【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
この発明は、特に耐熱衝撃性、高温耐酸化性、
および高温耐摩耗性にすぐれ、これらの特性が要
求される継目無鋼管製造用熱間傾斜圧延機のガイ
ドシユーとして使用するのに適した高靭性Fe−
Cr−Ni系鋳造合金に関するものである。
一般に、熱間傾斜圧延機は、上下位置に配した
２個の樽形傾斜ロール、左右位置に配したガイド
シユー、および前面中心位置に配したプラグを備
え、この間に1150〜1250℃に加熱された丸ビレツ
トを供給し、前記樽形傾斜ロールとプラグにより
熱間穿孔圧延して継目無鋼管を製造するものであ
る。この場合、この素管は楕円形を呈しながら成
形されることになるが、この素管の外径および肉
厚を一定に調整するために設けられたのがガイド
シユーである。
したがつて、素管は螺旋状に回転前進しながら
ガイドシユーの表面と摺動するため、高温に加熱
された素管と接触するガイドシユーは、熱伝導に
よる急速加熱と冷却水による急冷の繰返し、並び
に大きな応力負荷状態での転がり摺動摩擦にさら
されることになる。
従来、このような苛酷な条件下で使用に供され
るガイドシユーの製造には、Fe−23％Cr−３％
Ni系やFe−26％Cr−２％Ni系などの高Cr低Ni耐
熱耐摩耗性合金鋼や、Fe−１％Ｃ−20％Cr−７
％Ni−５％Co−５％Cu系やNi−１％Ｃ−15％Cr
−５％Mo系などの鋳造合金等が使用されている
が、これらの合金のあるものは、高温耐酸化性不
足が原因で高温加熱された素管の表面に発生した
スケールや鋼片がその表面に焼付き、これが原因
で鋼管の表面に疵がついて製造歩留を悪くした
り、また、あるものは局部的高温加熱と水冷の繰
返しによる熱衝撃に耐えられないばかりでなく、
靭性が不足して割れが生じたり、さらに、あるも
のは高温における耐摩耗性不足が原因で短い使用
寿命しか示さないなど、これらのガイドシユーに
要求される耐熱衝撃性、靭性、高温耐酸化性、お
よび高温耐摩耗性を兼ね備えた合金は未だ開発さ
れていないのが現状である。
本発明者等は、上述のような観点から、継目無
鋼管製造用熱間傾斜圧延機のガイドシユーに要求
される特性をすべて兼ね備えた鋳造合金を得べく
研究を行なつた結果、重量％で、Ｃ：0.65〜2.5
％、Si：0.1〜３％、Mn：0.1〜２％、Cr：25〜
37％、Ni：５〜20％未満、Ｗ：0.1〜10％、Mo：
0.1〜10％、Ti：0.01〜4.5％、Al：0.01〜4.5％、
Ｎ：0.005〜0.2％を含有し、残りがFeと不可避不
純物からなる組成をもつたFe−Cr−Ni系鋳造合
金は、高靭性を有し、さらにすぐれた耐熱衝撃
性、高温耐酸化性、および高温耐摩耗性を兼ね備
え、したがつてこれらの特性が要求される熱間傾
斜圧延機のガイドシユーとして使用した場合で、
きわめて長期に亘つてすぐれた性能を安定的に発
揮するという知見を得たのである。
この発明は上記知見にもとづいてなされたもの
であつて、以下に成分組成範囲を上記の通りに限
定した理由を説明する。
(a) Ｃ
Ｃ成分には、高温で素地中に固溶する一方、
Cr、Ｗ、Mo、Ti、Nb、およびTaなどと結合
してM7C3、MC、およびM23C6型などの炭化物
を形成し、もつて強度と硬さの向上をはかり、
この結果としてすぐれた耐摩耗性のほか、溶接
性および鋳造性を確保する作用があるが、その
含有量が0.65％未満では前記作用に所望の効果
が得られず、一方2.5％を越えて含有有させる
と、炭化物の析出が多くなるばかりでなく、そ
の粒径が粗大化して靭性が低下し、急熱急冷に
よる熱衝撃に耐えられなくなることから、その
含有量を0.65〜2.5％と定めた。
(b) Si
Si成分には、Crと共に耐熱性を向上させる
作用があるほか、脱酸作用並びに溶湯の流動性
を改善して鋳造性を向上させる作用があり、さ
らに高温強度も改善する作用があるが、その含
有量が0.1％未満では前記各作用に所望の効果
が得られず、一方３％を越えて含有させると、
Crとの関連において靭性および溶接性が低下
するようになることから、その含有量を0.1〜
３％と定めた。
なお、Si成分は、これに脱酸剤として使用し
た場合など不可避不純物として0.1％未満の範
囲で含有する場合があるが、この場合には、不
可避不純物含有量を含め、全体含有量が0.1％
以上になるようにすればよい。
(c) Mn
Mn成分には、Niと共に素地に固溶してオー
ステナイトを安定化させ、また耐熱衝撃性およ
び高温耐摩耗性を向上させる作用があり、かつ
脱酸作用も合せもつが、その含有量が0.1％未
満では所望の作用効果を確保することができ
ず、一方２％を越えて含有させると、高温耐酸
化性が劣化するようになることから、その含有
量を0.1〜２％と定めた。
なお、Mn成分も、Si成分と同様に脱酸剤な
どとして使用した場合、不可避不純物として
0.1％未満の範囲で含有する場合があるが、こ
の場合も不可避不純物含有量を含め、全体含有
量が0.1％以上になるように成分調整すればよ
い。
(d) Cr
Cr成分には、その一部が素地に固溶し、残
りの部分が炭化物を形成して合金の硬さを向上
させ、もつて高温耐摩耗性を改善するほか、高
温耐酸化性をも向上させる作用があるが、その
含有量が25％未満では所望の作用効果が得られ
ず、一方37％を越えて含有させると耐熱衝撃性
が低下するようになることから、その含有量を
25〜37％と定めた。
(e) Ni
Ni成分には、オーステナイト地を安定にし
て耐熱衝撃性および靭性を高めるほか、Crと
共に高温耐酸化性を向上させる作用があるが、
その含有量が５％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方20％以上含有させると靭性
に低下傾向が現われるようになり、高靭性を確
保することが困難になることから、その含有量
を５〜20％未満と定めた。
(f) Ti
Ti成分には、素地の結晶粒の成長を抑制す
るばかりでなく、むしろこの結晶粒を微細化
し、かつMC型の炭化物および窒化物を形成し
て、高温強度および高温耐摩耗性を向上させる
作用があるが、その含有量が0.01％未満では前
記作用に所望の効果が得られず、一方4.5％を
越えて含有させると、高温における炭化物形成
が促進されて、合金の靭性が低下し、さらに高
温での酸化物の生成も顕著となつて高温耐酸化
性の劣化をまねくようになることから、その含
有量を0.01〜4.5％と定めた。
(g) Al
Al分には、Crとの共存において高温での耐
酸化性および耐食性を改善し、さらに窒化物を
形成して高温強度および耐摩耗性を一段と高
め、かつ耐熱衝撃性および靭性を向上させる作
用があるが、その含有量が0.01％未満では前記
作用に所望の効果が得られず、一方4.5％を越
えて含有させると、溶湯の流動性および鋳造性
が低下して製造が困難となるばかりでなく、靭
性および溶接性も低下して実用的でなくなるこ
とから、その含有量を0.01〜4.5％と定めた。
(h) Ｗ
Ｗ成分にも、素地中に固溶すると共にＣと炭
化物を形成して高温硬さおよび耐摩耗性を改善
する作用があるが、その含有量が0.1％未満で
は所望の作用効果が得られず、一方10％を越え
て含有させると、耐摩耗性は向上するようにな
るが、靭性および耐熱衝撃性が劣化するように
なることから、その含有量を0.1〜10％と定め
た。
(i) Mo
Mo成分には、Ｗと同様に、特に高温耐摩耗
性を向上させる作用があるが、その含有量が
0.1％未満では所望のすぐれた高温耐摩耗性を
得ることができず、一方10％を越えて含有させ
ると、Ｗと同様に靭性および耐熱衝撃性が劣化
するようになることから、その含有量を0.1〜
10％と定めた。
(j) Ｎ
Ｎ成分には、高温強度および高温耐摩耗性を
一段と向上させる作用があるが、その含有量
が、0.005％未満では前記作用に所望の向上効
果が得られず、一方その含有量が0.2％を越え
ると、耐熱衝撃性および靭性に劣化傾向が現わ
れるようになることから、その含有量を0.005
〜0.2％と定めた。
つぎに、この発明の高靭性Fe−Cr−Ni系鋳造
合金を実施例により比較例と対比しながら説明す
る。
実施例
通常の高周波溶解炉を用い、それぞれ第１表に
示される通りの成分組成をもつた溶湯を大気中溶
解し、ついで砂型に鋳造することによつて、本発
明鋳造合金１〜20、比較鋳造合金１〜11、および
従来鋳造合金１、２の各種試験片をそれぞれ製造
し、これらの試験片を用いて、硬さ測定試験、常
温シヤルピー衝撃試験、大越式金属間摩耗試験、
および実機の急速加熱および急速冷却の繰返しに
近い条件での熱衝撃試験をそれぞれ行なつた。
なお、硬さ測定試験は常温、700℃、および800
℃におけるビツカース硬さを測定することにより
行ない、また大越式金属間摩耗試験は、相手材：
SUJ−２（ＨRＣ：57以上）、荷重：18.2Kg、摩擦
速度：0.054ｍ／secの条件、かつ常温乾燥状態で
行ない、これらの結果から比摩耗量を算出した。
さらに熱衝撃試験は、一方端面の中
This invention particularly provides thermal shock resistance, high temperature oxidation resistance,
A high-toughness Fe-
This relates to Cr-Ni based casting alloys. In general, a hot inclined rolling mill is equipped with two barrel-shaped inclined rolls placed above and below, guide shoes placed left and right, and a plug placed at the center of the front. A round billet is supplied and hot piercing rolled by the barrel-shaped inclined rolls and plugs to produce a seamless steel pipe. In this case, the raw pipe is molded into an elliptical shape, and the guide shoe is provided to adjust the outer diameter and wall thickness of the raw pipe to a constant value. Therefore, since the raw pipe slides on the surface of the guide shoe while rotating forward in a spiral, the guide shoe that comes into contact with the raw pipe heated to a high temperature undergoes repeated rapid heating by heat conduction and rapid cooling by cooling water, as well as repeated rapid cooling by cooling water. It will be exposed to rolling and sliding friction under high stress loads. Conventionally, guide shoes used under such harsh conditions have been produced using Fe-23%Cr-3%.
High Cr low Ni heat resistant and wear resistant alloy steels such as Ni series and Fe-26%Cr-2%Ni series, Fe-1%C-20%Cr-7
%Ni-5%Co-5%Cu system or Ni-1%C-15%Cr
Casting alloys such as -5% Mo series are used, but some of these alloys have insufficient high-temperature oxidation resistance, which causes scale and steel flakes to form on the surface of the raw pipe when heated to high temperatures. It seizes on the surface, which causes flaws on the surface of the steel pipe and reduces manufacturing yields.Also, some products not only cannot withstand the thermal shock caused by repeated localized high-temperature heating and water cooling.
These guide shoes are required to have thermal shock resistance, toughness, high temperature oxidation resistance, Currently, an alloy that has both high temperature wear resistance and high temperature wear resistance has not yet been developed. From the above-mentioned viewpoint, the present inventors have conducted research to obtain a cast alloy that has all the characteristics required for a guide shoe for a hot tilt rolling mill for seamless steel pipe manufacturing, and have found that, in weight %, C: 0.65-2.5
%, Si: 0.1~3%, Mn: 0.1~2%, Cr: 25~
37%, Ni: 5 to less than 20%, W: 0.1 to 10%, Mo:
0.1~10%, Ti: 0.01~4.5%, Al: 0.01~4.5%,
Fe-Cr-Ni cast alloys containing 0.005 to 0.2% N with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities have high toughness, excellent thermal shock resistance, high temperature oxidation resistance, and high-temperature wear resistance, so when used as a guide shoe in a hot tilt rolling mill that requires these properties,
They found that it stably exhibits excellent performance over an extremely long period of time. This invention was made based on the above knowledge, and the reason why the component composition range was limited as described above will be explained below. (a) C The C component has a solid solution in the matrix at high temperature, while
It combines with Cr, W, Mo, Ti, Nb, Ta, etc. to form carbides such as M 7 C 3 , MC, and M 23 C 6 types, thereby improving strength and hardness.
As a result, it has the effect of ensuring excellent wear resistance as well as weldability and castability, but if the content is less than 0.65%, the desired effect cannot be obtained, whereas if the content exceeds 2.5%, the desired effect cannot be obtained. If it is present, not only will more carbides precipitate, but the grain size will become coarser, reducing toughness and making it impossible to withstand the thermal shock caused by rapid heating and cooling. Therefore, the content was set at 0.65 to 2.5%. . (b) Si Along with Cr, the Si component has the effect of improving heat resistance, as well as the effect of deoxidizing and improving the fluidity of molten metal to improve castability, and also has the effect of improving high-temperature strength. However, if the content is less than 0.1%, the desired effects cannot be obtained in each of the above actions, while if the content exceeds 3%,
Since toughness and weldability decrease in relation to Cr, the content should be reduced from 0.1 to
It was set at 3%. In addition, the Si component may be contained as an unavoidable impurity in a range of less than 0.1% when used as a deoxidizing agent, but in this case, the total content including the unavoidable impurity content is 0.1%.
All you have to do is make it more than that. (c) Mn The Mn component has the effect of stabilizing austenite by solidly dissolving in the base material together with Ni, and also has the effect of improving thermal shock resistance and high-temperature wear resistance, and also has a deoxidizing effect. If the amount is less than 0.1%, the desired effect cannot be ensured, while if the content exceeds 2%, high temperature oxidation resistance will deteriorate, so the content should be set at 0.1 to 2%. Established. In addition, like the Si component, when the Mn component is used as a deoxidizing agent, it becomes an unavoidable impurity.
Although it may be contained in a range of less than 0.1%, in this case as well, the components may be adjusted so that the total content, including the content of unavoidable impurities, is 0.1% or more. (d) Cr A part of the Cr component dissolves in the base material, and the remaining part forms carbides, which improves the hardness of the alloy and improves high-temperature wear resistance, as well as high-temperature oxidation resistance. However, if the content is less than 25%, the desired effect cannot be obtained, while if the content exceeds 37%, the thermal shock resistance will decrease. quantity
It was set at 25-37%. (e) Ni The Ni component has the effect of stabilizing the austenite base, increasing thermal shock resistance and toughness, and, together with Cr, improving high-temperature oxidation resistance.
If the content is less than 5%, the desired effect cannot be obtained, while if the content is more than 20%, the toughness tends to decrease, making it difficult to ensure high toughness. The content was set at 5% to less than 20%. (f) Ti The Ti component not only suppresses the growth of crystal grains in the substrate, but also refines these grains and forms MC-type carbides and nitrides, improving high-temperature strength and high-temperature wear resistance. However, if the content is less than 0.01%, the desired effect will not be obtained, while if the content exceeds 4.5%, carbide formation at high temperatures will be promoted and the toughness of the alloy will be reduced. The content is determined to be 0.01 to 4.5% because the formation of oxides becomes more noticeable at high temperatures, leading to deterioration of high-temperature oxidation resistance. (g) Al Al content improves oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures when coexisting with Cr, further increases high temperature strength and wear resistance by forming nitrides, and improves thermal shock resistance and toughness. However, if the content is less than 0.01%, the desired effect will not be obtained, while if the content exceeds 4.5%, the fluidity and castability of the molten metal will decrease, making production difficult. In addition to this, the toughness and weldability also deteriorate, making it impractical, so the content was set at 0.01 to 4.5%. (h) W The W component also has the effect of improving high-temperature hardness and wear resistance by forming a solid solution in the matrix and forming carbides with C, but if its content is less than 0.1%, the desired effect cannot be achieved. On the other hand, if the content exceeds 10%, the wear resistance will improve, but the toughness and thermal shock resistance will deteriorate, so the content is set at 0.1 to 10%. Ta. (i) Mo Mo component, like W, has the effect of particularly improving high-temperature wear resistance, but its content is
If the content is less than 0.1%, the desired high-temperature wear resistance cannot be obtained, while if the content exceeds 10%, the toughness and thermal shock resistance will deteriorate like W. 0.1~
It was set at 10%. (j) N The N component has the effect of further improving high-temperature strength and high-temperature wear resistance, but if its content is less than 0.005%, the desired effect of improving the above effects cannot be obtained; If it exceeds 0.2%, thermal shock resistance and toughness tend to deteriorate, so the content should be reduced to 0.005%.
It was set at ~0.2%. Next, the high-toughness Fe-Cr-Ni cast alloy of the present invention will be explained using examples and comparing with comparative examples. Examples Casting alloys 1 to 20 of the present invention and Comparison were made by melting molten metals having the compositions shown in Table 1 in the air using a conventional high-frequency melting furnace, and then casting them into sand molds. Various test pieces of Cast Alloys 1 to 11 and Conventional Cast Alloys 1 and 2 were manufactured, and these test pieces were used to perform hardness measurement tests, normal temperature Charpy impact tests, Okoshi type metal-to-metal wear tests,
And thermal shock tests were conducted under conditions similar to the repeated rapid heating and cooling of the actual machine. The hardness measurement test was conducted at room temperature, 700℃, and 800℃.
This is carried out by measuring the Bitkers hardness at ℃, and the Okoshi type metal-to-metal wear test is performed on the mating material:
Testing was carried out under the conditions of SUJ-2 (H R C: 57 or higher), load: 18.2 kg, friction speed: 0.054 m/sec, and in a dry state at room temperature, and the specific wear amount was calculated from these results.
Furthermore, the thermal shock test
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】
心部に直径：10mmφの球面凹みを形成した12mm×
12mm×30mmの角柱状試験片を用い、この試験片の
球面凹みを、酸素−プロパンガスバーナにより30
秒間加熱して、その温度を約1000℃とした後、直
ちに噴霧水を30秒間吹付けて、その温度を約200
℃とする工程を１サイクルとし、これを繰返し行
ない、３回ごとに前記球面凹みを螢光浸透探傷法
を用いて観察し、割れが発生するまでのサイクル
数を測定することにより行なつた。これらの試験
結果を第２表に合せて示した。なお、第２表の割
れ発生までのサイクル数の欄における「36以上」
は、36サイクルの繰返し熱衝撃試験でも球面凹み
に割れ発生が見られないものである。
第２表に示される結果から、本発明鋳造合金１
〜20は、いずれも従来鋳造合金１、２に比して、
きわめてすぐれた常温および高温硬さを有し、か
つ常温靭性、耐摩耗性、および耐熱衝撃性にもす
ぐれていることがわかる。このように本発明鋳造
合金１〜20は、いずれもすぐれた常温および高温
硬さ、靭性、耐摩耗性、耐熱衝撃性を兼ね備えて
いるのに対して、構成成分のうちのいずれかの成
分（※印表示）の含有量がこの発明の範囲から外
れた組成を有する比較鋳造合金１〜11において
は、これらの特性のうち少なくともいずれかの特
性が劣つたものになつている。
上述のように、この発明のFe−Cr−Ni系鋳造
合金は、特に、すぐれた耐熱性、耐摩耗性、およ
び耐熱衝撃性を有し、かつ靭性も具備しているの
で、これらの特性が要求される継目無鋼管製造用
熱間傾斜圧延機（穿孔機も含む）のガイドシユー
として使用した場合、きわめて長期に亘つて安定
的性能を発揮するなど工業上有用な特性を有する
のである。[Table] 12mm× with a spherical concavity with a diameter of 10mmφ in the center.
Using a 12 mm x 30 mm prismatic test piece, the spherical indentation of this test piece was made using an oxygen-propane gas burner for 30
After heating for seconds to bring the temperature to about 1000℃, immediately spray water for 30 seconds to bring the temperature to about 200℃.
The process of lowering the temperature to 1°C was defined as one cycle, and this was repeated, and the spherical depression was observed every three times using a fluorescent penetrant inspection method, and the number of cycles until cracking occurred was measured. These test results are also shown in Table 2. In addition, "36 or more" in the column of number of cycles until cracking occurs in Table 2.
No cracks were observed in the spherical dents even after 36 cycles of repeated thermal shock testing. From the results shown in Table 2, it can be seen that the cast alloy 1 of the present invention
-20 are both compared to conventional casting alloys 1 and 2.
It can be seen that it has extremely good hardness at room temperature and high temperature, and is also excellent in room temperature toughness, abrasion resistance, and thermal shock resistance. As described above, the cast alloys 1 to 20 of the present invention all have excellent room temperature and high temperature hardness, toughness, wear resistance, and thermal shock resistance, but some of the constituent components ( Comparative cast alloys 1 to 11 having compositions in which the content of asterisks (marked with *) is out of the range of the present invention are inferior in at least one of these properties. As mentioned above, the Fe-Cr-Ni cast alloy of the present invention has particularly excellent heat resistance, abrasion resistance, and thermal shock resistance, as well as toughness, so these properties are excellent. When used as a guide shoe for hot tilt rolling mills (including perforators) for the production of seamless steel pipes, which are required, it has industrially useful properties such as stable performance over an extremely long period of time.