JP2004136295A - セラミックス製ロール - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱衝撃性、強度に優れる熱間圧延ラインに用いられるセラミックス製ロールを提供する。
【解決手段】熱間圧延ラインに用いられるセラミックス製ロールであって、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体はアルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が３．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。また、前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延ラインに用いられる圧延用ロール、搬送用ローラ、ガイドローラなどのロールおよびローラ（以下、ロールおよびローラを「ロール」と略す。）に係り、特に耐熱衝撃性、強度に優れた窒化ケイ素系焼結体からなるセラミックス製ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材を製造する熱間圧延ラインに用いられる圧延用ロール、搬送用ローラ、ガイドローラなどは、金属製ロールが多く使われている。しかしながら、金属製ロールは、摩耗しやすい、耐熱性に劣る、また重量が重いためロールの取り替え作業が容易でないという問題がある。そこで、金属製ロールに替わりセラミックス製ロールが種々提案されている。
【０００３】
特開平６−１７０４１９公報には、熱間圧延ラインに使用されるガイドローラまたは圧延ロールであって、窒化ケイ素セラミックスからなり、少なくとも被圧延材と接する溝部の表面粗さがＲｍａｘ４μｍ以下で、表面に酸化膜を有し、材料特性が、曲げ強度８０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、破壊靭性値Ｋ_ＩＣが７ＭＰａｍ^１／２以上、硬度Ｈｋ１４ＧＰａ以上であることが記載されている。
【０００４】
特開平６−２７７７３３号公報には、熱間圧延ラインに使用されるセラミックスローラであって、窒化ケイ素セラミックスからなり、８００℃におけるビッカース硬度が９．０ＧＰａ以上であることが記載されている。
【０００５】
特開２００２−１７８０２０号公報には、熱間圧延ラインにおいて、圧延鋼板の上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置して圧延鋼板の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置の直下または前後に配置され、金属製芯金にセラミックス製スリーブを嵌合した熱間圧延ライン向けローラであって、セラミックス製スリーブは、金属製芯金の胴長方向の両側にそれぞれ外嵌され、そのスリーブ外嵌部がローラの胴長方向中央部よりも大径となることが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のセラミックス製ロールは、特に耐熱衝撃性が十分といえず、ロールが破壊しやすく耐用寿命が短いという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は耐熱衝撃性、強度に優れるセラミックス製ロールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間圧延ラインに用いられるセラミックス製ロールは、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体はアルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が３．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。また本発明において、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明はロールを形成する材料自体の熱伝導率を高めることにより、実際の熱間圧延ラインにおいて急昇温、急冷却による熱がロールの表面を経て内部まで速く到達して耐熱衝撃性が高まる。通常の窒化ケイ素系焼結体は、常温における熱伝導率が高々３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、本発明における窒化ケイ素系焼結体は、焼結体中に不純物として存在するアルミニウムおよび酸素の含有量を低減することにより、好ましくは焼結体中のアルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が３．０重量％以下とすることにより、常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上を達成することができる。
【００１０】
窒化ケイ素系焼結体中に不純物として存在する異種イオン、特にアルミニウム、酸素はフォノン散乱源となり熱伝導率を低減させる。窒化ケイ素系焼結体は、窒化ケイ素粒子相とその周囲の粒界相とから構成され、アルミニウムおよび酸素はこれら二相にそれぞれ含有される。アルミニウムは、窒化ケイ素の構成元素であるケイ素のイオン半径に近いため窒化ケイ素粒子内に容易に固溶する。アルミニウムの固溶により窒化ケイ素粒子自身の熱伝導率が低下し、結果として焼結体の熱伝導率が著しく低下する。
【００１１】
また、焼結助剤として主に酸化物を添加するため、酸素の多くは粒界相成分として存在する。焼結体の高熱伝導化を達成するには、主相の窒化ケイ素粒子に比べて熱伝導率が低い粒界相の量を低減することが肝要であり、焼結助剤成分の添加量を相対密度８５％以上の焼結体が得られる量を最小限とし、酸素量を低減させることが必要である。
【００１２】
また、窒化ケイ素系焼結体中の窒化ケイ素粒子の性状を最適化することにより、温度測定中の機械的応力および衝撃に十分に耐えられる曲げ強度を得ることができる。窒化ケイ素系焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が、１０体積％以上では焼結体の熱伝導率は向上するが、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用するため破壊強度が著しく低下し、７００ＭＰａ以上の曲げ強度が得られない。したがって、窒化ケイ素系焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち、短軸径５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が１０体積％未満であることが好ましい。同様に、組織中に導入された粗大粒子が破壊の起点として作用することを抑えるために、β型窒化ケイ素粒子のアスペクト比が１５以下であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス製ロールの製造方法について説明する。平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム粉末を３．０重量％、平均粒径２．０μｍの酸化イットリウム粉末を３．０重量％添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉砕、混合した。ついで、噴霧乾燥後、篩を通して造粒した後、ゴム型に充填し、静水圧により冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行い、所定形状の中空スリーブロールとなる成形体を作製した。この成形体を１９５０℃、６０気圧の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成し、本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなる熱間圧延ラインに用いられる圧延スリーブロールを得た。
【００１４】
得られた窒化ケイ系焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験片を採取した。密度はＪＩＳ　Ｒ２２０５に基づいてアルキメデス法から求めた。相対密度はＪＩＳ　Ｒ２２０５に準拠したアルキメデス法により実測密度を求めこれを計算により算出した理論密度で除した値とした。熱伝導率はレーザーフラッシュ法ＪＩＳ　Ｒ１６１１に準拠して常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳ　Ｒ１６０１に準拠して測定を行った。また、窒化ケイ素粒子の体積％は、焼結体をフッ化水素酸にて粒界ガラス相を溶出することにより、窒化ケイ素粒子を個々に取り出しＳＥＭ観察して求めた。本発明では、面積％の値を体積％として評価した。窒化ケイ素質焼結体中のアルミニウム含有量は誘導プラズマ発光分析法（略称ＩＣＰ法）により、酸素含有量は赤外線吸収法により測定した。
【００１５】
本発明の窒化ケイ素系焼結体からなるロールは、相対密度が９９．２％、常温における熱伝導率が７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９４０ＭＰａであった。また、窒化ケイ素系焼結体中のアルミニウムの含有量が０．０１重量％、酸素の含有量が０．０１重量％、窒化ケイ素系焼結体中のβ型窒化ケイ素粒子のうち短軸径が５μｍ以上のβ型窒化ケイ素粒子の割合が２体積％であった。
【００１６】
この窒化ケイ素系焼結体からなる圧延スリーブロールを用いて、約６００℃の急昇温、急冷却による熱衝撃を受ける実際の熱間圧延ラインにおいて試験した。その結果、耐摩耗性、耐焼付き性が良好であるとともに、熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるためロール表面に亀裂は見られず耐熱衝撃性に優れることを確認できた。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、高い熱伝導率を有する窒化ケイ素系材料でロールを構成することにより、ロールが破壊し難く耐用寿命の長い熱間圧延ラインに用いられるロールを提供することができる。

Claims (2)

1. 熱間圧延ラインに用いられるセラミックス製ロールであって、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなり、該焼結体はアルミニウムの含有量が０．２重量％以下、酸素の含有量が３．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とするセラミックス製ロール。
2. 前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常温における４点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製ロール。