JP4067975B2

JP4067975B2 - 高温耐食性にすぐれる耐熱合金

Info

Publication number: JP4067975B2
Application number: JP2003007785A
Authority: JP
Inventors: 伸之坂本; 雅之寺岡
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: JP2004218015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ごみ焼却装置に用いられるボイラー、配管、火格子など、高温での耐食性が要求されるごみ焼却装置用部材の材料として好適な耐熱合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のごみ廃棄物には多種多様な物質が含まれているため、ごみ焼却炉のごみ焼却過程では、ＨＣｌやＳＯ₂のような腐食性の強いガスが発生し、その燃焼生成物には、Ｎａ₂ＳＯ₄の如き硫酸塩、ＮａＣｌやＫＣｌの如き塩化物など、腐食性の強いダストが含まれる。
このため、従来、これらの腐食環境に曝されるボイラー等の材料として、耐高温腐食性にすぐれる各種Ｎｉ基合金(例えば、特許文献１、２及び３を参照)が知られている。
【０００３】
また、上記のような高温腐食環境下で使用される合金として、Ｎｉ基合金の他に、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉの含有量の適正化により耐食性の改善を図ったＣｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金が知られている(例えば、特許文献４を参照)。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１８３２８２号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２００２−１２９２６６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開２００２−１２９２６７号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】
特開平１０−１８３３０５号公報（特許請求の範囲、段落００１０）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｎｉ基合金のようにＮｉを多量に含有すると、高温での耐食性や強度には優れるものの、被削性等の機械加工性が良好でないという問題があった。このため、製品化するための機械加工コストが非常に高いものになっている。また、材料コスト自体も著しく高くなる。
Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金の場合、機械加工性については問題ないが、高温での耐食性が十分でなかった。例えば、前述のＣｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金では、約５００℃以上の高温で長時間使用したとき、耐食性が劣化する問題があった。これは、Ｃｒ₂₃Ｃ₆炭化物の生成と成長が著しくなり、粒界腐食が起こると考えられる。
【０００６】
本発明の目的は、高温での耐食性、特に、ごみ焼却炉のように、ＨＣｌやＳＯ₂などのガス、硫酸塩や塩化物などのダストを含む強腐食環境において、すぐれた耐食性を発揮するＣｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の耐熱合金は、質量％にて、Ｃ：０ . ２〜０.７％、Ｓｉ：０.５〜５％、Ｍｎ：４％以下、Ｃｒ：２０〜４０％、Ｎｉ：３０〜４５％、Ａｌ：１〜４％、Ｚｒ：０.０１〜１.５％、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、必要に応じて、Ｍｏ：１〜１５％、Ｗ：１〜１５％、希土類元素：０.５％以下のうち、少なくとも１種をさらに含有することができる。
【０００８】
【作用】
本発明の耐熱合金は、主に、ＡｌとＺｒの複合含有効果により、高温での腐食環境下、特に、ＨＣｌやＳＯ₂などのガス、硫酸塩や塩化物などのダストの如き強い腐食環境下において、すぐれた耐食性を発揮するものである。
すなわち、約５００℃以上の高温に曝すと、Ａｌが雰囲気の酸素と結びついて緻密なＡｌ酸化物を母材表面に形成し、これが強い腐食環境に対する保護被膜となって、長時間の使用においてすぐれた耐食性を発揮する。Ｚｒは、Ａｌ酸化物被膜を強化する作用を有すると共に、Ｚｒ炭化物の析出によって、Ｃを固定化させ、粒界におけるＣｒ₂₃Ｃ₆炭化物の生成と成長を阻止するため、粒界腐食が低減する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の耐熱合金は、高温での耐食性にすぐれるから、ごみ焼却装置に用いられるボイラー、配管、火格子などの材料として好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の耐熱合金は、重量％にて、Ｃ：０.０５〜０.７％、Ｓｉ：０.５〜５％、Ｍｎ：４％以下、Ｃｒ：２０〜４０％、Ｎｉ：２０〜４５％、Ａｌ：１〜４％、Ｚｒ：０.０１〜１.５％、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
本発明の耐熱合金は、必要に応じて、Ｍｏ：１〜１５％、Ｗ：１〜１５％、希土類元素：０.５％以下のうち、少なくとも１種をさらに含有することができる。
各元素の効果及び合金元素組成を限定した理由について次に説明する。
【００１１】
【成分限定理由の説明】
Ｃ：０.０５〜０.７％
Ｃは、高温クリープ強度の向上に寄与するから、少なくとも０.０５％以上含有させる。しかし、含有量が多くなると、Ｃｒ₂₃Ｃ₆炭化物が粒界に析出し、耐食性が損なわれるため、上限は０.７％に規定する。なお、０.２〜０.６％が望ましい。
【００１２】
Ｓｉ：０.５〜５％
Ｓｉは、酸素と結びついて母材の表面にＳｉＯ₂の保護被膜を形成し、耐食性に寄与する。このため、０.５％以上含有させる。しかし、含有量があまり多くなると、高温クリープ強度や溶接性の低下を招くので、上限は５％とする。なお、１.０〜３.５％が望ましい。
【００１３】
Ｍｎ：４％以下
Ｍｎは、溶湯の脱酸を行ない、不純物元素のＳをＭｎＳとして固定し、Ｓの有害作用を取り除く作用を有する。また、溶接性の向上に寄与する。これらの効果を得るために含有させるた、含有量があまり多くなると、耐食性の劣化を招くので、４％を上限とする。
【００１４】
Ｃｒ：２０〜４０％
Ｃｒは、酸素と結びついて母材の表面にＣｒ₂Ｏ₃の保護被膜を形成し、耐酸化性及び耐食性の向上に寄与する。また、Ｆｅ、Ｎｉと共にオーステナイト相を形成して高温における強度を向上させる。このため、２０％以上含有させる。しかし、含有量があまり多くなると、材質の脆化を招くので上限は４０％とする。
【００１５】
Ｎｉ：２０〜４５％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化させ、耐酸化性及び高温強度を高める効果を有するから、２０％以上含有させる。しかし、含有量があまり多くなると、被削性などの機械加工性が低下する。このため、４５％を上限とする。
【００１６】
Ａｌ：１〜４％
Ａｌは、雰囲気の酸素と結びついてＡｌ₂Ｏ₃の如き緻密なＡｌ酸化物被膜を母材表面に形成する。このＡｌ酸化物は、ＨＣｌやＳＯ₂などのガス、硫酸塩や塩化物などのダスト強い腐食環境における保護被膜となり、長時間の使用においてすぐれた耐食性を発揮する。このため、少なくとも１％以上含有させる。しかし、４％を超えて含有すると、材質の劣化が著しくなるので、４％を上限とする。なお、含有量は、１.５〜３.５％が好ましい。
【００１７】
Ｚｒ：０.０１〜１.５％
Ｚｒは、Ａｌとの親密性が強く、母材表面に形成されたＡｌ₂Ｏ₃の保護被膜を強化する作用を有する。また、Ｚｒ炭化物の析出により、Ｃを固定化させて、粒界におけるＣｒ₂₃Ｃ₆炭化物の生成と成長を阻止する働きがあり、粒界腐食の低減に大きく寄与する。このため、０.０１％以上含有させる。しかし、含有量があまり多くなると機械加工性が低下するので、上限は１.５％とする。なお、含有量は、０.０５〜１.０％が好ましい。
【００１８】
Ｍｏ：１〜１５％
Ｍｏは、耐食性及び高温強度の向上に寄与するが、多量の添加は溶接性や機械加工性の低下を招く。このため、１〜１５％の範囲で含有させるのが好ましい。
【００１９】
Ｗ：１〜１５％
Ｗも、Ｍｏと同様、耐食性及び高温強度の向上に寄与するが、多量の添加は溶接性や機械加工性の低下を招く。このため、１〜１５％の範囲で含有させるのが好ましい。
【００２０】
希土類元素：０.５％以下
希土類元素は、耐食性及び耐酸化性の向上に有効であるため、０.５％を上限として添加することが好ましい。なお、希土類元素とは、周期律表のＬａからＬｕにに至る１５種類のランタン系列に、ＹとＳｃを加えた１７種類の元素を意味するが、代表的な元素として、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｈｆを挙げることができる。
【００２１】
本発明の耐熱合金は、上記成分を含有し、残部はＦｅ及び不可避の不純物である。
なお、Ｆｅは、２５〜５０％の範囲で含有することが好ましい。所定の高温強度と耐食性を確保するためであある。
不純物としては、合金の溶製上不可避的に含まれるＰ、Ｓ等の元素が挙げられる。これらはできるだけ少ない方が好ましいが、例えば、Ｐ、Ｓの場合、夫々、０.０３％以下程度の含有は許容される。
【００２２】
【実施例】
本発明の耐熱合金の高温での耐食性を評価するために、実験室用加熱炉を使用し、腐食性灰を塗布した試験片を炉内に装入し、加熱された炉内に腐食性ガスを導入して腐食試験を行なった。
【００２３】
試験片の作製
高周波誘導溶解炉で種々成分の合金を溶製し、遠心鋳造にて中空鋳造品(外径１３８ｍｍ×内径１０８ｍｍ×長さ２７０ｍｍ)を製造した。各鋳造品に機械加工を施し、１０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍ(厚さ)の試験片を作製した。なお、試験片は、表面に♯５００のペーパで研磨仕上げを施し、アセトンで脱脂し、重量測定した。
【００２４】
合成灰の調製及び試験片への塗布
ＮａＣｌ：２２％(重量％、以下同じ)、ＫＣｌ：１５％、Ｎａ₂ＳＯ₄：３８％、Ｋ₂ＳＯ₄：２５％を調合し、乳鉢で細かくすりつぶし、アセトンでスラリーにした合成灰を調製した。
この合成灰を、各試験片の表面に、筆にて一様に塗布した。塗布量は４０ｍｇ/ｃｍ²である。
【００２５】
試験装置と試験
炉内有効加熱領域が６０ｍｍ(直径)×６００ｍｍ(長さ)の実験室用管状炉の中に、合成灰を塗布した試験片を装入し、６００℃の温度に加熱した。炉内には、窒素ガスで希釈した腐食性ガス(ＨＣｌ及びＳＯ₂)と、水蒸気ガス(ＣＯ₂、Ｏ₂及びＮ₂を含む)の混合ガスを導入した。１００時間経過後、炉内から試験片を取り出し、溶融塩電解法により脱スケールした後、試験片表面をブラシでこすり取り、重量測定した。
試験前後の重量変化より、腐食による試験片の重量減少量を求めた。
なお、混合ガスの組成(体積％)は、Ｏ₂：５％、ＳＯ₂：５０ｐｐｍ、ＨＣｌ：１０００ｐｐｍ、ＣＯ₂：１０％、Ｈ₂Ｏ：２０％、Ｎ₂：残部である。
【００２６】
各試験片の合金化学成分と、腐食による重量減少量の測定結果を表１に示す。表１において、No.１〜No.９は発明例、No.１０〜No.１２は比較例である。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１を参照すると、発明例であるNo.１〜No.９は、比較例No.１０〜No.１２と比べて重量減少量が少なく、耐食性にすぐれることを示している。
なお、発明例中、No.４〜No.９を検討すると、No.７及びNo.８に示されるように、Ａｌの含有量が３.０％以上かつＺｒの含有量が０.１％以上のとき、重量減少量がさらに少なく、耐食性が極めて良好であることを示している。
No.１０はＡｌとＺｒを両方とも含まず、No.１１はＺｒを所定量含むがＡｌの含有量が少なく、No.１２はＡｌを所定量含むがＺｒを含まない例であり、発明例と比べて重量減少量が多く、耐食性に劣る結果となっている。
【００２９】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

Claims

質量％にて、Ｃ：０ . ２〜０.７％、Ｓｉ：０.５〜５％、Ｍｎ：４％以下、Ｃｒ：２０〜４０％、Ｎｉ：３０〜４５％、Ａｌ：１〜４％、Ｚｒ：０.０１〜１.５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温耐食性にすぐれ、ごみ焼却装置に用いられるボイラー、配管又は火格子用耐熱合金。
Ｍｏ：１〜１５％及び／又はＷ：１〜１５％を含有している請求項１に記載の耐熱合金。
希土類元素：０.５％以下を含有している請求項１又は請求項２に記載の耐熱合金。