JPH07103449B2 - 耐浸炭性及びクリープ破断強度にすぐれる耐熱鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、石油化学工業におけるナフサ、エタン等の炭
化水素の熱分解・改質反応に使用される反応管等の材料
として好適な耐熱鋼に関する。

［従来技術及びその問題点］ 石油化学工業における炭化水素の熱分解・改質反応で
は、炭化水素の熱分解過程にて、カーボンが反応管の壁
面に付着し、そのカーボンが管の内部に拡散していくた
め、いわゆる浸炭現象が生じて反応管の材質が著しく劣
化する問題がある。

この用途に使用される材料として、従来から、ASTMに規
定されたHP系材料（25Cr−35Ni）や、さらにNb、Ｗ、Mo
等を添加した改良HP系材料等が広く使用されている。

ところで、最近では、操業温度の高温化が進んでおり、
上記材料の場合、1100℃以上の温度で使用されると、十
分の耐浸炭性を発揮できないばかりか、クリープ破断強
度の著しい低下を招くという問題がある。このため、11
00℃以上の温度域での使用に耐え得るすぐれた耐浸炭性
と高いクリープ破断強度を備えた材料が要請されてい
る。

本発明はかかる要請を満たした新規な材料を提供するも
のである。

［技術的手段及び作用］ 本発明の耐熱鋼は、重量％にて、C:0.3〜1.5％、Si:2％
を超えて３％以下、Mn:2％以下、Cr:20〜30％、Ni:25〜
40％、Al:0.2〜2.0％、Nb:0.2〜2.0％および残部実質的
にFeからなる成分組成を有している。

本発明の耐熱鋼は、必要に応じて、さらにTi:0.01〜0.3
％を含有することもできる。

本発明の耐熱鋼は、1100℃以上の温度域の使用におい
て、すぐれた耐浸炭性と高いクリープ破断強度を具備し
ている。

［成分限定理由］ 本発明の耐熱鋼の成分限定理由は次の通りである。

C:0.3〜1.5％ Ｃ量の増加に伴って溶融温度が低下するため、鋳造性が
向上する。しかし、あまりに含有量が多くなると、材料
の劣化が進み、鋳造割れや溶接割れを発生する。このた
め、Ｃ含量の上限は1.5％とする 他方、Ｃ含有量が0.3％より少ないと高温での使用中に
シグマ相が析出し、延性の著しい低下を招く。このた
め、下限は0.3％に規定する。

Si:2％を超えて３％以下 Siは耐浸炭性を向上させる重要な元素である。また、後
記するようにAlも耐浸炭性を向上させる重要な元素であ
る。本発明者は、1100℃を超える温度での耐浸炭性を確
保するため、特にAlとSiとの関係について鋭意研究した
結果、Siの含有量が２％以下のときは、Al含有による耐
浸炭性向上効果はあまり期待できないことを見出した。
このため、Siは少なくとも２％を超えて含有させる必要
がある。しかし、Siの含有量を多くすると、材料の劣化
が進み、クリープ破断強度が低下して溶接性が損なわれ
るので、その上限は３％に規定する。

Mn:2％以下 Mnは脱酸、脱硫元素として添加される。しかし、あまり
に多く含有すると、高温クリープ破断強度や耐浸炭性の
低下を招来する。このため、上限は２％に規定する。

Cr:20〜30％ Crは高温強度、耐酸化性、耐浸炭性等の改善に有効な元
素である。1100℃以上の高温域においてこれらの特性を
確保するためには、少なくとも20％含有させる必要があ
る。この効果は含有量の増加に伴って増大するが、あま
りに多く含有すると鋳造、凝固過程で割れが生じやすく
なり、高温使用に伴う炭化物の過剰析出によって、延性
の低下を招く。このため、上限は30％に規定する。

Ni:25〜40％ NiはCr、Mn等の元素と共に安定なオーステナイト基地を
形成し、高温強度及び耐酸化性を高めるとともに、耐浸
炭性の向上に寄与する。特に1100℃以上の高温域におけ
る良好な耐浸炭性を確保するには、25％以上の添加を必
要とする。しかし、40％を超えて含有しても含有量に対
応する効果は得られず、経済的でない。このため、40％
を上限とする。

Al:0.2〜2.0％ Alは、高温における耐酸化性の改善に効果があるだけで
なく、前述したように、Si含有量が２％を超えるとき、
Siとの相乗効果によって耐浸炭性の向上に飛躍的に寄与
する。1100℃以上の高温使用条件下での耐浸炭性改善効
果を十分発揮させるためには、少なくとも0.2％含有さ
せる必要がある。耐浸炭性改善効果は、添加量の増加に
伴って大きくなるが、2.0％を超えて添加してもその効
果はほぼ飽和する。また、Alの含有量の増加とともに、
鋳造凝固時や溶接時に割れが発生しやすくなり、高温使
用時に延性の劣化を招く。このため、２％を上限にす
る。

Nb:0.2〜2.0％ Nbはクリープ破断強度を高める効果を有する。

Si含有量が多く、かつAlを添加した本発明の耐熱鋼にあ
っては、高温強度、特にクリープ破断強度を低下させる
不都合があるため、すぐれた耐浸炭性を確保し、かつ大
きいクリープ破断強度を維持するためには不可欠の元素
である。この効果を得るために、少なくとも0.2％以上
含有する必要がある。但し、あまりに多く含有すると、
逆にクリープ破断強度の低下を招くため、2.0％を上限
とする。

Ti:0.01〜0.3％ TiはNbと同様にクリープ破断強度を高める効果を有する
ため、さらに大きいクリープ破断強度を必要とする場合
に添加される。Tiによる所望の効果を得るためには、少
なくとも0.01％以上含有させる必要がある。しかし、あ
まり多く含有すると、逆にクリープ破断強度の低下を招
くと共に、鋳造割れを発生する。このため、上限は0.3
％に規定する。

本発明の耐熱鋼は、前述した合金成分を含み、残部実質
的にFeからなる。なお、鋼の溶製時に不可避的に含有す
るＰ、Ｓその他の不純物であっても、この種の鋼材に通
常許容される範囲であれば存在しても構わない。

次に実施例を挙げて本発明の耐熱鋼における耐浸炭性及
びクリープ破断強度の向上効果を明らかにする。

［実施例］ 高周波溶解炉にて各種成分の合金を溶製し、遠心鋳造に
て管体（外径130mm×内径90mm×長さ500ミリ）を製造し
た。この遠心力鋳造管から機械加工によって供試片（直
径12mm×長さ60mm）を採取した。各供試片の合金成分を
第１表に示す。

まず、これらの供試片について、固体浸炭試験を行なっ
た。浸炭試験は、固体浸炭剤（テグサKG30、BaCO₃含
有）を用いて行ない、温度1150℃、500時間保持後の浸
炭量を測定した。浸炭後、供試片の外表面より4mm深さ
に達するまで旋盤加工により0.5mmピッチにてダライ粉
を採取し、各ピッチのＣ（カーボン）分析を行ない、各
ピッチ毎のＣ増加量の合計値を第２表に示した。

更に、各供試片について、1093℃×1.1Kg/mm²の条件下
でクリープ破断試験を行ない、各供試片の破断時間を第
２表に示した。

比較材の供試片No.13〜19の結果について考察する。供
試片No.13とNo.15はSiが２％に満たない合金であり、N
o.13についてはAlを含有せず、No.15はAlを含有してい
る。No.14とNo.16〜19は、Si含有量が２％を超えている
合金である。その中で、No.14はAlを含まず、No.19はAl
の含有量が0.2％に満たない合金、No.16〜18は0.2％以
上のAlを含む合金である。

この結果から明らかなように、供試片No.16〜18は、No.
13〜15に比べてＣの増加量は著しく減少している。即
ち、耐浸炭性にすぐれている。なお、供試片No.19は、A
l含有量が少ないため、耐浸炭性に関し、顕著な向上効
果は認められなかった。

一方、Si含有量が２％を超える合金にAlを含有させれ
ば、クリープ破断強度が低下する傾向がある。特に供試
片No.17のように、高Si、高いAl材料の場合、クリープ
破断強度の低下は著しい。

これに対し、供試片No.1〜12については、Si含有量が２
％を超える材料に適量のAlを含有させ、更に適量のNb、
又はNb及びTiを含有させたから、すぐれた耐浸炭性を維
持しつつ、かつ高いクリープ破断強度を具備している。
このように、耐浸炭性とクリープ破断強度は、相反する
特性であるに拘わらず、本発明の耐熱鋼は、両者ともす
ぐれた特性を有している。

［発明の効果］ 本発明の耐熱鋼は、1100℃を超える高温域における使用
において、すぐれた耐浸炭性と、高いクリープ破断強度
を具備している。従って、本発明の耐熱鋼は、石油化学
工業における炭化水素の反応管等の材料として好適であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％にて、C:0.3〜1.5％、Si:2％を超え
   て３％以下、Mn:2％以下、Cr:20〜30％、Ni:25〜40％、
   Al:0.2〜2.0％、Nb:0.2〜2.0％及び残部実質的にFeから
   なり、耐浸炭性及びクリープ破断強度にすぐれる耐熱
   鋼。
2. 【請求項２】重量％にて、C:0.3〜1.5％、Si:2％を超え
   て３％以下、Mn:2％以下、Cr:20〜30％、Ni:25〜40％、
   Al:0.2〜2.0％、Nb:0.2〜2.0％、Ti:0.01〜0.3％及び残
   部実質的にFeからなり、耐浸炭性及びクリープ破断強度
   にすぐれる耐熱鋼。