JPH01255643A - 加熱炉における被加熱体支持部材用複合材料 - 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〉 本発明は熱間圧延用または鋼材熱処理用等の加熱炉にお
ける被加熱体支持部材であるスキッドボタン、スキッド
ライダーあるいは炉内ロール用として適した、耐熱合金
中にセラミックスを分散させた焼結体複合材料に関する
。

〈従来の技術〉 一般に加熱炉内でスラブなど被加熱体を保持するための
加熱炉用支持部材は、炉の安定操業を行うため９００°
Ｃを超える温度での耐高温圧縮性、耐酸化性、耐高温ス
ケール反応性、耐衝撃性、耐磨耗性が要求される。

従来、これら加熱炉用被加熱体支持部材としては、主に
耐熱合金が使用されているが、９００°Ｃ以上の高温雰
囲気において耐高温圧縮強度を維持し、クリープ変形を
防止するために強力な内部水冷を施していた。

しかしながら、このような冷却は加熱炉のエネルギー損
失を増大し、さらに被加熱体と加熱炉支持部材との接触
面の温度を低下させることにより、スキッドマークと呼
ばれる低温スポットを形成し、被加熱材の均一加熱を困
難なものにしていた。

近年、かかる問題を解決するため、セラミックス材料の
耐熱性、断熱性などに注目し、これを加熱炉における被
加熱体支持部材として利用することが提案されている。

しかし、セラミックスは一般に機械的あるいは熱的衝撃
特性が悪く、割れやすいという問題を含み、また高温で
高強度を有するＳｉＣ，Ｓｉ３Ｎ、等のセラミックスに
おいては、高温でスラブのスケールと反応し、ガラス化
して割れを生じ損耗していくという問題を有している。

そこで、セラミックスと耐熱合金の利点を活用する目的
で耐熱合金中に５０〜９０容量％という多量のセラミッ
クスを均一分散させた複合材料を加熱炉における被加熱
体支持部材として適用する研究がなされている（例えば
特開昭６０−２００９４８号公報参照）。

しかしながら、セラミックスを多量に含有した複合材料
は超硬合金、サーメツト材等で既知の様に、硬度が高い
かわりに靭性が低いという問題を避は切れず、被加熱材
から受ける衝撃による加熱炉支持部材の割れやセラミッ
クスの剥離等が発生し、被加熱材表面に傷をつける恐れ
がある。

従って、前述した加熱炉用被加熱体支持部材の要求特性
を満足する材料を開発することは工業的に極めて重大な
意義を有する。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明は、前述した従来の加熱炉用被加熱体支持部材の
有する問題点、即ち■耐熱合金製スキントポタンの欠点
である高温圧縮変形及びスキッドマークの発生、■セラ
ミックス単体や耐熱合金とセラミックスとの複合材料か
らなる加熱炉用被加熱体支持部材で生じる酸化スケール
との反応によるセラミックスの損耗及び、被加熱材が与
える衝撃荷重に起因する割れや破損等の問題点を解決し
ようとするものである。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、加熱炉用被加熱体支持部材における前述の問
題を解決するために、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金あるいは
鉄系耐熱合金中に、ｊＶ　Ｎ　＋　Ｔ　ｆ　Ｎ　＊　／
Ｖ　！　０３１ＳｉＯ□のうちの１種または２種以上で
あって１００μｍ以下の粉末または繊維からなるセラミ
ックス１０〜５０未満容量％を均一分散した焼結体複合
材料であることを特徴とする加熱炉における被加熱体支
持部材用複合材料を要旨とするものである。

く作　用〉 本発明材の場合、焼結体中のセラミックス含有量はその
特性に重大な影響を及ぼす。セラミックス含有量が増加
するに伴い、粒子分散による転位ループ増大が生じ、強
度が上昇し、さらにセラミックス自身の硬さにより焼結
体の硬さも上昇する。

しかしながら、セラミックス含有量が５０容量％以上だ
と母相となる軟らかい耐熱性合金量が減少し、衝撃エネ
ルギー吸収能力が低下するとともにセラミックス粉末粒
子間に耐熱性合金粒子を十分充填することが困難となり
、局部的にセラミックス粒子の偏析が生じる。このため
、破壊靭性、及び熱衝撃特性の劣化が起こる。一方、セ
ラミックス含有量が１０容量％を下まわる場合、セラミ
ックス含有による効果が焼結体特性に十分反映されない
。従って、本発明材の場合、セラミックス含有量は１０
〜５０未満容量％とする。

本発明で使用される耐熱合金はＮｉによるセラミックス
とのぬれ性向上、及び耐熱性、耐酸化性を考慮すると、
Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、鉄系耐熱合金等が好ましく、
粉末粒径はセラミックスの均一混合を可能にし、機械的
特性を向上させるために２００−以下が望ましい。

また使用されるセラミックスとしては、種々研究の結果
、Ａｊ　Ｎ　、　Ｔ　ｔ　Ｎ等の窒化物セラミックスお
よびＡｊ　ｔ　Ｏｓ等の酸化物セラミックスが有効であ
ることを見いだした。セラミックス粒径は１００μｍ以
下が望ましい。１００μｍ超の粒径の場合、十分な高温
圧縮強度が得られないことがわかっている。

セラミックス粒径の下限は何ら制限するものではなく、
強度、靭性を向上するためには、できる限り粒径を小さ
くすることが望ましい。しかし、０．５−未満の粒径に
なった場合、粉末二次凝集や酸化等の対策を講じる必要
が生じ、粉末取扱いがはん雑になるため、経済性を考慮
すると０．５μｍを下限とすることが望ましい。

本発明の加熱炉における被加熱体支持部材用複合材料は
耐熱合金とセラミックスの原料粉末を混練調整し、必要
に応じて適当な粒径に造粒した後、焼結工程を経て製造
される。焼結工程としては、加圧成形及び焼結を行う常
法を用いても何ら問題はないが、好ましくは熱間加圧焼
結法である熱間等方圧焼結法（以下ＨＩＰ焼結法と略す
。）やｒ。

間押出し、あるいは引抜き焼結法により行なわれる。Ｈ
ＩＰ焼結法の場合、温度１１５０°Ｃ以上、加圧力８０
ＭＰａ以上、保定時間１時間以上の条件下で処理するこ
とにより好結果が得られる。

このようにして得られた焼結体複合材料は、高温におけ
る優れた圧縮強度、耐スケール反応性、低熱伝導率を示
し、加熱炉における被加熱体支持部材用複合材料として
好適となる。

〈実施例〉 本発明の被加熱体支持部材用焼結体複合材料の製造およ
び高温緒特性について実施例により説明する。

■　焼結体複合材料の製造 母相となる耐熱合金は表１に示す組成とし、Ｃ。

−Ｎｉ　−Ｃｒ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系及びＮｉ
−Ｃｒ系の耐熱合金を使用した。粉末粒径は、平均粒径
が６３μｍ以下のものを用いた。これら耐熱合金にＡ７
Ｎ、ＴｉＮ及びＭ２Ｏ３の１種又は２種を種々の容量配
合率となるように添加した。

表２に複合材の構成を示す。

上記粉末は十分混合した後、ＨＩＰ焼結法により焼成し
た。ＨＩＰ焼結法について第１図に示す。

まず（イ）混合粉３を軟鋼製又はステンレス鋼製のカプ
セル１（容器）に充填した後、（ロ）カプセルに取付け
られた脱気孔２を通して脱気、真空とし、（ハ）脱気孔
２を圧接、溶接等でシールする。その後カプセルをＨＩ
Ｐ装置に装入し、１１５０°Ｃ以上、１５００気圧の条
件下でＨＩＰ処理することにより焼結体を得た。

表２の試料Ｎα（１）〜（８）は前記複合焼結体、試料
Ｎα（９）、　００）は前記焼結手法を用いて作成した
比較材、試料Ｎα（１０は鋳造法により作成した従来材
である。

これら１１種の試験材に対し高温圧縮試験、スケール反
応性評価試験、加工性評価試験を行なった。

さらに一部の試験材について熱伝導率を測定した。

■　高温圧縮試験 １２φｘ２１Ｌ（ｎｕ＋＋）の試験片を１３００°Ｃ５
大気雰囲気において０．５ｍｍ／分なるクロスヘツド速
度で一軸加圧した。この時得られる０、２％耐力を圧縮
降伏力（ｋｇｆ／■シ）とした。表２に示すように本発
明材は従来材に比較して、１３００°Ｃにおける圧縮降
伏力が１．９倍から６．３倍以上に上昇した。従って、
本発明材を例えばスキッドボタンに適用することにより
、従来材で起きていた使用中スキッドボタンの変形によ
る高さ低減を抑止できるとともに、従来材よりも高い高
さを有するスキッドボタンの供給が可能となる。一方、
同じ複合焼結材であるにもかかわらず、比較材の試料Ｎ
ｏ、Ｑ■に示すようにセラミックス粒径が大きい場合高
温圧縮降伏力は従来材より低下した。

■　スケール反応性評価試験 １２φ×５Ｌ（躯）の試験片上にφ８×３Ｌ（ｎ＋ｍ）
の５３４１Ｍ材を相手材として静置し、１３００°Ｃ１
大気雰囲気中に於て２時間放置した。表２において冷却
後相手材が人力によりはく離した場合○、工具によりは
く離した場合△とした。本発明材の場合、従来材と同等
以上の耐スケール反応性を有していることがわかった。

■　熱伝導率測定 表２の本発明材：試料Ｎα（４）及び従来材；試料Ｎｏ
。

（１１）の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定
した。第２図に結果を示すように本発明材である試料Ｎ
α（４）は従来材に比べ１０００°Ｃにおいて熱伝導率
が約％になっている。このことは本発明材を例えばスキ
ッドボタンに適用することによりスキッドボタンの断熱
性を向上せしめ、スキッドボタン表面と接触する被加熱
体の温度低下を抑制することが可能となる。

■　放電加工性評価試験 一般に、セラミックス含有複合材料は硬いセラミックス
部と軟らかい金属、あるいは合金部を有しているため、
難加工性材料とされており、その加工にはバイト加工よ
り放電加工の方が望ましい。

φ６０Ｘ１００Ｌ　（鴫）試験材を径方向に１５■。

５０Ａなる条件で放電加工を施した。放電加工後切断面
に０．５Ｍ深さ以上のクラックが発生した場合×、導通
不良を起こした場合Δ、クラックの発生がないか、又は
発生しても０．５　ｍｍ深さ以内で、かつ導通不良のな
い場合Ｏとした。本発明材の場合、放電加工性は全て良
好であったが、比較材である試料Ｎα（９）の場合深い
クラックが発生し、また比較材である試料Ｎｏ、Ｏωの
場合、導通不良が発生した。

一般に加熱炉におけるスキッドボタン材料に対して、１
３００°Ｃにおける面圧が０．１〜０．２ｋｇｆ／−以
上であることが要求されている。本発明材の試料Ｎα（
１）〜（８）の場合１３００°Ｃにおける高温圧縮降伏
力は４．０〜１３．２ｋｇｆ／−以上であり、要求高温
圧縮強度は従来付以上に十分満足している。耐スケール
反応性も従来材に比べ優れており、スキッドボタン用材
料として使用するために極めて有用であることがわかる
。一方、比較材の試料Ｎｏ、（９）は高い高温強度を有
するが、セラミックス含有率が７０容量％と高いため靭
性が劣化し、放電加工の如きわずかな熱衝撃においても
大きなりラックを生じてしまう。また比較材のＮｏ、　
Ｏωは良好な耐スケール反応性を示すが従来材より低い
高温圧縮降伏力しか示さず、さらに導電性が金属あるい
は合金に劣る平均粒径２９５μｍなる大きなセラミック
ス粒子が点在するため、導通不良を誘起し、放電加工性
が劣化する。従って、これら比較材はスキッドボタン用
材料として不適であることがわかる。

〈発明の効果〉 以上述べたように、本発明の焼結体複合材料は卓越した
高温圧縮強度を有するため、加熱炉内において背丈の高
いスキッドボタンを長期間保持することが可能となりス
キッドボタンの耐用寿命を従来品より長くすることがで
きる。また、加熱炉内の輻射熱をむらなく被加熱体に供
給でき、かつ優れた断熱性により、スキッドボタンの冷
却による被加熱体の局部的降温を抑制できることにより
、被加熱体を均一に加熱でき、従来材を用いたスキッド
ボタンで大きな問題となっていたスキッドマークの低減
が可能となり、被加熱体品質の向上がみられる。さらに
、高い断熱性により炉内熱損失を減少せしめ大幅な省エ
ネルギーとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）〜（ニ）は、焼結体複合材料を作成するた
めのＨＩＰ焼結法概略図、第２図は本発明材及び従来材
の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した結果
を示す図である。 １・・・金属カプセル、２・・・脱気パイプ、３・・・
金属セラミックス混合粉末。 第１図 （イ）　　　　　　（ロ）　　　　　（ハ）　　　　　
　（ニ）３合」鶴、せラミ、７グ人乳峠末 第２図 益　　度　　（’Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金あるいは鉄系耐熱合金中に、Ａ
   ｌＮ、ＴｉＮ、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２のうちの１
   種または２種以上であって１００μｍ以下の粉末または
   繊維からなるセラミックス１０〜５０未満容量％を均一
   分散した焼結体複合材料であることを特徴とする加熱炉
   における被加熱体支持部材用複合材料。