JPS6365058A - 加工用オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の排ガス浄化システム、各種ボイラー
、高炉羽口バーナーあるいは廃棄物焼却炉など高温の腐
食性雰囲気で、特に、高塩基腐食または溶融塩腐食等、
塩を含む腐食が問題となる雰囲気で繰り返し加熱・冷却
を受けるような用途に使用される加工性に優れたオース
テナイト系耐熱鋼に関する。

（従来の技術） 自動車の排気ガス浄化システム、各種のボイラー、焼却
炉あるいは高炉羽口バーナーなどの厳しい腐食環境下で
使用される耐熱鋼に要求される特性としては高温強度特
性、耐高温酸化特性、酸化スケールの剥離抵抗などの一
般的耐熱性に加えて、燃焼雰囲気での高温ガス腐食ある
いはＰｂＯ，ＶｚＯｓなどの各種酸化物、ＰｂＣ１＊、
ＮａＣ１，ＭｇＣ１ｘ、ＫＣｌなどの塩化物などを含む
雰囲気での耐高製塩腐食および、さらに高温での溶融塩
腐食抵抗がある。さらに、例えば、冷却時には凝縮水に
よる湿食の問題もある。このような厳しい環境の下では
耐熱性表面処理鋼板ではもたず、耐熱用ステンレス鋼が
用いられ、このうち、耐熱性以外に加工性および溶接性
が要求される用途ではオーステナイト系ステンレス鋼が
選択される。

ＳＯ５３０４で代表されるオーステナイト系耐熱鋼は大
気中で繰り返し加熱・冷却を受けるとフェライト系耐熱
鋼に比ベスケールが剥離するという問題があり、これは
オーステナイト系耐熱鋼の熱膨張が大きく加熱・冷却を
受けると素地とスケールとの熱膨張差によってスケール
に亀裂を生じ剥離するもので、これが大きな欠点となっ
ていた。これに対し、例えば特公昭５６−２５５０７に
開示されているように、高Ｓｉ含有のオーステナイト系
ステンレス鋼が種々開発され、従来の５ｔｌＳ　３０４
に比ベスケールの剥離抵抗の著しい改善がなされ、ＳＯ
３３１０Ｓに匹敵するか、それ以上の特性を示すように
なった。しかしながら、最近になってこれらの鋼でもな
お腐食が生じる問題が発生した。

すなわち、大量廃棄物処理等に用いる焼却炉、高炉の羽
口バーナー、重油ボイラー、内燃機関の排ガス管などで
使用されている部材の一部に著しい高温腐食を生じてい
る例がみつかり問題となっている。これらの腐食事例を
調査した結果、共通した現象として粒界腐食型の加速酸
化が発生しており高温で塩の付着した状態あるいは溶融
塩状態での腐食であり、特に塩化物を含む塩による高温
腐食が著しいことがわかった。この高塩基腐食に対して
は既存の耐熱用ステンレス鋼である５ＵＳ３０４．５Ｕ
Ｓ３０２Ｂ　、　ＳＯ３χＭ１５Ｊ１．５ＵＳ３２１．
および５ＵＳ３１０Ｓなどいずれも十分ではなく新たな
材料開発が望まれている。

以下には溶融塩も含めて卓に高塩基腐食とよぶ。

〔発明の目的〕

本発明は耐熱性に優れ、特に耐高温塩腐食特性に優れ、
かつ粒界腐食感受性も合せて改善した加工用オーステナ
イト系耐熱鋼を提供することを目的とする。

〔発明の目的を達成する手段〕

本発明は、前述の問題点を改善する研究を行った結果、
基本組成がＣ５０，０６％、　Ｓｉ：２．５〜１０％。

ＭｎＳ２．０％、　Ｎｉ：１２〜２０％、Ｃｒ：１６＝
２３％からなることを特徴とし、さらに必要に応じて微
量のＣａおよび／または希土類元素もしくはＹが添加さ
れ、かつ、（Ｃ＋　Ｎ）％に応じて適量のＴｉあるいは
Ｎｂを添加することで上記の目的の材料が得られること
がわがうた。すなわち、本発明の主題である耐高温塩腐
食特性の改善に対してはＳｉ量を従来の範囲から大きく
高Ｓｉ側に移行させ、さらに必要に応じてＳｉとの複合
でＣａおよび／あるいは希土類元素もしくはＹを添加す
ることによって高塩基腐食環境下での保護皮膜を補強し
、かつ、適量のＮｂおよび／あるいはＴｉの添加によっ
て使用時の鋭敏化を防止し、粒界浸食型の高塩基腐食と
休止時の湿食による粒界腐食をともに改善するものであ
る。

（発明の構成） すなわち、本発明によれば、重量％で、Ｃ：　０．０６
％以下 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ　：　２．０以下 Ｎｉ　：　１２〜２０％ Ｃｒ　：　１６〜２３％ を含有し、必要に応じ、 ＨｂとＴｉの１種または２種を０．１〜１．０％を含有
し、かつ、Ｎｂ／（ＣＡＭ）≧８　、Ｔｉ／　（ＣＡＭ
）≧４または（Ｔｉ　＋　０．５Ｎｂ）　／　（Ｃ＋　
Ｎ）≧４を満足し、さらに、 Ｃａ　：　Ｏ，ＯＯ１〜０．０５％、 または希土類元素もしくはＹの１種または２種以上を０
．００１〜０．１％を含有し、また、さらに、 Ｂを０．０００５〜０．０１０％、Ｃｕを０．５〜２．
５％を含有してもよく、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなるオー
ステナイト系耐熱鋼を提供するものである。

（発明の詳細な説明） 以下には本発明を具体的に説明する０本発明の合金組成
ならびに各添加元素の添加目的ならびに組成範囲の限定
理由を述べる。

Ｃ：強力なオーステナイト形成元素であり、高温強度を
得るためには必要な元素であるが、Ｃは高温でＣｒ元素
と結合し、粒界にＣｒｘｓＣｈとして打出し、粒界近傍
にＣｒ欠乏層を形成するので高塩基腐食の進行を助長す
るとともに、休止時に凝縮水による粒界腐食が生じるの
で低い方が好ましく、上限を０．０６％４以下とした。

Ｓｉ：耐酸化性および耐高温塩腐食性を改善する上で最
も重要な元素で２．５％以下では耐高温塩腐食性に十分
な効果が得られず、一方１０％以上では高温で多量のσ
相を町出し、靭性が劣化する。また、δフェライトが増
し熱間加工性が問題となり、さらに、硬さが増す為、加
工性が低下するので上限をｌＯ九以下とした。

Ｍｎ：熱間加工性改善に有効であるが耐酸化性を低下さ
せるので上限を２．０％とする。

Ｎｉニオ−ステナイト系ステンレス鋼の基本的合金元素
であり、また合金元素として耐酸化性、耐高温塩腐食特
性の改善に有効である０本発明では耐高温温塩腐食の点
から高Ｓｔを含有するため、熱間加工性を阻害するζフ
ェライトを生成しやすいので、成分バランスを考慮して
Ｘｉの下限を１２％とした。一方、多量のＸｉは製品原
価を上げるため好ましくないので上限を２０％とした。

Ｃｒニステンレス鋼の耐食性および耐酸化性を維持する
ために最も基本的な元素であり、本発明の対象とする用
途では１６％未満では十分な効果が得られない、一方、
２３％を越えて添加すると、Ｓｉ含有量との関係からδ
フェライトを多量に生成するので上限を２３％とした。

Ｎｂ：粒界浸食型の高塩基腐食および休止時の凝縮水に
よる湿食を防止するためにＣを０．０６％以下に抑えて
いるが、これでも不十分な場合にはＮｂを添加して粒界
へのＣｒの崖、′ｇイ乙その打出を防止する。このＮｂ
はＣ，、Ｎと結合して微細なＮｂ（Ｃ，Ｎ）を形成し、
耐食性のみならず高温強度、とりわけクリーブ強度の改
善に大きな効果を有する。Ｃｒ炭。

窒化物の打出を防止するには重量比で Ｎｂ／　（Ｃ＋　Ｎ）≧８のＮｂが必要であるが、さら
に高温強度を向上させる目的からも０．１％以上のＮｂ
添加が必要である。一方、１．０％以上のＮｂ添加はδ
フエライト量を増加させるので熱間加工性を害し、また
δ相の杓′出を加速するので靭性が低下する。

Ｔｉ　：　Ｈｂと同一の目的からＴｉの添加も有効であ
る。

ＴＩはＣ，Ｎと結合してＴｉ（Ｃ，Ｎ）を形成して、耐
食性のみならずクリープ強度の改善に大きな効果を有す
る。Ｃｒ炭、窒化物の打出を防止するには重量比でＴｉ
／（ＣＡＭ）≧４のＴｉが必要であるが、さらに高温強
度を向上させる目的からも０．１％以上のＴｉ添加が必
要である。一方、１．０％以上のＴｉ添加はδフエライ
ト量を増加させるので熱間加工性を害し、またσ相の打
出を加速するので靭性が劣化する。

Ｔｉはまた加工性の改善にも効果がある。

なお、ＨｂとＴｉはいずれか一方を含むだけでもよいが
、複合で添加する場合には （Ｔｉ　＋　０．　５Ｎｂ）　／　（Ｃ＋　Ｎ）≧４を
満足すればＣｒ炭、窒化物の前出防止にを効である。

Ｃａと希土類元素およびＹ：耐高温塩腐食に対する耐性
は基本的にはＣｒとＳｉによって維持される。

しかしながら、これは高温での連続使用時では十分な保
護性を有するものの、断続的な加熱・冷却がある時には
スケール剥離などの為にしばしば腐食の進行を生じ、こ
のために断続加熱・冷却ではスケールのｌＡ離低抵抗高
める必要がある。このような問題に対しては耐高温塩腐
食を改善するため部側での連続使用時の耐高温塩腐食の
改善に効果的で、また、希土類元素およびＹは高塩基腐
食環境下での加熱・冷却時のスケール剥離抵抗の改善に
有効であり、従って、好ましくは複合で添加する。

この場合、Ｃａは少な（とも０．００１％を要し、０．
０５％は実際的に含有させられる上限である。希される
ことはなく、かつ高価な元素であるため、０．０５％を
上限とする。

以上の組成に加えて、さらに、要求される特性に応じて
、高温強度および熱間加工性の改善のためにＢを、また
、成形加工性および溶接性の改善からＣｕを添加する。

この場合、Ｂは少な（ともｏ、ｏｏｏｓ％を要するが、
一方０．０１％を越えるとかえって熱間加工性を悪くす
るので上限は０．０１％とする。ＣＪＡは少なくとも０
．５％を要するが、一方２．５％を越えると結晶粒界に
偏析して熱間加工性を著しくそこねるので、２．５％を
上限とする。

〔実施例〕

つぎに、本発明鋼について実施例を挙げて説明する。第
１表に各種試験に用いた鯛の４６ｊ成分を示す、これら
の鋼は本発明鋼、本発明に規定する範囲外の比較調とＪ
ＩＳ規格鋼である。これらの鋼は真空溶解炉で溶製され
、鍛造によって直径２５鶴（２５鶴φ）の丸棒および厚
さ４０龍　（４０鶴ｔ）の板とした。丸棒は１０５０°
〜１１５０℃の範囲で溶体化熱処理後Ｊ　Ｉ　５Ｇ（）
５６７およびＺ２２７２に規定される高温引張およびク
リープ破断試験片に加工した。

鍛造板は抽出温度１２００℃で熱延し、４ｎｔとし、以
降、通常の冷延・焼鈍によって１．５ｆｌｔの板を作製
し、各種試験に供した。

以下に、実験結果を詳細に説明する。

第１図はＮａＣ１の塗布試験による耐高温塩腐食特性に
及ぼすＳｉの影響をＹの０℃×２０時間の条件で示す、
＊布試験は単振法に準じて行った。即ち、ア寞セトンに
ＮａＣ１を懸濁し、これを試験片に２０■ｌ−の割合で
均一に塗布し、所定の炉温に保持された電気炉中に装入
した。

この図から、Ｓｉを４％以上添加すると腐食減量は著し
く低減しており、耐高温塩腐食特性として十分な特性を
得るにはＩ＋％以上のＳｉ添加が必要であることがわか
る。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の優れた耐
熱性はその表面に形成されるＣｒ１ｅｓの保護性皮膜に
よるが、この皮膜は大気酸化に対してはきわめて強固で
あるが、本発明の対象としている高塩基腐食環境下では
保護性が劣り、加速的に腐食が進行する。これに対し、
第１ｍ　　　　＆、すａ３）（−図 Ｓｉを午％以上添加することで、高塩基腐食に強い保護
性の皮膜が形成されたものと考えられる。

第２図は前記と同様の塗布法（２０時間）によって高塩
基腐食の温度依存性を調べ、高温強度特性に及ぼすＣａ
の効果を示したものである。６００＠〜Ｙの０℃の範囲
ではＣａの効果は認められないが、８００℃になるとＣ
ａによる腐食減量の低減効果が認められる。従ってＣａ
をＳｉとの複合で添加することによって耐高温塩腐食の
進行を防止できる。

第３図は飽和Ｎａ（”　ｌ溶液を用いて繰り返し加熱−
浸漬試験を行ったもので、５分間浸漬、１２０分間６５
０℃に加熱、５分間空冷のサイクルを４０回繰り返した
場合の重量減少をみたものである。この図より、市販の
ＪＩＳ規格鋼種では高塩基腐食の抵抗が本発明鋼に比べ
著しく低いことがわかる。また、本発明鋼の中でも特に
希土類元素を含む鋼が繰り返し高温堪腐食環境下での耐
性が高いことがわかる。

第２表に６００′″〜８００℃における高温短時間引張
特性を示す０本発明鋼は優れた高温強度特性を第３表　
クリープ破断試験結果 （温度Ｙの０℃、応力１６．１２．１０　　ｋｇ／　ａ
ｍ”）破断時間（ｈｒ）　　　　破断伸び（％）有すこ
とがわかる。

第３表にＹの０℃、応力１６．１２．１０　ｋｔ／璽−
２の条件でクリープ破断試験を行った結果を示す６本発
明鋼はクリープ破断強度も高いことがわかる。

本発明の鋼の中で、Ｓｉ単独添加の鋼は高温短時間引張
強さは高いがクリープ破断強度はそれ程高くはない、し
かし、高ＳｉでさらにＮｂ、Ｔｉを添加した濶は長時間
強度が著しく改善されている。なお、３の添加は長時間
側の強度改善に有効であり、こ１はおもにクリープ延性
の改善によるものと思わする。

第４表に、６５０℃で２時間の鋭敏化熱処理後、Ｊ　１
．　Ｓ　ＧＯ５７５に準じて硫酸・硫酸銅腐食試験をテ
い粒界腐食感受性を調査した。この表より零発１１ｔ！
Ａは比較鋼に比べ粒界腐食感受性はきわめて低いことが
わかる。

第５表に室温における機械的性賀および硬さを示す、こ
の表よりＴｉあるいはＮｂの添加によって伸びの向上が
認められ、特にＴｉは軟質化に有効であり、またＣｕの
複合添加によって軟π化と同時に仲第５表　　機械的性
質 板厚−２，０龍 引張試験片−ＪＩＳ１３Ｂ号 硬さ一ビッカース硬さく荷重１０ｋｇ）びも向上する。

（発明の効果〕 以上の実施例が示すように、従来、高塩基腐食あるいは
溶融塩腐食環境下では既存のオーステナイト系ステンレ
ス鋼では十分実用に耐えうる鋼がなく、そのために材料
温度の低減あるいは部材の早期交換によって対応せざる
を得なかったが、本発明鋼はステンレス系耐熱鋼として
十分な耐熱性を有しかつ、製造性および加工性にも優れ
ていることより、本発明鋼は時代の要請に答えるものと
して技術的、社会的、経済的に大きな効果を示すものと
思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は塗布法によるＮａＣｌ高温塩高食塩腐食特性０
℃Ｘ２０時間でみたもので、腐食減量に及ぼすＳｔ添加
の影響を示す。 第２図は塗布法によるＮａＣｌ高塩基腐食特性を６００
℃〜８００℃Ｘ２０時間でみたもので、腐食減量と試験
温度の関係を本６発明鋼と比較鋼およびＪＩＳ規格鋼に
ついて示す。 第３図は飽和ＮａＣＪ溶液（２０℃）を用いて、５分間
浸漬、１２０分間６５０℃に加熱、５分間空冷のサイク
ルを４０回繰り返した場合の重Ｊ［少を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 を含有し、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ２　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 ＮｂまたはＴｉの１種または２種を０．１〜１．０％含
   有し、かつ、Ｎｂ／（Ｃ＋Ｎ）≧８、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）
   ≧４または（Ｔｉ＋０．５Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧４を満
   足し、残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりな
   り、各種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著し
   い抵抗を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ３　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 Ｃａ：０．００１〜０．０５％、 を含有し、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ４　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 Ｃａ：０．００１〜０．０５％、 ＮｂとＴｉの１種または２種を０．１〜１．０％含有し
   、かつ、Ｎｂ／（Ｃ＋Ｎ）≧８、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧４
   、または（Ｔｉ＋０．５Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧４を満足
   し、残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり
   、各種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい
   抵抗を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ５　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 Ｃａ：０．００１〜０．０５％、 希土類元素およびＹの１種または２種以上を合計で０．
   ００１〜０．０５％ を含有し、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ６　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 Ｃａ：０．００１〜０．０５％、 希土類元素およびＹの１種または２種以上を合計で０．
   ００１〜０．０５％を含有し、 ＨｂとＴｉの１種または２種を０．１〜１．０％含有し
   、かつ、Ｎｂ／（Ｃ＋Ｎ）≧８、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧４
   、または（Ｔｉ＋０．５Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）を満足し、
   残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ７　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 Ｃａ：０．００１〜０．０５％、 希土類元素およびＹの１種または２種以上を合計で０．
   ００１〜０．０５％、 ＮｂとＴｉの１種または２種を０．１〜１．０％含有し
   、かつ、Ｎｂ／（Ｃ＋Ｎ）≧８、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）≧４
   、または（Ｔｉ＋０．５Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧４を満足
   し、さらにＢ：０．０００５〜０．０１０％ Ｃｕ：０．５〜２．５％、 を含有し、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。 ８　重量％で、 Ｃ：０．０６％以下、 Ｓｉ：４％を越え１０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｎｉ：１２〜２０％、 Ｃｒ：１６〜２３％、 希土類元素およびＹの１種または２種以上を合計で０．
   ００１〜０．０５％、 含有し、 残部がＦｅおよび製鋼上の不可避的不純物よりなり、各
   種の耐熱性に優れかつ耐高温塩腐食に対して著しい抵抗
   を有する加工用オーステナイト系耐熱鋼。