JPH1046281A - 耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料とそれを用いた構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐食性と熱衝撃抵抗性の両特性を兼備する複
合材料とその構造体を得ること。 【解決手段】 ＣａＯが４５〜５重量％、残部がＭｏと
からなる耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料であ
り、これを少なくとも溶融金属あるいは溶融スラグに直
接接触する部分に用いた構造体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融金属又は溶融
スラグに対する耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた耐食性
複合材料とそれを用いた構造体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属もしくは溶融スラグに対する耐
食性又は熱衝撃抵抗性を有する工業材料として、アルミ
ナ、ジルコニアなどの各種金属酸化物及びそれら金属酸
化物に、例えば、黒鉛、ピッチなどの炭素材料あるいは
炭化珪素、窒化珪素などの非酸化物、さらには各種の金
属微粉末等を配合させた耐火物が古くからよく知られて
おり、これらの耐火物は焼成材又は不焼成材の形態で一
般的に使用されている。

【０００３】さらに、侵食条件、熱衝撃条件等が過酷に
なってくると、これら耐火物の中でも各条件に応じて限
定された耐火物が使用されるほかに、金属結合相を持っ
た耐火物、例えば、特開平５−３２９５９２公報あるい
は特開平６−２２９８３８公報に開示されるような、Ｚ
ｒＯ₂とＭｏとからなる材料部材、いわゆるサーメット
系の素材も最近は使用されるようになってきている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来から一般的に使用
されている耐火物は、その化学組成と材料組織との組み
合わせによって、耐食性又は熱衝撃抵抗性を備えている
が、両特性を兼備することは非常に困難である。一方、
前記特開平５−３２９５９２号公報あるいは特開平６−
２２９８３８号公報に開示されたサーメット系の素材で
あるＭｏ−ＺｒＯ₂系材料においては、熱衝撃抵抗性
は、優れているが、それでもセラミックス成分であるＺ
ｒＯ₂の異常熱膨張特性のために、十分ではない場合が
生じる。また、ＺｒＯ₂成分は、熱力学的に比較的安定
な金属酸化物であるといえども、高温の溶融金属あるい
は溶融スラグに直接接触するような条件下では侵食さ
れ、実用上から改善を望まれている。

【０００５】そこで、本発明は、溶融金属又は溶融スラ
グに対する耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた耐食性複合
材料とそれを用いた構造体を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣａＯを５〜
４５重量％、残部がＭｏであることを特徴とする耐食性
及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料を提供するものであ
り、さらに、構造体の少なくとも溶融金属あるいは溶融
スラグに直接接触する部分へ本発明による耐食性複合材
料を適用する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、ＣａＯを５〜４５重量
％含有するＭｏ基の耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複
合材料である。その製造方法には種々の方法が採用で
き、例えば、真空中あるいは非酸化性雰囲中で加熱分解
することによりＣａＯを生成するＣａ（ＯＨ）₂、Ｃａ
ＣＯ₃等のＣａ化合物とＭｏとを混合した後、混合物を
真空中あるいは非酸化性雰囲気中で焼結することにより
得られる。

【０００８】種々の金属酸化物のなかでもＣａＯはＴｈ
Ｏ₂に次いで熱力学的に安定で蒸気圧、解離酸素圧も低
い酸化物であり、その安定性が高温真空下でも持続され
ていることはよく知られている。しかしながら、一方
で、ＣａＯは、大気中のわずかな水分によって容易に水
酸化物へ変化し、このとき発熱とともに体積膨張するこ
ともよく知られており、この性質のために、ＣａＯの利
用可能分野は限定されたままであった。

【０００９】また、Ｍｏは、高融点であり機械的強度や
硬度が高く、合金添加成分として、例えば、合金工具
鋼、高速度鋼、熱間ダイス鋼などに使用されているが、
一方で酸化されやすく高温で昇華するなどの問題があ
り、使用する雰囲気などにも十分注意する必要がある。

【００１０】そこで、本発明は、ＭｏとＣａＯとからな
る複合材料とすることにより、溶融金属あるいは溶融ス
ラグに対する耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料
が得られる。

【００１１】本発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優
れた複合材料では、ＣａＯの割合が４５重量％を越える
と、複合材料中に占めるＣａＯの割合が多くなりすぎ
て、大気中の水分によって容易に水酸化物へ変化すると
いうＣａＯの性質が顕著になり、５重量％未満になる
と、溶融金属あるいは溶融スラグに対する耐食性が低下
して従来の耐食性材料との差がなくなる。

【００１２】本発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優
れた複合材料は、ＣａＯを含有するにもかかわらず、Ｃ
ａＯ自身の性質である大気中の水分との反応によって、
体積膨張ひいては亀裂を発生するという問題を起こさな
い。これは、切削工具、耐磨耗性・耐衝撃部材等に現在
実用化されているサーメット系材料において、結合相と
して使用されているＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒなどの２価
イオン半径が約０．０７ｎｍであることに比較して、本
発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料に
使用されているＭｏの２価イオン半径は約０．１ｎｍで
あり、Ｃａの２価イオン半径０．１ｎｍとほぼ一致して
いるために、ＣａＯの格子中にＭｏが容易に置換固溶す
ることができて、ＣａＯ結晶粒のＭｏとの界面に熱的に
安定なあるいは熱力学的に安定な固溶体が形成され、前
記の問題点が解消されている。

【００１３】本発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優
れた複合材料の組成範囲であるときに、ＣａＯ結晶粒の
表面はＭｏ結晶で囲まれているために、以上のような理
由でＣａＯ自身の水分との反応は抑制され、大気中でも
安定した状態である。

【００１４】本発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優
れた複合材料は、溶融金属中あるいは溶融スラグ中にお
いて、Ｍｏ及びＣａＯ成分が溶融金属、溶融スラグの化
学的な侵食を受けあるいは溶融金属、溶融スラグの高温
に晒されることにより熱衝撃などを受けることになる。
しかしながら、従来の耐食性材料に比較して、本発明に
よる耐食性複合材料は、その成分であるＭｏ及びＣａＯ
が化学的に非常に安定でありかつ熱伝導性も高いので、
すぐれた耐食性及び熱衝撃抵抗性を有している。

【００１５】少なくとも溶融金属、溶融スラグに直接接
触する部分へ本発明による耐食性及び熱衝撃抵抗性に優
れた複合材料を使用することによって、複合材料の耐食
性及び熱衝撃抵抗性が従来の耐火物に比較して大幅に向
上するため、例えば、溶鋼流量制御装置の溶鋼接触部分
である流量制御プレート、同プレートと接続される上部
及び下部ノズル、鋳造用ノズル（浸漬ノズル、ロングノ
ズル）、湯面検知部材、溶鋼成分センサー保護管、溶鋼
温度計保護管等の構造体として用いることができる。当
然、溶融金属、溶融スラグに直接接触する構造体の局所
のみではなく、構造体全体を本発明の複合材料とする場
合も適用できる。

【００１６】

【実施例】以下実施例により、本発明の耐食性及び熱衝
撃抵抗性に優れた複合材料を詳しく説明する。なお、表
１〜３の配合割合は重量％で表示している。

【００１７】表１は、各配合割合による混合粉末を１５
０ＭＰａで加圧成形して作製した圧粉体を、常圧アルゴ
ン雰囲気中１７５０°Ｃで５時間熱処理して、Ｍｏと金
属酸化物とからなる複合材料を作製し、得られた複合材
料の特性評価結果を示す。

【００１８】ここで、熱伝導率はレーザーフラッシュ法
により室温で測定した結果であり、被食率は１５５０°
ＣのＳＵＳ３０４溶湯中に１０×１０×１５０ ｍｍの
試験材を浸漬させ、溶鋼表面にスラグを約２０ｍｍ厚さ
になるように投入し、１０分経過後の浸漬部の最大寸法
減少率を測定した結果である。スラグの主成分はＣａＯ
とＳｉＯ₂とであり、その重量比率は３：２である。熱
衝撃抵抗性は、１０×１０×１５０ｍｍの試験材を１６
００°ＣのＳＵＳ３０４溶鋼中へ予熱なしに５分間浸漬
した場合の試験材を外観観察した結果である。

【００１９】

【表１】 表１から明らかなとおり、比較例１による複合材料は、
被食率において実施例１と同じ、線膨張係数においては
実施例３と比較しては同等であるが、熱伝導率及び曲げ
強さが小さいため、それらの特性が相互に関連してくる
熱衝撃抵抗性で劣る。また、比較例２による複合材料
は、実施例３と同等の熱伝導率を示しているが、線膨張
係数が大きいことと曲げ強さが小さいことのため、それ
らの特性が相互に関連してくる熱衝撃抵抗性が劣ってい
る。

【００２０】表２は、各配合割合による混合粉末を１５
０ＭＰａで加圧成形して作製した圧粉体を、常圧アルゴ
ン雰囲気中１７５０°Ｃで５時間熱処理して、金属とＣ
ａＯとからなる複合材料を作製し、得られた複合材料の
特性評価結果を示す。特性評価方法は表１の場合と同じ
である。

【００２１】

【表２】 表２から明らかなように、本発明による複合材料は被食
率及び熱衝撃抵抗性が良好であるが、比較例３〜５にお
ける複合材料は、実施例５で使用したＭｏに比較して低
融点である金属を含む相を有するため被食率が低下して
いる。

【００２２】表３は、各配合割合による混合粉末を１５
０ＭＰａで加圧成形して作製した圧粉体を、真空雰囲気
中１７５０°Ｃで５時間熱処理して、Ｍｏと金属酸化物
とからなる複合材料を作製し、得られた複合材料の特性
評価結果を示す。特性評価方法は表１の場合と同じであ
る。

【００２３】

【表３】 表３から明らかなように、熱分解によってＣａＯを生成
する原料から作製した場合でも、本発明による被食率及
び熱衝撃抵抗性が良好な複合材料を得ることができる。

【００２４】次に、本発明の複合材料を使用した構造体
について説明する。

【００２５】実施例７及び実施例８による複合材料を使
用して、溶鋼温度計測用熱電対の保護管を製作した。図
１は溶鋼温度計測用熱電対の保護管の断面図で、保護管
１は、外筒部２の全体に本発明の複合材料を使用し、内
筒部３にアルミナ質保護管、及びシース形熱電対４を配
設している。

【００２６】これらの保護管を無予熱のまま、温度１５
６０°Ｃの普通鋼溶湯中へ浸漬し、１０時間後に引き上
げた。実施例７の複合材料を使用して得られた保護管
は、溶鋼浸漬前後で寸法、形状の変化はなく、実施例８
による複合材料を使用した保護管も同様の結果を示し
た。次に、外筒部２の溶鋼に直接接触する部分のみに前
記複合材料を配置した場合も、溶鋼浸漬前後で寸法、形
状の変化もなく良好であった。この他、図に示してはい
ないが溶鋼に浸漬し溶鋼を送通する鋳造用ノズルの全体
あるいは直接接触する流通孔部分や浸漬部分のみに用い
ても高耐用の結果が得られた。しかし、比較例１の複合
材料を用いて作製した保護管は、外表面に亀裂が発生す
るとともに外径が減少していた。比較例２による複合材
料を用いた場合は、溶鋼により表面付近が侵食を受け、
被侵食部分が溶鋼中に落下した。比較例３による複合材
料を用いた場合、外表面に亀裂が発生するとともに外径
が減少していた。

【００２７】また、溶鋼流量制御装置の溶鋼接触部分に
実施例７と実施例８による複合材料を使用して、１５６
０°Ｃの普通鋼溶湯の流量制御用プレート、上部及び下
部ノズルを作製した。図２は溶鋼流量制御装置の耐火物
部分の側断面図で、流量制御用プレートの上プレート５
と下プレート６、７は上部ノズル、８は下部ノズル、９
は溶鋼流通孔を示す。

【００２８】その実用テスト結果、実施例７及び実施例
８による複合材料を使用した溶鋼流量制御装置の耐火物
部分はいずれも亀裂の発生はなく、溶鋼による浸食摩耗
が抑制されて高耐用を示した。この他、図３に示すよう
な、上プレート５、下プレート６、上部ノズル７、下部
ノズル８の溶鋼流通孔９部分にリング状に使用、あるい
は、下プレート６の摺動面側１０に使用した場合も同様
に高耐用を示した。しかし、比較例１の複合材料を使用
した溶鋼流量制御装置の耐火物部分は、溶鋼接触部分の
浸食磨耗が著しく、溶鋼通過に伴う熱衝撃によって亀裂
が発生したため、流量制御用プレートはその後使用する
ことができなかった。比較例３による複合材料を使用し
た場合は、溶鋼接触部分の浸食摩耗が著しかった。

【００２９】

【発明の効果】耐食性及び熱衝撃抵抗性の両特性を兼備
する複合材料を得ることができた。また、溶融金属ある
いは溶融スラグに直接接触する部分に、本発明による耐
食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料を使用すること
によって、耐食性、熱衝撃抵抗性が従来の耐火物に比較
して大幅に向上するため、溶鋼流量制御装置の溶鋼接触
部分である流量制御用プレート、鋳造ノズル、湯面検知
部材、溶鋼成分センサー保護管あるいは溶鋼温度計保護
管等の構造体として用いた場合、それらの寿命を大幅に
延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の複合材料を使用した溶鋼温度計測用
熱電対の保護管断面図である。

【図２】 本発明の複合材料を使用した溶鋼流量制御装
置の耐火物部分側断面図である。

【図３】 本発明の複合材料を溶鋼接触部分に限定して
使用した溶鋼流量制御装置の耐火物部分側断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 保護管 ２ 外筒部 ３ 内筒部 ４ シース形熱電対 ５ 上プレート ６ 下プレート ７ 上部ノズル ８ 下部ノズル ９ 溶鋼流通孔 １０ 摺動面側

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣａＯが５〜４５重量％、残部がＭｏで
   ある耐食性及び熱衝撃抵抗性に優れた複合材料。
2. 【請求項２】 少なくとも溶融金属又は溶融スラグに直
   接接触する部分が請求項１記載の耐食性及び熱衝撃抵抗
   性に優れた複合材料からなる構造体。