JPH1192883A - 結晶粒を微細化した耐熱鋳鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、遠心力鋳造品にほぼ限られていた高級
耐熱鋼を静置鋳造品にも適用したいが物性値の低下が免
れない。 【解決手段】 重量％でＣ：０．１〜０．６、Ｍｎ：
１．０〜２．０、Ｓｉ：０．１〜２．０、Ｃｒ：２０．
０〜３０．０、Ｎｉ：３０．０〜４０．０、Ｃo ：１
０．０〜２０．０、Ｗ：１．０〜６．０、残りＦｅより
なる耐熱鋳鋼をベースとし、さらにＴｉ：０．１〜１．
５重量％含有して結晶粒を微細化する。さらにＢ：０．
０１〜０．５重量％を含有すればより効果的である。Ｔ
ｉはＣ、Ｎと結合して微細な炭化物、窒化物、炭窒化物
を析出し、この析出物が結晶核となって結晶粒を微細化
する作用を発現する。しかし、限度を超えると結晶核に
有効に消費される以上のＴｉが結晶粒界に集積して延性
を低下し、高温破断クリープ強度、耐熱衝撃性の低下な
ど悪影響を及ぼすので、現実の試験片のマクロ写真の計
数とミクロ写真の観察から有効な上限、下限を定め課題
を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐熱鋳鋼、特に延性
を向上し溶接性を改善する静鋳法による耐熱鋳鋼に係
る。

【０００２】

【従来の技術】耐熱鋳鋼としては、たとえば化学工業用
材料として従来から広く使用されるＡＳＴＭ規格による
ＨＫ４０，ＨＰ４０などがエチレンプラントの分解炉用
管や水素製造用の改質炉用管などの高温装置用の材料と
して著名である。近年は特に操業条件の高温化と共に苛
酷な仕様が要求されるようになり、ＨＰ材にさらにＮ
ｂ、Ｗを添加した材料も開発されているが、なお、この
材料を以ってしても満足されるに至らず、一段と高温破
断クリープ強度が高く、かつ、耐熱衝撃性や耐侵炭性に
も優れた材料が求められている。

【０００３】特公平１−３５０６７号公報による従来技
術では、この目的のために主成分として従来のＨＰ材、
すなわち、２５Ｃｒ、３５Ｎｉ、１Ｎｂ、１Ｗ、残りＦ
ｅよりなる耐熱鋳鋼をベースとして、さらにＮ，Ｔｉ、
Ａｌ、Ｂを添加して高温破断クリープ時間を延長し、耐
熱衝撃性や耐侵炭性に見るべき向上が認められる改善に
成功したと謳っている。

【０００４】特開平１−１８１４１号公報の従来技術で
は、特に加熱炉のメッシュベルト用合金として繰り返し
加熱、冷却を受ける加熱炉用部品に使用する耐熱鋼棒、
鋼板に対象を絞り、主成分として重量％にしてＮｉ：３
５〜４５、Ｃｒ：１８〜２１、Ｂ：０．０００５〜０．
０１、その他Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭを含み、さらにＴｉ：
０．３以下、Ｎｂ＋Ｔａ，Ｚｒ，Ｖなどの１種以上を配
合する複合耐熱鋼材を提示している。この配合の材料
は、たとえば公知のＳＵＳ，ＳＵＨ材と同レベルのＮ
ｉ、Ｃｒ系の耐熱合金が高温で脆化の虞れが残ること
や、Ｎｉ：４０，Ｃｒ：２０を主成分とする耐熱合金が
熱間加工性に劣るという課題を解決したと謳っている。

【０００５】さらに特開平２−２００７５６号公報に係
る従来技術では、重量％にしてＣｒ：１５〜３５，Ｎ
ｉ：１５〜５０，Ｂ：０．００１〜０．０１とＴｉ：
０．０５〜１．０，その他を含み残りＦｅの耐熱合金を
提示し、化学プラント用部品、特に分解炉管材の高温強
度特性が求められ、従来のＨＰ，ＨＰ＋Ｎｂなどでは、
なお、不十分とされるに至った厳しい要求に応えること
ができたと謳っている。

【０００６】これに対して本発明がベースとする標準材
に選んだのは、Ｎｉ：３５，Ｃｒ：２７，Ｃｏ：１５，
Ｗ：５を中央値とする耐熱鋳鋼（商品名＝Ｈ６３ＷＣ）
であり、きわめて高級な耐熱鋼として知られ、化学工
業、石油工業などの反応炉における管材として遠心力鋳
造法によって製造、提供され、従来技術のＡＳＴＭによ
るＨＫ材，ＨＰ材や、これとほぼ対応するＪＩＳに規格
されるＳＣＨ２２，ＳＣＨ２４などと比較してもきわめ
て優位に立つ。たとえば、前記のＨＫ，ＨＰ，ＳＣＨ２
２，ＳＣＨ２４と本発明の標準材としたＨ６３ＷＣの規
格成分を列記したのが表１であり、表２はそれぞれの規
格化された最低の物性値を示したものである。なお、当
然、ＡＳＴＭ，ＪＩＳには高温破断クリープ強度や高温
引張り強度の規定は設けられていないが、参考までにＨ
６３ＷＣについての内部規定も併記して掲げておく。

【０００７】

【表１】

【表２】

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように耐熱性に優
れた標準材ではあるが、この材料の適用は管材が主な対
象であり、遠心力鋳造法によって製造していることは前
記の従来技術の多くの例と共通している。その結果、た
とえばリフォーマーチューブなど化学工業用プラントの
心臓部ともいえる反応管については十分に期待しただけ
の成果を挙げて満足されたとしても、近年の傾向として
苛酷な耐熱材の要請は単に化学プラントの範疇だけに留
まらず、耐熱鋳鋼の用途とその仕様の苛酷さはエスカレ
ートする一方であり、たとえば都市ごみの連続焼却炉の
炉材部品としてストーカー、トレイ、フィルタープレー
トなど１０００℃の高温に曝される静鋳品（鋳型への置
き注ぎ品）の需要も活発であり、かつ、グローバルな温
暖化現象や周辺の環境破壊などの防止のために操炉条件
はますます厳しくなっているため、従来の遠心力鋳造法
に限った管材料から、さらに他の静鋳品に対しても適用
する必要性が高まっている。

【０００９】

【表３】

【００１０】表３は前記の標準材の同一成分を遠心力鋳
造法の管から採取した試験片と、静置鋳造品から採取し
た試験片の常温引張り試験の一例を示したものであり、
引張力や伸びにおいて相当な差のあることを認めざるを
得ない。また、表４は９８２〜１０９３℃における単軸
クリープラプチャー強度と最小クリープ速度の一例を示
したもので、試験負荷が異なるので一概には言えないも
のの、同一成分であっても遠心力鋳造品に比べて静置鋳
造品は大きな数値の減退を認められる。

【００１１】

【表４】

【００１２】本発明は以上の課題を解決するために、同
一成分であっても遠心力鋳造法と静鋳法という鋳造方法
の違いによる高温における物性値の大きな差違が結晶粒
度の差に他ならないことに着目した。遠心力鋳造法は高
速回転する金型内へ溶湯を鋳込み、金型と接するる外周
部から急冷されて凝固が始まるが、静鋳法のように一次
析出のデンドライト組織が生じる前に未凝固の溶湯の回
転エネルギーによって発達することなく破壊され、緻密
で均一な結晶粒が形成される点に静鋳法と基本的に異な
る鋳造条件がある。本発明はこの本質的な結晶粒度の差
を如何に縮めて結晶粒の微細化を有効に実現するかにそ
の要諦があり、静置法であっても従来に比べて遥かに結
晶粒の微細化した耐熱鋳鋼の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る結晶粒を微
細化した耐熱鋳鋼は、重量％でＣ：０．１〜０．６、Ｍ
ｎ：０．１〜２．０、Ｓｉ：０．１〜２．０、Ｃｒ：２
０．０〜３０．０、Ｎｉ：３０．０〜４０．０、Ｃｏ：
１０．０〜２０．０、Ｗ：１．０〜６．０、残りＦｅよ
りなる耐熱鋳鋼であって、さらにＴｉ：０．１〜１．５
重量％含有したことによって前記の課題を解決した。

【００１４】また、この構成において、さらにＢ：０．
０１〜０．５重量％を含有することによってより課題の
解決を有効に果すことができることも併せて立証し、優
れた実施形態として示した。

【００１５】前記の本発明の要件である主たる成分の臨
界的意義について説明する。 Ｃ：０．１〜０．６％ 耐熱鋳鋼として必要な引張り強さ、高温破断クリープ強
度を確保するのに必要な元素で、その含有量は０．１％
以上で効果が得られる。この効果はＣの増加と共に高め
られるが、過度に多くなると二次炭化物の過剰析出によ
って靱性低下が著しく、溶接性なども劣化するので０．
６％を上限に定める。 Ｓｉ：０．１〜２．０％ 湯流れの改善と溶解時の脱酸剤として有効な成分で、
０．１％以上なければ効果が少ないが、多量に含むと材
料脆化の原因を形成し、溶接性も劣化するので２．０％
を上限とする。 Ｍｎ：０．１〜２．０％ 同様に溶解時の脱酸剤として有効な成分である上、有害
なＳを固定する作用もあるが、０．１％以上なければ効
果が期待できず、２．０％以上となると耐酸化性が劣化
するので２．０％を上限とする。 Ｃｒ：２０．０〜３０．０％ 高温強度や耐酸化性の向上を実現する主役の一つを果
す。２０．０％がそのための下限であるが、多過ぎると
材料脆化を起こすので３０．０％が上限である。 Ｎｉ：３０．０〜４０．０％ Ｃｒと共に組織を安定なオーステナイト化する主役であ
り、耐酸化性、高温強度、とくに１０００℃以上の使用
条件で良好な物性を維持する上で３０．０％が下限とな
る。しかし４０．０％を超えると、その効果はほぼ限界
に達するので経済的に不利となるため４０．０％を上限
とする。 Ｃｏ：１０．０〜２０．０％ 安定なオーステナイト組織を維持し熱疲労に強い特徴を
与える成分であるが、とくにＣｒ、Ｎｉとの共存下にお
いては１０．０％以下では効果が現われず、また２０．
０％以上になると効果が飽和してほぼ限界となるので経
済的な観点から下限とする。 Ｗ：１．０〜６．０％ 鋼の高温強度を改善する作用があるが、１．０％未満で
は効果が乏しく、６．０％を超えると材料の脆化を促
す。よってこの含有量が上限と下限を特定する根拠とな
る。 Ｔｉ：０．１〜１．５％ この成分はＣ、Ｎと結合して微細な炭化物、窒化物、炭
窒化物を析出し、この析出物が結晶核となって結晶粒を
微細化する作用を発現する。この作用自体は公知である
が、本発明の標準材に添加して現実に微細化を計数した
ところ、後記の図１のとおり０．１％を超えると顕著な
有意差が認められるので下限とした。また、１．５％以
上となると、前記結晶核に有効に消費された以上のＴｉ
が結晶粒界に集積して延性を低下し高温破断クリープ強
度、耐熱衝撃性の低下など悪影響を及ぼす。従って後記
のように組織的に結晶粒界にＴｉ析出物が認められる
１．５％は上限となる。 Ｂ：０．０１〜０．５％ 結晶粒界強化作用とＭ₂₃Ｃ₆中に固溶し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化
物の凝集粗大化を妨げる作用により高温強度改善するの
に有効な成分であり結晶粒微細化の効果もあるが、Ｔｉ
などの炭化物生成元素と複合添加することにより、結晶
粒微細化効果をさらに昂進させる働きがある。同じく後
記の図１で確認したように、その含有量は０．０１％未
満では効果が不十分であり、また０．５％を超えると材
料劣化を起こすのでそれぞれ上限及び下限とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明はＨ６３ＷＣ、すなわち３
５Ｎｉ−２７Ｃｒ−１５Ｃｏ−５Ｗを標準材として選
び、その静注品における結晶粒の微細化効果を最大に挙
げ得る添加成分とその有効添加量の特定を図ったもので
ある。選ぶべき有効な成分を特定するため、既に公知で
あり評価も定まっている種々の微細化成分を組合わせて
標準材に添加し、その効果の実態を実際に計測してみ
た。表５はこの特定のために溶製した化学成分の一覧表
である。

【００１７】

【表５】

【００１８】これらの成分をそれぞれ直径４０ｍｍ、高
さ７０ｍｍの円柱状鋳型に注湯し、凝固後、引け巣部分
を避けるため底面から４０ｍｍの高さで切断し、さらに
縦に二分割して分割面をマクロ腐食して写真撮影してこ
の写真をトレスして結晶粒を目視にて計数し、ｍ²当り
に換算して比較した。図２はこのマクロ組織のトレスし
た例（表５の試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４および標準材Ｎ
ｏ．９）を示し、表６は計数した結晶粒数を表にまとめ
たものである。

【００１９】

【表６】

【００２０】とくに顕著な効果を挙げたのはＴｉ配合の
Ｎｏ．１であることが把握され、このＴｉおよびＴｉ＋
Ｂに絞り、含有量を変えて同様にマクロ組織による結晶
粒を計数し、その結果を図１のように整理することがで
きた。

【００２１】図１は同一成分の標準材をベースとし、縦
軸にＴｉ（重量％）、横軸にＢ（重量％）をそれぞれ目
盛って結晶粒の数を表示したもので、結晶粒数の単位は
×１０⁴/ｍ²として示している。図から明らかなように
Ｔｉ：０％、Ｂ：０％、すなわちベースとなる標準材の
結晶粒数の１．５に対してＢの添加だけでは結晶粒数に
変化はないが、Ｔｉの添加によって結晶粒数は着実に増
加する。しかし、結晶粒数３．４に達するとほぼ効果が
飽和し、Ｔｉの配合が無意味となるだけでなく、有効な
結晶核生成以上に含まれるＴｉが、結晶粒界に集中的に
析出し、却って延性や高温破断クリープ強度を劣化させ
る要因が助長されることを示唆している。

【００２２】図３は該試験片のうち、Ｔｉ：１．５３
％、Ｂ：０％の顕微鏡写真であって、倍率１００倍
（Ａ）および４００倍（Ｂ）の場合を示し、結晶粒内に
多数の結晶核となる粒状のＴｉＣが分布して微細化に有
効であることを示している反面、既に結晶粒界に炭化物
が集積していることも裏付けている。図４はベースとな
る標準材の１００倍（Ａ）および４００倍（Ｂ）の顕微
鏡写真であって、結晶粒内の基地に析出する炭化物も少
ないが、結晶粒界に集積する炭化物も認められない。こ
の組織写真は一例に過ぎないが、各添加成分量毎にチェ
ックしてＴｉの上限を１．５％と特定した。

【００２３】Ｔｉ添加の下限については、明確に標準材
と比べて有意差の顕われる０．１％（結晶粒数１．６）
×１０⁴ ／ｍ² とし、またこのＴｉ：０．１％に重ねて
添加するＢについては、下限が０．０１％（結晶粒数
１．６５）×１０⁴ ／ｍ² とした。Ｂ：の添加はＴｉと
の相乗効果によって微細化は確実に進むが、Ｂ：０．５
％で効果はほぼ飽和に達し、却って定説通りマイナスの
要因が顕在化すると予想されるから、上限を０．５％に
抑える根拠となった。

【００２４】

【発明の効果】本発明は以上述べた通りＮｉ−Ｃｒ−Ｃ
ｏ−Ｗ系の複合耐熱鋳鋼をベースとし、とくに化学工業
用の管類に使用するために遠心力鋳造法で製造していた
成分を静置鋳造法に切り替えて製造する必要性が高まっ
ているのに対し、遠心力鋳造よりも粗大とならざるを得
ない結晶粒を微細化する最も効率的な成分範囲を特定し
た効果がある。しかも、この目的に直接アプローチする
ために、従来技術とは異なり結晶粒数を目視によって計
数し、その結果から要件を特定するという極めて判りや
すく説得力の高い手法を経たから、到達した結論に対す
る信頼性も極めて高いという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＴｉ、Ｂの添加量と結晶粒数を示す図
表である。

【図２】種々の添加物による微細化作用の数例をマクロ
組織で比較した図である。

【図３】本発明のＴｉの上限を確定した金属組織の顕微
鏡写真であり、倍率は１００倍（Ａ）と４００倍（Ｂ）
である。

【図４】本発明のベースとなる標準材の金属組織の顕微
鏡写真であり、倍率は１００倍（Ａ）と４００倍（Ｂ）
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＣ：０．１〜０．６、Ｍｎ：
   ０．１〜２．０、Ｓｉ：０．１〜２．０、Ｃｒ：２０．
   ０〜３０．０、Ｎｉ：３０．０〜４０．０、Ｃｏ：１
   ０．０〜２０．０、Ｗ：１．０〜６．０、残りＦｅより
   なる耐熱鋳鋼であって、さらにＴｉ：０．１〜１．５重
   量％含有したことを特徴とする結晶粒を微細化した耐熱
   鋳鋼。
2. 【請求項２】 請求項１において、さらにＢ：０．０１
   〜０．５重量％を含有したことを特徴とする結晶粒を微
   細化した耐熱鋳鋼。