JPH075934B2 - 耐摩耗性・耐焼付性・耐肌荒性にすぐれた複合部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属基材と焼結合金層との積層構造を有する
複合部材およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

熱間圧延用または冷間圧延用のロールの胴部表面は、摩
耗が少ないこと、肌荒れ（亀裂、凹凸、欠け等）が生じ
にくいこと、および被圧延材との焼付きを生じにくいこ
と等が必要である。従来より、熱間圧延用ロールとして
は、鋳鉄からなる胴部を有する鋳鉄ロールが、冷間圧延
用ロールとしては、鍛鋼からなる胴部を有する鍛胴ロー
ルが使用されており、また、その耐摩耗性を高めるため
に、鋳鉄ロールでは、胴部を高合金化し、セメンタイ
ト、および複炭化物、その他の特殊炭化物を晶出させる
ことにより硬度を高め、他方鍛鋼ロールでは、胴部の高
合金化と、焼入れ・焼もどしの熱処理により、マルテン
サイト変態、ベンナトイト変態、および二次硬化等を生
起させて高硬度図を図っている。なお、冷間圧延用ロー
ルとしては、上記のほかに、合金粉末（C:1.3〜３％、C
r:15〜21％、Ｗ＋2Mo:8％以下）を焼結材料とする焼結
品を使用することも提案されている（特開昭58−213856
号）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

鋳鉄ロールおよび鍛鋼ロールのいずれも、その胴部は、
鋳造品を素材として製作される。これらの鋳造品は一般
に組織が粗大であり、炭化物は粗大なネット状の晶出形
態を呈する。鋳鉄ロールの胴部は、この粗大な鋳造組織
を殆どそのまま有し、他方鍛鋼ロールの場合は、加工と
熱処理による組織変化を経由するけれども、もとの鋳造
組織の影響をうけるため、その組織は比較的粗大であ
る。そのため、これらのロールは、耐摩耗性は比較的良
好であるが、靭性や延性等の機械的性質に劣るという問
題がある。他方、前記合金粉末の焼結材は、絨密で微細
な組織を有し、鋳鉄ロールや鍛鋼ロールを凌ぐ耐摩耗性
・耐肌荒性と共に、良好な機械的性質を備えているが、
被圧延材との間に焼付が生じ易いという欠点がある。

本発明は上記に鑑み、耐摩耗性・耐肌荒性および耐焼付
性等の表面特性、並びに良好な機械的性質、特に強靭性
を具備する複合部材およびその製造方法を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明の複合部材は、金属基材と、その表面に積層形成
された焼結合金層からなり、前記焼結合金層は、C:2〜
3.5％、Si:0.4％以下、Mn:0.4％以下、Cr:3〜６％、V:6
〜12％、W:5〜14％、Co:7〜14％、Mo:3〜９％、残部実
質的にFeからなる成分組成を有することを特徴としてい
る。

以下、本発明について、まずその焼結合金層の成分限定
理由から説明する。％はすべて重量％である。

C:2〜3.5％ Ｃは、マトリックスに固溶し、また一部はＶやＷと結合
して炭化物を形成することにより焼結合金も硬度を高め
る。Ｃ量の下限値を２％としたのは、それより少ない
と、ＶやＷの炭化物の形成に必要なＣ量のバランスが悪
く、焼結合金を高合金化したことの効果が十分に得られ
ず、他方3.5％をこえると、ＶやＷの炭化物の粗大化等
により靭性が低下する。よって、２〜3.5％とした。

Si:0.4％以下 Siは焼結合金の焼入れ性を高めるが、焼もどし処理によ
る二次硬化への関与は殆どないため、高温硬さの改善効
果は小さく、従って0.4％までの添加で十分である。

Mn:0.4％以下 Mnは焼結合金の焼入れ性を改善する元素であるが、焼も
どし処理による二次硬化は期待できないので、高温硬さ
の改善効果は小さく、従って0.4％までの添加で十分で
ある。

Cr:3〜６％ Crは焼結合金のマトリックスに固溶して焼入性を大きく
高め、また焼もどし軟化抵抗性を示す元素である。この
効果を得るには３％以上の添加を必要とする。しかし、
Crの増量は、焼結合金の焼付抵抗性の低下を招き、特に
熱間圧延用ロール等の用途においては、６％をこえる
と、実用上焼付の問題が生じる。よって、Cr量は３〜６
％とした。

V:6〜12％ Ｖは本発明における焼結合金の成分構成を特徴づける最
も重要な元素の１つである。すなわち、Ｖは、焼結合金
のマトリックスに固溶し、焼入れ後の焼もどし処理によ
り、微細なMC型炭化物として析出し顕著な二次硬化現象
を生起し、併せて焼もどし軟化抵抗性を示す。また、焼
結合金組織の微細化とそれによる靭性等の機械的性質の
向上に寄与する。その添加量が、６％未満の少量であっ
ても、組織の微細化による機械的性質の改善効果は得ら
れるが、焼もどし処理により十分な量のMC型炭化物を析
出させて高硬度・高耐摩耗性を得るには、少なくとも６
％の添加を必要とする。添加量の増加に伴ってその効果
は増すが、12％をこえると、析出炭化物が粗大化し、靭
性等の機械的性質が低下し、また切削加工性等が悪くな
る。よって、Ｖ量は６〜12％とした。

W:5〜14％ Ｗは前記Ｖと並ぶ重要な元素である。すなわち、Ｗは強
力な炭化物形成元素であり、マトリックスに固溶し、焼
もどし処理によりMC型炭化物として微細析出し顕著な二
次硬化を生起させる。また焼もどし軟化抵抗性を示す。
添加量の下限値を５％としたのは、それより少ないと、
MC型炭化物の析出量が不足し、十分な二次硬化を達成で
きないからである。添加量を増すほど、その効果は増大
するが、14％をこえると、析出炭化物の粗大化により、
靭性等の機械的性質の低下をみる。よって、５〜14％に
規定した。

Co:7〜14％ Coは、焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリック
スの二次マルテンサイト化による焼結合金の強化を助長
すると共に、高温硬さの向上に奏効する。この効果を得
るには、少なくとも７％の添加を必要とするが、14％を
こえるとその効果はほぼ飽和する。従って、７〜14％と
した。

Mo:3〜９％ Moは、焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により微
細な炭化物を形成して顕著な二次硬化を生起し、高温硬
さの保持に奏効する。添加量が３％に満たないと、その
効果が十分でなく、他方９％をこえると、その効果はほ
ぼ飽和する。よって、３〜９％とした。

本発明の複合部材の金属基材表面を被覆する焼結合金層
は、炭化物形成元素を比較的多量に含有する成分構成に
より、焼結合金層中の炭化物生成量が豊富化し、硬度・
耐摩耗性・耐焼付性・耐肌荒性等のすぐれた材料特性を
発現する。その硬度・耐摩耗性の向上効果は、炭化物の
析出効果作用によるものであり、また耐焼付性の向上効
果は、炭化物の豊富化（焼結合金中に占める炭化物の面
積率が増大することにより、相手材との接触面における
金属相同士の接触面積が相対的に少なくなる）の効果と
して、接触界面の摩擦熱による金属相同士の拡散融着現
象が抑制緩和されることによるものと考えられる。

本発明の複合部材は、前記成分組成を有する金属粉末を
焼結材料とし、好ましくは熱間静水圧加圧焼結法によ
り、金属基材の表面に焼結合金層を形成し、ついでその
焼結合金層の調質のための焼入れおよび焼もどし処理を
行うことにより製造される。

金属基材の表面に対する焼結合金層の形成は、公知の工
程に従って行えばよい。すなわち、金属基材の表面に、
適宜のカプセル材を用いて焼結材料である金属粉末の充
填層を形成し、その粉末充填層内を脱気したうえ、密封
し、熱間静水圧加圧焼結に付し、例えば900〜1200℃×5
00〜1500kgf/cm²の条件下に焼結合金層を形成する。使
用する金属粉末が比較的多量の酸化皮膜を有するもので
ある場合には、その粉末充填層の脱気・密封を行う前
に、加熱下に還元ガスを導入して酸化皮膜を還元すれば
よい。焼結完了後、カプセル材の除去および必要な形状
修正のための機械加工が加えられる。なお、金属基材の
材質は、目的とする複合部材の用途・使用条件等に応じ
て任意に選定されるものであり、例えば圧延用ロール等
のように強度や靭性を必要とするものである場合は、各
種の強靭鋼、例えば、SCM鋼やSMCM鋼等が好ましく用い
られる。

焼結合金層の焼入れ処理における焼入れ温度は1050〜12
50℃、好ましくは、1100〜1200℃であり、またその温度
からの冷却は、亀裂・変形等の防止のために、略常圧の
ガスを冷媒とするガス冷却、または加圧ガス（例えば３
〜7kgf/cm²）を冷媒とする強制ガス冷却により行うこと
が好ましい。上記焼入れ処理につづく焼もどし処理は、
500〜600℃、より好ましくは520〜580℃に加熱保持した
後、徐冷する操作を１回または複数回（例えば２〜４
回）反復することにより好適に達成される。この焼もど
し処理により、焼結合金層は、そのマトリックスのオー
ステナイトからマルテンサイトもしくはベントナイトへ
の相変態、およびMC型炭化物の微細析出による二次硬化
が生起する。

本発明の複合部材は、熱間静水圧加圧焼結により形成さ
れる焼結合金層の緻密かつ微細組織と、その合金成分組
成および焼入れ・焼もどしの熱処理効果とが相まって、
高度の耐摩耗性、耐肌荒性および耐焼付性を備え、また
金属部材との複合構造であるので、例えばこれを圧延用
ロールの胴部材として使用する場合に必要な強度・靭性
等の機械的性質をも兼ね備えていると共に、アーバーな
どの他部材と組合せる場合にも、焼嵌め等の簡単な操作
により所望の構造部材に組立てることができる。

〔実施例〕

実施例１ 第４図に示すように、円環形状の金属基材（10）に円筒
状金属カプセル材（Ｃ）を嵌装して溶接接合し、カプセ
ル部材（Ｃ）の内側の空間内に、焼結材料である金属粉
末（20）を充填し、室温で脱気後、密封したうえ、熱間
静水圧加圧焼結に付す。焼結完了後、カプセル材（Ｃ）
を機械加工により除去すると共に、1mmの余肉代を残し
て粗加工を行う。ついで、焼結合金層の調質のための焼
入れ・焼もどし処理を行い、熱処理後、金属基材（10）
の内径面に仕上げ加工を施す。上記工程を経て、焼結合
金層である外層と金属基材である内層との同心円状二層
積層構造をもつ円環形状の複合部材を得た。外径:364m
m、内径:220mm、長さ:100mm、焼結合金層層厚:7mm。

〔Ｉ〕金属基材 材質:SCM440鋼（0.4％Ｃ−0.35％Si−0.75％Mn−１％Cr
−0.2％Mo） サイズ：内径（D₁）200mm、外径（D₂）350mm、カプセル
材外径（D₃）410mm、幅（Ｗ）:120l（mm） 〔II）焼結材料（金属粉末） ガスアトマイズ粉末（100メッシュアンダー） 成分組成（wt％）： C:2.2,Si0.3,Mn0.3,Cr4.4,V6.2,W7.1,Co10.8,Mo7.2,FeB
al。酸素濃度150ppm。

〔III〕焼結条件 1150℃×1000kgf/cm²×3Hr 〔IV〕焼結合金層の熱処理 （１）焼入れ処理 真空焼入れチャンバー内にて1200℃に１時間保持後、ガ
ス（常温常圧Arガス）を導入してガス冷却による焼入れ
を行う。

（２）焼もどし処理 540℃に５時間加熱保持して放冷する処理を３回反復実
施する。

〔Ｖ〕焼結合金層の材質 （１）表面硬さ 焼結合金層の表面硬度は、軸方向および円周方向の全表
面に亘って、Hs92〜94と高く、そのバラツキは±1Hs以
内である。焼結合金中の炭化物量は約22％（面積）であ
る。また、超音波探傷により、焼結合金層と金属基材と
の界面は、全周全長に亘って完全に融着結合しているこ
とが確認された。

（２）耐焼付性試験 第１図に、フレックス型焼付試験（荷重:150kg）による
焼結合金層の焼付抵抗性測定結果を示す。第２図および
第３図は比較例であり、第２図は、従来の代表的な鋳造
ロールの胴部材料であるチルド鋳鉄について、また第３
図は、焼結材料として、前記金属粉末の代りに、C2.8
％、Si0.4％、Mn0.4％、Ni1.2％、Cr20％、Mo1％、Fe B
alからなる金属粉末を用いた以外は、前記と同一の焼結
条件および焼入れ焼もどし処理を経て形成された焼結合
金層についての測定結果を示している。比較焼結合金に
おける炭化物量は約22％（面積）であり、表面硬度はHs
約80である。各図とも、曲線（イ）は、試験片表面に対
する相手材（材質:SUS304）の荷重（kg）、曲線（ロ）
は回転トルク（kg・cm）である。荷重（kg）を示す縦軸
の１目盛りは50kg、トルク（kg・cm）を示す縦軸の１目
盛りは10kg・cmであり、横軸は時間（１目盛り10秒）を
示している。

チルド鋳鉄（第２図）は、トルクが安定せず、約40kg・
cmの変動幅（変動域は160〜200kg・cmである）を示して
いる。このトルクの上下変動は、相手材との接触界面に
焼付きが生じていることを表している。比較焼結合金
（第３図）は、トルクの上下変動が極めて大きく（最大
トルクは約260kg・cmである）、相手材との接触面に著
しい焼付きが生じている。これに対し、発明例の焼結合
金（第１図）におけるトルクは、ピーク（約180kg・cm
である）を示した後、約10kg・cmの変動幅（変動域は14
0〜150kg・cmである）の範囲内に安定しており、相手材
との焼付きのない健全な界面状態を安定に保持している
ことがわかる。

（３）実機使用試験 本実施例の複合部材の中空孔内にアーバーを焼嵌めによ
り嵌装し、圧延ロールとして必要な仕上げ加工を行った
うえ、丸鋼仕上圧延用ロールとして実機使用に供した結
果、従来の代表的鋳造ロールである高硬度ダクタイル鋳
鉄ロール（表面硬度Hs:65）に比し、摩耗速度は約1/6で
あり、かつ肌荒れは極く軽微であり、被圧延鋼材との焼
付も皆無であった。

実施例２ 第５図に示すように、円筒状金属基材（10）にカプセル
材（Ｃ）として金属円筒体を外嵌して溶接により接合固
定し、カプセル材（Ｃ）の内側の空間内に焼結材料であ
る金属粉末（20）を充填する。これを真空脱気しながら
800℃に加熱したのち、金属粉末層内を真空脱気して還
元ガス（H₂ガス）で置換し、カプセル内の金属粉末を還
元したのち、再び真空脱気して密封する。ついで、熱間
静水圧加圧焼結に付し、焼結完了後、カプセル材（Ｃ）
を機械加工により除去すると共に、余肉代1mmを残して
粗加工を加える。その後、焼結合金層の焼入れ焼もどし
処理を行い、その熱処理後、金属基材（10）の内面に仕
上加工を施す。上記工程を経て、焼結合金層である外層
と金属基材である内層との同心円状二層積層構造を有す
る中空円筒形状の複合部材を得た。外径:430mm、内径:2
50mm、長さ:410mm、焼結合金層の層厚:15mm。

〔Ｉ〕金属基材 材質:S45C鋼（0.45％Ｃ−0.7％Mn） サイズ：内径（D₁）200mm、外径（D₂）400mm、カプセル
材外径（D₃）490mm、長さ（Ｌ）420mm 〔II〕焼結材料（金属粉末） 水アトマイズ粉末（150メッシュアンダー） 成分組成（wt％）： C2.7,Si0.2,Mn0.3,Cr4.0,V9.2,W9.5,Mo3.6,Co9.3,Fe Ba
l酸素濃度950PPm。

〔III〕焼結条件 1100℃×1200kgf/cm²×3Hr 〔IV〕焼結合金層の熱処理 （１）焼入れ処理 真空焼入れチャンバー内で、1200℃に１時間加熱保持
後、5kgf/cm²のArガス（常温）を冷媒として導入し、強
制ガス冷却による焼入れを行う。

（２）焼もどし処理 520℃に６時間加熱保持したのち放冷する焼もどし処理
を３回反復実施する。

〔Ｖ〕焼結合金層の材質 （１）表面硬さ 得られた複合部材の焼結合金層の表面硬度は、軸方向お
よび円周方向の全表面に亘って、Hs91〜94と高く、バラ
ツキは±1.5Hs以内である。焼結合金中の炭化物量は約2
5％（面積）である。また、超音波探傷により、焼結合
金層と金属基材との界面は全周全長に亘って完全に融着
結合していることが確認された。

（２）耐焼付性試験 焼結合金層の焼付抵抗性につき、ファレックス型焼付試
験機による測定を行い、実施例１の焼結合金層の測定結
果（第１図）と実質的に同一の測定結果を得た。その最
大トルクは約190kg・cmであり、ピーク経過後の安定域
における変動幅は約10kg・cm（変動幅は140〜150kg・cm
の範囲）である。

（３）実機使用試験 得られた複合部材の中空孔内にアーバーを焼嵌めにより
嵌装固定し、圧延ロールとして必要な仕上加工を行った
うえ、平載仕上圧延用ロールとして実機使用に供した結
果、従来の代表的な鋳造ロールであるチルド鋳鉄ロール
に比し、摩耗速度は約1/7と小さく、かつ表面の肌荒れ
は極めて軽微であり、被圧延材との焼付の発生も皆無で
あった。

〔発明の効果〕

本発明の複合部材は、表面の耐摩耗性、耐肌荒れ性およ
び耐焼付性にすぐれ、また構造部材として必要な強靭性
等を備えていると共に、他部材との組立ても容易であ
る。本発明の複合部材を、例えば圧延用ロールの胴部材
料としてアーバー等と組合せて使用することにより、圧
延ロールの耐用寿命が向上し、またその胴部表面状態が
安定していることにより、被圧延材の品質改善にも奏効
する。本発明複合部材は、そのほか軸受、シリンダ等の
構造部材としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はファレックス型焼付試験によるトルク
および荷重変化測定結果を示すグラフ、第４図、第５図
は、金属基材の外周面に焼結材料（金属粉末）を充填し
た例を示す径方向部分断面図である。 10:金属基材、20:焼結材料、C:カプセル材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属基材と、該金属基材の表面に形成され
   た、C:2〜3.5％、Si:0.4％以下、Mn:0.4％以下、Cr:3〜
   ６％、V:6〜12％、W:5〜14％、Co:7〜14％、Mo:3〜９
   ％、残部実質的にFeである焼結合金層とからなる複合部
   材。
2. 【請求項２】金属基材の表面に、C:2〜3.5％、Si:0.4％
   以下、Mn:0.4％以下、Cr:3〜６％、V:6〜12％、W:5〜14
   ％、Co:7〜14％、Mo:3〜９％、残部実質的にFeである金
   属粉末を焼結材料として熱間静水圧加圧焼結法により焼
   結合金層を形成し、ついで1050〜1250℃からの焼入れ、
   および500〜600℃での焼もどし処理を行うことを特徴と
   する金属基材と上記成分組成を有する焼結合金層とから
   なる複合部材の製造方法。