(57)【要約】【課題】密着力が高く、耐摩耗性、耐衝撃性に優れる溶射皮膜を施した製紙機械及び印刷機械用炭素繊維強化樹脂製ロールの製造方法の提供 【解決手段】炭素繊維強化樹脂ロール基材と溶射皮膜との接着力を向上させるため、ロール基材表面にポリウレタン樹脂をベース層として施工し、旋盤加工により粗面化処理を行った後、中間層として金属または金属合金の溶射層を形成する。耐磨耗性に優れるトップ層として酸化物セラミックス、またサーメットを溶射形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化樹脂ロール表面に液体吹き付け法によって形成されるベース層、その上にいずれも溶射法によって形成される金属または金属合金中間層と、セラミックスまたはサーメットのトップ層で構成される耐摩耗性、耐衝撃性に優れる抄紙機械及び印刷機械用ロール。
【請求項２】
ベース層にポリウレタン樹脂を施工することにより炭素繊維強化樹脂との密着力を向上させた請求項１記載の抄紙機械及び印刷機械用ロール。
【請求項３】
中間層は、Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ等で構成される請求項１記載の抄紙機械及び印刷機械用ロール。
【請求項４】
トップ層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒの酸化物、またはこれらの混合物で構成されるセラミックス、またはＷＣ、ＣｒＣ、ＴｉＣ等とＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等の混合物で構成されるサーメットの溶射層であることを特徴とする請求項１記載の抄紙機械及び印刷機械用ロール。
【請求項５】
炭素繊維強化樹脂ロール表面には、ベース層としてポリウレタン系の樹脂を液体吹き付け方法により形成させ、そのベース層の上には、金属または金属合金を溶射して中間層を形成する。さらに中間層の上には、セラミックスまたはサーメット層を溶射してトップ層を形成する抄紙機械及び印刷機械用ロールの製造方法。
【請求項６】
ベース層の表面粗さは、旋盤加工によりＲａ１０〜２０μｍとする請求項５記載の抄紙機械及び印刷機械用ロールの製造方法。
【請求項７】
中間層の形成には、アーク溶射方法を用い、トップ層の形成手段には、プラズマまたはフレーム溶射方法を採用する請求項５記載の抄紙機械及び印刷機械用ロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は抄紙機械及び印刷機械で使用される軽量の炭素繊維強化樹脂（以下ＣＦＲＰ）製ロールの表面性能を改善することに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製紙及び印刷産業において、低エネルギーや操作性の向上を目的に、ロールの軽量化が図られている。従来の鉄製または鋼製からアルミニウム製へ、さらに軽量であるＣＦＲＰを基材とするロールへ改良が行われている。このＣＦＲＰロールは、特に製紙、印刷工程における紙を押さえる役割のロールやガイドローラとして使われている。
【０００３】
ＣＦＲＰロールは、従来のロール基材に比べ軽量ではあるが、ロールの表面特性、特に耐摩耗性に劣る。そこで、表面にＣｒメッキを施すことが提案されている。さらに各種セラミックス及びサーメット溶射皮膜を施工する提案も公開されている（例えば、特開平９−１７５７０３、特開平１０−１５７３２３、特開平１１−１６５９３０、ＵＳ特許Ｎｏ．６，２４０，６３９、及びＮｏ．６，３３９，８８３）。
【０００４】
しかし、抄紙機械及び印刷機械用ロールには、高速回転時の耐摩耗性だけでなく、始動、停止時の耐衝撃性も求められる。すなわち靭性に優れ、かつ基材であるＣＦＲＰとの高い密着力を有する皮膜が求められる。そのため、ＣＦＲＰ基材と溶射皮膜の密着力の改善が種々提案されている。例えば、特開平５−３２４７２では、ＣＦＲＰ基材の表面に複数個の窪みを設けることにより、ＣＦＲＰ基材への溶射皮膜の密着力を向上させている。またＵＳ特許Ｎｏ．６，２４０，６３９、またＮｏ．６，３３９，８８３では、ブラスト処理により表面を粗面化する方法が提案されている。特開１１−１６５９３０、特開２００１−２７００１５では、樹脂とセラミックス粒子の混合物を基材の表面に吹き付け、１００℃前後の温度で焼成させ、表面粗さを形成する方法も提案されている。
【特許文献１】特開平９−１７５７０３号公報
【特許文献２】特開平１０−１５７３２３号公報
【特許文献３】特開平１１−１６５９３０号公報
【特許文献４】ＵＳ特許Ｎｏ．６，２４０，６３９号公報
【特許文献５】ＵＳ特許Ｎｏ．６，３３９，８８３号公報
【特許文献６】特開平５−３２４７２号公報
【特許文献７】特開２００１−２７００１５号公報
【非特許文献１】大石不二夫著「プラスチックのはなし」日本実業出版社  １９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の特開平５−３２４７２でＣＦＲＰ基材上に形成される窪みは、その深さが１．００ｍｍと大きい。この場合、基材と溶射皮膜との密着性は向上するものの、深い溝を溶射で埋めるため、溶射中のＣＦＲＰ基材への熱影響や溶射工程の延長などの問題がある。また、ＵＳ特許Ｎｏ．６，２４０，６３９、Ｎｏ．６，３３９，８８３で提案されたブラスト処理では、ＣＦＲＰ基材へ直接ブラスト粒子が衝突するため、繊維の表面への露出あるいは繊維の破壊といった欠点がある。この問題を回避するためにはブラスト圧力の低減と基材との間の長距離化などが有効ではあるが、この場合、一般的に十分な表面粗さを得られないという問題が残る。特開１１−１６５９３０、特開２００１−２７００１５は、樹脂とセラミックス粒子の混合物を基材の表面に吹き付け、その後の焼成によって、表面へ凹凸を形成させている。この方法は、基材へ機械的および熱的損傷を与えず、基材の表面に必要な表面粗さを形成するものの、塗布後の焼成工程を必要とするための大型構造ロールに対する施工に難がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、ＣＦＲＰロール表面に、ＣＦＲＰとの密着性を改善する樹脂からなるベース層、ロールの対衝撃性を向上させる金属または金属合金の中間層、耐摩耗性に優れるセラミックスまたはサーメットのトップ層を形成させる。従来の技術の欠点を改善し、実機での長期間の稼働を可能にする耐摩耗性及び耐衝撃性に優れるＣＦＲＰの抄紙機械及び印刷機械用ロールとその製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ＣＦＲＰロールの表面に、基材を損傷させることなく粗面化が可能なポリウレタン樹脂を形成させ、金属または金属合金、セラミックスまたはサーメット皮膜を順に溶射法によって形成させた。本発明で案出したロール用皮膜は、ＣＦＲＰと溶射皮膜との間に５５ｋｇｆ／ｃｍ２と非常に高い密着力を達成できる。また、発明した多層皮膜は、耐摩耗性、耐衝撃性に優れたＣＦＲＰロールの製品化が可能となり、ロールの長寿命化、安全性の向上が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のロール基材には、ＣＦＲＰを用いる。一般に、ＣＦＲＰの繊維を固定する母相には、熱硬化性あるいは熱可塑性樹脂が用いられており、本発明には熱可塑性エポキシ樹脂を用いる。
【０００９】
ＣＦＲＰロール表面と溶射皮膜との密着力を高めるためには、ロール表面に十分な粗面化処理を施す必要がある。十分な粗面化処理は、溶射中の皮膜形成時にＣＦＲＰロール表面と皮膜との間に十分なアンカー効果を得ることができる。
【００１０】
しかしながら、ブラストによる粗面化は、ＣＦＲＰロール表面を損傷させることになる。そこで、該ＣＦＲＰロール表面の粗面化処理は、室温でも硬化が可能な樹脂をＣＦＲＰ表面へ吹き付け、硬化した樹脂の表面を機械加工により施す。本発明では、この粗面化した樹脂層をベース層とする。この樹脂によるベース層は、ＣＦＲＰの損傷の防止とその後に溶射する溶射皮膜に十分なアンカー効果を得ることができる。加えて、ベース層となる樹脂は、常温硬化が可能であり、ＣＦＲＰ基材への熱的な影響もない。
【００１１】
このベース層には、ポリウレタン系樹脂を採用する。ポリウレタン系樹脂は、ＣＦＲＰ基材のエポキシ樹脂との密着性に優れる。また、その耐熱性は基材のエポキシ樹脂より良好で、その後のセラミックスあるいはサーメットなどの溶射時に生じる熱から、ＣＦＲＰ基材の軟化や熱損傷や抑える役割を果たす。
【００１２】
上記のベース層の吹き付けは、前処理としてＣＦＲＰ基材の表面を有機溶剤により洗浄し、プライマー塗布することが望ましい。その後、液体吹き付け装置により、ポリウレタン系樹脂を厚さ２．０ｍｍに施工し、室温において、６〜１２時間硬化させた後、旋盤加工により表面粗さをＲａ１０〜２０μｍ、厚さを１５０〜３００μｍに調整する。
【００１３】
上記の方法で粗面化されたベース層上には、溶射法によって金属または金属合金で構成される中間層の皮膜を形成させる。金属または金属合金として、Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ等が選択される。特に中間層として理想的な選択材料は、CFRPに熱的な影響が小さい低融点のZnまたはZn合金である。中間層となる溶射皮膜は、アーク溶射によって形成され、この皮膜の厚さは１００〜１５０μｍである。
【００１４】
この中間層に期待される効果は、その上層に溶射される高温のセラミックスまたはサーメット溶融粒子直接ベース層に付着することを防止する。これは、ベース層の過熱を防ぎ、CFRPとベース層の高い密着性を保持させるためである。また、この金属または金属合金で形成させる中間層は、その上そうに形成する靭性が弱いセラミックスまたはサーメット溶射皮膜の耐衝撃性を改善する作用がある。
【００１５】
トップそうとして中間層の上に溶射されるセラミックスまたはサーミットは、溶射中の熱の一部が、金属または金属合金の材質の中間層を介してベース層に伝達する。この熱は、ベース層のポリウレタン樹脂を軟化させる。このベース層の軟化とセラミックスまたはサーメット粒子の衝突は、中間層の金属または金属合金皮膜の一部分をベース層に食い込ませる。これによって、ベース層と中間層の密着力はさらに強化する。
【００１６】
セラミックスまたはサーメットを溶射により形成させたトップ層は、ＣＦＲＰロールの耐磨耗性を改善する。トップ層として溶射されるセラミックスには、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒの酸化物、またはこれらの混合物で構成され、主に、プラズマ溶射法で成膜する。同じくサーメットは、ＷＣ、ＣｒＣ、ＴｉＣ等とＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒの混合物であり、溶射法は皮膜の緻密性、表面粗さに応じて、フレーム溶射もしくは高速フレーム溶射で行う。
【００１７】
耐摩耗特性が要求されるトップ層の溶射材料は、ＷＣ−Ｃｏ系が好ましい。溶射方法はフレーム溶射もしくは高速フレーム溶射とする。皮膜の厚さは使用環境により、５０〜３００μｍに設計する。表面粗さも用途に応じて溶射材料および溶射方法により調整できるが、Ｒａ５．０〜１８μｍの範囲が好ましい。
【００１８】
上記のように、本発明はベース層、中間層を形成することによりＣＦＲＰロール基材とトップ層である耐摩耗性を持つ皮膜との密着力および耐衝撃性を向上させるものである。
【実施例１】
【００１９】
ＣＦＲＰ基材への密着力を向上させた皮膜の構成を図１に、また、密着力の測定に用いた密着力測定用試験片を図２にそれぞれ示す。図２に示した密着力測定用試験片は、直径３５ｍｍ、厚さ５ｍｍのＣＦＲＰ基材（５）上へ多層皮膜（１）を形成させた後、その両面へＳＳ４００材質の引張治具（６）を接着し試験に供した。図２中の（１）の多層皮膜の構成は、図１に示すように図１（５）のＣＦＲＰ表面をアセント洗浄、プライマーを塗布し、その上にポリウレタン樹脂のベース層図１（４）を厚さ２．０ｍｍに施工した。さらに、２０℃の室温において８時間、硬化させた後、厚さが２００μｍになるよう旋盤加工した。この時のベース層図１（４）の表面粗さはＲａ１０〜２０μｍとした。図１に示す中間層（３）は、Ｚｎを皮膜厚さ１００μｍにアーク溶射により成膜した。耐摩耗性を有するトップ層図１（２）には、ＷＣ−２０％Ｃｏ粉末をフレーム溶射によって、皮膜厚さ２００μｍまで成膜した。
【００２０】
密着力測定結果を表１に示す。本発明の多層皮膜とＣＦＲＰ基材について、本実施例の場合、密着力はベース層がポリウレタン樹脂で最も高い約５５ｋｇｆ／ｃｍ２を示す。これに対して、その他のベース層を施工した試験片の密着力は、いずれも低い値を示す。
【００２１】
【表１】
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【実施例２】
【００２２】
実施例２として抄紙機械のワインダーパートで、ワインダーに巻き付けられた紙を抑える役目のライダーロールとして使用されるＣＦＲＰロールの表面に、本発明の耐摩耗性及び耐衝撃性を持つ皮膜を形成させた。その皮膜の構成を図３に示す。該ロールは、外径１２５ｍｍ、面長３１００ｍｍ、厚さ５．５ｍｍの筒状であった。ＣＦＲＰロールの周面をアセトン洗浄、プライマー塗布し、その上にポリウレタン樹脂のベース層を厚さ２．０ｍｍに施工した。このベース層図３（４）は、２０℃の室温において、８時間、硬化させた後、厚さ２００μｍになるよう旋盤加工した。この時の表面粗さはＲａ１０〜２０μｍとした。その上にＺｎの中間層図３（３）をアーク溶射によって、皮膜厚さ１００μｍに形成させた。トップ層はフレーム溶射方法を用い、ＷＣ−２０％Ｃｏ粉末を溶射した。このトップ層図３（２）の皮膜厚さは、２００μｍとした。
【００２３】
製造したロールは抄紙機のライダーロールとして、実機運転テストを行っ    た。その結果、１年を経過後も皮膜の剥離は見られず、膜厚減も極めて少なかった。このテストロールは、その後も引き続き正常に運転している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】密着力測定用試験片の多層溶射皮膜の構成を示す図である。
【図２】密着力測定用試験片を示す図である。
【図３】本発明のライダーロール皮膜の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    皮膜層
２    トップのサーメート層
３    Ｚｎ溶射中間層
４    粗面化したベース層
５    ＣＦＲＰ基材
６    引張治具
７    ライターロールのＣＦＲＰ基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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