JP2018039708A - 耐熱構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】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において、局所的な冷却（又は加熱）が繰り返し加えられた場合でも、熱疲労による耐熱構造部材の大変形又は破壊を防止しうる耐熱構造部材の提供。【解決手段】耐熱金属材料１１とカーボン／カーボン材料１３からなる耐熱構造部材１０であって、耐熱金属材料１１は、外殻のシェル構造をなし、カーボン／カーボン材料１３は、外殻のシェル構造の内部に封入された芯部材を構成し、外殻のシェル構造内に、ヘリュームガスを封入した耐熱構造部材１０。好ましくは、前記シェル構造の外表面に、複数の突起１１−３が設けられており、より好ましくは、複数の突起１１−３がシェル構造の外表面に一体的に設けられた複数の円環状の突起１１−３である、耐熱構造部材１０。Ｃｏ合金、Ｎｉ合金、高Ｎｉ合金、Ｔｉ合金又はステンレス合金からなる耐熱金属材料１１である耐熱構造部材１０【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱構造部材に係るものであり、更に詳細には、高温炉内において使用する構造物を構成する耐熱構造部材に係るものである。

各種材料や製品の熱処理や表面処理には、多種多様な高温炉が使用される。 高温炉には、各種材料や製品を連続的に高温処理する連続炉や、各種材料や製品をある量まとめて同時に処理するバッチ炉などの炉があり、更には、大気中で高温処理する大気炉、炉内をガス雰囲気（窒素、水素、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気）にして高温処理する雰囲気炉、炉内を真空にして高温処理する真空炉等がある。

このような高温炉において、各種材料や製品を熱処理したり、コーティング等の表面処理を行う場合、炉内で各種材料や製品を取り扱ったり、炉内の所定空間に各種材料や製品を保持したりするために、種々の構造物が使用される。

このような構造物としては、板状のトレー、棚を構成するフレーム、梁、柱、ハンドリング用のフォーク状構造物、支柱、搬送用のローラなど多種多様な構造物が使用される。

このような構造物は、高温環境下で使用されるため、例えば、耐熱金属材料を使用して前述したような構造物を構築したとしても、温度上昇に伴う構造材料の弾性率の低下に起因して、あるいは高温クリープ等の現象に起因して、使用しているうちに構造物が大きく変形してしまい、極めて短期間で使用できなくなってしまうという問題が生じていた。

このような問題を解決するために、例えば、カーボン／カーボン材料からなる芯部材の外周をステンレス鋼の如き耐熱金属で被覆した耐熱構造部材が使用されている。
このカーボン／カーボン材は２０００℃を越える高温環境下においても強度、剛性は低下せず、常温下における強度、剛性よりも高くなるという優れた特性を有するものの７００℃程度の温度であっても酸素の存在する大気環境下では、激しく酸化消耗してしまうという特性を有している。
一方、ステンレス鋼では、９５０℃前後までの耐酸化性を有するものの約６００℃を越えると急激に強度が低下し、弾性率も温度上昇に伴って低下してくる。

従って、カーボン／カーボン材料からなる芯部材の外周をステンレス鋼の如き耐熱金属で被覆した耐熱構造部材を高温大気雰囲気中（高温の酸化性雰囲気中）で使用したとしても、ステンレス鋼が高温大気雰囲気中におけるカーボン／カーボン材料の酸化消耗を防止し、カーボン／カーボン材料が高温大気雰囲気中におけるステンレス鋼の強度低下、剛性低下を補うことができるという効果が期待される。

しかし、カーボン／カーボン材料からなる芯部材の外周をステンレス鋼の如き耐熱金属で被覆した耐熱構造部材を、例えば、高温連続炉のように高温環境であって、かつ酸化雰囲気環境で使用される搬送用ローラに適用した場合には以下に説明するような問題が生じている。

搬送用ローラは、複数の円筒状または円柱状のローラを所定間隔で並べ、これらのローラを回転させることにより、ローラの上に載置したワークを水平方向に移動させて搬送するものである。

搬送用ローラを高温連続炉の炉内で使用するような場合には、搬送ローラは常時高温連続炉の炉内に存在しているため高温状態が維持されており、搬送ローラの外周を被覆するステンレス鋼（シェル構造）の熱膨張係数が、芯部材であるカーボン／カーボン材料の熱膨張係数より大きいため、ステンレス鋼とカーボン／カーボン材料との間に隙間ができることになる。

このような状態において、高温連続炉の外部から搬送されてきたワークが搬送用ローラの上へ到達すると、ワークは比較的低温（例えば、大気温度）であるため、搬送ローラのワークとの接触部分近傍は局所的に冷却されることになる。
ステンレス鋼は比較的熱伝導率が低く、熱伝導率の高いカーボン／カーボン材料とステンレス鋼の間には隙間ができているため、シェル構造であるステンレス鋼は局所的に冷却され、シェル構造の円周方向および軸方向に大きな温度差が生じ、その結果、円筒状のシェル構造は熱変形により曲がりが生じようとする。

一方、芯部材であるカーボン／カーボン材料の熱膨張係数は、シェル構造の材料であるステンレス鋼の熱膨張係数に比べて極めて小さいため、シェル構造のように熱変形により曲がりが生じることはない。 その結果、熱変形しようとするシェル構造と熱変形しない芯部材とが互いに干渉し合うことにより、シェル構造の曲がりは芯部材によって矯正されるが、同時にシェル構造と芯部材の各々の内部に熱応力が発生する。

このように、冷えたワークによって搬送ローラが局所的に冷却される現象は、ワークが搬送ローラの上を通過する毎に生じることになり、結果的に熱疲労によりローラが大変形したり、または破壊してしまうという問題が生じていた。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、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において、局所的な冷却（または加熱）が繰り返し加えられた場合でも、熱疲労による耐熱構造部材の大変形、または破壊を防止しうる耐熱構造部材を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る発明では、
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であって、耐熱金属材料は、外殻のシェル構造をなし、カーボン／カーボン材料は、外殻のシェル構造の内部に封入された芯部材を構成し、外殻のシェル構造内に、ヘリュームガスを封入した構成の耐熱構造部材とした。

また、本発明の第２の観点に係る発明では、
第１の観点に係るは発明の耐熱構造部材において、シェル構造の外表面には、複数の突起が設けられている構成の耐熱構造部材とした。

また、本発明の第３の観点に係る発明では、第２の観点に係るは発明の耐熱構造部材において、外殻のシェル構造が円筒状をなし、複数の突起は、シェル構造の外表面に一体的に設けられた複数の円環状の突起である構成の耐熱構造部材とした。

更に、本発明の第４の観点に係る発明では、第１乃至第３のいずれかの観点に係る発明の耐熱構造部材において、耐熱金属材料は、コバルト合金、ニッケル合金、高ニッケル合金、チタン合金、ステンレス合金の中から選択されたものである構成の耐熱構造部材とした。

外殻のシェル構造内に、空気等に比べて極めて高い熱伝導率を有するヘリュームガスを封入することにより、耐熱金属材料とカーボン／カーボン材料の間の伝熱量が高まる。 この結果、熱伝導性の高いカーボン／カーボン材料によって温度が均等化され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において、局所的な冷却（または加熱）が繰り返し加えられた場合でも、局所的に生じる温度差を抑制することが可能になり、熱疲労による耐熱構造部材の大変形、または破壊を防止し、耐熱構造部材の寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。

また、シェル構造の外表面に複数の突起を設けたり、外殻のシェル構造が円筒状の場合に、複数の突起は、シェル構造の外表面に一体的に設けられた複数の円環状の突起とすることにより、耐熱構造部材とワークの間の熱の移動を低減することができるようになり、更に、局所的に生じる温度差を抑制することができ、熱疲労による耐熱構造部材の大変形、または破壊を防止し、耐熱構造部材の寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる耐熱構造部材の概要を示したものである。 図２は、本発明の第２の実施形態にかかる耐熱構造部材の概要を示したものである。 図３は、第１の実施形態にかかる耐熱構造部材の外表面に複数の円環状の突起を設けた状態を示したものである。

図に基づき、本発明に係る実施形態について説明する。 図１は、本発明の第１の実施形態にかかる耐熱構造部材１０の概要を示したものであって、図中、上の図は、第１の実施形態にかかる耐熱構造部材１０の分解斜視図を示したものであり、下の図は、第１の実施形態にかかる耐熱構造部材１０の断面図を示したものである。

第１の実施形態に係る耐熱構造部材１０は、外殻のシェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１と、同じく外殻のシェル構造を成す２つの円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２と、芯部材を成す円柱状または中空円筒状のカーボン／カーボン材料１３と、シェル構造内部に封入されるヘリュームガス（図示せず）とから構成されている。

ここで、耐熱金属材料とは、コバルト合金、ニッケル合金、高ニッケル合金、チタン合金、ステンレス合金等の耐熱性を有する金属材料を言うが、必ずしもこれらの金属材料に限定されるものではなく、使用する温度環境において使用できる程度の耐熱性を有するものであれば、ここで述べた以外の金属材料を使用することもできる。

カーボン／カーボン材料（炭素繊維強化炭素複合材料とも呼ぶ）とは、カーボン繊維（炭素繊維）をカーボン（炭素）マトリックスで固めた複合材料の総称であり、カーボン／カーボン材料の製造方法の代表的なものとして、レジンチャー法、ＣＶＤ法、プリフォームドヤーン法などがある。

例えばレジンチャー法により板状のＣ／Ｃコンポジット材を製造する場合、典型的には以下のような工程をとる。
すなわち、
（１）炭素繊維織物に熱硬化性樹脂を含浸し半硬化させてプリプレグを製造する工程、
（２）上記プリプレグを複数枚重ねて、加熱・加圧し、板状に成形する工程、
（３）上記板状成形体を加熱し炭化処理する工程、
（４）炭化処理した板状成形体にピッチ（又は樹脂）を含浸する工程、
（５）ピッチ（又は樹脂）を含浸した板状成形体を加熱し炭化処理する工程、
（６）板状成形体を更に加熱し黒鉛化処理する工程、
（７）（４）、（５）、（６）の工程を３〜４回繰り返す。
なお、本発明に使用することができるカーボン／カーボン材料１３は、ここで説明した製造方法に基づくものに限定されるものではなく、この他の種々の製造方法により製造されたカーボン／カーボン材料１３を使用することができる。

芯部材を成す円柱状または中空円筒状のカーボン／カーボン材料１３は、外殻のシェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１の中に挿入され、シェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１の両端の開口部１１−１および１１−２には、円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２が機械的に結合され、中空円筒状のカーボン／カーボン材料１３は、シェル構造の内部に封入された状態になっている。

シェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１と円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２とは、（１）ファスナーによる結合、（２）ねじ結合、（３）溶接、（４）その他の機械的な接合方法により結合されており、シェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１と円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２との接合部は、気密性を有していることが望ましい。

シェル構造内部にヘリュームガスを封入するために、ヘリュームガスが充填された空間内において、耐熱金属材料１１と円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２との溶接作業や組立作業を行うようにしても良いし、円板状の耐熱金属材料１２−１、１２−２のいずれかにチェックバルブを備えた注入口を設けておき、上記溶接作業や組立作業の後に、ヘリュームガスをシェル構造内部に注入するようにしても良い。

以上のような構成の円筒状の耐熱構造部材１０を、ワークを連続的に高温処理する連続炉の、例えば、搬送ローラとして使用したような場合、外殻のシェル構造内に、空気等に比べて極めて高い熱伝導率を有するヘリュームガスが封入されているため、耐熱金属材料とカーボン／カーボン材料の間の伝熱量が高まり、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において、ワークによって局所的な冷却が繰り返し加えられた場合でも、耐熱構造部材１０内に局所的に生じる温度差を抑制することが可能になり、熱疲労による耐熱構造部材の大変形、または破壊を防止することができ、耐熱構造部材１０の寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。

なお、本発明の第１の実施形態に係る耐熱構造部材１０としては、耐熱金属材料１１を中空円筒状、耐熱金属材料１２−１、１２−２を円板状、カーボン／カーボン材料１３を円柱状または中空円筒状として説明したが、このような形状の耐熱構造部材１０に限定されるものではない。

耐熱構造部材１０が全体として、棒状の形状を有するものであれば、本発明の第１の実施形態に係る耐熱構造部材１０として使用することができる。 例えば、耐熱構造部材１０の断面が、三角形、四角形、多角形、楕円等の任意の形状となるように、耐熱金属材料１１、１２−１、１２−２およびカーボン／カーボン材料１３の形状を設定しても良い。

次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。 図２は、本発明の第２の実施形態にかかる耐熱構造部材２０の概要を示したものであって、図中、上の図は、第２の実施形態にかかる耐熱構造部材２０の分解斜視図を示したものであり、下の図は、第２の実施形態にかかる耐熱構造部材２０の断面図を示したものである。 本発明に係る第２の実施形態については、本発明に係る第１の実施形態と異なる点についてのみ説明することとし、説明のない点については、第１の実施形態と同様である。

本発明に係る第２の実施形態の耐熱構造部材２０が第１の実施形態の耐熱構造部材１０と異なる点は、外殻のシェル構造を構成する耐熱金属材料の形状と、芯部材を構成するカーボン／カーボン材料の形状が異なっていることである。

本発明に係る第２の実施形態の耐熱構造部材２０では、耐熱金属材料は、外殻のシェル構造を成す上側プレート状の耐熱金属材料２１と、同じく外殻のシェル構造を成す下側プレート状の耐熱金属材料２２と、芯部材を構成するプレート状のカーボン／カーボン材料２３と、ヘリュームガス（図示せず）から構成されている。

そして、上側プレート状の耐熱金属材料２１、または下側プレート状の耐熱金属材料２２のいずれかに、あるいは上側プレート状の耐熱金属材料２１と下側プレート状の耐熱金属材料２２の両方にプレート状のカーボン／カーボン材料２３を封入することができる窪みを設けてある。（図２では、下側プレート状の耐熱金属材料２２に、プレート状のカーボン／カーボン材料２３を封入することができる窪みを設けてある。）

シェル構造を成す上側プレート状の耐熱金属材料２１と下側プレート状の耐熱金属材料２２とは、（１）ファスナーによる結合、（２）溶接、（３）その他の機械的な接合方法により結合されており、シェル構造を成す上側プレート状の耐熱金属材料２１と下側プレート状の耐熱金属材料２２との接合部は、気密性を有していることが望ましい。

シェル構造内部にヘリュームガスを封入するために、ヘリュームガスが充填された空間内において、上側プレート状の耐熱金属材料２１と下側プレート状の耐熱金属材料２２との溶接作業や組立作業を行うようにしても良いし、上側プレート状の耐熱金属材料２１又は下側プレート状の耐熱金属材料２２のいずれかにチェックバルブを備えた注入口を設けておき、上記溶接作業や組立作業の後に、ヘリュームガスをシェル構造内部に注入するようにしても良い。

以上のような構成の平板状の耐熱構造部材２０を、ワークを連続的に高温処理する連続炉やある程度のまとまった量のワークを同時に処理するバッチ処理炉で使用したような場合であって、高温の耐熱構造部材２０に低温（常温）のワークが繰り返し載置されるような場合、外殻のシェル構造内に、空気等に比べて極めて高い熱伝導率を有するヘリュームガスが封入されているため、耐熱金属材料とカーボン／カーボン材料の間の伝熱量が高まり、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２０において、局所的な冷却が繰り返し加えられた場合でも、耐熱構造部材２０内に局所的に生じる温度差を抑制することが可能になり、熱疲労による耐熱構造部材２０の大変形、または破壊を防止することができ、耐熱構造部材２０の寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。

次に、図３に基づき、第１の実施形態の変形例について説明する。 なお、ここで説明する変形例については、第１の実施形態のみならず、第２の実施形態においても同様に適用することができる。

図１に示す第１の実施形態では、シェル構造を成す中空円筒状の耐熱金属材料１１の外表面は平坦な曲面となっていたが、このシェル構造の外表面に複数の突起部を設けるようにしても良い。
この突起は、高温炉において耐熱構造部材１０が使用される際に、ワークとの接触部を極めて狭い範囲に限定するためのものであるため、その目的を達成できる形状、寸法であれは良い。

例えば、図３に示す変形例では、シェル構造の外表面に円環状の突起が設けられているがこのような形状の突起に限定されるものではなく、シェル構造の外表面に点状に分散した突起であっても良い。

このような突起をシェル構造の外表面に設けることにより、耐熱構造部材１０とワークの接触面を極めて小さくすることができるため、耐熱構造部材１０とワークの間の熱の移動を低減することができるようになり、局所的に生じる温度差を抑制することができ、更に、熱疲労による耐熱構造部材１０の大変形、または破壊を防止し、耐熱構造部材１０の寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。

第２の実施形態にかかる耐熱構造部材２０においても、第１の実施形態にかかる耐熱構造部材１０と同様に、シェル構造の外表面に点状に分散した突起を設けることにより、第１の実施形態にかかる耐熱構造部材１０と同様な効果を得ることができる。

１０、２０ 耐熱構造部材
１１ 中空円筒状の耐熱金属材料
１１−１、１１−２ 開口部
１１−３ 突起
１２−１、１２−２ 円板状の耐熱金属材料
１３ 円柱状または中空円筒状のカーボン／カーボン材料
２１ 上側プレート状の耐熱金属材料
２２ 下側プレート状の耐熱金属材料
２３ プレート状のカーボン／カーボン材料

Claims (4)

1. 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であって、
   耐熱金属材料は、外殻のシェル構造をなし、
   カーボン／カーボン材料は、外殻のシェル構造の内部に封入された芯部材を構成し、
   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耐熱構造部材。
   
2. 請求項１に記載の耐熱構造部材において、
   前記シェル構造の外表面には、複数の突起が設けられていることを特徴とする耐熱構造部材。
   
3. 請求項２に記載の耐熱構造部材において、
   前記外殻のシェル構造が円筒状をなし、前記複数の突起は、シェル構造の外表面に一体的に設けられた複数の円環状の突起であることを特徴とする耐熱構造部材。
   
4. 請求項１乃至３に記載の耐熱構造部材において、
   前記耐熱金属材料は、コバルト合金、ニッケル合金、高ニッケル合金、チタン合金、ステンレス合金の中から選択されたものであることを特徴とする耐熱構造部材。