JPH093583A - Ｃｒ基耐熱合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋳造性に優れ、鋳造割れを生じることなくニ
アネット鋳造し得る高温強度に優れたCr基耐熱合金を提
供する。 【構成】 質量％で、Cr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.0 ％
を含有し、或いは更にTi，Al，Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種又
は二種以上を0.3 〜10.0％含有し、残部がNi，Coの一種
又は二種、及び、不可避的不純物からなるCr基耐熱合
金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Cr基耐熱合金に関し、
詳細には、鋳造性及び高温強度に優れたCr基耐熱合金で
あって高温下で好適に使用できるCr基耐熱合金に関し、
特には、被加熱鋼材支持部材（スキッドボタン）に用い
て好適なCr基耐熱合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の熱間圧延や鍛造等の際に加熱炉に
よる鋼材の加熱処理が行われる。該加熱処理に際し、加
熱炉内への鋼材の搬入、搬出を鋼材の損傷を生じること
なく円滑に行うため、加熱炉内の下部にスキッドボタン
が配設されることはよく知られている。

【０００３】従来、かかるスキッドボタンには高Cr高Ni
鋼製や高Cr高Co鋼製のものが使用されてきたが、近年は
圧延効率や鋼板品質の向上のため鋼材の加熱処理温度が
益々上昇する傾向にあり、それに伴い加熱炉内温度も上
昇し、又、いわゆるスキッドマーク（スキッドボタンと
の接触により生じた鋼材の局所低温部）の低減の必要性
が高くなっており、そのため、特開平3-301047、特開平
4-301048、特開平4-301049号公報に記載されているよう
に、より高温強度及び高温耐食性に優れたスキッドボタ
ン用Cr基耐熱合金が開発されている。

【０００４】ここで、上記各公報に記載されているスキ
ッドボタン用Cr基耐熱合金（以降、従来のCr基耐熱合金
という）について説明する。 特開平3-301047号公報に記載のものは、Cr：70〜80
％、Ni：10〜15％を含有し、残部がFe及び不可避的不純
物からなるCr基耐熱合金である。 特開平4-301048号公報に記載のものは、Cr：65〜80
％、Co：10〜15％を含有し、残部がFe及び不可避的不純
物からなるCr基耐熱合金である。 特開平4-301049号公報に記載のものは、Cr：70〜95
％、Ｎ：0.1 〜1.5 ％を含有し、残部がFe及び不可避的
不純物からなるCr基耐熱合金である。 これらは、いづれもFeを含有しており、実施例（各公報
の明細書に記載の実施例）に係る合金でのFe含有量は約
９〜35％である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
Cr基耐熱合金においては、いづれもFeを含有しているこ
とに起因して、溶解・鋳造法でニアネットシェイプ製造
（スキッドボタン断面形状を有するインゴット形状に鋳
造）（以降、ニアネット鋳造という）する場合、凝固時
の熱応力により割れ（鋳造割れ）が発生するという問題
点がある。これは、FeはCrの加工性を低下させることな
く、耐酸化性等の特性を向上し得る有効な合金元素であ
る（一般的にCrに合金元素を添加すると室温での硬さが
上昇するが、Feはその上昇が小さい）反面、最も鋳造時
の熱応力が大きくなり且つ延性が低下する延性脆性遷移
温度（1050℃）近傍での高温強度を下げる作用があるた
めであると考えられる。

【０００６】本発明はかかる事情に着目してなされたも
のであって、その目的は前記従来のCr基耐熱合金が有す
る問題点を解消し、鋳造性に優れ、鋳造割れを生じるこ
となくニアネット鋳造し得るCr基耐熱合金を提供しよう
とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るCr基耐熱合金は次のような構成として
いる。即ち、請求項１記載のCr基耐熱合金は、質量％
で、Cr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.0 ％を含有し、残部が
Ni，Coの一種又は二種、及び、不可避的不純物からなる
Cr基耐熱合金である。請求項２記載のCr基耐熱合金は、
質量％で、Crを80〜95％、Ｎを0.1 〜2.0 ％、Ti，Al，
Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種又は二種以上を0.3〜10.0％含有
し、残部がNi，Coの一種又は二種、及び、不可避的不純
物からなるCr基耐熱合金である。

【０００８】

【作用】本発明に係るCr基耐熱合金は、前記の如く、C
r：80〜95％であり、合金元素としてＮ：0.1 〜2.0 ％
を含有する他、Ni又は／及びCo（Ni，Coの一種又は二
種）を含有しており、このNi又は／及びCoの添加（含
有）に起因して、割れを生じることなくニアネット鋳造
し得る。又、Cr濃度が高く且つＮ：0.1 〜2.0 ％を含有
することに起因して、充分に優れた高温強度を有するこ
とができる。

【０００９】この詳細を以下説明する。従来のCr基耐熱
合金のようにFeを含有している場合、ニアネット鋳造に
際して鋳造割れが発生し易い。これは、前述の如く延性
脆性遷移温度近傍の温度域でFeがCr基耐熱合金の高温強
度を低下させ、そのため、鋳造時の冷却過程で生じる熱
応力により鋳造割れが生じ易くなるものと考えられる。
そして、この鋳造割れが最も容易に発生する温度域は、
鋳塊に発生する熱応力が大きく且つ延性が極めて小さく
なる延性脆性遷移温度（Cr基耐熱合金では約1050℃）直
下の温度域であると考えられる。この点に鑑み、延性脆
性遷移温度直下の温度域（1000℃）で高温強度を高める
合金元素を調査したところ、Ni，Coが有効であることが
判明した。そして、実際にＮとNi及び／又はCoを含有す
るCr基耐熱合金についてニアネット鋳造した結果、鋳造
割れが認められなかった。又、Ｎの添加によりクロム窒
化物が形成されて高温強度が向上することが確認され
た。

【００１０】従って、本発明に係るCr基耐熱合金は、前
記の如く、合金元素としてＮ：0.1〜2.0 ％を含有する
他、Ni又は／及びCo（Ni，Coの一種又は二種）を含有す
るようにしているのであり、このNi又は／及びCoの添加
（含有）に起因して、割れを生じることなくニアネット
鋳造し得、又、Ｎの添加によりクロム窒化物が形成され
て高温強度が向上し、充分に優れたものとなる。

【００１１】ここで、本発明に係るCr基耐熱合金の成分
の数値限定理由を以下説明する。Crは、Cr基耐熱合金の
基本成分として必要であるが、95％超では溶解・鋳造が
困難となり、一方、80％未満ではクロム窒化物（窒化ク
ロム）が形成されても高温強度が低くて不充分である。
従って、Cr：80〜95％とする。

【００１２】Ｎは、窒化物の析出によりCr基耐熱合金の
高温強度を向上させる効果を有する元素（成分）である
が、0.1 ％未満ではその効果が小さく、高温強度が低く
て不充分であり、2.0 ％超では延性が低下して不充分で
あり、例えばスキッドボタンとして使用することが不可
能になる。従って、Ｎ：0.1 〜2.0 ％とする。尚、Ｎの
添加は、(a) 溶解・鋳造雰囲気中の窒素を溶湯中に溶か
し込む方法、(b) 窒化物の粉末を溶湯中に添加する方
法、(c) これら(a), (b)の方法を併用する方法等により
行うことができる。

【００１３】Ni及びCoは、前述の如く、延性脆性遷移温
度近傍でのCr基耐熱合金の高温強度を高め、ニアネット
鋳造による鋳造割れの発生を抑制する効果を有する元素
（成分）であり、かかる効果を発揮させるために添加す
る。このとき、Ni又はCoを添加してもよいし、Ni及びCo
を添加してもよい。これらの添加量は、いづれの場合も
Cr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.0 ％の残部量でよく、例え
ばCr：80％、Ｎ：0.1％の場合は19.9％、Cr：95％、
Ｎ：2.0 ％の場合は3.0 ％となり、従って、範囲で示せ
ば 3.0〜19.9％となる。尚、かかるNi及び／又はCoの添
加量は、 3.0％以上であれば、前記鋳造割れの発生の抑
制効果が認められ、一方19.9％超でも支障はないが、上
記のCr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.0 ％の残部量であるの
で、 3.0〜19.9％に制限されることになる。

【００１４】上記元素に加えて、更にTi，Al，Zr，Nb，
Ｂ，Ｖの一種又は二種以上（以降、Ti等の元素）を0.3
〜10.0％添加すると、これら元素の窒化物（以降、TiN
等の窒化物という）が形成され、上記TiN 等の窒化物は
微細であるので、Cr基耐熱合金の高温強度がより向上
し、非常に高い高温強度が得られ、又、上記TiN 等の窒
化物はクロム窒化物（窒化クロム）に比較して安定であ
り、スキッドボタン等として高温での使用中に粗大化し
難いので、長期の使用期間にわたって高い高温強度が低
下することなく維持できるようになる（請求項２記載の
Cr基耐熱合金）。即ち、Crを80〜95％、Ｎを0.1 〜2.0
％、Ti等の元素（Ti，Al，Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種又は二
種以上）を0.3 〜10.0％含有し、残部がNi，Coの一種又
は二種、及び、不可避的不純物からなるCr基耐熱合金と
することにより、上記の如く極めて優れた高温強度を有
するCr基耐熱合金となる。

【００１５】ここで、Cr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.0 ％
としている理由は、前述の数値限定理由と同様である。
Ti等の元素（Ti，Al，Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種又は二種以
上）の含有量を0.3 〜10.0％としている理由は次のとお
りである。即ち、このTi等の元素は前記の如く安定で粗
大化し難いTiN 等の窒化物を微細に析出させ、それによ
り極めて優れた高温強度を有するものにできる効果があ
るが、Ti等の元素の添加量が0.3 ％未満では、かかる効
果が発揮されず、10.0％超では延性が低下して不充分と
なり、例えばスキッドボタンとして使用することが不可
能になる。従って、Ti等の元素：0.3 〜10.0％としてい
る。

【００１６】

〔試験条件〕

高温引張試験 ---- 温度：1000℃，歪み速度ε：１×10
^-3S ^-1 圧縮クリープ試験 ---- 温度：1300℃，応力：４MPa,
時間：８時間 大気酸化試験 ---- 温度：1300℃，時間：24時間

【００１７】表１〜２からわかるように、Crに合金元素
としてNi，Co又はFeを添加することにより、鋳造組織が
柱状晶から等軸晶組織になり、使用温度域（1300℃前
後）での延性が改善される（No.1とNo.2〜23との比
較）。この中、Feを含有する比較例に係るCr基耐熱合金
（No.2〜8)では鋳造割れが発生しているのに対し、本発
明の実施例に係るCr基耐熱合金（No.9〜23）では鋳造割
れは全く生じていない。これは、高温引張試験結果から
明らかな如く、本発明の実施例に係るCr基耐熱合金は10
00℃での引張強度が高いことによる。尚、純Cr（No.1）
は、1000℃での引張強度が低いが、延性があるために鋳
造割れが生じていない。

【００１８】圧縮クリープ強度については、Cr濃度に強
く依存し、Ni，Co，Feの合金元素の相違による影響は小
さい。本発明の実施例に係るCr基耐熱合金（No.9〜23）
において、Ti等の元素（Ti，Al，Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種
又は二種以上）を添加したもの（No.15 〜23）と、Ti等
の元素を添加していないもの（No.9〜14）とを、同一Cr
濃度のもの同士で比較すると、前者（Ti等の元素を添加
したもの）は後者よりもクリープ強度が1.5 〜２倍程度
高いことがわかる。

【００１９】大気酸化試験結果は酸化増量として表示し
ているが、この酸化増量が少ないほど耐酸化性に優れて
いることを意味している。この耐酸化性については、純
Crが最も悪く、Cr濃度が低下するにつれて耐酸化性が向
上しており、合金元素の影響は小さい。又、表には示し
ていないが、Cr濃度が低下するにつれて鋳造性も向上す
る。かかる点から、酸化が激しい雰囲気下において本発
明に係るCr基耐熱合金を使用する場合には、Cr濃度の低
い組成、例えばNo.23 の組成にする方がよいといえる。

【００２０】図１にNo.3（比較例の一種）の鋳塊断面の
組織、図２に No.12（本発明の実施例の一種）の鋳塊断
面の組織を示す。このように比較例に係る鋳塊には鋳造
割れが発生しているのに対し、本発明の実施例に係る鋳
塊には鋳造割れは全く認められない。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【発明の効果】本発明に係るCr基耐熱合金は、鋳造性に
優れ、鋳造割れを生じることなくニアネット鋳造し得、
又、充分に優れた高温強度を有することができ、従っ
て、比較的容易に製造でき、スキッドボタン等の如く高
温下で使用される部材の構成材料として好適に使用し
得、それら部材の機能の向上と共に寿命の向上をはかる
ことができるようになるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 比較例に係るCr基耐熱合金の鋳塊断面の金属
組織を示す図（図面代用写真）である。

【図２】 本発明の実施例に係るCr基耐熱合金の鋳塊断
面の金属組織を示す図（図面代用写真）である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Cr：80〜95％、Ｎ：0.1 〜2.
   0 ％を含有し、残部がNi，Coの一種又は二種、及び、不
   可避的不純物からなるCr基耐熱合金。
2. 【請求項２】 質量％で、Crを80〜95％、Ｎを0.1 〜2.
   0 ％、Ti，Al，Zr，Nb，Ｂ，Ｖの一種又は二種以上を0.
   3 〜10.0％含有し、残部がNi，Coの一種又は二種、及
   び、不可避的不純物からなるCr基耐熱合金。