JP2014189842A

JP2014189842A - スキッドボタン

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Publication number: JP2014189842A
Application number: JP2013066637A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Kanehira; 和貴兼平; Minoru Hineno; 実日根野
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP6153360B2

Abstract

【課題】被加熱鋼材からの熱衝撃および衝撃荷重等によりスキッドボタンが割損し難いスキッドボタンを提供する。
【解決手段】被加熱鋼材を加熱炉内で搬送するスキッドビームに用いられる金属製のスキッドボタン１Ａである。上層部１１Ａの平均結晶粒径は４００μｍ以上であり、且つ、下層部１２Ａの平均結晶粒径は２００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱鋼材を加熱炉内で搬送するためのスキッドビームに用いられるに好適な金属製のスキッドボタンに関する。

ウォーキングビーム型加熱炉は、スラブ、ビレット、ブルームなどの鋼材を水平方向に搬送しながら所定の温度に加熱する加熱炉である。ここで、加熱炉内に配置されるウォーキングビームコンベア装置のスキッドビーム（可動ビーム及び固定ビーム）は、冷却水を送給するスキッドパイプの長手方向にスキッドボタンを一定の間隔で取付けられる構造を有しており、その周りには耐火物層が被覆されている。

ここで、スキッドボタンは、耐熱合金、サーメット、セラミックス等からなる角柱形状、円柱形状等のブロックであり、その上面に被加熱鋼材が載置される。スキッドボタンは溶接によりスキッドパイプ（スキッドビーム本体）に取付けられる。スキッドボタンは、被加熱鋼材が接触することから、高温強度に優れていることが望ましく、たとえば、圧縮変形抵抗性、クリープ破断抵抗性、および耐酸化性などの特性が求められている。

たとえば、このようなスキッドボタンとして、Ｃｒ：６０〜９５％，Ｚｒ：０．１〜５％を含有し、Ｃ：０．８％以下の混在が許容され、残部は実質的にＦｅからなり、基地を構成するＣｒ基合金の結晶粒の平均結晶粒径が５０μｍ以上の粗大組織を有するスキッドボタンが提案されている。このようなスキッドボタンは、鋳造合金として製造され、平均結晶粒径の調整は、鋳造凝固工程での冷却速度の調整または鋳造体の熱処理により達成される（たとえば特許文献１参照）。

特開平７−１９７１７８号公報

しかしながら、上述したこれまでのスキッドボタンは、スキッドボタンの基地となる結晶粒を粗大にすることにより、上述した如く圧縮変形抵抗性等の高温強度を高め、スキッドボタンの変形を抑制することができるが、結晶粒の粗大化は、低温域（９００℃程度）におけるスキッドボタンの伸びの低下を招くことになる。ここで、このようなスキッドボタンを用いた場合、被加熱鋼材から入熱された熱が、スキッドボタンの上層部から下層部に伝達されるため、スキッドボタンと、これを受ける受け台（またはスキッドビーム本体）との温度差によりスキッドボタンに熱衝撃が発生することがある。このような結果、上述した熱衝撃と、被加熱鋼材を載置時の衝撃荷重とにより、スキッドボタンにクラックが発生・進展し、スキッドボタンが割損するおそれがあった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、目的とするところは、被加熱鋼材からの熱衝撃および衝撃荷重等により変形および割損し難いスキッドボタンを提供することにある。

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、スキッドボタンの使用時には、スキッドボタンの上層部は、被加熱鋼材の熱により加熱され、スキッドボタンの下層部は、スキッドパイプに流れる冷却水により、上層部に比べて低温となり、スキッドボタンの上層部と下層部とでは温度差があることに着眼した。

そこで、発明者らは、上層部と下層部との温度差に応じて、スキッドボタンの上層部と下層部の伸びが近似した値となるように、スキッドボタンの上層部と下層部の平均結晶粒径の大きさを調整することで、スキッドボタンを使用する際の上層部と下層部の伸びのバランスを確保し、スキッドボタンの変形や割損を抑制することができるとの新たな知見を得た。これに加え、下層部の結晶粒を上層部の結晶粒よりも微細化すれば、下層部が冷却されたスキッドボタンの高温圧縮変形抵抗性が向上し、スキッドボタンの変形や割損の抑制に、大きく寄与することができると考えた。

本発明は、発明者らの前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係るスキッドボタンは、被加熱鋼材を加熱炉内で搬送するスキッドビームに用いられる金属製のスキッドボタンであって、該スキッドボタンの上層部の平均結晶粒径は４００μｍ以上であり、且つ、前記スキッドボタンの下層部の平均結晶粒径は２００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、上層部および下層部の平均結晶粒径を上述した範囲にすることにより、スキッドボタンの高温での圧縮変形抵抗性を向上させる。一方、スキッドボタンの下層部は、伸びに優れた組織となる。これにより、加熱炉内でスキッドボタンに被加熱鋼材を載置したとしても、スキッドボタンの圧縮変形を抑えつつ、スキッドボタンの上層部および下層部の伸びと同程度とすることができる。この結果、スキッドボタンの変形および割損を抑えることができる。なお、本発明でいう平均結晶粒径とは、スキッドボタンの基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径のことをいう。

ここで、上層部の平均結晶粒径が４００μｍ未満、または下層部の平均結晶粒径は２００μｍが超えた場合には、上層部の平均結晶粒径に下層部の平均結晶粒径が近づくため、スキッドボタン使用時の上層部と下層部の伸びのバランスを保つことが難しくなり、高温での圧縮変形抵抗性を高めることができないことがある。

このような効果を得ることができるのであれば、平均結晶粒径の範囲は特に限定されるものではない。しかしながら、好ましい態様としては、上層部と下層部との平均結晶粒径の粒径比が３〜８倍である。さらに好ましい態様としては、５．２〜７．７倍である。

この態様によれば、平均結晶粒径を上述した如き範囲にすることにより、スキッドボタンの変形を抑えつつ、スキッドボタンの下層部における伸びを高めることができるので、被加熱鋼材からスキッドボタンへの衝撃荷重および熱衝撃によるクラックの発生を抑えることができる。

前記下層部の平均結晶粒径に対する前記上層部の平均結晶粒径の粒径比が、３倍未満の場合には、スキッドボタンの圧縮変形が大きくなることがあり、さらにはスキッドボタンが熱衝撃により割損することがある。一方、上層部の粒径に対する下層部の粒径の粒径比が８倍を越えるスキッドボタンは、鋳造により製造することが困難であるため、８倍を上限とする。

また、別の態様としては、前記上層部の平均結晶粒径と前記下層部の平均結晶粒径との粒径差が、３５０μｍ以上である。この態様によれば、上層部の平均結晶粒径と前記下層部の平均結晶粒径の粒径差を上述した如き範囲にすることにより、スキッドボタンの上層部における変形を抑えつつ、スキッドボタンの下層部における伸びを高めることができるので、被加熱鋼材からスキッドボタンへの衝撃荷重および熱衝撃によるクラックの発生を抑えることができる。

ここで、上層部の平均結晶粒径と下層部の平均結晶粒径の粒径差が、３５０μｍ未満である場合には、スキッドボタンの圧縮変形が大きくなることがあり、さらにはスキッドボタンが熱衝撃により割損することがある。

ここで、上層部の平均結晶粒径と下層部の平均結晶粒径とが上述した範囲を満たすことができるのであれば、スキッドボタンは上下方向に多層で積層された構造等であってもよいが、より好ましい態様としては、該スキッドボタンは、該スキッドボタンの上層部の表面の中央から、前記スキッドボタンの下層部の表面の中央に向かって、平均結晶粒径が小さくなっている。

この態様にとれば、下層部から上層部に進むに従って、スキッドボタンの組織は、高温での圧縮変形抵抗性に優れた組織となり、一方、上層部から下層部に進むに従って、スキッドボタンの組織は、伸びに優れた組織となる。スキッドボタンに被加熱鋼材が載置された場合、スキッドボタンの上層部から下層部に進むに従って傾斜的な温度勾配が形成されることになるが、上層部から下層部まで、結晶粒径を傾斜的に配置させることで伸びが比較的均一となるよう調整され、スキッドボタンの変形が抑えられる。

この態様でいう「スキッドボタンの上層部の中央から、前記スキッドボタンの下層部の中央に向かって、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径が小さくなっている」とは、スキッドボタンの上層部の中央からスキッドボタンの下層部の中央に進むに従って、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径が除々に（一定の割合ではなく）小さくなっているものばかりでなく、スキッドボタンの上層部の中央からスキッドボタンの下層部の中央に向かって、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径が一定の割合で傾斜的に小さくなっているものも含む。

ここで、スキッドボタンの側面の上部から下部に向かって基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径が小さくなっていてもよいが、より好ましい態様としては、前記スキッドボタンの下層部の下層面の表面から側面までの結晶粒の大きさが均一になっている。

この態様によれば、スキッドボタンの下層部の表面からスキッドボタンの側面までの結晶粒が、ほぼ同じ平均結晶粒径となり、スキッドボタンの上層部の中央の結晶粒に比べて微細化されることになるので、側面（特に上層部近傍）に発生するクラックの発生を抑え、スキッドボタンの割損を防止することができる。

ここで、スキッドボタンを構成する金属材料としては、Ｃｒ基合金、Ｃｏ基合金、またはＮｉ基合金からなる金属材料を挙げることができるが、より好ましい態様としては、Ｃｒを主材とし、Ｃｒを６０〜９０質量％含有する。なお、本材料のようなＣｒ基合金を鋼材加熱炉のような１３００℃を超える高温雰囲気に設置した場合、結晶粒径の大小に係らず、１０〜２０％の伸びを有する。

この態様によれば、スキッドボタンの高温強度・耐酸化性を高めることができる。Ｃｒ含有量が６０質量％未満の場合には、鋼材加熱炉のような１３００℃を超える高温酸化雰囲気に耐える酸化抵抗性や、被加熱鋼材の高荷重の反復作用に抗し得る高温強度が低下することがある。一方、Ｃｒ含有量が９０質量％を越えた場合には、合金が高融点化し、溶解炉の耐火物や鋳造用鋳型の負荷が増大し、溶解・鋳造操業が困難となるばかりでなく、スキッドボタン全体の伸びが２０％超と大きくなり過ぎてしまい、上述した変形を抑えることが困難となる。

さらに好ましい態様としては、スキッドボタンは、金属製の受け台を介してスキッドビーム本体に取り付けられている。この態様によれば、スキッドボタンを鋳造により製造する際に、受け台を冷やし金として利用できるので、上述した平均結晶粒径の範囲となるスキッドボタンを容易に鋳造することができる。

本発明によれば、被加熱鋼材からの熱衝撃および衝撃荷重等によりスキッドボタンが割損を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るスキッドボタンを説明するための模式図であり、（ａ）は、本発明の実施形態に係るスキッドビーム本体に取り付けられたスキッドボタンを説明するための斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。図１に示すスキッドボタンの製造方法を説明するための模式図であり、（ａ）は、スキッドボタンの鋳造方法を説明するための図、（ｂ）は、（ａ）により鋳造後のスキッドボタンの断面図。本発明の第２実施形態に係るスキッドボタンを説明するための模式図であり、（ａ）は、本発明の実施形態に係るスキッドビーム本体に取り付けられたスキッドボタンを説明するための斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。図３に示すスキッドボタンの製造方法を説明するための模式図であり、（ａ）は、スキッドボタンの鋳造方法を説明するための図、（ｂ）は、（ａ）により鋳造後のスキッドボタンの断面図。（ａ）は、図４（ｂ）に示すスキッドボタンの変形例を示した模式的断面図であり、（ｂ）は、図４（ｂ）に示すスキッドボタンのさらなる変形例を示した模式的断面図。実施例１〜５および比較例１〜３に係るスキッドボタンの粒径比と圧縮変形抵抗速度との関係を示した図。実施例１〜５および比較例１〜３に係るスキッドボタンの粒径差と圧縮変形抵抗速度との関係を示した図。

以下、図面を参照して、本実施形態に基づき本発明を説明する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係るスキッドボタンを説明するための模式図であり、（ａ）は、本発明の実施形態に係るスキッドビーム本体に取り付けられたスキッドボタンを説明するための斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。なお、以下に示す図面では、スキッドパイプとスキッドボタンとの周りに、被覆される耐火物層は省略している。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態に係るスキッドボタン１Ａは、被加熱鋼材を加熱炉内で搬送するスキッドビームに用いられる金属製のスキッドボタンである。本実施形態に係るスキッドボタン１Ａは、固定部材３０でスキッドパイプ（スキッドビーム本体）Ｐに接触するように取り付けられている。固定部材３０は溶接部ＷＡを介してスキッドビーム本体Ｐに取り付けられている。

スキッドボタン１Ａは、上層部１１Ａで被加熱鋼材を支持するように被加熱鋼材に接触し、その下層部１２Ａの表面（下層面）は、スキッドビーム本体Ｐの周面に応じた曲面となっている。

本実施形態に係るスキッドボタン１Ａを構成する金属材料としては、Ｃｒ基合金、Ｃｏ基合金、またはＮｉ基合金からなる金属材料を挙げることができ、特にＣｒ基合金が好ましい（なお、詳細な成分に関しては後述する）。

たとえばＣｒ基合金をスキッドボタンに用いた場合、一般的にスキッドボタンの平均結晶粒径が粗大（４００μｍ以上）であっても、１０００℃以上の温度では、１０％以上の伸びを有する。しかしながら、１０００℃未満の温度領域（スキッドボタンの下層部１２Ａは８００℃程度）では、その伸びが急激に低下し、伸び低下によりクラック等の割損が生じることがある。そこで、本実施形態では、スキッドボタン１Ａの基地を構成する結晶粒の粒径を制御することにより、クラックの発生およびその進展を抑え、スキッドボタン１Ａの割損を抑制している。

具体的には、本実施形態では、スキッドボタン１Ａの上層部１１Ａの平均結晶粒径は４００μｍ以上であり、好ましくは上層部１１Ａの平均結晶粒径は８００μｍ以下である。下層部１２Ａの平均結晶粒径は２００μｍ以下であり、好ましくは下層部１２Ａの平均結晶粒径は６０μｍ以上である。なお、本実施形態では、上層部１１Ａとは上層表面より内側に１０ｍｍ程度、下層部１２Ａとは下層表面より内側に１０ｍｍ程度までの層厚み部分のことをいう。

上層部１１Ａおよび下層部１２Ａの平均結晶粒径を上記範囲にすることにより、スキッドボタン１Ａは、高温での圧縮変形抵抗性が向上する。スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａは、伸びに優れた組織となる。これにより、加熱炉内でスキッドボタン１Ａに被加熱鋼材を載置したとしても、スキッドボタン１Ａの圧縮変形を抑えつつ、スキッドボタン１Ａの上層部１１Ａおよび下層部１２Ａの伸びと同程度とすることができる。この結果、スキッドボタン１Ａの割損を抑えることができる。

ここで、上層部１１Ａの平均結晶粒径が４００μｍ未満、または、下層部１２Ａの平均結晶粒径が２００μｍを超えた場合には、上層部１１Ａの平均結晶粒径に下層部１２Ａの平均結晶粒径が近づくため、スキッドボタン１Ａ使用時の上層部１１Ａと下層部１２Ａの伸びのバランスを保つことが難しくなり、変形を起こしやすくなる。

ここで、下層部１２Ａの粒径に対する上層部１１Ａの粒径の粒径比が、３〜８倍であること、および／または、上層部１１Ａの平均結晶粒径と下層部１２Ａの粒径の粒径差が、３５０μｍ〜６００μｍの範囲にあることが好ましい。

下層部１２Ａの粒径に対する上層部１１Ａの粒径の粒径比を３〜８倍とすること、または、粒径の粒径差を、３５０μｍ〜６００μｍの範囲にすることにより、１３５０℃におけるスキッドボタン１Ａの圧縮変形抵抗速度が２．０×１０^−４％／ｎ以下となり、スキッドボタンの下部における伸びを１０％以上とすることができる。さらに、被加熱鋼材の支持面となるスキッドボタン１Ａの上層部１１Ａの変形が５％〜１０％抑制される。すなわち、上述した範囲でスキッドボタン１Ａの上層部１１Ａの平均結晶粒径を、下層部１２Ａに比べて小さくすることにより、被加熱鋼材からスキッドボタン１Ａの結晶粒界の衝撃荷重を緩衝する効果が得られ、結晶粒界を起点としたクラックの発生を抑えることができる。

ここで、下層部１２Ａの平均結晶粒径に対する上層部１１Ａの平均結晶粒径の粒径比が、３倍未満の場合および／または粒径の粒径差が３５０μｍ未満の場合、スキッドボタン１Ａの圧縮変形抵抗が大きくなることがあり、スキッドボタン１Ａが熱衝撃により割損することがある。一方、上層部１１Ａの平均結晶粒径に対する下層部１２Ａの平均結晶粒径の粒径比が８倍を越えるおよび／または粒径の粒径差が６００μｍを超える場合、スキッドボタンを鋳造により製造することは困難である。

スキッドボタン１Ａは、スキッドボタン１Ａの上層部１１Ａの表面の少なくとも中央から、スキッドボタンの下層部１２Ａの表面の中央に向かって、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径が小さくなっている。

これにより、スキッドボタン１Ａのコアとなる部分（たとえば図１（ｂ）に示す少なくとも破線で囲われて部分）の結晶粒の平均結晶粒径は上方から下方に向かって小さくなるので、スキッドボタン１Ａは、圧縮変形抵抗性に優れた組織となり、一方、上層部１１Ａから下層部１２Ａに進むに従って、スキッドボタン１Ａの組織は、伸びに優れた組織となる。

このような結果、スキッドボタン１Ａに被加熱鋼材が載置された場合、スキッドボタン１Ａの上層部１１Ａから下層部１２Ａに進むに従って傾斜的な温度勾配（上層部１１Ａから下層部１２Ａに進むに従って温度が低下するような温度勾配）が形成されることになるが、上層部１１Ａから下層部１２Ａまで、結晶粒径を傾斜的に配置させることで高温時での伸びが略均一化され、スキッドボタン１Ａの変形を抑えられる。なお、このような組織は、後述する鋳造法により好適に製造することができる。

さらに、スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａの表面からスキッドボタン１Ａの側面１５Ａまでの結晶粒は均一になっている。すなわち、側面１５Ａには、下層部１２Ａの平均結晶粒径と同程度の微細化された表層が形成（被覆）されている。スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａからスキッドボタン１Ａの側面１５Ａまでの少なくとも表層の結晶粒が、スキッドボタン１Ａの上層部の中央の結晶粒に比べて微細化されることになるので、側面１５Ａ近傍のスキッドボタン１Ａの割損を防止することができる。

ここで、スキッドボタン１Ａを構成する材料に、上述した如くＣｒ基合金を選定した場合、Ｃｒを６０〜９０質量％含有することが好ましい。さらに好ましくはＣｒを６５〜８５質量％含有する。これにより、スキッドボタン１Ａの高温強度・耐酸化性を高めることができ、上述した平均結晶粒径の調整により、スキッドボタン１Ａの上層部から下層部までの伸びをほぼ均一にし易くなる。これにより、スキッドボタンに繰り返し圧縮荷重が作用した場合、Ｎｉ元合金、Ｃｏ基合金からなるスキッドボタンは茸状に変形するが、上述した成分および平均結晶粒径の関係の範囲を満たしたＣｒ基合金からなるスキッドボタンは太鼓状に変形するので、圧縮変形量は小さくなる。

ここで、Ｃｒ含有量が６０質量％未満の場合には、鋼材加熱炉のような１３００℃を超える高温酸化雰囲気に耐える酸化抵抗性や、被加熱鋼材の高荷重の反復作用に抗し得る高温強度が低下することがある。一方、Ｃｒ含有量が９０質量％を越えた場合には、合金が高融点化し、溶解炉の耐火物や鋳造用鋳型の負荷が増大し、溶解・鋳造操業が困難となるばかりでなく、スキッドボタン全体の伸びが大きくなり過ぎてしまい、上述した上層部１１Ａから下層部１２Ａまでの伸びの調整をし難いことがある。

Ｃｒ基合金には、さらにＷ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、希土類元素、Ａｌ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃ、Ｓｉ等の元素群から選択される１種ないし２種以上の元素が適量（各元素量１０％以下、複数元素含有の場合は合計量４０％以下）含有されていてもよく、この場合、残部はＦｅと不可避不純物とからなる。

このようなスキッドボタン１Ａは、以下の如く製造される。図２は、図１に示すスキッドボタンの製造方法を説明するための模式図であり、（ａ）は、スキッドボタンの鋳造方法を説明するための図、（ｂ）は、（ａ）により鋳造後のスキッドボタンの断面図である。

本実施形態では、スキッドパイプＰの周面と同じ成形面ｆａを有した金型ｆ１を、たとえば砂型ｆ２と共に配置して、成形型Ｆ１を組み立てる。次に組み立てられた成形型Ｆ１に、スキッドボタン１Ａを構成する金属材料を溶融した溶湯Ｍを、湯口ｃから成形型Ｆ内に流し込む。

これにより、金型ｆ１が鋳造時の冷やし金として利用でき、スキッドボタン１Ａの材料となる溶湯Ｍを、下層部１２Ａにおいて急冷し、必要に応じて温度調整を行うことにより、上層部Ａと下層部Ｂとの平均結晶粒径を制御することができる。この結果、上述した平均結晶粒径の範囲および関係を満たしつつ、スキッドボタン１Ａのコアの部分において、その上層部１１Ａの表面の中央から、スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａの表面の中央に向かって、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径を小さくすることができる。さらに、スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａの表面から側面１５Ａまでの結晶粒を均一にすることができ、上層部１１Ａ近傍の側面１５Ａに発生するクラックの発生を抑えることができる。なお、スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａから側面１５Ａまでの結晶粒を均一にする際には、鋳造時における下層部１２Ａの表面および側面１５Ａの鋳造初期の冷却温度をほぼ同じにすればよい。このとき、金型を用いて鋳造すると、下層部および側面の冷却温度管理が容易となる。

Ｃｒ基合金の溶湯でスキッドボタン１Ａを鋳造する際、上述した平均結晶粒径の範囲および、粒径比または粒径差の範囲を満たすためには、成形型に注湯する溶湯の温度が１９００〜２０００℃の範囲であることが好ましく、スキッドボタン１Ａの上層部１１Ａおよび下層部１２Ａの冷却速度は、それぞれ０．１〜２．０℃／秒、９．０〜１４．０℃／秒の範囲で行うことが好ましい。スキッドボタン１Ａの下層部１２Ａにおける冷却速度を満たすべく、金型ｆ１の大きさおよび形状、さらには成形型Ｆ１の下方に冷却機構を設けて、冷却水の流量および温度により調整してもよい。さらに、湯口ｃの上方に押し湯のための空間を設け、押し湯の量、その空間の形状、およびその温度を調整してもよく、これらを同時に行ってもよい。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態に係るスキッドボタンを説明するための模式図であり、（ａ）は、本発明の実施形態に係るスキッドビーム本体に取り付けられたスキッドボタンを説明するための斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。

図３は、図１に示すスキッドボタンの変形例を示した模式的断面図であり、図４は、図３に示すスキッドボタンの製造方法を説明するための模式図であり、（ａ）は、スキッドボタンの鋳造方法を説明するための図、（ｂ）は、（ａ）により鋳造後のスキッドボタンの断面図である。図５（ａ）は、図４（ｂ）に示すスキッドボタンの変形例を示した模式的断面図であり、（ｂ）は、図４（ｂ）に示すスキッドボタンのさらなる変形例を示した模式的断面図である。

図３に示すスキッドボタンのうち、図１に示すスキッドボタンと同じ機能を有する部分は、符号の末尾のアルファベットをＢに変更し、その詳細な説明は省略している。さらに、図５（ａ）、（ｂ）に示すこれらのスキッドボタンと受け台のうち、図４（ｂ）に示すスキッドボタンと受け台と同じ機能を有する部分は、符号の末尾のアルファベットをＣおよびＤに変更し、その詳細な説明は省略している。

本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、スキッドボタン１Ｂを、スキッドビーム本体Ｐに直接接触させずに、金属製の受け台２Ｂを介してスキッドビーム本体Ｐに取り付けた点である。受け台２Ｂの底面２ａは、ビーム本体（スキッドパイプ）Ｐの周面に応じた曲面となっており、受け台２Ｂは、底面２ａの周縁部においてスキッドビームのビーム本体Ｐに溶接部ＷＢを介して取り付けられている。ここで、受け台２Ｂは、スキッドボタン１Ｂの金属材料よりも延性に優れた材料（たとえば、８００℃で伸びが３％以上の耐熱合金（ＳＣＨ１２等））が選定される。

スキッドボタン１Ｂの底部１３Ｂには鍔部１６が形成され、鍔部１６は受け台２Ｂの上部に形成された収容凹部２３Ｂに覆われるように収容されている。さらに、後述する製造方法からも明らかなように、鍔部１６の表面の少なくとも一部が、受け台２Ｂの収容凹部２３Ｂの内側壁に溶着している。

さらに、スキッドボタン１Ｂの下層部１２Ｂと、これに対向する受け台２Ｂの表面との間には、空隙部１８Ｂが形成されている。空隙部１８Ｂは、鋳造時のスキッドボタン１Ｂが上下方向に収縮するにより形成されるものであり、スキッドボタン１Ｂの底面と受け台２Ｂの表面との直接的な接触を回避し、機械的衝撃による割れを回避することができる。

なお、スキッドボタン１Ｂの上層部１１Ｂおよび下層部１２Ｂの材質、平均結晶粒径、およびその粒径比または粒径差の関係は、第１実施形態に示したスキッドボタン１Ａのものと同じであるため、その詳細な説明は省略する。

このようなスキッドボタン１Ｂは以下のようにして製造される。まず、図４（ａ）に示すように、受け台２Ｂを成形する。受け台２Ｂの成形は、鋳造により行ってもよく、機械加工により行ってもよく、その成形方法は特に限定されない。

次に、成形された受け台２Ｂを、たとえば砂型ｆ３と共に配置して、成形型Ｆ２を組み立てる。本実施形態では、受け台２Ｂを、スキッドボタン１Ｂの成形型Ｆ２の一部として用いる。具体的には、受け台２Ｂの凹部２３Ｂを、スキッドボタン１Ｂの底部１３Ｂを成形（鋳造）するためのキャビティとして利用する。このような配置状態で、スキッドボタン１Ｂを構成する金属材料を溶融した溶湯Ｍを、湯口ｃから成形型Ｆ内に流し込む。

これにより、受け台２Ｂを鋳造時の冷やし金として利用でき、スキッドボタン１Ｂの材料となる溶湯Ｍを、下層部１２Ｂにおいて急冷することができる。この結果、必要に応じて溶湯Ｍの温度調整を行うことにより、第１実施形態で示した平均結晶粒径の範囲およびその関係を満たすことができる。さらに、冷し金を型内の側面側に設けることで、スキッドボタン１Ｂの下層部１２Ｂの表面から側面１５Ｂまでの結晶粒を均一にすることができる。

上述した上層部および下層部の結晶粒径の範囲および関係を満たすことができるのであれば、スキッドボタンと受け台との形状は特に限定されるものではなく、たとえば、図５（ａ）に示すように、スキッドボタン１Ｃにネック部１７を形成してもよく、図５（ｂ）に示すように、スキッドボタン１Ｄの底部１３Ｄを突出するような形成にしてもよい。

（実施例１）
スキッドボタンの材料としてＣｒ基合金を準備した。Ｃｒ基合金は、Ｃｒ：８１．８質量％、Ｍｎ：０．９６質量％、Ｍｏ：０．２質量％、Ｓｉ：０．６２質量％、Ｃ：０．０３質量％であり、残部が鉄および不可避不純物からなる。準備したＣｒ基合金からなる溶湯を、１９００℃まで加熱し、図１に示す形状となるように成形型内に注湯して、スキッドボタンを鋳造した。この際、表１に示すように、上層部と下層部の冷却速度を押し湯の量により調整した。

（実施例２〜５）
実施例１と同じようにして、スキッドボタンを鋳造した。実施例１と相違する点は、表１に示すように、上層部と下層部の冷却速度を冷し金または金型を用いることで早めたり、押し湯部の大きさ変更、または押し湯部とスキッドボタン本体との距離を変更することで、冷却速度を遅くする等により、冷却速度を調整した点である。

（比較例１〜３）
実施例１と同じようにして、スキッドボタンを鋳造した。実施例１と相違する点は、表１に示すように、強制的に上層部と下層部の冷却速度を調整することはしていないため、上層部と下層部の冷却速度に、それほど差がない点である。

＜平均結晶粒径の測定方法＞
実施例１〜４および比較例１〜３に係るスキッドボタンの上層部表面の中央および下層部表面の中央を金属顕微鏡で観察し、それぞれの平均結晶粒径を測定した。平均結晶粒径は、顕微鏡の視野内におけるＣｒ結晶粒の平均結晶粒径の平均値である。さらに、得られた上層部および下層部の平均結晶粒径から、上層部の平均結晶粒径と下層部の粒径の粒径差（上層部−下層部）と、下層部の平均結晶粒径に対する上層部の平均結晶粒径の粒径比（上層部／下層部）とを算出した。これらの結果を表１に示す。

＜引張試験＞
実施例１〜４および比較例１〜３に係るスキッドボタンの上層部および下層部を含む部分から、試験片を切り出して、９００℃での引張試験を行ない、その伸び（％）を調べた。試験片は、平行部が６ｍｍ、標点間距離（ゲージ長さ）が２５ｍｍのもの（ＪＩＳＧ０５６７）を用いた。この結果を表１に示す。

＜高温圧縮変形抵抗速度の測定＞
実施例１〜４および比較例１〜３に係るスキッドボタンから上下方向に沿って円柱状試験片（直径３０ｍｍ×高さ５０ｍｍ）を切出し、下記の試験を行った。具体的には、円柱状試験片を試験装置の水冷されている固定台上に、直立載置して１３５０℃に加熱保持し、試験片の上面に負荷する垂直荷重を４．９Ｎとし、負荷（５秒間）と無負荷（３秒間）〔負荷−無負荷の間の移行時間は各々１秒）を１サイクルとし、３００００回反復した。試験片の試験前の高さ寸法（Ｌｏ）試験後の高さ寸法（Ｌ）、および試験回数（ｎ）から、圧縮変形抵抗速度［（Ｌｏ−Ｌ）×１００／（Ｌｏ・ｎ）（％／ｎ）］を算出した。（１回あたりの変形量）この結果を表１に示す。

また、図６に実施例１〜５および比較例１〜３に係るスキッドボタンの粒径比と高温圧縮変形抵抗速度との関係を示し、図７に実施例１〜５および比較例１〜３に係るスキッドボタンの粒径差と高温圧縮変形抵抗速度との関係を示す。

［結果および考察］
表１に示すように、比較例１〜３に比して、実施例１〜５に係るスキッドボタンは、高温での圧縮変形抵抗速度を２．０×１０^−４％／ｎ以下としたうえで、下層部における９００℃での伸びを大きくしている。

これは、実施例１〜５に係るスキッドボタンは、上層部の平均結晶粒径を４００μｍ以上とし、且つ、下層部の平均結晶粒径を２００μｍ以下としたことによるものと考えられる。上層部および下層部の平均結晶粒径を上述した範囲にすることにより、高温圧縮変形抵抗性に優れた組織となり、一方、スキッドボタンの下層部の組織は、比較的低温域（９００℃）でも伸びに優れた組織となったと考えられる。

特に、スキッドボタンは、鋳造により成形したので、上層部の中央から下層部の中央に向かって、平均結晶粒径が小さくなっていると考えられ、これにより下層部から上層部に進むに従って、スキッドボタンは、圧縮変形抵抗性に優れた組織となり、一方、上層部から下層部に進むに従って、スキッドボタンの組織は、伸びに優れた組織となったと考えられる。

このような結果から、図６および７に示すように、実施例１〜５の如く、粒径比を３〜８倍とすること、および／または、粒径差を、３５０μｍ以上にすることにより、１３５０℃におけるスキッドボタン１Ａの圧縮変形抵抗速度が２．０×１０^−４％／ｎ以下となり、スキッドボタンの下層部における伸びが１０％以上とすることができる。

さらに表１より、前述した高温時におけるスキッドボタン上層部の伸び（１０〜２０％）と、実施例１〜５の下層部における９００℃での伸びが近似している。このことより、本発明により得られたスキッドボタンは、上層部が茸状へ変形することが抑制されており、また、被加熱鋼材からスキッドボタンの結晶粒界の衝撃荷重を緩衝する効果が得られ、結晶粒界を起点としたクラックの発生をも抑えることができると推測される。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

また、本実施形態では、スキッドボタンを鋳造したが、たとえば、スキッドボタンの上層部の中央から、スキッドボタンの下層部の中央に向かって、基地を構成する結晶粒の平均結晶粒径を小さくすることができるのであれば、ＨＩＰなどの圧粉成型によりスキッドボタンを成形してもよい。

１Ａ〜１Ｄ：スキッドボタン，２Ｂ〜２Ｄ：受け台，２ａ：底面、１１Ａ〜１１Ｄ：上層部、１２Ａ〜１２Ｄ：下層部、１３Ｂ：底部、１５Ａ〜１５Ｄ：側面、１６：鍔部、１７：ネック部、１８Ｂ〜１８Ｄ：空隙部、２３Ｂ〜２３Ｄ：収容凹部

Claims

被加熱鋼材を加熱炉内で搬送するスキッドビームに用いられる金属製のスキッドボタンであって、
該スキッドボタンの上層部の平均結晶粒径は４００μｍ以上であり、且つ、前記スキッドボタンの下層部の平均結晶粒径は２００μｍ以下であることを特徴とするスキッドボタン。
前記上層部と前記下層部との平均結晶粒径の粒径比が、３〜８倍であることを特徴とする請求項１に記載のスキッドボタン。
前記上層部の平均結晶粒径と前記下層部の平均結晶粒径との粒径差が、３５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のスキッドボタン。
前記スキッドボタンは、前記上層部の表面の中央から前記下層部の表面の中央に向かって、平均結晶粒径が小さくなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスキッドボタン。
前記下層部の表面から側面までの結晶粒の大きさが、均一になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスキッドボタン。
前記スキッドボタンは、Ｃｒを６０〜９０質量％含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスキッドボタン。
前記スキッドボタンは、金属製の受け台を介してスキッドビームの本体に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスキッドボタン。