JP2008221303A - セラミックス製ロール - Google Patents

Abstract

【課題】 金属製軸材の駆動力をセラミックス製スリーブに確実に伝えることができるセラミックス製ロールを提供する。
【解決手段】 金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させ、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、金属製軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するセラミックス製スリーブの側面が当接し、少なくとも一方の側面に摩擦係数を増大させるための凸凹部を形成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材を製造する圧延工程等の鉄鋼生産設備ラインで用いられる搬送用ロール、ガイドローラ、圧延ロール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」と総称する。）に係わる。詳しくは、金属製軸材の外周に中空円筒状のセラミックス製スリーブを嵌着させたセラミックス製ロールに関し、金属製軸材から伝達される駆動力を搬送されるワークに伝えるロールに好適なものである。

鋼材を製造する鉄鋼生産設備ラインにおいては、搬送等種々の用途にロール（搬送ロール、テーブルロール、ガイドローラ、スクイズロール、ピンチロール、スイングロール等）が用いられている。そのうち、ロール表面の鋼材と接触する表層部分を耐摩耗性、耐熱性、絶縁性等に優れるセラミックス焼結体で形成したセラミックス製ロールが知られている。

例えば特許文献１には、金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させた搬送用ロールなどのセラミックス製ロールにおいて、軸材に１個または複数個のセラミックス製スリーブを外嵌させて、セラミックス製スリーブの両端部にセラミックス製スリーブより外径の小さい金属製スリーブを配置し、軸材に設けた弾性部材および金属製締付部材により金属製スリーブを側圧し、セラミックス製スリーブを固定したセラミックス製ロールが記載されている。

また特許文献２には、金属製芯金の外側に電気絶縁層を有するスリーブを嵌合した熱間圧延ラインの搬送ロールにおいて、ロール端部にばねを設置し、該ばねと電気絶縁層を有するスリーブ間に金属製スリーブを介在させ、該ばねによって該金属製スリーブを介して電気絶縁層を有するスリーブに圧縮荷重を与えるようにした熱間圧延ラインの搬送ロールが開示されている。

特開２００４−１６７５０２号公報 特開２００６−８６７号公報

従来から鉄鋼生産設備ライン用ロールとして、例えばクロムモリブデン鋼の金属製軸材（シャフト、芯金とも呼ばれる。）の外周に冷間ダイス鋼の金属製スリーブを嵌着したロールが用いられている。このロールは特に耐摩耗性に劣るため、金属製スリーブに替えて耐摩耗性に優れる窒化ケイ素、サイアロン等からなるセラミックス製スリーブを適用することが行なわれている。

しかしながら、この種のセラミックス製ロールの場合、使用時に温度上昇が伴う用途では、セラミックス製スリーブと金属製軸材との間で発生する熱膨張差に起因する問題を抱える。すなわち、スリーブを形成するセラミックスの熱膨張係数は、軸材を形成する鉄系合金やニッケル系合金のそれに比べ６分の１から３分の１と小さいことから発生する熱膨張差によりセラミックスの張り割れや熱応力による破壊を起こしやすいという問題があった。以下さらに詳しく説明する。

図４は、セラミックス製スリーブと金属製軸材で構成される従来のセラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす概略図である。セラミックス製ロールは金属製軸材１と、セラミックス製スリーブ２と、内面にねじ部を形成した締付部材であるナット３とから構成される。軸材１は中実体であり一端部に鍔部１５、他端部外周にナット３と螺合されるねじ部を有する。軸材１にスリーブ２を外嵌した後、軸材１のねじ部にナット３をねじ込むことにより軸材１とスリーブ２が固定される。

セラミックス製ロールは使用状態における熱膨張差を考慮して、軸材１の外径とスリーブ２の内径との間に組立ギャップδ0を設ける。また、ナット３は軸材１とのねじ部を介して組立時に所定の締付力Ｆを側圧として付与する。

ナット３による締付力Ｆをスリーブ２に確実に作用させるために、ナット３がねじ込まれる軸材１の他端部に設けた雄ねじの逃げ加工終了位置の鉛直側面１３と、ナット３の内面に設けた雌ねじ加工終了位置の鉛直側面１４の両者が接触しないように適切な組立ギャップΔを設ける。さらに、ナット３に緩み止め（図示せず）を施し、ナット３と軸材１の位置関係にずれが生じないようにする。これにより組立時の締付力Ｆを確保する。

図３は、前記従来のセラミックス製ロールの使用昇温時における状態を表わす概略図である。高温下での使用時に、軸材１とスリーブ２がともにＴ℃まで昇温したと仮定したものである。このとき、ロール軸方向において軸材１とスリーブ２の熱膨張差で生じるギャップδs（＝Ｂ１−Ａ１）が発生する。Ａ１は室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡがＴ℃の時に熱膨張した長さである。またＢ１は室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡに対応する領域にある軸材１の軸方向長さＢがＴ℃の時に熱膨張した長さである。

また、ロール径方向においても軸材１とスリーブ２はともに熱膨張する。ここで、室温におけるスリーブ２の内径φＤａが、Ｔ℃の時に熱膨張した内径をφＤａ1（図示せず）とする。また室温における軸材１の外径φＤｂが、Ｔ℃の時に熱膨張した外径をφＤｂ1（図示せず）とする。このとき、仮にφＤｂ１＞φＤａ1となる熱膨張が生じると内圧ｐが作用する。以上から従来のセラミックス製ロールには次の課題がある。

（ａ）使用昇温時にスリーブ２とナット３の間にギャップδｓを生じて組立時に側圧作用していた締付力Ｆが開放される。このため、軸材１から伝達される駆動力を搬送されるワークに伝えるロールの場合は、軸材１から伝達される駆動力をスリーブ２経由して搬送されるワークに伝えることができなくなる。

（ｂ）組立ギャップδ0は、ロール使用時の昇温温度を想定して構造体設計時に設定する。ロール使用時の昇温温度は厳密には軸材１の温度Ｔ１℃とスリーブ２の温度Ｔ２℃にそれぞれ分けて想定する。この昇温温度が想定を超える場合またはスリーブ２の温度Ｔ２℃に比べて軸材１の温度Ｔ１℃が極端に高くなった場合、内圧ｐが大きくなり過ぎてスリーブ２が張り割れる可能性が高くなる。

このスリーブ２の張り割れに対しては、スリーブ２の内径φＤａと軸材１の外径φＤｂとの間に適正なφＤａ−φＤｂの組立ギャップδ0を設ける。使用昇温時にもギャップが存在するか材料強度に比べて十分な安全率が確保できる程度の締まり嵌めとなるように、組立て時に熱膨張差を勘案して寸法を設定することによりスリーブ２の張り割れを防止できる。

前記のような従来のセラミックス製ロールの組立時に側圧作用していた締付力が開放されるという課題に対し、以下のような改良手段が知られている。

図２は、改良を施した従来のセラミックス製ロールの概略図である。図中の中心線Ｌより上側は、セラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす。また中心線Ｌより下側は、使用昇温時における状態を表わす。

セラミックス製スリーブ２とナット３との間に弾性部材の皿ばね４を介在させた点を除いて、前記従来のセラミックス製ロールと同様の構成である。ナット３には緩み止め（図示せず）が施工されており組立時と同じ室温下では締付力Ｆが確保され、ナット３からの側圧がスリーブ２に作用している。

室温時における組立状態では、スリーブ２とナット３の間に皿ばね４が装着され、皿ばね４の厚さが装着前の自由厚さｔ0から締結後の厚さｔに圧縮されるようにナット３が軸材１の雄ねじ部１２に締結される。このとき、前述のような軸材１の端部外周に設けた雄ねじの逃げ加工終了位置の鉛直側面１３と、ナット３の内面に設けた雌ねじ加工終了位置の鉛直側面１４とが接触しないための組立ギャップΔは設けられておらず、ナット３は軸材１に当接するまでねじ込まれる。スリーブ２には、皿ばね４の撓み（＝ｔ0−ｔ）に皿ばねのバネ定数を掛けた値で求められる締付力Ｆが作用する。

使用昇温時における状態では、次のようになる。ここで、使用昇温時とは軸材１とスリーブ２がともにＴ℃まで昇温したと仮定したものである。室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡがＴ℃の時に熱膨張した長さをＡ１とする。室温における皿ばね４を介しての軸材１の締上げ長さＣがＴ℃の時に熱膨張した長さをＣ１とする。

このとき昇温時には、軸材１とスリーブ２の熱膨張係数の差により、皿ばね４の厚さは組立時のｔ（＝Ｃ−Ａ）からｔ1（＝ｔ＋Ｃ１−Ａ１）に変化する。Ｔ℃における皿ばね４の厚さｔ1と皿ばね４の自由厚さｔ0との間に、ｔ1＜ｔ0の関係が成立するかぎり、スリーブ２には皿ばね４により締付力Ｆ１が作用する。つまりスリーブ２を軸材１の鍔部１５に押し付ける面圧が作用する。

この締付力Ｆ１は組立時の締付力Ｆに対して、Ｆ１＜Ｆの関係にあり使用昇温時において必要となる適正締付力がＦ１となるように組立時の締付力Ｆを設定することで、前述のロール軸方向の熱膨張に係わる課題（ａ）を幾分解決することができる。

しかしながら、この改良を施した従来のセラミックス製ロールにおいても、大きな伝達トルクが発生する場合は、軸材１の鍔部１５の側面とそれと対向するスリーブ２の側面との間で滑りが発生しやすく、駆動力を十分伝達することができないという問題があった。

そこで本発明の目的は、金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させ、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールにおいて、軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができるセラミックス製ロールを提供することである。

本発明は前記課題に鑑みて以下の技術的思想に基づいて完成したものである。
（１）使用昇温時におけるセラミックス製ロールのスリーブと軸材との間で発生するロール軸方向の熱膨張差を弾性部材により吸収する。

（２）軸材の鍔部の側面とそれと対向するスリーブの側面との接触面の表面粗さを粗くすることにより、摩擦係数を増大させて軸材とスリーブとの滑りを防止し駆動力を十分伝達する。

すなわち本発明は、金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させ、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、金属製軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するセラミックス製スリーブの側面が当接し、少なくとも一方の側面に摩擦係数を増大させるための凸凹部を形成したことを特徴とする。

また本発明は、前記金属製軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するセラミックス製スリーブの側面との接触面の摩擦係数が０．８以上であることを特徴とする。

また、前記凸凹部を粗目の研磨加工またはショットブラスト処理により形成したことを特徴とする。

本発明によれば、使用昇温時におけるセラミックス製ロールのスリーブと軸材との間で発生するロール軸方向の熱膨張差を弾性部材により吸収できる。また、軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するスリーブの側面との少なくとも一方の側面に摩擦係数を増大させるための凸凹部を形成したため、好ましくは両者の接触面の摩擦係数を０．８以上に確保したため、軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができる。

（実施例）
図１は本発明実施例のセラミックス製ロールの概略断面図である。図中の中心線Ｌより上側は、セラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす。また中心線Ｌより下側は、使用昇温時における状態を表わす。

本発明のセラミックス製ロールは金属製軸材１と、中空円筒状のセラミックス製スリーブ２と、締付部材であるナット３と、弾性部材である皿ばね４とから構成される。

軸材１は中実状の鋼材からなり、軸材１の一端部に一体形成された円状の鍔部１５、他端部の外周にナット３と螺合される雄ねじ部１２を形成する。鍔部１５のスリーブ２と対向する側面２０に粗い粗度の研磨砥石で研磨加工することにより摩擦係数を増大させるための凹凸部を形成する。ショットブラスト処理により表面粗さを粗くしてもよい。

スリーブ２は窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなる。窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度９９．３％、常温における熱伝導率５１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度９００ＭＰａである。スリーブ２の軸材１の鍔部１５に対向する側面２１に粗い粗度の研磨砥石で研磨加工することにより摩擦係数を増大させるための凹凸部を形成した。

ナット３はリング状の鋼材からなり、ナット３の内周面に軸材１の雄ねじ部１２と螺合されるねじ部を設ける。皿ばね４は金属からなり複数個で構成されスリーブ２およびナット３と当接するように介在される。

本発明実施例のセラミックス製ロールの組立方法を説明する。まず、軸材１の鍔部１５を下側にして軸材１を立てる。次いでスリーブ２を軸材１の外周に挿入する。上面側に現われたスリーブ２のナット３に対向する側面に皿ばね４を載置する。

この後、軸材１に形成された雄ねじ部１２にナット３を完全にねじ込み、皿ばね４をスリーブ２およびナット３との間に伸縮自在に当接させる。次いで、緩み止めを施してナット３と軸材１の一体化を行い組立作業が完了する。

この組立により軸材１の一端部に形成した鍔部１５の側面２０とこれと対向するスリーブの側面２１との接触面の摩擦係数が０．８以上になるようにした。

また室温時における組立状態では、スリーブ２の内径φＤａと軸材１の外径φＤｂとの間に適正なφＤａ−φＤｂの組立ギャップδ0を設ける。使用昇温時にもギャップが存在するか材料強度に比べて十分な安全率が確保できる程度の締まり嵌めとなるように、組立て時に熱膨張差を勘案して寸法を設定することにより、セラミックス製スリーブの張り割れを防止できる。

本発明のセラミックス製ロールを実機ラインに適用した結果、耐摩耗性、耐熱性等は良好であり、金属製軸材の駆動力をセラミックス製スリーブに確実に伝えることができ、スリーブと軸材の熱膨張係数差に起因するセラミックスの張り割れは見られず、安定した操業を実現することができた。

本発明のセラミックス製ロールによれば、金属製軸材の駆動力をセラミックス製スリーブに確実に伝えることができる。

本発明実施例のセラミックス製ロールの概略断面図である。 改良を施した従来のセラミックス製ロールの概略図である。 従来のセラミックス製ロールの使用昇温時における状態を表わす概略図である。 従来のセラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす概略図である。

符号の説明

１ 金属製軸材、 ２ セラミックス製スリーブ、 ３ ナット、 ４ 皿ばね、
１２ 雄ねじ部、 １３ 軸材の鉛直側面、 １４ ナットの鉛直側面、
１５ 鍔部

Claims (3)

1. 金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させ、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、金属製軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するセラミックス製スリーブの側面が当接し、少なくとも一方の側面に摩擦係数を増大させるための凸凹部を形成したことを特徴とするセラミックス製ロール。
2. 前記金属製軸材の一端部に形成した鍔部の側面とこれと対向するセラミックス製スリーブの側面との接触面の摩擦係数が０．８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。
3. 前記凸凹部を粗目の研磨加工またはショットブラスト処理により形成した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。