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JPS634898B2 - - Google Patents
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JPS634898B2 - - Google Patents

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JPS634898B2
JPS634898B2 JP2802885A JP2802885A JPS634898B2 JP S634898 B2 JPS634898 B2 JP S634898B2 JP 2802885 A JP2802885 A JP 2802885A JP 2802885 A JP2802885 A JP 2802885A JP S634898 B2 JPS634898 B2 JP S634898B2
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JP
Japan
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less
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content
creep rupture
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JP2802885A
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Makoto Takahashi
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Kubota Corp
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 本発明は、石油化学工業におけるエチレン製造
用クラツキングチユーブ材等として有用な耐熱合
金に関する。 〔従来技術とその問題点〕 従来より、エチレンクラツキングチユーブ材料
として、ASTM HP40材(0.4C−25Cr−35Ni−
Fe)やその改良材(0.4C−25Cr−35Ni−Nb、W
−Fe)が使用されている。 このHP40材は、900〜1050℃の温度範囲で使
用されるのが一般であり、同温度域において十分
な耐酸化性、耐浸炭性並び機械的強度を有してい
る。しかしながら、1050℃を越える温度域では、
耐浸炭性、および機械的強度、就中クリープ破断
強度に問題がある。 また、HP改良材(0.4C−25Cr−35Ni−Nb、
W−Fe)は、1100℃までの温度においてHP40材
よりもすぐれた耐浸炭性を示すが、1100℃を越え
ると、耐酸化性、クリープ破断強度、および耐浸
炭性の低下が大きく、とりわけ耐酸化性の低下が
著しい。 従つて、上記チユーブ材料として、1100℃を越
える高温操業に十分に耐え得る諸特性、とくに高
クリープ破断強度、耐酸化性および耐浸炭性等に
すぐれた新たな材料の開発が要請されている。 また、チユーブ同士の接合やチユーブとベンド
との接合によりコイルを組み立てるに当たつて
は、TIG溶接法、MIG溶接法、または被覆アー
ク溶接法などが適用されるので、溶接性にもすぐ
れていることが要求される。 本発明は、かかる要求を満たした新たな耐熱合
金を提供しようとするものである。 〔技術的手段および作用〕 本発明に係る耐熱合金は、C:0.3〜0.5%、
Si:2.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.03%以
下、S:0.03%以下、Cr:30.0〜40.0%、Ni:
30.0〜40.0%、Co:5.0〜20.0%、Al:0.02〜0.6
%、N:0.08%以下、並びにNb:0.3〜1.8%、
W:0.5〜6.0%のいずれか1種もしくは2種、お
よびTi:0.02〜0.5%、Zr:0.02〜0.5%のいずれ
か1種もしくは2種、残部実質的にFeからなる
成分組成を有する(成分含有量(%)は重量%で
ある)。 本発明合金は、1100℃を越える温度域、とくに
1150℃付近の高温度において、クリープ破断強度
が高く、かつすぐれた耐酸化性および耐浸炭性を
有する。また、溶接性も良好である。 本発明合金の成分限定理由は次のとおりであ
る。 C:0.3〜0.5% 鋳造凝固時にマトリツクスに固溶したCは、チ
ユーブの実使用時の加熱を受けてクロム炭化物と
して析出することにより、クリープ破断強度の向
上に寄与する。950℃を越える温度域において高
いクリープ破断強度を得るには、少なくとも0.3
%を必要とする。含有量が増すとともに、その効
果も増大するが、0.5%をこえると、Cr炭化物の
過剰の析出による脆化が大きくなるので、上限を
0.5%とする。 Si:2.0%以下 Siは合金溶製時の脱酸剤として添加される。ま
た溶鋼の流動性を高め、鋳造性を改善する効果を
有する。しかし、2.0%を越えると、クリープ破
断強度および溶接性に悪影響を与えるので、2.0
%を上限とする。 Mn:2.0%以下 Mnは溶鋼の脱酸を行うとともに不純物元素で
あるSをMnSとして固定することにより、溶接
時の高温割れを防止する効果を有する。しかし、
2.0%を越えて含有しても、その増量の割には効
果が小さいので、2.0%を上限とする。 P:0.03%以下、S:0.03%以下 不純物元素であるPおよびSは、いずれも溶接
時の高温割れ感受性を高めるので、それぞれ0.03
%を上限とする。 Cr:30.0〜40.0% Crは耐酸化性および高温強度を高める効果を
有する。1100℃以上の高温域での長時間使用に対
する耐酸化性および高温強度を確保するためには
30.0%以上含有させることが必要である。含有量
を増加させるに伴つて耐酸化性および高温強度の
向上をみるが、1200℃までの使用温度に対して
は、40.0%までの含有量で十分である。よつて
30.0〜40.0%とする。 Ni:30.0〜40.0% Niはオーステナイト相を安定化させる元素で
あり、耐酸化性と高温強度を高める効果を有す
る。前記Cr量との連関でオーステナイト相を安
定化させ、かつ1100〜1200℃における安定した耐
酸化性と耐浸炭性とを確保するために、Ni含有
量は、30.0〜40.0%に規定する。 Al:0.02〜0.6% Alは高温域において合金表面に保護皮膜を形
成し、浸炭雰囲気からのCの侵入を防止する。こ
の耐浸炭性改善効果を得るには0.02%以上の含有
を必要とする。なお、Alのクリープ破断強度向
上に対する効果は少なく、多量に含有すると却つ
て室温における延性の低下を招く。従つて、0.6
%を上限とする。 Co:5.0〜20.0% CoはNiと同様に、オーステナイト相の安定化、
並びに耐酸化性、高温強度の向上に奏効する。こ
の効果を得るには、少なくとも5.0%を必要とす
る。含有量の増加に伴つてその効果は増すが、
1200℃までの使用温度に対しては、Ni量との兼
ね合いから、最大20.0%までの含有量で十分であ
る。従つて、5.0〜20.0%とする。 N:0.08%以下 Nは不純物元素であり、多量に含有すると、硬
化が進み、脆化を招くので、0.08%を上限とす
る。 本発明合金は、上記諸元素のほか、更にNb、
Wの群から選ばれる1種もしくは2種の元素、お
よびTi、Zrの群から選ばれる1種もしくは2種
の元素を含有する。 Nb:0.3〜1.8% Nbは結晶粒界に共晶状のNbCを晶出させ、粒
界のクリープ破壊抵抗性を高める。この効果は、
0.3%から認められ、含有量の増加とともに増大
するが、1.8%をこえると、増量の割に効果は小
さい。従つて、1.8%を上限とし、好ましくは1.0
%以下とする。 W:0.5〜6.0% Wはオーステナイト相への固溶、および粒界炭
化物の形成により、クリープ破断強度の向上に奏
効する。この効果は、含有量0.5%から認められ、
その増量に従つて効果は増大する。しかし、含有
量があまり多くなると、硬化して延性が乏しくな
り、加工性、溶接性が悪化するので、6.0%を上
限とする。より好ましくは、1.0〜5.0%である。 Ti:0.02〜0.5% Tiは、チユーブ等としての実使用時の再加熱
によりオーステナイト相中に生成するクロム炭化
物の成長粗大化を遅延させることによりクリープ
破断強度の向上に寄与する。この効果を得るに
は、少なくとも0.02%の含有量を必要とする。し
かし、多量に含有すると、析出物の粗大化、酸化
物系介在物の増量等により、強度の低下を招くの
で、0.5%を上限とする。より好ましい含有量は
0.1〜0.4%である。 Zr:0.02〜0.5% Zrはオーステナイト相中に固溶し、その固溶
強化によりクリープ破断強度を高める。この効果
も得るには、少なくとも0.02%を必要とする。含
有量の増加に伴つて効果も増すが、0.5%をこえ
ると、溶鋼の清浄度が低下する。また、高価な材
料添加の割にはその効果が小さい。よつて、0.5
%を上限とする。より好ましくは、0.1〜0.3%で
ある。 〔実施例〕 高周波誘導溶解炉で溶製した合金溶湯を、遠心
鋳造に付し、中空鋳物(外径138mm×肉厚23.5mm
×長さ520mm)を得た。各供試鋳物の化学成分組
成を第1表に示す。各鋳物から試験片を採取し、
それぞれにつき酸化試験、浸炭試験およびクリー
プ破断試験を、下記の試験方法により行い、第2
表に示す結果を得た。 〔A〕 酸化試験 試験片(12mmφ×50mm)を、大気中、1200
℃に100時間加熱保持する。試験後、試験片表
面のスケールを除去し、酸化による重量減少量
を測定し、腐食量(mm/year)を求める。 〔B〕 浸炭試験 試験片(12mmφ×60mm)を、固型浸炭剤
(デグサKG30)中、温度1150℃で300時間保す
る。試験後、試験片の表面から0.25mmのピツチ
で切粉を採取し、化学分析により、表面から深
さ1mmの位置における炭素増加量を求める。 〔C〕 クリープ破断試験 JIS Z 2272の規定よる。試験温度:1150
℃、荷重:1Kgf/mm2
[Industrial Application Field] The present invention relates to a heat-resistant alloy useful as a cracking tube material for ethylene production in the petrochemical industry. [Prior art and its problems] ASTM HP40 material (0.4C-25Cr-35Ni-
Fe) and its improved materials (0.4C−25Cr−35Ni−Nb, W
−Fe) is used. This HP40 material is generally used in a temperature range of 900 to 1050°C, and has sufficient oxidation resistance, carburization resistance, and mechanical strength in this temperature range. However, in the temperature range exceeding 1050℃,
There are problems with carburization resistance and mechanical strength, especially creep rupture strength. In addition, HP improved materials (0.4C−25Cr−35Ni−Nb,
W-Fe) exhibits better carburization resistance than HP40 material at temperatures up to 1100℃, but above 1100℃, the oxidation resistance, creep rupture strength, and carburization resistance decrease significantly, especially acid resistance. The deterioration in chemical resistance is significant. Therefore, there is a need to develop a new material for the tube that has various properties that can sufficiently withstand high-temperature operations exceeding 1100°C, particularly excellent creep rupture strength, oxidation resistance, and carburization resistance. In addition, TIG welding, MIG welding, or shielded arc welding are used to assemble the coil by joining tubes together or joining tubes and bends, so it has excellent weldability. This is required. The present invention aims to provide a new heat-resistant alloy that satisfies such requirements. [Technical means and effects] The heat-resistant alloy according to the present invention contains C: 0.3 to 0.5%,
Si: 2.0% or less, Mn: 2.0% or less, P: 0.03% or less, S: 0.03% or less, Cr: 30.0-40.0%, Ni:
30.0~40.0%, Co: 5.0~20.0%, Al: 0.02~0.6
%, N: 0.08% or less, and Nb: 0.3 to 1.8%,
It has a component composition consisting of one or two of W: 0.5 to 6.0%, one or two of Ti: 0.02 to 0.5%, Zr: 0.02 to 0.5%, and the remainder substantially Fe ( Ingredient content (%) is by weight). The alloy of the present invention can be used in a temperature range exceeding 1100℃, especially
It has high creep rupture strength at high temperatures around 1150°C, as well as excellent oxidation and carburization resistance. Moreover, weldability is also good. The reasons for limiting the components of the alloy of the present invention are as follows. C: 0.3 to 0.5% C dissolved in the matrix during casting and solidification precipitates as chromium carbide when the tube is heated during actual use, thereby contributing to improving the creep rupture strength. To obtain high creep rupture strength in the temperature range above 950℃, at least 0.3
% is required. The effect increases as the content increases, but if it exceeds 0.5%, embrittlement due to excessive precipitation of Cr carbides will increase, so the upper limit should not be exceeded.
0.5%. Si: 2.0% or less Si is added as a deoxidizing agent during alloy melting. It also has the effect of increasing the fluidity of molten steel and improving castability. However, if it exceeds 2.0%, it will have a negative effect on creep rupture strength and weldability.
The upper limit is %. Mn: 2.0% or less Mn has the effect of preventing hot cracking during welding by deoxidizing molten steel and fixing S, an impurity element, as MnS. but,
Even if the content exceeds 2.0%, the effect will be small considering the increase in content, so 2.0% is set as the upper limit. P: 0.03% or less, S: 0.03% or less The impurity elements P and S both increase susceptibility to hot cracking during welding, so each should be 0.03% or less.
The upper limit is %. Cr: 30.0-40.0% Cr has the effect of increasing oxidation resistance and high temperature strength. To ensure oxidation resistance and high-temperature strength for long-term use in high-temperature ranges of 1100℃ or higher
It is necessary to contain 30.0% or more. Oxidation resistance and high temperature strength improve as the content increases, but a content of up to 40.0% is sufficient for service temperatures up to 1200°C. Sideways
30.0-40.0%. Ni: 30.0-40.0% Ni is an element that stabilizes the austenite phase and has the effect of increasing oxidation resistance and high-temperature strength. In order to stabilize the austenite phase in relation to the Cr content and to ensure stable oxidation resistance and carburization resistance at 1100 to 1200°C, the Ni content is specified to be 30.0 to 40.0%. Al: 0.02-0.6% Al forms a protective film on the alloy surface in a high temperature range and prevents C from entering from the carburizing atmosphere. In order to obtain this effect of improving carburization resistance, the content needs to be 0.02% or more. Note that Al has little effect on improving creep rupture strength, and if it is contained in a large amount, the ductility at room temperature will decrease. Therefore, 0.6
The upper limit is %. Co: 5.0-20.0% Co, like Ni, stabilizes the austenite phase,
It is also effective in improving oxidation resistance and high-temperature strength. At least 5.0% is required to achieve this effect. The effect increases as the content increases, but
For operating temperatures up to 1200°C, a maximum content of 20.0% is sufficient in consideration of the amount of Ni. Therefore, it is set at 5.0 to 20.0%. N: 0.08% or less N is an impurity element, and if it is contained in a large amount, hardening progresses and embrittlement occurs, so the upper limit is set at 0.08%. In addition to the above elements, the alloy of the present invention further contains Nb,
It contains one or two elements selected from the group W, and one or two elements selected from the group Ti and Zr. Nb: 0.3 to 1.8% Nb crystallizes eutectic NbC at grain boundaries, increasing creep fracture resistance at grain boundaries. This effect is
It is recognized from 0.3% and increases as the content increases, but when it exceeds 1.8%, the effect is small despite the increase. Therefore, the upper limit is 1.8%, preferably 1.0%.
% or less. W: 0.5 to 6.0% W is effective in improving creep rupture strength by solid solution in the austenite phase and formation of grain boundary carbides. This effect is recognized from the content of 0.5%,
The effect increases as the dose increases. However, if the content is too large, it will harden, resulting in poor ductility and poor workability and weldability, so the upper limit is set at 6.0%. More preferably, it is 1.0 to 5.0%. Ti: 0.02 to 0.5% Ti contributes to improving creep rupture strength by retarding the growth and coarsening of chromium carbides generated in the austenite phase due to reheating during actual use as tubes and the like. To achieve this effect, a content of at least 0.02% is required. However, if it is contained in a large amount, it causes a decrease in strength due to coarsening of precipitates, increased amount of oxide inclusions, etc., so the upper limit is set at 0.5%. The more preferable content is
It is 0.1-0.4%. Zr: 0.02 to 0.5% Zr dissolves in solid solution in the austenite phase, and its solid solution strengthening increases creep rupture strength. At least 0.02% is required to obtain this effect as well. The effect increases as the content increases, but if it exceeds 0.5%, the cleanliness of the molten steel decreases. Moreover, the effect is small considering the addition of expensive materials. By then, 0.5
The upper limit is %. More preferably, it is 0.1 to 0.3%. [Example] Molten alloy produced in a high-frequency induction melting furnace was subjected to centrifugal casting to form hollow castings (outer diameter 138 mm x wall thickness 23.5 mm).
× length 520 mm) was obtained. The chemical composition of each test casting is shown in Table 1. A test piece was taken from each casting,
An oxidation test, a carburization test, and a creep rupture test were conducted for each using the following test methods.
The results shown in the table were obtained. [A] Oxidation test A test piece (12 mmφ x 50 mm) was exposed to 1200
Heat and hold at ℃ for 100 hours. After the test, remove scale from the surface of the test piece, measure the amount of weight loss due to oxidation, and determine the amount of corrosion (mm/year). [B] Carburizing test A test piece (12 mmφ x 60 mm) was kept in a solid carburizing agent (Degussa KG30) at a temperature of 1150°C for 300 hours. After the test, chips are collected at a pitch of 0.25 mm from the surface of the test piece, and the amount of carbon increase at a depth of 1 mm from the surface is determined by chemical analysis. [C] Creep rupture test According to the provisions of JIS Z 2272. Test temperature: 1150
℃, load: 1Kgf/mm 2 .

【表】【table】

【表】【table】

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の耐熱合金は、1100℃をこえる高温域に
おいて、従来材であるHK40材やHK改良材を凌
ぐ材料特性を有し、1150℃付近においてもすぐれ
た耐酸化性、耐浸炭性およびクリープ破断強度を
示す。従つて、クラツキングチユーブ材として好
適であり、従来材にまさる耐久性・安定性を保証
する。むろん、その用途は、上記に限られず、リ
フオーマチユーブ材料としても好適であり、更に
はラジアントチユーブ、ハースローラ等の各種高
温用構造材料として有用である。
The heat-resistant alloy of the present invention has material properties superior to conventional materials, HK40 material and HK improved material, in the high temperature range exceeding 1100°C, and has excellent oxidation resistance, carburization resistance, and creep rupture resistance even at around 1150°C. Indicates strength. Therefore, it is suitable as a cracking tube material and guarantees greater durability and stability than conventional materials. Of course, its uses are not limited to those mentioned above, and it is also suitable as a material for re-formed tubes, and is further useful as a structural material for various high-temperature applications such as radiant tubes and hearth rollers.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 C:0.3〜0.5%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%
以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Cr:
30.0〜40.0%、Ni:30.0〜40.0%、Co:5.0〜20.0
%、Al:0.02〜0.6%、N:0.08%以下、並びに
Nb:0.3〜1.8%、W:0.5〜6.0%のいずれか1種
もしくは2種、およびTi:0.02〜0.5%、Zr:0.02
〜0.5%のいずれか1種もしくは2種、残部実質
的にFeからなるクリープ破断強度、耐酸化性お
よび耐浸炭性にすぐれた耐熱合金。
1 C: 0.3-0.5%, Si: 2.0% or less, Mn: 2.0%
Below, P: 0.03% or less, S: 0.03% or less, Cr:
30.0~40.0%, Ni: 30.0~40.0%, Co: 5.0~20.0
%, Al: 0.02 to 0.6%, N: 0.08% or less, and
Any one or two of Nb: 0.3-1.8%, W: 0.5-6.0%, Ti: 0.02-0.5%, Zr: 0.02
A heat-resistant alloy with excellent creep rupture strength, oxidation resistance, and carburization resistance, consisting of ~0.5% of one or two types, and the remainder substantially Fe.
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