(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属めっき浴に浸漬されるポットロール装置に付設された浸漬部材であって、該浸漬部材が、該ポットロール設備の少なくともポットロール軸部スリーブ部材と軸受部材の摺動する部分の一部又は全部に嵌合してなる、実質的にβ−Ｓｉ3Ｎ4相、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相から構成される高耐熱衝撃性、高耐酸化性セラミックス部材であることを特徴とする溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項２】
前記浸漬部材が、複数の柱状部材からなる請求項１記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項３】
前記柱状部材が、前記軸受部の軸方向に嵌合してなる請求項２記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項４】
前記柱状部材の回転方向の摺動面が、平面又は前記ポットロール軸部スリーブ部材の曲率半径以上の円弧状面である請求項３記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項５】
前記柱状部材が、前記ポットロール軸部スリーブ部材に軸方向に嵌合してなる請求項２記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項６】
前記柱状部材の摺動面が、前記軸受部材の曲率半径以下の円弧状面である請求項５記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項７】
前記柱状部材の軸方向の摺動面が、凹凸状及び／又は波形状で、凸部の摺動面高さが軸方向で揃った形状である請求項３又は５に記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項８】
前記セラミックス部材が、理論密度の９５％以上の焼結体密度である請求項１〜７に記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項９】
前記セラミックス部材の組成が０．１〜３．０質量％のＳｉ2Ｎ2Ｏ相、４．９〜１２．０質量％のＹ2Ｓｉ2Ｏ7相及び残部がβ−Ｓｉ3Ｎ4相及び不可避的不純物相からなる請求項８記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材。
【請求項１０】
酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）３〜１０質量％、酸化珪素（ＳｉＯ2）１〜５質量％および残部が窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素ガス雰囲気中にて１７００〜２０００℃の温度範囲で焼結し、以下の▲１▼〜▲３▼の少なくとも一つの手段により粒界相としてＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相を生成させた焼結体を成形加工することを特徴とする溶融金属めっき浴用浸漬部材の製造方法。
▲１▼焼結の降温過程における降温速度を５℃／分以下とする。
▲２▼焼結の降温過程において、１３５０〜１６５０℃の温度範囲において２時間以上保持する。
▲３▼焼結後、窒素雰囲気中、１３５０〜１６５０℃の温度範囲において２時間以上保持の再加熱処理を行う。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板等の連続溶融金属めっき装置における溶融金属めっき浴用浸漬部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属めっき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金属板を溶融金属槽に導き、金属板へ溶融金属をめっきし、ポットロール及びガイドロールを介して、これを引上げ連続的に金属めっき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金属板へのめっき方法は、金属板として鋼板を用いた場合、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、さらに鋼板を上方に引上げ、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、溶融金属めっき鋼板を製造するものである。
【０００３】
この溶融金属めっき浴に浸漬されるポットロールの軸受部材及び軸部スリーブ部材には、一般的に、耐食性の良好な24Cr-12Ni系ステンレス鋼が用いられている。ステンレス鋼は、溶融亜鉛、溶融アルミニウム等の溶融金属との反応性が低く、耐食性は良好であるが、耐摩耗性は充分とは言えず、特に、軸受部材は、軸部スリーブ部材と極狭い範囲(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。軸受部材の摩耗が進行すると、鋼板にバタツキ等が発生し、良好なめっきが行えないため、該部材を溶融金属めっき浴中から引き上げ、軸受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の他の部材に異常が無くても、操業を停止し、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る必要がある。この際に、浴温から室温へ急激に冷却されるため、熱衝撃破損等のダメージが他の部品に発生することもあり、部品全体を一括交換する場合もあり、生産上の損失は極めて大きい。このため、溶融金属めっき浴中で使用されるロール寿命の延長を図る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部材及び軸部スリーブ部材に、アルミナ又は窒化珪素・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、摺動摩耗量及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との濡れ性等については考慮されていない。さらに、アルミナ又は窒化珪素・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やジルコニアセラミックスは、窒化珪素やサイアロンより熱衝撃性に劣ることが知られている。比較的耐熱衝撃性に優れる窒化珪素とサイアロンでも軸受け部材のサイズ(φ200ｍｍ以上)や肉厚(ｔ20ｍｍ以上)において、溶融アルミニウム浴温度(660〜680℃)からの急激な空冷に十分耐えうる材質はほとんど見い出されていない。
【０００６】
上記従来技術で開示されている内容に基づき、一般的な焼結助剤であるイットリア、アルミナを用いて、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、溶融アルミニウム浴中における摺動及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、溶融アルミニウム浴中からの空冷を３回行っただけで破損した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
すべり軸受に関する上記技術は、軸受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、超硬合金やセラミックス焼結体等とすることで、軸受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、軸受部材と軸部スリーブ部材の最適な組合せは、浴温度(アルミニウムの場合、660〜680℃)からの急激な空冷に十分耐えうることがより必要で、材料の耐熱衝撃性、高靭性、耐酸化性等の特性を考慮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上げ時の空冷に伴う熱衝撃や繰返し熱疲労に対する耐久性を高めることが不可欠である。
【０００８】
また、取り替え作業が迅速に行えれば、操業上の機会損失を低減できるため、当該部材の交換を簡便に行える構造とすることも望まれている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、熱衝撃、繰り返し熱疲労、酸化による剥離現象などに対する耐久性を大幅に向上させ、併せて、摩耗・破損時の交換作業を著しく簡便にした溶融金属めっき浴用浸漬部材及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【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、溶融金属めっき浴中で長時間安定して繰り返し使用でき、めっき浴からロールが出入りする際にも急激な温度変化を抑えるための柄杓がけが不要となり、軸受け部が消耗した後の交換作業時には簡便にセラミックス材を取り替えられる溶融金属めっき浴用浸漬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)  溶融金属めっき浴に浸漬されるポットロール装置に付設された浸漬部材であって、該浸漬部材が、該ポットロール設備の少なくともポットロール軸部スリーブ部材と軸受部材の摺動する部分の一部又は全部に嵌合してなる、実質的にβ-Ｓｉ3Ｎ4相、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相から構成される高耐熱衝撃性、高耐酸化性セラミックス部材であることを特徴とする溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(2)  前記浸漬部材が、複数の柱状部材からなる請求項1記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(3)  前記柱状部材が、前記軸受部の軸方向に嵌合してなる請求項2記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(4)  前記柱状部材の回転方向の摺動面が、平面又は前記ポットロール軸部スリーブ部材の曲率半径以上の円弧状面である請求項3記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(5)  前記柱状部材が、前記ポットロール軸部スリーブ部材に軸方向に嵌合してなる請求項2記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(6)  前記柱状部材の摺動面が、前記軸受部材の曲率半径以下の円弧状面である請求項5記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(7)  前記柱状部材の軸方向の摺動面が、凹凸状及び/又は波形状で、凸部の摺動面高さが軸方向で揃った形状である請求項３又は５に記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(8)  前記セラミックス部材が、理論密度の９５％以上の焼結体密度である請求項１〜７に記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(9)  前記セラミックス部材の組成が０．１〜３．０質量％のＳｉ2Ｎ2Ｏ相、４．９〜１２．０質量％のＹ2Ｓｉ2Ｏ7相及び残部がβ-Ｓｉ3Ｎ4相及び不可避的不純物相からなる請求項８記載の溶融金属めっき浴用浸漬部材、
(10)  酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）３〜１０質量％、酸化珪素（ＳｉＯ2）１〜５質量％および残部が窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素ガス雰囲気中にて１７００〜２０００℃の温度範囲で焼結し、以下の▲１▼〜▲３▼の少なくとも一つの手段により粒界相としてＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相を生成させた焼結体を成形加工することを特徴とする溶融金属めっき浴用浸漬部材の製造方法、
▲１▼焼結の降温過程における降温速度を５℃/分以下とする、
▲２▼焼結の降温過程において、１３５０〜１６５０℃の温度範囲において２時間以上保持する、
▲３▼焼結後、窒素雰囲気中、１３５０〜１６５０℃の温度範囲において２時間以上保持の再加熱処理を行う、
を要旨とするものである。
【００１１】
【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、鋭意検討を行った結果、亜鉛(mp=430℃)に比べ高融点の溶融アルミニウム(mp=660℃)浴中にも適用可能にすることを前提としている。ロールを溶融アルミニウム浴から出し入れする場合に起きる急激な温度変化に備え、柄杓で該溶融金属をロールに浴びせ掛けながら、急加熱や急冷却が起こらないように配慮していた。本発明によって、その必要がない軸受け材質と構造を提唱することができた。同時に、従来技術では困難であった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、部材に空孔が多い場合、低強度、低靭性、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が見い出された。一方で、摺動摩耗は、摺動部位が曲面ではなく、線接触もしく点接触である場合等に顕著に抑制されることを確認した。
【００１２】
本発明の溶融金属めっき浴用浸漬部材は、溶融金属めっき浴に浸漬されるポットロール装置に付設された浸漬部材であって、該浸漬部材が該ポットロール設備の少なくともポットロール軸部スリーブ部材または軸受部材の摺動する部分の一部又は全部に嵌合してなる、実質的にβ-Ｓｉ3Ｎ4相、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相から構成される高耐熱衝撃性、高耐酸化性セラミックス部材である。また、浸漬部材の取扱い易さの観点から、柱状部材を複数嵌合することが好ましい。埋め込み形状について、ポットロールと直接摺動する面が平面またはポットロール軸部スリーブ部材の曲率半径以上の上に凸な円弧状面が好ましいが、特に限定するものではなく、軸に垂直方向の断面形状が四角形以上の多角形や半円形、円形でも良い。回転方向に柱状部材を配置することは好適ではない。圧縮応力負荷に限定するために、回転方向と同じ方向に線接触ならびに点接触させる配置を推奨する。また、ポットロール軸部スリーブ部材の曲率半径以下の上に凸な円弧状面もしくは曲率半径以上の凹な円弧状面では埋め込み材に圧縮応力以外が負荷され、圧縮に比べて破損の確率が高くなることが予想される。好ましくは、下辺が上辺に比べて長い等脚台形を断面とするセラミックス製軸受け片を使用すれば、楔(くさび)や接着剤等を使用せず、位置決めすることが容易であり、圧縮応力のみを負荷させることが可能である。さらに、図2の iii)〜iv)に示したように柱状の埋め込み材の回転軸と平行な方向に凹凸または波形を順次付与することにより、線接触から点接触にすることが可能であり、めっき浴の流動を促進することが可能になることから回転が円滑なものになることが想定される。隣接する埋め込み材との凹凸または波形パターンを逆相にするか同相にするかはめっき浴の流動性やポットロールの回転数によって対応すべきである。このような形状にすることにより、軸受け部での溶融金属溜りができにくくなり、補修作業等の作業効率を改善できる。
【００１３】
また、ポットロールの回転軸部材の摺動部について、軸受け部材と同じセラミックス材または超硬(＝ＷＣ)粒子を結合金属(＝銅、チタン、亜鉛、クロム等のバインダー)中に分散させたものでも構わない。この場合も、上記と同様に軸の曲率より軸受け側の曲率が大きくなければ、軸受け部材に押し広げようとする引っ張り応力が印加されることとなり、全く不適である。平面もしくは円弧状であれば加工が容易であり、曲率が大きい場合はポットロール側の回転軸の安定性が僅かながら高まることが容易に予想される。また、回転軸に嵌合する場合は軸受けの曲率より回転軸側の埋め込み材の曲率が大きくなれば、埋め込み材の形状が極端に大きくなるか、薄過ぎることになるため好適ではない。
【００１４】
そして、この部材を上記形状とすることにより、該部材を嵌合され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でき、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、該セラミックス部材を製造する上での緻密化を容易にする効用をもたらす。嵌合する部材の形状は肉厚が5ｍｍ以上２０ｍｍ以下で、２本以上の柱状部材を用いることが好ましい。５ｍｍ未満では、セラミックス部材の圧縮強度も低く、使用後に摺動面に生じた摩耗痕を研磨し、リサイクル利用するときにもトータル寿命が短くなり好適ではない。２本未満即ち1本の柱状部材では回転時の安定性が全く得られず相応しくない。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も５〜２０ｍｍ厚みの範囲が好ましい。幅については、ポットロール径の大小や柱状部材の嵌合せ本数に依存するが１０〜３０ｍｍが好適である。さらに柱状部材の長さは該部材を嵌合される金属製部材のスリーブ長さによって一義的に求められる。一般的には、８０〜２００ｍｍ程度がよく用いられている。
【００１５】
図３に示したように、セラミックス製軸受けを保持するために用いる金属製リング部材との間隙に噛み込まれた溶融金属との熱膨張係数差に起因する圧縮または引張応力を軽減するため、セラミックス部材と金属部材との嵌合部の間隙は1ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００１６】
上記とは全く逆に、軸受け部が円形の一体品で構成され、軸受けの曲率以下の上に凸な円弧状面を有する柱状部材をポットロール軸部スリーブに嵌合することも可能である。但し、軸受け部に埋め込む際に十分な固定強度が得られるように配慮が必要で、軸受け部の接触時の摩擦抵抗を軽減するためには摺動部は平面ではなく軸受け部の内径より曲率の小なる円弧状曲面が最も好適である。さらに、半周以上に渡って嵌合することが必要であり、２本以上ではなく、少なくとも３本以上、より好ましくは５本以上で安定した回転が得られる。３本以上でなければ、柱状部材以外の部分で摺動する機会が増え、金属製の軸部スリーブ材が柱状部材より選択的に摩耗し、寿命の延長は望めなくなる。
【００１７】
高耐熱衝撃、耐摩耗、耐酸化などの特性を同時に向上させる方法としては、各種結晶相より構成される複合組成焼結体を作製し、その特性を評価した。従来の低融点ガラス相を有する窒化珪素や炭化珪素焼結体では、高温下における耐酸化性、耐熱衝撃性に劣る。特性評価の結果、β-Ｓｉ3Ｎ4相および粒界相としてＳｉ2Ｎ2Ｏ相、Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7相から構成される緻密なセラミックス焼結体が優れた特性を有することを見出した。また、埋め込み材の柱状部材形状(図２)が、単純な平面もしくは円弧面さらには長手方向に凹凸もしくは波形の単純研削で付与可能なことから、焼結体の仕上げ加工コストを高めることなく、溶融金属めっき浴用部材の長寿命化を実現することができる。
【００１８】
本発明の溶融金属めっき浴用部材は、耐熱衝撃性、耐酸化性に優れ、使用環境下で部材中に生じる温度勾配に起因する静的な疲労特性、また浴中から引上げられる時の急激な冷却に伴う熱応力破壊抵抗特性を高めるなどの特徴を有する。粒界相としてＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相を結晶化させるためには、焼結の降温過程で５℃/分以下の降温速度で冷却するか、降温過程で１３５０〜１６５０℃、２時間以上保持の熱処理するか、あるいは焼結後窒素雰囲気中にて1１３５０〜１６５０℃、２時間以上保持の再加熱処理の少なくとも一つを行うようにする。２時間以上の保持について、より好ましくは１２時間以上２４時間以下が好ましい。２時間から１２時間までにもＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相の結晶化が少しずつ促進されるが、焼成物の肉厚に応じてその処理時間を延長する必要があり、セラミックス部材の肉厚として汎用的な１００ｍｍ以下では２４時間が適当と考えられる。降温過程でＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相を析出させる場合の降温速度は５℃/分以下が好ましいが、より望ましくは０．１℃／分以上２℃/分以下である。０．１℃／分未満では製造効率上長時間の熱処理が必要となるため好ましくない。降温速度が５℃/分より速い場合はＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が十分生成しない。また、降温過程の際の保持温度、および、再加熱処理の際の保持温度が１３５０℃未満、１６５０℃超の場合も同様にＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が十分に生成しない。また、各々の保持時間が２時間未満の場合もＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相は生成しない。Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相とＹ2Ｓｉ2Ｏ7相がそれぞれ質量比で０．１、４．９％未満では焼結体中の気孔率が高くなり好ましくなく、それぞれ３、１２％を越えるとβ-Ｓｉ3Ｎ4結晶粒が十分に絡み合わず強度や靭性が低下し好ましくない。また、 Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相とＹ2Ｓｉ2Ｏ7相に関し、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相の質量比が全体の０．１％未満では機械的強度に寄与する効果が少なく、３％を越えるとβ-Ｓｉ3Ｎ4結晶粒が十分に絡み合わず強度や靭性が低下するため好ましくない。同様にＹ2Ｓｉ2Ｏ7相の質量比が全体の４．９％未満ではＳｉ3Ｎ4のα→β転移時の液相が少なく相転移を円滑に進行させず、１２％を越えるとβ-Ｓｉ3Ｎ4結晶粒が十分に絡み合わず強度や靭性が低下するため好ましくない。本発明により得られる窒化珪素質焼結体は、 β-Ｓｉ3Ｎ4の平均結晶粒径が１〜３μｍ程度、アスペクト比が１．５〜１０程度と大きく、かつβ-Ｓｉ3Ｎ4の柱状結晶粒が絡み合った組織を呈し、また粒界に高融点のＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が析出しているため、高温まで高い強度を維持したまま高い靭性を有し、抗折強さが大気中１４００℃にて５００ＭPa以上の高強度でかつ靭性値ＫICが５ＭPaｍ1/2の高靭性を有するため、高温環境下での特性を要求される浴用部材に好適に用いることができる。ここで、 Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相は粉末Ｘ線回折法により同定されるＳｉ2Ｎ2Ｏ結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持ち、 Ｓｉ3Ｎ4とＳｉＯ2とからなる化合物の中で高温酸化雰囲気中にて最も安定な化合物である。同様に、Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7結晶相は粉末Ｘ線回折法により同定されるＹ2Ｓｉ2Ｏ7結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持ち、 Ｙ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる化合物の中で高温酸化雰囲気中にて最も安定な化合物��ある。また、β-Ｓｉ3Ｎ4結晶相は、ＪＣＰＤＳカード３３−１１６０で示されるβ-Ｓｉ3Ｎ4結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持つ。さらに、前記β-Ｓｉ3Ｎ4相、Ｓｉ2Ｎ2Ｏ相、Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7相及び不可避的不純物相により構成される窒化珪素質焼結体の相対密度は理論密度に対して９５％以上であることが望ましい。相対密度が９５％未満では、熱的安定性、機械的安定性が不充分になり易く、長期耐久性の向上効果が見られない恐れが高くなる。
【００１９】
本発明において使用される窒化珪素粉末は、α型の結晶構造をもつＳｉ3Ｎ4粉末が焼結性の点から好適であるが、β型あるいは非晶質Ｓｉ3Ｎ4粉末が含まれていても構わない。焼結時に十分に高い密度とするためには、平均粒径1μｍ以下の微粒子であることが望ましい。
【００２０】
窒化珪素は共有結合性の強い物質であり、単独では焼結が困難であることが多いため、一般に緻密化するために焼結助剤を添加する。本発明においては、焼結助剤としては、酸化珪素、酸化イットリウムを用いる。ここで、酸化イットリウムはＳｉ3Ｎ4の焼結時にα-Ｓｉ3Ｎ4相からβ-Ｓｉ3Ｎ4相への結晶相転移をその融液中で促進させる機能を持ち、さらにβ-Ｓｉ3Ｎ4の柱状相の成長を助長することにより、高温強度および靭性を向上させることが知られている。それぞれの添加量は、酸化珪素が１〜５質量％、酸化イットリウムが３〜１０質量％が好ましい。酸化珪素が1質量％未満の場合、焼結昇温時の液相生成温度が高くなり十分緻密な焼結体が得られず、またＳｉ2Ｎ2Ｏ相及びＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が形成されない。５質量％を越えるとＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が形成されず比較的低融点のＳｉＯ2相が形成され高温での機械的強度が低下するため好ましくない。酸化イットリウムの添加量が３質量％より少ないと融液形成が不十分で相対密度が９５％未満となり緻密化が進行しない。酸化イットリウムの添加量が１０質量％を超えるとＹ2Ｓｉ2Ｏ7相が形成されず比較的低融点のＹ2ＳｉＯ5相が形成され、得られた焼結体の高温での機械的強度および耐酸化性が低下する。酸化珪素も酸化イットリウムも均質かつ高密度の焼結体を得るためには平均粒径が２μｍ以下の微粒子であることが好ましい。焼結助剤として用いるこれら原料粉末は比較的安価であり、水中での混合工程での変質せず安定なセラミックス粉末である。
【００２１】
焼結方法としては、窒素ガスを含む雰囲気にて、例えば無加圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法、ホットプレス焼結法、等の各種焼結法を用いることができ、さらにこれらの焼結法を複数組合せても良い。窒素ガスを含む雰囲気で焼結するのは、焼結中でのＳｉ3Ｎ4の分解を抑制するためである。Ｓｉ3Ｎ4は窒素ガス1気圧下では約１８５０℃以上で分解が生じるため、１８５０℃以上にて焼結を行う場合は、窒素ガス圧を焼結温度におけるＳｉ3Ｎ4の臨界分解圧力以上に設定するようにする。また、大型厚肉形状のバタフライ弁を製造する場合には、十分な緻密化を図るために、無加圧焼結後に、さらに窒素ガス雰囲気中での熱間静水圧プレス焼結を行うことがより好ましい。無加圧及び熱間静水圧プレス焼結条件としては、焼結温度が１７００〜２０００℃であることが望ましい。１７００℃未満では、緻密な焼結体が得られず、固溶体粒子近傍に残留応力を十分に発生させることが困難となり、高靭性の焼結体とすることができない。一方、２０００℃を越える高温では、β-Ｓｉ3Ｎ4結晶粒が粗大化し強度低下を起こし、高硬度と耐熱衝撃性が得られない。また、保持時間が８時間未満では成形体の肉厚にも依存するが緻密化が十分に進行しない。
【００２２】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
【００２３】
（実施例１〜３）
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末（α化率９７％以上、純度９９．７％、平均粒径０．３μｍ）に酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）粉末（ 平均粒径１．５μｍ）、酸化珪素（ＳｉＯ2）粉末（平均粒径０．３μｍ）を表１に示す所定量（質量％）添加し、分散媒として精製水またはアセトンを用い、炭化珪素セラミックスを内貼りしたボールミルで２４時間混練した。精製水またはアセトンの添加量は、セラミックス全粉末原料１００ｇに対し１２０ｇとした。
【００２４】
次いで、得られた混合粉末を成形後焼結した。成形条件としては冷間静水圧による加圧１５０ＭPaとし、１００ｍｍ角、高さ２２ｍｍの板状成形体を得た。焼結条件としては、窒素ガス流通中にて、表１中に示す各温度で４〜１６時間保持の無加圧焼結を行った。
【００２５】
得られた焼結体から、１５ｍｍ×２０ｍｍ×長さ８０ｍｍ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）に供した。
【００２６】
板状焼結体から該１５ｍｍ×２０ｍｍ×長さ８０ｍｍ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１０ｋｇにてビッカース硬さとして測定した。靭性については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、耐熱衝撃性としては、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。
【００２７】
得られた各焼結体のアルキメデス密度、機械的性質、並びに図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。
【００２８】
（１）回転側軸受けテスト材：超硬リング材φ９０ｍｍ×高さ６０ｍｍ
（２）固定側軸受けテスト材：セラミックス試験材１５ｍｍ×２０ｍｍ×長さ８０ｍｍを３本
（３）溶融アルミニウム温度：６８０℃
（４）押し当て力：３０〜５０Ｎ
（５）すべり速度：２〜３ｍ／秒
（６）摺り合わせ時間：浸漬後、１０時間
（７）テスト前の仕上げ面粗さ：Ｒmax.＝０．２μｍ（△△△△程度、JIS-B0031参照）
（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。
【００２９】
上記（１）〜（７）の条件にて摩耗量を求める方法として、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した。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中に示した。
【００３０】
（比較例４〜９）
比較例４〜５は実施例１〜３と同一原料を用い同じく精製水またはアセトンで調製したが、それぞれ降温時の焼結条件が不適で相対密度が９５％を下回った場合（比較例４）、焼結助剤（Ｙ2Ｏ3）の添加割合が不適で相対密度が９５％を下回った場合（比較例５）の各比較例である。
【００３１】
比較例６〜９は、一般市販のサイアロンを用いた場合（比較例６）、市販の安価な窒化珪素セラミックスを用いた場合（比較例７）、市販の比較的高価な窒化珪素セラミックスを用いた場合（比較例８）、公知の炭化珪素を用いた場合（比較例９）の各比較例である。これら比較例の材料も実施例１〜３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。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２に示すように、本発明の実施例によるものは、耐熱衝撃性(=ΔT/℃)が比較例のほぼ２倍と大きい上に、摩耗痕跡深さが固定側・回転側の何れも２５μｍ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５０μｍ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３０μｍ以下に比べ、比較例では６０μｍ以上と著しく大きいことが判明した。
【００３５】
表３に、各材料ごとの耐酸化試験(大気中、1200℃、保持100h)を行った際の重量増加ならびにアルミニウム浴中軸受け評価の試験条件（８）に基づいた耐久試験結果を示す。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
軸受けに繰り返し熱疲労を負荷した場合も、本発明によるものは表２の耐熱衝撃性、ならびに表３の耐酸化性が効果を発現し、繰返し３６０回使用可能であるのに対し、比較例の各材料では摩耗が進んでいない場合でも熱衝撃による大きな亀裂が発生し５〜２５回と１桁以上少ないという結果が得られた。加えて熱衝撃で破損が起こる前に、摺動摩耗によって高さの不均衡が生じた場合、摺動部の再研磨を行い高さを調節することも必要になり、その際のセラミックス加工費を加えたリサイクル性を考慮した総寿命による費用対効果まで考慮した結果でも、本発明の焼結体による軸受け材は比較例の軸受け材より極めて有利であることが確認された。高温のアルミニウム浴中での評価結果から、より低温の亜鉛浴中の耐熱衝撃性も満たすことが容易に想定されるため、本発明は、より広い溶融温度範囲の溶融金属めっき浴用部材への適用が可能と判断できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、連続溶融金属めっき装置における軸受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断面模式図
【図２】  埋め込み部材の長手方向断面図
【図３】  軸受け部の組み付け構造図
【図４】  本発明の実施例による軸受け損耗評価時の装置断面図
【符号の説明】
１：めっき処理ラインで通板中の鋼板
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：φ９０ｍｍ×高さ５０ｍｍ
６：固定側軸受けテスト材：１５ｍｍ×２０ｍｍ×長さ８０ｍｍ
７：溶融アルミニウム浴（６８０℃）
８：保護管付き熱電対
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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