陶瓷树脂复合辊及其制造方法.pdf

本发明提供一种陶瓷-树脂复合辊(1)，具备：金属制辊芯(2)、形成于金属制辊芯(2)的外周面的基底层(3)、形成于基底层(3)外周面的陶瓷喷镀被膜(4)。陶瓷喷镀被膜(4)包括：邻接的陶瓷粒子(5)熔融结合而成的陶瓷粒子层、在陶瓷粒子(5)之间的间隙内从陶瓷粒子层的表面到基底层(3)的表面填充了树脂(6)的层。

1.  一种陶瓷-树脂复合辊，具备：金属制辊芯、形成于所述金属制辊芯的外周面的基底层和形成于所述基底层的外周面的陶瓷喷镀被膜，所述陶瓷喷镀被膜包括邻接的陶瓷粒子熔融结合而成的陶瓷粒子层、以及在陶瓷粒子之间的间隙内从所述陶瓷粒子层的表面填充到所述基底层的表面的树脂层。

2.  根据权利要求1所述的陶瓷-树脂复合辊，其中，形成所述树脂层的树脂为热固化性树脂。

3.  根据权利要求1所述的陶瓷-树脂复合辊，其中，形成所述树脂层的树脂为环氧树脂。

4.  一种陶瓷-树脂复合辊的制造方法，具备下述工序：
在金属制辊芯的外周面形成基底层的基底层形成工序；
在所述基底层的外周面喷镀陶瓷粒子而形成邻接的陶瓷粒子熔融结合而成的陶瓷粒子层的陶瓷喷镀工序；
使热固化性液状树脂含浸于所述陶瓷粒子层的陶瓷粒子之间的间隙内的树脂含浸工序；以及
对所述树脂含浸工序后的辊整体进行加热而使所述液状树脂固化的树脂固化工序。

5.  根据权利要求4所述的陶瓷-树脂复合辊的制造方法，其中，利用水稳定化等离子体喷镀法来进行所述陶瓷粒子的喷镀。

6.  根据权利要求4所述的陶瓷-树脂复合辊的制造方法，其中，使所述热固化性液状树脂在陶瓷粒子的间隙内从所述陶瓷粒子层的表面渗透到所述基底层的表面。

7.  根据权利要求4所述的陶瓷-树脂复合辊的制造方法，其中，在加热炉内进行所述树脂固化工序。

陶瓷-树脂复合辊及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种可以用于各种工业中的陶瓷-树脂复合辊，特别涉及耐冲击性、耐磨损性、耐药品性、耐腐蚀性优良而可以作为造纸用辊理想地使用的陶瓷-树脂复合辊及其制造方法。
背景技术
在造纸工序的压榨部分、涂覆部分、捆绑部分(wiring part)等中，使用具有陶瓷喷镀被膜的陶瓷辊。陶瓷喷镀被膜中的陶瓷粒子由于具有邻接的粒子之间相互熔融的很强的结合，因此陶瓷辊作为整体来说通常具有优良的强度及耐磨损性。
另一方面，在陶瓷喷镀被膜中，由于在熔融结合而成的陶瓷粒子之间存在有空隙，因此浆液中所含的药品或水分很容易从辊表面向内部渗透。如果药品或水分渗透到辊内部，则会腐蚀陶瓷喷镀被膜或辊芯，成为导致辊破损的原因。为此，通常对陶瓷辊的表面实施封孔处理，然而现实状况是，无法获得足够的封孔效果。
在日本特公平7-111036号公报中，公开有如下的造纸机用压辊的制造方法，即，在金属制芯体的外周形成了由金属材料形成的基底层，在该基底层的外周形成了陶瓷层。该公报中所记载的压辊如图4中所示意的，具备：辊芯11、形成于辊芯11的外周的基底层12以及形成于基底层12的外周的陶瓷层13。陶瓷层13是利用陶瓷粉末的喷镀形成的。另外，通过在陶瓷层13的表层部分涂覆有机高分子物质，而形成填充于陶瓷粒子14之间的间隙中的有机高分子物质层15。根据日本特公平7-111036号公报，有机高分子物质最好从陶瓷层13的表面填充到陶瓷层的厚度的1/4～1/2的部分。
日本特开平6-81292号公报中，公开有在母材表面形成了塑料与陶瓷的混合喷镀被膜或塑料与金属陶瓷的混合喷镀被膜的压辊。根据该公报，喷镀被膜的整体可以用塑料与陶瓷的混合物或塑料与金属陶瓷的混合物来形成。
日本特公平7-111036号公报中所记载的压辊在陶瓷喷镀被膜的表层部分涂覆有机高分子物质，在表层部分的陶瓷粒子之间的间隙中填充有有机高分子物质。但是发现，如果仅在陶瓷喷镀被膜的表层部分填充有机高分子物质，则在耐冲击性、耐磨损性、耐药品性、耐腐蚀性方面是不充分的。另外，对于日本特公平7-111036号公报中所记载的压辊的情况，在填充于陶瓷粒子之间的间隙中的有机高分子物质为环氧树脂时，可以使用粘度小的材料，然而由于压辊是大型的，因此树脂的含浸需要花费时间，在含浸的中途树脂的固化加剧。由此，很难使树脂充分地渗透到陶瓷喷镀被膜的内部。另外，在将有机高分子物质用溶剂稀释的情况下，在固化之时溶剂被除去之后，喷镀被膜的空隙率就会变大，使得耐冲击性、耐磨损性、耐药品性、耐腐蚀性变得不足。
日本特开平6-81292号公报中所记载的压辊是通过喷镀塑料与陶瓷的混合材料或塑料与金属陶瓷的混合材料而形成被膜的。但是，即使使用混合材料，如果进行喷镀，也仍然会产生空隙，因此无法获得足够的封孔效果。另外，在喷镀了混合材料的情况下，由于不仅在陶瓷粒子之间的空隙中，而且在陶瓷粒子之间的结合部分也会夹杂有塑料，因此陶瓷粒子的熔融结合就会不充分，所以粒子就容易剥离，与陶瓷单体相比，被膜的强度反而更差。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于，提供使陶瓷辊的耐冲击性、耐磨损性、耐药品性、耐腐蚀性提高的陶瓷-树脂复合辊及其制造方法。
依照本发明的陶瓷-树脂复合辊，具备金属制辊芯、形成于该金属制辊芯的外周面的基底层和形成于该基底层的外周面的陶瓷喷镀被膜。陶瓷喷镀被膜包括邻接的陶瓷粒子熔融结合而成的陶瓷粒子层、在陶瓷粒子之间的间隙内从该陶瓷粒子层的表面填充到基底层的表面的树脂层。
根据上述的构成，由于陶瓷喷镀被膜具有陶瓷粒子之间的很强的熔融结合，因此可以保持作为陶瓷喷镀被膜的特长的强度和耐磨损性。此外，遍布喷镀被膜的整个厚度地填充于陶瓷粒子之间的间隙内的树脂会发挥作为封孔材料的功能和作为加强材料的功能这两方面的功能。所以，通过从喷镀被膜的表面到基底层的遍及喷镀被膜整体地形成有熔融结合而成的陶瓷粒子与填充于该粒子之间的树脂的复合材料，就会提高辊的耐冲击性、耐磨损性，另外，通过可靠地封孔至基底层，还会提高耐药品性及耐腐蚀性。
形成上述的树脂层的树脂优选为环氧树脂、尿烷树脂等热固化性树脂。特别是在使用环氧树脂的情况下，会提高陶瓷-树脂复合辊的耐冲击性、耐磨损性、耐药品性、耐腐蚀性。
依照本发明的陶瓷-树脂复合辊的制造方法具备以下的工序。
(A)在金属制辊芯的外周面形成基底层的基底层形成工序。
(B)在上述的基底层的外周面喷镀陶瓷粒子而形成邻接的陶瓷粒子熔融结合而成的陶瓷粒子层的陶瓷喷镀工序。
(C)使热固化性液状树脂含浸于上述的陶瓷粒子层的陶瓷粒子之间的间隙内的树脂含浸工序。
(D)对上述的树脂含浸工序后的辊整体进行加热而使液状树脂固化的树脂固化工序。
上述的方法中，将陶瓷喷镀工序、树脂含浸工序在分开的工序中进行。即，由于不是像日本特开平6-81292号公报中记载的那样的陶瓷与树脂的混合喷镀，而是仅喷镀陶瓷材料，因此可以获得陶瓷粒子之间的很强的熔融结合。
优选利用水稳定化等离子体喷镀法来进行陶瓷粒子的喷镀。由于水稳定化等离子体喷镀法与气体等离子体喷镀法相比热量更大，因此陶瓷粒子之间的结合力很强，可以得到强度优良的被膜。另外，由于利用水稳定化等离子体喷镀法，与气体等离子体喷镀法的情况相比，可以喷镀更大直径的粒子，因此可以增大陶瓷粒子之间的间隙，液状树脂容易渗透。
另外，上述的方法中，由于在与树脂含浸工序分开的工序中，包含将辊整体加热而使液状树脂固化的工序，因此可以选择固化速度慢且固化温度高的树脂。由此，就可以防止在树脂含浸工序的中途液状树脂的固化加剧，从而可以使树脂从喷镀被膜的表面充分地渗透到基底层。
在树脂含浸工序中，最好使得热固化性液状树脂在陶瓷粒子的间隙内从陶瓷粒子层的表面渗透到基底层的表面。这样，就可以明显地提高陶瓷喷镀被膜的封孔效果，从而使陶瓷-树脂复合辊的耐药品性、耐腐蚀性提高。另外，由于从陶瓷喷镀被膜的表面到基底层，形成树脂的连续的层以填补陶瓷粒子之间的间隙，因此树脂会作为喷镀被膜的加强材料发挥作用，从而还会提高陶瓷-树脂复合辊的耐冲击性、耐磨损性。
固化工序最好是将树脂含浸工序后的辊整体放入加热炉中，在加热炉内进行。这样就可以使含浸的树脂均一并且可靠地固化，通过陶瓷与树脂的复合来提高辊的强度。
附图说明
图1是依照本发明的陶瓷-树脂复合辊的一个实施方式的关键部分剖面图。
图2是示意性地表示依照本发明的陶瓷-树脂复合辊的一个实施方式的关键部分的放大剖面图。
图3是依次表示依照本发明的陶瓷-树脂复合辊的制造方法的工序的图。
图4是示意性地表示以往的陶瓷辊的放大剖面图。
具体实施方式
下面，对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的一个实施方式所涉及的陶瓷-树脂复合辊的关键部分剖面图。图2是详细地表示图1所示的辊的关键部分的放大剖面图。陶瓷-树脂复合辊1由金属制的辊芯2、形成于其外周面的基底层3以及进一步形成于其外周面的陶瓷喷镀被膜4构成。该辊1可以作为造纸用辊理想地使用。如果关注辊1整体的尺寸，则直径为0.4～2m，面长(不包括向两侧部突出的轴的长度的辊表面的长度)为2～10m左右。
辊芯2的材质例如为铁、不锈钢、铜、黄铜等。基底层3由镍-铬合金、镍-铬-铝合金等形成，是为了实现辊芯2与喷镀被膜4的接合一体化及防止辊芯2的腐蚀而设置的。基底层2的厚度约为100～800μm。
陶瓷喷镀被膜4包括邻接的陶瓷粒子5熔融结合而成的陶瓷粒子层以及在陶瓷粒子5之间的间隙内从陶瓷粒子层的表面填充到基底层3的表面的树脂6的层。即，陶瓷喷镀被膜4由熔融结合而成的陶瓷与树脂的复合材料形成，包括经仅喷镀陶瓷材料而形成的陶瓷粒子5之间的熔融结合以及填充于陶瓷粒子5之间的间隙中的树脂6。陶瓷粒子5之间经连续的熔融结合而从喷镀被膜4的表面相连至基底层2。另一方面，树脂6也形成了从陶瓷喷镀被膜4的表面直至基底层3的连续的层以填补陶瓷粒子5之间的间隙。
作为陶瓷材料，可以举出灰氧化铝(97％Al₂O₃-3％TiO₂)、白氧化铝(Al₂O₃)、氧化钛(TiO₂)、氧化铝-氧化钛(Al₂O₃-TiO₂)、氧化铬(CrO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化锆-钇(ZrO₂-Y)等。它们可以单独或混合使用。作为树脂6，如前所述，优选使用热固化性树脂，特别优选使用环氧树脂。
下面，对依照本发明的陶瓷-树脂复合辊的制造方法的一个实施方式进行说明。如图3所示，陶瓷-树脂复合辊的制造方法包括：基底层形成工序(A)、陶瓷喷镀工序(B)、树脂含浸工序(C)、树脂固化工序(D)。
首先，通过基底层形成工序，在辊芯2的外周面形成基底层3。基底层3的形成可以利用电弧喷镀、火焰喷镀、等离子体喷镀等来进行。
然后，通过陶瓷喷镀工序，在基底层3的外周面形成陶瓷粒子5的层。为了获得大的被膜强度，最好不混合陶瓷材料以外的材料，仅喷镀陶瓷材料。喷镀材料的粒径为10～200μm左右。喷镀可以用水稳定化等离子体喷镀法、气体等离子体喷镀法等公知的方法来进行，然而为了获得陶瓷粒子之间的强结合力，优选用水稳定化等离子体喷镀法来进行。另外，从在后面的树脂含浸工序中容易填充树脂的观点考虑，优选使用粒径比较大的喷镀材料，以使得陶瓷粒子层的气孔率变大。利用喷镀得到的层的厚度设为0.5～3mm左右。另外，填充树脂前的陶瓷粒子层的气孔率优选为5～15％左右。
然后，通过树脂含浸工序，使热固化性的液状树脂6含浸于陶瓷粒子层中所含的陶瓷粒子5之间的间隙内。作为液状树脂的含浸方法，可以使用涂覆机、刷涂、喷雾等机构，这样就可以使液状树脂从喷镀被膜的表面渗入。此时，为了从陶瓷粒子层的表面直至基底层3的表面遍及整个厚度地使液状树脂6渗透到陶瓷粒子5之间的间隙中，优选选择在常温到预热温度的范围中保持100cps～200cps的低粘度的树脂。如果选择在常温到预热温度的范围中固化加剧的树脂，则由于对喷镀被膜的含浸变得不充分，因此不够理想。
然后，在树脂固化工序中，通过对树脂含浸后的辊整体进行加热，而使喷镀被膜中含浸的液状树脂6固化。固化工序最好是将辊整体放入加热炉7中，在加热炉7内进行。加热条件优选设为在80～120℃的温度下进行1～10小时。
最后，将辊的表面切削成规定的尺寸，继而研磨为规定的表面粗糙度，从而完成陶瓷-树脂复合辊。
[实施例1]
首先，将长5100mm、面长3400mm、直径550mm的铸铁制辊芯的表面清洗、脱脂，继而利用喷砂进行打毛。然后，使用电弧喷镀装置向该辊芯的表面喷镀镍-铬合金，形成了厚0.5mm的基底层。然后，在使具有基底层的辊芯旋转的同时，使用水稳定化等离子体喷镀装置，喷镀平均粒径为35μm的氧化铝-氧化钛(Al₂O₃-13％TiO₂)粉末，形成了厚1.2mm、气孔率8％的陶瓷喷镀被膜。
然后，将陶瓷喷镀后的辊预热到70℃，从该辊的表面涂布已预热到70℃的液状环氧树脂原料，从而使其含浸。所用的环氧树脂原料是作为主剂的ARALDITE(VANTICO公司制)100质量份与作为固化剂的HY932(VANTICO公司制)32质量份的混合液。该环氧树脂原料液的粘度为100～200cps。
然后，将含浸了环氧树脂原料液的陶瓷喷镀辊放入加热炉内，在110℃的温度下加热4小时，使环氧树脂固化，形成了陶瓷与环氧树脂的复合层。
然后，切削表面，使得陶瓷-树脂复合层的厚度达到1.0mm，最后研磨表面，使得JIS-B0601中定义的算术平均粗糙度(Ra)达到1.0μm，得到了辊外径为553mm的陶瓷-树脂复合辊。
[比较例1]
直到陶瓷喷镀工序都与实施例1相同地进行。将陶瓷喷镀后的辊预热到70℃，从该辊的表面涂布已预热到70℃的液状环氧树脂，从而使其含浸。但是，使所用的环氧树脂原料为作为主剂的PELNOX106(日本PELNOX公司制)100质量份、作为固化剂的PELCURE HV19(日本PELNOX公司制)80质量份及作为反应促进剂的DY-070(VANTICO公司制)4质量份的混合液。该环氧树脂原料液的粘度为100～200cps。
不是将含浸了环氧树脂原料液的陶瓷喷镀辊放入加热炉，而是利用余热放置4小时使环氧树脂固化，形成了陶瓷与环氧树脂的复合层。对于其他的事项，与实施例1相同。
[比较例2]
直到陶瓷喷镀工序都与实施例1相同地进行。但是，未进行树脂含浸工序及固化工序。表面的切削及研磨与实施例1相同地进行，得到了表面仅由陶瓷层构成的陶瓷辊。
[评价]
对实施例1、比较例1及比较例2的各辊，利用以下的方法进行比较试验，进行了耐冲击性、耐磨损性、耐药品性及耐腐蚀性的评价。将各试验的结果表示于表1中。
树脂含浸深度
向辊表面滴落水滴。未进行树脂含浸的比较例2的辊的情况是，水滴从辊表面渗入。另一方面，实施例1及比较例1的辊的情况是，水滴未渗入表面，显示了由于树脂含浸而得到的封孔效果。另外，以实施例1及比较例1的辊作为对象，在将辊表面慢慢地切削的同时，同样地反复进行水滴落下试验。比较例1的辊在切削到距表面0.3mm左右的阶段有水滴渗入，说明树脂仅含浸在辊表面。另一方面，实施例1的辊即使切削到基底层水滴也未渗入，说明树脂充分地渗透到基底层。
耐冲击性
使用EQUOTIP2-E型冲击装置(Proceq公司制)，测定了EQUOTIP硬度(ASTM标准：A956-96)。
耐磨损性
向辊表面喷涂等离子体材料，测定了直到陶瓷层消失为止所需的时间。
耐药品性·耐腐蚀性
作为耐碱性试验，在辊表面上持续积存了氢氧化钠溶液(pH＝12)4天后，测定了EQUOTIP硬度。
另外，作为耐酸性试验，在辊表面持续积存了硫酸铝溶液(pH＝5)5天后，测定了EQUOTIP硬度。
根据以上的结果可知，实施例1的辊与比较例1及比较例2的辊相比，在耐冲击性、耐磨损性、耐药品性及耐腐蚀性的任何方面都更为优良。
[表1]