(57)【要約】【課題】ロール軸方向の均温性に優れ、非定常時であってもクラウンの変動が少なく、しかも長時間のロール使用時でも安定した状態で使用することができるロール及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軸方向に孔を複数配置し、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ超の複数の高熱伝導性材料がロールシェルの孔内壁に弾性的に接触し、前記ロールシェルの母材の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］と前記高熱伝導性材料の熱膨張係数Ｂ［Ｋ−１］が、下記（１）式を満足することを特徴とするロール。｜１−Ｂ／Ａ｜×１００≧３０            ・・・  （１）【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に軸方向に孔を複数設け、前記孔に弾性体及び熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ超の高熱伝導性材料を有し、前記弾性体が前記孔の内表面側に接触し、前記高熱伝導性材料が前記孔の外表面側に接触することを特徴とするロール。
【請求項２】
弾性体の圧縮復元率が１０〜４０％であることを特徴とする請求項１記載のロール。
【請求項３】
高熱伝導性材料が、炭素繊維及び／又はグラファイトからなる強化繊維とＡｌ又はＣｕからなるマトリックスとの複合材料であることを特徴とする請求項１又は２記載のロール。
【請求項４】
弾性体がゴム、グラファイト、コイルばね、板ばねの何れかであ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】
ロールシェルの内部に軸方向に孔を複数設け、前記孔に圧縮復元率が１０〜４０％であり、かつ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ超の高熱伝導性材料を有し、前記高熱伝導性材料が前記孔の内壁の前記ロールシェルの内表面側及び外表面側に接触することを特徴とするロール。
【請求項６】
高熱伝導性材料がグラファイトであることを特徴とする請求項５記載のロール。
【請求項７】
ロールシェルの母材の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］と高熱伝導性材料の熱膨張係数Ｂ［Ｋ−１］が、下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のロール。
｜１−Ｂ／Ａ｜×１００≧３０            ・・・  （１）
【請求項８】
遠心鋳造によりロールシェルを形成し、孔を軸方向に複数穿孔後、前記孔の外表面側に高熱伝導性材料を、前記孔の内表面側に弾性体を挿入又は焼き嵌めすることを特徴とする請求項１〜４又は７の何れか１項に記載のロールの製造方法。
【請求項９】
弾性体と高熱伝導性材料を一体に成形することを特徴とする請求項８記載のロールの製造方法。
【請求項１０】
遠心鋳造によりロールシェルを形成し、孔を軸方向に複数穿孔後、前記孔に高熱伝導性材料を挿入又は焼き嵌めすることを特徴とする請求項５〜７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及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した提案もなされており、例えば、ハースロールの外側スリーブの内側に、該外側スリーブと線膨張率がほぼ等しくかつ熱伝導性の優れた金属製の内側スリーブを焼き嵌めなどの手段によって装着して、熱クラウンを抑制するための技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−５６７３３号公報（第３頁左上欄１８行〜右上欄３行、第１図）
【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高熱伝導率の材料を配置したハースロールであっても、シェル自体の熱伝導率が低いため、搬送される鋼板の幅や温度が変更された場合の如く、外部入熱が変化したとき（非定常時）における追従性に劣り、ロールクラウンの変動が大きい。また、シェルと高熱伝導率材料との間の熱膨張係数差により、高温での長時間のロール使用時においては、接合界面に剥離現象が起きるおそれもある。従って、連続焼鈍炉用のハースロールとして非定常時での追従性に優れ、高温・長時間での使用にも耐える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、非定常時であってもクラウンの変動が少なく、しかも長時間のロール使用時であっても熱膨張係数差による剥離の問題がなく、安定した状態で使用することができるロール及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通りである。
（１）  ロールシェルの内部に軸方向に孔を複数設け、前記孔に弾性体及び熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ超の高熱伝導性材料を有し、前記弾性体が前記孔の内表面側に接触し、前記高熱伝導性材料が前記孔の外表面側に接触することを特徴とするロール。
（２）  弾性体の圧縮復元率が１０〜４０％であることを特徴とする（１）記載のロール。
（３）  高熱伝導性材料が、炭素繊維及び／又はグラファイトからなる強化繊維とＡｌ又はＣｕからなるマトリックスとの複合材料であることを特徴とする（１）又は（２）記載のロール。
（４）  弾性体がゴム、グラファイト、コイルばね、板ばねの何れかであ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）  ロールシェルの内部に軸方向に孔を複数設け、前記孔に圧縮復元率が１０〜４０％であり、かつ熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ超の高熱伝導性材料を有し、前記高熱伝導性材料が前記孔の内壁の前記ロールシェルの内表面側及び外表面側に接触することを特徴とするロール。
（６）  高熱伝導性材料がグラファイトであることを特徴とする（５）記載のロール。
（７）  ロールシェルの母材の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］と高熱伝導性材料の熱膨張係数Ｂ［Ｋ−１］が、下記（１）式を満足することを特徴とする（１）〜（６）の何れか１項に記載のロール。
｜１−Ｂ／Ａ｜×１００≧３０            ・・・  （１）
（８）  遠心鋳造によりロールシェルを形成し、孔を軸方向に複数穿孔後、前記孔の外表面側に高熱伝導性材料を、前記孔の内表面側に弾性体を挿入又は焼き嵌めすることを特徴とする（１）〜４又は７の何れか１項に記載のロールの製造方法。
（９）  弾性体と高熱伝導性材料を一体に成形することを特徴とする（８）記載のロールの製造方法。
（１０）  遠心鋳造によりロールシェルを形成し、孔を軸方向に複数穿孔後、前記孔に高熱伝導性材料を挿入又は焼き嵌めすることを特徴とする（５）〜（７）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と軸は、テーパーを有して繋がった一体構造になっている。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高熱伝導性材料２を有する。この高熱伝導性材料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。
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。図２の拡大図では、高熱伝導性材料２として炭素繊維又はグラファイトを用いた例を示した。炭素繊維及びグラファイトは弾性体でもあるため、孔３の内径よりも外径が大きい棒状の炭素繊維又はグラファイトを孔３に挿入することにより、弾性的に接触させることができる。なお、図２の拡大図では、右側の孔３には高熱伝導性材料が挿入されていない状態を示している。孔３の断面形状は円形に限らず、楕円、三角形でも良く、正方形、長方形、台形等の矩形でも良いが、この場合には、高熱伝導性材料２の形状を孔３の形状に合わせることが好ましい。
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。また、ロールシェルは２層構造としても良く、内部シェルと外部シェルは、同一組成の耐熱鋳鋼であることが好ましいが、異なる組成の耐熱鋳鋼でも良い。
【０００７】
また、高熱伝導性材料２としては、本発明の狙いを達成する意味から、少なくとも熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要である。また、本発明では高熱伝導性材料２をロールシェル１に設けた孔３の内面に接合せず、弾性接触させるため、両者の間の熱膨張係数差が有っても差し支えない。例えば、熱膨張係数がロールシェル１の熱膨張係数よりも極めて小さいか或いは大きい材料を、高熱伝導性材料２として選択すれば、高温での長時間使用時に、熱膨張係数差に伴う膨張収縮により母材と高熱伝導性材料２との接触が安定した接触を保つことができる。
この点からロールシェルの母材１の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］と高熱伝導性材料２の熱膨張係数Ｂ［Ｋ−１］が、下記（１）式を満足することが必要である。
｜１−Ｂ／Ａ｜×１００≧３０            ・・・  （１）
これは、高熱伝導性材料２の熱膨張係数Ｂ［Ｋ−１］とロールシェルの母材１の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］の差を、ロールシェルの母材１の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］の±３０％以上にすることを意味する。なお、ロールシェルが２層構造であって、内部シェルと外部シェルが異なる組成の耐熱鋳鋼である場合には、内部シェルの熱膨張係数と外部シェルの熱膨張係数の単純平均値をロールシェルの母材１の熱膨張係数Ａ［Ｋ−１］とする。なお、熱伝導率は、常温で測定した数値とし、熱膨張係数は、常温から５００℃まで温度を変化させて測定した線膨張率とする。
【０００８】
上記の高熱伝導性材料２の熱伝導率及び熱膨張係数を考慮した場合、高熱伝導性材料２としては、グラファイト単独であっても良く、強化繊維として炭素繊維又はグラファイトを用いたマトリックスがＡｌ又はＣｕからなる複合材料でも良い。
なお、単独で用いるグラファイトは、電極、構造体等に用いられる、液相炭素化により製造される人造黒鉛であることが好ましい。複合材の強化繊維として用いるグラファイトは、熱分解黒鉛等を用いても良い。炭素繊維は、固相炭素化により製造される炭素繊維、気相炭素化により製造される気相成長系炭素繊維であることが好ましい。炭素繊維及び／又はグラファイトを強化繊維とし、Ａｌ又はＣｕをマトリックスとする複合材料は、溶湯鍛造法などの溶融法、攪拌鋳造法などの半溶融法、焼結法、静水圧プレスなどの拡散法、メカニカルアロイングなどの機械加工法等により製造することができる。
グラファイト単独の場合は、それ自体が弾性体として機能するため、図２に示す如く、該高熱伝導性材料２の全体を棒状のグラファイトにて形成し、その外径を孔径よりも若干大きくし、焼き嵌め等の手段によってシェル内面に挿着すれば、高熱伝導性材料２とロールシェル１の孔内壁は弾性的に接触し、内面への密着性が増大する。
【０００９】
また、高熱伝導性材料２をロールシェル１の孔内壁、特に、ロールシェルの外側に弾性的に押し付けるために、孔内に挿入した高熱伝導性材料２の背面側（ロール軸心側）の同一孔内に、何らかの弾性手段を介在させても良い。この弾性体と高熱伝導性材料の組み合わせの種々の具体例を図３に示す。
図３（ａ）に示す例は、ロールシェル１に円形の孔３ａを穿設し、この孔内にそれぞれ半円形状の高熱伝導性材料２ａ及び弾性体４ａを円形に組み合わせて挿入したものである。この場合、孔内の高熱伝導性材料２ａがシェルの外表面側に向って弾性体４ａによって押し付けられ、孔内壁に密着するようにしている。図３（ｂ）の例は、シェル１の孔３ｂは台形状で、その内部に挿入する高熱伝導性材料２ｂを台形状、これを弾性的に押し付ける弾性体４ｂが矩形状としたものである。更に、図３（ｃ）は、シェル１の孔３ｃは四角形状で、その内部に挿入する高熱伝導性材料２ｃは矩形状で、弾性体４ｃはコイルばねである例である。孔の形状は、図示の例に限らず、他の任意の形状（正方形や他の多角形）でもよく、また、高熱伝導性材料や弾性体についてもそれぞれ孔の形状に合わせた任意の形状とすることができる。
図３において、矢印は、弾性体４ａ、４ｂ、４ｃにより高熱伝導性材料２ａ、２ｂ、２ｃに加えられている応力を模式的に示したものであり、図３（ｂ）において両端の矢印は、高熱伝導性材料２ｂと孔３ｂが摩擦力によって固定されている態様を模式的に示したものである。
【００１０】
弾性体としては、コイルばねや板ばね等のばね体、ゴム、グラファイト等が挙げられる。圧縮復元率が１０〜４０％であることが好ましい。圧縮復元率は、一軸の圧縮試験により、材料に一方向から圧力を加えた後に、破壊することなく、元の状態に戻る限界の圧縮率とする。即ち、２０ｍｍ角程度の試験片を引張試験機に取り付けて、圧縮試験を行う際に、試験片を取り付けた際のクロスヘッドの位置を原点として圧縮し、破壊する限界の変位から圧縮率を測定することができる。
ゴムは、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、フッ素化ゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、シリコーンゴム、ウレタンゴム、多硫化ゴム等の何れでも良い。
連続焼鈍炉の加熱帯のような高温時の使用では、グラファイトのごとき弾性材料が適当であるが、場合によっては耐熱用ばね体であれば使用可能である。本発明において使用に適した弾性材料としては、ヤング率２００００ＭＰａ以下、圧縮復元率１０％以上の性質を備えたものが望ましい。
ばね体以外の弾性体の大きさや形状は、シェルに形成される孔の大きさや形状によって、また、組み合わせて挿入される高熱伝導性材料の形状や大きさによって、適宜決めればよいが、高熱伝導性材料とは別個に独立して孔に挿入してもよいし、予め高熱伝導性材料と一体的に成形しておいてから孔に挿入することもできる。
【００１１】
このような弾性体を用いる場合には、高熱伝導性材料として、例えば、脱酸銅、無酸素銅、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ合金、Ｃｕ−０．５Ｔｅ、Ｃｕ−１Ｃｄ、Ｃｕ−１Ｃｒ、Ｃｕ−１０Ｚｎ、Ｃｕ−２２Ｚｎ−２Ａｌ等の銅合金を使用することができる。Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌでも良く、Ａｌ−１７Ｓｉ−４．５Ｃｕ−０．６Ｍｇ等のアルミニウム合金でも良い。Ｃｕ−３０Ｚｎ、Ｃｕ−４０Ｚｎ、Ａｌ−１２Ｓｉ等も使用することができる。また、Ｂｅ、Ｉｒ、Ｍｏを用いても良い。アルミニウム合金として、Ａ１１００等の純アルミニウム、２０００系のＡｌ−Ｃｕ合金、３０００系のＡｌ−Ｍｎ合金、５０００系のＡｌ−Ｍｇ合金、６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金、７０００系のＡｌ−Ｚｎ系合金を用いても良い。マグネシウム合金、亜鉛合金を用いても良い。
【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軸方向に貫通する、断面形状が円形、正方形、長方形、多角形又は台形の孔を複数穿設する。次いで、これらの孔に、用意しておいたそれぞれ別体の弾性体と高熱伝導性材料（例えば、図３（ａ）、（ｂ）のような場合）をそれぞれ挿入するか、もしくは予め弾性体と一体に成形した高熱伝導性材料（例えば、図２に示すグラファイトのみで高熱伝導性材料を作った場合）を挿入又は焼き嵌めする。別々に弾性体と高熱伝導性材料を挿入する場合は、ロールの外表面側の孔内面位置に高熱伝導性材料が配置することが必要である。また、高熱伝導性材料の一体成形体を焼き嵌めする場合には、孔の径を高熱伝導性材料の直径よりも僅かに小さくしておくことが必要である。
【００１３】
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、できるだけロールシェル表層に近く（即ち、高熱伝導性材料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高熱伝導性材料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。
【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。
2004292089.tif 000003
上記以外の各条件（材料の組成、性質、サイズ、孔形状など）は、表１に記載する通りであるが、実施例１〜４は各種組成の高熱伝導性材料に対しグラファイトを弾性体として使用したもの、実施例５は矩形の高熱伝導性材料とコイルばねを組み合わせたもの、実施例６は円形のグラファイトだけからなる高熱伝導性材料のものである。なお、表１において、Ｃ／Ｃ−Ａｌ、Ｃ／Ｃ−Ｃｕは、それぞれＡｌ、Ｃｕをマトリックスとする炭素繊維との複合材でり、グラファイト−Ａｌ、グラファイト−Ｃｕは、それぞれＡｌ、Ｃｕをマトリックスとするグラファイトとの複合材である。
［実施結果］
評価方法は、温度差と追従性で示したが、温度差は搬送される鋼板のセンターとエッジの温度差であり、使用日数は１０日以上、追従性は鋼板の幅変更時のクラウン変動の有無（有り×、無し○）で判断した。その結果を表１に示すが、本発明では何れも温度差で２５％以内、追従性でも問題は無かったが、比較例では温度差が３０％以上、追従性もクラウン変動が認められた。
【００１５】
【表１】
2004292089.tif 000004
【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、高熱伝導性材料がシェル内部に弾性的に密着されているため、ロール銅部軸方向の均温性が高く、特に、該高熱伝導性材料をシェル該表面に近い位置に設置した場合、鋼板温度・幅が変更されるような非定常時においてもクラウン変動を小さく抑えることができる。また、本発明では、ロールシェルと高熱伝導性材料とを接合せずに接触状態で伝熱しているので、両者の熱膨張係数差による剥離等の問題が無く、安定した状態で使用することが可能である。
更に、本発明に係るロールの製造方法によれば、上記した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】図２に示すロールのシェルの孔に挿入する高熱伝導性材料及び弾性体の種々の組み合わせの例を示す断面説明図。
【符号の説明】
１    ロールシェル部              ２    高熱伝導性材料
３    シェルに形成した孔          ４    弾性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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