JPH03211220A - 耐熱支持部材 - 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） 本発明は耐熱支持部材に関し、更に詳しくは、加熱炉内
で被加熱物を支持するときに用いるスキッドボタンやハ
ースロールのような耐熱支持部材に関する。

（従来の技術） 従来、加熱炉中で鋼片などを加熱する場合、この鋼片を
支持するために金属製の支持部材、例えばスキッドボタ
ンやスキッドレール、ハースロールなどが使用されてい
る。

しかしながら、加熱炉内の温度が高温の場合には、支持
部材が耐熱合金製であったとしても、この支持部材が熱
負荷によって損傷を受けるので、この支持部材の一部を
空冷または水冷するという処置が採られている。

そのため、支持部材と接触している被加熱物の当該接触
部が充分に加熱されず、その部分に、スキッドマークと
呼ばれる低温スポットが発生し、被加熱物の熱間加工性
をはじめとする品質の低下や寸法精度の低下が引き起さ
れる。

このスキッドマークを緩和・除去するためには、加熱炉
全体を必要以上の温度に加熱したり、または支持部材の
近傍を局部加熱すればよい。しかしながら、このような
対策は、必要以上のエネルギーの消費や炉構造物の寿命
の短縮を招き、工業的には不都合である。

このようなことから、本発明者らは、耐熱合金に代えて
断熱性のセラミックスで支持部材を製作し、その実炉試
験を行なった。その結果、スキッドマークの除去効果や
省エネルギー効果は認められたが、しかし、セラミック
スは一般に脆性な材料であるため、被加熱物の搬送時に
作用する剪断応力や振動によって、クラック等が発生し
易すく、長期間の使用に耐え得ないという問題のあるこ
とが判明した。

そこで、本発明者らは、金属とセラミックスの双方の性
質を兼備する金属／セラミックス粉末のサーメット型の
複合材であって、優れた靭性と圧縮強さ、断熱性を備え
ている材料を、支持部材として開発した（特願昭６１−
３０９０１８号公報参照）。

更に続けて、本発明者らは、上記した焼結芯体であるサ
ーメット型複合材を耐熱合金と多層構造化して、このサ
ーメット型複合材を全体の一部として使用することによ
り、機能分化を企り、全体としての特性が改善された支
持部材を開発した（特願昭６２−２２４０６１号、同６
２−３１０８０号、同６２３１０８０９、同６２−３１
０８１０号の各公報参照）。

また、上記したサーメット型複合材を耐熱合金で被覆し
、これを高温になる被加熱物側の部分として配置した構
造の支持部材（特願昭６３−３９３１５号公報参照）や
、被加熱物との接触面を３次網目状の気孔を有する多孔
性セラミックスで補強した構造の支持部材（特願昭６３
−３２８９７０号公報参照）を開発した。

（発明が解決しようとする課題） 上記した各支持部材は、通常の使用条件下にある加熱炉
内においては充分に実用的な耐性を備え、従来の耐熱合
金に比べて、大幅に使用寿命が長い。

とくに、被加熱物との接触面を補強した構造の支持部材
（特願昭６３−３２８９７０号公報で開示のもの）は、
部材表面の損耗が有効に防止できるものであった。

しかしながら、実際の操業下においては、炉内条件の変
動が激しく、支持部材への、突発的な加熱や過負荷、ま
たは側方からの予期せぬ衝撃負荷などが避けられず、長
期に亘る使用時には、被加熱物との接触部における損傷
が顕著に引き起されることもある。

本発明は、上記した各支持部材を改良したものであって
、実際の操業条件下においても、上記したような損傷を
発生することが少なく、断熱性も良好で被加熱物へのス
キッドマークの発生を大幅に低減することができ、また
長期寿命を備えた耐熱支持部材の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明においては、酸
化物系を主体とする平均粒径０．１μｍ以下のセラミッ
クス粒子が基地マトリックスに対して０．５〜５体積％
分散している上部構造部分と、同じく酸化物系を主体と
する平均粒径１〜５ＩＩＩＩｌのセラミックス粒子が前
記基地マトリックスに対して５０〜８０体積％分散して
いる下部構造部分とから成り、前記基地マトリックスは
、Ｃｏ含有量が２０重量％以上の合金であることを特徴
とする耐熱支持部材が提供される。

（作用） 本発明の耐熱支持部材において、基地マトリックスをＣ
ｏ含有量が２０重量％以上である耐熱合金としたことに
より、全体として、過熱要因に対する耐性が向上する。

また、被加熱物と接触する上部構造部分は、上記した基
地マトリックス中に、平均粒径０．１μｍ以下の微細な
酸化物系セラミックス粒子を０．５〜５体積％均一分散
せしめて成るため、その高温圧縮クリープが増大し、耐
衝撃性も向上して、過負荷要因と衝撃負荷要因に対する
耐性は増大して、表面における損傷の発生が抑制される
。

更に、炉内で水冷パイプと接触し、被加熱物を含めて全
ての積載物を支持する下部構造部分においては、上記し
た基地マトリックス中に、平均粒径１〜５ｍｍの比較的
粗大な酸化物系セラミックス粒子を５０〜８０体積％均
一分散せしめて成るため、その断熱性と高温強度が向上
して、スキッドマークの低減とともに搬送時における剪
断応力や振動等に対する耐性が増大する。

（実施態様） 第１図に示したスキッドボタンに則して、本発明の耐熱
支持部材を詳細に説明する。

スキッドボタン（耐熱支持部材）ｌは、略同径の上部構
造部分２と下部構造部分３の一体構造物として構成され
ている。炉内使用時においては、下部構造部分３の下面
３ａが水冷パイプと接触し、上部構造部分２の上面２ａ
に被加熱物が積載されて両者は接触する。

上部構造部分２．下部構造部分３は、それぞれ、基地マ
トリックス２ｂ、３ｂの中に酸化物系を主体とするセラ
ミックス粒子２ｃ、３ｃが均一に分散されてなるサーメ
ット型の複合材である。

基地マトリックス２ｂ、３ｂは、いずれも耐熱合金で構
成されるが、その合金中におけるＣｏの含有量は２０重
量％以上であることが必要である。

Ｃｏ含有量が２０重量％未満の場合は、基地マトリック
スとしての耐熱性が不充分となり、実炉操業時における
突発的な過熱に対し、その耐性が低下するからである。

この基地マトリックスになり得る合金としては、例えば
、Ｆｅ　−Ｃｒ−Ｃｏ系。

Ｎｉ　−Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｃｏ系、Ｆｅ　−Ｃｒ−Ｎｉ系
などをあげることができる。

この基地マトリックス２ｂ、３ｂの中に分散せしめられ
るセラミックス粒子２ｃ、　３ｃはいずれも酸化物系の
ものを主体とする。例えば、Ａ１＊Ｏｓ。

ＰＳＺ　（部分安定化ジルコニア）、ＹｚＯｓ、ムライ
ト　Ｃｒ２Ｏ５、ＡｊｈＯｓ　　Ｃｒａｂｓ、スピネル
。

ＭｇＯ，Ｔｈ１ｓなどの各粉末をあげることができる。

上部構造部分２の基地マトリックス２ｂに分散せしめら
れるセラミックス粒子２ｃは、その平均粒径が０．１ｔ
ｔｍ以下の微細粉末とする。この平均粒径が０．１μｍ
より大きい粒子を分散せしめると、得られた上部構造部
分２の高温圧縮クリープの向上効果が小さく、使用時の
過負荷に対する耐性は向上しない。

また、基地マトリックス２ｂへの分散量は、０．５〜５
体積％の範囲に設定される。セラミックス粒子２Ｃの分
散量が０．５体積％未満の場合は、金属粒界部に分散さ
れるセラミックス粒子が少ないため、ピニング効果があ
まり有効ではなく、耐用性の向上につながらないという
問題が起り、また５体積％より多い場合は、分散される
セラミックス粒子が多すぎるため、粒界部の強度が低下
し、高温下での耐用性、とくに脆性に問題が生ずるから
である。好ましい分散量は、０．５〜５．０体積％であ
る。

下部構造部分３の基地マトリックス３ｂに分散せしめら
れるセラミックス粒子３ｃはその平均粒径が１〜５ＩＩ
Ｉｆｆｌの粗大粉粒とする。平均粒径が１ｍｍ未満の場
合は、得られた下部構造部分３の熱負荷応力による変形
が大きくなり、また５ｍｎより大径の場合はセラミック
ス粒子３Ｃの粒内破壊が起り、使用時に損壊する事態が
起り易くなるからである。

このセラミックス粒子３ｃは、基地マトリックス３ｂの
中に５０〜８０体積％分散せしめられる。

この分散量が５０体積％未満の場合は、熱負荷応力、例
えば熱間繰返し圧縮時の変形量が大きくなり、また８０
体積％を超えると、基地マトリックス３ｂの３次元的な
合金骨格が崩れて得られた下部構造部分３の強度低下が
起り、支持部材としての機能喪失を招く。

また、第４図で示したように、金属とセラミックス粒子
の複合材において、セラミックス粒子の体積分率が５０
％以上になると、その複合材は有効な断熱性を示すよう
になる。

なお、上記したセラミックス粒子２ｃ、３ｃはいずれも
酸化物系のものを主体とするが、必要に応じて、Ｓ　ｉ
Ｃｒ　Ｔ　ｉＣ＋　ＷＣ＋　Ｓ　ｉｓＮ　４１　Ｔ　ｉ
Ｎのような炭化物系、窒化物系の粒子を、その量が酸化
物系に対し５体積％以内の範囲で添加してもよい。

また、基地マトリックス３ｂに分散せしめるセラミック
ス粒子３ｃとしては、基地マトリックス３ｂとの密着性
を高めて熱負荷応力による変形量を小たらしめるために
、非球形のものであることが好ましい。

この支持部材ｌにおいて、上部構造部分２は下部構造部
分に対して、その体積比が０．１〜０．５となるように
一体化されることが好ましい。

この体積比が０．１より小さい場合は、下部構造部分３
における上部構造部分２との接合部分でバルジング現象
が起りやすくなり、上部構造部分２の沈下を招くように
なり、また０、５より大きくなると、下部構造部分に期
待する断熱効果が小さくなり、全体としての断熱効果が
小さくなるという問題が生じるからである。

この支持部材ｌは、例えば次のようにして製造すること
ができる。まず、例えば溶湯噴霧法によって、基地マト
リックスとなる合金の粉末を製造する。一方、上部構造
部分、下部構造部分に用いる所定粒径のマトリックス粒
子を用意する。

ついで、前記合金粉末に上部構造部分用のセラミックス
粒子を所定量添加して、例えば機械的合金化法により、
合金粉末の粒界にセラミックス粒子が分散して成る混合
粉末を調製し、得られた混合粉末を、例えば軟鋼缶の中
に充填する。その後、前記合金粉末に下部構造部分用の
セラミックス粒子を所定量添加して両者を混合し、得ら
れた混合粉末を前記した缶内に充填して例えばＮｔ雰囲
気中で缶を密封したのち、全体に熱間静水圧プレス（Ｈ
Ｉ　Ｐ）を施す。

缶内に充填された２種類の混合粉末は焼結され、上部構
造部分と下部構造部分が一体的に接合した状態で本発明
の耐熱支持部材が焼結体として得られる。

第２図は、本発明の他の実施態様を示す断面図で、この
支持部材の場合は、下部構造部分が、第１図の下部構造
部分３の側面を耐熱合金層４で被覆した構造になってい
る。

また、第３図は更に別の実施態様を示す断面図で、この
場合は、第１図の下部構造部分３の全周が耐熱合金層４
°で被覆された構造になっている。

これら第２図、第３図の構造の支持部材は、いずれも、
耐熱合金層４，４°の働きにより、全体の靭性は高くな
り、衝撃荷重に対して大きな耐性を発現するようになる
。

なお、耐熱合金４，４°を構成する合金は、使用温度に
おける耐熱度を有するものであれば、何であってよいが
、上部構造部分、下部構造部分の基地マトリックスとし
て使用する合金であることが好ましい。

（発明の実施例） 第１表で示した平均粒径の各種セラミックス粒子を用意
した。一方、溶湯噴霧法により、粒径６０メツシユ下で
、表示組成の合金粉末を調製した。

この合金粉末に表示の体積割合で表示したセラミックス
粒子を添加し、機械的合金化法により、上部構造部分用
の混合粉末を調製した。また、合金粉末に表示の体積割
合で表示のセラミックス粒子を混合して、下部構造部分
用の混合粉末を調製した。

ついで、内径７０閣の軟鋼型の缶の中に、上部構造部分
用の混合粉末を充填し、更にその上から下部構造部分用
の混合粉末を充填した。このとき、各混合粉末の充填量
を変えて、上部構造部分と下部構造部分の体積比を変化
させた。

軟鋼缶に蓋をしたのち、Ｎ！雰囲気中で蓋を溶接し、缶
内を脱気して密封した。

ツイテ、密封缶に、温度１２００℃、圧力１　ｔｏｎ／
ｃｔｌで１時間のＨＩＰを施したのち、缶を切除して、
内容物を取りだした。上部構造部分と下部構造部分が一
体的に接合した焼結体が得られた。

得られた焼結体につき、下記の条件で熱負荷試験を行な
い、損傷の度合を目視観察し、また軸方向の変形率（％
）を算出した。

藍！条件 負荷条件：焼結体の軸方向に、圧力５０ｋｇ／ｃｄで５
秒間筒重を加えたのち、７秒 間熱負荷の状態を保持し、このサ イクルを反復する。そして、１００ サイクルに１度、上記圧力で衝撃 荷重を加える。

加熱温度：１３５０℃。

雰囲気　二大気。

試験時間＝２４時間。

なお、変形率（％）は、（試験後の焼結体の長さ変化／
焼結体の初期の長さ）Ｘ１００で表す。

以上の結果を一括して第１表に示した。

なお、第１表の総合判定が○のものが本発明の実施例で
、×のものが比較例を示す。

（以下余白） ４゜ （発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明の耐熱支持部材は
、酸化物系を主体とする平均粒径０．１１１ｍ以下のセ
ラミックス粒子が基地マトリックスに対して０．５〜５
体積％分散している上部構造部分と、同じく酸化物系を
主体とする平均粒径１〜５Ｍのセラミックス粒子が前記
基地マトリックスに対して５０〜８０体積％分散してい
る下部構造部分とから成り、前記基地マトリックスは、
Ｃｏ含有量が２０重量％以上の合金であることを特徴と
するので、全体として、過熱要因に対する耐性が大きく
、また、上部構造部分の高温圧縮クリープが向上して過
負荷要因と衝撃負荷要因に対する耐性は良好となって、
被加熱物の搬送時に作用する剪断応力や振動に対しても
損傷することがなく、更に下部構造部分の高温強度や断
熱性も向上しているので、スキッドマークの大幅な低減
効果が得られるとともに、使用寿命が大幅に延長して、
その工業的な価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は、スキッドボタンで示した本発明実
施例の断面図、第４図は複合材におけるセラミックス粒
子の体積分率と複合材の熱伝導率の関係を示すグラフで
ある。 ｌ・・・スキッドボタン（耐熱支持部材）、２・・・上
部構造部分、２ａ・・・上部構造部分の上面、２ｂ・・
・基地マトリックス、２ｃ・・・セラミックス粒子、３
・・・下部構造部分、３ａ・・・下部構造部分の下面、
３ｂ・・・基地マトリックス、３ｃ・・・セラミックス
粒子、４．４°・・・耐熱合金層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物系を主体とする平均粒径０．１μｍ以下の
   セラミックス粒子が基地マトリックスに対して０．５〜
   ５体積％分散している上部構造部分と、同じく酸化物系
   を主体とする平均粒径１〜５ｍｍのセラミックス粒子が
   前記基地マトリックスに対して５０〜８０体積％分散し
   ている下部構造部分とから成り、前記基地マトリックス
   は、Ｃｏ含有量が２０重量％以上の合金であることを特
   徴とする耐熱支持部材。
2. （２）前記上部構造部分の前記下部構造部分に対する体
   積比が０．１〜０．５である請求項１記載の耐熱支持部
   材。