JP2008221219A - セラミックス製ロール - Google Patents

Abstract

【課題】 ロールの使用昇温時に軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができ、かつスリーブと軸材との熱膨張差に起因するセラミックスの張り割れを防止できる、またスリーブと軸材との間で同心度を確実に維持できるセラミックス製ロールを提供する。
【解決手段】 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、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、該側圧をセラミックス製スリーブの両方の側面に配置した回転摺動可能な真球部材を介して伝達させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼材を製造する圧延工程等の鉄鋼生産設備ラインで用いられる搬送用ロール、ガイドローラ、圧延ロールなどのロールおよびローラ（以下、ロールおよびローラを「ロール」と総称する。）に係わる。詳しくは、金属製軸材の外周に中空円筒状の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し、金属製軸材から伝達される駆動力を搬送されるワークに伝えるロールに好適なものである。

鋼材を製造する鉄鋼生産設備ラインにおいては、搬送等種々の用途にロール（搬送ロール、テーブルロール、ガイドローラ、スクイズロール、ピンチロール、スイングロール等）が用いられている。そのうち、ロール表面の鋼材と接触する表層部分を耐摩耗性、耐熱性、絶縁性等に優れるセラミックス焼結体で形成したセラミックス製ロールが知られている。

例えば特許文献１には、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搬送用ロールなどのセラミックス製ロールにおいて、軸材に１個または複数個のセラミックス製スリーブを外嵌させて、セラミックス製スリーブの両端部にセラミックス製スリーブより外径の小さい金属製スリーブを配置し、軸材に設けた弾性部材および金属製締付部材により金属製スリーブを側圧し、セラミックス製スリーブを固定したセラミックス製ロールが記載されている。

また特許文献２には、金属製芯金の外側に電気絶縁層を有するスリーブを嵌合した熱間圧延ラインの搬送ロールにおいて、ロール端部にばねを設置し、該ばねと電気絶縁層を有するスリーブ間に金属製スリーブを介在させ、該ばねによって該金属製スリーブを介して電気絶縁層を有するスリーブに圧縮荷重を与えるようにした熱間圧延ラインの搬送ロールが開示されている。

特開２００４−１６７５０２号公報 特開２００６−８６７号公報

従来から鉄鋼生産設備ライン用ロールとして、例えばクロムモリブデン鋼の金属製軸材（シャフト、芯金とも呼ばれる。）の外周に冷間ダイス鋼の金属製スリーブを嵌着したロールが用いられている。このロールは特に耐摩耗性に劣るため、金属製スリーブに替えて耐摩耗性に優れる窒化ケイ素、サイアロン等からなるセラミックス製スリーブを適用することが行なわれている。

しかしながら、この種のセラミックス製ロールの場合、使用時に温度上昇が伴う用途では、セラミックス製スリーブと金属製軸材との間で発生する熱膨張差に起因する問題を抱える。すなわち、スリーブを形成するセラミックスの熱膨張係数は、軸材を形成する鉄系合金やニッケル系合金のそれに比べ６分の１から３分の１と小さいことから発生する熱膨張差によりセラミックスの張り割れや熱応力による破壊を起こしやすいという問題があった。以下さらに詳しく説明する。

図５は、セラミックス製スリーブと金属製軸材で構成される従来のセラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす概略図である。セラミックス製ロールは金属製軸材１と、セラミックス製スリーブ２と、内面にねじ部を形成した締付部材であるナット３とから構成される。軸材１は中実体であり一端部に鍔部１５、他端部外周にナット３と螺合されるねじ部１２を有する。軸材１にスリーブ２を外嵌した後、軸材１のねじ部にナット３をねじ込むことにより軸材１とスリーブ２が固定される。

セラミックス製ロールは使用状態における熱膨張差を考慮して、軸材１の外径とスリーブ２の内径との間に組立ギャップδ0を設ける。また、ナット３は軸材１とのねじ部１２を介して組立時に所定の締付力Ｆを側圧として付与する。

ナット３による締付力Ｆをスリーブ２に確実に作用させるために、ナット３がねじ込まれる軸材１の他端部に設けた雄ねじの逃げ加工終了位置の鉛直側面１３と、ナット３の内面に設けた雌ねじ加工終了位置の鉛直側面１４の両者が接触しないように適切な組立ギャップΔを設ける。さらに、ナット３に緩み止め（図示せず）を施し、ナット３と軸材１の位置関係にずれが生じないようにする。これにより組立時の締付力Ｆを確保する。

図４は、前記従来のセラミックス製ロールの使用昇温時における状態を表わす概略図である。高温下での使用時に、軸材１とスリーブ２がともにＴ℃まで昇温したと仮定したものである。このとき、ロール軸方向において軸材１とスリーブ２の熱膨張差で生じるギャップδs（＝Ｂ１−Ａ１）が発生する。Ａ１は室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡがＴ℃の時に熱膨張した長さである。またＢ１は室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡに対応する領域にある軸材１の軸方向長さＢがＴ℃の時に熱膨張した長さである。

また、ロール径方向においても軸材１とスリーブ２はともに熱膨張する。ここで、室温におけるスリーブ２の内径φＤａが、Ｔ℃の時に熱膨張した内径をφＤａ1（図示せず）とする。また室温における軸材１の外径φＤｂが、Ｔ℃の時に熱膨張した外径をφＤｂ1（図示せず）とする。このとき、仮にφＤｂ１＞φＤａ1となる熱膨張が生じると内圧ｐが作用する。以上から従来のセラミックス製ロールには次の課題がある。

（ａ）使用昇温時にスリーブ２とナット３の間にギャップδｓを生じて組立時に側圧作用していた締付力Ｆが開放される。このため、軸材１から伝達される駆動力を搬送されるワークに伝えるロールの場合は、軸材１から伝達される駆動力をスリーブ２経由して搬送されるワークに伝えることができなくなる。

（ｂ）組立ギャップδ0は、ロール使用時の昇温温度を想定して構造体設計時に設定する。ロール使用時の昇温温度は厳密には軸材１の温度Ｔ１℃とスリーブ２の温度Ｔ２℃にそれぞれ分けて想定する。この昇温温度が想定を超える場合またはスリーブ２の温度Ｔ２℃に比べて軸材１の温度Ｔ１℃が極端に高くなった場合、内圧ｐが大きくなり過ぎてスリーブ２が張り割れる可能性が高くなる。

（ｃ）一方ロール使用時の昇温温度が想定した温度まで上昇しなかった場合や、組立ギャップδ0を大きく設定した場合には、内圧ｐが発生しないために、スリーブ２と軸材１とはフリーの嵌め合い状態となり、スリーブ２と軸材１との間での同心度を精確に要求されるロールを得ることができない。

このような従来のセラミックス製ロールの課題の一つを解決する手段が知られており、以下図を用いて説明する。

図３は、改良を施した従来のセラミックス製ロールの概略図である。図中の中心線Ｌより上側は、セラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす。また中心線Ｌより下側は、使用昇温時における状態を表わす。

セラミックス製スリーブ２とナット３との間に弾性部材の皿ばね４を介在させた点を除いて、前記従来のセラミックス製ロールと同様の構成である。ナット３には緩み止め（図示せず）が施工されており組立時と同じ室温下では締付力Ｆが確保され、ナット３からの側圧がスリーブ２に作用している。

室温時における組立状態では、スリーブ２とナット３の間に皿ばね４が装着され、皿ばね４の厚さが装着前の自由厚さｔ0から締結後の厚さｔに圧縮されるようにナット３が軸材１の雄ねじ部１２に締結される。このとき、前述のような軸材１の端部外周に設けた雄ねじの逃げ加工終了位置の鉛直側面１３と、ナット３の内面に設けた雌ねじ加工終了位置の鉛直側面１４とが接触しないための組立ギャップΔは設けられておらず、ナット３は軸材１に当接するまでねじ込まれる。スリーブ２には、皿ばね４の撓み（＝ｔ0−ｔ）に皿ばねのバネ定数を掛けた値で求められる締付力Ｆが作用する。

使用昇温時における状態では、次のようになる。ここで、使用昇温時とは軸材１とスリーブ２がともにＴ℃まで昇温したと仮定したものである。室温におけるスリーブ２の軸方向長さＡがＴ℃の時に熱膨張した長さをＡ１とする。室温における皿ばね４を介しての軸材１の締上げ長さＣがＴ℃の時に熱膨張した長さをＣ１とする。

このとき昇温時には、軸材１とスリーブ２の熱膨張係数の差により、皿ばね４の厚さは組立時のｔ（＝Ｃ−Ａ）からｔ1（＝ｔ＋Ｃ１−Ａ１）に変化する。Ｔ℃における皿ばね４の厚さｔ1と皿ばね４の自由厚さｔ0との間に、ｔ1＜ｔ0の関係が成立するかぎり、スリーブ２には皿ばね４により締付力Ｆ１が作用する。つまりスリーブ２を軸材１の鍔部１５に押し付ける面圧が作用する。

この締付力Ｆ１は組立時の締付力Ｆに対して、Ｆ１＜Ｆの関係にあり使用昇温時において必要となる適正締付力がＦ１となるように組立時の締付力Ｆを設定することで、前述のロール軸方向の熱膨張に係わる課題（ａ）を解決することができる。

しかしながら、この改良を施した従来のセラミックス製ロールにおいても、軸材１の外径とスリーブ２の内径との間で発生するロール径方向の熱膨張差に係わる前述の課題（ｂ）、（ｃ）を解決するには至らない。

そこで本発明の目的は、金属製軸材とセラミックス製スリーブを嵌着した構造のセラミックス製ロールにおいて、ロールの使用昇温時に軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができ、かつスリーブと軸材との熱膨張差に起因するセラミックスの張り割れや熱応力による破壊を防止できる、またスリーブと軸材との間で同心度を確実に維持できるセラミックス製ロールを提供することである。

本発明は前記課題に鑑みて以下の技術的思想に基づいて完成したものである。
（１）使用昇温時におけるセラミックス製ロールのスリーブと軸材との間で発生するロール軸方向の熱膨張差を弾性部材により吸収する。

（２）使用昇温時におけるセラミックス製ロールのスリーブと軸材との間で発生するロール径方向の熱膨張差に起因するスリーブの張り割れを、回転摺動可能でかつ高精度の真円度および真球度を有する真球部材を用いた締結構造により防止する。

（３）セラミックス製ロールのスリーブと軸材との同心度を、回転摺動可能でかつ高精度の真円度および真球度を有する真球部材を用いた締結構造により確実に維持する。

すなわち本発明は、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、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、該側圧をセラミックス製スリーブの両方の側面に配置した回転摺動可能な真球部材を介して伝達させることを特徴とする。

また本発明は、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、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、金属製軸材の一端部に形成した鍔部とこれと対向するセラミックス製スリーブの一方の側面との間に配置した回転摺動可能な真球部材と、セラミックス製スリーブの他方の側面とこれと対向する締付部材との間に配置した回転摺動可能な真球部材と、金属製軸材の他端部に螺合したリング状の締付部材に装備されて側圧を付与する弾性部材とを有し、該側圧をセラミックス製スリーブの両方の側面に配置した真球部材を介して伝達させることを特徴とする。

また本発明において前記真球部材がセラミックスからなることを特徴とする。

本発明のセラミックス製ロールの効果について詳しくは図を用いて後述する。本発明によれば、ロールの使用昇温時に軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができる、またロールの使用昇温時にスリーブと軸材との熱膨張差に起因するセラミックスの張り割れや熱応力による破壊を防止できる、さらにスリーブと軸材との間で同心度を確実に維持できる。

（実施例）
図１は本発明実施例のセラミックス製ロールの概略断面図である。図中の中心線Ｌより上側は、セラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす。また中心線Ｌより下側は、使用昇温時における状態を表わす。図２は図１の右側面図である。

本発明のセラミックス製ロールは金属製軸材５と、中空円筒状のセラミックス製スリーブ６と、締付部材であるナット７と、高精度の真円度および真球度を有する真球部材８および真球部材１８と、弾性部材であるコイルばね９と、押付部材であるボルト１０とから構成される。

軸材５は中実状の鋼材からなり、軸材５の一端部に一体形成された円状の鍔部１５、他端部の外周に形成されたナット７と螺合される雄ねじ部１７を有する。鍔部１５のスリーブ６と対向する側面に、半真球状の凹部を円周上均等間隔に６箇所穿設する。この半真球状の凹部内には真球部材８が回転摺動可能な状態で配置される。

スリーブ６は窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなる。窒化ケイ素を主成分とする焼結体は、相対密度９９．３％、常温における熱伝導率５１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、常温における４点曲げ強度９００ＭＰａである。

スリーブ６の軸材５の鍔部１５に対向する側面に、半真球状の凹部を円周上均等間隔に６箇所穿設する。この半真球状の凹部内には真球部材８が回転摺動可能な状態で配置される。

一方、スリーブ６のナット７に対向する側面に、半真球状の凹部を円周上均等間隔に６箇所穿設する。この半真球状の凹部内には真球部材８とは別の真球部材１８が回転摺動可能な状態で配置される。

真球部材８および真球部材１８は、スリーブ６と同じ窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなる。真球部材の材質は要求される強度、摺動性等の性能を満足するものであればよく、セラミックスや金属材料からなる。熱膨張差をできるかぎり抑える観点から真球部材の材質はセラミックスが好ましく、なかでもスリーブ６を形成するセラミックスと同じものが望ましい。

真球部材は高精度の真円度および真球度を具備するボール体である。軸材５の鍔部１５とスリーブ６の間に介在する真球部材８と、スリーブ６とナット７の間に介在する真球部材１８の公称外径は必ずしも同一でなくても構わない。

ナット７はリング状の鋼材からなり、ナット７の内周面に軸材５の雄ねじ部１７と螺合されるねじ部を有する。ナット７本体のスリーブ６に対向する側面に真球部材１８の外径寸法より大きい円筒凹形状部１１を円周上均等間隔に６箇所形成するとともに、それと反対側に円筒凹形状部１１に連通する雌ねじ部１６を設ける。

コイルばね９は金属からなり真球部材１８およびボルト１０と当接するように介在される。コイルばね９に代えて複数の皿ばねを連続的に隣接させることにより作製した弾性部材でもよい。ボルト１０は金属からなり、ナット７の円筒凹形状部１１に連通する雌ねじ部１６にねじ込まれ、弾性部材のばね９が圧縮するように押し付けるための押付部材である。

本発明実施例のセラミックス製ロールの組立方法を説明する。まず、軸材５の鍔部１５を下側にして、鍔部１５に設けた半真球状の凹部が上向きになるように軸材５を立てる。鍔部１５に設けた各々の半真球状の凹部内に真球部材８を載置する。この半真球状の凹部内には真球部材８の半面が埋められた形で置かれる。

載置された真球部材８と、スリーブ６の軸材５の鍔部１５に対向する側面に設けた半真球状の凹部とが合致するように、スリーブ６を軸材５の外周に挿入する。真球部材８が軸材５の鍔部１５とスリーブ６の半真球状の凹部内に回転摺動可能に収まる。次いで上面側に現われたスリーブ６のナット７に対向する側面に設けた各々の半真球状の凹部内に真球部材８とは別の真球部材１８を載置する。この半真球状の凹部内には真球部材１８の半面が埋められた形で置かれる。

この後、軸材５に形成された雄ねじ部１７にナット７を完全にねじ込み、ナット７の円筒凹形状部１１内に真球部材１８が回転摺動可能に収まるようにする。次いで、緩み止めを施してナット７と軸材５を一体に固定する。

最後にナット７の円筒凹形状部１１に連通する雌ねじ部１６の内に、コイルばね９を装着して、押付ボルト１０を完全にねじ込み、コイルばね９を真球部材１８とボルト１０の間に伸縮自在に当接させる。ねじ込み後に、緩み止めを施工してナット７とボルト１０の一体化を行い組立作業が完了する。

室温時における組立状態では、軸材５の外径とスリーブ６の内径との間に組立ギャップδ1を設けている。組立ギャップδ1は、使用昇温時にも、スリーブ６と軸材５の直径方向の熱膨張差によりスリーブ６の内面に内圧が殆ど発生しないように設定される。また真球部材１８を回転摺動可能に嵌合するスリーブ６とナット７の間にも組立ギャップｓを設ける。

（作用）
室温時における組立状態では、ばね９の撓みにより発生する力ｆで軸材５、スリーブ６、ナット７が一体化される。スリーブ６が軸材５の鍔部１５に押し付けられる力は、ばね９の撓みで発生する力ｆに真球部材１８の個数６個を乗じた６×ｆとなる。ばね９の装着前の自由厚さをｍ0とし、ねじ込み組立時の厚さをｍとすると、ばね９の撓みにより発生する力ｆはばね９のばね定数に撓み量（＝ｍ0−ｍ）を乗じた値となる。

使用昇温時における状態では、次のようになる。ここで、使用昇温時とはスリーブ６と軸材５がともにＴ℃まで昇温したと仮定したものである。室温における軸材５の鍔部１５の端面からスリーブ６の片端面までの長さＡが、Ｔ℃の時に熱膨張した長さをＡ１とする。室温における軸材５の鍔部１５の端面からばね９が装着される側のナット７の端面までの長さＣが、Ｔ℃の時に熱膨張した長さをＣ１とする。

このとき昇温時には、軸材５とスリーブ６の熱膨張係数の差により、ばね９の厚さは組立時のｍからｍ1（＝ｍ＋ｓ1−ｓ）に変化する。符号ｓ＝Ｃ−Ａ、ｓ１＝Ｃ１−Ａ１で算定される。Ｔ℃におけるコイルばね９の厚さｍ１とばね９の自由厚さｍ0との間に、ｍ1＜ｍ0の関係が成立するかぎり、スリーブ６にはばね９の撓み量に相当する締付力ｆ１（６個のばねで合計６×ｆ１の力）が作用する。

（効果）
１本当りのばね９で発生する締付力ｆ１は組立時の締付力ｆに対して、ｆ１＜ｆの関係にあり使用昇温時においてスリーブ６を軸材５と一体化しておくために必要となる適正締付力がｆ１となるように組立時の締付力ｆを設定することで、前述のロール軸方向の熱膨張に係わる課題（ａ）を解決することができる。

また、真球部材８が回転摺動可能に嵌合される位置における軸材鍔部１５の径方向の熱膨張と、同じく真球部材８が回転摺動可能に嵌合される位置におけるスリーブ６の径方向の熱膨張差で発生するスリーブ６を張り割る方向に作用する力Ｆｒは、真球部材８が介在するため真球部材８の接触する円周方向にわたって分散され応力の集中を避けることができる。

したがって、使用昇温時の軸材５の外径とスリーブ６の内径との間のギャップδ2がほぼ零近傍に維持されるような組立ギャップδ1が設定されていれば、セラミックス製スリーブの張り割れを防止できる。

また、仮に使用時に軸材５の外径とスリーブ６の内径との間にギャップが生じても、真球部材８および真球部材１８を介して軸材５の駆動力を確実にスリーブ６に伝達することができる。

さらに、本発明においても使用昇温時に発生する内圧ｐを抑えるために組立ギャップδ1を設定する必要があるが、充分大きい組立ギャップδ1を設けても、スリーブ６と軸材５との間で同心度を維持した状態で組立てることができ、使用時において昇温を伴うか否かに係わらず同心度を確実に維持できる。以上により本発明は、無駆動用ロールはもちろん特に駆動用ロールに好適なものとなる。

本発明のセラミックス製ロールを実機ラインに適用した結果、耐摩耗性、耐熱性等は良好であり、セラミックス製スリーブと金属製軸材の熱膨張係数差に起因するセラミックスの張り割れは見られず、またスリーブと軸材との間での同心度は充分に維持でき、安定した操業を実現することができた。

本発明のセラミックス製ロールによれば、ロールの使用昇温時に軸材の駆動力をスリーブに確実に伝えることができる、またスリーブと軸材との熱膨張差に起因するセラミックスの張り割れや熱応力による破壊を防止できる、さらにスリーブと軸材との間で同心度を確実に維持できる。

本発明実施例のセラミックス製ロールの概略断面図である。 図１の右側面図である。 改良を施した従来のセラミックス製ロールの概略図である。 従来のセラミックス製ロールの使用昇温時における状態を表わす概略図である。 従来のセラミックス製ロールの室温時における組立状態を表わす概略図である。

符号の説明

１ 金属製軸材、 ２ セラミックス製スリーブ、 ３ ナット、 ４ 皿ばね、
５ 金属製軸材、 ６ セラミックス製スリーブ、 ７ ナット、 ８ 真球部材、
９ コイルばね、 １０ ボルト、 １１ 円筒凹形状部、 １２ 雄ねじ部、
１３ 軸材の鉛直側面、 １４ ナットの鉛直側面、
１５ 鍔部、 １６ 雌ねじ部、 １７ 雄ねじ部、 １８ 真球部材

Claims (3)

1. 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、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、該側圧をセラミックス製スリーブの両方の側面に配置した回転摺動可能な真球部材を介して伝達させることを特徴とするセラミックス製ロール。
2. 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、セラミックス製スリーブの側面から弾性部材による側圧を与えることにより金属製軸材とセラミックス製スリーブを固定する構造を有するセラミックス製ロールであって、金属製軸材の一端部に形成した鍔部とこれと対向するセラミックス製スリーブの一方の側面との間に配置した回転摺動可能な真球部材と、セラミックス製スリーブの他方の側面とこれと対向する締付部材との間に配置した回転摺動可能な真球部材と、金属製軸材の他端部に螺合したリング状の締付部材に装備されて側圧を付与する弾性部材とを有し、該側圧をセラミックス製スリーブの両方の側面に配置した真球部材を介して伝達させることを特徴とするセラミックス製ロール。
3. 前記真球部材がセラミックス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。