JPH02258946A - 複合焼結合金、耐熱部材および加熱炉内鋼材支持部材 - 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、希土類酸化物粒子とＦｅ−Ｃｒ合金とからな
る均一混合組織を有する複合焼結合金、その複合焼結合
金のブロックを主部材とする耐熱部材、および加熱炉内
鋼材支持部材に関する。

〔従来の技術〕

鋼材加熱炉内の被加熱鋼材（スラブ、ビレット等）を支
持する部材、例えばウオーキングビームコンベア式加熱
炉において、第３図のように、移動ビームおよび固定ビ
ームであるスキッドパイプ（２０）に形設されるスキッ
ドボタン（１０）　　（その頂面に鋼材が担持される）
として、従来より高合金鋼（ＩＯＮ　ｉ　−２０Ｃｒ　
−Ｆ　ｅ系鋼）や高ＣＯ合金鋼（５０Ｃｏ　−２ＯＮ　
ｉ　−Ｆ　ｅ系鋼）等の耐熱合金が使用されてきた。

近時、加熱炉操業の高温化が進み、１３００″Ｃをこえ
る高温操業が一般化しつつある。このような高温操業に
おいて前記従来の耐熱合金では十分な強度を保証し難く
、鋼材荷重の繰り返しによる圧縮変形等を生じ易いとい
う問題がある。これに対するスキッドボタンの材質改善
策として、クロム炭化物、窒化けい素、アルミナ等のセ
ラミック焼結材料、またはこれらのセラミックの微細粒
子と、耐熱金属、例えば金属コバルト、ＣＯ合金（０Ｍ
Ｃｏ５０等）、または高台金ｆｉ４（０，ＩＣ−２７Ｃ
ｒ　−１７Ｎ　１−４０Ｃｏ−Ｆ　ｅ系）とを複合化し
た混合組織を有する焼結材料（複合焼結合金）の実用化
がこころみられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

セラミック焼結材料は、従来の耐熱合金では得られない
硬質・高耐摩耗性と高温強度を有しているが、靭性に乏
しいため、スキントポタンのように重量物である鋼材に
よる機械衝撃が繰り返し加わる用途では、欠け・割れ等
を生じ易いという難点がある。

他方、複合焼結合金は、セラミック粒子と金属との複合
効果によりセラミック単相焼結材の脆弱さを緩和すると
共に、耐熱金属単相材を凌ぐ高温特性を確保することを
意図したものであるが、組み合わされるセラミック粒子
と金属の材質により、１３００°Ｃをこえる高温使用環
境において、両者間に相互反応が生じ、セラミック粒子
の劣化（例えばクロム炭化物粒子の複炭化物化による耐
酸化性の低下）、あるいは金属分の組成変化に伴う材質
劣化（例えば融点降下による高温圧縮変形抵抗性の低下
）等を生じるという難点がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、１３００°
Ｃをこえる高温操炉用スキッドボタン等として有用な高
温強度、耐酸化性等にすぐれた複合焼結合金、その複合
焼結合金を主部材とする耐熱部材、および鋼材支持部材
を提供する。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、セ
ラミック粒子と基地金属とからなる複合焼結合金におい
て、基地金属が、５〜５０重量％のＦｅを含有するＦｅ
−Ｃｒ合金であり、セラミック粒子が希土類酸化物粒子
であることを特徴としている。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明の複合焼結合金の基地金属をなすＦｅ−・Ｃｒ合
金は、固溶体型合金（Ｆｅ８０重量％において液相線が
固相線と接する極小部をなし、その温度は約１５１０℃
）である。そのＦｅ−Ｃｒ合金におけるＦｅ量を５〜５
０重量％とじたのは、良好な焼結性を確保すると共に、
１３００°Ｃをこえる高温使用環境における圧縮変形抵
抗性および耐酸化性を十分なものとするためである。

すなわち、複合焼結合金の高温耐酸化性および圧縮強度
の点からは、Ｆｅ−Ｃｒ合金よりもクロム単体金属（融
点：約１８３０°Ｃ）を基地金属とする方が有利である
が、金属クロムは難焼結性であり、熱間静水圧加圧焼結
のように高加圧力下の焼結を行っても、ピンホールやク
ラック等の焼結欠陥が生じ易い、またそのためにその焼
結合金は高融点でありながら、圧縮変形抵抗性は低い。

そこで、本発明は一定量のＦｅを含むＦｅ−Ｃｒ合金を
使用することとしている。Ｆｅ−Ｃｒ合金におけるＦｅ
量の下限を５重量％（液相線温度：約１８１０°Ｃ固相
線温度：約１７７５℃）としたのはピンホール等の焼結
欠陥のない緻密性を確保するためのである。

より好ましくは１０重量％以上である。Ｆｅの増量に伴
って焼結性の向上をみるが、反面耐酸化性の低下を伴う
、このため、本発明では５０重量％を上限とし、これに
より１３００℃をこえる高温大気雰囲気炉での使用に耐
える酸化抵抗性を確保している。

またＦｅ量がこの範囲内に制限されることにより、上記
高温環境でのスキッドボタン等としての使用に耐える圧
縮変形抵抗性も確保される。

上記基地金属であるＦｅ−Ｃｒ合金に複合化される希土
類酸化物粒子は、例えばイツトリウム、ランタン、セリ
ウム、ネオジム等の酸化物、またはこれらの複酸化物等
である。その粒径は、約１〜１０μｍであってよい。

複合焼結合金における希土類酸化物粒子の割合は任意で
あり、その焼結合金の用途、要求特性に応じて決定すれ
ばよい０例えば、加熱炉内の鋼材支持部材の場合は、重
量物である鋼材の荷重に耐える十分な高温強度を確保す
るために、希土類酸化物粒子の割合を約５重量％以上と
するのがよく、より好ましくは１０重量％以上である。

もっとも、・その割合をあまり高くすると、マトリック
ス金属の占める相対的割合の減少に伴う靭性の低下傾向
をみるので、スキッドボタンの場合には、鋼材の衝撃に
よる欠けや割れ等の防止に必要な耐衝撃性を確保するた
めに、希土類酸化物粒子の割合は８０重量％までとする
のがよく、より好ましくは７０重量％を上限とする。

本発明の複合焼結合金は、希土類酸化物粉末と、Ｆｅ−
Ｃｒ合金粉末との均一な混合粉末を出発原料とし、公知
の各種焼結法、好ましくは熱間静水圧加圧焼結法を適用
することにより製造される。

焼結原料粉末混合物の調製においては、混合・粉砕の均
一性やＭＡ（メカニカル・アロイング）効果等の点から
アトライタ等の高エネルギボールミルによる混合粉砕を
行うのが好ましい。高エネルギボールミルによる混合粉
砕を行う場合には、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末に代えて、Ｆｅ
粉末とＣｒ粉末の混合物を使用することができる。

熱間静水圧加圧焼結は、原料粉末混合物を適宜の金属カ
プセル（例えば、軟鋼、炭素鋼、ステンレス鋼）に充填
し、脱気密封したうえ、温度約１０００〜１３００°Ｃ
１加圧力約１０００〜２０００ｋｇｆ／ｃ＋１に適当時
間（例えば、２〜４時間）保持することにより達成され
る。その焼結処理過程において希土類酸化物粒子とＦｅ
−Ｃｒ合金との間に、材質の変化をもたらすような反応
を生じることはない、焼結完了後の冷却は、例えば２４
時間を要して常温まで降下させるようにすればよい。

なお、焼結工程の別のプロセスとして、原料粉末混合物
をラバーに充填し冷間静水圧プレスを加えて圧粉成形体
を形成し、これに粗機械加工を施したうえ、カプセル内
に密封して熱間静水圧加圧焼結を行う方法、または粗機
械加工を加えた圧粉成形体を不活性雰囲気や水素ガス雰
囲気下に常圧焼結し、もしくは真空下に焼結する方法、
所望によりその焼結体を更に熱間静水圧加圧焼結する方
法、あるいは原料粉末混合物をホットプレスに付して焼
結する方法等を使用することもできる。

第１図は本発明の複合焼結合金からなるブロックを示し
ている。その複合焼結合金ブロック（１）を例えば加熱
炉内の鋼材支持部材であるスキッドボタンとして使用す
る場合、その部材は必ずしも全体を本発明の複合焼結合
金とする必要はなく、スキッドパイプ（２０）に当接す
る側の下半部分（１２）、すなわちスキッドバイブ（２
０）からの伝導伝熱による十分な冷却作用が及ぶ部分は
従来の耐熱合金（例えば、高Ｃｒ高Ｎｉ系合金ｗ４）と
し、その上半部分（１１）を本発明の複合焼結合金で形
成したものであってもよい、そのスキッドボタンは、上
半部分（１１）となる本発明の複合焼結合金のブロック
と、別途準備した下半部分（１２）となる耐熱合金のブ
ロックとを溶接、または固相接合等で結着する方法によ
り製作することができ、あるいは、複合焼結合金の原料
粉末もしくはその圧粉成形体を耐熱合金ブロックと共に
カプセル内に密封して熱間静水圧加圧焼結を行う方法等
による製作することもできる。

本発明の複合焼結合金は、所望により、耐熱鋼ケーシン
グで被包され、耐熱鋼ケーシングとの結合一体関係を有
する耐熱部材を構成する。第２図にその例を示す、（２
）は耐熱鋼ケーシングであり、複合焼結合金ブロック（
１）は、その頂面を除いて耐熱鋼ケーシング（２）で被
包され、その当接界面は固相接合されている。

複合焼結合金ブロック（１）を被包する耐熱鋼ケーシン
グ（２）は、複合焼結合金ブロック（１）に対する衝撃
による欠損・割れ等を防ぐための保護部材として機能す
る。そのケーシングの材料である耐熱鋼とは、本発明耐
熱部材の高温酸化環境に耐える鋼材という程の意味であ
って、例えばＳＯ５３１０，同３１０°Ｓ、同３０４．
　Ｈに、　ＨＰ、　０ＭＣｏ５０．　その他の公知の合
金鋼からの適宜選択してよい。

上記耐熱部材は、複合焼結合金ブロック（１）を形成す
るための希土類酸化物粉末とＦｅ−Ｃｒ合金粉末とから
なる焼結原料粉末混合物と、ケーシング（２）となる耐
熱鋼製カプセルとを用い熱間静水圧加圧焼結法により製
造することができる。

その場合の焼結プロセスについても、前記のように焼結
原料粉末混合物をカプセル内に充填し、脱気密封して熱
間静水圧加圧焼結に付す工程のほか、冷間静水圧加圧成
形等により圧粉成形体を形成したうえ、これを耐熱鋼製
カプセルに密封して熱間静水圧加圧焼結に付す工程等を
とることができる。

熱間静水圧加圧焼結を行ったのち、その焼結体を機械加
工に付し、頂面側のカプセル材を除去すれば、第２図に
示したように、複合焼結合金ブロック（１）と、その胴
部周囲および底面を被包する耐熱鋼ケーシング（２）と
を有する耐熱部材が得られる。その耐熱部材をスキッド
ボタンとして使用する場合は耐熱鋼ケーシング（２）を
介して溶接により簡単にスキッドパイプに取り付けるこ
とができる。

〔実施例〕

セラミック粉末と基地金属粉末を高エネルギボールミル
で混合粉砕し、その粉末混合物（セラミック粒子平均粒
径：２μｍ、金属粉末平均粒径：１０μｍ）を軟鋼製カ
プセルに充填して脱気密封したうえ、熱間静水圧加圧焼
結に付し、温度１２５０°Ｃ１加圧力１２００ｋｇｆ／
ｃｆｆｌで２時間を要して焼結を行い、その後２４時間
を要して常温まで降下させて供試焼結合金のブロック（
Φ１００Ｘ１５０Ｃｍｍ）を得た。

各供試焼結合金の成分構成を第１表に示す。表中、Ｎα
１〜６は希土類酸化物粒子と適量のＦｅを含むＦｅ−Ｃ
ｒ合金とからなる複合焼結合金である発明例、ＮａＩＯ
３〜１０３は比較例であり、Ｎｏ、１０１は希土類酸化
物粒子を金属クロムと複合化した焼結合金、Ｎα１０２
は希土類酸化物粒子を、Ｆｅ過剰のＦｅ−Ｃｒ合金と複
合化した焼結合金、Ｎα１０３は従来の代表的なスキン
トポタン材料の１つであるクロム炭化物粒子と高Ｃｏ合
金鋼（０，ＩＣ−２７Ｎｉ−１７Ｃｒ−４０Ｃｏ−Ｆｅ
）とからなる複合焼結合金の例である。

各供試焼結合金について、焼結欠陥（ピンホール等）の
検査、融点、高温圧縮強度（ａｔ、　１３５０“Ｃ）の
測定、および耐酸化性試験を行って第１表右欄に示す結
果を得た。なお、表中、「焼結欠陥」は、複合焼結合金
ブロックを径方向および軸方向に切断分割し、その切断
面を顕微鏡観察した結果を示している。また、「耐酸化
性ｊは、各供試焼結合金ブロックを１３５０°Ｃに設定
された大気雰囲気炉中に４８時間保持する酸化ＫＭ後、
酸化による表面劣化状況を肉眼観察により判定した。同
種の○マークは「酸化なし」、×マークは「酸化」を意
味している。

第１表に示したように、金属クロムと希土類酸化物粒子
からなる複合焼結合金（Ｎα１０１）は高融点を有して
はいるが、難焼結性であるため、ピンホールやクランク
等の焼結欠陥を生じており、またそのために高温圧縮強
度も低いレベルにとどまっている。

また、Ｆｅ７０重量％のＦｅ−Ｃｒ合金を用いた焼結合
金（Ｎα１０２）はピンホール等のない健全性を有して
いるが、１３００’Ｃをこえる温度域で酸化による著し
い劣化が生じている。更に、従来の代表的なスキッドボ
タン材料の１つである高Ｃｏ合金鋼とクロム炭化物セラ
ミック粒子とからなる複合焼結合金ブロック（ＮＣＬ１
０３）は、その構成材料が高融点（高Ｃｏ合金綱：約１
３８０°Ｃ＋　Ｃｒ＝Ｃ２粒子：１９５０°Ｃ）である
に拘らず、その複合焼結合金の融点は１２９０°Ｃと低
く、従って１３００’Ｃをこえる温度域での圧縮強度は
低い。

これに対し、Ｆｅ５〜５０重量％を含むＦｅ−Ｃｒ合金
を基地金属とし希土類酸化物粒子と複合化した発明例Ｎ
α１〜６は、良好な焼結性によりピンホール、クランク
等のない健全性を有していると共に、はぼ１５００’Ｃ
ないしそれ以上の高融点を有し、１３００’Ｃをこえる
高温域において高い圧縮強度を示す。また、その高温酸
化性雰囲気において品質劣化のない安定した酸化抵抗性
を有している。なお、比較例ｋ１０２　　（Ｆ　ｅ　７
０％のＦｅ−Ｃｒ合金と希土類酸化物粒子との複合焼結
合金）と、発明例のＮｏ。

５とに融点の差がないにも拘らず、発明例における高温
圧縮強度が高いレベルを有しているのは、その焼結合金
組織に生成した鉄・クロム化合物（ＦｅＣｒ）相の分散
強化作用が寄与しているものと考えられる。また、比較
例Ｎα工０３（高ＣＯ合金鋼とクロム炭化物粒子の複合
焼結合金）の融点がその焼結原料の融点に比し著しく低
下しているのは、その複合焼結合金の焼結過程で、クロ
ム炭化物粒子から高Ｃｏ合金鋼基地中への炭素の拡散に
より、基地金属の炭素濃度が増加したことによる。

〔発明の効果〕

本発明に係る複合焼結合金は、ピンホールやクランク等
のない高緻密性・健全性を有し、かつ高融点で高温域に
おいても高強度を失わず、また高温での耐酸化性を備え
ているので、これらの緒特性を要求される部材、殊に加
熱炉内のスキッドボタン等の鋼材支持部材として有用で
あり、その耐久性の向上、メンテナンスの軽減、操炉効
率の向上環の諸効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合焼結合金ブロックの例を示す断面図、第２
図は複合焼結合金ブロックと耐熱鋼ケーシングからなる
耐熱部材の例を示す断面図、第３図は加熱炉内鋼材支持
部材の例を示す断面図である。 １：複合焼結合金ブロック、２：耐熱鋼ケーシング、１
０ニスキツドボタン、２０：ビーム（スキッドバイブ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、希土類酸化物粒子と、Ｆｅ５〜５０重量％を含有す
   るＦｅ−Ｃｒ合金とからなる均一混合組織を有する焼結
   体であることを特徴とする複合焼結合金。 ２、加熱炉内の被加熱鋼材を支持する鋼材支持部材にお
   いて、少なくとも被加熱鋼材と接触する頂部側が、請求
   項１に記載の複合焼結合金からなることを特徴とする加
   熱炉内鋼材支持部材。 ３、希土類酸化物粒子と、Ｆｅ含有量５〜５０重量％の
   Ｆｅ−Ｃｒ合金との均一混合組織を有する複合焼結合金
   ブロックと、 上記複合焼結合金ブロックの頂面を除き少なくとも胴部
   周囲を被包する耐熱鋼ケーシングとを有し、上記複合焼
   結合金ブロックと、耐熱鋼ケーシングの互いの当接界面
   が固相接合されている熱間静水圧加圧焼結体であること
   を特徴とする耐熱部材。 ４、請求項３に記載の耐熱部材からなり、その複合焼結
   合金ブロックの頂面を被加熱鋼材支持面とする加熱炉用
   被加熱鋼材支持部材。