JPH03238169A

JPH03238169A - 高温装置用材料の接合方法

Info

Publication number: JPH03238169A
Application number: JP3321890A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ogawa; 和博小川; Yuichi Komizo; 裕一小溝
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1991-10-23
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JP2819729B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エチレン製造装置等の高温で運転される装置
に用いられる高温装置用材料の接合方法に関する。

（従来の技術〕火力、原子力発電や化学プラントなどでは、高温で運転
される装置が多く、そのような高温装置に用いられる材
料には、耐水蒸気酸化特性、耐高温腐食特性などの耐食
性、高温強度、クリープ破断強度、疲労強度などの機械
的特性といった、多岐にわたる性能が要求される・。な
かでも、エチレン製造装置のクランキングチューブは、
使用温度が８００℃以上の超高温であることから、その
材料には、特に優れたクリープ破断強度が要求される。

エチレン製造装置のクランキングチューブに従来より多
用されている材料は、高炭素Ｃｒ−Ｎｉ鋼（例えば０．
４％Ｃ−２５％Ｃｒ−２０％Ｎｉ）よりなる遠心鋳造管
である。これは、材料組織が鋳造組織であるために、粗
粒で且つ共晶炭化物による強化を受け、特に高いクリー
プ破断強度を示すことによる。また、最近は、遠心鋳造
管と同等強度を有する押出法による鍛伸管も開発されて
いる。例えば、会社技報「住友金属、３２　（１９８０
）」には、低Ｃ化により最終固溶化熱処理時に完全固溶
化を図って粗粒化を促進すると共に、共晶炭化物による
強度低下をＴｉ、Ａｆｆｉ、Ｂ、Ｚｒ。

ＭＯなどの添加で補うことにより、鋳伸管に遠心鋳造管
と同等強度を与え得ることが報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような高温装置用材料は、従来は溶接で接合されて
いる。しかし、高炭素材料であったり、多数の添加元素
を含む材料であったりするために、溶接割れ感受性が大
きく、かつ溶接継手の高温強度が低下するのを避は得な
い。このため、溶接入熱量を抑えたＴＩＧ溶接が多用さ
れているが、それでも溶接割れ防止は完全でなく、溶接
能率も低い。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもので、高能率で
、しかも高温装置用材料として要求される性能接合部に
与え得る高温装置用材料の接合方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

鋼材の接合方法として、その突合せ部をインサート材に
より溶融拡散接合する方法は公知である。

この方法は、突合せ部間に挟んだインサート材を溶融さ
せるだけで、突合せ部を接合でき、溶接入熱量を抑えた
ＴＩＧ溶接よりも総して高能率である。しかし、高温装
置用材料の場合は、インサート材を溶融させる温度が高
いと、溶接の場合と同様の高温割れが接合部に生じるの
で、拡散接合でも高温割れを防止することは容易でない
。また、接合部に高温装置用材料として要求される耐食
性、機械的特性を与えることも、使用温度が高くなるほ
ど難しくなる。

本発明者らは、斯かる難点を解消するべく、種々の実験
結果を行った結果、高温装置用材料、特に７００℃以上
の高温で使用される材料の拡散接合について次の知見を
得た。

高温装置用材料を拡散接合した場合の高温割れを防止す
るためには、インサート材の溶融温度を１１５０℃以下
に抑える必要があり、そのようなインサート材はＳｉ、
Ｂの１種以上の添加により得られる。Ｓｉ、Ｂの１種以
上の添加と合せてＣｒＭｏをインサート材に添加してお
くと、接合層の耐高温酸化性、高温強度が著しく改善さ
れる。これらの元素は１２０秒以上の加熱時間で十分に
拡散し、その効力を発揮する。インサート材は界面の密
着性を確保するために、ある程度の厚みを必要とするが
、厚くなりすぎると、接合層におけるクリープ破断強度
、耐高温酸化性が低下する。

本発明は、斯かる知見に基づきなされたもので、重量％
で、Ｃ：ｏ、ｏ７〜０．５％、５ｉｌｌ〜２．５％、Ｍｎ：
０．１〜１．５％、　Ｎｉ：２０〜４５％、Ｃｒ：２２
〜３０％と、更に必要に応じて、Ｍｏ　：　１．８〜２．２％、Ｔｉ：０．２〜０．８％
、Ｂ　：　０．００２〜０．００７％、Ｚ　ｒ　：　０
．０１〜０．０５％の１種または２種以上を含み、残部
がＦｅと不可避的不純物からなる高温装置用材料の相互
突合せ部に、重量％で、Ｓｉ　：８％以下、Ｂ：４％以下の１種以上、Ｃｒ：５
〜４０％と、更に必要に応じてＭｏ：１０％以下を含み、残部が
Ｆｅおよび／またはＮｉと不可避的不純物からなる融点
１１５０℃以下、厚さ１０〜８０μｍのインサート材を
介在させ、酸素量が２００ｐｐｍ以下の雰囲気中におい
てその突合せ部を０．５〜２１＜ｇ　ｆ　／　ｍａ　ｔ
の圧力で加圧しながら２〜２０ｋＨｚの高周波電源にて
１１５０〜１２５０℃の温度に１２０秒以上誘導加熱し
、前記インサート材を溶融させることを特徴とする高温
装置用材料の接合方法を要旨とする。

（作　　用〕以下に本発明の接合方法における要件限界理由を述べる
。なお、％は特にことわりのない限り重量％を表わす。

被盪番桂粧被接合材料は下記成分を有する高温装置用鋼材とする。

Ｃ：強度確保のために０．０７％以上が必要である。し
かし、０．５％を超えると、炭化物析出による脆化が問
題になる。従って、Ｃは０．０７〜０．５％とした。

Ｓｉ：耐高温酸化性および耐浸炭性の確保のために１％
以上とする。しかし、２．５％を超えると、低融点共晶
による熱間加工時の割れが生じるので、２．５％以下と
した。

Ｍｎ：脱酸元素であり、０．１％を必要とするが、多く
なくと熱間加工性確保が困難になるので、上限を１．５
％とした。

Ｎｉ：高温でのオーステナイト相の安定性を確保するた
めに２０％以上とした。しかし、コスト増を避けるため
に４５％を上限とした。

Ｃｒ：耐高温酸化性の確保に有効な元素であり、２２％
以上でその効果を享受できる。しかし、３０％を超える
と熱間加工性の確保が困難になる。

従って、Ｃｒは２２〜３０％とした。

Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ、Ｚｒ　：いずれもクリープ強度の確保
に有効な元素であり、Ｍｏ、ＴｉおよびＺｒは粒界強化
により、またＢは延性向上によりクリープ強度を向上さ
せる。ただし、その有効性は元素によって異なる。また
、いずれの元素も多量に含有されると熱間加工性が悪化
する。こうしたことからＭｏは１．８〜２．２％、Ｔｉ
は０．２〜０．８％、Ｂは０．００２〜０．００７％、
Ｚｒは０．０１〜０．０５％とした。

上記成分組成になる高温装置用材料は、押出法による鍛
伸管にあっても、遠心鋳造管と同等強度を示し、特に７
００　℃以上で使用された場合にも、高温装置用材料と
して必要な耐食性および機械的強度を発揮する。

±ｌ斐二上社接合に使用するインサート材は、下記成分組成を有し、
なおかつ融点が１１５０℃以下でなければならない。イ
ンサート材の融点が１１５０℃を超えると、接合時の材
料加熱温度が高くなり、高温割れ゛の危険性が生しる。

Ｓｉ、Ｂ：インサート材の融点を低下させるために１種
以上が必須であり、融点が１１５０℃以下になるように
下限が調整される。これらの元素は、被接合材に拡散し
やす（、接合層への残留による脆化を生じ難い利点もあ
る。しかし、多量に含有されると接合層の脆化を四止し
得なくなる。

従って、Ｓｉは８％以下、Ｂは４％以下どした。

Ｓｉ、Ｂは融点を降下させるために添加するが、単独添
加よりも複合して添加した方がより好ましいＣｒ：接合層の耐高温酸化性を確保するが、５％未満で
はその効果がなく、４０％を超えると接合層に脆化が生
じる。従って、Ｃｒは５〜４０％とした。

Ｍｏ：接合層の耐食性、高温強度を向上させるために必
要に応して含有されるが、多量に含有されると接合層の
脆化を生じるので、含有させる場合は１０％以下とする
。

インサート材はＮｉ基、Ｆｅ基のいずれでもよく、また
Ｆｅ、Ｎｉを複合して添加したものでもよいが、接合層
の耐食性はＮｉ基もしくはＮｉ量の多い方が優れる。イ
ンサート材の組織は非晶質が望ましい。これは上記成分
系では、非晶質とすることによってインサー）・材の取
り扱いが容易になる他、製造も容易で低コストになる。

インサート材の厚さをＩｏ〜８０１１ｍとしたのは、１
０μｍ未満では接合面に存在する凹凸が吸収できないた
めに界面密着性が確保されず、８０μｍを超えると、短
時間の接合で必要な接合層のクリープ強度および耐高温
酸化性を確保できないからである。すなわち、インサー
ト材が厚くなると、短時間の接合ではインサート材が十
分に拡散せず、接合層に残留したＳｉ、Ｂが脆化を引き
起こす。

接合時の条件接合時の条件では、接合雰囲気の酸素量、接合温度、加
圧力、接合時間および電源周波数が重要であり、これら
を規定した。

接合雰囲気の酸素量：接合界面での酸化による接合強度
低下を防止するために、接合雰囲気の酸素量を抑制する
必要があり、これが２００ｐｐｍを超えると酸化による
接合強度低下が生じる。

接合温度：接合温度が１１５０℃未満ではインサート材
を溶融させ得ない場合があり、またインサート材を溶融
させることができてもインサート材中の融点降下元素（
Ｓｉ、Ｂ）の被接合材への拡散が不足したり、その所要
時間が長くなって非能率となる。逆に、接合温度が高く
なり過ぎると、高温割れの危険性が生しると共に、接合
層近傍の結晶粒が粗大化して強度低下を生じる。このよ
うな観点から、接合温度は１１５０〜１２５０℃とした
。

加圧カニ接合面に加える圧力は、接合界面の密着性確保
のために０．５　ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”以上が必要であ
るが、２　ｋｇ　ｆ　７ｍｍ”を超えると接合部の変形
が顕著になる。従って、加圧力は０．５〜２　ｋｇ　ｆ
　／Ｍ２とした。

接合時間：接合界面を密着させると共に、融点降下元素
（Ｂ、Ｓｉ）を十分に拡散させて接合層の強度、耐食性
を確保するために、１２０秒以上を必要とする。接合時
間の上限は特に定めないが、接合、拡散が充分に促進さ
れさえすれば短時間の方が経済的である。

電源周波数：高周波誘導加熱は接合界面近傍を外部から
簡単に加熱し得るが、電源周波数が２ｋＨｚ未満では加
熱効率が低く、不経済であり、２１２ＯｋＨｚを超えると、表皮効果が顕著になるために、例
えば被接合材が管の場合にはインサート材の均一加熱溶
融が困難になる。従って、電源周波数は２〜２０ｋＨｚ
とした。

［実施例］次に本発明の実施例を述べる。

化学成分を第１表に示す６種類のオーステナイト系高温
用鋼よりなる外径６０ｍｍ、肉厚７ｍの押出鍛伸管につ
き、第１図に示すように、シールドチャンバーを兼ねる
加熱コイフレ１内で管２ａ、２ｂの端面間にインサート
材を挟んだ状態で、管２ａ、２ｂを相互に突合せてクラ
ンプ３ａ、３ｂにより固定した。

６種類の押出鍛伸管はいずれも使用温度が７００℃以上
である。インサート材１よ、溶湯を回転ロール表面に噴
出して急冷凝固させることにより薄帯化したアモルファ
ス箔を用い、′その成分組成は第２表に示す７種類であ
る。

管２ａ、２ｂをクランプした後は、管２ａ、２ｂ内とシ
ールドチャンバーを兼ねる加熱コイル１内とにＮ２ガス
を流して雰囲気調整（酸素量１５０ｐｐｍ）を行った状
態で、加熱コイルｌを高周波電源４により駆動して突合
せ部を加熱した。突合せ部の加熱により管２ａ、２ｂが
軸方向に伸びて接合面に加圧力が付与される。加圧力は
、熱膨張による反力をクランプ３ａ、３ｂで逃がすこと
により調節し、接合温度は、高周波電源４の操作により
調節した。

こうして管１ａ、ｌｂを接合した後、その接合部の健全
性を側曲げ試験とクリープ試験とにより評価した。側曲
げ試験では、第２図に示す試験片に対して、曲げ半径が
板厚の２倍の１８０度曲げを行い、割れ発生の有無を調
査した。クリープ試験では、試験に供した押出鍛伸管の
材質に対応して第３表に示す試験条件を設定し、その条
件下でのクリープ破断時間を調査した。これらの調査結
果を接合条件とともに第４表に示す。側曲げ試験結果は
○（割れなし）、×（割れ有り）で表わし、クリープ破
断時間は同一試験で母材が示したクリープ破断時間との
比で表わしている。

ｌ５第第表第表第４表に示されるように、本発明の接合方法による場合
には、側曲げ試験では接合部に割れは生じなかった。ま
た、その接合部は母材の８０％以上のクリープ破断時間
を示し、優れた高温強度を有することが確認された。こ
れに対し、比較例Ｂ１では、インサート材の組成が適正
であるにもかかわらず、その厚みが過大であるために、
クリープ強度が低下した。Ｂ２．Ｂ３およびＢ６では接
合温度、接合時間および加圧力がそれぞれ不足するため
に、他の条件が適正であるにもかかわらず、いずれも接
合不良になった。Ｂ４．ＢＴではインサート材の融点が
高く、接合温度が１２００℃ではインサート材が十分溶
融拡散しないため側曲げ試験で割れを発生しくＢ４）、
インサート材を溶融させるに充分な温度に材料を加熱し
た場合は、溶接高温割れが母材（熱影響部）に発生した
（Ｂ１）。Ｂ５ではインサート材の融点は低いもののＣ
ｒ量が少ないために、接合はされてもクリープ試験では
高温酸化により短時間で破断が生じた。

高周波数のＢ８では表皮効果により管内面まで十分加熱
されないため側曲げ試験にて割れが生じた。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の接合方法は高
温装置用材料を拡散接合により高能率に接合し得、しか
もその接合部に高温装置用材料として必要な耐食性およ
び機械的特性を付与し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いた接合装置の模式図、
第２図は側曲げ試験片の形状説明図、第３図は孔食試験
片の形状説明図である。図中、ｌ：加熱コイル、２ａ、２ｂ：管、３ａ、３ｂ：
クランプ、４：高周波電源。８９

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ：０．０７〜０．５％、Ｓｉ：１〜２．５％、Ｍｎ：
０．１〜１．５％、Ｎｉ：２０〜４５％、Ｃｒ：２２〜
３０％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物からなる高温装置
用材料の相互突合せ部に、重量％で、Ｓｉ：８％以下、
Ｂ：４％以下の１種以上、Ｃｒ：５〜４０％を含み、残部がＦｅおよび／またはＮｉと不可避的不純
物からなる融点１１５０℃以下、厚さ１０〜８０μｍのインサート材、または重量％で、Ｓｉ：８％以下、Ｂ：４％以下の１種以上、Ｃｒ：５〜
４０％、Ｍｏ：１０％以下を含み、残部がＦｅおよび／またはＮｉと不可避的不純
物からなる融点１１５０℃以下、厚さ１０〜８０μｍのインサート材を介在させ、酸素量が２００ｐｐｍ以下
の雰囲気中においてその突合せ部を０．５〜２ｋｇｆ／
ｍｍ＾２の圧力で加圧しながら２〜２０ｋＨｚの高周波
電源にて１１５０〜１２５０℃の温度に１２０秒以上誘
導加熱し、前記インサート材を溶融させることを特徴と
する高温装置用材料の接合方法。
（２）高温装置用材料が、更に重量％で、Ｍｏ：１．８〜２．２％、Ｔｉ：０．２〜０．８％、Ｂ
：０．００２〜０．００７％、Ｚｒ：０．０１〜０．０
５％の１種または２種以上を含む材料である請求項１に
記載の高温装置用材料の接合方法。