JPH02233990A - 耐熱部材および加熱炉内鋼材支持部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クロム炭化物粒子とＦｅ−Ｃｒ合金とからな
る複合焼結合金ブロックを主部材とする耐熱部材および
その耐熱部材からなる加熱炉内鋼材支持部材に関する。

〔従来の技術〕

鋼材加熱炉内の被加熱鋼材（スラブ、ビレ７　１・等）
を支持する部材、例えばウォーキングビームコンヘア式
加熱炉において、第２図のように、移動ビームおよび固
定ビームであるスキノドパイプ（２０）に形設されるス
キンドポタン（１０）　　（その頂面に鋼材が担持され
ると）として、従来より高合金′ｌＡ（ＩＯＮ　ｉ　＝
２０Ｃ　ｒ　−　Ｆ　ｅ系鋼）や高ｃｏ合金ｔＦｆｌ　
（５０Ｃ　ｏ　−２０Ｎ　ｉ　−　Ｆ　ｅ系鋼）等の耐
熱合金が使用されてきた。

近時ζ加熱炉操業の高温化が進み、１３００’Ｃをこえ
る高温操業が一般化しつつあり、それに対するスキッド
ボタンの材質改善策として、セラミック（クロム炭化物
、窒化けい素、アルミナ等）の粒子を、耐熱金属、例え
ば金属コバルト、Ｃｏ合金（ＵＭＣｏ５０等）｛または
高合金鋼（２７Ｃ　ｒ　−１７Ｎｉ−４０Ｃｏ−Ｆｅ）
と複合化した混合組織を有する焼結材料（複合焼結合金
）の実用化がこころみられている。この複合焼結合金は
、セラミック粒子と金属との複合効果によりセラミック
単相焼結材の脆弱さを緩和すると共に、耐熱金属単相材
を凌ぐ高温特性を確保することを意図したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記複合焼結合金に使用されるセラミックは多岐に亘る
が、クロム炭化物粒子（Ｃｒ３Ｃｚ等）は、硬質、高強
度で、熱的安定性も良好なセラミックであるので、これ
を耐熱金属と複合化することにより高温特性のすぐれた
複合焼結合金を得ることができるはずである。ところが
、その複合焼結合金の高温強度は予想外に低く、例えば
、Ｃｒ．Ｃ２クロム炭化物粒子と金属コバルトからなる
複合焼結合金は、構成材料が高融点（Ｃｒ３Ｃｚ　：約
１９５０’Ｃ，　Ｃ　ｏ：約１４９５゜Ｃ）であるに拘
らず、１３００゜Ｃをこえる高温域（例えば１３５０゜
Ｃ）での圧縮変形抵抗性は小さく、鋼材荷重による変形
を生じ易い。

また、その複合焼結合金は、セラミック単相焼結材に比
べて靭性が高いとはいえ、スキッドボタン等のように重
量物である鋼材からの衝撃を繰り返しうける用途では、
欠け・亀裂等の損傷を生じることも少なくない。

なお、耐熱鋼との複合構造をもたせた焼結合金の場合、
１３００゜Ｃをこえる高温域での使用において耐酸化性
の低下とそれによる材質の著しい劣化を生じることがあ
る。

本発明は複合焼結合金に関する上記問題点を解決するこ
とを目的としてなされたものである。

〔課題を解決するだめの手段および作用〕本発明の耐熱
部材は、 クロム炭化物と、Ｆｅ含有量５〜５０重量％のＦｅ−Ｃ
ｒ合金との均一混合組織を有する複合焼結合金ブロック
と、 上記複合焼結合金ブロックの頂面を除く少なくとも胴部
周囲を被包する耐熱鋼ケーシングと、上記耐熱鋼ケーシ
ングから複合焼結合金ブロックへの元素拡散を阻止する
金属中間層とを有し、上記複合焼結合金ブロックと、金
属中間層と、耐熱鋼ケーシングの互いの当接界面は固相
接合された熱間静水圧加圧焼結体であることを特徴とし
ている。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明の耐熱部材は、複合焼結合金ブロックと、耐熱鋼
ケーシングと、その両者の当接界面に介在する金属中間
層とを構成要素としている。

複合焼結合金ブロックは、クロム炭化物粒子と、Ｆｅ−
Ｃｒ合金との均一な混合組織を有する焼結体であり、そ
の金属分（以下、「基地金属」とも称す）であるＦｅ−
Ｃｒ合金は、５〜５０重量％のＦｅを含有している。複
合焼結合金ブロックの基地金属を、Ｆｅ５〜５０重量％
のＦｅ−Ｃｒ合金としたのは、良好な焼結性を確保する
とともに、その複合焼結合金に高融点をもたせるためで
ある。

この基地金属の組成と焼結性および融点について説明す
れば次のとおりである。

クロム炭化物粒子と金属粉末とからなる焼結原料粉末混
合物の焼結処理においては、クロム炭化物粒子から金属
分への炭素の拡散固溶を生じるので、得られる焼結合金
の基地金属の融点は焼結処理前に比べて低いものとなる
。金属コハルト、ＣＯ合金、高ＮｉＣｒ合金鋼等を基地
金属とする従来の複合焼結合金では、焼結過程で生じる
炭素の拡散固溶による融点陪下が著しく、例えば金属コ
バルト（融点：約１４９５゜Ｃ）とＣｒ３Ｃｚ炭化物粒
子を複合化して得られる焼結合金の融点は約１３０９゜
Ｃ前後となる。従来の複合焼結合金の高温強度が予想外
に低いのは、このように基地金属の融点が著しく低下す
ることによる。

この基地金属の低融点化に伴う複合焼結合金の高温強度
の不足は、基地金属として金属クロム（Ｃｒ）を使用す
ることにより改善することができる。クロム（融点：約
１８３０゜Ｃ）と炭素との二元合金（共晶型合金）の共
晶点（Ｃ：約３．８重景％）の温度は約１４９８゜Ｃで
あるので、焼結工程で炭素の固溶濃化が生じても、その
融点は１４９８゜Ｃを下ることはないからである。しか
し、その反面基地金属（Ｃｒ）が高融点・低蒸気圧であ
るがために、焼結性が低く、焼結合金内にビンホールや
クラック等の焼結欠陥が生じ易いという難点がある。

そこで、本発明は、５〜５０重量％のＦｅを合金化した
Ｆｅ−Ｃｒ合金を基地金属とすることとし、これにより
基地金属の焼結性と高融点確保の両面の要請を満足させ
ている。Ｆｅ−Ｃｒ二元合金は固溶型合金（固相線と接
する液相線極小部のＦｅ量：約８０重量％、温度：約１
５０７゜Ｃ）であり、Ｃｒの融点（約ｌ８３０゜Ｃ）は
Ｆｅの添加増量により徐々に降下し、それに伴って焼結
性の向上をみる。本発明において、Ｆｅ添加量の下限を
５重量％（固相線温度：約ｌ７６５゜Ｃ、液相線温度：
　１８１０゜Ｃ）としたのは、焼結体内のピンホールや
亀裂欠陥の防止に必要な焼結性を確保するためであり、
他方５０重景％（固相線温度：約ｌ５２５゜Ｃ、液相綿
温度：　１５８０”Ｃ　）を上限としたのは、それをこ
えると焼結体の高温強度の確保が困難となるからである
。なお、基地金属中のＦｅ量が増大すると、クロム炭化
物粒子が複炭化物（　（Ｃｒ，　Ｆｅ）　ｘＣｔ等）に
変化することに伴う耐酸化性の低下と焼結合金材料特性
の劣化を生じるが、Ｆｅ量を前記のように５０重量％以
下に制限すれば、上記クロム炭化物粒子の相変化とそれ
に伴う材質劣化は実質的に回避される。上記Ｆｅ−Ｃｒ
合金の焼結性と高融点・高強度の確保、並びにクロム炭
化物粒子の変化に伴う耐酸化性低下の防止の各面から規
定されるＦｅ量のより好ましい範囲は、１０〜４０重量
％である。

Ｆｅ−Ｃｒ合金に複合されるクロム炭化物粒子は、Ｃｒ
．Ｃ．，　Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒｚ＋Ｃ６等であってよく、
これらの二種以上の混合粒子であってもよい。また、そ
の粒径は、例えば１〜１００μｍであってよい。

複合焼結合金ブロックにおけるクロム炭化物粒子の割合
は任意であり、その焼結合金の用途、要求特性に応じて
決定すればよい。例えば、加熱炉内の鋼材搬送部材の用
途では、重量物である鋼材の荷重に耐える十分な高温強
度を確保するために、クロム炭化物粒子の割合を約５重
景％以上とするのがよく、より好ましくは１０重量％以
上である。

もっとも、クロム炭化物粒子の割合があまり高くなると
、基地金属の占める相対的割合の減少に伴う靭性の低下
傾向をみるので、スキッドボタンの場合には、鋼材の衝
撃によるカケやクラック等の防止に必要な耐衝撃性を確
保するために、クロム炭化物粒子の割合は約９０重量％
までとするのがよく、より好ましくは８０重景％を上限
とする。

上記複合焼結合金ブロックを被包する耐熱鋼ケーシング
は、複合焼結合金ブロックに対する衝撃による欠損・割
れ等を防ぐための保護部材として機能する。そのケーシ
ングの材料である耐熱鋼とは、本発明耐熱部材の高温酸
化環境に耐える鋼材という程の意味であって、例えばＳ
ＵＳ　３１０，同３０４，同３１０Ｓ，　ＩＩＫ，　Ｉ
Ｐ，　ＵＭＣｏ５０，その他の公知の合金鋼からの適宜
選択してよい。

上記複合焼結合金プロ・ンクとこれを被包する耐熱鋼ケ
ーシングとの界面に介在する金属中間層は、高温域にお
いて生じる耐熱鋼ケーシングから複合焼結合金ブロック
への元素の拡散侵入を■止するバリア層である。金属中
間層を省略した場合、１３ｏｏ’ｃをこえる高温度に加
熱保持されると、耐熱鋼ケーシングからの元素の拡散侵
入に伴って、複合焼結合金中のクロム炭化物粒子が複炭
化物に変化しその酸化抵抗性が著しく低下する。１３０
０゜Ｃをこえる温度域での複炭化物への変化は急速に進
み、それに伴う複合焼結合金ブロックの材質劣化は著し
い。このクロム炭化物の複炭化物への変化には主として
Ｆｅが関与している。そこで本発明では、両者の界面に
金属中間層を設けて複合焼結合金ブロックへの元素の拡
散侵入を阻止することとし、これによりクロム炭化物の
複炭化物化とそれに伴う複合焼結合金ブロックの材質劣
化を防止している。またこのバリャ層である金属中間層
は、複合焼結合金ブロックの融点降下（Ｆｅの拡散固溶
濃化）を防止し、高融点の保持にも寄与している。

上記金属中間層としては、ニッケル、クロム、またはニ
ッケルークロム合金等が好適である。その層厚は、概ね
０．１〜１　＋ｒ＋ｍ程度であってよい。なお、この金
属中間層は、複合焼結合金ブロックと耐熱鋼ケーシング
との間の熱膨張差を緩和し、その製造工程で生じる残留
応力や実使用時の温度変化に伴う界面の剥離を防止する
効果を有している。

第１図は、加熱炉内の鋼材支持部材として使用される本
発明耐熱部材の例を示している。（１）は複合焼結合金
ブロック、（３）は複合焼結合金ブロック（１）を被包
する耐熱崎ケーシング、（２）はその両者の当接界面に
バリア層として介在する金属中間層である。複合焼結合
金ブロック（１）は例えば円柱状ないし田錐台形状を有
し、その胴部周囲と底面は耐熱鋼ケーシング（３）で被
包され、頂面ば被加熱鋼材支持面としてケーシング（３
）から露出している。その耐熱部材のスキッドパイプへ
の取付けは、溶接等の簡便かつ確実な方法により行うこ
とができる。

上記複合焼結合金ブロック、耐熱鋼ケーシングおよびバ
リア層である金属中間層からなる本発明の耐熱部材は熱
間静水圧加圧焼結法により製造される。すなわち、複合
焼結合金ブロック（１）の焼結原料であるクロム炭化物
粉末とＦｅ−Ｃｒ合金粉末の混合物と、ケーシング（３
）となる耐熱鋼製カプセルと、中間層（バリア層）（２
）となるニッケル、またはクロム等の金属中間層材（シ
−ト、箔等）を準備し、そのカプセルの内側面を金属中
間層材でライニングしたうえ、クロム炭化物粉末とＦｅ
−Ｃｒ合金粉末の均一な混合物を充填し、脱気密封した
のち、熱間静水圧加圧焼結処理に付す。

複合焼結合金ブロックの焼結原料粉末であるクロム炭化
物粉末とＦｅ−Ｃｒ粉末との混合物は、混合・分散の均
一性やＭＡ（メカニカル・アロイング）効果等の点から
例えばアトライタ等の高エネルギポールミルによる混合
粉砕処理を行うことが好ましく、またその場合は、Ｆｅ
−Ｃｒ合金粉末に代えてＦｅ粉末とＣｒ粉末とを混合使
用してよい。

金属中間層材は、シート、箔等の使用に代え、カプセル
の内側面にめっき、または溶射等により金属中間層材の
ライニングを形成したものであってもよい。また、後記
のように複合焼結合金ブロックの焼結原料粉末混合物を
冷間加圧成形により圧粉成形体としたうえ、その圧粉成
形体をカプセルに封入して熱間静水圧加圧焼結に付す工
程をとる場合には、カプセルと圧粉成形体との間に適当
なクリアランスを与えてその隙間に粉末状にした金属中
間層材を充填するようにしてもよい。

熱間静水圧加圧焼結処理は、温度約１０００〜１３００
゜Ｃ１加圧力約１０００〜２０００ｋｇｆ　／　ｃｆｆ
ｌニ適当時間（例えば２〜４時間）保持することにより
達成される。その加圧下の焼結処理により、ビンホール
等のない嶽密な複合焼結合金ブロックが形成され、金属
中間層材・カプセルの緻密化が達成されると共に、その
複合焼結合金ブロック、金属中間層およびカプセルの互
いの当接界面が固相接合された結合一体関係を有する焼
結体が形成される。なお、焼結工程の別のプロセスとし
て、原料粉末混合物をラバーに充填し冷間静水圧プレス
を加えて圧粉成形体を形成し、これに粗機械加工を施し
たうえ、カプセル内に密封して熱間静水圧加圧焼結を行
うか、もしくは粗機械加工を加えた圧粉成形体を不活性
雰囲気や水素ガス雰囲気下の常圧焼結もしくは真空下で
の焼結に付し、ついでカプセルに密封して熱間静水圧加
圧焼結処理を行う工程をとることもできる。熱間静水圧
加圧焼結処理後の冷却は、例えば２４時間を要して常温
まで降下させるようにすればよい。

上記焼結処理過程において複合焼結合金ブロックを構成
するクロム炭化物から基地金属への炭素の拡散固溶を生
じるが、それによる融点降下は少な＜、゜後記実施例に
示すようにクロム炭化物粒子の配合割合の如何にかかわ
らず、形成される複合焼結合金ブロックは約１５００゜
Ｃをこえる高融点を有し、１３００゜Ｃを越える高温域
においても高い圧縮強度を示す。また、複合焼結原料粉
末混合物は良好な焼結性を有しているので、焼結処理温
度は比較的低くてよく、従って１３００゜Ｃ前後の高温
焼結は特に必要としないが、仮に１３００“Ｃを越える
温度で焼結を行う場合でも、カプセル（耐熱鋼）から複
合焼結合金ブロックへの元素の拡散侵入は金属中間層に
よって効果的に狙止される。従って焼結処理中にクロム
炭化物粒子の複炭化物への変化を生じることもない。

上記熱間静水圧加圧焼結処理により形成された焼結体を
機械加工に付し、頂面側のカプセル材を除去すれば、第
１図に示したように、複合焼結合金ブロック（１）と、
その胴部周囲および底面を被包する耐熱鋼ケーシング（
３）とそれらの当接界面に介在する金属中間層（２）を
有する耐熱部材が得られる。

〔実施例〕

複合焼結合金ブロンク原料粉末混合物、金属中間層材、
およびケーシングとなる耐熱鋼カプセル（円筒体）をｔ
＄備し、熱間静水圧加圧焼結により焼結体を得、ついで
要所に機械加工を加えて第１図に示す形状を有する供試
耐熱部材を得る。

第１表左欄に供試耐熱部材の原材料構成を示す。

Ｎα１〜８は発明例、Ｎα１０１〜１０４は比較例であ
る。

比較例Ｎｏ．１０１　〜１０４のうち、Ｎｏ．　１０１
とＮｏ．　１０　２は金属中間層材が省略されている点
で発明例と異なる例、Ｎα１０３とＮｏ．　１０　４は
複合焼結合金ブロックの基地金属としてＦｅ−Ｃｒ以外
の金属（前者はクロム、後者はコバルト）が使用されて
いる点で発明例と異なっている例である。なお、各供試
耐熱部材のサイズは、いずれも複合焼結合金ブロック：
Φ１００　Ｘ　１５０　１！　（ｎ＋＋ｎ）、ケーシン
グ肉厚：１０ｍｍ（但し底部肉厚２０ｍｌＩ１）である
。

（１）原材料 （１）複合焼結合金ブロック原料粉末 クロム炭化物粉末と基地金属粉末を、高エネルギボール
ミルで混合粉砕して均一混合粉末とする。

クロム炭化物平均粒径：２７ｚｍ，基地金属平均粒径：
１０μｍ・ （２）金属中間層材 金属ニッケルシ一トまたは金属クロムシ一ト。

厚さ１．０ｍｍ， （３）カプセル 耐熱鋼ａまたぱｂからなる円筒。

耐熱鋼ａ　：　０．ＩＣ−２７Ｃｒ−１７Ｎ＋　−４０
Ｃｏ−Ｆｅ　（融点１３９０゜Ｃ） 耐熱鋼ｂ　：　０．０５Ｃ−２０Ｎｉ　　２５Ｃｒ−Ｆ
ｅ　（ＳＵＳ３１０相当材．融点：　１４３０゜Ｃ） 〔■〕焼結処理 カプセルの内面に金属中間層材（シート）を取付けもし
くは取付けずに複合焼結合金原料粉末混合物を充填し、
脱気・密封後、１１００゜Ｃ　Ｘ　１２００ｋｇｆ／ｃ
Ｉ１１×２ＨｒＯ熱間静水圧加圧焼結処理を行い、焼結
処理終了後、２４時間を要して常温まで降下させた。得
られた焼結体に機械加工を加え頂部のカプセル材を除去
して複合焼結合金ブロックの頂面を露出させ、頂面を平
滑面に仕上げた。

（ＩＩＩ）品質試験 各供試耐熱部材のそれぞれの複合焼結合金ブロンクにつ
いて、焼結欠陥（ビンホール等）の検査、融点、高温圧
縮強度（ａｔ．　１３５０゜Ｃ）の測定、および耐酸化
性試験を行って第１表右欄に示す結果を得た。なお、表
中、「焼結欠陥」は、複合焼結合金ブロックを径方向お
よび軸方向に切断分割し、その切断面を顕微鏡観察した
結果を示している。

また、「耐酸化性」は、各供試耐熱部材を、１３５０゜
Ｃに設定された大気雰囲気炉中に４８時間保持する酸化
試験後、複合焼結合金ブロックの頂面の酸化による表面
劣化状況を肉眼観察により判定した。

同欄の○マークは「酸化なし」、××マークは「著しく
酸化」を意味している。

第１表に示したように、金属クロムを基地金属とする比
較例Ｎｏ．　１０　３は高融点を有してはいるが難焼結
性であるため、ピンホールの焼結欠陥を生じており、ま
たそのために高温圧縮強度も低いレベルにとどまってい
る。金属コバルトを基地金属とする比較例Ｎｏ．　１０
　４はピンホール等のない健全性を有しているが、基地
金属の融点降下が大きく高温圧縮強度は著しく低い。こ
れに対し発明例Ｎｏ．　１〜８は、改良された焼結性に
よりビンホール等のない健全性を有していると同時に、
約１５００゜Ｃないしそれをこえる高融点を有し、高温
強変にすぐれている。また、発明例Ｎｏ．　１　〜Ｂと
比較例Ｎｏ．１０１，　１０２との対比から、本発明の
耐熱部材に金属中間層をもたせたことの意義が明らかと
なる。すなわちＮｏ１０１，　１．０２は発明例と同じ
く適量のＦｅを含むＦｅ−Ｃｒ合金を基地金属としてい
ることにより、高融点で高温強度にすぐれているものの
、１３５０’Ｃの大気雰囲気炉中に曝されて著しい酸化
が生じている。これに対し、発明例Ｎα１〜８では、同
じ条件の高温酸化雰囲気においても殆ど酸化は生じてい
ない。これは、比較例Ｎｏ．１０１，　Ｎｏ．１０２　
　（金属中間層なし）では高温加熱の影響で耐熱鋼ケー
シングから複合焼結合金ブロックへの元素の拡散侵入（
主としてＦｅ）によりクロム炭化物粒子から耐酸化性の
低い複炭化物への変化が進んだのに対し、金属中間層を
有する発明例Ｎｏ．　１〜８では、金属中間層により複
合焼結合金ブロックへの元素の拡散侵入が■止され、結
果としてクロム炭化物粒子の複炭化物への変化が実質的
に防止されていることを示している。

〔発明の効果〕

本発明の耐熱部材は、その主部材である複合焼結合金ブ
ロックが高緻密質・健全性を有し、高融点で高温強度に
すぐれていると共に、高温酸化性雰囲気下における材質
劣化を生じない安定性を備えており、更にその胴部周囲
を密着被包する耐熱鋼ケーシングにより衝撃から保護さ
れた構造を有しているので、高温強度、耐高温酸化性、
耐衝撃性等が要求される諸用途の部材、殊に加熱炉内の
スキッドボタン等の鋼材搬送用部材として好適であり、
耐久性向上・メンテナンス軽減、Ｉ桑炉効率の向上等に
大きな効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面図、第２図は加熱炉
内のスキッドボタンの断面図である。 １：複合焼結合金ブロック，２：金属中間層３：耐熱鋼
ケーシング，１０：スキッドボタン，２０：スキッドパ
イプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クロム炭化物と、Ｆｅ含有量５〜５０重量％のＦｅ
   −Ｃｒ合金との均一混合組織を有する複合焼結合金ブロ
   ックと、 上記複合焼結合金ブロックの頂面を除き少なくとも胴部
   周囲を被包する耐熱鋼ケーシングと、上記耐熱鋼ケーシ
   ングから複合焼結合金ブロックへの元素拡散を阻止する
   金属中間層とを有し、上記複合焼結合金ブロックと、金
   属中間層と、耐熱鋼ケーシングの互いの当接界面が固相
   接合されている熱間静水圧加圧焼結体であることを特徴
   とする耐熱部材。 ２、請求項１に記載の耐熱部材からなり、その複合焼結
   合金ブロックの頂面を被加熱鋼材支持面とする加熱炉用
   被加熱鋼材支持面部材。