JP2019183193A - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼管は、鋼管の平均結晶粒度番号がNo.6以下の粗粒組織と、内面鋼の結晶粒度番号がNo.7以上の細粒組織を有する。細粒層部のC+Nは0.15%以上である。
特許文献2に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼の酸化の防止法では、製造工程中の最終熱処理後または熱間仕上げによる製造工程の熱間圧延後、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に流体による粒子吹き付けピーニング加工を実施する。
特許文献5に開示されたボイラ用鋼管の製造方法では、質量%で5〜30%のCrを含有するフェライト系耐熱鋼管の内表面に超音波衝撃処理を施す。
特許文献7に開示されたフェライト系耐熱鋼の加工方法では、質量%で、9.5〜15%のCrを含有するフェライト系耐熱鋼を、900℃以上の温度で焼きならし処理し、A1変態点以下の温度で焼きもどし処理した後、鋼表面に粒子を吹き付けてショット加工層を形成する。
前記スケールは、前記母材側から順に、
Cr2O3を主体とする第1内層スケール、
Cr−Mn系スピネル型酸化物を主体とする第2内層スケール、
Fe−Cr系スピネル型酸化物を主体とする第3内層スケール、および
Fe3O4を主体とする外層スケールを含み、
前記母材の化学組成が、質量%で、
C:0.01%〜0.20%、
Si:1.0%以下、
Mn:0.1〜0.7%、
P:0.050%以下、
S:0.010%以下、
N:0.10〜0.50%、
Cr:16.0〜26.0%、
Ni:18.0%以上35.0%未満、
Nb:0.01〜1.0%、
B:0.0005〜0.010%、
Mo:0〜5.0%、
W:0〜10.0%、
Ti:0〜1.0%、
Al:0〜0.3%、
Ca:0〜0.1%、
Mg:0〜0.1%、
Co:0〜10.0%、
Cu:0〜4.0%、
V:0〜1.0%、
Zr:0〜0.2%、
Hf:0〜0.2%、
Ta:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
Sn:0〜0.010%、
Sb:0〜0.010%、
Pb:0〜0.001%、
As:0〜0.001%、
Bi:0〜0.001%、
残部:Feおよび不純物であり、かつ
下記(i)式を満足し、
前記第2内層スケールの化学組成が、下記(ii)式を満足し、
前記母材の平均結晶粒度が4番以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
0.5<Mo+W/2<8.0 ・・・(i)
CrI2>40×MnI2 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Mo:母材のMo含有量(質量%)
W:母材のW含有量(質量%)
CrI2:第2内層スケールのCr含有量(質量%)
MnI2:第2内層スケールのMn含有量(質量%)
上記(1)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
tI2<tI3 ・・・(iii)
tI2+tI3≦20 ・・・(iv)
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
炭素(C)は不純物として含まれる元素である。しかし、耐熱鋼において、一般的に、Cは炭化物を形成し、クリープ強度を高める。C含有量が0.01%未満ではこの効果が得られない。一方、過剰にCが含有されると、粗大な炭化物が形成され、クリープ強度が低下する。そのため、C含有量は0.01〜0.20%とする。C含有量は0.02%以上であるのが好ましく、0.03%以上であるのがより好ましい。また、C含有量は0.18%以下であるのが好ましく、0.15%以下であるのがより好ましい。
シリコン(Si)は不可避的に含有される。Siは鋼を脱酸する。しかしながら、Si含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性を低下する。したがって、Si含有量は1.0%以下とする。Si含有量は0.9%以下であるのが好ましく、0.8%以下であるのがより好ましい。なお、過剰の低減はコストの増大を招くため、Si含有量は0.01%以上であるのが好ましい。
マンガン(Mn)はSiと同様に、鋼を脱酸する。さらに、MnはSと結合してMnSを形成し、鋼の熱間加工性を高める。Mn含有量が0.1%未満ではこの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎると、Cr−Mnスピネル型酸化物の形成を促進し、耐水蒸気酸化性を低下させる。Mnはさらにシグマ(σ)相の生成を促進して、鋼の熱間加工性を低下する。そのため、Mn含有量は0.1〜0.7%とする。Mn含有量は0.15%以上であるのが好ましく、0.2%以上であるのがより好ましい。また、Mn含有量は0.65%以下であるのが好ましく、0.6%以下であるのがより好ましい。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の熱間加工性および延性を低下する。したがって、P含有量は0.050%以下とする。P含有量は0.030%以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。
硫黄(S)は不純物である。Sは鋼の熱間加工性を低下する。したがって、S含有量は0.010%以下とする。S含有量は0.008%以下であるのが好ましく、なるべく低い方が好ましい。
窒素(N)は、Nbと結合して窒化物を形成し、材料の高温クリープ強度を高める。N含有量が低すぎると上記効果が得られない。一方、窒化物は高温で長時間加熱されると凝集して粗大化する。粗大な窒化物は鋼のクリープ強度を低下する。したがって、N含有量は0.10〜0.50%とする。N含有量は0.12%以上であるのが好ましく、0.15%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は0.45%以下であるのが好ましく、0.40%以下であるのがより好ましい。
クロム(Cr)は、鋼の耐水蒸気酸化性を高める。700℃以上の高温水蒸気環境において、Crは、鋼の表面近傍にクロミア(Cr2O3)皮膜を形成する。鋼の表面に均一なクロミア皮膜が形成されることにより、鋼の耐水蒸気酸化性が高まる。Cr含有量が低すぎると、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎると、組織の安定性が低下してクリープ強度が低下する。したがって、Cr含有量は16.0〜26.0%とする。Cr含有量は18.0%以上であるのが好ましく、20.0%以上であるのがより好ましい。また、Cr含有量は25.0%以下であるのが好ましく、24.0%以下であるのがより好ましい。
ニッケル(Ni)は、オーステナイトを安定化する。Niはさらに、鋼の耐水蒸気酸化性および耐食性を高める。Ni含有量が低すぎると、これらの効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎると、これらの効果が飽和するだけでなく、熱間加工性の低下により製造コストが高くなる。また、必要以上のNi含有により、原料コストが高くなる。したがって、Ni含有量は18.0%以上35.0%未満とする。Ni含有量は19.0%であり、さらに好ましくは20.0%である。Ni含有量の好ましい上限は34.0%であり、さらに好ましくは33.0%である。
ニオブ(Nb)は、Nと結合して窒化物を形成する。Nbはさらに、NiおよびFeと結合してγ”相(Ni3Nb)、Laves相(Fe2Nb)をそれぞれ形成する。これらの化合物が、高温環境中において粒界および粒内に析出することで、材料の高温クリープ強度を高める。Nb含有量が低すぎると上記効果が得られない。一方、Nb含有量が高すぎると、鋼の靭性および熱間加工性が低下する。したがって、Nb含有量は0.01〜1.0%とする。Nb含有量は0.05%以上であるのが好ましく、0.10%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は0.90%以下であるのが好ましく、0.80%以下であるのがより好ましい。
ボロン(B)は、粒界に偏析することで粒界の強度を高める。これにより、高温でのすべり変形が抑制され、クリープ強度が高まる。B含有量が低すぎると上記効果が得られない。一方、B含有量が高すぎると、溶接時の熱影響部での溶接熱サイクルにより粒界の偏析が過剰になり、粒界の融点が低下することで液化割れ感受性が高くなる。したがって、B含有量は0.0005〜0.010%とする。B含有量は0.0008%以上であるのが好ましく、0.001%以上であるのがより好ましい。また、B含有量は0.008%以下であるのが好ましく、0.006%以下であるのが好ましい。
W:0〜10.0%
0.5<Mo+W/2<8.0 ・・・(i)
モリブデン(Mo)およびタングステン(W)は、組織中に固溶することで固溶強化により、または微細な金属間化合物を析出することで析出強化により、鋼の高温強度を高める。これらの含有量が低すぎると上記効果が得られない。
チタン(Ti)は、Nと結合して窒化物を形成し、材料の高温クリープ強度を高める。しかしながら、Ti含有量が高すぎると、窒化物が粗大に形成し、耐応力腐食割れ性、高温強度、加工性および溶接性を低下させる。したがって、Ti含有量は1.0%以下とする。Ti含有量は0.8%以下であるのが好ましく、0.5%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ti含有量は0.001%以上であるのが好ましく、0.002%以上であるのがより好ましい。
アルミニウム(Al)は、製造時に脱酸元素として機能し、鋼を清浄化する。しかしながら、Al含有量が高すぎると、非金属介在物を多量に形成し、耐応力腐食割れ性、高温強度、加工性、靱性および高温下での組織安定性を低下させる。したがって、Al含有量は0.3%以下とする。Al含有量は0.2%以下であるのが好ましく、0.1%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Al含有量は0.005%以上であるのが好ましく、0.01%以上であるのがより好ましい。
カルシウム(Ca)は、脱酸の仕上げとして添加する。しかしながら、Ca含有量が高すぎると、耐応力腐食割れ性、高温強度、加工性および靱性を低下させる。したがって、Ca含有量は0.1%以下とする。Ca含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.01%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ca含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
マグネシウム(Mg)は、微量の添加で、高温強度および耐食性の向上に寄与する。しかしながら、Mg含有量が高すぎると、強度、靱性、耐食性および溶接性を低下させる。したがって、Mg含有量は0.1%以下とする。Mg含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.01%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Mg含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
コバルト(Co)は、金属組織を安定化させ、高温強度の向上に寄与する。しかしながら、Co含有量が高すぎると、効果が飽和し、コストの増大を招く。また、同一の溶解炉を用いて他の鋼を製造する際に、Coの混染を招く。したがって、Co含有量は10.0%以下とする。Co含有量は8.0%以下であるのが好ましく、7.0%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Co含有量は0.1%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。
銅(Cu)は、微細でかつ高温で安定なCu相として析出し、650℃以下の温度域での長時間強度の向上に寄与する。しかしながら、Cu含有量が高すぎると、強度、加工性およびクリープ延性を低下させる。したがって、Cu含有量は4.0%以下とする。Cu含有量は3.0%以下であるのが好ましく、2.0%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Cu含有量は0.001%以上であるのが好ましく、0.005%以上であるのがより好ましい。
バナジウム(V)は、Nと結合して窒化物を形成し、材料の高温クリープ強度を高める。しかしながら、V含有量が高すぎると、窒化物が粗大に形成し、耐応力腐食割れ性、高温強度、加工性および溶接性を低下させる。したがって、V含有量は1.0%以下とする。V含有量は0.8%以下であるのが好ましく、0.5%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、V含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.05%以上であるのがより好ましい。
ジルコニウム(Zr)は、NおよびOと結合し、Zr窒化物またはZr酸化物を形成する。これらの化合物が微細な炭窒化物の析出核となり、高温クリープ強度が向上する。しかしながら、Zr含有量が高すぎると、Zr窒化物またはZr酸化物が多量に生成し、熱間加工性および溶接性を低下させる。したがって、Zr含有量は0.2%以下とする。Zr含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.01%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Zr含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
ハフニウム(Hf)は、Ta、REM、Zrの添加の影響を高める。しかしながら、Hf含有量が高すぎると、非金属介在物の量が増えて、強度、加工性、靱性および溶接性を低下させる。したがって、Hf含有量は0.2%以下とする。Hf含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.01%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Hf含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
タンタル(Ta)は、炭窒化物の微細化を促進し、高温長時間強度の向上、組織安定化に寄与する。しかしながら、Ta含有量が高すぎると析出物の生成量が多くなり、靱性の低下を招く。したがって、Ta含有量は1.0%以下とする。Ta含有量は0.8%以下であるのが好ましく、0.6%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ta含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
希土類元素(REM)は、硫化物を形成し、鋼の熱間加工性を高める。REMはさらに、酸化物を形成して、耐食性、クリープ強度およびクリープ延性を高める。しかしながら、REM含有量が高すぎると酸化物が過剰に形成され、鋼の熱間加工性および溶接性が低下する。したがって、REM含有量は0.1%以下とする。REM含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.01%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、REM含有量は0.0001%以上であるのが好ましく、0.0005%以上であるのがより好ましい。
Sb:0〜0.010%
Pb:0〜0.001%
As:0〜0.001%
スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、鉛(Pb)およびヒ素(As)は、鋼原料のスクラップ等から混入する可能性がある元素である。これらの元素の含有量はなるべく少ない方が好ましいが、工業的生産を考慮し、SnおよびSbは0.010%以下、PbおよびAsは0.001%以下とする。
ビスマス(Bi)は通常混入しないが、鋼原料のスクラップ等から混入する可能性がある元素である。Biは高温強度および耐応力腐食割れ性に有害な元素であるため、極力低減しなければならず、0.001%以下とする。
図1に示すように、母材の表面の少なくとも一部には、外層スケールおよび内層スケールを含むスケールが形成されている。そして、内層スケールは、母材側から順に、第1内層スケール、第2内層スケールおよび第3内層スケールに区分することができる。
CrI2>40×MnI2 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
CrI2:第2内層スケールのCr含有量(質量%)
MnI2:第2内層スケールのMn含有量(質量%)
tI2<tI3 ・・・(iii)
tI2+tI3≦20 ・・・(iv)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
tI2:第2内層スケールの厚さ(μm)
tI3:第3内層スケールの厚さ(μm)
所望のクリープ破断強度を得るためには、母材中のオーステナイト組織の再結晶化を促進し、組織を粗大化する必要がある。具体的には、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、母材の平均結晶粒度を4番以下とする。平均結晶粒度が4番を超えると、必要なクリープ破断強度を得ることができなくなる。なお、平均結晶粒度の測定方法はJIS G0551に準拠する。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。なお、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、以下の方法によって製造されるものには限定されない。
指数G(ASTM)=−3.2877−6.6439log10L
ここで、指数Gは平均結晶粒度、Lは平均結晶粒径(mm)を表す。
Claims (2)
- 母材の表面の少なくとも一部に、スケールが形成されたオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記スケールは、前記母材側から順に、
Cr2O3を主体とする第1内層スケール、
Cr−Mn系スピネル型酸化物を主体とする第2内層スケール、
Fe−Cr系スピネル型酸化物を主体とする第3内層スケール、および
Fe3O4を主体とする外層スケールを含み、
前記母材の化学組成が、質量%で、
C:0.01%〜0.20%、
Si:1.0%以下、
Mn:0.1〜0.7%、
P:0.050%以下、
S:0.010%以下、
N:0.10〜0.50%、
Cr:16.0〜26.0%、
Ni:18.0%以上35.0%未満、
Nb:0.01〜1.0%、
B:0.0005〜0.010%、
Mo:0〜5.0%、
W:0〜10.0%、
Ti:0〜1.0%、
Al:0〜0.3%、
Ca:0〜0.1%、
Mg:0〜0.1%、
Co:0〜10.0%、
Cu:0〜4.0%、
V:0〜1.0%、
Zr:0〜0.2%、
Hf:0〜0.2%、
Ta:0〜1.0%、
REM:0〜0.1%、
Sn:0〜0.010%、
Sb:0〜0.010%、
Pb:0〜0.001%、
As:0〜0.001%、
Bi:0〜0.001%、
残部:Feおよび不純物であり、かつ
下記(i)式を満足し、
前記第2内層スケールの化学組成が、下記(ii)式を満足し、
前記母材の平均結晶粒度が4番以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼。
0.5<Mo+W/2<8.0 ・・・(i)
CrI2>40×MnI2 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Mo:母材のMo含有量(質量%)
W:母材のW含有量(質量%)
CrI2:第2内層スケールのCr含有量(質量%)
MnI2:第2内層スケールのMn含有量(質量%) - 前記第2内層スケールの厚さをtI2(μm)、前記第3内層スケールの厚さをtI3(μm)とした場合に、下記(iii)式および(iv)式を満足する、
請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
tI2<tI3 ・・・(iii)
tI2+tI3≦20 ・・・(iv)
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