JPH0637672B2 - 耐熱遠心鋳造合金製曲り管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は高温特性に優れた耐熱オーステナイト系鋳鋼製
遠心鋳造管曲り管に係り、特にクリープ強度と耐浸炭性
に優れた耐熱鋳鋼製遠心鋳造管を曲げ加工してその曲り
管を製造する方法に関する。

従来の技術 石油および石油化学工業におけるクラッキングチューブ
等、炉内加熱配管部品は、炉内で５００〜１０５０℃の
温度にさらさら、かつ低酸素分圧・高炭素活量の雰囲気
であることから、高いクリープ破断強度と耐浸炭性が要
求される。現在、この性質を兼備する材料としてＨＫ４
０（０．４Ｃ−２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）やＨＰ５０（０．
５Ｃ−２５Ｃｒ−３５Ｎｉ）およびこれらに各種有効元
素を単独又は複合添加した改良型オーステナイト鋳鋼、
ならびにこれらの溶造管やインコロイ８００等の鍛鋼
（引抜管）が多用されている。また、炉内配管は通常、
幾多もの曲管構造部を有しており、この曲管部はほとん
どがＨＫ４０，およびＨＰ５０又はこれらの改良型鋳鋼
の置注鋳造品によっている。しかしながら近年において
はエチレン等目的媒体の収率の向上や炉の延命化の目的
から、従来の１２０mm程度の内径が５０mm程度と小径化
しつつあり、かつ、曲り部の曲率半径も管内径の５倍以
上に及ぶ鋳造品の要求がよせられている。しかし置注鋳
造法によってこれらの曲管を製造することははなはだ困
難であり、しかもその強度特性を維持する上で、又は製
法上、鋳造欠陥のない健全な鋳物を得るためには肉厚を
厚くせねばならず、肉厚差に起因した熱疲労割れの問題
があると同時に、金型遠心鋳造品に比べて粗粒なためク
リープ強度が劣るという欠点がある。

発明が解決しようとする問題点 この様な背景から、最近では炉内配管曲管部に耐熱鋳鋼
製金型遠心鋳造管を曲げて加工した部材、又はＳＵ３１
０，ＳＵ３０４等の圧延（引抜）管の曲げ加工品および
溶造管を用いる例も増えつつある。しかしながら、遠心
鋳造管は常温曲げ、ないしは高周波曲げなどの高温曲げ
に至ってもアズ・キャスト（Ａｓ ｃａｓｔ）状態では
極く限られた成分範囲でのみしか曲げることが出来ず、
本発明のごとき高クリープ強度かつ耐浸炭性を有する、
いわば高Ｃ−高Ｓｉ材料における遠心鋳造管の曲げ加工
品は今はまだ得られていない。また、各種成分元素の添
加量のバランス調整によって曲げが可能な場合もある
が、これらは従来の組成から成分目標を大幅にずらすこ
ととなり、長時間クリープ強度やその他諸特性の変化を
今後長時間かけて調査する必要性がある。一方、ＳＵ３
１０やＳＵ３０４などの圧延引抜管材あるいは溶造管な
どの場合は、遠心鋳造管の高温長時間強度の主因となっ
ているネットワーク状の共晶炭化物が存在せず、遠心鋳
造品に比べてクリープ強度が劣るという欠点があり、よ
ってかかる耐熱鋼製品を製造する分野、およびこれを使
用する石油化学、石油精製の分野において高Ｃ−高Ｓｉ
で高いクリープ強度と優れた耐浸炭性を有する、素材を
遠心鋳造管によった曲り管の製造方法および製品の供給
が待たれている。

問題点を解決するための手段 前述の如き従来方式の諸問題点を解決すべく、本発明者
は種々検討、実験の結果本発明曲り管の製造法の開発に
成功したものであり、本発明の技術的構成は前記特許請
求の範囲に明記したとおりであり、遠心鋳造法によって
製造されるクリープ強度と耐浸炭性の優れた遠心鋳造管
を素材として、これを予備時効処理の後に、高周波曲げ
又はダイ曲げ等の高温曲げ加工を行い、耐熱遠心鋳造合
金製曲り管を製造する方法を提供するものである。

本発明者は前記の組成および組成範囲から成る金型遠心
鋳造管を常温から高温にわたる広範囲な条件で曲げ試験
を行った結果、Ｃが０．４％でかつＳｉ０．７％を超え
る材料はアズ・キャスト（Ａｓ ｃａｓｔ）状態で曲げ
加工を行った場合、８００℃付近の曲げ温度における結
果が最も良好ではあるが、いずれの温度においても表面
微細割れが生ずるという結果を得た。これらの結果の詳
細に調査した結果、表面割れは種々の曲げ条件において
表面のぜい弱な共晶炭化物に直接変形応力が作用して、
炭化物に沿った状態、あるいは炭化物を縫うような形態
でへき開割れを生じたものであるという見解を得た。こ
の知見から、塑性変形をつかさどる転位（ｄｉｓｌｏ
ｃａｔｉｏｎ）が直接、亜粒界炭化物に堆積（パイルア
ップ）することを防ぐことによって亜粒界炭化物に応力
が集中するのを抑制すべく、亜粒界炭化物間の粒内マト
リックス中に予備時効によって適量の２次炭化物を析出
せしめ、転位移動の障害とした上で時効延性のある高温
で曲げ加工を実施するという手法によりＡｓ ｃａｓｔ
状態では夫々の組成および組成範囲、ならびに種々の曲
げ条件で割れが発生した材料も曲げ加工することに成功
し、目的の高Ｃ−高Ｓｉ材の遠心鋳造管を素材とした曲
り管の製造を可能にした。

以下、本発明の成分限定理由、および曲げ加工における
諸条件の限定理由について述べる。

Ｃ；０．３〜０．７５％： Ｃは耐熱鋳鋼にあってネットワーク状の共晶炭化物を生
成し、クリープ強度上重要な元素である。本発明の目的
とする高クリープ強度を維持するためには少なくとも
０．３％以上は必要である。しかし、０．７５％を超え
て添加すると著しいぜい化を示し、本発明のかかる曲げ
加工が困難となる。よってその添加量を０．３％〜０．
７５％とした。

Ｓｉ；２．５％以下： Ｓｉは耐浸炭性の向上に著効を示す。また鋳造性を改善
し、製鋼時の脱酸剤としても作用する。しかし曲げ加工
の観点からは少ない方が望ましい。また２．５％を超え
て添加した材料は顕著なぜい性的性質を示し実用的では
ない。よってその上限を２．５％とした。なお曲げ加工
性と耐浸炭性を兼備する望ましい添加量は０．８〜１．
５％の範囲である。

Ｍｎ；２．０％以下： Ｍｎは製鋼工程において脱酸、および脱硫剤として作用
するが、２．０％を超えて添加した場合は経済的に見あ
うだけの効果が得られないのみならず、高温耐酸化性の
劣化をまねく。このためその添加量の上限を２．０％と
した。

Ｃｒ；１５．０〜３０．０％： Ｃｒは耐熱鋼の耐酸化性と高温強度を維持する上で極め
て重要な構成元素である。５００℃以上は温度で安定な
Ｃｒ酸化膜を生成せしめるためにはその添加量は少なく
とも１５．０％以上は必要である。しかし３０．０％以
上添加しても経済的に見あうだけの効果は得られないこ
とから添加量は１５．０〜３０．０％とした。

Ｎｉ；２０．０〜４０．０％： Ｎｉは鋳鋼の組織を安定なオーステナイトに維持する上
で、また、特に高温での酸化膜の耐はく離性の改善のた
めに不可欠な元素である。その添加量はマトリックスを
オーステナイトに維持する上で上記Ｃｒ添加量のかね合
いから少なくとも２０．０％以上を必要とし、４０％を
超えて添加すると材料が極めて高価なものとなり特殊な
環境以外では実用的でない。よってＮｉは上記添加範囲
とした。

Ｍｏ；３．０％以下： Ｍｏは置換型固溶強化元素としてオーステナイトマトリ
ックスを強化するが多量に添加すると加工性を害し、か
つσ相を出しやすくなると同時に材料原価の高騰を招
く、かつしてその添加量の上限を３．０％とした。

Ｗ．：０．５〜２．５％： Ｎｂ．：０．１〜１．５％： Ｔｉ．：０．０５〜１．００％： Ｗ．Ｎｂ．およびＴｉは溶質原子の大きさ効果の大きな
置換型固溶強化元素であり、オーステナイトを強化する
と同時に、強炭化物形成元素でもあり炭化物を析出して
析出強化を計る意味においても重要な元素である。しか
しながらその固溶量は少なく、かつ過度な炭化物、又は
窒化物の析出は材料のぜい化を招く。そのため各々の元
素の固溶量および強度向上に必要最低限の添加量を考慮
して個々の添加範囲を定めた。

時効温度；７００〜１１００℃： かかる時効処理は本発明を特徴づける手法である。転位
運動の障害として２次炭化物を析出させる手法をとるこ
とによって、組成バランスを変動することなしに曲げを
可能とした最大の利点は、たとえば従来の材料のデータ
と実績を蓄積したクリープ強度データ等をそのまま使用
できることにある。なんとならばすでに公知のクリープ
試験方法、たとえばＪＩＳ Ｚ ２２７１あるいはＪＩ
Ｓ Ｚ ２２７２、および米国規格ＡＳＴＭ Ｅ１３９
などではクリープ試験の荷重負荷に先だち各々１６〜２
４時間、ないし、少なくとも１時間以上の均熱保持時
間、すなわち時効を定めている。従って本発明に定める
時効処理は通常の場合多くがクリープ試験方法の均熱保
持の範ちゅうに含まれるためである。

時効の温度条件は、本来目的が適量の２次炭化物を析出
せしめることにあるから、炭化物、主にＭ_２３Ｃ_６が析
出する温度範囲でなくてはならない。このためには少な
くとも７００℃以上であることが必要でああり、一方１
１００℃を超えると２次炭化物はむしろ固溶ないし、過
度に凝集粗大化して効力を失う。このため温度範囲を７
００℃以上１１００℃以下と限定した。なお、この時効
処理における保持時間は炭化物の析出挙動が温度と時間
の関係に依ることから各々の温度について限定はしない
が、上記クリープ試験の均熱時間の範ちゅうとの兼ね合
いもあり、望ましくは０．５〜２４時間の範囲である。

時効後の曲げ実施温度：５５０℃〜１１００℃： 種々の試験の結果、上記夫々の時効を施した材料が微細
割れを発生せずに曲げが可能となる温度は５５０℃以上
であることが判明した。よって下限を５５０℃と定めた
次第である。これ以上の温度では実質的に曲げが可能で
あるが、１１００℃を超える温度では転位の上昇運動、
又は再結晶が活発となり、析出した２次炭化物も転位運
動の障害とならず、時効処理を施さない場合と同様に共
晶炭化物、もしくはその近傍で微細割れを生ずる。以上
の理由から曲げ加工実施の温度範囲を５５０℃〜１１０
０℃とした。変形抵抗および経済性の観点からすれば望
ましくは７５０〜９００℃である。次に本発明の実施例
について説明する。

実施例 第１表に示す各種成分組成のオーステナイト系耐熱鋳鋼
を溶製し、金型遠心鋳造に依り外径７７mm、長さ２７０
０mm、肉厚１７mmの遠心鋳造管を製造した。供試材No.
１〜９は本発明の曲り管の製造方法に係る組成範囲の材
料、No.１０〜１３は本発明規定の範囲を逸脱した比較
材である。これらの材料でアズ・キャスト（Ａｓ ｃａ
ｓｔ）、６５０℃および７５０℃、８５０℃ならびに９
５０℃で各々２．５時間の時効処理を行い、試験片を採
取して機械的性質を測定する一方、素材を外径７４mm、
内径５７mm、長さ１７００mmに加工して実際に管曲げを
行うと同時に曲げ試験片を採取し、実験室試験も行っ
た。この際の曲げ加工率（表面・最大伸び率δ％）はδ
％＝ｒ／Ｒ（ここに、ｒは試験片の場合ｒ＝肉厚／２、
管の場合は外径／２、一方Ｒは曲げの中心から試験片又
は管の中立軸までの曲率半径）より１２％の一定条件の
下で行った。

第２表から第６表に種々の条件の試験片および製品曲げ
の結果を示す。Ａｓ ｃａｓｔ状態（第１表）および６
５０℃で予備時効材では（第２表）ほとんどの材料が割
れ、若くは微視割れを生じ、健全な製品は得難い。しか
し、第３表から第６表に示すごとく、７５０℃以上９５
０℃以下の温度で予備時効を施した材料は曲げ実施温度
を６５０℃以上とすることでほとんど曲げが可能となる
ことが判明し、本発明方法によれば、従来の高Ｃ−高Ｓ
ｉ、すなわち高強度でかつ耐浸炭性の優れた材料の曲げ
加工も可能である。なお本発明による規定成分組成範囲
外の合金でも組成によって曲げが可能なものもあるが、
この場合は次に示すクリープ破断強さ、又は耐浸炭性が
低い。

第７表は９００℃におけるクリープ破断試験の結果であ
る。本発明による材料は比較材の低Ｃ材（鋼番１０〜１
２）に比べて高いクリープ破断強度を示す。またＡｓ
ｃａｓｔ材と予備時効材のクリープ破断強度を比較する
と、１００時間の破断強度においては２次炭化物の析出
強化に起因して予備時効材のクリープ破断強度の方が高
くなる傾向にある。一方１００００時間クリープ破断強
度はＡｓ ｃａｓｔの場合と同様であり、長時間破断強
度は従来通りである。従って本発明によれば実際の設計
基準、例えば１０万時間破断強度等は従来蓄積したデー
タをそのまま用うることができる。

次に耐浸炭性であるが、第１図は温度１１００℃で３０
０時間の固体浸炭試験を行った結果である。鋼番５は従
来、クラッキングチューブ等に用いられていたＨＫ（２
５Ｃｒ−２０Ｎｉ）に匹敵する組成の材料であり、本発
明によれば耐浸炭性に有効な元素、例えばＳｉ，Ｃｒな
らびにＮｉ等を必要量添加したままで曲げ加工を行うこ
とも可能であるため、従来のＨＫやＨＰと同様、若しく
はそれ以上の耐浸炭性を有する製品を得る事が可能であ
る。なお、図中に示すごとく比較例の鋼番１１，１２な
らびに１３は従来材と同様の優れた耐浸炭性を有する
が、前記表７および曲げ加工結果（表１〜表６）を併せ
て見ると判る通り、鋼番１１と１２はクリープ強度が低
く、一方鋼番１３は曲げが不可能である。

発明の効果 以上、本発明によれば高クリープ強度でかつ耐浸炭性の
優れた遠心鋳造管を素材とした曲り管を得ることが可能
で、石油化学、および石油精製工業用のラジアントチュ
ーブ等の曲管部として用いることによって優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度９５０℃で２．５時間予備時効を施した高
Ｎｉ−高Ｃｒ合金の耐浸炭性を評価する方法として１１
００℃×３００ｈｒの浸炭試験を行い、表面からの距離
と炭素増加量の関係を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でＣ０．３０〜０．７５％、Ｓｉ
   ２．５％以下、Ｍｎ２．０％以下、Ｃｒ１５．０〜３
   ０．０％、Ｎｉ２０．０〜４０．０％、Ｍｏ３．０％以
   下で、残部が実質的にＦｅより成る高強度耐熱性鋳鋼遠
   心鋳造管を、７００℃から１１００℃の温度範囲におい
   て時効処理を施した後に、５００℃〜１１００℃の温度
   範囲で高周波曲げ加工、ないしダイ曲げ加工を行うこと
   を特徴とする耐熱遠心鋳造合金製曲り管を製造する方
   法。
2. 【請求項２】重量％でＣ０．３０〜０．７５％、Ｓｉ
   ２．５％以下、Ｍｎ２．０％以下、Ｃｒ１５．０〜３
   ０．０％、Ｎｉ２０．０〜４０．０％、Ｍｏ３．０％以
   下で、これにＷ０．５〜２．５％、Ｎｂ０．１０〜１．
   ５０％およびＴｉ０．０５〜１．００％の１種又は２種
   以上を含有し、残部が実質的にＦｅより成る高強度耐熱
   性鋳鋼遠心鋳造管を、７００℃から１１００℃の温度範
   囲において時効処理を施した後に、５５０℃〜１１００
   ℃の温度範囲で高周波曲げ加工、ないしダイ曲げ加工を
   行うことを特徴とする耐熱遠心鋳造合金製曲り管を製造
   する方法。