JP2003340511A

JP2003340511A - 高温材搬送用ローラ

Info

Publication number: JP2003340511A
Application number: JP2002152243A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Amano; 茂天野; Toshiro Anraku; 敏朗安楽; Kazukiyo Kimura; 和潔來村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】熱処理炉内のような高温雰囲気中での使用に
際しても有効な耐ビルドアップ性に優れた高温材搬送用
ローラを提供する。【解決手段】ローラ母材表面に、炭化物を体積比で20
〜70％含む金属−炭化物複合皮膜を備える。炭化物はN
b、Ｗ、Ti、Ｖ、Crからなる群の内の１種または２種以
上の炭化物が望ましく、マトリックス金属は、Ni基合
金、Co基合金またはステンレス鋼が望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の材料、特に
金属材料を搬送するするのに好適な搬送用ローラに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】熱間での継目無鋼管の製造など、金属材
料の熱間加工においては、熱処理炉などで高温に加熱し
た加工用素材や製品（以下、高温材と総称する）の搬送
には、ローラコンベアなどのようにローラを利用して搬
送される場合が多い。熱処理炉の炉内などの高温環境に
おいても同様である。

【０００３】これらの高温材のローラによる搬送に際
し、高温材と搬送用ローラとの間でスリップなどが生じ
ると、高温材と搬送用ローラとの間で焼き付きが生じ、
その際、高温材からの剥離物やその酸化物が両者の表面
に局部的に付着する。これらの付着物（以下単にビルド
アップという）が原因となって、搬送している高温材表
面に押込み疵が発生し、製品の表面品質や歩留まりを低
下させるという問題があった。

【０００４】このような不良を抑制するために、搬送用
ローラの材質を、例えばCr、Ni合金鋼などの耐焼き付き
性に優れたものとする方法が従来から行われているが、
このような方法では必ずしも十分な効果が得られていな
い。

【０００５】特許第2511596 号公報には、高温材の１種
である熱間材の搬送に際して熱間材とローラとの２面間
に凝着が発生しない、耐摩耗性と耐焼き付き性に優れた
熱間搬送ローラの製造方法が提案されている。これは、
ローラ母材の表面に、3Cr-1Ni-Fe系合金にNbC を30〜50
体積％含有させた耐熱材料を肉盛り溶接し、次いで、CO
ガスを含む酸化性雰囲気中で熱処理して、その表面に強
固な酸化スケール皮膜を付与することを特徴とするもの
である。

【０００６】また、特開平６-315704 号公報には、母材
表面に、体積比で20〜70％のニオブ炭化物粒子を含む金
属−炭化物複合皮膜と、該皮膜の最表面に形成させた酸
化物皮膜とからなる二層皮膜を有することを特徴とす
る、熱間工具の焼付き防止技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特許第2511596 号公報
で提案された技術は、ローラ表面に肉盛溶接を施し、さ
らにその表面に強固な酸化スケールを備えさせることに
より、焼付きを防止しようとするものである。しかしな
がら、ローラ表面には搬送中の材料から絶えず衝撃が加
えられる。ローラ表面の酸化スケールが、これらの度重
なる衝撃等により脱落すると、その部分に焼付きが発生
する。このため、長期にわたりビルドアップのない良好
な搬送を行うことが困難になる場合が生じるという問題
がある。また、上記従来発明には、熱処理炉内のよう
な、通常800 〜1100℃、場合によっては、1200℃前後に
達する高温雰囲気中で使用されるローラの耐ビルドアッ
プ性に関する記載もない。

【０００８】特開平６−315704号公報に記載の技術は、
高面圧下で使用される熱間圧延工具に関するものであ
り、これは搬送用ローラとは異なる。工具使用初期には
酸化皮膜、圧延により酸化皮膜が剥がれた後は肉盛り母
材の炭化物により焼付きを防止している。特開平６−31
5704号公報は焼き付かせないことを目的としているだけ
である。

【０００９】ここに、本発明の課題は、高温材を搬送す
るローラの耐ビルドアップ性を向上させ、搬送する高温
材への押込み疵発生を防止することができる高温材搬送
用ローラを提供することである。

【００１０】さらに本発明の具体的課題は、特に熱処理
炉内のような高温雰囲気中での使用に際しても耐ビルド
アップ性を向上させ、押込み疵発生の防止に有効な高温
材搬送用ローラを提供することである。

【００１１】

【問題を解決するための手段】本発明者らは、特に熱処
理炉内のような、ときには1200℃前後にも達する高温雰
囲気中でのローラによる搬送に際しても有効なビルドア
ップ防止方法を種々研究した結果、以下の知見を得た。

【００１２】ａ．従来のビルドアップ防止方法は、高温
材と搬送用ローラとの間での焼き付き防止、凝着防止に
重点をおいてきた。そのために、搬送用ローラ表面の酸
化スケールによる熱間潤滑作用の活用、向上を指向して
きたが、この防止方法は、ビルドアップによる押込み疵
発生の抑制に限界がある。つまり、従来は、例えば、熱
間潤滑作用のある酸化スケールを強固にして剥離しにく
くすることに重点を置いてきたが、長期間の使用により
酸化スケールが薄くなったり、衝撃により剥離してしま
い、ビルドアップを抑制することはできなかった。

【００１３】ｂ．そこで、発想を変えて、搬送中の高温
材の表面における押込み疵発生を有効に抑制するには、
ローラ表面でのスケールの密着性を弱め、むしろ剥離性
を高めればよいことに着目した。仮に高温材のスケール
がローラに溶着した場合でも、そのようなスケールが今
度は、ローラのスケールと共にローラ表面から容易に剥
がれるようにすることにより、ビルドアップを防止し、
搬送する高温材の押込み疵等の表面疵の発生を有効に抑
制することができる。

【００１４】ｃ．ここに、ローラ表面での上記スケール
の剥離性を高めるには、搬送用ローラの母材表面に、ス
ケール密着性を低下させる耐酸化性の低い炭化物が分散
した金属−炭化物複合皮膜（以下、単に「複合皮膜」と
も記す）を備えさせるのが有効であることを見出した。

【００１５】複合皮膜を構成する炭化物としては、耐酸
化性の低い炭化物、特に、ニオブ炭化物、タングステン
炭化物、チタニウム炭化物、バナジウム炭化物、クロム
炭化物などが好適である。

【００１６】d.ローラ表層の複合皮膜表面に粒子状で分
散しているこれらの炭化物は、その表面から容易に剥離
する。従って、仮に複合皮膜表面に高温材のスケールが
溶着したとしても、複合皮膜表面からの炭化物の剥離作
用により、そのような溶着物は容易にローラ表面から剥
離することになる。また、ローラ表面に炭化物粒子が多
数存在することにより、スケールが溶着しやすいマトリ
ックス金属の面積が減少する。

【００１７】これらのことから、上記炭化物を適量含有
する複合皮膜を備えたローラにおいては、従来のように
スケールが強固に溶着することがなく、従来技術とは異
なる考えに基づく高温材搬送用ローラが実現できる。

【００１８】ｅ．上記マトリックス金属としては種々の
合金鋼を用いることができるが、スケールとの反応性が
低い金属を用いれば耐ビルドアップ性の改善に対してさ
らに有効である。例えばハステロイなどのNi基合金で生
じる酸化スケールは、Fe系のスケールに対する反応性が
低い。従ってマトリックス金属としてNi基合金を用いれ
ば、ローラ表面におけるスケール密着性をより弱いもの
とすることができる。

【００１９】搬送用ローラの母材表面にこのような性質
を有する複合皮膜を備えさせることにより、継目無鋼管
用素材などの高温材のスケールが搬送ローラ表面に溶着
しビルドアップが生じたとしても、それが成長する前に
剥離、脱落するので、ビルドアップが大きく成長するこ
とがない。これにより、表面疵を発生させることなく、
長期間にわたって高温材の搬送をおこなうことができ
る。

【００２０】以下に、本発明者らがこれらの知見を得る
に至った実験内容を説明する。図１は、熱処理炉内でロ
ーラコンベアなどにより高温材を搬送する際に、搬送用
ローラでのビルドアップの発生を模擬する回転摩擦圧着
試験機の構成を示す断面模式図である。図１において、
符号1 および1bは円柱または角柱状の試験材、符号２お
よび2bは試験材１の端面にある複合皮膜、符号３は炭素
鋼の丸棒、符号４は加熱室、符号５は高周波加熱用のコ
イル、符号６は雰囲気ガス送給口、符号７は雰囲気ガス
排出口、符号８は顕微鏡である。試験材１は搬送用ロー
ラを模擬し、丸棒３は被搬送材である高温材を模擬する
ものである。

【００２１】図１に示すように、試験材１は加熱室４の
中で位置Ａに配置される。当初、丸棒３は、図１に示す
ように、試験材１の上方の待機位置にある。丸棒３は試
験材１の上方で上下方向に移動可能、かつ、その軸心を
回転軸として自転可能に保持される。

【００２２】最初に高周波加熱用コイル５に通電して試
験材１と丸棒３を試験温度に加熱する。次いで丸棒３を
回転させつつ一定の荷重Ｐを負荷し、その端面を試験材
１の複合皮膜２の表面に圧接し、一定時間回転させた
後、丸棒３を上方の待機位置に移動させる。これを１回
の圧接作業とする。このような圧接作業を300 回施した
後、試験材１を顕微鏡観察位置（図１では符号Ｂで示
す）に移動し、複合皮膜2bの表面を顕微鏡８で観察して
ビルドアップと摩耗の発生状況を調査する。加熱室４内
の雰囲気は実際の生産ラインの熱処理炉と同じ組成のガ
ス（組成：６％CO₂-20％H₂S-N₂残部）を供給する。

【００２３】試験材１の母材の材質はJIS-G5122 SCH22
とした。寸法は、直径20mm、長さ50mmであった。複合皮
膜２にはマトリックス金属として、ハステロイC276（主
としてMo：16質量％、Cr：15質量％、Ｗ：４質量％、残
部はNi）、ステライト21（主としてCr：27質量％、Mo：
５質量％、Ni：３質量％、残部はCo）、JIS-G3214 SUS4
10（主としてCr：13質量％、残部はFe）などを用いた。
炭化物としてはNbC 、Cr₃C₂などを用いた。

【００２４】各成分を種々の割合で混合したこれらの粉
末を、上記電極と母材との間に発生させたプラズマ中に
送給していわゆるプラズマ粉体肉盛法を行い、上記混合
粉末を母材表面に肉盛して試験材1 の端面に複合皮膜を
備えさせた。複合皮膜の厚さは３mmとした。

【００２５】また従来例として、JIS-G5122 に規定され
る耐熱鋳鋼材であるSCH22(主としてCr：25質量％、Ni：
20質量％、残部はFe）製の試験材を準備し、その性能も
併せて評価した。このSCH22 試験材は複合皮膜を有さな
いものであった。

【００２６】丸棒 (直径：20mm、長さ：50mm) ３の材質
はJIS-G4051 S20C(C：0.20％) 炭素鋼であった。試験温
度は1050℃、丸棒３に負荷した試験荷重Ｐは0.98kN（圧
接応力は3.1MPa）、回転数は５rpm 、１回の圧接作業に
おける圧接時間は６秒とした。

【００２７】すなわち、上記試験温度に１h 保持→上記
試験荷重Ｐでの回転荷重負荷(6sec、５rpm ) →無負荷
(99sec) →（上記回転荷重負荷→無負荷を100 回繰り返
し）→丸棒３の取り替え、の各サイクルを計３セット
(負荷→無し負荷合計300 回)繰り返した。

【００２８】回転摩擦圧着試験後の試験材の端面の観察
結果を表１に示す。表１の評価結果において、目視評価
にてビルドアップ欄の◎印はビルドアップ全く無く、特
に良好、○印はビルドアップ微小で良好、△印はビルド
アップあるが従来より少なく合格、×印はビルドアップ
従来以上で不合格であることを意味する。

【００２９】また、摩耗欄の◎印は摩耗最小で特に良
好、○印は摩耗量小で良好、△印は摩耗量中で合格、×
印は摩耗量大で不合格であることを意味し、総合欄の◎
印は特に良好、○印は良好、△印は合格、×印は不合格
であることを意味する。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１に示すように、複合皮膜を有さない従
来のSCH22 では圧接試験面でのビルドアップ発生が著し
かった。複合皮膜を備えた試験材ではビルドアップの発
生が大幅に改善された。特に炭化物をNbC とし、マトリ
ックス金属をハステロイとした複合皮膜を備えた場合
（A3）では特に優れた耐ビルドアップ性を示した。

【００３２】次いで、複合皮膜に含有される炭化物の量
の影響について調査した。マトリックス金属はハステロ
イC276、炭化物はNbC とし、NbC の含有率を種々変更し
てプラズマ粉体肉盛り法により種々の組成の複合皮膜を
有する試験材を作成した。複合皮膜の厚さ、圧接試験条
件および試験結果の評価方法は前記実験と同一にした。

【００３３】回転摩擦圧着試験後の試験材の端面の観察
結果を表２に示す。表２の評価結果欄の記号の意味は表
１と同様である。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２に示すように、複合皮膜がNbC を含有
しないものである場合（試験番号B1）はビルドアップの
発生が著しく、回転摩擦圧接回数が200 回に達した時点
で試験を中止した。また、複合皮膜のNbC 含有量が20体
積％に満たない場合には、ビルドアップ防止効果が不十
分であった。NbC 含有量が20体積％以上である場合にビ
ルドアップ防止効果があり、30体積％以上であればその
効果は著しい。また、NbC の含有量を過度に増すと摩耗
が著しくなる。従ってNbC の含有量には上限を設ける必
要があることがわかる。他の炭化物が及ぼす影響につい
ても同様の傾向が認められた。

【００３６】本発明はこれらの知見を基にして完成され
たものであり、その要旨は、下記(1) 〜(3) に記載の高
温材搬送用ローラにある。 (1) 母材表面に、炭化物を体積比で20〜70％含有し、残
部が金属からなる金属−炭化物複合皮膜を設け、該金属
−炭化物複合皮膜が最表面を構成することを特徴とする
高温材搬送用ローラ。

【００３７】(2) 上記炭化物がニオブ炭化物、タングス
テン炭化物、チタニウム炭化物、バナジウム炭化物およ
びクロム炭化物からなる群の内の１種または２種以上の
炭化物からなるものであることを特徴とする上記(1) に
記載の高温材搬送用ローラ。

【００３８】(3) 上記金属が、Ni基合金、Co基合金およ
びステンレス鋼の内のいずれかのものであることを特徴
とする上記(1) または(2) に記載の高温材搬送用ロー
ラ。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。本発明の高温材搬送用ローラは、ローラ母
材鋼の表面に、マトリックス金属中に体積比で20〜70％
の炭化物を含む金属−炭化物複合皮膜を有する。

【００４０】マトリックス金属としては、高温強度と靱
性を併せて有する金属が望ましく、このような特性を備
えたFe基合金、Ni基合金、Co基合金等を用いるのが望ま
しい。熱処理炉の炉内のようにときには1200℃という高
温にも達することがある高温環境で使用される場合に
は、耐摩耗性、耐酸化性および耐焼き付き性に特に優れ
たものが望ましい。この意味から、使用環境が厳しい場
合にはNi基合金やCo基合金を用いるのが望ましい。

【００４１】Fe基合金であれば例えばマルテンサイト系
ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼などが好
適である。Ni基合金としてはハステロイ、Co基合金とし
てはステライトなどが好適である。

【００４２】Ni基合金から生じる酸化スケールはFe基合
金から生じるスケールに対する反応性が低い。このこと
から、マトリックス金属をNi基合金とすることにより、
より一層スケールが溶着しにくく、耐ビルドアップ性に
優れた高温材搬送用ローラを得ることができる。

【００４３】複合皮膜を構成する炭化物としては、耐酸
化性が低い酸化物が望ましい。この意味から、炭化物と
しては、ニオブ炭化物、タングステン炭化物、チタニウ
ム炭化物、バナジウム炭化物およびクロム炭化物からな
る群の内の１種または２種以上の粒子からなるものが望
ましい。

【００４４】炭化物の含有量は、搬送用ローラ表面での
スケールの剥離性を高めるために、複合皮膜に対する体
積比で20％以上とする。望ましくは30体積％以上であ
る。他方、炭化物の含有量が70体積％を超えると耐ビル
ドアップ性向上作用が飽和するうえ、マトリックス金属
の比率が低下して炭化物の保持力が低下し、複合皮膜の
形成が困難となる。これを避けるために複合皮膜におけ
る炭化物の含有量は70体積％以下とする。

【００４５】炭化物の大きさは特に限定するものではな
いが、マトリックス中に均一に分散させるのに有効であ
ることから、炭化物粒子の平均直径で70μｍ〜150 μｍ
の範囲のものとするのが望ましい。

【００４６】複合皮膜の厚さは特に限定するものではな
いが、常温から高温におよぶ範囲で十分な表面強度を確
保するためには0.5mm 以上の厚みを有することが好まし
い。本発明の高温材搬送用ローラの母材としては、従来
から搬送用ローラとして使用されている公知の鋼を使用
できる。特に高温の炉内 (高温雰囲気中) で使用する場
合は、繰り返し熱応力による変形や、クラックの進展に
よる割損などが生じないことが必要であり、被加工材の
温度や変形抵抗、使用条件等を考慮して、適宜選択すれ
ばよい。

【００４７】母材としては、一般的には、ステンレス
鋼、炭素鋼、またはＳＫＤ等の合金鋼等を使用すればよ
い。搬送用ローラに加わる負荷条件が特段に厳しくなら
ない限りは、炭素鋼、低合金鋼などを使用すればよい。

【００４８】本発明に係る複合皮膜の形成方法は、母材
とカプセルの間に金属および炭化物の混合粉末を封入し
て熱間静水圧プレスをする方法(HIP法) 、母材表面に上
記混合粉末を塗布した後にレーザを照射して部分的に溶
融、固化する方法 (レーザクラッディング法) 、電極と
母材との間に発生させたプラズマ中に上記混合粉末を送
給して母材表面に肉盛する方法 (プラズマ粉体肉盛法)
等の公知の方法によればよい。プラズマ粉体肉盛法によ
れば、より簡便に皮膜を形成できるうえ、製作コストの
面でも有利である。

【００４９】母材表面に複合皮膜を形成した後は、その
まま製品として使用することができる。また、応力除去
焼鈍や外表面の切削加工などを適宜施しても構わない。
表面にスケールを付与するための熱処理は施す必要がな
い。

【００５０】

【実施例】下記条件で実機適用試験を実施した。実施方法：ウォーキングビーム型熱処理炉 (炉温：800
℃〜1100℃) の炉内抽出コンベアローラの一部に、本発
明に係る高温材搬送用ローラを適用し、ビルドアップ発
生状況を調査した。

【００５１】試験に供したローラの仕様：母材ロール
（材質：JIS-G5122 SCH22 の表面に、プラズマ粉体肉盛
法により、厚さが６mmの複合皮膜を備えさせた。複合皮
膜の組成は以下の種類のものとした。

【００５２】ハステロイC276 (50体積％) ＋NbC(50体
積％) また、比較のために、従来材として耐熱鋼SCH22 製のロ
ーラも供試した。これらのローラをコンベアローラとし
て配設し、その上を30,000本のパイプを通過させた後、
それぞれのロール表面を検査し、ビルドアップの発生状
況を調査した。その結果、本発明に係る番号に記載の
複合皮膜を備えたローラではビルドアップが発生しなか
った。SCH22 製のローラでは微小ビルドアップが発生し
ていた。耐摩耗性はSCH22 より若干低下するが、数年毎
の取り替えで使えることが判った。これらのことから、
本発明に係る高温搬送用ローラを用いれば、長期にわた
って素材への押込み疵を防止することができ、安定して
品質が良好な製品の製造ができることが確認された。

【００５３】

【発明の効果】本発明に係る高温材搬送用ローラは、熱
処理炉の炉内のような高温環境下で高温材を搬送しても
長期間にわたりビルドアップが生じず、搬送材への押込
み疵が発生することがない。またその耐久性も優れてい
る。従って、熱間加工製品の品質向上、歩留まり向上に
加えて、搬送ローラの寿命延長による製造コスト低減な
どに大きく寄与するので、その効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転摩擦圧着試験機の構成を示す断面模式図
である。

【符号の説明】

１および1b：試験材２および2b：金属−炭化物複合皮膜３：炭素鋼の丸棒４：加熱室５：高周波加熱用コイル６：雰囲気ガス送給口７：雰囲気ガス排出口８：顕微鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者來村和潔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） 3F033 GA06 GB06 GC01 4K034 AA09 AA16 AA19 BA03 EA12 EB03 EB08 EC10 4K044 AA02 AB03 BA06 BA18 BB01 BB11 BC01 BC11 CA11 CA12 CA24 CA41 CA62

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材表面に、炭化物を体積比で20〜70％
含有し、残部が金属からなる金属−炭化物複合皮膜を設
け、該金属−炭化物複合皮膜が最表面を構成することを
特徴とする高温材搬送用ローラ。
【請求項２】上記炭化物がニオブ炭化物、タングステ
ン炭化物、チタニウム炭化物、バナジウム炭化物および
クロム炭化物からなる群の内の１種または２種以上から
なるものであることを特徴とする請求項１に記載の高温
材搬送用ローラ。
【請求項３】上記金属が、Ni基合金、Co基合金および
ステンレス鋼の内のいずれかであることを特徴とする請
求項１または２に記載の高温材搬送用ローラ。