JP2007521421A - エッジを備えた道具及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、パルプ及び／又は紙の製造において、製造工程の種々の段階で、拭い取り具として用いるための、例えばドクターブレードなどのエッジを備えた道具に関するものである。この道具は、エッジを備えた鋼鉄製の帯状部材からなる。この帯状部材のエッジ部は、レーザ技術により形成された耐摩耗性の被膜を備えている。ここで、上記被膜と鋼鉄製の帯状部材との間には金属結合が存在し、このため、８５０ＨＶを超えるレベルの表面硬度を実現することができる。これにより、耐用年数の長い耐摩耗性を有するドクターブレードを実現することができる。
Description
本発明は、エッジを備えた道具及びその製造方法に関するものである。
「ドクターブレード」と呼ばれている掻き取り刃又は清掃刃は、製紙工業及びパルプ工業において、種々の目的で幅広く用いられている。しかし、大抵の場合、回転式のローラの表面から材料又は余剰物を清掃し又は掻き取る機能を有している。このようなドクターブレードは、例えば、シリンダの表面を掻くことにより、乾燥した硬いシリンダから紙の繊維を除去することを目的としている。
製紙用パルプは、ドクターブレードを摩耗させる紙繊維、大きい粒子及び二酸化珪素などの充填物（filler）を含む。この摩耗は、エッジに沿って実質的に均一に分布する。この場合、摩耗の速度は腐食の速度よりも大きい。さらに、ドクターブレードは、通常は１日よりもかなり短い、非常に短い耐用期間を有する消耗品と考えられている。多くの場合、ほぼ５時間経過後には交換されてしまう。通常、ロータブレードの再研磨は行われず、使用後は廃棄される。
ドクターブレードに使用するための製紙用ミル（paper mill）には種々の原理が存在し、これは一般に、エッジの形成のために最初に装着されている。これが形成されたときには、摩耗は比較的均一となる。適切な「現場」での研磨は、製造された紙の品質に影響を及ぼす効果を生じさせるものと思われる。ドクターブレードは、紙の製造工程の後段の段階で用いられる場合、それは紙の表面構造及び紙の品質に影響を及ぼし、それゆえ非常に臨界的なパラメータ（critical parameter）であると考えられる。ドクターブレードは、種々の長さのものであってもよく、長さを約１〜１０ｍの間で変えてよい。
かくして、ドクターブレードには大きい摩耗が生じるので、その耐用期間を伸ばすために、シリンダと接触するブレードの部分に耐摩耗性材料を付加するなどといった種々の技術が用いられる。ブレードのエッジ表面又は頂部を強化するこのような具体例として、現在、セラミックの硬い被膜を設けるといったことが、ブレードの摩耗を低減するための実用的な解決策としてあげられる。このようなセラミックの被膜は、通常、硬化させられ熱処理が施された炭素鋼でつくられたドクターブレードに形成され、プラズマ溶射（plasma spraying）又はプラズマ蒸着（plasma depositing）などといった熱溶射によって形成することができる。
この種のドクターブレードの掻き取り刃又は清掃刃（英語では「ドクターブレード」）に耐摩耗性被膜を形成するための技術の具体例は、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示されている。これらの全ての既知の技術は、回転式のシリンダの表面と接触するブレードの部分に耐摩耗性被膜形成することを目的としている。
英国特許出願公開第９７８９８８号明細書
英国特許出願公開第１２８９６０９号明細書
英国特許出願公開第２１３０９２４号明細書
従来技術によれば、エッジを備えた道具の物性と、耐用期間ひいては紙の品質への影響とを改良するため、ＨＶＯＦ（「High Velocity Oxygen Fuel（高速酸素燃料）」）による熱（温）溶射が、他の手法とともに用いられる。この方法は、約１０００℃で、添加材料の焼結（sintering、シンタリング）と、いわゆる拡散結合（diffusion binding）とを生じさせる。この被膜法における問題点は、割れ目（クラック）の発生、孔の発生、弱い結合力、接着性の問題等である。現在、溶射される材料はＡｌ２Ｏ３などのセラミックである。
このような状況に対して、本発明は、従来知られている道具に比べて良好な接着性（adhesion）を有する被膜（coating）を備えた、ドクターブレード（doctor blade）などといった、エッジ（edge）を備えた道具（tool）を提供することを可能にすることを目的とする。これとともに、その他に生じる道具の欠陥を最小化することを試み、これと同時に、完成した製品紙に引っ掻き傷が発生せず、所望の品質要求を満たすべきことを目的とする。さらに、表面処理によりつくられる基材への熱の影響又はエネルギ供給を、可能な限り最小化すべきことを目的とする。
本発明のさらなる目的は、耐用期間が長く、紙の製造時に引っ掻き傷及びその他の欠陥を生じさせず、紙に滑らかで精細な表面をもたせることができる、主としてドクターブレード型の清掃ブレード（cleaning blade）及び／又は掻き取り機（scraper）を製造することである。
これらの目的は、独立請求項に示された特徴を備えた道具を提供することにより、驚くべき成功でもって実現することができる。本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に示されている。
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明をより詳しく説明する。
本発明は、エッジを備えた道具と、その製造方法とに関するものである。よく詳しく述べれば、本発明は、「ドクターブレード（doctor blade）」と呼ばれているタイプの道具に関するものであり、例えば紙の製造において、引っ掻き傷（scratch）やその他の欠陥を生じさせることなく滑らか（smooth）で精細な（fine）紙製品を得るために用いられる拭い取り具（wiping tool）、掻き取り具（scraper）及び／又は清掃具（cleaning tool）に関するものである。また、通常はコータブレード（coater blade）と呼ばれ、またゼネラルナイフ（general knife）とも呼ばれている道具も本発明に含まれる。しかしながら、本発明の説明を促進するため、以下では本発明の主題を「ドクターブレード」ということにするが、この概念はその他の呼び名をもつものも含むことが意図されている。
かくして、図１はドクターブレード１を示し、このドクターブレード１は、ローラ２に当接するとともに、例えばローラ２からパルプを掻き取る（scrape）ようになっている。本発明に係るレーザ技術により材料のエッジ部を被覆する（coat）ために、うまく動作することが明らかである材料の好ましい例としては、少なくとも４５０ＨＶの硬度（hardness）を有する品質等級（grade）の鋼鉄（steel）があげられる。このような鋼鉄の具体例は、（重量％で）、０．８〜１．２％のＣ、好ましくは約１％のＣと、０．２０〜０．３５％のＳｉと、０．３５〜０．５０％のＭｎと、最大で０．０２％のＰと、最大で０．０１％のＳと、残部（balance）としてのＦｅとを含む組成の炭素鋼であり、０．５％未満の含有量で周期系（periodic system）のある追加の元素（additional element）を含んでいてもよい。
図２及び図３は鋼鉄製の帯状部材３（steel strip）を示し、この帯状部材のエッジ部には、本発明に係るレーザ技術により被膜４（coating）が形成されている。これにより、耐摩耗性が大幅に高められている。この被膜４は、例えば、酸化アルミニウム又はステライト（stellite、例えば、ステライト１２）で形成されている。レーザ技術は、その構成自体は当業者にはよく知られており、図５中に示されている。レーザ被覆加工（laser coating）においては、本発明に特有の、鋼鉄の基材（steel substrate）への原子結合（「金属結合」とも呼ばれる）が実現され、これは図３中に示されている。
図４は、本発明に係るドクターブレードの断面を示し、このドクターブレードは、例えばＴｉＣで被覆されている。レーザ含浸技術（laser impregnation technique）は、例えば国際公開第９９／５６９０６号パンフレットに記載されている。鋼鉄製の帯状部材は５で示され、レーザ技術により形成された含浸部（impregnation）は６で示されている。また、この図においては、粒子／炭化物が鋼鉄の基材内に浸透し（penetrate）、これにより両者の間の限界（limit）は大幅に消滅している（erase）。この被膜は、例えば、図２及び図３に示すような酸化アルミニウム又はステライトで実現され、他方含浸部は適切な炭化物及び／又は窒化物で実現される。
図５に示すように、帯状のドクターブレードのエッジが形成された部分における表面強化部（surface-reinforcing portion）は、レーザ技術により以下のような手法で形成される。すなわち、粉体材料７により供給される被膜は、該粉体がドクターブレード中の基材と融合する（fuse）熱を供給しつつエッジに供給され、その結果原子結合及び金属結合が生じる。熱の供給はレーザガン８により行われ、基材上に被膜９が形成される。粉体７の流れにより供給される材料は、好ましく、酸化アルミニウムなどの耐火性材料からなる。あるいは、ステライトなどの材料を用いてもよい。ドクターブレードに供給された被膜９に関しては、材料を迅速に冷却して、所望の精細な構造を得ることが重要である。これは、強靱性及び硬度の両方を実現することを特徴とする。これは、より詳しくは、８５０〜１３００ＨＶに対応する硬度レベルであるということができる。このようにして、表面層の高い支圧強度（bearing strength）と、低摩擦の要求とを同時に実現することができ、同時に所望の腐食抵抗を実現することができる。
前記のとおり、被膜は基本的には、酸化アルミニウム又はステライトで形成することができる。しかしながら、被膜は、酸化金属、珪酸金属、炭化金属、ホウ化金属、窒化金属及びこれらの混合物などのその他の耐火性材料で構成され、又は含んでいてもよい。とくに好ましいセラミック材料は、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化ジルコニウム、炭化タングステン（wolfram carbide）、炭化クロム、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、炭化チタニウム、窒化チタニウム、炭化ニオブ、及びホウ化ニオブのうちから選択される。
前記のとおり、レーザ含浸は、例えば、レーザ処理時に基材の表面に付加されたＴｉＣ、ＮｂＣ及びＴｉＣなどの炭化物及び窒化物によっても実現することができる。粒子は、レーザビームが材料の表面層を局所的に溶融させるのと同時に高いガス圧の下で溶射する（spray）ことにより添加され、これにより耐摩耗性の粒子が基材内に浸透することができる。さらに、レーザ被膜は、複数回（round）の処理を実施して、多重層のものを形成するようにしてもよい。これにより、鋼鉄製の帯状部材は、非常に耐摩耗性が高い表面を備える。
鋼鉄製の帯状部材の厚さは、紙工業におけるドクターブレードの通常のものであり、０．２ｍｍと３ｍｍの間、好ましくは０．３０５ｍｍと１．２７ｍｍとの間で変えることができる。被膜又は含浸部の厚さは、鋼鉄製の帯状部材の厚さの、５％と１５％の間であるのが好ましい。
１ ドクターブレード、２ ローラ、３ 鋼鉄製の帯状部材、４ 被膜、５ 鋼鉄製の帯状部材、６ レーザ含浸部、７ 粉体材料、８ レーザガン、９ 被膜。
Claims (12)
- 製紙用パルプ及び／又は紙の製造において、製造工程の種々の段階で、とくに拭い取り具、掻き取り具及び／又は清掃具として用いるためのドクターブレード又はコータブレードであって、
該ブレードはエッジを備えた鋼鉄製の帯状部材からなり、上記帯状部材のエッジ部は耐摩耗性の被膜を備えていて、
該ブレードのエッジ部は、レーザ技術により形成された表面強化被膜で被覆され、これにより上記耐摩耗性の被膜と上記鋼鉄製の帯状部材との間に金属結合が存在し、かつ、上記エッジ部が１０００ＨＶより高い硬度を有していることを特徴とするドクターブレード又はコータブレード。 - 上記耐摩耗性被膜が少なくとも８５０ＨＶのレベルの硬度を有していることを特徴とする、請求項１に記載のドクターブレード又はコータブレード。
- 該ブレードのエッジ部が、レーザ被覆加工により形成された表面層を有し、上記表面層の厚さが該ブレードの厚さの５〜１５％を構成していることを特徴とする、請求項１に記載のドクターブレード又はコータブレード。
- 該ブレードのエッジ部が、レーザ被覆加工又はレーザ含浸加工により形成された表面強化部を有し、上記表面強化部の厚さが該ブレードの厚さの５〜１５％を構成していることを特徴とする、請求項１に記載のドクターブレード又はコータブレード。
- 上記鋼鉄が、重量％で、０．８〜１．２％のＣ、好ましくは約１％のＣと、０．２０〜０．３５％のＳｉと、０．３５〜０．５０％のＭｎと、最大で０．０２％のＰと、最大で０．０１％のＳと、残部としてのＦｅとを含み、かつ、０．５％未満の含有量で周期系のある追加の元素を含んでいる化学組成を有する炭素鋼であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載のドクターブレード又はコータブレード。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載のドクターブレード又はコータブレードを製造する方法であって、
まず、鋼鉄からつくられた材料を圧延し（roll out）、
複数のエッジの１つに沿って形成されたエッジ部を備えるようにエッジ処理を行い、
次に、上記エッジ部に、レーザ技術により形成された表面強化層を設け、ここにおいて上記表面強化層とその下の鋼鉄基材との間に金属結合が生じるようにし、
粉体を供給している間に鋼鉄製の基材にレーザ処理を施すといった形態でエッジ処理を行い、ここにおいて粉体が鋼鉄の基材と融合して原子／金属結合を形成するように熱を供給するようにしたことを特徴とする方法。 - 請求項１〜５のいずれか１つに記載のドクターブレード又はコータブレードを製造する方法であって、
まず、鋼鉄からつくられた材料を圧延し、
複数のエッジの１つに沿って形成されたエッジ部を備えるようにエッジ処理を行い、
次に、上記エッジ部に、レーザ技術により形成された表面強化層を設け、ここにおいて上記表面強化層とその下の鋼鉄基材との間に金属結合が生じるようにし、
鋼鉄製の基材にレーザ含浸及び回復を施すといった形態でエッジ処理を行い、ここにおいてセラミック材料の材料粒子がレーザにより溶融した表面に浸透し、これにより原子／金属結合を形成するようにしたことを特徴とする方法。 - 供給される上記粉体が、基本的には酸化アルミニウムを含んでいることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
- 供給される上記粉体が、基本的にはステライトを含んでいることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
- 上記含浸を、ＴｉＣ、ＮｂＣ及び／又はＴｉＮなどの炭化物及び窒化物を鋼鉄の基材に供給するといった形態で実施することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１つに記載の方法。
- 上記鋼鉄の化学組成が、重量％で、０．８〜１．２％のＣ、好ましくは約１％のＣと、０．２０〜０．３５％のＳｉと、０．３５〜０．５０％のＭｎと、最大で０．０２％のＰと、最大で０．０１％のＳと、残部としてのＦｅとを含み、かつ、０．５％未満の含有量で周期系のある追加の元素を含んでいるものであることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれか１つに記載の方法。
- 上記耐摩耗性被膜が、８５０ＨＶより高いレベルの表面硬度を有していることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれか１つに記載の方法。
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