WO2022230846A1 - 耐熱構造体及び熱処理炉用部材 - Google Patents

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WO2022230846A1
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resistant structure
composite
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pipe
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博充 岡下
孝之 多田
洋 町野
利治 平岡
安典 村木
勝 嘉地
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大和田カーボン工業株式会社
東洋炭素株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat-resistant structure and a heat treatment furnace member using the heat-resistant structure.
  • metal materials are widely used for heat treatment furnace members.
  • metal bars are heavy and have the problem of being easily deformed by heat when used at high temperatures. Therefore, it is necessary to modify the deformed bar after use. Therefore, as an alternative to such a metal bar, a bar in which a carbon fiber reinforced carbon composite material (C/C composite) is arranged inside a metal pipe has been studied.
  • C/C composite carbon fiber reinforced carbon composite material
  • Patent Document 1 discloses a heat-resistant structural member made of a heat-resistant metal material and a carbon/carbon material.
  • Patent Document 1 describes that a heat-resistant metal material constitutes a shell structure of the outer shell, and a carbon/carbon material constitutes a core member enclosed inside the shell structure of the outer shell.
  • Patent Document 1 describes that the shell structure of the outer shell is characterized by enclosing helium gas.
  • Patent Document 2 discloses that in a structure similar to that of Patent Document 1, a reducing agent that reduces at least water and/or carbon oxide is enclosed in the shell structure of the outer shell. Have been described.
  • An object of the present invention is to provide a heat-resistant structure that can be easily manufactured, has excellent mechanical properties in a high-temperature environment, and is resistant to thermal deformation, and a heat-treating furnace member using the heat-resistant structure. It is in.
  • a heat-resistant structure according to the present invention comprises a core material composed of a plurality of C/C composite members, and a shell material covering at least part of the surface of the core material and made of metal. It is characterized by comprising
  • the core material is a laminate of the plurality of C/C composite members.
  • the shape of the C/C composite member is a substantially rectangular plate shape.
  • the C/C composite member is preferably a two-way C/C composite member.
  • the direction in which the longest side in the cross section along the width direction of the C/C composite member extends is substantially the same as the direction in which the load is applied. It is preferably arranged.
  • the plurality of C/C composite members are laminated in a direction substantially perpendicular to the direction in which the load is applied.
  • the shell material is a pipe made of metal, and the pipe is filled with the plurality of C/C composite members.
  • the cross-sectional shape of the pipe is substantially polygonal.
  • the cross-sectional shape of the pipe may be substantially circular.
  • the wall thickness of the pipe is preferably 0.1 mm or more and 3 mm or less.
  • the filling rate of the C/C composite member in the pipe is 70% or more.
  • the shell material partially covers the surface of the core material.
  • the heat resistant structure is preferably used in a non-oxidizing atmosphere.
  • a member for a heat treatment furnace according to the present invention is characterized by comprising a heat-resistant structure constructed according to the present invention.
  • a heat-resistant structure that can be easily manufactured, has excellent mechanical properties in a high-temperature environment, and is resistant to thermal deformation, and a heat-treating furnace member using the heat-resistant structure. can be done.
  • FIG. 1(a) is a schematic cross-sectional view along the length direction of a heat-resistant structure according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1(b) is a schematic cross-sectional view according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a first modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view along the length direction of a heat resistant structure according to a second modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a first modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view along the length direction of a heat resistant structure according to
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat resistant structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the lengths L1 and L2 in the heat resistant structure according to the third embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing a heat resistant structure according to a fifth embodiment of the invention.
  • 9 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 1.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 4.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 8.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 9.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 10.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Example 11.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view along the width direction of the heat-resistant structure produced in Reference Example 1.
  • FIG. 1(a) is a schematic cross-sectional view along the length direction of the heat-resistant structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG.1(b) is typical sectional drawing along the width direction of the heat resistant structure which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • the length direction of the heat resistant structure 1 is the Z direction shown in FIGS. 1(a) and 1(b).
  • the width direction of the heat resistant structure 1 is the Y direction shown in FIGS.
  • the heat-resistant structure 1 includes a core material 2 and a shell material 3.
  • the shell material 3 covers the surface 2 a of the core material 2 .
  • the shell material 3 is a metal pipe.
  • a core material 2 composed of four C/C composite members 4 is filled inside the shell material 3 .
  • the heat-resistant structure 1, which is a bar for a heat treatment furnace is configured.
  • C/C composite means a carbon fiber reinforced carbon composite material.
  • the C/C composite member 4 a two-direction C/C composite (2DC/C composite) member having a two-dimensional structure is used.
  • the load when applying a load to the heat-resistant structure 1, the load is applied from the direction of the arrow O shown in FIG. 1(b). Therefore, in this embodiment, the direction in which the load is applied is the X direction shown in FIGS. 1(a) and 1(b).
  • each of the C/C composite members 4 forming the core member 2 has a substantially rectangular plate shape.
  • Each C/C composite member 4 is arranged so that the direction in which the longest side 4a of the C/C composite member 4 extends in the cross section along the width direction Y is substantially the same as the X direction in which the load is applied.
  • the fiber direction of the C/C composite member 4 is also arranged so as to be substantially the same as the X direction in which the load is applied.
  • each C/C composite member 4 is laminated along the Y direction which is substantially perpendicular to the X direction in which the load is applied.
  • the core material 2 is configured in the present embodiment.
  • the substantially same direction includes not only the completely same direction, but also a range inclined ⁇ 5° with respect to the same direction.
  • the substantially orthogonal direction includes not only a completely orthogonal direction but also a range inclined by ⁇ 5° with respect to the orthogonal direction.
  • the core material 2 composed of the C/C composite member 4 is provided inside the shell material 3, which is a metal pipe.
  • the mechanical properties of the body 1 in a high-temperature environment can be enhanced, and thermal deformation can be made difficult to occur.
  • a plurality of C/C composite members 4 can be arranged inside the shell material 3, the thickness of each C/C composite member 4 can be reduced. Since the heat-resistant structure 1 can be manufactured simply by arranging such a plurality of C/C composite members 4 inside the shell material 3, manufacturing is easy and productivity can be improved. Moreover, since a thin C/C composite member 4 can be used, the manufacturing cost can be reduced.
  • the cross-sectional shape of the metal pipe forming the shell material 3 is substantially square.
  • the cross-sectional shape of the shell material 3 is not particularly limited, and may be substantially polygonal or substantially circular.
  • the cross-sectional shape of a metal pipe is substantially rectangular shape including rectangular shape. In this case, the filling rate of the C/C composite member 4 can be further increased.
  • the thickness of the shell material 3 is not particularly limited, it is preferably 0.1 mm or more and preferably 3 mm or less. When the thickness of the shell material 3 is within the above range, the wear resistance against members such as other metals can be further enhanced.
  • the material of the shell material 3 is not particularly limited, for example, SUS can be used.
  • a metal material that hardly reacts with SUS or carbon and is used for heat treatment may be used.
  • Such a metal material is not particularly limited, and for example, STKMR (square steel pipe for mechanical structure), STPG (carbon steel pipe for pressure piping), etc. can be used.
  • the heat-resistant structure 1 of this embodiment four C/C composite members 4 are arranged inside the shell material 3 .
  • the number of C/C composite members 4 arranged inside the shell material 3 is not particularly limited, and can be appropriately determined according to the thickness of the C/C composite members 4 .
  • the number of C/C composite members 4 arranged inside the shell material 3 is preferably 2 or more, more preferably 3 or more, and preferably 6 or less, more preferably 5 or less. can.
  • the filling rate of the C/C composite member 4 arranged inside the shell material 3 is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more. In this case, the mechanical properties in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the filling rate of the C/C composite member 4 arranged inside the shell material 3 may be 100%.
  • each C/C composite member 4 is the same.
  • the thickness b of the C/C composite member 4 is not particularly limited, but can be, for example, 0.5 mm or more and 12 mm or less.
  • the thicknesses of the C/C composite members 4A and 4B may be different.
  • the two central C/C composite members 4A are thicker than the four end-side C/C composite members 4B.
  • the entire surface 2a of the core material 2 along the length direction Z is covered with the shell material 3, as shown in FIG. 1(a).
  • the end faces 2b and 2c are not covered with the shell material 3. As shown in FIG. Therefore, since the generated air escapes to the outside, the risk of explosion or the like can be further reduced.
  • the shell material 3 may be partly hollowed out, and the shell material 3 may be arranged only at the worn portion. In this case, the heat resistant structure 1B can be made even lighter.
  • a mark may be provided on the main surface 1a to which the load is applied.
  • Other methods for distinguishing the main surface 1a to which the load is applied may include processing pin holes, adjusting the direction of the welded portion, processing the metal pipe and the C/C composite member 4, and providing a mark. In this case, the usage direction can be further clarified, and workability can be further improved.
  • a commercially available C/C composite member 4 can be used as the C/C composite member 4 forming the core material 2 .
  • the C/C composite member 4 may be manufactured and used by the following method.
  • carbon fibers are impregnated with a thermosetting resin composition and molded to obtain a molded body.
  • the carbon fiber for example, polyacrylonitrile-based carbon fiber (PAN-based carbon fiber) or pitch-based carbon fiber can be used.
  • PAN-based carbon fiber polyacrylonitrile-based carbon fiber
  • pitch-based carbon fiber it is preferable to use carbon fibers aligned in two directions and form a 2DC/C composite.
  • the thermosetting resin composition may be composed of only a thermosetting resin, or may contain a thermosetting resin and an additive.
  • the thermosetting resin composition may contain pitch.
  • the molded body is preferably molded by pultrusion. In this case, it is easier to align the carbon fibers in one direction, and a molded article with a higher carbon fiber volume content can be obtained.
  • the shape of the molded body is not particularly limited, but may be, for example, a flat plate shape, a square bar shape, or a round bar shape.
  • the 2DC/C composite may be obtained by arranging prepregs in which carbon fiber tows are impregnated with a thermosetting resin such as phenolic resin and molding them with a mold.
  • the molded body is baked to carbonize the thermosetting resin composition and obtain a 2DC/C composite.
  • the firing process be carried out under a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere in order to prevent oxidation of the 2DC/C composite during normal production.
  • a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere
  • the firing temperature is not particularly limited, but can be, for example, 700°C or higher and 1300°C or lower.
  • the firing time is not particularly limited, but for example, the maximum temperature holding time can be 30 minutes or more and 600 minutes or less.
  • the pitch impregnation/calcination process may be repeated to obtain a 2DC/C composite with a higher density.
  • the pitch impregnation/firing step can be repeated, for example, once or more and 10 times or less.
  • the present invention may further comprise a densification step of densifying at least part of the open pores in the 2DC/C composite. In this case, oil penetration and oxidative consumption can be further suppressed.
  • the densification process for example, a process of impregnating the open pores of the 2DC/C composite with pitch or a thermosetting resin and carbonizing can be used.
  • the densification step may be a step of applying CVI treatment.
  • the densification step may be a step of impregnating the open pores of the 2DC/C composite with molten silicon to form silicon carbide.
  • the densification step may be a step of impregnating the open pores of the 2DC/C composite with aluminum phosphate and heat-treating.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a second embodiment of the present invention.
  • four C/C composite members 24A to 24D are arranged in the shell material 3.
  • Each of the C/C composite members 24A-24D has the same size and a substantially square cross-sectional shape.
  • 2DC/C composite members 24A and 24C whose fiber direction is substantially the same as the X direction in which the load is applied, and 2DC/C composite members 24B and 24D whose fiber direction is substantially orthogonal to the X direction in which the load is applied are provided. They are arranged side by side. Other points are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat resistant structure according to the third embodiment of the present invention.
  • C/C composite members 34A to 34E are arranged inside the shell material 3.
  • four substantially rectangular C/C composite members 34B to 34E are arranged so as to surround one substantially square C/C composite member 34A in cross section.
  • Y-direction C/C composite members 34C and 34E are arranged adjacent to each other. Other points are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view along the width direction of a heat-resistant structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • each C/C composite member 44 is arranged so that the direction in which the longest side extends and the fiber direction are in the Y direction substantially orthogonal to the X direction in which the load is applied. Other points are the same as in the first embodiment.
  • the position of each C/C composite member within the shell material is not particularly limited in the present invention.
  • the core material made of the C/C composite member is provided inside the shell material, which is a metal pipe, the mechanical properties of the heat-resistant structure can be improved in a high-temperature environment. It is possible to make it difficult to cause thermal deformation.
  • the thickness of each C/C composite member can be reduced.
  • the heat-resistant structure can be manufactured simply by arranging a plurality of such C/C composite members inside the shell member, so manufacturing is easy and productivity can be improved. Also, since a thin C/C composite member can be used, the manufacturing cost can be reduced.
  • the direction in which the longest side a extends is substantially the same as the X direction in which the load is applied.
  • the mechanical properties of the heat-resistant structure 1 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the ratio (L1/L2) to the length L2 along the X direction where the load is applied on the surface is preferably 0.5 or more, more preferably 0.75 or more, and still more preferably 1.
  • the mechanical properties of the heat-resistant structure 31 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the length L1 is the length of the C/C composite members 34B and 34D having the longest length along the X direction to which the load is applied, among the five C/C composite members 34A to 34E forming the heat-resistant structure 31. It shall be assumed.
  • the ratio (L1/L2) is, for example, 1 in the first embodiment shown in FIGS. 1(a) and 1(b) and 0.5 in the second embodiment shown in FIG.
  • the ratio (S1/S2) between the area S1 in which the C/C composite members 34B and 34D having the length L1 are arranged and the area S2 of the entire main surface 1a to which the load is applied is preferably It is 0.5 or more, more preferably 0.75 or more, and still more preferably 1.
  • the mechanical properties of the heat-resistant structure 31 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the length is L3, and the ratio (L3/L2) is It is preferably 0.25 or more, more preferably 0.5 or more, and preferably 0.75 or less.
  • the mechanical properties of the heat-resistant structure 31 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the ratio (S3/S2) between the area S3 in which the C/C composite member 34A having the length L3 is arranged and the area S2 of the entire main surface 1a to which the load is applied is preferably 0.5. 5 or more, preferably 1 or less.
  • the mechanical properties of the heat-resistant structure 31 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • the C/C composite members 24A to 24D are fixed together by adhesive, pins, or screws. You may also, both ends of the shell material 3 may be welded so as not to be completely sealed, and both ends of the C/C composite members 24A to 24D may be fixed. In this case, the mechanical properties of the heat-resistant structure 21 in a high-temperature environment can be further enhanced, and thermal deformation can be made more difficult to occur.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing a heat resistant structure according to a fifth embodiment of the invention.
  • the heat resistant structure 51 is a heat treatment furnace basket.
  • the heat-resistant structure 51 is constructed by filling the inside of the shell material 3 with the core material 2 composed of four C/C composite members 4 in the same manner as the heat-resistant structure 1 of the first embodiment. ing.
  • the heat-resistant structure 51 since the core material made of the C/C composite member is provided inside the shell material which is a metal pipe, the mechanical properties of the heat-resistant structure 51 in a high-temperature environment are enhanced. This makes it difficult for thermal deformation to occur. Also, since a plurality of C/C composite members can be arranged inside the shell material, the thickness of each C/C composite member can be reduced. The heat-resistant structure 51 can be manufactured simply by arranging a plurality of such C/C composite members inside the shell material, so that manufacturing is easy and productivity can be improved. Also, since a thin C/C composite member can be used, the manufacturing cost can be reduced.
  • the heat resistant structure of the present invention can be suitably used as heat treatment members such as heat treatment furnace bars, heat treatment furnace trays, and heat treatment furnace baskets.
  • Example 1 a heat-resistant structure 61 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 9 was produced. Specifically, a 1 mm thick SUS square pipe (19 mm ⁇ 19 mm ⁇ 700 mm) is used as the shell material 3, and two 2DC/C composite members 64 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) are placed inside the SUS square pipe. , product number “CX-761”, a square bar (17 mm ⁇ 8.5 mm ⁇ 700 mm)) was inserted to obtain a heat-resistant structure 61 . In addition, let the direction of load be the direction shown by arrow O of drawing.
  • Example 2 a heat-resistant structure 1 (bar for heat treatment furnace) having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, four 2DC/C composite members 4 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm )) was inserted to obtain a heat-resistant structure 1.
  • 2DC/C composite members 4 manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm
  • Example 3 a heat-resistant structure 1A (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 2 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, two 2DC/C composite members 4A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm )) and four 2DC/C composite members 4B (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 2.125 mm ⁇ 700 mm)) were inserted to obtain a heat-resistant structure 1A. .
  • Example 4 a heat-resistant structure 71 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 10 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, eight 2DC/C composite members 74 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 2.125 mm ⁇ 700 mm )) was inserted to obtain a heat-resistant structure 71 .
  • 2DC/C composite members 74 manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 2.125 mm ⁇ 700 mm
  • Example 5 a heat-resistant structure 31 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 5 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, one 2DC/C composite member 34A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 8.5 mm ⁇ 700 mm)) and four 2DC/C composite members 34B to 34E (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (12.75 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm)) are inserted and heat-resistant A structure 31 was obtained.
  • 2DC/C composite member 34A manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 8.5 mm ⁇ 700 mm)
  • 2DC/C composite members 34B to 34E manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “
  • Example 6 a heat-resistant structure 41 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 6 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, two 2DC/C composite members 44 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 8.5 mm ⁇ 700 mm )) was inserted to obtain a heat-resistant structure 41 .
  • Example 7 a heat-resistant structure 21 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 4 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, four 2DC/C composite members 24A to 24D (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 8 .5 mm ⁇ 700 mm)) was inserted to obtain a heat-resistant structure 21 .
  • 2DC/C composite members 24A to 24D manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 8 .5 mm ⁇ 700 mm)
  • Example 8 a heat-resistant structure 81 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 11 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, eight 2DC/C composite members 84 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm)) was inserted to obtain a heat-resistant structure 81 .
  • 2DC/C composite members 84 manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm)
  • Example 9 a heat-resistant structure 91 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 12 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, two 2DC/C composite members 94A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm )) and four 2DC/C composite members 94B (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm)) are inserted, and the heat-resistant structure 91 is inserted. Obtained.
  • Example 10 a heat-resistant structure 101 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 13 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, two 2DC/C composite members 104A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm )) and four 2DC/C composite members 104B (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm)) are inserted, and the heat-resistant structure 101 is inserted. Obtained.
  • two 2DC/C composite members 104A manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm
  • 2DC/C composite members 104B manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number
  • Example 11 a heat-resistant structure 111 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 14 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, two 2DC/C composite members 114A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 4.25 mm ⁇ 700 mm )) and four 2DC/C composite members 114B (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (8.5 mm ⁇ 2.125 mm ⁇ 700 mm)) are inserted, and the heat-resistant structure 111 is inserted. Obtained.
  • Reference Example 1 a heat-resistant structure 121 (bar for heat treatment furnace) having a cross-sectional structure shown in FIG. 15 was produced. Specifically, inside the same SUS square pipe as in Example 1, one 2DC/C composite member 124 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 17 mm ⁇ 700 mm)) was inserted to obtain a heat resistant structure 121 .
  • 2DC/C composite member 124 manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., product number “CX-761”, square bar (17 mm ⁇ 17 mm ⁇ 700 mm
  • Comparative example 1 In Comparative Example 1, a SUS square bar (19 mm ⁇ 19 mm ⁇ 700 mm) in which no 2DC/C composite member was inserted was used.
  • Example 1 the length L1 of the longest side along the X direction to which the load is applied in the C/C composite member and the length L2 along the X direction to which the load is applied on the inner peripheral surface of the shell material The ratio (L1/L2) is also shown. Further, in Examples 5, 9 to 11, the length L3 of the second longest side along the X direction to which the load is applied in the C/C composite member and the length along the X direction to which the load is applied on the inner peripheral surface of the shell material The ratio (L3/L2) to the height L2 is also shown.
  • the heat-resistant structures obtained in Examples 1 to 11 have excellent mechanical properties in a high-temperature environment and are less prone to thermal deformation than the SUS square bar of Comparative Example 1. I was able to confirm that. Among them, in Examples 1 to 4 in which the ratio (L1/L2) is 1, compared with Reference Example 1 in which one thick 2DC/C composite member 124 is used, mechanical properties are substantially equivalent. It was confirmed that it was obtained.

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Abstract

簡便に製造することができ、しかも高温環境下における機械的特性に優れ、熱変形が生じ難い、耐熱構造体を提供する。 複数個のC/Cコンポジット部材4により構成されている、芯材2と、芯材2の表面2aの少なくとも一部を覆っており、金属により構成されている、シェル材3と、を備える、耐熱構造体1。

Description

耐熱構造体及び熱処理炉用部材
 本発明は、耐熱構造体及び該耐熱構造体を用いた熱処理炉用部材に関する。
 従来、熱処理炉用部材には、金属製の材料が広く用いられている。しかしながら、金属製バーは、重量が重く、高温で使用すると熱変形が生じ易いという問題がある。そのため、使用後に変形したバーを修正する手直しが必要となる。そこで、このような金属製バーの代替として、金属パイプの内部に、炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)を配置したバーの検討がなされている。
 例えば、下記の特許文献1には、耐熱金属材料とカーボン/カーボン材料からなる耐熱構造部材が開示されている。特許文献1では、耐熱金属材料が外殻のシェル構造をなし、カーボン/カーボン材料が外殻のシェル構造の内部に封入された芯部材を構成する旨が記載されている。特許文献1では、外殻のシェル構造内に、ヘリュームガスを封入したことを特徴とする旨が記載されている。また、下記の特許文献2には、特許文献1と同様の構造において、外殻のシェル構造内に、少なくとも水及び/又は炭素酸化物を還元する還元剤を封入したことを特徴とする旨が記載されている。
特開2018-39708号公報 特開2017-77998号公報
 しかしながら、金属パイプの内部に、C/Cコンポジットを配置した部材においては、厚みの大きいC/Cコンポジットが必要となる場合が多い。しかしながら、C/Cコンポジットは、厚みが大きくなるほど、製造することが難しく、生産性が低いという問題がある。また、厚みの大きいC/Cコンポジットでは、製造コストが増大するという問題もある。また、厚みの大きいC/Cコンポジットを加工した後の厚みの小さい端材については廃棄することとなり環境面への問題もある。
 本発明の目的は、簡便に製造することができ、しかも高温環境下における機械的特性に優れ、熱変形が生じ難い、耐熱構造体及び該耐熱構造体を用いた熱処理炉用部材を提供することにある。
 本発明に係る耐熱構造体は、複数個のC/Cコンポジット部材により構成されている、芯材と、前記芯材の表面の少なくとも一部を覆っており、金属により構成されている、シェル材とを備えることを特徴としている。
 本発明においては、前記芯材が、前記複数個のC/Cコンポジット部材の積層体であることが好ましい。
 本発明においては、前記C/Cコンポジット部材の形状が、略矩形板状であることが好ましい。
 本発明においては、前記C/Cコンポジット部材が、2方向C/Cコンポジット部材であることが好ましい。
 本発明においては、前記耐熱構造体に荷重を加えるときに、前記C/Cコンポジット部材の幅方向に沿う断面における最も長い辺の延びる方向が、前記荷重を加える方向と略同一方向となるように配置されていることが好ましい。
 本発明においては、前記耐熱構造体に荷重を加えるときに、前記複数個のC/Cコンポジット部材が、前記荷重を加える方向と略直交する方向に積層されていることが好ましい。
 本発明においては、前記シェル材が、金属により構成されている、パイプであり、前記パイプ内に、前記複数個のC/Cコンポジット部材が充填されていることが好ましい。
 本発明においては、前記パイプの断面形状が、略多角形状であることが好ましい。
 本発明においては、前記パイプの断面形状が、略円状であってもよい。
 本発明においては、前記パイプの肉厚が、0.1mm以上、3mm以下であることが好ましい。
 本発明においては、前記パイプ内における前記C/Cコンポジット部材の充填率が、70%以上であることが好ましい。
 本発明においては、前記シェル材が、前記芯材の表面を部分的に覆っていることが好ましい。
 本発明においては、前記耐熱構造体が、非酸化雰囲気下で用いられることが好ましい。
 本発明に係る熱処理炉用部材は、本発明に従って構成される耐熱構造体を備えることを特徴としている。
 本発明によれば、簡便に製造することができ、しかも高温環境下における機械的特性に優れ、熱変形が生じ難い、耐熱構造体及び該耐熱構造体を用いた熱処理炉用部材を提供することができる。また、厚みの小さい端材の利用により地球環境面への配慮も可能となる。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る耐熱構造体の長さ方向に沿う模式的断面図であり、図1(b)は、本発明の第1の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態における第1の変形例に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図3は、本発明の第1の実施形態における第2の変形例に係る耐熱構造体の長さ方向に沿う模式的断面図である。 図4は、本発明の第2の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図5は、本発明の第3の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図6は、本発明の第4の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図7は、本発明の第3の実施形態に係る耐熱構造体における長さL1及びL2を説明するための図である。 図8は、本発明の第5の実施形態に係る耐熱構造体を示す模式的斜視図である。 図9は、実施例1で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図10は、実施例4で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図11は、実施例8で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図12は、実施例9で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図13は、実施例10で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図14は、実施例11で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。 図15は、参考例1で作製した耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。
 以下、本発明の詳細を説明する。
 (第1の実施形態)
 図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る耐熱構造体の長さ方向に沿う模式的断面図である。また、図1(b)は、本発明の第1の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。なお、耐熱構造体1の長さ方向とは、図1(a)及び(b)に示すZ方向である。耐熱構造体1の幅方向とは、図1(a)及び(b)に示すY方向である。
 図1(a)及び(b)に示すように、耐熱構造体1は、芯材2と、シェル材3とを備える。シェル材3は、芯材2の表面2aを覆っている。
 本実施形態では、シェル材3が、金属パイプである。このシェル材3の内部に、4個のC/Cコンポジット部材4からなる芯材2が充填されている。それによって、本実施形態では、熱処理炉用バーである耐熱構造体1が構成されている。なお、「C/Cコンポジット」とは、炭素繊維強化炭素複合材料のことをいう。本実施形態では、C/Cコンポジット部材4として、2次元構造を有する2方向C/Cコンポジット(2DC/Cコンポジット)部材を用いている。
 本実施形態では、耐熱構造体1に荷重を加える際に、図1(b)に示す矢印Oの方向から荷重を加えるものとする。従って、本実施形態では、荷重を加える方向が、図1(a)及び(b)に示すX方向となる。
 図1(b)に示すように、芯材2を構成するC/Cコンポジット部材4は、それぞれ、略矩形板状の形状を有している。また、幅方向Yに沿う断面において、C/Cコンポジット部材4における最も長い辺4aが延びる方向が、荷重を加えるX方向と略同一方向となるように、各C/Cコンポジット部材4が配置されている。なお、本実施形態では、C/Cコンポジット部材4の繊維方向も荷重を加えるX方向と略同一方向となるように配置されている。
 また、本実施形態では、各C/Cコンポジット部材4が、荷重を加えるX方向と略直交するY方向に沿うように積層されている。それによって、本実施形態では、芯材2が構成されている。なお、本明細書において、略同一方向とは、完全に同一方向だけでなく、同一方向に対して±5°傾いた範囲までを含むものとする。また、略直交する方向とは、完全に直交する方向だけでなく、直交する方向に対して±5°傾いた範囲までを含むものとする。
 本実施形態の耐熱構造体1では、上記のように、金属パイプであるシェル材3の内部に、C/Cコンポジット部材4により構成されている、芯材2が設けられているので、耐熱構造体1の高温環境下における機械的特性を高めることができ、熱変形を生じ難くすることができる。また、シェル材3の内部には、複数個のC/Cコンポジット部材4を配置することができるので、各C/Cコンポジット部材4の厚みを薄くすることができる。耐熱構造体1は、このような複数個のC/Cコンポジット部材4をシェル材3の内部に配置するだけで製造することができるので、製造が容易であり、生産性を高めることができる。また、厚みの薄いC/Cコンポジット部材4を用いることができるので製造コストも低減することができる。
 本実施形態において、シェル材3を構成する金属パイプの断面形状は、略正方形である。もっとも、シェル材3の断面形状は、特に限定されず、略多角形状であってもよく、略円状であってもよい。なかでも、金属パイプの断面形状は、矩形状を含む略矩形状であることが好ましい。この場合、C/Cコンポジット部材4の充填率をより一層高めることができる。
 シェル材3の肉厚は、特に限定されないが、好ましくは0.1mm以上、好ましくは3mm以下である。シェル材3の肉厚が上記範囲内にある場合、他の金属などの部材に対する耐摩耗性をより一層高めることができる。
 また、シェル材3の材料としては、特に限定されないが、例えば、SUSを用いることができる。あるいは、SUSやカーボンと反応し難く、熱処理用途として使用される金属材料を用いてもよい。このような金属材料としては、特に限定されず、例えば、STKMR(機械構造用角型鋼管)、STPG(圧力配管用炭素鋼鋼管)などを用いることができる。
 本実施形態の耐熱構造体1では、シェル材3の内部に、4個のC/Cコンポジット部材4が、配置されている。もっとも、シェル材3の内部に配置されるC/Cコンポジット部材4の個数は、特に限定されず、C/Cコンポジット部材4の厚みに応じて適宜決定することができる。
 シェル材3の内部に配置されるC/Cコンポジット部材4の個数は、好ましくは2個以上、より好ましくは3個以上であり、好ましくは6個以下、より好ましくは5個以下とすることができる。
 シェル材3の内部に配置されるC/Cコンポジット部材4の充填率は、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。この場合、高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。なお、シェル材3の内部に配置されるC/Cコンポジット部材4の充填率は、100%であってもよい。
 本実施形態の耐熱構造体1では、図1(b)に示すように、各C/Cコンポジット部材4の厚みbが、それぞれ、同じ厚みである。C/Cコンポジット部材4の厚みbは、特に限定されないが、例えば、0.5mm以上、12mm以下とすることができる。
 もっとも、図2に示す第1の変形例の耐熱構造体1Aのように、各C/Cコンポジット部材4A,4Bの厚みは、異なっていてもよい。図2に示す第1の変形例では、中央側の2個のC/Cコンポジット部材4Aの厚みが、端部側の4個のC/Cコンポジット部材4Bの厚みよりも厚くなっている。
 本実施形態の耐熱構造体1では、図1(a)に示すように、芯材2の長さ方向Zに沿う表面2a全体がシェル材3により覆われている。一方、端面2b,2cは、シェル材3により覆われていない。従って、発生した空気が外に逃げるため、破裂などの恐れをより一層低減することができる。
 また、図3に示す第2の変形例の耐熱構造体1Bのように、シェル材3はその一部がくり抜かれていてもよく、摩耗箇所のみにシェル材3が配置されていてもよい。この場合、耐熱構造体1Bをより一層軽量化することができる。
 本実施形態の耐熱構造体1では、荷重を加える主面1aに印を設けてもよい。その他にも荷重を加える主面1aを見分ける方法として、ピン穴加工、溶接部の方向の調整、金属パイプ及びC/Cコンポジット部材4への加工、印を設けるなどを行ってもよい。この場合、使用方向をより一層明確にすることができ、作業性をより一層向上させることができる。
 本実施形態の耐熱構造体1では、芯材2を構成するC/Cコンポジット部材4として、市販のC/Cコンポジット部材4を用いることができる。また、C/Cコンポジット部材4は、以下の方法で製造して用いてもよい。
 具体的には、まず、炭素繊維に熱硬化性樹脂組成物を含浸させ、成形することにより成形体を得る。
 炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(PAN系炭素繊維)や、ピッチ系炭素繊維を用いることができる。炭素繊維としては、2方向に引き揃えられた炭素繊維を用い、2DC/Cコンポジットとすることが好ましい。熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂のみにより構成されていてもよいし、熱硬化性樹脂と添加物を含んでいてもよい。熱硬化性樹脂組成物は、ピッチを含んでいてもよい。また、成形体は、引き抜き成形により成形することが好ましい。この場合、炭素繊維をより一方向に揃えやすく、より高い炭素繊維体積含有率の成形体を得ることができる。成形体の形状は、特に限定されないが、例えば、平板状や、角棒状、又は丸棒状とすることができる。
 なお、2DC/Cコンポジットは、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を炭素繊維トウに含浸させたプリプレグを並べ金型成形によって得てもよい。
 次に、成形体を焼成することにより、熱硬化性樹脂組成物を炭化させ、2DC/Cコンポジットを得る。
 焼成工程は、通常製造中の2DC/Cコンポジットの酸化を防ぐために窒素ガス雰囲気下などの非酸化雰囲気下で行うことが望ましい。
 焼成温度は、特に限定されないが、例えば、700℃以上、1300℃以下とすることができる。焼成時間は、特に限定されないが、例えば、最高温度保持時間を30分以上、600分以下とすることができる。
 また、さらに高密度の2DC/Cコンポジットを得るためにピッチ含浸/焼成工程を繰り返し行ってもよい。ピッチ含浸/焼成工程は、例えば、1回以上、10回以下の回数を繰り返し行うことができる。
 本発明においては、2DC/Cコンポジットにおける開気孔の少なくとも一部を緻密化する、緻密化工程をさらに備えていてもよい。この場合、油の浸み込みや、酸化消耗をより一層抑制することができる。
 緻密化工程としては、例えば、2DC/Cコンポジットの開気孔にピッチ又は熱硬化性樹脂を含浸させ、炭素化する工程を用いることができる。
 緻密化工程は、CVI処理を施す工程であってもよい。
 緻密化工程は、2DC/Cコンポジットの開気孔に溶融シリコンを含浸させ、炭化ケイ素化する工程であってもよい。
 また、緻密化工程は、2DC/Cコンポジットの開気孔にリン酸アルミニウムを含浸させ、熱処理する工程であってもよい。
 これらの緻密化工程は、単独で用いてもよく、複数の工程を組み合わせて用いてもよい。
 (第2~第4の実施形態)
 図4は、本発明の第2の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。図4に示すように、耐熱構造体21においても、シェル材3内に、4個のC/Cコンポジット部材24A~24Dが配置されている。各C/Cコンポジット部材24A~24Dは、同一の大きさであり、断面形状が略正方形状である。また、繊維方向が荷重を加えるX方向と略同一方向の2DC/Cコンポジット部材24A,24Cと、繊維方向が荷重を加えるX方向と略直交するY方向の2DC/Cコンポジット部材24B,24Dとが隣り合うように配置されている。その他の点は、第1の実施形態と同様である。
 図5は、本発明の第3の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。
 図5に示すように、耐熱構造体31では、シェル材3内に、5個のC/Cコンポジット部材34A~34Eが配置されている。耐熱構造体31では、断面において、1個の略正方形状のC/Cコンポジット部材34Aを取り囲むように、4個の略長方形状のC/Cコンポジット部材34B~34Eが配置されている。また、最も長い辺の延びる方向及び繊維方向が荷重を加えるX方向と略同一方向のC/Cコンポジット部材34B,34Dと、最も長い辺の延びる方向及び繊維方向が荷重を加えるX方向と略直交するY方向のC/Cコンポジット部材34C,34Eとが隣り合うように配置されている。その他の点は、第1の実施形態と同様である。
 図6は、本発明の第4の実施形態に係る耐熱構造体の幅方向に沿う模式的断面図である。
 図6に示すように、耐熱構造体41では、シェル材3内に、2個のC/Cコンポジット部材44が配置されている。耐熱構造体41では、各C/Cコンポジット部材44が、最も長い辺の延びる方向及び繊維方向が荷重を加えるX方向と略直交するY方向となるように配置されている。その他の点は、第1の実施形態と同様である。
 第2~第4の実施形態に示すように、本発明において、シェル材内における各C/Cコンポジット部材の位置は、特に限定されない。いずれの場合においても、金属パイプであるシェル材の内部にC/Cコンポジット部材により構成されている、芯材が設けられているので、耐熱構造体の高温環境下における機械的特性を高めることができ、熱変形を生じ難くすることができる。また、シェル材の内部には、複数個のC/Cコンポジット部材を配置することができるので、各C/Cコンポジット部材の厚みを薄くすることができる。耐熱構造体は、このような複数個のC/Cコンポジット部材をシェル材の内部に配置するだけで製造することができるので、製造が容易であり、生産性を高めることができる。また、厚みの薄いC/Cコンポジット部材を用いることができるので製造コストも低減することができる。
 もっとも、本発明においては、例えば、図1(b)に示すように、最も長い辺aの延びる方向が荷重を加えるX方向と略同一方向となるように配置されていることが好ましい。この場合、耐熱構造体1の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。
 また、耐熱構造体の断面形状が略矩形状である場合、図7に示すように、C/Cコンポジット部材34A~34Eにおける荷重を加えるX方向に沿う長さL1と、シェル材3の内周面における荷重を加えるX方向に沿う長さL2との比(L1/L2)が、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.75以上、さらに好ましくは1である。この場合、耐熱構造体31の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。なお、長さL1は、耐熱構造体31を構成する5個のC/Cコンポジット部材34A~34Eのうち、荷重を加えるX方向に沿う長さが最も長いC/Cコンポジット部材34B,34Dの長さとするものとする。比(L1/L2)は、例えば、図1(a)及び(b)に示す第1の実施形態では1であり、図4に示す第2の実施形態では0.5である。
 また、平面視において、長さL1を有するC/Cコンポジット部材34B,34Dが配置される面積S1と、荷重を加える主面1aの全体の面積S2との比(S1/S2)は、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.75以上、さらに好ましくは1である。この場合、耐熱構造体31の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。
 また、図7に示すように、荷重を加えるX方向に沿う長さが2番目に長いC/Cコンポジット部材34Aを有する場合、その長さをL3としたときに、比(L3/L2)が好ましくは0.25以上、より好ましくは0.5以上、好ましくは0.75以下である。この場合、耐熱構造体31の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。
 また、平面視において、長さL3を有するC/Cコンポジット部材34Aが配置される面積S3と、荷重を加える主面1aの全体の面積S2との比(S3/S2)は、好ましくは0.5以上、好ましくは1以下である。この場合、耐熱構造体31の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。
 なお、図4に示す第2の実施形態のように、比(L1/L2)が相対的に小さい場合は、C/Cコンポジット部材24A~24D同士を接着剤や、ピン止め、ネジ止めにより固定してもよい。また、シェル材3の両端を完全密封しないように溶接し、C/Cコンポジット部材24A~24Dの両端部を固定してもよい。この場合、耐熱構造体21の高温環境下における機械的特性をより一層高めることができ、熱変形をより一層生じ難くすることができる。
 (第5の実施形態)
 図8は、本発明の第5の実施形態に係る耐熱構造体を示す模式的斜視図である。図8に示すように、耐熱構造体51は、熱処理炉用バスケットである。耐熱構造体51は、第1の実施形態の耐熱構造体1と同じように、シェル材3の内部に、4個のC/Cコンポジット部材4からなる芯材2が充填されることにより構成されている。
 耐熱構造体51においても、金属パイプであるシェル材の内部にC/Cコンポジット部材により構成されている、芯材が設けられているので、耐熱構造体51の高温環境下における機械的特性を高めることができ、熱変形を生じ難くすることができる。また、シェル材の内部には、複数個のC/Cコンポジット部材を配置することができるので、各C/Cコンポジット部材の厚みを薄くすることができる。耐熱構造体51は、このような複数個のC/Cコンポジット部材をシェル材の内部に配置するだけで製造することができるので、製造が容易であり、生産性を高めることができる。また、厚みの薄いC/Cコンポジット部材を用いることができるので製造コストも低減することができる。
 このように、本発明の耐熱構造体は、熱処理炉用バー、熱処理炉用トレイ、熱処理炉用バスケットなどの熱処理用部材として好適に用いることができる。
 次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を挙げることにより本発明を明らかにする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
 (実施例1)
 実施例1では、図9に示す断面構造を有する耐熱構造体61(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、シェル材3として肉厚1mmのSUS製角パイプ(19mm×19mm×700mm)を用い、このSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材64(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×8.5mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体61を得た。なお、荷重方向は、図面の矢印Oで示す方向とする。
 (実施例2)
 実施例2では、図1に示す断面構造を有する耐熱構造体1(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、4個の2DC/Cコンポジット部材4(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×4.25mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体1を得た。
 (実施例3)
 実施例3では、図2に示す断面構造を有する耐熱構造体1A(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材4A(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×4.25mm×700mm))と、4個の2DC/Cコンポジット部材4B(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×2.125mm×700mm))とを挿入し、耐熱構造体1Aを得た。
 (実施例4)
 実施例4では、図10に示す断面構造を有する耐熱構造体71(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、8個の2DC/Cコンポジット部材74(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×2.125mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体71を得た。
 (実施例5)
 実施例5では、図5に示す断面構造を有する耐熱構造体31(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、1個の2DC/Cコンポジット部材34A(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×8.5mm×700mm))と、4個の2DC/Cコンポジット部材34B~34E(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(12.75mm×4.25mm×700mm))とを挿入し、耐熱構造体31を得た。
 (実施例6)
 実施例6では、図6に示す断面構造を有する耐熱構造体41(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材44(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×8.5mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体41を得た。
 (実施例7)
 実施例7では、図4に示す断面構造を有する耐熱構造体21(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、4個の2DC/Cコンポジット部材24A~24D(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×8.5mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体21を得た。
 (実施例8)
 実施例8では、図11に示す断面構造を有する耐熱構造体81(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、8個の2DC/Cコンポジット部材84(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×4.25mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体81を得た。
 (実施例9)
 実施例9では、図12に示す断面構造を有する耐熱構造体91(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材94A(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×4.25mm×700mm))と、4個の2DC/Cコンポジット部材94B(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×4.25mm×700mm))とを挿入し、耐熱構造体91を得た。
 (実施例10)
 実施例10では、図13に示す断面構造を有する耐熱構造体101(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材104A(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×4.25mm×700mm))と、4個の2DC/Cコンポジット部材104B(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×4.25mm×700mm))とを挿入し、耐熱構造体101を得た。
 (実施例11)
 実施例11では、図14に示す断面構造を有する耐熱構造体111(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、2個の2DC/Cコンポジット部材114A(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×4.25mm×700mm))と、4個の2DC/Cコンポジット部材114B(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(8.5mm×2.125mm×700mm))とを挿入し、耐熱構造体111を得た。
 (参考例1)
 参考例1では、図15に示す断面構造を有する耐熱構造体121(熱処理炉用バー)を作製した。具体的には、実施例1と同じSUS製角パイプの内部に、1個の2DC/Cコンポジット部材124(東洋炭素社製、品番「CX-761」、角棒(17mm×17mm×700mm))を挿入し、耐熱構造体121を得た。
 (比較例1)
 比較例1では、2DC/Cコンポジット部材が挿入されていない、SUS製角棒(19mm×19mm×700mm)を用いた。
 [評価]
 実施例1~11、参考例1、及び比較例1の構造体について、電気炉中で荷重方向においてスパン600mmで両端を支え、中央に30kgの錘を吊るした状態で、900℃にて5時間加熱した。冷却後、錘を取り除き、撓み量を測定した。
 結果を下記の表1に示す。なお、実施例1~11では、C/Cコンポジット部材における荷重を加えるX方向に沿う最も長い辺の長さL1と、シェル材の内周面における荷重を加えるX方向に沿う長さL2との比(L1/L2)を併せて示している。また、実施例5、9~11では、C/Cコンポジット部材における荷重を加えるX方向に沿う2番目に長い辺の長さL3と、シェル材の内周面における荷重を加えるX方向に沿う長さL2との比(L3/L2)を併せて示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1から明らかなように、実施例1~11で得られた耐熱構造体では、比較例1のSUS製角棒と比較して、高温環境下における機械的特性に優れ、熱変形が生じ難いことが確認できた。なかでも、比(L1/L2)が1である実施例1~4では、肉厚の1個の2DC/Cコンポジット部材124を用いた参考例1と比較して、ほぼ同等の機械的特性を得られることが確認できた。
 1,1A,1B,21,31,41,51,61,71,81,91,101,111,121…耐熱構造体
 1a…主面
 2…芯材
 2a…表面
 2b,2c…端面
 3…シェル材
 4,4A,4B,24A~24D,34A~34E,44,64,74,84,94A,94B,104A,104B,114A,114B,124…C/Cコンポジット部材
 4a…辺

Claims (14)

  1.  複数個のC/Cコンポジット部材により構成されている、芯材と、
     前記芯材の表面の少なくとも一部を覆っており、金属により構成されている、シェル材と、
    を備える、耐熱構造体。
  2.  前記芯材が、前記複数個のC/Cコンポジット部材の積層体である、請求項1に記載の耐熱構造体。
  3.  前記C/Cコンポジット部材の形状が、略矩形板状である、請求項1又は2に記載の耐熱構造体。
  4.  前記C/Cコンポジット部材が、2方向C/Cコンポジット部材である、請求項1~3のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  5.  前記耐熱構造体に荷重を加えるときに、
     前記C/Cコンポジット部材の幅方向に沿う断面における最も長い辺の延びる方向が、前記荷重を加える方向と略同一方向となるように配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  6.  前記耐熱構造体に荷重を加えるときに、
     前記複数個のC/Cコンポジット部材が、前記荷重を加える方向と略直交する方向に積層されている、請求項1~5のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  7.  前記シェル材が、金属により構成されている、パイプであり、
     前記パイプ内に、前記複数個のC/Cコンポジット部材が充填されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  8.  前記パイプの断面形状が、略多角形状である、請求項7に記載の耐熱構造体。
  9.  前記パイプの断面形状が、略円状である、請求項7に記載の耐熱構造体。
  10.  前記パイプの肉厚が、0.1mm以上、3mm以下である、請求項7~9のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  11.  前記パイプ内における前記C/Cコンポジット部材の充填率が、70%以上である、請求項7~10のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  12.  前記シェル材が、前記芯材の表面を部分的に覆っている、請求項1~6のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  13.  非酸化雰囲気下で用いられる、請求項1~12のいずれか1項に記載の耐熱構造体。
  14.  請求項1~13のいずれか1項に記載の耐熱構造体を備える、熱処理炉用部材。
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