JPH05320755A - 高温クリープ破断特性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents

高温クリープ破断特性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法

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JPH05320755A
JPH05320755A JP12780092A JP12780092A JPH05320755A JP H05320755 A JPH05320755 A JP H05320755A JP 12780092 A JP12780092 A JP 12780092A JP 12780092 A JP12780092 A JP 12780092A JP H05320755 A JPH05320755 A JP H05320755A
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崇徳 中澤
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英隆 木村
Nobuhiro Fujita
展弘 藤田
Ryosuke Takahashi
良輔 高橋
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健 吉田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、クリープ破断特性の優れたオース
テナイト系ステンレス鋼の化学成分ならびに製造方法を
提供する。 【構成】 クリープ破断特性に有害な作用を及ぼす、結
晶粒界への炭化物の析出を抑制するため、Cを0.03
%以下に制限し、固溶度の大きなNを0.15%以下含
有させたNi−Crオーステナイト系ステンレス鋼の化
学成分を設定した。次に、この鋼の製造において、鋼片
を1100℃から1300℃の温度範囲で加熱すること
により、単位粒界あたりの炭化物の析出量を低減し、ク
リープ亀裂の生成・成長を抑制する。上記化学成分及び
製造方法により、クリープ破断強度並びにクリープ破断
延性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温クリープ破断特性の
優れたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】高速増殖炉を始めとする各種高温機器等
のクリープ温度領域で使用される高温構造物において
は、材料のクリープ破断特性が重要視される。このよう
な高温構造用の鋼材としては、高温で長時間使用しても
材質が安定していることが必要となる。従って、このよ
うな高温構造用の鋼材として、たとえばステンレス鋼便
覧(昭和48年8月30日発行)の173ページ「2.
5.7.オーステナイトステンレス鋼」に示されている
ように、これまで主としてオーステナイト系ステンレス
鋼が使用されている。しかしながら、たとえば代表的な
オーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304鋼あ
るいはSUS316鋼では、高温使用中に結晶粒界に炭
化物が析出し、クリープ破断延性およびクリープ破断強
度の低下等の材質変化は避けられない。このような高温
での使用にともなう材質劣化は高温構造物の寿命に制限
を加える要因となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように従来鋼は高
温で長時間使用中にクリープ破断延性、クリープ破断強
度が低下する傾向を示す。本発明の目的とするところ
は、高温で長時間使用しても優れたクリープ破断延性、
クリープ破断強度を示すオーステナイト系ステンレス鋼
の製造方法の提供にある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の原因は、鋼中に存
在するCが高温での使用中に結晶粒界および粒内に炭化
物として析出・粗大化することに関係している。すなわ
ち、粒界に析出する炭化物は粒界脆化を引き起こし、延
性劣化あるいはクリープ破断強度の低下原因となること
が知られている。このためC量を低減して高温使用中に
おける炭化物の析出を抑制することが行われている。し
かしながら、ステンレス鋼の低C化には限界があり、V
OD等の真空精錬技術の発達によりC量は大幅に低減さ
れてきたものの、数ppm と言われる600℃におけるC
の溶解度以下にすることは困難である。なお、EB溶解
等の手段により極低C化することは可能であるが、著し
く高い費用を要することから実用に供し得ない。
【0005】本発明者等はC量が0.03%以下の低C
系のNi−Crオーステナイト系ステンレス鋼のクリー
プ破断試験材の微細組織を観察することにより、炭化物
は全粒界に析出するのではなく、ある周期を以って粒界
に析出することを明らかにした。この周期性について詳
細な調査を行った結果、CrならびにMoの濃厚偏析帯
と重なった結晶粒界に炭化物が析出することをつきとめ
た。すなわち、C量が少ないため炭化物形成元素である
CrおよびMo量の多い結晶粒界に優先的に析出するも
のと考えられる。このような炭化物析出の生じた粒界は
クリープ中に亀裂が発生しやすいため、クリープ破断延
性が低下することになる。
【0006】これに対し、十分に均質化された試料にお
いては粒界への炭化物の析出が全粒界に分散するため、
単位粒界あたりの炭化物量が少なくなる。このため、ク
リープ中の炭化物析出による粒界亀裂の生成傾向は、上
記の濃厚偏析の部分に比べはるかに小さくなる。その結
果、十分に均質化処理した材料のクリープ破断延性、ク
リープ破断強度はさらに高いものとなる。すなわち、図
1は0.012%C−0.6%Si−0.8%Mn−
0.028%P−11.5%Ni−17.1%Cr−
2.2%Mo−0.02%Al−0.074%N鋼のク
リープ破断特性に及ぼす鋼片加熱温度と加熱時間の影響
を示したもので、1100℃から1300℃の温度範囲
で2時間以上加熱することにより、クリープ破断強度な
らびにクリープ破断延性が大幅に改善されていることが
わかる。
【0007】本発明は、以上のような知見に基づいてな
されたものであって、その要旨とするところは、重量%
でC 0.030%以下、Si 3.0%以下、Mn
3.0%以下、P 0.01〜0.08%、Al 0.
06%以下、N 0.15%以下、Ni 6〜16%、
Cr 15〜22%を含有し、またはこれにさらにMo
3.0%以下、W 5.0%以下のいずれか、あるい
は双方を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からな
る鋼の鋼片を1100〜1300℃の範囲で2時間以上
加熱した後、圧延あるいは鍛造することを特徴とする高
温クリープ破断特性の優れたオーステナイト系ステンレ
ス鋼の製造方法にある。
【0008】
【作用】先ず本発明の成分系において、Cは高温使用中
に結晶粒界に炭化物として析出するため、高温長時間使
用後のクリープ破断特性等の高温の機械的性質を損なう
元素である。このような観点からC量は0.030%以
下に制限した。次に、SiおよびMnはいずれも脱酸材
として必要であるが、3.0%を超えて過剰に存在する
と熱間加工性を損なうことから、いずれも3.0%以下
とした。
【0009】Pは高温保持中にりん化物として結晶粒内
に析出して強化作用を有し、さらに結晶粒界を強化する
作用もあることから、特にクリープ破断特性の点から効
果的な元素であるが、その効果は0.01%より生じる
ことから下限を0.01%とした。しかし、過剰の添加
は溶接性および熱間加工性を著しく損なうことから、そ
の上限を0.08%とした。
【0010】Niはオーステナイト生成元素として必須
の元素であり、フェライト形成元素であるCr量に対し
成分平衡上、オーステナイト組織にするための必要量は
6%から16%の範囲である。また、Crは耐酸化性を
向上させる元素であり、そのためには15%以上を必要
とするが、22%を超えると高温長時間加熱による脆化
が生じるため上限を22%とした。
【0011】Alは脱酸に使用する元素であるが、0.
06%を超えると高温長時間加熱中にAlNの析出を引
き起こし、クリープ破断延性を低下させることから上限
を0.06%とした。NはCとともにオーステナイト系
ステンレス鋼の強化元素である。NはCに比べて溶解度
が大きいことから、高温保持中に固溶状態で安定して存
在できる。したがって、Nを溶解度の範囲内で使用すれ
ば、高温長時間使用中も安定した強化作用が期待でき、
かつ窒化物による粒界脆化等も生じないことになる。こ
のような観点からN量の上限を0.15%とした。な
お、下限を設けない理由は、用途に応じてN量を変化さ
せて強度を制御するためであるが、通常の工業規模溶製
でのレベル0.01%が強いて言えば下限となる。
【0012】本発明の化学成分については、さらに高強
度化を計るためMoあるいはWをそれぞれ単独または同
時に、所定の範囲で含有せしめることが有効である。M
oは固溶強化作用のある元素でありクリープ破断強度を
高める作用を有するが、3.0%を超えて添加すると熱
間変形抵抗を高めるため圧延あるいは鍛造が困難にな
る。したがって、含有量は3.0%以下とした。
【0013】WもMoと同様の固溶強化元素であるが、
5.0%を超えて添加すると熱間変形抵抗を高めるため
圧延あるいは鍛造が困難になることから、含有量は5.
0%以下とした。以上の化学成分範囲の鋼の鋼片を圧延
あるいは鍛造する前に、高温で加熱することによりC
r、Mo等の成分偏析を軽減する必要がある。このため
に必要な熱処理は図1に示したように1100℃未満で
は十分な拡散効果が得えられないため、1100℃を下
限とした。一方、1300℃を超える温度での加熱はデ
ルタフェライト相の増加をまねき、かえって成分変動を
拡大させることになるため、1300℃を上限とした。
また、加熱時間については2時間未満では十分な均質化
が行えないため、2時間以上とした。
【0014】以上の如き化学組成の本発明の対象鋼を各
種電気炉等により溶製した後、通常の造塊あるいは連続
鋳造により鋼塊あるいは鋳片とし、鋼塊は圧延あるいは
鍛造により鋼片とし、また鋳片は直接あるいは圧延によ
り鋼片とし、次いで本発明に従った加熱処理が施された
後、圧延あるいは鍛造により各種形状の鋼材として使用
に供されるものである。
【0015】以下に本発明の効果を実施例に基づいてさ
らに具体的に示す。
【0016】
【実施例】表1に本発明鋼と比較鋼の化学成分および鋼
片加熱条件を示す。これらの試料から平行部直径:6m
m、標点間距離:30mmのクリープ破断試験片を採取
し、550℃で試験した。表2はこれらの試験結果、す
なわち550℃−5000時間と10000時間のクリ
ープ破断特性を示したものである。これらの特性調査結
果から明らかなように、本発明による鋼は比較鋼に比べ
高温長時間側のクリープ破断特性が優れたものである。
これに対し、比較鋼においては、例えば合金番号8は加
熱温度が低いためクリープ破断延性とクリープ破断強度
が低く、合金番号9は加熱温度が高いためクリープ破断
強度とクリープ破断延性が低く、また合金番号10は1
200℃加熱ではあるが加熱時間が短いためクリープ破
断延性とクリープ破断強度が低い。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明による鋼は低C
化および鋼片の加熱処理により優れた高温長時間のクリ
ープ破断特性等の高温特性を有する材料となっており、
クリープ領域で使用される高温構造材料として工業的に
極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】クリープ破断特性に及ぼす鋼片の加熱温度と加
熱時間の影響を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 38/58 (72)発明者 高橋 良輔 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 吉田 健 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%でC 0.030%以下、Si
    3.0%以下、Mn3.0%以下、P 0.01〜0.
    08%、Al 0.06%以下、N 0.15%以下、
    Ni 6〜16%、Cr 15〜22%を含有し、残部
    がFeおよび不可避不純物からなる鋼の鋼片を1100
    〜1300℃の範囲で2時間以上加熱した後、圧延ある
    いは鍛造することを特徴とする高温クリープ破断特性の
    優れたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
  2. 【請求項2】 重量%でC 0.030%以下、Si
    3.0%以下、Mn3.0%以下、P 0.01〜0.
    08%、Al 0.06%以下、N 0.15%以下、
    Ni 6〜16%、Cr 15〜22%を含有し、さら
    にMo 3.0%以下、W 5.0%以下のいずれか、
    あるいは双方を含有し、残部がFeおよび不可避不純物
    からなる鋼の鋼片を1100〜1300℃の範囲で2時
    間以上加熱した後、圧延あるいは鍛造することを特徴と
    する高温クリープ破断特性の優れたオーステナイト系ス
    テンレス鋼の製造方法。
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WO2024249963A1 (en) * 2023-06-02 2024-12-05 Cleveland-Cliffs Steel Properties Inc. Improved resistance of stainless steel to liquid aluminum attack

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