JP4364064B2 - ディスクロール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディスクロール及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、中径継目無管（外径が１５０ｍｍ〜４５０ｍｍの継目無管）を製造するための穿孔圧延機に用いられるディスクロール及びその製造方法に関する。

通常、中径継目無管はマンネスマン製管法により製造される。図１５及び図１６に示すように、マンネスマン製管法では、穿孔圧延機７０が被圧延材４である丸ビレットの軸心部に孔を開け、中空素管（ホローシェル）を形成する。ホローシェルは、延伸圧延処理や形状修正処理を経て継目無管となる。

穿孔圧延機７０は、一対の傾斜ロール１と、一対のディスクロール２と、被圧延材４を穿孔するためのプラグ３とを備える。一対の傾斜ロール１は、被圧延材４が通過するラインの中心線（以下、パスセンタＬと称する）を挟んで対向して配置される。一対のディスクロール２は一対の傾斜ロール１に対して、パスセンタＬを中心に９０°の位置に配置される。

被圧延材４はパスセンタＬ上を搬送され、回転する傾斜ロール１に噛み込まれる。被圧延材４は傾斜ロール１により螺旋回転しながらＸ方向に押し出される。このとき、被圧延材４はプラグ３により穿孔され、ホローシェルに圧延される。穿孔されるに従い、被圧延材４（ホローシェル）の外径は膨れる。

図１７に示すように、ディスクロール２は表面２２に曲率を有する。穿孔圧延中、ディスクロール２は、表面２２を被圧延材４（ホローシェル）に接触させながら回転し、被圧延材４の外径の膨らみを抑える。

以上のように、ディスクロール２は、螺旋回転しながら外径を膨張しようとする被圧延材４を受ける。そのため、表面２２に高い面圧がかかり、摩擦が生じる。摩擦によりディスクロール２の表面２２が摩耗した場合、ディスクロール２は被圧延材４の外径の膨らみを抑えることができなくなる。また、表面２２に偏摩耗又は焼き付きが発生した場合、被圧延材４の表面に疵（パイプ疵）を発生させる。そのため、ディスクロール２の耐摩耗対策、及び耐焼き付き対策は重要である。下記特許文献１及び２では、圧延方法を調整することによりディスクロール２の摩耗及び焼き付きを抑制する対策が報告されている。しかしながら、ディスクロール自体の耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させる対策は報告されていない。

ところで、耐摩耗、耐焼き付き対策として、被圧延材に接触する工具の表面に、プラズマ粉体肉盛溶接法（Plasma Transferred Arc：ＰＴＡ法）により肉盛層（ＰＴＡ肉盛層）を形成する技術が報告されている（下記特許文献３及び４参照）。ＰＴＡ肉盛層は高硬度であるため、耐摩耗性に優れる。また、高温の被圧延材と繰り返し接触することで、ＰＴＡ肉盛層の表面は酸化される。この酸化膜は潤滑作用を持ち、焼き付きの発生を防止する。要するに、ＰＴＡ肉盛層は耐焼き付き性にも優れる。なお、ＰＴＡ肉盛層を有する工具は、初めて使用する時にＰＴＡ肉盛表面に潤滑剤が塗布され、酸化膜が形成されるまで、その潤滑剤が焼き付きの発生を防止する。潤滑剤は被圧延材と複数回接触するうちに工具から剥離するが、その間に酸化膜が形成されるため、潤滑剤が剥離した後は酸化膜が焼き付きの発生を防止する。

以上のように、ＰＴＡ肉盛層は耐摩耗性及び耐焼き付き性に優れる。特許文献４では、ＰＴＡ肉盛層にＮｂＣを含めることで、工具の耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させている。

しかしながら、表面にＮｂＣを含むＰＴＡ肉盛層を有するディスクロールは今までに製造されていない。中径管を製造するための穿孔圧延機に用いられるディスクロール２は、直径が３２００ｍｍ〜３５００ｍｍと大型である。このような大型のディスクロールにＰＴＡ法による肉盛溶接（以下、ＰＴＡ肉盛溶接と称する）を実施する場合、ＰＴＡ肉盛層に熱応力が掛かりやすく、ＰＴＡ肉盛層の表面に複数の割れが発生する。ＰＴＡ肉盛層に割れが存在する場合、その割れにより被圧延材の表面に疵を発生させる恐れがある。また、割れを起点としてＰＴＡ肉盛層が剥離する場合もある。そのため、ディスクロールにＰＴＡ肉盛層を形成する場合、実用可能な程度にＰＴＡ肉盛層の割れを抑制する必要がある。

また、一般的に、ＰＴＡ肉盛溶接では、ビードを重ね合わせてＰＴＡ肉盛層を形成するため、ＰＴＡ肉盛層の表面に凹凸が生じる。凹凸の存在は、被圧延材の表面に疵を発生させる要因になる。ビードの凸部に被圧延材が接触し、凸部に応力が集中するためである。そのため、下記特許文献３及び４に示すように、通常ＰＴＡ肉盛層の表面はグラインダ等で研削され、凹凸をなくしている。しかしながら大型のディスクロールにおいて、ＰＴＡ肉盛層の表面全体を研削するには多大な時間が必要であり、それに伴い製造コストも上がる。さらに表面のＰＴＡ肉盛層を研削するため、研削されたＰＴＡ肉盛層分だけディスクロールの寿命が短くなる。よって、製造コスト及び研削量に起因する寿命を考えると、ＰＴＡ肉盛層の表面を研磨することなく使用できる方が好ましい。
特開２００２−２４８５０６号公報 特開２００１−３４０９０４号公報 特開平９−８５４８７号公報 特開平６−３１５７０４号公報

本発明の目的は、ＮｂＣを含むＰＴＡ肉盛層を表面に形成することで耐摩耗性、耐焼き付き性の優れたディスクロールを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ＰＴＡ肉盛層の表面を研削することなく使用できるディスクロールを提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明者らは、ディスクロールにＮｂＣを含むＰＴＡ肉盛層を形成し、形成後のＰＴＡ肉盛層の割れの原因を調査した。その結果、発明者らは、ＰＴＡ肉盛溶接中のディスクロールの温度がＰＴＡ肉盛層の割れに起因すると考えた。ＰＴＡ肉盛層は高硬度であり、延性に乏しい。そのため、ＰＴＡ肉盛溶接に常温のディスクロールを用いる場合、形成されるＰＴＡ肉盛層が溶接熱によるディスクロールの熱膨張に追従できず、割れを生じる。一方、適切な温度範囲で予熱したディスクロールを用いる場合、溶接熱によるディスクロールの熱膨張は抑制される。そのため、形成されるＰＴＡ肉盛層は割れを生じにくくなる。

以上の考えに基づいて、ＰＴＡ肉盛溶接中のディスクロールの保持温度について調査した結果、ディスクロールの温度を２５０℃〜３５０℃に保持すれば、ディスクロールにＮｂＣを含むＰＴＡ肉盛層を実用可能な状態で形成できることを見出した。２５０℃以下では溶接熱によるディスクロールの熱膨張を十分に抑制できなかった。また、３５０℃を超えると、ＰＴＡ肉盛溶接のアークを受けたディスクロールの表面が溶融し、ＰＴＡ肉盛層にディスクロールが溶け込むため、ＰＴＡ肉盛層の硬度が低下した。

さらに、本発明者らは、ＰＴＡ肉盛層表面の凹凸を調査した。本発明では、図１に示すように、ＰＴＡ肉盛層の隣接するビードの山頂の差分△ｈを測定し、△ｈを凹凸の状態を示す凹凸値とした。凹凸値△ｈは、たとえば図２に示すように、ディスクロール５０の表面３０Ｃの曲率と同じ曲率を有するゲージ５００を用いて測定できる。

本発明者らは、凹凸値△ｈと被圧延材の疵の発生との関係を調査した結果、ＰＴＡ肉盛層の凹凸値△ｈを２ｍｍ以内に抑えれば、疵の発生を抑制できることを見出した。ＰＴＡ肉盛層の表面の凹凸が減少することにより、被圧延材がＰＴＡ肉盛層全体と接触し、表面の凸部に発生する負荷が緩和されるためと考えられる。

さらに、凹凸値△ｈを０．１ｍｍ以上にしなければ、疵の発生を防止できないことも見出した。ＰＴＡ肉盛層を有するディルスクロールを使用する場合、使用初期に表面に潤滑剤を塗布する。ＰＴＡ肉盛層に酸化膜が形成されるまで、焼き付きの発生を防止するためである。しかしながら、ＰＴＡ肉盛層表面に凹凸がなければ、酸化膜が形成される前に潤滑剤が剥離してしまい、焼き付きが発生する。そのため、凹凸値△ｈは０．１ｍｍ以上必要である。

以上より、ディスクロールのＰＴＡ肉盛層表面の凹凸値△ｈを０．１〜２．０ｍｍとすれば、ディスクロール使用初期における被圧延材表面の疵の発生を防止できる。なお、ＰＴＡ肉盛溶接後にＰＴＡ肉盛層を研削する必要がないため、研削した場合と比較して、ディスクロールの寿命は向上する。

表面の凹凸値△ｈを０．１ｍｍ〜２ｍｍに抑えるために、本発明者らは、ＰＴＡ肉盛溶接の条件を検討した。ディスクロールにＰＴＡ肉盛溶接を実施し、形成されたビードの形状を調査した結果、本発明者らは、ビードごとに形状が異なることを見出した。

図３に示すように、曲率を有する表面に形成されたビードＢＤ３とＢＤ４とを比較すると、角度α_ＢＤ３<角度α_ＢＤ４となる。ここで、角度αは図４に示すように、オシレート幅Ｗ１の垂直２等分線とディスクロール表面との交点を通る接線と、水平線とで形成される角度をいう。ここで、オシレート幅Ｗ１とは、ビード形成中のＰＴＡトーチの移動幅をいう。詳細は後述する。

図３に戻って、ビードＢＤ３の角度α_ＢＤ３とＢＤ４の角度α_ＢＤ４とが異なるため、ビードＢＤ３とＢＤ４とは異なる形状となる。具体的には、角度αの大きいＢＤ４の凸部の山頂は２等分線Ｌ４よりも谷側（ＢＤ３側）にずれる。角度αが大きい程、２等分線に対するビードの山頂のずれは大きくなる。よって、発明者らはＰＴＡ肉盛溶接時の角度αを所定の範囲内に制御すれば、形成されるビードの形状もほぼ同じ形状にすることができ、ＰＴＡ肉盛の表面凹凸を調整できると考えた。以上の検討に基づいて、式（１）を導き出した。
Ｗ１×ｔａｎα≦１．０ｍｍ （１）

さらに、ＰＴＡ肉盛溶接では、隣接するビードを重ね合わせてＰＴＡ肉盛層を形成する。図５を参照して、ＰＴＡトーチは、オシレート幅Ｗ１間を移動しながら、図５の紙面に対して垂直方向に移動し、ビードＢＤ１を形成する。ビードＢＤ１を形成後、ＰＴＡトーチは、ビード移行幅Ｗ２だけ移行する。移行後、ＰＴＡトーチは、移行した位置を中心としてオシレート幅Ｗ１間を移動しながら、ビードＢＤ２を形成する。このように複数のビードを形成することでＰＴＡ肉盛層が完成する。

発明者らは、凹凸値△ｈを抑えるためには、角度αの制御だけでなく、ビードＢＤ１とビードＢＤ２とを重ね合わせる領域ＳＰを調整する必要もあると考えた。重ね合わせる領域ＳＰが小さければ、領域ＳＰは凹型の形状になり、重ね合わせる領域ＳＰが大きければ、領域ＳＰは凸型の形状になる。よって、凹凸値△ｈを適正な範囲内にするためには、重ね合わせる領域ＳＰを適正な大きさにする必要がる。換言すると、ビード幅Ｗ１と移行幅Ｗ２の比を適正に規定する必要がある。

以上の検討に基づいて、式（２）を導き出した。
０．８≦Ｗ２／Ｗ１≦１．５ （２）

以上より、本発明者らは、ＰＴＡ肉盛溶接時に式（１）及び（２）を満足すれば、凹凸値△ｈを０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることができることを見出した。本発明者らは、これらの知見に基づいて以下の本発明を完成させた。

本発明によるディスクロールは、プラズマ粉体肉盛溶接法により形成された肉盛層を表面に有するディスクロールであって、肉盛層は、体積％で３０％〜６０％を占め、粒径が５０μｍ以上のＮｂＣを主とする炭化物と、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金からなるマトリックス合金とを含有する。肉盛層の表面の凹凸は０．１〜２ｍｍである。ここで、表面の凹凸とは、図１に示す凹凸値△ｈをいう。

本発明によるディスクロールの製造方法は、肉盛層を表面に有するディスクロールの製造方法であって、ディスクロールを２５０〜３５０℃に予熱する工程と、予熱した温度を保持しながら、プラズマ粉体肉盛溶接法によりディスクロールの表面に肉盛層を形成する工程とを備え、肉盛層を形成する工程は、体積％で３０％〜７０％を占め、粒径が５０〜２５０μｍのＮｂＣを主とする炭化物と、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金からなるマトリックス合金粉末とをＰＴＡ肉盛層の原料とする。

好ましくは、肉盛層を形成する工程は、プラズマ粉体肉盛溶接法におけるオシレート幅Ｗ１及びビード移行幅Ｗ２が以下の式（１）及び（２）を満たす。
Ｗ１×Ｔａｎα≦１．０ｍｍ （１）
０．８≦Ｗ２／Ｗ１≦１．５ （２）

ここで、αは図４に示すように、オシレート幅Ｗ１の垂直２等分線とディスクロール表面との交点を通る接線と、水平線とで形成される角度をいう。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

１．化学組成
本発明の実施の形態によるディスクロールの表面に形成されるＰＴＡ肉盛層はＮｂＣを主とする炭化物とマトリックス合金とを含有する。

［ＮｂＣを主とする炭化物］
ＮｂＣは高温での硬度や耐酸化性が他の炭化物（ＷＣ、ＴｉＣ等）よりも優れている。そのため、ＮｂＣを主とする炭化物を含むＰＴＡ肉盛層の耐摩耗性及び耐焼き付き性が良好となる。ＮｂＣを主とする炭化物とは、たとえばＮｂＣを体積％で５０％以上含む炭化物である。ＮｂＣの粒径は５０μｍ以上とする。なお、ここでいう粒径とは、ＰＴＡ肉盛層の断面に存在する炭化物粒子の長径と短径を測定後、（長径＋短径）／２で求めた値である。長径及び短径は、光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定される。

ＮｂＣの粒径が５０μｍ未満とすると、被圧延材とＰＴＡ肉盛層中のマトリックス合金との接触を十分に妨げることができず、焼き付きを防止できない。望ましくは、粒径は１００μｍ以上である。また、ＰＴＡ肉盛層におけるＮｂＣを主とする炭化物粒子の体積率は３０％〜６０％とする。ＮｂＣを主とする炭化物の体積率は耐摩耗性に影響する。３０％未満とすると、耐摩耗性が低下する。一方、６０％よりも多くなると、ＰＴＡ肉盛層の靭性が著しく低下する。そのため使用中にＰＴＡ肉盛層の一部が欠落しやすく、寿命が短くなる。好ましくは、ＮｂＣを主とする炭化物の体積率は、４０％〜６０％である。

［マトリックス合金］
マトリックス合金は、ディスクロールの使用環境を考慮して耐酸化性及び耐食性に優れるＣｏ基合金又はＮｉ基合金とする。

Ｃｏ基合金とは、たとえばＣｏを質量％で３０％以上含む合金をいう。一般に硬化肉盛材として使用されるステライト合金はＣｏ基合金である。たとえば、表１に示すステライト１、ステライト６、ステライト２１、ステライト３２等はＣｏ基合金に相当する。

Ｎｉ基合金とは、たとえばＮｉを質量％で３０％以上含む合金をいう。たとえば、表２に示すアロイ６００、アロイ６２５、アロイ７１８、Ｃ−２７６、５０Ｃｒ５０Ｎｉ等である。

ＰＴＡ肉盛層の母材となるディスクロールは、軟らかい材質がよい。ヒートクラックの進展を防止するためである。たとえば、ＳＴＫＭ１３ＡやＳ４５Ｃがよい。

２．製造方法
本実施の形態によるＰＴＡ肉盛層を表面に有するディスクロールの製造方法を以下に説明する。

図６を参照して、ディスクロール５０は軸２１を含む軸部材４０と、円環部材３０とに分かれる。穿孔圧延機に設置されたディスクロール５０を交換する場合、円環部材３０を消耗品として取り替える。具体的には、摩耗した円環部材３０を軸部材４０から取り外し、焼き嵌めにより新しい円環部材３０を軸部材４０に取り付ける。本実施の形態では、円環部材３０の表面３０ｃにＰＴＡ肉盛溶接を実施する。ＰＴＡ肉盛溶接はＰＴＡ肉盛溶接装置を用いて実施される。

図７〜図９を参照して、ＰＴＡ肉盛溶接装置１０は、円環固定治具１１と、ポジショナ１２と、ＰＴＡスタンド１４と、本体１５とを備える。

円環固定治具１１は、円板状の治具本体部１１０と８本のアーム部１１Ａを備える。各アーム部１１Ａは治具本体部１１０の円周に等間隔に配置される。各アーム部１１Ａは円環部材３０を挟み、固定する。具体的には、円環部材３０において、ＰＴＡ肉盛溶接を行う表面３０ｃ以外の側面３０ａ及び底面３０ｂが保温シート２０で包まれる。アーム部１１Ａは保温シート２０に包まれた円環部材３０を挟む。

図８中の円環固定治具１１は、図７中の線分ＶＩＩ−ＶＩＩの断面図である。アーム部１１Ａには貫通孔１１１が形成され、貫通孔１１１には固定治具１１Ｃが挿入される。固定治具１１Ｃはたとえばボルト及びナットである。円環部材３０を挟んだ各アーム部１１Ａは固定治具１１Ｃで締め付けられ、円環部材３０を強固に挟む。

保温シート２０はカーウォールで構成される。ＰＴＡ肉盛溶接中、円環部材３０は熱を一定に保ちにくい。そのため、円環部材の温度を一定にする工夫が必要である。本実施の形態では、保温シート２０で円環部材３０の表面を直接包み込み、ＰＴＡ肉盛溶接中の温度の変動を抑制する。

ポジショナ１２は、地面に設置された架台１２０と、回動傾斜部材１２１とを備える。架台１２０は図８に示すようにコの字型の形状であり、上部突起部１２０Ａは回動傾斜部材１２１を回動可能に軸支する。回動傾斜部材１２１は、円環部材３０を固定した円環固定治具１１を装着し、円環部材３０を回動又は傾斜する。

回動傾斜部材１２１は、傾斜部材１２２と回動機構１２３とを備える。傾斜部材１２２は半円板状のラックギアで、架台１２０内に備えられた図示しないピニオンギアを駆動させることにより、水平軸１２０Ｂを軸に回動する。傾斜部材１２２を回動し、円環部材３０を傾斜させた状態を図１０に示す。これにより、ＰＴＡ肉盛溶接時に角度αを調整できる。

回動機構１２３は、装着板１２４と、平歯車１２５及び１２６と、モータ１２７とを備える。装着板１２４は矩形の板であり、一方の面に円環固定治具１１が装着される。また、他方の面には平歯車１２５が固着される。平歯車１２５は傾斜部材１２２に回動自在に軸支される。平歯車１２５は平歯車１２６と噛み合う。モータ１２７により平歯車１２６が回動すると、平歯車１２５が固着した装着板１２４が回転する。その結果、円環固定治具１１及び円環部材３０が図７における時計回り（又は反時計回り）に回動する。

本体１５は天板１５Ａと２つのフレーム１５１及び１５２とを備える。図７に示すように、フレーム１５１及び１５２は並行に配置され、図８に示すようにフレーム１５１及び１５２の一部は天板１５Ａに固着される。フレーム１５１及び１５２の下部には複数の車輪１５３が備えられ、複数の車輪１５３の下にはレール１６０が設置される。本体１５はレール１６０上を水平方向に移動する。

本体１５はさらに、ＰＴＡスタンド１４とＰＴＡトーチ制御盤１４５とを備える。ＰＴＡスタンド１４及びＰＴＡトーチ制御盤１４５は天板１５Ａ上に設置される。ＰＴＡスタンド１４はＰＴＡアーム１４１とＰＴＡトーチ１４２とを備える。ＰＴＡアーム１４１は水平方向に固定され、その先端にＰＴＡトーチ１４２が鉛直方向に固定される。図１０に示すように、円環部材３０を傾斜させた場合でも、本体１５を水平方向に移動させることで、円環部材３０の表面３０ｃに対するＰＴＡトーチ１４２の位置を調整できる。

バーナ１６Ａ〜１６Ｅは、図７に示すように治具本体部１１０の中心から３時、５時、７時、９時、１１時の位置にそれぞれ配置される。

本実施の形態によるディスクロール５０の製造方法について説明する。

初めに、円環部材３０を保温シート２０で包む。続いて、保温シート２０で包んだ円環部材３０を円環固定治具１１に固定する。その後、円環固定治具１１を装着板１２４に装着する。このとき、円環部材３０の中心軸が水平になるように（つまり、図８の状態になるように）ポジショナ１２を調整する。

ポジショナ１２を調整後、円環部材３０を予熱する。具体的には、モータ１２７により装着板１２４を回動し、円環部材３０を回動する。円環部材３０は回動中にバーナ１６で加熱される。このとき、円環部材３０の温度を２５０℃〜３５０℃に保持する。円環部材３０の温度は図示しない温度計にて所定時間ごとに測定し、測定結果に基づいてバーナ１６を調整する。バーナ１６Ａ〜１６Ｅの火力は強、中、弱の３段階に変更可能である。バーナ１６Ａの火力は常時「強」に設定される。また、バーナ１６Ｃ及び１６Ｄの火力は「中」に設定される。バーナ１６Ｂ及び１６Ｅの火力は初めは「中」に設定するが、ディスクロールの温度に基づいて変動させる。ＰＴＡトーチ１４２近傍に温度計を設置し、所定期間ごとに温度を測定する。

円環部材３０の温度が２５０℃〜３５０℃で安定して保たれた後、ＰＴＡ法により円環部材３０の表面３０ｃにＰＴＡ肉盛層を形成する。ＰＴＡ肉盛層の原料として、粒径が５０〜２５０μｍのＮｂＣを主とする炭化物と、マトリックス合金粉末とを用いる。ＮｂＣを主とする炭化物は、体積率で原料の３０％〜７０％とする。マトリックス合金粉末は、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金とする。

ＰＴＡ肉盛溶接においてビードを形成するとき、式（１）及び（２）を満たすよう、角度αとオシレート幅Ｗ１とビード移行幅Ｗ２を決定する。

角度αとオシレート幅Ｗ１とビード移行幅Ｗ２とを決定後、円環部材３０を回動させ、１回目のＰＴＡ肉盛溶接を実施する。円環部材３０が１回転したとき、図１１に示すように、円環部材３０の表面３０ｃにビードＢＤが形成される。このとき、１回目のＰＴＡ肉盛溶接を終了する。続いて、図１２に示すように、ＰＴＡトーチ１４２をビード移行幅Ｗ２だけ移行した後、２回目のＰＴＡ肉盛溶接を実施する。同様に、ｎ−１回目が終了すると、ＰＴＡトーチ１４２をビード移行幅Ｗ２だけ移行し、ｎ回目のＰＴＡ肉盛溶接を実施する。ｎ回目のＰＴＡ肉盛溶接を実施する前に、角度αｎが設定した角度αを超えているか否かを確認する。超えていない場合は、ＰＴＡ肉盛溶接を実施する。角度αｎが角度αを超えている場合、円環部材３０の表面３０ｃとＰＴＡトーチ１４２との位置関係を調整し、α＝０°にする。具体的には、図１０に示すように、ポジショナ１２の傾斜部材１２２を回動し、円環部材３０を傾斜させ、角度α＝０°にする。このとき、本体１５を水平方向に移動し、円環部材３０の表面３０ｃに対するＰＴＡトーチ１４２の位置を調整する。調整後、ＰＴＡ肉盛溶接を実施する。

以上のように、式（１）及び（２）を満足するようにＰＴＡ肉盛溶接を繰り返し実施し、円環部材３０の表面３０ｃ上にＮｂＣを含むＰＴＡ肉盛層を形成する。形成後のＰＴＡ肉盛層の凹凸値△ｈは０．１ｍｍ〜２．０ｍｍに抑えることができる。

ＰＴＡ肉盛溶接後、焼き嵌めにより円環部材３０を軸部材４０に取り付けることで、ディスクロール５０が完成する。

ＰＴＡ肉盛溶接中、保温シート２０により円環部材３０の温度が変動するのを防止し、かつ複数のバーナをディスクロールの円周方向にほぼ均等に配置することで、円環部材３０の温度を２５０℃〜３５０℃に安定して保つことができる。これにより、ＰＴＡ肉盛層に割れが発生するのを抑制できる。また、ｎ回目のＰＴＡ肉盛溶接時の角度αｎが設定した角度α以内となるように、ポジショナ１２は円環部材３０の角度を変更できる。これにより、ＰＴＡ肉盛層の凹凸値△ｈを０．１ｍｍ〜２ｍｍに抑えることができる。

ディスクロールＤ１〜Ｄ４及びＥ１〜Ｅ４の表面にＰＴＡ肉盛層を形成した。このとき、原料として粒径が７５〜１５０μｍのＮｂＣと、表３に示すマトリックス合金粉末とを使用した。ディスクロールＤ１〜Ｄ４には、表３中のマトリックス合金Ｄ０を使用した。ディスクロールＥ１〜Ｅ４には、表３中のマトリックス合金Ｅ０２を使用した。なお、原料全体に対するＮｂＣの体積率を５０％とした。

ＰＴＡ肉盛層を形成後、ＰＴＡ肉盛層の状態を調査した。ディスクロールＤ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４は共に、質量％で、Ｃ：０．２〜２．０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｃｒ：３．１〜３．５を含有する０．６Ｃ−０．２Ｓｉ−３．０Ｃｒ系とした。

プラズマ粉体肉盛溶接では、表４に示すディスクロールの予熱温度及び保持温度でＰＴＡ肉盛溶接を行った。なお、予熱及びＰＴＡ肉盛溶接中の温度以外の製造条件は同じとした。

製造後、各ディスクロールＤ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４のＰＴＡ肉盛層の組成と、ＮｂＣの粒径及び体積率を調査した。具体的には、肉盛層の断面のうち、複数の領域を選択した。このとき、選択した領域の面積の合計が３ｍｍ×３ｍｍよりも大きくなるように選択した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、選択した領域内の全ての炭化物の粒径と面積率とを測定した。粒径は、（炭化物の長径＋炭化物の短径）／２の値とした。粒径及び面積率は画像解析により測定した。求めた面積率をもって、炭化物の体積率とした。ある相の体積率は、断面での面積率と等しいことが証明されているからである（たとえば、日本金属学会誌Ｖｏｌ１０，Ｎｏ．５，２７９〜２８９頁参照）。表４に調査結果を示す。ディスクロールＤ１〜Ｄ４のＰＴＡ肉盛層の組成に大きな違いはなかった。また、ディスクロールＥ１〜Ｅ４のＰＴＡ肉盛層の組成に大きな違いはなかった。

［ＰＴＡ肉盛層評価方法］
上記条件で製造したＰＴＡ肉盛層について、表面の割れと溶け込み深さとを調査した。溶け込み深さとは、ディスクロール母材へ溶け込んだＰＴＡ肉盛層の深さをいう。具体的には、図１３に示すように、ディスクロール５０の表面３０Ｃから溶け込んだＰＴＡ肉盛層１５０の深さＤＥＰを溶け込み深さとする。

（１）表面割れ調査
ＰＴＡ表面を目視で観察し、ＰＴＡ表面に発生した表面の割れ状況を調査した。具体的には、表面に発生した割れの大きさと、表面に発生した割れの数とを調査した。

ＰＴＡ肉盛層の表面に大きな割れが発生している場合、そのディスクロールを穿孔圧延機に使用できない。なぜなら、割れの形状が被圧延材の表面にプリントされ、被圧延材の表面に疵を発生させるためである。そこで、ディスクロール表面に発生している割れの開口幅を調査した。各ディスクロールＤ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４において、ＰＴＡ肉盛層の表面に発生している割れのうち、最大の開口幅が０．５ｍｍ以下である場合は合格とし、０．５ｍｍよりも大きい場合は不合格と評価した。

一方、大きな開口割れが発生していなくても、微少な割れが多数発生している場合は、使用中にＰＴＡ肉盛層がディスクロールから剥離する可能性が高い。ＰＴＡ肉盛層が剥離すれば、剥離部分が被圧延材に疵を発生させる。よって、微細な割れが多数発生しているディスクロールも使用できない。そこで、ディスクロール表面に発生している割れ数を調査した。割れ数は以下のように調査した。図１４に示すように、ＰＴＡ肉盛層表面の任意の位置１０箇所において、周方向に１０ｃｍの直線を引き、その直線と交差する割れの数をカウントした。カウントした数を直線を引いた箇所数で平均した。割れ数が８個以下の場合は合格とし、９個以上の場合は不合格と評価した。

（２）溶け込み深さ調査
ＰＴＡ肉盛溶接中、ディスクロールの表面をＰＴＡ肉盛層に溶かし出す必要がある。ディスクロールと肉盛層との密着強度を確保するためである。ＰＴＡ肉盛層に対するディスクロールの溶け込み深さが大きい場合、たとえＰＴＡ肉盛層の表面に割れが発生していなくても、ＰＴＡ肉盛層の耐摩耗性は低下する。具体的には、ＰＴＡ肉盛層が溶け込んだディスクロールの材質により薄められ、単位体積当たりの炭化物量が減少するため、ＰＴＡ肉盛層の硬度が低下する。さらに、ディスクロールの材質中のＦｅは耐食性に劣るため、Ｆｅの溶け込みがＰＴＡ肉盛層に腐食摩耗を引き起こす。そのため、ＰＴＡ肉盛層の耐摩耗性が低下する。

そこで、各ディスクロールＤ１〜Ｄ４，Ｅ１〜Ｅ４のＰＴＡ肉盛層について、溶け込み深さを調査した。具体的には、ＰＴＡ肉盛層を含むディスクロール本体を半径方向に１０箇所切断した。切断面を光学顕微鏡で観察し、ＰＴＡ肉盛溶接前の母材表面からの溶け込み深さを測定した。溶け込み深さが０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下のものを合格とし、それ以外のものを不合格とした。溶け込み深さが３．０ｍｍより深い場合、耐摩耗性が劣化し、０．５ｍｍ未満の場合、密着強度の不足によりＰＴＡ肉盛層が使用中に剥離するおそれがあるためである。

［評価結果］
割れ数と割れの大きさと溶け込み率の評価結果を表５に示す。

表５を参照して、ディスクロールＤ１及びＥ１のＰＴＡ肉盛層は割れ数が不合格であった。予熱１００℃では母材温度が不足したため、ＰＴＡ肉盛層に微細な割れが発生した。また、ディスクロールＤ４及びＥ５のＰＴＡ肉盛層は溶け込み深さが深く、不合格であった。また、大きな割れも発生した。

一方、本発明のディスクロールＤ２，Ｄ３，Ｅ２，Ｅ３は、割れ数、割れの大きさ及び溶け込み深さ共に合格であった。つまり、大型のロールであるディスクロールであっても、使用可能なＰＴＡ肉盛層を形成できた。

複数のディスクロールに異なる凹凸値△ｈを有するＰＴＡ肉盛層を形成し、各ディスクロールに基づき発生するパイプ疵とディスクロールに発生する焼き付きとを調査した。

ディスクロールＤ５〜Ｄ１４及びＥ５〜Ｅ１４に表６の製造条件でＰＴＡ肉盛溶接を実施した。ディスクロールＤ５〜Ｄ１４に使用するマトリックス合金はステライト２１とした。また、ディスクロールＥ５〜Ｅ１４に使用するマトリックス合金はアロイ６００とした。また原料として粒径が７５〜１２５μｍのＮｂＣを使用した。なお、原料全体に対するＮｂＣの体積率を５０％とした。

ＰＴＡ肉盛溶接を実施後、各ディスクロールＤ５〜Ｄ１４及びＥ５〜Ｅ１４のＰＴＡ肉盛層の凹凸値△ｈを測定した。なお、ディスクロールＤ５，Ｄ６，Ｅ５，Ｅ６は比較の為にＰＴＡ肉盛層の表面を研削及び研磨し、凹凸値△ｈ＝０とした。

凹凸値△ｈを測定後、各ディスクロールＤ５〜Ｄ１４及びＥ５〜Ｅ１４を穿孔圧延機に設置した。設置時にディスクロールの表面には潤滑剤を塗布した。設置後、１２３０℃に加熱した被圧延材を５本穿孔圧延し、被圧延材を中径管とした後、中径管の表面に発生したパイプ疵を調査した。被圧延材にはＳＴＫＭ１３Ａ鋼とＳＵＳ３０４とを使用した。

パイプ疵の調査は以下の方法で行った。ＳＴＫＭ１３Ａ鋼については、磁粉探傷法によりパイプ疵の有無及び発生したパイプ疵の深さを調査した。このとき、磁粉濃度を０．２ｇ／Ｌとし、電流値を５５００ＡＴとした。また、ＳＵＳ３０４については、ショットブラストを実施後、酸洗いによりパイプ疵を調査した。酸洗いでは硝酸及び弗酸を使用し、酸洗い後の酸液浸透箇所を調査することによりパイプ疵の有無及びパイプ疵の深さを調査した。

また、被圧延材を５本穿孔圧延した後、各ディスクロールＤ５〜Ｄ１４及びＥ５〜Ｅ１４のＰＴＡ肉盛層表面に焼き付きが発生しているか否かを調査した。焼き付きの有無は目視にて行い、ＰＴＡ肉盛層表面に被圧延材が移着している場合は焼き付きが発生したと判断した。

表５を参照して、式（１）及び式（２）を満たすディスクロールＤ７〜Ｄ１２及びＥ７〜Ｅ１２は凹凸値△ｈが０．１ｍｍ〜２．０ｍｍとなった。さらに、ディスクロールＤ７〜Ｄ１２及びＥ７〜Ｅ１２では、パイプ疵が発生しないか、パイプ疵が発生しても、その深さが許容範囲である０．２ｍｍ以内であった。さらにディスクロールＤ７〜Ｄ１２及びＥ７〜Ｅ１２では、焼き付きも発生しなかった。

一方、式（１）及び式（２）を満足しなかったディスクロールＤ１３，Ｄ１４，Ｅ１３，Ｅ１４では、凹凸値△ｈが２．０ｍｍを越え、パイプ疵の深さが０．２ｍｍを越えた。凹凸値が２．０ｍｍを越えたため、被圧延材がＰＴＡ肉盛層に接触したとき、ＰＴＡ肉盛層の凸部に応力が集中し、パイプ疵が発生したものと考えられる。また、応力集中の発生により、ディスクロールＤ１４及びＥ１４では焼き付きも発生した。

表面研削により凹凸値△ｈ＝０としたディスクロールＤ５，Ｄ６，Ｅ５，Ｅ６では、パイプ疵の発生はなかった。しかしながらディスクロールＤ５及びＥ５では、圧延後ＰＴＡ肉盛層に焼き付きが発生した。凹凸値△ｈ＝０の場合、酸化膜が形成される前に使用初期に塗布した潤滑剤が剥離し、焼き付きが発生したと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明のディスクロールの表面に形成されたＰＴＡ肉盛層の凹凸を示す凹凸値△ｈの定義を説明するための概略図である。 凹凸値△ｈを測定するためのゲージの概略図である。 ＰＴＡ肉盛溶接後のビード形状を説明するための概略図である。 本発明のディスクロールにおけるＰＴＡ肉盛溶接の条件である角度αの定義を説明するための概略図である。 ＰＴＡ肉盛溶接を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態によるディスクロールの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態によるディスクロールを製造するためのＰＴＡ肉盛溶接装置の側面図である。 図７に示したＰＴＡ肉盛溶接装置の正面図である。 図８に示したＰＴＡ肉盛溶接装置中の円環部材３０周辺の構成を示す図である。 図８に示したＰＴＡ肉盛溶接装置の動作の一例を示す図である。 ＰＴＡ肉盛溶接中のＰＴＡトーチの動作を説明するための概略図である。 図１１後のＰＴＡトーチの動作を説明するための概略図である。 溶け込み深さを説明するための概略図である。 ＰＴＡ肉盛溶接後のディスクロールの表面割れの調査方法を説明するための概略図である。 従来の穿孔圧延機を上面からみた場合の構成を示す概略図である。 図１５に示した穿孔圧延機を側面から見た場合の構成を示す概略図である。 図１５に示した穿孔圧延機の正面から見た場合の構成を示す概略図である。

符号の説明

２，５０ ディスクロール
１０ ＰＴＡ肉盛溶接装置
１１ 円環固定治具
１２ ポジショナ
１４ ＰＴＡスタンド
１５ 本体
１６ バーナ
２０ 保温シート
３０ 円環部材
１４２ ＰＴＡトーチ

Claims (3)

1. プラズマ粉体肉盛溶接法により形成された肉盛層を表面に有するディスクロールであって、
   前記肉盛層は、
   体積％で３０％〜６０％を占め、粒径が５０μｍ以上のＮｂＣを主とする炭化物と、
   Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金からなるマトリックス合金とを含有し、
   前記肉盛層の表面の凹凸は０．１〜２ｍｍであることを特徴とするディスクロール。
2. 肉盛層を表面に有するディスクロールの製造方法であって、
   ディスクロールを２５０〜３５０℃に予熱する工程と、
   前記予熱した温度を保持しながら、プラズマ粉体肉盛溶接法により前記ディスクロールの表面に前記肉盛層を形成する工程とを備え、
   前記肉盛層を形成する工程は、
   体積％で３０％〜７０％を占め、粒径が５０〜２５０μｍのＮｂＣを主とする炭化物と、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金からなるマトリックス合金とをＰＴＡ肉盛層の原料とすることを特徴とするディスクロールの製造方法。
3. 請求項２に記載のディスクロールの製造方法であって、
   前記肉盛層を形成する工程は、プラズマ粉体肉盛溶接法におけるオシレート幅Ｗ１及びビード移行幅Ｗ２が以下の式（１）及び（２）を満たすことを特徴とするディスクロールの製造方法。
   Ｗ１×ｔａｎα≦１．０ｍｍ （１）
   ０．８≦Ｗ２／Ｗ１≦１．５ （２）
   ここで、αは、前記オシレート幅Ｗ１の垂直２等分線と前記ディスクロールの表面との交点を通る接線と、水平線とで形成される角度をいう。

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