專利名稱：熔融金屬鍍浴用輥子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及浸漬在對鋼板實施鍍鋅等鍍金屬的浴中而使用的沉沒輥(sink roll)和支持輥(support roll)等的輥子。
背景技術(shù)：
連續(xù)熔融鍍鋅裝置具有如圖7所示的典型結(jié)構(gòu)。該連續(xù)熔融鍍鋅裝置具有收容熔融鋅浴3的浴槽4；浸漬在熔融鋅浴3的表層部分，用于防止導(dǎo)入在熔融鋅浴3內(nèi)的鋼板1的氧化的突出物(snout)2；配置在熔融鋅浴3中的沉沒輥5；在熔融鋅浴3內(nèi)位于沉沒輥5的上方的支持輥6、6；位于比熔融鋅浴3的表面僅靠上方一點的氣體摩擦接觸噴嘴(gas wipingnozzle)7。沉沒輥5自身不被施加外部驅(qū)動力，通過與移動的鋼板1的接觸而被驅(qū)動。而且，支持輥6、6，其一方是與外部馬達(dá)(未圖示)連接的驅(qū)動輥，另一方是非驅(qū)動輥。另外，支持輥也存在不被施加外部驅(qū)動力的無驅(qū)動類型。沉沒輥5以及一對支持輥6、6安裝在框架(未圖示)上，總是作為一體浸漬在熔融鋅浴3內(nèi)。
鋼板1經(jīng)過突出物2進(jìn)入到熔融鋅浴3內(nèi)，經(jīng)由沉沒輥5而改變行進(jìn)方向。從熔融鋅浴3中上升的鋼板1被一對支持輥6、6夾持，保持其平衡并防止發(fā)生翹曲和振動。氣體摩擦接觸噴嘴7對從熔融鋅浴3出來的鋼板1噴吹高速氣體。通過高速氣體的氣壓和噴吹角度，來將附著在鋼板1上的熔融鋅的厚度調(diào)整均勻。這樣，可獲得被實施了熔融鋅鍍敷的鋼板1’。
由于在熔融金屬鍍浴中所使用的沉沒輥和支持輥，處于由于熔融金屬引起的顯著腐蝕性的環(huán)境下，所以，以往至今是由具有優(yōu)異的耐腐蝕性的不銹鋼或鉻系耐熱鋼等鐵系材料形成。但是，這些輥中存在有下述缺點，即由于長時間浸漬在熔融金屬浴中，使得其表面被侵蝕，所以導(dǎo)致容易磨損。因此，提出了一種熔融金屬鍍浴用輥子，其由耐腐蝕性、耐熱性以及耐磨損性優(yōu)異的陶瓷構(gòu)成鋼板所接觸的輥子主體部。
特開平5-195178號公開了一種支持輥，其在熔融金屬鍍浴中與鋼帶接觸旋轉(zhuǎn)，由鋼制中空輥，和以噴鍍在所述鋼制中空輥表面的氧化物或碳化物為主要成分的陶瓷皮膜構(gòu)成，在所述陶瓷皮膜的表面上形成表面粗糙度為1.0～30μm的暗區(qū)(dull)。如果將噴鍍陶瓷皮膜的表面粗糙度Ra形成為1.0～30μm，則會增大輥子與鋼板之間的摩擦力，可防止輥子的旋轉(zhuǎn)不良，和鋼板由此而產(chǎn)生的缺陷。但是，由于在鐵系材料制輥子母材的表面上噴鍍了陶瓷，所以，由于母材與陶瓷皮膜的熱膨脹率之差，會在陶瓷皮膜上產(chǎn)生裂縫(crack)，使得輥子從該處被侵蝕，存在會被顯著磨損的缺點。
由于如果磨損顯著，則無法維持輥子的圓度，會在輥子和鋼板上產(chǎn)生振動，所以，不能夠得到均勻鍍敷厚度的鋼板。因此，以往在連續(xù)使用1～2周之后，需要停止鍍敷作業(yè)，來更換磨損了的輥子。這樣不僅會使熔融金屬鍍敷的生產(chǎn)率顯著下降，還會導(dǎo)致鍍敷成本的增加。
特開2001-89836號公開了一種熔融金屬鍍浴用輥子，其以氮化硅系陶瓷分別形成中空狀的輥子主體部和軸部，通過嵌合或螺合將軸部接合在輥子主體部的兩端部。由于該輥子其整體由陶瓷形成，所以，具有優(yōu)越的耐腐蝕性、耐熱性和耐磨損性。
另外，特開2001-89837號公開了一種連續(xù)熔融金屬鍍敷用輥子，其以氮化硅系陶瓷分別形成中空狀的輥子主體部和軸部，通過嵌合或螺合將軸部接合在輥子主體部的兩端部，在軸部的外周上形成用于排出熔融金屬的孔。
并且，特開平2003-306752號公開了一種連續(xù)熔融金屬鍍敷用輥子，其由陶瓷分別形成中空狀的輥子主體部、軸部以及驅(qū)動離合器部，將軸部嵌合在輥子主體部的兩端部，使得在輥子主體部的內(nèi)面和軸部的外面之間具有間隙，并且在將驅(qū)動離合器部嵌合在驅(qū)動側(cè)的軸部上，使得驅(qū)動側(cè)的軸部外面與驅(qū)動離合器部的內(nèi)面之間具有間隙的同時，通過螺釘或銷等部件將各自的嵌合部固定。
但是，在特開2001-89836號、特開2001-89837號以及特開平2003-306752號中所使用的氮化硅系陶瓷，都是由例如87重量％的α-Si3N4、5重量％的Al2O3、3重量％的AlN和5重量％的Y2O3構(gòu)成的硅鋁氧氮耐熱陶瓷(sialon)，由于其熱傳導(dǎo)率不過為17W/(m·K)左右，所以，耐熱沖擊性不足。因此，如果浸漬到熔融金屬浴中，會有被熱沖擊破壞之虞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種熔融金屬鍍浴用的氮化硅系陶瓷輥子，該輥子具有高耐熱沖擊性，可防止在使用時由于熱沖擊的破壞，并且，減少與鋼板的打滑，能夠可靠地追隨鋼板行進(jìn)速度的變化。
即，本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，由與鋼板接觸的中空狀主體部、和與所述主體部接合的軸部構(gòu)成，至少所述主體部由常溫下的熱傳導(dǎo)率為50W/(m·K)以上的氮化硅系陶瓷構(gòu)成，所述主體部的平均表面粗糙度Ra為1～20μm。
所述氮化硅系陶瓷是以氮化硅為主要成分的燒結(jié)體，優(yōu)選該燒結(jié)體中的鋁含有量為0.2重量％以下，氧含有量為5重量％以下。并且，所述氮化硅系陶瓷的相對密度為98％以上，常溫的4點彎曲強(qiáng)度為700MPa以上。
優(yōu)選所述氮化硅系陶瓷的系數(shù)R[以R＝σc(1-v)/Eα(σc常溫下的4點彎曲強(qiáng)度(MPa)、v常溫下的泊松比、E常溫下的楊氏模量(GPa)、α從常溫到800℃的平均熱膨脹系數(shù))來表示。]為600以上。
優(yōu)選所述主體部的內(nèi)面由兩端側(cè)的大徑區(qū)域和中央的小徑區(qū)域構(gòu)成，所述軸部具有小徑部、凸緣部和大徑部，所述軸部的大徑部接合在所述主體部的大徑區(qū)域上。
優(yōu)選在所述軸部上形成有多道穿過所述大徑部以及所述凸緣部的長度方向槽部，在所述軸部與所述主體部的兩端部接合的狀態(tài)下，所述槽部形成與所述輥子的內(nèi)部連通的孔。
在本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子中，優(yōu)選所述軸部的大徑部通過熱壓配合與所述主體部的內(nèi)面的大徑區(qū)域接合。優(yōu)選所述主體部的大徑區(qū)域和所述軸部的大徑部的熱壓配合率在0.01/1000～0.5/1000的范圍內(nèi)。
優(yōu)選所述主體部的小徑區(qū)域的內(nèi)徑Sb與主體部的大徑區(qū)域的內(nèi)徑Sa之比為0.9以上而小于1.0。
優(yōu)選在輥子軸線方向上，所述主體部的大徑區(qū)域比所述軸部的大徑部長，因此，在所述主體部的小徑區(qū)域的端部與所述軸部的內(nèi)端之間存在間隙。該間隙作為退讓部，起到避開所述主體部的小徑區(qū)域和所述軸部的大徑區(qū)域的前端部接觸的作用。
優(yōu)選所述軸部的大徑部的有效長度LS(熱壓配合長度)與所述軸部的大徑部的外徑DS(熱壓配合直徑)之比為0.5～2.0。而且，優(yōu)選所述主體部的外徑Sout與所述軸部的小徑部的外徑Ds之比為2～10。
由于本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子，由高熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷形成，所以，在實際的連續(xù)熔融金屬鍍敷生產(chǎn)線中，輥子表面和內(nèi)部的傳熱快，不容易引起由于熱應(yīng)力引起的裂紋或破壞。即，本發(fā)明的輥子具有優(yōu)異的耐熱沖擊性。至少需要與鋼板接觸的、最要求耐熱沖擊性的主體部由高熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷構(gòu)成。以使熱膨脹率完全相同為目的，優(yōu)選主體部和軸部兩者都由高熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷構(gòu)成，根據(jù)使用條件等，軸部也可以由高熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷以外的陶瓷形成。對此，由于特開2001-89836號、特開2001-89837號以及特開平2003-306752號中所記載的以往的氮化硅系陶瓷，在常溫下的熱傳導(dǎo)率都不過是17W/(m·K)左右，所以，在連續(xù)熔融金屬鍍敷生產(chǎn)線中使用時，其耐熱沖擊性不足。本發(fā)明中所使用的氮化硅系陶瓷在常溫下具有50W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，其原因是降低了作為雜質(zhì)而存在的鋁和氧的含有量。
由于本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子，其主體部的大徑區(qū)域和軸部的大徑部通過熱壓配合接合在一起，所以，即使長時間浸漬在熔融金屬鍍浴中，軸部也不會從主體部脫離，可進(jìn)行長時間的連續(xù)熔融金屬鍍敷。而且，也不需要螺合安裝主體部和軸部時的繁雜螺栓加工，使得組裝變得容易，從而也可以降低制作成本。
并且，由于在輥子的主體部和軸部之間具有多個與輥子內(nèi)部連通的孔，所以，在將輥子浸漬到熔融金屬鍍浴中時，熔融金屬會立即進(jìn)入輥子內(nèi)，通過減小輥子內(nèi)外的溫度差，進(jìn)一步抑制了熱沖擊，并且，在將輥子從熔融金屬鍍浴中取出時，可盡快從輥子內(nèi)排除熔融金屬，防止在輥子內(nèi)凝固大量的熔融金屬。由于主體部的小徑區(qū)域的內(nèi)徑比大徑區(qū)域的內(nèi)徑足夠得小，所以，輥子內(nèi)的熔融金屬變得可順暢地向多個孔的方向流動，從而可以從多個孔快速排出。


圖1(a)是表示本發(fā)明一實施方式的熔融金屬鍍浴用輥子的剖視圖。
圖1(b)是表示圖1(a)的輥子的左半部分的局部剖視分解圖。
圖2是圖1(a)的A-A端面圖。
圖3是圖1(a)所示的輥子的右側(cè)視圖。
圖4是表示在圖1(a)所示的輥子的左右軸部上形成的多道槽部的位置關(guān)系的圖。
圖5是表示圖1(a)所示的輥子的熱壓配合部的局部放大剖視圖。
圖6是表示旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗用套筒(sleeve)組裝體的剖視圖。
圖7是表示連續(xù)熔融鋅鍍敷裝置的概略圖。
具體實施例方式氮化硅系陶瓷本發(fā)明的輥子，至少主體部由高熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷形成。氮化硅系陶瓷自身可與特開2001-335368號所記載的陶瓷相同。
存在于氮化硅系陶瓷中的鋁和氧成為聲子(phonon)散射源，使熱傳導(dǎo)率降低。氮化硅系陶瓷由氮化硅粒子和其周圍的晶界相構(gòu)成，鋁和氧含有在這些相中。由于鋁具有與硅相近的離子半徑，所以，容易固溶于氮化硅粒子內(nèi)。由于鋁的固溶，氮化硅粒子自身的熱傳導(dǎo)率會降低，使得氮化硅系陶瓷的熱傳導(dǎo)率顯著降低。因此，必須盡量減少氮化硅系陶瓷中的鋁的含有量。
作為燒結(jié)助劑而添加的氧化物中的氧大多存在于晶界相中。為了達(dá)到氮化硅系陶瓷的高熱傳導(dǎo)率化，需要降低與氮化硅粒子相比熱傳導(dǎo)率低的晶界相的量。燒結(jié)助劑的添加量的下限是可獲得具有85％以上相對密度的燒結(jié)體的量。需要通過在該范圍內(nèi)盡量減少燒結(jié)助劑的添加量，使晶界相中的氧量減少。
若將氧量少的氮化硅粉末作為原料，則由于可減少晶界相中的氧量，所以，可減少晶界相的量自身，使得燒結(jié)體達(dá)到高熱傳導(dǎo)率化，但是由于燒結(jié)過程中所生成的SiO2的量減少，使其具有難燒結(jié)性?？墒?，如果將與其他氧化物相比具有優(yōu)異燒結(jié)性的MgO作為燒結(jié)助劑，則可減少燒結(jié)助劑的添加量，從而得到致密的燒結(jié)體。結(jié)果，燒結(jié)體的熱傳導(dǎo)率會飛躍提高。
作為能與鎂一同添加的燒結(jié)助劑可舉出，Y、La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等周期表的第3a族元素(IIIA)。其中，從燒結(jié)溫度和壓力不會過高的點出發(fā)，優(yōu)選采用Y、La、Ce、Gd、Dy、Yb。
本發(fā)明中所使用的氮化硅系陶瓷在常溫下的熱傳導(dǎo)率為50W/(m·K)以上，更優(yōu)選為60W/(m·K)以上。因此，對于氮化硅系陶瓷中的氧含有量而言，為了獲得50W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為5重量％以下，為了獲得60W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為3重量％以下。另外，對于氮化硅粒子中的氧含有量而言，為了獲得50W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為2.5重量％以下，為了獲得60W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為1.5重量％以下。并且，對于氮化硅系陶瓷中的鋁的含有量而言，為了獲得50W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為0.2重量％以下，為了獲得60W/(m·K)以上的熱傳導(dǎo)率，為0.1重量％以下。
優(yōu)選氮化硅系陶瓷中的鎂(以MgO換算)與周期表第3a族元素(IIIA)(以氧化物(IIIA2O3)換算)的合計量為0.6～7重量％。若該合計量不足0.6重量％，則燒結(jié)體的相對密度不足95％，不充分。另一方面，若超過7重量％，則熱傳導(dǎo)率低的晶界相的量過剩，使得燒結(jié)體的熱傳導(dǎo)率不足50W/(m·K)。更優(yōu)選MgO+IIIA2O3為0.6～4重量％。
優(yōu)選MgO/IIIA2O3的重量比為1～70，更優(yōu)選為1～10，最優(yōu)選為1～5。若MgO/IIIA2O3不足1，則由于晶界相中的稀土類氧化物的比例過多，所以具有難燒結(jié)性，而無法獲得致密的燒結(jié)體。另外，若MgO/IIIA2O3超過70，則無法抑制燒結(jié)時Mg的擴(kuò)散，會在燒結(jié)體表面上產(chǎn)生顏色不均。如果MgO/IIIA2O3在1～70的范圍，則通過在1650～1850℃下的燒結(jié)，熱傳導(dǎo)率會顯著增高。若在1800～2000℃下對燒結(jié)體進(jìn)行熱處理，則熱傳導(dǎo)率會進(jìn)一步增高。由熱處理實現(xiàn)的高熱傳導(dǎo)率化，通過氮化硅粒子的生長和蒸汽壓高的MgO的揮發(fā)而實現(xiàn)。
優(yōu)選氮化硅粒子中的鋁、鎂以及周期表第3a族元素(IIIA)的合計量為1.0重量％以下。
如果在氮化硅系燒結(jié)體中的β型氮化硅粒子中，短軸直徑為5μm以上的β型氮化硅粒子的比例超過10體積％，則燒結(jié)體的熱傳導(dǎo)率會提高，但是，由于導(dǎo)入到組織中的粗大粒子作為破壞的起點而起作用，所以，破壞強(qiáng)度顯著降低，而無法獲得700MPa以上的彎曲強(qiáng)度。因此，優(yōu)選在氮化硅系燒結(jié)體中的β型氮化硅粒子中，短軸直徑為5μm以上的β型氮化硅粒子的比例為10體積％以下。同樣，為了抑制導(dǎo)入到組織中的粗大粒子作為破壞的起點而起作用，優(yōu)選β型氮化硅粒子的縱橫比(aspect ratio)為15以下。
至少形成輥子主體部的氮化硅系陶瓷，需要對急劇的溫度變化具有足夠的阻力。相對急劇的溫度變化的阻力以下述公式(1)R＝σc(1-v)/Eα…(1)(其中，σc常溫下的4點彎曲強(qiáng)度(MPa)、v常溫下的泊松比、E常溫下的楊氏模量(GPa)、α從常溫到800℃的平均熱膨脹系數(shù))表示的系數(shù)來表示。優(yōu)選系數(shù)R為600以上，更優(yōu)選為700以上。如果系數(shù)R小于600，則輥子有破壞之虞。系數(shù)R由對從輥子切下的試驗片進(jìn)行測量后的、常溫下的點彎曲強(qiáng)度σc(MPa)、常溫下的松比v、常溫下的楊氏模量E(GPa)以及從常溫到800℃的平均熱膨脹系數(shù)α求出。常溫下的強(qiáng)度也可以稱作破壞強(qiáng)度。
輥子(1)構(gòu)造圖1(a)表示本發(fā)明一實施方式所涉及的熔融金屬鍍浴用輥子的剖面形狀，圖1(b)表示一方的軸部從主體部拔出的狀態(tài)的輥子。該輥子在圖7所示的熔融金屬鍍浴中作為支持輥6而使用。輥子6由中空圓筒狀的主體部10、通過熱壓配合接合在主體部10的各端部的軸部20和21、以及各軸部20和21的蓋狀推力承受部件22和23構(gòu)成。由于推力承受部件22、23在支持輥6的旋轉(zhuǎn)中與軸承(未圖示)接觸，承受推力，所以，為了緩和推力，其前端部是緩和的曲面。
主體部10是一體的中空圓筒體，具有由兩端側(cè)的大徑區(qū)域10a、10a，和壁厚比其厚的位于主體部10中央的小徑區(qū)域10b構(gòu)成。另外，軸部20是一體的中空圓筒體，具有小徑部20a、直徑緩和地擴(kuò)大的凸緣部20b和大徑部20c。蓋狀推力承受部件22嵌合在小徑部20的開口端。軸部21也具有相同的構(gòu)造。
為了在將支持輥6浸漬到熔融金屬浴中時，熔融金屬進(jìn)入到輥子6內(nèi)，輥子6內(nèi)外的溫度差迅速消失，并且，在從熔融金屬浴將其取出時，熔融金屬也會從輥子6迅速排出，必須在主體部10和軸部20、21之間分別存在間隙。因此，在各軸部20、21上形成有長度方向槽部25、26，各槽部25、26在軸部20、21與主體部10接合時成為孔25a、26a。
由于軸部20、21具有相同的槽部25、26，所以，僅對軸部20的槽部25進(jìn)行說明。如圖1(a)、圖1(b)以及圖4所示，在軸部20的凸緣部20b以及大徑部20c的外周面上，沿著圓周方向以均等的間隔形成有六道長度方向槽部25。槽部25的道數(shù)沒有限定，例如可以是4道也可以是8道。槽部25的剖面形狀(寬度、深度等)，考慮熱壓配合時大徑部20c的強(qiáng)度、熔融金屬流通的容易程度等來決定。
圖4表示左右凸緣部20b、21b中的槽部25、26的配置關(guān)系。槽部25和槽部26在圓周方向上錯移30°。即，在軸線方向觀察時，槽部25、26配置為交錯狀。因此，如果將支持輥6從浴槽外浸漬到熔融鋅浴內(nèi)，則無論支持輥6位于哪一個旋轉(zhuǎn)位置，熔融金屬都可以立即進(jìn)入孔25a、26a的任意一個。而且，在支持輥6的旋轉(zhuǎn)中，熔融金屬也可以立即進(jìn)入孔25a、26a的任意一個。在將支持輥6從熔融鋅浴內(nèi)向浴槽外取出時，無論支持輥6位于哪一個旋轉(zhuǎn)位置，熔融金屬都可以立即從孔25a、26a的任意一個排出。
圖5放大表示了主體部10與軸部20的熱壓配合部。將主體部10的大徑區(qū)域10a(長度LB)形成得比各軸部20、21的大徑部20c、21c(長度LS)長，使得不會由于軸部20、21的大徑部20c、21c的內(nèi)端與主體部10的小徑區(qū)域10b的端部接觸而破損。由此，會在主體部10的小徑區(qū)域10b的內(nèi)端和各軸部20、21的內(nèi)端之間形成間隙G。通過該間隙G，即使存在加工公差，大徑部20c、21c的內(nèi)端也不會與小徑區(qū)域10b的內(nèi)端接觸。為了圓滑地連接小徑區(qū)域10b和大徑區(qū)域10a，在面對間隙G的小徑區(qū)域10b的兩端部形成有緩和的曲面或錐面10b’。間隙G的長度T優(yōu)選為熱壓配合長度Ls的5％以上，更優(yōu)選為5～20％。為了防止破損，優(yōu)選陶瓷制主體部和軸部中的接觸部的角部具有緩和的曲面或錐面。
優(yōu)選主體部10的小徑區(qū)域10b的內(nèi)徑Sb與主體部的大徑區(qū)域10a的內(nèi)徑Sa之比為0.9以上而小于1.0。如果Sb/Sa在0.9以上而小于1.0的范圍內(nèi)，則在將支持輥6從熔融金屬鍍浴取出時，輥子6內(nèi)的熔融金屬會容易地從孔25a、26a排出。更優(yōu)選Sb/Sa的范圍為0.9～0.95。
為了防止熱壓配合部的破損，優(yōu)選各軸部20、21的大徑部20c、21c的有效長度(熱壓配合長度)LS與外徑DL之比為0.5～2.0。若LS/DL不足0.5，則基于熱壓配合的緊固力不足，軸部20、21容易拔出。另外，如果LS/DL超過2.0，則難以得到各軸部20、21的圓筒精度，使得熱壓配合作業(yè)變得困難，并且，在使用輥子的時候，施加在主體部10與軸部20、21的熱壓配合部的彎曲力矩變大，使得熱壓配合部容易破損。更優(yōu)選LS/DL為0.8～1.3。
優(yōu)選主體部10的外徑Sout和各軸部20、21的小徑部20a、21a的外徑Ds之比為2～10。如果Sout/Ds在2～10的范圍內(nèi)，則即使伴隨著鋼板1的搬送的應(yīng)力作用在軸部20、21上，軸部20、21也不會破損，而是可以跟隨鋼板1旋轉(zhuǎn)。若Sout/Ds不足2，則軸部20、21與軸承的摩擦力變大，難以旋轉(zhuǎn)。另一方面，如果Sout/Ds超過10，則在輥子軸部20、21的頸部會產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力，使其變得容易折損。在支持輥的情況下，優(yōu)選Sout/Ds為2～4。在沉沒輥的情況下，優(yōu)選Sout/Ds為6～10。
(2)熱壓配合在本發(fā)明中，優(yōu)選通過熱壓配合將軸部20、21接合到主體部10。優(yōu)選主體部10與軸部20、21的熱壓配合率在0.01/1000～0.5/1000的范圍內(nèi)。如果熱壓配合率不足0.01/1000，則主體部10對軸部20、21的緊固力不足，會有軸部20、21從主體部10脫落、滑落之虞。另外，如果熱壓配合率超過0.5/1000，則基于熱壓配合的緊固力變得過大，有主體部10或軸部20、21破損之虞。更優(yōu)選熱壓配合率為0.2/1000～0.3/1000。
(3)表面粗糙度在熔融金屬鍍浴中與鋼板接觸的輥子主體部10需要具有1～20μm的算術(shù)平均表面粗糙度Ra。為了使主體部10的表面粗糙度均勻，優(yōu)選通過直徑為10～50μm的鋼球或陶瓷粒子(碳化硅粒子、氧化鋁粒子等)，對輥子主體部10的表面進(jìn)行噴砂或噴丸硬化。具有1～20μm算術(shù)平均粗糙度Ra的主體部10，可以增大與鋼板的摩擦力(不會與鋼板打滑)，從而能夠可靠地追隨鋼板行進(jìn)速度的變化。如果平均表面粗糙度Ra不足1μm，則輥子的隨動性不足。但是如果平均表面粗糙度Ra超過20μm，則由于輥子主體部10的表面凸凹會轉(zhuǎn)印在鍍敷鋼板上，所以不優(yōu)選。輥子主體部10的平均表面粗糙度Ra優(yōu)選為2～10μm，更優(yōu)選為3～5μm。
通過以下的實施例對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的說明，但本發(fā)明并不限定于這些實施例。
參考例1在平均粒徑為0.5μm的氮化硅粉末94.0重量％中，作為燒結(jié)助劑，添加3.0重量％的平均粒徑為0.2μm的氧化鎂粉末，3.0重量％的平均粒徑為2.0μm的氧化釔粉末，并添加適量的分散劑，在乙醇中粉碎、混合。在將所得到的粉末混合物造粒之后，填充到橡膠模子中，進(jìn)行冷靜液擠壓(CIP)，并將所得到的成形體在1950℃、60氣壓的氮氣氣氛中，進(jìn)行5個小時的燒結(jié)。
通過紅外線吸收法測定所獲得的氮化硅系燒結(jié)體中的氧含有量。另外，通過電感等離子發(fā)光分析法(ICP法)，測定氮化硅系燒結(jié)體中的鋁含有量。
氮化硅系燒結(jié)體中的氮化硅粒子的比例(體積％)，是通過拍攝以氫氟酸蝕刻除去晶界相之后的氮化硅系燒結(jié)體的SEM相片，測定SEM相片中的氮化硅粒子的面積比例(相當(dāng)于體積％)來求出的。另外，通過紅外線吸收法測定氮化硅粒子中的氧含有量。并且，通過圖像解析裝置來測定β型氮化硅粒子中，短軸直徑為5μm以上的β型氮化硅粒子的比例。
從所獲得的燒結(jié)體上切下直徑10mm×厚3mm的熱傳導(dǎo)率以及密度測量用的試驗片、和縱3mm×橫4mm×長40mm的4點彎曲試驗用的試驗片。熱傳導(dǎo)率以激光閃光法JIS R1611為基準(zhǔn)，從在常溫下測量的比熱以及熱擴(kuò)散率來算出。相對密度是將通過基于JIS R2205為基準(zhǔn)的阿基米德法實際測量的密度用理論密度除，來求得的。4點彎曲強(qiáng)度是在常溫下以JISR1601為基準(zhǔn)而測定的。
進(jìn)而，從燒結(jié)體上切下試驗片，進(jìn)行從常溫到800℃為止的平均熱膨脹系數(shù)、常溫下的泊松比、以及楊氏模量的測定。表1表示以上的測量結(jié)果。
比較參考例1在平均粒徑為1.0μm的氮化硅粉末88.0重量％中，作為燒結(jié)助劑，添加5.0重量％的平均粒徑為0.5μm的氧化鋁粉末，7.0重量％的平均粒徑為0.8μm的氧化釔粉末，并添加適量的分散劑，在乙醇中粉碎、混合。在將所得到的粉末混合物造粒之后，填充到橡膠模子中，進(jìn)行冷靜液擠壓(CIP)，并將所得到的成形體在1800℃、1個氣壓的氮氣氣氛中，進(jìn)行5個小時的燒結(jié)。對所獲得的氮化硅系燒結(jié)體進(jìn)行與參考例1相同的測量。表1表示其測量結(jié)果。
表1

實施例1使用與參考例1相同的氮化硅系陶瓷，以下述順序制作圖1(a)所示形狀的支持輥6的主體部10和軸部20、21。主體部10由外徑250mm、內(nèi)徑200mm(相當(dāng)于小徑區(qū)域10b的內(nèi)徑)以及長度1800mm的中空圓筒狀燒結(jié)體構(gòu)成，通過機(jī)械加工，在主體部10的內(nèi)面上從各端面向內(nèi)250mm的范圍形成作為熱壓配合部的大徑區(qū)域10a(內(nèi)徑210mm)。將主體部10的小徑區(qū)域10b的端部10b’形成為曲面狀。利用200μm的碳化硅粒子對主體部10的表面實施噴砂處理，使其算術(shù)平均粗糙度Ra為4μm。
通過除了不實施噴砂處理之外全都相同的方法制作軸部20、21。各軸部20、21的小徑部20a、21a，其外徑為90mm、內(nèi)徑為50mm、長度為200mm；凸緣部20b、21b，其外徑為230mm、長度為50mm；大徑部20c、21c，其外徑為210mm、內(nèi)徑為160mm、長度為250mm。其中，軸部20、21的大徑部20c、21c的外徑僅比主體部10的大徑區(qū)域10a的內(nèi)徑大少許(約40μm)。軸部20的全長為500mm。在大徑部20c、21c的外周上，沿著圓周方向均等地形成半圓筒狀的長度方向槽部25(寬20mm，深10mm)。因此，凸緣部20b、21b的槽部25的深度為20mm。將推力承受部件22、23分別嵌入到輥子軸部20、21的外端部。
通過熱壓配合分別將軸部20、21的大徑部20c、21c與主體部10的兩端部的大徑區(qū)域10a接合。熱壓配合率為0.2/1000。如圖5所示，小徑區(qū)域10b的端部與各軸部20、21的內(nèi)端之間的間隙G的長度T為25mm。
將該輥子作為支持輥6，在圖7所示的連續(xù)熔融鋅鍍敷裝置中使用，對板厚為2mm、板寬為1300mm的SUS系列不銹鋼板進(jìn)行鍍鋅處理。在連續(xù)使用大約一個月之后，在該支持輥6上也幾乎沒有發(fā)現(xiàn)侵蝕和磨損。并且，在輥子上完全沒有發(fā)現(xiàn)龜裂，可以確認(rèn)其優(yōu)異的耐熱沖擊性。這可以認(rèn)為是由于，形成輥子的氮化硅系陶瓷具有50W/(m·K)以上的高熱傳導(dǎo)率。另外，通過算術(shù)平均粗糙度Ra為4μm，支持輥6可以良好地追隨鋼板行進(jìn)速度的變化，從而能夠獲得在鍍敷表面上沒有瑕疵的、高品質(zhì)的鍍鋅鋼板。
比較例1使用與比較參考例1相同的氮化硅系陶瓷，以相同的順序制造圖1(a)所示形狀的支持輥6的主體部10和軸部20、21。使用該支持輥6，與實施例1同樣地進(jìn)行鍍鋅處理。結(jié)果，雖然該支持輥6的耐腐蝕性以及耐磨損性良好，但是，由于系數(shù)R不足600，熱傳導(dǎo)率不足50W/(m·K)，所以，開始使用不久，就在輥子表面上產(chǎn)生龜裂。
實施例2為了調(diào)查主體部10與軸部20、21的熱壓配合部是否會由于輥子6的旋轉(zhuǎn)彎曲而破損、拔出，進(jìn)行了以JIS Z2273為基準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗。在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗中，如圖6所示，使用將模擬了輥子軸部20、21的長95mm、外徑15mm的圓柱體32、33，以0.2/1000的熱壓配合率熱壓配合在模擬了輥子主體部10的長50mm、外徑25mm的套筒31上的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗用套筒組合體30，一邊對套筒組合體30施加彎曲應(yīng)力，一邊使其旋轉(zhuǎn)，來交互施加壓縮應(yīng)力與拉伸應(yīng)力。
調(diào)整載荷施加條件，使得所有的載荷都施加在套筒31與圓柱體32、33的熱壓配合部。為了與實際的載荷條件一致，將熱壓配合部所承受的表面壓力設(shè)定為2kgf/mm2。以該條件，在室溫的大氣中以3400rpm使套筒組合體30旋轉(zhuǎn)，來評價套筒31以及圓柱體32和33的破損、圓柱體32和33從套筒31的拔出情況。
結(jié)果可知，作為不引起輥子主體部與輥子軸部的熱壓配合部的破損、輥子軸部從輥子主體部拔出的條件，優(yōu)選熱壓配合長度/熱壓配合直徑(輥子軸部的大徑部的有效長度LS/輥子軸部的大徑部的外徑DL)為0.5～2.0。
實施例3由于需要熔融金屬鍍浴用輥子與鋼板接觸，并以和鋼板相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以，希望以能夠追隨鋼板行進(jìn)速度的變化的方式，使其盡量容易旋轉(zhuǎn)。因此，著眼于對旋轉(zhuǎn)運動的變化具有阻礙作用的物理量，即慣性力GD2(G是重量，D2是旋轉(zhuǎn)直徑的平方)。結(jié)果可知，如果圖1(a)所示的主體部10的外徑Sout與軸部20、21的小徑部20a、21a的外徑DS之比(Sout/DS)在2～10的范圍內(nèi)，則GD2變小，輥子容易旋轉(zhuǎn)。
以上對支持輥進(jìn)行了敘述，但勿庸置疑，本發(fā)明也適用于沉沒輥等各種熔融金屬鍍浴用輥子。
工業(yè)上的可利用性由于本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子，由具有高的熱傳導(dǎo)率的氮化硅系陶瓷形成，所以，在出入熔融金屬鍍浴之際所被施加的熱應(yīng)力小，可發(fā)揮優(yōu)異的耐熱沖擊性。而且，由于輥子主體部的平均表面粗糙度Ra為1～20μm，所以，能夠良好地追隨鋼板行進(jìn)速度的變化，從而可充分抑制在鍍敷表面產(chǎn)生瑕疵。并且，通過熱壓配合將軸部與主體部接合，即使長時間浸漬在熔融金屬鍍浴中，軸部也不會從主體部脫落。如果使用具有這樣特征的本發(fā)明的熔融金屬鍍浴用輥子，則可以穩(wěn)定地生產(chǎn)高品質(zhì)的鍍敷鋼板。
權(quán)利要求
1.一種熔融金屬鍍浴用輥子，由與鋼板接觸的中空狀主體部、和與所述主體部接合的軸部構(gòu)成，其中，至少所述主體部由常溫下的熱傳導(dǎo)率為50W/(m·K)以上的氮化硅系陶瓷構(gòu)成，所述主體部的平均表面粗糙度Ra為1～20μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述氮化硅系陶瓷的鋁含有量為0.2重量％以下，氧含有量為5重量％以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述氮化硅系陶瓷的相對密度為98％以上，常溫下的4點彎曲強(qiáng)度為700MPa以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任意一項所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述氮化硅系陶瓷的系數(shù)R[以R＝σc(1-v)/Eα(σc常溫下的4點彎曲強(qiáng)度(MPa)、v常溫下的泊松比、E常溫下的楊氏模量(GPa)、α從常溫到800℃的平均熱膨脹系數(shù))來表示。]為600以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任意一項所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述主體部的內(nèi)面由兩端側(cè)的大徑區(qū)域和中央的小徑區(qū)域構(gòu)成，所述軸部具有小徑部、凸緣部和大徑部，所述軸部的大徑部接合在所述主體部的大徑區(qū)域上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，在所述軸部上形成有多道穿過所述大徑部以及所述凸緣部的長度方向槽部，在所述軸部與所述主體部的兩端部接合的狀態(tài)下，所述槽部形成與所述輥子的內(nèi)部連通的孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述軸部的大徑部通過熱壓配合與所述主體部的大徑區(qū)域接合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述主體部的大徑區(qū)域和所述軸部的大徑部的熱壓配合率在0.01/1000～0.5/1000的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述主體部的小徑區(qū)域的內(nèi)徑Sb與主體部的大徑區(qū)域的內(nèi)徑Sa之比為0.9以上而小于1.0。
10.根據(jù)權(quán)利要求7～9中任意一項所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述主體部的大徑區(qū)域比所述軸部的大徑部長，因此，在所述主體部的小徑區(qū)域的端部與所述軸部的內(nèi)端之間存在間隙。
11.根據(jù)權(quán)利要求7～10中任意一項所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述軸部的大徑部的有效長度Ls與外徑Ds之比為0.5～2.0。
12.根據(jù)權(quán)利要求7～11中任意一項所述的熔融金屬鍍浴用輥子，其特征在于，所述主體部的外徑Sout與所述軸部的小徑部的外徑Ds之比為2～10。
全文摘要
一種熔融金屬鍍浴用輥子，由與鋼板接觸的中空狀主體部、和與所述主體部接合的軸部構(gòu)成，其中，至少所述主體部由常溫下的熱傳導(dǎo)率為50W/(m·K)以上的氮化硅系陶瓷構(gòu)成，所述主體部的平均表面粗糙度Ra為1～20μm。優(yōu)選通過熱壓配合進(jìn)行主體部與軸部的接合。
文檔編號C23C2/00GK1890396SQ20048003641
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者濱吉繁幸, 野上信悟, 杉山茂禎 申請人:日立金屬株式會社