黒心可鍛鋳鉄の高温強度

(1)

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旨

ボイラ付属設備材料として広く使用されている黒心可鍛鋳鉄の高温強度を明らかにするため,FCMB28(3溶解材),FCMB32(1溶解材),FCMB35(5溶解材)について300∼500℃で,高温引張試験および10∼13,700 時間までのクリープ破断試験を行ない,回帰分析手法を用いて強度のばらつきおよぴ100,000時間強度の推定を行なった｡黒心可鍛鋳鉄のクリープ域は約380℃以上で,これ以￣Fの温度では引張強さが許容応力を支配することを明らかにし,また380℃以上で使用する場合の許容応力についても一応の根拠を得た｡

隆***

1.緒

言男心可鍛鋳鉄はボイラ付属設備材料として広く使用されており, 近年その使用制限温度も230℃から350℃に引き上げられた｡しかし, その高温強度については若干の報告はあるが(1)￣(3),長時間のクリープ破断データほきわめて乏しい｡筆者らのひとりはさきにFCMB 28相当材の高温強度を調べ,男心可鍛鋳鉄ほ350℃まで十分使用できることを明らかにしたが(4),クリープ破断強度は同一鋼種間であってもかなりばらつくのが普通で,信頼度の高いクリープ破断強度を求めるにはそのばらつきを検討しなければならない｡そこで FCMB28(3溶解材),FCMB32(1溶解材),FCMB35(5溶解材) について300∼500℃で10∼13,700時間までのクリープ破断試験を行ない,回帰分析手法を用いて強度のばらつきおよび100,000時間強直の推定を行なうことにした｡

2.実

験 2.1試料黒心可鍛鋳鉄FCMB28相当材3溶解,FCMB32相当材1溶解およびFCMB35相当材5溶解,計9溶解の試料を実験に供した｡地金の配合は高ケイ素銑8%,鋼くず40%,もどしくず52%とし,キュポラと電気炉の二重溶解法によって得た溶湯を図1に示す鋳造方案の生砂型に鋳込,同図中のキールブロック型の自銑素材を作り, これに所定の可鍛化焼鈍を施し,キールブロックの底部より図2iこ示す各種試験片を採取した｡表1は試料の化学組成を示したものである｡ 2.2 引弓長試験 20tアムスラ試験機を用いFCMB28についてほ室温∼550℃, 衷1 供試材料の化学組 _成(%) 洪試材料】 C _- Si _l Mn FCMB28 No.1 No.2 No,3 2.93 2.89 2.55 1.23 1.25 1.15 FCMB32 No.1 2.93 FCMI∋35 N N N N N 1.49 3 2 〔XU 3 4 3 0 0 0 5 <U * 日立製作所日立研究所工学博士 ** 日立製作所日立研究所 *** 日立金属株式会社桑名工場ノ軸 16

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(2)

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0+TTr lこimL h+__________________+ 500 ()肘 100 200 300 400 試験f址哩(Oc) 図4 FCMB28の高温引張試験紡果 ×400 ×400 ×400 FCMB32についてほ室温∼450℃,FCMB35についてほ宅温 ∼500℃で試験した｡ 2.3 _{クリープ破断試験} 東京衡機製造所製C-3形クリープ破断試験棟を用い,300､500℃ で試験Lた｡これらの結果を応力一破断時間線囲およびLarson& Miller法によるMaster破断曲線で整理し,平均クリープ破断強度 40 顎30 ＼卓 bん 20 車20 三) ￣巨10 0 盲20 ミゴ

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(3)

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1,0001 10,000 100,000;36.12;39.27:42.42 450℃ 41.66 42.97 44.27 500℃ 44.54 45.94 47.33 45.57148.72 団13 _{FCMB28のMaster破断曲線(2次回帰)-(7)式一} 図10 _{FCMB28の応力一破断時間緑図(2次回喘)一(､4)式一} し2)(3)およぴ(4)式一定応力のもとでは破断時間は対数正規分布をするものと仮定し,10がを確率変数,10g(7を指定変数と考えて次の1次式および 2次式で回帰を行なった｡ 10gg=α1＋αヱ(10g(7).. ‖(3) logg=α1＋α2(log(7)＋αB(10gげ)2 ‥(4) 図14

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(4)

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【l 図22 _{FCMB35の応力ー破断時間線図(2次回哺)-(6)式一} げ=α1＋(r2(10g∼) _‥(5) げ=(rl＋α2(10g才)十α3(10gJ)2 _..(6) 以上り)∼(6)式は応力ー破断時間線図のあてはめである｡ (4)(7)および(8)式 (7)および(8)式はLarson&MillerのMaster破断曲線に2 次曲線のあてはめを試みたものである｡(7)式は指定パラメータのときに破断応力が対数正規分布をすると仮定し,Iogげを確率変数,パラメータPを指定変数と考えた｡(8)式は(7)式と辿に一

(5)

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3.実

験

結

果

3.1供試材の組織図3は供試材の顕微鏡組織である｡FCMBNo.3の一部にはごく微量のパーライトが認められたが,そのほかの試料はすべて粒状思鉛とフェライトからなっている｡ 3.2 _{引張試験結果} 図4∼るほ高温における引張試験結果を示したものである｡宣子占左の引張強さはFCMB28が30.2∼31.2kg/mm2,FCMB32が34.8 kg/mm2,FCMB35が35.1∼36.7kg/mm:であり,伸びはFCMB 35が最も高い｡図5はFCMB32No.1の高温引張特性であるが,比較のためFCMB28およぴFCMB35の平均値曲線を図示した｡こ r+ ヾ滋､≡

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(6)

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壬 ₆ ₈₁₍₁ ×400 XlOO 右の組織説明囲･:500℃,5kg/ノcm2,4,775時間破断) 団32 FCMB35No.2のクリープ破断試験片の組織 X400

4.検

討 4.1100,000時間強度およびばらつきの推定に関する検討本鋳鉄のクリープ破断強度のばらつきは試験前の予想より非常に小さい｡特にFCMB35のこごらつきは小さく,試験時間範関内では 95%后板限界で平均強度のたかだか±1.5kg/mm2程度である｡

(7)

396 _{昭和43年5月} FCMB28とFCMB35については(1)∼(8)式による回帰分析を行なったが,｢A式によれば高めの外そう値が得られる+とか｢B式によれば低めの外そう値が得られる+とかいうことはデータのばらつき状態により回帰線の傾向が変わるので,一般的傾向として明言できない｡しかし本報の男心可鍛鋳鉄のように組織変化がなく,応力+波断時間線図が直線的なものに対しては2次回帰によるより1次回帰による外そうのほうがまさっていよう｡2次回帰は一般に放物線となり(4)式あるいは(8) 式の場合,外そう線はある応力で破断時間の最大値があ +エ 20 15 0 (m∈モ葺､〔ヨらわれ,それ以下の応力では破断時間が逝に短くなると _p

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許布引弓㌻三応力いう不合理がある｡(2)式あるいは(7)式では座標が入れ変わっているのでこのような不合理は形に出てこない｡長時間側の信板限界は一般iこ平均値そのものの不確定のために広がり,特に100,000時間で著しく広がり実用上のばらつきを推定することはできない｡冶金学的にみて強度のばらつきが長時間側で極端に広がるとは考えられないので,応力一破断時間線図の2次回帰で100,000時間強度の信煩限界を求めるのは不適当と思われる｡ Master破断曲線の回帰分析により求めた平均クリープ破断強度は(7)式でも(8)式でも同一値が得られる｡信煩限界においては高温長時間側で(7)式によるよりも(8)式によるほうが若干幅広く推定される｡どの方法によって求めた推定値が真の100,000時間強度およぴそのばらつきを与えるのかほ,100,000時間の実測値がなければ明言できないが.下記の点から考えると本鋳鉄に対してはMaster破断曲線の2次回帰((7)または(8)式)が比較的妥当性のある推定値を与えるようである｡ (1)(7)またほ(8)式による平均値ほ図1るおよび図2るに示される8個の式の推定値の平均にはぼ等しいか,またはわずかに低目である｡したがって100,000時間強度が高目に推定されることがないので実用的に安全である｡ (2)(7),(8)式では種々の温度でのデータを統一して推定を行なうため,一温度のデータのみから得られる推定値より信煩性が大きいと考えられる｡ (3)(7)および(8)式の信頼限界は極端に大きくなることほない｡ 4.2 _{許容応力に関する検討} 従来ボイラ付属設備材料としての黒心可鍛鋳鉄の使用制限温度は 230℃とされていた｡しかし製造技術の発達により鋳鉄の品質は著しく向上し,JISが改訂されたのに引き続いて昭和40年の発電用ボイラ火力技術基準では使用制限が350℃まで引き上げられ,許容応力も1.6倍に引き上げられた｡ボイラ用材料の許容応力を決める場合,基準値として次に掲げる値のうち最小のものが用いられるこ (a)引張強さの0.25倍 (b)耐力の0.625倍 (c)1,000時間に0.01%のクり-プ速度をfじずる応力の平均値佗(⊂c) 500 (h⊆ぷて葺 Tヽ i三 20 15 10 第50巻第5号 FCl柑32

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400 500 I!と(Oc) (丁佗(で.) ロB‥引引油‡言 CR=1+arSOn&1■Ⅰ川eI･二▲∴求めた105l】ク図33 _{黒心可鍛鋳鉄の許容応力と高温強度} よってこれらの値を比較してみよう｡図33は(a)および(d)の値と温度の関係を示したもので,高温側でほ(d)の値より(a)のほうが高いが,約380℃でこれが同一値となり,これ以下の温度でほ (d)の値のはうが高い｡(b)の値は引張試験結果から推察して, (a)の値をかなり上回るとみられる｡また(c)の値は図30および図31から(d)の値と同等あるいはそれ以上と推定される｡したがって許容応力の規定されている350℃までは前述した4項目のうち (a)の値が最小となり,本鋳鉄の許容応力は引張強さで決まる｡すなわち,一般的には黒心可鍛鋳鉄のクリープ域は380℃以上で,また450℃までの温度においては100,000時間破断強度の60%に CastingQualityFactorを乗じた値を許容応力と考えてよいであろう｡

5.緒

言

以上男心可鍛鋳鉄9溶解材について長時間クリープ破断試験および高温引張試験を行ない,高温強度を明らかにするとともに,そのばらつきを調べた｡8とおりの式を用いてクリープ破断データの回帰分析を行ない,木鋳鉄ではⅠノarSOn&Miller法のMaster曲線の2次回帰が比較的妥当な外そう値を与えるものと考えられる｡また男心可鍛鋳鉄のクリープ域は約380℃以上で,これ以下の温度では引張強さが許容応力を支配することが明らかにされた｡また380 ℃以上で使用する場合の許容応力についてもー応の根拠をうることができた｡本研究を行なうに当たり,試料の作製に尽力された日立金属株式会社桑名工場の関係のかたがた,ならびに実験の一部を分担された日立製作所R立研究所池田伸三氏に厚くお礼申し上げる｡ (1) (2) (3) (d)100,000時間で破断する応力の平均値の0･6倍-または削､値 (4) の0.8倍参男文 L.C.Marshall,G.F.Somlner, Progress,77,102(1960)

Materialsin Design Engineel-ing,

ASTM:Properties _of CastIron tures STP No.248 献 D.A.Pearson:Meta1 5】,105(1960) at Elevated Tempera-佐々木:日本材料試験協会,第11閉経会講演会前刷,79 (1962) 】 12 【