JPS61243157A - 高Ａｌ耐熱合金鋼 - Google Patents

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、高度の耐高温酸化性、耐高温腐食性、耐浸炭
性、耐窒化性、耐硫化性および耐焼付性を有する耐熱合
金鋼に関するものである。

従来の技術 近年、石炭の液化・ガス化、ＭＨＤ、オイルシェールΦ
タールサンドの精製１石油精製等のエネルギー関連装置
および化学、セメント、食品加工等のプラント用機器な
どにおいては、その装置用の金属材料に対して苛酷な高
温環境を作り出している。これらに共通する点は高濃度
のｓ、ｃｉ。

又はその化合物、場合によっては硫酸塩φ炭酸塩等の溶
融塩を含む高温雰囲気によって金属材料が酸化・腐食さ
れることである。これらの環境に対しては、既存のステ
ンレス鋼や耐熱鋳鋼はいずれも充分な耐酸化性および耐
高温腐食性を示さず、より耐酸化、耐食性の優れた耐熱
材料の開発が望まれている。

また金属材料や耐火物用の加熱炉、焼成炉、熱処理炉に
使用される各種の耐熱金属材料では従来からも各種高温
雰囲気による酸化、浸炭、窒化等による損傷や、該耐熱
金属材料の表面に被処理材の一部が焼きつく（ビルドア
ップという）ことによる損傷や機能低下が問題になって
いた。従来は、このような耐熱金属材料は苛酷な条件下
で使用する際には水冷による保護を行っていたが、最近
では省エネルギーのため水冷部分の冷却を止めて、より
耐熱性のすぐれた材料に切換える動向にあり、耐熱金属
材料に対する耐熱性向上の要望が強い。

また石油製品や石炭液化・ガス化製品の精製、分解、改
質等のための高温反応管も副生物の炭素による浸炭やコ
ーキングの問題が大きく材料上の対策が望まれていると
ころである。

一般に耐熱鋼の高温での酸化、腐食や浸炭に対する抵抗
性を増すには、Ｃｒ、　Ｓｉ、　Ｍの含有量をより高く
することが有効であり、高温強度を増すにはＣの含有量
をより高くすることが有効であり、高温耐ビルドアツプ
性を増すには紋の含有量をより高くし表面に緻密なＡ９
酸化膜を形成することが有効であるが、一方においてこ
れらの元素の多量添加は湯流れ性や熱間・冷間での靭性
や延性を劣化させるので、製造性、加工性、使用性能が
悪化し自づからそれらの添加量は制限される。

か−る問題を解決するために、オーステナイト系ステン
レス鋼やＮｉ基又はＣｏ基耐熱鋼にＭ鍍金又はその拡散
浸透鍍金をする方法が数多く提案され−（イる（特開昭
５５−９７４８０号；特公昭５θ−５０５号；Ｇ。

Ｗ、　Ｃｏｗａｒｄ：　Ｊ、　Ｍｅｔａｌｓ、　Ｏｃｔ
、　（１９７０）　３１；泉ら：日本学術振興会第１２
３委員会研究報告、ＶＯ見、１８、Ｍｏ、２、昭和５３
年７月、２３３頁）。

これらのうちＮｉ基およびＣｏ基の耐熱鋼のものは非常
に高価であまり実用的でない、一方、オーステナイト系
ステンレス鋼や耐熱鋳鋼にＭを鍍金又は拡散浸透鍍金し
たものは一部実用化されているが、表面に鍍金されたＭ
はＭの融点以上の高温での使用中に、鋼表層部と相互拡
散して最表面に高濃度のＭを含有する合金層とその下に
低濃度の蚊を含有する拡散層の二層を形成する。

しかるにこれら二つの層は熱膨張率や拡散速度が相互に
異るため断続加熱を繰返しているうちに二つの層の間に
空隙が生じて、最上部の合金層はまだら状に剥離し、表
面の平滑さを必要とする部分には使用困難となる。さら
に、合金層が剥離した材料表面では、Ｍ含有量の低い拡
散層が直接高温雰囲気にさらされることになる。この拡
散層は、Ｍ鍍金前の素地よりは＃酸化性や耐高温腐食性
は優れてはいるが、高温で使用中に表面層の蚊がマトリ
ックス内部へ拡散して行くため、表面層のＭ濃度は増々
下り、Ｍ鍍金の効果はぼとなく薄れてしまう。

このようにして、オーステナイト系ステンレス鋼や耐熱
鋳鋼へのＭ鍍金や拡散浸透鍍金はその効果を長期にわた
って充分には発揮することができない。

本発明者らは耐熱鋼にＭ鍍金をした場合に、その効果を
長期にわたり持続させる方法について種々検討を重ねた
結果、２〜８％のＭを含有するオーステナイト系耐熱鋼
にＭ鍍金をすることにょす表層の合金層が従来のものに
比べて長期間保持されることを知見し、先に特開昭５８
−１１７８５号において開示したところである。しかし
ながらこれらのＭをマトリックスにあらかじめ含有する
ものにＭ鍍金をしても、高Ｃの鋳鋼では使用温度がｉｏ
ｏ。

℃を超える場合に最表層部の高Ｍの合金層の寿命は６ケ
月〜１年程度であり、従来のＨＫ４０等の雄を含有しな
いものにＭ鍍金した場合に比べてはるかに長寿命になっ
たとは言えまだその寿命は充分ではなかった。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、耐熱合金鋼における耐高温酸化性、耐高温腐
食性、耐浸炭性、耐コーキング性、耐窒化性、耐硫化性
、耐焼付性（耐ビルドアツプ性）などの特性を、より長
期にわたり安定して維持することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明者らは種々検討した結果１Ｍを２〜８％あらかじ
め含有する耐熱鋳鋼の表層部に脱炭等によりＣ含有量が
０．１５％以下の層を形成させたうえＭ鍍金をすると、
高いクリープ強度をそこなうことなく高温使用中に形成
される表層部の合金層の寿命が更に延び１年以上の使用
にも耐え得ることを知見した。すなわち、本発明は、Ｃ
：０．２５〜０．７％、Ｓｉ：　　３．０％以下、　Ｋ
ｎ：　　２．０％以下、旧＝１０〜４０％、Ｃｒ：　　
９〜３０％、Ａｌｌ：２〜８％を含み。

さらに必要に応じて、　Ｔｉ、　Ｚｒ％ｌｌｂ、　Ｔａ
、　Ｓｃ、　Ｙ　。

Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｃｏ、Ｃｕ、　Ｍｅ、　Ｗ、　Ｃａ、
　Ｍｇ、　Ｂの１種又は２種以上を含み、残部がＦｅお
よび不可避的不純物よりなる合金鋼を素地とし、該素地
の表面層のＣ含有量が０．１５％以下であり、かつ該素
地の表面に高濃度のＭ含有層を有することを特徴とする
（％は重量％を示す）。

以下に本発明においてＭ鍍金の素地となる耐熱鋼の合金
成分範囲を前記の如く限定した理由について述べる。

Ｃはオーステナイト組織を安定化し、鋼の高温強度を高
めるのに有効であるが０．７％を超えて含有させると靭
性・延性が低下して、熱応力による耐割れ性も低下する
ので含有量の上限を０．７％とした。また、０．２５％
未満では鋳造時の湯流れ性が劣化するうえ、製品のクリ
ープ強度も低下するので、下限を０．２５％とした。

Ｓｉは耐浸炭性、耐酸化性を向上させるが、本発明の場
合は表面Ｍ富化によってこれらの特性を発揮できるので
、３．０％以下で充分である。またＳｉは湯流れ性を良
好にするためＣ，Ｍ等の含有量とのバランスのうえに決
定されるべきであるが、３．０％を超えて含有すると材
料の靭性が劣化し、熱応力による耐割れ性も低下するの
でその上限を３．０％とした。

Ｍｎはオーステナイト生成元素であるが、　２．０％を
超えて含有すると耐酸化性に悪影響するので、その上限
を２．０％とした。

Ｎｉは耐熱鋼の高温強度を維持するγ相を形成するため
に不可欠の元素であり、このために１０５以上の添加が
必要である。しかしながら４０％を超えて添加してもい
たずらに高価になる一方、耐硫化性が劣化するので、添
加量の上限を４０％にした。

Ｃｒは耐熱鋼としての基本的な耐酸化性や耐高温腐食性
を鋼に付与する成分であり、このために９％以上の添加
が必要である。しかしながら３０％を超えて添加すると
靭性等の材質の劣化が激しいため、添加量の上限を３０
％とした。

Ｍは鋼の耐酸化性と耐高温腐食性を高める以外に本発明
においては、般鍍金層と鋼表層部が合金化して作る高濃
度のＭ合金層の耐剥離性を維持するために鋼素地に２％
以上添加しておく必要がある。しかしながら８％を超え
て添加すると靭性等の材質の劣化が激しいので添加量の
上限を８％とした。

以上の元素の外に特に含有量の限定はしないが、素地の
耐熱鋼の耐酸化性、熱間加工性、高温強度の増強等の種
々の目的のために、必要に応じてＴｉ、　Ｚｒ、　Ｎｂ
、　Ｔａ、　Ｓｃ、　Ｙ、　Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｃｏ、Ｃ
ｕ。

Ｍｏ、　Ｗ、　Ｃａ、　）Ｉｇ、　Ｂなどの元素を１種
又は２種以上添加することができる。

また本発明鋼の金属組織は主としてオーステナイト相で
あるが、若干のフェライト相やＣｒ炭化物相を含むこと
もある。

このような成分・組織からなる合金鋼の素地の表面層の
Ｃ含有量が０．１５％を越えると、表面に形成された高
濃度のＭ含有層の耐剥離性が低下する。したがって、該
素地の表面層のＣ含有量を０．１５％以下に限定した。

なお、Ｃ含有量低減の手段としては、公知の脱炭法のほ
か、素地と同系統の合金鋼でＣ含有量０．１５％以下の
鋼を表面に溶射あるいは鍍金する方法を採用することが
できる。

このように表面層が低Ｃ化された合金鋼素地の表面に、
高濃度のＭ含有層を形成する手段としては１通常の溶融
Ｍ鍍金法の他に拡散浸透鍍金（カロライズ法）、溶射法
、レーザーによる焼付法。

電気Ｍ鍍金、Ｍ粉末含有塗料の塗布・吹付などを採用す
ることができる。また、形成される高濃度のＭ含有層の
なかには、その鍍金性などを著しく損わない程度の量の
Ｓｉ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、Ｔｉ、　Ｗｂ、　Ｚｒ、Ｈｆ、
↑ｈ；Ｓｃ、Ｙを含む希土類元素を含むことができる。

また素地となる耐熱鋼の作成方法は連続鋳造又は鋼塊か
ら分塊−圧延又は鍛造されたもの一外。

直接目的形状に鋳造（遠心鋳造を含む）されたものでも
よい。

作用 本発明の耐熱合金鋼は、素地に２％以上のＭを含有し、
さらに素地の表面層のＣ含有量が０．１５％以下として
、その表面に高濃度のＭ含有層を形成しているため、高
温使用中に蚊がマトリックスと相互拡散して合金層およ
び拡散層を作っても、二層間の境界における熱膨張率や
拡散速度の勾配が緩かであり、断続加熱を繰返しても二
層間に空隙が生じ難い、したがって、最外層の高濃度の
Ｍ含有層が剥離し難く、耐高温酸化性、耐高温腐食性、
耐浸炭性、耐窒化性、耐コーキング性、耐硫化性、耐焼
付性などにおける苛酷な条件下での特性を長期にわたり
安定して維持することができる。また、素地の表面層が
低Ｃ化されているとはいえ、素地の平均的なＣ含有量は
０．２５％以上なので、高温における高クリープ強度も
維持できる。

実施例 ステンレス鋼焼鈍炉のハースロールは１０００”０．１
０．０ＯＯｈｒ熱間クリープ強度が１．０〜２．０ｋｇ
／■２必要であり、また表面の平滑度もＲａ５０ＩＬ以
下を必要とし、かつ高度の耐ビルドアツプ性も必要とさ
れる。

本ロールとして第１表にその母材組成を示す各遠心鋳造
管を作成し、　５ＣＨ２２と調香Ａ、Ｂのものについて
は、鋳造後溶融Ｍ鍍金法によりＭ鍍金をほどこした後に
８００℃×４時間の合金化処理をし、軸等を溶接してロ
ールに加工した。

また調香Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆのものについては鋳造後、水素
を雰囲気とする炉で１２００℃Ｘ７０時間の熱処理を行
って表面層の脱炭を行った。この熱処理後表層部の０．
２＋ｕ＋から採取した試料のＣ含有量は、調香Ｃのもの
が０．０８％、Ｄが０．１３％、Ｅが０．０９％、Ｆが
０．１２％であった。これらの遠鋳管についても調香Ａ
、Ｂのものと同様にしてＭ鍍金と合金化処理をした後に
ハースロールに加工した。

これらの各ロールを上記のステンレス鋼板の焼鈍炉のハ
ースロールとして実機テストを行った。

この炉の操業温度は８５０〜１１００℃であった。

その結果Ｍ鍍金した５ＣＨ２２は約ｌＯ日清われた後、
表面剥離が発生し使用不能となった。又鋳造後直接Ｍ鍍
金した調香Ａ、Ｂは使用７ケ月後に表面剥離が発生し使
用不能となった。

それに対し、表層低Ｃ化しＭ鍍金をほどこした調香Ｃ，
Ｄ、Ｅ、Ｆものでは約−ケ年の使用後においても剥離が
みられずさらに使用可能な状態であった。

発明の効果 本発明鋼は素地表面に高Ｍ含有層を有し長時間保持した
場合にも高温の酸化・腐食性雰囲気に対して高い抵抗性
を示すもので、加熱炉、焼鈍炉、熱処理炉、焼成炉、焼
却炉等のラジアントチューブ、レキュペレータ−、ハー
スロール、搬送ベルト、スキッド金物、各種遮熱板、そ
の他線々の金属部品のみならず、石炭の液化・ガス化、
ＭＨＤ、オイルシェール・タールサンドの精製装置。

発電ボイラー、石油精製、石油化学工業、その低化成品
工業の反応容器、反応管、熱交換器、搬送管、その他の
諸々の高温部材として耐久度の高いかつクリープ強度の
高い材料を提供するものであり、本発明はエネルギー価
格の高騰化時代の各種の高温装置において利用価値のき
わめて高い発明である。　　　“

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量にてＣ：０．２５〜０．７％、Ｓｉ：３．０
   ％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃ
   ｒ：９〜３０％、Ａｌ：２〜８％を含み残部がＦｅおよ
   び不可避的不純物よりなる合金鋼を素地とし、該素地の
   表面層のＣ含有量が０．１５％以下であり、かつ該素地
   の表面に高濃度のＡｌ含有層を有することを特徴とする
   高Ａｌ耐熱合金鋼。
2. （２）重量にてＣ：０．２５〜０．７％、Ｓｉ：３．０
   ％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃ
   ｒ：９〜３０％、Ａｌ：２〜８％を含み、さらにＴｉ、
   Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｕ
   、Ｍｏ、Ｗ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂの１種又は２種以上を含み
   、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる合金鋼を素
   地とし、該素地の表面層のＣ含有量が０．１５％以下で
   あり、かつ該素地の表面に高濃度のＡｌ含有層を有する
   ことを特徴とする高Ａｌ耐熱合金鋼。