WO2007097272A1 - セラミックス－樹脂複合ロールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

　セラミックス－樹脂複合ロール１は、金属製ロール芯２と、金属製ロール芯２の外周面に形成された下地層３と、下地層３の外周面に形成されたセラミックス溶射膜４とを備える。セラミックス溶射膜４は、隣接するセラミックス粒子５が溶融結合したセラミックス粒子層と、セラミックス粒子層の表面から下地層３の表面に至るまでセラミックス粒子５間の間隙内に充填された樹脂６の層とを含む。  

Description

明 細 書

セラミックス一樹脂複合ロールおよびその製造方法

技術分野

[0001] この発明は、各種工業に用いることのできるセラミックスー榭脂複合ロールに関する ものであり、特に耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性、耐腐食性に優れていて製紙用口 ールとして好適に用いることができるセラミックスー榭脂複合ロールおよびその製造 方法に関するものである。

背景技術

[0002] 製紙工程のプレスパート、塗工パート、ワイヤーパート等にぉ 、て、セラミックス溶射 被膜を有するセラミックスロールが用いられている。セラミックス溶射被膜中のセラミツ タス粒子は、隣接した粒子同士が互いに溶融し合った強 、結合を有して 、るので、 セラミックスロールは、全体として、一般的に優れた強度および耐摩耗性を有している

[0003] その反面、セラミックス溶射被膜中にお 、て、溶融結合したセラミック粒子間には空 隙が存在しているので、パルプ液に含まれる薬品や水分がロール表面から内部に浸 透やすい。薬品や水分がロール内部に浸透すると、セラミックス溶射被膜やロール芯 が腐食し、ロール破損の原因となる。このため、セラミックスロールの表面には一般的 に封孔処理が施されるが、十分な封孔効果が得られて!/、な 、のが現状である。

[0004] 特公平 7— 111036号公報には、金属製芯体の外周に金属材料力もなる下地層を 形成し、その下地層の外周にセラミックス層を形成した抄紙機用プレスロールの製造 方法が開示されている。この公報に記載されたプレスロールは、図 4に模式的に示す ように、ロール芯 11と、ロール芯 11の外周に形成された下地層 12と、下地層 12の外 周に形成されたセラミックス層 13とを備える。セラミックス層 13は、セラミックス粉末の 溶射により形成されている。また、セラミックス層 13の表層部分に有機高分子物質を コーティングすることにより、セラミックス粒子 14間の間隙に充填された有機高分子物 質層 15を形成する。特公平 7— 111036号公報によると、有機高分子物質は、セラミ ックス層 13の表面力もセラミックス層の厚みの 1Z4〜 1Z2の部分に充填するのが好 ましいとされている。

[0005] 特開平 6— 81292号公報には、母材表面に、プラスチックとセラミックスとの混合溶 射被膜、またはプラスチックとサーメットとの混合溶射被膜を形成したプレスロールが 開示されている。この公報によれば、溶射被膜の全体をプラスチックとセラミックスとの 混合物、またはプラスチックとサーメットとの混合物で形成することができる。

[0006] 特公平 7— 111036号公報に記載のプレスロールは、セラミックス溶射被膜の表層 部分に有機高分子物質がコーティングされ、表層部分のセラミックス粒子間の間隙に 有機高分子物質が充填されている。しかしながら、セラミックス溶射被膜の表層部分 のみに有機高分子物質が充填されているだけでは、耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品 性、耐腐食性の点で不十分であることがわ力つた。また、特公平 7— 111036号公報 に記載のプレスロールの場合、セラミックス粒子間の間隙に充填される有機高分子物 質は、エポキシ榭脂の場合、粘度の小さなものが用いられる力 プレスロールは大型 であるので榭脂の含浸に時間がかかり、含浸の途中で榭脂の硬化が進行してしまう。 このため、セラミックス溶射被膜の内部にまで十分に榭脂を浸透させることが困難で あった。また、有機高分子物質を溶剤で希釈した場合には、硬化の際に溶剤が抜け た後、溶射被膜の空隙率が大きくなつてしまい、耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性、耐 腐食性が不十分となってしまう。

[0007] 特開平 6— 81292号公報に記載のプレスロールは、プラスチックとセラミックスとの 混合材料、またはプラスチックとサーメットとの混合材料を溶射することにより被膜が 形成される。しカゝしながら、混合材料を用いても、溶射をすればやはり空隙はできてし まうので、十分な封孔効果が得られない。また、混合材料を溶射した場合、セラミック ス粒子間の空隙だけでなくセラミックス粒子同士の結合部分にもプラスチックが介在 してしまうので、セラミックス粒子の溶融結合が不十分なために粒子が剥離しやすくな り、セラミックス単体よりもむしろ被膜の強度が劣ったものとなってしまう。

発明の開示

[0008] この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セラミ ックロールの耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性、耐腐食性を向上させたセラミックス— 榭脂複合ロールおよびその製造方法を提供することにある。 [0009] この発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールは、金属製ロール芯と、この金属製 口ール芯の外周面に形成された下地層と、この下地層の外周面に形成されたセラミツ タス溶射被膜とを備える。セラミックス溶射被膜は、隣接するセラミックス粒子が溶融 結合したセラミックス粒子層と、このセラミックス粒子層の表面から下地層の表面に至 るまでセラミックス粒子間の間隙内に充填された榭脂層とを含む。

[0010] 上記の構成によれば、セラミックス溶射被膜が、セラミックス粒子同士の強い溶融結 合を有して ヽるので、セラミックス溶射被膜の特長である強度と耐摩耗性が保持でき る。その上、溶射被膜の厚み全体に亘つてセラミックス粒子間の間隙内に充填された 榭脂が、封孔材としての機能と補強材としての機能との両方を発揮する。従って、溶 射被膜の表面カゝら下地層までの溶射被膜全体に亘り、溶融結合したセラミックス粒子 と、その粒子間に充填された榭脂との複合材料が形成されていることにより、ロール の耐衝撃性、耐磨耗性が向上し、また、下地層まで確実に封孔されていることにより 耐薬品性および耐腐食性も向上する。

[0011] 上記の榭脂層を形成する榭脂は、好ましくは、エポキシ榭脂、ウレタン榭脂等の熱 硬化性榭脂である。特にエポキシ榭脂を用いた場合、セラミックス—榭脂複合ロール の耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性、耐腐食性が向上する。

[0012] この発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールの製造方法は、以下の工程を備え る。

[0013] (A)金属製ロール芯の外周面に下地層を形成する下地層形成工程。

[0014] (B)上記の下地層の外周面にセラミック粒子を溶射して隣接するセラミックス粒子が 溶融結合したセラミックス粒子層を形成するセラミックス溶射工程。

[0015] (C)上記のセラミックス粒子層のセラミックス粒子間の間隙内に熱硬化性液状榭脂 を含浸させる榭脂含浸工程。

[0016] (D)上記の榭脂含浸工程後のロール全体を加熱して液状榭脂を硬化させる榭脂 硬化工程。

[0017] 上記の方法では、セラミックス溶射工程と、榭脂含浸工程とを別々の工程で行って いる。すなわち、特開平 6— 81292号公報に記載されているようなセラミックスと榭脂 との混合溶射ではなぐセラミックス材料を単独で溶射しているので、セラミックス粒子 同士の強 ヽ溶融結合が得られる。

[0018] 好ましくは、セラミックス粒子の溶射を水安定ィ匕プラズマ溶射法によって行う。水安 定ィ匕プラズマ溶射法は、ガスプラズマ溶射法よりも熱量が大きいため、セラミックス粒 子同士の結合力が強ぐ強度に優れた被膜を得ることができる。また、水安定化ブラ ズマ溶射法では、ガスプラズマ溶射法の場合よりも大きな径の粒子を溶射することが できるので、セラミックス粒子間の間隙を大きくすることができ、液状樹脂が浸透しや すくなる。

[0019] さらに上記の方法では、榭脂含浸工程とは別工程で、ロール全体を加熱して液状 榭脂を硬化させる工程を含んでいるので、硬化速度が遅く且つ硬化温度の高い榭脂 を選択することができる。このため、榭脂含浸工程の途中で液状樹脂の硬化が進行 するのを防ぐことができ、溶射被膜の表面から下地層にまで榭脂を十分に浸透させる ことができる。

[0020] 榭脂含浸工程にお!ヽては、熱硬化性液状榭脂を、セラミックス粒子層の表面から下 地層の表面に至るまでセラミックス粒子の間隙内に浸透させるようにするのが好まし い。これによつて、セラミックス溶射被膜の封孔効果が著しく向上し、セラミックス一榭 脂複合ロールの耐薬品性、耐腐食性を向上させることができる。また、セラミックス粒 子間の間隙を縫うようにして、セラミックス溶射被膜の表面力も下地層に至るまで榭脂 の連続した層が形成されるので、榭脂が溶射被膜の補強材として作用し、セラミック ス―榭脂複合ロールの耐衝撃性、耐摩耗性も向上する。

[0021] 硬化工程は、榭脂含浸工程後のロール全体を加熱炉に入れ、加熱炉内で行うのが 好ましい。これにより、含浸した榭脂を均一かつ確実に硬化させることができ、セラミツ タスと樹脂との複合によってロールの強度が向上する。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]この発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールの一実施形態の要部断面図で ある。

[図 2]この発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールの一実施形態の要部を模式的 に示す拡大断面図である。

[図 3]この発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールの製造方法の工程を順に示す 図である。

[図 4]従来のセラミックスロールを模式的に示す拡大断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明の実施の形態について説明する。

[0024] 図 1は、本発明の一実施形態に係るセラミックスー榭脂複合ロールの要部断面図で ある。図 2は、図 1に示すロールの要部を詳細に示す拡大断面図である。セラミックス ー榭脂複合ロール 1は、金属製のロール芯 2と、その外周面に形成された下地層 3と 、さらにその外周面に形成されたセラミックス溶射被膜 4とで構成されている。この口 ール 1は、製紙用ロールとして好適に用いることができる。ロール 1全体のサイズに注 目すると、直径が 0. 4〜2m、面長（両側部に突出している軸の長さを含まないロー ル表面の長さ）が 2〜： LOm程度である。

[0025] ロール芯 2の材質は、例えば、鉄、ステンレススチール、銅、真ちゆうなどである。下 地層 3は、ニッケル.クロム合金、ニッケル'クロム'アルミニウム合金など力 なり、ロー ル芯 2と溶射被膜 4との接合一体ィ匕およびロール芯 2の防食のために設けられる。下 地層 2の厚みは約 100〜800 μ mである。

[0026] セラミックス溶射被膜 4は、隣接するセラミックス粒子 5が溶融結合したセラミックス粒 子層と、セラミックス粒子層の表面から下地層 3の表面に至るまでセラミックス粒子 5間 の間隙内に充填された榭脂 6の層とを含む。すなわち、セラミックス溶射被膜 4は、溶 融結合したセラミックスと樹脂との複合材料力もなつており、セラミックス材料単独での 溶射によって形成されたセラミックス粒子 5同士の溶融結合と、セラミックス粒子 5間の 間隙に充填された榭脂 6とを含んでいる。セラミックス粒子 5同士は、溶融結合の連続 によって溶射被膜 4の表面から下地層 2にかけて繋がっている。一方、榭脂 6も、セラ ミックス粒子 5間の間隙を縫うようにして、セラミックス溶射被膜 4の表面から下地層 3 にかけて、連続した層を形成している。

[0027] セラミックス材料としては、グレイアルミナ（97%A1 O - 3%TiO )、ホワイトアルミ

2 3 2

ナ（Al O )、チタ-ァ（TiO )、アルミナ—チタ-ァ（Al O— TiO )、クロミア（CrO )

2 3 2 2 3 2 2

、ジルコ-ァ（ZrO )、ジルコ-ァ—イットリア（ZrO—Y)等が挙げられる。これらは単

2 2

独または混合して使用することができる。榭脂 6としては、前述のとおり、熱硬化性榭 脂、特にエポキシ榭脂を用いるのが好ま 、。

[0028] 次に、本発明に従ったセラミックスー榭脂複合ロールの製造方法の一実施形態に ついて説明する。図 3に示すように、セラミックス—榭脂複合ロールの製造方法は、下 地層形成工程 (A)と、セラミックス溶射工程 (B)と、榭脂含浸工程 (C)と、榭脂硬化 工程 (D)とを含む。

[0029] まず、下地層形成工程によって、ロール芯 2の外周面に下地層 3を形成する。下地 層 3の形成は、アーク溶射、フレーム溶射、プラズマ溶射などにより行うことができる。

[0030] 次に、セラミックス溶射工程によって、下地層 3の外周面にセラミックス粒子 5の層を 形成する。強い被膜強度を得るためには、セラミックス材料以外を混合することなぐ セラミックス材料のみを溶射するのが好ましい。溶射材料の粒子径は 10〜200 μ m 程度である。溶射は水安定化プラズマ溶射法、ガスプラズマ溶射法等の公知の方法 で行うことができる力 セラミックス粒子同士の強い結合力を得るためには水安定ィ匕 プラズマ溶射法で行うのが好ましい。また、後の榭脂含浸工程において榭脂を充填 しゃすくする観点から、粒子径が比較的大きな溶射材料を用い、セラミックス粒子層 の気孔率が大きくなるようにするのが好ましい。溶射による層の厚みは 0. 5〜3mm 程度とされる。また、榭脂を充填する前のセラミックス粒子層の気孔率は 5〜15%程 度であるのが好ましい。

[0031] 次に、榭脂含浸工程によって、セラミックス粒子層に含まれるセラミックス粒子 5間の 間隙内に熱硬化性の液状榭脂 6を含浸させる。液状樹脂の含浸方法としては、コー ター、刷毛塗り、スプレー等の手段を用いることができ、これにより、溶射被膜の表面 力も液状榭脂をしみ込ませることができる。この際、セラミックス粒子層の表面から下 地層 3の表面に至るまでの厚み全体に亘つてセラミックス粒子 5間の間隙内に液状榭 脂 6を浸透させるために、常温から予熱温度の範囲で 100cps〜200cpsの低粘度を 保つ榭脂を選択するのが好まし 、。常温から予熱温度の範囲で硬化が進行するよう な榭脂を選択するのは、溶射被膜への含浸が不十分となるので好ましくな 、。

[0032] 次に、榭脂硬化工程で、榭脂含浸後のロール全体を加熱することにより、溶射被膜 に含浸した液状榭脂 6を硬化させる。硬化工程は、ロール全体を加熱炉 7に入れ、加 熱炉 7内で行なうのが好ましい。加熱条件は、 80〜120°Cの温度で 1〜10時間とす るのが好ましい。

[0033] 最後に、ロールの表面を所定の寸法に切削し、さらに所定の表面粗さに研磨して、 セラミックス—榭脂複合ロールが完成する。

[0034] [実施例 1]

まず、長さ 5100mm、面長 3400mm、直径 550mmの铸鉄製ロール芯の表面を洗 浄、脱脂し、さらにサンドブラストによって粗面化した。次いで、このロール芯の表面 に、アーク溶射装置を用いてニッケル—クロム合金を溶射し、厚さ 0. 5mmの下地層 を形成した。次に、下地層を有するロール芯を回転させながら、水安定化プラズマ溶 射装置を用いて、平均粒子径 35 mのアルミナ—チタ-ァ（Al O— 13%TiO )粉

2 3 2 末を溶射し、厚み 1. 2mm、気孔率 8%のセラミックス溶射被膜を形成した。

[0035] 次に、セラミックス溶射後のロールを 70°Cに予熱し、このロールの表面から、 70°C に予熱した液状エポキシ榭脂原料を塗布して含浸させた。用いたエポキシ榭脂原料 は、主剤としてのァラルダイ HVANTICO社製） 100質量部と硬化剤としての HY93

2 (VANTICO社製） 32質量部との混合液である。このエポキシ榭脂原料液の粘度 は 100〜200cpsであった。

[0036] 次に、エポキシ榭脂原料液を含浸したセラミックス溶射ロールを加熱炉内に入れ、 1

10°Cの温度で 4時間加熱してエポキシ榭脂を硬化させ、セラミックスとエポキシ榭脂 との複合層を形成した。

[0037] 次いで、セラミックスー榭脂複合層の厚みが 1. Ommとなるように表面を切削し、最 後に JIS - B0601に定義される算術平均粗さ (Ra)が 1. 0 mとなるように表面を研 磨して、ロール外径 553mmのセラミックスー榭脂複合ロールを得た。

[0038] [比較例 1]

セラミックス溶射工程までは実施例 1と同様に行なった。セラミックス溶射後のロール を 70°Cに予熱し、このロールの表面から、 70°Cに予熱した液状エポキシ榭脂原料を 塗布して含浸させた。但し、用いたエポキシ榭脂原料は、主剤としてのペルノックス 1 06 (日本ペルノックス社製） 100質量部、硬化剤としてのペルキュア HV19 (日本ぺ ルノックス社製） 80質量部及び反応促進剤としての DY— 070 (VANTICO社製) 4 質量部の混合液とした。このエポキシ榭脂原料液の粘度は 100〜200cpsであった。 [0039] エポキシ榭脂原料液を含浸したセラミックス溶射ロールは加熱炉に入れることなく、 余熱で 4時間放置してエポキシ榭脂を硬化させ、セラミックスとエポキシ榭脂との複合 層を形成した。その他の事項については、実施例 1と同様とした。

[0040] [比較例 2]

セラミックス溶射工程までは実施例 1と同様に行なった。但し、榭脂含浸工程及び 硬化工程を行わな力つた。表面の切削及び研磨は実施例 1と同様に行ない、表面が セラミックスの単独層力もなるセラミックスロールを得た。

[0041] [評価]

実施例 1、比較例 1および比較例 2の各ロールについて、以下の手法で比較試験を 行い、耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性及び耐腐食性の評価を行った。各試験の結 果を表 1に示す。

[0042] 榭脂含浸'深さ

ロール表面に水滴を落とした。榭脂含浸をしていない比較例 2のロールは、ロール 表面から水滴がしみ込んだ。一方、実施例 1及び比較例 1のロールは、表面に水滴 力 Sしみ込まず、榭脂含浸による封孔効果を示した。さらに、実施例 1および比較例 1 のロールを対象として、ロール表面を徐々に削りながら、同様に水滴落下試験を繰り 返した。比較例 1のロールは、表面から 0. 3mm程度削った段階で水滴がしみ込み、 ロール表面にし力榭脂が含浸していないことがわ力つた。一方、実施例 1のロールは 、下地層に到達するまで削っても水滴がしみ込まず、下地層まで榭脂が十分に浸透 していることがわかった。

[0043] 耐衝擊性

エコーチップ 2—E型インパクト装置（プロセク社製）を用いて、エコーチップ硬さ（A STM規格： A956- 96)を測定した。

[0044] 耐摩耗性

ロール表面にブラスト材を吹きつけ、セラミックス層が無くなるまでに要する時間を 測定した。

[0045] 耐蓉品件，耐腐食件

耐アルカリ性試験として、ロール表面上に水酸ィ匕ナトリウム溶液 (pH= 12)を 4日間 溜め続けた後、エコーチップ硬さを測定した。

[0046] また、耐酸性試験として、ロール表面に硫酸アルミェゥム溶液 (PH = 5)を 5日間溜 め続けた後、エコーチップ硬さを測定した。

[0047] 以上の結果から、実施例 1のロールは、比較例 1および比較例 2のロールに比べ、 耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性及び耐腐食性の何れにおいても優れていることがわ かった。

[0048] [表 1]

産業上の利用可能性

この発明によるセラミックス―榭脂複合ロールは、耐衝撃性、耐摩耗性、耐薬品性 および耐腐食性に優れており、各種工業用、特に製紙用ロールとして好適に用いる ことができる。

Claims

請求の範囲

[1] 金属製ロール芯と、

前記金属製ロール芯の外周面に形成された下地層と、

前記下地層の外周面に形成されたセラミックス溶射被膜とを備え、

前記セラミックス溶射被膜は、

隣接するセラミックス粒子が溶融結合したセラミックス粒子層と、

前記セラミックス粒子層の表面力 前記下地層の表面に至るまでセラミックス粒子 間の間隙内に充填された榭脂層とを含む、セラミックス 榭脂複合ロール。

[2] 前記榭脂層を形成する榭脂は、熱硬化性榭脂である、請求項 1に記載のセラミックス ー榭脂複合ロール。

[3] 前記榭脂層を形成する榭脂は、エポキシ榭脂である、請求項 1に記載のセラミックス ー榭脂複合ロール。

[4] 金属製ロール芯の外周面に下地層を形成する下地層形成工程と、

前記下地層の外周面にセラミック粒子を溶射して隣接するセラミックス粒子が溶融 結合したセラミックス粒子層を形成するセラミックス溶射工程と、

前記セラミックス粒子層のセラミックス粒子間の間隙内に熱硬化性液状榭脂を含浸 させる榭脂含浸工程と、

前記榭脂含浸工程後のロール全体を加熱して前記液状榭脂を硬化させる榭脂硬 化工程とを備える、セラミックス—榭脂複合ロールの製造方法。

[5] 前記セラミックス粒子の溶射を、水安定ィ匕プラズマ溶射法によって行う、請求項 4に記 載のセラミックスー榭脂複合ロールの製造方法。

[6] 前記熱硬化性液状榭脂を、前記セラミックス粒子層の表面から前記下地層の表面に 至るまでセラミックス粒子の間隙内に浸透させる、請求項 4に記載のセラミックス 榭 脂複合ロールの製造方法。

[7] 前記榭脂硬化工程を加熱炉内で行う、請求項 4に記載のセラミックスー榭脂複合口 ールの製造方法。