JPS60199508A - 圧延機用ロ−ルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は圧延機用ロールおよびその製造方法に係シ、特
に曲げ荷重に対して高い強度を必要とするワークロール
として用いるのに好適な複合構造のセラミックス製圧延
機ロールおよびその製造方法に関する。

〔発明の背景〕

セラミックスが本質的に有している高硬度、高耐摩耗性
を利用して、圧延機のワークロールをセラミックスで作
ることは既に提案されている。

たとえば、特開昭４９−４３８６２号公報には、圧延機
用ロールを三層構造の複合ロールとし、最外層をセラミ
ックスのリングで形成することが記載されている。また
米国特許第３，５７７，６１９号明細書には、圧延機の
ワークロールをコアとスリーブからなる被合ロールとし
、スリーブをセラミックスで形成することが記載されて
いる。

しかし、これらの技術では、セラミックスがロール表面
の一部に使用されているにすぎず、またセラミックスの
材質とが製造法については全く明らかにされていない。

更に一般的に金属とセラミックスとの界面の接合強度を
大きくするＫは技術的に困難を伴なうととも例コアをｐ
ｅ金合金した場合、セラミックスの材質にもよるが通常
セラミックスとＦｅ合金のそれぞれの熱膨張係数の差が
大すぎるため、ワークロール使用時の熱り歴等により界
面部の剥離が起こりやすい。

また、セラミックスは一般に圧縮荷重には強いが、引張
荷重九対しては弱Ｉｎｎ　このことは、例えば、セラミ
ックス、１１　（１９７６）、６、Ｐｂｏ２に記載され
ている。圧延ロールには、圧延時に曲げ荷重が作用し、
これによりロールの表面層に近いほど高い引張応力が発
生するため、引張荷重に弱いセラミックスは、圧延条件
によっては使用できないこともあり得る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ロール全体がセラミックスによって形
成されるとともに曲げ荷重に強い、圧延機用ロールとそ
の製造方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ロールの中心軸から外周方向に向って同心円
上に段階的ないし連続的にセラミックス材質を変化させ
、ロール外周側をロールの中心軸側よ〕も熱膨張係数の
小さいセラミックス材質とし、ロールの外周部側で圧縮
残留応力を発生させ、ロールの中心部側で引張残留応力
を発生させるようにしたものである。

セラミックスの製造においては、原料粉末を成形し高温
に刀Ｕ熱することにより焼結するのが、一般的方法であ
る。焼結は、原料粉末同志が結合ししながら、粉子間の
空けきを小さくすることで進行し焼結が完了する。この
時点では、内部応力はほとんど存在しない。焼結が完了
したのち、焼結体を室温まで冷却するが、本発明のロー
ルでは、外周に近い部分はど燕ｍｆｉｎの小さいセラミ
ックス材質で形成されているため、冷却後には熱膨張率
の差異による内部ひずみを生じ、ロールの外周部側で圧
縮残留応力が発生し、中心部側で引張残留応力を発生す
る。圧延機用ロールに曲げ荷重が作用すると、ロール外
周部の引張応力は、熱膨張差で生じた圧縮応力分だけ小
さくなる。

したがって、曲げ荷重に強いロールが得られる。

ロール外周部とロール中心部の熱膨張係故の差が大すぎ
ると、ロール中心部の引張残留応力が大きくなりすぎロ
ール外周部とロール中心部の境界近傍で過大なひずみが
生じ、ロール強度が低下しやすい。したがって、上記の
Ｍｒ膨張係数の差はこのようなひずみが生じない範囲で
選定すべきである。この場合、ロール外周部とロール中
心部との間にこれらのセラミックス材質の熱膨張係故に
対し、中間の熱＃張係数を有する中間のセラミックス層
を一層以上設けることが望ましい。中間のセラミックス
層が多層の場合、ロール外周側に近りセラミックス層か
らロール中心部に近いセラミックス層になるにつれて熱
膨張係数を次第に大きくすることが望ましい。

本発明においては、熱膨張率の！Ａなるセラミックス材
質で構成する仁とは必須栄件で必るが、よシ高強度のロ
ールを達成するには、構成要素である各セラミックス材
質が、それぞれ、１２；強度でるることが必要である。

高強度の得られるセラミックス材質としては、例えば、
炭化けい累、窒化けい素、サイアロン、アルミナ、ジル
コニア、これらの複合材などが適している。

次に本発明ロールの製造方法について説明する。

冷間静水圧プレス法、泥しよう鋳込み法等によシ、セラ
ミックス粉末を丸棒状に成形し、必要に応じて乾燥、仮
焼成１機械加工を施して丸棒状の多孔質体を製作する。

この丸棒状の多孔質体を組成の異なるセラミックスの泥
しよう中に浸漬すると、多孔質体と泥しようとの界面に
おいて泥しよう中の水分が多孔質体中に吸収されること
によ）、多孔質体の表面に泥しようが付着、固化する。

この固化層は均一な肉厚となシ、浸漬時間の経過ととも
にその厚さを増す。従って所定時間後に多孔質体を泥し
ようよシ取ル出すことにより、前記固化層の肉厚を所定
肉厚に制御することができる。この場合、多孔質体の吸
水量には当然限界があるため、必要ならば一旦泥しよう
より多孔質体を取シ出して乾燥させたのち、再度泥しよ
うに浸漬すれば、より厚い固化層を形成することができ
る。

泥しようより取り出した成形体を乾燥し、前記の泥しよ
うとは組成の異なる泥しようを用いて、前記と同様の処
理を繰返すことＫよシ、同心円状に段階的にセラミック
スの組成が変化した成形体が得られる。この成形体を乾
燥、焼結１機械〃口工仕上げすれば、複合構造のロール
が得られる。

このようなロールの製造過程において、前記の中心部の
多孔質体および泥しようの材質を変化させ、外周部に近
い部位はど焼成後の熱膨張率が小さいようなセラミック
ス材質を選定することにより、焼成後の冷却過程でロー
ル外周部に圧縮残留応力が発生し、曲げ荷重に強いロー
ルとすることができる。

セラミックス質多孔質体を形成後、これを泥しよう中に
浸漬する方法では、セラミックス質多孔質体の表層付近
の気孔中に泥しようが浸入するため、最終的に得らｎる
ロールの同心円上に形成される各層間の接合強度が高い
ものとなる。更に１焼成後のセラミックスロールは若干
の気孔が内在するが、これを熱間静水圧プレスＶ（よシ
加圧、加熱処理すればロール表面層の気孔率が減少する
のでロール表面層の強度が向上する。

本発明の圧延機ロールの製造方法は、上記のような泥し
ようを用いる方法の他に以下のような方法でもよい。

第１は、泥しようの代りにセラミックスグリーンシート
を用いる方法である。すなわち、冷間静水圧プレス法、
泥しよう鋳込み法等によって、セラミックス粉末を丸棒
状に成形し、必要に応じて乾燥、仮焼成１機械加工を施
し、得られた丸棒状のセラミックス多孔質体にこの多孔
質体とは組成の異なる所定厚みのセラミックスグリーン
シートを巻回し、焼結２機械加工すること罠よって所望
のロールが得られる。この場合、グリーンシートにセラ
ミックス泥しようを塗布し、この塗布面を丸棒状のセラ
ミックス多孔質体に巻回接合させれば、接合強度の高い
ロールが得られる。

第２は、押出成形等によって製造されるセラミックスの
パイプを用いる方法である。すなわち、上記のような方
法又は押出成形等の方法によって丸棒状のセラミックス
多孔質体を形成する。この丸棒状のセラミックス多孔質
体を押出成形等の方法によって製造された未乾繰状悪の
パイプ中に挿入し、ラバプレス法によってパイプを塑性
変形させ、次いで乾燥、焼結することによって所望のロ
ールが得られる。

第１および第２の方法においては、丸棒状のセラミック
ス多孔質体とグリーンシート又はパイプとのそれぞれの
材質の熱膨張係数が異なシ、グリーンシート又はパイプ
側の方が熱膨張係数が小さいことになる。更にグリーン
シートは材質の異なるものを複数枚巻回接合してもよく
、又パイプも材質の異なるものをａａ本用いてもよい。

〔発明の実施例〕

実施例１ セラミックス材質として、窒化けい素、及び組成の異な
る２種類のサイアロン、の計３種類を用いた実施例を以
下に説明する。

上記３種類のセラミックス材質を用いて、直径２０＋ｍ
、長は１００關の丸棒状のロールを製作した。第１図に
ロールの軸に直角な断面図を示す。

第１図で、１は中心部で窒化けい素、２は中間層でサイ
アロンよシなシ、その化学組成はＳ　１６−ｚＡＬｚＯ
ｚＮＢ−ｚ　、　Ｚ　＝　０．４である。３は外周層で
同じくサイアロンであるが、上記化学組成式でＺ　＝　
１．５の組成のものである。これら３種類のセラミック
スは同心円状に構成されており、外周層のサイアロン（
Ｚ＝１．５）の厚さは１關で熱膨張係数は３．０２Ｘ１
０−’１／１３０〜１０００ｔ）’）、中間層のサイア
ロン（Ｚ＝０．４）の厚さは３諌で熱膨張係数は３．１
６Ｘ１０−’１／Ｃ（３０〜１０００Ｃ）、中部の窒化
けい素は直径１２１１Ｂで熱＃張係数は３．２５　Ｘ　
ｌ　Ｏ−６１／Ｃ（３０〜１０００Ｃ）ある。

ロールは、０．７〜５μｍの原料粉末を用い、同心円状
の構造に各セラミックス材質を配置したのち冷間静水圧
プレスを施し、得られた成形体を１７５０Ｃ１窒索ガス
芽囲気で焼成し、ざらに１７００ｔ：’で高温静水圧プ
レスを施したのち、表面を機械加工仕上げした。これに
より、理論密度の９９．８％の密度を有する。同心円状
４造のロールを得た。

このロールをワークロールとし、バックアップロールに
ビッカース硬さ３３０００合金製ロールを用いて、板幅
５０＋＋ｍ、板厚０．３　ｒｔｒｍのステンレス鋼５Ｕ
Ｓ３０４の圧延を行った。このワークロールの表面硬さ
は、ピンカース硬さ３１００である。ステンレス鋼５Ｕ
Ｓ３０４を０．１　ｗｇまで圧延したが、ロールに損傷
を生じることなく、光沢度の高い良好な圧延材を得るこ
とがでさた。

比較のため、窒化けい素、サイアロン（Ｚ＝０．４及び
Ｚ＝１．５）を用いて各単一材質のロールを、上記と同
様に製作し、上記と同様の圧延を行った。その結果、態
化けい素のロールでは０．１５１１１１１まで圧延でき
たが、さらに圧下刃を増して圧延した場合には表面よシ
き裂を発生した。サイアロン（Ｚ　＝　０．４及びＺ＝
１．５）のロールは、０．１３調の板厚でロールにき裂
が発生した。この結果から本発明のロールはよシ高い圧
下刃に耐えることが判明した。

次に上ｄＣの４植類のロールの曲げ試験結果を第１表に
示す。いずれも直径２０順、長さ１００ｍのロールでオ
ち、これらのロールをそれぞれ支点円距馳７０鰭で３点
曲げ破壊試験を行った。

、Ｊソ′Ｆ：＃り 本発明のロールは、他のロールよｊｆｉ　２０Ｋｙｆ／
■２以上高く、本発明のロールで賦与されている表面層
の圧紬残留応力の効果が明らかに認められる。

実施例２ 平均粒径０．７μｍの窒化けい累粉末＆Ｃ焼結助剤とし
てイツトリア粉末を３重量％、バインダとしてポルビニ
ールブチラールを重ｆｆ１２チを加え、これらを混合し
たのち９００に９ｆ／ｃＪの圧力で静水圧プレスを行っ
たのち、機械加工により胴部直径５０期、胴長１００刷
、全長２００關のロール形状の成形体（気孔率４０チ）
を得た。

一方、平均粒径０．７μｍの窒化けい素粉末４８重量％
、平均粒径１．０μｍのアルミナ粉末重量４８チ、及び
イツトリア粉末４重址チからなる粉末に、水及び解膠剤
を添加混合して泥しようを得た。

前記のロール形状成形体を前記泥しよう中に浸漬し、成
形体表面に５１ＩＩＩだけ固化層が付着した時点で成形
体を取）出し、大気中で２４時間、５０Ｃの乾燥炉中で
５時間、１ｏｏｒの乾燥炉で２時間、それぞれ乾燥した
のち、１７５０Ｃ，窒素ガス雰囲気中で３時間焼成した
。焼成によシ約２０チだけ寸法が収縮した。この焼成品
の表面層を機械加工仕上げすることにより、胴部直径３
８＋ｍｓ胴長７７■、全長１５７ｍの複合セラミックス
ロールを得た。超音波探傷試験及び切断調査の結果、表
面、内部とも欠陥は認められず、健全なロールが得られ
た。本実施例において焼成機械加工後の泥しようによっ
て形成された外層部分の厚みは約４酎であった。また焼
成したロールの気孔率は１．７チであった。焼成１模様
加工後のロールを２０００に９ｆ／ｃＪのアルゴン雰囲
気下で、１７００Ｃで２時間加熱した結果、気孔率は０
．１チ以下に減少し、よプ高度のロールとすることがで
きた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ロール外周部側で圧縮残
留応力を発生させているので、圧延機用ロールに曲げ荷
重が作用してもロール外周部側の引張応力は圧縮残留応
力弁だけ小さくなる。したかって曲げ荷重に強いロール
と七の製造法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧延磯用ロールの中心
ｌ１ｔＩＩＶＣ直角な新面図である。 ｌ・・・中心部、２・・・中１山層、３・・・外周層。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 １ ２ ゛３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロールの中心軸から外周方向に向って同心円上に段
   階的ないし連続的にセラミックス材質を変化させ、ロー
   ル外周側をロールの中心軸側よシも熱膨張係数の小さい
   セラミックス材質としたことを特徴とする圧延機用ロー
   ル。 ２、丸棒状の中心部セラミックス多孔質を形成し、該セ
   ラミックス多孔質体の外周表面に少なくとも一層以上で
   あって、外層側になるにつれて最終的に得られるセラミ
   ックス材質の熱膨張係数が小さくなるような外周部セラ
   ミックス多孔質体を形成した後、焼成および機械加工を
   行うことを特徴とする圧延機用ロールの製造方法。 ３、前記外周部セラミックス多孔質体が、前記中心部セ
   ラミックス多孔質体にセラミックス泥しようを付着乾燥
   する操作を少なくとも１回以上行って得られることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧延機用ロールの
   製造方法。 ４、焼成後のセラミックスロールを、熱間静水圧プレス
   によシ加圧、加熱処理することを特徴とする特許請求の
   範囲第２項又は第３項記載の圧延機用ロールの製造方法
   。