JP6597983B2

JP6597983B2 - ロールプレス装置

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Publication number: JP6597983B2
Application number: JP2017204125A
Authority: JP
Inventors: 美枝高橋; 一人福田; 俊文名木野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: JP2019076914A; CN109693409A; CN109693409B; US20190118248A1

Description

本発明は、粉末状またはシート状の成形材料を熱間圧延するロールプレス装置に関するものである。

従来、フィルム、紙、不織布、金属箔、鋼板などの加圧対象物に加圧処理を施す加圧機構として、バッチ式のものと連続式のものが広く知られている。バッチ式加圧機構は、一対のプレス板の間に加圧対象物を挟持させた状態で、油圧、空圧機構等により、加圧対象物に加圧処理を施す方法である。バッチ式の加圧機構の場合、プレス板の間に加圧対象物を挟持させる工程、加圧処理を施す工程、加圧された加圧対象物を取り出す工程が必要となるため、生産性が低い。一方で、連続式の加圧処理として広く知られているロールタイプによる加圧処理は、一対のロールが、垂直あるいは平行に対向して配置され、ロールの隙間に加圧対象物を挿通することで、加圧処理を施す方法である。加圧対象物をロールの隙間に挿通し、加圧処理を施した後、加圧対象物を取り出す工程を連続して行うことが可能でため、高い生産性が得られるという利点がある。

しかしながら、一対のロールによる連続式の加圧処理工程では、加圧対象物が加圧処理の最中に進行方向およびロールの幅方向への拡がりが発生するため、所望の圧力が十分に伝達されない、また拡がりが大きいことにより加圧対象物が変形する等の問題がある。

特許文献１には、一対のロールのそれぞれを、外周表層とこの外周表層の内側の中間層を含むローラで構成し、外周表層の硬度と中間層の硬度の関係を、外周表層の硬度を中間層の硬度よりも硬くすることで、加圧対象物へ面で加圧処理することができ、加圧対象物の変形を抑制する加圧装置が開示されている。

特開２０１１−１８１３９１号公報

しかしながら、さらなる高密度化が求められる場合や、セラミック等の硬い材料の加圧処理を行う場合には、前記中間層の変形により加圧対象物に所望の圧力を十分に伝達することが困難である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加圧対象物の拡がりを抑制し、かつ、加圧対象物に均一に所望の圧力を伝達することが可能なロールプレス装置を提供することを目的とする。

本発明のロールプレス装置は、間隔を空けて配置された一対のロールと前記ロールを加熱する加熱機構とを有し成形材料を加熱圧延する熱間プレス機構と、前記成形材料を投入する材料投入機構と、前記材料投入機構によって投入された成形材料を前記熱間プレス機構へ搬送する搬送機構を有し、前記熱間プレス機構の一対のロールは最表層とこの最表層の内側に中間層を含むロール構造であり、前記最表層の熱膨張係数は、前記中間層の熱膨張係数より小さく、前記ロールの前記最表層における内部応力が、成形材料投入直前の位置より、加圧処理終了時の位置および加圧処理後の位置の方が、大きい、ことを特徴とする。

この構成によると、熱間プレス機構の一対のロールは最表層とこの最表層の内側に中間層を含むロール構造であり、前記最表層の熱膨張係数は、前記中間層の熱膨張係数より小さいので、加圧対象物の拡がりを抑制し、かつ、加圧対象物に均一に所望の圧力を伝達することが可能となる。

本発明のロールプレス装置の実施の形態１の全体構成図同実施の形態における（Ａ）〜（Ｄ）加圧処理工程図と（ａ）〜（ｄ）各工程での要部の拡大図同実施の形態において加圧対象物の成形材料が熱間プレス機構３００に搬入される直前の工程図同実施の形態において成形材料が熱間プレス機構３００で加圧処理された直後の工程図同実施の形態において成形材料が熱間プレス機構３００で加圧処理された後の工程図同実施の形態において熱間プレス機構３００を成形材料の加圧処理方向下手側から見た図本実施の形態２におけるロールプレス装置の全体構成図

以下、本発明のロールプレス装置を実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１にロールプレス装置１を示す。

このロールプレス装置は、加圧処理方向の上手側から下手側に向かって送り方向に、材料投入機構１００、搬送機構２００、熱間プレス機構３００、回収機構４００が配置されている。

材料投入機構１００は、粉末状またはシート状の成形材料Ｓ１を搬送機構２００へ供給する。搬送機構２００は、搬送ベルトコンベア２０１と搬送ベルトコンベア用プーリー２０２ａ，２０２ｂから構成されており、成形材料Ｓ１を熱間プレス機構３００へ搬送する。

熱間プレス機構３００は、鉛直方向に離して配置された一対のロール３０１，３２１と、ロール３０１の近傍に配置されてロール３０１を加熱する外部加熱機構３１１と、ロール３２１の近傍に配置されてロール３２１を加熱する外部加熱機構３３１とで構成されている。ロール３０１，３２１の矢印は回転方向を示している。

外部加熱機構３１１，３３１は必要な温度まで加熱できる方式であれば、特に制限されることはなく、例えば、誘導過熱方式、ランプ加熱方式、赤外線加熱方式、抵抗加熱方式など用いることができる。加熱温度は、密度を高める必要やセラミック等を硬い材料を成形するため、１００℃以上に加熱することが好ましい。さらに生産性を高めるためには３００℃以上に加熱することがより好ましい。

また、ロール３０１，３２１の温度が６５０℃を超えると軸受部の温度が高くなり、ベアリング等の寿命が著しく低下するため、加熱温度は３００℃以上６５０℃以下が好ましい。

熱間プレス機構３００によって加圧処理された成形材料Ｓ２を回収する回収機構４００は、回収ベルトコンベア４０１と回収ベルトコンベア用プーリー４０２ａ，４０２ｂから構成されている。

ロール３０１は、芯部３０４の外側に中間層３０３を介して最表層３０２を設けて構成されている。最表層３０２の熱膨張係数は中間層３０３の熱膨張係数より小さい材料からなっている。

ロール３２１は、芯部３２４の外側に中間層３２３を介して最表層３２２を設けて構成されている。最表層３２２の熱膨張係数は中間層３２３の熱膨張係数より小さい材料からなっている。

熱間プレス機構３００による加圧処理の過程を、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す。更に、図２（ａ）に図２（Ａ）の四角で囲んだ部分Ｐの拡大図を示す。図２（ｂ）〜（ｄ）には図２（Ｂ）〜（Ｄ）において四角で囲んだ部分Ｐの拡大図を示す。図２（ａ）〜（ｄ）において矢印は力の方向を示している。

図２（Ａ）は、加圧対象物の成形材料Ｓ１がロール３０１，３２１の間に投入される前の状態を示している。ロール３０１，３２１は回転しながら、外部加熱機構３１１，３３１により所定の温度まで加熱しているため、ロール３０１の中間層３０３、最表層３０２はそれぞれ熱膨張による寸法変化が生じている。ロール３２１の中間層３２３、最表層３２２はそれぞれ熱膨張による寸法変化が生じている。

次に図２（Ｂ）のように、ロール３０１，３２１の温度より低い温度の成形材料Ｓ１がロール３０１，３２１の間に投入されと、これによってロール３０１，３２１の表面温度が低下して、ロール３０１の中間層３０３と最表層３０２の熱膨張による寸法変化が小さくなる。ロール３２１の中間層３２３、最表層３２２の熱膨張による寸法変化が小さくなる。そしてロール表面温度の低下とともに図２（ｂ）のように最表層３０２，３２２が圧縮される。

さらに図２（Ｃ）と図２（ｃ）のように、加圧とともにロール表面温度がさらに低下し、中間層３０３，３２３、最表層３０２，３２２の熱膨張による寸法変化が小さくなり、最表層３０２，３２２はさらに圧縮される。

成形材料Ｓ１はロール３０１，３２１により、送り方向および幅方向へ拡がりながら加圧処理される。最表層３０２，３２２は成形材料Ｓ１が拡がる方向と反対の方向に圧縮されるため、最表層３０２，３２２と成形材料Ｓ１の接触面で摩擦が増加し、前記送り方向への拡がり（幅方向への拡がりを含む）を抑制することができ、成形材料Ｓ１に均一に所望の圧力を伝達して図２（Ｄ）と図２（ｄ）のように成形材料Ｓ１を加圧処理した成形材料Ｓ２が熱間プレス機構３００から排出される。

ロール３０１，３２１を製造する際には、最表層３０２，３２２は中間層３０３，３２３の表面に約２００℃から６００℃以下の温度で加熱しながらコーティングを行う。その後、室温（約２０℃）になったロール３０１，３２１は熱膨張による寸法変化を生じる。

最表層３０２の熱膨張係数は中間層３０３の熱膨張係数より小さく、最表層３２２の熱膨張係数は中間層３２３の熱膨張係数より小さいため、最表層３０２，３２３は中間層３０３，３２３の寸法変化により圧縮された状態になるので、内部応力が高くなっている。

加圧対象物がロールに投入される前の図２（Ａ）の状態では、最表層３０２，３２２はコーティングする際に近い高温状態となっているため、最表層３０２，３２２と中間層３０３，３２３の熱膨張係数差から生じる内部応力は小さく、最表層３０２，３２２は安定な状態にある。

図２（Ｂ）の状態から図２（Ｃ）の状態になるにつれ、ロール表面温度は低下するため、最表層３０２，３２２は内部応力が高くなる。それに伴い、最表層３０２，３２２の硬度が高くなるため、図２（Ｄ）の状態では成形材料Ｓ２をロール３０１，３２１から離型しやすくできる。

最表層３０２，３２２の熱膨張係数ａと中間層３０３，３２３の熱膨張係数ｂの差（ｂ−ａ）は、１×１０^−６／Ｋ以上１０×１０^−６／Ｋ以下が好ましい。１×１０^−６／Ｋより小さいと熱膨張係数差が小さく、最表層の内部応力が発生しない。１０×１０^−６／Ｋより大きいと熱膨張係数差が大きいため、クラックや剥がれ等の要因となる。

最表層３０２，３２２と中間層３０３，３２３の材料は、熱膨張係数差（ｂ−ａ）が１×１０^−６／Ｋ以上１０×１０^−６／Ｋ以下を満たし、３００℃以上６５０℃以下で使用できる材料であれば特に制限はされない。例えば、最表層３０２，３２２の材料には窒化アルミ、窒化チタン、窒化クロム、窒化ケイ素、窒化アルミクロム、窒化チタンアルミなどの窒化物、ジルコニア、アルミナなどの酸化物、炭化クロム、炭化タングステンなどの炭化物、炭窒化チタンなどの窒化物、酸化物、炭化物の複合物がある。中間層３０３，３２３の材料には、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１などのダイス鋼、ＳＫＨ５０、ＳＫＨ４０などのハイス鋼、高炭素鉄合金、Ｎｉ合金、Ｃｏ合金などがある。

芯部３０４，３２４は、所定の温度で所望の強度が得られる材料であれば、特に制限されることはなく、例えば、中間層３０３，３２３と同一材料であっても、別材料であってもよい。

また、上述のロール最表層３０２，３２２の圧縮に加えて、一対のロール３０１，３２１のうち、上方に位置するロール３０１の硬度ｃが下方に位置するロール３２１の硬度ｄより低いことが好ましい。

上下位置のロール３０１，３２１に硬度差がある場合における成形材料Ｓ１の投入から成形材料Ｓ２の回収までの過程を、図３〜図５に示す。

図３のように成形材料Ｓ１は、搬送機構２００の搬送用ベルトコンベア２０１により熱間プレス機構３００に搬送される。上方に位置するロール３０１の硬度を下方に位置するロール３２１の硬度よりも低くすることで、成形材料Ｓ２が加圧処理されたとき、上方に位置するロール３０１の弾性変形量が下方に位置するロール３２１の弾性変形量よりも大きいので、熱間プレス直後の成形材料Ｓ２が図４のようにロール３０１側へ持ち上げられる。

この持ち上げられた成形材料Ｓ２は、下方に位置するロール３２１側へ自重が働くため、成形材料Ｓ２は進行方向に対して平行に搬送され、回収機構４００の回収ベルトコンベア４０１にスムーズに回収され、高い歩留まりが得ることができる。

ロール３０１の硬度ｃとロール３２１の硬度ｄの硬度差（ｄ−ｃ）は、ビッカース硬度において１Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下が好ましい。１Ｈｖより小さいと成形材料Ｓ２を持ち上げることができず、２００Ｈｖより大きいと成形材料Ｓ１の上下方向において圧力が均一に伝達できず、不均一な出来栄えとなってしまう。硬度は、例えば、ビッカース硬度、ショア硬度、ロックウェル硬度、ブリネル硬さ等、公知の硬度測定法により測定される。

図６に、本実施の形態における、熱間プレス機構３００に成形材料Ｓ２が加圧処理される様子を示す。ここで上方に位置するロール３０１の硬度ｃが下方に位置するロール３２１の硬度ｄより低いとは、例えば、ロール３０１の左端部から任意の位置３０１Ｌの硬度ｃ１がロール３２１の左端部から任意の位置３２１Ｌの硬度ｄ１より低く、ロール３０１の右端部から任意の位置３０１Ｒの硬度ｃ３がロール３２１の右端部の任意の位置３２１Ｒの硬度ｄ３より低く、ロール３０１の左端部と右端部の中央部３０１Ｃの硬度ｃ２が、ロール３２１の左端部と右端部の中央部３２１Ｃの硬度ｄ２よりの低い、ということである。

鉛直方向に間隔を空けて配置された一対のロールの上方に位置するロール３０１および下方に位置するロール３２１の硬度は、温度の制御により容易に変更することができる。一般に材料温度と硬度は強い相関を有しているためである。本発明における、ロール３０１とロール３２１の硬度ｃ，ｄは、ロール３０１とロール３２１の材料温度によってそれぞれ制御する。よって、ロール３０１の温度ｅはロール３２１の温度ｆよりも高いことが特徴である。温度差（ｅ−ｆ）は５℃以上１００℃以下を満たすことが好ましい。成形材料に均一に加圧を行い、かつ回収をスムーズに行うための硬度を得るためである。

ここで温度が高いとは、例えば、ロール３０１の左端部から任意の位置３０１Ｌの温度がロール３２１の左端部から任意の位置３２１Ｌの温度より高く、ロール３０１の右端部から任意の位置３０１Ｒの温度がロール３２１の右端部の任意の位置３２１Ｒの温度より高く、ロール３０１の左端部と右端部の中央部３０１Ｃの温度がロール３２１の左端部と右端部の中央部３２１Ｃの温度よりの高いということである。

本実施の形態における熱間プレス機構３００のロール３０１は、中央部３０１Ｃの硬度ｃ２が、左端部から任意の位置３０１Ｌの硬度ｃ１および右端部から任意の位置３０１Ｒの硬度ｃ３よりも低いことが特徴である。

さらにビッカース硬度において、好ましくは、硬度差（ｃ２−ｃ１）および（ｃ２−ｃ３）が１Ｈｖ以上もしくは２００Ｈｖ以下を満たすことが望ましい。ロール３０１の中央部３０１Ｃの弾性変形量は、左端部から任意の位置３０１Ｌあるいは右端部から任意の位置３０１Ｒの弾性変形量よりも大きくなるため、成形材料は加圧処理される際に、ロール３０１の中央部から端部方向へ拡がりにくくなり、成形材料の端部まで圧力が十分に伝達される。

ロール３０１の硬度ｃ２＜ｃ１，ｃ２＜ｃ３の違いは、温度の制御により容易に変更することができる。一般に材料温度と硬度は強い相関を有しているためである。ロール３０１の中央部３０１Ｃの硬度と、左端部から任意の位置３０１Ｌおよび右端部から任意の位置３０１Ｒの硬度の違いは、ロール３０１の中央部３０１Ｃの材料温度，左端部の任意の位置３０１Ｌの材料温度，右端部の任意の位置３０１Ｒの材料温度によって、それぞれ制御する。

よって、ロール３０１の中央部３０１Ｃの温度ｅ２は、左端部から任意の位置３０１Ｌの温度ｅ１および右端部から任意の位置３０１Ｒの温度ｅ３よりも高いことが特徴であり、温度差（ｅ２−ｅ１）または（ｅ２−ｅ３）は、５℃以上１００℃以下であることが好ましい。これによると成形材料の端部まで圧力が十分に伝達される。

ロール３２１は、中央部３２１Ｃの硬度ｄ２が左端部から任意の位置３２１Ｌおよび右端部から任意の位置３２１Ｒの硬度ｄ１，ｄ３よりも低いことが特徴であり、さらにビッカース硬度において硬度差（ｄ２−ｄ１）あるいは（ｄ２−ｄ３）は、１Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下を満たすことが望ましい。ロール３２１の中央部３２１Ｃの弾性変形量は左端部から任意の位置３２１Ｌあるいは右端部から任意の位置３２１Ｒの弾性変形量よりも大きくなるため、成形材料は加圧処理される際に、ロール３２１の中央部から端部方向へ拡がりにくくなり、成形材料の端部まで圧力が十分に伝達される。

ロール３２１の硬度ｄ２＜ｄ１，ｄ２＜ｄ３の違いは、温度の制御により容易に変更することができる。一般に材料温度と硬度は強い相関を有しているためである。ロール３２１の中央部３２１Ｃの硬度と左端部から任意の位置３２１Ｌおよび右端部から任意の位置３２１Ｒの硬度は、ロール３２１の中央部３２１Ｃの材料温度，左端部の任意の位置３２１Ｌの材料温度，右端部の任意の位置３２１Ｒの材料温度によって、それぞれ制御する。

よって、ロール３２１の中央部３２１Ｃの温度ｆ２は、左端部から任意の位置３２１Ｌの温度ｆ１および右端部から任意の位置３２１Ｒの温度ｆ３よりも高いことが特徴であり、その温度差（ｆ２−ｆ１）または（ｆ２−ｆ３）は、５℃以上１００℃以下が好ましい。これによると、成形材料の端部まで圧力が十分に伝達される。

（実施の形態２）
図７は実施の形態２のロールプレス装置を示す。

この実施の形態２では、材料投入機構１００の下方位置に搬送機構２００が配置されている。搬送機構２００の下方位置に熱間プレス機構３００が配置されている。

搬送機構２００は、間隔を空けて水平に配置されたロール２１１，２１２を有している。材料投入機構１００からロール２１１，２１２の間に供給された成形材料Ｓ１が、ロール２１１，２１２によって圧縮されて上方から下方に排出される。

熱間プレス機構３００は、間隔を空けて水平に配置されたロール３０１，３２１と、ロール３０１の近傍に配置された外部加熱機構３１１と、ロール３２１の近傍に配置された外部加熱機構３３１から構成されている。ロール３０１，３２１のロール内部構造、ロール幅方向の硬度については、実施の形態１と同じである。

材料投入機構１００から搬送機構２００を介して熱間プレス機構３００に搬入された成形材料Ｓ１は、熱間プレス機構３００によって加圧処理された熱間プレス直後の成形材料Ｓ２は、熱間プレス機構３００からさらに下方に排出される。

この実施の形態２では加圧処理方向が上方位置から下方に向かう方向である点が、実施の形態１では加圧処理方向が水平方向であった点だけが異なる。その他は実施の形態１と同じであって、実施の形態２でも加圧対象物の拡がりを抑制し、かつ圧力を均一に成形材料Ｓ１に伝達することができ、製品寸法は問わず、高密度で均一な製品とする場合にも有用である。

なお、上記の各実施の形態において熱間プレス機構３００の加熱装置として外部加熱の実施例を説明したが、加圧対象物の加圧処理時のロールの表面状態は同様となるため、内部加熱方式でも同じ効果が得られる。

本発明のロールプレス装置は、半導体部品、車載部品、生体部材料、電池材料などの産業用途に用いる成形材料の加圧処理に有効である。

１ロールプレス装置
１００材料投入機構
２００搬送機構
３００熱間プレス機構
３０１，３２１ロール
３０２ロール３０１の最表層
３０３ロール３０１の中間層
３０４ロール３０１の芯部
３２２ロール３２１の最表層
３２３ロール３２１の中間層
３２４ロール３２１の芯部
３１１ロール３０１の外部加熱機構
３３１ロール３２１の外部加熱機構
４００回収機構
３０１Ｌロール３０１の左端部から任意の位置
３０１Ｃロール３０１の中央部
３０１Ｒロール３０１の右端部から任意の位置
３２１Ｌロール３２１の左端部から任意の位置
３２１Ｃロール３２１の中央部
３２１Ｒロール３２１の右端部任意の位置
ａロール３０１，３２１の最表層３０２，３２２の熱膨張係数
ｂロール３０１，３２１の中間層３０３，３２３の熱膨張係数
ｃ１ロール３０１の左端部から任意の位置３０１Ｌの硬度
ｃ２ロール３０１の中央部３０１Ｃの硬度
ｃ３ロール３０１の右端部から任意の位置３０１Ｒの硬度
ｄ１ロール３２１の左端部から任意の位置３２１Ｌの硬度
ｄ２ロール３２１の中央部３２１Ｃの硬度
ｄ３ロール３２１の右端部から任意の位置３２１Ｒの硬度
ｅ１ロール３０１の左端部３０１Ｌから任意な位置の温度
ｅ２ロール３０１の中央部３０１Ｃの温度
ｅ３ロール３０１の右端部３０１Ｒから任意な位置の温度
ｆ１ロール３２１の左端部３２１Ｌから任意な位置の温度
ｆ２ロール３２１の中央部３２１Ｃの温度
ｆ３ロール３２１の右端部３２１Ｒから任意な位置の温度

Claims

間隔を空けて配置された一対のロールと前記ロールを加熱する加熱機構とを有し成形材料を加熱圧延する熱間プレス機構と、
前記成形材料を投入する材料投入機構と、
前記材料投入機構によって投入された成形材料を前記熱間プレス機構へ搬送する搬送機構を有し、
前記熱間プレス機構の一対のロールは最表層とこの最表層の内側に中間層を含むロール構造であり、前記最表層の熱膨張係数は、前記中間層の熱膨張係数より小さく、
前記ロールの前記最表層における内部応力が、成形材料投入直前の位置より、加圧処理終了時の位置および加圧処理後の位置の方が、大きい、
ことを特徴とするロールプレス装置。
前記加熱機構による前記ロールの表面の最大加熱温度は、３００℃以上６５０℃以下であることを特徴とする、
請求項１に記載のロールプレス装置。
前記一対のロールのうち、上方のロールの中央部の硬度が、下方のロールの中央部の硬度より低いことを特徴とする、
請求項１または２に記載のロールプレス装置。
前記一対のロールのうち、上方のロールの中央部の温度が、下方のロールの中央部の温度より高いことを特徴とする、
請求項１から３の何れか１項に記載のロールプレス装置。
前記一対のロールの中央部の硬度が、端部の硬度よりも低いことを特徴とする、
請求項１から４の何れか１項に記載のロールプレス装置。
前記一対のロールの中央部の温度が端部の温度よりも高いことを特徴とする、
請求項１から５の何れか１項に記載のロールプレス装置。
前記一対のロールの材質が同じであることを特徴とする、
請求項１から６の何れか１項に記載のロールプレス装置。