JPH0430463B2

JPH0430463B2 -

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Publication number: JPH0430463B2
Application number: JP3840586A
Authority: JP
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1992-05-21
Also published as: JPS62199753A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は特に400℃以上の高温環境下での時効
後靭性およびCl^-、SO₄ ^2-に対する耐高温粒界腐
食性に優れたオーステナイトステンレス鋼に関す
るものである。〔従来の技術〕製紙工場では、木材チツプ蒸解用の薬品
（NaOH、NaS等）回収および工場内電力供給を
目的として、いわゆるソーダ回収ボイラが設置さ
れている。その過熱器管（蒸気条件：400〜450
℃、30〜50気圧、メタル温度：430〜480℃）には
一般にJIS G3462で規定されるSTBA24（２ 1/4
Cr−1Mo鋼）が使用されていたが、熱効率向上
の観点から、ボイラの高温・高圧化（蒸気条件：
約500℃、100気圧、メタル温度：530℃）が検討
推進され、燃焼ガスから過熱器管へ付着する灰に
含有するCl^-、SO₄ ^2-等による高温粒界腐食に対
して優れた特性を有する管材料が検討選択され、
特公昭50−8967号公報で知られている高Ｎオース
テナイトステンレス鋼が使用され始めている。現在、熱効率をより向上させる目的で、さらに
高温・高圧化（蒸気条件：530℃、120気圧、メタ
ル温度：560〜580℃）が検討されており、より過
酷な条件のもとでの耐高温粒界腐食性および時効
後靭性に優れた過熱器管材料が望まれている。〔発明が解決しようとする課題〕本発明は上述のような過酷な条件でも使用でき
る過熱器管材料などに適した高温環境下での時効
後靭性および耐高温粒界腐食性に優れたオーステ
ナイトステンレス鋼を提供することを目的とす
る。〔課題を解決するための手段・作用〕本発明の要旨とするところは下記のとおりであ
る。 (1) 重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％
以下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：
５〜18％、Ｎ：0.25〜0.45％とし、残部がFeお
よび不可避的不純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20
％としたことを特徴とする高温環境下での時効
後靭性および耐高温粒界腐食性に優れたオース
テナイトステンレス鋼。 (2) 重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％
以下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：
５〜18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％
とし、残部がFeおよび不可避的不純物からな
り、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20
％としたことを特徴とする高温環境下での時効
後靭性および耐高温粒界腐食性に優れたオース
テナイトステンレス鋼。 (3) 重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％
以下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：
５〜18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％
とし、さらに、Ｂ：0.01％以下、Ca：0.01％以
下の１種または２種を含み、残部がFeおよび
不可避的不純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20
％としたことを特徴とする高温環境下での時効
後靭性および耐高温粒界腐食性に優れたオース
テナイトステンレス鋼。 (4) 重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％
以下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：
５〜18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％、
Cu：0.2〜５％とし、さらに、Nb：0.05〜２
％、Ti：0.02〜0.5％の１種または２種を含み、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、か
つ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20
％としたことを特徴とする高温環境下での時効
後靭性および耐高温粒界腐食性に優れたオース
テナイトステンレス鋼。本発明は、特にＮを0.25〜0.45％と高めること
によつて比較的少量のNi含有量でもオーステナ
イト組織を安定化させた上で、Siを0.40％を超え
0.60％以下に限定することにより、400℃以上の
高温環境下での高位安定した時効後靭性を有し、
またCrを23〜30％と高く維持したまま、Ｃを0.03
％以下に限定することにより、Cl^-、SO₄ ^2-を有
する高温環境下での耐高温腐食性をもたせたもの
である。以下に成分の限定理由について説明する。Ｃ；Ｃは400℃以上の高温環境下の使用中にCr
と結びつきCr₂₃C₆等の炭化物を結晶粒界に生成す
る。このため、粒界近傍にCr欠乏部を生じ、Cr
含有保護皮膜層の形成を阻害し、Cl^-、SO₄ ^2-を
有する環境下での高温粒界腐食を促進するので
0.03％を上限とする。 Si；Siは後述するような高Ｎにした場合にオー
ステナイトステンレス鋼の高温環境下での時効後
靭性を阻害するので、上限を0.60％とする。しか
し、0.40％以下にすると溶解原料制約のためコス
ト上昇をもたらすので、Si量の範囲を0.40％を超
え0.60％以下に限定する。 Mn；MnはCr₂₃C₆の固溶度を増す元素であり、
粒界炭化物析出を抑制するが、多量添加はσ相生
成を促進するため、その上限を５％とする。Ｐ，Ｓ；Ｐ，Ｓはいずれも耐高温粒界腐食性お
よび時効後靭性を劣化させる元素で低い程望まし
い。しかし、製鋼上避けられない不純物である。
Ｐの上限を0.04％としたのは、これ以上になると
溶接性が著しく損なわれるからである。またＳの
上限を0.03％としたのは、溶接性は勿論、熱間加
工性も劣化するからである。 Cr；Crは耐高温粒界腐食性に対し重要な成分
であり、0.03％以下の微量ＣによるCr₂₃C₆の粒界
析出に対しても、Cr欠乏部のCr量を高濃度に維
持すべく下限を23％とする。しかし、Crが30％
を越すようになると熱間加工性の劣化およびσ脆
化が現れやすくなる。したがつて、Crは30％を
上限とする。 Ni；Niはオーステナイト組織を得るために必
要な元素である。その作用効果は一般にNi当量
と呼ばれる次式で整理できるとされている。 Ni当量（％）＝Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）
……(1) 高温かつ高圧下の環境に耐えるために、高温強
度を高めることが必要であり、そのために(1)式で
示されるNi当量を20％以上とする。Ｃ、Mnは前
述のようにそれぞれ0.03％、5.0％が上限であり、
Ｎは後述のとおり固溶限から0.45％が上限となる
こと、およびNiのσ相析出抑制効果を考慮し、
(1)式のNi当量を30％以上とするため、Niの下限
を５％とする。また本発明鋼の成分系では高Ni
側で熱間加工性が悪くなるので、Niの上限を18
％とする。Ｎ；Ｎは耐高温粒界腐食性および高温強度に有
効な元素である。また、(1)式で示したNi当量を
上昇し、高価な元素であるNi量を低減する効果
も有する。オーステナイト組織を得ることおよび
高温強度の確保から0.25％以上のＮが必要であ
る。ただし、Ｎはガス成分であるため、気泡発生
防止の面から固溶しうる限度によつて含有量の上
限が決まつてくる。このＮの固溶量は高Crの場
合ほど多く、Cr30％とした場合には0.45％であ
る。よつて、Ｎは0.45％を上限とする。 Mo；Moはクリープ破断強度および耐高温粒
界腐食性に有効であり、これらが特に要求される
場合には0.1％を下限として添加する。しかし、
熱間加工性を良好に保ち、かつ、オーステナイト
組織を維持するという面から、その添加量が制約
されるので３％を上限とする。 Nb、Ti；NbおよびTiはクリープ破断強度が
特に要求される場合に添加する。Nbは0.05％以
上、Tiは0.02％以上必要であり、NbおよびTiが
それぞれ２％、0.5％を超えるとNbおよびTiの炭
化物、窒化物の生成量が多くなり、クリープ破断
強度および清浄度が逆に劣化してくる上に、更
に、Ｃ、Ｎの固定により前述の有効なNi当量が
低下してオーステナイト組織を維持することが困
難となる。したがつて、Nb添加量は0.05〜２％、
Ti添加量は0.02〜５％とする。 Cu；Cuはオーステナイト生成元素であり、オ
ーステナイト組織を維持するには有効である。ま
た、耐硫酸性、耐塩酸性のような一般耐食性を向
上させる効果があり、このような耐食性が特に要
求される場合に0.2〜５％添加する。下限0.2％と
したのは、これ未満では充分な効果が得られない
からであり、また上限を５％としたのは５％を越
えるとCuの固溶限を越えるため、熱間加工性が
著しく損われるからである。Ｂ、Ca；Ｂ、Caは本発明鋼の熱間加工性を更
に良好とする元素であり、特に過酷な熱間加工を
行う場合に添加する。しかし、これらの元素は微
量の添加で効果を発揮するが、あまり多量に入れ
すぎると鋼塊の清浄度を害してかえつて熱間加工
性が劣化するようになる。従つてＢは0.01％、Ca
は0.01％を上限とする。なお、本発明において、高温環境下での時効後
靭性とは、特に400℃以上の高温の場合を対象と
し、耐高温粒界腐食性とは、特に400℃以上の高
温における特にCl^-、SO₄ ^2-に対する耐粒界腐食
性を対象とする。400℃以下の温度では、時効後
靭性および耐高温粒界腐食性の共通した低下原因
と考えられる粒界炭化物析出が顕著でなく、また
環境中にCl^-、SO₄ ^2-が存在しない場合は、耐高
温粒界腐食性が特に問題とならない場合が多い。本発明鋼は、特にソーダ回収ボイラ用過熱器管
として上記環境での使用に十分耐えうるものとし
て開発、発明された鋼であるが、その他同様の性
質を有する環境下でもその機能を発揮しうる。〔実施例〕実施例として用いた鋼の化学成分を第１表に示
す。なお、第１表には本発明範囲外の比較鋼と、
従来のボイラ用オーステナイトステンレス鋼の代
表例としてJIS G3463で規格化されている
SUS321HTB、SUS347HTBを併せて示す。本発明鋼Ａ〜Ｌ鋼はＣを0.03％以下、Siを0.40
％を超え0.60％以下に制限してある。Ａ、Ｂ鋼が
第１発明鋼、Ｃ〜Ｆ鋼が第２発明鋼、Ｇ〜Ｉ鋼が
第３発明鋼、Ｊ〜Ｌ鋼が第４発明鋼である。Ｃ〜Ｆ鋼はMoを0.8〜0.9％、Ｇ鋼はMoを0.8
％、Ｂを0.003％、Ｈ鋼はMoを0.9％、Caを0.003
％、Ｉ鋼はMoを2.0％、Ｂを0.005％、Caを0.004
％、Ｊ鋼はMoを0.9％、Cuを0.6％、Nbを0.4％、
Ｋ鋼はMoを0.9％、Cuを0.4％、Tiを0.2％、Ｌ鋼
はMoを0.9％、Cuを3.5％、Nbを0.3％、Tiを0.2
％それぞれ含有している。これに対し、比較鋼として用いたＭ〜Ｒ鋼はそ
れぞれ次の点が本発明成分範囲外である。すなわ
ち、Ｍ鋼はＣが0.045％と高く、Ｎ〜Ｐ鋼はSiが
それぞれ0.75、0.88、1.15％と高い。Ｑ鋼はSiが
1.20％と高く、かつCrが21.7％と低い。Ｒ鋼はSi
が0.75％と若干高く、Ｎが0.19％と低い。また従来鋼のＳ、Ｔ鋼はそれぞれ、
SUS321HTB、SUS347HTBであり、Ｓ鋼はTi
を0.4％、Ｔ鋼はNbを0.7％含有するが、本発明鋼
と比較すると、高Ｃ、低Crおよび低Ｎの成分系
である。第１表に示す本発明鋼および比較鋼の時効後靭
性、耐高温粒界腐食性およびδ−Fe量を第２表
に示す。なお各特性の評価法としてそれぞれ次の
方法を用いた。時効後靭性は、650℃×1271h（Larson−Miller
パラメータ＝（Ｔ＋273）×（20＋log ｔ）、Ｔは温
度℃、ｔは時間ｈ、580℃×10⁵h相当）時効後の
０℃シヤルピー衝撃値（試験片JIS4号、1/2サイ
ズ）を用いた。耐高温粒界腐食性評価としては、ソーダ回収ボ
イラ実缶灰（主成分；24％Na、８％Ｋ、17％Ｓ、
２％Cl、主な化合物；K₃Na（SO₄）₃，Na₂SO₄，
NaCl）中で560℃×100h浸漬・加熱し、脱スケー
ル後縦断面の粒界腐食深さを測定した。 δ−Fe量については製品まま（管あるいは棒）
の状態で縦断面について光学顕微鏡による格子点
測定法により面積率を算出した。第２表によると、本発明鋼Ａ〜Ｌ鋼はいずれ
も、650℃×1271h時効後の０℃シヤルピー衝撃
値が5.5Kgｆ−ｍ／cm²以上であり、560℃×100h、
実缶灰中での高温粒界腐食深さは0μmでありかつ
製品ままでのδ−Fe量は０％である。すなわち、
本発明鋼Ａ〜Ｌ鋼はいずれも、時効後靭性、耐高
温粒界腐食性が共に優れたオーステナイト単相ス
テンレス鋼であると言える。また本発明鋼はクリープ破断強度も良好であ
り、例えば第２発明鋼のＣ鋼ではLarson−
Millerパラメータ法による600℃クリープ破断強
度の10⁵h外挿値が15.3Kgｆ／mm²であり、通産省技
術基準に規定されたSUS321HTBおよび
SUS347HTBの600℃許容引張応力からの計算
（許容引張応力÷0.6）値、それぞれ11.5Kgｆ／
mm²、13.0Kgｆ／mm²より高い値を有している。これに対し、比較鋼Ｍ〜Ｒ鋼および従来鋼Ｓ、
Ｔ鋼は時効後靭性と耐高温粒界腐食性の少なくと
も一方に問題点を有しているといえる。本発明鋼および比較鋼について、Si含有量と
650℃×1271h時効後の０℃シヤルピー衝撃値と
の関係をプロツトすると、第１図のようにSi含有
量が減少するにしたがつて、時効後靭性が向上す
ることがわかる。この図から、本発明鋼のSi含有
量0.40％を超え0.60％以下では、650℃×1271h時
効後の０℃シヤルピー衝撃値が５Kgｆ−ｍ／cm²以
上となり、これはLarson−Millerパラメータか
ら580℃×10⁵h時効後の値に相当するので、本発
明鋼は蒸気条件530℃の過酷な条件でも使用に耐
えることがわかる。なお、0.19％とＮが若干低いＲ鋼はSiが0.75％
と若干高いにもかかわらず、650℃×1271h時効
後のシヤルピー衝撃値が6.5Kgｆ−ｍ／cm²と高く、
高温粒界腐食深さも、5μm程度と小さいが、δ−
Feが2.7％存在する。この鋼の600℃クリープ破断
強度の10⁵h外挿値は12.0Kgｆ／mm²であり、本発明
鋼より若干低い値となる。

【表】

〔発明の効果〕

本発明によれば、400℃以上の高温でかつCl^-、
SO₄ ^2-の存在する環境下で使用される、例えば製
紙工場のソーダ回収ボイラ過熱器管等に対して、
時効後靭性と耐高温粒界腐食性共に優れた材料を
提供することが可能となり、品質上、経済上極め
て有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はSi量と650℃×1271h時効後の０℃シヤ
ルピー衝撃値の関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％以
下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：５〜
18％、Ｎ：0.25〜0.45％とし、残部がFeおよび不
可避的不純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20％
としたことを特徴とする高温環境下での時効後靭
性および耐高温粒界腐食性に優れたオーステナイ
トステンレス鋼。２重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％以
下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：５〜
18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％とし、
残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20％
としたことを特徴とする高温環境下での時効後靭
性および耐高温粒界腐食性に優れたオーステナイ
トステンレス鋼。３重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％以
下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：５〜
18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％とし、
さらに、Ｂ：0.01％以下、Ca：0.01％以下の１種
または２種を含み、残部がFeおよび不可避的不
純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20％
としたことを特徴とする高温環境下での時効後靭
性および耐高温粒界腐食性に優れたオーステナイ
トステンレス鋼。４重量％にて、Ｃ：0.03％以下、Si：0.40％を
超え0.60％以下、Mn：5.0％以下、Ｐ：0.04％以
下、Ｓ：0.03％以下、Cr：23〜30％、Ni：５〜
18％、Ｎ：0.25〜0.45％、Mo：0.1〜３％、Cu：
0.2〜５％とし、さらに、Nb：0.05〜２％、Ti：
0.02〜0.5％の１種または２種を含み、残部がFe
および不可避的不純物からなり、かつ、 Ni％＋0.5×Mn％＋30×（Ｃ％＋Ｎ％）≧20％
としたことを特徴とする高温環境下での時効後靭
性および耐高温粒界腐食性に優れたオーステナイ
トステンレス鋼。