JP4032654B2 - 耐ピックアップ性・耐高温摩耗特性に優れた表面被覆材料 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の連続熱処理炉における炉内搬送ロール(以下ハースロールと記す)の被覆用として適した耐スケール反応性に優れ、耐ピックアップ性・耐高温摩耗特性に優れた表面被覆材料に関する。
【0002】
【従来の技術】
鋼材の熱処理を行う連続熱処理炉、例えば連続焼鈍炉には鋼材の搬入・搬送・搬出のためのハースロールが設けられている。鋼板(鋼帯を含む)の連続焼鈍炉においては、これらハースロールは500〜1100℃の高温の還元性あるいは酸化雰囲気中で長期間にわたり連続使用される。そのため、ロール表面には被熱処理材からの酸化物あるいは鉄粉がスケール反応で凝着したり堆積していわゆるピックアップ(ビルドアップ)が形成される。このピックアップは、ハースロールにより搬送される鋼板の表面疵の発生原因となり、鋼板に著しい品質低下を及ぼす。このような品質低下を防止するために、操業を中断してロール交換を余儀なくされている。
【0003】
ピックアップを防止する方法として、高温酸化雰囲気においては、M・CrAlY(MはCo,Ni,Co−Niなどの金属)というCr、Al、Yを含む合金などをハースロールに被覆することが知られている。被覆材料中のCr、Alは優先的に酸化されて、Cr2O3やAl2O3の酸化物を形成し、耐酸化性、耐摩耗性を向上させる。
【0004】
また、例えば特開昭63−199857号公報には、Al2O3を51〜95vo1%含み、残部がCo、Ni、Mo、Fe、Al、Y、Si系金属から選ばれた1種または2種以上よりなる溶射被覆材料および溶射ロールが開示されている。また、特公昭63−26183号公報には、Y2O3:2〜25wt%、残部が実質的にZrO2よりなるセラミックス被覆を有する高温耐磨耗性とビルドアップ防止に優れたハースロールが開示されている。
【0005】
さらに、特公平6−45863号公報には、合金粉末と金属硼化物粒子からなるメカニカルアロイ複合粉末であって、前記金属硼化物が5〜50体積%含まれ、且つ前記合金粉末が15〜40重量%のクロム、5〜20重量%のアルミニウム、残部がニッケルまたはコバルトまたは鉄のうち少なくとも1種以上からなる組成を有する溶射材料が開示されている。これは基本的に上述のM・CrAlYに金属硼化物を加えたものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
Al2O3系溶射皮膜を形成する上記の各技術では、耐摩耗性に優れるが、焼鈍炉内での耐ピックアップ性などの耐スケール反応性が不十分であるという問題があった。特にハースロールにおいて、ピックアップの発生が起こった。また、ZrO2系溶射皮膜は、耐スケール反応性には優れるが、耐熱衝撃性が不十分であるという問題があった。焼鈍炉内の雰囲気温度は操業条件変更の度に変更されるうえ、停止時に起きる降温及び再起動時の昇温は急激なものであり、また.ロールと鋼板との温度差により、溶射皮膜内に熱応力が生じ皮膜の剥離となる問題があった。
【0007】
本発明は、前記問題を優位に解決し、耐ピックアップ性および耐高温摩耗特性を向上させた表面被覆材料を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Cr:5〜35質量%、C:3質量%以下、Al:1質量%以下を含有し、かつ、Ni:3〜25質量%、W:3〜25質量%およびTa:3〜25質量%から選ばれた1種または2種以上を合計で3〜40質量%含有し、残部Coおよび不可避不純物から成る合金中に、ZrO 2 及び又はY 2 O 3 20〜80質量%を分散した複合材料であって、該複合材料中のAl成分がAl換算で1質量%以下から成ることを特徴とする耐ピックアップ性・耐高温摩耗特性に優れた表面被覆材料である。この複合材料は、焼鈍炉において耐スケール反応性、特に耐ピックアップ性が要求される鋼板搬送ロール用表面被覆材料として、好適である。
【0009】
さらに、第1発明の合金中に質量%にて、Mo:6%以下、V:2%以下、Si:1.5%以下および希土類元素:2%以下から選ばれたいずれか1種または2種以上を含有することを好適とする(第2発明)。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、連続焼鈍炉内のハースロールに各種材料を用い、発生したピックアップの組成の観察から得られたもので、Al2O3系酸化物を用いる材料では、ピックアップがスケール(MnOやFeOなど)とAl2O3とで形成されていたのに対し、ZrO2、Y2O3等の酸化物セラミックスは高温雰囲気において、安定な物質であり、スケールとの反応性が乏しいとの知見を基に完成されたものである。これらのセラミックスは単体では熱衝撃性に劣るものの、これらのセラミックスを耐熱金属あるいは耐熱合金中に分散させることによって、上記課題の解決を図ったものである。ここで、分散とは、セラミックス粒子同士が母材によって隔てられている状態を指し、均一分散がさらに好ましい。
【0011】
酸化物系セラミックスであるZrO 2 及び又はY 2 O 3 を複合材料中の20〜80質量%としたのは、十分な耐ピックアップ性を確保するには20質量%以上が好適であり、80質量%を超えて添加すると、耐熱衝撃性の低下が起こるため、添加量の上限を80質量%とした。
【0012】
また、酸化物系セラミックスとしては、前記したZrO2、Y2O3のほか、高温で安定であって、耐スケール反応に乏しいものを撰択することができるがZrO 2 及び又はY 2 O 3 が好適である。
【0013】
本発明において、母材として、Co−Cr−(Ni,W,Ta)−C合金を適用したのは、元来Coは高温で優れた耐熱性を有するが、Co単体では高温強度が低く、かつ、耐酸化性に乏しいので、炉内ガスと反応し、Coの内部酸化により結合強度が低下して、剥離を生じる可能性が極めて高い。そこで、炉内ガス成分との反応を防止するため、優先酸化元素としてCrを添加した。また、Si、希土類元素は酸化したCr(Cr2O3)の安定生成促進と保護酸化被膜の耐剥離性改善に効果があった。さらに、合金強度を補うために、Cの添加、Ni、WあるいはTaの添加が有効である。加えて、Mo、Vの添加も合金強度の向上に寄与する。
【0014】
まず、合金組成の限定理由について述べる。
【0015】
Cr:5〜35質量%
Crが5質量%未満では、安定した酸化保護被膜が形成されず、Coの内部酸化による剥離を生じるためである。ならびに、35質量%を超えて添加した場合、σ相脆化による剥離を生じる可能性があるためCrの添加量を5〜35質量%とした。好ましくは、10〜35質量%である。
【0016】
Si:1.5質量%以下
Siは生成した酸化Cr(Cr2O3)の安定生成促進と保護酸化被膜の耐剥離性改善のために補助的に添加するが、1.5質量%を越えると、Fe−Si系の複合酸化物を形成し、耐ピックアップ性が低下するので、1.5質量%以下とした。
【0017】
C:3質量%以下
Cは合金の高温での硬度を向上させるために添加するが、3質量%を超える添加は、Co合金が硬くなり過ぎて、合金が脆くなり、剥離しやすくなるので、上限を3質量%とした。添加の効果を発揮するのに好ましくは、0.1〜3質量%である。
【0018】
W:3〜25質量%
Wは合金の高温での強度を向上させるために添加するが、3質量%未満では充分な高温強度が得られず、25質量%を超える添加では、WO3が生成し、蒸発して、表面粗度が変化して、板の蛇行や板に疵を与える危険性があるため、3〜25質量%の添加を好適とした。
【0019】
Ta:3〜25質量%
Taは合金の高温での強度を向上させるために添加するが、3質量%未満では充分な高温強度が得られず、25質量%を超える添加では、耐ピックアップ性を損なうおそれがあるため、3〜25質量%の添加を好適とした。
【0020】
Ni:3〜25質量%
Niは合金の高温での強度を向上させるために添加するが、3質量%未満では充分な強度が得られず、25質量%を超える添加では、Co含有量が少なくなり逆に高温での強度不足になる可能性があるため、3〜25質量%のバランスのよい添加が好適である。
【0021】
Ni、W,Taから選ばれた1種または2種以上を合計で3〜40質量%
Ni、W,TaのCoへの添加効果を発揮するには、少なくとも合計で3質量%以上含有する必要があり、合計で40質量%を超えるとCo含有量が少なくなり過ぎ、高温強度が不足する可能性があるため、上限を40質量%とした。
【0022】
Mo:6質量%以下
Moは合金の高温での強度を向上させるために適宜添加するが、6質量%を超える添加では、MoO3が生成し、蒸発して、表面粗度が変化して、板の蛇行や板に疵を与える危険性があるため、6質量%以下の添加を好適とした。
【0023】
V:2質量%以下
VはCと結合し、VCとして合金中に分散することで合金の硬度を確保する元素である。ただし、2質量%を超える添加はCo合金が硬くなり過ぎて、合金が脆くなり、剥離しやすくなるので、上限を2質量%とした。
【0024】
希土類元素:2質量%以下
希土類元素(Y、Zr、Hf、La、Ce等)は、酸化Cr(Cr2O3)の安定生成促進と保護酸化被膜の耐剥離性改善のために補助的に添加するが、2質量%を超えて添加しても効果が飽和するため、上限を2質量%とする。
【0025】
Al:1質量%以下
さらに、従来は、高温で耐摩耗性を求められる合金材料にはAlやA12O3が添加されていたが、空気より還元性の雰囲気で使用する焼鈍炉内のハースロールなどでは、鋼板との接触により、(Fe,Mn)−A1系複合酸化物による耐ピックアップ性の低下が見られたので、本発明の合金系では複合材料中のA1成分をA1換算で1質量%以下に制限した。好ましくは0.1質量%以下である。より好ましくは、0.01質量%以下である。
【0026】
加えて、酸化物系セラミックスを上記Co−Cr−(Ni,W,Ta)−C合金中に分散させることにより、耐スケール反応性を向上させ、耐ピックアップ性および耐高温摩耗特性を向上させた。合金中に存在するセラミックスは、高温においても非常に安定で、鋼板表面の酸化物や鉄粉と反応を生じないため、耐スケール反応性ひいては耐ピックアップ性を向上させる。また、Y2O3 が合金中に分散している場合には、溶射皮膜成分および炉内雰囲気ガス成分の拡散が抑制され、耐スケール反応性を向上させる。
【0027】
なお、本発明の被覆材料は、ハースロールのみでなく、同等の機能を要求される炉内構造物に好適に適用される。
【0028】
【実施例】
本発明の焼鈍炉における鋼板搬送ロール用表面被覆材料の特性について、実施例により説明する。表1に供試材料の化学組成を示す。No.1〜6は実施例、No.7〜10は参考例、No.11〜15は比較例である。比較例No.15は従来の代表的な表面被覆材料である。供試材料より試験片を作成し、以下の高温試験を行い、表1に示す結果を得た。
【0029】
耐スケール反応性の評価には耐ピックアップ性試験を次の条件で行った。
【0030】
試験温度:1000℃
ピックアップ源:FeO,MnO粉末、鋼板(挟み込み)
荷重:19.6N(2kgf)
保持時間:100Hr
試験雰囲気:3vo1%H2−N2
試験片寸法:40×40×15mm
評価はピックアップ発生面積(%)を算出して示した。
【0031】
次に、熱衝撃試験は次の条件で行った。
【0032】
試験方法:1000℃、30min保持した後水冷した。
【0033】
試験雰囲気:大気中
評価は剥離を生じるまでの回数で示した。この回数が20回以上であれば実用上十分であるとした。
【0034】
さらに、高温硬度試験は次の条件で行った。
【0035】
試験方法:微小高温硬度計(Nikon製QM型高温顕微硬度計)を用いてマイクロビッカース硬度を測定した。
【0036】
測定温度:800℃
測定荷重:0.98N(100gf)
【0037】
【表1】
【0038】
表1に示したとおり、No.1,3,4,6は実施例、No.2,5,7〜10は参考例、No.11〜15は比較例である。実施例1,3,4,6は従来のAl2O3系溶射皮膜(No.15)に比べて、熱衝撃性、高温硬度はほぼ同等にて、耐ピックアップ性が優れている。合金組成が本発明範囲内に適合しているが、WCを含む参考例2、ZrB 2 を含む参考例5、ZrO2及び又はY2O3が適合しない参考例7〜10では熱衝撃性、又は耐ピックアップ性がやや劣る。合金組成が本発明範囲内に適合していない比較例のNo.11、12あるいは、ZrO2、および又はY2O3が本発明範囲内に適合していない比較例のNo.13、14では、熱衝撃性、耐ピックアップ性のいずれかが劣っている。
【0039】
【発明の効果】
本発明の複合材料は高温雰囲気において優れた耐熱衝撃性、耐摩耗性および特に耐スケール反応性、耐ピックアップ性を有するので、鋼板を製造する焼鈍炉において、鋼板成分との反応・凝着が問題となるハースロールにおいて、難反応性・耐摩耗性を有するために、長時間の耐用が可能となった。また、本発明はハースロールのみでなく、同等の機能を要求される炉内構造物に適用しても優れた耐スケール反応性から、耐用寿命の延長において顕著な作用、効果を奏する。
Claims (2)
- Cr:5〜35質量%、
C:3質量%以下含有し、かつ、
Ni:3〜25質量%、W:3〜25質量%およびTa:3〜25質量%から選ばれた1種または2種以上を合計で3〜40質量%含有し、残部Coおよび不可避的不純物から成る合金中に、ZrO 2 及び又はY 2 O 3 20〜80質量%を分散した複合材料であって、該複合材料中のAl成分がAl換算で1質量%以下から成ることを特徴とする耐ピックアップ性・耐高温摩耗特性に優れた表面被覆材料。 - 前記合金中に、質量%にて、
Mo:6%以下、V:2%以下、Si:1.5%以下および希土類元素:2%以下から選ばれたいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の耐ピックアップ性・耐高温摩耗特性に優れた表面被覆材料。
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