JP3449282B2

JP3449282B2 - 高温強度と延性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3449282B2
Application number: JP05773999A
Authority: JP
Inventors: 潤之仙波; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000256803A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラや化学プラ
ント等の高温装置用材料として好適な高温強度と延性に
優れたオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温環境下で使用されるボイラや
化学プラント等における装置用材料としてＳＵＳ３０４
Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ
等の１８−８系オーステナイトステンレス鋼が使用され
てきた。しかし、近年、このような高温環境下における
装置の使用条件が著しく苛酷化し、それに伴って使用材
料に対する要求性能が厳しくなり、従来用いられてきた
１８−８系オーステナイトステンレス鋼では高温強度が
不十分となってきている。一般に、オーステナイト鋼の
高温強度の改善は、炭窒化物による析出強化に加え、高
価なＭｏやＷの多量添加による固溶強化が有効である
が、後者による場合はオーステナイト組織の安定化を図
るため高価なＮｉ含有量の増量が必要となり、製造コス
トが高くなる。

【０００３】そこで、高価な元素を多量添加することな
く高温強度を改善した鋼として、本発明者らは、特公平
８−３０２４７号公報や特開平８−１３１０２号公報に
開示されているオーステナイト系耐熱鋼を開発した。こ
の耐熱鋼は、クリープ破断強度を改善するためにＣｕ、
Ｎｂ、Ｎを含有させたことを特徴としている。しかし、
高温強度は改善できたが、Ｃｕを添加しているので、従
来の１８−８系オーステナイトステンレス鋼と比較して
延性が低く、冷間加工性やクリープ破断延性が不十分で
あった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温強度と
延性に優れたＣｕ、Ｎｂ、Ｎ含有オーステナイト系ステ
ンレス鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
（１）および（２）のオーステナイト系ステンレス鋼に
ある。

【０００６】（１）重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５
％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：
１５〜２５％、Ｎｉ：６〜２５％、Ｃｕ：２〜６％、Ｎ
ｂ：０．１〜０．８％、Ａｌ：０．３％以下、Ｎ：０．
０５〜０．３％およびＭｇとＣａの１種以上を合計で０
〜０．０１５％、Ｂ：０〜０．０１％を含有し、Ｎｂ
（％）／Ｃｕ（％）が０．０５〜０．２で、かつ溶体化
熱処理後の未固溶Ｎｂ量が０．０４×Ｃｕ（重量％）〜
０．０８５×Ｃｕ（重量％）の範囲内にあり、残部がＦ
ｅおよび不可避的不純物からなる高温強度と延性に優れ
たオーステナイト系ステンレス鋼。

【０００７】（２）さらに、重量％でＭｏ：０．３〜２
％、Ｗ：０．５〜４％の１種または２種を含有する上記
（１）の高温強度と延性に優れたオーステナイト系ステ
ンレス鋼。

【０００８】本発明者らは前記の課題を解決するため、
Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎ含有オーステナイト系ステンレス鋼の延
性について鋭意研究をおこなった。その結果、Ｃｕ、Ｎ
と共に、Ｎｂ含有量とＣｕ含有量の比、すなわちＮｂ
（％）／Ｃｕ（％）が０．０５〜０．２となるようＮｂ
とＣｕを含有させ、さらに溶体化熱処理後の未固溶Ｎｂ
量を、０．０４×Ｃｕ（％）〜０．０８５×Ｃｕ（％）
の範囲内になるように調整することにより、結晶粒が微
細化し、延性が改善され十分な冷間加工性やクリープ破
断延性等を発現するとの知見を得て本発明を完成させ
た。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明例のオーステナイト系ステンレス鋼の化
学組成を限定した理由は次の通りである。なお、下記％
表示は重量％を示す。

【００１０】Ｃ：０．０３〜０．１５％Ｃは、ＮｂＣを形成し、組織の細粒化効果をもたらす元
素である。さらに高温環境下で使用される際に必要とな
る引張強さおよびクリープ破断強度を確保するためにも
有効な元素である。しかし、０．１５％を超えて含有さ
せても溶体化後の未固溶炭化物量が過剰となり、延性、
靭性等の機械的性質が劣化する。したがって、Ｃ含有量
の上限は０．１５％とする。本発明鋼ではＮも含有させ
るためＣ含有量は低めであってもよいが、上記の効果を
発揮させるために下限は０．０３％とする必要がある。
好ましくは、０．０５％以上である。

【００１１】Ｓｉ：１．５％以下脱酸材として、また耐酸化性の向上に有効な元素である
が、含有量が多くなると溶接性や熱間加工性が劣化す
る。また、本発明鋼ではＮも含有させるため、Ｓｉを多
量に含有させると高温での使用中に析出する窒化物量が
増加し、靭性や延性の低下を招く。従って、Ｓｉ含有量
は１．５％以下とする。靭性や延性を重視する場合には
０．５％以下とするのが望ましく、さらに望ましくは
０．３％以下である。他の元素で脱酸作用が十分確保さ
れている場合には実質的に含有させなくともよい。

【００１２】Ｍｎ：０．１〜２％Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、さらにＳを固定
して熱間加工性を改善する元素である。その効果を十分
得るためには０．１％以上含有させる必要がある。しか
し２％を超えると、σ相等の金属間化合物の析出を招
き、高温強度および機械的性質が低下する。したがっ
て、Ｍｎ含有量は０．１〜２％とする。より望ましくは
０．３〜２％、さらに組織安定性を重視する場合には
０．５〜１．５％とする。

【００１３】Ｃｒ：１５〜２５％Ｃｒは、高温での耐酸化性や耐食性を向上させるために
必要な元素であり、含有量の増加に伴いこれらの性能は
向上する。しかし、その含有量が１５％未満では十分な
効果が得られず、一方、２５％を超えるとオーステナイ
ト組織が不安定になる。したがってＣｒ含有量は１５〜
２５％とした。

【００１４】Ｎｉ：６〜２５％安定なオーステナイト組織を確保するための必須成分で
あり、その最適含有量は鋼中に含まれるＣｒ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｎｂ等のフェライト生成元素やＣ、Ｎ等のオーステ
ナイト生成元素の含有量によって定まる。本発明鋼にお
いては６％未満の量ではオーステナイト組織の安定化が
困難であり、一方、２５％を超えて含有させると経済的
に不利となるため、その含有量は６〜２５％とした。

【００１５】Ｃｕ：２〜６％Ｃｕは、高温環境下での使用中に微細なＣｕ相としてオ
ーステナイト母相に整合析出し、クリープ破断強度の向
上に大きく寄与するが、その効果を発揮させるには２％
以上含有させることが必要となる。しかし、６％を超え
て含有させるとクリープ破断延性や加工性が劣化する。
従ってＣｕ含有量は２〜６％とした。

【００１６】Ｎｂ：０．１〜０．８％Ｎｂは、微細な炭窒化物の分散析出強化によりクリープ
破断強度を向上させる元素である。また、本発明におい
ては未固溶炭窒化物の形成により溶体化熱処理後の結晶
粒を微粒化して延性を改善する重要な元素である。その
含有量が０．１％未満では十分な効果が得られず、一方
０．８％を超えて過剰に添加すると溶接性や加工性が劣
化するとともに未固溶の炭窒化物量が過剰となり、機械
的性質が劣化するので、Ｎｂの含有量は０．１〜０．８
％とした。

【００１７】本発明においては、さらにＮｂ（％）／Ｃ
ｕ（％）を０．０５〜０．２とし、かつ溶体化熱処理後
の未固溶Ｎｂ量を０．０４×Ｃｕ（％）〜０．０８５×
Ｃｕ（％）の範囲内となるようにに制御する必要があ
る。

【００１８】Ｎｂ（％）／Ｃｕ（％）が、０．０５未満
の場合、熱処理条件を最適化しても所定の未固溶Ｎｂ量
が確保できない。また、Ｎｂ（％）／Ｃｕ（％）が０．
２を超えると、溶接性や熱間加工性が低下する。したが
って、Ｎｂ（％）／Ｃｕ（％）は０．０５〜０．２と規
定した。

【００１９】Ｃｕを添加して高温特性に優れたオーステ
ナイト系ステンレス鋼の延性を改善するためには、添加
したＮｂの一部は未固溶Ｎｂとして結晶粒界をピニング
し、結晶微細化効果を発揮する必要がある。未固溶Ｎｂ
が０．０４×Ｃｕ（％）未満の場合、結晶微細化効果が
十分得られない。未固溶Ｎｂが０．０８５×Ｃｕ（％）
を超えると、清浄度が低下してかえって延性、靱性が低
下する。したがって、未固溶Ｎｂ量は、Ｎｂ炭窒化物を
生成するＣやＮ量によって左右されるほか、最終熱処理
である溶体化処理温度を選定することによって目標の値
に調整することが可能である。

【００２０】また、未固溶Ｎｂ量は、メタノール溶液で
電気分解により地金を溶解して抽出した残渣分析をする
ことにより、含有するＮｂ量を測定することにより簡単
に求めることができる。

【００２１】Ａｌ：０．３％以下Ａｌは、脱酸剤として有効な元素であるが、０．３％を
超えて含有させると、高温下で長時間使用する際、σ相
等の金属間化合物の析出が促進され、靭性が劣化する。
したがって、Ａｌの含有量は０．３％以下とする。望ま
しくは０．２％以下、さらに望ましくは０．１％以下で
ある。

【００２２】Ｎ：０．０５〜０．３％Ｎは、ＮｂＮを形成して組織の微細化効果をもたらす元
素である。さらにＣと同様、引張強さやクリープ破断強
度の向上に有効な元素であるが、その含有量が０．０５
％未満では十分な効果を発揮させることができない。一
方、０．３％を超えて含有させると窒化物の多量析出に
より時効後靭性が低下する。したがって、Ｎの含有量は
０．０５〜０．３％とした。

【００２３】Ｍｇ、Ｃａ：０〜０．０１５％Ｍｇ、Ｃａは、必要により含有させる元素で、主として
Ｓと結合して硫化物等を形成して、Ｓ固定により熱間加
工性が改善される。これらの元素はいずれも基本的に同
じ作用、効果をもたらすので、１種のみを含有させても
よく、また、２種複合して含有させてもよい。含有させ
る場合には、合計で０．０１５％以下とする。前記効果
を得るためには含有量を０．００１％以上とするのが好
ましい。しかし、過剰に含有させると逆に熱間加工性が
低下するため、上限は０．０１５％とする。望ましくは
０．００２〜０．０１％である。

【００２４】Ｂ：０〜０．０１Ｂは、必要に応じて含有量させる元素で、炭窒化物とな
り微細に分散して、析出強化および粒界強化の作用があ
り、それによりクリープ破断強度の向上に寄与する。含
有させる場合、０．００１％未満では前記効果が得られ
ず、一方０．０１％を超えて含有させると溶接性が劣化
する。したがって、含有させる場合のＢ含有量は、０．
００１〜０．０１％とする。望ましくは０．００１〜
０．００８％である。

【００２５】Ｍｏ：０．３〜２％、Ｗ：０．５〜４％ＭｏおよびＷは、共に高温強度を改善する効果を有して
おり、必要に応じて１種又は２種含有させることができ
る。含有させる場合、Ｍｏ量が０．３％未満であった
り、Ｗ量が０．５％未満であるとその効果が十分発揮さ
れない。一方、Ｍｏについては２％、Ｗについては４％
を超えて含有させるとその効果は飽和傾向を示すととも
に、組織安定性と加工性が劣化する。そのため含有させ
る場合は、Ｍｏについては０．３〜２％、Ｗについては
０．５〜４％とする。

【００２６】

【実施例】表１に示す化学組成の１２種のオーステナイ
ト系ステンレス鋼を、真空高周波誘導炉により溶製し、
５０ｋｇインゴットとした。

【００２７】

【表１】

【００２８】各インゴットを熱間鍛造後、冷間圧延し厚
さ１０mm、幅６０mm、長さ５００mmの鋼板に仕上げた。
さらに表２に示す１０５０℃〜１２７５℃の各種温度で
溶体化熱処理を施し、下記の各試験片を採取した。

【００２９】１）クリープ破断試験片ＪＩＳＺ２２７２に準拠した直径６mm、平行部３０
mmの試験片２）曲げ試験片ＪＩＳＺ２２０４３号試験片３）抽出残渣分析試験片直径８mm、長さ１５mm クリープ破断試験は、７００℃で１５kgf/mm²の応力を
負荷しておこない、破断時間と破断後の伸びを測定し
た。

【００３０】曲げ試験は、１８０度曲げ試験をおこな
い、曲げ試験の合否判定は、曲げ部の浸透探傷試験をお
こない、）割れの有無によりおこない、無いものを○印
で示した。

【００３１】また、抽出残渣分析試験片を用いて、未固
溶Ｎｂ量を下記の方法で分析した。すなわち、１０体積
％アセチルアセトン＋１重量％テトラメチルアンモニウ
ムクロライドのメタノール溶液を用いて電流密度２０ｍ
Ａ／ｃｍ²で抽出残渣を分離して分析した。これらの試
験結果を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】同表から明らかなように、溶体化熱処理後
の未固溶Ｎｂ量が０．０４×Ｃｕ（％）〜０．０８５×
Ｃｕ（％）の範囲内にある記号１〜９の本発明例では、
良好なクリープ破断延性と曲げ加工性を有することが分
かる。

【００３４】例えば、表１の記号Ｂの鋼を用いて、溶体
化熱処理条件を変えて未固溶Ｎｂ量を変化させた本発明
例の表２の試験Ｎｏ．２，３，４および比較例の１２、
１３を比較すると、未固溶Ｎｂ量が本発明で規定する
０．０４Ｃｕ（％）〜０．０８５Ｃｕ（％）の範囲内に
ある試験Ｎｏ．２、３および４はクリープ破断延性も良
好で曲げ加工性も全て良好である。それに対し、未固溶
Ｎｂ量が本発明で規定する範囲外である試験番号１２お
よび１３は破断延性も低く、曲げ加工性も不芳である。

【００３５】また、表２の本発明例の試験Ｎｏ．５と１
４、Ｎｏ．８と１５、Ｎｏ．１０と１６は、ほぼ同じ化
学組成の鋼（ＣとＪ、ＦとＫ、ＨとＬ）を用いた試験結
果であるが、未固溶Ｎｂ量が本発明で規定する範囲外で
ある比較例の試験Ｎｏ．１４、１５および１６に比べて
クリープ破断延性が高く、曲げ加工性も良好である。ま
た破断延性が向上し、加速クリープ域が長くなる効果で
クリープ破断時間も本発明鋼の方が長くなる傾向がみら
れる。

【００３６】

【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
は、高温強度を備え、延性に優れており冷間加工が容易
である。しかも、このステンレス鋼は、高価なＭｏやＷ
のような合金元素を多量に含有させる必要が無いので経
済的に有利であり、ボイラ等の高温環境で使用される各
種装置部材に好適である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓ
ｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：１５〜
２５％、Ｎｉ：６〜２５％、Ｃｕ：２〜６％、Ｎｂ：
０．１〜０．８％、Ａｌ：０．３％以下、Ｎ：０．０５
〜０．３％およびＭｇとＣａの１種以上を合計で０〜
０．０１５％、Ｂ：０〜０．０１％を含有し、Ｎｂ
（％）／Ｃｕ（％）が０．０５〜０．２で、かつ溶体化
熱処理後の未固溶Ｎｂ量が０．０４×Ｃｕ（重量％）〜
０．０８５×Ｃｕ（重量％）の範囲内にあり、残部がＦ
ｅおよび不可避的不純物からなる高温強度と延性に優れ
たオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】さらに、重量％でＭｏ：０．３〜２％、
Ｗ：０．５〜４％の１種または２種を含有する請求項１
記載の高温強度と延性に優れたオーステナイト系ステン
レス鋼。