(57)【要約】    【課題】  金属製軸材として比較的低合金で安価な炭素鋼もしくは低合金からなる構造用合金鋼などを用いても、ロール使用時の加熱と冷却の熱サイクルが加わった際にセラミックス製スリーブが割れることを防ぐことができるセラミックス製ロールを提供する。    【解決手段】  熱間圧延ラインにおいて鋼板を製造するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、金属製軸材の表面に、アルミニウム合金被覆層またはクロム合金被覆層を形成したことを特徴とする。また、金属製軸材の表面に、アルミニウム拡散滲透層またはクロム拡散滲透層を形成したことを特徴とする。    【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延ラインにおいて鋼板を製造するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、金属製軸材の表面に、アルミニウム合金被覆層またはクロム合金被覆層を形成したことを特徴とするセラミックス製ロール。
【請求項２】
熱間圧延ラインにおいて鋼板を製造するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、金属製軸材の表面に、アルミニウム拡散滲透層またはクロム拡散滲透層を形成したことを特徴とするセラミックス製ロール。
【請求項３】
セラミックス製スリーブは、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス製ロール。
【請求項４】
窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項３に記載のセラミックス製ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延ラインにおいて鋼板を搬送、ガイド、圧延するなど鋼板を製造するのに用いるロールに係り、詳しくは金属製軸材の外周にセラミックス製スリーブを嵌着させたセラミックス製ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から鉄鋼熱間圧延ラインに用いられる搬送用ロールなどには、金属製ロールが多く使われている。しかしながら、金属製ロールは摩耗しやすく、また耐食性、耐酸化性および耐熱性に劣るという問題があった。また金属自体の重量が重いためロールの取り替え作業が容易でないという問題があった。そこで、これらの欠点を解決するために金属製ロールに替わりセラミックス製ロールが種々提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、ロールの絶縁性を向上させるために、金属からなるロール表面にアルミナやジルコニア等のセラミックスを５０〜１００μｍの厚みで溶射を施してなる熱間圧延ラインで用いられる搬送ロールが記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、熱間圧延ラインにおいて、圧延鋼板の上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置して圧延鋼板の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置の直下または前後に配置され、金属製芯金にセラミックス製スリーブを嵌合した熱間圧延ライン向けローラであって、セラミックス製スリーブは窒化ケイ素焼結体からなり、金属製芯金の胴長方向の両側にそれぞれ外嵌され、そのスリーブ外嵌部がローラの胴長方向中央部よりも大径となることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録２５５１６１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７８０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のロールにおいては、熱膨張係数が７〜１１×１０−６／℃程度であるアルミナやジルコニア等のセラミックスを５０〜１００μｍの厚みでロール表面に溶射しており、被溶射材である金属製ロールの熱膨張係数１５〜４０×１０−６／℃程度に比べて熱膨張係数差が大きいため、ロール全体が繰り返し加熱冷却（稼動中のロール表面温度は約７００〜１３００℃、冷却時は常温）された際にアルミナやジルコニア等の極めて薄い溶射膜が剥離しやすく、ロールが短寿命であるという問題があった。
【０００７】
特許文献２は、溶射膜における剥離の問題を解決したものであり、溶射膜に比べて厚みのあるセラミックス焼結体製のスリーブを金属製軸材（芯金）に嵌合した構成であるため、ロールの耐用寿命を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献２は軸材として比較的高価なステンレス鋼もしくはＣｒ−Ｍｏ鋼材を用いているため製作費用が嵩むという問題があった。また、熱間圧延ラインで長期間使用されると、ステンレス鋼やＣｒ−Ｍｏ鋼の軸材でも外周部の表面層が酸化して、軸材の表面層に錆が発生する。そして、この錆によりセラミックス製スリーブと軸材のクリアランスが狭まり、ロール加熱時に熱膨張係数が約７〜１１×１０−６／℃の軸材が約３〜４×１０−６／℃のセラミックス製スリーブの内面を押圧し、セラミックス製スリーブ内面に引張応力を発生させて破損してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は金属製軸材として比較的低合金で安価な炭素鋼もしくは低合金からなる構造用合金鋼などを用いても、ロール使用時の加熱と冷却の熱サイクルが加わった際にセラミックス製スリーブが割れることを防ぐことができるセラミックス製ロールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、第１の本発明のセラミックス製ロールは、熱間圧延ラインにおいて鋼板を製造するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、金属製軸材の表面に、アルミニウム合金被覆層またはクロム合金被覆層を形成したことを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明のセラミックス製ロールは、熱間圧延ラインにおいて鋼板を製造するのに用いるセラミックス製ロールであって、１個または複数個のセラミックス製スリーブを金属製軸材の外周に嵌着して構成され、金属製軸材の表面に、アルミニウム拡散滲透層またはクロム拡散滲透層を形成したことを特徴とする。
【００１２】
前記本発明において、セラミックス製スリーブは、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなることを特徴とする。また、窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、常温における熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
金属製軸材の機械的性質を殆ど劣化させることなく、軸材表面への密着性が良好であり、かつ耐高温酸化性、耐食性および耐摩耗性に優れた表面層を形成することにより、特に軸材表面の錆の発生を抑えてセラミックス製スリーブの割れを防ぐことができた。
【００１４】
まず、金属製軸材の表面にアルミニウム合金被覆層を形成するには、金属製軸材をアルミニウム溶融金属浴中に浸漬し、軸材の鉄と浴中のアルミニウムとの相互拡散により、軸材の表面に鉄とアルミニウムからなる合金層を生成し、その上の最表面にアルミニウムが付着される。また、金属製軸材の表面にクロム合金被覆層を形成するには、同様にクロム溶融金属浴中に浸漬すると、軸材の鉄と浴中のクロムとの相互拡散により、軸材の表面に鉄とクロムからなる炭化物層や化合物層が生成される。
【００１５】
また、金属製軸材の表面にアルミニウム拡散滲透層を形成するには、例えば鉄とアルミニウムの合金粉、アルミナ粉、塩化アンモニウム粉を混合した粉末と軸材とを容器内に埋め込み、加熱することにより、アルミニウムが軸材の鉄と拡散し、軸材の表面にアルミニウム拡散滲透層が形成される。また、金属製軸材の表面にクロム拡散滲透層を形成するには、例えば鉄とクロムの合金粉、アルミナ粉、塩化アンモニウム粉を混合した粉末と軸材とを容器内に埋め込み、加熱することにより、クロムが軸材の鉄と拡散し、軸材の表面にクロム拡散滲透層が形成される。
【００１６】
これらの表面層は、軸材成分との合金で形成されている、アルミニウムおよびクロムの濃度が軸材表面から軸材中心部へ向かって次第に下がっているため、軸材の機械的性質を殆ど劣化させることなく、軸材との密着性が良好であり、加熱冷却の繰り返しによっても剥離することがない。また、特に耐高温酸化性、耐食性に優れているため、軸材表面の錆の発生を抑えることができ、錆に起因したセラミックス製スリーブと軸材のクリアランスの狭まりによるセラミックス製スリーブの割れを防止できる。
【００１７】
また、セラミックス製スリーブを耐摩耗性、耐食性、耐酸化性および耐熱性に優れる窒化ケイ素を主成分とする焼結体で形成するのが好ましい。特に常温における熱伝導率を５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上に高めることにより、熱衝撃による割れを十分に防止できる。さらには、窒化ケイ素を主成分とする焼結体の相対密度が９８%以上、常温における４点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であると割れをいっそう防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の実施例であるセラミックス製ロールの概略図である。図１において、３個のセラミックス製スリーブ（スリーブ１ａ、１ｂ、１ｃ）を金属製の軸材５に嵌着して配置した。セラミックス製スリーブはそれぞれ外径３５５ｍｍ×内径３０５ｍｍ×長さ１００ｍｍの窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなる。
【００１９】
次に本発明のセラミックス製スリーブの製造方法について説明する。平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム粉末を３．０重量％、平均粒径２．０μｍの酸化イットリウム粉末を３．０重量％添加し、適量の分散剤を加えエタノール中で粉砕、混合した。ついで、噴霧乾燥後、篩を通して造粒した後、ゴム型に充填し、静水圧により冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行い、所定形状の中空スリーブロールとなる成形体を作製した。この成形体を１９５０℃、６０気圧の窒素ガス雰囲気中で５時間焼成し、窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなるスリーブを得た。更に得られた焼結体を、ダイヤモンド砥石を用いて所定の形状に加工し、窒化ケイ素系セラミックス製スリーブを製作した。
【００２０】
また、得られた窒化ケイ素系セラミックス焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの４点曲げ試験片を採取した。密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に基づいてアルキメデス法から求めた。相対密度はＪＩＳ  Ｒ２２０５に準拠したアルキメデス法により実測密度を求めこれを計算により算出した理論密度で除した値とした。熱伝導率はレーザーフラッシュ法ＪＩＳ  Ｒ１６１１に準拠して常温での比熱および熱拡散率を測定し熱伝導率を算出した。４点曲げ強度は常温にてＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠して測定を行った。
【００２１】
その結果、窒化ケイ素系セラミックス焼結体からなるセラミックス製スリーブは、相対密度が９９．２％、常温における熱伝導率が５５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度が９４０ＭＰａであった。
【００２２】
本発明の最も特徴である軸材５として、Ｓ３５Ｃ鋼材を用いて、胴部中央部の外径３００ｍｍである中実状の軸材を製作した。そして、この軸材５を約６８０℃のアルミニウム溶融金属浴中に約１時間浸漬させた後、浴中から取り出して、７３０℃で約３時間の熱処理を行い、軸材５の表面に厚さが０．９ｍｍの鉄とアルミニウムからなる合金層を得た。次いで、この軸材５の外径を約０．５ｍｍ研削し、所定の外径寸法の軸材を製作した。
【００２３】
また、金属製スリーブ２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄとして、ＳＵＳ３０４を用いて外径３２６ｍｍ、厚み１３ｍｍの中空円筒体を製作した。金属製スリーブの外径はセラミックス製スリーブのそれより小さくする。弾性部材３ａおよび３ｂとして、ＳＵＳ３０４を用いてリング状の皿バネを作製し、この皿バネを５枚直列に組み合わせて形成した。金属製締付部材４ａおよび４ｂとして、ＳＵＳ３０４を用いて内周面にねじ溝を形成した中空円筒体を製作した。
【００２４】
これらの部材を用いて、軸材５に３個のセラミック製スリーブ１ａ、１ｂおよび１ｃと、金属製スリーブ２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄを嵌めて、その後、弾性部材３ａおよび３ｂを嵌めて、軸材５の胴部端部の外周面に設けたねじ部に、金属製締付部材４ａおよび４ｂをロール軸方向にねじ回転移動させ、弾性部材３ａおよび３ｂを伸縮させて、金属製スリーブ２ａおよび２ｂに側圧を付与し、セラミックス製スリーブを所定の位置に位置決め固定した。位置決め後、金属製締付部材４ａおよび４ｂのねじが緩まないように金属製締付部材４ａおよび４ｂを軸材５に固定した。
【００２５】
そして、この本発明のセラミックス製ロールを実機ラインに長期間適用した結果、軸材の表面層が耐高温酸化性および耐食性に優れるため、軸材に錆が発生し難く、すなわち軸材の錆によるセラミックス製スリーブの内面からの破損を防止できた。また、セラミックス製スリーブは耐摩耗性および耐熱性が良好であるとともに、熱伝導率が５０W／（ｍ・Ｋ）以上であるためロール表面に亀裂は見られず耐熱衝撃性に優れることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のセラミックス製ロールによれば、金属製軸材として比較的低合金で安価な炭素鋼もしくは低合金からなる構造用合金鋼などを用いても、軸材の表面層が耐高温酸化性および耐食性に優れるため、軸材に錆が発生し難く、ロール使用時の加熱と冷却の熱サイクルが加わった際にセラミックス製スリーブが割れることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明実施例のセラミックス製ロールの概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  セラミックス製スリーブ、  １ａ（１ｂ、１ｃ）  セラミックス製スリーブ、
２ａ（２ｂ、２ｃ、２ｄ）  金属製スリーブ、
３ａ（３ｂ）  弾性部材、
４ａ（４ｂ）  金属製締付部材、  ５  軸材
【図１】
2005169462.tif 000002