末とＳＵＳ４２粉末との混合粉末に代えて、上記ＳＵＳ４２０粉末のみからなる厚さ２ｍｍのレーザー肉盛り溶接層を有する円盤状の試験片も同じ条件で作製した。

　上記炭化チタン粉末が１０重量％でＳＵＳ４２０粉末が９０重量％であるレーザー肉盛り溶接層を有するレコード円盤状の試験片（本発明例１）と、ＳＵＳ４２０粉末のみのレーザー肉盛り溶接層を有するレコード円盤状の試験片（本発明例２）について、相手材である摩耗輪としてＨ－１０摩耗輪を用いて、テーバー摩耗試験による耐摩耗性評価を行った。テーバー摩耗試験の荷重は９．８Ｎとし、１０００回転ごとに重量減を測定し、レーザー肉盛り溶接層の被膜密度から摩耗により減少した体積（ｃｍ^３／１０００回転）を算出した。そのテーバー摩耗試験の結果を表５に示す。また、レーザー肉盛り溶接層のビッカース硬さを表５に示す。このビッカース硬さは試験力２００ｇで１５秒間保持したときの数値を示す。表５に示すように、炭化チタンの粉末とＳＵＳ４２０の粉末との混合粉末からなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例１はＳＵＳ４２０の粉末のみからなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例２に比べて、摩耗により減少する体積が少なく、ビッカース硬さも向上することが分かる。

［実施例４］
　焼き入れ焼き戻しにより硬さＨＶ５６０とした合金鋼ＳＣＭ４４０（直径が６０ｍｍで厚さが１０ｍｍである円盤状のもの）の表面に、平均粒径４５～１２５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）の粉末と平均粒径４５～１２５μｍの合金鋼（ＳＣＭ４４０）の粉末を混合した混合粉末を供給速度８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、レーザービームの走査速度が６００ｍｍ／ｍｉｎで、波長が９５０～１０７０ｎｍで、出力が１３００Ｗである半導体レーザーを照射し、マトリックスであるＳＣＭ４４０中に炭化タングステンを分散させた厚さ２ｍｍのレーザー肉盛り溶接層を形成した。また混合粉末中の炭化タングステン含有量は０～３０重量％の範囲で変化させた。

　図１に、上記のようにレーザー肉盛り溶接層を形成した試料の断面組織の写真を示す。図中、左上（本発明例５）は炭化タングステンを含まないマトリックス（ＳＣＭ４４０）のみのレーザー肉盛り溶接層の断面組織の写真を示し、右上は混合粉末中の炭化タングステンの含有量が５重量％で残部がマトリックス（ＳＣＭ４４０）であるレーザー肉盛り溶接層の断面組織の写真を示し、右下は混合粉末中の炭化タングステンの含有量が２０重量％で残部がマトリックス（ＳＣＭ４４０）であるレーザー肉盛り溶接層の断面組織の写真を示す。

　図２に、上記のようにレーザー肉盛り溶接層を形成した試料の混合粉末中の炭化タングステン含有量（重量％）と被膜硬さ（ビッカース硬さＨＶ）の関係を示す。このビッカース硬さは試験力２００ｇで１５秒間保持したときの数値を示す。炭化タングステンを含まないマトリックスのみのレーザー肉盛り溶接層の硬さはＨＶ６５０を示した。混合粉末中の炭化タングステンの含有量が増加するにつれて肉盛り溶接層の硬さは向上し、炭化タングステンの含有量が３０重量％のときＨＶ１１１２に達した。

　また、上記炭化タングステン粉末が５重量％でＳＣＭ４４０粉末が９５重量％であるレーザー肉盛り溶接層を有するレコード円盤状の試験片（本発明例３）と、上記炭化タングステン粉末が２０重量％でＳＣＭ４４０粉末が８０重量％であるレーザー肉盛り溶接層を有するレコード円盤状の試験片（本発明例４）と、ＳＣＭ４４０粉末のみのレーザー肉盛り溶接層を有するレコード円盤状の試験片（本発明例５）について、相手材である摩耗輪としてＨ－１０摩耗輪を用いて、テーバー摩耗試験による耐摩耗性評価を行った。テーバー摩耗試験の荷重は９．８Ｎとし、１０００回転ごとに重量減を測定し、レーザー肉盛り溶接層の被膜密度から摩耗により減少した体積（ｃｍ^３／１０００回転）を算出した。そのテーバー摩耗試験の結果を表６に示す。表６に示すように、炭化タングステン粉末とＳＣＭ４４０粉末との混合粉末からなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例３と４はＳＣＭ４４０粉末のみからなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例５に比べて、摩耗により減少する体積が少なくなることが分かる。

［実施例５］
　焼き入れ焼き戻しにより硬さＨＶ５６０とした合金鋼ＳＣＭ４４０（直径が６０ｍｍで厚さが１０ｍｍである円盤状のもの）の表面に、マトリックスであるＳＵＳ４２０粉末に対して、レーザー肉盛り溶接層中の分散相成分である炭化物セラミックスとして、炭化チタン、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化ジルコニウムを選択し、平均粒径が４５～１２５μｍである各炭化物セラミックスの粉末を平均粒径が４５～１２５μｍであるＳＵＳ４２０の粉末に１０重量％含有させた混合粉末を供給速度８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、実施例４と同じ条件でレーザー肉盛り溶接層を作製したものと、焼き入れ焼き戻しにより硬さＨＶ５６０とした合金鋼ＳＣＭ４４０（直径が６０ｍｍで厚さが１０ｍｍである円盤状のもの）の表面に平均粒径が４５～１２５μｍであるＳＵＳ４２０粉末のみを供給速度８ｇ／ｍｉｎで供給しながら、実施例４と同じ条件でレーザー肉盛り溶接層を作製したものと、焼き入れ焼き戻しにより硬さＨＶ５６０とした合金鋼ＳＣＭ４４０（直径が６０ｍｍで厚さが１０ｍｍである円盤状のもの）の表面にレーザー肉盛り溶接層を作製しなかったものについてビッカース硬さを測定し、また、テーバー摩耗試験により耐摩耗性の評価を行った。以下の表７には、ビッカース硬さとテーバー摩耗試験による耐摩耗性評価（摩耗により減少した体積）を示す。ビッカース硬さの測定方法とテーバー摩耗試験方法は実施例４と同じである。

　表７に示すように、本発明例６～１０はレーザー肉盛り溶接層を有しない比較例１に対して、いずれも高硬度であり、摩耗により減少する体積が少なく、極めて優れた耐摩耗性を備えていることが分かる。また、炭化物セラミックス粉末とＳＵＳ４２０粉末との混合粉末からなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例６～９はＳＵＳ４２０粉末のみからなるレーザー肉盛り溶接層を有する本発明例１０に比べて、摩耗により減少する体積が極めて少なく、ビッカース硬さも顕著に向上することが分かる。

　本発明による段ロール用高耐摩耗被覆層は、段ロール基体との密着性に優れ、高強度で耐摩耗性に優れる被覆層であり、耐塑性変形性に優れ、凹みなどを生じやすいロールや金型用途にも活用できる。本発明による段ロール用レーザー肉盛り溶接層は、段ロール基体との密着性に優れ高強度で耐塑性変形性に優れる。また、表面に硬質クロムめっきを被覆することにより耐摩耗性に優れ、摩擦係数も小さく、凹みなどを生じやすいロールや大型の耐摩耗部品にも活用できる。

１　ＳＣＭ４４０
２　ＷＣ

Claims

　ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロールにおいて、段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による厚み１～１０ｍｍの高炭素鋼または合金鋼の肉盛り溶接層を有することを特徴とする段ロール。
　ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロールにおいて、段ロール基体の段ロール山部表面または凹凸表面の全部にレーザー肉盛り溶接法による高炭素鋼もしくは合金鋼と炭化物からなる厚み０．１～３ｍｍの高耐摩耗被覆層を有することを特徴とする段ロール。
　段ロール基体が、あらかじめ窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化していることを特徴とする請求項１または２に記載の段ロール。
　高耐摩耗被覆層は、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化ジルコニウムの中の１種又は２種以上を５～３０重量％含有し、残部が０．３重量％以上の炭素を含有する高炭素鋼又は合金鋼からなることを特徴とする請求項２または３に記載の段ロール。
　表面に厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の段ロール。
　レーザー肉盛り溶接法が不活性ガス雰囲気下で実施されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の段ロール。
　ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロール基体表面に、平均粒径２０～１５０μｍの高炭素鋼または合金鋼の粉末を供給しながらレーザーを照射して段ロール基体表面に上記粉末成分からなる溶融プールを形成し、この粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、順次上記溶融プールを固化させて一層または多層の肉盛り溶接層を形成することを特徴とする段ロールの製造方法。
　ロールの外周に段ボールの芯紙を波形に成型させる歯型状段山を形成した段ロール基体表面に、平均粒径２０～１５０μｍの高炭素鋼もしく合金鋼と炭化物の混合粉末を供給しながらレーザーを照射して段ロール基体表面に上記混合粉末成分からなる溶融プールを形成し、この混合粉末の供給とレーザーの照射を段ロール基体の歯型に沿って実施することにより、順次上記溶融プールを固化させて一層または多層のレーザー肉盛り溶接層を形成することを特徴とする段ロールの製造方法。
　レーザーを照射する前に、段ロール基体に、あらかじめ窒化処理もしくは浸炭窒化処理または焼入れ処理と焼戻し処理により硬化処理を施すことを特徴とする請求項７または８に記載の段ロールの製造方法。
　表面に厚み１０～２００μｍの硬質クロムめっき層をさらに被覆する処理を施すことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の段ロールの製造方法。
　レーザーの照射が不活性ガス雰囲気下で実施されることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の段ロールの製造方法。