(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化セラミックス複合材料を少なくとも一部に含む製鉄設備部材であって、
基材と、この基材表面に設けられる繊維強化セラミックス複合材料とを備え、
前記繊維強化セラミックス複合材料は、束状の炭素繊維、束状のセラミックス繊維、束状の窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および束状の窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維を含む多孔質炭化物であり、
前記繊維の長さは、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下であるとともに、前記多孔質炭化物が有する複数の気孔の内、少なくとも一部が、珪素および炭化珪素で満たされている
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項２】
請求項１に記載の製鉄設備部材において、
前記炭化珪素は、前記多孔質炭化物の炭素と前記気孔に満たされている珪素とが結合してなる
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製鉄設備部材において、
前記繊維の長さは、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、
前記繊維は、束状で含まれており、
前記繊維強化セラミックス複合材料の残存気孔率は、３０％以下であり、
前記炭化珪素の割合は、５０質量％以上７０質量％以下であり、
前記珪素の割合は、５質量％以下である
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
前記セラミックス繊維は、アルミナ、炭化珪素、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ-ＢＮおよびＢ4Ｃからなる群から選ばれた少なくとも１種である
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
前記製鉄設備部材は、熱間圧延プロセスの仕上げおよび巻取り工程のサイドガイド、ランアウトテーブルエプロンおよび竪ロールの外チョックのいずれかである
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
他の部材と摺動する部分に前記繊維強化セラミックス複合材料が用いられる
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【請求項７】
繊維強化セラミックス複合材料を少なくとも一部に含む製鉄設備部材の製造方法であって、
束状の炭素繊維、束状のセラミックス繊維、束状の窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および束状の窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維と、樹脂と、炭化珪素微粒子および炭素微粒子のうち少なくともいずれかと、を混合し、１５０℃以上２５０℃以下で加熱しながら５ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下の圧力で加圧して成形体を形成する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後、前記成形体を７００℃以上１１００℃以下で加熱する熱分解工程と、
前記熱分解工程の後、珪素粉末または塊状珪素を前記炭化後の成形体の表面に配置し、１４２０℃以上１４８０℃以下で加熱して、前記珪素粉末または前記塊状珪素を溶融させて、前記炭化後の成形体に含浸させる含浸工程と、
前記含浸工程の後、前記含浸後の成形体を１５５０℃以上１６５０℃以下で加熱する焼結工程と、を実施して繊維強化セラミックス複合材料を製造した後、
前記繊維強化セラミックス複合材料を、基材上に固定する
ことを特徴とする製鉄設備部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄設備部材および製鉄設備部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄プロセスは、そこに使用される製鉄設備部材にとっては非常に苛酷な環境である。
例えば、連続熱間鋼板圧延設備の内、仕上げ圧延機から巻取機に至るランアウトテーブルのロール間に設置される製鉄設備部材としてのエプロンには、耐機械的衝撃性、耐摺動摩耗性、低摩擦性、難焼付き等の機械的強度が、相当量要求されている。また、鋼板との接触疵を懸念して、当該エプロン本体あるいは表面ライナー構造部分には、樹脂系素材が長く用いられてきた。
【０００３】
しかし、樹脂系素材には以下のような問題があった。
第１の問題は、この樹脂系素材、例えば、ガラス繊維をフェノール樹脂にて硬化させた素材は、圧延後のストリップ（鋼板）の温度が高いため、高温耐久性に難点があるという問題である。
第２の問題は、樹脂系素材は、鋼板との接触摩耗が進展しやすく交換頻度が多いことから整備費用が嵩むという問題である。
第３の問題は、樹脂系素材は、ストリップ（鋼板）から落下したスケールが付着しやすく、走行時におけるストリップ発生波（ウエービング）によるストリップのエプロンヘの接触により裏面疵・スケール模様発生の原因となるという問題である。
【０００４】
上記第１乃至第３の問題を解決すべく、例えば、特許文献１および特許文献２では、エプロン本体およびストリップと接触する表層部分の少なくともいずれかをカーボンコンポジット等の炭素系素材としたエプロンを少なくとも１個以上ランアウトテーブル上に配置した熱延ランアウトテーブルや、ミルデリベリガイドを開示している。
【０００５】
その他、製鉄設備部材の例としては、特許文献３は、熱間圧延ラインで圧延ミルの出口側に設置されるエプロンであって、セラミックス焼結体からなるエプロンを開示する。セラミックス焼結体でエプロンを構成することで耐摩耗性や耐衝撃性をエプロンに付与する。
【０００６】
また、軽量かつ高剛性な構造部材の例として、特許文献４は、板状体以外の形状に成形することができ、かつ、緻密化された長繊維強化セラミックス複合体材料の製造方法を開示する。この長繊維強化セラミックス複合体材料は、具体的には次に５つの工程を経て製造される。第１の工程は、スラリーが付着したセラミックス系長繊維をマンドレルに巻き付ける工程であり、第２の工程は、前記マンドレルに巻き付けられたセラミックス系長繊維を乾燥し、硬化させる工程であり、第３の工程は、得られた硬化体から前記マンドレルを取り外し、該硬化体を前記スラリーとともに、ゴム型内に入れて、冷間等方加圧（ＣＩＰ）成形を行う工程であり、第４の工程は、前記ゴム型内から取り出した成形体を乾燥し、硬化させる工程である。第５の工程は、得られた成形硬化体を焼成する工程である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−００１４１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６０００８号公報
【特許文献３】特開２００５−２７０９９０号公報
【特許文献４】特開２００９−１２０４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、発明者らが鋭意研究を行った結果、特許文献１〜特許文献４に開示されたいずれの素材も、製鉄プロセスに使用する製鉄設備部材として求められる耐機械衝撃性、耐摺動摩耗性、低摩擦性および難焼き付き性を兼ね備えていないことが判明した。
連続熱間鋼板圧延設備による圧延後の仕上げおよび巻取り工程においては、７００ｍｐｍ程度で高速通板される鋼板の隅が、サイドガイドに対して頻繁に接触する。例えば、特許文献４に開示された長繊維強化セラミックス複合体材料には、有機成分が残存しており、７００℃以上の高温強度が低い。そのため、当該長繊維強化セラミックス複合体材料をサイドガイドに用いて操業する場合には、鋼板の板幅方向の位置決め精度を維持するために、２〜１４日毎に１回交換するペースで頻繁な交換が必要である。
【０００９】
本発明の目的は、製鉄設備に用いても、交換頻度を低くして鋼板の製造効率を向上でき、さらにスケールや傷の発生を防止できる製鉄設備部材およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の要旨は以下に示される。
（１）  繊維強化セラミックス複合材料を少なくとも一部に含む製鉄設備部材であって、
基材と、この基材表面に設けられる繊維強化セラミックス複合材料とを備え、
前記繊維強化セラミックス複合材料は、束状の炭素繊維、束状のセラミックス繊維、束状の窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および束状の窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維を含む多孔質炭化物であり、
前記繊維の長さは、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下であるとともに、前記多孔質炭化物が有する複数の気孔の内、少なくとも一部が、珪素および炭化珪素で満たされている
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１１】
（２）上記（１）に記載の製鉄設備部材において、
前記炭化珪素は、前記多孔質炭化物の炭素と前記気孔に満たされている珪素とが結合してなる
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１２】
（３）上記（１）又は（２）に記載の製鉄設備部材において、
前記繊維の長さは、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、
前記繊維は、束状で含まれており、
前記繊維強化セラミックス複合材料の残存気孔率は、３０％以下であり、
前記炭化珪素の割合は、５０質量％以上７０質量％以下であり、
前記珪素の割合は、５質量％以下である
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１３】
（４）上記（１）から（３）までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
前記セラミックス繊維は、アルミナ、炭化珪素、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ-ＢＮおよびＢ4Ｃからなる群から選ばれた少なくとも１種である
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１４】
（５）上記（１）から（４）までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
前記製鉄設備部材は、熱間圧延プロセスの仕上げおよび巻取り工程のサイドガイド、ランアウトテーブルエプロンおよび竪ロールの外チョックのいずれかである
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１５】
（６）上記（１）から（５）までのいずれか一項に記載の製鉄設備部材において、
他の部材と摺動する部分に前記繊維強化セラミックス複合材料が用いられる
ことを特徴とする製鉄設備部材。
【００１６】
（７）  繊維強化セラミックス複合材料を少なくとも一部に含む製鉄設備部材の製造方法であって、
束状の炭素繊維、束状のセラミックス繊維、束状の窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および束状の窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維と、樹脂と、炭化珪素微粒子および炭素微粒子のうち少なくともいずれかと、を混合し、１５０℃以上２５０℃以下で加熱しながら５ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下の圧力で加圧して成形体を形成する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後、前記成形体を７００℃以上１１００℃以下で加熱する熱分解工程と、
前記熱分解工程の後、珪素粉末または塊状珪素を前記炭化後の成形体の表面に配置し、１４２０℃以上１４８０℃以下で加熱して、前記珪素粉末または前記塊状珪素を溶融させて、前記炭化後の成形体に含浸させる含浸工程と、
前記含浸工程の後、前記含浸後の成形体を１５５０℃以上１６５０℃以下で加熱する焼結工程と、を実施して繊維強化セラミックス複合材料を製造した後、
前記繊維強化セラミックス複合材料を、基材上に固定する
ことを特徴とする製鉄設備部材の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記繊維強化セラミックス複合材料が耐機械衝撃性、耐摺動摩耗性、低摩擦性および難焼き付き性といった製鉄設備部材に求められる諸特性を兼ね備え、製鉄設備部材の寿命が長くなるので、交換頻度が低くなり、鋼板の製造効率を向上させることができる。また、繊維強化セラミックス複合材料が鋼板に対する摺動性を備えるので、スケールや傷の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】熱間圧延プロセスにおけるサイドガイドの配置例を示す平面概要図である。
【図２】繊維強化セラミックス複合材料における繊維強化のメカニズムの概要図である。
【図３】衝撃耐久評価装置の概要図である。
【図４】摺動摩耗試験装置の概要図である。
【図５】熱間圧延プロセスにおけるランアウトロール間に配置されたエプロンの概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態に係る製鉄設備部材について説明する。
製鉄設備部材としては、熱間圧延プロセスの仕上げおよび巻取り工程のサイドガイド、ランアウトテーブルエプロン、竪ロールの外チョックなどが挙げられる。
本実施形態では、製鉄設備部材としてサイドガイドの場合を例に挙げて説明する。
図１は、熱間圧延プロセスにおけるサイドガイドの配置例を示す平面概要図である。
圧延ロール１の入側および出側にサイドガイド２が設置されている。サイドガイド２は、鋼板５が蛇行や横曲がりしないように案内するものであり。
サイドガイド２は、基材３と、基材３の表面に設けられた繊維強化セラミックス複合材料４とを備える。本実施形態では、各サイドガイド２は、繊維強化セラミックス複合材料４の設けられている面が走行する鋼板５に対して向かうように設置されている。
【００２０】
本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、炭素と、繊維と、珪素と、炭化珪素とを含む。具体的には、繊維を含む多孔質炭化物であるとともに、多孔質炭化物が有する複数の気孔の内、少なくとも一部が、珪素および炭化珪素で満たされている。
繊維強化セラミックス複合材料に含まれる繊維は、炭素繊維、セラミックス繊維、窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種である。
多孔質炭化物の気孔を満たす炭化珪素は、気孔に満たされている珪素と多孔質炭化物の炭素とが反応焼結して形成されたものである。なお、炭化珪素は、このように反応焼結して形成されたものとは別に添加されていてもよい。
【００２１】
繊維の少なくとも１種を炭素繊維にした理由は、比較的安価で、サイジング処理によって束状または扁平に並べ易いためである。
セラミックス繊維としては、アルミナ、炭化珪素、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ-ＢＮ、Ｂ4Ｃ等が挙げられる。繊維の少なくとも１種をセラミックス繊維にした理由は、高価だが、耐酸化性に優れ、高温で長時間の使用時の耐久性に優れるためである。
窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および窒化硼素コーティングされた炭素繊維を用いる理由は、窒化硼素（ＢＮ）で繊維をコーティングすることで、より高温での使用を可能になるためである。また、珪素および多孔質炭化物の炭素が反応焼結して形成された炭化珪素（ＳｉＣ）と繊維との界面におけるすべり摩擦係数を制御することが可能になるためである。繊維を窒化硼素でコーティングする方法としては、例えば、スプレーコーティング法が挙げられる。なお、窒化硼素コーティング繊維の他、繊維強化セラミックス複合材料に窒化硼素そのものを添加してもよい。
【００２２】
繊維強化セラミックス複合材料の残存気孔率は、３０％以下であることが好ましい。このような残存気孔率の範囲とすることで、母材である炭化珪素の体積割合が最適化される効果を奏する。残存気孔率の測定法は、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法で測定することができる。また、繊維強化セラミックス複合材料の製造過程における樹脂の炭化に伴う重量減少と炭化後の比重から算出する方法でも、残存気孔率を求めることができる。
炭化珪素の割合は、５０質量％以上７０質量％以下であることが好ましい。このような炭化珪素の割合の範囲とすることで、繊維による耐衝撃性と炭化珪素による耐摩耗性の両立という効果を奏する。
珪素の割合は、５質量％以下であることが好ましい。このような珪素の割合の範囲とすることで、高温での強度や耐酸化性の確保という効果を奏する。また、５質量％以上でも熱伝導性がより重要視される場合は、１０質量％以下でも使用に供する場合がある。
【００２３】
図２は、繊維強化セラミックス複合材料における繊維強化のメカニズムの概要図である。
図２に示すように、繊維強化セラミックス複合材料１０のマトリックス相１１中に繊維１２が分散されている。繊維強化セラミックス複合材料１０においてき裂が発生すると、例えば、き裂は、き裂の開口部１３から内部に向かって伝播する。図２には、き裂が、き裂の先端部１６まで伝播した状態が示されている。き裂が伝播する際に、繊維１２に対して、き裂が伝播する方向と交差する方向の引っ張り力が加わるが、繊維のPull out(引き抜き抵抗)効果によって、繊維強化セラミックス複合材料１０が破損し難くなる。なお、図２には、引っ張り力によって繊維１２が切断された部位は、繊維切断部１４が示されている。また、き裂が伝播する際に、伝播方向と交差する方向に繊維１２の橋渡し部１５が設けられていると、Bridging(架橋による、き裂伝播の抵抗)効果で、繊維強化セラミックス複合材料１０が破損し難くなる。その他にもマトリックス相１１中に繊維１２を分散させることで「ピンニング効果」、「き裂先端湾曲」、「き裂偏向」などの複合効果も生じる。
【００２４】
繊維の長さは、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。このような繊維長さとすることで、pull out(引き抜き抵抗)を高めることができる。
また、繊維は、多孔質炭化物中において、複数の束を形成して、分散している。このように繊維が分散していることで、pull out(引き抜き抵抗)が生ずる箇所が複数分布して相乗的に高められるとともに、き裂偏向や先端湾曲などの複合的な効果を奏する。束の本数としては、１０００本から１２０００本が好ましいが、２０００本から３０００本がより好適である。
繊維の配合割合としては、１０質量％以上６０質量％以下が好ましく、より好ましくは２０質量％以上４０質量％以下である。
【００２５】
製鉄設備部材の厚肉化としては、繊維強化セラミックス複合材料同士を炭化珪素の接合層によって接合して多層化する方法が好ましい。接合層の形成方法としては、次のような方法が好ましい。まず、重ね合わせた繊維強化セラミックス複合材料同士の隙間に樹脂と珪素粉との混合物を浸透させる。次に、熱処理によって、樹脂を炭化させ、この炭化物と珪素粉とを反応させて炭化珪素の接合層を形成する。このように厚肉化する際の接合層の厚さは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲が好ましい。樹脂としては、フェノール樹脂が好ましい。
また、基材３は、機械的強度および熱伝導度が高い材質で形成されていることが好ましい。例えば、炭素材料や炭化珪素などのセラミックス材料で形成されているものが好ましい。さらに、繊維強化された材料であることが好ましい。
基材３と繊維強化セラミックス複合材料とを接合する方法は、機械的ネジ止め、段付き形状の嵌め合いなど特に限定されないが、例えば、接合層を介して接合することも可能である。この場合、基材３を多孔質炭素体とし、当該多孔質炭素体中の気孔に珪素粉と樹脂との混合物を浸透させて基材３と繊維強化セラミックス複合材料とを重ね合わせて熱処理を行い、珪素粉と樹脂との炭化物とが反応することによって両者が接合される。この接合に用いる樹脂としては、フェノール樹脂が好ましい。また、基材３と繊維強化セラミックス複合材料との間にセルロース等の多孔性の熱分解性物質を形成可能な挿入物を挿入しておき、この挿入物に粉末状珪素を混合させて、熱処理をする。この熱処理によって、挿入物が多孔質炭素体になり、多孔質炭素体の炭素と珪素との間で炭化珪素が形成され、この炭化珪素によって、両者が接合される。
【００２６】
本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料の製造方法について説明する。
この製造方法は、加圧成形工程と、熱分解工程と、含浸工程と、焼結工程とを備える。
加圧成形工程では、
（ａ）炭素繊維、セラミックス繊維、窒化硼素コーティングされたセラミック繊維および窒化硼素コーティングされた炭素繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維と、
（ｂ）樹脂と、
（ｃ）炭化珪素微粒子および炭素微粒子のうち少なくともいずれかと、
を混合し、１５０℃以上２５０℃以下で加熱しながら５ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下の圧力で加圧して成形体を形成する。
樹脂は、後の熱分解工程で炭化して炭素粉末となり、多孔質炭化物を形成するためのものである。樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも採用することができる。好ましい樹脂としては、炭素リッチな樹脂であり、例えば、フェノール樹脂、製鉄プロセスのコークス炉における副生成物（タールやピッチ）、澱粉、蜂蜜などが挙げられる。なお、炭素リッチな樹脂とは、当該樹脂を構成する元素の内、炭素が最も多いものをいう。
樹脂としては、フェノール樹脂が好ましい。フェノール樹脂を用いる理由は、繊維間の距離を適度に保ち、成形体としての目的形状を得るための塑性変形能と熱硬化することによる保形性があり、微細な炭素粉末源として高い残炭率を有するためである。
１５０℃以上２５０℃以下で加温し、５ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下で加圧成形する理由は、フェノール樹脂の塑性変形能を発現させるための加熱および加圧条件に基づいている。
炭化珪素微粒子および炭素微粒子のうち少なくともいずれかを添加する理由は、焼結工程で反応焼結して形成された炭化珪素（ＳｉＣ）との化学量論比を出来る限り均一組成化することで、未反応の炭素や珪素の割合を下げるまたは制御することが可能になるためである。
そのほか、材料を混合する段階で、窒化硼素を混合してもよい。窒化硼素を混合することで摩擦係数の低減を図ることができる。
【００２７】
熱分解工程では、加圧成形工程で成形した成形体を７００℃以上１１００℃以下で加熱する。この加熱によって、樹脂が炭化して微細な炭素粉末となり、複数の気孔を有し、繊維が分散している多孔質炭化物が形成される。
フェノール樹脂を７００℃以上１１００℃以下で炭化する理由は、フェノール樹脂の熱分解温度(約６００℃)が低く、後の含浸温度や反応焼結温度まで上げる際にフェノール樹脂が持たないためである。
【００２８】
含浸工程では、珪素粉末または塊状珪素を炭化後の成形体の表面に配置し、１４２０℃以上１４８０℃以下で加熱する。この加熱によって、珪素粉末または塊状珪素を溶融させ、溶融した珪素を複数の気孔や繊維間に含浸させる。この際に、炭素粉末と溶融珪素が反応し、炭化珪素が生成される。
なお、繊維に窒化硼素コーティングを施しておくことで、溶融した珪素による侵食が防止される。
【００２９】
焼結工程では、含浸工程後の成形体を必要に応じて１５００℃以上１６５０℃以下で加熱する。この加熱によって多孔質炭化物の炭素と含浸させた珪素とがより効果的に反応して窒化珪素（ＳｉＣ）となる。焼結温度を１５００℃以上１６５０℃以下とすることで、含浸させた珪素と多孔質炭化物の炭素とが効率よく反応し、硬度や耐酸化性に優れるＳｉＣ相が形成される。
【００３０】
このようにして製造した繊維強化セラミックス複合材料は、各種製鉄設備部材に応じた形状に加工される。もしくは、予め各種製鉄設備部材に応じた形状に加圧成形工程で成形してもよいし、複数の部材に分けて形成した後、所定の形状に部材同士を組み合わせてもよい。
【００３１】
繊維強化セラミックス複合材料の特性に影響を与える要因としては、繊維強度および繊維−マトリックス界面強度に加え、繊維含有量も挙げられる。そこで、繊維強化セラミックス複合材料の優れた諸特性を引き出すためには、焼結助剤を含む最適な繊維−マトリックス材料の組み合わせおよび最適な繊維含有量を見出すことが必要となる。
高靱性を有する繊維強化セラミックス複合材料を作製するためには、前述したように繊維強度および繊維−マトリックス界面強度を最大限引き出すことと、最適な繊維含有量を見出すことが必要である。そのための原料スラリー配合、即ち上記加圧成形工程で配合される樹脂固形分の成分比は、樹脂固形分が５０質量％以上７５質量％以下であり、繊維が２５質量％以上５０質量％以下とするのが好ましく、繊維が２５質量％以上３５質量％以下で最も高い強度および靱性を得ることができる。
【００３２】
本発明において、炭素繊維およびセラミックス繊維の少なくともいずれかの繊維表面に化学蒸着法等の手段により炭化珪素や窒化珪素等の耐酸化性に優れるコ−ティング膜を形成することができる。
繊維として特に炭素繊維を用いた場合、この炭素繊維が５００℃以上の高温酸化雰囲気中で酸化するので長期間の高温環境下での使用に適さない。しかし、表面に炭化珪素、窒化珪素等のコ−ティング膜を形成させることで炭素繊維の燃焼を防止でき、耐酸化性が大幅に向上するので、より好ましい実施が可能である。
【００３３】
以上のように説明した繊維強化セラミックス複合材料が、製鉄設備部材として用いる場合に求められる特性を満たすか否か評価するため、本発明者らは、製鉄プロセスの中でも苛酷な環境である熱間圧延プロセスの仕上げおよび巻取り工程近傍のサイドガイドに与えられる機械衝撃、摺動摩耗、摩擦係数および焼き付きについて定量的に検討した。
【００３４】
まず、機械的衝撃について以下に述べる。
図３に衝撃耐久評価装置の概要を示す。図３（Ａ）に示す衝撃耐久評価装置２０は、落重試験を行う装置であり、錘２１を高さｈから自由落下させて試験材２２に対して衝突させる。衝突後の試験材２２の状態について評価する。図３（Ｂ）は、錘２１と試験材２２との衝突角θを示す。
本発明者らは、７００ｍｐｍ程度で高速通板される鋼板の隅がサイドガイドに接触する際の衝撃は、断面が５ｍｍ×２０ｍｍで、長さが５６ｍｍの形状を有し、材質は焼き入れ処理後のＳ５０Ｃを先端に有する７０ｋｇｆの錘を、４．３７ｍの高さから自由落下させて、衝突角を２０度以上で試験材に衝突させた場合の衝撃に相当することを見出した。試験材は、基材３の形状に合わせるため、縦寸法７０ｍｍ×横寸法９０ｍｍで、厚さ寸法が、１０ｍｍ〜２０ｍｍのサイズとした。
この落重試験の位置エネルギー(ｍｇｈ)は、２９４００Ｎ・ｍ３/ｓ２（３０００ｋｇｆ・ｍ３/ｓ２、錘７０ｋｇｆ×４．３７ｍ）である。
製鉄設備部材には、このような機械的衝撃を繰り返し受けても破損しない、耐機械衝撃性が求められる。
【００３５】
セラミックスの場合、応力拡大係数（き裂先端のモードＩ、引張）が大きく、サイズが数μｍ（先端のＲがサブミクロン）のき裂で、大きな破損に繋がる。しかしながら、繊維強化しておくと、図２に示すようにき裂伝播が繊維のPull out効果とBridging効果とで、破損し難くなる。このような効果を利用して、大きく撓む弾性的なセラミックスならば、落重試験における大きな衝撃にも耐えることを見出し、上述の製法を想到した。
【００３６】
次に、摺動摩耗、摩擦係数および焼き付きについて述べる。
図４に摺動摩耗試験装置の概要を示す。摺動摩耗試験装置３０は、円盤状の回転体３１と、この回転体を誘導加熱するためのワークコイル３２とを備える。摺動磨耗試験は、所定寸法に形成した試験材３３を、押し付け力３４で、加熱されて回転する回転体３１に対して図４に示すような方向で押し付けて行われる。
本発明者らは、７００ｍｐｍ程度で高速通板される鋼板の隅がサイドガイドに接触し続ける場合の摩耗は、次のような条件で摺動磨耗試験を行った場合の磨耗に相当することを見出した。回転体の材質をＳ４５Ｃ、Ｔｉ及びＳＵＳ３０４とし、回転体の形状をφ１００ｍｍ×幅１５ｍｍとし、押し付け力を４９０Ｎ(５０ｋｇｆ)とし、回転体の回転数を１０００ｒｐｍ(周速では３１２/ｍｉｎ.)以上とし、回転体の温度を８００℃以上１０００℃以下に保持し、試験材の形状を断面１０ｍｍ×１０ｍｍ、長さ２０ｍｍとし、試験材の１０ｍｍ×１０ｍｍの平面を回転体に押し付け、試験時間を１０分以上とすることで生ずる、摩耗長さ、摩擦係数および焼き付きで評価する。
【００３７】
回転体の材質をＳ４５Ｃとした理由は、Ｓ４５Ｃであれば誘導加熱が容易で、実使用環境の熱延鋼板の硬度より高く、摺動試験を行っても摺動面の形状が変化し難いためである。
【００３８】
押付力を４９０Ｎ(５０ｋｇｆ)とした理由は、加熱時に大きな変形が生じない押付力であるからである。また、試験の安全面も配慮している。
回転体の形状をφ１００ｍｍ×幅１５ｍｍとした理由、回転数１０００ｒｐｍ(周速では３１２/ｍｉｎ.)とした理由及び回転体の加熱温度を８００℃以上１０００℃以下とした理由は、熱延鋼板の通材速度および板厚を再現するにふさわしいからである。また、試験の安全性や、大きな変形による回転の不均一性を生じさせないことも考慮した。
試験時間を１０分とした理由は、時間変化を求め、安定した摺動摩耗曲線を作成するのに適した時間であるからである。
製鉄設備部材には、摺動摩耗長、摩擦係数、焼き付き評価において、１）前記摩耗長さが１．０ｍｍ以下であること、２）前記試験中の摩擦係数の平均値が０．２５以下、または、試験中の最大値が好ましくは０．４０以下であること、３）焼付きが起こらないことが要求される。なお、摩擦係数は、摩擦性を示す値であり、摩擦係数が低いものほど低摩擦性であるといえる。製鉄設備部材は、使用中に鋼板と接触するため、摩擦係数が低いもの、すなわち摺動性に優れるものが好ましい。例えば、摩擦係数が大きい材料をサイドガイドやエプロンに用いると鋼板の走行性を阻害するおそれがある。
【００３９】
本発明に係る繊維強化セラミックス複合材料は、製鉄設備部材として必要な上記評価試験の要求を満たし、耐機械衝撃性、耐摺動摩耗性、低摩擦性および難焼き付き性を兼ね備える。
このような繊維強化セラミックス複合材料を製鉄設備部材としてのサイドガイドに用いると、７００ｍｐｍ程度で高速通板される高温の鋼板の隅および端辺が当該サイドガイドに接触しても長期にわたり破損せず摩耗が少なく、鋼板の走行性を阻害することなく、長期間安定に使用可能であるという顕著な効果を奏する。具体的には、２〜１４日に1回の頻度で交換していたサイドガイドに使用される製鉄設備部材が１００〜２００日に１回程度の交換で対応可能である。
【００４０】
（変形例）
なお、上述の実施形態では、製鉄設備部材として、サイドガイドを例に挙げて説明したが、これに限られず、その他、図５に示すようなランアウトテーブルのエプロン４０なども挙げられる。
図５に示すエプロン４０は、ランアウトテーブルロール４１，４１の間に配置され、支持台４２の上に載置されている。このエプロン４０は、基材４３と、繊維強化セラミックス複合材料４４とを備えている。繊維強化セラミックス複合材料４４は、基材４３の表面に設けられ、鋼板４５と接触し得るライナー部に用いられている。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明するが、本発明はこれらの実施例の記載内容に何ら制限されるものではない。
【００４２】
（原料）
繊維強化セラミックス複合材料を製造するための原料を以下に示す。
【００４３】
・炭素繊維：
日本グラファイトファイバー社、チョップドファイバー、ＸＮ-60Ｃ-06Ｓ
引張弾性率620GPa、引張強度3430MPa、熱伝導率180W/m・K、密度2.12g/cm3
繊維長さ６ｍｍ
日本グラファイトファイバー社、チョップドファイバー、ＸＮ-80Ｃ-06Ｓ
引張弾性率780GPa、引張強度3430MPa、熱伝導率320W/m・K、密度2.17g/cm3
繊維長さ６ｍｍ
日本グラファイトファイバー社、チョップドファイバー、ＸＮ-100Ｃ-12Ｓ
引張弾性率980GPa、引張強度3430MPa、熱伝導率900W/m・K、密度2.22g/cm3
繊維長さ１２ｍｍ
【００４４】
・セラミックス繊維（ＳｉＣ繊維）：
日本カーボン株式会社製、ニカロン、
引張弾性率266GPa、引張強度3560MPa、密度2.71g/cm3、繊維長さ６ｍｍ
日本カーボン株式会社製、ニカロン-TypeS、
引張弾性率366GPa、引張強度3100MPa、密度3.0g/cm3、繊維長さ６ｍｍ
【００４５】
・窒化硼素コーティング
窒化硼素（ＢＮ）コーティングとしては、例えばスプレーコーティング法を用いることができる。本実施例では、炭素繊維および炭化珪素繊維についてＢＮコーティングを施したものも用いた。
【００４６】
フェノール樹脂：大日本インキ株式会社製、J325、水溶性樹脂
塊状珪素      ：株式会社高純度化学研究所製、99.9％、粒子サイズ(長径)2mm〜10mm
珪素粉末      ：株式会社高純度化学研究所製、99％、平均粒径5μｍ
炭素          ：三菱化学株式会社製、カーボンブラック（グレードMB-100B）
粒子径24nm
炭化珪素      ：新日化カーボン式会社製、商品名ＨＧＢ（グレードSiN2R10-K）
粒子径65nm
【００４７】
（製造）
表１の実施例１〜７の配合にて、束状または扁平に並べた炭素繊維およびセラミックス繊維の少なくともいずれかの繊維と、フェノール樹脂とを混合し、繊維をフェノール樹脂でコーティングした。比較例１では、繊維を配合せず、フェノール樹脂のみで成形した。
これらを１５０℃以上２５０℃以下で加温しながら、上下１軸方向に２５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下で加圧して成形体を作製した。成形条件を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
次に、その成形体をアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス雰囲気中で、７００℃以上１１００℃以下の温度で加熱し、フェノール樹脂を炭化させた。炭化条件を表１に示す。
次に、カーボントレー（内径１５０ｍｍ）に塊状珪素を粉砕したもの、あるいは珪素粉末を敷き詰め、この上に炭化後の成形体を載せた。さらに、この成形体の上面にも塊状珪素を粉砕したもの、あるいは珪素粉末を載せた。
次に、Ａｒ等の不活性雰囲気、または、真空中で、１００℃／ｈの昇温速度で昇温し、１４２０℃以上１４８０℃以下の温度で加熱して、成形体の上下面に配置された珪素を溶融させ、溶融珪素を成形体に含浸させた。含浸条件を表１に示す。
次に、成形体を一旦、冷却し、十分に珪素が成形体に含浸されていることを確認した後、２００℃／ｈの昇温速度で昇温し、１５５０℃以上１６５０℃以下の温度で加熱し、焼結させた。焼結雰囲気は、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気、または、真空中とした。焼結条件を表１に示す。
このようにして、直径１２０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの繊維強化セラミックス複合材料を製造した。この繊維強化セラミックス複合材料の組成を表２に示す。含浸珪素の割合は、次式で求めた。
含浸珪素の割合［質量％］＝｛（繊維強化セラミックス複合材料質量−炭化後の成形体質量）／繊維強化セラミックス複合材料質量｝×１００
【００５０】
【表２】
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【００５１】
（評価）
耐機械的衝撃性については、上述の衝撃耐久評価装置による落重試験で評価した。上述と同様の錘を４．３７ｍの高さから自由落下させて衝突角を２０度以上で試験材に衝突させて、割れや欠けが生じているか確認した。評価結果を表３に示す。製造した繊維強化セラミックス複合材料から、縦寸法７０ｍｍ×横寸法９０ｍｍで、厚さ寸法が、２０ｍｍのサイズで切り出して試験材（以下、「切り出し試験材」という。）とした。
耐摺動摩耗性、低摩擦性および難焼き付き性については、上述の摺動摩耗試験装置による摺動磨耗試験で評価した。製造した繊維強化セラミックス複合材料から、断面形状１０ｍｍ×１０ｍｍ、長さ２０ｍｍのサイズの切り出し試験材を得た。回転体の材質をＳ４５Ｃ、Ｔｉ及びＳＵＳ３０４とし、回転体の形状をφ１００ｍｍ×幅１５ｍｍとし、押付力を４９０Ｎ(５０ｋｇｆ)とし、回転体の回転数を１０００ｒｐｍ(周速では３１２/ｍｉｎ.)とし、回転体の温度を８００℃で保持し、切り出し試験材の断面１０ｍｍ×１０ｍｍの平面を押し付けた。試験時間を１５分間とした。
切り出し試験材の摩耗長さや摩擦係数、焼付き性が調べられる高温摺動摩耗試験を行った結果を表３に示す。
【００５２】
さらに、反応焼結後の繊維強化セラミックスの破断面を立体観察可能な光学顕微鏡で観察した。その結果、２５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下で１軸方向に加圧成形した効果でＸ−Ｙ方向の２次元に束状または扁平に並べた繊維が配向していた。
また、溶融状態のシリコンが、複数の気孔や繊維の間まで入り込み、炭化珪素相を形成していることを微小領域Ｘ線回折パターン観察にて確認できた。
【００５３】
【表３】
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【００５４】
表３の結果から、実施例１〜７に示す配合および製造条件では、耐機械的衝撃、摺動摩耗性、低摩擦性、難焼付き性に優れる繊維強化セラミックス複合材料が得られていることを確認できた。したがって、実施例に係る繊維強化セラミックス複合材料は、製鉄設備部材として必要な特性を兼ね備えているということが分かった。
【符号の説明】
【００５５】
１…圧延ロール、２…サイドガイド、３，４３…基材、４，１０，４４…繊維強化セラミックス複合材料、５，４５…鋼板、１１…マトリックス相、１２…繊維、１３…開口部、１４…繊維切断部、１５…橋渡し部、２０…衝撃耐久評価装置、２１…錘、２２…試験材、３０…摺動摩耗試験装置、３１…回転体、３２…ワークコイル、３３…試験材、３４…押し付け力、４０…エプロン、４１…ランアウトテーブルロール、４２…支持台。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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