JP2001262283A - ボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化特性改善方法および耐水蒸気酸化特性に優れたボイラ用オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】比較的安価なオーステナイト系耐熱鋼で耐水蒸
気酸化特性を改善する方法および耐水蒸気酸化特性が改
善されたボイラ用オーステナイト系耐熱鋼を提供する。 【解決手段】Ｃｒ：14.0〜20.0％を含むオーステナイト
系耐熱鋼において、Ｓの含有量を0.002〜0.04％に、Ｓ
ｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御する。この方
法においては、上記のＳおよびＳｉ、Ｃｒの含有量(質
量％)と結晶粒度No.(G.N.)の関係が下式の式を満たす
ように制御するのが望ましい。 220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃｒ］＋1.1［G.
N.］＞16.5…… また、本発明の耐熱鋼は、下記の(a)式で求めた平均Ｂo
値および下記の(b)式で求めた平均Ｍd値が図示の範囲に
ある。 平均Ｂo値＝ ΣＸｉ・(Ｂo)ｉ ……(a)式 平均Ｍd値＝ ΣＸｉ・(Ｍd)ｉ ……(b)式

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温、高圧蒸気条件
下でボイラ用材料として使用されるオーステナイト系耐
熱鋼の耐水蒸気酸化特性を改善する方法、およびその方
法によって耐水蒸気酸化特性が著しく高められたボイラ
用オーステナイト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電システムでは発電効率を高める
ため、蒸気温度や蒸気圧力を高める傾向にあり、その結
果、主蒸気配管、管寄(くだよせ)等の大径厚肉鋼管およ
び過熱器管、再熱器管等の熱交換器鋼管等に使用される
ボイラ材料に要求される特性は一段と高度なものになり
つつある。なかでも過熱器管、再熱器管等の熱交換器鋼
管の場合には大径厚肉管に比べてメタル温度が高くなる
ため、管の内面に生成する水蒸気酸化スケ−ル厚さの増
加や、それにともなうスケ−ルの剥離現象が大きな問題
となる。これらの問題に対処するために、ボイラ用耐熱
鋼には優れた耐水蒸気酸化特性が強く要求される。

【０００３】更に、過熱器管、再熱器管等の熱交換器鋼
管の場合には、耐水蒸気酸化特性に加えて、管外面の耐
高温腐食特性の確保も要求され、これらの特性を向上さ
せるには鋼中のＣｒの含有量を増すことが有効であると
ころから、フェライト系耐熱鋼に比べてＣｒ量の高いオ
ーステナイト系耐熱鋼が一般に使用される。

【０００４】しかし、鋼中のＣｒ含有量を高めていく
と、組織の安定性が悪くなるので、組織安定性を高める
Ｎｉ含有量の増大を余儀なくされる。Ｎｉ量の増量は鋼
材コストの高騰を招くので、Ｎｉ含有量が比較的少なく
てすむ２０％程度までのＣｒ含有量のオーステナイト系
耐熱鋼であって、しかも、耐水蒸気酸化特性をはじめと
する各種の特性に優れた耐熱鋼が望まれている。

【０００５】Ｃｒ含有量が２０％以下のオーステナイト
系鋼では、結晶粒を微細にすることによって耐水蒸気酸
化特性が向上することが知られている。しかし、近年の
蒸気条件の高温化に対しては、結晶粒の微細化による耐
水蒸気酸化特性の改善だけでは十分に対応できない状態
になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、２０％以下
のＣｒを含有する比較的安価なオーステナイト系耐熱鋼
であって、近年の苛酷な蒸気条件下でも十分な耐水蒸気
酸化特性を有する耐熱鋼を開発することを課題としてな
されたもので、具体的にはオーステナイト系耐熱鋼の耐
水蒸気酸化特性を改善する方法およびそれによって耐水
蒸気酸化特性が大きく改善されたボイラ用オーステナイ
ト系耐熱鋼を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｃｒ含有
量が２０％以下のオーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸
化特性が、材料の化学成分とどの様に対応しているのか
詳細に検討した結果、次に述べるような全く新しい知見
を得た。それは、特定範囲の含有量のＳ(硫黄)がこのよ
うなオーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化特性を著し
く向上させるという事実である。さらに、このＳの作用
効果を積極的に利用すれば、従来、耐水蒸気酸化特性向
上のための必須元素として、多量添加が必要とされてい
たＣｒやＳｉの添加量が低減でき、従って、Ｎｉ含有量
も最小限にとどめることが可能になって、経済性に優れ
るオーステナイト系耐熱鋼が提供できる。

【０００８】従来、鋼中のＳは、一般に好ましくない不
純物として可能な限り少なくすべきものと考えられてい
た。オーステナイト系耐熱鋼においても例外ではなく、
切削性や溶接性改善というような特別の目的で添加され
る場合を除いて、通常Ｓは不純物として扱われ、最近で
は、0.001％以下というように低く抑えるのが常識にな
っている。

【０００９】本発明は、上記のような特殊な目的以外に
は、従来、なんら積極的な作用効果が認識されていなか
ったＳについての新しい知見を基礎とし、オーステナイ
ト系耐熱鋼を構成する他の合金成分の適正含有量を改め
て検討してなされた発明である。

【００１０】本発明は、下記Iのオーステナイト系耐熱
鋼の耐水蒸気酸化特性改善方法、およびその方法で改善
された優れた耐水蒸気酸化特性を持つ下記IIのオーステ
ナイト系耐熱鋼(以下、このオーステナイト系耐熱鋼を
「本発明鋼」という)を要旨とする。なお、この明細書
において、成分含有量に関する％は、すべて質量％を意
味する。

【００１１】I．Ｃｒ：14.0〜20.0％を含むオーステナ
イト系耐熱鋼において、Ｓの含有量を0.002〜0.04％
に、Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御するこ
とを特徴とするボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水
蒸気酸化特性の改善方法。

【００１２】この方法においては、上記のＳおよびＳ
ｉ、Ｃｒの含有量(質量％)と結晶粒度No.(ここでは記号
「G.N.」で表す)の関係が下式の式を満たすように制
御するのが望ましい。なお、粒度No.は、ＡＳＴＭの規
格による。

【００１３】220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃ
ｒ］＋1.1［G.N.］＞16.5……II．Ｃｒ：14.0〜20.0
質量％を含むオーステナイト系耐熱鋼において、Ｓの含
有量が0.002〜0.04％、Ｓｉの含有量が1.0％以下であ
り、下記の(a)式で求めた平均Ｂo値が1.70〜2.00の範
囲、下記の(b)式で求めた平均Ｍd値が0.44〜0.54の範
囲、即ち、図１の点ＡとＢ、ＢとＣ、ＣとＤ、ＤとＡを
結ぶ直線で囲まれる領域内(線上を含む)にある耐水蒸気
酸化特性に優れたボイラ用オーステナイト系耐熱鋼。

【００１４】 平均Ｂo値＝ ΣＸｉ・(Ｂo)ｉ ．．．(a)式 平均Ｍd値＝ ΣＸｉ・(Ｍd)ｉ ．．．(b)式 ここで、Ｍdは、面心立方晶の鉄基合金中における各合
金元素のｄ電子軌道エネルギーレベルであり、Ｂoは、
同じく各合金元素の鉄(Ｆｅ)との結合次数である。これ
らは、いずれもＤＶ−Ｘαクラスタ−法によって求めら
れる値である。Ｘｉは合金元素ｉのモル分率、(Ｂo)ｉ
および(Ｍd)ｉはそれぞれｉ元素のＢo値およびＭd値で
ある。

【００１５】ＤＶ−Ｘαクラスタ−法(Discrete-Variat
ional-Ｘαクラスタ−法)とは、分子軌道計算法の一つ
である。この方法を用いて面心立方晶の鉄基合金中の各
種元素の合金パラメ−タを導出し、その合金パラメ−タ
により、合金元素の特徴を解明して、所望の特性を持つ
ボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の合金設計を行うこと
ができる。即ち、上記の合金パラメ−タを用いれば、オ
ーステナイト系耐熱鋼の相安定性と高温クリ−プ特性の
理論的評価が可能であり、その評価結果を新しい耐熱鋼
の開発に役立てることができる。ＤＶ−Ｘαクラスタ−
法の詳細は、例えば、三共出版「量子材料化学入門」お
よび特公平5-40806号に開示されている。表１にこの方
法で計算して得られた二つの合金パラメ−タの値を示
す。その一つは、Ｆｅ−Ｍ原子間の電子雲の重なり度合
を表す結合次数(Bond order: Ｂｏと略記する)である。
このＢｏが大きいほど原子間の結合は強い。もう一つ
は、合金元素Ｍのｄ軌道エネルギーレベル(Ｍｄと略記
する)である。このＭｄは電気陰性度や原子半径と相関
のあるパラメ−タである。Ｍｄの単位はエレクトロン・
ボルト(eV)であるが、以下の説明では単位を省略する。

【００１６】表１は、各元素のＢｏ、Ｍｄ値をまとめて
示したものである。なお、炭素(Ｃ)、窒素(Ｎ)について
はＮｉ当量を用いた。また、表１中に記載されていない
元素のＭｄ、Ｂｏ値はともに０とした。

【００１７】

【表１】 本発明の耐熱鋼においても、前記の式を満たすように
制御するのが望ましい。上記Iの耐水蒸気酸化特性改善
方法の対象となる鋼の具体的な組成、および上記IIの耐
熱鋼の具体的な組成については、以下に詳しく説明す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】I．本発明の耐水蒸気酸化特性の
改善方法について 前記Iの耐水蒸気酸化特性の改善方法の対象となる鋼
（以下、「対象鋼」という）は、14.0〜20.0％のＣｒを
含むオーステナイト系耐熱鋼のすべてであるが、その望
ましい組成を例示すれば次のとおりである。

【００１９】(1) Ｃ：0.01〜0.15％，Ｎ：0.15％以
下，Ｍｎ：2.0％以下，Ｃｒ：14.0〜20.0％，Ｎｉ:6.0
〜16.0％、Ａｌ:0.0005〜0.040％以下、Ｍｏ：0〜3.0
％，Ｗ：0〜5.0％，Ｔｉ：0〜0.8％，Ｎｂ：0〜1.5％，
Ｍｇ：0〜0.020％で、残部がＦｅおよび付随する不純物
からなる鋼。

【００２０】(2) 上記(1)の成分に加えて、下記の強化
成分群の中の１種以上を含み、残部がＦｅおよび付随す
る不純物からなる鋼。

【００２１】強化成分群：Ｃｕ：2.0〜5.0％，Ｂ：0.00
1〜0.020％およびＺｒ：0.001〜0.200％。

【００２２】なお、上記の各合金成分の外に含有されて
いてもよい、または含有されることが望ましい成分とし
ては、Co、Hf、TaおよびReがある。ただし、Co含有量は
５％以下、Hf含有量は0.5％以下、Ta含有量は0.5％以
下、Re含有量は３％以下程度に抑えるのがよい。上記
(1)または(2)の対象鋼において、Ｓの含有量を0.002〜
0.04質量％に、Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ
制御するのであるが、更に、Ｓ、ＳｉおよびＣｒの含有
量(質量％)と結晶粒度No.が前記の式を満足するよう
に制御することが望ましい。

【００２３】上記のように対象鋼の組成を選んだ理由
は、次項で詳述するので、ここでは式について説明す
る。

【００２４】従来、Ｃｒ含有量が20％以下のオーステナ
イト系鋼では、結晶粒を微細にすることによって耐水蒸
気酸化特性が向上すると言われてきた。ところが、前述
のように、Ｓにも耐水蒸気酸化特性を改善する作用があ
ることが新たに確認された。そこで、結晶粒度とＳ量の
耐水蒸気酸化特性の改善に及ぼす影響を定量的に把握す
べく、結晶粒度およびＳ含有量を変化させた多くの試験
材を用いて６５０゜Ｃの水蒸気中における１０００時間
の酸化試験を実施した。その結果、水蒸気酸化によて生
成する酸化被膜の厚さ(ｔ)と結晶粒度No.とＳ、Ｓｉお
よびＣｒ量との間に次の式の関係があることが判明し
た。

【００２５】 ｔ(μｍ)＝112.8−1105.8[%S]−16.2[%Si]−5.49[G.N.]−1.98[%Cr]…… 一般に、６５０゜Ｃの水蒸気中、１０００時間の試験で
は、酸化皮膜の厚さが約３０μｍ以下であれば、その鋼
は耐水蒸気酸化特性に優れたものとされている。そこ
で、上記の式から、ｔが３０μｍ以下になる条件を求
めたのが、下記の式である。

【００２６】 220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃｒ］＋1.1［G.N.］＞16.5…… 上記の各式の係数を見れば明らかなように、Ｓは顕著な
耐水蒸気酸化特性改善効果を持つ。このことは、微量の
Ｓを積極的に添加すれば、比較的結晶粒の大きな鋼であ
っても、既存の細粒鋼と同等以上の耐水蒸気酸化特性が
得られることを示している。すなわち、細粒鋼の場合は
粗粒鋼に比較してクリ−プ強度の点で不利になるが、Ｓ
の微量添加によって、その不利を避けながら耐水蒸気酸
化特性の改善ができるというのが、本発明方法の最大の
利点である。

【００２７】本発明方法の対象鋼として、以下に述べる
平均Ｂｏ値を1.70〜2.00、平均Ｍｄ値を0.44〜0.54に調
整したものを用いるのが一層望ましい。 II．本発明鋼について 図２は、各元素(Ｍ)の合金パラメ−タを「平均Ｂｏ−平
均Ｍｄマップ」上にまとめたものである。ここでは、Ｆ
ｅ−１mol％Ｍ合金の位置を矢印で示した。このよう
に、合金元素によってその位置は大きく変化する。Ｆｅ
の位置より右上方にある元素はＭｎを除いてすべてフェ
ライト形成元素である。一方、Ｍｎと左下方にある元素
はオーステナイト形成元素である。

【００２８】オーステナイト系耐熱鋼の合金元素として
は、Ｂｏは高く、Ｍｄは低い方が良い。Ｂｏが高ければ
原子間の結合力が強くなるので、材料強化に有効であ
る。一方、Ｍｄは、後述するように合金の相安定性と関
係しており、合金の平均Ｍｄが高くなると第２相(シグ
マ相など)が析出してくる。高平均Ｂｏ、低平均Ｍｄと
いう観点から図２を見ると、Ｃｒが最もこの条件に合致
している。合金ベクトルの傾き、即ち、「平均Ｂｏ／平
均Ｍｄ」比は、Ｃｒが最も大きいからである。この比
は、Ｃｒ以下Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉの順に小さく
なる。一方、オーステナイト形成元素について注目する
と、Ｍｎを除き、「平均Ｂｏ／平均Ｍｄ」比は負にな
り、その大きさはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕの順に小さくなる。

【００２９】従来のＣｒ含有量が20％以下のオーステナ
イト系耐熱鋼では、結晶粒を微細にすることによって耐
水蒸気酸化特性の改善が行われてきた。しかし、細粒組
織化は一般にクリ−プ強度の点からは不利である。本発
明鋼では、前記のようにＳの積極添加によって耐水蒸気
酸化特性を向上させるので、積極的な細粒組織化を必要
としない。その結果、細粒組織鋼と同等以上の耐水蒸気
酸化特性を有する高クリ−プ強度鋼が得られる。

【００３０】上記のことを総合すれば、Ｓを積極添加し
たオーステナイト系耐熱鋼においては、平均Ｂo値が1.7
0〜2.00の範囲、および平均Ｍd値が0.44〜0.54の範囲、
即ち、図１に示す領域内(線上を含む)にあるとき最も優
れた高温特性が得られると言える。図１において、Ａ、
Ｂ、ＣおよびＤの各点の座標点は下記のとおりである。

【００３１】 Ａ点 平均Ｍd値＝0.44、平均Ｂo値＝1.70 Ｂ点 平均Ｍd値＝0.54、平均Ｂo値＝1.70 Ｃ点 平均Ｍd値＝0.54、平均Ｂo値＝2.00 Ｂ点 平均Ｍd値＝0.44、平均Ｂo値＝2.00 以下、本発明の望ましい態様に沿って、本発明鋼および
本発明方法の対象鋼を構成する各合金成分の作用効果と
含有量の選定理由を説明する。

【００３２】Ｓ： Ｓは耐水蒸気酸化特性の向上に大き
く寄与する元素である。前述のとおり、このＳに関する
新しい知見が本発明の基礎になっている。Ｓの含有量が
0.002％以上になれば、生成する酸化スケ−ルの厚さが
著しく減少する。即ち、耐水蒸気酸化特性が改善され
る。しかしながら、Ｓの含有量が0.04％を超える範囲で
は上記の効果が飽和し、かつ、靱性や加工性が劣化する
ので上限は0.04％とした。

【００３３】Ｓｉ： Ｓｉは、耐水蒸気酸化特性の向上
には有効な元素ではあるが、クリ−プ破断強度や靱性向
上の点からは好ましくない元素である。本発明では、前
記のＳの適量添加により耐水蒸気酸化特性が大幅に改善
されるので、1.0％を超えるＳｉは不必要である。この
ように、Ｓｉの多量添加を行わなくても優れた耐水蒸気
酸化特性を確保できるということが、Ｓの含有量調整の
一つの効果である。なお、Si含有量の下限は、不純物レ
ベルでもよい。

【００３４】Ｃ： Ｃは、オーステナイト生成元素であ
りオーステナイト組織の安定化に寄与するとともに、Ｍ
Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₂₃Ｃ₆型（Ｍは合金元素）等の炭化物形
成によるクリ−プ破断強度の向上にも寄与する元素であ
る。これらの効果を発揮させるためには、0.01％以上の
含有量が必要であるが、Ｃが過剰になると高温での使用
の初期から炭化物の凝集粗大化を招き、逆に長時間クリ
ープ強度の低下を招くので、その上限を0.15％以下とし
た。

【００３５】Ｎ： Ｎは、オーステナイト生成元素であ
るのに加えて、固溶強化および炭窒化物の析出強化によ
る強化作用をもつ元素としてクリープ強度の向上に寄与
する重要な元素の一つである。しかし、過剰なＮは、窒
化物の粗大化や析出量の過剰を招き、靱性を低下させる
ので、その含有量は0.15％までにとどめるべきである。
なお、下限は、不純物レベルでもよいが、前記の効果を
得るためには0.01％以上の含有が望ましい。

【００３６】Ｍｎ： Ｍｎは、鋼の脱酸・脱硫剤として
有効な元素であり、かつ、オーステナイト安定化元素で
あるが、その含有量が過剰になると、クリ−プ破断強度
が低下するため本発明では2.0％以下とした。なお、下
限は、不純物レベルでもよい。

【００３７】Ｃｒ： Ｃｒは、本発明鋼の高温における
耐食性や耐酸化性、特に耐水蒸気酸化特性を確保するた
めに不可欠な元素である。オーステナイト系耐熱鋼の耐
水蒸気酸化特性を向上させるには、Ｃｒ主体の緻密な酸
化皮膜を形成させることが有効であるが、その効果を発
揮させるためには14.0％以上の含有が必要である。しか
し、Ｃｒの多量添加は、高温での使用中におけるシグマ
相等の脆化相の析出を招き、靱性に悪影響を及ぼす。ま
た、Ｃｒを多量添加した場合には、オーステナイト相を
安定させるためにＮｉの含有量を増やす必要が生じ、鋼
材のコストを上昇させる。これらの理由から、本発明で
は、Ｃｒ含有量の上限を20.0％とした。このように、Ｃ
ｒの含有量を比較的少量に抑えても優れた耐水蒸気酸化
特性を確保できることが、前記Ｓの含有量制御のもう一
つの効果である。

【００３８】Ｎｉ： Ｎｉは、オーステナイト生成元素
であり、オーステナイト組織の安定化に必須の元素であ
り、Ｃｒを14％以上含有する本発明鋼の場合には、組織
安定化のために6.0％以上のＮｉの含有が必須である。
組織安定化のためには多い方が望ましいがコスト上昇の
大きな要因になるので、上限は16.0％とした。

【００３９】Ａｌ： Ａｌ（アルミニウム）は、溶鋼の
脱酸剤として添加される。その効果を得るには含有量で
0.0005％が必要である。一方、Ａｌの過剰含有はクリー
プ強度の低下を招くので上限は0.040％とする。

【００４０】Ｍｏ： Ｍｏは、必要に応じて添加するこ
とができる成分である。Ｍｏは固溶強化の作用により、
クリ−プ破断強度の向上に寄与し、また、Ｃｒ炭化物中
にも一部固溶して、炭化物の凝集・粗大化を抑制し強度
の維持に寄与する。これらの作用効果を得るのに望まし
い下限含有量は、0.1％である。しかし、過剰添加する
と、高温での使用中にシグマ相等の析出を促進して靱性
を劣化させるので、その含有量は3.0％以下とするのが
望ましい。

【００４１】Ｗ： Ｗも、必要に応じて添加することが
できる成分である。Ｗは、固溶強化および金属間化合物
の微細分散による析出強化作用によりクリ−プ破断強度
の向上に有効な元素である。また、Ｍｏと同様にＣｒ炭
化物中に一部固溶して炭化物の凝集・粗大化を抑制し強
度の維持に寄与する。これらの効果を得るために添加す
る場合の望ましい下限含有量は、0.2％である。しか
し、過剰に添加すると、高温での使用中にシグマ相等の
析出を促進して靱性を劣化させるので、その含有量は5.
0％以下とするのが望ましい。

【００４２】Ｔｉ： Ｔｉは、Ｍ₂₃Ｃ₆炭化物を微細化
するとともに、ＴｉＣ炭化物を形成してクリ−プ破断強
度の向上に寄与する元素であるから、必要に応じて添加
することができる。添加する場合の望ましい下限含有量
は、0.01％である。しかし、Ｔｉの過剰添加は靱性およ
び溶接性を劣化させるので、その含有量は0.8％以下と
すべきである。

【００４３】Ｎｂ： Ｎｂも、Ｍ₂₃Ｃ₆炭化物を微細化
するとともに、ＮｂＣ、ＮｂＮ等の炭窒化物を形成し
て、クリ−プ破断強度の向上に寄与する元素であるか
ら、必要に応じて添加することができる。添加する場合
の望ましい下限含有量は、0.02％である。しかし、Ｔｉ
と同様にＮｂの過剰添加も靱性および溶接性を劣化させ
るので、その含有量は1.5％以下とすべきである。

【００４４】Ｍｇ： Ｍｇは、本発明鋼の熱間加工性の
改善に有効な元素であるから必要に応じて添加すること
ができる。添加する場合の望ましい下限含有量は、0.00
05％である。一方、Ｍｇの含有量が0.020％を超える
と、かえって熱間加工性を損なうので、上限は0.020％
とする。

【００４５】次にＣｕ、ＢおよびＺｒについて説明す
る。これらは、いずれも本発明鋼のクリ−プ破断強度の
向上に寄与する元素であり、必要に応じて１種または２
種以上組み合わせて添加することができる成分である。

【００４６】Ｃｕ： Ｃｕは、析出強化元素としてクリ
−プ強度向上に寄与する。その効果を発揮させるために
は2.0％以上の含有量が必要である。一方、5.0％を超え
るとクリ−プ破断延性が劣化するので、含有量の上限は
5.0％とする。

【００４７】Ｂ： Ｂは、微量添加された場合、Ｍ₂₃Ｃ
₆型炭化物を微細に分散析出させるとともに結晶粒界を
強化してクリープ強度を向上させる。その効果は0.001
％以上の含有量で顕著となるが、0.02％を超えると溶接
性が劣化するとともに、高温使用中に粗大な析出物を形
成して靭性も劣化させる。従って、Ｂの適正含有量は、
０.001％〜0.020％である。

【００４８】Ｚｒ： Ｚｒは、Ｂと同様に結晶粒界を強
化してクリ−プ強度を向上させる。その効果を発揮させ
るためには0.001％以上の含有が必要であるが、0.200％
を超えると粗大な析出物を形成し靭性および溶接性を劣
化させる。従って、Ｚｒの適正含有量は、０.001％〜0.
200％である。

【００４９】これまでに述べた合金成分の外は、Feと付
随する不純物であってもよく、また、先に述べた含有さ
れていてもよい成分、または含有されているのが望まし
い成分を更に含むことができる。

【００５０】本発明鋼は、前記(a)式で求めた平均Ｂo値
が1.70〜2.00の範囲、および(b)式で求めた平均Ｍd値が
0.44〜0.54の範囲にあるのが望ましい。その理由はすで
に述べた。また、Ｓ、Ｓｉ、Ｃｒの含有量と結晶粒度N
o.が前記式を満足するのが更に望ましいことも既述の
とおりである。

【００５１】

【実施例】表２および表３に示す化学組成を有する各鋼
を１７ｋｇの真空誘導溶解炉にて溶製し、１００mmφの
インゴットを作製した。得られたインゴットは熱間鍛造
により１５mm厚の板材とした後、冷間圧延により１０ｍ
ｍ厚に仕上げ、その後固溶化熱処理を施して各種試験片
を採取した。

【００５２】表２および表３は、成分系ごとに区切って
表示してあるが、そのNo.１〜３５の鋼は本発明鋼であ
り、No.Ａ〜Ｒの鋼はＳ量の範囲が本発明鋼と異なる比
較鋼である。これら供試材の固溶化処理温度は１１５０
℃×１ｈ−ＷＱ（水冷）としたが、Ｔｉ、Ｎｂ量の高い
本発明鋼（１７、１８、１９、２０、２５、２６、２
９、３０、３３、３４、３５鋼）と比較鋼（Ｇ、Ｈ、
Ｋ、Ｍ、Ｐ、Ｑ、Ｒ鋼）については、１２００℃×１ｈ
−ＷＱ（水冷）とした。

【００５３】なお、表２および表３の鋼のＡＳＴＭ結晶
粒度No.、前記式の左辺の値、平均Ｍｄおよび平均Ｂ
ｏの値を表４および表５に示した。

【００５４】

【表２】

【表３】

【表４】

【表５】 これらの試験材から切り出した厚さ２ｍｍ、幅１０ｍ
ｍ、長さ２５ｍｍの板状試験片を用いて、６５０゜Ｃの
水蒸気中で１，０００時間の水蒸気酸化試験を行い、試
験時に生成したスケ−ルの厚さを測定した。

【００５５】なお、本発明のようなＣｒ量を１４〜２０
％含有するオーステナイト系ステンレス鋼の耐水蒸気酸
化特性は結晶粒度依存性が高く、結晶粒度No.が大きい
（結晶粒が小さい）ほど耐水蒸気酸化特性が向上するこ
とが一般に知られているが、表４および表５に示すよう
に、各成分系の中では、本発明鋼と比較鋼との間に粒度
差はほとんどなく、水蒸気酸化スケ−ル厚さに対する結
晶粒度の影響はないと判断して差し支えない。

【００５６】上記水蒸気酸化試験に併せて、６５０゜Ｃ
でのクリ−プ破断試験および時効後の衝撃値の評価も実
施した。これらの結果を表６および表７にまとめて示
す。

【００５７】

【表６】

【表７】 試験結果から、次の結論が得られた。

【００５８】(1) Ｓを０．００２％以上含有量する本
発明のNo.１からNo.３５までの鋼の耐水蒸気酸化特性
は、Ｓ含有量の低い各々の比較鋼であるNo.Ａ〜No.Ｒ鋼
に比較すると大幅に改善されている。

【００５９】(2) 図３および図４は、表６および表７
の耐水蒸気酸化特性の試験結果を前記式の左辺の値に
よって整理したグラフである。これより、水蒸気酸化ス
ケ−ル厚さは式の左辺の値と良い相関関係にあること
が明らかである。特に、その値を１６．５以上にするこ
とによって耐水蒸気酸化特性に極めて優れたボイラ用オ
ーステナイト系耐熱鋼が得られることがわかる。

【００６０】(3) 表６および表７の６５０゜Ｃでの３０
００ｈクリ−プ破断強度および６５０゜Ｃでの３０００
ｈ時効後シャルピ−衝撃値を見れば、耐水蒸気酸化特性
改善のためにＳを添加しても、本発明で定める範囲の含
有量であれば、クリ−プ破断強度や靱性の低下傾向は全
くないことがわかる。

【００６１】(4) 従来はコストアップの要因となるＣ
ｒやＳｉを高めて耐水蒸気酸化特性が改善されていた
が、本発明によれば、コストアップの要因とならないＳ
を適量含有量させることで耐水蒸気酸化特性が大幅に改
善できる。即ち、経済性の点でも大きな利点がある。

【００６２】

【発明の効果】本発明方法は、Ｓ（硫黄）の耐水蒸気酸
化特性改善という従来知られていない新たな作用効果を
活用して、ボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気
酸化特性を安価に向上させる方法である。この方法によ
って開発された本発明の鋼は、高温、高圧蒸気条件下で
ボイラ用材料として使用され、優れた耐水蒸気酸化特性
を発揮し、しかも、長時間クリープ特性および靭性にも
優れるオーステナイト系耐熱鋼である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼の平均Ｂｏおよび平均Ｍｄの範囲を図
示したものである。

【図２】各元素(Ｍ)の合金パラメ−タを「平均Ｂｏ−平
均Ｍｄマップ」上にまとめたものである。

【図３】耐水蒸気酸化特性の試験結）の一部を前記式
の左辺の値によって整理したグラフである。

【図４】耐水蒸気酸化特性の試験結果の残りの一部を前
記式の左辺の値によって整理したグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000002118 住友金属工業株式会社 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 (72)発明者 森永 正彦 愛知県名古屋市中区丸の内２丁目10番28号 (72)発明者 村田 純教 愛知県名古屋市千種区園山町２丁目22番 (72)発明者 橋詰 良吉 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 椹木 義淳 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 久保田 稔 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃｒ：14.0〜20.0質量％を含むオーステナ
   イト系耐熱鋼において、Ｓの含有量を0.002〜0.04質量
   ％に、Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御する
   ことを特徴とするボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐
   水蒸気酸化特性の改善方法。
2. 【請求項２】Ｃｒ：14.0〜20.0質量％を含むオーステナ
   イト系耐熱鋼において、Ｓの含有量を0.002〜0.04質量
   ％に、Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御し、
   且つ、結晶粒度No.(G.N.)ならびにＳ、ＳｉおよびＣｒ
   の含有量(質量％)が下記の式を満足するように制御す
   ることを特徴とするボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の
   耐水蒸気酸化特性の改善方法。 220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃｒ］＋1.1［G.N.］＞16.5……
3. 【請求項３】質量％で、Ｃ：0.01〜0.15％，Ｎ：0.15％
   以下，Ｍｎ：2.0％以下，Ｃｒ：14.0〜20.0％，Ｎｉ:6.
   0〜16.0％、Ａｌ:0.0005〜0.040％以下、Ｍｏ：0〜3.0
   ％，Ｗ：0〜5.0％，Ｔｉ：0〜0.8％，Ｎｂ：0〜1.5％，
   Ｍｇ：0〜0.020％を含み、残部がＦｅおよび付随する不
   純物からなるオーステナイト系耐熱鋼において、耐水蒸
   気酸化特性を改善するために、Ｓの含有量を0.002〜0.0
   4質量％に、Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御
   することを特徴とするボイラ用オーステナイト系耐熱鋼
   の耐水蒸気酸化特性の改善方法。
4. 【請求項４】質量％で、Ｃ：0.01〜0.15％，Ｎ：0.15％
   以下，Ｍｎ：2.0％以下，Ｃｒ：14.0〜20.0％，Ｎｉ:6.
   0〜16.0％、Ａｌ:0.0005〜0.040％以下、Ｍｏ：0〜3.0
   ％，Ｗ：0〜5.0％，Ｔｉ：0〜0.8％，Ｎｂ：0〜1.5％，
   Ｍｇ：0〜0.020％、ならびに下記強化成分群の中の１種
   以上を含み、残部がＦｅおよび付随する不純物からなる
   オーステナイト系耐熱鋼において、耐水蒸気酸化特性を
   改善するために、Ｓの含有量を0.002〜0.04質量％に、
   Ｓｉの含有量を1.0％以下に、それぞれ制御することを
   特徴とするボイラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気
   酸化特性の改善方法。 強化成分群…Ｃｕ：2.0〜5.0％，Ｂ：0.001〜0.020％， Ｚｒ：0.001〜0.200％
5. 【請求項５】結晶粒度No.(G.N.)ならびにＳ、Ｓｉおよ
   びＣｒの含有量(質量％)が下記の式を満足するように
   制御することを特徴とする請求項３または４に記載のボ
   イラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化特性の改
   善方法。 220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃｒ］＋1.1［G.N.］＞16.5……
6. 【請求項６】鋼の化学組成を、下記の(a)式で求めた平
   均Ｂo値が1.70〜2.00の範囲、下記の(b)式で求めた平均
   Ｍd値が0.44〜0.54の範囲になるように調整することを
   特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のボイ
   ラ用オーステナイト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化特性の改善
   方法。 平均Ｂo値＝ ΣＸｉ・(Ｂo)ｉ ……(a)式 平均Ｍd値＝ ΣＸｉ・(Ｍd)ｉ ……(b)式 ここで、Ｍdは面心立方晶の鉄基合金中における各合金
   元素のｄ電子軌道エネルギーレベル、Ｂoは、同じく書
   く合金元素の鉄(Ｆｅ)との結合次数であり、いずれもＤ
   Ｖ−Ｘαクラスタ−法によって求められる値である。Ｘ
   ｉは合金元素ｉのモル分率、(Ｂo)ｉおよび(Ｍd)ｉは、
   それぞれｉ元素のＢo値およびＭd値である。
7. 【請求項７】Ｃｒ：14.0〜20.0質量％を含むオーステナ
   イト系耐熱鋼において、Ｓの含有量が0.002〜0.04％、
   Ｓｉの含有量が1.0％以下であり、下記の(a)式で求めた
   平均Ｂo値が1.70〜2.00の範囲、下記の(b)式で求めた平
   均Ｍd値が0.44〜0.54の範囲にある耐水蒸気酸化特性に
   優れたボイラ用オーステナイト系耐熱鋼。 平均Ｂo値＝ ΣＸｉ・(Ｂo)ｉ ……(a)式 平均Ｍd値＝ ΣＸｉ・(Ｍd)ｉ ……(b)式 ここで、Ｍdは面心立方晶の鉄基合金中における各合金
   元素のｄ電子軌道エネルギーレベル、Ｂoは、同じく書
   く合金元素の鉄(Ｆｅ)との結合次数であり、いずれもＤ
   Ｖ−Ｘαクラスタ−法によって求められる値である。Ｘ
   ｉは合金元素ｉのモル分率、(Ｂo)ｉおよび(Ｍd)ｉは、
   それぞれｉ元素のＢo値およびＭd値である。
8. 【請求項８】質量％で、Ｃ：0.01〜0.15％，Ｎ：0.15％
   以下，Ｍｎ：2.0％以下，Ｃｒ：14.0〜20.0％，Ｎｉ:6.
   0〜16.0％、Ａｌ:0.0005〜0.040％以下、Ｍｏ：0〜3.0
   ％，Ｗ：0〜5.0％，Ｔｉ：0〜0.8％，Ｎｂ：0〜1.5％，
   Ｍｇ：0〜0.020％で、かつ、Ｓの含有量が0.002〜0.04
   質量％、Ｓｉの含有量が1.0％以下、残部Feおよび付随
   する不純物からなり、しかも前記の(a)式で求めた平均
   Ｂo値が1.70〜2.00の範囲、前記の(b)式で求めた平均Ｍ
   d値が0.44〜0.54の範囲にある耐水蒸気酸化特性に優れ
   たボイラ用オーステナイト系耐熱鋼。
9. 【請求項９】質量％で、Ｃ：0.01〜0.15％，Ｎ：0.15％
   以下，Ｍｎ：2.0％以下，Ｃｒ：14.0〜20.0％，Ｎｉ:6.
   0〜16.0％、Ａｌ:0.0005〜0.040％以下、Ｍｏ：0〜3.0
   ％，Ｗ：0〜5.0％，Ｔｉ：0〜0.8％，Ｎｂ：0〜1.5％，
   Ｍｇ：0〜0.020％で、かつ、下記強化成分群の中の１種
   以上を含み、かつ、Ｓの含有量が0.002〜0.04質量％、
   Ｓｉの含有量が1.0％以下、残部Feおよび付随する不純
   物からなり、しかも前記の(a)式で求めた平均Ｂo値が1.
   70〜2.00の範囲、下記の(b)式で求めた平均Ｍd値が0.44
   〜0.54の範囲にある耐水蒸気酸化特性に優れたボイラ用
   オーステナイト系耐熱鋼。 強化成分群…Ｃｕ：2.0〜5.0％，Ｂ：0.001〜0.020％， Ｚｒ：0.001〜0.200％
10. 【請求項１０】結晶粒度No.(G.N.)ならびにＳ、Ｓｉお
    よびＣｒの含有量(質量％)が下記の式を満足すること
    を特徴とする請求項７、８または９に記載の耐水蒸気酸
    化特性に優れたボイラ用オーステナイト系耐熱鋼。 220［％Ｓ］＋3.3［％Ｓｉ］＋0.4［％Ｃｒ］＋1.1［G.N.］＞16.5……