JP6477362B2 - 金属板圧延用ミル - Google Patents

Description

本発明は、金属板圧延用ミルに関する。

表面品質が重視される金属板の冷間圧延には、圧延時の荷重制御が比較的容易である、直径１５０ｍｍ以下の小径ワークロールが用いられる。このワークロール材には、熱処理によって表面の硬度を高めたダイス鋼、ハイス鋼などの鋼材が多用される。

特許文献１には、耐摩耗性を向上させるために、ワークロール表面にＴｉＮなどの硬質セラミックス皮膜層を設ける技術が記載されている。

特開平４−２５３５１１号公報

ワークロールによって金属板の圧延を繰り返し行うと、ロール表面に凝着物が付着することがある。このような凝着物の凹凸は、被圧延材に転写され、被圧延材の表面疵となり、表面品質が低下する。このような問題は、高い表面性状が要求される用途において顕在化する。また、ワ−クロール表面の凝着物は、中間ロールまたはバックアップロールにも転写されるため、これらのロールの洗浄または交換が必要となり、生産性を著しく阻害することがある。このため、ロール表面への凝着物の付着を防止する必要がある。

本発明者らは、純ニッケル金属板の圧延に用いられるワークロール表面を詳細に調べた結果、その凝着物の多くがニッケルを主成分とするものであった。すなわち、凝着物の原因は、主として、被圧延材中の成分であるものと判明した。そして、この付着物が少ないうちは、特に問題とならないが、その凝着物が次第に大きくなっていくことによって上記の問題が顕在化する。対処方法として、圧延時の圧下率を低下させれば、被圧延材中に含まれる元素のロール表面への付着量を減らすことができ、凝着物による表面性状の低下の問題は発生しにくくなる。しかし、圧延パス回数が増加し、生産効率の低下が余儀なくされる。

なお、上記のメカニズムは、純ニッケル金属板の圧延ロールに限られず、純チタン金属板、チタン合金板の圧延ロールにおいても同様であり、ワークロールに形成される凝着物の主成分は、チタンであった。

特許文献１には、凝着物の付着を防止について全く考慮されていない。

本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためになされたものであり、ワークロール表面の凝着を防止することができる金属板圧延用ミルを提供することを目的としている。

本発明者らは、純ニッケル板の圧延に用いられたワークロール（鍛鋼材、表面処理なし）を分割し、表面状態をＳＥＭ−ＥＤＳ装置にて解析した。なお、図１に示すように、このワークロールは、中間ロール２およびバックアップロール３とともに構成された６段ミルのワークロール４である。６段ミルにおいて、純ニッケル板のワーク１は、所定の間隔で設置されたワークロール対４、４の間を通過することにより圧延される。図２に示すように、ワークロール４は、例えば、中央にロール部４ａ、その両外側に小径部４ｂ、両端に大径部４ｃを備え、ロール部４ａの中央部にワーク（図示省略）の摺動部４ｄがある。本発明者らは、摺動部４ｄについて圧延中心部、圧延端部などを切断した供試材を観察した結果、ロール表面には、Ｎｉの凝着物が付着しており、その凝着物の表層にはＦｅおよびＣｒも観察された。なお、ロールのバレル方向位置にもよるが、最大５μｍ厚み程度の凝着物が観察された。

よって、ワークロール表面に付着した凝着物は、被圧延材のＮｉであることが分かった。また、観察されたＦｅおよびＣｒについては、バックアップロールまたは中間ロールに由来する成分が、ワークロールに転写されたものであると推定される。

すなわち、バックアップロールまたは中間ロールが摺動条件下で摩耗し、その摩耗粉がワークロールへ転写され、ワークロール表面で凝集し、凝着した可能性が考えられる。また、製造ラインは、純ニッケル板の冷延だけでなく、ＳＵＳ鋼板などの冷延も行われる。このとき、ワークロールは、被圧延材の種類によって変更されるが、中間ロール、バックアップロールなどの共通部品は変更されない。このため、純ニッケル板の冷延前に、ＳＵＳ鋼板などが冷延された場合には、ＳＵＳ鋼板由来のＦｅ、Ｃｒなどの元素が中間ロール、バックアップロールなどの圧延装置に残存し、それがワークロールへ転写され、ワークロール表面で凝集し、凝着した可能性が考えられる。

一方、本発明者らは、特許文献１に記載される技術に従って、ＴｉＮ層をワークロール表面に形成して純ニッケル金属板の圧延を実施し、圧延に用いたワークロールについて、上記と同様に、表面状態をＳＥＭ−ＥＤＳ装置にて解析したところ、ワークロールへのニッケルの凝着が確認された。これは、ＴｉＮは高硬度であり、耐摩耗性の面では優れている反面、摩擦係数が０．６〜０．８と高く、圧延時（摺動時）に被圧延材由来の成分が付着したと考えられる。このため、被圧延材の表面性状を維持するためには、圧延荷重の低減、圧延速度の低下などを余儀なくされ、生産効率の悪化が避けられない。

なお、被圧延材のＮｉは、ＴｉＮを構成するＴｉ粒子と、室温近傍においても化学的に親和性を有しており、特に凝着しやすいと考えられる。

そこで、本発明者らは、高い硬度を有し、十分な耐久性を有するとともに、摩擦係数が低く、被圧延材由来の成分の凝着が発生しないような表面処理方法について検討した結果、ダイアモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」と記す。）に着目した。ＤＬＣとは、ダイアモンド結合およびグラファイト結合が混在したアモルファス構造の物質である。ＤＬＣは、アモルファス構造を有しているため、結晶粒界を持たず、ＴｉＮなどの硬質膜と比べて非常に平滑な表面を有する。そして、ＤＬＣの摩擦係数は、ダイアモンド結合／グラファイト結合比にも拠るが、高い場合でも０．２０以内であり、ＴｉＮに代表される従来の硬質保護膜よりも格段に低い。特に、ニッケルと、ＤＬＣは、化学的に非親和であることも大きな理由と考えている。

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、下記の金属板圧延用ミルを要旨とする。

（１）Ｎｉ、ＴｉおよびＣｒから選択される１種以上を含有する、金属板を圧延するのに用いるミルであって、前記ミルは、少なくとも、ワークロール、中間ロールおよびバックアップロールを備え、前記ワークロール、前記中間ロールおよび前記バックアップロールが、その表面に、ダイアモンド結合およびグラファイト結合が混在したアモルファス構造のダイアモンドライクカーボン被覆層を備える、金属板圧延用ミル。

（２）前記ダイアモンドライクカーボン被覆層表面の摩擦係数が、０．２以下である、上記（１）の金属板圧延用ミル。

（３）前記ダイアモンドライクカーボン被覆層の厚さが、１〜１０μｍである、上記（１）または（２）の金属板圧延用ミル。

（４）前記ダイアモンドライクカーボン被覆層が、ダイアモンド型結晶構造を有する炭素化合物とグラファイト型結晶構造を有する炭素化合物の結晶比率で、前記ダイアモンド型結晶構造を有する炭素化合物の割合が６０〜８０％である、上記（１）〜（３）のいずれかの金属板圧延用ミル。

本発明によれば、ワークロール表面の凝着を防止することができる。よって、特に、金属板圧延用ミルとして有用である。

６段ミルの装置構成の例を示す図。 ワークロールの例を示す図。 本発明例１のワークロールの断面写真（走査型電子顕微鏡像）。 実施例における摩擦係数を比較した図。 実施例におけるワークロールおよび被圧延材の表面状態を示す写真。(a)比較例１のワークロールの表面状態、(b)本発明例１のワークロールの表面状態、(c)本発明例１のワークロールを用いて圧延した被圧延材の表面状態。

本発明は、Ｎｉ、ＴｉおよびＣｒから選択される１種以上を含有する、金属板を圧延するのに用いるミルに関するものである。本発明のミルで用いられるロールは、ロール表面に凝着しやすい元素を含む金属板を圧延する場合においても、これらの凝着を防止することができる。Ｎｉ、ＴｉおよびＣｒから選択される１種以上を含有する金属板としては、例えば、純Ｎｉ、純Ｔｉ、Ｔｉ合金、ステンレス鋼などが挙げられる。本発明は、図１に示す、ワークロール１のほか、中間ロール２およびバックアップロール３など、圧延に関係するあらゆるロールに適用することができる。ただし、被圧延材（ワーク）と直接接触するワークロール１に適用することが好ましい。

図３に示すように、本発明の金属板圧延用ミルで用いられるロール４は、そのロール部４ａの表面に、ダイアモンドライクカーボン被覆層４０を備えている。すなわち、ロール部４ａは、ダイアモンドライクカーボン被覆層４０と基材部４１とで構成されている。ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被覆層４０とは、ダイアモンド結合（立方晶、ｓｐ３結合）およびグラファイト結合（六方晶、ｓｐ２結合）が混在したアモルファス構造を有している。このため、ＤＬＣは、超硬合金なみの高硬度を備えるとともに、アルミナ等の金属酸化膜、ＴｉＣ等の金属炭化膜、ＴｉＮ等の金属窒化膜と比較して各段位に摩擦係数が小さいため、高い潤滑性を備えている。

ダイアモンドライクカーボン被覆層表面の摩擦係数は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどの凝着を防止するためには、０．２以下とすることが好ましい。より好ましいのは、０．１５以下であり、更に好ましいのは、０．１以下である。

ＤＬＣ被覆層の組成は、特に限定しない。よって、結晶比率で、グラファイト結合の存在率ｓｐ２およびダイアモンド結合の存在率ｓｐ３の比（ｓｐ３／ｓｐ２）が０．６０〜０．８０であればよい。

ＤＬＣ被覆層の厚さは、硬質保護膜としての機能を確保するためには、１μｍ以上とすることが好ましい。一方、ＤＬＣ被覆層が厚すぎる場合には、「てこの原理」に基づき、ＤＬＣ被覆層と基材部との界面に負荷される引張応力が強くなり過ぎて、ＤＬＣ被覆層が基材部から剥がれる場合がある。このような事態は、特に、高荷重圧延などのように、圧延時の剪断応力が所定値を超えた場合に生じやすい。このため、ＤＬＣ被覆層の厚さは、１０μｍ以下とすることが好ましい。

ＤＬＣの高潤滑性は、定量的には摩擦係数の低さを指標に捉えることができる。そして、低摩擦係数の所以は、ＤＬＣを構成するグラファイトが亀甲状の層状構造を有し、同じ層内では極めて強い結合（σ結合とも称される共有結合）を示すのに対し、層間(亀甲の上下面)では脆弱な結合（π結合とも称されるファンデルワールス力）に留まる。このため、後者の結合力がＤＬＣ表面に負荷された剪断応力を下回った場合、比較的容易に層間の滑り現象（数Åオーダの滑り）が生じ、当該結合が解離する。その結果、ＤＬＣ被覆膜層の高潤滑性が得られる。

そして、ワークロール表面には圧延時に必ず剪断応力が作用するので、ＤＬＣが摩耗し、圧延環境下でもＤＬＣが剥離せず、残存する条件で成膜されなければならない。係る成膜条件の下限値が１μｍ以上のＤＬＣ厚みであれば、少なくとも所期生産工程（鋼板の圧延総長）を処理することが可能である。

なお、ＤＬＣ被覆層の厚さは、ロールの基材部を成膜装置の内に晒す時間によって調整できる。ここで、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いてＤＬＣを基材部に成膜する際には、成膜温度が、基材部を構成する鋼材の焼戻し温度を上回る場合がある。成膜温度が焼戻し温度を上回っても、成膜時間が短時間であれば、特段問題が生じないが、あまりに長時間になると、ロールの基材部を構成する鋼材が成膜装置の内部で焼き戻された結果、想定外の軟化を引き起こす危険性がある。この点、ＤＬＣ被覆層の厚さが１０μｍ以下であれば、比較的短時間で成膜できるため、成膜温度が高くても、ロールの基材部への影響は無視できる程に小さくすることができる。また、ＤＬＣ被覆層は、耐熱温度が低いため、本発明のミルで用いられるロールは、熱間圧延には適さず、温間圧延または冷間圧延に適している。

ＤＬＣ被覆層は、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、物理蒸着法（ＰＶＤ法）等のドライ成膜手法を用いて、ロールの基材部表面に直接または、緩衝膜を介し成膜することができる。近年の成膜装置技術の発展に伴い、水素含有量が制御された超高硬度膜のほか、クロム、珪素などを硬質粒子としてマトリックスに組み込んだ硬質膜も実用化されている。ＰＶＤ法またはＣＶＤ法の処理条件は、ロールの基材部を構成する鋼材の熱処理後の鋼材組織と、鋼材構造を損なわない範囲であれば、周知慣用の条件に従えばよく、特定条件には限定されない。例えば、ＰＶＤではアークイオンプレーティング法が、ＣＶＤではプラズマＣＶＤ法がロール円周部全面に均質かつ均一にＤＬＣを成膜する上で望ましい。

ここで、基材部の化学組成は、所定の機械的性能（表面硬さ：Ｈｖで８００以上、表面粗さ：Ｒａで０．０６程度）を有しておれば、特に限定はないが、例えば、JIS規格では、ＳＫＤ系列、ＳＫＨ系列などが鋼材分類として挙げられる。

本発明の効果を確認するべく、鍛鋼製ワークロール（比較例１）、超鋼製ワークロール（比較例２）、および、鍛鋼製基材部表面にＤＬＣ被覆層を設けたワークロール（本発明例１）を用意し、図１に示す６段ミルにて、被圧延材として純ニッケル箔（板厚０．２ｍｍ、板幅６００ｍｍ、ニッケル純度≧９９．５％）を板厚０．１ｍｍまで圧延（パス回数：１パス、圧延荷重：７０〜８０ton総圧延長：１０，０００ｍ）し、被圧延材の表面性状を確認した。なお、ワークロールの形状は、図２に示す形状とし、ロール部の胴長：１，０００ｍｍ、ロール部の直径：８０ｍｍとした。

本発明例１のワークロールは、鍛鋼製ワークロール表面を、プラズマＣＶＤ成膜装置内に装入し、ta-Ｃ:Ｈ型（水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン）の組成を有するＤＬＣ被覆層を成膜した。このＤＬＣ被覆層の膜厚は、１．３μｍ、摩擦係数は、０．１４０であった。また、比（ｓｐ３／ｓｐ２）は７５％であった。図３に示すように、本発明例１のワークロールの表面には、均一なＤＬＣ被覆層が形成されていた。

図４に示すように、圧延時の荷重値と摩擦力から計算される摩擦係数は、比較例１の鍛鋼製ワークロールでは０．１４、比較例２の超硬製ワークロールでは０．１６であったのに対して、本発明例１のＤＬＣ被覆鍛鋼製ワークロールでは０．０７と極めて低い値となっていた。

図５に示すように、比較例１の鍛鋼製ワークロールでは凝着が目立つが（図５(a)参照）、本発明例１のＤＬＣ被覆鍛鋼製ワークロールでは凝着確認されず（図５(b)参照）、また、圧延された純ニッケル箔に表面不良が発生していなかった（図５(c)参照）。

本発明によれば、ワークロール表面の凝着を防止することができる。よって、特に、金属板圧延用ミルとして有用である。

１ ワーク
２ 中間ロール
３ バックアップロール
４ ワークロール
４ａ ロール部
４ｂ 小径部
４ｃ 大径部
４ｄ 摺動部
４０ ダイアモンドライクカーボン被覆層
４１ 基材部

Claims (4)

1. Ｎｉ、ＴｉおよびＣｒから選択される１種以上を含有する、金属板を圧延するのに用いるミルであって、
   前記ミルは、少なくとも、ワークロール、中間ロールおよびバックアップロールを備え、
   前記ワークロール、前記中間ロールおよび前記バックアップロールが、その表面に、ダイアモンド結合およびグラファイト結合が混在したアモルファス構造のダイアモンドライクカーボン被覆層を備える、
   金属板圧延用ミル。
2. 前記ダイアモンドライクカーボン被覆層表面の摩擦係数が、０．２以下である、
   請求項１に記載の金属板圧延用ミル。
3. 前記ダイアモンドライクカーボン被覆層の厚さが、１〜１０μｍである、
   請求項１または２に記載の金属板圧延用ミル。
4. 前記ダイアモンドライクカーボン被覆層が、ダイアモンド型結晶構造を有する炭素化合物とグラファイト型結晶構造を有する炭素化合物の結晶比率で、前記ダイアモンド型結晶構造を有する炭素化合物の割合が６０〜８０％である、請求項１から３までのいずれかの金属板圧延用ミル。