(57)【要約】【課題】  １２００℃以上といった高温環境を与える加熱炉内において、被加熱材の下に介挿されて使用されるスキッドのような大なる荷重を支える炉内用耐荷重支持部材を提供する。【解決手段】  高温環境を与える加熱炉内において大なる荷重を支える加熱炉用Ｃｏ被覆耐荷重支持部材である。質量％で、Ｃｒ：１５〜４５％、Ｗ：１３〜２０％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物を含む合金からなる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温環境を与える加熱炉内において大なる荷重を支える耐荷重支持部材であって、
質量％で、Ｃｒ：１５〜４５％、Ｗ：１３〜２０％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物を含む合金からなることを特徴とする加熱炉用Ｃｏ被覆耐荷重支持部材。
【請求項２】
使用時において、主としてＣｒからなるＣｒ酸化物層の表面を覆うようにして、主としてＣｏからなるＣｏ酸化物層が形成されていくことを特徴とする請求項１記載の加熱炉用Ｃｏ被覆耐荷重支持部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉内において被加熱材の下に介挿されて使用されるスキッドの如き大なる荷重を支える耐荷重支持部材に関し、特に１２００℃以上といった高温環境を与える加熱炉内において繰り返し使用できる加熱炉用Ｃｏ被覆耐荷重支持部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
加熱炉内において被加熱材である金属塊のような重量物を炉床から離間させて均熱を与えるためにスキッドが用いられている。例えば、１２００℃以上といった高温環境を与える加熱炉内では、炉床近くでも１１００℃以上の高温に達し、スキッドには、かかる高温でも重量物からの荷重に耐えるだけの高い高温圧縮強度と、使用中の酸化による劣化に対する高い耐酸化性が求められる。
【０００３】
例えば、特許文献１乃至３では、従来の２７Ｃｒ−４０Ｃｏ−１７Ｎｉ−Ｆｅ、３０Ｃｒ−１０Ｃｏ−２５Ｎｉ−ＦｅなどのＣｒ、Ｃｏ及びＮｉなどを含む耐熱合金鋼からなるスキッドでは、高温圧縮強度や耐クリープ性、耐酸化性が不十分であることを述べた上で、Ｃｒの鋳造性及び耐酸化性を改善するＮｉを高濃度で含むＣｒ基合金からなるスキッドを開示している。かかるスキッドは、１３００℃以上における高温圧縮強度、耐クリープ性及び耐酸化性に優れ、鋳造性が良く生産性にも優れると述べている。詳細には、Ｎｉを添加することで、（１）Ｃｒの延性脆性遷移温度を下げて靱性を高め、（２）脆い金属間化合物からなるσ相を析出させるＣｏやＦｅのような添加元素を抑制してσ相に起因する脆化を防止するとともに（α＋γ）二相組織を与え、（３）蒸気圧の高いＣｒ酸化物被膜の形成を抑制させその一方で母材との密着性が良好なＮｉ酸化物被膜を形成させて高温酸化による表面剥離などを防止するものである。
【０００４】
特許文献１でも述べられているように、Ｃｒ酸化物被膜は蒸気圧が高く高温環境下で不安定であるため、Ｃｒ基合金だけでなく、他の合金系の耐熱合金、例えば、Ｃｏ基合金からなるスキッドも知られている。
【０００５】
例えば、特許文献４では、従来のＣｏ基耐熱合金からなるスキッドでは、Ｃｒの粒状炭化物が表面より脱離しやすく、１１００〜１１５０℃の温度で高温耐摩耗性及び高温靭性が十分でなく使用寿命が短かった、と述べている。その上で、鋳造によりＣｏ基合金中にＣｒの炭化物を整列した状態で析出させた一方向共晶炭化物相組織を与えたスキッドを開示している。このような組織を与える合金の成分組成の１つとして、質量％で、Ｃｒ：１５〜７０％、Ｃ：０．３〜６．０％、残部Ｃｏからなる成分を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２９３３７６号公報
【特許文献２】特開平１１−２９３３７７号公報
【特許文献３】特開平１１−２９３３７８号公報
【特許文献４】特開平９−２４１７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、Ｃｒ基耐熱合金からなるスキッドにおいて、スキッドの表面に脆いＣｒ酸化物被膜が厚くできてしまうと、スキッドの繰り返しの使用により表面の剥離が進み、大きく減肉してしまう。また、Ｃｏ基耐熱合金からなるスキッドにおいて、Ｃｒ酸化物皮膜ほどの表面の剥離は少ないものの、特に高温靭性が十分ではなく変形などを生じやすかった。すなわち、繰り返しの使用寿命に対する信頼性が低かった。
【０００８】
また、特許文献１乃至４に開示の鋳造により製造されるスキッドでは、鋳造欠陥などの鋳造加工特有の欠陥が含まれるため、耐衝撃性が低く、繰り返しの使用に対する信頼性が低かった。一方、鍛造材を切削加工できれば、このような欠陥などを防止できるが、一般的にＣｒやＣｏを多く含むＣｒ基耐熱合金やＣｏ基耐熱合金は切削加工性が低かった。
【０００９】
さらに、加熱炉内では多くの耐荷重支持部材が使用されており、これらにはスキッドと共通して上記したような高い高温圧縮強度や靱性、耐酸化性が求められている。かかる各種耐荷重支持部材においても、目的に合わせて切削加工によりその所与の形状を成形加工できることが望まれる。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、特に１２００℃以上といった高温環境を与える加熱炉内において、被加熱材の下に介挿されて使用されるスキッドのような大なる荷重を支える炉内用耐荷重支持部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
高温環境を与える加熱炉内、特に１２００℃以上の加熱炉内では、Ｃｒの耐酸化性が高く、Ｃｒ酸化物被膜を耐荷重支持部材の表面に与えることが好ましい。その一方、上記したように繰り返しの使用において、かかる皮膜は剥離を生じやすい。これに対して、本発明者は、Ｃｒ酸化物被膜の表面をＣｏ酸化物皮膜で覆ってＣｒ酸化物被膜の剥離を防止できることを見い出した。しかしながら、Ｃｏ酸化物皮膜／Ｃｒ酸化物被膜の複層を表面に有するような材料では切削加工が非常に困難でもあった。
【００１２】
そこで、本発明による加熱炉用Ｃｏ被覆耐荷重支持部材は、高温環境を与える加熱炉内において大なる荷重を支える加熱炉用耐荷重支持部材であって、質量％で、Ｃｒ：１５〜４５％、Ｗ：１３〜２０％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物を含む合金からなることを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、切削加工時には切削加工性に優れるＣｏ基合金でありながら、高温環境を与える加熱炉内の使用時にあっては、高い高温圧縮強度や靱性を有するとともに、Ｃｒ酸化物被膜がこのＣｏ基合金を覆い耐酸化性を高めるのである。これに加え、Ｃｒ酸化物被膜の粒界から外表面に向けてＣｏが移動し、Ｃｒ酸化物被膜をＣｏ酸化物皮膜が覆ってＣｒ酸化物被膜の剥離を防止するのである。つまり、一種のスマート材料であり、高温環境を与える加熱炉内での繰り返し使用に対する信頼性が高いのである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるＣｏ被覆耐荷重支持部材の断面図である。
【図２】本発明によるＣｏ被覆耐荷重支持部材の要部の使用時の変化を示す拡大断面図である。
【図３】本発明によるＣｏ被覆耐荷重支持部材のＣｒ及びＷの組成成分と機械的特性のマトリクス図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明による１つの実施例である加熱炉内で使用されるスキッド（炉床材）について、図１及び図２に従ってその詳細を説明する。
【００１６】
図１に示すように、スキッド１は、水冷されたスキッドパイプ１２を跨ぐようにしてその上に載置され、側部に肉盛り部１０を与えるようにしてスキッドパイプ１２に肉盛り溶接されて固定される。スキッド１は、上方に向けて凸部１ａを有し、その頂部に鋼材１１を載せこれを支持する。つまり、特に凸部１ａには鋼材１１の荷重が負荷される故、座屈してしまわないだけの機械強度が必要とされる。
【００１７】
スキッド１は、典型的には、２０％Ｃｒ−１５％Ｗ−Ｃｏの成分組成を有するＣｏ基合金を鍛造により粗成形した後、上記したような形状に切削加工して与えられる。かかる成分組成の合金の１０００℃以上での高温圧縮強度及び靱性を大幅に低減することなく、後述するＣｒ酸化物のＣｏ被覆による保護効果を与え、且つ、切削加工性を十分に与えるには、やはり後述するように、質量％で、Ｃｒを１５〜４５％、Ｗを１３〜２０％の範囲で含むＣｏ基合金であることが必要である。
【００１８】
ここで、スキッド１を加熱炉内で使用したときの変化について、図２に従ってその詳細を説明する。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、切削加工直後のスキッド１は、表層近傍も含めてＣｏ基地中にＣｒ及びＷを完全に固溶させたほぼ一様な固溶体からなる素地２である。このようなスキッド１は、１０００℃以上、典型的には、１２５０℃以上の加熱炉内で被加熱材である鋼材１１を炉床から離間させて支持できるように配置される。すなわち、スキッド１は鋼材１１からの荷重を受ける。また、鋼材１１を鍛造加工等するためにこれを加熱炉から取り出すときや、加工を終了したときには、スキッド１の上から鋼材１１が取り除かれ、荷重が除去される。そして、次の加工のために、スキッド１の上に鋼材１１が配置されると、再度、鋼材１１からの荷重を受ける。
【００２０】
一方、加熱炉内において、スキッド１は徐々に酸化を受ける。初期には、主に粒界に沿って素地２の内部へ拡散した酸素によって、粒界を中心としてＣｒ酸化物が形成される。その後、粒内にもＣｒ酸化物が形成される。すなわち、スキッド１の内部にＣｒ酸化物が網目状に分布し、やがて一面にＣｒ酸化物が観察されるようになる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、さらに酸化が進むと、スキッド１の表層近傍に層状にＣｒ酸化物が分布し、Ｃｒ酸化物被膜３が形成される。
【００２２】
図１（ｃ）に示すように、やがてＣｒ酸化物被膜３の粒界５からＣｏ原子が表面に向けて拡散し、最表面においてＣｏ酸化物を膜状に形成していく。なお、Ｃｒ酸化物被膜３の粒界５に沿ってＣｏ（又はＣｏ酸化物）が高い濃度で分布していることも観察された。かかるＣｒ酸化物被膜３の粒界やこれに生じたヒートクラックの如き亀裂を埋めるようにＣｏ（又はＣｏ酸化物）が形成されることでＣｒ酸化物被膜３及びＣｏ酸化物被膜４は被膜全体として緻密な被膜となる。
【００２３】
従来、Ｃｒ酸化物被膜３を表面に形成したスキッド１は耐酸化性には優れるもの、Ｃｒ酸化物被膜３は硬く延性に乏しいため剥離しやすく、酸化による減肉を増長してしまうことがあった。一方、Ｃｏ酸化物被膜４でＣｒ酸化物被膜３を覆ったスキッド１では、Ｃｒ酸化物被膜３の剥離を延性に富むＣｏ酸化物被膜４が保護するのである。
【００２４】
以上のように、Ｃｒ酸化物被膜３によってスキッド１の酸化による劣化を低減するとともに、延性の高いＣｏ酸化物被膜４でＣｒ酸化物被膜３を覆うことでこの剥離を防止する。つまり、スキッド１は加熱炉用耐荷重支持部材として長い寿命を有する。しかも、スキッド１において、このようなＣｒ酸化物被膜３とＣｏ酸化物被膜４との複層は使用中に自己形成され、特別な加工工程が不要である。
【００２５】
すなわち、スキッド１は、切削加工時には切削加工性に優れるＣｏ基合金でありながら、高温環境を与える加熱炉内の使用時にあっては、高い高温圧縮強度や靱性を有するとともに、Ｃｒ酸化物被膜３がこのＣｏ基合金を覆い耐酸化性を高め、さらに、Ｃｒ酸化物被膜３の粒界から外表面に向けてＣｏが移動し、Ｃｒ酸化物被膜３をＣｏ酸化物皮膜４が覆ってＣｒ酸化物被膜の剥離を防止するのである。
【００２６】
本発明者は、上記したようなＣｏ酸化物被膜４でＣｒ酸化物被膜３を覆うメカニズムを与え得る成分組成について調査した。その結果、上記した２０％Ｃｒ−１５％Ｗ−Ｃｏの成分組成について、Ｃｒ及びＷの添加量を変化させても同様のメカニズムを得られることが分かった。
【００２７】
図３に示すように、マトリクス中の黒丸印は諸特性の不十分なことを、また白丸印は諸特性に優れることを示している。Ｗの添加が質量％で２０％を超すと切削加工性を大幅に低下させ、その一方、逆に１３％以下であると、高温強度が不十分になった。また、Ｃｒの添加量が質量％で４５％を超えるとＣｏ酸化物被膜４によるＣｒ酸化物被膜４の形成が不十分になり、一方、逆に１３％以下であると耐酸化性に依存する高温強度が不十分になった。つまり、Ｃｏ基合金は、質量％で、Ｃｒ：１５〜４５％、Ｗ：１３〜２０％、残部Ｃｏ及び不可避的不純物を含むことが必要である。
【００２８】
ここまで本発明による代表的実施例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。すなわち、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００２９】
１    スキッド
２    素地
３    Ｃｒ酸化物被膜
４    Ｃｏ酸化物被膜
１１  鋼材
１２  スキッドパイプ
【図１】
2012046793.tif 000002
【図２】
2012046793.tif 000003
【図３】
2012046793.tif 000004