圧延ロール、並びに圧延ロールの加工装置及び加工方法
【課題】 鋼板を圧延するときに鋼板表面に微細かつ高密度の凹パターンを転写させて該圧延鋼板のプレス加工性を向上させるための圧延ロールを提供する。
【解決手段】 金属圧延ロールは、表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延ロール地金が露出している。
【解決手段】 金属圧延ロールは、表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延ロール地金が露出している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧延ロール、並びにレーザ発振器にて金属圧延ロール表面に微細凸パターンを形成するダル加工を行うロール加工装置及びそれを用いたロール加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板のプレス加工性を向上させる方法として鋼板上に微小な凹パターンを高密度で形成し、凹部による油溜り効果にてプレス時の鋼板表面の滑りを確保する方法が、特許文献１などに開示されている。鋼板への具体的な凹パターン付与方法としては、圧延時に圧延ロール表面の微細パターンを鋼板表面に転写する方法が広く用いられる。圧延ロール表面の微細パターンの形成方法としては、ショットダル法、放電ダル法、エッチングを用いた方法、レーザダル法などがある。
【０００３】
ショットダル法や放電ダル法は、ロール表面の微細パターン形成についての制御性に乏しく、鋼板のプレス加工性を向上させるために必要な凹パターン転写を実現するロール表面パターンを造り込む事は不可能である。また凹パターンの大きさも数１００μｍ程度と大きなものとなり、転写させた凹パターンにより、鋼板表面の平坦度を悪化させ、外観品質を著しく損なうという欠点が存在する。エッチング法によれば、高精度な微細パターン形成が可能であるが、工程が複雑で加工費用が高くなる問題がある。
【０００４】
レーザ加工により圧延ロール表面に微細パターンを形成する発明としては、特許文献２に開示されているように、レーザ照射部に溶融金属を環状に盛り上げたクレーター痕を形成する方法がある。該発明はロール表面に形成された該クレーター痕を鋼板に転写させる事により、鋼板上に環状の凹パターンを形成する事で油溜まり部を形成させ、プレス加工性の向上を狙ったものである。しかし、クレーターによる凹パターンの形成のため、凹部の密度に制約が発生し、プレス加工性を向上させるに必要な高密度の凹パターンを形成する事ができない。また、レーザ照射部に均一な環状のクレーター部を形成するには、複雑な加工条件及び加工光学系を必要とし装置費用が多大なものとなる。
【０００５】
また特許文献３には、レーザ加工とＣｒメッキを組み合わせてロール表面に微小突起を形成する方法が開示されている。該発明によれば微小な凹パターンを鋼板表面に転写形成する事が可能であるが、一旦ロール表面に樹脂皮膜を形成し、該樹脂皮膜をレーザ照射により局所的に除去した部分にＣｒメッキを行い、その後、残存する樹脂皮膜を除去する必要があり、工程が複雑でロール加工の為に多大な時間と費用が発生する問題がある。
【０００６】
さらに、特許文献４には、金属化合物をレーザにてロール表面に溶着する方法が開示されている。該ロール加工方法は、大小２種類の粒径の金属化合物にて被覆されたロール表面に、線状に成形したビームを照射して、ロール表面を溶融させた溶融層中に小径粒の金属化合物を拡散した合金層を形成し、該合金層に不完全溶融（未溶融）の大径粒金属化合物を粉末形状を維持したまま残存させる事により、ロール表面に凸パターンを形成するものである。これは、いわゆるレーザクラッディングと呼ばれる処理層の中に、未溶融の金属化合物粒を残存させる方法であり、凸形状を形成する大径粒の金属化合物の位置を厳密に制御する事は不可能である。また溶融層を形成する小径粒の金属化合物表面は機械研削されたロール面と比較して微妙なうねりを生じる事が避けられない。このため、該ロールにて圧延した金属鋼板表面には、不規則な凹転写テクスチャーによる光沢むらや、前記うねりに起因する塗装鮮映性の劣化など圧延鋼板外観特性の劣化を引き起こす問題がある。
【特許文献１】特開平５−６９００６号公報
【特許文献２】特公平３−２７３１３号公報
【特許文献３】特公平６−３５６７６号公報
【特許文献４】特開昭５８−１８１４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来技術の問題点に鑑みて、本発明は、鋼板を圧延するときに鋼板表面に微細かつ高密度の凹パターンを転写させて該圧延鋼板のプレス加工性を向上させるための圧延ロール、並びに前記圧延ロールの表面に高精度な凸パターンを形成するレーザダル加工装置及び加工方法を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明は以下で記載するものである。
（１）第１の発明は、表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延地金の露出部があること特徴とする金属圧延ロールである。
（２）第２の発明は、前記凸部の形状が半ドーム状であり、半ドーム状凸部の半径が２００μｍ以下、高さが１μｍ以上である事を特徴とする（１）に記載の金属圧延ロールである。
（３）第３の発明は、レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の凸部を形成するロール加工装置において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置であって、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布する塗布装置を備え、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工装置である。
（４）第４の発明は、前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又はこれら粉末を含むペーストを該表面に供給する塗布ノズルと、供給されたペーストを前記金属圧延ロールの表面に略一定厚みになるように展延するスクレーパー板を具備することを特徴とする（３）に記載のロール加工装置である。
（５）第５の発明は、前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又は金属粉末や金属化合物を含む液体を該表面に噴射する噴射ノズルを具備することを特徴とする（３）に記載のロール加工装置である。
（６）第６の発明は、前記レーザ発振器は、パルス発振レーザ発振器であることを特徴とする（３）〜（５）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（７）第７の発明は、（６）に記載のロール加工装置において、前記金属圧延ロールのロール径とロール回転速度、前記パルス発振レーザ発振器のパルスレーザ発振周波数、及び前記加工ヘッドの前記ロール軸方向の送り速度を基にして、金属圧延ロールの表面の前記凸部が２次元的の略整列するように、前記ロール回転速度、前記パルスレーザ発振周波数、または前記送り速度を同期制御する制御装置を備えた事を特徴とするロール加工装置である。
（８）第８の発明は、前記レーザ発振器が単一または複数本のファイバーレーザであることを特徴とする（３）〜（７）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（９）第９の発明は、前記レーザ発振器が複数本のファイバーレーザであり、該複数本のファイバーレーザのそれぞれが金属圧延ロールの表面に別個の集光スポットを結び、かつ該集光スポットが１次元的または２次元的の略等間隔に整列していることを特徴とする（３）〜（７）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１０）第１０の発明は、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面に、直径１０〜２００μｍの略円形に集光する集光光学系を備えたものであることを特徴とする（３）〜（９）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１１）第１１の発明は、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する光学系が、ビーム走査ミラーとｆθレンズにより構成されるものであることを特徴とする（３）〜（１０）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１２）第１２の発明は、レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の微小な凸部を形成するロール加工方法において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置を用いて、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布し、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のロール加工装置または方法によれば、圧延ロールの表面に高精度な微小凸テクスチャーを形成する事ができる。該圧延ロールを用いて鋼板を圧延する事で、鋼板表面に微小凹テクスチャーを形成し、プレス成型時のワレやかじりを抑制し、かつ、プレス成型時の板押さえ圧変更の必要性が少ない、成形性良好な金属板を製造する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の装置の模式図である。圧延ロールの加工装置は、レーザ発振器１、レーザ集光用の加工ヘッド２、ロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストを塗布する塗布装置３、あるいは図５に示すロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末を噴射する噴射ノズル４、前記加工ヘッド並びに塗布装置又は金属化合物粉末噴射ノズルを搭載した加工テーブル５、ロール回転装置６により構成される。加工テーブル５は、横行テーブルＴＸ、ＴＹ、及び焦点調整用の上下テーブルＴＺから成る。ロール回転装置６により圧延ロール７を回転させておき、横行テーブルＴＸによりロール軸方向に加工ヘッドを移動させながらレーザ光をロール表面に照射する事で、ロール表面全面に亘りレーザ加工が行われる。加工ヘッド２は上下テーブルＴＺ上に設置される。上下テーブルＴＺの位置は、ロール表面との距離を測定するセンサー（図示しない）の測定値に基づき自動制御され、ロール加工中は常に最適焦点距離に保持される。
【００１１】
図２は、図１のロール加工部付近を拡大し図示したものである。金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストの塗布装置３は、加工ヘッド２に先行する位置に設置され、金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストＭＰＰをロール表面に一定厚みの層状に塗布する（図中Ａ領域）。塗布装置は先端からペーストを定速で送給するノズル３１と、送給されたペーストを圧延ロール表面で均一厚みになる様に延ばすスクレーパー板３２からなる。スクレーパー板とロール表面のギャップを調整する事で、ペースト膜厚を変更する事ができる。金属粉末あるいは金属化合物粉末は揮発性の溶剤中に混合し、霧状の状態でロール表面にスプレー塗布しても良い。その後、加工ヘッドから照射されたパルスレーザ光ＬＢにより、レーザ光照射部のロール地金を溶融し、パルスレーザ照射後に、溶融したロール地金は金属化合物粉末を核として再凝固し半ドーム状の微細凸部を形成する。形成された半ドーム状の微細凸部は金属化合物粉末を内部に分散した状態となる。また、金属化合物粉末の替わりに金属粉末を用いる場合は、パルスレーザ光の照射によりレーザ照射部の金属粉末とロール地金が同時に溶融し、金属粉末を核として再凝固し、金属粉末とロール地金の混合した半ドーム状の微細凸部合金がロール表面に溶着形成される。
【００１２】
ロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末を塗布してからレーザ照射する効果は下記２点である。１つはパルスレーザ照射によりロール地金を溶融、再凝固させる際に金属粉末あるいは金属化合物粉末が再凝固時の核となる事で、再凝固部の形状が半ドーム状の微細凸形状になる事である。２点目は再凝固物内部に金属化合物粉末を拡散させる事あるいは金属粉末の溶融物と混合した状態とする事で、再凝固物の硬度をロール母材に対し向上させる事である。硬度の高い微細凸形状を形成する事で、鋼板圧延時の耐摩耗性を向上し、大量の鋼板圧延においても微細凸形状の変化がなく、鋼板表面に安定した（ロール表面に形成した凸形状の転写による）凹形状パターンを形成する事ができる。
【００１３】
圧延ロール表面に均一厚でペーストを塗布する事により、レーザ照射時に均一な高さの微細凸パターンが形成され、鋼板圧延時に鋼板に転写形成される凹パターンの深さが均一になり、加工性を安定させる事が出来るとともに、鮮映性などの外観品質の優れた鋼板を製造する事ができる。
【００１４】
図２中の領域Ｂはレーザ照射完了部である。図２中のＣはロール表面を拡大図示したものである。ロール表面に塗布された金属粉末あるいは金属化合物粉末は上記の様に、集光されたレーザ光の照射により溶融されるロール地金と混合し、ロール表面に微細凸部を形成する。図３の写真はレーザ照射後のロール表面外観である。ロール表面にはパルスレーザの照射間隔とロール回転速度により決定される間隔で、離散的に半ドーム状の微細凸部が形成され、凸部以外の部位は元のロール表面状態のままである。図４は半ドーム状の微細凸部の断面マクロ写真である。ロール地金と金属粉末あるいは金属化合物粉末の混合物である半ドーム状の微細凸部はロール母材内部にまで食い込む形で形成されている。
図２では金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストとレーザ照射を同時に行う構成となっているが、ロール表面への金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストの塗布は別工程で実行し、その後レーザ照射処理を実施しても良い。
【００１５】
図５は、本発明の金属化合物粉末を噴射する形式の加工装置について、レーザ加工部付近を図示した図である。金属粉末あるいは金属化合物粉末噴射ノズル４からは金属粉末あるいは金属化合物粉末ＭＰがロール表面のレーザ照射部付近に定速度（一定質量ｇ／ｓｅｃ）で噴射される。噴射された金属粉末あるいは金属化合物粉末は加工ヘッドから照射されたレーザ光ＬＢにより溶融・再凝固するロール地金部と混合し、ロール表面に微細な再凝固凸形状部を形成する。
【００１６】
図６はファイバーレーザを使用した場合のロール加工装置の構成図である。複数本のファイバーレーザをバンドル状態に並べ（２０）、各ファイバーレーザの間隔を変更する機構と該ファイバーレーザバンドル端部を結像集光する光学系２１が備えられており、ファイーバーバンドル端部から出射されたレーザ光はロール表面に塗布した金属粉末あるいは金属化合物粉末層上に結像集光する。バンドルされた各ファイバーレーザ出力は、制御器２２によりパルス状の出力に変調され、ロール表面に照射される。この時、バンドルしたファイバーレーザを結像集光すると複数点の集光スポットを形成することができ、一度に集光スポットの数に対応した複数の前記半ドーム状の微細凸再凝固形状部を形成することができ、ロール全面の加工時間を大きく短縮する事ができる。バンドルするファイバーレーザの集光スポットの配置としては、ロール軸方向に並べた配置（図７）、ロール周方向の配置（図８）などがある。
【００１７】
バンドルされた各ファイバーレーザのロール表面での個々の結像の間隔をｄとし、バンドルされたファイバーレーザの本数をｎ（本）とする。ファイバーレーザがロール周方向に平行に１列にバンドルされている場合、各レーザパルスの照射間隔Δｔと、ロール回転によるロール表面の周速度Ｖをｄ×ｎ＝Ｖ×Δｔとなる様にし、同時にロール１回転ごとにロール軸方向に距離ｄだけ移動する様な速度Ｖ２で結像光学系２１をロール軸方向に移動すれば、ロール全面にわたり概スパイラル状に均一な間隔ｄで凸テクスチャを形成できる。
【００１８】
またファイバーレーザバンドルがロール軸方向と平行に１列である場合は、ｄ＝Ｖ×Δｔとなる様にロール回転速度、レーザパルス間隔を制御し、ロール１回転時に照射位置がｄ×ｎだけロール軸方向に移動する速度で結像光学系２１をロール軸方向に移動することで、概スパイラル状の均一な間隔ｄで凸テクスチャをロール全面に形成することができる。ファイバーレーザバンドルの配置は例示の様に１次元配置に限るものではなく、２次元配置にしても良い。ファイバーレーザがロール周方向にｎ（本）、ロール軸方向にｍ（本）バンドルされている場合、ｄ×ｎ＝Ｖ×Δｔとなる様にロール回転周速とレーザパルス間隔を制御し、同時にロール１回転で距離ｄ×ｍだけ移動する速度で結像光学系２１をロール軸方向に移動すれば良い。
【００１９】
図９は本発明のレーザ光走査光学系付近を図示したものである。レーザ光ＬＢは走査用ミラー８で反射された後、ｆθレンズ９にてロール表面に集光される。金属粉末あるいは金属化合物粉末噴射装置４はロール表面のレーザ走査領域全体をカバーする範囲に金属粉末あるいは金属化合物粉末ＭＰを定速度（一定質量ｇ／ｓｅｃ）で噴射する。噴射された金属粉末あるいは金属化合物粉末は加工ヘッドから照射されたレーザ光ＬＢにより溶融・再凝固するロール地金と混合してロール表面に付着し、ロール表面に微細な凸パターンを形成する。走査用ミラーにはガルバノミラーあるいは、ポリゴンミラーを用いる事ができる。本構成によりビームを走査しながらロール加工を実施する事で、ロール加工処理速度を向上させる事ができる。またレーザ光走査時に発生する焦点位置変化を抑制するため、集光レンズにはｆθレンズを使用する事が望ましい。
【００２０】
金属粉末あるいは金属化合物粉末の噴射を一定速度とするのは、ロール表面に形成される凸パターンの密度を均一にするためである。これにより圧延鋼板表面に転写形成される凹パターンの密度が均一になり、外観品質、加工特性のバラツキのない良好な鋼板が製造できる。
【００２１】
本発明に使用する金属粉末あるいは金属化合物粉末のサイズとしては、２００μｍ以下の粒径のものが好ましく、均一な径の金属粉末あるいは金属化合物粉末とする事が望ましい。またペースト状あるいは霧状にロール表面に塗布する場合、塗膜厚みを５μｍ〜２００μｍ程度にする事が望ましい。金属粉末あるいは金属化合物粉末の塗膜厚を５μｍ以上とするのは、レーザ照射により、ロール表面に溶着して形成される凸形状の高さが３μｍ以上でないと、圧延鋼板に転写される凹形状の深さが浅くなり、プレス加工特性の向上効果が得られないためである。また金属粉末あるいは金属化合物粉末の粒径及び金属粉末あるいは金属化合物粉末膜の塗膜厚を２００μｍ以下としたのは、金属粉末あるいは金属化合物粉末が核となりロール表面に形成される凸形状のサイズが大きくなるため、本ロールで圧延した圧延鋼板の鮮映性など外観特性に悪影響を及ぼすからである。また、金属粉末あるいは金属化合物粉末の径がバラバラであると、ノズルから噴射される金属粉末あるいは金属化合物粉末量の制御が困難になる事に加え、圧延ロール表面に形成される微小凸パターン形状（高さ、径）のバラツキが大きくなり、鋼板圧延時に鋼板表面に転写形成される凹パターンがバラツキ、外観及び加工特性のバラツキなど品質を劣化させる事になる。
【００２２】
また、金属化合物粉末としては形成される凸形状の硬度を高くする観点から、溶射処理に用いられる金属化合物あるいはサーメットなどのセラミック系粉末を使用する事が望ましい。具体的にはＶ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒの炭化物、窒化物、ホウ化物、あるいはこれらの混合物である事が望ましい。それにより圧延時の微小凸テクスチャーの摩耗が防止され、一定テクスチャーでの安定した鋼板製造の圧延寿命が大幅に改善する。
【００２３】
本発明の装置により加工したロールにて圧延した鋼板表面には、ロール表面に形成された微細凸形状が転写され、平坦表面の中に離散的な窪み（凹形状）が形成される。該鋼板は、プレス成形時に、凹部に潤滑油を蓄える特性を有し、高い摩擦軽減効果をもたらし優れたプレス特性を発揮する。
【実施例１】
【００２４】
図６に図示した本発明のロール加工装置にて、金属化合物粉末ペースト塗布装置により、ロール表面に３０μｍの塗布厚みでペースト膜を塗布した。粒径２０μｍの炭化タングステン−コバルトのサーメット粉末を、８０％（質量比）混合したものを用いた。溶剤はエタノールを使用した。
上記サーメット粉末ペーストを塗布したロール表面に、制御装置２２でパルス出力変調したファイバーレーザ光を光学系２１により結像集光し、圧延ロール全面の加工を実施した。ファイバーレーザはレーザは繰り返し周波数５ｋＨｚ、パルス幅５０μｓｅｃ、ピーク出力１ｋＷ、の概矩形パルス出力にてロールに照射した。その結果、ロール表面のレーザ照射部位に平均直径２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの半ドーム状の凸パターンを形成した。凸部はロール地金の再凝固層内部にサーメット粉末を拡散したものとなった。レーザ照射後、ロール表面に残る未溶融のサーメット粉末ペーストは、水洗ブラシにより除去した。
該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【実施例２】
【００２５】
図５に図示した本発明のロール加工装置にて、金属化合物粉末噴射ノズルから、粒径２０μｍのクロム粉末をレーザ照射部付近に噴射しながらロール全面の加工を実施した。パルスレーザは繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１００ｍＪ／ｐ、集光径３０μｍの条件とした。その結果、ロール表面のレーザ照射部位にクロム粉末とロール地金の混合した半ドーム状の再凝固突起が形成された。突起の形状は平均直径は２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの半ドーム状であった。ロール表面に残存する未溶融のＣｒ粉末はブラシ及びエアー噴射により除去した。該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【００２６】
なお、実施例では加工用レーザとして、ファイバーレーザ及びＹＡＧレーザを使用したが、本発明に必要とするレーザはＹＡＧレーザに限るものではない。炭酸ガスレーザ、半導体レーザなど金属製品の加工に十分な出力を有するレーザであれば、本発明に使用する事は可能である。また本発明の図ではレーザ発振器から加工ヘッドまで、レーザ光をミラー伝送しているが、ＹＡＧレーザや半導体レーザを使用する場合、光ファイバーによりレーザ光を伝送しても良い。
【００２７】
以下、上記実施例で製作した鋼板のプレス加工性評価の結果について説明する。評価に用いた鋼板の仕様を表１に、加工評価に用いた金型形状を図１０に示す。なお、凹部の面積と深さはレーザー式３次元顕微鏡画像より画像処理にて算出し、鋼板の凹部以外の部位前述のレーザー式３次元顕微鏡にて凹部を通過しない計測線を選択してＪＩＳ Ｂ ０６０１に準じて算出した。凹部以外の部位はＲａ、Ｗｃａとも小さく鮮映性を劣化させない値が得られている。成形性の評価方法としては円錐台絞り成形試験を実施した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
円錐台絞り成形試験は図５に示すプレス成形を行い、ブランク押さえ圧を変化させてプレス材を観察することで、シワ発生しない最低ＢＨＦと、ワレ発生しない最高ＢＨＦを求めた。なお、プレス前のブランク径は２００ｍｍφ、ダイス径１４０ｍｍφ、ダイス肩Ｒ１０ｍｍ、ポンチ径８０ｍｍφ、ポンチ肩Ｒ１０ｍｍ、潤滑油として出光Ｚ３を塗布し、成形高さは４５ｍｍとした。
【００３０】
円錐台絞り成型試験による成形性の評価結果は表２のとおりである。実施例１〜２は、比較例１〜２に対して成型可能範囲が拡大しており、本発明のロールを使用する事により鋼板の加工特性が向上する事を示している。
【００３１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の加工装置の構成図である。
【図２】本発明請求項１に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図３】本発明により形成されたロール表面の凸テクスチャの外観写真である。
【図４】本発明により形成されたロール表面の凸テクスチャの断面マクロ写真である。
【図５】本発明請求項２に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図６】本発明請求項３から請求項５に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図７】本発明のファイバーレーザ結像パターンの例である。
【図８】本発明のファイバーレーザ結像パターンの例である。
【図９】本発明請求項７に記載の加工装置の集光光学系付近の拡大図である。
【図１０】実施例２に記載の円錐台絞り成型試験の説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：レーザ発振器
２：加工ヘッド
３：塗布装置
４：噴射ノズル
５：加工テーブル
６：ロール回転装置
７：ロール
８：走査用ミラー
９：ｆθレンズ
１０：レーザ伝送ミラー
２０：ファイバーレーザバンドル
２１：結像光学系
２２：ファイバーレーザ出力制御装置
ＬＢ：レーザ光
ＭＰＰ：金属粉末あるいは金属化合物粉末ペースト
ＭＰ：金属粉末あるいは金属化合物粉末
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧延ロール、並びにレーザ発振器にて金属圧延ロール表面に微細凸パターンを形成するダル加工を行うロール加工装置及びそれを用いたロール加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板のプレス加工性を向上させる方法として鋼板上に微小な凹パターンを高密度で形成し、凹部による油溜り効果にてプレス時の鋼板表面の滑りを確保する方法が、特許文献１などに開示されている。鋼板への具体的な凹パターン付与方法としては、圧延時に圧延ロール表面の微細パターンを鋼板表面に転写する方法が広く用いられる。圧延ロール表面の微細パターンの形成方法としては、ショットダル法、放電ダル法、エッチングを用いた方法、レーザダル法などがある。
【０００３】
ショットダル法や放電ダル法は、ロール表面の微細パターン形成についての制御性に乏しく、鋼板のプレス加工性を向上させるために必要な凹パターン転写を実現するロール表面パターンを造り込む事は不可能である。また凹パターンの大きさも数１００μｍ程度と大きなものとなり、転写させた凹パターンにより、鋼板表面の平坦度を悪化させ、外観品質を著しく損なうという欠点が存在する。エッチング法によれば、高精度な微細パターン形成が可能であるが、工程が複雑で加工費用が高くなる問題がある。
【０００４】
レーザ加工により圧延ロール表面に微細パターンを形成する発明としては、特許文献２に開示されているように、レーザ照射部に溶融金属を環状に盛り上げたクレーター痕を形成する方法がある。該発明はロール表面に形成された該クレーター痕を鋼板に転写させる事により、鋼板上に環状の凹パターンを形成する事で油溜まり部を形成させ、プレス加工性の向上を狙ったものである。しかし、クレーターによる凹パターンの形成のため、凹部の密度に制約が発生し、プレス加工性を向上させるに必要な高密度の凹パターンを形成する事ができない。また、レーザ照射部に均一な環状のクレーター部を形成するには、複雑な加工条件及び加工光学系を必要とし装置費用が多大なものとなる。
【０００５】
また特許文献３には、レーザ加工とＣｒメッキを組み合わせてロール表面に微小突起を形成する方法が開示されている。該発明によれば微小な凹パターンを鋼板表面に転写形成する事が可能であるが、一旦ロール表面に樹脂皮膜を形成し、該樹脂皮膜をレーザ照射により局所的に除去した部分にＣｒメッキを行い、その後、残存する樹脂皮膜を除去する必要があり、工程が複雑でロール加工の為に多大な時間と費用が発生する問題がある。
【０００６】
さらに、特許文献４には、金属化合物をレーザにてロール表面に溶着する方法が開示されている。該ロール加工方法は、大小２種類の粒径の金属化合物にて被覆されたロール表面に、線状に成形したビームを照射して、ロール表面を溶融させた溶融層中に小径粒の金属化合物を拡散した合金層を形成し、該合金層に不完全溶融（未溶融）の大径粒金属化合物を粉末形状を維持したまま残存させる事により、ロール表面に凸パターンを形成するものである。これは、いわゆるレーザクラッディングと呼ばれる処理層の中に、未溶融の金属化合物粒を残存させる方法であり、凸形状を形成する大径粒の金属化合物の位置を厳密に制御する事は不可能である。また溶融層を形成する小径粒の金属化合物表面は機械研削されたロール面と比較して微妙なうねりを生じる事が避けられない。このため、該ロールにて圧延した金属鋼板表面には、不規則な凹転写テクスチャーによる光沢むらや、前記うねりに起因する塗装鮮映性の劣化など圧延鋼板外観特性の劣化を引き起こす問題がある。
【特許文献１】特開平５−６９００６号公報
【特許文献２】特公平３−２７３１３号公報
【特許文献３】特公平６−３５６７６号公報
【特許文献４】特開昭５８−１８１４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来技術の問題点に鑑みて、本発明は、鋼板を圧延するときに鋼板表面に微細かつ高密度の凹パターンを転写させて該圧延鋼板のプレス加工性を向上させるための圧延ロール、並びに前記圧延ロールの表面に高精度な凸パターンを形成するレーザダル加工装置及び加工方法を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明は以下で記載するものである。
（１）第１の発明は、表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延地金の露出部があること特徴とする金属圧延ロールである。
（２）第２の発明は、前記凸部の形状が半ドーム状であり、半ドーム状凸部の半径が２００μｍ以下、高さが１μｍ以上である事を特徴とする（１）に記載の金属圧延ロールである。
（３）第３の発明は、レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の凸部を形成するロール加工装置において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置であって、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布する塗布装置を備え、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工装置である。
（４）第４の発明は、前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又はこれら粉末を含むペーストを該表面に供給する塗布ノズルと、供給されたペーストを前記金属圧延ロールの表面に略一定厚みになるように展延するスクレーパー板を具備することを特徴とする（３）に記載のロール加工装置である。
（５）第５の発明は、前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又は金属粉末や金属化合物を含む液体を該表面に噴射する噴射ノズルを具備することを特徴とする（３）に記載のロール加工装置である。
（６）第６の発明は、前記レーザ発振器は、パルス発振レーザ発振器であることを特徴とする（３）〜（５）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（７）第７の発明は、（６）に記載のロール加工装置において、前記金属圧延ロールのロール径とロール回転速度、前記パルス発振レーザ発振器のパルスレーザ発振周波数、及び前記加工ヘッドの前記ロール軸方向の送り速度を基にして、金属圧延ロールの表面の前記凸部が２次元的の略整列するように、前記ロール回転速度、前記パルスレーザ発振周波数、または前記送り速度を同期制御する制御装置を備えた事を特徴とするロール加工装置である。
（８）第８の発明は、前記レーザ発振器が単一または複数本のファイバーレーザであることを特徴とする（３）〜（７）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（９）第９の発明は、前記レーザ発振器が複数本のファイバーレーザであり、該複数本のファイバーレーザのそれぞれが金属圧延ロールの表面に別個の集光スポットを結び、かつ該集光スポットが１次元的または２次元的の略等間隔に整列していることを特徴とする（３）〜（７）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１０）第１０の発明は、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面に、直径１０〜２００μｍの略円形に集光する集光光学系を備えたものであることを特徴とする（３）〜（９）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１１）第１１の発明は、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する光学系が、ビーム走査ミラーとｆθレンズにより構成されるものであることを特徴とする（３）〜（１０）のいずれか１つに記載のロール加工装置である。
（１２）第１２の発明は、レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の微小な凸部を形成するロール加工方法において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置を用いて、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布し、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のロール加工装置または方法によれば、圧延ロールの表面に高精度な微小凸テクスチャーを形成する事ができる。該圧延ロールを用いて鋼板を圧延する事で、鋼板表面に微小凹テクスチャーを形成し、プレス成型時のワレやかじりを抑制し、かつ、プレス成型時の板押さえ圧変更の必要性が少ない、成形性良好な金属板を製造する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の装置の模式図である。圧延ロールの加工装置は、レーザ発振器１、レーザ集光用の加工ヘッド２、ロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストを塗布する塗布装置３、あるいは図５に示すロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末を噴射する噴射ノズル４、前記加工ヘッド並びに塗布装置又は金属化合物粉末噴射ノズルを搭載した加工テーブル５、ロール回転装置６により構成される。加工テーブル５は、横行テーブルＴＸ、ＴＹ、及び焦点調整用の上下テーブルＴＺから成る。ロール回転装置６により圧延ロール７を回転させておき、横行テーブルＴＸによりロール軸方向に加工ヘッドを移動させながらレーザ光をロール表面に照射する事で、ロール表面全面に亘りレーザ加工が行われる。加工ヘッド２は上下テーブルＴＺ上に設置される。上下テーブルＴＺの位置は、ロール表面との距離を測定するセンサー（図示しない）の測定値に基づき自動制御され、ロール加工中は常に最適焦点距離に保持される。
【００１１】
図２は、図１のロール加工部付近を拡大し図示したものである。金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストの塗布装置３は、加工ヘッド２に先行する位置に設置され、金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストＭＰＰをロール表面に一定厚みの層状に塗布する（図中Ａ領域）。塗布装置は先端からペーストを定速で送給するノズル３１と、送給されたペーストを圧延ロール表面で均一厚みになる様に延ばすスクレーパー板３２からなる。スクレーパー板とロール表面のギャップを調整する事で、ペースト膜厚を変更する事ができる。金属粉末あるいは金属化合物粉末は揮発性の溶剤中に混合し、霧状の状態でロール表面にスプレー塗布しても良い。その後、加工ヘッドから照射されたパルスレーザ光ＬＢにより、レーザ光照射部のロール地金を溶融し、パルスレーザ照射後に、溶融したロール地金は金属化合物粉末を核として再凝固し半ドーム状の微細凸部を形成する。形成された半ドーム状の微細凸部は金属化合物粉末を内部に分散した状態となる。また、金属化合物粉末の替わりに金属粉末を用いる場合は、パルスレーザ光の照射によりレーザ照射部の金属粉末とロール地金が同時に溶融し、金属粉末を核として再凝固し、金属粉末とロール地金の混合した半ドーム状の微細凸部合金がロール表面に溶着形成される。
【００１２】
ロール表面に金属粉末あるいは金属化合物粉末を塗布してからレーザ照射する効果は下記２点である。１つはパルスレーザ照射によりロール地金を溶融、再凝固させる際に金属粉末あるいは金属化合物粉末が再凝固時の核となる事で、再凝固部の形状が半ドーム状の微細凸形状になる事である。２点目は再凝固物内部に金属化合物粉末を拡散させる事あるいは金属粉末の溶融物と混合した状態とする事で、再凝固物の硬度をロール母材に対し向上させる事である。硬度の高い微細凸形状を形成する事で、鋼板圧延時の耐摩耗性を向上し、大量の鋼板圧延においても微細凸形状の変化がなく、鋼板表面に安定した（ロール表面に形成した凸形状の転写による）凹形状パターンを形成する事ができる。
【００１３】
圧延ロール表面に均一厚でペーストを塗布する事により、レーザ照射時に均一な高さの微細凸パターンが形成され、鋼板圧延時に鋼板に転写形成される凹パターンの深さが均一になり、加工性を安定させる事が出来るとともに、鮮映性などの外観品質の優れた鋼板を製造する事ができる。
【００１４】
図２中の領域Ｂはレーザ照射完了部である。図２中のＣはロール表面を拡大図示したものである。ロール表面に塗布された金属粉末あるいは金属化合物粉末は上記の様に、集光されたレーザ光の照射により溶融されるロール地金と混合し、ロール表面に微細凸部を形成する。図３の写真はレーザ照射後のロール表面外観である。ロール表面にはパルスレーザの照射間隔とロール回転速度により決定される間隔で、離散的に半ドーム状の微細凸部が形成され、凸部以外の部位は元のロール表面状態のままである。図４は半ドーム状の微細凸部の断面マクロ写真である。ロール地金と金属粉末あるいは金属化合物粉末の混合物である半ドーム状の微細凸部はロール母材内部にまで食い込む形で形成されている。
図２では金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストとレーザ照射を同時に行う構成となっているが、ロール表面への金属粉末あるいは金属化合物粉末ペーストの塗布は別工程で実行し、その後レーザ照射処理を実施しても良い。
【００１５】
図５は、本発明の金属化合物粉末を噴射する形式の加工装置について、レーザ加工部付近を図示した図である。金属粉末あるいは金属化合物粉末噴射ノズル４からは金属粉末あるいは金属化合物粉末ＭＰがロール表面のレーザ照射部付近に定速度（一定質量ｇ／ｓｅｃ）で噴射される。噴射された金属粉末あるいは金属化合物粉末は加工ヘッドから照射されたレーザ光ＬＢにより溶融・再凝固するロール地金部と混合し、ロール表面に微細な再凝固凸形状部を形成する。
【００１６】
図６はファイバーレーザを使用した場合のロール加工装置の構成図である。複数本のファイバーレーザをバンドル状態に並べ（２０）、各ファイバーレーザの間隔を変更する機構と該ファイバーレーザバンドル端部を結像集光する光学系２１が備えられており、ファイーバーバンドル端部から出射されたレーザ光はロール表面に塗布した金属粉末あるいは金属化合物粉末層上に結像集光する。バンドルされた各ファイバーレーザ出力は、制御器２２によりパルス状の出力に変調され、ロール表面に照射される。この時、バンドルしたファイバーレーザを結像集光すると複数点の集光スポットを形成することができ、一度に集光スポットの数に対応した複数の前記半ドーム状の微細凸再凝固形状部を形成することができ、ロール全面の加工時間を大きく短縮する事ができる。バンドルするファイバーレーザの集光スポットの配置としては、ロール軸方向に並べた配置（図７）、ロール周方向の配置（図８）などがある。
【００１７】
バンドルされた各ファイバーレーザのロール表面での個々の結像の間隔をｄとし、バンドルされたファイバーレーザの本数をｎ（本）とする。ファイバーレーザがロール周方向に平行に１列にバンドルされている場合、各レーザパルスの照射間隔Δｔと、ロール回転によるロール表面の周速度Ｖをｄ×ｎ＝Ｖ×Δｔとなる様にし、同時にロール１回転ごとにロール軸方向に距離ｄだけ移動する様な速度Ｖ２で結像光学系２１をロール軸方向に移動すれば、ロール全面にわたり概スパイラル状に均一な間隔ｄで凸テクスチャを形成できる。
【００１８】
またファイバーレーザバンドルがロール軸方向と平行に１列である場合は、ｄ＝Ｖ×Δｔとなる様にロール回転速度、レーザパルス間隔を制御し、ロール１回転時に照射位置がｄ×ｎだけロール軸方向に移動する速度で結像光学系２１をロール軸方向に移動することで、概スパイラル状の均一な間隔ｄで凸テクスチャをロール全面に形成することができる。ファイバーレーザバンドルの配置は例示の様に１次元配置に限るものではなく、２次元配置にしても良い。ファイバーレーザがロール周方向にｎ（本）、ロール軸方向にｍ（本）バンドルされている場合、ｄ×ｎ＝Ｖ×Δｔとなる様にロール回転周速とレーザパルス間隔を制御し、同時にロール１回転で距離ｄ×ｍだけ移動する速度で結像光学系２１をロール軸方向に移動すれば良い。
【００１９】
図９は本発明のレーザ光走査光学系付近を図示したものである。レーザ光ＬＢは走査用ミラー８で反射された後、ｆθレンズ９にてロール表面に集光される。金属粉末あるいは金属化合物粉末噴射装置４はロール表面のレーザ走査領域全体をカバーする範囲に金属粉末あるいは金属化合物粉末ＭＰを定速度（一定質量ｇ／ｓｅｃ）で噴射する。噴射された金属粉末あるいは金属化合物粉末は加工ヘッドから照射されたレーザ光ＬＢにより溶融・再凝固するロール地金と混合してロール表面に付着し、ロール表面に微細な凸パターンを形成する。走査用ミラーにはガルバノミラーあるいは、ポリゴンミラーを用いる事ができる。本構成によりビームを走査しながらロール加工を実施する事で、ロール加工処理速度を向上させる事ができる。またレーザ光走査時に発生する焦点位置変化を抑制するため、集光レンズにはｆθレンズを使用する事が望ましい。
【００２０】
金属粉末あるいは金属化合物粉末の噴射を一定速度とするのは、ロール表面に形成される凸パターンの密度を均一にするためである。これにより圧延鋼板表面に転写形成される凹パターンの密度が均一になり、外観品質、加工特性のバラツキのない良好な鋼板が製造できる。
【００２１】
本発明に使用する金属粉末あるいは金属化合物粉末のサイズとしては、２００μｍ以下の粒径のものが好ましく、均一な径の金属粉末あるいは金属化合物粉末とする事が望ましい。またペースト状あるいは霧状にロール表面に塗布する場合、塗膜厚みを５μｍ〜２００μｍ程度にする事が望ましい。金属粉末あるいは金属化合物粉末の塗膜厚を５μｍ以上とするのは、レーザ照射により、ロール表面に溶着して形成される凸形状の高さが３μｍ以上でないと、圧延鋼板に転写される凹形状の深さが浅くなり、プレス加工特性の向上効果が得られないためである。また金属粉末あるいは金属化合物粉末の粒径及び金属粉末あるいは金属化合物粉末膜の塗膜厚を２００μｍ以下としたのは、金属粉末あるいは金属化合物粉末が核となりロール表面に形成される凸形状のサイズが大きくなるため、本ロールで圧延した圧延鋼板の鮮映性など外観特性に悪影響を及ぼすからである。また、金属粉末あるいは金属化合物粉末の径がバラバラであると、ノズルから噴射される金属粉末あるいは金属化合物粉末量の制御が困難になる事に加え、圧延ロール表面に形成される微小凸パターン形状（高さ、径）のバラツキが大きくなり、鋼板圧延時に鋼板表面に転写形成される凹パターンがバラツキ、外観及び加工特性のバラツキなど品質を劣化させる事になる。
【００２２】
また、金属化合物粉末としては形成される凸形状の硬度を高くする観点から、溶射処理に用いられる金属化合物あるいはサーメットなどのセラミック系粉末を使用する事が望ましい。具体的にはＶ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒの炭化物、窒化物、ホウ化物、あるいはこれらの混合物である事が望ましい。それにより圧延時の微小凸テクスチャーの摩耗が防止され、一定テクスチャーでの安定した鋼板製造の圧延寿命が大幅に改善する。
【００２３】
本発明の装置により加工したロールにて圧延した鋼板表面には、ロール表面に形成された微細凸形状が転写され、平坦表面の中に離散的な窪み（凹形状）が形成される。該鋼板は、プレス成形時に、凹部に潤滑油を蓄える特性を有し、高い摩擦軽減効果をもたらし優れたプレス特性を発揮する。
【実施例１】
【００２４】
図６に図示した本発明のロール加工装置にて、金属化合物粉末ペースト塗布装置により、ロール表面に３０μｍの塗布厚みでペースト膜を塗布した。粒径２０μｍの炭化タングステン−コバルトのサーメット粉末を、８０％（質量比）混合したものを用いた。溶剤はエタノールを使用した。
上記サーメット粉末ペーストを塗布したロール表面に、制御装置２２でパルス出力変調したファイバーレーザ光を光学系２１により結像集光し、圧延ロール全面の加工を実施した。ファイバーレーザはレーザは繰り返し周波数５ｋＨｚ、パルス幅５０μｓｅｃ、ピーク出力１ｋＷ、の概矩形パルス出力にてロールに照射した。その結果、ロール表面のレーザ照射部位に平均直径２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの半ドーム状の凸パターンを形成した。凸部はロール地金の再凝固層内部にサーメット粉末を拡散したものとなった。レーザ照射後、ロール表面に残る未溶融のサーメット粉末ペーストは、水洗ブラシにより除去した。
該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【実施例２】
【００２５】
図５に図示した本発明のロール加工装置にて、金属化合物粉末噴射ノズルから、粒径２０μｍのクロム粉末をレーザ照射部付近に噴射しながらロール全面の加工を実施した。パルスレーザは繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１００ｍＪ／ｐ、集光径３０μｍの条件とした。その結果、ロール表面のレーザ照射部位にクロム粉末とロール地金の混合した半ドーム状の再凝固突起が形成された。突起の形状は平均直径は２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの半ドーム状であった。ロール表面に残存する未溶融のＣｒ粉末はブラシ及びエアー噴射により除去した。該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【００２６】
なお、実施例では加工用レーザとして、ファイバーレーザ及びＹＡＧレーザを使用したが、本発明に必要とするレーザはＹＡＧレーザに限るものではない。炭酸ガスレーザ、半導体レーザなど金属製品の加工に十分な出力を有するレーザであれば、本発明に使用する事は可能である。また本発明の図ではレーザ発振器から加工ヘッドまで、レーザ光をミラー伝送しているが、ＹＡＧレーザや半導体レーザを使用する場合、光ファイバーによりレーザ光を伝送しても良い。
【００２７】
以下、上記実施例で製作した鋼板のプレス加工性評価の結果について説明する。評価に用いた鋼板の仕様を表１に、加工評価に用いた金型形状を図１０に示す。なお、凹部の面積と深さはレーザー式３次元顕微鏡画像より画像処理にて算出し、鋼板の凹部以外の部位前述のレーザー式３次元顕微鏡にて凹部を通過しない計測線を選択してＪＩＳ Ｂ ０６０１に準じて算出した。凹部以外の部位はＲａ、Ｗｃａとも小さく鮮映性を劣化させない値が得られている。成形性の評価方法としては円錐台絞り成形試験を実施した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
円錐台絞り成形試験は図５に示すプレス成形を行い、ブランク押さえ圧を変化させてプレス材を観察することで、シワ発生しない最低ＢＨＦと、ワレ発生しない最高ＢＨＦを求めた。なお、プレス前のブランク径は２００ｍｍφ、ダイス径１４０ｍｍφ、ダイス肩Ｒ１０ｍｍ、ポンチ径８０ｍｍφ、ポンチ肩Ｒ１０ｍｍ、潤滑油として出光Ｚ３を塗布し、成形高さは４５ｍｍとした。
【００３０】
円錐台絞り成型試験による成形性の評価結果は表２のとおりである。実施例１〜２は、比較例１〜２に対して成型可能範囲が拡大しており、本発明のロールを使用する事により鋼板の加工特性が向上する事を示している。
【００３１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の加工装置の構成図である。
【図２】本発明請求項１に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図３】本発明により形成されたロール表面の凸テクスチャの外観写真である。
【図４】本発明により形成されたロール表面の凸テクスチャの断面マクロ写真である。
【図５】本発明請求項２に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図６】本発明請求項３から請求項５に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図７】本発明のファイバーレーザ結像パターンの例である。
【図８】本発明のファイバーレーザ結像パターンの例である。
【図９】本発明請求項７に記載の加工装置の集光光学系付近の拡大図である。
【図１０】実施例２に記載の円錐台絞り成型試験の説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：レーザ発振器
２：加工ヘッド
３：塗布装置
４：噴射ノズル
５：加工テーブル
６：ロール回転装置
７：ロール
８：走査用ミラー
９：ｆθレンズ
１０：レーザ伝送ミラー
２０：ファイバーレーザバンドル
２１：結像光学系
２２：ファイバーレーザ出力制御装置
ＬＢ：レーザ光
ＭＰＰ：金属粉末あるいは金属化合物粉末ペースト
ＭＰ：金属粉末あるいは金属化合物粉末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延ロール地金の露出部があること特徴とする金属圧延ロール。
【請求項２】
前記凸部の形状が半ドーム状であり、半ドーム状凸部の半径が２００μｍ以下、高さが１μｍ以上である事を特徴とする請求項１に記載の金属圧延ロール。
【請求項３】
レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の凸部を形成するロール加工装置において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置であって、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布する塗布装置を備え、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工装置。
【請求項４】
前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又はこれら粉末を含むペーストを該表面に供給する塗布ノズルと、供給されたペーストを前記金属圧延ロールの表面に略一定厚みになるように展延するスクレーパー板を具備することを特徴とする請求項３に記載のロール加工装置。
【請求項５】
前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又は金属粉末や金属化合物を含む液体を該表面に噴射する噴射ノズルを具備することを特徴とする請求項３に記載のロール加工装置。
【請求項６】
前記レーザ発振器は、パルス発振レーザ発振器であることを特徴とする請求項３〜５のいずか１項に記載のロール加工装置。
【請求項７】
請求項６に記載のロール加工装置において、前記金属圧延ロールのロール径とロール回転速度、前記パルス発振レーザ発振器のパルスレーザ発振周波数、及び前記加工ヘッドの前記ロール軸方向の送り速度を基にして、金属圧延ロールの表面の前記凸部が２次元的の略整列するように、前記ロール回転速度、前記パルスレーザ発振周波数、または前記送り速度を同期制御する制御装置を備えた事を特徴とするロール加工装置。
【請求項８】
前記レーザ発振器が単一または複数本のファイバーレーザであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項９】
前記レーザ発振器が複数本のファイバーレーザであり、該複数本のファイバーレーザのそれぞれが金属圧延ロールの表面に別個の集光スポットを結び、かつ該集光スポットが１次元的または２次元的の略等間隔に整列していることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１０】
前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面に、直径１０〜２００μｍの略円形に集光する集光光学系を備えたものであることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１１】
前記加工ヘッドは、前記レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する光学系が、ビーム走査ミラーとｆθレンズにより構成されるものであることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１２】
レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の微小な凸部を形成するロール加工方法において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置を用いて、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布し、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工方法。
【請求項１】
表面の一部または略全面に離散的に凸部を有する金属圧延ロールであって、前記凸部が、金属粉末または金属化合物粉末を溶融して金属圧延ロール地金に融着して形成させたもの、または前記金属圧延ロール地金の溶融痕に前記金属粉末または金属化合物粉末を固着して形成させたものであり、かつ前記凸部間に前記金属圧延ロール地金の露出部があること特徴とする金属圧延ロール。
【請求項２】
前記凸部の形状が半ドーム状であり、半ドーム状凸部の半径が２００μｍ以下、高さが１μｍ以上である事を特徴とする請求項１に記載の金属圧延ロール。
【請求項３】
レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の凸部を形成するロール加工装置において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置であって、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布する塗布装置を備え、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工装置。
【請求項４】
前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又はこれら粉末を含むペーストを該表面に供給する塗布ノズルと、供給されたペーストを前記金属圧延ロールの表面に略一定厚みになるように展延するスクレーパー板を具備することを特徴とする請求項３に記載のロール加工装置。
【請求項５】
前記塗布装置は、金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、又は金属粉末や金属化合物を含む液体を該表面に噴射する噴射ノズルを具備することを特徴とする請求項３に記載のロール加工装置。
【請求項６】
前記レーザ発振器は、パルス発振レーザ発振器であることを特徴とする請求項３〜５のいずか１項に記載のロール加工装置。
【請求項７】
請求項６に記載のロール加工装置において、前記金属圧延ロールのロール径とロール回転速度、前記パルス発振レーザ発振器のパルスレーザ発振周波数、及び前記加工ヘッドの前記ロール軸方向の送り速度を基にして、金属圧延ロールの表面の前記凸部が２次元的の略整列するように、前記ロール回転速度、前記パルスレーザ発振周波数、または前記送り速度を同期制御する制御装置を備えた事を特徴とするロール加工装置。
【請求項８】
前記レーザ発振器が単一または複数本のファイバーレーザであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項９】
前記レーザ発振器が複数本のファイバーレーザであり、該複数本のファイバーレーザのそれぞれが金属圧延ロールの表面に別個の集光スポットを結び、かつ該集光スポットが１次元的または２次元的の略等間隔に整列していることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１０】
前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面に、直径１０〜２００μｍの略円形に集光する集光光学系を備えたものであることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１１】
前記加工ヘッドは、前記レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する光学系が、ビーム走査ミラーとｆθレンズにより構成されるものであることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか１項に記載のロール加工装置。
【請求項１２】
レーザ光を金属圧延ロールの表面の集光・照射して、該金属圧延ロールの表面の一部または略全面に多数の微小な凸部を形成するロール加工方法において、
前記金属圧延ロールをロール軸を中心に回転させて保持するロール回転装置と、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出射されるレーザ光を前記金属圧延ロールの表面に集光・照射する加工ヘッドと、さらに該加工ヘッドを前記ロール軸方向に移動させて前記レーザ光を前記金属圧延ロールの表面を走査する加工テーブルを備えるロール加工装置を用いて、
前記金属圧延ロールの表面に金属粉末、金属化合物粉末、これら粉末を含むペースト、またはこれら粉末を分散させた液体を塗布し、前記レーザ光をパルス照射することにより該塗布装置で金属圧延ロールの表面に塗布した該金属粉末または金属化合物粉末を溶融して融着させ、または前記金属圧延ロールのロール地金を溶融して該ロール地金の溶融痕に前記金属化合物粉末を固着させて、前記金属圧延ロールの表面にレーザ光の集光スポット程度の略均一な大きさの微小な凸部を該凸部以外の部位にロール地金を表面に露出するように離散的に形成することを特徴とするロール加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−７５８５４（Ｐ２００６−７５８５４Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６０８７７（Ｐ２００４−２６０８７７）
【出願日】平成１６年９月８日（２００４．９．８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月８日（２００４．９．８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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