JPH0348155B2 - - Google Patents
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- JPH0348155B2 JPH0348155B2 JP57134447A JP13444782A JPH0348155B2 JP H0348155 B2 JPH0348155 B2 JP H0348155B2 JP 57134447 A JP57134447 A JP 57134447A JP 13444782 A JP13444782 A JP 13444782A JP H0348155 B2 JPH0348155 B2 JP H0348155B2
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Landscapes
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- Metal Extraction Processes (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Metal Rolling (AREA)
Description
本発明は銅および銅を主体とする合金線材の熱
間圧延ロール、ガイドロールに用いられる塑性加
工工具に関するものである。 従来、銅や銅合金用の塑性加工工具としては超
硬合金やダイズ鋼、高速度鋼等が用いられてい
る。しかしながら、線引きロールなどに代表され
る大量生産品の製造条件は、高精度化および経済
的要求から年々厳しくなり、それに伴つて塑性加
工工具としても耐熱性、耐摩耗性、耐衝撃性など
の向上が要求されている。そしてこれらの要求を
満足すべく超硬合金、ダイズ鋼や高速度鋼（ハイ
ス）などの分野においても日夜新しい材料の開発
が続けられているが、まだ上記の諸性能を十分具
備した材料は見い出されていない。 上述したように金属の塑性加工工具材料として
は、工具鋼等の鋼あるいは超硬合金が一般的であ
り、新しい塑性加工工具素材に対する動きを見て
も僅かな変更にしかすぎなかつた。 これに対してセラミツクは塑性加工用工具の材
料として最近注目されているが、その耐熱衝撃
性、耐衝撃性、脆性などの諸性質が前記した材料
に比較して劣るため、塑性加工工具の中でも応力
が小さいガイドロール等の分野において次第に利
用され初めているにすぎず、熱間圧延用ロールに
用いるという発想は殆どなされていないのが現状
である。 本発明者らは、永年に亘りセラミツク材料を塑
性加工工具素材として使用する可能性を検討した
結果、この発明に到達したものである。 即ち、この発明は窒化珪素系セラミツクスであ
つて、特にその空孔率が５％以下であり、かつ常
圧焼結法によつて得られる新しい塑性加工工具、
とくに熱間圧延用ロールあるいはガイドローラで
ある。そしてこれらは、従来の各種塑性加工工具
としての概念を打ち破つた革命的な変化をもたら
すものである。従来の塑性加工工具では、塑性加
工を行う金属によつてその寿命が異なり、例えば
銅や銅合金の場合被加工材との間によつて反応が
起こり、溶着現象が生じて表面層は溶着離脱の繰
り返し現象のため表面層の荒れ、または消耗が増
加してやがて寿命に至るのである。また、特に熱
間加工において、超硬合金やダイズ鋼では溶着離
脱の繰り返しによるスポーリングと呼ばれる剥離
現象や疲労現象による亀裂が発生しこれが致命傷
になる。 この溶着の繰り返しによるスポーリングは、銅
および銅合金線材用の熱間圧延ロールに特有な問
題であつて、その損傷のうちでも特に重要かつ特
殊な問題であるので詳細に説明する。特に、銅お
よび銅合金線材であつても、線引きダイスの場合
はむしろ摩耗や材料の噛込みまたは齧りつき等が
重要な問題であり溶着の繰り返しによるスポーリ
ングはそれほど深刻な問題とならない。 このような銅および銅合金等線材用の熱間圧延
ロールと線引きダイスの相異は、従来技術におい
て銅線材用の線引きダイスには超硬合金が好適に
使用されているにも拘わらず、熱間圧延ロールと
しては損耗が激しく使用に耐えず、寿命を犠牲に
してダイズ鋼が使用されていることからも理解で
きる。 銅および銅合金線材用の熱間圧延ロールのスポ
ーリング（表面の剥離）は、熱間圧延に特有なロ
ールと被圧延材との熱的、機関的および化学的な
相互作用によつて生ずる。 まず熱的作用は、ロール表面が被圧延材と周期
的に接触することを特徴とする。この点でダイス
の受ける定常的な熱的作用と相異する。ロールは
こうしてヒートサイクルを受けることによつて疲
労して、銅および銅合金の溶着との相互作用によ
つてスポーリングを生起しやすくなる。 機械的作用とは、ロール表面が高圧下力を受け
かつ被圧延材と高速度の接触状態下に置かれるこ
とを意味する。ここでは、ダイスの場合のように
摩耗がとりわけ重大な問題とはならない。 化学的作用とは、ロール表面の材質と被圧延材
との反応性の問題で、特に銅および銅合金の熱間
圧延の場合の挙動は極めて複雑である。 例えばSi3N4焼結体は熔融状態の銅または銅合
金とは反応性が低いことは公知である。しかるに
Si3N4焼結体製のロールで銅および銅合金線材を
熱間圧延すると、ロール表面に銅または銅合金が
激しく溶着乃至凝着してスポーリングが生じる。
これはSi3N4焼結体の熱間圧延での銅との反応性
が、熔融状態の銅との反応性とは全く別違のもの
であり、これからは類推できないことを意味す
る。 すなわち、銅および銅合金の熱間圧延ロールの
溶着によるスポーリングは、上記した熱的、機械
的および化学的な相互作用によつて生ずる複雑な
反応の結果である。本発明者らの研究によると、
Si3N4と銅線材との反応は銅線材が圧延過程で大
気、冷却水等によつて酸化膜を形成しており、
CuOとなつていることが一大要因であると結論づ
けられた。Si3N4とCuOとの反応性を大気中1050
℃までテストしたところ、急激な反応が確認され
ている。これらの実験の結果、本発明者等は銅お
よび銅合金線材の熱間圧延中の溶着によるスポー
リング現象を次のように考察した。 Si3N4のロール表面は、上記した熱的および機
械的作用のもとにCuOにより酸化されSiO2層を
生成する。このSiO2層がCuOに拡散することに
よつてSi3N4とCuOとの反応が進行する。特に
SiO2−CuOの共晶組織は比較的低温度で高い反
応性を示す。このため銅の溶着または凝着が進行
してスポーリングが起こる。 以上の如く、銅または銅合金の熱間圧延ロール
の溶着によるスポーリングは極めて特殊な現象で
あり、これを防止して長寿命のロールを提供する
ことは極めて困難であつた。 本発明は、特に上記の如き凝着によるスポーリ
ングを防止して、従来の超硬合金、ダンス鋼また
はハイスによる圧延ロール、ガイドロールの耐用
寿命を飛躍的に伸ばすことに成功したものであ
る。 その結果、従来の治工具の概念を変え、本発明
の工具は設備の一部と見なされ、例えば設備自体
の定期的な補修の管理で済むようになり、非生産
的な事態が全く無くなつたのである。 かかる銅および銅合金線材用の圧延ロール、ガ
イドロールに長寿命を示す本発明の工具材料は、
原料組成として、Si3N4の60重量％以上にAl2O3
および／またはAlNを１〜40重量％、SiO2を１
〜40重量％含有し、空孔率が５％以下である焼結
体であることが特徴であり、更にこれにMgOを
１〜５重量％含有してもよい。 上記Si3N4−Al2O3−AlN−SiO2系において、
焼結体中でよく知られている、 Si6（１−Ｘ／８）Al２／３×Ｎ（８−Ｘ）Ox の組成をもつサイアロン組成が主体になつている
と好ましい結果が得られる。これを主体として第
２相との混合物になつてもよい。 この発明に主材料として用いるSi3N4について
は、Si金属粉の成型体を窒化する反応焼結法と
Si3N4と添加剤とを混合して粉末冶金法にて作製
する２種の方法が知られている。ところが前者の
方法では空孔がどうしても10％以上残りこの発明
には不適当である。 また後者の方法においては添加剤を使用するた
めにこれによつて性質が大きく左右されることが
知られているが、必要な高強度と耐衝撃性を得る
のにはSi3N4が60重量％以上が必要であつた。
Al2O3、AlNおよびSiO2が１％以下では強度が不
十分であり、40％以上では強度が低く脆くなり、
耐摩耗性が低下するので好ましくない。 MgOは１〜５％の範囲で緻密な焼結体が得ら
れ空孔率が５％以下にしやすい。 種々の実験の結果、高温での圧延用ロール材と
してはAl2O3を25重量％、AlNを５重量％、SiO2
を８重量％含有せしめた焼結体からなる工具が最
も長寿命であることが判明した。空孔率が５％以
上になると、前述のスポーリングによる損耗が特
に高温の場合ひどくなり好ましくない。ただし、
使用条件がそれほど過酷でない領域では10％程度
まではそれほどの影響は無い。 Si3N4の結晶系はα型、β型のいずれでも効果
に差異がなく使用することができる。 次に実施例によつて説明する。 実施例 １ Si3N4に対し、Al2O3を20重量％、AlNを10重
量％、SiO2を５重量％を秤量してボールミルに
て充分に粉砕混合した。得られた粉末を成型した
のち、N2ガス雰囲気中で1650〜1850℃で４時間
焼結し、外径200mmφの圧延ロールを作製した。
（焼結体の空孔率は３％）そしてこの圧延ロール
を銅線材用仕上圧延ロールの第10段として使用し
た。その結果、寿命までの圧延量は2560tであつ
た。なお被圧延材の温度は500℃であり、従来使
用していた超型合金ロールでは350tであつた。 実施例 ２〜４ Si3N4に対して、Al2O3を15重量％、AlNを５
重量％、SiO2を10重量％、MgOを３重量％を秤
量し、実施例１と同様の方法で焼結し、外径220
mmφの圧延ロールを作製した。焼結体の組成はそ
の90％がサイアロン組成であり、これとMgOを
含む第２相からなる混合物である空孔率は2.0％
であつた。 このロールを用いて圧延温度900℃、700℃、
500℃にて圧延を行い、ロールの寿命に至るまで
の圧延量および寿命原因を調べたところ第１表の
結果を得、900℃と700℃ではほぼ同等の圧延量で
寿命に達した。また500℃ではむしろ圧延量が減
少することがわかつた。比較ロールは実施例１と
同じ超硬合金である。
間圧延ロール、ガイドロールに用いられる塑性加
工工具に関するものである。 従来、銅や銅合金用の塑性加工工具としては超
硬合金やダイズ鋼、高速度鋼等が用いられてい
る。しかしながら、線引きロールなどに代表され
る大量生産品の製造条件は、高精度化および経済
的要求から年々厳しくなり、それに伴つて塑性加
工工具としても耐熱性、耐摩耗性、耐衝撃性など
の向上が要求されている。そしてこれらの要求を
満足すべく超硬合金、ダイズ鋼や高速度鋼（ハイ
ス）などの分野においても日夜新しい材料の開発
が続けられているが、まだ上記の諸性能を十分具
備した材料は見い出されていない。 上述したように金属の塑性加工工具材料として
は、工具鋼等の鋼あるいは超硬合金が一般的であ
り、新しい塑性加工工具素材に対する動きを見て
も僅かな変更にしかすぎなかつた。 これに対してセラミツクは塑性加工用工具の材
料として最近注目されているが、その耐熱衝撃
性、耐衝撃性、脆性などの諸性質が前記した材料
に比較して劣るため、塑性加工工具の中でも応力
が小さいガイドロール等の分野において次第に利
用され初めているにすぎず、熱間圧延用ロールに
用いるという発想は殆どなされていないのが現状
である。 本発明者らは、永年に亘りセラミツク材料を塑
性加工工具素材として使用する可能性を検討した
結果、この発明に到達したものである。 即ち、この発明は窒化珪素系セラミツクスであ
つて、特にその空孔率が５％以下であり、かつ常
圧焼結法によつて得られる新しい塑性加工工具、
とくに熱間圧延用ロールあるいはガイドローラで
ある。そしてこれらは、従来の各種塑性加工工具
としての概念を打ち破つた革命的な変化をもたら
すものである。従来の塑性加工工具では、塑性加
工を行う金属によつてその寿命が異なり、例えば
銅や銅合金の場合被加工材との間によつて反応が
起こり、溶着現象が生じて表面層は溶着離脱の繰
り返し現象のため表面層の荒れ、または消耗が増
加してやがて寿命に至るのである。また、特に熱
間加工において、超硬合金やダイズ鋼では溶着離
脱の繰り返しによるスポーリングと呼ばれる剥離
現象や疲労現象による亀裂が発生しこれが致命傷
になる。 この溶着の繰り返しによるスポーリングは、銅
および銅合金線材用の熱間圧延ロールに特有な問
題であつて、その損傷のうちでも特に重要かつ特
殊な問題であるので詳細に説明する。特に、銅お
よび銅合金線材であつても、線引きダイスの場合
はむしろ摩耗や材料の噛込みまたは齧りつき等が
重要な問題であり溶着の繰り返しによるスポーリ
ングはそれほど深刻な問題とならない。 このような銅および銅合金等線材用の熱間圧延
ロールと線引きダイスの相異は、従来技術におい
て銅線材用の線引きダイスには超硬合金が好適に
使用されているにも拘わらず、熱間圧延ロールと
しては損耗が激しく使用に耐えず、寿命を犠牲に
してダイズ鋼が使用されていることからも理解で
きる。 銅および銅合金線材用の熱間圧延ロールのスポ
ーリング（表面の剥離）は、熱間圧延に特有なロ
ールと被圧延材との熱的、機関的および化学的な
相互作用によつて生ずる。 まず熱的作用は、ロール表面が被圧延材と周期
的に接触することを特徴とする。この点でダイス
の受ける定常的な熱的作用と相異する。ロールは
こうしてヒートサイクルを受けることによつて疲
労して、銅および銅合金の溶着との相互作用によ
つてスポーリングを生起しやすくなる。 機械的作用とは、ロール表面が高圧下力を受け
かつ被圧延材と高速度の接触状態下に置かれるこ
とを意味する。ここでは、ダイスの場合のように
摩耗がとりわけ重大な問題とはならない。 化学的作用とは、ロール表面の材質と被圧延材
との反応性の問題で、特に銅および銅合金の熱間
圧延の場合の挙動は極めて複雑である。 例えばSi3N4焼結体は熔融状態の銅または銅合
金とは反応性が低いことは公知である。しかるに
Si3N4焼結体製のロールで銅および銅合金線材を
熱間圧延すると、ロール表面に銅または銅合金が
激しく溶着乃至凝着してスポーリングが生じる。
これはSi3N4焼結体の熱間圧延での銅との反応性
が、熔融状態の銅との反応性とは全く別違のもの
であり、これからは類推できないことを意味す
る。 すなわち、銅および銅合金の熱間圧延ロールの
溶着によるスポーリングは、上記した熱的、機械
的および化学的な相互作用によつて生ずる複雑な
反応の結果である。本発明者らの研究によると、
Si3N4と銅線材との反応は銅線材が圧延過程で大
気、冷却水等によつて酸化膜を形成しており、
CuOとなつていることが一大要因であると結論づ
けられた。Si3N4とCuOとの反応性を大気中1050
℃までテストしたところ、急激な反応が確認され
ている。これらの実験の結果、本発明者等は銅お
よび銅合金線材の熱間圧延中の溶着によるスポー
リング現象を次のように考察した。 Si3N4のロール表面は、上記した熱的および機
械的作用のもとにCuOにより酸化されSiO2層を
生成する。このSiO2層がCuOに拡散することに
よつてSi3N4とCuOとの反応が進行する。特に
SiO2−CuOの共晶組織は比較的低温度で高い反
応性を示す。このため銅の溶着または凝着が進行
してスポーリングが起こる。 以上の如く、銅または銅合金の熱間圧延ロール
の溶着によるスポーリングは極めて特殊な現象で
あり、これを防止して長寿命のロールを提供する
ことは極めて困難であつた。 本発明は、特に上記の如き凝着によるスポーリ
ングを防止して、従来の超硬合金、ダンス鋼また
はハイスによる圧延ロール、ガイドロールの耐用
寿命を飛躍的に伸ばすことに成功したものであ
る。 その結果、従来の治工具の概念を変え、本発明
の工具は設備の一部と見なされ、例えば設備自体
の定期的な補修の管理で済むようになり、非生産
的な事態が全く無くなつたのである。 かかる銅および銅合金線材用の圧延ロール、ガ
イドロールに長寿命を示す本発明の工具材料は、
原料組成として、Si3N4の60重量％以上にAl2O3
および／またはAlNを１〜40重量％、SiO2を１
〜40重量％含有し、空孔率が５％以下である焼結
体であることが特徴であり、更にこれにMgOを
１〜５重量％含有してもよい。 上記Si3N4−Al2O3−AlN−SiO2系において、
焼結体中でよく知られている、 Si6（１−Ｘ／８）Al２／３×Ｎ（８−Ｘ）Ox の組成をもつサイアロン組成が主体になつている
と好ましい結果が得られる。これを主体として第
２相との混合物になつてもよい。 この発明に主材料として用いるSi3N4について
は、Si金属粉の成型体を窒化する反応焼結法と
Si3N4と添加剤とを混合して粉末冶金法にて作製
する２種の方法が知られている。ところが前者の
方法では空孔がどうしても10％以上残りこの発明
には不適当である。 また後者の方法においては添加剤を使用するた
めにこれによつて性質が大きく左右されることが
知られているが、必要な高強度と耐衝撃性を得る
のにはSi3N4が60重量％以上が必要であつた。
Al2O3、AlNおよびSiO2が１％以下では強度が不
十分であり、40％以上では強度が低く脆くなり、
耐摩耗性が低下するので好ましくない。 MgOは１〜５％の範囲で緻密な焼結体が得ら
れ空孔率が５％以下にしやすい。 種々の実験の結果、高温での圧延用ロール材と
してはAl2O3を25重量％、AlNを５重量％、SiO2
を８重量％含有せしめた焼結体からなる工具が最
も長寿命であることが判明した。空孔率が５％以
上になると、前述のスポーリングによる損耗が特
に高温の場合ひどくなり好ましくない。ただし、
使用条件がそれほど過酷でない領域では10％程度
まではそれほどの影響は無い。 Si3N4の結晶系はα型、β型のいずれでも効果
に差異がなく使用することができる。 次に実施例によつて説明する。 実施例 １ Si3N4に対し、Al2O3を20重量％、AlNを10重
量％、SiO2を５重量％を秤量してボールミルに
て充分に粉砕混合した。得られた粉末を成型した
のち、N2ガス雰囲気中で1650〜1850℃で４時間
焼結し、外径200mmφの圧延ロールを作製した。
（焼結体の空孔率は３％）そしてこの圧延ロール
を銅線材用仕上圧延ロールの第10段として使用し
た。その結果、寿命までの圧延量は2560tであつ
た。なお被圧延材の温度は500℃であり、従来使
用していた超型合金ロールでは350tであつた。 実施例 ２〜４ Si3N4に対して、Al2O3を15重量％、AlNを５
重量％、SiO2を10重量％、MgOを３重量％を秤
量し、実施例１と同様の方法で焼結し、外径220
mmφの圧延ロールを作製した。焼結体の組成はそ
の90％がサイアロン組成であり、これとMgOを
含む第２相からなる混合物である空孔率は2.0％
であつた。 このロールを用いて圧延温度900℃、700℃、
500℃にて圧延を行い、ロールの寿命に至るまで
の圧延量および寿命原因を調べたところ第１表の
結果を得、900℃と700℃ではほぼ同等の圧延量で
寿命に達した。また500℃ではむしろ圧延量が減
少することがわかつた。比較ロールは実施例１と
同じ超硬合金である。
【表】
実施例 ５〜７
Si3N465重量％とAl2O325重量％、AlN5重量
％、SiO25重量％の粉砕混合物を用いて実施例１
と同じ方法で（ただし焼結温度は1780℃）、外径
250mmφの圧延ロールを作製し、これを実施例２
〜４の方法と同様にして寿命テストを行つた。そ
の結果は第２表の通りであり、実施例２〜４と異
なり900℃の圧延時に最も圧延量が多くなり500℃
の時が最も少なかつた。
％、SiO25重量％の粉砕混合物を用いて実施例１
と同じ方法で（ただし焼結温度は1780℃）、外径
250mmφの圧延ロールを作製し、これを実施例２
〜４の方法と同様にして寿命テストを行つた。そ
の結果は第２表の通りであり、実施例２〜４と異
なり900℃の圧延時に最も圧延量が多くなり500℃
の時が最も少なかつた。
【表】
実施例 ８
市販Si3N480重量％、Al2O310重量％、SiO210
重量％混合し、実施例１と同様の方法（ただし焼
結温度は1700℃）で銅線材線引き用ガイドローラ
を作製した。寸法は外径200mmφ×40mmであり、
焼結体の空孔率は４％であつた。 作製した本実施例のガイドローラを市販の超硬
合金製、及びアルミナセラミツク製のガイドロー
ラ使用寿命の比較テストを行つたところ第３表の
結果を得、本実施例のガイドローラが非常に優れ
ていることが実証された。なお、線材の速度は15
ｍ／secであり、線材温度は500℃である。
重量％混合し、実施例１と同様の方法（ただし焼
結温度は1700℃）で銅線材線引き用ガイドローラ
を作製した。寸法は外径200mmφ×40mmであり、
焼結体の空孔率は４％であつた。 作製した本実施例のガイドローラを市販の超硬
合金製、及びアルミナセラミツク製のガイドロー
ラ使用寿命の比較テストを行つたところ第３表の
結果を得、本実施例のガイドローラが非常に優れ
ていることが実証された。なお、線材の速度は15
ｍ／secであり、線材温度は500℃である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Si3N4の60重量％以上に、Al2O3および／ま
たはAlNを１〜40重量％、SiO2を１〜40重量％
含有し、全体焼結体の組成の主体が、 Si6（１−Ｘ／８）Al２／３×Ｎ（８−Ｘ）Ox （但し、Ｘは０より大きく、かつ６より小さいか
６に等しい） であり、空孔率が５％以下である焼結体より構成
されていることを特徴とする銅および銅合金線材
用熱間圧延工具。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の焼結体に、さら
に１〜５重量％のMgOを含有することを特徴と
する銅および銅合金線材用熱間圧延工具。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP19820304036 EP0100380B1 (en) | 1981-02-05 | 1982-07-30 | Method for plastic deformation of non-ferrous metals |
| JP57134447A JPS5874573A (ja) | 1982-07-30 | 1982-07-30 | 銅および銅合金用塑性加工工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57134447A JPS5874573A (ja) | 1982-07-30 | 1982-07-30 | 銅および銅合金用塑性加工工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5874573A JPS5874573A (ja) | 1983-05-06 |
| JPH0348155B2 true JPH0348155B2 (ja) | 1991-07-23 |
Family
ID=15128561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57134447A Granted JPS5874573A (ja) | 1981-02-05 | 1982-07-30 | 銅および銅合金用塑性加工工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5874573A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6133706A (ja) * | 1984-07-24 | 1986-02-17 | Hitachi Ltd | 圧延機 |
| JPS6178657A (ja) * | 1984-09-27 | 1986-04-22 | Toshiba Corp | プリンタ用ガイド部材 |
| JPS61273231A (ja) * | 1985-05-27 | 1986-12-03 | Hitachi Metals Ltd | バルブ鍛造用セラミツクダイス |
-
1982
- 1982-07-30 JP JP57134447A patent/JPS5874573A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5874573A (ja) | 1983-05-06 |
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