JPH022943B2

JPH022943B2 -

Info

Publication number: JPH022943B2
Application number: JP2250584A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takahashi
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1984-02-08
Filing date: 1984-02-08
Publication date: 1990-01-19
Also published as: JPS60165346A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、石油化学工業において反応管等に使
用する耐熱鋳造合金、例えばエチレン分解炉用反
応管に用いる耐熱鋳造合金に関し、更に詳述すれ
ば高温クリープ破断強度が大きく、耐浸炭性に優
れ、しかも溶接性も良好な低炭素耐熱鋳造合金に
関する。従来、上記反応管等に用いる材料としてNiや
Crを含む耐熱鋳鋼、例えば、ASTM HK40材
（0.4C―25Cr―20Ni―残Fe）や0.1C―20Cr―
32Ni―1Nb鋼が使用されている。このうち、HK40材は、700〜1000℃の温度範
囲で使用されるのが一般である。その理由は、鋳
造時にオーステナイト中へ固溶する素材中のＣが
高温加熱されるとCrと結合し、微細なカーバイ
ドとして分散析出し、更に長時間加熱保持される
と上記カーバイドは成長粗大化する結果、その状
態でのクリープ破断強度は、短時間側データから
直線的に外挿した値より低下するからである。また0.1C―20Cr―32Ni―1Nb鋼は、クリープ
破断強度を向上させるＣの含有量が少ないにも拘
らず、950℃以下の温度領域にてHK40材とほぼ
同等のクリープ破断強度を有する。これは、上記
合金がNbを含有しているため、鋳造凝固時にNb
とＣとが結合して粒界にNbCが析出し、高温ク
リープ破壊を進展させると考えられている粒界ボ
イドの生成及びその成長合体を上記NbCが遅延
させるからである。しかし、かかる効果は950℃
以下の温度領域では顕著であるが、950℃以上の
高温になると認められなくなる。従つて0.1C―
20Cr―32Ni―1Nb鋼も、前記HK40材と同様、高
温領域ではクリープ破断強度が低下する。また上述した如き耐熱鋳鋼は、いずれも1050℃
を越えた温度領域で耐浸炭性が劣るという欠点も
有している。従つて石油化学工業において反応管等に使用さ
れる耐熱鋳造合金としては、高温領域におけるク
リープ破断強度が大きく、耐浸炭性に優れた材料
の開発が望まれている。更に石油化学工業において、リフオーマーチユ
ーブ等の反応管を組み立てるべく連続配管する場
合には、TIG溶接、MIG溶接、被覆アーク溶接
等のアーク溶接が用いられるので、上記反応管等
に使用される耐熱鋳造合金としては良好な溶接性
も要求される。本発明は、かかる要求を充足する低炭素の耐熱
鋳造合金を開発した結果、得られたものであり、
高温領域におけるクリープ破断強度が大きく、耐
浸炭性に優れ、しかも溶接性も良好な耐熱鋳造合
金を提供することを目的とする。本発明に係る高クリープ破断強度の耐浸炭性耐
熱鋳造合金は、Ｃ：0.07〜0.25％、Si：3.0％以
下、Mn：2.0％以下、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03
％以下、Cr：18.0〜27.0％、Ni：20.0〜40.0％、
Nb：0.3〜1.8％、Ｗ：0.3〜4.0％、Al：0.02〜0.4
％、Ｂ：0.0005〜0.01％を含有する上、Zr：0.02
〜0.5％及び／又はTi：0.02〜0.5％を含有し、残
部が実質的にFeである。次に上記本発明鋳造合金の成分限定理由につい
て詳述する。Ｃ：0.07〜0.25％ＣはNbと結合して粒界に共晶カーバイドを生
成し、粒界破壊抵抗を高める結果、クリープ破断
強度を高める。このためには、特に700℃以上に
おける高クリープ破断強度を得るためには、少な
くとも0.07％を必要とする。一方、Ｃが0.25％を
越えるとクリープ破断強度向上への寄与は少なく
なる上、Crカーバイドの析出による脆化の方が
大きくなるので、その上限は0.55％とした。 Si：3.0％以下溶解原材料から少量混入するSiは、溶鋼の流動
性を高めて鋳造性を向上させる上、脱酸効果を高
めるので有効な元素である。しかし、3.0％を越
えるとクリープ破断強度に悪影響を及ぼすので、
その上限を3.0％とした。 Mn：2.0％以下 Mnは溶湯の脱酸を行い、溶湯中の不純物元素
Ｓを固定して溶接時の高温割れを防止する元素と
して有効である。しかし、2.0％を越えて含有さ
せてその添加量の割には効果が小さいので、その
上限を2.0％とした。Ｐ：0.03％以下Ｐの含有量が0.03％を越えると、溶接時の高温
割れ感受性を著しく高めるため、その上限は0.03
％とした。Ｓ：0.03％以下ＳもＰと同様、その含有量が0.03％を越える
と、溶接時の高温割れ感受性を著しく高めるた
め、その上限を0.03％とした。 Cr：18.0〜27.0％使用下限温度：700℃の状態から材料に耐酸化
性、高温強度を与えるためには、Crを少なくと
も18.0％含有させる必要がある。更に18.0％を越
えて含有させる場合、その増加量と共に耐酸化性
及び高温強度が向上するが、27.0％を越えると、
低温域（900℃以下）において組織的に不安定と
なり、Crカーバイド析出による脆化が著しくな
るため、その上限は27.0％とした。 Ni：20.0〜40.0％ NiはCr、Feと共にオーステナイト相を形成し、
オーステナイトを安定化させる元素である上、耐
酸化性を向上させ、高温強度を高める元素であ
る。700℃以上の温度領域において、上記耐酸化
性、高温強度を向上させるためには、Niは少な
くとも20.0％は必要である。Niを20.0％以上含有
させた場合、その含有量の増加に伴い、耐酸化
性、耐浸炭性は向上し、高温領域における組織
（特にカーバイドの凝集度合）を安定化させる。
しかし、40.0％を越えて含有させても高温強度に
対する顕著な効果がないため、その上限は40.0％
とした。 Nb：0.3〜1.8％ Nbは前述した通り、鋳造凝固時にＣと結合し、
NbCを生成する。結晶粒界に晶出したNbCは、
クリープ破壊抵抗を増大させる結果、クリープ破
断強度が増大する。その効果はNbの含有量が0.3
％程度から認められるので、その下限を0.3％と
した。上記クリープ破断強度は、短時間での調査
結果から、Nb含有量が1.8％を越えるとその効果
が小さくなることが判明した。従つてその上限は
1.8％とした。また凝固時にNbCが晶出すること
によつてオーステナイト中の過飽和のＣを減量さ
せるため、高温加熱後のCrカーバイドの析出が
少なくなり、オーステナイトの高温変形態が増大
するという効果もある。Ｗ：0.3〜4.0％Ｗはオーステナイト中に固溶し、固溶強化効果
がある。その効果は、Ｗが0.3％程度含有される
状態から認められ、その含有量の増加と共に大き
くなる。しかし、その含有量が4.0％を越えると
硬化して低温域での延性が小さくなり、加工性、
溶接性も悪化する。従つてＷは0.3〜4.0％とし
た。 Al：0.02〜0.4％ Alのクリープ破断強度向上に対する効果は小
さく、むしろAlが約0.4％を越えると室温におけ
る延性に対して悪影響を及ぼすので、Alの上限
は0.4％以下とした。一方、Alが0.02％以上含有
されると、高温に加熱された状態にて表面皮膜を
生成し、浸炭雰囲気中のＣの拡散を防止するた
め、耐浸炭性が向上する。従つてその下限は0.02
％とした。Ｂ：0.0005〜0.01％Ｂはオーステナイト中に生成する二次炭化物の
成長を抑制し、クリープ破断強度向上に寄与す
る。その効果は0.0005％から認められるが、0.01
％を越えると溶接性に悪影響を及ぼすので、
0.0005〜0.01％をＢの許容範囲とした。次にZrとTiについて述べる。Zrはその増加と
共にクリープ破断強度が向上する。一方、Tiは
再加熱によつてオーステナイト中に生成するCr
カーバイドの成長粗大化を遅延させ、クリープ破
断強度を向上させる。いずれの元素も、0.02〜
0.5％含有されていると上記クリープ破断強度の
向上効果が認められる。従つて本発明に係る鋳造
合金は、Zr：0.02〜0.5％及び／又はTi：0.02〜
0.5％を含有させることとした。以下、実施例によつて本発明を具体的に説明す
る。高周波誘導溶解炉を用い、第１表に示す如き成
分組成を有する鋳鋼を各種溶製した。第１表中、
No.１〜No.３は本発明材に相当し、各種試験用素材
として溶製したものであり、またNo.４は本発明材
に相当するが、溶接用フイラーワイヤ調製用素材
として溶製したものである。更に第１表中、No.11
及びNo.12は従来材に相当し、各試験用素材として
溶製したものであり、またNo.13は従来材に相当す
るが、溶接用フイラーワイヤ調製用素材として溶
製したものである。上記鋳鋼に遠心力鋳造を付して外径138mm×肉
厚23.5mm×長さ520mmの鋳鋼管を得、夫々から試
験片を調製し、クリープ破断強度試験及び耐浸炭
性試験を行つた。上記クリープ破断試験は、本発
明材と従来材とを比較すること、及び本発明材の
溶接性を検討するために溶接母材と溶接継手部と
を比較することの二つの目的の下に実施した。なお、上記溶接継手を得るための溶接法として
は、手動TIG溶接（下向き溶接）を用いた。即
ち、第１表のNo.３又はNo.11からなる母材に所定の
開先加工（開先角：20゜）を施し、該母材を突き
合わせた上、第１表のNo.４又はNo.13からなる材料
を切り出して伸展せしめたフイラーワイヤを用い
て所定の溶接条件（溶接電流：90〜150A、溶接
電圧：14〜18V、溶接速度：5.3〜7.5ｍ／分）に
て手動TIG溶接を行い、上記溶接継手を得た。クリープ破断試験は、JIS Ｚ 2272の規定に基
づいて行つた（試験温度：982℃）。また耐浸炭性
試験としては、試片（直径12mm×長さ60mm）を固
定浸炭剤（デグサKG30）中に温度1050℃で300
時間保持した後、試片表面から0.25mmピツチで切
粉を採取して化学分析を行い、表面から１mmの位
置における炭素増量を求め、これによつて耐浸炭
性を評価する方法を用いた。各試験結果を第１図（従来材のクリープ破断特
性）、第２図（本発明材のクリープ破断特性）、第
３図（本発明材溶接継手部のクリープ破断特性）、
第２表（耐浸炭性比較試験結果）に示す。なお、
第１図には従来材溶接継手部のクリープ破断特性
も併せて図示した。

【表】

【表】該試験結果より、従来材の長時間側のクリープ
破断強度は短時間側データから直線的に外挿した
値より低下している（第１図参照）にも拘らず、
本発明材の長時間側のクリープ破断強度は従来材
のように低下していない（第２図参照）ことが分
かる。また従来材の溶接継手部は母材に比して約
10％の強度低下を示しているが（第１図参照）、
本発明材の溶接継手部は母材と同等の強度を有し
ており、本発明材の溶接性が良好なことが分かつ
た。更に耐浸炭性に関しても本発明材は、表面か
ら１mmの位置における炭素増量が、従来材に比し
て50％以下となつており（第２表参照）、大幅に
耐浸炭性が改良されていることが分かつた。以上詳述したように、本発明の耐熱鋳造合金は
従来のNiやCrを含む耐熱鋳鋼等に比し、高温領
域におけるクリープ破断強度が大きく、耐浸炭性
に優れ、しかも溶接性も良好な材料であるので、
石油化学工業において用いられるリフオーマーチ
ユーブ、クラツキングチユーブの材料として最適
である。また各種鉄鋼関連設備部材、例えばハー
スローラ、熱処理用トレイ等の材料としても極め
て有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来材のクリープ破断特性を示すグラ
フ、第２図は本発明材のクリープ破断特性を示す
グラフ、第３図は本発明材の溶接継手部のクリー
プ破断特性を母材と比較して示したグラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

１Ｃ：0.07〜0.25％、Si：3.0％以下、Mn：2.0
％以下、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Cr：
18.0〜27.0％、Ni：20.0〜40.0％、Nb：0.3〜1.8
％、Ｗ：0.3〜4.0％、Al：0.02〜0.4％、Ｂ：
0.0005〜0.01％を含有する上、Zr：0.02〜0.5％及
び／又はTi：0.02〜0.5％を含有し、残部が実質
的にFeである高クリープ破断強度の耐浸炭性耐
熱鋳造合金。