JPH11293376A

JPH11293376A - 加熱炉炉床部材用Ｃｒ基合金

Info

Publication number: JPH11293376A
Application number: JP10246398A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Ichinose; 一仁一之瀬; Koichi Yamagishi; 浩一山岸; Yoshiaki Ito; 嘉朗伊藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳造性、並びに１３００℃以上における高温
圧縮強度、耐クリープ性および耐酸化性に優れた加熱炉
炉床部材用Ｃｒ基合金を提供する。【解決手段】Ｃｒを５０〜９０重量％、Ａｌ、Ｓｉ、
Ｌａ、ＹおよびＣｅからなる群から選ばれた少なくとも
１種を３重量％以下含み、残部が実質的にＮｉからな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱炉炉床部材用
に好適なＣｒ基合金に関し、より詳しくは、鋳造性、並
びに１３００℃以上における高温圧縮強度、耐クリープ
性および耐酸化性に優れた加熱炉炉床部材用Ｃｒ基合金
に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間圧延、熱間鍛造などの熱間塑性加工
を行うため、スラブやビレットのような鋼片などに大気
中で加熱処理を行う。加熱処理の際、被加熱材を加熱炉
の端から装入し、炉内移送中に所要温度で加熱して、他
端から抽出する。被加熱材は、駆動する水冷可動レール
に担持しながら移送される。水冷可動レールには、水冷
スキッドパイプの周面頂部に、スキッドパイプ軸方向に
一定間隔をおいて、スキッドボタンが取り付けてある。
そのため、スキッドボタンは、酸化性雰囲気で、被加熱
材から種々の荷重を受ける。

【０００３】このようなわけでスキッドボタンなどの加
熱炉炉床部材には、耐久性および安定性、具体的には高
温圧縮強度、耐クリープ性および耐酸化性といった特性
の優れた材料が要求される。ここで、高温圧縮強度およ
び耐クリープ性は、高温において受ける荷重に対する変
形抵抗を意味し、高温圧縮強度は高温における一定の圧
縮力に対する変形速度を指標とし、耐クリープ性は高温
における一定の引張力による変形（伸び）のため破断に
至るまでの時間を指標とする。また、耐酸化性は高温の
酸化性雰囲気に対する酸化抵抗を意味し、高温大気中に
おける酸化速度を指標とする。

【０００４】ところで、上記においてスキッドパイプを
水冷するのは、加熱炉内の熱影響を緩和して、変形抵抗
を保持させるとともに、表面の酸化損傷を防止するため
である。スキッドパイプを水冷するため、スキッドボタ
ンに担持される被加熱材は、スキッドボタンとの接触面
を介して局部冷却され、スキッドマークと呼ばれる低温
部がそこに発生する。このスキッドマークは、製品寸
法、表面性状、加熱炉燃料コスト、生産性などに悪影響
を及ぼすので、スキッドマークの低減は加熱炉の重要課
題の一つである。

【０００５】しかるに、近年では、加熱炉操業効率の向
上などを目的として加熱炉内温度が１３００℃以上の高
温操業が一般化し、そのために加熱炉炉床部材に対する
加熱炉内の熱影響がより厳しくなっている。これに対し
て上記スキッドパイプの水冷をさらに強化することは、
上記スキッドマーク低減という重要課題をさらに難しく
することになり、好ましくない。つまり、上記高温圧縮
強度、耐クリープ性および耐酸化性といった加熱炉炉床
部材の特性に対する要求がより厳しくなっている。

【０００６】従来、加熱炉炉床部材には、Ｃｒ、Ｃｏお
よびＮｉを含む合金鋼（例えば、２７Ｃｒ−４０Ｃｏ−
１７Ｎｉ−Ｆｅ、３０Ｃｒ−１０Ｃｏ−２５Ｎｉ−Ｆｅ
など）が使用されてきた。しかし、上記合金鋼は、上記
特性がよくない。なお、上記例示において、元素記号の
前の数は該元素の含有量（重量％）を示す。

【０００７】そこで、セラミックスの使用も検討される
ようになっている。しかし、セラミックスは、高温圧縮
強度および耐酸化性は非常に優れているが、高価格とい
う問題を抱えているので、広く実用されるまでには至っ
ていない。

【０００８】このようなわけで、最近では、高温圧縮強
度および耐クリープ性が最も優れているＣｒを非常に多
く含むＣｒ基合金が開発されている。そしてこのＣｒ基
合金の中には、セラミックスに匹敵する高温圧縮強度を
有するものもある。しかし、上記Ｃｒ基合金は、Ｃｒの
延性脆性遷移温度が高いために、溶解後鋳造した際に、
鋳造割れを起しやすい。つまり、鋳造性が悪い（生産性
が悪い）。また、耐酸化性が最も悪いＣｒを非常に多く
含むので、耐酸化性についても使用中酸化による消耗が
著しい。従って、上記Ｃｒ基合金には、コスト面および
特性面で改善すべき余地がまだ多く残っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
事情に鑑み、鋳造性、並びに１３００℃以上における高
温圧縮強度、耐クリープ性および耐酸化性に優れた加熱
炉炉床部材用Ｃｒ基合金を提供することにある。なお、
以下では、１３００℃以上における高温圧縮強度、耐ク
リープ性および耐酸化性を、それぞれ圧縮強度、耐クリ
ープ性、耐酸化性と単にいう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、Ｃｒを５０〜９０重量％、Ａｌ、Ｓｉ、
Ｙ、ＬａおよびＣｅからなる群から選ばれた少なくとも
１種を３重量％以下含み、残部がＮｉおよび不可避不純
物からなる加熱炉炉床部材用Ｃｒ基合金である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明において、Ｎｉは、Ｃｒの
鋳造性および耐酸化性を改善する。それは、Ｎｉが、
（１）Ｃｒの延性脆性遷移温度を下げる、（２）Ｃｏや
Ｆｅのような添加元素が脆いσ相（金属間化合物）を生
成させるのと違って、（α＋γ）二相組織とし、σ相析
出に起因する脆化を防ぐ、（３）蒸気圧の高いＣｒ酸化
物被膜の形成を抑制し、母材との密着性が非常に良好な
Ｎｉ酸化物被膜を形成するからである。

【００１２】Ｃｒ含有量が５０重量％未満では、Ｎｉ含
有量が多くなって耐酸化性は向上するものの、圧縮強度
および耐クリープ性の低下が著しく実用にならない。一
方、９０重量％を超えると、Ｎｉ含有量が少なくなって
上記Ｎｉの作用が十分でない。特に鋳造性が低下し、ひ
いては生産性低下・コスト高を引き起す。

【００１３】耐クリープ性は前述したように純Ｃｒが最
も優れており、一般的には純Ｃｒに合金元素を添加する
と耐クリープ性は低下する。しかし、合金元素のなかで
Ｎｉは他の合金元素に比べ耐クリープ性の低下が著しく
はなく、十分実用に耐える耐クリープ性を保持させるこ
とが可能である。

【００１４】本発明において、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌａお
よびＣｅからなる群から選ばれた少なくとも１種は、Ｃ
ｒ−Ｎｉマトリックス中に固溶して、耐酸化性を飛躍的
に向上させる。しかも、上記少なくとも１種は、これを
添加しないＣｒ−Ｎｉ二元系合金の圧縮強度および耐ク
リープ性を同等程度に保持する。つまり、圧縮強度およ
び耐クリープ性に悪影響を及ぼさない。

【００１５】本発明のＣｒ基耐熱合金を高温の大気中に
保持して酸化物被膜の形成状態を調査した結果、Ａｌ、
Ｓｉ添加の場合はＮｉ酸化物被膜の外側により強固な酸
化物被膜（Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ ）を形成し、Ｙ、Ｌ
ａ、Ｃｅ添加の場合はＮｉ酸化物被膜と母材との界面付
近にＹ、Ｌａ、Ｃｅの酸化物が濃縮していた。Ａｌ、Ｓ
ｉ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅが耐酸化性を飛躍的に向上させる原
因は、上記のことから、Ａｌ、Ｓｉによる原因と、Ｙ、
Ｌａ、Ｃｅによる原因とが相違し、それぞれ次の
（１）、（２）のように推察される。

【００１６】（１）Ａｌ、Ｓｉについては、酸素との親
和力が大きい方からＡｌ、Ｓｉ、Ｎｉの順であるため、
ＣｒやＮｉより親和力の大きいＡｌ、Ｓｉの酸化物被膜
が最外部に形成され、耐酸化性を向上させる。

【００１７】（２）Ｙ、Ｌａ、Ｃｅについては、これら
の酸化物被膜がＮｉ酸化物被膜と母材との密着性をより
向上させ、耐酸化性を向上させる。

【００１８】Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、ＬａおよびＣｅからなる
群から選ばれた少なくとも１種が３重量％を超えると、
固溶限を超えた該少なくとも１種が耐酸化性の悪い化合
物として晶出するか、あるいは固溶していても均一な酸
化物被膜を形成しにくいために、耐酸化性が低下してし
まう。上記少なくとも１種は、耐酸化性を十分向上させ
るように０．１重量％以上添加するのが好ましい。

【００１９】

【実施例】［実施例１〜１０、比較例１〜６、従来例
１］高周波溶解炉で大気中で溶製した溶湯を砂型鋳型に
鋳造することにより、種々の組成を有するＣｒ基合金
（実施例、比較例）および合金鋼（従来例）を調製し
た。これらのＣｒ基合金および合金鋼を化学組成分析に
供するとともに、鋳造性試験、高温圧縮試験、耐クリー
プ性試験および耐酸化性試験に供した。各試験方法は次
の通りである。

【００２０】（１）鋳造性試験面削した供試合金全表面の鋳造割れの有無を肉眼で観察
した。この際、全表面に鋳造割れが全く見られない場合
に「○」、少しでも見られる場合に「×」とした。

【００２１】（２）高温圧縮試験機械加工により作製した試験片（３０ｍｍ径、５０ｍｍ
長さ）を試験天秤の固定台上に置き、１３５０℃に加熱
保持した状態で３０ＭＰａの垂直加重を試験天秤に加え
た。試験時間は５０時間とした。試験後、試験片の試験
前長さ（Ｌ₀ （＝約５０ｍｍ））と試験後長さ（Ｌ）と
を測定し、次式（数１）により圧縮変形速度（Ｄ）を求
めた。

【００２２】

【数１】Ｄ（％／ｈｒ）＝２（Ｌ₀ −Ｌ）／Ｌ₀

【００２３】（３）耐クリープ性試験機械加工により作製した試験片（６ｍｍ径、８０ｍｍ長
さ）を１２００℃に加熱保持し、１０ＭＰａの引張応力
を加え、破断に至までの時間を測定した。

【００２４】（４）耐酸化性試験機械加工により作製した試験片（８ｍｍ径、５０ｍｍ長
さ）を大気中で１３５０℃で１００時間加熱保持した。
試験後、試験片表面の酸化スケールを除去して試験後の
試験片重量を測定し、試験前後の試験片重量の変化から
酸化減量（ｇ／ｍ² ／ｈｒ）を求めた。

【００２５】化学組成分析結果を表１に、その他の試験
結果（鋳造性試験結果を除く）を表２に示す。なお、鋳
造性試験結果は、すべての試験で「○」であった。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】実施例１〜１０は、従来のスキッドボタン
材料である従来例１（高Ｃｏ耐熱合金鋼）より格段に優
れた圧縮強度、耐クリープ性および耐酸化性をバランス
よく有しており、鋳造性も優れている。そして、実施例
６〜１０は、Ｃｒを同量（６０重量％）含み、Ａｌ、Ｓ
ｉ、Ｌａ、Ｙ、Ｃｅを添加していない比較例１に比べ
て、耐酸化性が著しく向上している。

【００２９】比較例２〜６は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｙ、
Ｃｅの添加量が多すぎるため、鋳造性、圧縮強度および
耐クリープ性は優れているが、耐酸化性が著しく低下し
ている。

【００３０】［実施例１１〜３７］Ｃｒの組成を５０重
量％とした以外は実施例１〜１０と同様にして試験を行
った（実施例１１〜２０）。また、Ｃｒの組成を９０重
量％とした以外は実施例１〜１０と同様にして試験を行
った（実施例２１〜３０）。さらに、Ａｌ、Ｓｉ、Ｌ
ａ、Ｙ、Ｃｅの組成を各々０．３、０．５または２重量
％から０．１重量％に変えた以外は実施例１〜７と同様
にして試験を行った（実施例３１〜３７）。

【００３１】その結果、いずれの実施例においても鋳造
性は優れていた。また、これらの実施例において、圧縮
強度、耐クリープ性および耐酸化性は、実施例１〜１０
（表２）と同程度であった。

【００３２】

【発明の効果】以上から、本発明の加熱炉炉床用Ｃｒ基
合金は、次の効果を有することが分かる。すなわち、
（１）優れた圧縮強度、耐クリープ性および耐酸化性を
バランスよく兼ね備えているので、加熱炉高温操業に十
分対応することが可能である。（２）製造の際には、溶
製が容易であるばかりでなく、鋳造割れを起こすことな
く鋳造可能である（優れた鋳造性を有する）ので、本発
明のＣｒ基合金を生産性よく安価に広く実用に供するこ
とができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｒを５０〜９０重量％、Ａｌ、Ｓｉ、
Ｙ、ＬａおよびＣｅからなる群から選ばれた少なくとも
１種を３重量％以下含み、残部がＮｉおよび不可避不純
物からなる加熱炉炉床部材用Ｃｒ基合金。
【請求項２】Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、ＬａおよびＣｅからな
る群から選ばれた少なくとも１種を０．１重量％以上含
む請求項１に記載の加熱炉炉床部材用Ｃｒ基合金。