溶融金属めっき浴用滑り軸受装置
【課題】 耐久性を向上させることが可能な、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置を提供する。
【解決手段】 セラミックス製軸受１０と、当該セラミックス製軸受１０を保持すべき金属製軸受ホルダー２０とを具備し、セラミックス製軸受１０と金属製軸受ホルダー２０との間、及び、セラミックス製軸受１０の端部に、溶融金属めっき浴５の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材３１、３２、３２、が配設されている、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置１００とする。
【解決手段】 セラミックス製軸受１０と、当該セラミックス製軸受１０を保持すべき金属製軸受ホルダー２０とを具備し、セラミックス製軸受１０と金属製軸受ホルダー２０との間、及び、セラミックス製軸受１０の端部に、溶融金属めっき浴５の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材３１、３２、３２、が配設されている、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置１００とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置に関し、特に、耐久性を向上させることが可能な、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車車体等に用いられる溶融めっき鋼板の製造は、連続焼鈍炉で焼鈍された薄鋼板を、溶融金属めっき浴中に浸漬して通過させることにより、行われる。溶融金属めっき浴へと進入した薄鋼板は、めっき浴中に設置されたシンクロールにより上方へ方向転換された後、浴中に設置されたコレクトロールやスタビライズロールによって鋼板の反りや振動を抑制される。そして、これらのロールを経た鋼板は、めっき浴面直上に設置されたガスワイピング装置によって余剰めっきを払拭されることにより、所定のめっき付着量に調整される。
【０００３】
溶融金属めっき浴中に配置されたシンクロール等の軸受部は、溶融金属の熱、溶融金属による侵食、及びロールの回転による摩擦等によって損傷しやすい。ロールの軸受部が損傷すると、交換・修理のためにめっきラインを停止する必要があるため、溶融めっき鋼板の生産性が低下する。そこで、軸受部の損傷を抑制する観点から、摺動部にセラミックス製の部材を配置して軸受部の耐久性を向上させる技術が、これまでに検討されてきている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、メタルブロックに複数個のセラミックスピースを配置し、そのセラミックスピースの間隙及び背面に難溶性無機繊維材層が周方向に連接嵌装されていることを特徴とする溶融金属めっき浴用シンクロールの軸受構造に関する技術が開示されている。かかる技術は熱膨張による歪みをセラミックス小型化により吸収できるようにしようとするものである。これによれば、シンクロールを長期に亘って安定して使用可能となるほか、セラミックスを適用したことによる効果として、摺動面の偏磨耗や侵食等が著しく少なくなり、耐用寿命を大きく高めることができると共に、溶融めっき操業の効率改善効果を得ることができる、としている。
【０００５】
また、特許文献２には、溶融金属めっき浴中に配する金属またはセラミックスで形成された駆動若しくは無駆動ロール軸外径、または軸に装着したスリーブ外径に対して１〜１５ｍｍ大きな内径を持つセラミックス製滑り軸受けと、かつ該滑り軸受け外径に対して０．１５〜１５ｍｍ大きい滑り軸受けを保持する穴を設けたロールホルダーアームで構成されたことを特徴とする溶融金属めっき浴用滑り軸受け構造に関する技術が開示されている。かかる技術によれば、軸受け部の温度上昇、降下による摩擦の発生を少なくできること、溶融金属およびそのドロスが軸受け部とロールホルダーアーム間に侵入し難くなること、かつ侵入しても難合金化皮膜のため、溶融金属との合金層の生成がなくなり、軸受け構造の耐久性を大きく改善できるという優れた効果が発揮され、産業上極めて有用である、としている。
【特許文献１】実開平５−７７２５１号公報
【特許文献２】特開２０００−６４００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１には、難溶性無機繊維材層の構成材料として、ガラス繊維、セラミックス繊維等のシートないしフェルト等が例示されている。しかし、溶融金属浴中に特許文献１にかかる構成の軸受を浸漬させると、溶融金属がメタルブロック、セラミックスピース、及び難溶性無機繊維材層の隙間に浸透する。この状態で溶融金属浴中から空気中に引き上げると、まず溶融金属が凝固する。そして、溶融金属浴温度（例えば、５００℃程度等）から室温への温度低下により、メタルブロック（熱膨張係数１７．８×１０−６／Ｋ）が大きく熱収縮する（１００ｍｍ当たり約０．９ｍｍ）一方、セラミックス（熱膨張係数３×１０−６／Ｋ）はその１／５しか収縮しない。さらに、難溶性無機繊維材層に一度溶融金属が含侵すると、浴中では緩衝作用があるものの、常温空気中に引き上げると含侵した溶融金属が固まって緩衝効果は全くなくなり、メタルブロックとセラミックスピースとが固着する。そのため、特許文献１に開示されている溶融金属めっき浴用シンクロールの軸受け構造では、セラミックスが圧縮破壊されやすく、耐久性が低下しやすいという問題があった。なお、特許文献１では、溶融金属と濡れ性の悪い材料について、何ら言及されていない。また、特許文献１の技術は、複数個のセラミックス片を一体のセラミックス軸受に組み立てる場合、組み立て精度の問題を本質的に有している。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている技術でも、溶融金属と濡れ性の悪い材料については検討されていない。そのため、特許文献２の溶融金属めっき浴用滑り軸受け構造を溶融めっき金属浴から引き上げ、その温度が低下すると、セラミックス製滑り軸受けとロールホルダーアームとが溶融金属を介して固着する。したがって、かかる技術によっても、セラミックス製滑り軸受が圧縮破壊しやすく、軸受の耐久性が低下しやすいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明では、耐久性を向上させることが可能な、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、セラミックス製軸受（１０）と、該セラミックス製軸受（１０）を保持すべき金属製軸受ホルダー（２０）とを具備する溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）であって、セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間、及び、セラミックス製軸受（１０）の端部に、めっき浴（５）の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材（３１、３２、３２）、が配設されていることを特徴とする、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）により、上記課題を解決する。
【００１１】
ここに、本発明にかかる軸受（１０）を形成すべきセラミックス材料の具体例としては、サイアロン、窒化ケイ素等を挙げることができる。また、金属製ホルダー（２０）を形成すべき金属材料の具体例としては、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）を挙げることができる。さらに、溶融金属めっき浴（５）に含まれる溶融金属の具体例としては、亜鉛、亜鉛−アルミニウム合金、等を挙げることができる。また、「セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間に保護部材（３１、３２、３２）が配設されている」とは、保護部材（３１、３２、３２）の一部が当該部位に配設される形態をも含む概念である。さらに、「セラミックス製軸受（１０）の端部に保護部材（３１、３２、３２）が配設されている」とは、セラミックス製軸受（１０）の端部と金属製軸受ホルダー（２０）とが直接接触することを防止可能な形態で、保護部材（３１、３２、３２）の少なくとも一部が配設されていることを意味している。加えて、保護部材（３１、３２、３２）の構成材料は、めっき浴（５）の溶融金属と濡れ性の悪い材料であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、カーボン系材料（中でもカーボン焼成品）を挙げることができる。
【００１２】
また、「溶融金属と濡れ性の悪い材料」とは、その材料を溶融金属浴に浸漬して引き上げたときに、図８（Ａ）に示すように、その材料の表面に溶融金属がほとんど付着しないものをいう。これに対し、図８（Ｂ）に示すように、材料の表面に溶融金属が付着し、そのまま固着する材料は、「溶融金属と濡れ性の悪い材料」ではない。なお、図８（Ａ）は、カーボン焼成品を、図８（Ｂ）は、タングステンカーバイドを溶射した材料を、溶融亜鉛めっき浴中に浸漬した後、浴外へ引き上げた状態をそれぞれ示す写真である。図８（Ａ）では材料表面にめっき浴金属の亜鉛がまったく付着しておらず、カーボン焼成品が溶融亜鉛に対して極めて濡れ性の悪い材料であることが示されている。一方、図８（Ｂ）においては材料表面全面にめっき浴金属の亜鉛が付着しており、タングステンカーバイドを溶射した材料は溶融亜鉛に対して濡れ性の悪い材料ではないことが示されている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２）が、シート状部材（３１）と、前記セラミックス軸受へと加えられる応力を緩和すべき緩衝部材（３２、３２）とからなり、シート状部材（３１）がセラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間に配設されるとともに、緩衝部材（３２、３２）がセラミックス製軸受（１０）の端部に配設されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料の熱膨張係数をα１、セラミックス製軸受（１０）を構成するセラミックスの熱膨張係数をα２、及び、金属製軸受ホルダー（２０）を構成する金属の熱膨張係数をα３、とするとき、α２＜α１＜α３であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料のヤング率をＥ１、セラミックス製軸受（１０）を構成するセラミックスのヤング率をＥ２とするとき、Ｅ１≦Ｅ２であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、緩衝部材（３２、３２）が、バネ機能を備える保持部材（３５、３５）を介して、金属製軸受ホルダー（２０）に取り付けられていることを特徴とする。
【００１７】
ここに、バネ機能とは、緩衝部材（３２、３２）を経てセラミックス軸受（１０）へと加えられる応力を一定以下にする機能を意味している。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）が、セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間、及び、セラミックス製軸受（１０）の端部に配設されるので、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を低減することが可能になる。また、保護部材（３１、３２、３２）が、めっき浴の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなるので、当該保護部材（３１、３２、３２）上に溶融金属が固着することを抑制する。したがって、本発明によれば、溶融金属を介してセラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）とが固着することを抑制して、耐久性を向上し得る溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）が、シート状部材（３１）と緩衝部材（３２、３２）とからなるので、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を容易に低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）の耐久性を容易に向上することが可能になる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料の熱膨張係数α１が、セラミックスの熱膨張係数α２と金属の熱膨張係数α３との間である。そのため、保護部材（３１、３２、３２）により、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を低下させることが容易になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料のヤング率Ｅ１が、セラミックスのヤング率Ｅ２よりも小さい。そのため、保護部材（３１、３２、３２）により、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を容易に低下させることが可能になる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、緩衝部材（３２、３２）が、バネ機能を備える保持部材（３５、３５）を介して、金属製軸受ホルダー（２０）に取り付けられている。そのため、本発明によれば、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力が一定以上となることを防止し得る、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
溶融金属めっき浴中で使用されるシンクロール等の耐久性を向上させるため、これまでに、軸受をセラミックス製とする技術が開示されてきているが、溶融金属めっき浴から空気中へロールを引き上げると、セラミックス製の軸受に応力が集中して当該軸受が破損し、軸受の耐久性が低下しやすい。そこで、本発明者らは、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置の構造について鋭意検討した結果、セラミックス製軸受へと加えられる応力を低減可能な構造を見出し、本発明を完成するに至った。
【００２４】
本発明の理解を容易にするため、最初に、滑り軸受装置の開発過程の概略を、以下に示す。
【００２５】
セラミックス製軸受（以下において単に「軸受」と記述することがある。）と金属（ステンレス鋼）製軸受ホルダー（以下において単に「軸受ホルダー」と記述することがある。）とが直接接触する形態（以下において「形態Ａ」と記述する。）の、従来の滑り軸受装置を、空気中（例えば、２０℃程度。以下において同じ。）から溶融金属めっき浴（例えば、溶融亜鉛めっき浴の場合、５００℃程度。以下において同じ。）へ入れると、金属はセラミックスよりも熱膨張係数が大きいので、軸受ホルダーと軸受との間に発生する隙間に、溶融金属が侵入する。その後、形態Ａにかかる滑り軸受装置を溶融金属浴から空気中へと引き上げると、上記隙間に侵入した溶融金属が凝固し、熱収縮が少ないセラミックス製軸受に圧縮応力が加わり、当該軸受の中央部が破断する。このように、形態Ａにかかる滑り軸受装置では、セラミックス製軸受の中央部が破損し、その耐久性が低下しやすい。
【００２６】
上記破損を防止するため、滑り軸受装置を、めっき浴の溶融金属に対して濡れ性の悪いカーボン系のシート状部材を、軸受と軸受ホルダーとの間に配設した形態（以下において「形態Ｂ」と記述する。）とした。その結果、カーボン系のシート状部材は、セラミックス及び金属の熱膨張による寸法誤差を緩和すると共に、めっき浴の溶融金属に濡れないことから、軸受と軸受ホルダーとの固着が防止され、軸受中央部の破損は防止された。しかし、形態Ｂにかかる滑り軸受装置をめっき浴から空気中へ引き上げた時に、軸受の端部が破損した。
【００２７】
上記形態Ａ及び形態Ｂにかかる滑り軸受装置の破損形態を、熱応力計算により追跡調査した。その結果を図６に示す。図６（Ａ）は、形態Ａにかかる滑り軸受装置の調査結果を示す一方、図６（Ｂ）は、形態Ｂにかかる滑り軸受装置の調査結果を示している。図６（Ａ）及び（Ｂ）において、低応力部位は濃い色で、高応力部位は薄い色で、それぞれ表される。
【００２８】
図６（Ａ）より、カーボン系の保護部材を備えない場合には、軸受の背面全体が軸受ホルダーに固着するため、軸受及び軸受ホルダーの熱収縮差に起因する応力は、軸受の背面全体に分散される。これに対し、セラミックス製軸受の背面にカーボン系の保護部材が備えられる場合には、保護部材と溶融金属との濡れ性が悪いので、軸受背面と軸受ホルダーとの間には固着力が何ら働かず、軸受背面が軸受ホルダーに対して滑る。それゆえ、軸受及び軸受ホルダーの熱収縮差に起因する応力が、軸受の端部に集中的に加えられ、当該端部の最大応力が２．２６ＧＰａにまで上昇し（図６（Ｂ）参照）、破損することが分かった。
【００２９】
そこで、形態Ａ及び形態Ｂにかかる滑り軸受装置の破損を防止可能とする観点から、軸受と軸受ホルダーとの間にシート状のカーボン系保護部材を配設するとともに、軸受の端部にカーボン系の緩衝部材が配設される形態（以下において、「形態Ｃ」と記述することがある。）の滑り軸受装置について、熱応力計算を実施した。当該熱応力計算の結果を、図７に示す。図７（Ａ）は、形態Ｃにかかる滑り軸受装置の熱応力計算結果を示しており、図７（Ｂ）は、形態Ｃにかかる滑り軸受装置に備えられるセラミックス製軸受の熱応力計算結果を示している。図７（Ａ）及び（Ｂ）において、低応力部位は濃い色で、高応力部位は薄い色で、それぞれ表される。
【００３０】
図７（Ｂ）に示すように、シート状のカーボン系保護部材とカーボン系の緩衝部材とを備える形態とすることにより、セラミックス製軸受に加えられる最大応力を１．２４ＧＰａにまで低減可能であった。すなわち、軸受と軸受ホルダーとの間、及び、軸受の端部に、溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる部材を配設すれば、セラミックス製軸受へと加えられる応力を低減することが可能になる。さらに、後述するように、前記緩衝部材が、バネ機構を備える保持部材介して前記金属製軸受ホルダーが取り付けられた構造とすることで、軸受へと加えられる応力を飛躍的に低下させることができる。
【００３１】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【００３２】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（以下において、単に「軸受装置」という。）と、当該軸受装置と接触すべきシンクロールのロール軸とを示す概略図である。図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる軸受装置及び上記ロール軸を概略的に示す正面図、図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる軸受装置及び上記ロール軸を概略的に示す側面図であり、図１（Ａ）及び（Ｂ）では緩衝部材のみに模様を付して示している。これに対し、図１（Ｃ）は図１（Ａ）と、図１（Ｄ）は図１（Ｂ）とそれぞれ対応する図であり、図１（Ｃ）及び（Ｄ）では、緩衝部材を保持すべき保持部材にのみ模様を付して示している。なお、本発明の軸受装置の構造を容易に理解可能とするため、図１（Ａ）〜（Ｄ）では、各部材を適宜透視して示している。
【００３３】
一方、図２は、溶融金属めっき浴中における、シンクロール、コレクトロール、及び、スタビライズロールの配置形態例と、第１実施形態にかかる軸受装置の配置形態例とを示す概略図である。他方、図３は、第１実施形態にかかる軸受装置に備えられる、緩衝部材及び当該緩衝部材を保持すべき保持部材のみを抽出して概略的に示す斜視図である。図３（Ａ）は、緩衝部材及び保持部材を示す斜視図、図３（Ｂ）は、緩衝部材のみを示す斜視図、図３（Ｃ）は、保持部材のみを示す斜視図である。以下、図１〜図３を適宜参照しつつ、本発明の軸受装置について説明する。
【００３４】
図１に示すように、第１実施形態にかかる本発明の軸受装置１００は、セラミックス製の軸受１０と、当該軸受１０を保持する金属（ステンレス鋼）製の軸受ホルダー２０とを備え、軸受１０と軸受ホルダー２０との間には、シート状のカーボン系部材３１が配設されている。そして、軸受１０の端部には、当該軸受１０の端面及び両側面の一部と接触可能な「コの字型」形状を有するカーボン系の緩衝部材３２、３２が配設され、当該緩衝部材３２、３２は、その下方から、保持部材３５、３５によって支えられている。
【００３５】
図２に示すように、シンクロール１０００、コレクトロール２０００、及び、スタビライズロール３０００は、溶融金属めっき浴５内で使用される。連続焼鈍炉で焼鈍された薄鋼板３は、溶融金属めっき浴５へ進入すると、シンクロール１０００によって上方へ方向転換された後、当該シンクロール１０００の上方に配置されるコレクトロール２０００及びスタビライズロール３０００によって、反りや振動を抑制される。そして、これらのロール１０００、２０００、３０００を経た鋼板３は、めっき浴面直上に設置されるガスワイピング装置（不図示）によって余剰めっきを払拭されることにより、所定のめっき付着量へ調整される。このように、溶融金属めっき浴５内において、薄鋼板３は、シンクロール１０００によって上方へ方向転換されるため、シンクロール１０００のロール軸１には鉛直方向上方への力が加わりやすい。そこで、当該ロール軸１を受ける本発明の軸受装置１００は、ロール軸１の上方に配置されている（図１、図２参照）。
【００３６】
このように、シート状のカーボン系部材３１（以下において、単に「部材３１」と記述することがある。）を、軸受１０と軸受ホルダー２０との間に配設することで、当該軸受１０と軸受ホルダー２０との間に溶融金属が侵入することを抑制できる。さらに、カーボン系部材３１は溶融金属との濡れ性が悪いため、部材３１と軸受１０との間、及び／又は、部材３１と軸受ホルダー３２との間に微量の溶融金属が侵入した場合であっても、溶融金属めっき浴から空気中へ引き出す際に、当該溶融金属は部材３１と固着せず、溶融金属が軸受１０と軸受ホルダー２０との間に滞留することを抑制できる。加えて、微量の金属が、部材３１と軸受１０との間、及び／又は、部材３１と軸受ホルダー２０との間に残留したとしても、部材３１・緩衝部材３２、３２を構成するカーボン系材料のヤング率を、必要に応じて、軸受の構成材料であるセラミックスよりも小さくすれば、当該残留金属に起因する応力を、これらのカーボン系材料によって緩和することが可能になる。したがって、上記構成とすれば、凝固した金属を介して軸受１０と軸受ホルダー２０とが固着することを防止可能である。
【００３７】
他方、図３に示すように、本発明にかかる緩衝部材３２は、保持部材３５によって保持され、緩衝部材３２の凹部に、軸受１０が配設される（図１参照）。そして、緩衝部材３２を下方から保持する保持部材３５には、梁部３５ａが溶接されており、当該梁部３５ａと軸受ホルダー２０とを溶接することにより、緩衝部材３２及び保持部材３５が軸受ホルダー２０に取り付けられる。このような構造の梁３５ａと緩衝部材３２を固定すれば、当該梁３５ａがいわゆる板バネとして機能することによって、緩衝部材３２及び軸受１０へ加わる応力を低減することが可能になる。すなわち、上記形態とすることで、一定以上の応力が軸受１０へ加わることを防止し得る、軸受装置１００を提供することが可能になる。
【００３８】
図４は、第２実施形態にかかる本発明の軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきコレクトロールのロール軸とを示す概略図である。図４（Ａ）は、第２実施形態にかかる軸受装置及びコレクトロールのロール軸を概略的に示す正面図、図４（Ｂ）は、同側面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、緩衝部材及び保持部材に模様を付して示している。なお、本発明の軸受装置の構造を容易に理解可能とするため、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、各部材を適宜透視して示している。
【００３９】
図４に示すように、第２実施形態にかかる本発明の軸受装置２００は、ロール軸２を受けるセラミックス製の軸受５０と、当該軸受５０を保持する金属（ステンレス鋼）製の軸受ホルダー６０とを備え、軸受５０と軸受ホルダー６０との間には、シート状のカーボン系部材７１が配設されている。そして、軸受５０は、当該軸受５０の１の端面及びその両側面の一部を接触可能な形状を有するカーボン系の緩衝部材７２、片持ち梁形状の保持部材７５、７５、並びに、部材８１、８１を介して、軸受ホルダー６０に固定されている。本発明の軸受装置２００がかかる形状を有していても、保持部材７５が片持ち梁形状であることによりバネ機能を備えるので、上記第１実施形態の場合と同様に、セラミックス製軸受５０へと加えられる応力を低減することが可能になり、耐久性を向上させ得る軸受装置２００とすることが可能になる。
【００４０】
なお、上記説明では、シンクロール及びコレクトロールのロール軸に対して適用される形態の軸受装置について記述したが、本発明の軸受装置はこれらの形態に限定されるものではなく、スタビライズロールのロール軸に対しても適用可能である。本発明の軸受装置をスタビライズロールのロール軸に対して適用する場合には、上記第２実施形態と同様形態の軸受装置とすれば良い。
【実施例】
【００４１】
１．軸受装置の作製
セラミックス製軸受と、ステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に、厚さ１．５ｍｍのカーボン系材料からなるシート状部材を設置し、当該シート状部材がスラスト方向へずれない様に、軸受のサイド及び端面にカーボン系材料からなる緩衝部材を配設した。その後、緩衝部材の下方に、当該緩衝部材を保持すべき保持部材を配置し、当該保持部材へ溶接することにより取り付けられた梁部とステンレス鋼製軸受ホルダーとを溶接し、実施例にかかる軸受装置を作製した（図１、図３参照）。
【００４２】
これに対し、比較例１にかかる軸受装置として、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受けホルダーとを直接接触させるとともに、上記シート状部材、緩衝部材、及び保持部材を備えない形態の軸受装置を作製した。さらに、比較例２にかかる軸受装置として、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に、厚さ１．５ｍｍのカーボン系材料からなるシート状部材を配設する一方で、上記緩衝部材及び保持部材を備えない形態の軸受装置を作製した。なお、実施例、比較例１、及び比較例２における軸受装置において、セラミックスとしては、サイアロンを、ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３１６Ｌを、カーボン系材料としては、カーボン焼成品を、それぞれ使用した。
また、上記セラミックスの熱膨張係数は３×１０−６／Ｋ、ヤング率は３０３．８ＧＰａ、上記ステンレス鋼の熱膨張係数は１７．８×１０−６／Ｋ、ヤング率は２０５．８ＧＰａ、上記カーボン系材料の熱膨張係数は、８×１０−６／Ｋ、ヤング率は４９ＧＰａであった。さらに、上記軸受、及び、上記軸受ホルダーの、ロール軸径方向の厚さは、それぞれ、２５ｍｍ、５０ｍｍ以上であった。
【００４３】
２．試験
２．１．耐久性試験
溶融亜鉛めっき浴（浴温；４６０〜５６０℃）中で使用されるシンクロールの軸受装置として、実施例、比較例１、及び比較例２にかかる軸受装置をそれぞれ使用し、溶融亜鉛浴を１５日毎に交換した。すなわち、１５日間に亘ってシンクロール及び軸受装置を溶融亜鉛めっき浴中に浸漬して使用した後、溶融亜鉛めっき浴からシンクロール及び軸受装置を引き上げ、引き続き、交換後の溶融亜鉛めっき浴へシンクロール及び軸受装置を入れる、という工程を繰り返した。
【００４４】
２．２．熱応力計算
上記耐久性試験時に軸受へと加えられる応力を評価するため、実施例、比較例１、及び比較例２にかかる軸受装置を４６０℃から２０℃へ冷却した場合に軸受へと加えられる熱応力を、熱応力計算により算出した。計算により得られた、軸受へと加えられる最大応力の結果を、表１にあわせて示す。
【００４５】
【表１】
表１において、「＜ ０．２９」とは、最大応力が０．２９ＧＰａ未満であったことを示している。
【００４６】
３．結果
３．１．耐久試験結果
比較例１及び比較例２にかかる軸受装置の耐久性試験結果を、図５に示す。図５（Ａ）は、３０日使用後における比較例１の軸受装置を、図５（Ｂ）は、１５日使用後における比較例２の軸受装置を、それぞれ示している。図５（Ａ）より、比較例１にかかる軸受装置では、軸受の中央部が破損した。一方で、図５（Ｂ）から、比較例２にかかる軸受装置では、軸受の端部が破損した。また、比較例２にかかる軸受装置は、比較例１にかかる軸受装置よりも耐久性が低下した。
【００４７】
上述のように、ステンレス鋼の熱膨張係数が、セラミックスの熱膨張係数の約５倍であるため、比較例１にかかる軸受装置をめっき浴へ浸漬すると、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に隙間（約１ｍｍ）が生じ、かかる隙間に溶融亜鉛が侵入する。その後、比較例１にかかる軸受装置を空気中へ引き上げると、軸受装置の温度は亜鉛の凝固点以下となるため、上記隙間に固着した亜鉛が凝固し、当該亜鉛を介して軸受と軸受ホルダーとが固着する。そして、亜鉛を介して固着した軸受及び軸受ホルダーは、その温度が低下するにつれて熱収縮する。ここで、熱膨張係数の値から、軸受ホルダーは軸受よりも収縮しやすい。それゆえ、軸受及び軸受ホルダーの温度が低下すると、これらの間に形成されている隙間の中央部に熱応力が集中する結果、軸受の中央部が破損したものと考えられる。
【００４８】
一方で、比較例２にかかる軸受装置には、軸受と軸受ホルダーとの間にシート状部材が配設されている。そのため、軸受装置を溶融亜鉛浴中に浸漬しても、軸受と軸受ホルダーとの間には０．５ｍｍ以下の隙間しか形成されず、当該隙間に侵入する溶融亜鉛の量は、比較例１のケースよりも少ない。その後、かかる形態の軸受装置を空気中へ引き上げると、溶融亜鉛はカーボン系材料への濡れ性が悪いので、軸受と軸受ホルダーとの隙間に侵入した溶融亜鉛は外部へ排出され、軸受の背面が軸受ホルダーに対して滑る。この状態で、軸受及び軸受ホルダーの温度が低下すると、熱収縮差に起因する応力が軸受端部に集中する。そのため、比較例２にかかる軸受装置では、軸受の端部が破損したものと考えられる。
【００４９】
これに対し、シート状部材、緩衝部材、及び保持部材を備える、実施例にかかる軸受装置では、９０日使用後であっても、軸受が破損しなかった。これは、第１に、軸受と軸受ホルダーとの間に溶融亜鉛と濡れ性の悪いシート状部材が配設されていたため、上記比較例２にかかる軸受装置と同様に、軸受と軸受ホルダーとの隙間に侵入した溶融亜鉛が外部へ排出され、軸受と軸受ホルダーとの固着が防止されたことに起因すると考えられる。また、第２に、実施例にかかる軸受装置では、軸受の端部に、セラミックス及びステンレス鋼よりもヤング率が小さいカーボン系材料からなる緩衝部材を配設したため、軸受端部に集中する応力が当該緩衝部材によって吸収され、軸受端部へと加えられる応力が低減されたものと考えられる。加えて、第３に、バネ機能を備える保持部材によって緩衝部材を保持することで、緩衝部材を経て軸受へと加えられる応力がより一層低減されたためであると考えられる。すなわち、実施例にかかる軸受装置は、上記３つの理由により、軸受へと加えられる応力を低減することが可能であった。
【００５０】
３．２．熱応力計算結果
表１に示すように、比較例１にかかる軸受へ加えられる最大応力は１．７５ＧＰａ、比較例２にかかる軸受へ加えられる最大応力は２．２６ＧＰａであった。これに対し、実施例にかかる軸受装置では、バネ構造を有する保持部材によって緩衝部材を支えたため、軸受へ加えられる最大応力が、バネ構造を有する保持部材を備えない場合の最大応力（１．２４ＧＰａ。図７（Ｂ）参照。）よりもさらに低下し、セラミックスの破断応力（０．２９ＧＰａ）の１／５０以下になった。すなわち、実施例にかかる軸受装置によれば、軸受の破損を抑制可能であるため、本発明によれば、耐久性を向上させ得る軸受装置を提供可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきシンクロールのロール軸とを示す概略図である。
【図２】溶融金属めっき浴中における、シンクロール、コレクトロール、及び、スタビライズロールの配置形態例と、第１実施形態にかかる軸受装置の配置形態例とを示す概略図である。
【図３】第１実施形態にかかる軸受装置に備えられる、緩衝部材及び当該緩衝部材を保持すべき保持部材のみを抽出して概略的に示す外観図である。
【図４】第２実施形態にかかる本発明の軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきコレクトロールのロール軸とを示す概略図である。
【図５】溶融金属めっき浴中で使用された、従来の滑り軸受装置の様子を示している。
【図６】従来の滑り軸受装置の熱応力計算結果を示す図である。
【図７】本発明の滑り軸受装置の熱応力計算結果を示す図である。
【図８】（Ａ）はカーボン焼成品を、（Ｂ）はタングステンカーバイドを溶射した材料を、溶融亜鉛めっき浴中に浸漬した後、浴外へ引き上げた状態をそれぞれ示す写真である。
【符号の説明】
【００５２】
１、２ ロール軸
５ 溶融金属めっき浴
１０、５０ セラミックス製軸受
２０、６０ 金属製軸受ホルダー
３１、７１ シート状部材（保護部材）
３２、７２ 緩衝部材（保護部材）
３５、７５ 保持部材
３５ａ 梁
１００、２００ 溶融金属めっき浴用滑り軸受装置
１０００ シンクロール
２０００ コレクトロール
３０００ スタビライズロール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置に関し、特に、耐久性を向上させることが可能な、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車車体等に用いられる溶融めっき鋼板の製造は、連続焼鈍炉で焼鈍された薄鋼板を、溶融金属めっき浴中に浸漬して通過させることにより、行われる。溶融金属めっき浴へと進入した薄鋼板は、めっき浴中に設置されたシンクロールにより上方へ方向転換された後、浴中に設置されたコレクトロールやスタビライズロールによって鋼板の反りや振動を抑制される。そして、これらのロールを経た鋼板は、めっき浴面直上に設置されたガスワイピング装置によって余剰めっきを払拭されることにより、所定のめっき付着量に調整される。
【０００３】
溶融金属めっき浴中に配置されたシンクロール等の軸受部は、溶融金属の熱、溶融金属による侵食、及びロールの回転による摩擦等によって損傷しやすい。ロールの軸受部が損傷すると、交換・修理のためにめっきラインを停止する必要があるため、溶融めっき鋼板の生産性が低下する。そこで、軸受部の損傷を抑制する観点から、摺動部にセラミックス製の部材を配置して軸受部の耐久性を向上させる技術が、これまでに検討されてきている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、メタルブロックに複数個のセラミックスピースを配置し、そのセラミックスピースの間隙及び背面に難溶性無機繊維材層が周方向に連接嵌装されていることを特徴とする溶融金属めっき浴用シンクロールの軸受構造に関する技術が開示されている。かかる技術は熱膨張による歪みをセラミックス小型化により吸収できるようにしようとするものである。これによれば、シンクロールを長期に亘って安定して使用可能となるほか、セラミックスを適用したことによる効果として、摺動面の偏磨耗や侵食等が著しく少なくなり、耐用寿命を大きく高めることができると共に、溶融めっき操業の効率改善効果を得ることができる、としている。
【０００５】
また、特許文献２には、溶融金属めっき浴中に配する金属またはセラミックスで形成された駆動若しくは無駆動ロール軸外径、または軸に装着したスリーブ外径に対して１〜１５ｍｍ大きな内径を持つセラミックス製滑り軸受けと、かつ該滑り軸受け外径に対して０．１５〜１５ｍｍ大きい滑り軸受けを保持する穴を設けたロールホルダーアームで構成されたことを特徴とする溶融金属めっき浴用滑り軸受け構造に関する技術が開示されている。かかる技術によれば、軸受け部の温度上昇、降下による摩擦の発生を少なくできること、溶融金属およびそのドロスが軸受け部とロールホルダーアーム間に侵入し難くなること、かつ侵入しても難合金化皮膜のため、溶融金属との合金層の生成がなくなり、軸受け構造の耐久性を大きく改善できるという優れた効果が発揮され、産業上極めて有用である、としている。
【特許文献１】実開平５−７７２５１号公報
【特許文献２】特開２０００−６４００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１には、難溶性無機繊維材層の構成材料として、ガラス繊維、セラミックス繊維等のシートないしフェルト等が例示されている。しかし、溶融金属浴中に特許文献１にかかる構成の軸受を浸漬させると、溶融金属がメタルブロック、セラミックスピース、及び難溶性無機繊維材層の隙間に浸透する。この状態で溶融金属浴中から空気中に引き上げると、まず溶融金属が凝固する。そして、溶融金属浴温度（例えば、５００℃程度等）から室温への温度低下により、メタルブロック（熱膨張係数１７．８×１０−６／Ｋ）が大きく熱収縮する（１００ｍｍ当たり約０．９ｍｍ）一方、セラミックス（熱膨張係数３×１０−６／Ｋ）はその１／５しか収縮しない。さらに、難溶性無機繊維材層に一度溶融金属が含侵すると、浴中では緩衝作用があるものの、常温空気中に引き上げると含侵した溶融金属が固まって緩衝効果は全くなくなり、メタルブロックとセラミックスピースとが固着する。そのため、特許文献１に開示されている溶融金属めっき浴用シンクロールの軸受け構造では、セラミックスが圧縮破壊されやすく、耐久性が低下しやすいという問題があった。なお、特許文献１では、溶融金属と濡れ性の悪い材料について、何ら言及されていない。また、特許文献１の技術は、複数個のセラミックス片を一体のセラミックス軸受に組み立てる場合、組み立て精度の問題を本質的に有している。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている技術でも、溶融金属と濡れ性の悪い材料については検討されていない。そのため、特許文献２の溶融金属めっき浴用滑り軸受け構造を溶融めっき金属浴から引き上げ、その温度が低下すると、セラミックス製滑り軸受けとロールホルダーアームとが溶融金属を介して固着する。したがって、かかる技術によっても、セラミックス製滑り軸受が圧縮破壊しやすく、軸受の耐久性が低下しやすいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明では、耐久性を向上させることが可能な、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、セラミックス製軸受（１０）と、該セラミックス製軸受（１０）を保持すべき金属製軸受ホルダー（２０）とを具備する溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）であって、セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間、及び、セラミックス製軸受（１０）の端部に、めっき浴（５）の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材（３１、３２、３２）、が配設されていることを特徴とする、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）により、上記課題を解決する。
【００１１】
ここに、本発明にかかる軸受（１０）を形成すべきセラミックス材料の具体例としては、サイアロン、窒化ケイ素等を挙げることができる。また、金属製ホルダー（２０）を形成すべき金属材料の具体例としては、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ）を挙げることができる。さらに、溶融金属めっき浴（５）に含まれる溶融金属の具体例としては、亜鉛、亜鉛−アルミニウム合金、等を挙げることができる。また、「セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間に保護部材（３１、３２、３２）が配設されている」とは、保護部材（３１、３２、３２）の一部が当該部位に配設される形態をも含む概念である。さらに、「セラミックス製軸受（１０）の端部に保護部材（３１、３２、３２）が配設されている」とは、セラミックス製軸受（１０）の端部と金属製軸受ホルダー（２０）とが直接接触することを防止可能な形態で、保護部材（３１、３２、３２）の少なくとも一部が配設されていることを意味している。加えて、保護部材（３１、３２、３２）の構成材料は、めっき浴（５）の溶融金属と濡れ性の悪い材料であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、カーボン系材料（中でもカーボン焼成品）を挙げることができる。
【００１２】
また、「溶融金属と濡れ性の悪い材料」とは、その材料を溶融金属浴に浸漬して引き上げたときに、図８（Ａ）に示すように、その材料の表面に溶融金属がほとんど付着しないものをいう。これに対し、図８（Ｂ）に示すように、材料の表面に溶融金属が付着し、そのまま固着する材料は、「溶融金属と濡れ性の悪い材料」ではない。なお、図８（Ａ）は、カーボン焼成品を、図８（Ｂ）は、タングステンカーバイドを溶射した材料を、溶融亜鉛めっき浴中に浸漬した後、浴外へ引き上げた状態をそれぞれ示す写真である。図８（Ａ）では材料表面にめっき浴金属の亜鉛がまったく付着しておらず、カーボン焼成品が溶融亜鉛に対して極めて濡れ性の悪い材料であることが示されている。一方、図８（Ｂ）においては材料表面全面にめっき浴金属の亜鉛が付着しており、タングステンカーバイドを溶射した材料は溶融亜鉛に対して濡れ性の悪い材料ではないことが示されている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２）が、シート状部材（３１）と、前記セラミックス軸受へと加えられる応力を緩和すべき緩衝部材（３２、３２）とからなり、シート状部材（３１）がセラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間に配設されるとともに、緩衝部材（３２、３２）がセラミックス製軸受（１０）の端部に配設されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料の熱膨張係数をα１、セラミックス製軸受（１０）を構成するセラミックスの熱膨張係数をα２、及び、金属製軸受ホルダー（２０）を構成する金属の熱膨張係数をα３、とするとき、α２＜α１＜α３であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料のヤング率をＥ１、セラミックス製軸受（１０）を構成するセラミックスのヤング率をＥ２とするとき、Ｅ１≦Ｅ２であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）において、緩衝部材（３２、３２）が、バネ機能を備える保持部材（３５、３５）を介して、金属製軸受ホルダー（２０）に取り付けられていることを特徴とする。
【００１７】
ここに、バネ機能とは、緩衝部材（３２、３２）を経てセラミックス軸受（１０）へと加えられる応力を一定以下にする機能を意味している。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）が、セラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）との間、及び、セラミックス製軸受（１０）の端部に配設されるので、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を低減することが可能になる。また、保護部材（３１、３２、３２）が、めっき浴の溶融金属と濡れ性の悪い材料からなるので、当該保護部材（３１、３２、３２）上に溶融金属が固着することを抑制する。したがって、本発明によれば、溶融金属を介してセラミックス製軸受（１０）と金属製軸受ホルダー（２０）とが固着することを抑制して、耐久性を向上し得る溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）が、シート状部材（３１）と緩衝部材（３２、３２）とからなるので、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を容易に低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）の耐久性を容易に向上することが可能になる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料の熱膨張係数α１が、セラミックスの熱膨張係数α２と金属の熱膨張係数α３との間である。そのため、保護部材（３１、３２、３２）により、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を低下させることが容易になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、保護部材（３１、３２、３２）を構成する材料のヤング率Ｅ１が、セラミックスのヤング率Ｅ２よりも小さい。そのため、保護部材（３１、３２、３２）により、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力を容易に低下させることが可能になる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、緩衝部材（３２、３２）が、バネ機能を備える保持部材（３５、３５）を介して、金属製軸受ホルダー（２０）に取り付けられている。そのため、本発明によれば、セラミックス製軸受（１０）へと加えられる応力が一定以上となることを防止し得る、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（１００）を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
溶融金属めっき浴中で使用されるシンクロール等の耐久性を向上させるため、これまでに、軸受をセラミックス製とする技術が開示されてきているが、溶融金属めっき浴から空気中へロールを引き上げると、セラミックス製の軸受に応力が集中して当該軸受が破損し、軸受の耐久性が低下しやすい。そこで、本発明者らは、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置の構造について鋭意検討した結果、セラミックス製軸受へと加えられる応力を低減可能な構造を見出し、本発明を完成するに至った。
【００２４】
本発明の理解を容易にするため、最初に、滑り軸受装置の開発過程の概略を、以下に示す。
【００２５】
セラミックス製軸受（以下において単に「軸受」と記述することがある。）と金属（ステンレス鋼）製軸受ホルダー（以下において単に「軸受ホルダー」と記述することがある。）とが直接接触する形態（以下において「形態Ａ」と記述する。）の、従来の滑り軸受装置を、空気中（例えば、２０℃程度。以下において同じ。）から溶融金属めっき浴（例えば、溶融亜鉛めっき浴の場合、５００℃程度。以下において同じ。）へ入れると、金属はセラミックスよりも熱膨張係数が大きいので、軸受ホルダーと軸受との間に発生する隙間に、溶融金属が侵入する。その後、形態Ａにかかる滑り軸受装置を溶融金属浴から空気中へと引き上げると、上記隙間に侵入した溶融金属が凝固し、熱収縮が少ないセラミックス製軸受に圧縮応力が加わり、当該軸受の中央部が破断する。このように、形態Ａにかかる滑り軸受装置では、セラミックス製軸受の中央部が破損し、その耐久性が低下しやすい。
【００２６】
上記破損を防止するため、滑り軸受装置を、めっき浴の溶融金属に対して濡れ性の悪いカーボン系のシート状部材を、軸受と軸受ホルダーとの間に配設した形態（以下において「形態Ｂ」と記述する。）とした。その結果、カーボン系のシート状部材は、セラミックス及び金属の熱膨張による寸法誤差を緩和すると共に、めっき浴の溶融金属に濡れないことから、軸受と軸受ホルダーとの固着が防止され、軸受中央部の破損は防止された。しかし、形態Ｂにかかる滑り軸受装置をめっき浴から空気中へ引き上げた時に、軸受の端部が破損した。
【００２７】
上記形態Ａ及び形態Ｂにかかる滑り軸受装置の破損形態を、熱応力計算により追跡調査した。その結果を図６に示す。図６（Ａ）は、形態Ａにかかる滑り軸受装置の調査結果を示す一方、図６（Ｂ）は、形態Ｂにかかる滑り軸受装置の調査結果を示している。図６（Ａ）及び（Ｂ）において、低応力部位は濃い色で、高応力部位は薄い色で、それぞれ表される。
【００２８】
図６（Ａ）より、カーボン系の保護部材を備えない場合には、軸受の背面全体が軸受ホルダーに固着するため、軸受及び軸受ホルダーの熱収縮差に起因する応力は、軸受の背面全体に分散される。これに対し、セラミックス製軸受の背面にカーボン系の保護部材が備えられる場合には、保護部材と溶融金属との濡れ性が悪いので、軸受背面と軸受ホルダーとの間には固着力が何ら働かず、軸受背面が軸受ホルダーに対して滑る。それゆえ、軸受及び軸受ホルダーの熱収縮差に起因する応力が、軸受の端部に集中的に加えられ、当該端部の最大応力が２．２６ＧＰａにまで上昇し（図６（Ｂ）参照）、破損することが分かった。
【００２９】
そこで、形態Ａ及び形態Ｂにかかる滑り軸受装置の破損を防止可能とする観点から、軸受と軸受ホルダーとの間にシート状のカーボン系保護部材を配設するとともに、軸受の端部にカーボン系の緩衝部材が配設される形態（以下において、「形態Ｃ」と記述することがある。）の滑り軸受装置について、熱応力計算を実施した。当該熱応力計算の結果を、図７に示す。図７（Ａ）は、形態Ｃにかかる滑り軸受装置の熱応力計算結果を示しており、図７（Ｂ）は、形態Ｃにかかる滑り軸受装置に備えられるセラミックス製軸受の熱応力計算結果を示している。図７（Ａ）及び（Ｂ）において、低応力部位は濃い色で、高応力部位は薄い色で、それぞれ表される。
【００３０】
図７（Ｂ）に示すように、シート状のカーボン系保護部材とカーボン系の緩衝部材とを備える形態とすることにより、セラミックス製軸受に加えられる最大応力を１．２４ＧＰａにまで低減可能であった。すなわち、軸受と軸受ホルダーとの間、及び、軸受の端部に、溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる部材を配設すれば、セラミックス製軸受へと加えられる応力を低減することが可能になる。さらに、後述するように、前記緩衝部材が、バネ機構を備える保持部材介して前記金属製軸受ホルダーが取り付けられた構造とすることで、軸受へと加えられる応力を飛躍的に低下させることができる。
【００３１】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【００３２】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置（以下において、単に「軸受装置」という。）と、当該軸受装置と接触すべきシンクロールのロール軸とを示す概略図である。図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる軸受装置及び上記ロール軸を概略的に示す正面図、図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる軸受装置及び上記ロール軸を概略的に示す側面図であり、図１（Ａ）及び（Ｂ）では緩衝部材のみに模様を付して示している。これに対し、図１（Ｃ）は図１（Ａ）と、図１（Ｄ）は図１（Ｂ）とそれぞれ対応する図であり、図１（Ｃ）及び（Ｄ）では、緩衝部材を保持すべき保持部材にのみ模様を付して示している。なお、本発明の軸受装置の構造を容易に理解可能とするため、図１（Ａ）〜（Ｄ）では、各部材を適宜透視して示している。
【００３３】
一方、図２は、溶融金属めっき浴中における、シンクロール、コレクトロール、及び、スタビライズロールの配置形態例と、第１実施形態にかかる軸受装置の配置形態例とを示す概略図である。他方、図３は、第１実施形態にかかる軸受装置に備えられる、緩衝部材及び当該緩衝部材を保持すべき保持部材のみを抽出して概略的に示す斜視図である。図３（Ａ）は、緩衝部材及び保持部材を示す斜視図、図３（Ｂ）は、緩衝部材のみを示す斜視図、図３（Ｃ）は、保持部材のみを示す斜視図である。以下、図１〜図３を適宜参照しつつ、本発明の軸受装置について説明する。
【００３４】
図１に示すように、第１実施形態にかかる本発明の軸受装置１００は、セラミックス製の軸受１０と、当該軸受１０を保持する金属（ステンレス鋼）製の軸受ホルダー２０とを備え、軸受１０と軸受ホルダー２０との間には、シート状のカーボン系部材３１が配設されている。そして、軸受１０の端部には、当該軸受１０の端面及び両側面の一部と接触可能な「コの字型」形状を有するカーボン系の緩衝部材３２、３２が配設され、当該緩衝部材３２、３２は、その下方から、保持部材３５、３５によって支えられている。
【００３５】
図２に示すように、シンクロール１０００、コレクトロール２０００、及び、スタビライズロール３０００は、溶融金属めっき浴５内で使用される。連続焼鈍炉で焼鈍された薄鋼板３は、溶融金属めっき浴５へ進入すると、シンクロール１０００によって上方へ方向転換された後、当該シンクロール１０００の上方に配置されるコレクトロール２０００及びスタビライズロール３０００によって、反りや振動を抑制される。そして、これらのロール１０００、２０００、３０００を経た鋼板３は、めっき浴面直上に設置されるガスワイピング装置（不図示）によって余剰めっきを払拭されることにより、所定のめっき付着量へ調整される。このように、溶融金属めっき浴５内において、薄鋼板３は、シンクロール１０００によって上方へ方向転換されるため、シンクロール１０００のロール軸１には鉛直方向上方への力が加わりやすい。そこで、当該ロール軸１を受ける本発明の軸受装置１００は、ロール軸１の上方に配置されている（図１、図２参照）。
【００３６】
このように、シート状のカーボン系部材３１（以下において、単に「部材３１」と記述することがある。）を、軸受１０と軸受ホルダー２０との間に配設することで、当該軸受１０と軸受ホルダー２０との間に溶融金属が侵入することを抑制できる。さらに、カーボン系部材３１は溶融金属との濡れ性が悪いため、部材３１と軸受１０との間、及び／又は、部材３１と軸受ホルダー３２との間に微量の溶融金属が侵入した場合であっても、溶融金属めっき浴から空気中へ引き出す際に、当該溶融金属は部材３１と固着せず、溶融金属が軸受１０と軸受ホルダー２０との間に滞留することを抑制できる。加えて、微量の金属が、部材３１と軸受１０との間、及び／又は、部材３１と軸受ホルダー２０との間に残留したとしても、部材３１・緩衝部材３２、３２を構成するカーボン系材料のヤング率を、必要に応じて、軸受の構成材料であるセラミックスよりも小さくすれば、当該残留金属に起因する応力を、これらのカーボン系材料によって緩和することが可能になる。したがって、上記構成とすれば、凝固した金属を介して軸受１０と軸受ホルダー２０とが固着することを防止可能である。
【００３７】
他方、図３に示すように、本発明にかかる緩衝部材３２は、保持部材３５によって保持され、緩衝部材３２の凹部に、軸受１０が配設される（図１参照）。そして、緩衝部材３２を下方から保持する保持部材３５には、梁部３５ａが溶接されており、当該梁部３５ａと軸受ホルダー２０とを溶接することにより、緩衝部材３２及び保持部材３５が軸受ホルダー２０に取り付けられる。このような構造の梁３５ａと緩衝部材３２を固定すれば、当該梁３５ａがいわゆる板バネとして機能することによって、緩衝部材３２及び軸受１０へ加わる応力を低減することが可能になる。すなわち、上記形態とすることで、一定以上の応力が軸受１０へ加わることを防止し得る、軸受装置１００を提供することが可能になる。
【００３８】
図４は、第２実施形態にかかる本発明の軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきコレクトロールのロール軸とを示す概略図である。図４（Ａ）は、第２実施形態にかかる軸受装置及びコレクトロールのロール軸を概略的に示す正面図、図４（Ｂ）は、同側面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、緩衝部材及び保持部材に模様を付して示している。なお、本発明の軸受装置の構造を容易に理解可能とするため、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、各部材を適宜透視して示している。
【００３９】
図４に示すように、第２実施形態にかかる本発明の軸受装置２００は、ロール軸２を受けるセラミックス製の軸受５０と、当該軸受５０を保持する金属（ステンレス鋼）製の軸受ホルダー６０とを備え、軸受５０と軸受ホルダー６０との間には、シート状のカーボン系部材７１が配設されている。そして、軸受５０は、当該軸受５０の１の端面及びその両側面の一部を接触可能な形状を有するカーボン系の緩衝部材７２、片持ち梁形状の保持部材７５、７５、並びに、部材８１、８１を介して、軸受ホルダー６０に固定されている。本発明の軸受装置２００がかかる形状を有していても、保持部材７５が片持ち梁形状であることによりバネ機能を備えるので、上記第１実施形態の場合と同様に、セラミックス製軸受５０へと加えられる応力を低減することが可能になり、耐久性を向上させ得る軸受装置２００とすることが可能になる。
【００４０】
なお、上記説明では、シンクロール及びコレクトロールのロール軸に対して適用される形態の軸受装置について記述したが、本発明の軸受装置はこれらの形態に限定されるものではなく、スタビライズロールのロール軸に対しても適用可能である。本発明の軸受装置をスタビライズロールのロール軸に対して適用する場合には、上記第２実施形態と同様形態の軸受装置とすれば良い。
【実施例】
【００４１】
１．軸受装置の作製
セラミックス製軸受と、ステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に、厚さ１．５ｍｍのカーボン系材料からなるシート状部材を設置し、当該シート状部材がスラスト方向へずれない様に、軸受のサイド及び端面にカーボン系材料からなる緩衝部材を配設した。その後、緩衝部材の下方に、当該緩衝部材を保持すべき保持部材を配置し、当該保持部材へ溶接することにより取り付けられた梁部とステンレス鋼製軸受ホルダーとを溶接し、実施例にかかる軸受装置を作製した（図１、図３参照）。
【００４２】
これに対し、比較例１にかかる軸受装置として、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受けホルダーとを直接接触させるとともに、上記シート状部材、緩衝部材、及び保持部材を備えない形態の軸受装置を作製した。さらに、比較例２にかかる軸受装置として、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に、厚さ１．５ｍｍのカーボン系材料からなるシート状部材を配設する一方で、上記緩衝部材及び保持部材を備えない形態の軸受装置を作製した。なお、実施例、比較例１、及び比較例２における軸受装置において、セラミックスとしては、サイアロンを、ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３１６Ｌを、カーボン系材料としては、カーボン焼成品を、それぞれ使用した。
また、上記セラミックスの熱膨張係数は３×１０−６／Ｋ、ヤング率は３０３．８ＧＰａ、上記ステンレス鋼の熱膨張係数は１７．８×１０−６／Ｋ、ヤング率は２０５．８ＧＰａ、上記カーボン系材料の熱膨張係数は、８×１０−６／Ｋ、ヤング率は４９ＧＰａであった。さらに、上記軸受、及び、上記軸受ホルダーの、ロール軸径方向の厚さは、それぞれ、２５ｍｍ、５０ｍｍ以上であった。
【００４３】
２．試験
２．１．耐久性試験
溶融亜鉛めっき浴（浴温；４６０〜５６０℃）中で使用されるシンクロールの軸受装置として、実施例、比較例１、及び比較例２にかかる軸受装置をそれぞれ使用し、溶融亜鉛浴を１５日毎に交換した。すなわち、１５日間に亘ってシンクロール及び軸受装置を溶融亜鉛めっき浴中に浸漬して使用した後、溶融亜鉛めっき浴からシンクロール及び軸受装置を引き上げ、引き続き、交換後の溶融亜鉛めっき浴へシンクロール及び軸受装置を入れる、という工程を繰り返した。
【００４４】
２．２．熱応力計算
上記耐久性試験時に軸受へと加えられる応力を評価するため、実施例、比較例１、及び比較例２にかかる軸受装置を４６０℃から２０℃へ冷却した場合に軸受へと加えられる熱応力を、熱応力計算により算出した。計算により得られた、軸受へと加えられる最大応力の結果を、表１にあわせて示す。
【００４５】
【表１】
表１において、「＜ ０．２９」とは、最大応力が０．２９ＧＰａ未満であったことを示している。
【００４６】
３．結果
３．１．耐久試験結果
比較例１及び比較例２にかかる軸受装置の耐久性試験結果を、図５に示す。図５（Ａ）は、３０日使用後における比較例１の軸受装置を、図５（Ｂ）は、１５日使用後における比較例２の軸受装置を、それぞれ示している。図５（Ａ）より、比較例１にかかる軸受装置では、軸受の中央部が破損した。一方で、図５（Ｂ）から、比較例２にかかる軸受装置では、軸受の端部が破損した。また、比較例２にかかる軸受装置は、比較例１にかかる軸受装置よりも耐久性が低下した。
【００４７】
上述のように、ステンレス鋼の熱膨張係数が、セラミックスの熱膨張係数の約５倍であるため、比較例１にかかる軸受装置をめっき浴へ浸漬すると、セラミックス製軸受とステンレス鋼製軸受ホルダーとの間に隙間（約１ｍｍ）が生じ、かかる隙間に溶融亜鉛が侵入する。その後、比較例１にかかる軸受装置を空気中へ引き上げると、軸受装置の温度は亜鉛の凝固点以下となるため、上記隙間に固着した亜鉛が凝固し、当該亜鉛を介して軸受と軸受ホルダーとが固着する。そして、亜鉛を介して固着した軸受及び軸受ホルダーは、その温度が低下するにつれて熱収縮する。ここで、熱膨張係数の値から、軸受ホルダーは軸受よりも収縮しやすい。それゆえ、軸受及び軸受ホルダーの温度が低下すると、これらの間に形成されている隙間の中央部に熱応力が集中する結果、軸受の中央部が破損したものと考えられる。
【００４８】
一方で、比較例２にかかる軸受装置には、軸受と軸受ホルダーとの間にシート状部材が配設されている。そのため、軸受装置を溶融亜鉛浴中に浸漬しても、軸受と軸受ホルダーとの間には０．５ｍｍ以下の隙間しか形成されず、当該隙間に侵入する溶融亜鉛の量は、比較例１のケースよりも少ない。その後、かかる形態の軸受装置を空気中へ引き上げると、溶融亜鉛はカーボン系材料への濡れ性が悪いので、軸受と軸受ホルダーとの隙間に侵入した溶融亜鉛は外部へ排出され、軸受の背面が軸受ホルダーに対して滑る。この状態で、軸受及び軸受ホルダーの温度が低下すると、熱収縮差に起因する応力が軸受端部に集中する。そのため、比較例２にかかる軸受装置では、軸受の端部が破損したものと考えられる。
【００４９】
これに対し、シート状部材、緩衝部材、及び保持部材を備える、実施例にかかる軸受装置では、９０日使用後であっても、軸受が破損しなかった。これは、第１に、軸受と軸受ホルダーとの間に溶融亜鉛と濡れ性の悪いシート状部材が配設されていたため、上記比較例２にかかる軸受装置と同様に、軸受と軸受ホルダーとの隙間に侵入した溶融亜鉛が外部へ排出され、軸受と軸受ホルダーとの固着が防止されたことに起因すると考えられる。また、第２に、実施例にかかる軸受装置では、軸受の端部に、セラミックス及びステンレス鋼よりもヤング率が小さいカーボン系材料からなる緩衝部材を配設したため、軸受端部に集中する応力が当該緩衝部材によって吸収され、軸受端部へと加えられる応力が低減されたものと考えられる。加えて、第３に、バネ機能を備える保持部材によって緩衝部材を保持することで、緩衝部材を経て軸受へと加えられる応力がより一層低減されたためであると考えられる。すなわち、実施例にかかる軸受装置は、上記３つの理由により、軸受へと加えられる応力を低減することが可能であった。
【００５０】
３．２．熱応力計算結果
表１に示すように、比較例１にかかる軸受へ加えられる最大応力は１．７５ＧＰａ、比較例２にかかる軸受へ加えられる最大応力は２．２６ＧＰａであった。これに対し、実施例にかかる軸受装置では、バネ構造を有する保持部材によって緩衝部材を支えたため、軸受へ加えられる最大応力が、バネ構造を有する保持部材を備えない場合の最大応力（１．２４ＧＰａ。図７（Ｂ）参照。）よりもさらに低下し、セラミックスの破断応力（０．２９ＧＰａ）の１／５０以下になった。すなわち、実施例にかかる軸受装置によれば、軸受の破損を抑制可能であるため、本発明によれば、耐久性を向上させ得る軸受装置を提供可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきシンクロールのロール軸とを示す概略図である。
【図２】溶融金属めっき浴中における、シンクロール、コレクトロール、及び、スタビライズロールの配置形態例と、第１実施形態にかかる軸受装置の配置形態例とを示す概略図である。
【図３】第１実施形態にかかる軸受装置に備えられる、緩衝部材及び当該緩衝部材を保持すべき保持部材のみを抽出して概略的に示す外観図である。
【図４】第２実施形態にかかる本発明の軸受装置と、当該軸受装置と接触すべきコレクトロールのロール軸とを示す概略図である。
【図５】溶融金属めっき浴中で使用された、従来の滑り軸受装置の様子を示している。
【図６】従来の滑り軸受装置の熱応力計算結果を示す図である。
【図７】本発明の滑り軸受装置の熱応力計算結果を示す図である。
【図８】（Ａ）はカーボン焼成品を、（Ｂ）はタングステンカーバイドを溶射した材料を、溶融亜鉛めっき浴中に浸漬した後、浴外へ引き上げた状態をそれぞれ示す写真である。
【符号の説明】
【００５２】
１、２ ロール軸
５ 溶融金属めっき浴
１０、５０ セラミックス製軸受
２０、６０ 金属製軸受ホルダー
３１、７１ シート状部材（保護部材）
３２、７２ 緩衝部材（保護部材）
３５、７５ 保持部材
３５ａ 梁
１００、２００ 溶融金属めっき浴用滑り軸受装置
１０００ シンクロール
２０００ コレクトロール
３０００ スタビライズロール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製軸受と、該セラミックス製軸受を保持すべき金属製軸受ホルダーとを具備する溶融金属めっき浴用滑り軸受装置であって、
前記セラミックス製軸受と前記金属製軸受ホルダーとの間、及び、前記セラミックス製軸受の端部に、めっきの溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材、が配設されていることを特徴とする、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項２】
前記保護部材が、シート状部材と、前記セラミックス製軸受けへと加えられる応力を緩和すべき緩衝部材とからなり、前記シート状部材が前記セラミックス製軸受と前記金属製軸受ホルダーとの間に配設されるとともに、前記緩衝部材が前記セラミックス製軸受の端部に配設されることを特徴とする、請求項１に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項３】
前記保護部材を構成する前記材料の熱膨張係数をα１、前記セラミックス製軸受を構成するセラミックスの熱膨張係数をα２、及び、前記金属製軸受ホルダーを構成する金属の熱膨張係数をα３、とするとき、α２＜α１＜α３であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項４】
前記保護部材を構成する前記材料のヤング率をＥ１、前記セラミックス製軸受を構成するセラミックスのヤング率をＥ２とするとき、Ｅ１≦Ｅ２であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項５】
前記緩衝部材が、バネ機能を備える保持部材を介して、前記金属製軸受ホルダーに取り付けられていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項１】
セラミックス製軸受と、該セラミックス製軸受を保持すべき金属製軸受ホルダーとを具備する溶融金属めっき浴用滑り軸受装置であって、
前記セラミックス製軸受と前記金属製軸受ホルダーとの間、及び、前記セラミックス製軸受の端部に、めっきの溶融金属と濡れ性の悪い材料からなる保護部材、が配設されていることを特徴とする、溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項２】
前記保護部材が、シート状部材と、前記セラミックス製軸受けへと加えられる応力を緩和すべき緩衝部材とからなり、前記シート状部材が前記セラミックス製軸受と前記金属製軸受ホルダーとの間に配設されるとともに、前記緩衝部材が前記セラミックス製軸受の端部に配設されることを特徴とする、請求項１に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項３】
前記保護部材を構成する前記材料の熱膨張係数をα１、前記セラミックス製軸受を構成するセラミックスの熱膨張係数をα２、及び、前記金属製軸受ホルダーを構成する金属の熱膨張係数をα３、とするとき、α２＜α１＜α３であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項４】
前記保護部材を構成する前記材料のヤング率をＥ１、前記セラミックス製軸受を構成するセラミックスのヤング率をＥ２とするとき、Ｅ１≦Ｅ２であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【請求項５】
前記緩衝部材が、バネ機能を備える保持部材を介して、前記金属製軸受ホルダーに取り付けられていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶融金属めっき浴用滑り軸受装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−９３１１（Ｐ２００７−９３１１Ａ）
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９５４５３（Ｐ２００５−１９５４５３）
【出願日】平成１７年７月４日（２００５．７．４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月４日（２００５．７．４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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