(57)【要約】【課題】溶融ガラスに対する耐食性および耐熱疲労割れ性に優れ、高温クリ−プ破断強度の大きいガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金およびこの材料からなるスピナ−を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．３〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ｍｎ：０〜１％、Ｎｉ：１５〜２５％、Ｃｒ：２５〜３５％、Ｃｏ：２５〜４０％、Ｗ：５〜８％ならびにＢ：０．０２〜０．１％を含有し、残りが不可避不純物から構成する。【選択図】　図１
2004099968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ　：　０．３〜０．８％
Ｓｉ：　０．２〜３％
Ｍｎ：　０〜１％
Ｎｉ：１５〜２５％
Ｃｒ：２５〜３５％
Ｃｏ：２５〜４０％
Ｗ　：　５〜８％、ならびに、
Ｂ　：　０．０２〜０．１％を含有し、残りが不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有することを特徴とするガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金。
【請求項２】
Ｃ　：　０．３〜０．８％
Ｓｉ：　０．２〜３％
Ｍｎ：　０〜１％
Ｎｉ：１５〜２５％
Ｃｒ：２５〜３５％
Ｃｏ：２５〜４０％
Ｗ　：　５〜８％
Ｂ　：　０．０２〜０．１％、ならびに、
ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種：０．５〜２％を含有し、残りが不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有することを特徴とするガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金。
【請求項３】
Ｃ　：　０．３〜０．８％
Ｓｉ：　０．２〜３％
Ｍｎ：　０〜１％
Ｎｉ：１５〜２５％
Ｃｒ：２５〜３５％
Ｃｏ：２５〜４０％
Ｂ　：　０．０２〜０．１％、ならびに、
ＷおよびＭｏのうちの１種または２種：５〜１０％を含有し、残りが不可避不純物からなる組成（以上重量％）有することを特徴とするガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金。
【請求項４】
Ｃ　：　０．３〜０．８％
Ｓｉ：　０．２〜３％
Ｍｎ：　０〜１％
Ｎｉ：１５〜２５％
Ｃｒ：２５〜３５％
Ｃｏ：２５〜４０％
Ｗ　：　５〜８％
Ｂ　：　０．０２〜０．１％
ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種：０．５〜２％、ならびに、
ＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種：０．３〜１％を含有し、残りが不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有することを特徴とするガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金。
【請求項５】
溶融ガラスが押し出される多数の微小穴が形成されている周壁部と、該周壁部の下端部から半径内方へ所定量だけ延びている下方フランジ部と、前記周壁部の上端部から半径内方へ所定量だけ延びている上方フランジ部とから略ドーナツ状を呈するように構成されている回転子からなり、該回転子は回転軸に着脱自在に取り付けられるように、そして溶融ガラスはその上方から供給されるようになっているスピナーであって、
該スピナーは、請求項１〜４のいずれかの項に記載の耐熱合金から製造されていることを特徴とするガラス繊維成形用スピナ−。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融ガラスが押し出される多数の微小穴が形成されている周壁部を有するスピナー用の耐熱合金およびスピナーに関するもので、特にガラス繊維成形用スピナ−に適した耐熱合金およびこの耐熱合金で製造されるスピナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
断熱吸音材の素材となるガラス繊維いわゆるガラスウールは、一般に回転子すなわちスピナ−により成形されている。スピナー１は、図１の（イ）に示されているように、溶融ガラスが押し出される多数の微小穴２、２…が形成されている周壁部３と、この周壁部３の下端部から半径内方へ延びている下方フランジ部４と、周壁部３の上端部から同様に半径内方へ延びている上方フランジ部５とから、略ドーナツ状を呈するように構成されている。下方フランジ部４は、中心部に向かって緩やかに下り勾配に傾斜した傾斜フランジ部と、この傾斜フランジ部から水平方向に所定量だけ延びている水平フランジ部７とからなっている。水平フランジ部７の内側には、所定広さの円形空間８が形成されている。一方、上方フランジ部５は、中心部に向かって緩やかに登り勾配に傾斜し、そしてその内側に比較的大きな円形空間９が形成されている。上記のように構成されているスピナー１は、一般に耐熱合金から鋳造により製造されている。
【０００３】
垂直方向に支持され、そして２０００〜３０００ｒ．ｐ．ｍて回転駆動される回転軸１０の下端部には、フランジ１１が一体的に設けられている。このフランジ１１は、スピナー１の水平フランジ部７よりも所定量だけ大きい。また、このフランジ１１と対をなす取付けフランジ１２が用意されている。したがって、スピナー１の水平フランジ部７を、回転軸１０のフランジ１１と取付けフランジ１２とにより上下から挟み、そして複数本のボルト・ナット１３、１３、…を締め付けることにより、スピナー１が回転軸１０に着脱自在に取り付けられる。溶融ガラスをスピナー１内へ供給するための溶融ガラス供給管１５は、上方から円形空間９を通って下方に延び、その下端部は水平フランジ部７の近くに開口している。
【０００４】
したがって、回転軸１０を２０００ｒ．ｐ．ｍ程度あるいはこれ以上の高速で回転駆動すると共に、ガラス供給管１５から例えば１１００℃程度の高温の溶融ガラスを供給すると、供給された溶融ガラスは、遠心力により周壁部３の方へ押し付けられ、そして多数の微小穴３、３、…から外部へ押し出される。押し出される溶融ガラスは、従来周知のように、固化すると共に所定長さに切断されてガラス繊維となる。
【０００５】
ガラス繊維は上記のように過酷な条件下で形成されているので、スピナ−１には高温かつ高速回転に耐える高温強度、特に高温クリ−プ破断強度が要求される。また、溶融ガラスが微小穴２、２、…を通過するので、耐食性および耐摩耗性が必要である。さらに、溶融ガラスと直接接触しない箇所例えば上方フランジ部５が、高温酸化され酸化スケ−ルが生じると、脱落し溶融ガラスに混入するので、これをさけるために高温における耐酸化性も要求される。最近では、顧客により要求される断熱吸音材の仕様が異なり、これに対応してガラス繊維の仕様を変えるために、穴径や穴数の異なる他のスピナ−が短時間で交換された後、再び使用される。そのため、加熱および冷却が一つのスピナーに対して１０回以上繰返されることが多く、熱疲労により割れが発生しやすくなり、耐熱疲労割れ性も要求される。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６２−５４３８７号公報
【特許文献２】特公昭６３−６４５１２号公報
【０００７】
このような要求を満たす合金としてＣｏを基本元素としたスピナ−用Ｃｏ基耐熱合金が、特許文献１等により多数提案されている。この耐熱合金は高温強度に優れているが、溶融ガラスに対する耐食性が過酷な使用条件では不十分である。従来のＣｏ基耐熱合金の顕微鏡組織写真（２００倍）を下記に示す。
2004099968.tif 000003
上記写真において、塊状部分がＷに富んだ炭化物で、その中は縞模様を示しており、溶融ガラスに対する耐食性および耐熱疲労割れ性を低下させる要因となっている。
【０００８】
そこで、Ｎｉを基本元素としたスピナ−用合金が、例えば特許文献２により提案されている。このＮｉ基耐熱合金は、溶融ガラスに対する耐食性が優れ、かつＣｏ基耐熱合金と比べてコストメリットがあるが、高温強度、特にクリ−プ破断強度が不十分である。また、高温強度を重視するためにＣ含有量を高くすることにより、耐熱疲労割れ性が低下することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにスピナ−用合金には、高温クリ−プ破断強度、溶融ガラスに対する耐食性及び耐摩耗性等が要求されるが、Ｎｉ基耐熱合金はＮｉを基本元素としているので、溶融ガラスに対する耐食性は優れている。また、Ｃｏ基耐熱合金に比較して安価に提供できる利点もある。しかしながら、従来のＮｉ基耐熱合金は、高温クリ−プ破断強度に欠点があり、ガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金としては必ずしも満足できるものではない。
したがって、本発明は、溶融ガラスに対する耐食性に優れ、高温クリ−プ破断強度にも優れ、さらに耐熱疲労割れ性を具備しており、しかも上記従来のＣｏ基耐熱合金より安価なガラス繊維成形スピナ−用合金を提供することを目的としている。また、溶融ガラスに対する耐食性に優れ、高温クリ−プ破断強度にも優れ、さらには耐熱疲労割れ性も向上したガラス繊維成形スピナ−を提供することも目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、種々のＣｏ基耐熱合金を検討した結果、重量％でＢを０．０２〜０．１％添加し、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ等の主要元素の含有量を調整することによって、高温クリ−プ破断強度および耐溶融ガラス侵食性が大幅に向上することを見出した。すなわち、高温クリ−プ破断強度、溶融ガラスに対する耐食性および耐摩耗性、高温における耐酸化性ならびに耐熱疲労割れ性を具備した合金を開発すべく研究を行った結果、重量％で、
Ｃ　：　０．３〜０．８％
Ｓｉ：　２〜３％
Ｍｎ：　０〜１％
Ｎｉ：１５〜２５％
Ｃｒ：２５〜３５％
Ｃｏ：２５〜４０％
Ｗ　：　５〜８％、ならびに、
Ｂ：　　０．０２〜０．１％を含有し、残りが不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有する耐熱合金は、優れた高温クリ−プ破断強度を有するばかりでなく、対溶融ガラス耐食性および高温での耐酸化性を具備し、この耐熱合金をガラス繊維成形用スピナ−の製造に用いた場合、優れた性能を長期間に亘って発揮するという知見を得た。その顕微鏡組織写真（２００倍）を下記に示す。
2004099968.tif 000004
上記写真において、Ｂ無添加の従来材料に存在していたＷに富んだ塊状炭化物は、Ｂに富んだ析出物を形成し、粒内に分散することによって、溶融ガラスに対する耐食性およびクリ−プ破断強度が大幅に改善されていることが分かる。
【０００１１】
また、必要に応じて、ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種を０．５〜２％、ＷおよびＭｏのうちの１種または２種を５〜１０％、ＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種を０．３〜１％を、適宜選択して１種または２種以上含有させても同様な性能の耐熱合金が得られた。
【００１２】
以下に成分組成範囲を上記のように限定した理由について説明する。
Ｃ（炭素）：Ｃは素地に固溶するほか、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒなどと炭化物を形成して、高温強度や溶融ガラスに対する耐摩耗性を向上させるが、その含有量が重量％で０．３％未満では前記作用に所望の効果が得られず、これに対して０．８％を越えると、靭性および耐熱疲労割れ性を低下させ、溶融ガラスに対する耐食性も低下させるので、その含有量を０．３〜０．８％と定めた。しかしながら、高温強度や耐摩耗性の向上に重点を置くときは０．５〜０．８％が望ましい。
【００１３】
Ｓｉ（ケイ素）：Ｓｉは合金の脱酸調整用に添加され、高温での耐酸化性および高温強度を向上させるが、その含有量が重量％で０．２％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方３％を越えると、靭性を低下させるので、その含有量の範囲を０．２〜３％と定めた。
【００１４】
Ｍｎ（マンガン）：Ｍｎは必要に応じて脱酸調整用に添加されるが、その含有量が１％を越えると、合金の対溶融ガラス耐食性および高温での耐酸化性を低下させるので、その含有量の上限を１％と定めた。
【００１５】
Ｎｉ（ニッケル）：ＮｉはＣｏ，Ｃｒとともに本発明合金の基本元素であり、所望の高温強度および溶融ガラスに対する耐食性を得るために不可欠な元素であるが、高温強度はＣｏの方が効果が大であるために、その成分範囲を１５〜２５％と定めた。
【００１６】
Ｃｒ（クロム）：Ｃｒは素地に固溶するほか、Ｃと結合して炭化物を形成し高温強度や溶融ガラスに対する耐摩耗性を向上させるが、その含有量が重量％で２５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、３５％を越えると、靭性を急激に低下させるので、その含有量を２５〜３５％と定めた。
【００１７】
Ｃｏ（コバルト）：ＣｏはＮｉと同様に素地に固溶し、高温強度特に高温クリ−プ破断強度を向上させるとともに、溶融ガラスに対する耐食性および耐摩耗性を向上させるが、その含有量が重量％で２５％未満では前記作用の所望の効果が得られず、一方、４０％を越えても、上記性状の一層の向上は現れず、Ｃｏは高価で製造コストを高くするので、その含有量を２５〜４０％に定めた。
Ｗ（タングステン）：Ｗは素地に固溶するほか、Ｃと結合して炭化物を形成し、高温強度および溶融ガラスに対する耐摩耗性を向上させる作用がある。しかし、第１図のように、Ｗ炭化物は塊状になりやすく、この塊状物が溶融ガラスに対する耐食性および耐熱衝撃性を低下させる要因となっている。これに対して、第２図のようにＢを添加することによりＷは粒状のホウ化物となり、それらの欠点が解消される。この状況がＷの含有量が５％未満では前記作用の所望の効果が認められず、一方、８％を越えると、溶融ガラスに対する耐食性および耐熱疲労割れ性が低下するので、その含有量を５〜８％と定めた。
【００１８】
Ｂ（ホウ素）：Ｂは結晶粒界を強化し、Ｗと結合して粒状のホウ化物を形成して高温強度特にクリ−プ破断強度を著しく向上させるだけでなく、溶融ガラスに対する耐食性および耐摩耗性を向上させる作用があり、本発明での不可欠元素である。この含有量が０．０２％未満では前記作用の所望の効果が認められず、一方、０．１％を越えると、靭性および耐熱疲労割れ性が低下するので、その含有量を０．０２〜０．１％と定めた。
【００１９】
Ｎｂ（ニオブ）およびＴａ（タンタル）：これらの元素はＣと結合して炭化物を形成し、高温強度、溶融ガラスに対する耐食性および高温での耐酸化性を向上させるが、ＮｂおよびＴａのうち１種または合計量が重量％で０．５％未満では前記作用の所望の効果が認められず、一方２％を越えて含有させても一層の向上はないので、その含有量を０．５〜２％と定めた。
【００２０】
Ｍｏ（モリブデン）：ＭｏはＷと同様に高温強度および溶融ガラスに対する耐摩耗性を向上させる。Ｗとの複合添加により効果を一層高めるが、Ｍｏ＋Ｗの含有量が重量％で５％未満では、前記作用の所望の効果が認められず、一方、１０％を越えると、溶融ガラスに対する耐食性および耐熱衝撃性が低下するので、その含有量を５〜１０％と定めた。
【００２１】
Ｔｉ（チタン）およびＺｒ（ジルコニウム）：これらの成分は、Ｃと結合して高融点炭化物を形成し、高温強度、溶融ガラスに対する耐食性および高温での耐酸化性を向上させるが、その含有量が重量％で０．３％未満では前記作用の所望の効果が認められず、一方、１％を越えて含有させても一層の向上は現れないので、その含有量を０．３〜１％と定めた。
【００２２】
【実施例】
本発明に係るＣｏ基耐熱合金を実施例により具体的に説明する。第１表に示される化学組成を持った本実施例発明合金Ｎｏ．１〜１２を、そして第２表に示す従来の合金Ｎｏ１’〜４’および比較例合金Ｎｏ１”〜８”を高周波誘導炉にて溶製し、ロストワックス精密鋳造法により、ＪＩＳ　Ｇ５１２２のＢ号試験片素材に鋳造した。
【００２３】
【第１表】
2004099968.tif 000005
【第２表】
2004099968.tif 000006
【００２４】
（イ）この試験片素材によりクリ−プ破断試験片を削り出し、大気中で１０００℃に加熱し、５６．９Ｎ／ｍｍ２の負荷応力の条件下でクリ−プ破断試験を行い、破断寿命を測定し、高温クリ−プ破断強度の指標とした。
（ロ）上記Ｂ号試験片素材より、図１の（ロ）に示す直径２５ｍｍ×高さ７ｍｍの寸法で、直径１３ｍｍの穴を明けた偏芯リング状試験片を削り出し、大気中で１０００℃に２０分加熱した後に１分水冷する試験を繰返し、割れが発生するまでの回数を測定し、耐熱疲労割れ性の指標とした。
（ハ）Ｂ号試験片素材より、直径２５ｍｍ×高さ１０ｍｍの寸法の試験片を削り出し、大気中で１１００℃に２０時間加熱した後、脱スケ−ルして、この試験を２０回繰返した後の酸化減量を測定し、高温における耐酸化性の指標とした。
（ニ）さらに、溶融ガラスに対する耐食性を評価するために、上記Ｂ号試験片素材から、長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を削り出し、この試験片を１１００℃の溶融ガラス中に吊して長さ（深さ）５０ｍｍ浸漬し、１０秒後に１０ｍｍ上方に移動（引き上げ）して１０秒間保持した後、元に戻す動作を繰返し、１００時間まで行い、付着したガラスおよび酸化スケ−ルを除去した後に、マイクロメ−タで肉厚測定した。肉厚の減少量を算出し、１年間当たりの侵食量（ｍｍ／ｙｅａｒ）に換算した値で比較した。
【００２５】
（ホ）第１表および第２表に示す耐熱合金のそれぞれについて、図１の（イ）に示されているようなスピナーにおいて、その直径が３００ｍｍ、周壁部３の肉厚が４〜５ｍｍ、周壁部３の高さが８４ｍｍのスピナ−をロストワックス精密鋳造法で鋳造し、機械加工を行って周壁部３に１３，６８０個の微小穴２、２、…を開けた。このスピナ−をガラス繊維の繊維化装置に取付けて使用して、実際の溶融ガラスの繊維化における耐用時間を測定した。この試験条件は、スピナ−の回転数３，０００ｒ．ｐ．ｍ、溶融ガラスの温度１１００℃、溶融ガラスの供給量５００ｋｇ／時間とした。耐用時間の測定においては、４８時間ごと、または製造品種替えの際にスピナ−の穴径および外観のチェックを行い、次の何れかに該当する場合にスピナ−の使用を中止し、使用開始から中止までの時間を寿命とした。
ｉ）　最上段の穴の直径が、初期の直径の１．７５倍を越えた時。
ｉｉ）スピナ−のどこかに割れまたは長さ５ｃｍ以上のひびが見つかった時。
また、スピナ−の使用を中止した後、周壁部が膨出した寸法を測定し、変形状況を確認した。
【００２６】
上記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の測定結果を下記の第３表に示す。また、上記（ホ）の測定結果を下記の第４表に示す。
【第３表】
2004099968.tif 000007
【第４表】
2004099968.tif 000008
【００２７】
第３表に示されているように、本発明耐熱合金Ｎｏ１〜１２はいずれも従来のＣｏ基合金Ｎｏ．１’、Ｎｏ．２’と耐熱疲労割れ性は同等であるが、高温クリ−プ破断強度、高温での耐酸化性および溶融ガラスに対する耐食性はより優れている。また、従来のＮｉ基合金Ｎｏ．３’、Ｎｏ．４’に比べて耐熱疲労割れ性がやや劣るが、高温クリ−プ破断強度、高温での耐酸化性および溶融ガラスに対する耐食性は優れており、特に高温クリ−プ破断強度は著しく優れている。比較合金Ｎｏ．１”〜Ｎｏ．８”に見られるように、構成成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れると、高温強度、耐熱疲労割れ性、耐酸化性、溶融ガラスに対する耐食性のうち少なくとも、いずれかの特性が劣るようになることも明らかである。
【００２８】
また、第４表に示されているように、本発明の耐熱合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２は、いずれもスピナ−での実機使用で割れや周壁部の大きな変形もなく、約３００時間の寿命であるのに対して、従来合金Ｎｏ．１’〜Ｎｏ．４’は大きな変形あるいは割れ発生のためにいずれも２００時間以下の寿命である。また、比較例合金Ｎｏ．１”〜Ｎｏ．８”の場合は、大きな変形あるいは割れの発生のために、いずれも短命であることが分かる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るガラス繊維成形スピナ−用耐熱合金は、高温クリ−プ破断強度、高温における耐酸化性、溶融ガラスに対する耐食性および耐摩耗性に優れており、さらに、耐熱疲労割れ性にも優れている。また、本発明に係るガラス繊維成形用スピナ−は、高温クリ−プ破断強度、高温における耐酸化性、溶融ガラスに対する耐食性および耐摩耗性に優れており、さらに、耐熱疲労割れ性にも優れている合金から製造されているので、長期に亘って優れた性能を発揮する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】その（イ）は、ガラス繊維成形用スピナ−を、一部断面にして示す正面図であり、その（ロ）は本発明の実施例に供した試験片を示す正面図と側面図である。
【符号の説明】
１　　　スピナー　　　　　　　　２　　微小穴
３　　　周壁部　　　　　　　　１０　　回転軸
１５　　　溶融ガラス供給管
【図１】
2004099968.tif 000009