JP2004182486A - 連続溶融金属めっき用ロール - Google Patents

Abstract

【課題】ロール胴部を窒化ケイ素系セラミックスで形成した連続溶融金属めっき用ロールの改良を図ることを目的としており、窒化ケイ素系セラミックスの耐熱衝撃性を向上させ、使用時に熱衝撃によりロールが破壊することを防止した連続溶融金属めっき用ロールを提供する。
【解決手段】中空状のロール胴部の両端部に軸部を接合して構成される連続溶融金属めっき用ロールであって、少なくともロール胴部が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５．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）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、鋼板に亜鉛めっき等の金属めっきを施す際に溶融金属浴中に浸漬して用いられるシンクロールやサポートロール等の連続溶融金属めっき用ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続溶融金属めっき装置は、表面を清浄、活性化した鋼板を亜鉛等の溶融金属浴中に浸漬、走行させながら連続的にめっきを行うものである。その際、シンクロールやサポートロール等の連続溶融金属めっき用ロールが溶融金属浴中に浸漬されて用いられる。シンクロールは、溶融金属浴中の底部に配置され、浴中に送られてきた鋼板の進行方向を上方の浴面側に変えるものである。通常、シンクロールの回転動力は、鋼板の走行移動によって駆動トルクが付与される。また、サポートロールは、一対のロールからなりシンクロールを通過した後の浴面に近い位置に設けられ、外部のモーターによりスピンドルを介して駆動され、鋼板を挟み込み、鋼板のパスラインを保ち、シンクロールを通過した際に生じる鋼板の反りを矯正する。
【０００３】
従来の連続溶融金属めっき用ロールには、耐食性に優れるステンレス鋼やクロム系耐熱鋼等の鉄鋼材料が用いられていた。しかしながら、このロールは長時間、溶融金属浴中に浸漬されると、表面が侵食されて摩耗しやすかった。さらに耐食性、耐摩耗性を向上させるために鉄鋼材料からなるロール母材表面に、耐食性Ｃｏ基合金を肉盛溶接したり、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金やＡｌ_２Ｏ_３等のセラミックスを溶射したものがあるが、母材と溶射被膜との熱膨張率の差により薄い被膜にクラックを生じそこから侵食されて摩耗を避けられなかった。
【０００４】
摩耗が著しくなると、ロールの真円度、円筒度を維持できなくなり、ロールや鋼板に振動が起こり、均一なめっき特性の鋼板が得られなくなる。このため、従来は１〜２週間の連続使用の後に、一旦めっき作業を中止して摩耗したロールを交換する必要があった。これは生産性を著しく低下させ、ロール交換費用がかさむことにより製品のコスト高を招く問題があった。
【０００５】
そこで、これを解決するために、鋼板が接触するロール胴部（通板部）を耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れるセラミックスにより構成した連続溶融金属めっき用ロールが知られている。例えば、公知例として特許文献１には、ＳＵＨ３０９の耐熱鋼からなる軸にサイアロン製のセラミックススリーブを保持する黄銅製の止めリングを挿入してから、軸の両端から耐熱鋼製の押さえリングをはめて、軸とセラミックススリーブを固定したサポートロールが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ロール胴部と軸部を窒化ケイ素系セラミックスで形成し、ロール胴部の両端部に軸部を嵌合または螺合により接合した連続溶融金属めっき用ロールが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２７１８８７号公報
【特許文献２】
特開２００１−８９８３６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
シンクロールやサポートロール等の連続溶融金属めっき用ロールは、鋼板と接触した状態となるので鋼板と同一速度で回転する必要がある。このため、連続溶融金属めっき用ロールはできるかぎり回転しやすく、起動および鋼板の走行速度の変化に追従しやすいことが望まれる。しかしながら、特許文献１の場合、耐熱鋼からなる中実の軸を有するのでロール自重が重くなり、走行する鋼板に追従して回転し難い問題があった。
【０００９】
また、ロール軸とセラミックススリーブとの隙間に溶融金属が侵入した状態で、ロールを浴中から引き揚げると、溶融金属が隙間に封入されたまま溜まって、温度の降下とともに凝固する。一方、浴中使用時に熱膨張していたロールは温度の降下により冷却され収縮し始める。そのため、隙間に溜まって凝固した金属によりセラミックススリーブが圧縮作用を受けて割れを生じる問題があった。
【００１０】
また、特許文献１はロール胴部のみがセラミックスで構成され、ロールの軸と押さえリングは耐熱鋼、止めリングは黄銅を採用しているので溶融金属浴に対する耐食性、耐摩耗性は未だ十分でなかった。そこで、ロール全体をセラミックスで構成できればよいが、焼結製のセラミックスは、例えばセラミックスの原料粉末等を型の中に入れ、冷間静水圧プレス装置により成形した後、焼成して製造されるため、大きさや形状に限界がある。特に、ロールのような長尺品の場合、ロール全体をセラミックスにより一体的に製造するには、長さ寸法の制約を多く受けざるを得なかった。
【００１１】
そこで、これらの問題を解消するために、本出願人は特許文献２を提案した。特許文献２は耐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れ、ロールが軽量で回転しやすく、ロールを浴中から引き揚げた際の割れを防止でき、ロール全体をセラミックスにより長尺化できるという利点を有する。
【００１２】
しかしながら、特許文献２の連続溶融金属めっき用ロールは、ロール胴部を構成する窒化ケイ素系セラミックスの耐熱衝撃性が未だ十分といえず、使用時に熱衝撃によりロールが破壊するおそれがあった。
【００１３】
したがって、本発明は、ロール胴部を窒化ケイ素系セラミックスで形成した連続溶融金属めっき用ロールの改良を図ることを目的としており、窒化ケイ素系セラミックスの耐熱衝撃性を向上させ、使用時に熱衝撃によりロールが破壊することを防止した連続溶融金属めっき用ロールを提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の連続溶融金属めっき用ロールは、中空状のロール胴部の両端部に軸部を接合して構成される連続溶融金属めっき用ロールであって、少なくともロール胴部が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５．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【００１５】
前記本発明において、窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度が９８％以上であり、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。
【００１６】
【作用】
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、実際の連続溶融金属めっきラインにおいて昇温、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５．０重量％以下とすることにより、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上を達成することができる。さらには常温における熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、ロール胴部と軸部を別個に作製した後、ロール胴部の片端部に一つの軸部を、ロール胴部の他端部に別の軸部を嵌合または螺合により接合することが、全体がセラミックスからなるロールを容易に長尺化できるので好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、連続溶融金属めっき装置のサポートロールにサイアロンセラミックスを適用した実施例について説明する。図１は連続溶融金属めっき装置の概略を示す。図１において、焼鈍炉から送出された鋼板１は、酸化防止のスナウト２を通り、亜鉛の溶融金属浴３の中に浸漬される。そして、鋼板１は溶融金属浴３中の底部に懸架されたシンクロール４により進行方向を変えられ浴面側に上昇する。次いで、浴面に近い位置に浸漬、支持された一対のロールからなるサポートロール５で鋼板１を挟み込み、鋼板１の反りや振動を防止する。続いて、溶融金属浴３面の上方にあるガスワイピング６によって高速ガスを吹き付け、そのガス圧、吹き付け角度により付着めっきの厚さを均一に調整する。このようにして、めっきが施された鋼板１は次の工程に送られる。この連続溶融金属めっき装置に、本発明の特徴を有するサポートロール５を装備した。
【００２２】
図２は本発明のサポートロール５の断面図を示す。図２において、サポートロール５は、ロール胴部７の両端部に軸部８、軸部９を各々ねじ接合することにより構成される。サポートロール５は、溶融金属浴に対して優れた耐食性、耐熱衝撃性、高温高強度特性を有する窒化ケイ素セラミックス焼結体により形成した。
【００２３】
本実施例では、次のようにサポートロール５のロール胴部７を作製した。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、所定形状の中空状のロール胴部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、本発明の連続溶融金属めっき用ロールに用いられる窒化ケイ素セラミックス焼結体を得た。
【００２４】
得られた焼結体を所定の形状に機械加工して中空円筒状のロール胴部７を作製した。また、ロールの軸部８および軸部９も、ロール胴部７と同様に窒化ケイ素セラミックス焼結体で作製した。
【００２５】
ロール胴部７は、外径２１０ｍｍ、内径１６５ｍｍ、長さ１４００ｍｍの中空円筒体からなる。ロール胴部７の外周面は鋼板１が接触して通板される面である。ロール胴部７の両端部の内周に、おのおの端面から奥行き約６０ｍｍの範囲に雌ねじを設けた。
【００２６】
一方の軸部８は中空体からなり、溶融金属浴の外部に設けられた駆動モーター（図示せず）によりスピンドル（図示せず）を介して回転される駆動側の軸部である。軸となる細径側（図２では軸部８の右側）は、最大外径１４０ｍｍ、内径８０ｍｍである。ロール胴部７と接合される太径側（図２では軸部８の左側）は、外径１７５ｍｍ、内径１３０ｍｍである。細径側と太径側の長さを合わせた軸部８の全長は４７０ｍｍである。太径側の軸部８の端部外周に、ロール胴部７と接合させるための雄ねじを設けた。なお、細径側の軸部８の端部には、スピンドルと結合させるためのクラッチ部材（図示せず）を取り付けた。
【００２７】
他方の軸部９は中空体からなり、すべり軸受で支持される従動側の軸部である。軸となる細径側（図２では軸部９の左側）は、外径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍである。ロール胴部７と接合される太径側（図２では軸部９の右側）は、外径１７５ｍｍ、内径１３０ｍｍである。細径側と太径側の長さを合わせた軸部９の全長は４２０ｍｍである。太径側の軸部９の端部外周に、ロール胴部７と接合させるための雄ねじを設けた。
【００２８】
このようなロール胴部７、軸部８、軸部９を用意した後、ロール胴部７の両端部に軸部８、軸部９を、ロール胴部７の回転軸と同軸におのおの螺合させることにより、本発明のサポートロール５を組立てた。ロール胴部７に軸部８および軸部９を強固に固定するために、また溶融金属がねじ接合箇所に侵入しないように、ねじ部に耐熱性接着剤を塗布した後、螺合するのが好ましい。このように組立てたサポートロール５には、回転軸方向に、軸部８、ロール胴部７、軸部９を貫いた貫通孔が形成されることになる。サポートロール５を溶融金属浴中に浸漬したとき、この貫通孔内に溶融金属が侵入し充たされる。一方、サポートロール５を溶融金属浴中から引き揚げた際には、貫通孔両端の開口部から溶融金属が円滑に排出される。
【００２９】
また、前記本発明の窒化ケイ素系セラミックス焼結体と同様に作製した焼結体から、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。
【００３０】
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。窒化ケイ素系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。
【００３１】
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０．１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。
【００３２】
本発明の窒化ケイ素系焼結体からなるサポートロール５を図１に示す連続溶融金属めっき装置において、板厚が２ｍｍ、板幅が１３００ｍｍのＳＵＳ３００系ステンレス鋼板の亜鉛めっき処理を行い実験した。
【００３３】
本発明のサポートロール５は、約１ヶ月の連続使用後、侵食、摩耗が殆ど見られず、熱伝導率が５０Ｗ／（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。また、ロール自重が軽いので回転しやすく、起動および鋼板の走行速度の変化に良好に追従し、さらに摩耗によるロールや鋼板の振動の発生を抑えられるので高品質なめっき特性の鋼板が得られた。
【００３４】
以上、サポートロールの実施例について述べたが、本発明はシンクロールなど各種の連続溶融金属めっき用ロールに適用できることは言うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の連続溶融金属めっき用ロールによれば、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く、高品質なめっき特性の鋼板を安定して生産できるロールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】連続溶融金属めっき装置の概略を示す図である。
【図２】本発明のサポートロールの断面図を示す図である。
【符号の説明】
１ 鋼板、 ２ スナウト、 ３ 溶融金属浴、 ４ シンクロール、
５ サポートロール、 ６ ガスワイピング、 ７ ロール胴部、
８ 軸部、 ９ 軸部

Claims (2)

1. 中空状のロール胴部の両端部に軸部を接合して構成される連続溶融金属めっき用ロールであって、少なくともロール胴部が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５．０重量％以下であり、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする連続溶融金属めっき用ロール。
2. 前記窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度が９８％以上であり、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または２に記載の連続溶融金属めっき用ロール。

Images