JPH07216511A

JPH07216511A - 高温強度に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金

Info

Publication number: JPH07216511A
Application number: JP6009366A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Senba; 潤之仙波; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-15
Also published as: US5543109A

Abstract

(57)【要約】【目的】高温強度に優れた高Crオーステナイト耐熱合金
を提供する。【構成】 (1)Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、Si:1.0％以
下、Mn:2.0％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜60％、Ti：
0.5 ％を超え1.5 ％以下、Ｎ：0.05％以下、Al：0.01〜
0.3 ％、Ｂ:0.001〜0.01％、Zr：０〜0.1 ％、Nb：０〜
1.0 ％を含有し、更にMo:0.5〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.
0 ％の１種以上を含む高温強度に優れた高Crオーステナ
イト耐熱合金。この合金は更に、Mg:0.001〜0.05％およ
びCa:0.001〜0.05％の１種以上を含有することができ
る。【効果】優れた高温強度をもつ合金であり、この合金に
よる単管は、従来合金による二重管よりもコスト的に有
利で、しかも信頼性が高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラや化学プラント
などの苛酷な高温環境下で高温強度に優れる高クロムオ
ーステナイト耐熱合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電プラントにおいては、熱
効率の改善を目的とする超高温高圧ボイラが注目されて
いる。このボイラでは、従来のボイラに比較して蒸気条
件が高温・高圧化されているため、過熱器管材料として
は高温強度や耐食性に対する一段と厳しい要求性能を満
たさなければならない。このため、従来多く使用されて
いる18−８系ステンレス鋼より高い高温強度を有し、か
つ耐水蒸気酸化特性や耐高温腐食特性にも優れる高強度
高耐食オーステナイト鋼が要求される。

【０００３】一般に、耐食性を改善するためには、鋼中
のCr含有量を高めることが有効である。しかし、例えば
25％程度のCrを含有するＳＵＳ310 ＳＴＢ鋼にみられる
ように、 600〜700 ℃での高温強度は18−８系ステンレ
ス鋼よりむしろ低めであり、かつσ相析出による靱性劣
化の問題がある。さらに25％程度のCr含有量では、厳し
い腐食環境下においては耐食性が十分ではない。

【０００４】比較的、耐食性が良好な合金として、Cr含
有量を30％程度に高めた、例えば特開昭59−153858号公
報に開示されるような合金があるが、上述のような厳し
い条件下で単管として適用するには高温強度が不足す
る。また二重管とした場合には、製造コストや信頼性の
点で問題が多い。

【０００５】さらにCr含有量を30％程度に高める一方、
MoとＷを添加することにより強度向上を図ったものとし
て、特開昭60−100640号公報、同61−174350号公報、同
61−276948号公報および同64−55352 号公報などに開示
されるような耐熱合金があるが、いずれもその強度は十
分とはいいがたい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、苛酷
な高温環境下においても優れた高温強度を有し、しかも
高温腐食環境下での耐食性も考慮された高クロムオース
テナイト耐熱合金を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の
(1)、(2) の耐熱合金にある。

【０００８】(1)重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以
下、Si:1.0％以下、Mn:2.0％以下、Cr：28〜38％、Ni：
35〜60％、Ti：0.5 ％を超え1.5 ％以下、Ｎ：0.05％以
下、Al：0.01〜0.3 ％、Ｂ:0.001〜0.01％、Zr：０〜0.
1 ％およびNb：０〜1.0 ％を含有し、さらにMo:0.5〜3.
0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物からなる高温強度に優れた高ク
ロムオーステナイト耐熱合金。

【０００９】(2)上記(1) の成分に加えてさらに、重量
％で、Mg:0.001〜0.05％およびCa:0.001〜0.05％の１種
以上を含有する高温強度に優れた高クロムオーステナイ
ト耐熱合金。

【００１０】上記においてZrおよびNbは無添加でもよ
い。これらを積極的に添加する場合、含有量の範囲はZr
で0.01〜0.1 ％、Nbで0.10〜1.0 ％とするのが望まし
い。

【００１１】前記のような苛酷な高温腐食環境下で十分
な耐食性を得るには、28％以上のCrを含有させることが
必要である。このような高Cr含有のCr−Ni−Fe系合金に
おいては、所定のNi含有量の範囲で、Crが富化したbcc
相であるα−Cr相が析出し、強度に影響を及ぼす。

【００１２】本発明者らは、前記の従来の高Cr含有オー
ステナイト鋼のクリープ破断強度の飛躍的向上を目指し
て研究を行った結果、次の〜の知見を得た。

【００１３】Ti添加はクリープ破断強度を大きく向上
させる。これは、Tiがα−Cr相の析出を促進することに
よる。

【００１４】Ｂ添加はクリープ破断強度を著しく向上
させる。これは、Ｂによって炭化物の微細析出が促進、
安定化され、高温強度向上に大きく寄与するとともに、
α−Cr相の成長が抑制され、長時間使用後もα−Cr相が
粗大化しないためである。

【００１５】TiとＢを複合添加することにより、特開
昭60−100640号公報などに開示されているような合金以
上の高温強度を有する高耐食性合金を得ることができ
る。

【００１６】

【作用】以下、本発明の合金を構成する成分の作用効果
と、その適正含有量を前記のように定めた理由について
説明する。％は重量％を意味する。

【００１７】Ｃ：0.02％を超え0.10％以下Ｃは、炭化物を形成して耐熱鋼として必要な引張強さや
クリープ破断強度を向上させるために有効な元素であ
る。Ｃ含有量が0.02％以下ではこれらの所望の効果が得
られない。一方、0.10％を超えると合金の延性および靱
性の低下が大きくなる。よって、Ｃ含有量の範囲は0.02
％を超え0.10％以下とした。

【００１８】Si：1.0 ％以下 Siは、脱酸のために必要な元素であるとともに、耐酸化
性改善にも寄与する元素である。しかし、Siが1.0 ％を
超えて過剰に存在すると、溶接性や組織安定性が悪化す
る。これらの作用を考慮してSi含有量は1.0 ％以下とし
た。

【００１９】Mn：2.0 ％以下 Mnは脱酸のために有効な元素である。しかし、Mn含有量
が2.0 ％を超えると耐熱特性が劣化する。よって、Mn含
有量は2.0 ％以下とした。

【００２０】Cr：28〜38％ Crは耐酸化性、耐水蒸気酸化性あるいは耐高温腐食性な
どの耐食性改善に優れた作用を発揮し、さらに本発明に
おいては高温強度を担うα−Cr相を形成する重要な元素
である。しかし、その含有量が28％未満ではこれらの所
望の効果が得られない。一方、38％を超えると加工性の
劣化や組織の不安定化を招く。よって、Cr含有量の範囲
は28〜38％とした。

【００２１】Ni：35〜60％ Niは安定なオーステナイト組織を得るために必要不可欠
な元素である。さらにα−Cr相の析出を抑制する作用を
有する元素である。しかし、Ni含有量が35％未満である
と、オーステナイト組織の確保が不安定になる。一方、
60％を超えるとα−Cr相の析出が抑制され、高温強度が
不足する上に経済的にも多大な不利を招く。よって、Ni
含有量の範囲は35〜60％とした。

【００２２】Ti：0.5 ％を超え1.5 ％以下 Tiは高温強度に有効なα−Cr相の析出に大きな影響を及
ぼす元素である。Tiを含有させるとα−Cr相の析出は促
進される。十分な高温強度が得られるα−Cr相量を確保
するには、0.5 ％を超えるTi含有量が必要である。一
方、1.5 ％を超えるとα−Cr相の析出が過多となって、
破断延性の低下による破断寿命の低下が現れる上に、時
効後すなわち長時間使用後の靱性を阻害する。よって、
Ti含有量の範囲は0.5 ％を超え1.5 ％以下とした。

【００２３】Ｎ：0.05％以下Ｎは高温強度を改善するとともにオーステナイト組織を
安定化する作用を有する元素である。このため、高価な
元素であるNiの一部として代替するのに有効である。し
かし、Ｎ含有量が0.05％を超えると、高温長時間使用後
に窒化物が析出し、長時間使用後の靱性の劣化をもたら
す。よって、Ｎ含有量は0.05％以下とした。

【００２４】Al: 0.01〜0.3 ％ Alは脱酸剤として有効な元素であり、その効果を得るに
は0.01％以上含有させる必要がある。一方、0.3 ％を超
えると加工性を阻害する。よって、Al含有量の範囲は
0.01〜0.3 ％とした。

【００２５】Ｂ： 0.001〜0.01％Ｂは、クリープ破断強度の改善に有効な元素である。Ｂ
によって炭化物の微細析出が促進、安定化され、高温強
度向上に大きく寄与するとともに、微細析出した炭化物
によりα−Cr相の成長が抑制され、長時間使用後もα−
Cr相が粗大化しなくなる。しかし、その含有量が0.001
％未満では、この効果が得られない。一方、0.01％を超
えるとクリープ破断強度が低下し、溶接性も劣化する。
よって、Ｂ含有量の範囲は 0.001〜0.01％とした。

【００２６】MoおよびＷ：Moは 0.5〜3.0 ％、Ｗは 1.0
〜6.0 ％ MoおよびＷは主として固溶強化元素として有効であり、
クリープ破断強度を向上させる。しかし、Moではその含
有量が0.5 ％未満、Ｗではその含有量が1.0 ％未満であ
るとこれらの効果が得られない。一方、Mo含有量が3.0
％、Ｗ含有量が6.0 ％をそれぞれ超えると、耐食性、加
工性を劣化させる。よって、Moではその含有量の範囲を
0.5〜3.0 ％、Ｗではその含有量の範囲を 1.0〜6.0 ％
とした。

【００２７】これらの元素は、１種だけを選んで含有さ
せてもよいし、２種複合して含有させてもよい。ただ
し、２種併用する場合には、合計含有量をMo＋ (1/2)Ｗ
で 3.0％以下に抑えるのが望ましい。

【００２８】本発明合金は上記の各成分の他に、さらに
次に述べる成分を含有することができる。

【００２９】Zr：０〜0.1 ％ Zrは、主として合金の粒界を強化してクリープ破断強度
を向上させるので、必要に応じて含有させる。この効果
を得るために積極的に添加する場合は、その含有量は0.
01％以上とするのが望ましい。一方、0.1 ％を超えると
逆にクリープ破断強度が低下し、溶接性も劣化する。よ
って、Zrを含有させる場合の上限は 0.1％とした。

【００３０】Nb：０〜1.0 ％ Nbは結晶粒を微細化し、延性を向上させる。さらに、オ
ーステナイト相中やCr炭化物中に固溶してクリープ破断
強度の向上に寄与するので、必要に応じて含有させる。
これらの効果を得るために積極的に添加する場合は、そ
の含有量は0.10％以上とするのが望ましい。一方、1.0
％を超えると靱性の劣化を招く。よって、Nbを含有させ
る場合の上限は1.0 ％とした。

【００３１】MgおよびCa：それぞれ 0.001〜0.05％ MgおよびCaは加工性改善に有効な元素であり、必要に応
じて含有させる。しかし、それぞれの含有量が0.001 ％
未満ではこの効果が得られない。一方、0.05％を超える
と逆に加工性を劣化させる。よって、MgおよびCaを含有
させる場合の適正含有量の範囲は、ともに 0.001〜0.05
％とした。これらの元素は、１種だけ含有させてもよい
し、２種複合して含有させてもよい。ただし、２種併用
の場合にはMgとCaの含有量の合計においても 0.001〜0.
05％とするのが望ましい。

【００３２】なお、Ｐ、Ｓは合金中に不可避的に混入す
る元素であるが、溶接性と高温強度を確保する観点か
ら、Ｐは0.03％以下、Ｓは0.01％以下とすることが望ま
しい。

【００３３】

【実施例】表１、表２および表３に示す化学組成の合金
を高周波真空溶解炉で溶製して得た20kgインゴットを鍛
造、冷間圧延し、さらに1200℃で固溶化熱処理を施した
供試材から、各試験片を作製し、クリープ破断試験と時
効後のシャルピー衝撃試験を行った。

【００３４】クリープ破断試験は、外径６mm、標点間距
離30mmの試験片を用いて700 ℃で行い、10³ 時間と10⁴
時間の破断強度を求めた。時効後のシャルピー衝撃試験
は、700 ℃、100 時間の条件で時効処理した供試材から
作製した厚さ５mm×幅10mm×長さ55mmの２mmＶノッチ形
成試験片を用いて０℃で行った。

【００３５】表４、表５および表６に、10³ 時間と10⁴
時間の破断強度と時効後のシャルピー衝撃値を示す。N
o.1〜44は本発明例、Ａ〜Ｗは比較例である。なお、比
較例Ａ〜Ｅは特開昭61−174350号公報に開示される従来
合金、比較例ＦとＧは特開昭61−276948号公報に開示さ
れる従来合金である。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【００４０】

【表５】

【００４１】

【表６】

【００４２】図１はクリープ破断強度に及ぼすTiとＢの
含有量の影響を示す図である。図１から、TiとＢの含有
量が本発明で定める範囲にある合金は、優れたクリープ
破断強度を示すことが明らかである。また、表４〜表６
から明らかなように、時効後の靱性も従来合金と同等で
ある。

【００４３】さらに表４〜表６から明らかなように、0.
5 ％を超え1.5 ％以下のTiを含有する本発明例合金は、
その含有量が0.5 ％以下である比較例合金Ａ〜Ｅに比
べ、非常に高いクリープ破断強度を示す。また、Tiを含
有していてもＢを含有しない比較例合金Ｆ、Ｇに比べて
も、高いクリープ破断強度を示す。これは、Tiがα−Cr
相の析出を促進し、さらにＢによって炭化物の微細析出
が促進、安定化され、高温強度向上に大きく寄与すると
ともに、微細析出した炭化物によりα−Cr相の成長が抑
制され、長時間使用後もα−Cr相が粗大化しないためで
ある。

【００４４】

【発明の効果】本発明の高クロムオーステナイト耐熱合
金は、優れた高温強度を有する合金である。この合金に
よる単管は、従来合金による二重管よりもコスト的に有
利で、しかも信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】クリープ破断強度に及ぼすTiとＢの含有量の影
響を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si:1.0％以下、Mn:2.0％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜
60％、Ti：0.5 ％を超え1.5 ％以下、Ｎ：0.05％以下、
Al：0.01〜0.3 ％、Ｂ:0.001〜0.01％、Zr：０〜0.1 ％
およびNb：０〜1.0 ％を含有し、さらにMo:0.5〜3.0 ％
およびＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上を含有し、残部はFeお
よび不可避的不純物からなる高温強度に優れた高クロム
オーステナイト耐熱合金。
【請求項２】請求項１に記載の成分に加えてさらに、重
量％で、Mg:0.001〜0.05％およびCa:0.001〜0.05％の１
種以上を含有する高温強度に優れた高クロムオーステナ
イト耐熱合金。