JP3687519B2 - ロールコーターのメタリングロール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製紙機械の抄紙機に組み込まれた、塗工用あるいはサイズ用のゲートロールコーターに代表されるロールコーターのメタリングロールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なロールコーターにおけるロールの配置例を図１に示す。図中、１はアプリケーターロール、２はメタリングロール、３はファウンテンロール、４はサイズ液またはコート液、５は紙である。この種のロールコーターは、製紙機械の抄紙機に組み込まれて、連続的に抄造される紙の印刷適性等の改善のために表面に填料を含む液、つまり塗工液（コート液と称されることも多い）をコーティングしたり、あるいは印刷インクの裏抜けを防止する為の塗料を紙に浸透させるいわゆるサイズ液をコーティングする目的に利用されるものである。図１の例では紙の表裏面を同時にコーティングする為に３本１組のロール列がそれぞれ斜め上下方向に、対で配置されている。紙の片側面にコート液やサイズ液をコーティングする場合には、いずれか１対のロール列を利用する。従来から紙と直接接触するアプリケーターロールとファウンテンロールに挟まれたメタリングロールには、慣習的に鋼製ロールの表面にクロムめっきが被覆されて利用されてきた。
【０００３】
ロールコーターがコート紙に対する下塗りに利用されていた時代には、クロムめっき被覆されたメタリングロールに腐食という事例はなかったが、新聞用紙の多色刷りの時代を迎えて積極的にロールコーターを抄紙機に導入するようになって以来、色々な填料を配合されたコート液やサイズ液を利用するマシーンが出現してきた。それと同時に従来まで腐食のトラブルのなかったクロムめっき被覆メタリングロールにおいて、コーティングという機能上、最も嫌われる下地の鋼材の腐食による錆の染み出しとクロムめっき皮膜の膨れが多発してきた。その原因はクロムめっき層には固有な微細割れ（クラック）が存在しており、繰り返し回転し疲労を与えられるロールの宿命から、使用中にクラックが深さ方向（素材方向）に進展、伝播し、素材に到達することがコート液やサイズ液の浸透を容易ならしめるためである。つまり、コート液やサイズ液の組成が複雑化し、色々な成分を含むようになると、先程のクロムめっきの割れが原因で急速に素材の侵食と発錆が起こり、クロムめっきの膨れに至るのである。
【０００４】
この対策として特公平１−１９４７７号公報に記載されるニッケルめっきを下層に設けた後、クロムめっきを被覆する方法で下地の防食を計り、発錆とクロムめっきの膨れを防止することを試みたところ、一部のゲートロールコーターにおいてはそれなりの効果が認められたが、今度はニッケルめっき層とクロムめっき層との間で腐食を誘発する事例も多発し、赤錆の代わりに緑色の腐食生成物の染み出しとクロムめっきの膨れとが見られるようになった。
【０００５】
一方、クロムめっき以外の皮膜を積極的に各種産業用ロールに適用しようとする試みがあり、例えば特開平１０−１８０８１号公報のニッケル−タングステン−ホウ素からなる三元合金の提案例がある。しかし、この合金はめっき上がりの硬度がクロムめっきに及ばず、３００℃以上で加熱することによって初めてクロムめっきに匹敵する硬度とすることが可能である。ところが製紙用のロールは近年の大径、長大化、高速運転化の時代を迎えて、これに対応する大型の専用加熱設備を準備するのも経済的に大きな負担となる。加えて合金化するホウ素の量が１％を超えると被膜応力が増大し、実際には皮膜にクラックを生ずることやホウ素を共析するとニッケル−タングステン合金の課題である耐変色性に劣る傾向をより好ましくない方向とし、サイズ液やコート液と接触させると皮膜の著しい変色を生ずる欠点がある。またメタリングロールは、通常、通紙部以外のロール両端近傍に付着する余剰コート液やサイズ液を掻き落とすためのプラスチック製のエッジワイパーと称する一種のドクターブレードを常時押し当てているが、めっきしたままでは摺動傷が付き、いわゆる摺動摩耗にいささか問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように一般的には硬度、耐変色性、耐摩耗性に優れるクロムめっきの持つ唯一の難点である割れと実操業におけるアプリケーターロールとファウンテンロールによる加圧に加えて、ロールの周速差の加わった擦れの要素が、元々内在するクロムめっきの割れを助長、促進し、下地の防食性を低下せしめている。その対策としては、クロムめっきに内在する割れが出来るだけ下地に到達しないように必要以上に厚膜化したり、厚膜化において、割れ目が継続して進展しないように２回から３回に分けて多層のクロムめっきを行うことで一時的な寿命延長策としてきた。
【０００７】
また、クロムめっきと割れは切り離せず、不可避であるとの認識に立ち、柔軟性と耐蝕性、下地防食性に優れるニッケルめっきをクロムめっきの下層に設けることで、メタリングロールに見られる腐食現象を回避しようとしてきた。しかしながら、マシーンの高速化や紙品質向上の要求から使用されるサイズ液とコート液の多様化は、ロール素管やニッケルめっきの腐食をより助長し、現在ではクロムめっきの膨れ現象が無くなるどころか、むしろ増大しているような状況である。一方、クロムめっきから染み出す錆は、サイズ液やコート液をコーティングする紙の汚れに繋がり、また、クロムめっきの膨れは、コーティング時の塗膜厚みが局所的に薄くなる塗りムラの発生、さらにはウレタン樹脂被覆のアプリケーターロール及びニトリルゴム被覆のファウンテンロールの表面損傷にも繋がって、操業上最も忌み嫌われている。
【０００８】
このような状況に鑑みて、発明者らは硬度アップのための特別な加熱処理を必要とせず、下地防食性と耐変色性、耐傷性に優れるロールコーターのメタリングロールを経済的に提供すべく鋭意研究を重ねた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ロールコーターのメタリングロールの腐食トラブルを解消するためには、メタリングロールの利用環境、つまり、コート液、サイズ液、運転条件などに関する幅広い知識が必要である。そこでまずサイズ液やコート液に関する配合例を詳細に調査して腐食を誘発するであろう成分を特定し、代表的な腐食液組成を３種類決定した。これらの代表的な配合液を用いて、めっきを含む各種材料の分極曲線の調査から腐食現象の検討を行った。
【００１０】
１）各種材料の分極曲線測定による自然電位と腐食電流及び外観変化
素材の炭素鋼として５０ｍｍ角、１０ｍｍ厚のＳ４５Ｃを選定し、この表面に各種材料を被覆して試験片とした。被覆した皮膜の厚みはいずれも２００〜３００μｍとし、丁寧に整面して下地の影響がないようにした。
【００１１】
分極曲線を求め自然電位と腐食電流を算定するには電解液を必要とするが、調査したコート液やサイズ液から３種類のものを用いた。擬似サイズ液の組成は、６．０％澱粉、０．６％食塩、その他微量成分を含むものとした。擬似コート液の組成は、３．０％澱粉、飽和炭酸水素ナトリウム、その他微量成分を含むものとした。比較用電解液の組成は、３．５％食塩とした。また、参照電極としては銀／塩化銀電極を用いた。各種材料の自然電位と腐食電流および測定後の外観変化を表１に示す。
【００１２】
【表１】

【００１３】
どの材料も自然電位だけを見ると比較用炭素鋼よりも貴電位にあり、中でも酸化クロムは最も貴なプラス電位を示している。一方でクロムめっき、タングステンカーバイト、酸化クロムは腐食電流も低く、耐蝕的に好ましい状態であることを示唆している。ニッケル下層とクロム上層の組み合わせを自然電位で見ると、比較用食塩水と擬似サイズ液についてはニッケルが貴電位、擬似コート液についてはクロムが貴電位になっており、前二者についてはニッケルが腐食する組み合わせとなっていないにも関わらず、実際のメタリングロールでは下層のニッケルが腐食していて必ずしも実態を反映していないと判断されたので、運転中に最表層の被膜に疲労破壊や異物噛み込みによる亀裂が入ったことを想定した供試片を作製して同様に分極曲線を測定することとした。なお、試験後の外観からはクロムめっき、タングステンカーバイト溶射、酸化クロム溶射などは変化がない、あるいは少ないという理由で良さそうであるという結果となった。
【００１４】
２）実操業と実際の皮膜構成を加味した分極曲線測定による自然電位と腐食電流及び外観変化
試験片については、素材として炭素鋼を利用するのは前と同様であるが、実機での利用を想定すると、皮膜硬度と耐変色性から単層で利用し得る皮膜はビッカース硬度８００以上のクロムめっき、タングステンカーバイト溶射皮膜、酸化クロム溶射皮膜のみと考えられ、ニッケルめっき、ニッケル−タングステン合金めっき、ニッケル−リン合金めっきについては、その表面硬度と変色性から単独での使用は困難と判断され、クロムめっきを上層とした試験片を作製した。いずれの試験片にも最外層となる皮膜には３０〜５０μｍ幅で５０ｍｍ長さの下層にまで到達する人為欠陥部を試験片の中央部に設けたものを準備した。擬似サイズ液、擬似コート液、比較用食塩水としては、表１と同じ組成のものを用いた。異種金属が電解質を介して接続された場合の自然電位と腐食電流及び外観変化を表２に示す。
【００１５】
【表２】

【００１６】
表２の結果は、表１とは随分と様相が異なっており、自然電位や腐食電流にも相当違いが見られ、一種の複合自然電位となっている。しかも腐食電流も著しく変化している。しかし、効果の有無の判断は、最外層の皮膜に変色のないこと及びその下層ないし下地材料に腐食している傾向があるかどうかで行った。この観点からすると、測定に供した電解液全てに対して、ニッケル−タングステン合金めっきとクロムめっきとの組み合わせが最も安定していることを見出した。そしてまた当然のことではあるが、タングステンカーバイト溶射や酸化クロム溶射のようなものは、皮膜自体の耐蝕性が良いとしても、施工時に生ずる宿命的な気孔の存在が耐下地防食性を左右することは、この結果からも推測出来る。
【００１７】
ニッケル−タングステン合金をクロムめっき下層に被覆すると、クロムめっきに欠陥があっても耐蝕的に何等問題のないことを見出したが、この結果は従来、クロムめっきを１５０μｍ以上の厚膜となし、これを達成するために２〜３回にも分けてクロムを多層化して、下地防食性を計ろうとしていた従来技術に対して、薄いクロムめっき層の下層にニッケル−タングステン合金めっき層を設けることで、表面硬度とエッジワイパーによる耐摺動摩耗に必要な膜厚とすれば良いことになり、大幅な薄膜化が可能となる。従って、適正なクロムめっき厚は、５〜１００μｍ、最も好ましい範囲は１０〜３０μｍとなる。一方、クロムめっきの下層に設けるニッケル−タングステン合金の被覆厚は、下地を充分カバー出来れば良いということになり、必要以上に厚くしても不経済となる。掛かる意味で１０〜２００μｍ、より好ましくは２０〜５０μｍの範囲である。また、タングステン含有量を１０〜５０％（重量％）の範囲とするのは、タングステン含有量が５０％を超えるとニッケル−タングステン合金の析出が困難となり、反対に、タングステン含有量が１０％未満では応力が増大して皮膜に割れが生じやすく耐食的にも好ましくないという理由によるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
分極曲線を測定するという電気化学的測定の結果から、ニッケル−タングステン合金めっきとクロムめっきとを組み合わせると大抵のコート液やサイズ液に対して耐食的であることを見出せたが、実際には加圧、回転、異速タッチの擦れという操業条件下での外観変化を見た試験ではない。そこでメタリングロールが利用される条件を人為的に造り出し、長期運転中の経時変化を見た。これらを実施例で説明する。
【００１９】
（実施例１）
図２に示すような擬似ゲートロールコーターを作製して試験に供したが、アプリケーターロール１に該当するウレタン樹脂被覆ロールは、４１０ｍｍ外径×５００ｍｍ長さとし、またテスト用のメタリングロール２は、３６０ｍｍ外径×１００ｍｍ長さのものを都合１５本用意して、それぞれクロムめっき２００μｍを３本、酸化クロム溶射２００μｍを３本、タングステンカーバイト−ニッケルクロム溶射２００μｍを３本、ニッケルめっき１００μｍ＋クロムめっき２００μｍを３本、ニッケル−４０％タングステン合金めっき１００μｍ＋クロムめっき５０μｍを３本準備した。表面仕上げ粗さはいずれも１μＲｙ以下とし、図２の如く、それぞれ異なる表面処理を被覆したものを組み合わて１セットとして試験に供した。
【００２０】
初回の試験は表１ないし表２の代表的比較液を、２回目の試験では擬似サイズ液を、３回目の試験では擬似コート液を連続滴下しながら皮膜の変化を観察した。なお、試験条件は表３の通りとした。この試験では最外層にいずれもビッカース硬度が８００以上の皮膜が用いられ、摺動特性はいずれも良好であることを事前に確認しているので、この試験ではエッジワイパーの影響を加味していない。
【００２１】
【表３】

【００２２】
以上のような条件下に数箇月単位で昼夜連続試験を繰り返したところ、表４に示すような結果となり、実機に近い条件下での確認試験においてもニッケル−タングステン合金を下層に有するクロムめっきが最も良好な耐蝕性と耐変色性を示すことが明らかである。
【００２３】
【表４】

【００２４】
（実施例２）
コート原紙抄造用の抄紙機に組み込まれたゲートロールコーターのメタリングロールに、ニッケル−４０％タングステン合金を厚さ５０μｍ被覆し、軽くバフ研摩した後、酸活性し、クロムめっきを３０μｍ被覆して再度バフ研摩した。当メタリングロールは直径９６０ｍｍでロール面長は６，１５０ｍｍ、全長８，４２５ｍｍであり、抄造速度は、１，１００ｍ／分、アプリケーターロールとメタリングロールの接触面圧は、１０ｋｇ／ｃｍ² である。運転開始後、約１年半が経過しているが、両端部に僅かにエッジワイパーによる摺動傷が見られる程度で継続して使用中である。なお、従来のめっき仕様は、初回５０μｍ、２回目７０μｍ、最終（３回目）３０μｍの３層クロムめっきであり、８〜９箇月で全面に直径５〜８ｍｍのクロムめっきの膨れと一部では錆が見られていた。
【００２５】
なお、本発明はゲートロールコーターのメタリングロールについて記載したものであるが、類似の用途として水塗工用のコーターのアプリケーターロール（ゲートロールコーターではメタリングロールに該当）にも適用出来る。水塗工用コントラコーターの概略図を図３に、水塗工用コーターの概略図を図４に示す。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によるメタリングロールは、ニッケル−タングステン合金により下地防食性を高めると共に、クロムめっきとの異種金属層間での電位差腐食も見られず、大抵のコート液やサイズ液に耐え得るものである。加えてクロムめっき特有の耐変色性と耐傷性から長期に亘って安定した外観を維持出来る。また、両者を組み合わせたことによる効果によって全体的にめっき膜厚を薄膜に設定出来るので経済的でもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタリングロールを適用されるロールコーターの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例１として作製した擬似ゲートロールコーターの構成を示す説明図である。
【図３】本発明のメタリングロールを適用できる水塗工用コントラコーターの構成を示す説明図である。
【図４】本発明のメタリングロールを適用できる水塗工用コーターの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ アプリケーターロール
２ メタリングロール
３ ファウンテンロール
４ サイズ液またはコート液
５ 紙

Claims (3)

1. コート液あるいはサイズ液のような製紙工程で用いるコーティング液に晒されるロールコーターのメタリングロールにおいて、最外層にクロムめっきに内在する割れが下地に到達し得る一層のクロムめっき層を有し、その下層の直接的にクロムめっきと接触する層にニッケルを主成分とするニッケル−タングステン二元合金めっき層を有することを特徴とするロールコーターのメタリングロール。
2. ニッケル−タングステン合金めっき層の被覆厚を１０〜２００μｍの範囲とし、タングステン含有量を１０〜５０％の範囲としたことを特徴とする請求項１記載のロールコーターのメタリングロール。
3. ニッケル−タングステン合金めっき層の表面に被覆されるクロムめっき層の被覆厚を５〜１００μｍの範囲としたことを特徴とする請求項１または２記載のロールコーターのメタリングロール。

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