復合輥及軋制方法
【專利摘要】本發明的復合輥具有鋼制的輥軸材料和設置在所述輥軸材料的周圍的外層，上述外層含有燒結體，該燒結體含有作為鐵基合金的母材、由陶瓷構成的平均粗度為1～30μm且平均縱橫比為10～500的纖維狀夾雜物和由陶瓷構成的平均粒徑為1～100μm的顆粒狀夾雜物，上述纖維狀夾雜物的含量相對于所述燒結體為5～40體積％，上述顆粒狀夾雜物的含量相對于所述燒結體為5～30體積％。
【專利說明】復合輥及軋制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及在鋼鐵等金屬制品的制造工序中的軋制加工工序中所使用的復合輥 及軋制方法。特別是涉及在熱軋中所使用的軋制用復合輥及軋制方法。
[0002] 本申請基于2012年7月9日在日本申請的日本特愿2012-153880號主張優先權， 在此引用其內容。
【背景技術】
[0003] 對于在軋制加工工序中所使用的軋輥，使用在金屬基體中碳化物等陶瓷成分分散 而成的硬度高的材料。這樣的軋輥通常用鑄造法制造。通過實現成分調整或熱處理條件等 的最優化，使具有用于作為軋輥使用所需要的強度和硬度的材料的制造得到實現。
[0004] 另一方面，作為用鑄造法以外的方法制造的軋輥，也已知有由通過組合成為金 屬基體的粉末顆粒和陶瓷纖維、利用燒結法制造所強化而成的纖維強化復合金屬（Fiber Reinforced Metals :FRM)材料構成的乳棍（專利文獻1、2及4)。另外，也已知用這樣的制 造方法所獲得的軋輥比用鑄造法所獲得的軋輥具有更優良的耐磨性、防燒傷性、防表面粗 糙性。另外，也已知有通過向成為金屬基體的粉末顆粒中添加陶瓷粉末顆粒來強化而成的 軋輥（專利文獻3)。但是，在這些文獻中所記載的技術中含有以下列舉的課題。
[0005] 專利文獻1涉及在鋼制的軸的周邊設有由耐磨性材料構成的外層的軋制用復合 輥。由該耐磨性材料構成的外層是通過向鐵基合金粉末中添加陶瓷纖維的小片并進行燒結 而制造的。但是，本發明人們發現：由于將大量陶瓷纖維添加到輥外層，有輥的表面粗糙度 增大以及輥外層的強度降低而在輥外層發生裂紋的情況。本發明人們發現：向鐵基合金粉 末中添加45體積％的陶瓷纖維的小片制造了輥外層時，在輥外層產生了裂紋等材料缺陷。 這樣的見解在專利文獻1中沒有公開。
[0006] 專利文獻2涉及通過添加陶瓷纖維所強化而成的金屬。添加有該陶瓷纖維的金屬 是通過對將金屬粉末和陶瓷纖維混合而成的混合物進行燒結而制造的。在專利文獻2中 記載：在進行該燒結工序時，需要將燒結用的爐的內部的壓力設為比較低的壓力即〇. 1? 7. OMPa。但是，在這樣的壓力下所燒結的陶瓷纖維添加金屬并不適合作為在使用中承受大 的負荷的軋輥的外層材料來使用。其原因在于，在燒結時沒有被充分地加壓的燒結材料含 有很多空隙，該空隙在燒結體受到大的負荷時成為裂紋產生的起點。為了用作軋輥的外層 材料，需要通過在高壓下進行的熱等靜壓成型（Hot Isostatic Pressing :HIP)來實施燒結 工序。
[0007] 專利文獻3涉及對將鐵基合金的粉末與SiC顆粒或B4C顆粒混合而成的粉末進行 燒結而制造的軋輥的外層材料。但是，SiC及B4C不優選作為用于與鐵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在燒結時會與鐵發生反應而形成合金。合金 的形成阻礙由添加陶瓷引起的燒結金屬的強度提高。本發明人們確認了 ：在將SiC及B4C的 粉末與鐵基合金粉末混合的情況下，從混合粉末所獲得的燒結體不具有足以作為軋輥的外 層材料的強度。
[0008] 專利文獻4涉及具有外層材料的復合構件結構的軋輥，該外層材料是對在直徑為 IOym以下的碳化物結晶了的鐵基合金粉末中混合氧化物陶瓷纖維的小片而成的混合物進 行燒結而形成的，該軋輥將利用燒結法使理論密度提高到99%以上的材料作為外層材料來 使用。但是，即使理論密度為99%以上，也不能使因陶瓷纖維的凝聚而生成的微小的缺陷從 外層材料完全消失，在將具有該外層材料的軋輥在軋制中使用的情況下，不可避免會產生 以微小的缺陷為起點的微小裂紋。下述情況成為課題：由于該微小裂紋的進展而產生材料 從軋輥的表面的脫落并產生軋輥的表面粗糙。
[0009] 現有技術文獻
[0010] 專利文獻
[0011] 專利文獻1 :日本特開平11-28508號公報
[0012] 專利文獻2 :日本特開2003-119554號公報
[0013] 專利文獻3 :日本特開平11-061349號公報
[0014] 專利文獻4 :日本特開2001-59147號公報
【發明內容】
[0015] 發明要解決的問題
[0016] 由于高強度的鋼材的軋制量的增加和軋制速度的高速化等這樣的軋制工序的進 步，乳輥的使用環境成為越發嚴格的條件，需要對軋輥進一步改善耐磨性、防表面粗糙性。 為了提高這些特性，能夠想到增加軋制用復合輥外層中的陶瓷成分的量。但是，根據本發明 人的見解，在將FRM作為外層材料使用的復合輥（FRM軋輥）中，如果為了增加陶瓷成分而 增加陶瓷纖維的配合量，則在制造 FRM軋輥時，陶瓷纖維彼此纏繞，容易產生由纖維凝聚引 起的缺陷，難以制造良好的輥。但是，在僅使用鐵基合金粉末和陶瓷粉末制造了具有與FRM 軋輥同等的陶瓷配合量的復合輥的情況下，陶瓷粉末成為裂紋的傳播路徑，裂紋變得容易 進展。在此，本發明人們有了如下見解：在鐵基合金粉末中配合陶瓷粉末而制造燒結體的情 況下，為了抑制由陶瓷粉末引起的裂紋的傳播而進一步配合陶瓷纖維會有助于提高復合輥 的性能。并且，本發明人們進一步研究的結果為：通過將陶瓷纖維和陶瓷粉末這兩者配合， 能夠在不使陶瓷纖維的凝聚和由陶瓷粉末引起的裂紋進展產生的情況下、使復合輥外層的 燒結體中的陶瓷成分的含量增大。
[0017] 本發明的目的在于提供一種兼具作為軋制用復合輥所需的特性的耐磨性和防表 面粗糙性等摩擦特性、以及耐龜裂性和強度等機械特性的、具有比以往的FRM軋輥更優良 的特性的復合輥。
[0018] 用于解決問題的技術手段
[0019] 本發明為了解決上述問題提供以下的發明。
[0020] (1)本發明的一個實施方式的復合輥具有鋼制的輥軸材料和設置在上述輥軸材料 的周圍的外層，上述外層含有燒結體，上述燒結體含有作為鐵基合金的母材、由陶瓷構成的 平均粗度為1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的纖維狀夾雜物和由陶瓷構成的平均粒 徑為1?100 μ m的顆粒狀夾雜物，上述纖維狀夾雜物的含量相對于上述燒結體為5?40 體積％,上述顆粒狀夾雜物的含量相對于上述燒結體為5?30體積％。
[0021] (2)關于上述（1)所記載的復合輥，其中，上述燒結體的上述母材的化學成分可以 包含下述成分：〇. 8?3. 5質量％的CU?13質量％的〇、0?18質量％的]?〇、0?28質 量％的W、0?15質量％的Ni、0?18質量％的Co、合計為2?20質量％的選自由V、Nb、 Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元素、剩余部分包含Fe和雜質。
[0022] (3)關于上述（1)或⑵所記載的復合棍，其中，上述顆粒狀夾雜物和上述纖維狀 夾雜物可以是氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上。
[0023] (4)關于上述（3)所記載的復合輥，其中，上述顆粒狀夾雜物可以是氧化鋁、氧化 鋯、二氧化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鋯中的1種以上。
[0024] (5)關于上述（3)或（4)所記載的復合輥，其中，上述纖維狀夾雜物可以是氧化鋁、 莫來石、氮化硼和氮化硅中的1種以上。
[0025] (6)關于上述⑴?（5)中任一項所記載的復合棍，其中，上述顆粒狀夾雜物和所 述纖維狀夾雜物的總含量可以相對于上述燒結體的體積為35體積％?70體積％。
[0026] (7)本發明的另一個實施方式的復合輥可以是在鋼制的輥軸材料的周圍設有外層 的復合輥，其中，上述外層含有燒結體，該燒結體是通過對（a)鐵基合金粉末、(b)平均粗度 為1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的陶瓷纖維和（c)平均粒徑為1?100 μ m的陶瓷 粉末的混合物進行燒結而獲得的，相對于（a)上述鐵基合金粉末、（b)上述陶瓷纖維和（c) 上述陶瓷粉末的上述燒結前的總量，（b)上述陶瓷纖維以上述燒結前的配合量計為5?40 體積％且（c)上述陶瓷粉末以上述燒結前的配合量計為5?30體積％，（b)上述陶瓷纖維 和（c)上述陶瓷粉末在上述燒結后單獨地存在。
[0027] (8)關于上述（7)所記載的復合棍，其中，上述燒結前的（a)上述鐵基合金粉末的 化學成分可以包含下述成分：〇. 8?3. 5質量％的C、1?13質量％的Cr、0?18質量％的 Mo、0?28質量％的W、0?15質量％的Ni、0?18質量％的Co、合計為2?20質量％的 選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元素、剩余部分包含Fe和雜質。
[0028] (9)關于上述（7)或者⑶所記載的復合棍，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種以上。
[0029] (10)關于上述（9)所記載的復合輥，其中，（C)所述陶瓷粉末可以是氧化鋁、氧化 鋯、二氧化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鋯中的1種以上。
[0030] (11)關于上述（7)?（10)中任一項所記載的復合棍，其中，（b)上述陶瓷纖維可 以是氧化物系纖維、碳化物系纖維或氮化物系纖維中的1種以上。
[0031] (12)關于上述（7)?（11)中的任一項所記載的復合棍，其中，相對于（a)上述鐵 基合金粉末、（b)上述陶瓷纖維和（c)上述陶瓷粉末的上述燒結前的總量，（b)上述陶瓷纖 維和（c)上述陶瓷粉末的上述燒結前的總配合量可以為35體積％?70體積％。
[0032] (13)本發明的其他實施方式的軋制方法可以是，使用上述⑴?（12)中任一項所 記載的復合輥來對金屬材料進行軋制。
[0033] (14)本發明的其他實施方式的復合輥的制造方法可以是具有外層和輥軸材料的 復合輥的制造方法，其具有下述工序：混合工序，在該混合工序中，將鐵基合金粉末、平均粒 徑為1?100 μ m的陶瓷粉末和平均粗度為1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的陶瓷纖 維混合而獲得原料混合物；熱等靜壓成型工序，在該熱等靜壓成型工序中，通過將上述原料 混合物填充到在上述輥軸材料的周圍設置的筒狀的小容器內，接著對上述小容器內進行真 空脫氣，進一步在70?120MPa的壓力下進行熱等靜壓成型，從而進行燒結，獲得在上述輥 軸材料的周圍接合有上述外層的上述復合輥，其中，相對于上述原料混合物的上述燒結前 的總量，上述陶瓷纖維的配合量以上述燒結前的配合量計為5?40體積％，上述陶瓷粉末 的配合量以上述燒結前的配合量計為5?30體積％。
[0034] 發明效果
[0035] 根據本發明的復合輥，與以往的FRM軋輥（由鐵基合金粉末與陶瓷纖維的復合體、 或鐵基合金粉末與陶瓷粉末的復合體構成）相比較，可提高耐磨性和防表面粗糙性，且可 將耐龜裂性維持在與以往的FRM軋輥同等的水平。由此，在軋制工序中被使用的情況下，可 延長復合輥的壽命，可實現復合輥的更換周期的大幅度延長，不僅能夠期待軋輥單位消耗 性能的提商，還能夠期待生廣率和成品率的提商。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1是使用了熱等靜壓成型的一體燒結法的說明圖。
[0037] 圖2是表示復合輥的制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0038] 本實施方式的復合輥是在鋼制的輥軸材料（芯材）的外側（周圍）設置有外層的 復合棍。外層呈同心圓狀設置在棍軸材料的周圍，其厚度通常為IOmm?IOOmm左右。也可 以在輥軸材料與外層之間形成有中間層。該外層含有通過將（a)鐵基合金粉末、（b)陶瓷 纖維和（c)陶瓷粉末的混合物燒結而獲得的燒結體。
[0039] 本實施方式的鐵基合金粉末優選包含下述成分：0. 8?3. 5質量％的CU?13質 量％的〇、0?18質量％的]?〇、0?28質量％的10?15質量％的附、0?18質量％的 Co、2?20質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元素、剩余部分 包含Fe和雜質。進一步優選本實施方式的鐵基合金粉末包含下述成分：1. 0?2. 8質量％ 的C、2?10質量％的〇、0?15質量％的]?〇、0?20質量％的1、0?10質量％的附、0? 15質量％的Co、3?15質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元 素、剩余部分包含Fe和雜質。以下對規定鐵基合金粉末的化學成分的理由進行說明。
[0040] (C :0· 8 ?3. 5 質量％ )
[0041] C是為了形成碳化物而含有的。優選的上限值為3. 5質量％，優選的下限值為0. 8 質量％。當C含量小于下限時，有結晶碳化物少、不能充分地確保燒結體的耐磨性的情況。 當C含量大于上限值時，碳化物向燒結體中的分散變得不均勻，可在燒結體的強韌性和防 表面粗糙性的方面產生問題。C含量更優選為I. 0?2. 8質量％。
[0042] (Cr:l ?13 質量％)
[0043] Cr形成Cr系碳化物而有助于提高燒結體的耐磨性。為了獲得該效果，優選將Cr 含量設為1?13質量％。當Cr含量大于上限值時，有Cr系碳化物結晶量變得過多、韌性 或耐龜裂性降低的情況。當Cr含量小于下限時，有淬火性降低的情況。Cr含量更優選為 2?10質量％。
[0044] (Mo:0 ?18 質量％)
[0045] (W:0 ?28 質量％)
[0046] 使Mo和W含有在燒結體中是為了提高燒結體的淬火性和高溫硬度，因而優選。進 而，W也可以作為形成碳化物的元素被含有。為了獲得該效果，關于Mo,優選將其含量設為 0?18質量％，關于W，優選將其含量設為0?28質量％。當Mo和W的含量大于上限時， 有燒結體的韌性、防表面粗糙性產生惡化的情況。Mo含量更優選為0?15質量％。W含量 更優選為〇?20質量％。
[0047] (Ni:0 ?15 質量％)
[0048] (Co:0 ?18 質量％)
[0049] Ni是使淬火性提高的元素。為了獲得該效果，優選將Ni含量設為0?15質量％。 當Ni含量大于上限值時，燒結體中的殘留奧氏體變多，有容易產生裂紋和軋制中的表面粗 糙的情況。通過含有Co,能夠獲得對于回火軟化阻力和二次固化有利的效果。為了獲得該 效果，優選將Co含量設為0?18質量％。當Co含量大于上限值時，有淬火性變差的情況。 Ni含量更優選為0?10質量％。Co含量更優選為0?15質量％。
[0050] (選自由￥、恥、1^&、21"和!^構成的組中的1種以上的元素：2?20質量％)
[0051] V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf形成MC碳化物，進而有助于改善已熔融的鐵基合金和陶瓷 纖維彼此之間的潤濕性。此外，￥、他、1^ &、21"和批通過形成初晶碳化物（在晶內結晶的 碳化物）而消耗C，降低使C與Mo、Cr、或W結合而形成的2次結晶碳化物（在晶界結晶的 碳化物）結晶的量。在晶界結晶的碳化物在燒結體內呈網狀分布，成為龜裂傳播路徑，有燒 結體的韌性和防表面粗糙性降低的情況。為了獲得這些效果，優選將選自V、Nb、Ti、Ta、Zr 和Hf的組中的1種或2種以上的元素的量的和設為2?20質量％。當選自V、Nb、Ti、Ta、 Zr和Hf的組中的1種或2種以上的元素的量的和小于2質量％時，MC碳化物的結晶量少、 耐磨性的提高并不充分，還有2次結晶碳化物變得容易呈網狀結晶、對韌性、防表面粗糙性 帶來不良影響的情況。另外，當元素的量的和大于上限時，有大的初晶碳化物結晶而產生表 面粗糙的情況。優選的是，選自V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf的組中的1種或2種以上的元素的 量的和為3?15質量％。
[0052] 本實施方式的一個方式的鐵基合金粉末含有上述成分，剩余部分含有鐵和雜質。 作為雜質的例子，可列舉出在礦石、廢料等原材料中所含有的雜質、或在制造工序中所含有 的雜質等。
[0053] 在鐵基合金粉末中含有碳化物陶瓷成分。該碳化物陶瓷成分在鐵基合金粉末成為 燒結體時使鐵基合金燒結體自身的強度、韌性和硬度提高到足以作為復合輥的水平。但是， 僅使用了鐵基合金粉末的燒結體不具有足以作為復合輥的性能。為了使燒結體具有充分的 性能，必須進一步在鐵基合金粉末中混合陶瓷纖維和陶瓷粉末而使燒結體中的陶瓷含量進 一步增加。
[0054] (鐵基合金粉末的平均粒徑：1?100 μ m)
[0055] 鐵基合金粉末的平均粒徑為1?100 μ m。當鐵基合金粉末的平均粒徑小于1 μ m 時，有鐵基合金粉末彼此凝聚、難以在燒結成型時充分地抑制空隙缺陷（void defect)的產 生的情況。另一方面，當鐵基合金粉末的平均粒徑大于100 μ m時，通過與鐵基合金粉末混 合，有源于在鐵基合金粉末的周圍配置的陶瓷粉末和陶瓷纖維的陶瓷部分彼此的間隔有變 得過寬的可能性。在該情況下，燒結體的耐磨性、防燒傷性和防表面粗糙性等特性降低。鐵 基合金粉末的優選的平均粒徑為5?50 μ m。
[0056] 在本實施方式中，鐵基合金粉末的平均粒徑的用語表示利用激光衍射散射法所測 定的粒度分布中的累計分布曲線的中央值（累計值50%)的粒徑（中值粒徑）。作為測定 裝置，例如可使用SHIMADZU制的SALD-3100。
[0057] 在本實施方式的復合輥中，相對于燒結前的（a)鐵基合金粉末、（b)陶瓷纖維和 (c)陶瓷粉末的總量，（b)陶瓷纖維的量以燒結前的配合量計為5?40體積％且（c)陶瓷 粉末的量以燒結前的配合量計為5?30體積％。
[0058] (陶瓷纖維的燒結前的配合量：5?40體積％ )
[0059] 當陶瓷纖維的燒結前的配合量小于5體積％時，不能充分地獲得復合輥所需的耐 磨性、防表面粗糙性和耐龜裂性。另一方面，當陶瓷纖維的燒結前的配合量大于40體積％ 時，陶瓷纖維彼此纏繞而產生纖維凝聚。該纖維凝聚在燒結成型時產生空隙。這難以充分 地抑制材料缺陷的產生。進而，當陶瓷纖維的燒結前的配合量大于40體積％時，輥的防表 面粗糙性產生惡化。其原因在于，由于纖維凝聚而產生微小的空隙狀的缺陷。優選陶瓷纖 維的燒結前的配合量為10?30體積％。
[0060] (陶瓷粉末的燒結前的配合量：5?30體積％ )
[0061] 在陶瓷粉末的燒結前的配合量小于5體積％的情況下，不能獲得與以往的僅將 (a)鐵基合金粉末和（b)陶瓷纖維復合而成的材料相比、使耐磨性、防燒傷性和防表面粗糙 性等特性提高的效果。另一方面，在陶瓷粉末的燒結前的配合量大于30體積％的情況下， 不能充分地維持將燒結體作為復合輥的外層來使用時所需的韌性和耐龜裂性等機械性質。
[0062] (陶瓷纖維和陶瓷粉末的燒結前的總配合量：35?70體積％ )
[0063] (b)陶瓷纖維和（c)陶瓷粉末的燒結前的總配合量優選為35體積％?70體積％。 由此，在燒結體中，與現有技術相比，能夠進一步適當地確保作為復合輥應具備的韌性、耐 龜裂性等機械性質，提高耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性。在總配合量小于35體積％ 時，有難以使耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性高于現有技術的情況。如果總配合量大于 70體積％，則有不能維持作為復合輥應具備的韌性和耐龜裂性等機械性質的情況。為了進 一步充分地發揮本實施方式的效果，優選（b)陶瓷纖維和（c)陶瓷粉末的燒結前的總配合 量為40體積％?60體積％。
[0064](陶瓷粉末的成分：氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上）
[0065] 優選陶瓷粉末選自氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上。作為氧化物，優選使用 氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦等。作為氮化物，優選使用氮化硼、氮化硅、氮化鋯、氮化鈦等。作 為碳化物，優選使用碳化釩、碳化鉻、碳化鈦等。
[0066] 但是，碳化物中的碳化硅（SiC)和碳化硼（B4C)不適合作為本實施方式的陶瓷粉 末。其原因在于，SiC和B 4C會在燒結時與鐵基合金粉末中的Fe發生反應而形成合金。當形 成合金時，這些陶瓷粉末的添加效果降低，輥的耐磨性降低。本發明人們確認了 ：在將SiC 和B4C的粉末與陶瓷纖維和鐵基合金粉末混合了的情況下，從混合粉末所獲得的燒結體與 未添加粉末的情況相比較，雖然可看到強度稍微提高，但并不具有足以作為復合輥的外層 的材料的耐磨性。然而，在利用PVD或鍍覆等方法在SiC和B 4C的粉末的表面涂布其他金 屬的情況下，該涂布阻礙SiC和B4C與Fe之間的反應，因此可發揮SiC和B 4C使燒結體的強 度、耐磨性提高的能力。因此，本實施方式的陶瓷粉末需要在燒結后單獨地存在。"單獨地 存在"的表述是指，實質上沒有與周圍的母材發生反應而形成化合物。
[0067] (陶瓷粉末的平均粒徑：1?100 μ m)
[0068] 陶瓷粉末的平均粒徑為1?100 μ m。當陶瓷粉末的平均粒徑小于1 μ m時，陶瓷粉 末彼此凝聚，因此有在燒結成型時難以充分地抑制空隙缺陷的產生的情況。為了更可靠地 防止陶瓷粉末彼此的凝聚，也可以將陶瓷粉末的平均粒徑的下限值設為2 μ m、大于2 μ m、 5 μ m、15 μ m、或20 μ m。另一方面，當陶瓷粉末的平均粒徑大于100 μ m時，在將所獲得的燒 結體作為復合輥來使用時，在燒結體中的由陶瓷粉末引起的顆粒狀夾雜物成為龜裂的進展 路徑，有使復合輥的機械特性降低的可能性。在本實施方式中，優選使用平均粒徑為3? 50 μ m的陶瓷粉末。
[0069] 另外，通過縱橫比規定粉末的形狀在本【技術領域】和粉體工程學的領域中并不常 見。"粉末"的用語通常可以被解釋為是指縱橫比（當粉末的形狀為楕圓球狀的形狀時，用 長徑/短徑所表現的比率）為1?2左右的顆粒，在本實施方式中陶瓷粉末的縱橫比的具 體的數字沒有被規定。
[0070] 在本實施方式中，陶瓷粉末的平均粒徑的用語表示利用激光衍射散射法所測定的 粒度分布中的累計分布曲線的中央值（累計值為50%)的粒徑（中值粒徑）。作為測定裝 置，例如可使用SHIMADZU制的SALD-3100。
[0071] (陶瓷纖維的成分：氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上）
[0072] 陶瓷纖維優選為氧化物系纖維、碳化物系纖維或氮化物系纖維中的1種以上。作 為氧化物系的纖維、碳化物系的纖維和氮化物系的纖維，優選使用氧化鋁纖維、莫來石纖 維、氮化硼纖維、氮化硅纖維或SiBN 3C纖維等。
[0073] 但是，碳化硅（SiC)和碳化硼（B4C)不能作為本實施方式的陶瓷纖維的成分來使 用。其理由與這些化合物不能作為本實施方式的陶瓷粉末的成分來使用的理由相同。但是， 在利用PVD或鍍覆等方法在SiC和B 4C的纖維的表面涂布其他金屬的情況下，可發揮SiC和 B4C使燒結體的強度、耐磨性提高的能力。因此，本實施方式的陶瓷纖維需要在燒結后單獨 地存在。
[0074] (陶瓷纖維的形狀：平均粗度為1?30 μ m、平均縱橫比為10?500)
[0075] 陶瓷纖維的平均粗度為1?30 μ m，優選為3?15 μ m。在陶瓷纖維的平均粗度小 于1 μ m的情況下，在制造時纖維彼此纏繞，不能避免空隙狀的缺陷產生。另一方面，在陶瓷 纖維的平均粗度大于30 μ m的情況下，隨著將復合輥作為軋輥來使用，有復合輥的表面的 粗糙度變大、由于產生過度的摩擦熱而容易產生表面粗糙的情況。
[0076] 陶瓷纖維的平均縱橫比為10?500,更優選為30?300左右。在陶瓷纖維的平均 縱橫比小于10的情況下，陶瓷纖維不能發揮作為纖維強化的功能。也就是說，只獲得與僅 將作為顆粒的陶瓷混合到鐵基合金粉末中的制造方法實質上相同的效果，不能獲得使陶瓷 纖維和陶瓷粉末混合的效果。在該情況下，與僅使用鐵基合金粉末和陶瓷粉末來制造了 FRM 軋輥的情況同樣，有陶瓷纖維成為裂紋的傳播路徑、裂紋容易進展的可能性。另一方面，在 陶瓷纖維的平均縱橫比大于500的情況下，纖維彼此變得容易纏繞，不能避免空隙狀的缺 陷的產生。
[0077] 在本實施方式中，通過以下的方法求出陶瓷纖維的平均粗度和平均縱橫比。首先， 隨機抽取50根以上的纖維，接著用顯微鏡觀察它們，測定纖維的直徑和長度，進而求出這 些測定值的算術平均值。將陶瓷纖維的直徑的算術平均值作為陶瓷纖維的平均粗度，將陶 瓷纖維的長度的算術平均值除以陶瓷纖維的直徑的算術平均值而得到的值作為陶瓷纖維 的平均縱橫比。
[0078] 如上所述，本實施方式的復合輥含有（a)鐵基合金粉末、(b)陶瓷纖維和（C)陶瓷 粉末的燒結體。在對混合粉末進行燒結成型而制造成的燒結體中的陶瓷除了含有源于作為 原料而配合的陶瓷粉末和陶瓷纖維的陶瓷之外，還含有析出或結晶到燒結體中的源于鐵基 合金粉末的部位中的、源于鐵基合金粉末的成分的碳化物。析出或者結晶到源于該鐵基合 金粉末的部位中的碳化物是確保將對鐵基合金粉末進行燒結成型而形成的燒結體自身的 強度、韌性和硬度所需的成分。在本實施方式中，除了使燒結體含有析出或結晶到源于鐵基 合金粉末的部位中的碳化物之外，還使燒結體含有源于陶瓷纖維和陶瓷粉末的陶瓷，因而 能夠實現與以往相比耐磨性和防表面粗糙性等摩擦特性、以及耐龜裂性和強度等機械特性 更優良的復合輥。
[0079] 本實施方式的復合輥利用例如圖2所示的如下方法制造。即：
[0080] (1)在混合工序中，將（a)鐵基合金粉末、(b)平均粒徑為1?100 μ m的陶瓷粉末 和（c)平均粗度為1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的陶瓷纖維混合而獲得原料混合 物，
[0081] (2)在熱等靜壓成型工序中，通過將原料混合物填充到在輥軸材料的周圍設置的 筒狀的小容器內，接著對小容器內進行真空脫氣，進一步在70?120MPa的壓力進行熱等靜 壓成型，從而進行燒結，獲得在輥軸材料的周圍接合有外層的復合輥。
[0082] 將作為原料的粉末和纖維混合的順序只要能夠確保充分的混合時間，可以以任意 的順序混合。例如，也可以向將（a)鐵基合金粉末和（c)陶瓷粉末混合而成的混合物中混 合（b)陶瓷纖維，或者也可以向將（a)鐵基合金粉末和（b)陶瓷纖維混合而成的混合物中 混合（c)陶瓷粉末。
[0083] 以下詳細地說明上述的制造方法。
[0084] 本實施方式的復合輥的外層如下制造：例如將上述原料混合物填充到軟鋼制的 筒狀的小容器內，將軟鋼制的蓋（安裝有脫氣用的管）安裝并焊接在該小容器上而使小容 器密閉，接著使用脫氣用管進行了真空脫氣和真空密封之后，利用熱等靜壓成型（HIP)進 行燒結成型來制造。小容器的材料是板厚為2?IOmm左右的軟鋼制的鋼板。小容器以 熱等靜壓成型后的燒結體的形狀成為還包含足以被加工成目標輥的外層形狀的加工余量 (finishing allowance)的形狀的方式形成在棍軸材料的周圍。另外，小容器形狀也考慮到 熱等靜壓成型時的燒結體的變形來確定。在將小容器設置在輥軸材料的周圍來進行制造的 情況下（即與輥軸材料的一體燒結法），輥軸材料和小容器按照作為原料的粉末、纖維不會 漏出的方式利用焊接等進行接合。
[0085] 圖1是說明使用了熱等靜壓成型的一體燒結法的圖。將筒狀的鐵制小容器2焊接 在輥軸材料1的外周，向由輥軸材料1和小容器2構成的填充空間內填充作為鐵基合金粉 末、陶瓷纖維和陶瓷粉末的混合體的原料混合物4,將蓋3設置在小容器2,并對蓋3的周圍 進行焊接（焊接部6)，在進行真空脫氣（5表示脫氣口）并進行真空密封之后，進行熱等靜 壓成型。小容器2內的原料混合物4利用熱等靜壓成型被燒結，同時以冶金的方式與輥軸 材料接合。
[0086] 為了獲得具有充分的強度的復合輥，需要利用進行70MPa以上的加壓的熱等靜壓 成型來進行外層的燒結成型。如果在未被充分地加壓的情況下，在燒結體的內部產生空穴， 外層（燒結體）的強度降低。熱等靜壓成型時的壓力的下限優選為85MPa。
[0087] 無需規定熱等靜壓成型時的壓力的上限。但是，當考慮設備能力時，熱等靜壓成型 時的壓力的上限通常為120MPa。
[0088] 利用燒結法所成型的燒結體按照根據鐵基合金粉末的成分和輥的使用條件成為 所需的硬度、表面加工粗糙度的方式選定熱處理條件和磨削研磨加工條件來進行處理即 可。
[0089] 利用這種材料和制造方法所獲得的本實施方式的復合輥的外層含有燒結體，該燒 結體含有作為鐵基合金的母材、由陶瓷構成的平均粗度為1?30 μ m且平均縱橫比為10? 500的纖維狀夾雜物和由陶瓷構成的平均粒徑為1?100 μ m的顆粒狀夾雜物。纖維狀夾雜 物的含量相對于燒結體為5?40體積％，顆粒狀夾雜物的含量相對于燒結體為5?30體 積％。
[0090] 作為鐵基合金的母材源于鐵基合金粉末，纖維狀夾雜物源于陶瓷纖維，顆粒狀夾 雜物源于陶瓷粉末。陶瓷粉末和陶瓷纖維作為顆粒狀夾雜物和纖維狀夾雜物在燒結體中單 獨地存在。因此，陶瓷粉末和陶瓷纖維不會與鐵基合金粉末彼此形成化合物。根據燒結時 的溫度的設定，有形成化合物的情況，但化合物的形成量為一點點。因此，母材、纖維狀夾雜 物和顆粒狀夾雜物的化學成分與鐵基合金粉末、陶瓷纖維和陶瓷粉末的化學成分分別大致 相同。此外，纖維狀夾雜物和顆粒狀夾雜物的形狀與陶瓷纖維和陶瓷粉末的形狀分別大致 相同。因此，纖維狀夾雜物和顆粒狀夾雜物的優選的形狀與陶瓷纖維和陶瓷粉末的優選的 形狀大致相同。
[0091] 本實施方式的復合輥的燒結體的母材的化學成分也可以包含下述成分：〇. 8? 3. 5質量％的(：、1?13質量％的〇、0?18質量％的]?〇、0?28質量％的10?15質量％ 的Ni、0?18質量％的Co、合計為2?20質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組 中的1種以上的元素、剩余部分包含Fe和雜質。進一步優選的是，本實施方式的復合輥的燒 結體的母材的化學成分也可以包含下述成分：1. 0?2. 8質量％的C、2?10質量％的Cr、 0?15質量％的]?〇、0?20質量％的1、0?10質量％的附、0?15質量％的(：〇、3?15 質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元素、剩余部分包含Fe和 雜質。顆粒狀夾雜物和纖維狀夾雜物也可以是氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上，顆粒 狀夾雜物也可以是氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鋯中的1種以上，纖維 狀夾雜物也可以是氧化鋁、莫來石、氮化硼和氮化硅中的1種以上。并且，陶瓷纖維和陶瓷 粉末各自的形狀和含量與纖維狀夾雜物和顆粒狀夾雜物各自的形狀和含量分別大致相同。 本實施方式的顆粒狀夾雜物和纖維狀夾雜物的總含量也可以相對于燒結體的體積為35體 積％?70體積。本實施方式具有這些構成所產生的效果與選定用于獲得這些構成的原料 所產生的效果相同。
[0092] 復合輥的燒結體除了含有源于陶瓷纖維和陶瓷粉末的陶瓷之外，還含有源于鐵基 合金粉末的碳化物。該碳化物作為鐵基合金粉末中所含有的各元素的碳化物的混合物而在 燒結體中存在。因此，源于陶瓷纖維和陶瓷粉末的陶瓷與源于鐵基合金粉末的碳化物能夠 通過分析它們的成分來進行辨別。具體而言，在利用EPM等能夠進行局部分析的裝置分析 對象物的情況下，該對象物只要是作為由Fe、Cr、Mo和W等構成的復合碳化物的陶瓷，則能 夠將該對象物看作是源于鐵基合金粉末的碳化物。源于鐵基合金粉末的碳化物的平均粒徑 通常為0. 1 μ m?2 μ m左右，但由于熱等靜壓成型的溫度、時間、根據之后的需要所實施的 熱處理條件的不同，其大小會發生變化。
[0093](軋制方法）
[0094] 能夠使用利用本實施方式所獲得的復合輥來對金屬材料進行軋制。即本實施方式 的復合輥不僅能夠作為薄板鋼帶的熱軋輥來優選地使用，還能夠作為無縫、線材軋制、熱擠 壓、鍛造等熱加工用工具和薄板鋼帶的冷軋輥、冷加工工具來優選地使用。另外，作為耐磨 性優良的材料，也可應用于軋機周邊的軋輥件和導向件類。
[0095] 實施例
[0096] 利用以下所示的原料和方法制作成各種復合輥的實施例和比較例并評價了特性。
[0097] (使用原料）
[0098] 作為鐵基合金粉末，使用了以質量比計C為2. 1質量％、Cr為4. 8質量％、V為6. 0 質量％1〇為5.1質量％、1為4.5質量％、51為1.3質量％111為0.9質量％、剩余部分實 質上包含Fe和雜質的粉末。該鐵基合金粉末的平均粒徑是在0. 5?125 μ m的范圍中選擇 使用了幾個平均粒徑。作為陶瓷粉末，在平均粒徑為0. 7?125 μ m的范圍中選擇幾個并使 用了氧化鋁粉末、SiC粉末、B4C粉末和氮化硅粉末。作為陶瓷纖維，使用了氧化鋁纖維（平 均粗度：〇. 8?36 μ m、平均縱橫比：8?603左右）、氮化硅纖維（平均粗度：10 μ m、平均縱 橫比：105)、SiC纖維（平均粗度：8 μ m、縱橫比：89)和B4C纖維（平均粗度：7 μ m、平均縱 橫比：95)。
[0099](復合輥的制作）
[0100] 使用上述的粉末和纖維用表1?2所示的配合量制作了復合輥（直徑為110mm、主 體長為300mm)。在輥軸材料（Cr-Μο鋼）的周圍制作作為成型用模具的鐵制小容器，將表 1?2所記載的鐵基合金粉末、陶瓷粉末和陶瓷纖維的混合原料填充到該鐵制小容器中。此 夕卜，鐵基合金粉末、陶瓷粉末和陶瓷纖維的混合原料是首先將鐵基合金粉末和陶瓷粉末充 分地混合、之后再進一步混合陶瓷纖維而獲得的。混合是使用旋轉式球磨機來進行的。接 著，對小容器的蓋進行焊接并對小容器內進行真空脫氣，以1050°C和60?120MPa的規定的 壓力進行了熱等靜壓成型。冷卻之后，除去小容器，以肖氏硬度成為85?90左右的方式在 接近于與鐵基合金成分相近的工具材料的熱處理條件的條件下，進行了淬火、回火的熱處 理。
[0101](熱卷軋制實驗）
[0102] 使用按照這樣的方式所制作的復合輥并測定了在通過熱卷軋制實驗對4000m的 普通鋼的軋制卷材進行了軋制時的復合輥的摩損深度、龜裂（裂紋）深度和表面粗糙度。它 們的測定法如下所述。
[0103] 燒結體的缺陷有無：利用超聲波探傷法確認了缺陷的有無。將發現了缺陷的試樣 視作不合格。
[0104] 摩損深度：根據軋制前后的輥輪廓的差異測定了摩損深度。將摩損深度為15 μ m 以上的試樣視作不合格。
[0105] 龜裂（裂紋）深度：將軋制后的輥切斷并觀察輥表層附近，將產生了裂紋的最大深 度作為龜裂深度。將龜裂深度為IOOym以上的試樣視作不合格。
[0106] 表面粗糙度：測定了算術平均粗糙度（中心線平均粗糙度）Ra。測定方法以JIS B0601為基準。將表面粗糙度為0. 8 μ mRa以上的試樣視作不合格。
[0107] 利用以上所示的測定法對復合輥進行評價，將在全部的測定中合格的試樣視作合 格品（GOOD)。
[0108] 熱卷軋制實驗條件如下所述：加熱溫度為800°C、乳制速度為IOOm/分鐘、入口側 張力為lkgf/mm 2、出口側張力為3kgf/mm2、壓下率為43?46%、無潤滑油。
[0109] 將其結果表不于表1?2中。
[0110] 表 1
【權利要求】
1. 一種復合輥，其具有鋼制的輥軸材料和設置在所述輥軸材料的周圍的外層，其特征 在于， 所述外層含有燒結體，該燒結體含有作為鐵基合金的母材、由陶瓷構成的平均粗度為 1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的纖維狀夾雜物和由陶瓷構成的平均粒徑為1? 100 μ m的顆粒狀夾雜物， 所述纖維狀夾雜物的含量相對于所述燒結體為5?40體積％， 所述顆粒狀夾雜物的含量相對于所述燒結體為5?30體積％。
2. 根據權利要求1所述的復合輥，其特征在于， 所述燒結體的所述母材的化學成分包含下述成分： 0. 8?3. 5質量％的C、 1?13質量％的0、 0?18質量％的Mo、 0?28質量％的評、 0?15質量％的附、 0?18質量％的Co、 合計為2?20質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組的1種以上的元素、 剩余部分包含Fe和雜質。
3. 根據權利要求1或2所述的復合輥，其特征在于， 所述顆粒狀夾雜物和所述纖維狀夾雜物是氧化物、氮化物或碳化物中的1種以上。
4. 根據權利要求3所述的復合輥，其特征在于， 所述顆粒狀夾雜物是氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鋯中的1種以 上。
5. 根據權利要求3或4所述的復合輥，其特征在于， 所述纖維狀夾雜物是氧化鋁、莫來石、氮化硼和氮化硅中的1種以上。
6. 根據權利要求1?5中任一項所述的復合輥，其特征在于， 所述顆粒狀夾雜物和所述纖維狀夾雜物的總含量相對于所述燒結體的體積為35體 積％?70體積％。
7. -種復合輥，其是在鋼制的輥軸材料的周圍設有外層的復合輥，其特征在于， 所述外層含有燒結體，該燒結體是通過對（a)鐵基合金粉末、（b)平均粗度為1? 30. m且平均縱橫比為10?500的陶瓷纖維和（c)平均粒徑為1?100 μ m的陶瓷粉末的 混合物進行燒結而獲得的， 相對于（a)所述鐵基合金粉末、（b)所述陶瓷纖維和（c)所述陶瓷粉末的所述燒結前 的總量，（b)所述陶瓷纖維以所述燒結前的配合量計為5?40體積％且（c)所述陶瓷粉末 以所述燒結前的配合量計為5?30體積％， (b)所述陶瓷纖維和（c)所述陶瓷粉末在所述燒結后單獨地存在。
8. 根據權利要求7所述的復合輥，其特征在于， 所述燒結前的（a)所述鐵基合金粉末的化學成分包含下述成分： 0. 8?3. 5質量％的C、 1?13質量％的0、 0?18質量％的Mo、 0?28質量％的評、 0?15質量％的附、 0?18質量％的Co、 合計為2?20質量％的選自由V、Nb、Ti、Ta、Zr和Hf構成的組中的1種以上的元素、 剩余部分包含Fe和雜質。
9. 根據權利要求7或8所述的復合輥，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種以上。
10. 根據權利要求9所述的復合輥，其特征在于， (c)所述陶瓷粉末是氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鋯中的1種以 上。
11. 根據權利要求7?10中任一項所述的復合輥，其特征在于， (b)所述陶瓷纖維是氧化物系纖維、碳化物系纖維或氮化物系纖維中的1種以上。
12. 根據權利要求7?11中任一項所述的復合輥，其特征在于， 相對于（a)所述鐵基合金粉末、(b)所述陶瓷纖維和（c)所述陶瓷粉末的所述燒結前的 總量，（b)所述陶瓷纖維和（c)所述陶瓷粉末的所述燒結前的總配合量為35?70體積％。
13. -種軋制方法，其特征在于， 使用權利要求1?12中任1項所述的復合輥來對金屬材料進行軋制。
14. 一種復合輥的制造方法，其是具有外層和輥軸材料的復合輥的制造方法，其特征在 于， 該復合輥的制造方法具有下述工序： 混合工序，在該混合工序中，將鐵基合金粉末、平均粒徑為1?100 μ m的陶瓷粉末和平 均粗度為1?30 μ m且平均縱橫比為10?500的陶瓷纖維混合而獲得原料混合物； 熱等靜壓成型工序，在該熱等靜壓成型工序中，通過將所述原料混合物填充到在所 述輥軸材料的周圍設置的筒狀的小容器內，接著對所述小容器內進行真空脫氣，進一步在 70?120MPa的壓力進行熱等靜壓成型，從而進行燒結，獲得在所述輥軸材料的周圍接合有 所述外層的所述復合輥， 其中，相對于所述原料混合物的所述燒結前的總量，所述陶瓷纖維的配合量以所述燒 結前的配合量計為5?40體積％，所述陶瓷粉末的配合量以所述燒結前的配合量計為5? 30體積％。
【文檔編號】B21B27/00GK104271275SQ201380022793
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】井上剛, 內田秀, 伊東誠司 申請人:新日鐵住金株式會社