复合辊及轧制方法
【专利摘要】本发明的复合辊具有钢制的辊轴材料和设置在所述辊轴材料的周围的外层，上述外层含有烧结体，该烧结体含有作为铁基合金的母材、由陶瓷构成的平均粗度为1～30μm且平均纵横比为10～500的纤维状夹杂物和由陶瓷构成的平均粒径为1～100μm的颗粒状夹杂物，上述纤维状夹杂物的含量相对于所述烧结体为5～40体积％，上述颗粒状夹杂物的含量相对于所述烧结体为5～30体积％。
【专利说明】复合辊及轧制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在钢铁等金属制品的制造工序中的轧制加工工序中所使用的复合辊 及轧制方法。特别是涉及在热轧中所使用的轧制用复合辊及轧制方法。
[0002] 本申请基于2012年7月9日在日本申请的日本特愿2012-153880号主张优先权， 在此引用其内容。
【背景技术】
[0003] 对于在轧制加工工序中所使用的轧辊，使用在金属基体中碳化物等陶瓷成分分散 而成的硬度高的材料。这样的轧辊通常用铸造法制造。通过实现成分调整或热处理条件等 的最优化，使具有用于作为轧辊使用所需要的强度和硬度的材料的制造得到实现。
[0004] 另一方面，作为用铸造法以外的方法制造的轧辊，也已知有由通过组合成为金 属基体的粉末颗粒和陶瓷纤维、利用烧结法制造所强化而成的纤维强化复合金属（Fiber Reinforced Metals :FRM)材料构成的乳棍（专利文献1、2及4)。另外，也已知用这样的制 造方法所获得的轧辊比用铸造法所获得的轧辊具有更优良的耐磨性、防烧伤性、防表面粗 糙性。另外，也已知有通过向成为金属基体的粉末颗粒中添加陶瓷粉末颗粒来强化而成的 轧辊（专利文献3)。但是，在这些文献中所记载的技术中含有以下列举的课题。
[0005] 专利文献1涉及在钢制的轴的周边设有由耐磨性材料构成的外层的轧制用复合 辊。由该耐磨性材料构成的外层是通过向铁基合金粉末中添加陶瓷纤维的小片并进行烧结 而制造的。但是，本发明人们发现：由于将大量陶瓷纤维添加到辊外层，有辊的表面粗糙度 增大以及辊外层的强度降低而在辊外层发生裂纹的情况。本发明人们发现：向铁基合金粉 末中添加45体积％的陶瓷纤维的小片制造了辊外层时，在辊外层产生了裂纹等材料缺陷。 这样的见解在专利文献1中没有公开。
[0006] 专利文献2涉及通过添加陶瓷纤维所强化而成的金属。添加有该陶瓷纤维的金属 是通过对将金属粉末和陶瓷纤维混合而成的混合物进行烧结而制造的。在专利文献2中 记载：在进行该烧结工序时，需要将烧结用的炉的内部的压力设为比较低的压力即〇. 1? 7. OMPa。但是，在这样的压力下所烧结的陶瓷纤维添加金属并不适合作为在使用中承受大 的负荷的轧辊的外层材料来使用。其原因在于，在烧结时没有被充分地加压的烧结材料含 有很多空隙，该空隙在烧结体受到大的负荷时成为裂纹产生的起点。为了用作轧辊的外层 材料，需要通过在高压下进行的热等静压成型（Hot Isostatic Pressing :HIP)来实施烧结 工序。
[0007] 专利文献3涉及对将铁基合金的粉末与SiC颗粒或B4C颗粒混合而成的粉末进行 烧结而制造的轧辊的外层材料。但是，SiC及B4C不优选作为用于与铁基合金的粉末混合使 用的陶瓷粉末的成分。其原因在于，SiC及B 4C在烧结时会与铁发生反应而形成合金。合金 的形成阻碍由添加陶瓷引起的烧结金属的强度提高。本发明人们确认了 ：在将SiC及B4C的 粉末与铁基合金粉末混合的情况下，从混合粉末所获得的烧结体不具有足以作为轧辊的外 层材料的强度。
[0008] 专利文献4涉及具有外层材料的复合构件结构的轧辊，该外层材料是对在直径为 IOym以下的碳化物结晶了的铁基合金粉末中混合氧化物陶瓷纤维的小片而成的混合物进 行烧结而形成的，该轧辊将利用烧结法使理论密度提高到99%以上的材料作为外层材料来 使用。但是，即使理论密度为99%以上，也不能使因陶瓷纤维的凝聚而生成的微小的缺陷从 外层材料完全消失，在将具有该外层材料的轧辊在轧制中使用的情况下，不可避免会产生 以微小的缺陷为起点的微小裂纹。下述情况成为课题：由于该微小裂纹的进展而产生材料 从轧辊的表面的脱落并产生轧辊的表面粗糙。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开平11-28508号公报
[0012] 专利文献2 :日本特开2003-119554号公报
[0013] 专利文献3 :日本特开平11-061349号公报
[0014] 专利文献4 :日本特开2001-59147号公报
【发明内容】
[0015] 发明要解决的问题
[0016] 由于高强度的钢材的轧制量的增加和轧制速度的高速化等这样的轧制工序的进 步，乳辊的使用环境成为越发严格的条件，需要对轧辊进一步改善耐磨性、防表面粗糙性。 为了提高这些特性，能够想到增加轧制用复合辊外层中的陶瓷成分的量。但是，根据本发明 人的见解，在将FRM作为外层材料使用的复合辊（FRM轧辊）中，如果为了增加陶瓷成分而 增加陶瓷纤维的配合量，则在制造 FRM轧辊时，陶瓷纤维彼此缠绕，容易产生由纤维凝聚引 起的缺陷，难以制造良好的辊。但是，在仅使用铁基合金粉末和陶瓷粉末制造了具有与FRM 轧辊同等的陶瓷配合量的复合辊的情况下，陶瓷粉末成为裂纹的传播路径，裂纹变得容易 进展。在此，本发明人们有了如下见解：在铁基合金粉末中配合陶瓷粉末而制造烧结体的情 况下，为了抑制由陶瓷粉末引起的裂纹的传播而进一步配合陶瓷纤维会有助于提高复合辊 的性能。并且，本发明人们进一步研究的结果为：通过将陶瓷纤维和陶瓷粉末这两者配合， 能够在不使陶瓷纤维的凝聚和由陶瓷粉末引起的裂纹进展产生的情况下、使复合辊外层的 烧结体中的陶瓷成分的含量增大。
[0017] 本发明的目的在于提供一种兼具作为轧制用复合辊所需的特性的耐磨性和防表 面粗糙性等摩擦特性、以及耐龟裂性和强度等机械特性的、具有比以往的FRM轧辊更优良 的特性的复合辊。
[0018] 用于解决问题的技术手段
[0019] 本发明为了解决上述问题提供以下的发明。
[0020] (1)本发明的一个实施方式的复合辊具有钢制的辊轴材料和设置在上述辊轴材料 的周围的外层，上述外层含有烧结体，上述烧结体含有作为铁基合金的母材、由陶瓷构成的 平均粗度为1?30 μ m且平均纵横比为10?500的纤维状夹杂物和由陶瓷构成的平均粒 径为1?100 μ m的颗粒状夹杂物，上述纤维状夹杂物的含量相对于上述烧结体为5?40 体积％,上述颗粒状夹杂物的含量相对于上述烧结体为5?30体积％。
[0021] (2)关于上述（1)所记载的复合辊，其中，上述烧结体的上述母材的化学成分可以 包含下述成分：〇. 8?3. 5质量％的CU?13质量％的〇、0?18质量％的]?〇、0?28质 量％的W、0?15质量％的Ni、0?18质量％的Co、合计为2?20质量％的选自由V、Nb、 Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元素、剩余部分包含Fe和杂质。
[0022] (3)关于上述（1)或⑵所记载的复合棍，其中，上述颗粒状夹杂物和上述纤维状 夹杂物可以是氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上。
[0023] (4)关于上述（3)所记载的复合辊，其中，上述颗粒状夹杂物可以是氧化铝、氧化 锆、二氧化钛、氮化硼、氮化硅和氮化锆中的1种以上。
[0024] (5)关于上述（3)或（4)所记载的复合辊，其中，上述纤维状夹杂物可以是氧化铝、 莫来石、氮化硼和氮化硅中的1种以上。
[0025] (6)关于上述⑴?（5)中任一项所记载的复合棍，其中，上述颗粒状夹杂物和所 述纤维状夹杂物的总含量可以相对于上述烧结体的体积为35体积％?70体积％。
[0026] (7)本发明的另一个实施方式的复合辊可以是在钢制的辊轴材料的周围设有外层 的复合辊，其中，上述外层含有烧结体，该烧结体是通过对（a)铁基合金粉末、(b)平均粗度 为1?30 μ m且平均纵横比为10?500的陶瓷纤维和（c)平均粒径为1?100 μ m的陶瓷 粉末的混合物进行烧结而获得的，相对于（a)上述铁基合金粉末、（b)上述陶瓷纤维和（c) 上述陶瓷粉末的上述烧结前的总量，（b)上述陶瓷纤维以上述烧结前的配合量计为5?40 体积％且（c)上述陶瓷粉末以上述烧结前的配合量计为5?30体积％，（b)上述陶瓷纤维 和（c)上述陶瓷粉末在上述烧结后单独地存在。
[0027] (8)关于上述（7)所记载的复合棍，其中，上述烧结前的（a)上述铁基合金粉末的 化学成分可以包含下述成分：〇. 8?3. 5质量％的C、1?13质量％的Cr、0?18质量％的 Mo、0?28质量％的W、0?15质量％的Ni、0?18质量％的Co、合计为2?20质量％的 选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元素、剩余部分包含Fe和杂质。
[0028] (9)关于上述（7)或者⑶所记载的复合棍，其中，（c)所述陶瓷粉末可以是氧化 物、氮化物或碳化物中的1种以上。
[0029] (10)关于上述（9)所记载的复合辊，其中，（C)所述陶瓷粉末可以是氧化铝、氧化 锆、二氧化钛、氮化硼、氮化硅和氮化锆中的1种以上。
[0030] (11)关于上述（7)?（10)中任一项所记载的复合棍，其中，（b)上述陶瓷纤维可 以是氧化物系纤维、碳化物系纤维或氮化物系纤维中的1种以上。
[0031] (12)关于上述（7)?（11)中的任一项所记载的复合棍，其中，相对于（a)上述铁 基合金粉末、（b)上述陶瓷纤维和（c)上述陶瓷粉末的上述烧结前的总量，（b)上述陶瓷纤 维和（c)上述陶瓷粉末的上述烧结前的总配合量可以为35体积％?70体积％。
[0032] (13)本发明的其他实施方式的轧制方法可以是，使用上述⑴?（12)中任一项所 记载的复合辊来对金属材料进行轧制。
[0033] (14)本发明的其他实施方式的复合辊的制造方法可以是具有外层和辊轴材料的 复合辊的制造方法，其具有下述工序：混合工序，在该混合工序中，将铁基合金粉末、平均粒 径为1?100 μ m的陶瓷粉末和平均粗度为1?30 μ m且平均纵横比为10?500的陶瓷纤 维混合而获得原料混合物；热等静压成型工序，在该热等静压成型工序中，通过将上述原料 混合物填充到在上述辊轴材料的周围设置的筒状的小容器内，接着对上述小容器内进行真 空脱气，进一步在70?120MPa的压力下进行热等静压成型，从而进行烧结，获得在上述辊 轴材料的周围接合有上述外层的上述复合辊，其中，相对于上述原料混合物的上述烧结前 的总量，上述陶瓷纤维的配合量以上述烧结前的配合量计为5?40体积％，上述陶瓷粉末 的配合量以上述烧结前的配合量计为5?30体积％。
[0034] 发明效果
[0035] 根据本发明的复合辊，与以往的FRM轧辊（由铁基合金粉末与陶瓷纤维的复合体、 或铁基合金粉末与陶瓷粉末的复合体构成）相比较，可提高耐磨性和防表面粗糙性，且可 将耐龟裂性维持在与以往的FRM轧辊同等的水平。由此，在轧制工序中被使用的情况下，可 延长复合辊的寿命，可实现复合辊的更换周期的大幅度延长，不仅能够期待轧辊单位消耗 性能的提商，还能够期待生广率和成品率的提商。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1是使用了热等静压成型的一体烧结法的说明图。
[0037] 图2是表示复合辊的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0038] 本实施方式的复合辊是在钢制的辊轴材料（芯材）的外侧（周围）设置有外层的 复合棍。外层呈同心圆状设置在棍轴材料的周围，其厚度通常为IOmm?IOOmm左右。也可 以在辊轴材料与外层之间形成有中间层。该外层含有通过将（a)铁基合金粉末、（b)陶瓷 纤维和（c)陶瓷粉末的混合物烧结而获得的烧结体。
[0039] 本实施方式的铁基合金粉末优选包含下述成分：0. 8?3. 5质量％的CU?13质 量％的〇、0?18质量％的]?〇、0?28质量％的10?15质量％的附、0?18质量％的 Co、2?20质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元素、剩余部分 包含Fe和杂质。进一步优选本实施方式的铁基合金粉末包含下述成分：1. 0?2. 8质量％ 的C、2?10质量％的〇、0?15质量％的]?〇、0?20质量％的1、0?10质量％的附、0? 15质量％的Co、3?15质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元 素、剩余部分包含Fe和杂质。以下对规定铁基合金粉末的化学成分的理由进行说明。
[0040] (C :0· 8 ?3. 5 质量％ )
[0041] C是为了形成碳化物而含有的。优选的上限值为3. 5质量％，优选的下限值为0. 8 质量％。当C含量小于下限时，有结晶碳化物少、不能充分地确保烧结体的耐磨性的情况。 当C含量大于上限值时，碳化物向烧结体中的分散变得不均匀，可在烧结体的强韧性和防 表面粗糙性的方面产生问题。C含量更优选为I. 0?2. 8质量％。
[0042] (Cr:l ?13 质量％)
[0043] Cr形成Cr系碳化物而有助于提高烧结体的耐磨性。为了获得该效果，优选将Cr 含量设为1?13质量％。当Cr含量大于上限值时，有Cr系碳化物结晶量变得过多、韧性 或耐龟裂性降低的情况。当Cr含量小于下限时，有淬火性降低的情况。Cr含量更优选为 2?10质量％。
[0044] (Mo:0 ?18 质量％)
[0045] (W:0 ?28 质量％)
[0046] 使Mo和W含有在烧结体中是为了提高烧结体的淬火性和高温硬度，因而优选。进 而，W也可以作为形成碳化物的元素被含有。为了获得该效果，关于Mo,优选将其含量设为 0?18质量％，关于W，优选将其含量设为0?28质量％。当Mo和W的含量大于上限时， 有烧结体的韧性、防表面粗糙性产生恶化的情况。Mo含量更优选为0?15质量％。W含量 更优选为〇?20质量％。
[0047] (Ni:0 ?15 质量％)
[0048] (Co:0 ?18 质量％)
[0049] Ni是使淬火性提高的元素。为了获得该效果，优选将Ni含量设为0?15质量％。 当Ni含量大于上限值时，烧结体中的残留奥氏体变多，有容易产生裂纹和轧制中的表面粗 糙的情况。通过含有Co,能够获得对于回火软化阻力和二次固化有利的效果。为了获得该 效果，优选将Co含量设为0?18质量％。当Co含量大于上限值时，有淬火性变差的情况。 Ni含量更优选为0?10质量％。Co含量更优选为0?15质量％。
[0050] (选自由￥、恥、1^&、21"和!^构成的组中的1种以上的元素：2?20质量％)
[0051] V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf形成MC碳化物，进而有助于改善已熔融的铁基合金和陶瓷 纤维彼此之间的润湿性。此外，￥、他、1^ &、21"和批通过形成初晶碳化物（在晶内结晶的 碳化物）而消耗C，降低使C与Mo、Cr、或W结合而形成的2次结晶碳化物（在晶界结晶的 碳化物）结晶的量。在晶界结晶的碳化物在烧结体内呈网状分布，成为龟裂传播路径，有烧 结体的韧性和防表面粗糙性降低的情况。为了获得这些效果，优选将选自V、Nb、Ti、Ta、Zr 和Hf的组中的1种或2种以上的元素的量的和设为2?20质量％。当选自V、Nb、Ti、Ta、 Zr和Hf的组中的1种或2种以上的元素的量的和小于2质量％时，MC碳化物的结晶量少、 耐磨性的提高并不充分，还有2次结晶碳化物变得容易呈网状结晶、对韧性、防表面粗糙性 带来不良影响的情况。另外，当元素的量的和大于上限时，有大的初晶碳化物结晶而产生表 面粗糙的情况。优选的是，选自V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf的组中的1种或2种以上的元素的 量的和为3?15质量％。
[0052] 本实施方式的一个方式的铁基合金粉末含有上述成分，剩余部分含有铁和杂质。 作为杂质的例子，可列举出在矿石、废料等原材料中所含有的杂质、或在制造工序中所含有 的杂质等。
[0053] 在铁基合金粉末中含有碳化物陶瓷成分。该碳化物陶瓷成分在铁基合金粉末成为 烧结体时使铁基合金烧结体自身的强度、韧性和硬度提高到足以作为复合辊的水平。但是， 仅使用了铁基合金粉末的烧结体不具有足以作为复合辊的性能。为了使烧结体具有充分的 性能，必须进一步在铁基合金粉末中混合陶瓷纤维和陶瓷粉末而使烧结体中的陶瓷含量进 一步增加。
[0054] (铁基合金粉末的平均粒径：1?100 μ m)
[0055] 铁基合金粉末的平均粒径为1?100 μ m。当铁基合金粉末的平均粒径小于1 μ m 时，有铁基合金粉末彼此凝聚、难以在烧结成型时充分地抑制空隙缺陷（void defect)的产 生的情况。另一方面，当铁基合金粉末的平均粒径大于100 μ m时，通过与铁基合金粉末混 合，有源于在铁基合金粉末的周围配置的陶瓷粉末和陶瓷纤维的陶瓷部分彼此的间隔有变 得过宽的可能性。在该情况下，烧结体的耐磨性、防烧伤性和防表面粗糙性等特性降低。铁 基合金粉末的优选的平均粒径为5?50 μ m。
[0056] 在本实施方式中，铁基合金粉末的平均粒径的用语表示利用激光衍射散射法所测 定的粒度分布中的累计分布曲线的中央值（累计值50%)的粒径（中值粒径）。作为测定 装置，例如可使用SHIMADZU制的SALD-3100。
[0057] 在本实施方式的复合辊中，相对于烧结前的（a)铁基合金粉末、（b)陶瓷纤维和 (c)陶瓷粉末的总量，（b)陶瓷纤维的量以烧结前的配合量计为5?40体积％且（c)陶瓷 粉末的量以烧结前的配合量计为5?30体积％。
[0058] (陶瓷纤维的烧结前的配合量：5?40体积％ )
[0059] 当陶瓷纤维的烧结前的配合量小于5体积％时，不能充分地获得复合辊所需的耐 磨性、防表面粗糙性和耐龟裂性。另一方面，当陶瓷纤维的烧结前的配合量大于40体积％ 时，陶瓷纤维彼此缠绕而产生纤维凝聚。该纤维凝聚在烧结成型时产生空隙。这难以充分 地抑制材料缺陷的产生。进而，当陶瓷纤维的烧结前的配合量大于40体积％时，辊的防表 面粗糙性产生恶化。其原因在于，由于纤维凝聚而产生微小的空隙状的缺陷。优选陶瓷纤 维的烧结前的配合量为10?30体积％。
[0060] (陶瓷粉末的烧结前的配合量：5?30体积％ )
[0061] 在陶瓷粉末的烧结前的配合量小于5体积％的情况下，不能获得与以往的仅将 (a)铁基合金粉末和（b)陶瓷纤维复合而成的材料相比、使耐磨性、防烧伤性和防表面粗糙 性等特性提高的效果。另一方面，在陶瓷粉末的烧结前的配合量大于30体积％的情况下， 不能充分地维持将烧结体作为复合辊的外层来使用时所需的韧性和耐龟裂性等机械性质。
[0062] (陶瓷纤维和陶瓷粉末的烧结前的总配合量：35?70体积％ )
[0063] (b)陶瓷纤维和（c)陶瓷粉末的烧结前的总配合量优选为35体积％?70体积％。 由此，在烧结体中，与现有技术相比，能够进一步适当地确保作为复合辊应具备的韧性、耐 龟裂性等机械性质，提高耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性。在总配合量小于35体积％ 时，有难以使耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性高于现有技术的情况。如果总配合量大于 70体积％，则有不能维持作为复合辊应具备的韧性和耐龟裂性等机械性质的情况。为了进 一步充分地发挥本实施方式的效果，优选（b)陶瓷纤维和（c)陶瓷粉末的烧结前的总配合 量为40体积％?60体积％。
[0064](陶瓷粉末的成分：氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上）
[0065] 优选陶瓷粉末选自氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上。作为氧化物，优选使用 氧化铝、氧化锆、二氧化钛等。作为氮化物，优选使用氮化硼、氮化硅、氮化锆、氮化钛等。作 为碳化物，优选使用碳化钒、碳化铬、碳化钛等。
[0066] 但是，碳化物中的碳化硅（SiC)和碳化硼（B4C)不适合作为本实施方式的陶瓷粉 末。其原因在于，SiC和B 4C会在烧结时与铁基合金粉末中的Fe发生反应而形成合金。当形 成合金时，这些陶瓷粉末的添加效果降低，辊的耐磨性降低。本发明人们确认了 ：在将SiC 和B4C的粉末与陶瓷纤维和铁基合金粉末混合了的情况下，从混合粉末所获得的烧结体与 未添加粉末的情况相比较，虽然可看到强度稍微提高，但并不具有足以作为复合辊的外层 的材料的耐磨性。然而，在利用PVD或镀覆等方法在SiC和B 4C的粉末的表面涂布其他金 属的情况下，该涂布阻碍SiC和B4C与Fe之间的反应，因此可发挥SiC和B 4C使烧结体的强 度、耐磨性提高的能力。因此，本实施方式的陶瓷粉末需要在烧结后单独地存在。"单独地 存在"的表述是指，实质上没有与周围的母材发生反应而形成化合物。
[0067] (陶瓷粉末的平均粒径：1?100 μ m)
[0068] 陶瓷粉末的平均粒径为1?100 μ m。当陶瓷粉末的平均粒径小于1 μ m时，陶瓷粉 末彼此凝聚，因此有在烧结成型时难以充分地抑制空隙缺陷的产生的情况。为了更可靠地 防止陶瓷粉末彼此的凝聚，也可以将陶瓷粉末的平均粒径的下限值设为2 μ m、大于2 μ m、 5 μ m、15 μ m、或20 μ m。另一方面，当陶瓷粉末的平均粒径大于100 μ m时，在将所获得的烧 结体作为复合辊来使用时，在烧结体中的由陶瓷粉末引起的颗粒状夹杂物成为龟裂的进展 路径，有使复合辊的机械特性降低的可能性。在本实施方式中，优选使用平均粒径为3? 50 μ m的陶瓷粉末。
[0069] 另外，通过纵横比规定粉末的形状在本【技术领域】和粉体工程学的领域中并不常 见。"粉末"的用语通常可以被解释为是指纵横比（当粉末的形状为楕圆球状的形状时，用 长径/短径所表现的比率）为1?2左右的颗粒，在本实施方式中陶瓷粉末的纵横比的具 体的数字没有被规定。
[0070] 在本实施方式中，陶瓷粉末的平均粒径的用语表示利用激光衍射散射法所测定的 粒度分布中的累计分布曲线的中央值（累计值为50%)的粒径（中值粒径）。作为测定装 置，例如可使用SHIMADZU制的SALD-3100。
[0071] (陶瓷纤维的成分：氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上）
[0072] 陶瓷纤维优选为氧化物系纤维、碳化物系纤维或氮化物系纤维中的1种以上。作 为氧化物系的纤维、碳化物系的纤维和氮化物系的纤维，优选使用氧化铝纤维、莫来石纤 维、氮化硼纤维、氮化硅纤维或SiBN 3C纤维等。
[0073] 但是，碳化硅（SiC)和碳化硼（B4C)不能作为本实施方式的陶瓷纤维的成分来使 用。其理由与这些化合物不能作为本实施方式的陶瓷粉末的成分来使用的理由相同。但是， 在利用PVD或镀覆等方法在SiC和B 4C的纤维的表面涂布其他金属的情况下，可发挥SiC和 B4C使烧结体的强度、耐磨性提高的能力。因此，本实施方式的陶瓷纤维需要在烧结后单独 地存在。
[0074] (陶瓷纤维的形状：平均粗度为1?30 μ m、平均纵横比为10?500)
[0075] 陶瓷纤维的平均粗度为1?30 μ m，优选为3?15 μ m。在陶瓷纤维的平均粗度小 于1 μ m的情况下，在制造时纤维彼此缠绕，不能避免空隙状的缺陷产生。另一方面，在陶瓷 纤维的平均粗度大于30 μ m的情况下，随着将复合辊作为轧辊来使用，有复合辊的表面的 粗糙度变大、由于产生过度的摩擦热而容易产生表面粗糙的情况。
[0076] 陶瓷纤维的平均纵横比为10?500,更优选为30?300左右。在陶瓷纤维的平均 纵横比小于10的情况下，陶瓷纤维不能发挥作为纤维强化的功能。也就是说，只获得与仅 将作为颗粒的陶瓷混合到铁基合金粉末中的制造方法实质上相同的效果，不能获得使陶瓷 纤维和陶瓷粉末混合的效果。在该情况下，与仅使用铁基合金粉末和陶瓷粉末来制造了 FRM 轧辊的情况同样，有陶瓷纤维成为裂纹的传播路径、裂纹容易进展的可能性。另一方面，在 陶瓷纤维的平均纵横比大于500的情况下，纤维彼此变得容易缠绕，不能避免空隙状的缺 陷的产生。
[0077] 在本实施方式中，通过以下的方法求出陶瓷纤维的平均粗度和平均纵横比。首先， 随机抽取50根以上的纤维，接着用显微镜观察它们，测定纤维的直径和长度，进而求出这 些测定值的算术平均值。将陶瓷纤维的直径的算术平均值作为陶瓷纤维的平均粗度，将陶 瓷纤维的长度的算术平均值除以陶瓷纤维的直径的算术平均值而得到的值作为陶瓷纤维 的平均纵横比。
[0078] 如上所述，本实施方式的复合辊含有（a)铁基合金粉末、(b)陶瓷纤维和（C)陶瓷 粉末的烧结体。在对混合粉末进行烧结成型而制造成的烧结体中的陶瓷除了含有源于作为 原料而配合的陶瓷粉末和陶瓷纤维的陶瓷之外，还含有析出或结晶到烧结体中的源于铁基 合金粉末的部位中的、源于铁基合金粉末的成分的碳化物。析出或者结晶到源于该铁基合 金粉末的部位中的碳化物是确保将对铁基合金粉末进行烧结成型而形成的烧结体自身的 强度、韧性和硬度所需的成分。在本实施方式中，除了使烧结体含有析出或结晶到源于铁基 合金粉末的部位中的碳化物之外，还使烧结体含有源于陶瓷纤维和陶瓷粉末的陶瓷，因而 能够实现与以往相比耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性、以及耐龟裂性和强度等机械特性 更优良的复合辊。
[0079] 本实施方式的复合辊利用例如图2所示的如下方法制造。即：
[0080] (1)在混合工序中，将（a)铁基合金粉末、(b)平均粒径为1?100 μ m的陶瓷粉末 和（c)平均粗度为1?30 μ m且平均纵横比为10?500的陶瓷纤维混合而获得原料混合 物，
[0081] (2)在热等静压成型工序中，通过将原料混合物填充到在辊轴材料的周围设置的 筒状的小容器内，接着对小容器内进行真空脱气，进一步在70?120MPa的压力进行热等静 压成型，从而进行烧结，获得在辊轴材料的周围接合有外层的复合辊。
[0082] 将作为原料的粉末和纤维混合的顺序只要能够确保充分的混合时间，可以以任意 的顺序混合。例如，也可以向将（a)铁基合金粉末和（c)陶瓷粉末混合而成的混合物中混 合（b)陶瓷纤维，或者也可以向将（a)铁基合金粉末和（b)陶瓷纤维混合而成的混合物中 混合（c)陶瓷粉末。
[0083] 以下详细地说明上述的制造方法。
[0084] 本实施方式的复合辊的外层如下制造：例如将上述原料混合物填充到软钢制的 筒状的小容器内，将软钢制的盖（安装有脱气用的管）安装并焊接在该小容器上而使小容 器密闭，接着使用脱气用管进行了真空脱气和真空密封之后，利用热等静压成型（HIP)进 行烧结成型来制造。小容器的材料是板厚为2?IOmm左右的软钢制的钢板。小容器以 热等静压成型后的烧结体的形状成为还包含足以被加工成目标辊的外层形状的加工余量 (finishing allowance)的形状的方式形成在棍轴材料的周围。另外，小容器形状也考虑到 热等静压成型时的烧结体的变形来确定。在将小容器设置在辊轴材料的周围来进行制造的 情况下（即与辊轴材料的一体烧结法），辊轴材料和小容器按照作为原料的粉末、纤维不会 漏出的方式利用焊接等进行接合。
[0085] 图1是说明使用了热等静压成型的一体烧结法的图。将筒状的铁制小容器2焊接 在辊轴材料1的外周，向由辊轴材料1和小容器2构成的填充空间内填充作为铁基合金粉 末、陶瓷纤维和陶瓷粉末的混合体的原料混合物4,将盖3设置在小容器2,并对盖3的周围 进行焊接（焊接部6)，在进行真空脱气（5表示脱气口）并进行真空密封之后，进行热等静 压成型。小容器2内的原料混合物4利用热等静压成型被烧结，同时以冶金的方式与辊轴 材料接合。
[0086] 为了获得具有充分的强度的复合辊，需要利用进行70MPa以上的加压的热等静压 成型来进行外层的烧结成型。如果在未被充分地加压的情况下，在烧结体的内部产生空穴， 外层（烧结体）的强度降低。热等静压成型时的压力的下限优选为85MPa。
[0087] 无需规定热等静压成型时的压力的上限。但是，当考虑设备能力时，热等静压成型 时的压力的上限通常为120MPa。
[0088] 利用烧结法所成型的烧结体按照根据铁基合金粉末的成分和辊的使用条件成为 所需的硬度、表面加工粗糙度的方式选定热处理条件和磨削研磨加工条件来进行处理即 可。
[0089] 利用这种材料和制造方法所获得的本实施方式的复合辊的外层含有烧结体，该烧 结体含有作为铁基合金的母材、由陶瓷构成的平均粗度为1?30 μ m且平均纵横比为10? 500的纤维状夹杂物和由陶瓷构成的平均粒径为1?100 μ m的颗粒状夹杂物。纤维状夹杂 物的含量相对于烧结体为5?40体积％，颗粒状夹杂物的含量相对于烧结体为5?30体 积％。
[0090] 作为铁基合金的母材源于铁基合金粉末，纤维状夹杂物源于陶瓷纤维，颗粒状夹 杂物源于陶瓷粉末。陶瓷粉末和陶瓷纤维作为颗粒状夹杂物和纤维状夹杂物在烧结体中单 独地存在。因此，陶瓷粉末和陶瓷纤维不会与铁基合金粉末彼此形成化合物。根据烧结时 的温度的设定，有形成化合物的情况，但化合物的形成量为一点点。因此，母材、纤维状夹杂 物和颗粒状夹杂物的化学成分与铁基合金粉末、陶瓷纤维和陶瓷粉末的化学成分分别大致 相同。此外，纤维状夹杂物和颗粒状夹杂物的形状与陶瓷纤维和陶瓷粉末的形状分别大致 相同。因此，纤维状夹杂物和颗粒状夹杂物的优选的形状与陶瓷纤维和陶瓷粉末的优选的 形状大致相同。
[0091] 本实施方式的复合辊的烧结体的母材的化学成分也可以包含下述成分：〇. 8? 3. 5质量％的(：、1?13质量％的〇、0?18质量％的]?〇、0?28质量％的10?15质量％ 的Ni、0?18质量％的Co、合计为2?20质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组 中的1种以上的元素、剩余部分包含Fe和杂质。进一步优选的是，本实施方式的复合辊的烧 结体的母材的化学成分也可以包含下述成分：1. 0?2. 8质量％的C、2?10质量％的Cr、 0?15质量％的]?〇、0?20质量％的1、0?10质量％的附、0?15质量％的(：〇、3?15 质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元素、剩余部分包含Fe和 杂质。颗粒状夹杂物和纤维状夹杂物也可以是氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上，颗粒 状夹杂物也可以是氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氮化硼、氮化硅和氮化锆中的1种以上，纤维 状夹杂物也可以是氧化铝、莫来石、氮化硼和氮化硅中的1种以上。并且，陶瓷纤维和陶瓷 粉末各自的形状和含量与纤维状夹杂物和颗粒状夹杂物各自的形状和含量分别大致相同。 本实施方式的颗粒状夹杂物和纤维状夹杂物的总含量也可以相对于烧结体的体积为35体 积％?70体积。本实施方式具有这些构成所产生的效果与选定用于获得这些构成的原料 所产生的效果相同。
[0092] 复合辊的烧结体除了含有源于陶瓷纤维和陶瓷粉末的陶瓷之外，还含有源于铁基 合金粉末的碳化物。该碳化物作为铁基合金粉末中所含有的各元素的碳化物的混合物而在 烧结体中存在。因此，源于陶瓷纤维和陶瓷粉末的陶瓷与源于铁基合金粉末的碳化物能够 通过分析它们的成分来进行辨别。具体而言，在利用EPM等能够进行局部分析的装置分析 对象物的情况下，该对象物只要是作为由Fe、Cr、Mo和W等构成的复合碳化物的陶瓷，则能 够将该对象物看作是源于铁基合金粉末的碳化物。源于铁基合金粉末的碳化物的平均粒径 通常为0. 1 μ m?2 μ m左右，但由于热等静压成型的温度、时间、根据之后的需要所实施的 热处理条件的不同，其大小会发生变化。
[0093](轧制方法）
[0094] 能够使用利用本实施方式所获得的复合辊来对金属材料进行轧制。即本实施方式 的复合辊不仅能够作为薄板钢带的热轧辊来优选地使用，还能够作为无缝、线材轧制、热挤 压、锻造等热加工用工具和薄板钢带的冷轧辊、冷加工工具来优选地使用。另外，作为耐磨 性优良的材料，也可应用于轧机周边的轧辊件和导向件类。
[0095] 实施例
[0096] 利用以下所示的原料和方法制作成各种复合辊的实施例和比较例并评价了特性。
[0097] (使用原料）
[0098] 作为铁基合金粉末，使用了以质量比计C为2. 1质量％、Cr为4. 8质量％、V为6. 0 质量％1〇为5.1质量％、1为4.5质量％、51为1.3质量％111为0.9质量％、剩余部分实 质上包含Fe和杂质的粉末。该铁基合金粉末的平均粒径是在0. 5?125 μ m的范围中选择 使用了几个平均粒径。作为陶瓷粉末，在平均粒径为0. 7?125 μ m的范围中选择几个并使 用了氧化铝粉末、SiC粉末、B4C粉末和氮化硅粉末。作为陶瓷纤维，使用了氧化铝纤维（平 均粗度：〇. 8?36 μ m、平均纵横比：8?603左右）、氮化硅纤维（平均粗度：10 μ m、平均纵 横比：105)、SiC纤维（平均粗度：8 μ m、纵横比：89)和B4C纤维（平均粗度：7 μ m、平均纵 横比：95)。
[0099](复合辊的制作）
[0100] 使用上述的粉末和纤维用表1?2所示的配合量制作了复合辊（直径为110mm、主 体长为300mm)。在辊轴材料（Cr-Μο钢）的周围制作作为成型用模具的铁制小容器，将表 1?2所记载的铁基合金粉末、陶瓷粉末和陶瓷纤维的混合原料填充到该铁制小容器中。此 夕卜，铁基合金粉末、陶瓷粉末和陶瓷纤维的混合原料是首先将铁基合金粉末和陶瓷粉末充 分地混合、之后再进一步混合陶瓷纤维而获得的。混合是使用旋转式球磨机来进行的。接 着，对小容器的盖进行焊接并对小容器内进行真空脱气，以1050°C和60?120MPa的规定的 压力进行了热等静压成型。冷却之后，除去小容器，以肖氏硬度成为85?90左右的方式在 接近于与铁基合金成分相近的工具材料的热处理条件的条件下，进行了淬火、回火的热处 理。
[0101](热卷轧制实验）
[0102] 使用按照这样的方式所制作的复合辊并测定了在通过热卷轧制实验对4000m的 普通钢的轧制卷材进行了轧制时的复合辊的摩损深度、龟裂（裂纹）深度和表面粗糙度。它 们的测定法如下所述。
[0103] 烧结体的缺陷有无：利用超声波探伤法确认了缺陷的有无。将发现了缺陷的试样 视作不合格。
[0104] 摩损深度：根据轧制前后的辊轮廓的差異测定了摩损深度。将摩损深度为15 μ m 以上的试样视作不合格。
[0105] 龟裂（裂纹）深度：将轧制后的辊切断并观察辊表层附近，将产生了裂纹的最大深 度作为龟裂深度。将龟裂深度为IOOym以上的试样视作不合格。
[0106] 表面粗糙度：测定了算术平均粗糙度（中心线平均粗糙度）Ra。测定方法以JIS B0601为基准。将表面粗糙度为0. 8 μ mRa以上的试样视作不合格。
[0107] 利用以上所示的测定法对复合辊进行评价，将在全部的测定中合格的试样视作合 格品（GOOD)。
[0108] 热卷轧制实验条件如下所述：加热温度为800°C、乳制速度为IOOm/分钟、入口侧 张力为lkgf/mm 2、出口侧张力为3kgf/mm2、压下率为43?46%、无润滑油。
[0109] 将其结果表不于表1?2中。
[0110] 表 1
【权利要求】
1. 一种复合辊，其具有钢制的辊轴材料和设置在所述辊轴材料的周围的外层，其特征 在于， 所述外层含有烧结体，该烧结体含有作为铁基合金的母材、由陶瓷构成的平均粗度为 1?30 μ m且平均纵横比为10?500的纤维状夹杂物和由陶瓷构成的平均粒径为1? 100 μ m的颗粒状夹杂物， 所述纤维状夹杂物的含量相对于所述烧结体为5?40体积％， 所述颗粒状夹杂物的含量相对于所述烧结体为5?30体积％。
2. 根据权利要求1所述的复合辊，其特征在于， 所述烧结体的所述母材的化学成分包含下述成分： 0. 8?3. 5质量％的C、 1?13质量％的0、 0?18质量％的Mo、 0?28质量％的评、 0?15质量％的附、 0?18质量％的Co、 合计为2?20质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组的1种以上的元素、 剩余部分包含Fe和杂质。
3. 根据权利要求1或2所述的复合辊，其特征在于， 所述颗粒状夹杂物和所述纤维状夹杂物是氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上。
4. 根据权利要求3所述的复合辊，其特征在于， 所述颗粒状夹杂物是氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氮化硼、氮化硅和氮化锆中的1种以 上。
5. 根据权利要求3或4所述的复合辊，其特征在于， 所述纤维状夹杂物是氧化铝、莫来石、氮化硼和氮化硅中的1种以上。
6. 根据权利要求1?5中任一项所述的复合辊，其特征在于， 所述颗粒状夹杂物和所述纤维状夹杂物的总含量相对于所述烧结体的体积为35体 积％?70体积％。
7. -种复合辊，其是在钢制的辊轴材料的周围设有外层的复合辊，其特征在于， 所述外层含有烧结体，该烧结体是通过对（a)铁基合金粉末、（b)平均粗度为1? 30. m且平均纵横比为10?500的陶瓷纤维和（c)平均粒径为1?100 μ m的陶瓷粉末的 混合物进行烧结而获得的， 相对于（a)所述铁基合金粉末、（b)所述陶瓷纤维和（c)所述陶瓷粉末的所述烧结前 的总量，（b)所述陶瓷纤维以所述烧结前的配合量计为5?40体积％且（c)所述陶瓷粉末 以所述烧结前的配合量计为5?30体积％， (b)所述陶瓷纤维和（c)所述陶瓷粉末在所述烧结后单独地存在。
8. 根据权利要求7所述的复合辊，其特征在于， 所述烧结前的（a)所述铁基合金粉末的化学成分包含下述成分： 0. 8?3. 5质量％的C、 1?13质量％的0、 0?18质量％的Mo、 0?28质量％的评、 0?15质量％的附、 0?18质量％的Co、 合计为2?20质量％的选自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf构成的组中的1种以上的元素、 剩余部分包含Fe和杂质。
9. 根据权利要求7或8所述的复合辊，其特征在于， (c)所述陶瓷粉末是氧化物、氮化物或碳化物中的1种以上。
10. 根据权利要求9所述的复合辊，其特征在于， (c)所述陶瓷粉末是氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氮化硼、氮化硅和氮化锆中的1种以 上。
11. 根据权利要求7?10中任一项所述的复合辊，其特征在于， (b)所述陶瓷纤维是氧化物系纤维、碳化物系纤维或氮化物系纤维中的1种以上。
12. 根据权利要求7?11中任一项所述的复合辊，其特征在于， 相对于（a)所述铁基合金粉末、(b)所述陶瓷纤维和（c)所述陶瓷粉末的所述烧结前的 总量，（b)所述陶瓷纤维和（c)所述陶瓷粉末的所述烧结前的总配合量为35?70体积％。
13. -种轧制方法，其特征在于， 使用权利要求1?12中任1项所述的复合辊来对金属材料进行轧制。
14. 一种复合辊的制造方法，其是具有外层和辊轴材料的复合辊的制造方法，其特征在 于， 该复合辊的制造方法具有下述工序： 混合工序，在该混合工序中，将铁基合金粉末、平均粒径为1?100 μ m的陶瓷粉末和平 均粗度为1?30 μ m且平均纵横比为10?500的陶瓷纤维混合而获得原料混合物； 热等静压成型工序，在该热等静压成型工序中，通过将所述原料混合物填充到在所 述辊轴材料的周围设置的筒状的小容器内，接着对所述小容器内进行真空脱气，进一步在 70?120MPa的压力进行热等静压成型，从而进行烧结，获得在所述辊轴材料的周围接合有 所述外层的所述复合辊， 其中，相对于所述原料混合物的所述烧结前的总量，所述陶瓷纤维的配合量以所述烧 结前的配合量计为5?40体积％，所述陶瓷粉末的配合量以所述烧结前的配合量计为5? 30体积％。
【文档编号】B21B27/00GK104271275SQ201380022793
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】井上刚, 内田秀, 伊东诚司 申请人:新日铁住金株式会社