JPH09324246A - 耐高温腐食性に優れた熱交換器用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】600 〜800 ℃での耐酸化性・耐腐食性、組織安
定性、溶接性および高温強度に優れた熱交換器用オース
テナイト系ステンレス鋼を提供すること。 【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：
１．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０４％以
下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｎｉ：
１０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：０．０２
％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０〜０．０
７％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、
Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｚ
ｒ：０．１〜１．０％、およびＣｕ：０．５〜４．０％
のうち１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不
可避不純物からなり、かつ以下の(1) 式および(2) 式を
満たす。 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電用ボイ
ラ、化学プラント等における熱交換器用鋼管などに適用
するオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、主として火力発電プラントの高効
率化を目指し、新形式の複合発電プラントの提案、従来
型プラントの更新、およびボイラ操業条件の高温・高圧
化などがなされている。ボイラ操業条件の高温・高圧化
は今後とも推進される傾向にあり、一般の石炭焚き火力
プラントで計画されている超々臨界圧操業は、近い将
来、複合発電プラント蒸気ボイラの操業にも適用され、
今後とも適用範囲が拡大される見込みである。

【０００３】従来、熱交換器などの高温部材用鋼種とし
ては、１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレス鋼がチューブ材と
して多用されており、その主流はＪＩＳ ＳＵＳ３０４
Ｈ（１８Ｃｒ−１０Ｎｉ−Ｃ）であり、更に、これにＴ
ｉを加えたＪＩＳ ＳＵＳ３２１Ｈなどがあり、基本的
には長期の相安定性を考慮して１８−８系で対応を行っ
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な今後の火力発電プラントの高温・高圧化に対応するた
めには、６００〜８００℃という高温において、十数年
もしくはそれ以上の長期に亘って使用可能なレベルの耐
食性と、現在用いられている１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステン
レス鋼を上回る高温強度が求められ、現状では使用可能
な鋼種がほとんど見あたらない。

【０００５】内面の高圧水接触部における耐水蒸気酸化
性の改善の面からは、特開昭５３−６３２１０号公報な
どに開示された、耐高温酸化性改善に有効な元素である
Ａｌ、Ｓｉを含有したＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼が良好
である。そればかりか、このようなＡｌ、Ｓｉ含有鋼は
石炭灰等の存在下での過酷な環境に対する耐蝕性も極め
て良好であることがわかってきた。しかし、このような
鋼は、耐圧熱交換器用管材としては高温強度の面で不足
し、しかも長時間相安定性の維持および溶接性という点
において特性が十分とはいえない。

【０００６】また、特開平６−２７１９９２号公報には
耐酸化性が考慮された高Ａｌ含有鋼が開示されている
が、このような高Ａｌ含有鋼も同様の問題を有してい
る。さらに、今一つの解決策として、ＪＩＳ ＳＵＳ３
１０Ｓに代表される高合金２５Ｃｒ−２０Ｎｉ系をベー
スとし、これにＮｂ、Ｎ等を添加して高温強度および長
時間相安定性を改善したオーステナイト系ステンレス耐
熱鋼を用いることも考えられ、特開昭５７−１６４９７
１号、１６４９７２号公報などにはこのようなことを目
指した鋼が開示している。しかし、このようなＣｒ−Ｎ
ｉ系の鋼種は、基本的に高価であり、６００〜８００℃
においては５００〜５０００時間の使用でシグマ相を析
出する傾向にあり、靭性の急激な低下が危惧される。

【０００７】また、オーステナイト凝固する成分系では
溶接時の高温割れ感受性が高いことも問題である。した
がって、現在の高温用鋼技術においては、このような耐
高温腐食性、長時間相安定性、溶接性という３点を同時
に満足し、しかも高温強度が高い合金設計指針の確立が
強く望まれている。

【０００８】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、６００〜８００℃での耐酸化性ないし耐腐食
性、長時間の組織安定性、溶接性および高温強度に優れ
た熱交換器用オーステナイト系ステンレス鋼を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者らは、まず耐高温
酸化性を向上させる元素として安価なＡｌ、Ｓｉを選定
し、６００〜８００℃で長時間加熱を受けた場合の相安
定性について、脆いシグマ相析出に及ぼす影響を調査し
た。一般にオーステナイト系ステンレス鋼の圧延時のデ
ルタフェライト抑制、あるいはデルタフェライト量につ
いては、例えばｄｅ Ｌｏｎｇが１９６０年にＭｅｔａ
ｌ Ｐｒｏｇｒｅｓｓにおいて提唱したような、Ｃｒ当
量、Ｎｉ当量の概念が用い得ることを見出した。ただ
し、シグマ相析出量の予測等には上記式をそのまま用い
ることはできなかった。すなわち、Ｃｒ−Ｎｉ系ステン
レス鋼においては、図１に示す状態図上においては、シ
グマ相の析出領域はデルタフェライトの析出領域よりも
広い、換言すれば、シグマ相の析出を抑制するためには
デルタフェライトの析出を抑制するよりも多量に高価な
Ｎｉを添加しなければならないことが実験的に明らかに
なった。

【００１０】また、Ｓｉ添加系について実験を行ったと
ころ、図１の状態図におけるシグマ相の析出領域は、Ｓ
ｉ無添加のＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼に比べ拡大するこ
とが明らかになった。ところが、Ａｌを含有する系にお
いては、Ａｌのシグマ相生成能がデルタフェライト生成
能に比べて小さいことから、図１の状態図上ではシグマ
相析出領域はＡｌ無添加系に比べ縮小し、デルタフェラ
イト析出領域とほぼ等しくなることを新たに見い出し
た。

【００１１】すなわち、耐酸化性向上元素としてＡｌを
添加した場合、下記（１）式が成り立つ成分範囲におい
て、圧延時のデルタフェライトの析出と６００〜８００
℃で長時間加熱を受けた場合のシグマ相の析出の両方を
抑制できることを見出した。

【００１２】 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） なお、圧延時のデルタフェライトの析出抑制により、圧
延時の耳割れを防止でき、歩留り向上にもつながる。

【００１３】次に、溶接性については、高温割れ感受性
を抑制する手段を種々検討した。一般にオーステナイト
系ステンレス鋼の高温割れ感受性は、凝固時に数％のデ
ルタフェライトを存在させることにより低下させること
ができる。しかし、耐酸化性を高めるためにＣｒ量を増
加させると、シグマ相析出を抑制するため、オーステナ
イト相の安定性をデルタフェライトに対して過剰に高め
なければならず、凝固時に完全にオーステナイト凝固と
なってしまい、高温割れ感受性を高めてしまう。また、
Ｓｉ量を増加させた場合は、さらにシグマ相析出抑制の
ためにＮｉ当量を増加させなければならず、高温割れ感
受性を高めてしまう。

【００１４】ところが、Ａｌは、デルタフェライト生成
能に対してシグマ相生成能が低いため、シグマ相析出抑
制のためにデルタフェライトに対するオーステナイト相
の安定性を過剰に高める必要がない。すなわち、Ａｌを
含有する系においては、シグマ相の析出を十分抑制でき
るだけＮｉ当量を高めてオーステナイト相を安定化して
も、溶接部の凝固時においてはデルタフェライトが存在
し、溶接部の高温割れ感受性を極めて低く抑制できるこ
とが判明した。

【００１５】高温強度については、強化因子として固溶
強化、窒化物析出強化、炭化物析出強化、Ｃｕ富化相析
出強化、金属間化合物析出強化等について多くの実験室
溶解を行って検討した結果、炭化物析出強化およびＣｕ
富化相析出強化が、クリープ破断強度、長時間靭性、ク
リープ延性のいずれの観点からも最も優れていることが
判明した。このため、これらについてさらに集中的に検
討を重ねた結果、Ｃｕについては０．５〜４．０％の範
囲で添加することが、また、炭化物生成元素について
は、析出し得るＭ₂₃Ｃ₆ 型鉄・クロム炭化物、ＭＣ型Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ炭化物が以下の（２´）式を満足す
ることが最も有効にクリープ破断強度を向上させ得るこ
とが明らかになった。

【００１６】 （ＣasＭＣ）／（ＣasＭ₂₃Ｃ₆ ＋ＣasＭＣ）≧０．２ …（２´） （ただし、ＣasＭＣ、ＣasＭ₂₃Ｃ₆ は、それぞれＭＣ型
炭化物、Ｍ₂₃Ｃ₆ 型炭化物を形成する炭素量を表す。） この場合に、上記（２´）式を満足するためには、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖを以下の（２）式の範囲で添加する
必要がある。

【００１７】 MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２） （ただし、MCI は、全炭化物中におけるＭＣ型炭化物の
割合を示す指数である。） 本発明はこのような知見に基づいてなされたものであっ
て、第１に、重量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：
１．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０４％以
下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｎｉ：
１０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：０．０２
％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０〜０．０
７％（無添加の場合も含む）を含有し、さらに、Ｔｉ：
０．０５〜０．５％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：
０．１〜１．０％、Ｚｒ：０．１〜１．０％、およびＣ
ｕ：０．５〜４．０％のうち１種または２種以上を含有
し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ以下
の（１）式および（２）式を満たすことを特徴とする耐
高温腐食性に優れた熱交換器用オーステナイト系ステン
レス鋼を提供する。

【００１８】第２に、重量％で、Ｃ：０．１２％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０
４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、
Ｎｉ：１０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：
０．０２％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０
〜０．０７％（無添加の場合も含む）、Ｂ：０．００１
〜０．０１％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０５〜０．
５％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０
％、Ｚｒ：０．１〜１．０％、およびＣｕ：０．５〜
４．０％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物からなり、かつ以下の（１）式お
よび（２）式を満たすことを特徴とする耐高温腐食性に
優れた熱交換器用オーステナイト系ステンレス鋼を提供
する。 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２）

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明に係る熱交換器用オーステナイト系ステ
ンレス鋼は、重量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：
１．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０４％以
下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｎｉ：
１０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：０．０２
％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０〜０．０
７％（無添加の場合も含む）を含有し、さらに、Ｔｉ：
０．０５〜０．５％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：
０．１〜１．０％、Ｚｒ：０．１〜１．０％、およびＣ
ｕ：０．５〜４．０％のうち１種または２種以上を含有
する組成を有する。また、さらにＢ：０．００１〜０．
０１％を含有する組成を有する。

【００２０】以下に各成分を含有させた理由およびその
範囲を限定した理由を述べる。 Ｃ： Ｃは本発明鋼の母相の高温強さを与え、相安定性
に有効な元素であるが、０．１２％を超えて含有する
と、結晶粒内を縦断する形で粗大な炭化物が析出するの
で、その含有量を０．１２％以下とした。

【００２１】Ｓｉ： Ｓｉは脱酸に有効な元素である
が、１．０％を超えるとシグマ相の生成能が大きく相安
定性を維持するのが困難となるため、さらに溶接時の高
温割れ感受性を高めるため、その含有量を１．０％以下
とした。

【００２２】Ｍｎ： Ｍｎは相安定性に有効な元素であ
るが、５．０％を超えて含有すると耐高温腐食性に有害
となるので、含有量を５．０％以下とした。 Ｐ： Ｐは粒界偏析して圧延時の延性を害する元素であ
って、その含有量は少ないほど良い。そこで、圧延時に
おける延性の低下による割れを防止するため、その含有
量を０．０４％以下とした。

【００２３】Ｓ： ＳもＰ同様に、粒界偏析して圧延時
の延性を害する元素である。その含有量は少ないほど良
い。そこで、圧延時における延性の低下による割れを防
止するため、その含有量を０．０３％以下とした。

【００２４】Ｃｒ： Ｃｒは高温での耐酸化性を与える
基本元素として重要である。その含有量が１４％未満の
場合は、耐高温酸化性に有効なＡｌを含有しても６００
〜８００℃において耐高温酸化性ないし耐高温腐食性の
大幅な向上を得ることができない。一方、２２％を超え
て含有するとオーステナイト相の安定性を維持するため
に、高価なＮｉを多量に必要とし経済性を損なうように
なり、しかも耐高温酸化性ないし高温腐食性向上に対す
る寄与が小さくなる。したがって、Ｃｒ含有量を１４〜
２２％とした。

【００２５】Ｎｉ： Ｎｉは、安定なオーステナイト組
織を得るために必須の元素である。その含有量は、他の
含有元素、特にＣｒとＡｌとの関係から１０％以上を必
要とする。一方、Ｎｉの含有量が２５％を超えると、オ
ーステナイト安定化の効果が小さくなり、Ｎｉ量を増加
してもＣｒ等の耐高温酸化性ないし耐高温腐食性を向上
する元素を大きく増やすことができなくなる。また、Ｎ
ｉ量を過剰に多くすると、フェライト相に対するオース
テナト相の安定性が過剰に高くなり、溶接時の高温割れ
感受性を高めてしまう。これらのため、Ｎｉ含有量を１
０〜２５％とした。

【００２６】Ａｌ： Ａｌは単独では、酸化環境中でＡ
ｌ₂ Ｏ₃ という非常に緻密な保護被膜を形成し、Ｃｒ酸
化物存在下ではその中に複合酸化物として含まれて、酸
化物の緻密性を高める。かかる場合の表面保護性は非常
に高く、優れた耐高温酸化性および耐高温腐食性を与え
る元素である。しかし、この耐高温酸化性および耐高温
腐食性の向上はＡｌ量が１．０％未満の場合は、ある程
度の効果があるものの、大幅な効果はみとめられない。
ところが、Ａｌ量が１．０％以上になると、このような
耐高温酸化性および耐高温腐食性は大幅に向上する。し
かし、Ａｌを３．５％を超えて含有すると相安定性を維
持するのが困難となる。このためＡｌの含有量を１．０
〜３．５％とした。

【００２７】Ｎ： ＮはＣと同様に、本発明鋼の母相の
高温強さを与え、相安定性に有効な元素であるが、０．
０２％を超えて含有すると窒化物を形成し、靭性に有害
であることから、Ｎの含有量を０．０２％以下とした。

【００２８】Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ： 希土類元素であるＹ、
Ｌａ、ＣｅはＡｌ₂ Ｏ₃ 酸化被膜中に溶け込んで、その
高温酸化に対する一般的耐性を高めるので、これらのう
ち一種以上を含有してもよい。これらが合計で０．０７
％を超えて含有すると熱間加工性を害するので、これら
含有量を合計量で０．０７％以下とした。また、これら
は必要に応じて添加されるものであるから、無添加の場
合も含むことにした。

【００２９】Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ： Ｔｉ、Ｖ、Ｎ
ｂ，Ｚｒは、炭窒化物として微細に分散析出し、もって
高温強度の改善に寄与するが、Ｔｉで０．０５％未満、
Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒでそれぞれ０．１％未満ではその効果が
十分ではない。また、過剰に添加すると、溶体化熱処理
後に未固溶のＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒの炭窒化物の量が増
加し高温強度を害するようになり、さらに溶接性も低下
させることになるので、これらの含有量をＴｉ：０．０
５〜０．５％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．１〜
１．０％、Ｚｒ：０．１〜１．０％とした。

【００３０】Ｃｕ： Ｃｕは高温での使用中にＣｕ富化
相として母相中に微細析出し、クリープ強度向上に寄与
する添加元素である。しかし、０．５％未満ではほとん
ど析出せず、一方４．０％を超えると破断延性が著しく
低下する。このためＣｕの含有量を０．５〜４．０％と
した。

【００３１】なお、上述したように、高温強度を高める
ためにＺｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖなどによる炭化物析出強化
およびＣｕ富化相析出強化が有効であることから、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＺｒおよびＣｕのうち１種または２種以
上添加することとした。

【００３２】Ｂ： Ｂは、粒界を強化し高温強度特性を
改善するのに有効な元素であるが、過剰に添加すると溶
接性を劣化させるので、この点を考慮してＢの含有量を
０．００１〜０．０１％とした。なお、Ｂは必要に応じ
て添加される。

【００３３】次に、（１）式の限定理由について説明す
る。耐シグマ脆性、熱間加工性、溶接性に影響を及ぼす
オーステナイト相とシグマ相またはフェライト相との相
対的な安定性を決定する主な因子は、Ｃｒ当量とＮｉ当
量の関係である。これらはそれぞれ以下のような式で示
される。

【００３４】Ｃｒ当量＝１．５Ｓｉ＋Ｃｒ＋３Ａｌ Ｎｉ当量＝０．５Ｍｎ＋Ｎｉ＋３０Ｃ＋３０Ｎ 本発明者らはこれらＣｒ当量およびＮｉ当量を用いた下
記の（１）式が成り立つときに、６００〜８００℃での
長時間使用後も脆いシグマ相の析出がほとんど無いこ
と、すなわち、長時間使用しても良好な靭性が保たれる
ことを見出した。また、同時に（１）式が成り立つと
き、圧延後のフェライト相の存在がなくオーステナイト
単相組織であり、鋼板端部の割れもほとんど無いことを
見出した。鋼板端部の割れは歩留りを低下させるため経
済的に好ましくない。したがって、以下の（１）式を満
足することを要件とした。

【００３５】 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） なお、溶接性の観点からは、フェライト相に対するオー
ステナイト相の安定性を過剰に高めると、高温割れ感受
性を高めてしまうことになるため、（１）式の左辺の値
はできるだけ大きくなるような成分系とすることが好ま
しい。

【００３６】次に、（２）式の限定理由について説明す
る。前述したように、炭化物析出強化が高温強度に対し
て有効であるが、炭化物生成元素については、析出し得
るＭ₂₃Ｃ₆ 型鉄・クロム炭化物、ＭＣ型Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔ
ｉ、Ｖ炭化物が以下の（２´）式を満足することが最も
有効にクリープ破断強度を向上させ得る。

【００３７】 （ＣasＭＣ）／（ＣasＭ₂₃Ｃ₆ ＋ＣasＭＣ）≧０．２ …（２´） この場合に、上記（２´）式を満足するためには、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖを以下の（２）式の範囲で添加する
必要がある。

【００３８】 MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２） なお、上記のように規定される本発明のオーステナイト
系ステンレス鋼は、所定の成分を所定量、単体または母
合金の形で含有した状態で溶解され、その後、鋳造、熱
間圧延等の通常の工程により所望の形状に形成される。
また鋼管に成形するに際しても特に限定されるものでは
なく通常用いられる種々の方法を採用することができる
が、溶解、鋳造後、熱間押し出し法またはマンネスマン
圧延法による管体製造工程を経て最終形状とする方法が
通常好適に用いられる。

【００３９】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。表１
と表２に本実施例で用いた鋼の化学組成を示す。表１の
Ｎｏ．１からＮｏ．１９は上記第１発明の組成範囲を満
足する発明鋼であり、またＮｏ．２０からＮｏ．２５は
上記第２発明の成分範囲を満足する発明鋼である。一
方、表２のＮｏ．２６からＮｏ．５０は比較鋼である。
両表中には、（１）式で定義されるαの値および（２）
式で定義されるMCI の値も併せて示した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】これらの成分の鋼を、電気炉溶解、鋳造、
熱間圧延によって１２ｍｍ厚に製造し、１１００℃で溶
体化処理した後、鋼板全厚×３０ｍｍ×５０ｍｍの腐食
試験片を切り出し、石炭灰塗布高温腐食試験および連続
酸化試験を行った。

【００４３】高温腐食試験は、超々臨界圧ボイラー過熱
器を模擬した７００℃石炭灰腐食試験条件で行った。す
なわち、組成を３０％Ｎａ₂ ＳＯ₄ ＋４０％Ｋ₂ ＳＯ₄
＋３０％Ｆｅ₂ Ｏ₃ に調整した混合灰を試験片に塗布
し、１％ＳＯ₂ ＋５％Ｏ₂ ＋１０％ＣＯ₂ ＋８４％Ｎ₂
混合ガス流中で７００℃に加熱し１００時間保持した後
脱スケール処理を行い、腐食減量を測定した。

【００４４】耐高温酸化試験は、８００℃大気酸化条件
とし、露点３０℃に制御した湿潤大気流中で４８０時間
保持した後空冷し、十分冷却された後重量減少を測定し
た。これらの繰り返し数は各鋼種とも３とし、これらの
平均値で評価した。個々の試験片間のばらつきは概ね１
０〜２０％以内であった。これらの結果はいずれも減肉
量（ｍｍ／ｙｅａｒ）で整理した。これらの結果を表３
および表４に示す。

【００４５】一方、長時間時効後の組織安定性を評価す
る目的で、圧延容体化処理材を８００℃で４０００時間
加熱した後Ｖノッチシャルピー試験片を切り出し、０℃
における吸収エネルギーを測定した。

【００４６】また、高温強度を把握する目的でクリープ
破断試験を行った。クリープ破断試験は６５０℃、７５
０℃で行い、１００００時間までの破断試験を行い、そ
の結果より１０００００時間破断強度を外挿してクリー
プ破断強度を求めた。

【００４７】さらに、構造部材として使用する場合に問
題となる特性として、溶接時の高温割れ感受性をバレス
トレイン試験により評価した。ここでは、ノンフィラー
ＴＩＧで入熱１８ｋＪ／ｃｍの溶接を模擬しながら、試
験片に１．０％の曲げ歪を与え、冷却後に合計割れ長さ
を測定した。これら時効材吸収エネルギー、クリープ破
断強度、バレストレイン割れ長さについても表３および
表４に示す。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４】

【００５０】耐高温腐食性については、これらの表から
わかるように、Ｎｏ．１からＮｏ．２５の発明鋼はいず
れも、比較鋼Ｎｏ．２６として試験した現用の１８Ｃｒ
−８Ｎｉ系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４Ｈ、およびＮｏ．
２７として試験したＳＵＳ３２１Ｈに比べ１／２以下の
腐食減量であり、良好な耐高温腐食性を示すことが確認
された。これは、一定量以上のＡｌとＣｒ量を含有する
ことにより、酸化被膜の緻密性が増し、かつ酸化被膜が
安定になり、内部保護性が向上するためと考えられる。
これに対し、比較鋼Ｎｏ．２８では添加Ｃｒ量が十分で
ないことから、大きな腐食減量を示しており、また、比
較鋼Ｎｏ．４０は過剰のＭｎを添加したことから耐高温
腐食性が劣化した。

【００５１】耐高温酸化性についても、これらの表から
わかるように、Ｎｏ．１からＮｏ．２５の発明鋼はいず
れも、比較鋼Ｎｏ．２６として試験した現用の１８Ｃｒ
−８Ｎｉ系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４Ｈ、およびＮｏ．
２７として試験したＳＵＳ３２１Ｈに比べ１／２以下の
酸化減量であり、良好な特性を示した。これに対し、比
較鋼Ｎｏ．２８ではＡｌ量の不足により、十分な耐高温
酸化性が得られなかった。

【００５２】高温での組織安定性の指標である時効材の
靭性については、Ｎｏ．１からＮｏ．２５の発明鋼はい
ずれも、Ｎｏ．２７として試験したＳＵＳ３２１Ｈより
も良好な靭性を示した。これは、本発明鋼ではオーステ
ナイト安定性に配慮した結果、シグマ相等の金属間化合
物等の生成が抑制されたことによると考えられる。これ
に対し、比較鋼Ｎｏ．３２はＳｉ量が過剰であるため、
Ｎｏ．３９はＡｌ量が過剰であるため、また、比較鋼Ｎ
ｏ．４３，５０はαの値が９以上となっているため、い
ずれも長時間の熱処理によりシグマ相が析出し靭性の劣
化が認められた。比較鋼Ｎｏ．３８は炭化物の過剰な析
出による靭性の低下が認められた。

【００５３】クリープ破断強度については、Ｎｏ．１か
らＮｏ．２５の発明鋼はいずれも、比較鋼Ｎｏ．２６と
して試験した現用の１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレス鋼Ｓ
ＵＳ３０４Ｈ、およびＮｏ．２７として試験したＳＵＳ
３２１Ｈよりも良好な値が得られた。一方、析出強化元
素の添加量が十分でない比較鋼Ｎｏ．２９，３０，４
８，４９においては、クリープ破断強度が不足した。ま
た、逆にこれらの添加が過剰なＮｏ．３５，３６，３７
においては、破断延性が低下し、Ｎ添加が過剰であった
比較鋼Ｎｏ．４２、Ｂ添加が過剰であった比較鋼Ｎｏ．
４７でも破断延性の低下によって結果的にクリープ破断
強度が不足した。また、比較鋼Ｎｏ．３３ではＣｕの添
加が過剰であり、Ｎｏ．４６ではＹ、Ｌａの合計量が過
剰であったことから、著しい破断延性の低下およびクリ
ープ破断強度の不足が生じ、１０００００時間破断強度
外挿値が求められなかった。

【００５４】溶接時の高温割れについては、本発明鋼で
あるＮｏ．１からＮｏ．２５については全て高温割れが
認められなかった。しかし、比較鋼Ｎｏ．４１，４４，
４５については大きく高温割れを生じた。これは、比較
鋼Ｎｏ．４４，４５ではＰ、Ｓの値が高かったため耐高
温割れ性が低下し、Ｎｏ．４１では比較的高いＣｒ、Ｎ
ｉを含有した成分系のためオーステナイト凝固系とな
り、高温割れ感受性が高まったものとしたものと考えら
れる。

【００５５】以上の結果から明らかなように、本発明鋼
によれば、耐高温腐食性および体高温酸化性の向上を図
ることができ、また高温使用時の組織安定性に優れるた
め靭性の劣化がなく、かつクリープ破断強度に優れ、さ
らに高温での溶接性が良好となることが確認された。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、６００〜８００℃での
耐酸化性ないし耐腐食性、長時間の組織安定性、溶接性
および高温強度に優れた熱交換器用オーステナイト系ス
テンレス鋼が提供される。本発明に係るステンレス鋼
は、従来の汎用性ステンレス鋼である１８Ｃｒ−８Ｎｉ
系ステンレス鋼よりもこれら特性が大幅に優れており、
溶接の際に高温割れ感受性が低いため作業性の良好であ
るという特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ無添加の従来のＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼
と、本発明のＡｌ含有Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼の、Ｃ
ｒ当量Ｎｉ当量２元系状態図上のシグマ相析出領域の相
違を示した図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：
   １．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０４％以
   下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｎｉ：
   １０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：０．０２
   ％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０〜０．０
   ７％（無添加の場合も含む）を含有し、さらに、Ｔｉ：
   ０．０５〜０．５％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：
   ０．１〜１．０％、Ｚｒ：０．１〜１．０％、およびＣ
   ｕ：０．５〜４．０％のうち１種または２種以上を含有
   し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ以下
   の（１）式および（２）式を満たすことを特徴とする耐
   高温腐食性に優れた熱交換器用オーステナイト系ステン
   レス鋼。 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２）
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：
   １．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．０４％以
   下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１４〜２２％、Ｎｉ：
   １０〜２５％、Ａｌ：１．０〜３．５％、Ｎ：０．０２
   ％以下、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅを合計含有量として０〜０．０
   ７％（無添加の場合も含む）、Ｂ：０．００１〜０．０
   １％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、
   Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｚ
   ｒ：０．１〜１．０％、およびＣｕ：０．５〜４．０％
   のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび
   不可避不純物からなり、かつ以下の（１）式および
   （２）式を満たすことを特徴とする耐高温腐食性に優れ
   た熱交換器用オーステナイト系ステンレス鋼。 α＝(1.5Si＋Cr＋3Al ）−（0.5Mn ＋Ni＋30C ＋30N ）＜9 …（１） MCI ＝C ／5 −12×（Zr／91＋Nb／93＋Ti／48＋V ／68）≦0 …（２）