JP6575266B2 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
特許文献1は、組織を細粒化することにより耐水蒸気酸化性を向上させた鋼管を開示する。特許文献1で開示されるオーステナイトステンレス鋼管は、鋼管の平均結晶粒度番号が6以下の粗粒組織と、内面側の結晶粒度番号が7以上の細粒層とを有する。特許文献1で開示されるオーステナイトステンレス鋼管の細粒層部の(C+N)量は0.15%以上である。
特許文献2〜特許文献4は、表面に吹き付け加工を施すことにより鋼管の耐水蒸気酸化性を向上する技術を開示する。具体的には、特許文献2及び特許文献3は、ピーニング加工を施す製造方法を開示する。特許文献2で開示されるオーステナイトステンレス鋼は、最終熱処理後又は熱間圧延後、オーステナイトステンレス鋼表面に、流体による粒子吹き付けピーニング加工が施される。
特許文献5及び特許文献6は、鋼管に高加工度の冷間加工を付与して鋼管の耐水蒸気酸化性を高める技術を開示する。具体的には、特許文献5に開示された方法では、質量%で5〜30%のCrを含有するオーステナイト系耐熱鋼管に、内表面に超音波衝撃処理を施す。
Ti+Mo/2+W/4≧2.0 (1)
Ni(sf)/Ni(cp)>1.00 (2)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 式(2)中のNi(sf)にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から5μm深さまでの範囲におけるNi含有量(質量%)が代入され、Ni(cp)にはオーステナイト系ステンレス鋼全体の平均のNi含有量(質量%)が代入される。
Ni(sf)/Ni(cp)>1.00 (2)
ここで、式(2)中のNi(sf)にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から5μm深さまでの範囲におけるNi含有量(質量%)が代入され、Ni(cp)にはオーステナイト系ステンレス鋼全体の平均のNi含有量(質量%)が代入される。
Ti+Mo/2+W/4≧2.0 (1)
Ni(sf)/Ni(cp)>1.00 (2)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。式(2)中のNi(sf)にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から5μm深さまでの範囲におけるNi含有量(質量%)が代入され、Ni(cp)にはオーステナイト系ステンレス鋼全体の平均のNi含有量(質量%)が代入される。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、次の元素を含有する。
炭素(C)は炭化物を形成し、クリープ強度を高める。C含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Cは、Ni、Nb及びCrと結合して炭化物を形成する。そのため、C含有量が高すぎれば、Laves相に代表される、金属間化合物の析出量が低減する。さらに、炭化物は高温で長時間加熱されると凝集して粗大化する。粗大な炭化物は結晶粒内及び粒界の強度を低下させる。したがって、C含有量は0.02%超〜0.20%である。C含有量の好ましい下限は0.04%であり、より好ましくは0.06%である。C含有量の好ましい上限は0.15%であり、より好ましくは0.10%である。
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含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は1.5%以下である。好ましいSi含有量は0.70%以下であり、さらに好ましくは0.50%以下である。
マンガン(Mn)は不可避に含有される。MnはSiと同様に、鋼を脱酸する。Mnはさらに、Sと結合してMnSを形成し、鋼の熱間加工性を高める。しかしながら、Mn含有量が高すぎれば、Mnはシグマ(σ)相の生成を促進して鋼の熱間加工性を低下させる。したがって、Mn含有量は1.0%以下である。好ましいMn含有量は0.70%以下であり、さらに好ましくは0.50%以下である。
クロム(Cr)は、鋼の耐水蒸気酸化性を高める。高温水蒸気酸化雰囲気において、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含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、組織の安定性が低下して高温クリープ強度が低下する。したがって、Cr含有量は15.0〜20.0%未満である。上述のとおり本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼を高温水蒸気酸化雰囲気で使用すると、表面の酸化スケール内に金属Ni層が形成される。この金属Ni層により、20.0%未満のCr含有量であっても優れた耐水蒸気酸化性が維持される。Cr含有量の好ましい下限は15.0%よりも高く、より好ましくは16.0%であり、さらに好ましくは17.0%である。Cr含有量の好ましい上限は19.5%であり、さらに好ましくは19.0%である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイトを安定化させる。Niはさらに、鋼の耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。Ni含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和するだけでなく、熱間加工性が低下する。Ni含有量が高すぎればさらに、原料コストが高くなる。したがって、Ni含有量は25.0〜45.0%未満である。Ni含有量の好ましい下限は25.0%よりも高く、より好ましくは26.0%であり、さらに好ましくは28.0%である。Ni含有量の好ましい上限は42.0%であり、さらに好ましくは40.0%である。
ニオブ(Nb)は、Niと結合してγ“相(Ni3Nb)を形成する。Nbはさらに、Feと結合してLaves相(Fe2Nb)を形成する。これらの金属間化合物(γ“相及びLaves相)が、高温環境中において粒界及び粒内に析出することにより、材料の高温クリープ強度が高まる。Nb含有量が低すぎれば上記効果が得られない。一方、Nb含有量が高すぎれば、鋼の靭性及び熱間加工性が低下する。したがって、Nb含有量は2.3〜7.0%である。Nb含有量の好ましい下限は2.3%よりも高く、より好ましくは2.5%であり、さらに好ましくは2.8%である。Nb含有量の好ましい上限は7.0%未満であり、より好ましくは6.5%であり、さらに好ましくは6.0%である。
チタン(Ti)は、Niと結合してγ”相(Ni3Ti)を形成する。Tiはさらに、Feと結合してLaves相(Fe2Ti)を形成する。これらの金属間化合物は、材料の高温クリープ強度を高める。一方、Ti含有量が多すぎれば、鋼の靭性及び熱間加工性が低下する。したがって、Ti含有量は4.0%以下である。Ti含有量の好ましい上限は3.8%以下であり、さらに好ましくは、3.5%以下である。
モリブデン(Mo)は、Feと結合してσ相(FeMo)を形成する。FeMoは材料の高温クリープ強度を高める。Mo含有量が多すぎれば、鋼の靭性及び熱間加工性が低下する。したがって、Mo含有量は8.0%以下である。Moの含有量の好ましい上限は6.0%以下であり、さらに好ましくは5.0%以下である。
タングステン(W)は、Feと結合してLaves相(Fe2W)を形成する。Fe2Wは材料の高温クリープ強度を高める。W含有量が多すぎれば、鋼の靭性及び熱間加工性が低下する。したがって、W含有量は16.0%以下である。Wの含有量の好ましい上限は14.0%以下であり、さらに好ましくは12.0%である。
T、Mo、及びW含有量はさらに、式(1)を満たす。
Ti+Mo/2+W/4≧2.0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の熱間加工性及び延性を低下させる。したがって、P含有量は0.020%以下である。好ましいP含有量は0.010%以下である。P含有量は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させる。したがって、S含有量は0.010%以下である。好ましいS含有量は0.008%以下である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
窒素(N)は不純物である。Nは、Nbと結合して窒化物を形成する。そのため、上述のNbを含有する金属間化合物(γ“相及びLaves相)の析出量が減少し、高温クリープ強度が低下する。さらに、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高温クリープ強度を低下させる。したがって、N含有量は0.030%以下である。好ましいN含有量は0.010%以下である。N含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ca:0〜0.020%、
Mg:0〜0.020%、
Zr:0〜0.500%、
B:0〜0.020%、及び
希土類元素:0〜0.100%
アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ボロン(B)、及び希土類元素(REM)はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、これらの元素はいずれも、鋼の強度、加工性及び耐水蒸気酸化性を高める。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、鋼の加工性及び溶接性が低下する。したがって、Al含有量は0〜0.100%であり、Ca含有量は0〜0.020%であり、Mg含有量は0〜0.020%であり、Zr含有量は0〜0.500%であり、B含有量は0〜0.020%であり、REM含有量は0〜0.100%である。
本明細書におけるREMは、Sc、Y、及びランタノイド(原子番号57番のLa〜71番のLu)の少なくとも1種以上を含有する。REM含有量は、これらの元素の合計含有量を意味する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、式(2)を満たす。
Ni(sf)/Ni(cp)>1.00 (2)
ここで、式(2)中のNi(sf)にはオーステナイト系ステンレス鋼の表層におけるNi含有量(質量%)が代入される。また、Ni(cp)にはオーステナイト系ステンレス鋼全体の平均のNi含有量(質量%)が代入される。本明細書において、オーステナイト系ステンレス鋼の表層とは、オーステナイト系ステンレス鋼における表面から5μm深さまでの範囲を意味する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例について説明する。
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。
製造された中間材に対して熱処理を実施する。熱処理を実施することにより、中間材の表面に金属酸化物層が形成される。
熱処理後の中間材に対して、Ni表面濃化処理を実施する。Ni表面濃化処理では、浴を準備する。熱処理後の中間材を浴に浸漬して、熱処理により形成された金属酸化物層を除去する。このとき、中間材の表層のFe及びCrの酸化物を含む金属酸化物層が除去される。その結果、表層のNi濃度が増加する。
上述のオーステナイト系ステンレス鋼はたとえば、高温水蒸気酸化雰囲気中で使用される。たとえば、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼が、ボイラ用鋼管として、発電プラントのボイラの加熱器管及び再熱器管に使用される場合がこれに相当する。
表1に示す化学組成を有する溶鋼を、真空溶解炉を用いて製造した。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板を垂直に切断し、表面を含むサンプルを採取した。サンプルを樹脂に埋め込み、表面近傍の断面を含む観察面を研磨した。研磨後の観察面に対して、上述の方法を用いて表層(表面から5μm深さまでの範囲)のNi含有量を求めた。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼板から、2mm×10mm×25mmの試験片を採取し、水蒸気酸化試験を実施した。
また、Ni濃化処理後のステンレス鋼板から、クリープ破断試験片を採取した。クリープ破断試験片は、厚さ方向中心部から採取した。クリープ破断試験片は丸棒試験片であり、直径は6mm、標点間距離は30mmであった。この試験片の長手方向は圧延方向とした。この試験片を用いて、クリープ破断試験を行った。クリープ破断試験は700〜800℃の大気雰囲気において実施した。得られた破断強度に基づいて、ラーソン−ミラーパラメータ法によって、700℃における1.0×104時間でのクリープ破断強度を求めた。
表2に、金属Ni層の占有率、スケール厚さ、及びクリープ破断強度を示す。
2、20 酸化スケール
3、30 内層酸化スケール
4、40 外層酸化スケール
50 金属Ni層
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.02%超〜0.20%、
Si:1.5%以下、
Mn:1.0%以下、
Cr:15.0〜20.0%未満、
Ni:25.0〜45.0%未満、
Nb:2.3〜7.0%、
Al:0〜0.100%、
Ca:0〜0.020%、
Mg:0〜0.020%、
Zr:0〜0.500%、
B:0〜0.020%、及び、
希土類元素:0〜0.100%を含有し、さらに、
Ti:4.0%以下、
Mo:8.0%以下、及び、
W:16.0%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
不純物のうち、P、S、及びNは、
P:0.020%以下、
S:0.010%以下、及び
N:0.030%以下、であり、
式(1)及び式(2)を満たす、オーステナイト系ステンレス鋼。
Ti+Mo/2+W/4≧2.0 (1)
Ni(sf)/Ni(cp)>1.00 (2)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。式(2)中のNi(sf)には前記オーステナイト系ステンレス鋼の表面から5μm深さまでの範囲におけるNi含有量(質量%)が代入され、Ni(cp)には前記オーステナイト系ステンレス鋼全体の平均のNi含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
Al:0.001〜0.100%、
Ca:0.0001〜0.020%、
Mg:0.0001〜0.020%、
Zr:0.0001〜0.500%、
B:0.0001〜0.020%、及び
希土類元素:0.0001〜0.100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であってさらに、
前記オーステナイト系ステンレス鋼の表面上に形成された内層酸化スケールと、
前記内層酸化スケール上に形成された外層酸化スケールと、
前記内層酸化スケールと前記外層酸化スケールとの界面に形成され、前記界面の60%以上を占める金属Ni層とを備える、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は鋼管である、オーステナイト系ステンレス鋼。
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JP2015188443A JP6575266B2 (ja) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | オーステナイト系ステンレス鋼 |
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