(57)【要約】【課題】ロール軸方向の均温性に優れ、水素拡散がなくヒートパイプの機能を長期間安定して発揮させることができるロールおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】ロールシェルの内部にヒートパイプを内蔵するロールにおいて、ヒートパイプの外周に水素拡散防止コーティング層を有すること。特に、ヒートパイプの外周にシェル母材との接合および水素拡散防止コーティング層の剥離防止を目的とした金属コーティング層、及びその内部に水素拡散防止コーティング層を有することが好ましい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロールシェルの内部の軸方向にヒートパイプを有するロールにおいて、前記ロールシェルと前記ヒートパイプとの間に水素拡散防止コーティング層を有することを特徴とするロール。
【請求項２】
ロールシェルと水素拡散防止コーティング層との間に、金属コーティング層を有することを特徴とする請求項１記載のロール。
【請求項３】
水素拡散防止コーティング層の内面に、金属コーティング層を有することを特徴とする請求項１記載のロール。
【請求項４】
水素拡散防止コーティング層が、Ｗ、Ｗ合金、Ｍｏ、Ｍｏ合金、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３の何れかからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のロール。
【請求項５】
水素拡散防止コーティング層が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金であり、前記水素拡散防止コーティング層と金属コーティング層との界面に前記合金の酸化物を有することを特徴とする請求項２又は３記載のロール。
【請求項６】
金属コーティング層が、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、ＮｉＣｏ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金の何れかからなることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載のロール。
【請求項７】
遠心鋳造によりロールシェルを形成し断面形状が円形の孔を軸方向に多数穿孔後、前記孔の内部に水素拡散防止コーティング層を表面に設けたヒートパイプ又は前記水素拡散防止コーティング層の表面に金属コーティング層を設けたヒートパイプを挿入し、拡散接合、焼きばめ又はロウ付けによりシェル母材と接合することを特徴とする請求項１、２、４〜６の何れか１項に記載のロールの製造方法。
【請求項８】
遠心鋳造によりロールシェルを形成し断面形状が円形の孔を軸方向に多数穿孔し、前記孔の内部に、水素拡散防止コーティング層を設け又は更に金属コーティング層を設け、その後、作動液を封入しヒートパイプを形成することを特徴とする請求項１、３、４、６の何れか１項に記載のロールの製造方法。
【請求項９】
Ｗ、Ｗ合金、Ｍｏ、Ｍｏ合金の何れかからなる水素拡散防止コーティング層をスパッタリングにより形成することを特徴とする請求項７又は８記載のロールの製造方法。
【請求項１０】
ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３の何れかからなる水素拡散防止コーティング層を物理蒸着法により形成することを特徴とする請求項７又は８記載のロールの製造方法。
【請求項１１】
ヒートパイプの表面にＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金を拡散浸透法により形成した後、大気中で４００〜７００℃で１時間加熱することにより水素拡散防止コーティング層を形成し、前記水素拡散防止コーティング層の上に金属コーティング層を形成することを特徴とする請求項７記載のロールの製造方法。
【請求項１２】
Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、ＮｉＣｏ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金の何れかからなる金属コーティング層をめっき又はロウ付けにより形成することを特徴とする請求項７〜１１の何れか１項に記載のロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ストリップの通板用ロール、特に、鋼帯の連続焼鈍炉内に設置される通板用ハースロールに適したロールおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼帯の連続焼鈍炉のハースロールを例にした場合、このハースロールは高温の炉内において鋼帯に蛇行やヒートバックルを生じさせることなく安定して鋼帯を通板（搬送）させる機能が要求される。このためハースロールの軸方向の温度分布を均一化してサーマルクラウンを防止することが重要となるが、通常使用されているロールでは、ロールシェル母材の材質が熱伝導率の低い材料であるため、軸方向の均温性が余り期待できない。
このため、ロールシェル内側に高熱伝導率の材料を配置する手段や、高熱伝導率の材料の代わりにヒートパイプを配置する提案もなされている。特に、特許文献１においては、ハースロール内周面にヒートパイプを軸方向に配置することで、ヒートパイプ内の熱媒体（作動液）の蒸発と凝縮作用によってロール軸方向の温度を均一化し熱クラウンを抑制する技術が開示されている。また、該特許文献１ではハースロール内部に窒素など分子の大きなガスを封入することで、連続焼鈍炉内の雰囲気中の水素成分がロール内部に侵入してヒートパイプに浸透し、その真空性を損ない熱媒体を劣化させ、ヒートパイプの特性を低下させることを防止する手段も開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２７９８３５号公報（特許請求の範囲、段落［０００７］、［０００８］、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１の如くロールシェル内側にヒートパイプを配置すると共に内部に窒素ガスを封入することは、ロールの均温性保持および水素侵入防止にある程度有効であることは認められたが、水素の濃度差によってはロール内に水素ガスが侵入し、封入ガス中の水素濃度が上昇しヒートパイプ内への水素ガス侵入は完全には防止できない問題があった。また、窒素ガスを封入するための設備やその圧力管理が必要とされることから、必ずしも実用性が高い手段とは言えなかった。従って、より簡易で実用性が高くしかも確実な水素侵入防止手段を有し、かつヒートパイプの特性を損なうことなく長期間安定して使用が可能なロールの開発が要望されていた。
本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、ロール軸方向の均温性に優れ、水素拡散がなくヒートパイプの機能を長期間安定して発揮させることができるロールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は次のとおりである。
（１）  ロールシェルの内部の軸方向にヒートパイプを有するロールにおいて、前記ロールシェルと前記ヒートパイプとの間に水素拡散防止コーティング層を有することを特徴とするロール。
（２）  ロールシェルと水素拡散防止コーティング層との間に、金属コーティング層を有することを特徴とする（１）記載のロール。
（３）  水素拡散防止コーティング層の内面に、金属コーティング層を有することを特徴とする（１）記載のロール。
（４）  水素拡散防止コーティング層が、Ｗ、Ｗ合金、Ｍｏ、Ｍｏ合金、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３の何れかからなることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載のロール。
（５）  水素拡散防止コーティング層が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金であり、前記水素拡散防止コーティング層と金属コーティング層との界面に前記合金の酸化物を有することを特徴とする（２）又は（３）記載のロール。
（６）  金属コーティング層が、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、ＮｉＣｏ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金の何れかからなることを特徴とする（２）〜（５）の何れか１項に記載のロール。
（７）  遠心鋳造によりロールシェルを形成し断面形状が円形の孔を軸方向に多数穿孔後、前記孔の内部に水素拡散防止コーティング層を表面に設けたヒートパイプ又は前記水素拡散防止コーティング層の表面に金属コーティング層を設けたヒートパイプを挿入し、拡散接合、焼きばめ又はロウ付けによりシェル母材と接合することを特徴とする（１）、（２）、（４）〜（６）の何れか１項に記載のロールの製造方法。
（８）  遠心鋳造によりロールシェルを形成し断面形状が円形の孔を軸方向に多数穿孔し、前記孔の内部に、水素拡散防止コーティング層を設け又は更に金属コーティング層を設け、その後、作動液を封入しヒートパイプを形成することを特徴とする（１）、（３）、（４）、（６）の何れか１項に記載のロールの製造方法。
（９）  Ｗ、Ｗ合金、Ｍｏ、Ｍｏ合金の何れかからなる水素拡散防止コーティング層をスパッタリングにより形成することを特徴とする（７）又は（８）記載のロールの製造方法。
（１０）  ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３の何れかからなる水素拡散防止コーティング層を物理蒸着法により形成することを特徴とする（７）又は（８）記載のロールの製造方法。
（１１）  ヒートパイプの表面にＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金を拡散浸透法により形成した後、大気中で４００〜７００℃で１時間加熱することにより水素拡散防止コーティング層を形成し、前記水素拡散防止コーティング層の上に金属コーティング層を形成することを特徴とする（７）記載のロールの製造方法。
（１２）  Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、ＮｉＣｏ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金の何れかからなる金属コーティング層をめっき又はロウ付けにより形成することを特徴とする（７）〜（１１）の何れか１項に記載のロールの製造方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図示の例は連続焼鈍炉などにおいて鋼板搬送用ロールとして用いられるハースロールを例にして説明するが、本発明はこれに限ることなく、同様の高温の他の雰囲気環境にて使用するロール、或いはより低温域で使用するロールについても適用し得るものである。
図１は、本発明に係るハースロールの斜視図であり、ハースロール内部を透過して示したものである。図１に示したように、ロールは中空であり、ロール胴部を形成するロールシェル１と、テーパーを有するロール端面部と軸の一体構造からなり、ロールシェル１とロール端面部は溶接等により接合されている。ロールシェル１の内部に、ロール軸方向にそって円形断面の棒状のヒートパイプ２を有する。このヒートパイプ２は、ロールシェル１の外周寄りの円周方向に一定の間隔をおいて複数本設けられている。
【０００７】
また、図２には、本発明に係るハースロールの断面図を示した。ハースロールは、図２のように、ロールシェルと軸の間にテーパーを設けず、高熱伝導性材料２の端部に肉盛り溶接などを施しても良い。ロールシェル１は、ＳＣＨ２２等の耐熱鋳鋼であることが好ましい。
なお、ヒートパイプ２は、中空の銅、銅合金、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等のパイプに、水、ナフタリン、ナトリウム等の熱媒体（作動液）を真空封入したものである。ハースロールのロールシェル１に軸方向の中央部が高温であるため、ヒートパイプ内の熱媒体が気化し、ヒートパイプ内を軸方向の外側に循環して低温になると凝縮し、ヒートパイプ内を軸方向の中央部に循環して高温になると気化する。これを繰り返すことにより、高温部の冷却を促進して、ハースロールの軸方向の均温性を向上させるものである。
また、作動液を真空封入した中空パイプをヒートパイプ２として用いる替わりに、ロールシェル１に形成した孔の内面に作動液を真空封入しても良い。
【０００８】
また図２の拡大断面の（Ａ）に示すように、ロールシェル１の内部に配設されたヒートパイプ２の外周には水素拡散防止コーティング層３が被覆されている。この水素拡散防止コーティング層３は、ヒートパイプの性能を低下（熱媒体の劣化および真空度の低下等）させないために、連続焼鈍炉の雰囲気中に含まれる水素がシェルを通してヒートパイプ内に侵入することを防止する。
水素拡散防止コーティング層３の組成としては、Ｗ、Ｍｏ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３の何れか、又は主にバルクがＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金として表面にその酸化物を有するものであることが好ましい。
【０００９】
また、図２の拡大断面の（Ｂ）に示すごとく、本発明の別の実施形態として、ヒートパイプ２とロールシェル母材１との接合性向上および水素拡散防止コーティング層３の剥離防止を目的とした金属コーティング層４を、水素拡散防止コーティング層３とロールシェルの間に設けることが好ましい。金属コーティング層４としては、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＣｏ、Ｆｅをめっき又はロウ付けすることによって形成される。金属コーティング層４の厚みは、大体５０〜６００μｍが適当である。なお、水素拡散防止コーティング層３を、主にバルクがＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金とし、表面に水素拡散防止コーティング層３の酸化物を有する場合には、酸化物の剥離を防止するために金属コーティング層４を形成することが極めて有効である。
【００１０】
水素拡散防止コーティング層の形成方法は、その組成に応じて最適なものを選ベばよい。例えば、Ｗ、Ｍｏについては、めっきが困難な金属であるため、真空中でこれらの金属を放電溶解させ、その溶融粒子を高速で被コーティング材料表面に吹き付けて薄膜を形成するスパッタリング法が用いられる。
また、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３については、金属へのコーティング法として広く採用されている物理蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ法という）を用いる。この方法は、真空中でグロー放電によりイオン化した金属粒子を加速して被コーティング材料表面に衝突させて成膜するものである。更に、Ｃｒ２Ｏ３については溶射法によって成膜することが適当である。
【００１１】
他方、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金については、Ｎｉ又はＦｅをめっきした後、拡散浸透法によりＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金を形成し、酸化処理、例えば大気中で４００〜７００℃で１時間の加熱を施して酸化物を形成することが好ましい。拡散処理法はＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金の粉末にハロゲン化物を添加し、母材を埋め込んで加熱する方法である。Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種又は２種以上からなる合金の粉末はＦｅを含んでも良い。
なお、スパッタリング法やＰＶＤ法によって形成した膜は、厚みが１０μｍ以下であり、溶射法や拡散浸透処理法によって形成した膜は、厚みが３０μｍ以上になる。
【００１２】
次に、本発明に係るロールの製造方法について説明する。
通常のこの種のロールの製造方法と同様に、まず、遠心鋳造によりロールシェル１を形成してから、該シェルの所定位置に断面形状が円形の孔を軸方向に貫通するごとく多数穿設する。次いで、各孔内部に所定厚みの水素拡散防止コーティング層３、または金属コーティング層４と水素拡散防止コーティング層３を被覆したヒートパイプ２を挿入し、拡散接合、焼きばめ又はロウ付けによりシェル母材と接合する。焼きばめの場合には孔の径を所要のコーティング層を被覆したヒートパイプの径よりも僅かに小さくしておくことが必要である。
なお、ロールシェルに形成する孔は、鋼板を搬送するロールとして必要な強度を損なわない限り、できるだけシェル表層に近く（すなわち、ヒートパイプができるだけロールシェル外表面に近い位置に配置されることとなる）、しかも孔の数を多くすること（孔の径を小さくして細径のヒートパイプを多数本埋め込むこと）が本発明の目的を達成する意味で望ましい。
【００１３】
さらに、本発明の別の実施形態として、ロールシェルに孔を設け、その内面に水素拡散防止コーティング層を形成し、内部に作動液を真空封入したヒートパイプを設けても良い。更に水素拡散防止コーティング層３の剥離防止を目的とした金属コーティング層４を、水素拡散防止コーティング層３の内面に設けることが好ましい。この場合、水素拡散防止コーティング層３の組成としては、Ｗ、Ｍｏ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３の何れかであることが好ましい。金属コーティング層４としては、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＣｏ、Ｆｅが好ましい。
このようなロールの製造方法として、孔内面をまずコーティングした後にヒートパイプを形成する方法を採用することができる。すなわち、遠心鋳造によりロールシェル１を形成し断面形状が円形の孔を軸方向に多数穿孔し、各孔内部に所定厚みの水素拡散防止コーティング層３、または金属コーティング層４と水素拡散防止コーティング層３を成膜してから、成膜した孔内に所定の作動液（熱媒体）を封入してヒートパイプを形成することで、ヒートパイプを内蔵したロールを得ることができる。水素拡散防止コーティング層３、金属コーティング層４の形成方法は、ヒートパイプの外側の表面に形成する場合と同様で良い。
【００１４】
【実施例】
［実施条件］
鋼板の連続焼鈍炉用のハースロールを供試材とし、以下の各条件でハースロールを使用した。
2004292860.tif 000003
上記以外の各条件（各コーティング層の組成、サイズ、成膜手段など）は、表１に記載する通りであるが、実施例１〜３は水素拡散防止コーティング層のみ、実施例４〜６は水素拡散防止コーティング層および金属コーティング層を成膜したものである。
［実施結果］
評価方法は、図３および図４に示す。図３は鋼帯の幅方向の温度分布を示す模式図であり、その下側のグラフは鋼帯センターとエッジ部の温度差を示している。図４は、本発明例と比較例のハースロールの均温性の経時変化を示し、縦軸は鋼帯センターとエッジ部の温度差を、横軸はハースロールの使用日数を示している。図４における▲１▼はヒートパイプ無し（比較例）、▲２▼はヒートパイプ（コーティング無し、比較例）、▲３▼はヒートパイプ（コーティング有り、本発明例で実施例１に相当）である。
図４に示すように、本発明例では１００日を越えても鋼帯センターとエッジ部の温度差は３０℃以内であって、長期間均温効果が維持し得ているのに対し、比較例では１０日で５５℃以上となってしまい、均温効果は長期間維持できないことが分かる。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【発明の効果】
以上説明した本発明に係るロールによれば、ヒートパイプがシェル内部に内蔵されているため、ロールシェル部軸方向の均温性が高い。また、ヒートパイプの外周に水素拡散防止コーティング層が施されているため、水素拡散がなくヒートパイプの特性を劣化させることが防止でき、安定した状態で長期間ロールを使用することが可能である。更に、シェルと水素拡散防止コーティング層の間に金属コーティング層を介在させる場合には、シェル母材との接合性を高めると共に水素拡散防止コーティング層の剥離防止にも役立つ。
一方、本発明に係るロールの製造方法によれば、上記の好適な性能を有するロールを効率良くかつ容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロールの一例を示す全体説明図。
【図２】図１に示すロールの内部断面の例を示す説明図。
【図３】鋼帯の幅方向の温度分布を示す模式図。
【図４】本発明例と比較例のハースロールの均温性の経時変化を示す図。
【符号の説明】
１    ロールシェル
２    ヒートパイプ
３    水素拡散防止コーティング層
４    金属コーティング層
【図１】
2004292860.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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