JPS6231042B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱間静水圧プレス法（以下、HIP法と
いう）を利用した水冷ロールの製造法、特に製作
が簡単で、かつロール表面の摩耗特性が均一で、
長時間の操業によつても製品傷を発生し難い水冷
ロールの製造法に関するものである。

従来、一般に使用されている水冷ロールの製作
は、先ずロール軸と製作し、その表面に水路を切
削等により形成し、その外側にロール表面部を形
成するスリーブを焼きばめにより嵌め込んで形成
しているが、かかる方法では工程数が多く、殊に
外側スリーブを嵌め込んで形成する操作は、ロー
ル軸との適合を考慮しなければならない関係上、
極めて煩雑であり、しかもロール軸とスリーブと
の接合も面倒さを免れず、更に外側ロール表面性
状については従来汎用されている熱延用ロールと
同様、次の如き種々の問題を含んでいる。

即ち、汎用されている熱延用ロールの場合には
金型造塊をしたままのもの、或いは造塊後に鍛造
してロール形状とした後、機械加工及び熱処理し
たものが多いが、このような熱延用ロールは熱間
での耐摩耗性を確保する必要があるところから、
Ｃ：14〜2.4％、Cr：0.5〜３％等を含む高炭素鋼
を使用しているので共晶炭化物が晶出し易く、造
塊後たとえ急冷しても、ロール表面から深部に及
ぶに従つて冷却速度が遅くなり、凝固時に生成す
る共晶炭化物は次第に粗大なものとなつてくる。
そして、このように形成される粗大な共晶炭化物
は、鍛造や熱処理によつても微細化することが出
来ないので、特に再研削してこれら炭化物が表層
に露出してくると、その部分から欠落してロール
表面に凹凸が形成されて製品傷として転写される
という問題に発展する。

又、従来の鍛造ロールでは、凝固時に形成され
る一次組織が大きく、その境界がロール使用中に
大きなフアイアクラツクを招く原因となり、製品
傷は一層大きなものになる。

なお、前記共晶炭化物とマトリツクスの境界も
フアイアクラツク発生の原因になると考えられ
る。

以上は汎用されている熱延ロールの場合である
が、従来の水冷ロールのスリーブにも亦、同様で
あり、ロール表面の凹凸の形成、製品傷の発生は
解決されなければならない大きな問題である。

本発明は上述の如き実状に着目し、再切削など
によつて比較的深層部が表面に露出してきた場合
であつても凹凸やクラツクが発生し難く、均一な
冷却効果を得ることができる水冷ロールを提供す
ることを第１の目的とし、かつ、かかる水冷ロー
ルを簡単な手段で提供することを第２の目的と
し、その目的達成の手段としてロール表面層を
HIP法により粉末金属焼結体で形成する方法を確
立するものである。

HIP法によりロール表面層を形成する方法は本
出願に先立ち、特開昭47−2851号公報により既に
案案されているが、この方法はロール全体を金属
カプセルで被覆し、ロール表面層となる部分に所
定の金属粉末を充填して、ロール全体をHIP炉に
装入し、HIP処理を施すものであつて、実用化に
当つては以下の如き問題を有している。即ち、ロ
ール全体をHIP炉に装入するため大型ロールにあ
つては、それ相当の大型HIP炉内空間に占める要
HIP処理部はロール本体の表面層のみであるか
ら、HIP処理効率は極めて悪く、要HIP処理部単
位重量当りのエネルギーコスト及び雰囲気ガスコ
ストは極めて高くなり実用的でない。従つて本方
法により製造し得るロールは極めて小型のロール
に限定されることになる。また、ロールの軸受に
て支承されるロール支持部は、通常靭性の高い熱
処理された低合金鋼が使用されるが、この部分が
HIP処理されると、結晶粒の粗大化が起り、靭性
が著しく低下することになり、しかもこの回復は
至難である。特に再生ロールにおいてはロール支
持部の寸法は既に所定の寸法になつており、HIP
処理後、該支持部に切削加工を施すことはできな
いから、HIP処理により不可避的に生じる支持部
の変形はこれを修正すべき術はなく、従つて、再
生ロールには適用できないということである。

かくして本発明は、前記従来のHIP法によるロ
ール製造法の欠点を解消し、HIP処理効率が高
く、ロール支持部の靭性低下はなく、また再生ロ
ールにも適用できるHIP法によるロール製造法を
提供することを第２の目的とし、この目的達成の
ための手段として、ロールをHIP処理を要する本
体部分と、その処理を要しないロール支持部とに
分け、ロール本体部分のみをHIP処理した後、両
者を溶接により一体化せんとするものである。

しかして、かかる本発明を特徴とするところ
は、中実ロール芯材外周面の金属粉末焼結層を形
成する部分に該ロール芯材長手方向に連続する１
以上の冷却水管を配置し、前記中実ロール芯材の
外周部に金属粉末充填層となる環状空間を形成す
るように金属カプセルを取り付けると共に、前記
冷却水管内は該金属カプセル外部と連通せしめ、
続いて前記空間内に金属粉末を充填してこれを脱
気又は脱気することなく密封し、しかる後、高温
高圧ガス雰囲気下で前記冷却水管内を該雰囲気と
連通させた状態で熱間静水圧プレス処理を施し、
前記金属粉末を緻密に焼結すると共に、中実ロー
ル芯材１と一体化させるもので、更に必要に応じ
てその両側にロール支持部材を接合一体化するこ
とにある。

以下、添付図面によつて更に本発明を詳細に説
明する。

第１図は本発明方法の一実施態様を示したもの
で、中実ロール芯材１の外周面に軸方向に平行す
る冷却水路を形成すべくその金属粉末焼結層形成
部分に所要長さにわたり凹溝８が形成されてお
り、該凹溝８はロール芯材１の両端部より該芯材
１内部を通つて穿設された連通孔９，９′と連通
していて、冷却水管１０が凹溝８内に配置される
ことによつてロール内の冷却水水路系を形成して
いる。

なお、ロール芯材１の外周に設けられる軸方向
に平行な凹溝８の数は、必ずしも１つではなく、
水冷ロールの効率上、１以上の複数であることが
通常で、かつ凹溝８は複数の場合ロール芯材１外
周に適当な間隔をもつて配置され、ロール芯材１
両端部よりの孔９，９′の内方端に夫々複数の凹
溝８の両端が放射状部分を介して連結しており、
凹溝８内に配置された冷却水管１０の両端が前記
孔９，９′に気密に挿入固着されている。

かくして、ロール内の冷却水水路系を形成した
中実ロール芯材１の外周部に金属粉末充填層とな
る環状空間２を形成するように円筒状の金属カプ
セル３を取り付け、外側ロール層を形成する態勢
に入るが、該カプセル３はロール芯材１に適宜溶
接等によつて一体に固着され、これによつて環状
空間２内に所定の金属粉末４が充填され、後続の
HIP処理に入る準備態勢が整えられることにな
る。

前記ロール芯材１に対するカプセル３の組立に
際しては、先ずカプセル底部３ａ、胴部３ｂをロ
ール芯材１に固着した状態で金属粉末４を充填
し、次いで蓋体３ｃを固着することにより行な
う。そして、このようにして前記空間内に真密度
比60〜75％程度の充填密度で粉末が充填される
と、蓋体３ｃに設けた脱気管１２より環状空間２
内の残留空気を脱気し、あるいは脱気することな
く密封する。なお、脱気することなく密封する場
合においても、蓋体３ｃを胴部３ｂ及びロール芯
材１に溶接する際に発生するガスを外部に放出し
て、溶接部にピツト、ブローホール等の溶接欠陥
が発生しないようにするためにも、前記脱気管１
２は必要である。

一方、中実ロール芯材１はロール本体部分１ａ
のみであり、ロールを支持させるロール支持部１
ｂ，１b′の両部分を一体に有していないため、そ
の長さは金属粉末被覆層の長さよりも若干、長い
程度となつている。しかし、ロール支持部分１
ｂ，１b′を中実ロール芯材１の両側に設けること
はロールを支持する上から必要であり、従つて、
中実ロール芯材をロール本体部分１ａとロール支
持部分１ｂ，１b′とに分割し、ロール本体部分の
みを組み立てこれをHIP炉に装入し所定のHIP処
理を施す。この時、前記孔９，９′及び冷却水管
１０は連通した状態で高温高圧ガス雰囲気下に装
入されるので、該雰囲気と連通した状態でHIP処
理が施されることはいうまでもない。

しかも、該組立体は前述の如くロール支持部が
含まれていないので、HIP炉空間の有効利用度を
高めることができると共に、比較的小型炉で大型
ロールのHIP処理ができることになる。

なお、HIP処理を受けた粉末充填層は、ロール
外径部ほど変形率の大きい中細の形状をなした緻
密な焼結体となり、一般のHIP処理体が原形と略
相似的に収縮するのと大きく異なる。このため、
金属カプセルのロール芯材との接合部６，７には
大きな引張り応力が作用することになり、HIP処
理中、幾つかの試験材において溶接部７での破断
現象が見られたが、カプセルのロール芯材への取
り付け部６の肉厚を他の部分より厚肉とし、溶接
部７の脚長を大きくとれるようにすると、この部
分での破断は認められなくなり、破断防止に効果
的であることが判明した。

また、焼結層の形状が外径部ほど長さが短かく
なり、従つてロール有効ワーク長さが短かくなる
が、これに対しては図示していないが、カプセル
の両端部となる蓋体３ｃあるいは底部３ａの形状
を外径部に至るほど外側に傾斜したテーパー状に
することにより、HIP処理後の焼結体の両端部を
ロール芯材に対してほゞ垂直な面とすることがで
きる。

また、第１図の如き形状のカプセルを用いると
焼結層の中央部は中細となる傾向があり、このた
め、HIP処理後外面切削量が多くなり、有効焼結
層厚さが薄くなる傾向があるが、これに対しては
カプセル胴部３ｂの形状を、中央部の変形量の大
なることを考慮して予じめ中太の樽状とすること
により、焼結層外周面も、ほゞフラツトとなすこ
ともでき、HIP後の切削量を少なくし、有効焼結
層を大とすることができる。

HIP処理が完了すると、被処理体を炉から取り
出し、金属粉末焼結層を被覆している金属カプセ
ルを切削、酸溶解等の適宜手段により除去すると
共に、焼結層表面の研磨あるいは焼入れ、焼戻し
等の所定の加工及び熱処理を行なう。

次にロール芯材１の両端に、予め成形されてい
るロール支持部１ｂ，１b′を冶金的あるいは機械
的に接合する。

冶金的接合法としては、エレクトロスラグ溶接
あるいはエレクトロガス溶接が代表的な方法であ
り、また機械的接合法としては、中実ロール芯材
１及び支持部材１ｂ，１b′の各接合端にフランジ
を形成し、該フランジ部をボルト、ナツトによつ
て固着する方法あるいは両者を嵌合できる形状と
なし、キーピン等によつて結合する方法等、任意
の方法が採用できるが、ローラにかかる負荷を考
慮して適宜の接合手段を選択すればよい。

なお、上記接合に際して、ロール支持部分１
ｂ，１b′にはロール本体部分の孔９，９′に連通
する長手方向に貫通した給・排水孔５，５′が設
けられており、該給・排水孔５，５′に接続管１
１，１１′を突出する如く取付け、該突出部を
HIP処理されたロール本体部分１ａの両端に開孔
する孔９，９′に挿入したのち、ロール本体部分
１ａとロール支持部分１ｂ，１b′とを一体的に接
合するようにする。

次に第２図は前記第１図がストレート水路であ
るのに対しスパイラル水路を形成する場合であ
り、中実ロール芯材１外周面にロール芯材長手方
向に連続するスパイラル状の凹溝８を形成し、更
に該ロール芯材両端部より該芯材内部を通つてス
パイラル状凹溝の両端に連通する孔９，９′を穿
設し、冷却水管１０を前記凹溝８内に配置すると
共に、その両端を前記孔９，９′に気密に挿入固
着して冷却水水路系を形成し、爾後のHIP処理に
よる外側金属粉末焼結層形成に備える以外は前記
説明と全く同様にしてロール内部にスパイラル水
路を有する水冷ロールを製造することができる。

また、冷却水路が上記ストレート又はスパイラ
ル形状以外の場合でも同様であり、要求に応じた
水路を有する水冷ロールの製作が可能である。

なお、上記説明はHIP処理前の組立体において
ロール支持部が含まれておらず、ロール芯材のロ
ール本体部外周部に形成された環状空間のみに金
属粉末を充填し、予め成形されたロール支持部を
HIP処理完了後、ロール芯材の両端に接合する場
合であるが、ロール支持部１ｂ，１b′もロール芯
材１とは別個に、又は一体で夫々、小径ロール芯
材と金属カプセルを利用して前記と同様、環状空
間に金属粉末を充填し、HIP処理を行ない、これ
をロール芯材１の両端に夫々設けることも可能で
あり、本発明の含むところである。

次に第３図は、前記第１、第２図が中実ロール
芯材外面に溝を形成しているのに対し、この溝を
形成しない場合の例であり、中実ロール芯材１外
周部に冷却水管１０を複数本配設すると共に、そ
の両端部は接続管１６，１６′に接続されてお
り、中実ロール芯材１外周面に配置された金属カ
プセル３によつて形成される環状空間２とは、気
密構造となつている。

なお、接続管１６，１６′は第１図における接
続管１１，１１′と同様の機能を果す外、残余の
構成は前記第１、第２図に示した実施例と同一で
ある。

以上の如く本発明方法によれば従来の水冷ロー
ルの製作を簡易ならしめロール内部の冷却水水路
系の形状に拘泥することなく要求される水冷ロー
ルを容易に提供することができる効果を奏すると
共に、ロールの性状においても以下の如く種々の
特徴を有している。

(1) ロール表面層は金属粉末よりHIP法によつて
形成されているから、ロール表面に粗大な共晶
炭化物は存在せず、熱的及び機械的刺戟による
欠落が少なく、また、長時間使用に耐え、しか
も製品表面に傷をつけることがない。

(2) 金属粉末焼結層の組織は均一であるから、修
理によりその表面層を研削しても粗大な共晶炭
化物は露出せず、修理ロールであつても新製ロ
ールと同様の性能を保持している。

(3) フアイアクラツクが小さく、上記(1)(2)の効果
を一層顕著なものとする。

(4) ロールをHIP処理を要する本体部分と、その
処理を要しないロール支持部分とに分け、本体
部分のみをHIP処理するようにしているから、
HIP処理炉の炉内空間を有効に使用でき、従つ
てロール全体をHIP処理炉に装入する場合に比
して、著しくコストを低減できる。

(5) ロール支持部はHIP処理を受けないから、靭
性を要求される該支持部の特性が低下すること
が防止される。

(6) ロール支持部と本体部分とを機械的に接合す
る方式を採れば、表面の摩耗した使用済ロール
の再生に当り、本体部分と支持部とを分離して
本体部分に金属粉末焼結層を形成し、再度支持
部を接合することができるため、ロールの再生
においても本発明を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施態様を示す概要
図、第２図は冷却水水路の変形実施例を、第３図
は冷却水管取付けの他の実施例を夫々示す要部概
要図である。 １……中実ロール芯材、１ａ……ロール本体部
分、１ｂ，１b′……ロール支持部分、２……環状
空間、３……金属カプセル、４……金属粉末、
５，５′……給・排水孔、８……凹溝、９，９′…
…連通孔、１０……冷却水管、１１，１１′，１
６，１６′……接続管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中実ロール芯材１の外周面に金属粉末焼結層
   からなるロールを有し、かつ、ロール内に冷却水
   路を有する水冷ロールの製造法において、中実ロ
   ール芯材１外周面の金属粉末焼結層を形成する部
   分に該ロール芯材長手方向に連続する１以上の冷
   却水管１０を配置し、前記中実ロール芯材１の外
   周部に金属粉末充填層となる環状空間２を形成す
   るように金属カプセル３を取り付けると共に、前
   記冷却水管１０内は該金属カプセル外部と連通せ
   しめ、続いて前記空間２内に金属粉末４を充填し
   てこれを脱気又は脱気することなく密封し、しか
   る後、高温高圧ガス雰囲気下で前記冷却水管１０
   内を該雰囲気と連通させた状態で熱間静水圧プレ
   ス処理を施し、前記金属粉末を緻密に焼結すると
   共に、中実ロール芯材１と一体化させることを特
   徴とする水冷ロールの製造法。 ２ 中実ロール芯材１外周面の金属粉末焼結層を
   形成する部分に該ロール芯材長手方向に連続する
   １以上の凹溝８を形成し、更に前記ロール芯材両
   端部より該芯材内部を通つて前記凹溝８に連通す
   る孔９，９′を穿設し、冷却水管１０を前記凹溝
   ８内に配置すると共に、この両端を前記連通孔
   ９，９′に気密に連結したのち、前記中実ロール
   芯材１の外周部に金属粉末充填層となる環状空間
   ２を形成するように金属カプセル３を取り付けて
   なる特許請求の範囲第１項記載の水冷ロールの製
   造法。 ３ 中実ロール芯材１をロール本体部分１ａと該
   本体部分の冷却水管１０に連通すべき長手方向に
   貫通した給、排水孔５，５′を有するロール支持
   部分１ｂ，１b′とに分割し、ロール本体部分１ａ
   に金属粉末焼結層を形成したのち、この両側にロ
   ール支持部分１ｂ，１b′を接合一体化する特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の水冷ロールの製
   造法。 ４ ロール支持部分１ｂ，１ｂの給、排水孔５，
   ５′に接続管１１，１１′を突出する如く取り付
   け、該突出部をロール本体部分１ａの孔９，９′
   に挿入したのちロール本体部分１ａとロール支持
   部分１ｂ，１b′と接合一体化する特許請求の範囲
   第３項記載の水冷ロールの製造法。