JP2017100149A - 超硬合金ワークロールおよびその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロール原単位を著しく悪化させることなく、超硬合金の長所である高ヤング率の効果を享受する超硬合金ワークロールおよびその運用方法を提供すること。【解決手段】外周が超硬合金であるロール部とＣｒめっき層を備える超硬合金ワークロールであって、前記ロール部の外周に前記Ｃｒめっき層を備え、前記Ｃｒめっき層の厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下である、超硬合金ワークロール。【選択図】なし

Description

本発明は、超硬合金ワークロールおよびその運用方法に関する。

冷間圧延の際、ワークロールは、被圧延材との接触によるヘルツ圧により、扁平する。ワークロールの扁平量が大きいほど、圧延荷重が大きくなるために、冷間圧延が困難になることは周知である。ワークロールの扁平量はワークロールのヤング率の影響を大きく受け、特許文献１に記載のように、特に、ワークロール外周部のヤング率、及び、その厚み比率が重要である。

鉄鋼、銅などの金属材料の冷間圧延において、ワークロールの耐磨耗性向上（ロール原単位の向上）によるワークロールの高品質化、製品表面品質の向上への要求から、ワークロールの高平坦度化とその維持の長期化が進んでいる。さらに、近年では、地球環境問題への対応など、鋼板等の製品の高強度化、薄物化に対する要求が強くなってきている。高強度材、薄物材を圧延しようとすると、ワークロールの扁平が増大して圧延荷重が増加し圧延が困難となる場合がある。そこで、ヤング率が高く、ロール扁平し難い超硬合金のワークロールが使用されている。

例えば、特許文献２には、外層を超硬合金とし軸心を鋼系の材料で構成した複合ロールが提案されている。この複合ロールは、良好な耐磨耗性や高ヤング率という超硬合金ワークロールの長所を維持しながら、大径長尺のワークロールを製作可能という特徴がある。

しかしながら、一般的に、超硬合金ワークロールには、冷間圧延のワークロールとして利用する際、以下のような欠点がある。すなわち、超硬合金ワークロールとバックアップロール、あるいは、超硬合金ワークロールと被圧延材の間に異物が挟まり、圧延時のヘルツ圧により、超硬合金ワークロールが局所的に凹んでしまい、深さ数十μｍ程度の凹み疵が発生するという問題である。超硬合金ワークロールが凹むと、後続の被圧延材に転写し、製品表面にワークロール回転周期ごとに疵、模様が発生するため、表面品質に厳しい冷延鋼板では、製品にならない。

このため、超硬合金ワークロールに凹み疵が発生すると、超硬合金ワークロールを交換する等の対処が必要となる。

なお、熱間圧延では、被圧延材は冷間圧延に比べ軟質であるため、超硬合金ワークロールと被圧延材間に異物が挟まった場合も、被圧延材側が凹むことが多い。また、超硬合金ワークロールが凹んだとしても、熱間圧延後の鋼板は表面にスケールが生成しており凹みは該スケールにより吸収され、その後スケールは酸洗除去されるため、問題にならない場合が多い。

上記のような問題に対し、特許文献３には、ＷＣ含有量を増加させ、超硬合金の外層における押し込み硬さＨＲＡを８６以上とすることにより、凹み疵が発生し難い超硬合金ロールが提案されている。しかしながら、特許文献３にも記載のように、凹みを完全に防止するには至っていない。凹みが発生すると、圧延機から外してロール研磨により凹みを除去、平坦化しなければならず、超硬合金は高価であるため、ロールコストが著しく悪化する。更に、超硬合金は硬質であるため、研磨コストも著しく高額になる。よって、超硬合金適用のメリットがなくなってしまうのである。

特開平１０−５８２５号公報 特開平１０−２６３６２８号公報 特開２００４−１３６２９６号公報

上記従来技術に鑑み、ロール原単位を著しく悪化させることなく、超硬合金の長所である高ヤング率の効果を享受する超硬合金ワークロールおよびその運用方法を提供することを、本発明の課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した。その結果、超硬合金であるロール部の外層に凹みが発生した場合、Ｃｒめっきにより凹みを平坦化でき、その結果凹み疵が鋼板に転写しないこと、及び、ヤング率の低いＣｒめっき層をワークロール最外層にした場合も、超硬合金の有する高ヤング率の効果を阻害しないことを知見し、本発明を完成させるに至った。本発明の要旨は以下のとおりである。

［１］外周が超硬合金であるロール部とＣｒめっき層を備える超硬合金ワークロールであって、前記ロール部の外周に前記Ｃｒめっき層を備え、前記Ｃｒめっき層の厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下である、超硬合金ワークロール。

［２］前記超硬合金ワークロールの外径が５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満であり、前記ロール部は超硬合金からなる、［１］に記載の超硬合金ワークロール。

［３］前記超硬合金ワークロールの外径が５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下であり、前記ロール部は、超硬合金を外層とし、これが鋼軸心に固定された構成を有する、［１］に記載の超硬合金ワークロール。

［４］外周が超硬合金であるロールの表面に発生した凹みを、超硬合金の研磨により平坦化することなく、Ｃｒめっきにより平坦化する、超硬合金ワークロールの運用方法。

［５］［１］〜［３］のいずれかに記載した超硬合金ワークロールの表面に発生した凹みを、超硬合金の研磨により平坦化することなく、Ｃｒめっきにより平坦化する、超硬合金ワークロールの運用方法。

本発明によれば、ロール原単位を著しく悪化させることなく、超硬合金の長所である高ヤング率の効果を享受し、高強度材、薄物材の冷間圧延が可能になる。

図１は、ワークロールの圧延特性を示す図である。 図２は、ワークロールの凹み性を示す図である。 図３は、Ｃｒめっきによる凹みの平坦化を示す図面である。 図４は、Ｃｒめっきにより凹みを平坦化したワークロールで圧延した鋼板のプロフィールを示す図である。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

超硬合金の外周にＣｒめっき層を設けた場合の圧延特性を調査した。外径１００ｍｍ、バレル幅３００ｍｍのワークロールを用意し、圧延特性を評価した。ワークロールは以下の３種とした。
（１）５％Ｃｒ鋼：一般的に冷間圧延で使用されるＣｒを５質量％程度有する材質、ヤング率；２１，０００ｋｇｆ／ｍｍ^２。
（２）複合ロール：外層は厚さ６ｍｍの超硬合金、超硬合金のＷＣ合金量は８０質量％、超硬合金のヤング率は４８，０００ｋｇｆ／ｍｍ^２、軸心は上記（１）と同質の５％Ｃｒ鋼。
（３）Ｃｒめっき複合ロール：上記の（２）の複合ロールの外周に厚さ５０μｍのＣｒめっき層を備えたもの。

いずれもワークロール表面を０．２μｍＲａに円筒研磨したものであり、これらを圧延特性の評価に用いた。供試材は、３．２質量％Ｓｉ含有の珪素鋼板とし、板厚０．３０ｍｍ・板幅１５０ｍｍのコイルを、圧延荷重６０ｔｏｎｆ、張力２０ｋｇｆ／ｍｍ^２の一定条件で圧延し、板厚０．１５ｍｍまで圧延するのに必要なパス数を調査した。なお、市販の冷間圧延油を濃度５％で供給（エステルを基油とした圧延油で、水で５％に希釈して供給）しながら、圧延速度５ｍｐｍで圧延した。

図１に得られた評価結果を示す。図１では、複合ロールとＣｒめっき複合ロールのグラフがほぼ重なっている。５％Ｃｒ鋼では４パス必要であるのに対し、複合ロールでは２パスで圧延可能になっており、超硬合金の優れた圧延特性が確認できる。これに対し、Ｃｒめっき複合ロールの場合も、複合ロールと同じパス数で圧延できた。すなわち、ワークロール最外層のＣｒめっき層は、ヤング率が低いものの、ワークロールとしてのヤング率を低下させないことを知見した。また、厚さ５０μｍ程度の薄いＣｒめっき層の場合、ワークロール全体の扁平への影響は小さく、荷重をほとんど増大させないことをも発見した。

次に、ワークロール凹みに対する対処法を調査した。まず、上述のように、冷間圧延において、ワークロールとバックアップロール間、あるいは、ワークロールと被圧延材間に異物が噛み込むと、ワークロールが凹むことは避け難い。これは、上記（１）〜（３）のいずれのワークロールであっても同様である。上記複合ロールの場合、外層が超硬合金であるため、研磨コストが高い、及び、ロール原単位が高いことが問題であった。本発明者らは、超硬合金の凹みを防止するのではなく、また、凹みを研磨して平坦化するのでもなく、Ｃｒめっきにより、凹みを平坦化することに想到した。

異物噛み込みによる、ワークロールの凹みの程度、及び、ワークロール凹みの鋼板への転写性を評価した。外径７０ｍｍ、バレル幅４０ｍｍのワークロールと外径１４０ｍｍ、バレル幅４０ｍｍのバックアップロールを用意し、異物としてφ１ｍｍの鋼線（ＪＩＳＧ ３５２１号に規定のＳＷ−Ｂ）を用意してワークロールとバックアップロールの間に噛み込ませ、１０ｔｏｎｆの荷重（実機製造ライン相当の２４０ｋｇｆ／ｍｍ^２のヘルツ圧）を負荷し、ワークロールの凹み量（凹み深さ）を調査した。ワークロールは上記実験と同様に、（１）５％Ｃｒ鋼、（２）複合ロール、（３）Ｃｒめっき複合ロールの３種とした。

図２に得られた結果を示す。複合ロールの凹み量が２５μｍ程度と最も大きく、５％Ｃｒ鋼は凹み量が１５μｍ程度であり、Ｃｒめっき複合ロールは凹み量が１３μｍ程度と最も小さく、複合ロールと比べて半減した。しかしながら、いずれの場合も凹みは発生している。この凹んだワークロールを用いて冷間圧延すると、ワークロールの凹みは鋼板に転写し、品質不適合となることが予想される。

これに対し、異物噛み込みにより凹みの発生した（２）複合ロールに厚さ１５０μｍのＣｒめっきを施し、更に厚さ１００μｍ分を研磨した場合のワークロール幅方向のプロフィールを測定した。また、比較のため、同一箇所について、Ｃｒめっき前のプロフィールも併せて測定した。なお、それぞれ、３ヶ所について幅方向のプロフィールを測定した。図３に結果を示す。Ｃｒめっきにより、凹みを解消しワークロール表面を平坦化できている。このワークロールを用い、２．０ｍｍ厚の鋼板に、圧下率５０％の冷間圧延を施し、得られた鋼板について幅方向のプロフィールを測定した。図４に結果を示すように、鋼板に凹凸は確認できず、実機製造ラインにおいても、品質不適合になることはないと判断できる。

以上の実験により、複合ロールの表面に凹みが発生した場合、超硬合金を研磨せず、Ｃｒめっきをすることで、表面が平坦な鋼板を圧延できた。また、ワークロール最外層のＣｒめっき層は、ヤング率が低いものの、ワークロールとしてのヤング率を低下させないことをも知見した。また、Ｃｒめっき層に凹みが生じた場合は、該Ｃｒめっき層を剥がして、再度、新たにＣｒめっき層を形成すればよいと考えた。

本発明の超硬合金ワークロールは、外周が超硬合金であるロール部とＣｒめっき層を備える超硬合金ワークロールであって、前記ロール部の外周に前記Ｃｒめっき層を備える。外周のＣｒめっき層は、ロール部外周の超硬合金に対して直接設ける必要がある。その理由は、ヤング率の低下を抑制する、凹みが生じたＣｒめっき層の剥離／再度のＣｒめっき処理という簡便なＣｒめっき層の入れ替えを実現するためである。

本発明において、Ｃｒめっき層の厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下である。厚さ１０μｍ未満では表面の平坦度を制御することが困難な上、凹みを平坦化することが不可能となる。よって、Ｃｒめっき層の厚さは１０μｍ以上とし、好ましくは２０μｍ以上である。一方、厚さが２００μｍを超えると、Ｃｒめっきのコスト増を招くとともに、超硬合金とＣｒめっき層の密着性が低下し、圧延時にＣｒめっき層が剥離しやすくなる。よって、Ｃｒめっき層の厚さは２００μｍ以下とし、好ましくは５０μｍ以下である。

超硬合金は特に限定されず、例えば、主成分がＷＣのもの（以下ＷＣ系とも称する。）、サーメット等を使用可能であり、好ましくは、ＷＣ系である。ＷＣ系超硬合金におけるＷＣ含有量は７５質量％以上が好ましい。超硬合金はバインダーを含んでも含まなくてもよい。なお、ＷＣ系超硬合金がバインダーを含む場合、該バインダー成分として、例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ等がある。

本発明の超硬合金ロールの外径は特に限定されず、好ましくは５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下である。本発明は超硬合金ワークロールのロール部の構成を適宜選択してよい。例えば、ワークロールは超硬合金からなってもよい。また、超硬合金製円筒スリーブを外層として鋼製軸心に固定したロール部とすることもできる。該固定の方法は特に限定されず、焼き嵌め、金属結合等がある。外層として超硬合金を有する場合、厚さは５〜２００ｍｍとすることが好ましい。なお、超硬合金ワークロールの外径が５０ｍｍ以上の場合、超硬合金製円筒スリーブを鋼製軸心に固定したロール部とすることもできる。また、外径が１５０ｍｍ未満の場合、ロール部を超硬合金製とすることもできる。他の観点では、製造性や製造コストを勘案し、ロール部の構造を適宜決定すればよい。

本発明の超硬合金ワークロールの運用方法は、上記超硬合金ワークロールの表面に発生した凹みを、超硬合金の研磨により平坦化することなく、Ｃｒめっきにより平坦化する。上記超硬合金ワークロールは外周が超硬合金であるロール部と該ロール部の外周に備えられたＣｒめっき層を有する。よって、仮に表面に重度の凹みが発生した場合、例えば、凹みが発生したＣｒめっき層を剥がし、次いでロール部外周にＣｒめっきを施し、表面を研磨して平坦化する、という簡便な作業で超硬合金ワークロールの表面を平坦化できる。

以下に、本発明の実施例を説明する。本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
外径１３０ｍｍ、幅１４００ｍｍの５％Ｃｒ鋼ロール、同サイズの複合ロール（外層：厚さ６ｍｍの超硬合金、超硬合金のＷＣ合金量；８０質量％、残部バインダーをＣｏ、超硬合金のヤング率；４８，０００ｋｇｆ／ｍｍ^２、軸心：５％Ｃｒ鋼）の２種のワークロールを用い、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼帯を３．０ｍｍから０．３ｍｍまで冷間圧延するのに必要なパス数を比較した。

また、荷重１，０００ｔｏｎ圧延する際のロール運用コストを比較した。すなわち、両ワークロールについて、凹みが発生した場合、研磨により除去する方法とＣｒめっきにより平坦化する方法のそれぞれを比較した。なお、ワークロールの運用中にＣｒめっき層に凹みが発生した場合、Ｃｒめっき層を剥がして、再度、Ｃｒめっきした。本実施例において、ワークロールに形成するＣｒめっき層の厚さは２５μｍとした。

なお、ロール運用コストの比較において、従来例の５％Ｃｒ鋼＋研磨（５％Ｃｒ鋼ロールを使用し、表面に凹みが生じた場合は研磨により表面を平坦化することを意味する）の場合を１．０とし、各条件のロール運用コストを算出した。表１に結果をまとめて示す。

従来例の５％Ｃｒ鋼＋研磨の場合に対し、比較例の５％Ｃｒ鋼＋Ｃｒめっき（５％Ｃｒ鋼ロールを使用し、表面に凹みが生じた場合はＣｒめっきおよびＣｒめっき層の研磨により表面を平坦化することを意味する。）の場合、パス数は同じであった。しかし、Ｃｒめっきのコストに伴い、ロール運用コストが増加した。

同じく比較例の複合ロール＋研磨の場合、パス数は削減できた。しかし、凹みが発生した場合、それを研磨で平坦化するコストと超硬合金の研削ロスによるロール運用コストの大幅増加を招いた。結果として、上記パス数削減のメリットを享受できなくなった。

本発明例の複合ロール＋Ｃｒめっきの場合、パス数を削減できるとともに、凹みが発生した場合も、硬質・高価な超硬合金を研磨することなく（ロール原単位の向上）Ｃｒめっきをやり直すだけですむので、ロール運用コストの増加はわずかであった。また、ロールの凹みが生じた場合も、Ｃｒめっきすることにより、凹みが製品表面に転写することはなかった。よって、パス数削減のメリットを十分に享受できるようになった。

以上、外周が超硬合金であるロールとＣｒめっきを併用することにより、超硬合金製ロールの欠点を補い、ロール運用コストを著しく劣化させることなく、パス数を削減できることを示した。

（実施例２）
実施例１における本発明例（複合ロール＋Ｃｒめっき）において、Ｃｒめっき層の厚さを５μｍとしたところ、表面の平坦度を制御することが困難な上、凹みを平坦化することが不可能であったため、ステンレス鋼帯の表面に疵や模様が発生してしまった。

また、Ｃｒめっき層の厚さを２５０μｍとしたところ、ロール運用中にＣｒめっき層が剥離してしまい、円滑なロール運用ができなかった。

Claims (5)

1. 外周が超硬合金であるロール部とＣｒめっき層を備える超硬合金ワークロールであって、
   前記ロール部の外周に前記Ｃｒめっき層を備え、
   前記Ｃｒめっき層の厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下である、超硬合金ワークロール。
2. 前記超硬合金ワークロールの外径が５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満であり、
   前記ロール部は超硬合金からなる、請求項１に記載の超硬合金ワークロール。
3. 前記超硬合金ワークロールの外径が５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下であり、
   前記ロール部は、超硬合金を外層とし、これが鋼軸心に固定された構成を有する、請求項１に記載の超硬合金ワークロール。
4. 外周が超硬合金であるロールの表面に発生した凹みを、超硬合金の研磨により平坦化することなく、Ｃｒめっきにより平坦化する、超硬合金ワークロールの運用方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載した超硬合金ワークロールの表面に発生した凹みを、超硬合金の研磨により平坦化することなく、Ｃｒめっきにより平坦化する、超硬合金ワークロールの運用方法。