JPH08165514A

JPH08165514A - 耐摩耗性カーボンロール

Info

Publication number: JPH08165514A
Application number: JP30803294A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirota; 芳明広田; Masami Onoda; 正巳小野田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】カーボンの柔軟性及び高温での形状安定性を
損なうことなく、カーボンロールの耐摩耗性を付与す
る。【構成】胴部がカーボンからなるロールの表層に、該
カーボンの熱膨張との比が５以下の金属を鋳込んだ金属
層を設け、好ましくは金属層の厚みを５mm以下とするカ
ーボンロール。【効果】サーマルクラウンが防止できるため、金属帯
板の変形や蛇行が防止でき、ライン速度を落とさずに生
産ができる。また、ロール冷却も均一にかつ効率的にで
きるとともに、通電ロールに用いれば、スパークの発生
もなく安定した加熱ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理炉で用いられる
搬送用ロールや、鋼板を冷却するために用いる冷却ロー
ル、あるいは通電加熱用の通電ロールなどに用いられる
耐摩耗性に優れたカーボンロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属の焼鈍、例えば冷延鋼板の連続焼鈍
で使用される炉内のハースロールでは炉の雰囲気温度が
高く、接触する鋼板が雰囲気温度より低い場合、ロール
の中央部温度が低いため、ロールのエッジの方が高温に
なり、温度分布がつく。この温度分布に応じ、ロールの
プロフィールは、熱膨張により中央がへこみエッジが高
い凹型のクラウンを生じる。逆に、炉の雰囲気温度より
高温の鋼板と接触する場合や、加熱された鋼板を冷却す
るために使用される冷却ロール、あるいは、通電加熱に
使われる通電ロールなどは、ロール温度が鋼板よりも低
く、高温の鋼板と接触した部分は高温に熱せられるが、
鋼板と接触しない部分は温度が低くなり、凸型のクラウ
ンが生じる。このような状態では、鋼板にも温度分布、
張力分布がつきやすく、形状が悪化し、耳波や絞りなど
が生じやすくなる。また、鋼板の幅が変わった場合に
は、ロールのプロフィールが変化し、鋼板形状が不安定
になりやすく、ロールのプロフィールが安定するまで低
速で操業しなければならないなどの問題が有った。

【０００３】また、通電ロールではロールにクラウンが
生じると鋼板への接触圧力が部分的に低下する結果、鋼
板と通電ロールの間でスパークが発生し、鋼板、通電ロ
ール双方に溶融痕が生じ、製品品質の低下、ロール寿命
の低下をもたらすという問題があった。

【０００４】このように、ロールのプロフィールが変化
すると種々の不都合が生じる原因となる。そこで、ロー
ル表面温度を均一にするため、特開昭５７−１３６７９
３号公報には、ロール表面に磁束密度が高くなる部分の
抵抗値が大きくなるように導電性磁性体膜を形成し、誘
導加熱をした場合に、一様な温度分布を得ることが記載
されている。また、特開昭６１−７９７３３号公報に
は、ロール表面を通電性セラミックで構成し、通電加熱
可能に構成した搬送ロールが記載されている。このロー
ルは、導電性セラミックに通電し、抵抗加熱によりロー
ルの幅方向の温度分布を均一化することができると記載
されている。

【０００５】しかしながら、これら従来の方法ではロー
ル表面温度だけを均一にしようとしても、ロール表面温
度と異なる物質がロールと接触すればやはりロール表面
温度分布は不均一になるとともに、軸受けからロールま
で各部へ熱が移動することから、ロール内部まで温度を
均一化することは困難であり、ロールのプロフィールを
均一化することが難しい。

【０００６】それに対し、熱伝導率が高く熱膨張係数の
小さなカーボン材を用いれば、雰囲気温度によらずプロ
フィールをほぼ一定に保つことが可能となる。しかし、
形状安定性に優れるカーボン材ではあるが、柔らかいた
め摩耗が激しいという問題がある。

【０００７】摩耗に対しては、溶射などによりセラミッ
クスや金属、サーメット層を表層に形成する方法がある
が、溶射層は組織が緻密でないため純金属あるいは焼結
セラミックスなどに比べ機械強度が弱いことや耐摩耗性
に劣ること、寿命を延ばしたいがあまり溶射厚みを厚く
することができないなどの問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、カーボンロ
ールの持つ高熱伝導性、柔軟性、低熱膨張性といった性
質を損なわず、表面の耐摩耗性を顕著に改善できる耐摩
耗性カーボンロールを提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、胴部が
カーボンからなるロールの表層に、該カーボンとの熱膨
張係数比が５以下の金属を鋳込んだ金属層を設け、好ま
しくは金属層の厚みを５mm以下とすることを特徴とする
カーボンロールである。

【００１０】

【作用】図面を用いて、本発明の作用を説明する。図１
は、本発明によるカーボンロールの断面図である。カー
ボン２は、ロール軸４上に設けられた断熱層３の上に密
着して設ける。断熱層３は、カーボン表層からの熱を直
接ロール軸４へ伝えないために設ける。すなわち、高温
の熱処理炉内にカーボンロールが置かれた場合等には、
カーボン２の表面からの熱がロール軸４へ移動するが、
カーボン２がロール軸４へ直接接触していると、ロール
軸４へ熱が大きく移動してしまい、熱によりロール軸４
が膨張しカーボンを押し上げロール形状を崩してしま
う。また、場合によってはカーボンを破壊にいたらす場
合もある。そのため、断熱層３は、ロール軸４への熱の
移動を少なくするとともに、移動した熱による軸の熱膨
張とその熱応力を吸収するための役割も持つ。

【００１１】このような構造にすることにより、鉄の約
３〜４倍というカーボンの高熱伝導性により、ロールシ
ェル内に温度分布は均一化してゆく。また、熱膨張率が
１〜６×１０^-6［１／℃］と小さいこともあり、冷間時
のロールプロフィールは熱間でもあまり変化しないとい
う特性があり、高温炉内においてもロール形状を常にほ
ぼ均一に保つことができるという優れた特性を有する。

【００１２】また、カーボンロールを通電ロール、ある
いは挟持式通電の場合の押さえロールとして使用する場
合には、ヤング率が５００〜１０００kg／mm²程度と小
さいため、熱間でも弾力性のある材質として、容易に被
加熱材を通電ロールとの間に押さえ込むことができるよ
うになる。

【００１３】このようにカーボンロールは、従来の金属
ロールにない優れた特性を有するが、柔らかいため容易
に摩耗しやすいという問題がある。耐摩耗性を付与する
ためには、カーボン表層に硬質の皮膜を形成すればよ
い。ところがカーボンは、一般に他の物質との反応性に
乏しく強固な皮膜を形成する事は難しい。

【００１４】本発明は、カーボンの上に皮膜を形成する
方法として、図２に示すようにカーボンロール自体の表
層に、直接金属を鋳込む方法をとるが、図１に１がカー
ボン上に形成された金属層である。鋳造する金属は、カ
ーボン２と全体を包囲する形で構成した鋳型６との間の
空間７に流し込みそのまま冷却を行う。溶融した金属と
接触することによりカーボンは高温になり徐々に冷却さ
れるが、一般に溶融金属の方が熱膨張係数が大きいた
め、焼きばめしたような状態でカーボン上に凝固するた
め、カーボンとの密着力は極めて強い。特に、高温で凝
固開始するため、通常の金属の焼きばめよりも高温から
の焼きばめに相当し、使用温度も高いところまで耐えら
れる。カーボンと鋳造金属の密着力をさらに増すために
は、カーボン表層に凹凸あるいは切り込みを入れるなど
の方法がある。また、溶射の様な不完全でポーラスな組
織ではなく、組織が完全な金属組織であるため、機械強
度、寿命等の点でも優れる。

【００１５】また、鋳造する金属は、できるだけ使用す
るカーボンの熱膨張率と近い方が好ましいが、多少大き
くても密着性はある程度大きくても構わず、実験の結果
から、使用するカーボンの５倍以下の熱膨張率であれば
安定して使用できることがわかった。

【００１６】鋳造する厚みとしては、原理的にはいくら
でも厚くできるが、鋳造する金属被膜の厚みを厚くして
ゆくと次第にカーボンの持つ弾力性が失われてゆくた
め、本発明ではカーボンの特徴の一つである高温での柔
軟性を確保できる厚みとして、実験により５mm以下とす
るのが好ましいことがわかり、厚みは５mm以下とした。

【００１７】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明の効果を説明す
る。（実施例１）供試材カーボンは、３０００℃で焼成し
た、熱伝導率が１４０［Ｗ／ｍ²Ｋ］、線膨張係数が１
×１０^-6［１／℃］の外形３００mm、長さ３００mmの円
筒を用いた。ロールは、直径１００mmのＳ４５Ｃ製ロー
ル軸に熱伝導率０．８６［Ｗ／ｍ²Ｋ］のキャスタブル
で厚み３０mmの断熱施工し、その上にこのカーボンを５
００℃で焼きばめして製作した。

【００１８】このロールに対し、図２のように樹脂によ
り鋳型を製作した。鋳造した金属は、Ｎｉ３３％、１．
４％Ｓｉ、１．２％Ｃからなる鋳鉄を用い、厚み１０mm
になるように鋳造した。冷却後、型からとりだしたロー
ルは、旋盤加工により厚みが３mmになるまで研削した。

【００１９】このように加工したロールを熱間の転動摩
耗試験機にかけ、摩耗試験を実施した。使用した転動摩
耗試験機は、幅が１００mmの鋳鉄ロール（径３００mm）
を、誘導加熱により７００℃に加熱しながら、線圧３kg
／mmの圧力で試験ロールに押し当て所定距離接触した後
の摩耗量を比較するもので、今回の実験では、３０００
km接触後の摩耗量を比較した。

【００２０】試験に使用したロールは、本発明によるロ
ールＡ、比較例として形状がロールＡと同じで何も摩耗
対策を施さない純カーボンのロールＢ、形状がロールＡ
と同じでカーボンの上にロールＡで鋳造した金属とほぼ
同じ組成からなる金属をワイヤー溶射し被膜３mm形成し
たロールＣ、形状がロールＡと同じでＷＣ−１２％Ｃｏ
被膜をプラズマ溶射により３００μｍ形成したロールＤ
の４種類について実験を行った。

【００２１】摩耗試験後の結果を表１に示す。本発明に
よるロールＡは、ほとんど摩耗も剥離も生じなかったの
に対し、比較例Ｂは４５０μｍもの摩耗が生じた。ま
た、同じ材質でもワイヤー溶射したロールＣも組織の緻
密性が本発明によるロールＡに比べ劣るため、摩耗もや
や大きな値となった。また、比較例Ｄは、試験途中で剥
離してしまった。このように本発明によるロールＡは、
摩耗も剥離も無く安定した性能を示した。

【００２２】（実施例２）カーボン表層に鋳造する金属
の熱膨張率の影響をみるため、以下の実験を行った。カ
ーボン材として実施例１で使用したものと同じ材質の、
直径３０mm、長さ５０mmカーボン円筒と、ＣＩＰ処理を
施した熱膨張率６×１０^-6［１／℃］のカーボンを用
い、鋳造金属の種類を変えテストピースを製作した。こ
れらのテストピースを、窒素雰囲気中で８００℃に加熱
した後、室温の油に投下し、被膜のクラックが生じるま
での回数を測定した。カーボン上へ形成する金属層の厚
みは、全て３mmとした。

【００２３】試験に用いたカーボンの種類と鋳造した金
属の組み合わせ、ならびに被膜のクラックが生じるまで
の回数を表２に示す。本発明によるカーボンＡ〜Ｅは、
５０回の油中投下によってもクラックは生じなかったの
に対し、カーボンと被服金属の熱膨張係数比が大きな組
み合わせＦ〜Ｉはクラックが生じた。特に、カーボンと
被服金属の熱膨張係数比が大きなＦ，Ｇはクラックが進
展し剥離にまで至った。表２より明らかなように、カー
ボンと被服金属の熱膨脹係数比は５以下が安定して昇降
温に耐えられる特性を有する。

【００２４】（実施例３）実施例１で製作したロールと
同様のロールを製作し、金属を削りながらロールの柔軟
性をみるため、エッジドロップが幅４０mmで２５μｍの
鋼板を定盤上に置き、カーボンが圧壊しない圧下力であ
る線圧３kg／mmの圧下力を加え、エッジドロップ部が定
盤に接触しはじめる厚みを求めた。接触判定は、鋼板に
着色材を塗り、着色材が定盤に転写されるかどうかで行
った。表３に示すように、エッジ部が定盤にかすかに接
触をはじめる金属層厚みは５mmであり、この厚み以下で
あれば確実にエッジドロップ部が定盤に接触することが
わかった。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明による、カーボン上へ熱膨張係数
比の小さな金属を形成したロールを用いれば、耐摩耗性
に優れたロールを形成する事ができる。その結果、カー
ボンの欠点である摩耗に弱いという性質を克服する事が
でき、例えば熱負荷のかかる金属の連続熱処理炉用の搬
送ロール等に使用すれば、カーボンのもつ低熱膨張で熱
伝導性が非常に高いという性質により、高温の被加熱材
と接触しても温度分布がつきにくく、かつ熱膨張率も小
さいので、サーマルクラウンの発生が抑止でき、金属帯
板との接触不良が回避でき、接触不良にともなうストリ
ップの変形や、温度の不均一さを防止することができ
る。また、例えば鋼板の連続焼鈍炉などで使用すれば、
板幅が変更になってもロールのプロフィールが安定して
いるため、板形状の悪化が防止でき、また蛇行などの発
生も防止できる。そのため、ライン速度をおとさない生
産が可能となり、高速搬送も可能になる。さらに、鋼板
を冷却するために用いる冷却ロール等へ使えば、カーボ
ンの熱伝導が良いため効率的に、かつ鋼板の形状不良を
起こさず冷却が可能となる。

【００２９】通電ロールに応用した場合にも、加熱して
高温になった金属と接触してもプロフィールが安定して
いること、カーボンの柔軟性を損なわないことから接触
不良に伴うスパークの発生を防止できる。

【００３０】カーボンの欠点である摩耗に対して、本ロ
ールの場合には硬質の被膜を表層に有するので、長時間
安定して使用が可能であり、また、仮に摩耗が進んでも
表層のみを再処理すれば何度でも母材を使えるので、経
済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカーボンロールの具体例を示す断
面図。

【図２】図１のカーボンロールを製造する過程を示す断
面図。

【符号の説明】

１金属層２カーボン３断熱層４ロール軸６鋳型７空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２７Ｄ 11/02 Ｚ 7720−4Ｋ 15/02 Ｃ 7720−4Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】胴部がカーボンからなるロールの表層
に、該カーボンとの熱膨張の比が５以下の金属を鋳込
み、金属層を設けたことを特徴とするカーボンロール。
【請求項２】表層に設けた金属層の厚みが５mm以下で
あることを特徴とする請求項１記載のカーボンロール。