JPH01215923A - 耐熱支持部材 - 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、加熱炉内等で鋼片なとの被加熱物を支持する
スキッドボタンやハースロール等の耐熱支持部材に関す
る。

（従来の技術） 従来より、加熱炉で鋼片等の加熱を行う場合、この鋼片
を支持するために金属製の支持部材、例えばスキッドボ
タン、スキットレールあるいはハースロール等が使用さ
れている。

ところが、高温型の加熱炉では、金属製の支持部材は熱
負荷による損傷を受けやすいため、この支持部材の一部
を空冷または水冷する手段を取っていた。その結果、被
加熱物である鋼片にスキットマークと呼ばれる低温スポ
ットが発生し、鋼片が熱間加工で不均一変形を起こし、
製品の品質や寸法精度を劣化させる原因となっていた。

この低温スポットを緩和除去するためには、加熱炉全体
を必要以上に加熱したり、加熱炉の支持部材近傍を局部
加熱するなどの手段を取る必要があるので、エネルギー
消費量の増大や炉構造物の短寿命化などの工業上の問題
があった。

本発明者らは、この金属製支持部材に代えて断熱性の優
れた窒化けい素（Ｓ１３Ｎ４１．炭化けい素（Ｓ　ｉ　
Ｃ）などのセラミックス製の支持部材について実炉試験
を行なった結果、セラミックス製の支持部材を用いると
前述したスキットマークを低減する効果があることを確
認した。しかしながら、セラミックスのような脆性材料
からなる支持部材は被加熱物の搬送時に作用する剪断力
や振動により割れ（クラック）が発生しやすく、長期間
の使用に耐え得ないことが判明した。

そこで本発明者らは、金属とセラミックスの双方の良好
な性質を兼茄する金属セラミックス複合材料に着眼し、
セラミック粉末の性状や配合量を適正化させることによ
り、靭性と圧縮強さと断熱性の優れた耐熱支持部材用の
新規な耐熱複合材料を提案した（特願昭６１−３０９０
１８号）。その後本発明者らは、この耐熱複合材料を支
持部材の一部に使用し、この耐熱複合材料からなるサー
メット型の焼結芯体な耐熱金属層で被覆した耐熱支持部
材を用いると、支持応力に対する補強効果が大きいこと
を見い出し、かかる多層構造をもつ耐熱支持部材を提案
した（特願昭６２−２２４０６１号、特願昭６２−３１
０８１０号）。

（発明が解決しようとする課題） しかし、従来の耐熱支持部材では、この部材で支持され
る鋼片等の被加熱物の高温化、高＠量化、高積載頻度（
ヒなどにより使用環境が厳しい場合、サーメット型の焼
結芯体を被覆する耐熱金属層にクラックが入りやすいの
で、耐熱支持部材の支持強度が低下し、被加熱物を支持
する耐熱支持部材の支持面が沈下する現象が見られた。

これは、焼結芯体に一時的に過負荷が作用するのが原因
で、焼結芯体を被覆する耐熱金属層が補強限界を超えて
座屈現象を生じたためと推定される。

本発明者らは、これまでの耐熱支持部材の芯部から外層
方向への多層構造のほか、耐熱支持部材の支持軸方向へ
の多層化構造についても検討し、各種シュミレーション
試験や解析を行なった結果、基本的にはサーメット構造
を構成する焼結芯体を被加熱物側の高温部だけに設けれ
ば、その分焼結芯体を被覆補強する耐熱金属層に作用す
る応力負荷が軽減され、前記クラックの発生が実質的に
減少し、−時的に過負荷が加わっても耐熱金属層の座屈
の発生を抑制できることを確認した。

本発明の目的は、鋼片等の被加熱物を支持する耐熱支持
部材にクラックが発生するのを抑制し、高温環境下にお
いても被加熱物を確実に支持することにある。

（課題を解決するための手段） そこで、前述した課題を解決するため、本発明の耐熱支
持部材は、焼結芯体を被覆する耐熱金属層からなる上部
構造と、主として金属からなる下部構造とからなり、前
記上部構造の前記下部構造に対する体積比は０５〜２の
範囲に設定され、前記焼結芯体は金属または合金粉末に
平均粒径ｌ〜５ｍｍの非球状セラミックス粉末を５５〜
８０体積％の割合で分散し焼結されてなることを特徴と
する。

本発明の実施態様としては、前記下部構造を構成する金
属の一部をセラミックスで置換し、この置換率を平均８
０体積％以下に設定してもよい。

このように上部構造の芯部な焼結芯体からなるサーメッ
ト構造としたのは、次の理由による。

すなわち、通常スキットボタン等の耐熱支持部材は、円
柱または角柱で、支持軸方向の軸長／径（辺）比が１〜
２の範囲に設定され、被加熱物を支持する支持面と反対
側の面すなわち低温側の底面がスキットパイプと呼ばれ
る水冷金属パイプに接合され、また前記支持面のごく近
傍を除いては鋳造品で被覆され熱遮断されている。従っ
てスキットボタンの被加熱物支持面近傍は高温（鋼片加
熱では１２００°Ｃ以上）に晒されるが、この支持面よ
り支持軸に沿って下方にいくに従い温度が低下し、ｉｑ
記低温側底面付近ではスキットパイプからの冷却作用に
より例えば２００℃以下の低温になる。そのため耐熱金
属層の耐力を超える充分に高温になる上部構造において
、その芯部をサーメット構造とした。

本発明の耐熱支持部材の上部構造の焼結芯体に使用する
金属または合金は、熱負荷に耐える圧縮強度を有する材
料であることが前提となり、加圧成形（焼結）しやすく
、かつセラミックス粉末に濡れやすい金属または合金粉
末を使用する。望ましくは、Ｎ１系またはＮｉ−Ｃｒ系
の耐熱合金、例えばＦｅ−Ｎ　１−Ｃｒ−Ｃｏ系、Ｆｅ
−Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｃｒ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ
。

系などの合金が使用される。

ｍＩ記焼結芯体に使用するセラミックス粉末は、使用温
度が１１００°Ｃ以上であれば、溶融温度または分解温
度が１５００℃以上の材料のもの例えば、ＺｒＯ２，Ａ
ｌ２Ｏ５，Ｃｒ２Ｏ＊、ＳｉＯ２などの酸化物系セラミ
ックスが好ましい。なお、この酸化物系セラミックスは
、その３０体積％以丁の範囲で非酸化物系のセラミック
ス例えば５ＩＣ１ＴｉＣ，Ｗｃ、Ｓｉ＊Ｎ４．ＴｉＮな
どで置換してもよい。３０体積％以下としたのは、この
ような非酸化物系セラミックスは、高温下で金属と反応
しかつ酸化しやすいためである。

このセラミックス粉末は、一般に非球状であるが該粉末
を同一体積の球状粉末とみなした場合に１Ｌ均粒径１〜
５ｍｍの範囲のものを使用する。平均粒径を１ｍｍ以上
としたのは、耐熱支持部材の熱負荷応力による変形を減
少させるのに効果的であるからである。平均粒径を５ｍ
ｍ以下としたのは、５ｍｍを超えるとセラミックス粒子
の占有率のみが増太し、このセラミックス粒子の被加熱
物との接触摩擦や応力の偏りのため粒内破壊が起きやす
く支持効果が小さくなるからである。

焼結芯体の金属または合金粉末に対する非球状セラミッ
クス粉末の配合量は５５〜８０体積％の範囲に設定する
。５５体体積未病にすると、熱負荷、例えば熱間繰返し
圧縮により変形が大きくなるからであり、逆に８０体積
％を超えると、金属または合金骨格の３次元的な繋りが
切断されるので、焼結芯体自体の強度が低下し、場合に
よってはセラミックス単体程度まで脆化するためである
。

上部構造の下部構造に対する体積比は０．５〜２の範囲
に設定する。なぜならば、通常の鋼片加熱炉では１３０
０°Ｃ以上に炉内を加熱し、この実炉試験の結果では、
耐熱支持部材の底面が２００°Ｃ以下に冷却された場合
、上部構造の体積比がＯ５未満では、サーメット型の焼
結芯体による断熱効果が小さくかつ該焼結芯体に近い高
温部の金属または合金の耐力が支持応力の限界を超え、
下部構造としての支持効果が失われるためである。

また上部構造の体積比が２を超えると、焼結芯体を被覆
する耐熱金属層が一時的な過負荷に対して補強限界を超
え、クラック等が発生しやすいためである。

下部構造はその耐力が支持応力以上であればその材料は
特に限定されるものではない。従って下部構造は必ずし
も金属または合金（焼結晶、鋳造品など）である必要は
なく、金属と同じ無機材料であるセラミックスで一部置
換し、断熱効果を高めるようにしてもよい。ただしセラ
ミックスで置換した場合、金属との置換率は８０体積％
以下に抑える。８０体積％を超えると、被加熱物の積載
時に剪断破壊する可能性が高くなるからである。

（作用） 本発明の耐熱支持部材によれば、耐熱支持部材の芯部な
サーメット構造にして耐熱性の向上をはかり、その外周
には耐熱金属層を設けて靭性を高めている。しかも、こ
のサーメット構造を支持軸方向の高温部の芯部に設けた
ので、芯部を被覆する耐熱金属層に作用する過大応力が
生じるのを回避し、クラック発生率を確実に減少させる
。

（実施例） 本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図〜第４図は、本発明を円柱状のスキットボタンに
適用した実施例を表わす模式断面図である。

第１図に示す実施例は、スキットボタン１の上部構造２
と下部構造３とがほぼ同径で、このうちの−上部構造２
は、セラミックス粒子４と金属５とから構成される円柱
状の焼結芯体の外周に耐熱金属層６が被覆されている。

下部構造３は、金属７からなる円柱状の焼結晶、鋳造品
等である。そして、上部構造２の頂面２ａにて鋼片等の
被加熱物が支持され、５部構造３の鳳面３ａは水冷パイ
プに接続されて冷却される。

第２図に示す実施例は、基本構造は第１図に示す実施例
と同様であるが、Ｆ部構造３が金属７とセラミックス８
の複合材から構成されている。

他の構成部分については第１図と同様であるので、同一
構成部分に同一符号を付してその説明を省略する。この
実施例では下部構造３での断熱効果がより向上されてい
る。

第３図に示す実施例は、基本的には第１図に示す実施例
と同様であるが、上部構造２の頂面２ｂが所定の肉厚を
もつ耐熱金属９から構成されている。他の構成部分につ
いて第１図に示す実施例と同一の構成部分については同
一符号を付し、その説明を省略する。この実施例によれ
ば、鋼片なとの被加熱物を支持する頂面２ｂが耐熱金属
９で構成されていることから、靭性が高く衝撃荷重に対
し強い構造になっている。

第４図に示す実施例は、基本的には第３図に示す実施例
と同様の構成であるが、第３図に示ず頂面２ｂをｆｉη
成する耐熱金属９に対して、この頂面２ｂを所定の肉厚
をもつセラミックス粒子１０を分散した構造からなる構
成にしている。他の構成部分については第３図に示す実
施例と同様であるので、同一構成部分に同一符号を付し
、その詳細な説明を省略する。この実施例では、被加熱
物を直接支持する頂面２ｂがセラミックス粒子を適量含
有するのて、被加熱物に接触する部分の断熱性が向」ニ
されている。、シたがって、耐熱金属層６を構成する部
分でのクラックの発生率はより低下される。

以下１本発明の試験例について説明する。

試験例　１ 溶湯噴霧法により製造した粒径６０メツシユ以下の合金
粉末中に所定の平均粒径を有する非球状セラミックス粉
末を混合し、この混合物を芯部とし、この周囲に金属粉
末を充填したものを内径７０ｍｍの円柱状の軟鋼缶内に
配置してこれらを上部構造とし、この土部構造の上から
下部構造に対応する金属粉末（３＋ＯＬ）を充填し、こ
の軟鋼缶に除をする。そしてこの軟鋼缶をＮ２雰囲気中
で？８接し蜜月した後１２００℃で１トン／　ｃ　ｍ　
２の圧力丁に１時間熱間静水圧プレス（１−１１Ｐ）処
理を施した。得られた円柱状の軟鋼缶の両端と側面の缶
材を切除して焼結体を取り出し、この焼結体について熱
負荷試験を行なった。

試験条件 負荷条件：試料（焼結体）の軸方向に圧力５０ｋｇ／ｃ
ｍ２で５秒間荷重をか ″けた後７秒間無負荷で保持するサ イクルを繰り返す（１００サイク ルに一度衝撃荷重を加える） 加熱温度：１３５０℃ 雰囲気　　大気 試験時間＝４時間（約１２００サイクル）試験後、試料
の変形や損傷度合などを観察し、また変形率を算出して
それぞれの耐熱負荷を評価した。結果を第１表および第
２表に示す。

第１表および第２表から明らかなように、本発明の３次
元的な多層構造をもつスキッドボタンの場合ニオイテも
、Ａ　ｌ□Ｏ，、ＰＳＺ　（Ｚｒ０２−Ｙ２Ｏ，）粉末
（平均粒径　１〜５ｍｍ）が焼結芯体に５５〜８０体積
％の範囲で含まれ、かつ上部／下部構造の体積比（高さ
）が１付近にあれば、耐熱支持部材として健全な状態を
保ち、かつＦ部構造は金属でも実用可能（変形率≦２．
０％）であることがわかる。

成荻貝２ 試験例１と同一手段により多層構造の粉末を円柱状の軟
鋼缶に充填し、この充填物を１’　２００′Ｃで１トン
／　ｃ　ｍ　２の圧力下に１時間ＨＩ　Ｐ処理し、円柱
状の焼結体を作製し、軟鋼缶の両端と側面の缶材を切除
して焼結体を取り出し、この焼結体について熱負荷試験
を行なった。

試験例１と同一条件で試験後、試料の変形や損傷度合を
観゛察しまた変形率を算出して耐熱負荷を評価し比較し
た。結果を第１表および第２表に示す。

第１表と第２表から明らかなように、上部構造の下部構
造に対する体積比（高さ）を変化させた場合、上部構造
が］／３と短いもの（試料Ｎ。

１０）では、下部構造の金属の上部構造（焼結芯体）に
近い側がバルジング現象を起し、耐熱支持部材の被加熱
物支持面が沈下した。逆に体積比が２０を超えたもの（
試料Ｎｏ、１８）では上部（１４造の焼結芯体を補強し
ている耐熱金属層にクラックが発生し、耐熱支持部材の
上部が拡がって実用不可能となった。ただし、同様条件
下でもクラックが発生しない場合もあり、クラック発生
の確率はＩ／”３程度であった。一方、下部構造は金属
焼結体や鋳造品でもよく、また金属（合金）骨格の３次
元的な繋りが中断されない範囲内（≦８０体積％）でセ
ラミックスに置換することも効果的であることが判明し
た。

（発明の効果） 以−ト説明したように本発明によれば、高温環境のもと
て被加熱物を支持する高温部をサーメット型の上部構造
で構成し、その外周を耐熱金属層で被覆する構成とした
ので、下部構造から上部構造への冷却作用と相俟って耐
熱金属層で発生しやすいクラックの発生率を低減し、上
部構造の支持面で被加熱物をその位置で沈下させること
なく確実に　支持することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３１に’および第４図は、それぞれ
本発明をスキッドボタンに適用した実施例を表わす概略
模式断面図である。 ｌ・・・スキッドボタン、　２・・・上部構造、３・・
・下部構造、　　　　　４・・・セラミックス粒子、５
・・・金属、　　　　　　　６・・・耐熱金属層、７・
・・金属。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結芯体を被覆する耐熱金属層からなる上部構造
   と、主として金属からなる下部構造とからなり、前記上
   部構造の前記下部構造に対する体積比は０．５〜２の範
   囲に設定され、前記焼結芯体は金属または合金粉末に平
   均粒径１〜５ｍｍの非球状セラミックス粉末を５５〜８
   ０体積％の割合で分散し焼結されてなることを特徴とす
   る耐熱支持部材。
2. （２）前記下部構造を構成する金属の一部をセラミック
   スで置換し、この置換率を平均８０体積％以下に設定し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の耐熱支
   持部材。