JPH0156138B2

JPH0156138B2 -

Info

Publication number: JPH0156138B2
Application number: JP56162479A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sugitani; Teruo Yoshimoto; Makoto Takahashi
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1981-10-12
Filing date: 1981-10-12
Publication date: 1989-11-29
Also published as: DE3237783A1; DE3237783C2; GB2110237A; JPS5864359A; FR2514374A1; FR2514374B1; US4448749A; GB2110237B

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、耐熱鋳鋼、特に、高温クリープ破断
強度、耐熱衝撃性および耐浸炭性にすぐれた耐熱
鋳鋼に関する。従来、石油化学工業におけるエチレンクラツキ
ングチユーブ材や改質炉内のリフオーマチユーブ
材には、NiおよびCrを含む耐熱鋳鋼、代表的に
はASTM HK40材やHP材などが用いられてき
た。近年、操業の高温化に伴ない、高温特性の改
善が要求され、これに応える材料として、HP材
にNbを添加したものが開発され、実用に供され
ている。しかしながら、操業条件の一そうの苛酷
化とともに、上記Nb含有HP材よりも更に高温ク
リープ破断強度が高く、かつ耐熱衝撃性や耐浸炭
性にすぐれた材料が要請されるに及んでいる。本発明者等は、上記要請に応えるべく、Ni−
Cr−Nb−Fe系耐熱鋼について、高温特性に対す
る各種添加元素の影響に関する詳細な研究を重ね
た結果、Ｎ、Ti、AlおよびＢの各元素を複合的
に含有させることにより、高温度、特に1000℃を
こえる温度域における高温クリープ破断強度、耐
熱衝撃性並びに耐浸炭性を顕著に高め得ることを
見出し、本発明を完成するに到つた。すなわち、本発明は、C0.3〜0.6％（重量％、
以下同じ）、Si2.0％以下、Mn2.0％以下、Cr20〜
30％、Ni30〜40％、Nb0.3〜1.5％、N0.04〜0.15
％、Ti0.04〜0.5％、Al0.07％を越え、0.5％以下、
B0.0002〜0.004％、残部実質的にFeからなる耐熱
鋳鋼を提供する。以下、本発明鋳鋼の成分限定理由について詳し
く説明する。Ｃ：0.3〜0.6％Ｃは鋳鋼の鋳造性を良くするほか、後記Nbと
の共存下に一次炭化物を形成し、クリープ破断強
度の向上に寄与する。このために少くとも0.3％
を必要とする。その効果はＣ量の増加とともに高
められるが、過度に多くなると二次炭化物の過剰
析出により、使用後の靭性低下が著しくなるほ
か、溶接性も悪化するので、0.6％を上限とする。 Si：2.0％以下 Siは鋳鋼溶製時の脱酸剤としての役割を有する
ほか、耐浸炭性の改善をもたらす。ただし、多量
に含有すると溶接性を損うので、2.0％を上限と
する。 Mn：2.0％以下 Mnは上記Siと同様に脱酸剤として機能するほ
か、溶鋼中の不純物であるＳを固定・無害化する
働きを有する。但し、含有量が多くなると、耐酸
化性の低下を招くので、2.0％以下とする。 Cr：20〜30％ Crは後記Niとの共存下に、鋳鋼組織をオース
テナイト化し、高温強度や耐酸化性を高める効果
を有する。特に、1000℃以上の高温域で所要の強
度、耐酸化性を得るための含有量は少くとも20％
であることを要する。上記効果は含有量の増加と
ともに強化されるが、あまり多くなると、使用後
の靭性の低下が著しくなるので、30％を上限とす
る。 Ni：30〜40％ Niは上記のように、Crと共存してオーステナ
イト組織を保ち、その組織的安定性を与え、耐酸
化性および高温強度を確保するのに有効な元素で
ある。1000℃以上の高温度域で良好なる耐酸化性
および高温強度を得るためには、30％以上の含有
を要する。上記特性は含有量の増加とともに向上
するが、40％をこえると、添加効果がほぼ飽和
し、経済的に不利であるので、40％を上限とす
る。 Nb：0.3〜1.5％ Nbはクリープ破断強度および耐浸炭性を高め
る。この効果を得るためには0.3％以上の含有を
必要とする。但し、その量が多くなると、かえつ
てクリープ破断強度が低下しはじめるので、1.5
％を上限とする。なお、Nbは、通常これと同効
元素であるTaを随伴するので、その場合はTaと
の合計量が0.3〜1.5％であればよい。本発明鋳鋼は、上記諸元素とともに、下記のご
とくＮ、Ti、AlおよびＢの各元素を複合的に含
有する点に最大の特徴を有する。この複合添加に
よつて、高温特性の顕著な向上をもたらし、とり
わけ1000℃をこえる高温使用において、すぐれた
クリープ破断強度、耐熱衝撃性および耐浸炭性等
を具備するものとなるのである。すなわち、Ti
はＣ、Ｎと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を
形成し、ＢおよびAlはこれら化合物を微細に分
散析出させて結晶粒界を強化し、耐粒界割れ性を
高めることにより、高温強度、就中クリープ破断
強度、高温熱衝撃特性、長時間クリープ破断強度
の顕著な向上をもたらすのである。また、本発明
合金からなる部材、例えば石油化学工業用クラツ
キングチユーブ等の反応管は、その高温実使用に
おいてAlが表面に拡散・濃化し、そこに耐浸炭
性を有するAlの酸化皮膜が形成される。このAl
の表面への拡散は、Tiの共存によつて促進され、
また、Ｂの存在もAlの拡散濃化を促進し、Alの
酸化皮膜を緻密化することによりその浸炭防止能
をより強く確実なものとする働きを有する。Ｎ：0.04〜0.15％Ｎは固溶窒素の形態でオーステナイト相を安
定・強化するとともに、Ti等と窒化物、炭窒化
物の形成に関与し、この化合物が、前記のように
Al、Ｂとの共存下に微細に分散析出することに
よつて、結晶粒が微細化し、粒成長が阻止され、
クリープ破断強度や耐熱衝撃性が高められる。こ
の効果を十分なものとするため、その含有量は好
ましくは0.04％以上とする。但し、あまり多くな
ると、窒化物、炭窒化物の過剰の析出、粗大化を
招き、かえつて耐熱衝撃性が低下するので、0.15
％を上限とするのが好ましい。 Ti：0.04〜0.5％ Tiは上記のように炭窒化物等の形成により高
温強度、耐熱衝撃性に寄与するほか、特にAlと
の相剰効果によつて耐浸炭性を強化する。Tiの
耐浸炭性強化は、Tiが上記のようにＮと結合し、
AlとＮとの結合を抑制する結果、表面のAl酸化
皮膜を形成するための遊離のAlの拡散・濃化が
促進されることによる。これらの効果を発揮させ
るため、その含有量は好ましくは0.04％以上とす
る。含有量の増加とともに、クリープ破断強度、
耐浸炭性等が高められるが、あまり多くなると、
析出物の粗大化、酸化物系介在物量の増加を招
き、特に0.5％をこえると、クリープ破断強度、
耐熱衝撃性等の著しい低下をみる。よつて、0.5
％以下とし、強度を重視するときは、0.15％を上
限とするのが好ましい。 Al：0.07％を越え、0.5％以下 Alはクリープ破断強度向上効果以外に、上記
したごとくTiとの共存により耐浸炭性の顕著な
改善効果を有する。クリープ破断強度向上のみを
期待するときは、その含有量を0.02〜0.07％に限
定するのが好ましいが、特に耐浸炭性の改善を目
的の一つとする本発明では、耐浸炭性を十分なも
のとするために、その含有量を少くとも0.07％を
こえる量とする。含有量の増加とともに、強度は
やや低下するが、耐浸炭性はさらに強化される。
しかし0.5％をこえると、クリープ破断強度や耐
熱衝撃性が著しく低くなるので上限を0.5％とす
る。なお、TiおよびAl含有材を浸炭試験後、
EPMA（Ｘ線マイクロアナライザー）に付すと、
試験片表層部にAlリツチ層の存在が認められる。
このAlの酸化膜層が強力な浸炭防止効果を有し
ているのである。Ｂ：0.0002〜0.004％Ｂは結晶粒界の強化のほか、前記Ti化合物を
微細析出させるとともに、析出後の凝集粗大化を
遅らせることにより、クリープ破断強度の向上に
寄与する。また、Ｂは、表面へのAlの拡散・濃
化を促進し、表面に形成されるAlの酸化皮膜を
緻密化する作用を有する。このために、含有量は
0.0002％以上であることが望ましい。ただし、あ
まり多くなつても、それほど強度向上はすすま
ず、かえつて溶接性の低下を招くので、好ましく
は0.004％を上限とする。Ｐ、Ｓその他鋼の溶製時に不可避的に混入する
不純物は、この種の鋼に通常許容される範囲であ
れば存在してもかまわない。次に、本発明鋳鋼について実施例を挙げて具体
的に説明する。実施例高周波溶解炉（大気中）で鋳鋼を溶製し、遠心
鋳造法により管材（外径136mm×肉厚20mm×長さ
500mm）を得た。各供試材の化学成分組成を第１
表に示す。供試材No.１〜10は本発明鋳鋼、No.101
〜109は比較材である。比較材のうち、No.101は
Nbを含むHP材（Ｎ、Ti、Al、Ｂのいづれも含
まない）、No.102〜105はＮ、Ti、AlおよびＢをす
べて含むが、TiまたはAl量が本発明の規定から
逸脱するものである。更に、No.106はＮ量が本発
明規定の下限値からはずれている例、No.107は本
発明の必須元素であるAlとＢを欠いている例、
No.108は同じく必須元素であるＢを欠いている例、
No.109は同じく必須元素であるAlを欠いている例
である。各供試材より試験片を採取し、クリープ破断強
度、耐熱衝撃性、及び耐浸炭性を測定した。その
結果を第２表に示す。なお、各試験要領は次のと
おりである。〔〕クリープ破断試験 JIS Z2272の規定による。但し、(A)温度1093
℃・荷重1.9Kgｆ／mm²および(B)温度850℃・荷重
7.3Kgｆ／mm²の２通りの条件で行なつた。〔〕耐熱衝撃性試験第１図に示す形状・寸法の試片（厚さ８mm）
を、温度900℃に加熱保持（保持時間30分）し
たのち水冷する操作を繰返し、この操作を10回
行なうごとに試片に発生したクラツクの長さを
測定する。耐熱衝撃性は該クラツク長が５mmに
達したときの繰返し回数で評価した。第２表
中、「耐熱衝撃性」欄の数値はその回数である。
むろん、回数の多い程、耐熱衝撃性にすぐれる
ことを意味する。〔〕耐浸炭性試験試片（直径12mm×長さ60mm）を固体浸炭剤
（デグサKG30、BaCO₃含有）中、温度1100℃
で300Hr保持したのち、試片の表面から深さ１
mmまでの層および１〜２mmの層よりそれぞれ切
粉を採取し、Ｃ量分析を行ない、増加Ｃ量
（wt％）を求めた。表中、「耐浸炭性」欄の数
値は該増加Ｃ量である。Ｃ量増加の少いほど、
耐浸炭性にすぐれることは言うまでもない。

【表】

【表】第２表に示されるように、本発明鋳鋼（No.１〜
10）は、従来材のなかでも高温クリープ破断強度
がすぐれるとされているNb含有HP材（供試材No.
101）およびその他の比較材にくらべ、卓越した
高温クリープ破断強度を備えており、特に1000℃
をこえる温度域においても高度のクリープ破断強
度を維持する。また、本発明鋳鋼は、耐熱衝撃性
についても従来材を凌駕する。更に浸炭試験にお
けるＣ量増加は従来材の半分ないしそれ以下であ
り、その高度の耐浸炭性も本発明鋳鋼を特徴づけ
る材料特性の一つであることがわかる。一方、比
較例No.102〜109についてみると、Ti量が不足す
るNo.102では、高温クリープ特性が劣るうえに、
TiによるAlの耐浸炭性改善効果が不十分であり、
逆に過剰のTiを含むNo.103では、TiとAlとの共存
による耐浸炭性改善効果は十分であるが、その反
面Tiの析出物（炭化物、窒化物等）や酸化物系
介在物の増加に因り、却つて高温クリープ特性お
よび熱衝撃特性が低下している。Alの不足する
No.104では、浸炭抵抗が低く、著しい浸炭が生じ
ており、逆に過剰のAlを含むNo.105では、耐浸炭
性は十分であるものの、高温クリープ特性、熱衝
撃特性のいずれにも劣つている。また、Ｎの不足
するNo.106は、適量のTi、Al、Ｂを含有している
にも拘らず、高温クリープ特性および熱衝撃性の
いずれも低位にとどまつている。更に、Ti、Ｎを適量含有しているがAlおよび
Ｂを含まないNo.107、Ti、Al、Ｎを適量含むがＢ
を含まないNo.108は、またTi、Ｂ、Ｎを適量含む
がAlを含まないNo.109は、いずれも耐浸炭性に問
題があり（それらの浸炭量は、従来材であるNb
含有HP材（No.101）よりも多い）、かつ高温クリ
ープ特性、耐熱衝撃性も低く、本発明例のすぐれ
た材料特性にとうてい及ばない。これらの比較例
No.107〜109は、Al、Ｂのいずれか一方または両
者を欠いている代わりに、Ｗ、Mo、RE（希土類
元素）、Zr等が添加されているが、耐浸炭性、高
温クリープ特性、耐熱衝撃性等の点で、Ti−Al
−Ｂ−Ｎの組合わせにおけるAlやＢの複合添加
の代用とはなり得ないことがわかる。上記の結果から、Cr−Ni−Nb−Fe系耐熱鋳鋼
におけるTi−Al−Ｂ−Ｎの複合添加効果が明ら
かであり、Ti、Al、ＢおよびＮの４元素の適量
を同時添加することにより、耐浸炭性、高温クリ
ープ特性および熱衝撃特性を大きく改善すること
ができ、いずれかの１つの元素が欠ける場合はも
ちろん、その量に過不足があつても、４元素の有
機的な相剰作用効果が得られないことがわかる。以上のように、本発明に係る耐熱鋳鋼は、従来
のNb含有HP材などに比し、高温特性、就中高温
クリープ破断強度、耐熱衝撃性、並びに耐浸炭性
等にすぐれており、石油化学工業におけるエチレ
ンクラツキングチユーブや改質炉内のリフオーマ
チユーブをはじめとして、鉄鋼関連設備における
ハースロールやラジアントチユーブなど、1000℃
をこえる高温域で使用される各種設備部材の好適
な材料として供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は耐熱衝撃性試験片の形状寸法説明図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

１ C0.3〜0.6％、Si2.0％以下、Mn2.0％以下、
Cr20〜30％、Ni30〜40％、Nb0.3〜1.5％、N0.04
〜0.15％、Ti0.04〜0.5％、Al0.07％を越え、0.5
％以下、B0.0002〜0.004％、残部実質的にFeから
なる耐熱鋳鋼。