JP2003342692A - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】SUS316L相当の従来鋼よりも耐食性が良好な尿
素構成装置の構成材料として用いて好適な安価なオース
テナイト系ステンレス鋼の提供。 【解決手段】質量％で、Si：0.1〜0.5％、Mn：0.8〜2.0
％、Ni：11〜16％、Cr：21〜24％、Mo：0.5〜1.5％、
Ｗ：1.0 ％以下、Cu：0.5〜2.5％、Ｎ：0.15〜0.3 ％、
Al：0.03％以下、Ca：0.01％以下を含有し、残部はFeお
よび不純物からなり、不純物としてのＣが0.02％以下、
Ｐが0.03％以下、Ｓが0.005 ％以下、Nbが0.02％以下、
Ｂが0.003 ％以下に制限されたオーステナイト系ステン
レス鋼。この鋼は、下記(1)式で定義されるNi-bal.が−
２以上であることが望ましい。 Ni-bal.＝Nieq.−1.36×Creq. ・・・・・ (1) ただし、Nieq.＝30(Ｃ＋Ｎ)＋0.5(Mn＋Cu)＋Ni＋11.6 Creq.＝1.5Si＋Cr＋Mo＋0.8Ｗ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オーステナイト系
ステンレス鋼に関し、特に尿素合成装置の構成材料とし
て用いるのに好適なオーステナイト系ステンレス鋼に関
する。

【０００２】

【従来の技術】STAMI CARBON法に代表される尿素合成法
に使用される装置の構成材料には、粒界腐食と激しい活
性溶解による全面腐食が起こる。従って、環境側では酸
素を吹き込むことなどにより不動態化の促進が図られ、
構成材料には主としてCr量を高めたSUS316L が使用され
ている。一方、腐食環境が最も厳しい工程のストリッパ
と称される機器の構成材料には、Cr量を大幅に高めた25
Cr−22Ni−２Mo系のオーステナイト系ステンレス鋼や29
Cr−７Ni−２Mo系の２相ステンレス鋼などが使用されて
いる。

【０００３】しかし、オーステナイト系ステンレス鋼で
は、不動態化を促進するためにCr量を大幅に増加させる
と、オーステナイト組織を確保するためにNi量も増加さ
せなければならず、大幅なコストアップとなる。また、
合金元素が増えるために熱間加工性も劣化する。

【０００４】上記の29Cr−７Ni−２Mo系や特開平10-226
852 号公報に示されるような２相ステンレス鋼では、溶
接熱影響部での組織変化が避けられず、溶接部の機械的
性質や耐食性の確保に問題がある。

【０００５】なお、尿素合成装置用の構成材料の耐食性
の評価は、通常、65％沸騰硝酸液中に48時間浸漬する操
作を５回繰り返して腐食速度を求めることにより行われ
る。これは、上記のストリッパでの腐食挙動が65％沸騰
硝酸液中での腐食挙動に類似しているからである。

【０００６】耐硝酸性のオーステナイト系ステンレス鋼
やその製造方法としては、特開昭7-90497 号公報に示さ
れる鋼や特開昭9-25512 号公報に示される方法がある。
しかし、前者の公報に示される鋼はCr量が低く、尿素合
成装置用、なかでも腐食環境が最も厳しいストリッパ用
の構成材料として要求される耐食性は有しない。また、
後者の公報に示される方法は固溶化熱処理後に特殊な熱
処理を施す方法であるため、コスト低減には適さない。

【０００７】以上のような事情から、上記の従来鋼と同
等以上、具体的には25Cr−22Ni−２Mo系のオーステナイ
ト系ステンレス鋼や29Cr−７Ni−２Mo系の２相ステンレ
ス鋼と同等で、高CrSUS316L 鋼以上の耐食性を備えた安
価なオーステナイト系ステンレス鋼の開発が強く望まれ
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、尿素
合成装置、なかでも上記のストリッパ用や次工程のコン
デンサ用の構成材料として用いるのに好適な従来鋼と同
等以上の耐食性を有する安価なオーステナイト系ステン
レス鋼を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
オーステナイト系ステンレス鋼にある。

【００１０】質量％で、Si：0.1〜0.5％、Mn：0.8〜2.0
％、Ni：11〜16％、Cr：21〜24％、Mo：0.5〜1.5％、
Ｗ：1.0 ％以下、Cu：0.5〜2.5％、Ｎ：0.15〜0.3 ％、
Al：0.03％以下、Ca：0.01％以下を含有し、残部はFeお
よび不純物からなり、不純物としてのＣが0.02％以下、
Ｐが0.03％以下、Ｓが0.005 ％以下、Nbが0.02％以下、
Ｂが0.003 ％以下に制限されたオーステナイト系ステン
レス鋼。

【００１１】上記本発明のオーステナイト系ステンレス
鋼は、下記(1)式で定義されるNi-bal.が−２以上である
ことが望ましい。

【００１２】 Ni-bal.＝Nieq.−1.36×Creq. ・・・・・ (1) ただし、 Nieq.＝30(Ｃ＋Ｎ)＋0.5(Mn＋Cu)＋Ni＋11.6 Creq.＝1.5Si＋Cr＋Mo＋0.8Ｗ ここで、上記各式の右辺中の元素記号は鋼中に含まれる
各元素の含有量（質量％）を意味する。

【００１３】なお、上記の成分のうち、ＷとCaは必要に
応じて含有させる成分で、必ずしも積極的に添加しなく
てもよい。

【００１４】本発明者は、上記の課題を達成するために
実験検討を行った結果、次のことを知見し、上記の本発
明を完成させた。 (a)従来の高CrSUS316L以上の耐食性確保には21％以上の
Cr量が必要である。 (b)従来鋼におけるMoは耐孔食性確保のために添加され
ているが、Moに加えて適量のCuの複合添加、特に0.5〜
1.5％のMoと0.5〜2.5％のCuを複合添加した場合、全面
腐食に対する抵抗性が飛躍的に向上し、従来の25Cr−22
Ni−２Mo系鋼や29Cr−７Ni−２Mo系鋼と同等の耐食性が
確保される。また、Cu添加は次に述べる低コスト化にも
寄与する。 (c)低コスト化は、Niの一部をMnとＮに置換すれば可能
であるが、過剰なＮは耐食性を劣化させ、過剰なMn、Ｎ
は加工性を劣化させる。しかし、上記のCr、MoおよびCu
を含めた各元素の含有量を適正にバランスさせると、所
望の耐食性と安定なオーステナイト組織が確保されるだ
けでなく、加工性の劣化も抑制される。 (d)不純物としてのＣ、Ｐ、Ｓ、Ｂおよび脱酸剤として
添加するSiの含有量を制限すると粒界腐食に対する抵抗
性が向上する。 (e)オーステナイト系ステンレス鋼において通常行われ
るＣの固定のためのNb添加は高Ｎ鋼ではかえって耐食性
を劣化させるのでNb添加は避ける必要がある。

【００１５】なお、MoとCuの複合添加により耐全面腐食
性が向上する詳細なメカニズムは不明であるが、次のメ
カニズムによるものと思われる。即ち、Moが初期溶解速
度を高めて不動態皮膜の形成を促進し、形成された不動
態皮膜をCuが強化する結果、不動態保持電流密度が低下
するためと推定される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のオーステナイト系
ステンレス鋼の化学組成を上記のように定めた理由につ
いて詳細に説明する。なお、以下において「％」は「質
量％」を意味する。

【００１７】Si：0.1〜0.5％ Siは脱酸剤として必須の元素で、最低0.1 ％の含有量が
必要である。一方、0.5％を超えると耐粒界腐食性が劣
化するので、上限は0.5％とする。好ましのいは0.1〜0.
4％、より好ましいのは0.1〜0.3％である。

【００１８】Mn：0.8〜2.0％ Mnは脱酸剤およびオーステナイト形成元素として重要
で、安定なオーステナイト組織を得るためには最低0.8
％の含有量が必要である。一方、2.0％を超えると加工
性が劣化する。従って、Mn含有量は0.8〜2.0％とする。
好ましいのは0.8 〜1.5％、より好ましいのは1.0〜1.2
％である。

【００１９】Ni：11〜16％ Niはオーステナイト形成元素であり、最低11％の含有量
が必要である。一方、16％を超えるとコストアップにな
る。よって、Ni含有量は11〜16％とする。好ましいのは
12〜16％、より好ましいのは12〜15％である。なお、よ
り一層安定なオーステナイト組織を得るためにも12％以
上のNi含有量とするのがよい。

【００２０】Cr：21〜24％ Crは鋼の耐食性を向上させるために必要不可欠な元素で
あり、所望の耐食性を確保するには最低21％の含有量が
必要である。一方、24％を超えるとオーステナイト組織
にするためにNi含有量の増加が必要となりコストアップ
となる。このため、Cr含有量は21〜24％とした。好まし
いのは22〜24％、より好ましいのは22〜23％である。な
お、より一層の耐食性向上のためにも22％以上のCr含有
量とするのがよい。

【００２１】Mo：0.5〜1.5％ Moは、前述したように、Cuと複合で添加することにより
硝酸環境下での耐全面腐食性を飛躍的に向上させる元素
であるが、この効果を得るためには0.5 ％以上の含有量
が必要である。しかし、その効果は1.5 ％で飽和するだ
けでなく、フェライト形成元素であるので安定なオース
テナイト組織を得る上で障害となる。また、Moは高価な
元素でもあり、コストアップにもなる。よって、Mo含有
量は0.5〜1.5 ％とした。好ましいのは0.8 〜1.5 ％、
より好ましいのは1.0 〜1.5 ％である。

【００２２】Cu：0.5〜2.5％ Cuは、上記したように、Moとの複合添加により硝酸環境
下での耐全面腐食性を飛躍的に向上させるとともに、オ
ーステナイト形成元素であるから、安定なオーステナイ
ト組織の確保にも大きく寄与する。これらの効果を得る
ためには0.5 ％以上の含有量が必要である。しかし、含
有量が2.5％を超えると熱間加工性の劣化を招く。した
がって、Cu含有量は0.5〜2.5％とした。好ましいのは1.
0 〜2.5％、より好ましのは1.5〜2.5％である。

【００２３】Ｎ：0.15〜0.3％ Ｎは安定なオーステナイト組織を安価に得るために高価
なNiの一部に代えて積極的に含有させるが、そのために
は最低0.15％の含有量が必要である。一方、Ｎは耐食性
を劣化させる元素であり、その含有量が0.3 ％を超える
と、所望の耐食性が確保できなくなる。このため、Ｎ含
有量は0.15〜0.3 ％とした。好ましいのは0.15〜0.25
％、より好ましいのは0.15〜0.22％である。

【００２４】sol.Al：0.03％以下 Alは脱酸剤として添加するが、その含有量がsol.Al含有
量で0.03％を超えると熱間加工性の劣化を招くので、0.
03％以下とする。なお、Alは必ずしも鋼中に残留させる
必要がないので含有量の下限は限定しないが、十分な脱
酸効果を得るにはsol.Al含有量で0.005％以上とするの
がよい。

【００２５】Ca：Caは添加しなくてもよいが、添加すれ
ば熱間加工性を向上させる。このため、この効果を得た
い場合には積極的に添加してもよく、その効果は0.001
％で顕著になる。しかし、その含有量が0.01％を超える
と耐食性が劣化する。このため、積極的に添加する場合
のCa含有量は0.001〜0.01％とするのが望ましい。

【００２６】Ｗ：1.0％以下 Ｗは添加しなくてもよいが、添加すれば耐食性を向上さ
せる。このため、この効果を得たい場合には積極的に添
加してもよく、その効果は0.1 ％で顕著になる。しか
し、その含有量が1.0 ％を超えると加工性の劣化を招
き、製造が困難になるだけでなく、高価な元素でもある
のでコストアップにもなる。このため、積極的に添加す
る場合のＷ含有量は0.1〜1.0％とするのが望ましい。

【００２７】次に、不純物として特に上限を抑える必要
のあるものについて述べる。

【００２８】Ｃ：0.02％以下 Ｃは本発明の鋼では不純物元素であり、過剰なＣは耐粒
界腐食性を劣化させるので、0.02％以下とする。Ｃ含有
量は低ければ低いほどよい。

【００２９】Ｐ：0.03％以下 Ｐは不純物元素であり、過剰なＰは耐粒界腐食性を劣化
させるので、0.03％以下とする。好ましいのは0.025 ％
以下であり、その含有量は低ければ低いほどよい。

【００３０】Ｓ：0.005％以下 Ｓも上記のＰと同様の不純物元素であり、過剰なＳは粒
界腐食を促進するだけでなく、熱間加工性をも劣化させ
るので、0.005％以下とする。好ましいのは0.003％以
下、より好ましいのは0.001％以下である。Ｓ含有量も
低ければ低いほどよい。なお、Ｓ含有量を0.003 ％以下
にし、前述した量のCaを含有させれば熱間加工性が顕著
に向上する。

【００３１】Nb：0.02％以下 Nbはオーステナイト系ステンレス鋼ではＣの固定のため
に積極的に添加されることが多い。しかし、本発明の鋼
のような高Ｎ鋼ではNbがＮと化合して加工性を劣化させ
るだけでなく、安定なオーステナイト組織の形成を妨げ
て耐食性を劣化させる。このため、本発明では不純物と
してのNb含有量を0.02％以下に制限する。好ましいのは
0.01％以下である。

【００３２】Ｂ：0.003％以下 Ｂは耐粒界腐食性を劣化させる元素である。このため、
本発明では不純物としてのＢ含有量を0.003％以下に制
限する。好ましいのは0.001％以下である。

【００３３】以上に説明した成分以外は実質的Feである
が、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は下記(1)
式で定義されるNi-bal.が−２以上のものであることが
望ましい。その理由は次のとおりである。Ni-bal. が−
２未満ではオーステナイト相の単相組織とならずフェラ
イト相が残存するため溶接熱影響部における耐食性等の
性能劣化を招くこととなる。

【００３４】 Ni-bal.＝Nieq.−1.36Creq. ・・・・・・・ (1) ここで、 Nieq.＝30(Ｃ＋Ｎ)＋0.5(Mn＋Cu)＋Ni＋11.6 Creq.＝1.5Si＋Cr＋Mo＋0.8Ｗ ただし、各式の右辺中の元素記号は鋼中に含まれる各元
素の含有量（質量％）を意味する。

【００３５】

【実施例】表１と表２に示す化学組成を有する17種類の
鋼を真空誘導溶解法(VIM )によりそれぞれ30kg溶製し
た。なお、No.15は従来の高CrSUS316L、No.16は25Cr−2
2Ni−2Mo鋼、No.17は29Cr−7Ni−2Mo鋼である。

【００３６】得られた各インゴットの一部分から外径10
mm、長さ130 mmのグリーブル試験片を採取し、下記条件
のグリーブル試験に供して熱間加工性を調べた。

【００３７】グリーブル試験片採取後の各インゴット
は、熱間鍛造と熱間圧延を行って厚さ７mmの板材に仕上
げ、1075℃に加熱後水冷する固溶化熱処理を施し、固溶
化熱処理後の組織を調べた。

【００３８】固溶化熱処理後の板材は、溶接熱影響部で
の耐食性を評価するため、溶接を模擬して650 ℃で１時
間加熱した後、板材から厚さ３mm、幅10mm、長さ40mmの
試験片を採取し、下記条件の腐食試験に供して耐食性を
調べた。

【００３９】グリーブル試験は、最高温度1200℃に加熱
後、1000℃で１／ｓの歪み速度で引張り試験を行い、絞
り率（％）を測定した。

【００４０】腐食試験は、65％沸騰硝酸液中に48時間浸
漬する操作を５回繰り返し、試験後の腐食減量を測定す
ることにより腐食速度（g／m^２h）を求めた。

【００４１】以上の結果と従来の高CrSUS316Lのコスト
を1.0 とするコストの比較結果とを、表２に併記した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】表２に示す結果からわかるように、本発明
の鋼（No. １〜８）は、いずれもオーステナイト単相組
織であり、腐食試験における腐食速度も0.087 g／m^２h
以下と従来の25Cr−22Ni−2Mo 鋼と同等で、耐食性が良
好である。また、グリーブル試験での絞り率も60％以上
で、高い高温延性を示し、熱間加工性も良好である。特
に、Caを添加した場合、熱間加工性がより向上すること
がわかる。さらに、コスト比較結果も0.8〜1.0で、従来
の高CrSUS316Lおよび29Cr−7Ni−2Mo 鋼と変わらず、従
来の25Cr−22Ni−2Mo鋼よりも遙かに安価である。

【００４５】これに対し、Ni量が低く、Ni-bal.が−２
よりも小さいNo. ９の鋼はフェライト相が析出していた
ために耐食性が悪い。また、Siが高く、MoとCuの量が低
いNo. 10の鋼、Ｎが多いNo. 11の鋼、およびＰ量が多
く、Cr量が少ないNo. 12の鋼は、いずれも腐食速度が大
きく耐食性が悪い。さらに、ＳとＢの量が多いNo. 13の
鋼、およびNi量が多いNo. 14の鋼は、いずれも耐食性と
熱間加工性が悪い。

【００４６】

【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、安価であるにもかかわらず、硝酸環境下での耐全面
腐食性に優れるともに、加工性も優れている。従って、
尿素合成装置の構成材料として好適であり、尿素合成装
置の建設コストの低減および装置の長寿命化を可能とす
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、Si：0.1〜0.5％、Mn：0.8〜2.0
   ％、Ni：11〜16％、Cr：21〜24％、Mo：0.5〜1.5％、
   Ｗ：1.0 ％以下、Cu：0.5〜2.5％、Ｎ：0.15〜0.3 ％、
   Al：0.03％以下、Ca：0.01％以下を含有し、残部はFeお
   よび不純物からなり、不純物としてのＣが0.02％以下、
   Ｐが0.03％以下、Ｓが0.005 ％以下、Nbが0.02％以下、
   Ｂが0.003 ％以下に制限されたオーステナイト系ステン
   レス鋼。
2. 【請求項２】下記(1)式で定義されるNi-bal.が−２以上
   である請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス
   鋼。 Ni-bal.＝Nieq.−1.36×Creq. ・・・・・ (1) ただし、 Nieq.＝30(Ｃ＋Ｎ)＋0.5(Mn＋Cu)＋Ni＋11.6 Creq.＝1.5Si＋Cr＋Mo＋0.8Ｗ ここで、上記各式の右辺中の元素記号は鋼中に含まれる
   各元素の含有量（質量％）を意味する。