JPS5833193B2 - スキッドレ−ル耐熱台 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスラブ等の加熱に使用される加熱炉の炉床（ス
キッド）レール耐熱台に係り、被処理物を温度むらなく
均一に加熱し、被処理物の品質を向上できる新規なセラ
ミック材料製のものを提供することを目的とする。

一般に加熱炉用の炉床材については、スラブのような被
処理物を熱効率よく且つ温度むらなく均一に加熱し得る
環境を与えるもりであることが必要不可欠であり、この
ためには炉床材に断熱性のよい煉瓦のような耐火物を使
用するのが望ましいが、衝撃、圧縮強度等の安全性の問
題、又施工時の非能率的な問題より耐熱合金を使用する
のが普通である。

スラブのような被処理物を加熱する場合、その雰囲気温
度が１３００〜１３５０℃、被処理物の加熱温度が１２
５０〜１３００℃と高温に加熱され、耐熱合金の炉床レ
ールもこの温度に加熱されるが、１０００℃以上におい
ては、耐熱合金でもメタルギャップゾーンといわれる極
めて厳しい使用条件となり、従ってこのような場合、炉
床レールを水冷スキッドパイプ上に載置する水冷方式を
採用するのが通例である。

然し乍ら、この水冷方式による場合では、水冷の影響に
より炉床レールそのものの温度が雰囲気温度より低くな
る問題点があり、この温度差を小さくするために耐熱合
金の選択や炉床レールの高さを極力高めるといった設計
的改良もなされているが、なおこの温度低下の問題は十
分解決されていず、これがため熱源の効率化の面で極め
て不経済となる結果を招いていた（温度差を小さくする
ために在炉時間は延長される）。

上記問題点に鑑みて、本発明者は先に、炉床レールの上
部をセラミックのような断熱性耐熱材で形成することを
要旨とする加熱炉用水冷スキッド（特開昭５２−１４４
３０６号参照）を提案したのであるが、本発明はこの提
案に基づき特に炉床レールの用途に適合する新規な窒化
珪素系セラミック材料を開発し、これにより高温強度、
耐熱衝撃性、断熱性等に優れた窒化珪素焼結体からなる
新しいスキッドレール耐熱台を提供することに成功した
ものである。

従来、炉床レール用セラミック材料として、ＺｒＯ２系
、Ａｌ２Ｏ３系のものの使用が試験的に試みられてはい
るが、これらの材料では急速加熱等で破壊することが多
く、結局長時間安定して使用できないという欠点がある
。

一方、窒化珪素系セラミック材料はニューセラミックス
のうちでは他の酸化物や炭化物に比べ低膨張係数、高熱
伝導率を有し、熱衝撃に対し強く、高温域雰囲気でもそ
の機械的強度や硬さの低下が少なく、且つ又溶融金属に
対して極めて高い耐食性を示す特長があり、このため耐
熱材料や耐食材料、耐摩材料の用途に使用できることが
知られている。

然し乍ら、この窒化珪素は共有結合性の強い物質で、単
独組成で高密度に焼結させることは極めて困難であり、
その製造方法としては、窒化珪素粉末と珪素粉末とを混
合したものあるいは珪素粉末のみを成形後窒素ガス雰囲
気下で加熱し、珪素の窒化反応を利用して焼結する反応
焼結や、窒化珪素粉末に酸化マグネシウム、酸化アルミ
ニウム、酸化イツトリウムなどの焼結助剤を添加した成
形体を常圧下で焼結させる常圧焼結法がよく知られてい
るが、これらの製造法で得られるものは低密度で機械的
強度を必要としない耐熱材や複雑形状の成形品には利用
できるものの、炉床レール耐熱台用として使用するには
機械的強度等の安全性の面で不向きである。

又窒化珪素に前述の如き焼結助剤を添加しこれをホット
プレス焼結法により窒化珪素焼結体を造る方法も知られ
ているが、この方法では高密度高強度の成形品は得られ
るものの、焼結体に添加剤が含まれているため炉床レー
ル耐熱台の如き高温雰囲気で使用すると高温で粒界に存
在する第２相に起因して強度が著しく劣化するという欠
点があり、例えば１２００℃雰囲気では室温時の約−に
まで強度が低下し、高温下で動的に応力が作用される苛
酷な使用環境では十分なものとなり得す、矢張り炉床レ
ール耐熱台用材料としては不適である。

以上のような従来技術の問題点に鑑み、本発明はスキッ
ドレール耐熱台に使用される好適なセラミック材料を新
たに開発することに成功したものであって、本発明のス
キッドレール耐熱台は、窒化珪素粉末の表面にエチルシ
リケートを被覆し、これを黒鉛型でＮ２ガス雰囲気の下
に高温圧縮焼結してなる窒化珪素焼結体により形成して
なるを特徴とするものである。

以下本発明のスキッドレール耐熱台をその製造方法と共
に説明する。

まず、本発明に係る窒化珪素焼結体の好適な製造方法を
下記に示す。

（Ｉ） 原料粉末としては、９９（重量）咎以上の高
純度微粉末窒化珪素を用いる。

（ｎ） 窒化珪素粉末の表面に、エチルシリケートを
Ｓｉ分として１〜１０重量饅重量別量で均一に被覆する
。

（Ｉ） エチルシリケートを被覆した窒化珪素粉末を
、窒素ガス雰囲気で１７００〜１８００℃の焼成温度に
高温縮焼結する。

上記方法によって、目的とする高密度窒化珪素焼結体が
得られるのであるが、この理由は主として、窒化珪素（
Ｓ ｉ３Ｎ４ ）粉末の表面に均一に被覆されたエチル
シリケートの珪素が黒鉛型から発生するＣｏｘガスと高
温圧縮炉内雰囲気のＮ２ガスの反応によりＳ ｉ３ Ｎ
４系の粒界相を形成すると共に、Ｓｉ３Ｎ４粒子間の結
合を促進させＳｉ３Ｎ４単−相の焼結体を構成するから
であると考えられる。

上記製造方法では、原料粉末として好ましくは９９％以
上の高純度窒化珪素粉末を用いるのであるが、これは窒
化珪素粉末中に不純物があると高温焼成時にそれが蒸発
し気孔の原因となったり、低融点の液相を形成するなど
して焼結体の高温特性を著しく劣化させるためであり、
それゆえ原料粉末は高純度である程望ましい。

又原料粉末はその表面張力が犬である方がよく、このた
め粒度３５０メツシユ以下の微粉末を使用するのが望ま
しい。

なお、エチルシリケートとは、下記の如き構造式に表わ
されるもので、 単量体 この他、上記単量体が４〜６個直鎖状または分岐状に数
分子線合体構造をしている。

このエチルシリケートは通常無色透明の油状液体である
。

次に、上記の窒化珪素焼結体からなる本発明のスキッド
レール耐熱台の効果を明らかにするため※※その材料特
性を具体的実施例を挙げて説明する。

実施例 １ ３５０メツシユ以下の微粒子から成り、且つ純度９９．
９斜、α相含有量５０％の窒化珪素粉末粒子表面に、水
とアルコールで希釈し、且つ又触媒として希塩酸を混入
したエチルシリケートを、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に対
して種々添加量を変更して配合被覆し、これらを黒鉛型
を用いて１７００℃、１７５０℃の各焼成温度で、圧力
２００ｋｙ／−１焼結時間６０分、Ｎ２雰囲気の条件の
下に５０Ｘ５０Ｘ５５ｍｍの焼結体を得た。

次いでこれら各焼結体試料をダイヤモンド砥石で切断後
研削して、各５個の５Ｘ８Ｘ２４ｍｍの試験片を作成し
、各種試験に供した結果、第１表の測定値を得た。

なお表中、エチルシリケートの添加量はそのシリコン量
で示されている。

実施例 ２ 第２表に示す窒化珪素粉末原料を用い、各原料粉末表面
に、水とアルコールで希釈し、且つ又触媒として希塩酸
を混入したエチルシリケートを、窒化珪素に対して表記
の如く配合被覆し、これらを黒鉛型を用いて１７００℃
の焼成温度、圧力２００ ｋｇ／ｃｒｉｔ、焼結時間６
０分、の条件下に５０Ｘ５０Ｘ３５ｍｍの焼結体を得た
。

次いでこれら各焼結体試料をダイヤモンド砥石で切断後
研削して、各５個の５Ｘ８Ｘ２４ｍｍの試験片を作威し
、各種試験に供した結果、第２表の測定値を得た。

実施例 ３ 実施例１における１７００℃の温度で焼結した試料／ｉ
６７から採取した５Ｘ８Ｘ２４７Ｗ７１１の試験片に、
＃２００ダイヤモンド砥石で表面研削を行い、試験片を
作製した。

この試験片を常温から１４０１※℃で大気雰囲気中に曲
げ強さを測定し、第３表の結果を得た。

なお、第３表中試料４１５、試料屑１６で示すものは比
較例であり、／１６１５は市販品で窒化珪素に酸化マグ
ネシウムが添加されたホットプレス品、／／６１６は反
応焼結晶の場合である。

実施例 ４ 実施例１の試料／１６．７から採取された試験片（５ｘ
５Ｘ２５ｍｍ）を、１気圧アルゴンガス雰囲気中１２０
０℃で静的クリープ試験に供した。

この結果を添附図面に示す。

実施例 ５ ホットプレス法により、Ｚ ｒ０２ （ＭｇＯで部分安
定化したもの）、Ａ７２０． （０，５重量係ＭｇＯ添
加したもの）及びＡ１２０３−１０φＢＮの各々につい
て、いずれも理論密度の９８φ以上となる焼結体試料を
作製し、これら各試料並びに実施例１の試料／Ｉ６．７
をダイヤモンド砥石にて５０Ｘ５０Ｘ１５關に成形加工
し、各板状試験片の中央部に大気雰囲気中でガスフレー
ム（約１２００°Ｃ）を当てて急熱し、その状態を観察
した結果、第４表の結果が認められた。

実施例 ６ 実施例１の試料／１６．７から採取した試験片（３０Ｘ
３０Ｘ５ｍｍ）に酸化鉄圧粉体（１０ｍｍＸ１５ψ）を
載置し、更にその圧粉体に６８ｇ／−の圧力を加え窒素
雰囲気中にて１０００℃に加熱し５時間保持した後、冷
却して試験片を観察した結果では、試験片と酸化鉄間に
は何ら反応は認められず簡単に剥離することが出来た。

以上の実施例結果から次のことが確認される。

本発明に係る窒化珪素焼結体、即ち窒化珪素粉末にエチ
ルシリケートを被覆して焼結したものでは、１７００°
Ｃと窒化珪素の焼結温度として比較的低温で焼結し得る
ものであるにも拘らず、無添加のもの（試料陥１）と比
較すると曲げ強さ等の特性が著しく向上されており、高
温域での強度も第３表に見るようにその低下率が小さく
、スキッドレール耐熱台用材料として強度面から十分満
足されるものであることが判る。

又第１表に見るように、エチルシリケートの添加量はＳ
ｉ分として１重量係以上は必要であるが、多くなり過ぎ
て１５重量φ以上になると曲げ強さが低下し、それ以上
３０％重量にも達すると、更に著しく低下する。

この原因として考えられるのは、エチルシリケートが多
量過ぎると焼結時にエチレンシリケートのＳｉが窒化珪
素に完全になりきれず、一部シリコンオキサイド・ナイ
トライド（Ｓ ｉ ２ ＯＮ２ ）相となって存在する
ことである。

本発明に係る窒化珪素焼結体は前述の如く高温域でも大
きな強度を具備するものであるが、実施例５に見るよう
に、耐熱衝撃性に優れた他の従来セラミック材料よりも
更に良好な耐熱衝撃性を備えたものであり、このためス
キッドレール耐熱台として使用しても特別に冷却する必
要がなく、加熱炉内での急熱急冷に十分耐え得る。

又実施例６に見るように、本島では高温状態においても
酸化鉄との間に全く反応が認められず、現在スキッドレ
ール用耐熱台として用いられている耐熱鋼に比較すると
、鋼素材との間の反応性が非常に少ないという利点があ
る。

以上その製造方法と共に詳細に説明した如く、本発明の
窒化珪素焼結体より形成したスキッドレール耐熱台では
、今日使用されている耐熱鋼や他のセラミック材料に比
較して高温での強度低下が小さく、同時に又耐熱衝撃性
にも優れているため急速加熱等で破壊することもなく長
期安定して使用できるものであり、更には被処理物との
反応性も少なく、断熱性に富むため熱源の効率化の面か
らも効果があり、しかも例えば１７００’Ｃといった比
較的低温での焼結によって形成されるという製造容易な
効果も得られるのである。

【図面の簡単な説明】

添附図は本発明に係る窒化珪素焼結体（−例として試料
涜７）についての１２００°Ｃにおけるクリープ試験結
果を表わすグラフ図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒化珪素粉末の表面にエチルシリケートを被覆し、
   これを黒鉛型でＮ２ガス雰囲気の下に高温圧縮焼結して
   なる窒化珪素焼結体により形成してなるを特徴とするス
   キッドレール耐熱台。