JPS6018485B2 - 複合超硬合金製熱間圧延ロ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超硬合金と鋼材または鋳鉄からなる複合超硬合
金製熱間圧延ロールに関するものである。

従来、ＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＴＩＣ−Ｃｏ等で代表される
超硬合金は切削工具、耐摩耗部材、耐衝撃工具等に広く
利用されているが、特に耐摩耗部材として熱間圧延ロー
ルや線引ダイス等では超硬合金の轍性が鋼材に較べて低
いために超硬ソリッドで用いるとすれば必要以上に寸法
を大きくして安全係数を高めている。

しかしながら、超硬合金は主成分としてのＷＣやＴＩＣ
、ＴａＣが高価であり製品としては極めて高くなり、省
資源の上でも問題があつた。この問題を解決するために
通常は耐摩耗性を要する部分のみに超硬合金を使用して
鋼や鋳鉄との複合部村として使用されている。

この複合部材を製造するには、超硬合金リングの内面に
鋳物を銭ぐるみ鋳造により接合し、その内側に鋼製リン
グを冷し鉄め等により懐合するものや超硬合金と鋼製部
材の間にＡｇ等のロー材を入れて全体を６００〜９００
ｏｏで加熱することによって両者をロー付けしたものが
ある。しかし、前者のものでは銭ぐるみ鋳造が作業性悪
〈加工法に劣り、また接合面の強度が不充分である。ま
た後者は全体を高温で加熱して製造するために超硬合金
の熱膨張係数が鋼材の約１／２であることから、ロー付
面に熱応力が残り使用中に割れるとか、大きなものの製
造が困難などの問題があった。前者のものでも熱応力の
問題は同様である。またロー付け法のものは、ロー付層
が高温での疲労強度が弱く使用時にロー付はずれ等の現
象があり耐熱性が劣る。本発明は超硬合金と鋼材の接合
法の改良により上述の如く熱応力が発生せず、耐熱性が
高い穣合耐摩部材特に熱間圧延ロール用複合超磯合金を
提供するものであり、従来不可能であった大型部品も製
造可能にするものである。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、鋼材と籍硬合金の
接合において接合面を１〜２柵の中で溶解すれば完全接
合が可能であり、接合面に中間層を設けることなく直接
接合することが可能であり、この方法による複合部材は
従来のものに較べて性能上も優れていることを見出した
ものである。

また、接合面を１〜２脚の中で溶解させる方法として、
ァーク溶接、Ｔｉｃ熔接等各種の方法があるが、電子ビ
ーム、レーザービーム等の高エネルギービームを使用す
れば熱伝導率の関係で当俵面の鋼材側を陵先的に溶解し
、超硬合金側の当俵面はほとんど溶解させないことを見
出したものである。

金属の接合方法として電子ビーム等を用いることは袴開
昭５６−４５２８８号等に見られるように既に知られて
いるが、上記に記されているように接合すべき一方の金
属当援面に電子ビームを照射して溶融接合するか、両方
の当接面を溶融接合するかによって行われているのが特
徴である。

しかし、超硬合金と鋼材の場合は、電子ビームを超硬合
金側当接面のみに照射しても溶融が不完全であり、鋼材
側当接面のみに照射すれば溶融中が広くなり、籍硬合金
側の加熱がないので接合強度が著しく低下する。

本発明は電子ビーム等の高エネルギービームを超硬合金
と鋼材の当接面の両方に当るように照射することが必要
であり、これによって超硬合金側に加熱効果、鋼材側に
適度の溶融中が得られて始めて高強度の接合が可能であ
る。従ってまた、照射すべき当俵面は、焼嫉め、冷し鉄
め、加圧等によって充分に密着するように当援させてお
くことも重要である。本発明による複合熱間圧延ロール
は全体を高温にすることもないので熱膨張率の差による
応力が発生していないので使用時の変形、割れも発生せ
ず、超硬合金と鋼製部材の直接接合であるため疲労強度
も高く圧嬢強度も高い。

また溶解層が鋼材のみに発生し、超硬合金は完全溶解さ
せてないため、超硬合金と鋼Ｆｅとの反応により縦化層
Ｆｅ８Ｗ３Ｃが生成してないことも特徴である。次に本
発明の実施態様について説明する。超硬合金と鋼材が比
較的小さい場合、即ち接合面が４・さし、場合は第１図
に示す如く当援面の全面にわたり鋼材側を１〜２側中で
溶融して接合するが、熱間圧延ロール（モルガンロール
等）の如く大型耐摩部品の場合は接合端面の２仇舷以下
の深さで溶融させれば充分であることが種々の実験によ
り判明した。普通の場合５〜１５側の溶接面で充分であ
る。第２図は熱間圧延ロールについての実施例を示す断
面図であり、超硬合金リング５の内側にＳＣＭ２１の如
き鋼材リング６を冷し鉄めにより鉄合し、両者の当後面
Ａの端部に電子ビーム３を照射し、鋼材側当俵面に溶融
層７を形成せしめ超渡合金リング５と鋼材リング６とを
接合している。このようにすれば最も応力のか）る中央
部は超硬合金と鋼材との直接接合であり、接合層による
キレッの発生の心配がなく、全体として疲労強度も高く
なる。また接合すべき鋼製部材としては超硬合金との接
合面は密着性、歪み吸収の点で較費の方がよく、炭素量
が０．５重量％以下の鋼材が望ましく、接合面以外は浸
炭、焼き入れによって硬度を上げて耐摩耗性を増大した
方が、圧延ロール等の場合好ましい結果が得られた。

これは溶接面で急冷による硬度上昇ならびに腕化を防止
することができ、一方工具として使用する場合、耐摩耗
性が要求され部分ではＨＲｃ５０〜６０程度にすること
ができるからである。

次に接合面に高エネルギービームを照射して当援面を部
分的に溶融していく場合、鋼材が溶解し、鋼材中の炭素
と酸素が反応してガスを発生する場合があり、この場合
は鋼製部村を予め加工する時に脱ガス用の溝を設けると
効果的であり接合層中のブローホールを除去することが
可能である。

第３図は上記の圧延ロールの場合の鋼製部材の外観図と
、その１部拡大断面図であり、８が溶接ビーム先端部に
位置する溝であり、９、９′が接合溶融層内から発生す
るガスを外部に排出するためのガス抜き溝である。本発
明は超硬合金部材と複数個の鋼製部材とを複合する場合
も有効である。

当授面の厚み方向両端の、溶融固着されている深さ５〜
２仇岬であるのは、５脚未満では、接合強度が弱く、ま
た２物松を越えると、エネルギービームが接合面の端面
で太くなるために望ましくない。また、結合金属量が１
の重量％未満では超硬合金の強度が不足し、４５重量％
を越えると耐摩耗性が低下する。鋼製部材の炭素が０．
０１重量％以下では鋼としての強度が不足し、０．５重
量％を越えると溶接時に鋼の競割れが発生する。また、
熱膨夕張係数が３ｘｌｏ−６より４・さし・と超硬合金
よりも、熱膨張係数が４・さくなり、外側の鋼リングと
の差が大きくなり、大きな応力が外側リングと内側リン
グの間に生じる。さらに熱膨張係数が１０×１０‐６よ
り大きくなると、超硬合金と鋼内リングの界面に大きな
応力が発生し、接合部のはずれ、ありいは超硬合金リン
グに割れを生じる弾性係数が５０ｋｇノ豚以上になると
超硬リングに熔接応力がかかり、超硬リングに割れを生
じる。純Ｎｉ、純Ｃｏのフィラーを使用すると、さらに
接合性が良くなり応力緩和に効果が出る。圧延ロールや
スリツターの場合、超硬合金リングと鋼材リングの中間
に別種の鋼材リング、鋳鉄リングを介在させた複合部材
が要求されることが多い。その一つは、超硬合金リング
の内側に３００℃までの熱膨張係数が３〜１０×１０‐
６肌／℃鉄ニッケル合金材等を接合し、その鉄ニッケル
合金材リングの内側に該鋼材リングより耐摩耗性の高い
鋼材リングを接合する場合であり、もう一つは、超硬合
金リングの内側に比較的軟質で熱膨張を吸収し得る弾性
限５０ｋ９／磯以下の鋳鉄リングを接合し、該鋳鉄の内
側に鋼材リングを接合する場合であるが、いずれの場合
においても、超硬合金部村と中間に接合すべき鋼材リン
グ又は鋳鉄リングの接合に上述の本発明の方法を適要し
た結果、従来の方法による３層複合のロールやスリツタ
ーに較べて寿命の長いものが得られた。上記熱膨張係数
の特定の材料としてはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、あ
るいはコバール等でも良い。特に熱の影響を受け易い使
用条件では有益である。尚当綾面に照射する高エネルギ
ービームとしては電子ビーム、レーザービームが接合精
度の上で好ましく、鋼材、超硬合金の酸化防止のため非
酸化性雰囲気又は真空中が必要であり、特にガス抜きの
点で真空中が望ましい。

実施例 １外径１５９吻ぐ、内径８７柳？、厚み７仇駁
の第２図の如きモルガンロールにおいて、超硬合金部分
を外径１５９肋マ、内径１２３肋でに加工し、鋼材ＳＣ
Ｍ２１を外径１２３側マ、内径８７肋少に加工した。

この鋼材リングの外周面のみを惨炭しないように保護し
て、内周および上下面を惨炭焼入れし、鋼材面をＨＲｃ
５５とした。なお鋼材リングは鯵炭焼入れする前に第３
図に示す如く溝とガス抜き溝を設けておいた。次に、超
硬合金リングと鯵炭焼入れした鋼材リングとを横合代０
．０１５側にて冷し鉄めし、両者を当俵密着せしめた。
この当俵面Ａの端面円周状に、電子ビームを電圧６皿Ｖ
、電流９０肋Ａ、速度８００側／分、真空の条件でビー
ムが、超硬合金側と鋼材側当援面に当るように照射した
。得られたロールの鋼材側に１．０〜１．５側の中、深
さ１５肋の溶接層が見られ、麓硬合金側当援面は全然溶
解することなく両者は完全に接合していた。次にこのロ
ールの庄環強度を測定したところ、５１．３トンであっ
た。なお従来のロー付け法によって製造した同寸法の複
合ロールの圧環強度は２７トンであり約２倍の強度であ
った。以上述べた如く、本発明により、密着強度が強く
、接合後の応力が存在しない耐摩耗部材が精度高く、し
かも安価に製造することが出来た。実施例 ２ 実施例１と同じ寸法のモルガンロールにおいて、超硬合
金部分第４図１１を外径１５９側０、内径１２６側めに
加工し、鋼材ＳＣＭ４４５を外径１２６肌少、内径８７
側めに加工し、この鋼材リング１２は焼入れにより硬度
ＨＲｃ４４とした。

該鋼材リングの上下外周に第４図に示す如くＮｉリング
１３（外径１２６側め×内径１０６側ぐ、厚み１仇帆）
を鉄合した。当援面Ｂは鉄合代０．０３側となるように
研摩し冷し嫁めにて超硬リングと鋼リングとを一体化し
た。当援面ＢのＮｉ部分のみが溶接されるように電子ビ
ームを電圧１５眺Ｖ、電流１仇ｈＡ、速度５００ｍ／ｍ
ｉｎ、真空下１０４Ｔｏｎの条件で照射した。第４図に
おいて、１４の部分を溶接して超硬合金とＮｉリングを
接合したのち、１５の部分を溶接してＮｉリングと鋼製
リングを接合した。その後この複合ロールを所定寸法に
仕上げた。このロールを線材圧延ロールとして糠材温度
９００ｑｏ、線速６０の／ｓｅｃの圧延条件で使用した
ところ５００Ｔｏｎ／ＫＡＬの寿命を示し、従来のソリ
ツドの超硬合金ロールと全く同じ性能であった。また改
削後何度も使用し超硬合金厚み５側まで使用することが
でき、耐割損性についてはソリッド超硬ロールよりも優
れていることがわかった。実施例 ３ 実施例２と同様に超硬リングと鋼材リングを用意し、鋼
材リングの外周にはＦｅ−Ｎｊ４０のリングは外径１２
６柳で、内径１０６肋◇、幅７仇肋とした。

超硬リング、Ｆｅ−４０Ｎｉリング、鋼材リングの３層
になるように第５図に示す如く組合せ、図中１８の部分
を電子ビームで溶接した後、１９の部分を溶接した。溶
接により発生するキレッは全く見られなかった。本ロー
ルを熱間圧延ロールとして使用したところ実施例１、２
と同様に長寿命で耐割損性は超硬ソリツドロールよりも
優れていた。実施例 ４ 実施例３と同様に超硬リングと鋼材リングを用意し、鋼
材リングの外周にはＦｅ−４０Ｎｉの熱膨張係数の小さ
いリングを鼓めた。

該Ｆｅ−４州ｉのリングは外径１２６肌？、内径１０６
側め、幅７０側とした。超硬リング、Ｆｅ−４０Ｎｊリ
ング、鋼材リングの３層になるように第５図に示す如く
組合せ、図中１８の部分をレーザービームで溶接した後
、１９の部分を溶接した。

溶接により発生するキレッは全く見られなかった。

本ロールを熱間圧延ロールとして使用したところ実施例
１、２と同機に長寿命で耐割慣性は超硬ソリッドロール
よりも優れていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する超硬合金円柱と鋼製円
柱の複合部材の断面図、第２図は本発明の実施例の１つ
を示す複合ロールの断面図、第３図は同機本発明の実施
例における鋼材リングの外観図イとその一部断面図口で
ある。 又第４図、第５図は他の実施例の熱間圧延ロールの断面
図である。１，５，１１，１５・・…・超硬合金部村、
２，６，６′，１２，１６・・・・・・鋼製部材、３・
・・・・・高エネルギービーム、４，７…・・・溶接面
、８，８′，９，９′・・・・・・溝、１０・・・・・
・溶接界面、Ａ，Ｂ，Ｃ…・・・当後面、１３……Ｎｉ
リング、１４，１５，１ ８，１ ９・・・・・・溶接
部、１７・・・・・・Ｆｅ−４０Ｍリング。 バー図 汁２図 汁３図 バ４図 力５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超硬合金リングの内側に鋼製リングが当接され、当
   該面の厚み方向両端の５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の鋼製リ
   ング当接面が高エネルギービームによつて、スリツト状
   に溶融凝固され超硬合金と当接する面を溶融固着されて
   なることを特徴とする複合超硬合金製熱間圧延ロール。 ２ 超硬合金がＷＣを主成分として結合金属量が１０重
   量％以上４５重量％以下であり、超硬合金に当接する鋼
   製部材が炭素量０．０１重量％以上で０．５重量％以下
   であり、当接面以外は浸炭焼入れされ高硬度、耐摩耗性
   を附与されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の複合超硬合金製熱間圧延ロール。３ 超硬合金
   リングの内側に３００℃までの熱膨張係数が３〜１０×
   １０＾−＾６ｃｍ／℃である鉄ニツケル合金リング又は
   弾性限５０ｋｇ／ｍｍ＾２以下の鋳鉄リングあるいは純
   金属のＮｉ、Ｃｏが直接当接され、該鋼材リング又は鋳
   鉄リングの内側に前記リングよりも耐摩耗性の高い鋼材
   リングが直接当接されており、超硬合金と外周の鋼材リ
   ングとの当接面の鋼材側の一部又は全部がスリツト状に
   高エネルギービームによつて溶融凝固により溶着されて
   おり、外周および内周のリングの当接面も高エネルギー
   ビームによつて溶接されてなることを特徴とする複合超
   硬合金製熱間圧延ロール。 ４ 高エネルギービームが電子ビームまたはレーザービ
   ームであることを特徴とする特許請求の範囲第１項、ま
   たは第３項記載の複合超硬合金製熱間圧延ロール。