(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材の少なくとも一部を、２〜１０質量％の窒化クロムを含有し、かつ理論密度の９５％以上の焼結体密度を有する窒化珪素系セラミックスで被覆してなることを特徴とする溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材。
【請求項２】
前記浸漬部材の摺動部および／または回転力伝達部が、前記窒化珪素系セラミックスで被覆されてなる請求項１記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材。
【請求項３】
前記浸漬部材は、ポットロールを支持するロールアームに付設された軸受ガイドロール駆動力伝達部である請求項１記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材。
【請求項４】
前記浸漬部材は、ポットロールの両端に位置する軸部スリーブである請求項１記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材。
【請求項５】
前記浸漬部材は、ガイドロールに回転駆動力を伝達する部材である請求項１記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板などの連続溶融アルミニウムめっき装置における溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属めっき鋼板を得る方法として、図１に示すように、加熱炉で加熱焼鈍された鋼板を溶融金属槽に導き、鋼板へ溶融金属をめっきし、ポットロールおよびガイドロールを介して、これを引き上げ連続的に金属めっき鋼板を得る方法が汎用されている。より詳しくは、連続溶融金属めっき装置による鋼板などへのめっき方法は、前処理として表面を洗浄・活性化した鋼板を溶融金属浴中に挿入して、浴中のポットロールで方向を変えた後、鋼板の幅方向の反りを抑えるために２本のガイドロールの間を通過させる。この後、さらに上方に引き上げ、めっき浴の直上で鋼板表面に付着した余分の溶融金属を、高圧ガスのワイピング等により除去して、所定のめっき量に調整して製造されるものである。
【０００３】
軸受け部材および軸部スリーブ部材には、耐食性の良好な２４Ｃｒ-１２Ｎｉ系ステンレス鋼が一般に用いられている。ステンレス鋼は、溶融亜鉛や溶融アルミニウムと反応性が低く、耐食性は良好であるが、耐摩耗性は充分とは言えず、特に軸受け部材は、軸部スリーブ部材とごく狭い範囲（上側の半分）で常時接触しているため、摩耗量は軸部スリーブ部材より大きく、寿命は４〜８日程度と短かい。軸受け部材の摩耗が進行すると、鋼板にバタツキ等が発生するため、該部材を溶融金属めっき浴中から引き上げ軸受け部材を交換しなければならない。そのため溶融金属めっき浴中に浸漬されているポットロール等には異常がなくても、生産を停止し溶融金属めっき浴中に浸漬されている部品全体を引き上げなければならない。この際に浴温から室温へ急激に冷却されることによる熱衝撃破損等が他の部品に発生することがあり、部品全体を一括交換する場合もあるため、操業上の損失は極めて大きい。このため、溶融金属浴中で使用されるロール寿命の延長を図るために様々な提案がなされている。
【０００４】
特開平３-２５３５４７号公報や特開平５-４４００２号公報では、溶融亜鉛浴中での軸受け部材および軸部スリーブ部材に、アルミナまたは窒化珪素・サイアロンを用い、回転するポットロールを外部から回転駆動する提案がなされている。しかしながら、該提案では溶融金属として亜鉛のみを取り上げ、摺動摩耗量および摩耗係数のみを選定基準としており、耐熱衝撃性や溶融金属浴との濡れ性を比較した上での選定を行っていない。さらに、アルミナまたは窒化珪素・サイアロンセラミックスに関しても、組成・焼成条件（密度・組織）・機械的特性・摺動面粗さ等の諸特性についての最適条件の記載はない。
【０００５】
また、モノリシック炭化珪素、ジルコニアセラミックスも、熱衝撃性で窒化珪素やサイアロンより劣ることが知られている。従来技術で開示されている内容に基づき、相対密度比９９％まで緻密化した市販の窒化珪素セラミックスで、一般的な焼結助剤であるイットリア、アルミナを用いた溶融アルミニウム浴中における摺動および熱衝撃試験を行った結果、亜鉛浴中の摩耗量を大きく上回り、３回の溶融アルミニウム浴中からの空冷だけで破損した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すべり軸受けに関する上記の発明は、軸受け部材及び軸部スリーブ部材の互いに接触する面を、ステンレス鋼に比べれば溶融金属浴中での耐食性が良好で、かつ高硬度のセラミックスでコーティングしたり、またはサーメット、超硬合金、セラミックス焼結体等とすることで軸受けの長寿命化を図ろうとしたものである。しかし、溶融金属めっき浴用部材にとって、軸受け部材と軸部スリーブ部材の最適な耐熱衝撃性・高靭性・難濡れ性を特徴とする窒化珪素系材料の組合せを選定することがはるかに重要な選定要素である。数百℃に加熱されたポットロールの引き上げ時での空冷に伴う熱衝撃・繰り返し熱疲労に対する耐久性を高め、溶融金属の中でも特に溶融アルミニウムに対する濡れ性を制御することが不可欠である。
【０００７】
本発明の目的は、熱衝撃・繰り返し熱疲労に対する耐久性を大幅に向上させた溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決して、溶融アルミニウムめっき浴中で長時間安定して繰り返し使用される浴用部材を提供することを目的としてなされたものであり、
（１）  溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材の少なくとも一部を、２〜１０質量％の窒化クロムを含有し、かつ理論密度の９５％以上の焼結体密度を有する窒化珪素系セラミックスで被覆してなることを特徴とする溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材、
（２）  前記浸漬部材の摺動部および／または回転力伝達部が、前記窒化珪素系セラミックスで被覆されてなる（１）記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材、
（３）  前記浸漬部材は、ポットロールを支持するロールアームに付設された軸受ガイドロール駆動力伝達部である（１）記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材、
（４）  前記浸漬部材は、ポットロールの両端に位置する軸部スリーブである（１）記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材、
（５）  前記浸漬部材は、ガイドロールに回転駆動力を伝達する部材（図３参照）である（１）記載の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材、
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、特開平３-２５３５４７号公報や特開平５-４４４０２号公報で提案された溶融亜鉛浴中ロール軸受けを見直し、亜鉛に比べ高融点で、従来技術では困難であった溶融アルミニウム浴中でも、摺動摩耗及び熱疲労部周囲のチッピングや割れ等の欠損を抑えることができ、ロール引き上げ後に着地させる際の機械的衝撃、および浴中から取り出され空冷されることで繰り返し加わる熱応力に対する耐久性の優れた軸受け部材と軸部スリーブ部材の最適な組合せを見い出した。これらのチッピングや割れ等の欠損は、熱衝撃及び機械的衝撃により生成・進展するものであり、溶融金属めっき浴用部材の材質にポアが多い場合、低強度、低靭性、溶融金属との濡れ性が良い場合、低熱伝導、低耐熱衝撃、摺動面が粗い場合、等に顕著であることと関係付けた。従って、耐摩耗性と耐欠損性を同時に改善し、本課題を達成するためには、軸受け材質の緻密化、高強度化、高靭性化、溶融金属に対する低い濡れ性、高熱伝導化、高耐熱衝撃性化、摺動部の面粗さの設定を行うことが必要不可欠である。
【００１０】
本発明の溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材は、溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材の少なくとも一部を、２〜１０質量％の窒化クロムを含有し、かつ理論密度の９５％以上の焼結体密度を有する窒化珪素系セラミックスで被覆してなる。
【００１１】
低い濡れ性、高熱伝導、高耐熱衝撃、耐摩耗などの特性を同時に向上させる方法としては、充分緻密な焼結体において第２相（Ｃｒ2Ｎ）形成による焼結体組織を制御することが効果的である。
【００１２】
窒化クロム含有窒化珪素系セラミックスからなる部材・・（省略）・・したがって、本発明の原料コストを高めることなく、溶融アルミニウムめっき浴用浸漬部材の長寿命化を実現することができる。
【００１３】
溶融アルミニウムめっき浴中で長時間安定して繰り返し使用される・・（省略）・・の低下を招く。
【００１４】
本発明の焼結体における窒化クロムの適切な配合比の範囲は、２〜１０質量％であり、より好ましくは２〜５質量％である。配合比が２質量％より少ない場合、粒界相の高融点化の効果が乏しく十分な高温高強度化が図れず、靭性、耐熱衝撃性の向上に充分な寄与が認められない。また、１０質量％を超えるとマトリックスである窒化珪素との熱膨張係数がかけ離れてしまい、複合材料を焼結する際に理論密度比９５％以上の相対密度が得られ難く、破壊靭性値も低下するため好適ではない。
【００１５】
本発明の焼結体の相対密度は、９５％以上が適しており、９５％未満では機械的強度、耐熱衝撃性が低下し、溶融金属との濡れ性が高くなるため好ましくない。
【００１６】
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）は共有結合性の強い物質であり、コスト的に有利な常圧窒素ガス中の焼結が単一では困難であるため、緻密化に際しては種々の添加物を加えても良い。焼結助剤としては、窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）と固溶体を形成しないシリカ、アルミナ、イットリア、酸化四三鉄、マグネシア、ＡｌＮ−Ｓｉ3Ｎ4-ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3共融物、窒化アルミニウム、各種希土類酸化物、等を用いることができる。
【００１７】
焼結方法は、無加圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法、ホットプレス法の何れの方法も用いることが可能であり、更に一種もしくは複数の焼結法を組み合わせることも可能である。無加圧焼結は、窒素ガス流通中にて行うと緻密な焼結体が得られ易い。複雑形状である溶融金属浴用部材において、高密度化を達成するためには、無加圧焼結後、さらに窒素ガス雰囲気中にて熱間静水圧プレス焼結を行うことが好ましい。その中で、無加圧焼結時の最高温度の範囲としては、１５５０〜１７５０℃であることが好ましく、最高温度での保持時間は４時間以上であることが望ましい。１５５０℃未満では充分高い密度が得られず、粒界相に高融点の結晶相を生成させることが困難で、高い靭性が得られない。また、１７５０℃より高い温度では、焼結助剤の一部が昇華・分解し、十分な焼結体が得られなくなると共に、焼成炉の劣化も著しく好ましくない。無加圧焼結時の保持時間は、原料として用いる主原料の窒化珪素の結晶相転移を充分に進行させ、かつ粒界相を均一化させるために、上記焼結温度の範囲にて４時間以上の保持が必要である。
【００１８】
摺動部の面粗さに関し、溶融アルミニウム等の溶融金属が付着し難く、かつ動摩擦係数を軽減するために、Ｒmaxを０．４μｍ以下に仕上げることが有効である。Ｒmaxが０．４μｍを超えると、溶融アルミニウム等の溶融金属との濡れ性が低くとも、機械的に付着割合が上昇し、動摩擦係数を著しく増大させるため好ましくない。Ｒmaxが０．２μｍ以下の仕上げを行うことはさらに好ましいが、加工費増が顕著となる傾向がある。ここでＲmaxは、表面粗さを表す指標の一つで、断面曲線から基準長さだけを抜き取った部分の最大高さを意味する（ＪＩＳ規格のＢ０６０１参照）。
【００１９】
本発明において、耐熱衝撃性・高靭性窒化珪素系セラミックスの最大肉厚は２０ｍｍ以下とする。これは、内側または外側にセラミックス製浴用部材を保持するために用いる金属製部材との熱膨張係数差によって生じる、浴中および空冷時の伸縮差の絶対値を小さくすることにより、セラミックス側に加わる圧縮または引張応力を低減することに加え、セラミックスを製造する上での緻密化を容易にする効用をもたらす。また、ロールアームをハンドリングする時の機械的衝撃に対する強度付与の点から１０〜２０ｍｍ厚みの範囲が好ましい。
【００２０】
図２に示したように２箇所以上の分割面の摺り合わせ部に１ｍｍ以上の間隙を設置することにより、セラミックス軸受けを保持するために用いる金属製部材との間隙に噛み込まれた亜鉛、アルミニウム等の溶融金属との熱膨張差に起因する圧縮または引張応力を緩和する効果をもたらす。
【００２１】
図３は、図１記載のガイドロールに回転駆動力を伝達する組合せ部材で、浴中で使用されるものである。この部材は、摺動摩耗はほとんど伴わないが、オス側部である鋼製の相手材と間に機械的衝撃破損や浴中機材全体を浴中から引き上げる際または浴中へ浸漬する際の熱衝撃による破損が生じ易く、図２に記載の固定側・回転側の両リングと同じ材料特性を有するセラミックスの使用が好適である。
【００２２】
なお、本発明の部材は、摺動部や回転力伝達部の一方にのみに適用しても良く、条件によっては、このような本発明の部材と耐食性金属との組合せの方が耐摩耗性等の特性が飛躍的に向上する場合もある。
【００２３】
また、本発明の部材を具体的に例示すれば、ロールアームに付設された軸受けガイドロール駆動力伝達部、ロール両端に位置する軸部スリーブ、ガイドロールに回転駆動力を伝達する部材などである。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
【００２５】
（実施例１〜５）
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末（α型、純度９９．７％、平均粒径０．３μｍ）に窒化クロム（Ｃｒ2Ｎ）粉末（平均粒径６．５μｍ）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）粉末（平均粒径１μｍ）、マグネシア（ＭｇＯ）粉末（平均粒径０．８μｍ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末（平均粒径０．３μｍ）、酸化四三鉄（Ｆｅ3Ｏ4）粉末（平均粒径３．５μｍ）、及びＡｌＮ−Ｓｉ3Ｎ4−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3共融物の一例としてポリタイプ２１Ｒ組成粉末（Ｌｕｃａｓ−Ｃｏｏｋｓｏｎ社製、平均粒径２．２μｍ）を表１に示す所定量（質量％）添加し、分散媒として精製水を用い、ボールミルで２４時間混練した。精製水の添加量は、セラミックス全粉末原料１００ｇに対し、１００ｇとした。
【００２６】
次いで得られた混合粉末を成形後焼結した。成形条件は冷間静水圧による加圧（１５０ＭＰａ）であり、結果として外径φ１５０ｍｍ、内穴径φ１００ｍｍ、高さ６５ｍｍのドーナツ状成形体、及び７５ｍｍ×１１０ｍｍ×３０ｍｍの板状成形体を得た。焼結条件は、窒素ガス流通中にて、表１に示す各温度で４〜８時間保持の無加圧焼結、および必要に応じ熱間静水圧プレス焼結を追加した。
【００２７】
得られた焼結体から、外径φ１１３．５ｍｍ、内径φ９２ｍｍ、高さ５０ｍｍの回転側軸受けリングテスト材、６０ｍｍ×９０ｍｍ×２０ｍｍの固定側軸受けテスト材を研削加工し、溶融アルミニウム浴中軸受け試験（図４）に用いた。
【００２８】
前述の板状焼結体から６０ｍｍ×９０ｍｍ×２０ｍｍテスト材を切り出す際の残材から、機械的性質評価用の試験片を切り出し、その特性を評価した。硬さは、押込荷重９８Ｎにてビッカース硬さとして測定した。靭性は、ＪＩＳ  Ｒ１６０７のＳＥＰＢ法により室温にて破壊靭性値ＫICを測定した。また、耐熱衝撃性は、曲げ試験片を大気中にて所定の温度に加熱後、水中急冷し、抗折強さの劣化が始まる急冷温度差ΔＴで評価した。焼結体密度は、アルキメデス法により相対密度として測定した。濡れ性は、通常の溶融液滴と水平板状態の接触角で測定した。
【００２９】
得られた各焼結体のアルキメデス密度、機械的性質、および図４に示したアルミニウム浴中軸受け評価結果を、各配合系ごとに表２に示す。アルミニウム浴中試験は、以下の条件にて行った。
【００３０】
（１）  回転側軸受けテスト材：外径φ１１３．５ｍｍ×内径φ９２ｍｍ×高さ５０ｍｍ。
【００３１】
（２）  固定側軸受けテスト材：６０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ２０ｍｍ。
【００３２】
（３）  溶融アルミニウム浴温度：６８０℃。
【００３３】
（４）  押し当て力：３０〜５０Ｎ。
【００３４】
（５）  すべり速度：２〜３ｍ／秒。
【００３５】
（６）  摺り合わせ時間：浸漬後、１時間。
【００３６】
（７）  テスト前の仕上げ面粗さ：Ｒmax＝０．４μｍ（▽▽▽程度、ＪＩＳＢ００３１、Ｂ０６０１参照）。
【００３７】
（８）  繰り返し熱疲労試験：１時間浴中に漬けた後、浴から引き上げ３０分間空冷を繰り返す。
【００３８】
（９）  濡れ性評価試験：アルミニウム塊を５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの板状セラミックス上に置き、６８０℃の加熱炉内で溶解後、炉外から覗き窓を通して観察測定する。
【００３９】
上記（１）〜（７）の条件にて摩耗量を求める方法は、回転側、固定側にそれぞれ発生した摩耗痕跡の深さｈr、ｈsを表面粗さ計にて測定する方法を用いた。また、摩耗痕跡周囲の損傷有無、チッピング深さ、および割れ深さを、蛍光探傷法および断面研磨面の光学顕微鏡観察により評価した。再利用に当たっての軸受け摺り合わせ面の必要研削量は、摩耗痕跡周囲に割れ・チッピングの損傷が観察されない場合は摩耗痕跡深さｈの１．２倍、チッピングが生じている場合はチッピング深さの１．２倍、そして割れが生じている場合は割れ深さの１．２倍として表２に示した。
【００４０】
（比較例６〜８）
比較例６〜８はそれぞれ、一般市販のサイアロンとアルミナを用いた場合（比較例６）、市販の窒化珪素セラミックスだが異なる組成のサイアロン系のものを用いた場合（比較例７）、市販の窒化珪素とサイアロンを用いた場合（比較例８）である。これら比較例の材料も実施例１〜５と同様の条件で溶融アルミニウム浴中試験を行い、その結果を表２に示した。
【００４１】
【表１】
0003709115.tif 000002
【００４２】
【表２】
0003709115.tif 000003
【００４３】
表２に示すように、本発明の実施例によるものは、摩耗痕跡深さが固定側・回転側の何れも４０μｍ以下と非常に少なく、かつ摩耗痕跡周囲には割れ・チッピングの欠損が何れの場合も認められず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れることがわかった。これに対し、比較例の各軸受けは、本発明の実施例に比べて、摩耗痕跡深さ８０μｍ以上と大きく、かつ割れ・チッピングのいずれかが発生しており、耐摩耗性、耐欠損性ともに未達成であることが確認された。必要研削量も実施例の４２μｍ以下に比べ、比較例では９６μｍ以上と著しく大きいことが判明した。
【００４４】
アルミニウム浴中軸受け評価試験の条件（８）、（９）に基づいた結果を、表３に示す。
【００４５】
【表３】
0003709115.tif 000004
【００４６】
軸受けに繰り返し熱疲労を負荷した場合も、・・（省略）・・容易に想定されるため、本発明は、溶融アルミニウムめっき浴用部材への適用が可能と判断できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明により、連続溶融アルミニウムめっき装置における浴用部材の寿命が大幅に延長できる。このことにより、長時間安定して金属めっき鋼板の生産が可能となり、その工業的有用性は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融めっき浴の装置概略図である。
【図２】軸受け部の組み付け構造である。
【図３】回転駆動力伝達部の組合せメス穴部である。
【図４】実施例における軸受け損耗評価装置の概略図である。
【符号の説明】
１・・・鋼板、
２・・・ポットロール、
３・・・ガイドロール、
４・・・加熱機能付き浴槽、
５・・・回転側軸受けテスト材（外径φ１１３．５ｍｍ×内径φ９２ｍｍ×高さ５０ｍｍ）、
６・・・固定側軸受けテスト材（６０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ２０ｍｍ）、
７・・・溶融アルミニウム浴（浴温６８０℃）、
８・・・保護管付き熱電対。
【図１】
0003709115.tif 000005
【図２】
0003709115.tif 000006
【図３】
0003709115.tif 000007
【図４】
0003709115.tif 000008