JP5892642B2

JP5892642B2 - 回転体

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Publication number: JP5892642B2
Application number: JP2011074053A
Authority: JP
Inventors: 衛介小川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012207724A

Description

本発明は、セラミックスからなる回転体に関し、特に鋼板圧延ラインにおける鋼板の搬送、支持などに好適に用いられる耐高温用の回転体に関する。

鋼板、ビレットなどの材料を高温状態に維持したり、熱処理などのために、製鉄所では数多くの加熱炉、均熱炉や熱処理炉を備えている。これらの炉では、主に材料を搬送ロールに載せて搬送するようにしている。近年、搬送材料の高温処理、加熱時または均熱時における均一性を図り、省エネルギー化、耐摩耗性の向上を目的として、セラミックスからなる搬送ロールを使用する検討がなされている。このセラミックスからなるロールとしては、以下のような構造のものが、従来から知られている。

特許文献１には、金属製のロール軸にセラミックス製スリーブを外装した高温下で使用するロールであって、前記ロール軸内に水を流通させてロール軸を水冷とし、このロール軸と前記スリーブとの間には断熱材を配し、前記スリーブの両端のうち少くとも一方をその軸方向に前記ロール軸を座とする押付材により弾圧的に押圧し、実質的にこの押圧力のみで前記スリーブをその外面に対して直交する方向に作用する荷重を支持するようにした耐高温用ロールが開示されている。特許文献１のロールによれば、スリーブの破損を防止できるなどの点において耐久性に富む耐高温用ロールが与えられるとしている。

特許文献２には、センタ孔付きの金具が中実のセラミック母体の両端に嵌合または接着され、前記金具には空気抜き用の貫通孔が、一方の孔を前記金具と前記セラミック母体との嵌合部に接し他方の孔を大気開放して設けられる、金属の圧延に使用するセラミックワークロールが開示されている。特許文献２のセラミックワークロールによれば、貫通孔は嵌合部の内部に余分な空気が残らないように機能し、焼嵌めなどの嵌合、若しくは接着が確実に行え、センタの齧りや磨耗或いは貫通孔位置の影響によるセンタ軸精度の悪化も抑えられるため、真円度や円筒度等の向上したセラミックワークロールが得られるとしている。

特許文献３には、鋼板と接触する中空状胴部と、前記胴部に接合された軸部とからなる溶融金属めっき浴用ロールであって、前記胴部及び軸部をそれぞれセラミックスで形成してなり、前記胴部の内面は両端側の大径域と中央の小径域とからなり、前記軸部は小径部とフランジ部と大径部とを有し、前記胴部の大径域に前記軸部の大径部が接合されており、かつ、前記軸部には前記大径部及び前記フランジ部を通る複数の長さ方向溝部が形成されており、前記軸部が前記胴部の両端部に接合された状態では、前記溝部は前記ロールの内部に連通する孔を形成していることを特徴とする溶融金属めっき浴用ロールが開示されている。特許文献３の溶融金属めっき浴用ロールによれば、ロールの胴部と軸部との間にロール内部に連通する複数の孔を有するので、ロールを溶融金属めっき浴に浸漬するときに溶融金属がロール内に素早く進入し、ロール内外の温度差を小さくすることにより熱衝撃をさらに抑えるとともに、ロールを溶融金属めっき浴から取り出すときにロール内から溶融金属を素早く排出することができ、ロール内で多量の溶融金属が凝固するのを防止することができるとしている。また、溶融金属めっき浴中に長時間浸漬されていても、胴部から軸部が脱離することがなく、長時間の連続溶融金属めっきを行うことができるとしている。

特開昭６４−５５３２５号公報特開２００２-１２６８０７号公報特開２００６-１９３８１４号公報

前記特許文献に記載のセラミックスからなるロールを、例えば鋼板の搬送や支持などに、高温環境下で適用した場合には、以下のような問題があった。

特許文献１に記載の耐高温用ロールは、セラミックス製スリーブと金属製のロール軸の間に、実質的にはセラミックスファイバーからなる断熱材を介在させている。そのため、使用中に断熱材が変形し、セラミックス製スリーブと金属製ロール軸の軸心がずれてしまい、セラミックス製スリーブの振れ回りに起因する振動が発生して、搬送用の回転体として使用した場合に、搬送される鋼板にうねりやキズが発生するという問題を有していた。また、金属製のロール軸は長尺になるため繰り返し使用によりロール軸の曲がり変形が発生し、これもセラミックス製スリーブの振れ回りに起因する振動の原因となり、搬送される鋼板にうねりやキズが発生するという問題を有していた。

特許文献２に記載のセラミックロールは、実質的に中実のセラミックスから構成されており、ロール胴部の肉厚が厚くなるため、搬送用の回転体として使用した場合に、加熱された鋼板と接触する際の熱衝撃によりセラミックスの表面が剥離して脱落したり、ロール自体が割損にいたることがあった。

特許文献３のロールは、実質的に中空の胴部と中空の軸部から形成され、かつ中空の軸部の直径が中空の胴部より小さくなっているため、搬送用の回転体として使用した場合、特許文献２のロールで発生するような熱衝撃の問題は、中空の洞部とすることにより解消できる。しかしながら、軸部が中空であるため強度が不足してしまい、軸部が早期に割損するという問題を有していた。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、高温環境下における割損、振動などの問題を防ぐとともに、耐久性を有する回転体を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく以下の構成とした。
本発明の回転体は、セラミックスからなる中空状の胴部と前記胴部の両端部内面に嵌合されたセラミックスからなる中実状の軸部とを有する回転体であって、前記胴部および軸部は密着状態で嵌合されるべき嵌合面を各々有し、前記胴部および軸部の嵌合界面には、回転体の回転軸方向に沿い伸びる空気孔が形成されており、前記胴部が高温の炉内（但し、溶融金属槽炉内を除く）に配置されて使用されることを特徴とする。

本発明の回転体において、回転軸に対し垂直な断面における、前記空気孔の断面積は、前記軸部の断面積の０．００１〜５％であることが好ましい。

本発明の回転体において、前記軸部の嵌合面の一部には平坦面が形成されていることが好ましい。

本発明の回転体において、前記嵌合面の回転軸方向に沿う嵌合長さＬと前記軸部の嵌合面における直径Ｄの関係がＬ／Ｄ＝０．５〜２であることが好ましい。

本発明の回転体において、前記軸部は、軸受に接続されるべき軸受部、前記軸受部に連なるフランジ部、前記フランジ部に連なる前記軸受部より大径の大径部、および前記大径部に連なるとともに前記嵌合面を有する嵌合部とからなることが好ましい。

本発明の回転体において、前記胴部は、いずれも複数のセラミックからなる胴部材で構成されており、前記胴部材は互いに嵌合されていることが好ましい。

本発明の回転体において、前記胴部材は密着状態で嵌合されるべき嵌合面を各々有し、前記胴部および軸部の嵌合界面に形成された空気孔に替え、前記胴部材の嵌合界面に、回転体の回転軸方向に伸びる空気孔が形成されていてもよい。

本発明の回転体において、前記軸部は、軸受に接続されるべき軸受部を有し、前記軸受部の端部には、回転軸方向に伸びる平坦面が形成されていることが好ましい。

本発明の回転体において、前記胴部および前記軸部が、いずれも窒化珪素質セラミックスから形成され、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１３００以上、相対密度９５%以上、ヤング率２５０〜３５０ＧＰａであることが好ましい。また、本発明の窒化珪素質セラミックスからなる回転体において、前記窒化珪素質セラミックスの熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、１０μｍあたりの粒界数が１０個以下であることが好ましい。

本発明の回転体は上記課題を解決し、高温環境下における割損、振動などの問題を防ぐとともに、耐久性を有する回転体を提供することができる。このため、鋼板を長期間にわたり安定して搬送することが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の一実施態様による回転体を示す一部が断面である正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の回転体のＡ矢視図である。図２（ａ）は、本発明の他の一実施態様による回転体を示す一部が断面である正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の回転体のＢ矢視図である。本発明の他の一実施態様による回転体の嵌合部における、回転軸に対し垂直な断面の断面図である。図４（ａ）は、本発明の他の一実施態様による回転体を示す一部が断面である正面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の回転体のＣ矢視図、図４（ｃ）は、図４（ａ）の回転体の平面図、図４（ｄ）は、図４（ａ）の回転体のＤ矢視図である。本発明の他の一実施態様による回転体を示す正面図である。本発明の他の一実施態様による回転体を示す正面図である。本発明の他の一実施形態による回転体を加熱炉に配置した図面である。図８（ａ）は、図５の回転体を構成する胴部を示す正面図、図８（ｂ）は、図５の回転体を構成する軸部を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し、適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

[第１実施形態]
本発明に係わる第１実施形態である回転体について、その正面図である図１（ａ）、図１（ａ）のＡ矢視図である図１（ｂ）を参照して説明する。図１に示す回転体１００は、セラミックスからなる中空円筒状の胴部１と前記胴部の両端部内面に嵌合されたセラミックスからなる中実円柱状の一対の軸部２とを備える。そして、胴部１および軸部２は密着状態で嵌合されるべき嵌合面３、４を各々有し、左側の軸部２の嵌合界面５には、回転体１００の回転軸９の方向に伸びる空気孔６が形成されている。本発明の回転体１００は、セラミックスからなる中空状の胴部１と胴部の両端部内面に配置された中実状軸部２とが嵌合された、セラミックス一体構造である。従って、加熱炉内における熱膨張が胴部１および軸部２ともにほぼ同等となり、胴部１の緩みにより生じる胴部１の振れ回りに起因する振動の発生することを防ぐことができる。このため、回転体１００により搬送される製品（加熱された鋼板）にうねりやキズが発生しにくくなるという効果を有する。また、加熱された鋼板などが接触する胴部１が中空状に形成されており、肉厚が薄いため胴部１に生じる熱衝撃応力が抑制され、胴部１が割損することを防ぐことができる。

更に、本態様の回転体１００において、軸部２は中実に形成されているため、中空状の軸部に比べてその強度を高めることができる。ここで、過熱された鋼板などは軸部２には直接接触しないので熱衝撃による破損は軸部２には生じ難いものの、使用時において作用する過大な負荷や取り扱い時により生じる衝撃により中空状の軸部が破損する場合がある。このような場合であっても、断面積を確保できる中実状とすることで軸部２の強度を高め、軸部２の破損を防ぐことができる。なお、軸部２を中実にする構成は、軸部２が小径である、直径が５０ｍｍ以下の軸部２を有する回転体において特に有効である。

ここで、中空状の胴部１には、その嵌合面３に中実状の軸部２の嵌合面が密着するように嵌合されるため、胴部１には密閉された中空部８が形成される。加熱炉内などの高温環境に回転体１００が配置されると、胴部１の中空部８内の空気圧が上昇するため、胴部１の表面に引張応力が発生し、加熱された鋼板が胴部１に触れた際に生じる熱衝撃により胴部１が割損しやすくなる。この空気圧の上昇を防止するため、嵌合界面５には、回転体１００の回転軸９の方向に伸びる空気孔６が形成されている。この空気孔６は、具体的には、その一方の端が中空部８に開口し、他方の端が外部に開口しており、空気孔６を介して中空部８と大気とを連結している。これにより、加熱炉など高温環境の内に回転体１００が挿入されて使用された場合にも、加熱され膨張した中空部８の中の空気は空気孔６から円滑に排出され、中空部８の圧力の上昇を防止することが可能となる。上記のような作用を奏する空気孔６は、胴部１と少なくとも一方の軸部２の嵌合界面５に形成されていればよい。

なお、後述するように回転軸９の方向に沿い軸部２の外周面に凹溝を形成して空気孔６を構成してもよいが、溝角部からの破損や加工コストを考慮すると、図１（ｂ）に示すように、軸部２の嵌合面４の一部に平坦面７を形成し、この平坦面７と胴部１の嵌合面３とで形成される断面が略半円形状の通路で空気孔６を構成することが好ましい。また、図１（ａ）では、平坦面７は、回転軸９の方向に沿い、外部と中空部８との間に空気孔６が介在するように軸部２の一部に形成されているが、軸部２の全長に渡り形成しても構わない。

このように胴部１を中空とし、軸部２を中実とし、各々の嵌合面３と４との嵌合界面５に空気孔６を設けることにより、胴部１および軸部２の破損や胴部１の振れ回りともない生じる振動などを防ぐことが可能な耐久性の高い回転体を提供することができる。

胴部１と軸部２との嵌合は嵌合面３および４で密着した状態で嵌合されている必要がある。この胴部１と軸部２との嵌合は、焼嵌め、拡散接合、またはロウ付けなどの各種の接合方法が使用できるが、製造の容易さの観点から焼嵌めが好ましい。
焼嵌めの場合、胴部１と軸部２の焼嵌め率はそれぞれ０．０１／１０００〜０．５／１０００の範囲内であるのが好ましい。焼嵌め率が０．０１／１０００未満であると、胴部１による軸部２への締付け力が不十分であり、軸部２が胴部１から抜けたり滑ったりするおそれがある。また焼嵌め率が０．５／１０００を超えると、焼嵌めによる締付け力が大きくなりすぎ、胴部１又は軸部２が破損するおそれがある。より好ましい焼嵌め率は０．２／１０００〜０．３／１０００である。また、振れ回りによる振動を防ぐため、胴部１と軸部２の同心度は、０．２ｍｍ以下が好ましい。

中空状の胴部１の肉厚は５〜３０ｍｍが好ましい。５ｍｍ未満の場合は、鋼板を搬送する際の鋼板からの荷重により破損しやすくなることもあるためであり、３０ｍｍ以上の場合は、加熱された鋼板による熱衝撃により胴部１が割損しやすくなることもあるためである。

[第２実施形態]
上記第１実施形態の回転体１００とは異なる第２実施形態の回転体２００について、図２を参照しつつ説明する。ここで、図２（ａ）は、回転体２００の正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ矢視図である。なお、図２において、第１実施形態の回転体１００と同一の構成については、図１と同一符号を付しており、詳細な説明を省略する（以下の第３〜第５実施態様および変形例についても同様）。

図２に示す第２実施形態の回転体２００は、第１実施形態の回転体１００と同様に胴部１ａ、軸部２ａとを有するが、胴部１ａの嵌合面３に形成された凹溝１１により嵌合界面３に空気孔１０が形成されている点で回転体１００と相違している。すなわち、図２（ａ）に示すように、胴部１ａの端面から内方に延設される凹溝１１は、その胴部１の端面からの長さが、胴部１と軸部２の嵌合界面３の嵌合長さよりも長くなるよう形成されている。しかして、胴部１と軸部２とが各々の嵌合面３・４で密着することにより、凹溝１１と軸部２の嵌合面４とで画成される空気孔１０は、その一方の端が中空部８に開口し、他方の端が外部に開口することとなる。このような空気孔８を有する第２態様の回転体２００においても、上記第１態様の回転体１００と同様な作用・効果を奏することができるが、特に軸部２が小径で平坦部や凹溝を形成すると、断面積が減少して軸部２の強度が低下する場合には有効である。なお、本態様のように胴部１の嵌合面３に凹溝１１を形成する場合には、凹溝の角部からの破損を防止するため、図示するように、回転軸９に直交する断面視において角部の無い、略半円形状または略Ｕ字形状の凹溝１１とすることが好ましい。

上記第１態様および第２態様の回転体１００・２００の空気孔６、１０と同様な作用・効果を奏するその変形例について、図３を参照して説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、上記で触れた軸部２ｂ・２ｃの嵌合面４に形成した凹溝で空気孔６を構成した例であり、回転軸９に直交する断面視が、図３（ａ）は略矩形状の凹溝１２の例、図３（ｂ）は略半円形状の凹溝１３の例である。また、図３（ｃ）は、胴部１ｂの嵌合面に形成した略矩形状の凹溝１４で空気孔１０を構成した例であるが、この場合には、凹溝１４の角部には曲面（Ｒ面）を形成しておくことが、破損防止のため好ましい。図３（ｄ）は、胴部１ｃおよび軸部２ｄの嵌合面３、４ともに溝幅がほぼ同一の凹溝１５、１６を形成し、凹溝１５、１６が対向するよう位置合わせした状態で胴部１に軸部２を嵌合いして空気孔１７を形成した例である。このように、胴部１ｃおよび軸部２ｄにともに凹溝１５、１６を形成することにより、胴部１や軸部２の強度を確保しつつ適切な流量で空気を排出可能な空気孔１７を構成することができる。なお、軸部２ｄには凹溝１６に替えて上記した平坦面を形成してもよい。さらに、図３（ｅ）は、軸部２ｅの嵌合面に相対するように形成された２面の平坦面７、７により２本の空気孔６を構成した例である。

上記回転体において、回転軸９に対し垂直な断面における空気孔６または１０の断面積は、軸部２の断面積の０．００１〜５％であることが好ましい。空気孔６または１０の断面積が０．００１未満であると、空気孔の効果が得られない場合があり、回転体が加熱炉に挿入されて使用された場合に、胴部の中空部内の圧力が上昇し、胴部の表面に内圧による引張応力が作用することもあり、加熱された鋼板が胴部に触れた際の、熱衝撃に対して割損しやすくなることもあるからである。また空気孔６または１０の断面積が５％を超えると、胴部および軸部のいずれかまたは双方の強度が低下して、それらが割損することもあるからであり、また、空気孔による回転不釣合いが生じて回転体の振動が発生することもあるからである。空気孔の断面積は、軸部の断面積の０．０３〜２％であることがより好ましく、０．０５〜０．５％が更に好ましい。

上記回転体において、嵌合面の回転軸方向に沿う嵌合長さ（Ｌ）と軸部の嵌合面における直径（Ｄ）との関係がＬ／Ｄ＝０．５〜２であることが好ましい。Ｌ／Ｄが０．５未満であると、嵌合界面での胴部と軸部の密着力が不足して、軸部が抜けたり、滑ったりするためである。一方、Ｌ／Ｄが２を超えると、胴部と軸部の嵌合面にかかる曲げモーメントが大きくなり、破損しやすくなるためである。Ｌ／Ｄのより好ましい範囲は０．８〜１．３である。

[第３実施形態]
上記第１実施形態の回転体１００とは異なる第３実施形態の回転体３００について、図４を参照しつつ説明する。ここで、図４（ａ）は、回転体３００の正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ矢視図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）の平面図であり、図４（ｄ）は、図４（ｃ）のＤ矢視図である。

図４に示す第３実施形態の回転体３００は、第１実施形態の回転体１００と同様に、胴部１、軸部２ｆ、第１態様の回転体１００と同様な空気孔６を有するが、軸部２ｆが、軸受に接続されるべき軸受部２ｇ、軸受部２ｇに連なるフランジ部２ｈ、およびフランジ部２ｈに連なる軸受部２ｇよりも大径の大径部２ｉ、前記大径部２ｉに連なるとともに嵌合面３を有する嵌合部２ｊとから形成されている点、および鉛直方向に形成された空気孔１９を有する点、で相違している。ここで、大径部２ｉの外径は、嵌合部２ｉより大きく、その胴部１の側の端面は、相対する胴部１の端面と密着する状態で配置されている。そのため、使用中、例えば過大なトルクが作用し、軸部２ｆが滑った場合でも、回転軸９の方向に軸部２ｆが嵌合界面５で相対的に移動し、軸部２ｆが胴部１から抜けることを防ぐことができる。また、小径の軸受部２ｇと大径の大径部２ｉとは、傾斜面を有するテーパーコーン形状のフランジ部２ｈで滑らかに連結されているので、肉厚の急変部が少なく、耐熱衝撃性を高めることができる。

左側の軸部２ｆの嵌合部２ｊは、その嵌合面４に、第１態様の回転体１００と同様に平坦面７を有し、嵌合部２ｊが胴部１に嵌合されることにより、嵌合面３と４との嵌合界面５には水平方向に伸びる空気孔６が形成される。そして、この平坦面７に連なるように大径部２ｉの端面には回転体の半径方向に伸びる断面が略半円形状の凹溝が形成され、大径部２ｉの端面と胴部１の端面とを密着することにより、空気孔１９が形成される。これらの空気孔６と空気孔１９は、各々の端部で連結されるため、回転体３００が加熱されたとき、胴部１の中空部８の中で加圧された空気は、空気孔６および１９を経て、外部へ放出される。空気孔１９を構成する凹溝の回転体３００の半径方向の垂直断面における断面積は、加圧された空気を放出させる観点から、空気孔６の回転軸に対して垂直な断面における断面積と同等或いは大きいことが好ましい。

さらに、図４（ｄ）に示すように、軸受に接続されるべき軸受部２ｇの端部には、回転軸方向に伸びる平坦面２０が形成されている。平坦面２０は、回転体３００に回転モータ（図示せず）からの回転力を伝達するため、軸受部２ａと軸受（図示せず）との間にキーを挿入する目的で形成されるものである。平坦面２０とすることにより、軸受部２ｇを割損しにくくしている。

[第４実施形態]
第４実施形態の回転体４００について、その正面図である図５、加熱炉に組み込まれた回転体４００を示す図７、回転体４００の各構成要素の正面図である図８を参照しつつ説明する。図５に示す第４実施形態の回転体４００は、第３実施形態の回転体３００と同様な軸部２ｆ、および空気孔６、１９を有するが、胴部１ｄが複数の胴部材１ｅ、１ｆおよび１ｇとから構成され、胴部材１ｅ〜１ｇが互いに嵌合されている点で相違している。すなわち、図８に示すように、胴部１ｄの中央部を構成する円筒状の胴部材１ｆは、その両端に円形凹部を有し、円形凹部の内周面が嵌合面１ｉとなる。また、この胴部材１ｆの両端に嵌合いされる一対の胴部材１ｅ・１ｇは、その一端に、胴部材１ｆの凹部に嵌合可能な円形凸部を有し、円形凸部の外周面が嵌合面１ｊ・１ｋとなる。そして、胴部材胴部材１ｅ・１ｇは、その円形凸部が、胴部材１ｆの円形凹部に嵌合い固定され、胴部１ｄが形成される。なお、軸部２ｆの構成は、上記第３態様の回転体３００と同様であり、胴部材１ｅ・１ｇの他端に形成された円形凹部１Ｌ・１ｍに、軸部２ｆの嵌合部２ｊが嵌合いされ、当該嵌合いにより、空気孔６および空気孔１９が形成される。

上記のように回転体４００の胴部材１ｅ〜１ｆの嵌合は、嵌合面で互いに密着した状態で嵌合されている必要がある。この嵌合は、焼嵌め、拡散接合、またはロウ付けなどの各種接合方法が使用できるが、製造の容易さの観点から焼嵌めが好ましい。
焼嵌めの場合、上記軸部と胴部の焼嵌めの場合と同様に、胴部材間の焼嵌め率はそれぞれ０．０１／１０００〜０．５／１０００の範囲内であるのが好ましい。焼嵌め率が０．０１／１００００未満であると、胴部材間の締付け力が不十分であり、軸部材が抜けたり滑ったりするおそれがある。また焼嵌め率が０．５／１０００を超えると、焼嵌めによる締付け力が大きくなりすぎ、胴部材が割損するおそれがある。より好ましい焼嵌め率は０．２／１０００〜０．３／１０００である。また、振れ回りによる振動を低減する目的で、胴部材１ｅ〜１ｆの同心度は、０．１ｍｍ以下が好ましい。

上記回転体４００を加熱炉５０に配置した状態を説明する図７に示すように、加熱炉５０の両側の炉壁５１、５１には回転体４００の胴部１が挿通可能な貫通孔が形成されている。その貫通孔から軸部２ｆが露出するように、回転体４００は、貫通孔を貫き水平に配置されており、軸部２ｆの軸受部は、炉外に配置された軸受５２、５２で回転自在に支持されている。ここで、胴部１ａの中央部を構成する胴部材１ｆは、鋼板（搬送物）を加熱しつつ搬送する加熱室５３の内に配置されており、加熱室５３において加熱された鋼板５４は、胴部材１ｆで支持されながら、搬送される。胴部材１ｆのみが搬送材５４と接触するので、長期間の使用により胴部材１ｆが磨耗した場合には、胴部材１ｆのみを外し、交換することができ、回転体４００のランニングコストの低減が図ることができる。

[第５実施形態]
第５実施形態の回転体５００について、その正面図である図６を参照しつつ説明する。図５に示す第５実施形態の回転体５００は、第４実施形態の回転体４００と同様３つの胴部材を有するが、空気孔５６、５９を胴部材１ｆと胴部材１ｈの間に形成されている点で相違する。すなわち、図６に示すように、胴部材１ｈの嵌合面１Ｋには、第４態様における軸部２ｆの嵌合部２ｊに形成されたのと同様の平坦面５７が形成されており、この平坦面５７の右端から回転体５００の半径方向に伸びる断面が略半円形状の凹溝（図示せず）が形成されており、胴部材１ｆの端面と胴部材１ｈの端面とを密着することにより、中空部８と外部に連通する空気孔５６および５９が形成される。

なお、胴部材１ｆと胴部材１ｈまたは１ｅの嵌合界面に、回転体の回転軸方向に伸びる空気孔５６及び空気孔５６に接続し外部に通じる空気孔５９が形成されるのとともに、胴部材１ｅまたは１ｈと軸部２Ｋの嵌合面に、回転体の回転軸方向に伸びる空気孔６及び空気孔６に接続し外部に通じる空気孔１９が形成されていてもかまわない。

上記説明した回転体１００〜５００において、胴部１〜１ｄおよび軸部２〜２ｊは、搬送用ローラとして使用に耐えうる耐摩耗性を有する硬質、高強度のセラミックス、例えば、窒化珪素、アルミナ、炭化珪素、ジルコニアなどの少なくとも１種を含有するセラミックスであれば、使用可能であるが、窒化珪素質セラミックスから形成され、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１３００以上、相対密度９５％以上、ヤング率２５０〜３５０ＧＰａであることが好ましい。

窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素結晶または窒化珪素中にＡｌおよびＯが固溶したサイアロン結晶の硬質粒子を主結晶とし、その間を焼結助剤から形成される粒界相で構成しているため、耐熱性を有し、高強度、高硬度が得られることから、加熱された鋼板などを搬送する回転体として使用する場合には、好ましい。特に、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上であると、鋼板が搬送された際の機械的応力により割損しにくくなるのとともに、ビッカース硬度１３００以上であると、鋼板による胴部１の磨耗を少なくして長寿命の回転体が得られるためである。また相対密度９５％以上であると、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１３００以上が得られるため好ましく。ヤング率が２５０〜３５０ＧＰａであると、図５に示す長尺の回転体４００の場合は、胴部材１ｆのたわみが発生しにくく、鋼板の搬送がスムーズに行え、鋼板の品質に悪影響が出ないため、好ましい。焼結助剤としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、希土類元素酸化物などが好ましいが、中でも窒化珪素を主結晶とし、焼結助剤にＭｇＯを１〜７質量％及び希土類元素酸化物を１〜７質量％用いた窒化珪素質セラミックスは、高強度と耐熱衝撃性を両立させる観点から好ましい。希土類元素としてはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの何れの元素でも好適に用いることができるが、これらの中でもＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、とりわけＹ、Ｅｒが特性およびコストの面で望ましい。中でもＹが特に好ましい。

なおこの窒化珪素質セラミックス中にはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆなど周期表４族、５族、６族金属のうち少なくとも１種を酸化物換算で０．０２〜２質量％の割合で含ませることにより、強度及び靭性を改善させる効果があるため好ましい。

また、上記窒化珪素質セラミックスからなる回転体において、窒化珪素質セラミックスの熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、１０μｍあたりの粒界数が１０個以下であることが好ましい。伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であると、加熱された鋼板が胴部１に接触する際の熱衝撃により胴部１がより割損しにくくなるため好ましい。また、１０μｍあたりの粒界数が１０個以下であると熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上の両立が図れるため、好ましい。１０μｍあたりの粒界数は２〜８個がより好ましく、２〜５個が更に好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
平均粒径０．８μｍ、酸素量０．９％、α化率９７％の窒化珪素粉末９３質量％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２．０質量％、平均粒径２．０μｍの酸化イットリウム粉末を５．０質量％添加し、適量の分散剤、バインダーを加えアルコール中で粉砕、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、図５に示す胴部材１ｅ、１ｆ、１ｇおよび軸部２に相当する所定形状の成形体を作製した。この成形体を１８００℃、１０気圧の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成し、窒化珪素質セラミックスからなる焼結体を得た後、それぞれ所定の形状に研削加工して図５に示す第４態様の回転体４００および材料特性測定用の焼結体を作製した。ここで、回転体４００は、その全長を３０６０ｍｍとし、その胴部１ｄの全長を２２６０ｍｍ、外径を１２０ｍｍとした。

ここで、胴部材１ｆは、全長１５００ｍｍ、外径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍとし、その両端部に嵌合面１ｉを形成するための内径９０ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円形凹部を形成した。また、胴部材１ｅおよび１ｇは、全長４８０ｍｍ、外径１２０ｍｍ、内径５０ｍｍとし、一方の端部に胴部材１ｆと嵌合可能な嵌合面１ｊ、１Ｋを形成するための外形９０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円形凸部を形成し、もう一方の端部には、軸部２ｆと嵌合可能な嵌合面１Ｌ、１ｍを形成するための内径９０ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円形凹部を形成した。

一方、一対の軸部２ｆは全長５００ｍｍとし、嵌合部２ｊの外径を９０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、大径部２ｉの外径１１５ｍｍ、軸受部２ｇの外径５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍとした。そのうちの一方の軸部２ｆの嵌合部２ｊには、回転体の回転軸方向に伸びる幅２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの平坦部７を形成し、大径部２ｉには平坦面７に連なるように、回転体の半径方向に伸びる局率半径３．１ｍｍの凹溝を形成した。

前記胴部材１ｅ〜１ｇを、それぞれ胴部材１ｆの嵌合部１ｉと胴部材１ｅおよび１ｇの嵌合部１ｊおよび１ｋを、同心度が０．１ｍｍとなるよう、焼嵌め率０．３／１０００で焼嵌め一体化した。ついで胴部材１ｅおよび１ｇのもう一方の嵌合部１Ｌおよび１ｍと軸部２の嵌合部２３を、同心度が０．１ｍｍとなるよう、焼嵌め率０．３／１０００で焼嵌め一体化し、図５に示す第４実施態様の回転４００を作製した。この回転体４００において、回転軸に対し垂直な断面における、空気孔６の断面積は、軸部の断面積の０．２４％であり、空気孔１９の回転体４００の半径方向の垂直断面における断面積は、空気孔６と略同一である。また、胴部１ｄと軸部２ｆの嵌合面の回転軸方向に沿う嵌合長さＬ（１００ｍｍ）と軸部２ｆの嵌合部２ｊの直径Ｄ（９０ｍｍ）の関係はＬ／Ｄ＝１．１１である。

同時に、材料特性測定用焼結体から、試験片を作製し、以下の材料特性を測定した。４点曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に規定されている方法で測定し、平均値は９００ＭＰａであった。またビッカース硬度はＪＩＳＲ１６１０に規定されている方法で測定し、その平均値は１５００であった。相対密度はＪＩＳＲ１６３４に規定されている方法で焼結体密度を測定し、窒化珪素の理論密度（３．２７ｇ／ｃｍ^３）に対する割合として算出し、９９％であった。ヤング率は、ＪＩＳＲ１６０２に規定されている静的弾性率測定方法を用いて測定し、その平均値は３０５ＧＰａであった。熱伝導率はＪＩＳＲ１６１１に規定されている、レーザフラッシュ法により測定し、その平均値は６６Ｗ／ｍＫであった。また、１０μｍあたりの粒界の数の測定は、窒化珪素質セラミックスの任意の研磨面をエッチングして粒界が識別できるようにした後、ＳＥＭにより、のべ長さ５００μｍの任意の直線上の粒界の数を測定し、直線長さ１０μｍあたりの粒界の数として算出し、その粒界数は、１０μｍあたり５個であった。

（実施例２〜５）
実施例１の回転体に対して、軸部２ｆの嵌合面３に形成した平坦面７の幅、およびこれに連なる大径部２ｉに形成した凹溝の曲率半径を変更して、回転軸に対し垂直な断面における空気孔６の断面積を表１に示すように変更して空気孔６を形成し、空気孔１９の断面積を空気孔６と略同一に形成した以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜５の回転体を作製した。

（比較例１）
実施例１の回転体に対して、空気孔１９・６を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして比較例１の回転体を作製した。

（比較例２）
実施例１と同様のセラミックスを用い、回転体４００と同様の寸法を有する、全長３０６０ｍｍ、外径１２０ｍｍの中実状で一体構造の回転体を作製した。

（比較例３）
実施例１と同様のセラミックスを用い、外径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍ、全長１５００ｍｍのセラミックスからなるスリーブを作製した。ＳＵＳ３１０で全長３０６０ｍｍ、外径６０ｍｍ、内部に冷却水を循環させる流路を設けた金属軸を作製して、スリーブ内に挿入し、スリーブと金属軸との間には、セラミックスファイバーからなる断熱材を配置し、スリーブの軸方向の一方の端面をバネで押圧固定した、セラミックスと金属からなる回転体を作製した。

実施例１〜５および比較例１〜３の回転体を、炉内幅１４００ｍｍ、炉温度１，１００℃の加熱炉に設置した。この加熱炉に、板厚４．５ｍｍ、板幅１３００ｍｍの鋼板を通過させた。結果を、表１に示す。実施例１〜５の回転体は、いずれも鋼板の搬送はスムーズに行われ、鋼板のうねりやキズが発生せず、使用期間６ケ月以上の寿命を確認することができた。なお、実施例４の回転体の胴部材１ｆの表面の一部には、鋼板の品質に影響を与えない程度の微小剥離が発生していた。また、実施例５の回転体には、極微小振動が発生していたが、鋼板の品質に影響はなかった。一方、比較例１の回転体は空気孔が形成されていないことから、搬送開始直後に回転体の胴部の割損が発生し、使用できなくなった。また、比較例２の回転体は、胴部が中実であることから、加熱炉内に配置した際に割損が発生し、使用することができなかった。また、比較例３の回転体は、約１時間の使用で、振れ回りによる振動が発生するようになり、製品にうねりが発生したため、使用を中止した。

１（１ａ〜１ｄ）：胴部
１ｅ、１ｆ、１ｇ：胴部材
２（２ａ〜２ｆ、２ｋ）：軸部
２ｊ：嵌合部
２ｉ：大径部
２ｈ：フランジ部
２ｇ：軸受部
３（４）：嵌合面
５：嵌合界面
６（１０、１７、１９）：空気孔
７：平坦面
８：中空部
９：回転軸

Claims

セラミックスからなる中空状の胴部と前記胴部の両端部の内面に嵌合されたセラミックスからなる中実状の軸部とを有する回転体であって、前記胴部および軸部は密着状態で嵌合されるべき嵌合面を各々有し、前記胴部および軸部の嵌合界面には、回転体の回転軸方向に伸びる空気孔が形成されており、前記胴部が高温の炉内（但し、溶融金属槽炉内を除く）に配置されて使用される回転体。
回転軸に対し垂直な断面における、前記空気孔の断面積は、前記軸部の断面積の０．００１〜５％である請求項１に記載の回転体。
前記軸部の嵌合面の一部には平坦面が形成されている請求項１または２のいずれかに記載の回転体。
前記嵌合面の回転軸方向に沿う嵌合長さＬと前記軸部の直径Ｄの関係がＬ／Ｄ＝０．５〜２である請求項１乃至３のいずれかに記載の回転体。
前記軸部は、軸受けに接続されるべき軸受部、前記軸受部に連なるフランジ部、前記フランジ部に連なる前記軸受部より大径の大径部、および前記大径部に連なるとともに前記嵌合面を有する嵌合部とからなる請求項１乃至４のいずれかに記載の回転体。
前記胴部は、いずれも複数のセラミックからなる胴部材で構成されており、前記胴部材は互いに嵌合されている請求項１乃至５のいずれかに記載の回転体。
前記胴部材は密着状態で嵌合されるべき嵌合面を各々有し、前記胴部および軸部の嵌合界面に形成された空気孔に替え、前記胴部材の嵌合界面に、回転体の回転軸方向に伸びる空気孔が形成されている請求項６に記載の回転体。
前記軸部は、軸受けに接続されるべき軸受部を有し、前記軸受部の端部には、回転軸方向に伸びる平坦面が形成されている請求項１乃至７のいずれかに記載の回転体。
前記胴部および前記軸部が、いずれも窒化珪素質セラミックスから形成され、４点曲げ強度５００ＭＰａ以上、ビッカース硬度１３００以上、相対密度９５%以上、ヤング率２５０〜３５０ＧＰａである請求項１乃至８のいずれかに記載の回転体。
前記窒化珪素質セラミックスの熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上、１０μｍあたりの粒界数が１０個以下である請求項９に記載の回転体。