JP4426134B2 - 溶融金属めっき装置用部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属めっき装置用部材に関し，とくに溶融金属めっき鋼板製造ラインのめっき浴中機器、あるいはめっきライン中の合金化炉などの熱処理機器のうち、ロールシャンク（軸部）や、これを支えるスリーブなどの回転負荷のかかる部位の表面に靭性、耐溶融金属性ならびに耐久性に優れた皮膜を被覆してなる部材についての提案である。
【０００２】
【従来の技術】
シンクロール，サポートロール，スタビライザーロール（以上、浴中部材）、あるいはタッチロール（浴上，合金化炉間など）などのめっき装置用ロール、とくにロールシャンク，すなわちロール軸部や，スリーブ，軸受けメタルなどは摺動転がり面を有し、苛酷な条件下で使用されるものである。
【０００３】
上述したように、ロール軸部の機械的負荷（転動の負荷）は、ロール胴部のそれに比較して大きいのが普通である。そこで、このロール軸部の保護に対して従来、その基質材料がステンレス鋼製部材の場合、その表面には、Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ合金溶着層あるいは炭化物サーメットなどの保護被覆層を形成することによって対処しているが、ロールの胴部と軸部とが均衡のとれた耐用寿命を示すまでには到っていないのが実情である。
【０００４】
たとえば、ロール胴部の表面に保護被覆層を形成する技術としては、特公昭５８−３７３８６号公報に開示されているようなものがある。この技術は、ロール表面に、ＷＣ，ＣｒＣ，ＴｉＣの１種または２種以上を含み、残部が熱間耐食性金属またはこれらの酸化物からなる炭化物サーメットの皮膜を、０．１〜２．４ｍｍの厚さに形成したものである。
また、特許第１７７１２９７号には、気孔率１．８％，厚さ０．０４０〜０．１０ｍｍのＷＣ−Ｃｏ溶射皮膜を備えるロールが提案されている。
【０００５】
さらに、特許第２９５５６２５号には、炭化物を被覆したのち、その上にＳｉＯ_２などを含む酸化物セラミックスを被覆する例を提案している。この例での膜厚は、下層０．０８〜０．１０ｍｍ，上層０．２５〜０．３０ｍｍなどが好適であるとされている。
【０００６】
既知のこれらの保護被覆層は、鋼製のロール胴部表面と浴成分との反応、いわゆる合金化層の生成、成長を抑制して、ロールの保護を図ることを目的として開発されたものである。これらのうち、ＷＣ−１２Ｃｏ炭化物サーメットを被覆する方法は、これまでにもかなりの成果をあげているがなお不十分であった。その理由は、ロール全体を見た場合、ロール胴部のみの寿命がのびたにすぎず、ロール軸部の耐用寿命がこれに呼応せずロール全体の寿命延長につながらなかったからである。
【０００７】
その他、ロール軸部の延命を図るために、従来、その軸部に自溶合金と炭化物サーメットとの２層構造の複合皮膜を形成する方法も提案されている（特許２９４９４４３号）。しかし、この複合皮膜は、ロール胴部の寿命に対応する程に十分なものではなかった。それは、下層の自溶合金皮膜と、上層のＷＣサーメット皮膜との密着性が十分でなかったからである。
【０００８】
以上説明したように、ロールの胴部や軸部の表面に形成した従来の保護皮膜は、
たしかに、それなりの成果を上げてはいるものの、ロール全体の耐久性の向上という点でなお克服すべき課題を残していた。というのは、多くの場合、ロール胴部（作業部）の耐久性は向上するものの、ロール軸部の耐用寿命の方がロール胴部の寿命に追随しないために、ロール全体としては寿命の向上につながらなかったからである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術は、ロール軸部の機械的負荷の方が鋼板のみを案内走行させるロール胴部に比較して大きいので、たとえロール胴部の耐久性が向上したとしても、ロール軸部の耐久性の方がこれに対応して向上しないという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、靭性、耐溶融金属性耐久性ならびに耐久性（耐摩耗性）に優れた溶融金属めっき装置用部材、とくにロール軸部材を提案することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的の実現に向けて鋭意研究を重ねた結果、発明者らは、めっき浴中機器等のうち、とくに比較的高負荷条件下で用いられるロール軸部やスリーブなどの部材のころがり摺動面に、全Ｃ量を調整した炭化物系複合皮膜を形成した場合、これを比較的厚肉に溶射被覆したとしても、皮膜の靭性が劣化したりすることがないことを知見した。
すなわち、本発明は、こうした新規知見に基づいて開発したものであって、基材の表面に、金属Ｃｏと金属Ｃｒとを合計量で、１２〜２５ｗｔ％含み、残部がＷ，Ｔｉ，ＮｂおよびＭｏのうちから選ばれる少なくとも一種の炭化物、かつその炭化物を構成するＣと０．８〜１．６ｗｔ％の遊離Ｃとの和である全Ｃ量が各元素との化学量論的組成に対して重量比で１．０超〜１．１５である炭化物系複合皮膜を、被覆してなることを特徴とする溶融金属めっき装置用部材である。
【００１２】
なお、本発明においては、上記炭化物系複合皮膜は、５００μｍ〜２０００μｍの厚さを有し、遊離Ｃを全Ｃ量の０．８〜１．６％程度含み、そして、上記炭化物系複合皮膜は、ロール軸部に対して、プラズマ炎，ガス燃焼炎を用いた溶射法を適用して被覆形成することがそれぞれ好ましい実施の形態である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
溶融金属めっき装置でめっき鋼板を製造する場合に、品質を左右する主要な設備のひとつに溶融金属めっき浴がある。このめっき浴内には、通常、種々の浴中機器が浸漬配設されている。なかでもその中心となるものは、通板材と直接接触し、搬送を司るシンクロールやサポートロールなどと呼ばれる各種ロール類である。これらのロールには種々の特性が要求される。例えば、▲１▼寸法精度の経年変化が小さく、母線真直度に優れること、▲２▼溶融金属浴と直接接触するのでその表面がめっき浴とぬれにくく非反応性であること、▲３▼めっき浴中で生成したＦｅ−Ｚｎ，Ｆｅ−Ａｌ−Ｚｎ金属間化合物がロール表面に固着しにくくかつそれが成長しにくいこと、▲４▼表面の形状精度が永く維持できること、▲５▼ロール軸部およびその軸受け部は特に、溶融金属めっき浴中に存在する硬質金属間化合物粒子に対する擦過摩耗に対する耐性に優れること、などである。
【００１４】
とくに、溶融金属めっき浴中で、通板材、たとえば鋼板の案内走行を司るロール表面（胴部）は、溶融金属との反応性が本質的に低いことが望ましい。このため、ロール胴部表面には、Ｃｏ基自溶合金あるいはＷＣサーメット溶射皮膜が被覆されてきた。特に後者は近年、著しい成果を発揮し、ロール胴部の延命化に貢献している。しかし、かかるロール胴部に比べてより苛酷な条件下にあるロール軸部や軸スリーブなどの転がり摺動面を有する部材については、なおざりにされていることが多く、多少の工夫があったとしても、せいぜいＣｏ−Ｃｒ−Ｗ合金などを被覆する程度であった。しかし、これらの被覆材は耐久寿命が短いという致命的な問題点があった。本発明は、正にこうした問題点に応えるべく開発したものである。
【００１５】
さて、ロール胴部の表面に被覆されている従来のＷＣ−Ｃｏ系サーメットは、Ｃの配合量に着目して観察すると、化学量論組成と当量ではなく、むしろＣ量が不足した状態として用いるのが普通である。この理由は、Ｃ量を不足させることにより、Ｗ_３Ｃｏ_３Ｃのような複炭化物のみを効率よく生成させるためである。従って、こうして得られた炭化物中には、遊離Ｃを含まないと同時にいわゆる遊離の金属Ｃｏもまた、Ｘ線回折手法ではほとんど同定できない程度にまでに少なくなっている。
従って、こうした皮膜は、ＷＣ−Ｃｏの擬２元系であるが、実質的にはＷＣ−複炭化物の２元系ということができる。つまり、従来のＷＣ−Ｃｏ系サーメット溶射皮膜は、実質的に金属Ｃｏフリーの状態の、脆化層となる複炭化物を多く含むものであって、この意味では、優れた耐溶融金属性を発揮する皮膜ということができる。
【００１６】
しかし、逆にこの溶射皮膜はまた金属相（Ｃｏ）をほとんど含まないので、靭性が著しく低く、とくに、約３００μｍの厚さを超えるような厚さのものでは、内部残留応力の作用で、皮膜がしばしば自己剥離することが指摘されている。従って、従来の成分組成に係る溶射皮膜は、これをロール胴部に被覆するのには適していると云える。というのは、このロール胴部というのは、耐摩耗性に対する要求がさほど厳しくないので、１００μｍ程度の皮膜厚さにすれば足りるから、上述したような厚膜時の自己剥離をそれほど問題にしなくてもよいからである。
しかし、ロール軸部のような部材の表面に、しかも厚肉で被覆するような場合、上記皮膜では不十分である。
【００１７】
そこで、本発明では、炭化物サーメット材の結合相としての役割を担う金属成分の量と、複炭化物の形成挙動を支配する全Ｃ量との割合を好適にすることによって、厚膜の炭化物サーメット皮膜であっても、皮膜の靭性低下がなく、しかも耐溶融金属性や耐摩耗性にも優れる炭化物系サーメットの複合皮膜を開発したのである。
【００１８】
以下、本発明にかかる炭化物系サーメットの複合皮膜の好ましい成分組成を究明すべく試験を行ったので、その内容を説明する。そのために、発明者らはまず、サーメットの粒子間結合に寄与する成分である金属層の特性について調べた。
この試験では、被覆材の化学成分、形成した皮膜の溶射成膜時のき裂発生感受性、溶融金属浴浸漬環境下における窒化珪素セラミックス材との摺動摩耗特性等について調べた。供試した材料のサーメット構成成分としては、溶融亜鉛めっき浴成分であるＺｎ−Ａｌ溶融合金に対して非反応性に優れるＷ，Ｔｉ，ＮｂおよびＭｏからなる各炭化物の１種または２種以上を選んだ。また、結合相となる金属成分としてはＣｏおよびＣｒを用いた。
【００１９】
表１は、ＷＣなどの炭化物−Ｃｏの複合材料系のものについて、全ＣおよびＣｏ量の変化と直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの鋼管外周に被覆した皮膜の厚さ毎におけるき裂発生感受性との関係を示したものである。
ここで、き裂発生感受性の試験は、ＪＩＳ Ｚ ２３４３ 浸透探傷試験方法および浸透探傷指示模様の分類にもとづく、皮膜表面に露呈した長さ３ｍｍを超える指示模様の数を調べることにより行った。被覆面積に対し、模様が観察されないものを可、観察されたものを不可として判定した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
これまでに溶融金属めっき浴中で実用に供されている炭化物、ほう化物のサーメット溶射皮膜の金属結合相の構成比率は、たとえばＣｏの場合、ほとんど１２％以下である。これは皮膜の耐溶融金属性と耐摩耗性を優先するためであり、この意味で皮膜の靭性は犠牲にしたものと解釈されている。
この点、本発明では、Ｃｏおよび／またはＣｒを１２〜２５ｗｔ％、好ましくは１５〜２５ｗｔ％含有させる。このように、Ｃｏ等の金属成分をより多く含有させることで、まず皮膜の靭性の低下を防止して、たとえ厚肉の場合であっても靭性の低下ならびに自己剥離が起きないようにする。即ち、発明者らの知見では、金属成分が１２ｗｔ％未満では靭性が劣化する。ただし、この金属成分の量が２５ｗｔ％以上では耐摩耗性が劣化するので、上記の範囲とする。
【００２２】
上述したように、また比較例６〜９に示す結果からわかるように、炭化物を構成する炭素量は、一般に、炭化物形成金属との化学当量よりも少ない配合にされている。これは、上述したように、複炭化物を積極的に形成させ、遊離金属、遊離Ｃを生成させないようにするためである。
【００２３】
表１に示す試験結果からわかるように、金属結合相としての金属Ｃｏの含有量を増大させると共に、全Ｃ量をほぼ化学当量超えの量にまで高めれば、たとえ膜厚を大きくしても、このことにともなうき裂発生感受性を低減させ得ることがわかった。
【００２４】
なお、上記試験結果から、炭化物を形成するＣと遊離Ｃの和である全Ｃ量は、各元素との化学当量に対して、重量比で１．０超を下限として含有させることが必要であることがわかった。一方、その上限は１．１５である。この理由は、全Ｃ量が１．１５以上になると、遊離炭素の量が増大することが懸念されるからである。というのは、遊離炭素の量が増大（＞１．１５）すると、皮膜強度（耐摩耗性）の低下を招くからである。
【００２５】
上述した試験結果からわかるように、本発明は、少なくとも耐摩耗性を問題にしない限り、すなわち全Ｃ量を制御するだけでも、き裂発生感受性を満足しながら膜厚の大きな複合皮膜を得ることができる。
【００２６】
次に、めっき浴環境中でのＷＣサーメット皮膜の耐久性（耐摩耗性）に及ぼす、皮膜厚さの影響を調べる試験を行った。この試験は、めっき浴中で使用されるサポートロールの軸スリーブを試験部材とし、Ｚｎ−０．１５％Ａｌ浴中で回転摺動させる動的試験である。用いた試験片は、直径８０ｍｍ，厚さ１０ｍｍ，長さ１００ｍｍの１３Ｃｒ系鋼基材である。被覆層はＷＣサーメット層の厚さのみを１５０，３００，６００，１２００，２０００μｍと変化させ、他は同じ水準とした。相手軸受け材は窒化珪素材とした。表２はこの結果を示したものである。
【００２７】
【表２】

【００２８】
上記試験の結果、ＷＣサーメット皮膜の厚みが小さいものほど、摩耗に基づく減肉で基材露出による耐用寿命が低減した。すなわち、３００μｍまでの厚さでは、耐用日数はいずれの試験例も５日を越えることはなく、従来の合金被覆材に比べ優位と認められる性能は得られなかった。これに対し、６００μｍを超える皮膜厚さにすると、皮膜厚さによる耐久性に明白な差が生じた。そして、皮膜組成によっては２０日を超えるものがあった。
これらのＷＣサーメット皮膜の耐久性は、基本的には、めっき浴成分との反応の結果としではなく機械的摩耗による減肉の方が支配的であって、それ故に厚さを大きくすれば十分実用に供し得ることがわかった。
【００２９】
以上の説明したとおり、本発明は、全Ｃ量の調整と共に、結合相である金属成分（Ｃｏ，Ｃｒ）の量の調整によって、靭性と耐溶融金属性を向上させると同時に、このこと（金属Ｃｏ、金属Ｃｒの増大）を前提として、皮膜厚さを大きくすることにより、耐摩耗性をも向上させることができる。
【００３０】
【実施例】
実施例１
この実施例は、亜鉛めっき浴用サポートロールの軸スリーブ用保護皮膜として用いた例を示す。準備したスリーブ基材の寸法は、直径９０ｍｍ×全長１６０ｍｍである。皮膜層被覆に先立つ前処理として被覆面の粗面化処理をおこなった。粗面化は白色アルミナ質人造研削材ＷＡ＃６０を用い、駆動空気圧を０．２〜０．３ＭＰａ，ブラスト距離を２００〜２５０ｍｍとした。このときの基材表面あらさは算術平均あらさ２μｍＲａであった。
【００３１】
プラズマ溶射装置を用いて、ＷＣ−１７％Ｃｏ組成粉末材料を９００〜１０００μｍ厚さに被覆した。その後、人造ダイヤと石を用いて皮膜表面を粗研削した。研削処理後の被覆層表面の算術平均あらさはＲａ≦１．５μｍであった。このようにして製作したスリーブを、溶融亜鉛めっき浴用サポートロールに装着し亜鉛めっき鋼板製造用めっき浴中に浸漬し、供用した。その結果、表３に示す供用寿命が得られ、ロール本体連続供用時間の延長に効果が認められた。
【００３２】
【表３】

【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板製造ラインのめっき浴中ロールなどの機器、とくにロール軸部材の表面に、全Ｃ量を制御したＷ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏの炭化物を溶射法などで形成することにより、脆化層となる複炭化物の生成を最小限に抑制すると共に、全Ｃ量の制御により適度の硬さと耐溶融金属めっき浴中での耐ころがり摺動摩耗性を有し、かつ比較的厚みの大きい健全な被覆層をロール軸部の、とくにころがり摺動面の上に形成することが可能になり、ロール全体の耐久性を著しく向上させることができる。

Claims (3)

1. 基材の表面に、金属Ｃｏと金属Ｃｒとを合計量で、１２〜２５ｗｔ％含み、残部がＷ，Ｔｉ，ＮｂおよびＭｏのうちから選ばれる少なくとも一種の炭化物、かつその炭化物を構成するＣと０．８〜１．６ｗｔ％の遊離Ｃとの和である全Ｃ量が各元素との化学量論的組成に対して重量比で１．０超〜１．１５である炭化物系複合皮膜を、被覆してなることを特徴とする溶融金属めっき装置用部材。
2. 上記炭化物系複合皮膜は、５００μｍ〜２０００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属めっき装置用部材。
3. 上記炭化物系複合皮膜を、ロール軸部に、プラズマ炎，ガス燃焼炎を用いた溶射法を適用して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の溶融金属めっき装置用部材。