JP2527605B2 - 耐高温塩腐食性に優れたオ―ステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

耐高温塩腐食性に優れたオ―ステナイト系ステンレス鋼

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JP2527605B2 JP63202774A JP20277488A JP2527605B2 JP 2527605 B2 JP2527605 B2 JP 2527605B2 JP 63202774 A JP63202774 A JP 63202774A JP 20277488 A JP20277488 A JP 20277488A JP 2527605 B2 JP2527605 B2 JP 2527605B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動車排ガス浄化システム、廃棄物(生ゴミ
を含む)焼却炉、およびシースヒーターなど高温の腐食
性環境で、特に高温下における塩または溶融塩による腐
食等、塩類による腐食が問題となる環境で繰り返し加熱
冷却を受ける用途に使用されるオーステナイト系ステン
レス鋼に関する。
〔従来の技術〕
自動車の排ガス浄化システム、廃棄物焼却炉およびシ
ースヒータなどに用いられる材料は高温および高温の燃
焼雰囲気にさらされるほかに各種酸化物、塩化物と接触
するため、溶融塩または高温塩によって著しい腐食損傷
を受ける。
即ち、自動車の排ガス浄化システムは高温への加熱と
冷却を繰返し受けるばかりでなく内部は各種酸化物など
と接触し、外部は融雪のために道路に散布されるNaCl、
CaCl2、MgCl2等の塩化物と接触する。廃棄物焼却炉は高
温の燃焼雰囲気のみならず包装材料として多用されてい
るポリ塩化ビニル等の燃焼によって生ずる塩化水素に曝
される。シースヒーターは場合により塩類を含む水を加
熱しなければならないこともある。
このような厳しい高温腐食環境では耐熱性のほかに加
工性および溶接性を考慮し耐熱用オーステナイト系ステ
ンレス鋼が多用されてきた。既存鋼としてはSUS 304、S
US 302B、SUS XM15I1、SUS 321、およびSUS 310Sなどが
ある。これらの用途のうち自動車排ガス浄化システムに
ついてみると、近年、寒冷地では先に触れたように塩化
物からなる路面凍結防止剤を散布するためこの塩化物が
走行中の自動車の車体に付着し、塩化物による高温塩腐
食に起因する著しい腐食損傷が生じる問題が発生してき
た。とくに排ガス浄化システムガス部材は高温に加熱さ
れているため、塩が付着すると短期間のうちに著しい腐
食が起こり損傷する事例が多発している。また、自動車
エンジンの高出力化にともない排ガス温度が上昇する傾
向にあり、今後ますます腐食条件は厳しくなってくるこ
とが予想される。
このような著しい腐食が起こる環境下では既存鋼では
いずれの鋼でも十分ではなく、新たな材料開発が望まれ
ている。
以下には高温塩、溶融塩の両者を含めて単に塩腐食と
よぶ。
本発明は、上述のような厳しい腐食環境下において優
れた耐高温塩腐食特性を発揮する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。
特開昭60-230966号(住友金属、日本ステンレス)に
は、 C :0.05%以下 Si:0.1〜2.0% Mn:2.0%以下 Cr:18〜26% Ni:16〜30% を含有し、さらに Mo:0.5〜4.0%、W:0.01〜4.00%、V:0.01〜4.0%の1種
以上を含み、所望により、さらに N:0.02〜0.25%および/または TiとNbの1種以上:1.5%以下 を含む高温乾食環境用鋼が開示されている。この鋼は高
温下における塩化物による腐食を対象としているが、Si
含有量が比較的低く、本用途のような非常に厳しい腐食
環境下では長時間の使用に耐えることは難しい。
特開昭62-20856号(住友金属)には、 C :0.10%以下 Si:1.0〜5.0% Mn:3.0%以下 Cr:10〜15%以下 Ni:5〜30% を含有し、さらに N:0.02〜0.20% Mo,WおよびVの1種以上:4%以下 Ti,NbおよびZrの1種以上:1.5以下 からなる群の1種以上を含む塩化物による高温腐食抵抗
性に優れた耐熱鋼が開示されている。この鋼も高温下に
おける塩化物による腐食を対象としているが、Cr含有量
が比較的低く、本用途のような厳しい腐食環境下で耐熱
性を維持することはむずかしい。
特開昭63-65058号(日新製鋼)には C :0.06%以下 Si:4%を越え10%以下 Mn:2.0%以下 Cr:16〜23%以下 Ni:12〜23%以下 を基本添加元素として含み、所望により、 NbまたはTiの1種以上0.1〜1.0%(ただし、この場合
Nb/(C+N)≧8、Ti/(C+N)≧4または(Ti+0.
5Nb)/(C+N)≧4) Ca:0.001〜0.05% REM:0.001〜0.05% の1種以上を含む鋼、および 上記基本添加元素に加えて NbまたはTiの1種以上0.1〜1.0%(ただし、この場合
Nb/(C+N)≧8、Ti/(C+N)≧4または(Ti+0.
5Nb)/(C+N)≧4)および B :0.0005〜0.010%ならびに Cu:0.5〜2.5% を含む耐熱鋼が開示されている。この鋼もまた高温塩腐
食を対象とするものであるが、本用途のように非常に厳
しい腐食環境下でなおかつ自動車排ガス浄化システム用
材料などのように長時間にわたる使用に耐えるためには
必ずしも十分であるとはいえなかった。
本発明者らは上記の問題を解決すべく研究を進め本発
明に到達した。
(発明の構成) 本発明は、基本成分として C :0.03%超え0.06%以下、 Si:2%以上10%以下、 Mn:2%以下、 Ni:12%超え20%以下、 Cr:16%以上23%以下、 Mo:0.5%以上4%以下、 を含み、さらに必要に応じて微量のCa、希土類元素、ま
た、Ti、V、Nb、Bを含む鋼を提供する。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を
じゅうぶんに添加するほかにMoを添加し、さらに必要に
応じて希土類元素および/またはCaを添加し高温腐食環
境下での保護性を増す。また、適量のNb、V、Tiの添加
によって使用時の鋭敏化を防止し、粒界侵食型の高温腐
食と冷時の湿食による耐粒界腐食性をともに改善すると
ともに高温強度および加工性を付与し、またB添加によ
って熱間加工性を改善したものである。
本発明鋼において組成限定の理由を以下に説明する。
C:高温強度を得るためには不可欠な元素であり,0.03
%より多く含有させるが、高温でCrと結合し粒界にCr23
C6として析出するため粒界近傍にCr欠乏層を形成するの
で高温塩腐食を助長する。よって低い方が好ましく上限
を0.06%以下とする。
Si:耐酸化性および耐高温塩腐食性を改善するために
最も重要な元素のひとつであるが、従来2%を越えると
オーステナイト鋼の溶接性や熱間加工性を害すると考え
られていたが、本発明者の研究によれば、Siは鋼の耐高
温塩腐食性を著しく改善することが判明した。この効果
を発揮するためには2%以上の添加を必要とする。しか
し10%を越えると高温でσ相を析出しやすくなり靱性が
劣化する。またδフェライトが増し熱間加工性が問題と
なるほか、加工性も低下するので上限を10%までとし
た。
Mn:熱間加工性を改善するが耐酸化性を劣化させるの
で2%までとする。
Ni:オーステナイト系ステンレス鋼に含有される基本
的元素であるが、耐高温塩腐食特性に対して有効であ
り、また本発明鋼では高SiおよびMoを添加しているため
δフェライトを生成しやすく熱間加工性を悪くするの
で、成分バランスを考慮して12%より多く含有させる。
一方多量に添加するとコストが高くなるので上限を20%
とした。
Cr:ステンレス鋼の基本的な元素であり耐食性および
耐酸化性を付与する。本用途のような厳しい腐食環境下
で耐熱性を維持するために最も基本的に必要な元素であ
る。厳しい耐高温塩腐食環境下では16%未満の添加では
十分な効果が発揮されないので16%以上の添加を必要と
する。一方、23%を越えて添加すると本発明鋼のような
高Si、Mo含有鋼ではδフェライトを多量に生成しやすく
熱間加工性を悪くするので上限を23%とした。
Mo:本発明において重要な添加元素であり、耐高温塩
腐食特性を著しく改善する。0.5%以上添加するとその
効果が顕著となるが、4%を越えて添加しても特性の向
上はあまりなく鋼のコストの上昇を招き、さらにδフェ
ライト量を制限するために必要なNi量が多くなりますま
すコスト高となる。よって最高4%までとする。
Nb、Ti、V:粒界侵食型の高温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、Ti、Vを添加し
て粒界へのCrの炭、窒化物の析出を防止する。また、本
用途では高温で用いられるため高温強度も重要でありこ
れに対しても非常に有効な元素である。さらには結晶の
微細化、加工性の改善にも効果をもたらす。この効果の
ためには最低0.01%の添加を必要とする。一方1%を越
えて添加すると逆に鋼の加工性を害し、またδフェライ
ト量を増加させるので最高1%までとする。
Caおよび希土類:本発明鋼の主な用途である自動車排
ガス浄化システム、廃棄物焼却炉、生ゴミ焼却炉および
シースヒーターなどでは断続的な加熱・冷却を受けるた
めスケールがはく離しやすく、この結果、腐食の進行を
促進する。このような問題に対してはCaあるいは希土類
元素の添加が有効であることがわかった。この場合、Ca
は少なくとも0.001%を要し、0.05%は実際的に含有さ
せられる上限である。希土類においても同様に少なくと
も0.001%を要し、0.1%を越えて含有しても耐高温塩腐
食性が改善されることなくかつ高価であるため0.1%を
上限とする。
B:Bは結晶粒界強度を高め熱間加工性を改善するのに
有効であるが、0.0005%以下ではそのような効果があら
われず、また、0.05%以上となるとBの化合物をつく
り、かえって熱間加工性も劣化するので0.0005%〜0.05
%の範囲とする。
なお不可避的不純物としてPは0.04%まで、Sは0.02
%まで許容される。Nその他は通常の溶製において混入
して来る量は許容される。
(発明の具体的開示) 以下、本発明を具体的に説明する。基礎実験として第
1表に示す鋼を真空溶製し、鍛造によって厚さ30mmの板
とした。鍛造板は1200℃で抽出し5mmに熱延し、以降通
常の冷却・焼鈍によって2mmの板を作製し、試験片全面
を#400研摩して高温塩腐食試験に供した。高温塩腐食
試験は20℃の飽和食塩水中に供試材を5分間浸漬した後
650℃で2時間加熱し、5分間空冷する処理を1サイク
ルとし、これを10サイクル実施する方法で行った。試験
後脱スケールし、腐食減量によって耐高温塩腐食性を評
価した。その試験結果を第1表にあわせて示す。
この結果からSUS 304、SUS 310S、SUS 321などの規格
鋼と比較して高Siを含有する溶製鋼No.3〜6、およびSi
とMoを含有する鋼No.7〜11は腐食減量が著しく低減して
いることがわかる。第1図に耐高温塩腐食性に及ぼすSi
の影響を示す。2%以上のSiを添加すると腐食減量が著
しく低減しており、耐高温塩腐食特性を付与するために
は2%以上のSiを添加することが非常に有効であること
がわかる。また、これにMoを添加するとさらに耐高温塩
腐食性が改善される。第2図にSiを3.3〜3.4%添加した
鋼の耐高温塩腐食性に及ぼすMoの影響を示すが、Moを0.
5%以上添加することによって腐食減量が著しく低下し
ており、耐高温塩腐食性が改善されることがわかる。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表
面に形成されるCr2O3の皮膜によってもたらされるもの
であるがこの皮膜は大気酸化に対しては優れた保護性を
発揮するが本発明鋼の用途である高温塩腐食環境下では
じゅうぶんな保護皮膜とはなりえず著しく腐食される。
これに対してSiを2%以上添加し、これにさらにMoを0.
5%以上添加することにより高温塩腐食環境下で優れた
保護性を発揮する皮膜を形成することが可能になったと
考える。
〔実施例〕
つぎに本発明について実施例と比較例をあげて説明す
る。第2表に試験に用いた鋼の組成を示す。これらの鋼
は真空溶解炉で溶製され、鍛造によって30mmとし1200℃
で抽出して熱延で30mmにし、以後通常の圧延・焼鈍工程
などを経て板厚2mmの試験片とした。この供試鋼を用い
て20℃飽和食塩水中5分、550℃または650℃で加熱2時
間、空冷5分の繰り返し高温塩腐食試験を10サイクル実
施した結果を第2表にあわせて示す。耐高温塩腐食性は
試験後脱スケールを行い腐食減量で評価した。この表か
ら本発明鋼は他の鋼と比較して腐食減量が小さく耐高温
塩腐食性に優れていることがわかる。
〔発明の効果〕 以上の実施例に示したように、従来、高温塩腐食環境
下では既存のオーステナイト系ステンレス鋼では十分に
耐えうる鋼がなかったが本発明鋼は十分な耐高温塩腐食
性を有し、技術的、社会的にも大きな効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
第1図は650℃の耐高温塩腐食性におよぼすSi添加の影
響を示す。 第2図は3.3〜3.4%Siを添加した鋼の650℃の耐高温塩
腐食性におよぼすMo添加の影響を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平松 直人 山口県新南陽市大字富田4976番地 日新 製鋼株式会社周南研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−213643(JP,A) 特開 昭64−73056(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で C :0.03%超え0.06%以下、 Si:2%以上10%以下、 Mn:2%以下、 Ni:12%超え20%以下、 Cr:16%以上23%以下、 Mo:0.5%以上4%以下、 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる耐高
    温塩腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】さらに Ti、V、Nbの1種または2種以上:あわせて0.01%以上
    1.0%以下 を含む請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス
    鋼。
  3. 【請求項3】さらに 希土類元素の1種または2種以上:0.001%以上0.1%以
    下 および/または Ca:0.001%以上0.05%以下 を含む請求項1または2に記載のオーステナイト系ステ
    ンレス鋼。
  4. 【請求項4】さらに B:0.0005%以上0.05%以下 を含む請求項1、2または3に記載のオーステナイト系
    ステンレス鋼。
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