JP3265599B2 - Nickel-base heat-resistant alloy - Google Patents

Nickel-base heat-resistant alloy

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JP3265599B2
JP3265599B2 JP30870991A JP30870991A JP3265599B2 JP 3265599 B2 JP3265599 B2 JP 3265599B2 JP 30870991 A JP30870991 A JP 30870991A JP 30870991 A JP30870991 A JP 30870991A JP 3265599 B2 JP3265599 B2 JP 3265599B2
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義淳 椹木
正晃 五十嵐
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、高温強度が高く、耐
食性に優れ、特にナフサ、プロパン、エタン、ガスオイ
ル等の原料を水蒸気とともに 800℃以上の高温で分解
し、エチレン等の石油化学基礎製品を製造する目的に使
用される管、すなわち、エチレンプラント用分解炉管の
素材として好適なNi基耐熱合金に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a petrochemical base such as ethylene, which decomposes raw materials such as naphtha, propane, ethane, and gas oil at a high temperature of 800 ° C. or more together with water vapor. The present invention relates to a Ni-base heat-resistant alloy suitable as a material for a tube used for manufacturing a product, that is, a material for a decomposition furnace tube for an ethylene plant.

【0002】[0002]

【従来の技術】エチレンプラント用分解炉管の使用条件
は、近年の合成樹脂の需要増加に伴い、エチレン収率向
上の観点から高温化の傾向が強くなってきている。この
ような分解炉管の内面は浸炭雰囲気に曝されるため、高
温強度と耐浸炭性に優れた耐熱材料が要求される。また
一方では、操業中に分解炉管内表面で炭素が析出 (この
現象はコーキングと呼ばれる) し、その析出量の増加に
ともない△Pの上昇や加熱効率低下などの操業上の弊害
が生じる。従って、実操業においては、定期的に空気や
水蒸気で析出した炭素を除去する、いわゆるデコーキン
グ作業が行われているが、その間の操業停止や作業の工
数などが大きな問題になる。このようなコーキングとそ
れに伴う諸問題は、分解炉管のサイズが収率向上に有利
な小径管になる程、深刻になる。
2. Description of the Related Art With the recent increase in demand for synthetic resins, the use of cracking furnace tubes for ethylene plants tends to increase in temperature from the viewpoint of improving ethylene yield. Since the inner surface of such a cracking furnace tube is exposed to a carburizing atmosphere, a heat-resistant material excellent in high-temperature strength and carburizing resistance is required. On the other hand, during the operation, carbon is deposited on the inner surface of the cracking furnace tube (this phenomenon is called coking), and an increase in the amount of precipitation causes an adverse effect on the operation such as an increase in ΔP and a decrease in heating efficiency. Therefore, in the actual operation, a so-called decoking operation of periodically removing carbon deposited by air or water vapor is performed, but the operation stoppage and the number of man-hours during the operation become a serious problem. Such coking and the associated problems become more serious as the size of the cracking furnace tube becomes smaller, which is advantageous for improving the yield.

【0003】コーキング防止を目的とした従来技術とし
て、例えば特開平2−8336号公報には、合金中に28%以
上のCrを含有させて合金表面に強固で安定なCr203 皮膜
を形成させ、炭素析出を促進する触媒元素であるFeおよ
びNiの表面への浮上を防止し、コーキングを抑制するこ
とが提案されている。
[0003] formed as a prior art for the purpose of preventing coking, for example in JP-A-2-8336, a strong, stable Cr 2 0 3 coating on the alloy surface by incorporating 28% or more Cr in the alloy It has been proposed to prevent Fe and Ni, which are catalytic elements that promote carbon deposition, from floating on the surface and suppress coking.

【0004】一方、耐浸炭性向上のためには、例えば特
開昭57−23050 号公報に開示されているように、合金中
のSi含有量を高めるのが有効であることが知られてい
る。
On the other hand, in order to improve the carburization resistance, it is known that it is effective to increase the Si content in the alloy as disclosed in, for example, JP-A-57-23050. .

【0005】しかしながら、上述の従来技術には、なお
次のような問題点がある。
[0005] However, the above-mentioned prior art still has the following problems.

【0006】 コーキング防止の点から特開平2−83
36号公報のような高Cr合金を高温強度部材として適用す
る場合には、合金中のNi量を高めて金属組織をオーステ
ナイト化する必要があるが、高温強度は従来合金に比べ
て低い。高強度化のためにMoやW等の高価な元素を添加
しても、高温強度には寄与しない金属間化合物が析出し
て脆化現象が生じるだけでなくクリープ破断強度を向上
させる効果も小さい。従って、このような高Cr合金は単
独では高温強度部材として使用することは難しい。そこ
で特開平2−8336号公報の発明では、他の高強度材料と
組み合わせて二重管とし使用することとしているが、二
重管は製造コストが高くなり、経済性や信頼性の点で問
題が多い。
In order to prevent caulking, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-83
In the case where a high Cr alloy as disclosed in Japanese Patent Publication No. 36 is applied as a high-temperature strength member, it is necessary to increase the amount of Ni in the alloy to austenitize the metal structure, but the high-temperature strength is lower than that of the conventional alloy. Even if expensive elements such as Mo and W are added for high strength, intermetallic compounds that do not contribute to high-temperature strength are precipitated, which not only causes embrittlement but also has a small effect of improving creep rupture strength. . Therefore, it is difficult to use such a high Cr alloy alone as a high-temperature strength member. Therefore, in the invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-8336, a double tube is used in combination with other high-strength materials. However, the double tube has a high manufacturing cost and is problematic in terms of economy and reliability. There are many.

【0007】 優れた耐コーキング性と優れた耐浸炭
性を兼ね備えるためには合金中のCr量を高めるとともに
Si量も高める必要があるが、SiはCrと同様に強力なフェ
ライト形成元素であり、また靱性低下をもたらす金属間
化合物の析出を促進する元素でもある。すなわち、この
ような組成の合金が得られたとしてもやはり高温強度部
材として使用することは難しく、他の材料と組合せて二
重管として適用せざるを得ない。
In order to combine excellent coking resistance and excellent carburization resistance, the amount of Cr in the alloy must be increased while
Although the amount of Si needs to be increased, Si is a strong ferrite-forming element like Cr, and is also an element that promotes precipitation of an intermetallic compound that causes a decrease in toughness. That is, even if an alloy having such a composition is obtained, it is still difficult to use it as a high-temperature strength member, and it must be applied as a double tube in combination with other materials.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温強度と
耐食性に優れ、特にエチレンプラント用分解炉管のよう
に浸炭、酸化が繰り返される熱分解環境下においても優
れた耐浸炭性と耐コーキング性を有し、かつ、高温強度
部材として使用するに充分なクリープ破断強度を有する
オーステナイト耐熱合金を提供することを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has excellent high-temperature strength and corrosion resistance, and particularly has excellent carburization resistance and coking resistance even in a pyrolysis environment in which carburization and oxidation are repeated, such as in a cracking furnace tube for an ethylene plant. It is an object of the present invention to provide an austenitic heat-resistant alloy having heat resistance and having a sufficient creep rupture strength to be used as a high-temperature strength member.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
Ni基耐熱合金にある。なお、合金成分含有量に関する%
は全て重量%を意味する。
The gist of the present invention is as follows.
Ni-base heat-resistant alloy. In addition,% related to alloy component content
All mean% by weight.

【0010】(1) C: 0.10%以下、Si:1.0%以下、Mn:
0.2%以下、Cr: 5%を超えて18%まで、Al: 4.5 〜12
%を含有し、さらに、B:0.001〜0.03%、Zr: 0.01〜0.
3 %、Hf: 0.05〜1.0 %、Ti: 0.05〜1.0 %およびMg:
0.001〜0.02%の1種以上を含み、残部はNiまたはNiと
5%以下のFeおよび不可避的不純物から成る高温強度と
耐食性に優れたNi基耐熱合金。
(1) C: 0.10% or less, Si: 1.0% or less, Mn:
0.2% or less, Cr: More than 5% to 18%, Al: 4.5 to 12
%, B: 0.001-0.03%, Zr: 0.01-0.
3%, Hf: 0.05-1.0%, Ti: 0.05-1.0% and Mg:
A Ni-based heat-resistant alloy containing 0.001 to 0.02% or more, with the balance being Ni or Ni and 5% or less of Fe and unavoidable impurities, and having excellent high-temperature strength and corrosion resistance.

【0011】(2) 上記(1) の成分に加えて更に、Mo: 0.
5 〜5%とW: 1.0 〜10%の1種または2種を含有する
高温強度と耐食性に優れたNi基耐熱合金。
(2) In addition to the above component (1), Mo: 0.
Ni-base heat-resistant alloy with excellent high-temperature strength and corrosion resistance containing one or two of 5 to 5% and W: 1.0 to 10%.

【0012】(3) 上記(1) の成分に加えて更に、V:0.3
〜3%、Nb:0.5〜5%およびTa:1.0〜10%のうちの1種
以上を含有する高温強度と耐食性に優れたNi基耐熱合
金。
(3) In addition to the above component (1), V: 0.3
A Ni-base heat-resistant alloy having excellent high-temperature strength and corrosion resistance containing at least one of -3%, Nb: 0.5-5% and Ta: 1.0-10%.

【0013】(4) 上記(1) の成分に加えて更に、Mo: 0.
5 〜5%とW: 1.0 〜10%の1種または2種、ならびに
V:0.3〜3%、Nb:0.5〜5%およびTa:1.0〜10%のうち
の1種以上を含有する高温強度と耐食性に優れたNi基耐
熱合金。
(4) In addition to the above-mentioned component (1), Mo: 0.
High-temperature strength containing one or two of 5 to 5% and W: 1.0 to 10%, and one or more of V: 0.3 to 3%, Nb: 0.5 to 5%, and Ta: 1.0 to 10%. Ni-base heat-resistant alloy with excellent corrosion resistance.

【0014】(5) 更に、Y:0.01〜0.25%、La:0.01〜
0.25%およびCe:0.01〜0.25%のうち1種以上を含有
し、しかもこれらの成分の合計が0.25%をこえない高温
強度と耐食性に優れた上記(1) 〜(4) のいずれかのNi基
耐熱合金。
(5) Further, Y: 0.01 to 0.25%, La: 0.01 to
0.25% and Ce: Ni of any one of the above (1) to (4), which contains at least one of 0.01 to 0.25%, and has excellent high-temperature strength and corrosion resistance in which the total of these components does not exceed 0.25%. Base heat-resistant alloy.

【0015】なお、特に高い強度を必要とする場合に
は、上記 (1)〜(5) の合金のC含有量を0.02%を超え、
0.10%の範囲に選ぶことが推奨される。
When a particularly high strength is required, the C content of the alloys (1) to (5) exceeds 0.02%,
It is recommended to choose in the range of 0.10%.

【0016】[0016]

【作用】上述したように、合金の耐浸炭性向上には、高
Si化によりメタル/スケール界面にSiO2皮膜を形成させ
ることが有効であることが知られている。一方、耐コー
キング性向上には高Cr化によって最外層酸化スケール表
面に Cr2O3の皮膜を形成させるのが有効であることも知
られている。
As described above, the improvement of the carburization resistance of the alloy is
It is known that it is effective to form a SiO 2 film at the metal / scale interface by Si formation. On the other hand, it is also known that it is effective to form a Cr 2 O 3 film on the surface of the outermost oxide scale by increasing the Cr content in order to improve the coking resistance.

【0017】本発明者らも耐浸炭性および耐コーキング
性を改善するためには、強固で緻密な表面酸化皮膜の形
成が効果的であると考えて研究を進めた。その結果、合
金中のAl含有量を高めることにより、メタル表面に強固
で緻密なAl2O3 皮膜を均一に生成させれば、従来の合金
に比較して耐浸炭性および耐コーキング性が著しく向上
することを見出した。また、このようにAl含有量を高め
たうえで、Crを所定量以上含有させ、しかも過大な量に
ならない範囲に抑えれば、単層でコランダム型の( Al、
Cr)2O3皮膜を形成し、皮膜の効果を一層向上させる作用
を有することが確認された。このような高Al合金ではNi
量を高めることにより高温での使用中にγ′相がマトリ
ックス中に微細析出し、クリープ破断強度も大幅に向上
する。従って、Niをベースとし、Al含有量を高め、且つ
SiとCrを適正な範囲で含有する合金は、耐食性と高温強
度を兼ね備えた耐熱合金となり、高温強度部材として、
前述のような用途に好適である。
[0017] The present inventors have also conducted research on the belief that formation of a strong and dense surface oxide film is effective in improving carburization resistance and coking resistance. As a result, by increasing the Al content in the alloy, if a strong and dense Al 2 O 3 film is uniformly formed on the metal surface, the carburization resistance and coking resistance will be remarkable compared to the conventional alloy. Found to improve. In addition, after increasing the Al content in this way, if Cr is contained in a predetermined amount or more, and is kept within a range that does not become excessive, a single layer of corundum type (Al,
It was confirmed that a Cr) 2 O 3 film was formed and had an effect of further improving the effect of the film. In such a high Al alloy, Ni
By increasing the amount, the γ 'phase is finely precipitated in the matrix during use at a high temperature, and the creep rupture strength is greatly improved. Therefore, based on Ni, increase the Al content, and
Alloys containing Si and Cr in an appropriate range are heat-resistant alloys having both corrosion resistance and high-temperature strength.
It is suitable for the applications described above.

【0018】以下、本発明の合金を構成する成分の作用
効果と、その適正含有量について説明する。
Hereinafter, the function and effect of the components constituting the alloy of the present invention and the proper content thereof will be described.

【0019】C:炭化物を形成して耐熱鋼として必要な
引張強さやクリープ破断強度を向上させるためには有効
な元素であるが、0.10%を超える含有量になると合金の
延性および靱性の低下が大きくなる。特に、延性と靱性
を重視する場合は、Cは0.02%以下に抑えるのが望まし
い。一方、クリープ破断強度を重視する場合には0.02%
を超え、0.10%以下のCを含有させて、比較的多量の炭
化物を微細に分散させるのがよい。
C: An effective element for forming carbides to improve the tensile strength and creep rupture strength required as heat-resistant steel, but when the content exceeds 0.10%, the ductility and toughness of the alloy are reduced. growing. In particular, when emphasis is placed on ductility and toughness, it is desirable to suppress C to 0.02% or less. 0.02% when creep rupture strength is important
And more than 0.10% of C should be contained to disperse a relatively large amount of carbide finely.

【0020】Si:脱酸元素として必要な元素であり、耐
酸化性や耐浸炭性改善にも寄与する元素であるが、本発
明合金のような高Al合金ではその効果は比較的小さい。
本発明合金では炭化物の微細分散によりクリープ破断強
度を向上させるのであるが、Siは炭化物の析出形態を変
化させる元素であり、0.10%以上のSiが存在すれば炭化
物の微細分散が一層顕著になる。ただし、Siが過剰に存
在すると炭化物の凝集、粗大化等により、靱性等の機械
的性質を低下させる。これらの作用を考慮すれば、Siは
1.0%以下とするのがよい。望ましいSiの含有量は0.10
〜1.0%である。
Si: An element necessary as a deoxidizing element, which also contributes to improvement in oxidation resistance and carburization resistance, its effect is relatively small in a high Al alloy such as the alloy of the present invention.
In the alloy of the present invention, the creep rupture strength is improved by the fine dispersion of the carbide, but Si is an element that changes the precipitation form of the carbide, and the fine dispersion of the carbide becomes more remarkable if 0.10% or more of Si is present. . However, if Si is present in excess, mechanical properties such as toughness are reduced due to aggregation and coarsening of carbides. Considering these effects, Si
It is better to be 1.0% or less. Desirable Si content is 0.10
~ 1.0%.

【0021】Mn:Mnは脱酸元素として有効な元素である
が、耐コーキング性の劣化要因となるスピネル型酸化皮
膜の形成を促進する元素であるため、その含有量は 0.2
%以下に抑える必要がある。
Mn: Although Mn is an effective element as a deoxidizing element, it is an element that promotes the formation of a spinel-type oxide film which is a cause of deterioration of coking resistance.
%.

【0022】Cr:Crは耐酸化性や耐コーキング性の改善
に有効な元素である。本発明合金のようにAl含有量の高
い合金でも、後述するAl2O3 皮膜の効果を更に補強し
て、耐酸化性および耐コーキング性を更に高める効果が
あり、より高温での使用が可能となる。このような効果
は、Cr含有量が5%を超えるところから顕著になる。た
だし、前記のように、Crが過剰になると金属間化合物が
不均一に析出し、靱性等の機械的性質を低下させる。こ
のような弊害をさけるには、Crを18%以下にとどめる必
要がある。
Cr: Cr is an element effective for improving oxidation resistance and coking resistance. Even alloys with a high Al content, such as the alloys of the present invention, have the effect of further reinforcing the effect of the Al 2 O 3 film described below, further increasing oxidation resistance and coking resistance, and can be used at higher temperatures. Becomes Such an effect becomes remarkable when the Cr content exceeds 5%. However, as described above, when Cr is excessive, the intermetallic compound is deposited unevenly, and mechanical properties such as toughness are reduced. In order to avoid such adverse effects, it is necessary to keep Cr at 18% or less.

【0023】Al:Alは耐浸炭性および耐コーキング性の
向上に極めて有効な元素であるが、その効果を発揮させ
るためには、コランダム型の Al2O3酸化皮膜を均一に生
成させる必要がある。本発明合金においては、Crとの複
合添加により (Al、Cr)2O3皮膜を形成し、耐酸化性およ
び耐コーキング性を著しく向上させる。そのためには、
少なくとも 4.5%のAlが必要である。但し、Alが12%を
超えると、室温および高温での延性、靱性が著しく劣化
して高温強度部材として使用できなくなる。従って、Al
の適正含有量は 4.5〜12.0%である。なお、この範囲で
Alを含有させることにより、γ′相が使用中に微細析出
しクリープ破断強度も大幅に改善される。
Al: Al is an extremely effective element for improving carburization resistance and coking resistance, but in order to exert its effect, it is necessary to uniformly form a corundum-type Al 2 O 3 oxide film. is there. In the alloy of the present invention, an (Al, Cr) 2 O 3 film is formed by the complex addition with Cr, and the oxidation resistance and the coking resistance are remarkably improved. for that purpose,
At least 4.5% Al is required. However, when Al exceeds 12%, ductility and toughness at room temperature and high temperature are significantly deteriorated and cannot be used as a high-temperature strength member. Therefore, Al
Is 4.5-12.0%. In this range,
By including Al, the γ 'phase is finely precipitated during use, and the creep rupture strength is greatly improved.

【0024】B、Zr、Hf、TiおよびMg:これらの元素は
主として合金の粒界強化に有効な元素であり、その効果
を発揮させるためには、Bは0.001 %以上、Zrは0.01%
以上、Hfは0.05%以上、Tiは0.05%以上、Mgは 0.001%
以上、それぞれ必要である。しかし、過剰に含有させる
とクリープ破断強度が再び低下するので、上限は、Bで
0.03%、Zrで0.3 %、Hfで 1.0%、Tiで 1.0%、Mgで0.
02%とする。これらの元素は1種だけ含有させてもよい
し、また2種以上複合添加してもよい。
B, Zr, Hf, Ti and Mg: These elements are mainly effective for strengthening the grain boundary of the alloy. In order to exhibit the effect, B is 0.001% or more and Zr is 0.01% or more.
Hf is 0.05% or more, Ti is 0.05% or more, Mg is 0.001%
These are all necessary. However, if the content is excessive, the creep rupture strength decreases again.
0.03%, 0.3% for Zr, 1.0% for Hf, 1.0% for Ti, 0.2% for Mg
02%. One of these elements may be contained, or two or more of these elements may be added in combination.

【0025】本発明合金の一つは、上記の成分の外、残
部がNiからなるものである。Niは安定なオーステナイト
組織を得るため、および耐浸炭性確保の点から欠かすこ
とのできない元素であり、特にγ′相による析出強化の
効果を高めるためには多いほど望ましい。従って、本発
明ではNi基の合金を選んだのであるが、経済性を考慮し
て5%以下の範囲でNiの一部をFeで置換しても本発明合
金の性能は十分保たれる。
One of the alloys of the present invention has the above components and the balance of Ni. Ni is an element that is indispensable for obtaining a stable austenite structure and ensuring carburization resistance. It is more desirable to increase the content of Ni in order to enhance the effect of precipitation strengthening by the γ 'phase. Therefore, in the present invention, a Ni-based alloy is selected, but the performance of the alloy of the present invention is sufficiently maintained even if a part of Ni is replaced with Fe within a range of 5% or less in consideration of economy.

【0026】本発明合金は、前述の成分の外に、更に以
下に述べる成分を含有することができる。
The alloy of the present invention may further contain the following components in addition to the above-mentioned components.

【0027】MoおよびWの一方または双方:Mo、Wは主
として固溶強化元素として有効であり、基地のオーステ
ナイト相を強化することにより、クリープ破断強度を上
昇させる。この効果を発揮させるためには、Moで 0.5%
以上、Wで 1.0%以上が必要であるが、過剰に含有させ
ると靱性低下の要因となる金属間化合物が析出するだけ
でなく耐浸炭性や耐コーキング性も劣化するから、Moは
5%まで、Wは10%までに抑えるべきである。これらを
2種併用する場合にも、合計含有量をMo+(1/2) Wで5
%以下に抑えるべきである。
One or both of Mo and W: Mo and W are mainly effective as solid solution strengthening elements, and increase the creep rupture strength by strengthening the austenite phase of the matrix. To achieve this effect, 0.5% of Mo
As described above, the content of W is required to be 1.0% or more. However, if the content is excessive, not only the intermetallic compound which causes a decrease in toughness is precipitated but also the carburization resistance and the coking resistance are deteriorated. , W should be kept to 10%. When these two kinds are used in combination, the total content is 5% by Mo + (1/2) W.
%.

【0028】Nb、TaおよびVのうちの1種以上:これら
の元素は、オーステナイト相中に固溶するとともにγ′
相やCr炭化物中にも固溶してクリープ破断強度の向上に
寄与する。その効果を発揮させるためには、Nbは 0.5%
以上、Taは 1.0%以上、Vは 0.3%以上が必要である
が、過剰に含有させると靱性低下を招くので、上限はNb
で5%、Taで10%、Vで3%とする。なお2種以上を複
合添加する場合は、合計含有量を (5/3)V+Nb+(1/2)T
a で5%以下とする。
One or more of Nb, Ta and V: These elements form a solid solution in the austenite phase and
It also forms a solid solution in the phase and Cr carbide and contributes to the improvement of creep rupture strength. To achieve its effect, Nb should be 0.5%
As described above, Ta must be at least 1.0% and V must be at least 0.3%. However, if excessively contained, the toughness is reduced.
5%, Ta 10%, and V 3%. When two or more kinds are added in combination, the total content is (5/3) V + Nb + (1/2) T
a should be 5% or less.

【0029】上記のMoおよびWからなる群、ならびにN
b、TaおよびVからなる群の双方から1種以上の元素を
選んで含有させてもよい。
The above group consisting of Mo and W;
One or more elements may be selected from both of the group consisting of b, Ta and V.

【0030】Y、LaおよびCe:これらの元素は、主とし
て熱サイクル条件下での (Al、Cr)2O3皮膜の密着性を向
上し、温度変動下での使用においても優れた耐浸炭性及
び耐コーキング性が維持される。その効果を発揮させる
ためにはY、LaおよびCeとも、それぞれ0.01%以上必要
である。しかし、過剰に含有させると加工性が悪化し、
また、 Al2O3皮膜剥離防止の効果も飽和するので、上限
はY、LaおよびCeともそれぞれ0.25%とする。これらの
元素は1種だけ含有させてもよいし、また2種以上複合
添加してもよいが、この複合添加を行う場合は、特に加
工性を維持するためにこれらの元素の合計が0.25%を超
えない範囲に抑えるべきである。上記のMoおよびWから
なる群、Nb、TaおよびVからなる群ならびにY、La、お
よびCeからなる群の三つの群から1種以上の元素を選ん
で含有させてもよい。
Y, La and Ce: These elements mainly improve the adhesion of the (Al, Cr) 2 O 3 film under thermal cycling conditions and have excellent carburization resistance even when used under temperature fluctuations. And the coking resistance is maintained. In order to exert the effect, each of Y, La and Ce needs to be 0.01% or more. However, if it is contained excessively, the processability deteriorates,
Further, the effect of preventing the peeling of the Al 2 O 3 film is saturated, so the upper limit is set to 0.25% for each of Y, La and Ce. One of these elements may be contained, or two or more of these elements may be added in combination. In the case of performing this addition, the total of these elements is preferably 0.25% in order to maintain workability. Should not be exceeded. One or more elements may be selected and contained from the above three groups of the group consisting of Mo and W, the group consisting of Nb, Ta and V, and the group consisting of Y, La and Ce.

【0031】本発明合金は、通常の溶解および精錬工程
で溶製したのち、鋳造し、鋳造のまま、あるいは更に鍛
造工程、圧延、押し出し等の加工工程を経て管などの製
品として製造される。なお、粉末冶金法で製品にしても
よい。熱処理は、組織の均一化を促進し本発明合金の性
能向上に寄与する。この場合、通常、1200〜1300℃の均
一化処理が施されるが、鋳造あるいは加工ままでの使用
も可能である。
The alloy of the present invention is produced as a product such as a pipe after being melted in a usual melting and refining process, and then cast and as cast, or further subjected to working processes such as forging, rolling and extrusion. The product may be manufactured by powder metallurgy. The heat treatment promotes the homogenization of the structure and contributes to the improvement of the performance of the alloy of the present invention. In this case, usually, a homogenization treatment at 1200 to 1300 ° C. is performed, but it is also possible to use the casting or processing as it is.

【0032】[0032]

【実施例1】靱性を重視する低C(C≦0.02%) の合金
の試験を行った。表1(1) および表1(2) に供試材の化
学組成を示す。No. 1〜35の合金が本発明合金であり、
A〜Fの合金は比較合金である。本発明合金および比較
合金A、B、Fはいずれも17kg真空高周波溶解したイン
ゴットを1250℃で固溶化熱処理した。比較合金C、Dは
50kg真空高周波溶解後、鍛造および冷間圧延により10mm
厚の板材とした後1250℃で固溶化熱処理を施した。比較
合金Eは外径120mm 、肉厚10mmの鋳造のままの遠心鋳造
管である。
Example 1 A test was conducted on a low C (C ≦ 0.02%) alloy that emphasizes toughness. Tables 1 (1) and 1 (2) show the chemical compositions of the test materials. The alloys of Nos. 1 to 35 are the alloys of the present invention,
The alloys A to F are comparative alloys. The alloys of the present invention and comparative alloys A, B, and F were all subjected to solution heat treatment at 1250 ° C. for ingots obtained by subjecting 17 kg of vacuum induction melting. Comparative alloys C and D
After 50kg vacuum induction melting, 10mm by forging and cold rolling
After forming a thick plate, a solution heat treatment was performed at 1250 ° C. Comparative alloy E is an as-cast centrifugally cast tube having an outer diameter of 120 mm and a wall thickness of 10 mm.

【0033】これらの供試材を用いて、耐浸炭性、耐コ
ーキング性およびクリープ破断試験による高温強度特性
の評価を行った。耐浸炭性の評価は固体浸炭試験法によ
りピレット状のBaCO3 +木炭 (配合比 3:7)の浸炭剤を
用いて1150℃×100hの加熱処理を行い、試験前後の平均
C増加量で評価した。また、一部の供試材については、
熱サイクル環境下における耐浸炭性を評価するために、
1150℃×20h ×5回の加熱処理も行い、100h連続加熱処
理材との比較を実施した。
Using these test materials, the high-temperature strength characteristics were evaluated by carburization resistance, coking resistance, and creep rupture test. Carburization resistance was evaluated by the solid carburization test method, using a carburizing agent of pyret-shaped BaCO 3 + charcoal (mixing ratio 3: 7) at 1150 ° C x 100h, and evaluating the average C increase before and after the test. did. For some test materials,
In order to evaluate the carburization resistance under the heat cycle environment,
The heat treatment was also performed at 1150 ° C. × 20 h × 5 times, and a comparison with a 100 h continuous heat treatment material was performed.

【0034】耐コーキング性の評価はガス浸炭試験法に
より、80%CH4+20%H2O 雰囲気中にて1050℃×30h の
試験を行い、試験片表面に付着したC量で評価した。ま
た、一部の供験材については、耐浸炭性の評価と同様
に、1050℃×6h×5回の試験を行い、30h連続試験と
の比較を実施した。高温強度特性評価は、1100℃×1.0k
gf/mm2 でのクリープ破断試験により行った。一部の供
試材については、1100℃での高温引張試験および1050℃
×3000h時効処理後の靱性試験を行った。これらの試験
結果を表2および表3にまとめて示す。
The coking resistance was evaluated by a gas carburizing test at 1050 ° C. for 30 hours in an atmosphere of 80% CH 4 + 20% H 2 O, and the amount of carbon adhering to the surface of the test piece was evaluated. In addition, for some test materials, a test at 1050 ° C. × 6 h × 5 times was performed in the same manner as in the evaluation of carburization resistance, and a comparison with a 30 h continuous test was performed. High temperature strength property evaluation is 1100 ° C x 1.0k
A creep rupture test at gf / mm 2 was performed. For some test materials, high temperature tensile test at 1100 ° C and 1050 ° C
A toughness test after aging treatment for × 3000 h was performed. These test results are summarized in Tables 2 and 3.

【0035】図1および図2は、耐浸炭性および耐コー
キング性におよぼす合金のAl含有量の影響を、表2の結
果からグラフにしたものである。
FIGS. 1 and 2 are graphs of the effect of the Al content of the alloy on carburization resistance and coking resistance from the results shown in Table 2.

【0036】また、図3および図4は連続加熱および熱
サイクル加熱条件下での耐浸炭性に及ぼす合金のY、La
およびCe含有量の影響を表2および表3の結果からグラ
フにしたものである。図中の記号は、表2および表3の
合金No. を示す。これらの図および表2から、Alが 4.5
〜12%の本発明合金では、Alが 4.5%より少ない比較合
金A、高Crの合金C、DおよびEより耐浸炭性および耐
コーキング性が大幅に改善されていることがわかる。こ
れは合金中のAlを 4.5%以上に高めるとともに、Crの適
正量を含有させたことにより、メタル表面に強固で緻密
な単層のコランダム型の(Al、Cr)2O3酸化皮膜が形成さ
れることに起因するものである。
FIGS. 3 and 4 show the effect of Y and La of the alloy on the carburization resistance under the conditions of continuous heating and heat cycle heating.
And the effect of the Ce content is graphed from the results in Tables 2 and 3. The symbols in the figures indicate the alloy numbers in Tables 2 and 3. From these figures and Table 2, 4.5
It can be seen that ~ 12% of the alloys of the present invention have significantly improved carburization and coking resistance over Comparative Alloy A with less than 4.5% Al and alloys C, D and E with high Cr. This is to increase the Al in the alloy to 4.5% or more and to contain an appropriate amount of Cr to form a strong and dense single-layer corundum (Al, Cr) 2 O 3 oxide film on the metal surface This is caused by

【0037】またAlが4.5 %以上でのこのように緻密で
強固な皮膜の形成は、合金中のMnを0.2%以下に抑制す
ることにより初めて達成されるものである。さらにY、
LaおよびCeの効果については、図3、図4および表3の
本発明合金No.32 、33で明らかなように、本発明の範囲
で単独あるいは2種以上添加することにより、特に熱サ
イクル加熱条件下における耐浸炭性および耐コーキング
性が大幅に改善されることがわかる。これはY、Laおよ
びCeがメタル/皮膜界面に偏析するSを硫化物としてメ
タル中に固定し、(Al、Cr)2O3皮膜の密着性を良好にし
耐剥離性を向上させたことによる。
The formation of such a dense and strong film when the content of Al is 4.5% or more can be achieved only by suppressing the content of Mn in the alloy to 0.2% or less. Furthermore, Y,
Regarding the effects of La and Ce, as is clear from the alloys Nos. 32 and 33 of the present invention in FIGS. It can be seen that the carburization resistance and coking resistance under the conditions are significantly improved. This is because S, in which Y, La and Ce segregate at the metal / film interface, is fixed in the metal as a sulfide, thereby improving the adhesion of the (Al, Cr) 2 O 3 film and improving the peel resistance. .

【0038】一方、本発明合金の No.4と比較合金のF
とを対比すれば明らかなように、Alを 4.5%以上に高め
るとともにNiを増加させることにより、クリープ破断寿
命も大幅に改善されることがわかる。これは、高温での
使用中にγ′相がマトリックス中に微細析出することに
よる。
On the other hand, No. 4 of the alloy of the present invention and F of the comparative alloy
As is clear from the comparison with the above, it is understood that the creep rupture life is greatly improved by increasing Al to 4.5% or more and increasing Ni. This is due to the fact that the γ 'phase precipitates finely in the matrix during use at high temperatures.

【0039】図5および図6は、Al含有量と1100℃での
引張強さおよびクリープ破断時間 (1.0 kgf/mm2)を同じ
く表2の結果からグラフにしたものである。これらの図
に示すように、本発明で定める範囲においては、Alの増
加にともない高温引張強さおよびクリープ破断寿命がさ
らに改善される。しかし、Alの含有量が12%を超えて過
剰になると比較合金Bのように高温強度改善効果が飽和
し、表2に見られるように時効後の靱性が著しく低下す
る。このような合金は高温強度部材として使用するには
問題がある。
FIGS. 5 and 6 are graphs of the Al content, the tensile strength at 1100 ° C., and the creep rupture time (1.0 kgf / mm 2 ) from the results in Table 2. As shown in these figures, in the range defined by the present invention, the high-temperature tensile strength and the creep rupture life are further improved with an increase in Al. However, when the content of Al exceeds 12% and becomes excessive, the effect of improving high-temperature strength is saturated as in Comparative Alloy B, and as shown in Table 2, the toughness after aging is significantly reduced. Such an alloy has a problem when used as a high-temperature strength member.

【0040】ところで、本発明合金のような高Al−Ni基
合金の高温強度向上を図るためには表1および表2のN
o.1〜No.16 に示すように、適量のB、Zr、Hf、Tiおよ
びMgの少なくとも1種の含有が必須であるが、No. 17〜
24のように、さらにMo、Wの1種以上あるいはNb、Ta、
Vの1種以上を含有させること、およびこれらを複合添
加することにより、高温強度は一層向上する。なお、こ
れら強化元素含有による耐浸炭性や耐コーキング性の劣
化傾向は本発明の範囲では特に認められない。
Incidentally, in order to improve the high temperature strength of a high Al—Ni base alloy such as the alloy of the present invention, N
As shown in o.1 to No.16, it is essential to contain at least one of B, Zr, Hf, Ti and Mg in an appropriate amount.
24, one or more of Mo and W or Nb, Ta,
The high-temperature strength is further improved by including at least one V and by adding them in combination. Note that the tendency of deterioration of carburization resistance and coking resistance due to the inclusion of these reinforcing elements is not particularly recognized within the scope of the present invention.

【0041】ここでは、本発明合金の例としてインゴッ
ト材に関する試験結果を示した。しかし、鍛造、熱間圧
延、冷間圧延等の加工を施しても、耐浸炭性や耐コーキ
ング性には変わりはなく、むしろ組織の均一化により靱
性等の機械的性質は向上する。また、本発明合金は、粉
末として製造し、これを粉末冶金法で管材等に加工して
も優れた高温強度部材となる。
Here, the results of tests on ingot materials are shown as examples of the alloy of the present invention. However, even if processing such as forging, hot rolling and cold rolling is performed, the carburization resistance and the coking resistance do not change, but rather the mechanical properties such as toughness are improved by the uniform structure. Further, the alloy of the present invention can be produced as a powder and processed into a pipe or the like by powder metallurgy to be an excellent high-temperature strength member.

【0042】[0042]

【表1(1)】 [Table 1 (1)]

【0043】[0043]

【表1(2)】 [Table 1 (2)]

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】[0045]

【表3】 [Table 3]

【0046】[0046]

【実施例2】特に高温強度を重視し、C含有量を比較的
高めにした合金について試験を行った。表4に供試材の
化学組成を示す。No.1〜10の合金が本発明合金であり、
A、Bの合金は比較合金である。本発明合金および比較
合金の製造方法も実施例1と同じにした。但し、本発明
合金の固溶化熱処理温度は1270℃とした。
Example 2 A test was conducted on an alloy in which the high-temperature strength was particularly emphasized and the C content was relatively high. Table 4 shows the chemical composition of the test materials. Nos. 1 to 10 are alloys of the present invention,
The alloys A and B are comparative alloys. The method for producing the alloy of the present invention and the comparative alloy was the same as in Example 1. However, the solution heat treatment temperature of the alloy of the present invention was 1270 ° C.

【0047】耐浸炭性および耐コーキング性の試験条件
も実施例1と同じである。高温引張試験およびクリープ
試験は実施例1と同じ1100℃、及びそれよりも50℃高い
1150℃で行った。試験結果を表5に示す。
The test conditions for carburization resistance and coking resistance are the same as in Example 1. The high temperature tensile test and the creep test were the same as in Example 1 at 1100 ° C and higher by 50 ° C.
Performed at 1150 ° C. Table 5 shows the test results.

【0048】表5から明らかなように、耐浸炭性および
耐コーキング性に及ぼすAlの影響などは実施例1の低C
合金の場合と変わりがない。一方、機械的性質を較べて
みると、1150℃で時効した後の衝撃値はやや低めである
が、高温強度に関しては1150℃においても十分高い値を
示しており、より高温での使用も可能となる。
As is clear from Table 5, the effect of Al on carburization resistance and coking resistance was as low as that of Example 1.
There is no difference from the case of alloy. On the other hand, when comparing the mechanical properties, the impact value after aging at 1150 ° C is slightly lower, but the high-temperature strength shows a sufficiently high value even at 1150 ° C, and it can be used at higher temperatures. Becomes

【0049】[0049]

【表4】 [Table 4]

【0050】[0050]

【表5】 [Table 5]

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明の合金は、耐浸炭性と耐コーキン
グ性に優れるだけでなく、高温強度も極めて高い。この
合金は、特にエチレンプラント用分解炉管として好適で
あり、二重管にしなくても単管として使用することが可
能である。
The alloy of the present invention is not only excellent in carburization resistance and coking resistance, but also has extremely high strength at high temperatures. This alloy is particularly suitable as a cracking furnace tube for an ethylene plant, and can be used as a single tube without using a double tube.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のNi基合金および比較合金のAl含有量と
耐浸炭性との関係を示す図である。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the Al content and the carburization resistance of a Ni-based alloy and a comparative alloy of the present invention.

【図2】本発明のNi基合金および比較合金のAl含有量と
耐コーキング性との関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the Al content and the coking resistance of the Ni-based alloy and the comparative alloy of the present invention.

【図3】本発明のNi基合金および比較合金のY、La、Ce
含有量と連続加熱および熱サイクル加熱条件下での耐浸
炭性との関係を示す図である。
FIG. 3 shows Y, La, and Ce of a Ni-based alloy of the present invention and a comparative alloy.
It is a figure which shows the relationship between content and carburizing resistance under continuous heating and heat cycle heating conditions.

【図4】本発明のNi基合金および比較合金のY、La、Ce
含有量と連続加熱および熱サイクル加熱条件下での耐コ
ーキング性との関係を示す図である。
FIG. 4 shows Y, La, and Ce of a Ni-based alloy of the present invention and a comparative alloy.
It is a figure which shows the relationship between content and coking resistance under continuous heating and heat cycle heating conditions.

【図5】本発明のNi基合金および比較合金のAl含有量と
1100℃での引張強さとの関係を示す図である。
FIG. 5 shows the Al content of the Ni-base alloy of the present invention and a comparative alloy.
It is a figure which shows the relationship with the tensile strength at 1100 degreeC.

【図6】本発明のNi基合金および比較合金のAl含有量と
1100℃×1.0 kgf/mm2 のクリープ破断時間との関係を示
す図である。
FIG. 6 shows the Al content of the Ni-base alloy of the present invention and a comparative alloy.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship with a creep rupture time of 1100 ° C. × 1.0 kgf / mm 2 .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−259037(JP,A) 特開 昭64−31931(JP,A) 特開 平1−152245(JP,A) 特開 平2−267240(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 19/05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-2-259037 (JP, A) JP-A-64-31931 (JP, A) JP-A-1-152245 (JP, A) JP-A-2- 267240 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C22C 19/05

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】重量%で、C: 0.10%以下、Si:1.0%以
下、Mn:0.2%以下、Cr: 5%を超えて18%まで、Al: 4.
5 〜12%を含有し、さらに、B:0.001〜0.03%、Zr: 0.
01〜0.3 %、Hf: 0.05〜1.0 %、Ti: 0.05〜1.0 %およ
びMg:0.001〜0.02%の1種以上を含み、残部はNiまたは
Niと5%以下のFeおよび不可避的不純物から成る高温強
度と耐食性に優れたNi基耐熱合金。
C: 0.10% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 0.2% or less, Cr: more than 5% to 18%, Al: 4.
5-12%, B: 0.001-0.03%, Zr: 0.
01-0.3%, Hf: 0.05-1.0%, Ti: 0.05-1.0%, and Mg: 0.001-0.02%, with the balance being Ni or
Ni-based heat-resistant alloy with excellent high-temperature strength and corrosion resistance consisting of Ni, Fe of 5% or less and unavoidable impurities.
【請求項2】請求項1の成分に加えて更に、Mo: 0.5 〜
5%とW: 1.0 〜10%の1種または2種を含有する高温
強度と耐食性に優れたNi基耐熱合金。
2. The composition according to claim 1, further comprising:
Ni-base heat-resistant alloy with excellent high-temperature strength and corrosion resistance containing one or two of 5% and W: 1.0 to 10%.
【請求項3】請求項1の成分に加えて更に、V:0.3〜3
%、Nb:0.5〜5%およびTa:1.0〜10%のうちの1種以上
を含有する高温強度と耐食性に優れたNi基耐熱合金。
3. The composition according to claim 1, further comprising: V: 0.3 to 3
%, Nb: 0.5 to 5%, and Ta: 1.0 to 10%. Ni-base heat-resistant alloy excellent in high-temperature strength and corrosion resistance.
【請求項4】請求項1の成分に加えて更に、Mo: 0.5 〜
5%とW: 1.0 〜10%の1種または2種、ならびにV:
0.3〜3%、Nb:0.5〜5%およびTa:1.0〜10%のうちの
1種以上を含有する高温強度と耐食性に優れたNi基耐熱
合金。
4. The composition according to claim 1, further comprising Mo: 0.5 to 0.5.
5% and one or two of W: 1.0 to 10%, and V:
A Ni-based heat-resistant alloy containing 0.3 to 3%, Nb: 0.5 to 5%, and Ta: 1.0 to 10%, which is excellent in high-temperature strength and corrosion resistance.
【請求項5】更に、Y:0.01〜0.25%、La:0.01〜0.25
%およびCe:0.01〜0.25%のうち1種以上を含有し、し
かもこれらの成分の合計が0.25%を超えない請求項1か
ら4までのいずれかの高温強度と耐食性に優れたNi基耐
熱合金。
5. Y: 0.01 to 0.25%, La: 0.01 to 0.25
% And Ce: at least one of 0.01 to 0.25%, and the total of these components does not exceed 0.25%. 5. A Ni-base heat-resistant alloy having excellent high-temperature strength and corrosion resistance according to claim 1. .
【請求項6】C含有量が0.02%を超え、0.10%以下であ
る請求項1から5までのいずれかの高温強度と耐食性に
優れたNi基耐熱合金。
6. The Ni-base heat-resistant alloy according to claim 1, wherein the C content is more than 0.02% and 0.10% or less.
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