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【圧延】とは?工法、種類、製品例、圧延の発展の歴史についてご紹介!

圧延加工 | 2021年04月22日

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金属の塑性加工(そせいかこう:物質に力を加えて塑性変形させ、意図する形状に加工すること)の代表的なものの一つに圧延(あつえん)があります。今回はこの圧延にフォーカスして、工法や種類、歴史などについてご紹介します。

 

圧延とは

圧延とは回転している二本のロールの間に材料である金属を挿入し、長さ方向に材料を伸ばしながら所定の断面積にまで減少させる加工法のこと。そのためでしょう、英語ではrollingと訳します。

引用元:モノタロウ

この加工法は、金属には適度の力を加えると破壊することなく永久変形する性質(塑性)があることを利用したものです。圧延は連続的なロール加工ではあるものの、材料内部の組織の変化は、鍛造による不連続の衝撃に近しいものがあるとも言えます。

さらに圧延は、連続的に一様な厚さにできるという点から大量生産に向いています。

身近なもので例えるとしたら、麺棒で生地を伸ばす作業がぴったりかもしれません。麺棒で生地を伸ばす場合は下が平面になっているのでその点は少し違いますが、ロールで一様な厚さにできるというのは当たっていますよね。

パスタ製造機では二つのロールの隙間にパスタの塊を押し込み、均一の力で生地を伸ばすということができます。単純な二重式ロールはまさにこの方式と言えそうです。 

製品例

圧延加工では厚鋼板、薄鋼板、棒鋼、形鋼(かたこう)、継目なし鋼管などの鋼材をはじめ、各種金属や合金の箔(はく)、板、棒、管などがこの方法で製造されています。言うなれば、一次加工品(原材料)の製造に用いられているといってもいいでしょう。



圧延を実現する圧延機とは

圧延によって多種多様な鋼板や継目なし鋼管が作られている現代。これを可能にしたのがさまざまな圧延機(rolling mill)の存在です。ロールの配置やロールの材質によって扱う材料(金属)や鋼板の仕上がりなどが異なってきます。

 ロールの配置

圧延機に配置されるロールの場所や本数によって加工結果が変わります。代表的なものを見てみましょう。

代表的なロール配置

1) 二重式ロール

2) 三重式ロール

3) 四重式ロール

4) 六重式ロール

5) 多重式ロール

6) プラネタリーミル

1) 二重式ロール:もっとも単純なロールの配置です。薄板圧延、粗圧延用などに用いられます。

2) 三重式ロール:圧延機をコンパクトに設計することができます。また、中ロールを使って材料を往復して圧延することができるので、条鋼や鋼板の加工に用いられます。

3) 四重式ロール:効率よく薄い幅広の帯鋼板の加工に適しています。

4) 六重式ロール:硬くて薄い鋼板の圧延に適しています。

5) 多重式ロール:ローラを多重構造にすることによって、硬い板を精度よく加工するのに使われます。

6) プラネタリーミル:材料の回転を止める代わりにロールが公転ガイドの中を運動しながら材料の周囲をまわりって線材に加工します。 

ロールの材質

圧延機のロールには耐摩耗性・耐衝撃性・耐熱性を備え、強度が高く圧延中にロールが折れたりしないことなどが求められます。そのため鋼板の強度によって材質が異なります。

ロールの材質

1) 鋳鉄ロール

2) 鋳鋼ロール

3) 鍛鋼ロール

1) 鋳鉄ロール:このカテゴリのロールの代表格には表面をチル加工したチルドロールがあります。チルドロールは表面が硬く耐摩耗性は高いものの強度はあまり高くないのが特徴です。

2) 鋳鋼ロール:普通鋳鋼、特殊鋳鋼、球状黒鉛鋳鋼などがあげられます。耐摩耗性に優れ、耐熱性も高いことが特徴です。広い範囲の圧延に用いられます。

3) 鍛鋼ロール:冷間圧延用のロールに用いられます。

 

圧延の種類

圧延加工時には材料の温度により熱間圧延(熱延)と、冷間圧延(冷延)の二つに大きく分けられます。

熱間圧延とは

金属が加工による硬化を生じない再結晶温度以上の温度で圧延が行われるものを熱間圧延といいます。

比較的小さいロール圧力で大きな変形加工ができるので、分塊圧延では、鋳塊の中にある気泡や粗大結晶組織をなくして均質な組織の鋼片を形成できます。

ただし熱間圧延では、再結晶温度以下とはいえ、圧延中に高温の素材表面が大気中の酸素と化合して酸化膜(ミル・スケール)を作ってしまうため、製品の肌は粗く、金属光沢は失われ、寸法精度も低いのが難点でもあります。

冷間圧延とは?

冷間圧延は室温のまま、材料を圧延する方式のこと。室温で加工することから、製品の表面は平滑で、金属光沢があり、寸法精度もよいのが特徴です。

冷間圧延と熱処理とを適切に組み合わせることによって、圧延製品の結晶組織を改善し、優れた機械的、物理的性質を与えることができ、出来栄えが大きく変わってきます。



圧延の歴史

もっとも単純な二重式ロールを見てもわかるように、圧延機は古くから存在していました。ヨーロッパで最初に実用化された金属圧延機は、中世教会のステンドグラス用鉛縁(H形断面)を成形加工する手動圧延機であったと言われています。

鉛縁用およびスズ板用の2種の圧延機のスケッチをレオナルド・ダ・ビンチが残しているという点からも古くから圧延加工がなされていたことがわかります。


16世紀前半からイタリアで、ついでフランス、オーストリアで銀貨素材板を手動圧延機で圧延することが始まり、17世紀後半および18世紀前半には形鉄および鉄板の熱間圧延がそれぞれドイツおよびイギリスで始まりました。

圧延機をrolling machineではなくrolling millと呼ぶのもこうした歴史に依ります。動力はいずれも水車(mill)であったことから、圧延機をミルと呼ぶようになったのです。

その後、圧延機の動力にも変化が現れます。例えば1784年に定められたヘンリー・コートの錬鉄製造法の要点は、石炭反射炉で製錬した錬鉄をただちに蒸気力駆動の圧延機で圧延することにあり、同法で製造された錬鉄の形材やレール、鉄板が産業革命時代の新工業材料となりました。


 19世紀前半には蒸気力駆動の二重式圧延機によるブリキ板用薄鉄板の製造がイギリスで盛んになり、船底保護用などの広幅銅板も圧延されるようになりました。このように、時代に伴い産業が発達するとともに圧延技術も向上していったのです。

20世紀に入ると、缶詰用ブリキ板や自動車車体用の薄鋼板の需要が急増したアメリカで、ストリップ・ミルとよばれる広幅帯鋼(ストリップ)の連続圧延方式が1920年代以降急速に発展しました。

ストリップミルとは、厚い鋼板から帯状の薄い鋼板(ストリップ)を製造する連続式圧延機のこと。自動車生産の増加による薄鋼板需要の急増と品質の高度化の要求などにより発展しました。量産性、高寸法精度、高歩留りで低コストなどの特長を持っています。

ホットストリップミル(熱間)で1.2mm程度に、コールドストリップミル(冷間)でさらに薄く圧延、両者の組合せにより鋼片から最小0.2mm程度のものが自動的に生産されます。

日本での圧延の歴史

日本には1941年(昭和16)最初のストリップ・ミルが導入されました。ただ、本格的な発展は戦闘機の軽量化などを目指すなどの観点から第二次世界大戦後になります。

戦後は自動制御理論や塑性力学など工学理論も発展し、1960年代から自動板厚制御技術やロールに曲げを加えることによって圧延板の断面状形を制御するロール・ベンディング技術も開発されました。


その後、計算機制御も1970年代から実装され、日本のストリップ・ミルは高度の技術水準に達しました。今日では幅2メートル以上の広幅薄鋼板が熱間圧延では毎分1300メートル、冷間圧延では毎分2500メートルの圧延速度で生産されています。

このように圧延の歴史は産業の歴史そのものと言っても過言ではありません。技術が進歩すればするほど、それにこたえる一次加工の技術水準が出現したのだと言えます。

 

まとめ

いかがでしたか? 圧延加工をご紹介いたしましたが、概略をおわかりいただけたでしょうか。

圧延加工にはまずは麺棒で生地を伸ばす作業を思い出してください。生地が金属です。圧力を加えることで金属が伸ばされて希望の形に変形します。圧延加工には熱間と冷間の二種類があり、金属の性質や変形させるターゲットによって変わってきます。覚えておくとよいですね。

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この記事を書いた人
Mitsuri編集部
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