セラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置
【課題】金属製軸の外周部に略円筒形状のセラミックス製ローラを配置した搬送用ローラの割損の問題を解消し、長期にわたって安定して使用できるセラミックス製ローラおよびこのセラミックス製ローラを用いたセラミックス製ローラ装置を提供する。
【解決手段】金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌを０．１５〜０．５とする。
【解決手段】金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌを０．１５〜０．５とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延ライン等において鋼板を搬送するために用いる搬送用ローラに関し、詳しくは金属製軸の外周に装着される略円筒状のセラミックス製ローラおよびセラミックスローラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種鉄鋼製品の材料となる鋼板や線材を製造する熱間圧延ラインに搬送用ローラが用いられてきた。この搬送用ローラは、１０００℃以上の高温にまで加熱された鋼板や線材を、次工程や製品加工ライン及び保管場所へ搬送するためのものである。
【０００３】
この熱間圧延ラインに用いられる搬送用ローラなどには、これまで金属製ローラが多く使われていた。しかしながら、金属製ローラは摩耗しやすく、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ラ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ラに替わり高い耐磨耗性と耐熱性とを兼ね備えたセラミックス製搬送用ローラが種々提案されている。しかしながら全体をセラミックス製とした搬送用ローラは、寿命の観点では望ましいが、機械的な衝撃が加わると信頼性の面で不利であり、また、高価であるという欠点もある。このため搬送する鋼板や線材と接触する外周部分を略円筒形状のセラミックス製とし、他の部分を金属製とした複合構造の搬送用ローラが検討されるようになった。このような搬送用ローラとすれば、鋼板や線材が接触するローラの外周部のみをセラミックス製としているため、製造コストを低く抑えることができ、また複雑な形状や大型の搬送ローラであっても、セラミックス部分は略円筒形状となるため、容易に製造することができる。
【０００４】
しかしながら、上記したような金属製軸の外周部に略円筒形状のセラミックス製ローラを配置した搬送用ローラの場合、運転時に応力が集中する金属製軸とセラミックス製ローラの接触端部にクラックが発生し易く、さらにこのクラックを起点として比較的短寿命でセラミックス製ローラが割損に至るという問題があった。
【０００５】
このような問題を解消するため特許文献１には、軸受穴を有するセラミックローラと該軸受穴に隙間ばめにより取り付けられた金属シャフトとからなるセラミック製回転治具であって、軸受穴と金属シャフトとは、軸受穴の内径ストレート部において隙間ばめにより接触し、その接触端部から外側の部位において軸受穴と金属シャフトとの離間距離がなめらかに増大することを特徴とするセラミック製回転治具が開示され、クラックの発生及びそれに起因する割損等を起こすことなく長期にわたって安定して使用できることが記載されている。このセラミックス製回転治具の一例を図１に示す。この従来技術のセラミックス製回転治具では、前記軸受穴と金属シャフトとは、軸受穴の内径ストレート部においてクリアランスδ、接触長さＬにて接触し、その接触端部から外側の長さｌの部位において軸受穴と金属シャフトとの離間距離がなめらかに増大する形状であって、前記長さｌは前記クリアランスδ及び接触長さＬにより規定され、次式０．０００６≦ｌ・δ／Ｌ≦０．００６を満たすことにより、大幅に寿命が向上することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１３２３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のセラミックス製回転治具を採用したとしても、十分な改善効果を得ることはできず、セラミックス製ローラと金属軸の接触端部を起点としてクラックが発生し、比較的短寿命でローラが割損に至るという問題が依然として発生していた。 特にこの現象はセラミックス製ローラの外径が１５０ｍｍ以上であり、かつ外径に対する肉厚（（外径―内径）／２）の割合が０．２以下である大口径薄肉のセラミックス製ローラの場合は、内径部に発生する応力が大きくなることから、内径部を起点としてセラミックス製ローラが割損しやすいという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明は上記従来技術の問題を解消し、セラミックス製ローラと金属製軸の接触部分を起点としたクラックが発生しにくく、それに起因する割損などがなく、長期にわたって安定して使用できるセラミックス製ローラおよびこのセラミックス製ローラを用いたセラミックス製ローラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題に対応すべく鋭意検討した結果、セラミックス製ローラと金属製軸の接触部分を起点としたクラックが発生する原因は、セラミックス製ローラと金属軸とが接触面で摩擦するため、セラミックス製ローラに比較して硬度が劣る金属製の軸表面が摩耗しやすく、この金属製軸の摩耗粉がセラミック製ローラと金属シャフトの接触部分に停滞してセラミックス製ローラの内径部に過大な荷重が集中するためであることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明は、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であることを特徴とするセラミックス製ローラを提供するものである。
【００１１】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けることが好ましい。
【００１２】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。
【００１３】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、外径Ｄが１５０ｍｍ以上であり、外径Ｄ１に対する肉厚Ｔ（（外径Ｄ１―内径Ｄ２）／２）の割合が０．２以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌの比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことが好ましい。
【００１５】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、セラミックスが窒化ケイ素を主結晶とするセラミックスであることが好ましい。
【００１６】
本発明は、前記セラミックス製ローラと金属製軸とからなり、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該内径Ｄ２と金属軸の外径ｄとのクリアランスδ１との比δ1／Ｄ２が０．０００１〜０．０１であることを特徴とするセラミックス製ローラ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のセラミックス製ローラは、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が、該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し且つ傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５となるよう、傾斜部の長さＬ１を大きくしているため、セラミックス製ローラと金属軸との接触面での摩擦により発生する金属製軸の摩耗粉がセラミック製ローラと金属シャフトの接触部分に停滞することなく排出させることができる。このため、この摩耗粉を原因とした、セラミックス製ローラ内径部への過大な荷重が集中することを防止し、セラミックス製ローラにクラックが発生して早期に割損に至ることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術のセラミックス製ローラを示す図面。
【図２】本発明のセラミックス製ローラの一例を示す断面図（ａ）および腰部拡大断面図（ｂ）。
【図３】本発明のセラミックス製ローラ装置の一例を示す断面図。
【図４】本発明のセラミックス製ローラの一例を示す断面図（ａ）および腰部拡大断面図（ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識にも基づいて、以下の実施形態に対して、適宜変更、改良が加えられたものも本発明の範囲内に入る。
【００２０】
図２は、本発明のセラミックス製ローラ１の一実施形態を示す模式的な断面図（ａ）、および要部の拡大断面図（ｂ）である。セラミックス製ローラ１は、略円筒形状であり、セラミックス製ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部４を有しており、傾斜部４の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５としている。図３は、本発明のセラミックス製ローラ装置２の一実施形態を示す模式的な断面図であり、本発明のセラミックス製ローラ１が金属製軸３の外周部に隙間ばめで配置されている。
【００２１】
本発明のセラミックス製ローラは、傾斜部４の長さＬ１を大きな範囲としていることから、セラミックス製ローラ１と金属軸３との接触面での摩擦により金属製軸の摩耗粉が発生したとしても、全長に対する割合の大きな傾斜部４により、摩耗粉をセラミックス製ローラの内径部と金属軸３の間に停滞させることなく、排出させることができるため、摩耗粉が原因となって発生するクラックを防止し、セラミックス製ローラが、早期に割損にいたることを防ぐことができる。
【００２２】
このような効果を得るためには、傾斜部４の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌは０．１５〜０．５であることが必要である。Ｌ１／Ｌが、０．１５未満であると、内径ストレート部６の長さが相対的に長くなるため、ストレート部６により、摩耗粉の移動が制限されセラミックス製ローラが早期に割損しやすくなる。このためＬ１／Ｌは大きい方がその効果は大きく、好ましくは０．１８以上であり、更に好ましくは０．２以上である。
【００２３】
一方、Ｌ１／Ｌは、傾斜部が概略対称に形成されるため０．５が上限となる。Ｌ１／Ｌは、０．４５以下が好ましい。Ｌ１／Ｌが０．４５を超える場合は、内径のストレート部の長さが相対的に短くなるため、内径部と金属軸の接触面圧が上がり、金属軸の摩耗粉が発生し易くなるため、傾斜部４を設けていたとしても割損に至る場合もあるからである。 またＬ１／Ｌを０．４５以下とすることにより、内径のストレート部６が形成されているため、搬送用ローラとして使用した場合にセラミックス製ローラが傾いて、例えば圧延時のパスラインが変動することを防ぐ効果もあり、製品品質が安定するためである。このため、Ｌ１／Ｌは、より好ましくは０．４以下、更に好ましくは０．３５以下である。
【００２４】
また、本発明のセラミックス製ローラにおいて、傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けることが好ましい。傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けることにより、前記したように摩耗粉をセラミックス製ローラと金属軸の間に停滞させることなく、金属製固定部２１とセラミックス製ローラ端面５の間から排出し易くさせる効果があるのと共に、軸方向の機械的衝撃によりセラミックス製ローラの割損を防ぐことができる。 同様の観点からＲ１部の半径は３ｍｍ以上が好ましく、５ｍｍ以上がより好ましい。
【００２５】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部４の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。傾斜部の勾配は図２に示すように、セラミックス製ローラの内径拡大寸法ｅ１を傾斜部の長さＬ１で除したものである。 傾斜部の勾配が０．０１未満であると摩耗粉の移動が容易に行われなくなることもあり、セラミックス製ローラが比較的短寿命で割損する場合もあるからである。 一方傾斜部の勾配が０．２を超えると傾斜部の傾きが大きくなるため、セラミックス製ローラの端部の肉厚が薄くなって、衝撃荷重により端部が破損することもあるからである。 傾斜部４の傾きは０．０５〜０．１５がより好ましく、０．０７〜０．１０が更に好ましい。
【００２６】
傾斜部４は、ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる形態であれば、如何なる形態でも良いが、セラミックス製ローラの軸方向断面図において直線状に大きくなる形態や円弧状に大きくなる形態などが適切である。また、内径ストレート部６と傾斜部４の間にＲ部を設けても良い。また、傾斜部４はローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなるように、２段以上の複数段で形成されてもよい。
【００２７】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、内径部及び傾斜部の表面粗さはＲｙで６．３μｍ以下であれば、問題なく使用できる。 精度、加工コスト、強度等に与える影響を考慮すると、Ｒｙは０．８〜３．２μｍとするのが、最も好ましい。
【００２８】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、外径Ｄ１が１５０ｍｍ以上であり、外径Ｄに対する肉厚Ｔ（（外径Ｄ１―内径Ｄ２）／２）の比Ｔ／Ｄ１が０．２以下であることが好ましい。このような構成のセラミックス製ローラの場合は、外径Ｄ１に対して肉厚Ｔが小さいため、内径部に発生する応力が大きくなるが、前記したように内径部に傾斜部を設けていることから、本発明の効果である内径部を起点としたセラミックス製ローラの早期割損を防ぐ効果が顕著に現れる。
【００２９】
図４は、本発明のセラミックス製ローラおよびセラミックス製ローラ装置の別の一実施形態を示す模式的な図である。 図４に示すセラミックス製ローラ１１は、略円筒形状であり、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置されている。 そしてセラミックス製ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であり、傾斜部とセラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けている。 更に前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部１６と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部１４を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ２部を設けている。
【００３０】
本発明のセラミックス製ローラを熱間圧延ライン等の搬送ローラとして用いるの場合、ラインを高速で走る鋼材や線材などがセラミックス製ローラの外周面に衝突し、大きな衝撃が発生する。セラミックス製ローラの場合、外周部のセラミックスは破壊靱性が低い硬脆材料である為衝突によりクラックが発生し、割損に至ることもある。 従って、前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設ける構成とすることにより、鋼材や線材による衝突時の衝撃を緩和できクラックの早期発生をより防止することが可能となる。 またストレート部によりパスラインの変動が無く、製品品質への影響は回避できる効果もある。
【００３１】
また、外周部の傾斜部とセラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ２部を設けることにより、軸方向の機械的衝撃によりセラミックス製ローラ１１の割損を防ぐことも可能となる。 同様の観点からＲ部の半径は３ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上が更により好ましい。
【００３２】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記外径部に形成された傾斜部１４の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。傾斜部１４の勾配は図４に示すように、セラミックス製ローラの外径拡小寸法ｅ２を傾斜部の長さＬ２で除したものである。 傾斜部の勾配が０．０１〜０．２とするのは、鋼材や線材による衝突時の衝撃を緩和できクラックの発生を確実に防止することが可能とし、パスラインの変動が無く、製品品質への影響は回避できるためである。 傾斜部１４は、外径が滑らかに小さくなる形態であれば、如何なる形態でも良いが、セラミックス製ローラの軸方向断面図において直線状に小さくなる形態や円弧状に小さくなる形態などが適切である。
【００３３】
本発明のセラミックス製ローラは内径部に傾斜部を形成していることから、金属軸の摩耗粉を原因とした割損を防いでいるため、搬送用ローラとして使用に耐えうる耐摩耗性を有する硬質、高強度のセラミックス、例えば、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素、ジルコニアなどの少なくとも１種を含有するセラミックスであれば、使用可能であるが、中でも窒化珪素を主結晶とし、焼結助剤にＭｇＯ及び希土類酸化物を用いたセラミックスは、耐熱衝撃性を有する観点から好ましい。 窒化珪素を主結晶とするセラミックスにおいて、２〜５質量％MgO、２〜５質量％希土類酸化物の焼結助剤を用いることにより、Ｍｇ、希土類を含む粒界相が形成され、窒化珪素結晶が直線距離１０μｍ中に２０個以下含まれ、その結果、常温における曲げ強度７００ＭＰａ以上、室温から８００℃の熱膨張係数は２．５〜４．０×１０−６／℃、ヤング率は２５０〜３５０ＧＰａ、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の材料特性を有するセラミックスが得られる。このため、１０００℃以上の高温にまで加熱されて圧延された直後の鋼板や線材が直接触れた際の熱衝撃に対して十分耐えうることができる。希土類酸化物としてはＹ２Ｏ３が、曲げ強度を７００ＭＰａ以上にする観点から好ましい。
【００３４】
図３に示すセラミックス製ローラ装置２は、略円筒形状であり、内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部４とを有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であり、傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けているセラミックス製ローラを金属製軸３の外周部に隙間ばめで配置している。 本発明のセラミックス製ローラ装置は、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該Ｄ２と金属軸の外径ｄとのクリアランスδ１（＝Ｄ２−ｄ）との比δ１／Ｄ２が０．０００１〜０．０１であることを特徴とする。ここでクリアランスδ１は室温におけるクリアランスを言う。
【００３５】
本発明のセラミックス製ローラ装置においてδ１／Ｄ２を０．０００１〜０．０１にしたのは、δ１／Ｄ２が０．０００１未満であると、クリアランスδ１が小さくなって、発生した摩耗粉の移動が容易に行われなくなるため、セラミックス製ローラが比較的短寿命で割損するからであり、更に搬送用ローラとして使用した際に温度上昇が発生すると、金属製軸とセラミックス製ローラの熱膨張係数差によりセラミックス製ローラの内面に引張り応力が発生して破損するからである。一方、δ1／Ｄ２が０．０１を超えると、クリアアランスδ１が大きくなって、搬送用ローラとして使用した際の、振動が大きくなり、製品の品質に悪影響を及ぼすからである。
【００３６】
なお、δ１／Ｄ２は、上記観点から０．００２〜０．００７が好ましい。更に
金属製軸とセラミックス製ローラの熱膨張係数差による破損を防止しやすくするため、金属軸の内部に冷却機構を設け、冷却媒体により冷却することが好ましい。
【００３７】
本発明のセラミックス製ローラ装置２において、前記セラミックス製ローラ１の軸方向両端部に、前記セラミックス製ローラの軸方向の移動を抑制するための、金属製軸３の外周に固定された金属製固定部２１が配置される。セラミックス製ローラと金属製軸間には、前述したように熱膨張係数差が存在するため、セラミックス製ローラ装置の使用時間が増えるに従い、セラミックス製ローラ端部５と金属製固定部の間には軸方向のクリアランスが発生する。このクリアランスを利用して、セラミックス製ローラ１と金属製軸３との接触面で発生した摩耗粉が、セラミックス製ローラ装置２の外部に排出される。このため、摩耗粉を原因としたセラミックス製ローラの早期の割損を防止することができる。
【００３８】
もちろん、セラミックス製ローラ１と金属製固定部の間に予め軸方向のクリアランスδ２が存在していても良く、δ２とセラミックス製ローラの全長Ｌとの比δ2／Ｌ２が０．００１〜０．１であることが、摩耗粉をより排出させる観点からは好ましい。更に好ましくは０．０１〜０．０５である。
【００３９】
以上、本発明を実施するための最良の形態について図２〜図４を用いて説明したが、搬送用ローラが搬送する鋼板や線材の寸法が大きい場合は、セラミックッス製ローラを複数配置することも可能である。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
主原料として平均粒径が１．０μｍのＳｉ３ Ｎ４ 粉末９４重量％に対し、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を３重量％と、ＭｇＯ
を３重量％それぞれ添加し、さらに有機バインダーを３重量％と溶媒を添加してボールミルを用いて湿式で混合粉砕した後、スプレードライヤーで造粒し、中心粒径が８０μｍの造粒粉を作成した。得られた造粒粉をゴム型に充填し、成形圧１０００気圧で湿式ラバープレスを行い、成形体を得た。 得られた成形体をＮＣ旋盤に取り付け所定の寸法の略円筒形状の成形体に加工した後、大気加熱処理により脱脂し、窒素ガス雰囲気中１８００℃５時間の条件で焼結した。 得られた焼結体の両端面を、平面研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工した後、外周部を、円筒研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工し、続いて内径部を、内面研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工して、外径Ｄ１＝３５０ｍｍ、内径Ｄ２＝２９７ｍｍ、全長Ｌ＝２００ｍｍであり、図４に示すように、内径部に長さＬ１＝３０ｍｍ、傾きｅ１／Ｌ１＝０．０８３を持った傾斜部を有し、傾斜部と端面の交差部に半径８ｍｍのＲ部を設け、かつ外径部に長さＬ２＝５０ｍｍ、傾きｅ２／Ｌ２＝０．０８３を持った傾斜部を有し、傾斜部と端面の交差部に半径１０ｍｍのＲ部を有する窒化ケイ素質セラミックスを主結晶とするセラミックス製ローラを２個作成した。 なお内径部の傾斜部は直線状に形成した。 ここで、セラミックス製ローラの内周部の表面粗さは、Ｒｙで３．２μｍ以下となるよう、#６００のダイヤモンド砥石で仕上げた。
【００４１】
このうちの１個から直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率測定用試験片、厚さ３ｍｍ×幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍの曲げ強度測定用試験片、および５ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍの熱膨張測定用試験片を採取した。 熱伝導率はレーザーフラッシュ法により室温で測定した。 曲げ強度は室温でＪＩＳ Ｒ１６０６に準拠して４点曲げで測定した。また熱膨張係数は４０℃〜８００℃の間の平均熱膨張係数を測定した。また、曲げ強度試験片の残材の一部から、鏡面研磨によりミクロ組織観察用試験片を準備し、窒化珪素結晶の直線距離１０μｍあたりに存在する窒化珪素結晶の数を算出した。窒化珪素結晶の数は、ＳＥＭを用いて、任意断面における窒化珪素結晶を認識できる倍率で写真を撮影し、写真上に直線を描き直線が横切る結晶の数を計測した。
【００４２】
もう一方のセラミックス製ローラを、外径ｄ＝２９６ｍｍの金属製軸に装着した後、その両端部に、金属製固定部２１を金属製軸に溶接で固定し、セラミックス製ローラ装置とした。 このときの、セラミックス製ローラの内径Ｄ２と金属製軸外径とのクリアランスδ1はＤ２−ｄ＝２９７ｍｍ−２９６ｍｍ＝１ｍｍとしたため、δ1／Ｄ２は１ｍｍ／２９７ｍｍ＝０．００３である。また、セラミックス製ローラ１と金属製固定部の間のクリアランスδ２は、４．５ｍｍｓとしたためδ2／Ｌ２は、４．５ｍｍ／２００ｍｍ＝０．０２３である。
【００４３】
（実施例２〜６）
実施例１のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部の長さＬ１を４０〜１００ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例２〜６のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ実施例２〜６のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４４】
（実施例７〜１０）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径Ｄ２を２９６．８ｍｍ、傾斜部の傾きを０．００８〜０．１、傾斜部と端面の交差部に半径６ｍｍのＲ部を設けた以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例７〜１０のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、表２に示すように軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとして、実施例７〜１０のセラミックス製ローラ装置を作製した。
【００４５】
（実施例１１〜１３）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径Ｄ２を２９７．２ｍｍ、傾斜部の傾きを０．１４〜０．２２、傾斜部と端面の交差部に半径６ｍｍのＲ部を設けた以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１１〜１３のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、表２に示すように軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとして実施例７〜１０のセラミックス製ローラ装置を作製した。
【００４６】
（実施例１４）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように外径部の傾斜部を形成しなかった以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１４のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、実施例１４のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４７】
（実施例１５及び１６）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように外径、内径、全長を変更した以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１５及び１６のセラミックス製ローラとした。更に表２に示すように、実施例１５の場合は外径１９９ｍｍの金属製軸に軸方向のクリアランスδ２を１ｍｍとして、実施例１６の場合は外径２９６ｍｍの金属製軸軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとしてとりつけ、実施例１５及び実施例１６のセラミックス製ローラ装置とした。
（実施例１７）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部と端面のＲ部の半径を０．５ｍｍに変更した以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１７のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、実施例１７のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４８】
（比較例１〜３）
実施例１のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部の長さＬ１を１０〜２５ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、比較例１〜３のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ、比較例１〜３のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４９】
（比較例４）
実施例１のセラミックス製ローラに対し、内径部に傾斜部を設けないこと以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、比較例１〜３のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ、比較例４のセラミックス製ローラ装置とした。
【００５０】
実施例１で作成した試験片を用いて、熱伝導率、曲げ強度、熱膨張測定、直線距離１０μｍあたりに存在する窒化珪素結晶の数を測定した結果を表３に示す。
【００５１】
実施例１〜１７および比較例１〜４のセラミックス製ローラ装置を、ＳＣＭ径平鋼の熱間仕上げラインの搬送用ローラとして取り付け、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍ、温度が約１０００℃である鋼材を連続的に繰り返し搬送する試験を行った。そして一定回数使用後のセラミックス製ローラを目視にて観察し、割損の有無を確認した。試験結果を表２に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
実施例１〜１７のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５となっているため、比較例１〜４のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラに比較して、割損に至るまでの寿命が長く、早期割損しにくいことがわかる。中でも、Ｌ１／Ｌが好ましい範囲である０．２〜０．４、傾斜部の傾きがより好ましい範囲内である０．０５〜０．１５である実施例２〜４、実施例９〜１１、実施例１５及び１６のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、１０×１０４回の搬送使用後においてもセラミックス製ローラの割損が認められず、問題のないことを確認した。外径部に傾斜部を設けなかった実施例１４および、傾斜部と端面の交差部のＲを０．５ｍｍとした実施例１７のセラミックスローラは、Ｌ１／Ｌを好ましい範囲である０．２〜０．４、傾斜部の傾きをより好ましい範囲内である０．０５〜０．１５としているため、実用上問題ない寿命を示したが、実施例２〜４、実施例９〜１１、実施例１５及び１６に比較して寿命は短かった。
【００５６】
比較例１〜３のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は内径部における傾斜部の長さＬ１が短くＬ１／Ｌが０．１５未満であったため、割損に至るまでの使用回数が短かった。
【００５７】
また、比較例４のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は内径部における傾斜部が形成されていなかったため、割損に至るまでの使用回数が最も短かった。
【００５８】
本発明は前記実施例になんら限定されるものでなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々形態で実施できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、熱間圧延ライン等において鋼板を搬送するための搬送用ローラ及び搬送装置として用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１：セラミックス製ローラ
２：セラミックス製ローラ装置
３：金属製軸
４：内径の傾斜部
５：端面
６：内径ストレート部
１１：セラミックス製ローラ
１４：外径の傾斜部
１６：外径のストレート部
Ｒ１：内径部と端面の交差部に形成されたＲ
Ｒ２：外径部と端面の交差部に形成されたＲ
２１：金属製固定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延ライン等において鋼板を搬送するために用いる搬送用ローラに関し、詳しくは金属製軸の外周に装着される略円筒状のセラミックス製ローラおよびセラミックスローラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種鉄鋼製品の材料となる鋼板や線材を製造する熱間圧延ラインに搬送用ローラが用いられてきた。この搬送用ローラは、１０００℃以上の高温にまで加熱された鋼板や線材を、次工程や製品加工ライン及び保管場所へ搬送するためのものである。
【０００３】
この熱間圧延ラインに用いられる搬送用ローラなどには、これまで金属製ローラが多く使われていた。しかしながら、金属製ローラは摩耗しやすく、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ラ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ラに替わり高い耐磨耗性と耐熱性とを兼ね備えたセラミックス製搬送用ローラが種々提案されている。しかしながら全体をセラミックス製とした搬送用ローラは、寿命の観点では望ましいが、機械的な衝撃が加わると信頼性の面で不利であり、また、高価であるという欠点もある。このため搬送する鋼板や線材と接触する外周部分を略円筒形状のセラミックス製とし、他の部分を金属製とした複合構造の搬送用ローラが検討されるようになった。このような搬送用ローラとすれば、鋼板や線材が接触するローラの外周部のみをセラミックス製としているため、製造コストを低く抑えることができ、また複雑な形状や大型の搬送ローラであっても、セラミックス部分は略円筒形状となるため、容易に製造することができる。
【０００４】
しかしながら、上記したような金属製軸の外周部に略円筒形状のセラミックス製ローラを配置した搬送用ローラの場合、運転時に応力が集中する金属製軸とセラミックス製ローラの接触端部にクラックが発生し易く、さらにこのクラックを起点として比較的短寿命でセラミックス製ローラが割損に至るという問題があった。
【０００５】
このような問題を解消するため特許文献１には、軸受穴を有するセラミックローラと該軸受穴に隙間ばめにより取り付けられた金属シャフトとからなるセラミック製回転治具であって、軸受穴と金属シャフトとは、軸受穴の内径ストレート部において隙間ばめにより接触し、その接触端部から外側の部位において軸受穴と金属シャフトとの離間距離がなめらかに増大することを特徴とするセラミック製回転治具が開示され、クラックの発生及びそれに起因する割損等を起こすことなく長期にわたって安定して使用できることが記載されている。このセラミックス製回転治具の一例を図１に示す。この従来技術のセラミックス製回転治具では、前記軸受穴と金属シャフトとは、軸受穴の内径ストレート部においてクリアランスδ、接触長さＬにて接触し、その接触端部から外側の長さｌの部位において軸受穴と金属シャフトとの離間距離がなめらかに増大する形状であって、前記長さｌは前記クリアランスδ及び接触長さＬにより規定され、次式０．０００６≦ｌ・δ／Ｌ≦０．００６を満たすことにより、大幅に寿命が向上することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１３２３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のセラミックス製回転治具を採用したとしても、十分な改善効果を得ることはできず、セラミックス製ローラと金属軸の接触端部を起点としてクラックが発生し、比較的短寿命でローラが割損に至るという問題が依然として発生していた。 特にこの現象はセラミックス製ローラの外径が１５０ｍｍ以上であり、かつ外径に対する肉厚（（外径―内径）／２）の割合が０．２以下である大口径薄肉のセラミックス製ローラの場合は、内径部に発生する応力が大きくなることから、内径部を起点としてセラミックス製ローラが割損しやすいという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明は上記従来技術の問題を解消し、セラミックス製ローラと金属製軸の接触部分を起点としたクラックが発生しにくく、それに起因する割損などがなく、長期にわたって安定して使用できるセラミックス製ローラおよびこのセラミックス製ローラを用いたセラミックス製ローラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題に対応すべく鋭意検討した結果、セラミックス製ローラと金属製軸の接触部分を起点としたクラックが発生する原因は、セラミックス製ローラと金属軸とが接触面で摩擦するため、セラミックス製ローラに比較して硬度が劣る金属製の軸表面が摩耗しやすく、この金属製軸の摩耗粉がセラミック製ローラと金属シャフトの接触部分に停滞してセラミックス製ローラの内径部に過大な荷重が集中するためであることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明は、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であることを特徴とするセラミックス製ローラを提供するものである。
【００１１】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けることが好ましい。
【００１２】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。
【００１３】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、外径Ｄが１５０ｍｍ以上であり、外径Ｄ１に対する肉厚Ｔ（（外径Ｄ１―内径Ｄ２）／２）の割合が０．２以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌの比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことが好ましい。
【００１５】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、セラミックスが窒化ケイ素を主結晶とするセラミックスであることが好ましい。
【００１６】
本発明は、前記セラミックス製ローラと金属製軸とからなり、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該内径Ｄ２と金属軸の外径ｄとのクリアランスδ１との比δ1／Ｄ２が０．０００１〜０．０１であることを特徴とするセラミックス製ローラ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のセラミックス製ローラは、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が、該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し且つ傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５となるよう、傾斜部の長さＬ１を大きくしているため、セラミックス製ローラと金属軸との接触面での摩擦により発生する金属製軸の摩耗粉がセラミック製ローラと金属シャフトの接触部分に停滞することなく排出させることができる。このため、この摩耗粉を原因とした、セラミックス製ローラ内径部への過大な荷重が集中することを防止し、セラミックス製ローラにクラックが発生して早期に割損に至ることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術のセラミックス製ローラを示す図面。
【図２】本発明のセラミックス製ローラの一例を示す断面図（ａ）および腰部拡大断面図（ｂ）。
【図３】本発明のセラミックス製ローラ装置の一例を示す断面図。
【図４】本発明のセラミックス製ローラの一例を示す断面図（ａ）および腰部拡大断面図（ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識にも基づいて、以下の実施形態に対して、適宜変更、改良が加えられたものも本発明の範囲内に入る。
【００２０】
図２は、本発明のセラミックス製ローラ１の一実施形態を示す模式的な断面図（ａ）、および要部の拡大断面図（ｂ）である。セラミックス製ローラ１は、略円筒形状であり、セラミックス製ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部４を有しており、傾斜部４の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５としている。図３は、本発明のセラミックス製ローラ装置２の一実施形態を示す模式的な断面図であり、本発明のセラミックス製ローラ１が金属製軸３の外周部に隙間ばめで配置されている。
【００２１】
本発明のセラミックス製ローラは、傾斜部４の長さＬ１を大きな範囲としていることから、セラミックス製ローラ１と金属軸３との接触面での摩擦により金属製軸の摩耗粉が発生したとしても、全長に対する割合の大きな傾斜部４により、摩耗粉をセラミックス製ローラの内径部と金属軸３の間に停滞させることなく、排出させることができるため、摩耗粉が原因となって発生するクラックを防止し、セラミックス製ローラが、早期に割損にいたることを防ぐことができる。
【００２２】
このような効果を得るためには、傾斜部４の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌは０．１５〜０．５であることが必要である。Ｌ１／Ｌが、０．１５未満であると、内径ストレート部６の長さが相対的に長くなるため、ストレート部６により、摩耗粉の移動が制限されセラミックス製ローラが早期に割損しやすくなる。このためＬ１／Ｌは大きい方がその効果は大きく、好ましくは０．１８以上であり、更に好ましくは０．２以上である。
【００２３】
一方、Ｌ１／Ｌは、傾斜部が概略対称に形成されるため０．５が上限となる。Ｌ１／Ｌは、０．４５以下が好ましい。Ｌ１／Ｌが０．４５を超える場合は、内径のストレート部の長さが相対的に短くなるため、内径部と金属軸の接触面圧が上がり、金属軸の摩耗粉が発生し易くなるため、傾斜部４を設けていたとしても割損に至る場合もあるからである。 またＬ１／Ｌを０．４５以下とすることにより、内径のストレート部６が形成されているため、搬送用ローラとして使用した場合にセラミックス製ローラが傾いて、例えば圧延時のパスラインが変動することを防ぐ効果もあり、製品品質が安定するためである。このため、Ｌ１／Ｌは、より好ましくは０．４以下、更に好ましくは０．３５以下である。
【００２４】
また、本発明のセラミックス製ローラにおいて、傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けることが好ましい。傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けることにより、前記したように摩耗粉をセラミックス製ローラと金属軸の間に停滞させることなく、金属製固定部２１とセラミックス製ローラ端面５の間から排出し易くさせる効果があるのと共に、軸方向の機械的衝撃によりセラミックス製ローラの割損を防ぐことができる。 同様の観点からＲ１部の半径は３ｍｍ以上が好ましく、５ｍｍ以上がより好ましい。
【００２５】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記傾斜部４の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。傾斜部の勾配は図２に示すように、セラミックス製ローラの内径拡大寸法ｅ１を傾斜部の長さＬ１で除したものである。 傾斜部の勾配が０．０１未満であると摩耗粉の移動が容易に行われなくなることもあり、セラミックス製ローラが比較的短寿命で割損する場合もあるからである。 一方傾斜部の勾配が０．２を超えると傾斜部の傾きが大きくなるため、セラミックス製ローラの端部の肉厚が薄くなって、衝撃荷重により端部が破損することもあるからである。 傾斜部４の傾きは０．０５〜０．１５がより好ましく、０．０７〜０．１０が更に好ましい。
【００２６】
傾斜部４は、ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる形態であれば、如何なる形態でも良いが、セラミックス製ローラの軸方向断面図において直線状に大きくなる形態や円弧状に大きくなる形態などが適切である。また、内径ストレート部６と傾斜部４の間にＲ部を設けても良い。また、傾斜部４はローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなるように、２段以上の複数段で形成されてもよい。
【００２７】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、内径部及び傾斜部の表面粗さはＲｙで６．３μｍ以下であれば、問題なく使用できる。 精度、加工コスト、強度等に与える影響を考慮すると、Ｒｙは０．８〜３．２μｍとするのが、最も好ましい。
【００２８】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、外径Ｄ１が１５０ｍｍ以上であり、外径Ｄに対する肉厚Ｔ（（外径Ｄ１―内径Ｄ２）／２）の比Ｔ／Ｄ１が０．２以下であることが好ましい。このような構成のセラミックス製ローラの場合は、外径Ｄ１に対して肉厚Ｔが小さいため、内径部に発生する応力が大きくなるが、前記したように内径部に傾斜部を設けていることから、本発明の効果である内径部を起点としたセラミックス製ローラの早期割損を防ぐ効果が顕著に現れる。
【００２９】
図４は、本発明のセラミックス製ローラおよびセラミックス製ローラ装置の別の一実施形態を示す模式的な図である。 図４に示すセラミックス製ローラ１１は、略円筒形状であり、金属製軸の外周部に隙間ばめで配置されている。 そしてセラミックス製ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であり、傾斜部とセラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けている。 更に前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部１６と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部１４を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ２部を設けている。
【００３０】
本発明のセラミックス製ローラを熱間圧延ライン等の搬送ローラとして用いるの場合、ラインを高速で走る鋼材や線材などがセラミックス製ローラの外周面に衝突し、大きな衝撃が発生する。セラミックス製ローラの場合、外周部のセラミックスは破壊靱性が低い硬脆材料である為衝突によりクラックが発生し、割損に至ることもある。 従って、前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設ける構成とすることにより、鋼材や線材による衝突時の衝撃を緩和できクラックの早期発生をより防止することが可能となる。 またストレート部によりパスラインの変動が無く、製品品質への影響は回避できる効果もある。
【００３１】
また、外周部の傾斜部とセラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ２部を設けることにより、軸方向の機械的衝撃によりセラミックス製ローラ１１の割損を防ぐことも可能となる。 同様の観点からＲ部の半径は３ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上が更により好ましい。
【００３２】
本発明のセラミックス製ローラにおいて、前記外径部に形成された傾斜部１４の勾配が０．０１〜０．２であることが好ましい。傾斜部１４の勾配は図４に示すように、セラミックス製ローラの外径拡小寸法ｅ２を傾斜部の長さＬ２で除したものである。 傾斜部の勾配が０．０１〜０．２とするのは、鋼材や線材による衝突時の衝撃を緩和できクラックの発生を確実に防止することが可能とし、パスラインの変動が無く、製品品質への影響は回避できるためである。 傾斜部１４は、外径が滑らかに小さくなる形態であれば、如何なる形態でも良いが、セラミックス製ローラの軸方向断面図において直線状に小さくなる形態や円弧状に小さくなる形態などが適切である。
【００３３】
本発明のセラミックス製ローラは内径部に傾斜部を形成していることから、金属軸の摩耗粉を原因とした割損を防いでいるため、搬送用ローラとして使用に耐えうる耐摩耗性を有する硬質、高強度のセラミックス、例えば、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素、ジルコニアなどの少なくとも１種を含有するセラミックスであれば、使用可能であるが、中でも窒化珪素を主結晶とし、焼結助剤にＭｇＯ及び希土類酸化物を用いたセラミックスは、耐熱衝撃性を有する観点から好ましい。 窒化珪素を主結晶とするセラミックスにおいて、２〜５質量％MgO、２〜５質量％希土類酸化物の焼結助剤を用いることにより、Ｍｇ、希土類を含む粒界相が形成され、窒化珪素結晶が直線距離１０μｍ中に２０個以下含まれ、その結果、常温における曲げ強度７００ＭＰａ以上、室温から８００℃の熱膨張係数は２．５〜４．０×１０−６／℃、ヤング率は２５０〜３５０ＧＰａ、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の材料特性を有するセラミックスが得られる。このため、１０００℃以上の高温にまで加熱されて圧延された直後の鋼板や線材が直接触れた際の熱衝撃に対して十分耐えうることができる。希土類酸化物としてはＹ２Ｏ３が、曲げ強度を７００ＭＰａ以上にする観点から好ましい。
【００３４】
図３に示すセラミックス製ローラ装置２は、略円筒形状であり、内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部４とを有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であり、傾斜部４とセラミックス製ローラ端面５の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ１部を設けているセラミックス製ローラを金属製軸３の外周部に隙間ばめで配置している。 本発明のセラミックス製ローラ装置は、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該Ｄ２と金属軸の外径ｄとのクリアランスδ１（＝Ｄ２−ｄ）との比δ１／Ｄ２が０．０００１〜０．０１であることを特徴とする。ここでクリアランスδ１は室温におけるクリアランスを言う。
【００３５】
本発明のセラミックス製ローラ装置においてδ１／Ｄ２を０．０００１〜０．０１にしたのは、δ１／Ｄ２が０．０００１未満であると、クリアランスδ１が小さくなって、発生した摩耗粉の移動が容易に行われなくなるため、セラミックス製ローラが比較的短寿命で割損するからであり、更に搬送用ローラとして使用した際に温度上昇が発生すると、金属製軸とセラミックス製ローラの熱膨張係数差によりセラミックス製ローラの内面に引張り応力が発生して破損するからである。一方、δ1／Ｄ２が０．０１を超えると、クリアアランスδ１が大きくなって、搬送用ローラとして使用した際の、振動が大きくなり、製品の品質に悪影響を及ぼすからである。
【００３６】
なお、δ１／Ｄ２は、上記観点から０．００２〜０．００７が好ましい。更に
金属製軸とセラミックス製ローラの熱膨張係数差による破損を防止しやすくするため、金属軸の内部に冷却機構を設け、冷却媒体により冷却することが好ましい。
【００３７】
本発明のセラミックス製ローラ装置２において、前記セラミックス製ローラ１の軸方向両端部に、前記セラミックス製ローラの軸方向の移動を抑制するための、金属製軸３の外周に固定された金属製固定部２１が配置される。セラミックス製ローラと金属製軸間には、前述したように熱膨張係数差が存在するため、セラミックス製ローラ装置の使用時間が増えるに従い、セラミックス製ローラ端部５と金属製固定部の間には軸方向のクリアランスが発生する。このクリアランスを利用して、セラミックス製ローラ１と金属製軸３との接触面で発生した摩耗粉が、セラミックス製ローラ装置２の外部に排出される。このため、摩耗粉を原因としたセラミックス製ローラの早期の割損を防止することができる。
【００３８】
もちろん、セラミックス製ローラ１と金属製固定部の間に予め軸方向のクリアランスδ２が存在していても良く、δ２とセラミックス製ローラの全長Ｌとの比δ2／Ｌ２が０．００１〜０．１であることが、摩耗粉をより排出させる観点からは好ましい。更に好ましくは０．０１〜０．０５である。
【００３９】
以上、本発明を実施するための最良の形態について図２〜図４を用いて説明したが、搬送用ローラが搬送する鋼板や線材の寸法が大きい場合は、セラミックッス製ローラを複数配置することも可能である。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
主原料として平均粒径が１．０μｍのＳｉ３ Ｎ４ 粉末９４重量％に対し、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を３重量％と、ＭｇＯ
を３重量％それぞれ添加し、さらに有機バインダーを３重量％と溶媒を添加してボールミルを用いて湿式で混合粉砕した後、スプレードライヤーで造粒し、中心粒径が８０μｍの造粒粉を作成した。得られた造粒粉をゴム型に充填し、成形圧１０００気圧で湿式ラバープレスを行い、成形体を得た。 得られた成形体をＮＣ旋盤に取り付け所定の寸法の略円筒形状の成形体に加工した後、大気加熱処理により脱脂し、窒素ガス雰囲気中１８００℃５時間の条件で焼結した。 得られた焼結体の両端面を、平面研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工した後、外周部を、円筒研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工し、続いて内径部を、内面研削盤を用いてダイヤモンド砥石により加工して、外径Ｄ１＝３５０ｍｍ、内径Ｄ２＝２９７ｍｍ、全長Ｌ＝２００ｍｍであり、図４に示すように、内径部に長さＬ１＝３０ｍｍ、傾きｅ１／Ｌ１＝０．０８３を持った傾斜部を有し、傾斜部と端面の交差部に半径８ｍｍのＲ部を設け、かつ外径部に長さＬ２＝５０ｍｍ、傾きｅ２／Ｌ２＝０．０８３を持った傾斜部を有し、傾斜部と端面の交差部に半径１０ｍｍのＲ部を有する窒化ケイ素質セラミックスを主結晶とするセラミックス製ローラを２個作成した。 なお内径部の傾斜部は直線状に形成した。 ここで、セラミックス製ローラの内周部の表面粗さは、Ｒｙで３．２μｍ以下となるよう、#６００のダイヤモンド砥石で仕上げた。
【００４１】
このうちの１個から直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの熱伝導率測定用試験片、厚さ３ｍｍ×幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍの曲げ強度測定用試験片、および５ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍの熱膨張測定用試験片を採取した。 熱伝導率はレーザーフラッシュ法により室温で測定した。 曲げ強度は室温でＪＩＳ Ｒ１６０６に準拠して４点曲げで測定した。また熱膨張係数は４０℃〜８００℃の間の平均熱膨張係数を測定した。また、曲げ強度試験片の残材の一部から、鏡面研磨によりミクロ組織観察用試験片を準備し、窒化珪素結晶の直線距離１０μｍあたりに存在する窒化珪素結晶の数を算出した。窒化珪素結晶の数は、ＳＥＭを用いて、任意断面における窒化珪素結晶を認識できる倍率で写真を撮影し、写真上に直線を描き直線が横切る結晶の数を計測した。
【００４２】
もう一方のセラミックス製ローラを、外径ｄ＝２９６ｍｍの金属製軸に装着した後、その両端部に、金属製固定部２１を金属製軸に溶接で固定し、セラミックス製ローラ装置とした。 このときの、セラミックス製ローラの内径Ｄ２と金属製軸外径とのクリアランスδ1はＤ２−ｄ＝２９７ｍｍ−２９６ｍｍ＝１ｍｍとしたため、δ1／Ｄ２は１ｍｍ／２９７ｍｍ＝０．００３である。また、セラミックス製ローラ１と金属製固定部の間のクリアランスδ２は、４．５ｍｍｓとしたためδ2／Ｌ２は、４．５ｍｍ／２００ｍｍ＝０．０２３である。
【００４３】
（実施例２〜６）
実施例１のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部の長さＬ１を４０〜１００ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例２〜６のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ実施例２〜６のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４４】
（実施例７〜１０）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径Ｄ２を２９６．８ｍｍ、傾斜部の傾きを０．００８〜０．１、傾斜部と端面の交差部に半径６ｍｍのＲ部を設けた以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例７〜１０のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、表２に示すように軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとして、実施例７〜１０のセラミックス製ローラ装置を作製した。
【００４５】
（実施例１１〜１３）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径Ｄ２を２９７．２ｍｍ、傾斜部の傾きを０．１４〜０．２２、傾斜部と端面の交差部に半径６ｍｍのＲ部を設けた以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１１〜１３のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、表２に示すように軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとして実施例７〜１０のセラミックス製ローラ装置を作製した。
【００４６】
（実施例１４）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように外径部の傾斜部を形成しなかった以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１４のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、実施例１４のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４７】
（実施例１５及び１６）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように外径、内径、全長を変更した以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１５及び１６のセラミックス製ローラとした。更に表２に示すように、実施例１５の場合は外径１９９ｍｍの金属製軸に軸方向のクリアランスδ２を１ｍｍとして、実施例１６の場合は外径２９６ｍｍの金属製軸軸方向のクリアランスδ２を２ｍｍとしてとりつけ、実施例１５及び実施例１６のセラミックス製ローラ装置とした。
（実施例１７）
実施例３のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部と端面のＲ部の半径を０．５ｍｍに変更した以外は、実施例３と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、実施例１７のセラミックス製ローラとした。更に実施例３と同様に、金属製軸にとりつけ、実施例１７のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４８】
（比較例１〜３）
実施例１のセラミックス製ローラに対して、表１に示すように内径部の傾斜部の長さＬ１を１０〜２５ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、比較例１〜３のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ、比較例１〜３のセラミックス製ローラ装置とした。
【００４９】
（比較例４）
実施例１のセラミックス製ローラに対し、内径部に傾斜部を設けないこと以外は、実施例１と同様の手順で、セラミックス製ローラを各１個作成し、比較例１〜３のセラミックス製ローラとした。更に実施例１と同様に、金属製軸にとりつけ、比較例４のセラミックス製ローラ装置とした。
【００５０】
実施例１で作成した試験片を用いて、熱伝導率、曲げ強度、熱膨張測定、直線距離１０μｍあたりに存在する窒化珪素結晶の数を測定した結果を表３に示す。
【００５１】
実施例１〜１７および比較例１〜４のセラミックス製ローラ装置を、ＳＣＭ径平鋼の熱間仕上げラインの搬送用ローラとして取り付け、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍ、温度が約１０００℃である鋼材を連続的に繰り返し搬送する試験を行った。そして一定回数使用後のセラミックス製ローラを目視にて観察し、割損の有無を確認した。試験結果を表２に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
実施例１〜１７のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５となっているため、比較例１〜４のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラに比較して、割損に至るまでの寿命が長く、早期割損しにくいことがわかる。中でも、Ｌ１／Ｌが好ましい範囲である０．２〜０．４、傾斜部の傾きがより好ましい範囲内である０．０５〜０．１５である実施例２〜４、実施例９〜１１、実施例１５及び１６のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、１０×１０４回の搬送使用後においてもセラミックス製ローラの割損が認められず、問題のないことを確認した。外径部に傾斜部を設けなかった実施例１４および、傾斜部と端面の交差部のＲを０．５ｍｍとした実施例１７のセラミックスローラは、Ｌ１／Ｌを好ましい範囲である０．２〜０．４、傾斜部の傾きをより好ましい範囲内である０．０５〜０．１５としているため、実用上問題ない寿命を示したが、実施例２〜４、実施例９〜１１、実施例１５及び１６に比較して寿命は短かった。
【００５６】
比較例１〜３のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は内径部における傾斜部の長さＬ１が短くＬ１／Ｌが０．１５未満であったため、割損に至るまでの使用回数が短かった。
【００５７】
また、比較例４のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は内径部における傾斜部が形成されていなかったため、割損に至るまでの使用回数が最も短かった。
【００５８】
本発明は前記実施例になんら限定されるものでなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々形態で実施できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のセラミックス製ローラ及びセラミックス製ローラ装置は、熱間圧延ライン等において鋼板を搬送するための搬送用ローラ及び搬送装置として用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１：セラミックス製ローラ
２：セラミックス製ローラ装置
３：金属製軸
４：内径の傾斜部
５：端面
６：内径ストレート部
１１：セラミックス製ローラ
１４：外径の傾斜部
１６：外径のストレート部
Ｒ１：内径部と端面の交差部に形成されたＲ
Ｒ２：外径部と端面の交差部に形成されたＲ
２１：金属製固定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であることを特徴とするセラミックス製ローラ。
【請求項２】
前記傾斜部と前記セラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項３】
前記傾斜部の勾配が０．０１〜０．２であ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ラ。
【請求項４】
外径が１５０ｍｍ以上であり、外径に対する肉厚（（外径―内径）／２）の割合が０．２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項５】
前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことを特徴とする請求項１乃至４に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項６】
前記セラミックスが窒化ケイ素を主結晶とするセラミックスであることを特徴とする請求項１乃至５に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項７】
請求項１乃至６のセラミックス製ローラと金属製軸とからなり、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該Ｄ２と金属軸の外径とのクリアランスδ1との比δ1／Ｄ２が０．０００１〜０．００１であることを特徴とするセラミックス製ローラ装置。
【請求項１】
金属製軸の外周部に隙間ばめで配置される略円筒形状のセラミックス製ローラにおいて、該ローラの内径部が該ローラの両端面に向かって内径が滑らかに大きくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ１と前記ローラの全長Ｌの比Ｌ１／Ｌが０．１５〜０．５であることを特徴とするセラミックス製ローラ。
【請求項２】
前記傾斜部と前記セラミックス製ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項３】
前記傾斜部の勾配が０．０１〜０．２であ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ラ。
【請求項４】
外径が１５０ｍｍ以上であり、外径に対する肉厚（（外径―内径）／２）の割合が０．２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項５】
前記セラミックス製ローラの外径部がストレート部と該ストレート部の両側で外径が滑らかに小さくなる傾斜部を有し、傾斜部の長さＬ２と全長Ｌ比Ｌ２／Ｌが０．１〜０．４５であり、傾斜部と前記ローラ端面の交差部に半径１ｍｍ以上のＲ部を設けたことを特徴とする請求項１乃至４に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項６】
前記セラミックスが窒化ケイ素を主結晶とするセラミックスであることを特徴とする請求項１乃至５に記載のセラミックス製ローラ。
【請求項７】
請求項１乃至６のセラミックス製ローラと金属製軸とからなり、前記セラミックス製ローラの内径Ｄ２及び該Ｄ２と金属軸の外径とのクリアランスδ1との比δ1／Ｄ２が０．０００１〜０．００１であることを特徴とするセラミックス製ローラ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１７７７４５（Ｐ２０１１−１７７７４５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４３８７２（Ｐ２０１０−４３８７２）
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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