JP2000129404A

JP2000129404A - 耐酸化性と耐焼付き性に優れた耐熱合金鋼および加熱炉部材

Info

Publication number: JP2000129404A
Application number: JP10307916A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Anraku; 敏朗安楽; Akira Obara; 亮小原; Yoshitaka Nishiyama; 佳孝西山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高温強度が高く、かつ高温での耐酸化性と耐焼
付き性に優れた耐熱合金鋼と、この合金鋼を素材とする
耐ビルドアップ性に優れたなどの加熱炉部材（搬送ロー
ラまたはスキッドボタン）を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓ
ｉ：０．５〜１％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｃｒ：１８〜
３０％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ａｌ：１〜５％未満を含
有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の耐熱合金鋼
と、この合金鋼で少なくとも被加熱鋼材の接触部分が構
成された加熱炉部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐酸化性と耐焼付
き性に優れた耐熱合金鋼と、この耐熱合金鋼を素材とす
る高温の熱処理炉における被加熱鋼材の搬送用ローラや
スキッドボタンなどの耐ビルドアップ性に優れた加熱炉
部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続的に熱処理を行う鋼材の加熱炉内に
は、被加熱鋼材を搬送するするための多数の搬送ローラ
やスキッドボタンが設けられている。

【０００３】上記の搬送ローラやスキッドボタンには、
鋼材の表面に生成する酸化スケールとの反応性が低く、
かつ耐熱性に優れていることが要求される。

【０００４】このため、その素材には、従来、ＪＩＳ
Ｇ５１２２に規定されるＳＣＨ１３やＳＣＨ２２など
のＣｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系の耐熱鋳鋼や、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｏ
−Ｆｅ系やＣｒ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｆｅ系などの各種の
耐熱鋳鋼が使用されている。

【０００５】しかし、これらの耐熱鋳鋼で製造された搬
送ローラやスキッドボタン（以下、単に両者を合わせて
加熱炉部材という）の表面には、被加熱鋼材の表面から
剥離する金属粉や酸化スケールが固着するいわゆるビル
ドアップ現象が生じやすい。このビルドアップは、被加
熱鋼材の表面に押し込み疵を発生させ、その製品の商品
価値を著しく低下させる。

【０００６】ビルドアップの発生防止方法としては、上
記の耐熱鋳鋼からなる加熱炉部材の表面をセラミックの
溶射膜で被覆する方法（特開平１−１７６０２０号公
報）や、セラミック粉末の肉盛層で被覆する方法（特開
平１−１４７０１７号公報）がある。

【０００７】しかし、上記いずれの方法も、被覆したセ
ラミックの溶射膜（肉盛層）が被加熱鋼材との直接接触
によって摩滅し、使用開始後の早い時点で、セラミック
の溶射膜（肉盛層）が消失してしまい、寿命が短いとい
う問題があった。

【０００８】また、セラミックの溶射膜（肉盛層）中に
は、通常、多くの空隙部が存在し、この空隙部に被加熱
鋼材から剥離した酸化スケールが食い込み、この食い込
み部分を起点にビルドアップが発生する。したがって、
セラミックの溶射膜（肉盛層）が摩耗消失するまでの使
用可能な期間中には、発生したビルドアップをグライン
ダーなどを用いて除去する作業を頻繁に行う必要がある
という問題もあった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鋼材
の加熱炉内の搬送ローラやスキッドボタンなどの加熱炉
部材用の素材に用いる際、その表面をセラミックの溶射
膜や肉盛層で被覆しなくてもビルドアップが発生するこ
とがない耐酸化性と耐焼付き性に優れた耐熱合金鋼と、
この合金鋼を素材とする耐ビルドアップ性に優れた加熱
炉部材（加熱炉内に設置される搬送ローラまたはスキッ
ドボタン）を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）の耐酸化性と耐焼付き性に優れた耐熱合金鋼と、
この合金鋼を素材とする下記（２）の下記加熱炉部材、
具体的には加熱炉内の搬送ローラまたはスキッドボタン
にある。

【００１１】（１）重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５
％、Ｓｉ：０．５〜１％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｃｒ：
１８〜３０％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ａｌ：１〜５％未
満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の化学組
成を有する耐熱合金鋼。

【００１２】（２）少なくとも被加熱鋼材と接触する部
分が、上記（１）に記載の耐熱合金鋼で構成されている
加熱炉部材（加熱炉内に設置される搬送ローラまたはス
キッドボタン）。

【００１３】上記（１）の耐熱合金鋼は、Ｃｒ、Ｗおよ
びＣｏのうちから選ばれた１種または２種以上を適量含
むものであることが好ましい。

【００１４】本発明者らは、上記の目的を達成するため
に鋭意実験研究を行った結果、以下のことを知見し、本
発明を完成させた。

【００１５】(a) ビルドアップが発生した部位のローラ
表面を詳細に観察した。その結果、ビルドアップした酸
化スケールとローラ表面の酸化スケールとの界面には、
ＳｉおよびＭｎを含有する酸化スケールが観察された。

【００１６】(b) Ｓｉ酸化物は、Ｆｅ酸化物との間で低
融点酸化物である融点が１１７０℃のフャイアライトを
形成する。そして、このフャイアライトがローラ表面の
酸化スケールと被加熱鋼材表面の酸化スケールとの反応
性を上昇させるために、該部が被加熱鋼材表面の酸化ス
ケールをローラ表面に固着させる起点になる。

【００１７】(c) Ｍｎは、スピネル型酸化スケールを形
成する元素であり、Ｍｎが酸化スケール中に多量に存在
すると、ローラ表面に形成される耐酸化性と耐摩耗性に
優れるＣｒ系のスピネル型酸化スケールの安定形成を阻
害する。その結果、ローラ表面の酸化スケールと被加熱
鋼材表面の酸化スケールとの間の摩滅が激しくなり、ロ
ーラの地金が表面に露出して焼き付きが発生する。

【００１８】(d) 上記の(a)〜(c)が原因で発生するビル
ドアップは、ローラの素材をＡｌ含有鋼とし、ローラ表
面の酸化スケールとローラの地金の界面にＡｌを主成分
とする酸化物を形成させると発生しなくなる。これは、
次の理由による。

【００１９】Ａｌ含有鋼の表面には、地金側からガス
（雰囲気）側に向かって、ＦｅＡｌ酸化物を主とする
層、ＦｅＳｉ酸化物を主とする層、ＦｅＣｒ酸化物を主
とする層、Ｆｅ酸化物を主とする層の４層構造の酸化ス
ケールが形成される。この場合、たとえ、最外層のＦｅ
酸化物を主とする層表面にビルドアップが発生しても、
ＦｅＳｉ酸化物とＦｅＡｌ酸化物の密着力が他の酸化物
同士の密着力に比べると極めて小さいために、Ｆｅ酸化
物を主とする層表面に発生したビルドアップが成長して
地金に到達する前に、ＦｅＳｉ酸化物を主とする層とＦ
ｅＡｌ酸化物を主とする層の界面が剥離し、これに伴っ
て発生したビルドアップも剥離脱落するからである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。なお、以下において、「％」は「重量％」を意味
する。

【００２１】《鋼の化学組成》Ｃ：Ｃは、高温での強度確保に極めて重要な元素であ
り、その含有量が０．０５％未満では必要な強度が確保
できず、使用中の加熱炉部材が変形し、この変形部分で
被加熱鋼材表面の酸化スケールを機械的に剥ぎ取るよう
になり、当該変形部分がビルドアップの起点になる。ま
た、その含有量が０．５％を超えると靭性が不足し、使
用中の加熱炉部材に欠損が生じやすくなる。このため、
Ｃ含有量は０．０５〜０．５％とした。

【００２２】Ｓｉ：Ｓｉは、鋼の耐酸化性と耐焼付き性
を高め、加熱炉部材の耐ビルドアップ性を確保するのに
重要な元素であるが、その含有量が０．５％未満では、
必要な耐酸化性が確保できないだけでなく、鋳込み時の
湯流れが悪くなって生産性が低下するようになる。ま
た、その含有量が１％を超えると、鋼の表面に生成する
酸化スケール中に融点の低いファイアライトが形成さ
れ、ビルドアップが発生する。このため、Ｓｉ含有量は
０．５〜１％とした。

【００２３】Ｍｎ：Ｍｎは、高温での耐酸化性と強度確
保に重要な元素であるが、その含有量が０．３％未満で
は、高温強度が不足して使用中の加熱炉部材が変形し、
この変形部分で被加熱鋼材表面の酸化スケールを機械的
に剥ぎ取るようになり、当該変形部分がビルドアップの
起点になる。また、その含有量が１％を超えると、高温
での耐酸化性に重要なＦｅ−Ｃｒのスピネル型酸化スケ
ールの生成を阻害し、耐ビルドアップ性が低下する。こ
のため、Ｍｎ含有量は０．３〜１％とした。

【００２４】Ｃｒ：Ｃｒは、高温での耐酸化性の確保に
極めて重要な元素であるが、その含有量が１８％未満で
は、必要な耐酸化性が確保されない。また、３０％を超
えて含有させてもその効果が飽和し、コスト上昇を招く
だけである。このため、Ｃｒ含有量は１８〜３０％とし
た。

【００２５】Ｎｉ：Ｎｉは、高温での強度を確保するの
に極めて重要な元素であるが、その含有量が１５％未満
では、高温強度が不足して使用中の加熱炉部材が変形
し、この変形部分で被加熱鋼材表面の酸化スケールを機
械的に剥ぎ取るようになり、当該変形部分がビルドアッ
プの起点になる。この変形部分がビルドアップの起点に
なる。また、その含有量が２５％を超えると、鋼の表面
にメタル状のＮｉを含む酸化スケールが生成し、メタル
／メタルの焼き付きが発生しやすくなる。このため、Ｎ
ｉ含有量は１５〜２５％とした。

【００２６】Ａｌ：Ａｌは、耐ビルドアップ性を確保す
るうえで最も重要な元素であるが、その含有量が１％未
満では、地金と酸化スケールとの界面にＦｅＡｌ酸化物
を主とする酸化スケール層が安定して形成されず、ビル
ドアップの起点となる融点の低いフャイアライトが形成
される。また、その含有量が５％以上になると、鋼の機
械的特性、特に衝撃値が低下し、使用中の加熱炉部材に
欠損が生じやすくなる。このため、Ａｌ含有量は１〜５
％未満とした。

【００２７】Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗ：これらの元素は、添加し
なくてもよい。添加すれば、いずれの元素も高温強度の
向上に寄与するので、この効果を得たい場合は、これら
のうちから選んだいずれか１種を単独または２種以上を
複合で添加することができる。その効果は、単独または
複合添加のいずれの場合も合計で２％以上で顕著になる
が、合計５％で飽和し、５％超の添加はコスト上昇を招
くだけになる。このため、添加する場合のこれらの元素
の含有量は合計で２〜５％とした。

【００２８】上記の本発明合金鋼は、大気雰囲気や真空
雰囲気の製鋼炉を用いて常法にしたがって容易に製造で
きるが、上記の製鋼炉で溶製して得られた溶鋼を、ＡＯ
Ｄ炉やＶＯＤ炉を用いて精錬処理して製造するのがより
好ましい。

【００２９】《加熱炉部材》図１は、本発明になる加熱
炉部材の一例を示し、部材が鋼板熱処理炉用のハースロ
ーラである場合の縦断面図である。図１に示すように、
ハースローラ１は、中空のローラ本体１ａと、その中空
穴１ｂに挿入配置された冷却水Ｗを供給するための給水
管２とからなっており、ローラ本体１ａの全体が上記の
化学組成を有する本発明の耐熱合金鋼からなっている。

【００３０】図２は、本発明になる加熱炉部材の他の例
を示し、上記と同様に、部材が鋼板熱処理炉用のハース
ローラである場合の縦断面図である。この図２に示すハ
ースローラ１０は、中空のローラ軸体１０ａと、その中
空穴１０ｂに挿入配置された冷却水Ｗを供給するための
給水管２０と、スペーサー部材１０ｃを介してローラ軸
体１０ａに密に外嵌装着されたスリーブ１０ｄとからな
っている。そして、ローラ軸体１０ａは、前述したＪＩ
ＳＧ５１２２に規定されるＳＣＨ１３やＳＣＨ２２
などの従来の耐熱鋳鋼からなっているが、スリーブ１０
ｄは上記の化学組成を有する本発明の耐熱合金鋼からな
っている。

【００３１】なお、ローラ軸体１０ａとスリーブ１０ｄ
とで画成されるスペーサー部材１０ｃ、１０ｃ間の空隙
部１０ｅ、１０ｅは、空隙のままであってもよいが、例
えばアルミナセラミックファイバなどの断熱材料を充填
した断熱層にしてもよい。

【００３２】図３は、本発明になる加熱炉部材のさらに
他の例を示し、部材がスラブ加熱炉用のスキッドボタン
である場合の縦断面図である。図３に示すように、スキ
ッドボタン４は、スキッドレール３の上面に突設装着さ
れたスキッドボタン本体部４ａと、このスキッドボタン
本体部４ａの上端部を除く部分とスキッドレール３の上
面をと被覆する耐火物層４ｂとからなっている。そし
て、スキッドレール３は、図２に示すハースローラ１０
と同様に、前述したＪＩＳＧ５１２２に規定される
ＳＣＨ１３やＳＣＨ２２などの従来の耐熱鋳鋼からなっ
ているが、スキッドボタン本体部４ａは、その全体が上
記の化学組成を有する本発明の耐熱合金鋼からなってい
る。

【００３３】なお、スキッドボタン本体部４ａは、図示
は省略するが、例えばその下半分をスキッドレール３と
同じ材質とし、その上部の半分のみを上記の化学組成を
有する本発明の耐熱合金鋼としてもよい。

【００３４】上記の図１、図２および図３に示すように
構成された本発明のハースローラ１と１０およびスキッ
ドボタン４は、いずれも被加熱鋼材と直接接触する部分
が上記の化学組成を有する耐酸化性と耐焼付き性に優れ
た本発明の耐熱合金鋼で構成されている。このため、そ
の表面には、ビルドアップが発生しないだけでなく、高
温強度に優れることから変形も生じないか、仮に生じて
も極めて小さい変形にとどまる。

【００３５】これは、前述したように、本発明になる合
金の表面には、地金側からガス（雰囲気）側に向かっ
て、ＦｅＡｌ酸化物を主とする層、ＦｅＳｉ酸化物を主
とする層、ＦｅＣｒ酸化物を主とする層、Ｆｅ酸化物を
主とする層の４層構造の酸化スケールが形成されるから
である。

【００３６】

【実施例】表１に示す化学組成を有する２１種類の鋼を
真空溶解炉を用いて溶製した。

【００３７】

【表１】

【００３８】得られた鋼塊は、これを外削し、外形２０
ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を採取した。

【００３９】採取した試験片は、ＪＩＳＧ４０５１
に規定されるＳＳ４１製で、外径が試験片と同じ圧下治
具を有する全体構成が図４に示す構成の試験装置を用い
る摩擦摩耗試験に供した。その際、試験は、実際の熱処
理炉における加熱炉部材の使用状態を模擬し、試験装置
内の雰囲気を、体積％で、Ｃｏ₂：６％、Ｈ₂Ｏ：２０
％、残部：Ｎ₂とし、表２に示す条件で行った。

【００４０】

【表２】

【００４１】そして、試験後の試験片を大気雰囲気に曝
すことなく、その表面を光学式の顕微鏡を用いて観察
し、表面の酸化スケール付着状況（ビルドアップ発生状
況）を調べた。評価は、ビルドアップも変形も認められ
なかった場合を良好（○）、ビルドアップは認められな
かったが変形が認められた場合をやや良好（△）、ビル
ドアップと変形がともに認められた場合を不芳（×）と
した。その結果を、表３に示した。

【００４２】

【表３】

【００４３】表３に示すように、本発明の合金鋼（No.
Ａ〜Ｎ）は、試験温度が１０００℃の場合では、いずれ
もビルドアップも変形も発生しなかった。また、試験温
度が１１００℃の場合では、いずれもビルドアップの発
生は認められなかったが、高温強度の向上元素であるＭ
ｏ、ＷおよびＣｏを添加しないか、添加してもその量が
本発明で規定する量に満たない合金鋼（No. Ａ〜Ｊおよ
びＬ〜Ｋ）は、変形が認められた。

【００４４】これに対し、比較例の合金（No. Ｏ〜Ｗ o
r Ｏ〜Ｕ）は、試験温度１０００℃および１１００℃の
いずれにおいても、ビルドアップと変形が発生した。具
体的に説明すると、No. Ｏの合金鋼は、Ｃの含有量が低
すぎるために高温強度が不足して変形が発生し、さらに
ＳｉとＭｎの含有量が高すぎるためにその表面に生成す
る酸化スケール中に融点の低いファイアライトが形成さ
れた結果、激しいビルドアップが発生した。

【００４５】また、No. Ｐの合金鋼は、Ａｌの含有量が
低すぎるために、地金と酸化スケールの界面にファイア
ライトが形成された結果、激しいビルドアップが発生し
た。No. Ｑの合金鋼は、Ｃｒの含有量が低すぎるために
耐酸化性が不足し、またＡｌの含有量が多すぎるために
靭性が低く欠損が発生し、この欠損部分に激しいビルド
アップが生じた。

【００４６】さらに、No. Ｒの合金鋼は、Ｃｒの含有量
が過剰なため耐酸化性は良好であったが、Ｍｎの含有量
が低すぎ高温強度が不足したために欠損が発生し、この
欠損部分に激しいビルドアップが生じた。No. Ｓの合金
鋼は、Ｎｉの含有量が低すぎ高温強度が不足したために
欠損が発生し、この欠損部分に激しいビルドアップが生
じた。No. Ｕの合金鋼は、Ｃ含有量が高すぎ靭性が低か
ったために欠損が発生し、この欠損部分に激しいビルド
アップが生じた。

【００４７】

【発明の効果】本発明の合金鋼は、高い高温強度を有す
とともに、高温での耐酸化性と耐焼付き性に優れてい
る。また、本発明の合金鋼で製造された搬送ローラーや
スキッドボタンなどの加熱炉部材は、耐ビルドアップ性
に優れるために、その表面にビルドアップが生じない。
このため、その使用寿命が長いだけでなく、従来必要で
あった定期的なビルドアップの除去作業が不要であるの
で、除去作業のための加熱炉停機が必要でなくなる分だ
け、生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる加熱炉部材の一例を示す縦断面図
である。

【図２】本発明になる加熱炉部材の他の一例を示す縦断
面図である。

【図３】本発明になる加熱炉部材のさらに他の一例を示
す縦断面図である。

【図４】本発明の実施例において摩擦摩耗試験に用いた
試験装置の全体構成を示す模式的縦断面図である。

【符号の説明】

１、１０：ハースローラ、１ａ：ローラ本体、１ｂ、１０ｂ：中空穴、２、２０：給水管、１０ａ：ローラ軸体、１０ｃ：スペーサー部材、１０ｄ：スリーブ、１０ｅ：空隙部、３：スキッドレール、４：スキッドボタン、４ａ：スキッドボタン本体部４ａ、４ｂ：耐火物層、Ｗ：冷却水。

フロントページの続き (72)発明者西山佳孝大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 4K034 EB08 EB27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓ
ｉ：０．５〜１％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｃｒ：１８〜
３０％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ａｌ：１〜５％未満を含
有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを
特徴とする耐酸化性と耐焼付き性に優れた耐熱合金鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓ
ｉ：０．５〜１％、Ｍｎ：０．３〜１％、Ｃｒ：１８〜
３０％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ａｌ：１〜５％未満を含
有し、さらに、Ｍｏ、ＷおよびＣｏのうちから選ばれた
１種または２種以上を合計で２〜５％含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする耐酸
化性と耐焼付き性に優れた耐熱合金鋼。
【請求項３】少なくとも被加熱鋼材と接触する部分が、
請求項１または請求項２に記載の耐熱合金鋼で構成され
ていることを特徴とする耐ビルドアップ性に優れた加熱
炉部材。
【請求項４】部材が、スキッドボタンまたは搬送用ロー
ラであることを特徴とする請求項３に記載の耐ビルドア
ップ性に優れた加熱炉部材。