JP6702416B2 - オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管 - Google Patents

オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管 Download PDF

Info

Publication number
JP6702416B2
JP6702416B2 JP2018525232A JP2018525232A JP6702416B2 JP 6702416 B2 JP6702416 B2 JP 6702416B2 JP 2018525232 A JP2018525232 A JP 2018525232A JP 2018525232 A JP2018525232 A JP 2018525232A JP 6702416 B2 JP6702416 B2 JP 6702416B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
austenitic alloy
alloy material
less
material according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018525232A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2018003887A1 (ja
Inventor
正木 康浩
康浩 正木
貴代子 竹田
貴代子 竹田
孝裕 小薄
孝裕 小薄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Publication of JPWO2018003887A1 publication Critical patent/JPWO2018003887A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6702416B2 publication Critical patent/JP6702416B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C27/00Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/06Alloys based on chromium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/24Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/26Chromium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/54Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/56Platinum group metals
    • B01J23/64Platinum group metals with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/652Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/6522Chromium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/84Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/85Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/86Chromium
    • B01J23/866Nickel and chromium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/84Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/85Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/86Chromium
    • B01J23/868Chromium copper and chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/052Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 40%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/056Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C30/00Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/02Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/1208Oxides, e.g. ceramics
    • C23C18/1216Metal oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1254Sol or sol-gel processing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10Oxidising
    • C23C8/12Oxidising using elemental oxygen or ozone
    • C23C8/14Oxidising of ferrous surfaces
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10Oxidising
    • C23C8/16Oxidising using oxygen-containing compounds, e.g. water, carbon dioxide
    • C23C8/18Oxidising of ferrous surfaces
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001Austenite

Description

本発明は、オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管に関する。
将来の水素社会の実現に向けて、化石燃料に依存しない、すなわち二酸化炭素の発生を伴わないクリーンなエネルギーを用いて水素を製造するプロセスの開発が必要になっている。水素製造の方法としては、硫酸とヨウ化水素との熱分解を組み込んだISプロセス、または、高温水電解(水蒸気電解)等が考えられている。ISプロセスは化学的な水素製造とも言われ、大量の水素製造に適している。原理的には下記のとおりであり、高温の硫酸およびヨウ化水素の分解が含まれ、これらの反応は白金等の触媒により進行する。
SO → SO+HO(硫酸の熱分解:300度以上)
SO → SO+1/2O(SOの分解:≧850℃)
2HI → H+I(ヨウ化水素の分解:400℃)
SO+I+2HO → 2HI+HSO(ブンゼン反応:200℃)
O → H+1/2O(全体反応)
本プロセスの主たる課題には、装置/プラントに用いる材料の耐食性の向上および触媒の性能向上が挙げられる。反応には高温の強酸を用いるので、装置機器、配管類の腐食または劣化が深刻となる。特に硫酸分解部は極めて強い腐食環境にさらされるので、通常の金属材料では腐食は避けられない。触媒を用いるプロセスについては触媒自身の活性および耐久性が不十分であり、触媒材の開発とともにガス相または液相の接触効率を高める化学工学的な取り組みが進められている。
非特許文献1では、ISシステム用プラント材料の使用を目的に、高温での硫酸またはSO下におけるAlloy600、Alloy800等の耐食性合金の耐食性能が調査されている。
また、特許文献1では表面にCr欠乏層を備え、その外側(表面側)にCr主体の酸化スケール層を設けた、耐コーキング性と耐浸炭性を有するステンレス鋼管が開示されている。さらに非特許文献1ではSiC等のセラミックまたはガラスライニング材の適用も検討されている。これらの材料では殆ど腐食は起こらず、耐食性は良好とされている。
特開2005−48284号公報
田中伸行ら:材料と環境、55(2006)第320−324頁
Alloy600またはAlloy800といった高合金材料では、硫酸を含む環境では装置材として使えるほどの耐食性は全く得られていない。一方、クロムを中心とする酸化皮膜を設けた合金材料は皮膜のバリア性に基づく耐食性が期待されるが、ISプロセスの様な高温の硫酸環境では母材自身の耐食性が十分でない。セラミックまたはガラスライニング材は高い耐食性を有するものの材料コストが高く、また接続が難しいため接続部で腐食が起こる可能性が高い。さらにセラミックは脆化し易く損傷を受ける可能性もあり、プラント用装置材料として使用することは難しいという問題がある。
本発明は、硫酸を含む硫黄酸化物もしくは塩酸等を含む高温蒸気または高温溶液等にさらされるような過酷環境において、耐食性に優れ、かつ、低コストのオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管を要旨とする。
(1)母材が有する表面のうちの少なくとも一部に、厚さ0.1〜50μmのクロム酸化物を含む皮膜を備え、
前記皮膜の、Cr濃度が最大となる深さ位置における化学組成が、O、CおよびNを除く成分に占める割合として、原子%で、Cr:50%以上を含有し、
前記母材の化学組成が、質量%で、
C:0.001〜0.6%、
Si:0.01〜5.0%、
Mn:0.1〜10.0%、
P:0.08%以下、
S:0.05%以下、
Cr:15.0〜55.0%、
Ni:30.0〜80.0%、
N:0.001〜0.25%、
O:0.02%以下、
Mo:0〜20.0%、
Cu:0〜5.0%、
Co:0〜5.0%、
W:0〜10.0%、
Ta:0〜6.0%、
Nb:0〜5.0%、
Ti:0〜1.0%、
B:0〜0.1%、
Zr:0〜0.1%、
Hf:0〜0.1%、
Al:0〜1.0%、
Mg:0〜0.1%、
Ca:0〜0.1%、
残部:Feおよび不純物である、
オーステナイト合金材。
(2)前記母材の化学組成が、質量%で、
Mo:0.01〜20.0%、
Cu:0.01〜5.0%、
Co:0.01〜5.0%、
W:0.01〜10.0%、
Ta:0.01〜6.0%、
Nb:0.01〜5.0%、
Ti:0.01〜1.0%、
B:0.001〜0.1%、
Zr:0.001〜0.1%、
Hf:0.001〜0.1%、
Al:0.01〜1.0%、
Mg:0.0005〜0.1%、および、
Ca:0.0005〜0.1%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載のオーステナイト合金材。
(3)前記皮膜中に、Cu、V、W、Moおよび貴金属元素から選択される1種以上が含まれる、
上記(1)または(2)に記載のオーステナイト合金材。
(4)前記皮膜の表層における化学組成が、下記(i)および(ii)式を満足する、
上記(1)から(3)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
[Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≧30 ・・・(i)
[Cr]≦70 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号は、皮膜の表層における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
(5)前記Cr濃度が最大となる深さ位置における前記化学組成が、下記(iii)式を満足する、
上記(1)から(4)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
0.5≦[Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≦50 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は、Cr濃度が最大となる深さ位置における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
(6)前記皮膜が、Cu、V、WおよびMoから選択される1種以上とCrとを含む複合酸化物を含む、
上記(1)から(5)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
(7)前記皮膜が、SOを分解する作用を有する、
上記(1)から(6)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
(8)SOの分解速度が、単位面積当たりのSO供給速度:0.0071g/cm/分および反応温度:850℃の条件において、8.0×10−5g/cm/分以上である、
上記(1)から(7)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
(9)SOの分解速度が、単位面積当たりのSO供給速度:0.0071g/cm/分および反応温度:850℃の条件において、1.0×10−3g/cm/分以上である、
上記(1)から(8)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
(10)上記(1)から(9)までのいずれかに記載のオーステナイト合金材からなる、
オーステナイト合金管。
本発明によれば、硫酸等の硫黄酸化物またはハロゲン化水素等を含む高温過酷環境において、優れた耐食性を発揮するオーステナイト系合金材およびオーステナイト系合金管を得ることができる。
試験No.3の濃度プロファイルを示した図である。 試験No.10の濃度プロファイルを示した図である。 試験No.13の濃度プロファイルを示した図である。
本発明者らは、ISプロセス等の高温の強酸を使う環境、具体的には800℃を超えるSO蒸気を含む環境において、優れた耐食性を発揮する合金材を得るために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
表面に設けたクロム酸化物を含む皮膜は、ISプロセスでの工程である硫黄酸化物の分解に対して触媒的な活性を示すことを知見した。ここで、硫黄酸化物には、硫酸(HSO)、亜硫酸(HSO)、SO、SO等のSO、S等が含まれる。
特に、この分解活性が高い程、耐食性は向上することから、耐食性と触媒性とは相関すると考えられる。触媒作用によってSOが分解され、SOとなり硫黄酸化物の腐食性が減じられるためと推測される。
さらに、皮膜中にクロム酸化物以外にCu、V、WまたはMoなどが含有されるか、皮膜の表層側に、Cu、V、W、Moまたは貴金属元素などを含むと、これらの固有の触媒作用が加わり皮膜の触媒作用は強化され、結果として耐食性が向上する。
これらのことから、ISプロセスのような高温の硫黄酸化物またはハロゲン化水素を用いる化学プロセスにおける配管類などの装置材料として高い耐食性を示すだけではなく、触媒機能を有し、化学生産に寄与し得るオーステナイト合金材を開発するに至った。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
1.母材の化学組成
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。
C:0.001〜0.6%
Cは、Crと結合し結晶粒界にCr炭化物として析出し、合金の高温強度を高める効果を有する元素である。しかし過剰に含有させると、靭性が悪化する。また結晶粒界にCr欠乏層を形成し、耐粒界腐食性を損ねることがある。そのため、C含有量は0.001〜0.6%とする。C含有量は0.002%以上であるのが好ましい。また、C含有量は0.45%以下であるのが好ましく、0.3%以下であるのがより好ましい。
Si:0.01〜5.0%
Siは、酸素との親和力が強いため、Crを主体とする皮膜を均一に形成させる作用を有する。しかし過剰に含有させると、溶接性が劣化し、組織も不安定になる。そのため、Si含有量は0.01〜5.0%とする。Si含有量は0.03%以上であるのが好ましい。また、Si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。
Mn:0.1〜10.0%
Mnは、脱酸および加工性改善の効果を有する元素である。また、Mnはオーステナイト生成元素であることから、高価なNiの一部を置換することも可能である。しかし過剰に含有させると、クロム酸化物皮膜を母材酸化によって形成する場合にその生成を阻害するだけでなく、母材の加工性および溶接性を劣化させるおそれがある。そのため、Mn含有量は0.1〜10.0%とする。Mn含有量は5.0%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。
P:0.08%以下
S:0.05%以下
PおよびSは、結晶粒界に偏析し、熱間加工性を劣化させる。そのため、極力低減することが好ましい。しかしながら、過剰な低減はコスト高を招くため、P含有量は0.08%以下、S含有量は0.05%以下であれば許容される。P含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.04%以下であるのがより好ましい。また、S含有量は0.03%以下であるのが好ましく、0.015%以下であるのがより好ましい。
Cr:15.0〜55.0%
Crは、オーテナイト合金の耐食性を中心的に担う元素である。母材の酸化または腐食などによってCrを生じ、触媒性と耐食性とを発揮する。しかし過剰に含有させると、管製造性および使用中の高温での組織安定性を低下させる。そのため、Cr含有量は15.0〜55.0%とする。Cr含有量は20.0%以上であるのが好ましく、22.0%以上であるのがより好ましい。また、加工性とともに組織安定性の劣化を防止するためには、Cr含有量は35.0%以下であるのが好ましく、33.0%以下であるのがより好ましい。
Ni:30.0〜80.0%
Niは、Cr含有量に応じて安定したオーステナイト組織を得るために必要な元素である。また、Cが鋼中に侵入した場合、侵入速度を低減する働きがある。しかし過剰に含有させると、コスト高につながるだけでなく製造性の悪化を招く。そのため、Ni含有量は30.0〜80.0%とする。Ni含有量は70.0%以下であるのが好ましく、60.0%以下であるのがより好ましく、50.0%以下であるのがさらに好ましい。
N:0.001〜0.25%
Nは、高温強度改善に有効な元素である。しかし過剰に含有させると、加工性を大きく阻害する。そのため、N含有量は0.001〜0.25%とする。N含有量は0.002%以上であるのが好ましく、0.20%以下であるのが好ましい。
O:0.02%以下
O(酸素)は、不純物として存在する元素である。O含有量が0.02%を超えると、鋼中に酸化物系介在物が多量存在し、加工性が低下するだけでなく、鋼管表面疵の原因になる。そのため、O含有量は0.02%以下とする。
Mo:0〜20.0%
Moは、固溶強化元素として高温強度向上に有効な元素であり、硫酸または塩酸を含む超強酸環境における耐食性を向上させる元素である。特に硫黄とはMoS皮膜を作り耐食性を増進することも考えられる。そのため、Moを必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、シグマ相の析出を促進するため、溶接性および加工性の劣化を招く。そのため、Mo含有量は0〜20.0%とする。Mo含有量は15.0%以下であるのが好ましく、10.0%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得るためには、Mo含有量は0.01%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く、3.0%超であるのがさらに好ましい。
Cu:0〜5.0%
Cuは、オーステナイト相を安定にするとともに、高温強度向上に有効であり、またMoと同じく硫酸または塩酸を含む超強酸環境における耐食性を向上させる元素である。そのため、Cuを必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、著しく熱間加工性を低下させる。したがって、Cu含有量は5.0%以下とする。上記の効果を得るためには、Cu含有量は0.01%以上とするのが好ましい。Cu含有量は0.5%以上であるのが好ましく、3.5%以下であるのが好ましい。この範囲では、耐食性を発揮し、かつ、加工性も担保される。Cu含有量は1.0%以上であるのがより好ましく、3.0%以下であるのがより好ましい。
Co:0〜5.0%
Coは、オーステナイト相を安定にするため、Niの一部を置換することができる。そのため、Coを必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、著しく熱間加工性を低下させる。したがって、Co含有量は5.0%以下とする。Co含有量は3.0%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Co含有量は0.01%以上とするのが好ましい。
W:0〜10.0%
Ta:0〜6.0%
WおよびTaは、いずれも固溶強化元素として高温強度向上に有効な元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、加工性を劣化させるだけでなく組織安定性を阻害する。したがって、W含有量は10.0%以下とし、Ta含有量は、6.0%以下とする。W含有量は8.0%以下であるのが好ましい。また、Ta含有量は2.5%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。上記の効果を得るためには、WおよびTaの少なくとも一方の含有量を0.01%以上とするのが好ましい。
Nb:0〜5.0%
Ti:0〜1.0%
NbおよびTiは、極微量の添加であっても、高温強度、延性および靱性の改善に大きく寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、加工性および溶接性を劣化させる。したがって、Nb含有量は5.0%以下とし、Ti含有量は1.0%以下とする。上記の効果を得るためには、NbおよびTiの少なくとも一方の含有量を0.01%以上とするのが好ましい。
B:0〜0.1%
Zr:0〜0.1%
Hf:0〜0.1%
B、ZrおよびHfは、いずれも粒界を強化し、熱間加工性および高温強度特性を改善するのに有効な元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、溶接性を劣化させる。したがって、B、ZrおよびHfの含有量は、いずれも0.1%以下とする。上記の効果を得るためには、B、ZrおよびHfから選択される1種以上の含有量を0.001%以上とするのが好ましい。
Al:0〜1.0%
Mg:0〜0.1%
Ca:0〜0.1%
Al、MgおよびCaは、いずれも熱間加工性を改善するのに有効な元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし過剰に含有させると、溶接性を劣化させる。したがって、Al含有量は1.0%以下とし、MgおよびCaの含有量は、いずれも0.1%以下とする。Al含有量は0.6%以下であるのが好ましく、MgおよびCaの含有量は、いずれも0.06%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、Al:0.01%以上、Mg:0.0005%以上およびCa:0.0005%以上から選択される1種以上を含有させるのが好ましい。また、MgおよびCaの含有量は0.001%以上であるのがより好ましい。
本発明のオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管の母材の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。
ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
2.皮膜
本発明に係るオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管は、母材が有する表面のうちの少なくとも一部に、クロム酸化物を含む皮膜を備える。クロム酸化物は、クロムを主体とする酸化物であり、例えば、クロミア(Cr)または水酸化クロム(Cr(OH))等である。
そして、上記の皮膜の、Cr濃度が最大となる深さ位置(以下、「最大Cr深さ位置」ともいう。)における化学組成は、O、CおよびNを除く成分に占める割合として、原子%で、50%以上のCrを含有する必要がある。皮膜中に50%以上のCrを含む部分が存在することによって、緻密で遮蔽性が高い酸化物皮膜を得ることが可能となる。緻密性と触媒性との向上により耐食性をさらに向上させるためには、最大Cr深さ位置におけるCr含有量は70%以上とするのが好ましく、90%以上とするのがより好ましい。
また、クロム酸化物は硫黄酸化物に対して触媒として分解性を有する。そのため、皮膜中のCr含有量が高い程、触媒性能が増し、分解効率が向上する。前記したように耐食性と分解性との間には正の相関関係が認められる。おそらく皮膜表面において、腐食性が強いSOが分解され腐食性がマイルドなSOになることで、皮膜だけでなく母材への腐食性が低下するためと推測される。
上記の皮膜の厚さは、0.1〜50μmとする。厚さが0.1μm未満ではバリア性の効果がほとんど見られない。一方、厚さが50μmを超えると、皮膜内の応力蓄積量が増え、亀裂および剥離が生じやすくなる。その結果、硫黄酸化物およびハロゲン化水素の侵入が容易になり、耐食性の低下を招く。クロム酸化物皮膜の厚さは0.5μm以上であるのが好ましく、20μm以下であるのが好ましく、10μm以下であるのがより好ましい。
皮膜中には、Cu、V、W、Mo(以下の説明において、これらの金属元素をまとめて「M」と表記することがある。)、および貴金属元素(Pt、Pd、Ag、Re、Ru等を含み、これらをまとめて「PM」と表記することがある。)から選択される1種以上が含まれていてもよい。これらの元素はクロム酸化物と同様に触媒性を有するため、これらの元素を含有することにより、皮膜自体の硫黄酸化物の触媒分解性が向上し、結果として耐食性が強化される。
PMは、皮膜中に金属として含まれることとなる。一方、Mは、金属として含まれてもよいが、水酸化物または酸化物として含まれていてもよい。具体的には、Mは、CuO、CuO、CuOH、Cu(OH)、MoO、Mo(OH)、WO、W(OH)等として皮膜中に含まれてもよい。また、MおよびPMの存在形態としては、Crを主成分とする皮膜中に分層または分散して存在していてもよい。さらに、Mはクロム酸化物中にクロムの一部を置換して存在していてもよい。
また、Mは皮膜中において、クロムとの複合酸化物を形成していてもよい。複合酸化物としては、例えば、CuCr、CuCrO、VCrO、WCrO、MoCrO、Mo(CrO等が挙げられる。
さらに、Mおよび/またはPMは、クロム酸化物を主体とする層の上層または下層に積層するように存在していてもよい。この場合、PMは金属として存在することとなる。一方、Mは、金属として存在していてもよいし、酸化物として存在していてもよいし、クロムとの複合酸化物として存在していてもよい。
上述のように、MおよびPMは触媒分解性を向上させる効果を有するため、皮膜の表層側に濃化していることが好ましい。具体的には、皮膜の表層における化学組成が、下記(i)および(ii)式を満足することが望ましい。
[Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≧30 ・・・(i)
[Cr]≦70 ・・・(ii)
但し、上記式中の各記号は、皮膜の表層における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
Mおよび/またはPMが皮膜の表層側に濃化する形態についても特に制限はなく、Mおよび/またはPMを含む層がクロム酸化物を主体とする層の上層に形成されていてもよいし、皮膜の表層側ほどMおよび/またはPMの濃度が高くなるような傾斜組成を有していてもよい。
Mおよび/またはPMは、最大Cr深さ位置において含まれていてもよい。すなわち、Mおよび/またはPMは、最大Cr深さ位置において、クロム酸化物中に分散してまたはクロムとの複合酸化物として存在していてもよい。しかし、上述のように、最大Cr深さ位置におけるCr含有量が50%以上である必要があるため、最大Cr深さ位置におけるMおよびPMの含有量は、下記(iii)式を満足することが望ましい。
0.5≦[Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≦50 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は、Cr濃度が最大となる深さ位置における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
なお、本発明において、皮膜の表層および最大Cr深さ位置における組成の測定は、Arスパッタリング等を組み合わせたXPS、AES、SIMS等を用いた深さ分析により行うものとする。ここで、「表層」とは、皮膜の最表面から10〜30nmの領域を意味し、上記の領域内での測定結果の平均値を表層の化学組成として用いることとする。また、Crの深さ方向における濃度プロファイルから最大Cr深さ位置を特定する。なお、Cr濃度が皮膜の表層で最大になることもあるが、その場合には、表層と最大Cr深さ位置とが一致することとなる。また、最大Cr深さ位置が複数存在する場合には、そのうち母材に最も近い深さ位置を採用することとする。
その後、表層および最大Cr深さ位置において、皮膜中に含まれる全金属元素の濃度を求め、各金属元素の濃度を、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)として算出する。ここで、本発明における皮膜中に含まれる金属元素には、Cr、Cu、V、W、Moおよび貴金属元素のほかに、母材中の主要元素であるNiおよびFeに加えて、Si、Ti、Al、Mn、Nb等が微量に含まれる場合もある。
皮膜の厚さは、透過型顕微鏡(TEM)または走査型顕微鏡(SEM)による直接観察で求めてもよいが、上述の測定によって得られたXPS、AES、SIMSの濃度プロファイルから求めることが好ましい。XPS、AES、SIMSの濃度プロファイルの場合、具体的には、母材側に最も近いOのピークにおいて、ピークの母材側において、Oの最大濃度の半分の濃度となる位置を、皮膜と母材との境界部と判断し、皮膜表面から上記の境界部までの長さを、皮膜の厚さとする。皮膜の組成および厚さの測定は、複数カ所で行い、その平均値を採用することが望ましい。また、皮膜を構成する各組織の構造については、XRDまたはラマン分光法を用いることにより特定することができる。
3.触媒性能(SO分解活性)
母材表面の少なくとも一部に上記の皮膜を備えるオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管は、硫酸を含む硫黄酸化物の分解に触媒活性を有することが好ましい。分解作用を有することによって、母材の耐食性が向上するとともに、ISプロセス等の硫黄酸化物の分解が含まれる化学プロセスには配管材料等として使用することで、プロセスとして分解効率の向上に寄与することができる。
本発明に係るオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管が有するSO分解活性の度合いについては特に制限は設けないが、単位面積当たりのSO供給速度:0.0071g/cm/分および反応温度:850℃の条件におけるSOの分解速度が、8.0×10−5g/cm/分以上であるのが好ましい。SOの分解速度は、5.0×10−4g/cm/分以上であるのがより好ましく、1.0×10−3g/cm/分以上であるのがさらに好ましく、2.0×10−3g/cm/分以上であるのが特に好ましい。SOの分解速度(g/cm/分)は、上記の条件におけるSO分解量(g/分)を反応面積、すなわちガスと接触しうる皮膜面積(cm)で除した値を意味する。
なお、SO供給速度とは、常温でのSO濃度(g/L)×流量(L/分)/反応面積により算出される。反応面積とは反応ガスと接触しうる、クロム酸化物を含む皮膜で覆われている面積を指す。この0.0071g/cm/分の供給速度以上では、ゼロ次反応、いわゆる反応律速に近づく。したがって、SOの分解速度を評価する際には、0.0071g/cm/分以上の供給速度を採用してもよい。
SOの分解速度の測定の方法は限定されないが、以下のようにして行うことができる。一定濃度のSOガスを含んだ窒素またはアルゴンなどの不活性ガスをガスが発散しないように管状の試料内に反応ガスを一定速度で流通させ、850℃まで温度を上げ、SOが分解し生成したSOおよび/またはOの濃度を定量し、ガス流量を乗じて分解量(g/分)を算出し反応面積で除する。SOの濃度としては、限定はされないが、測定精度および扱いやすさなどから、2〜20体積%程度に設定するのが好ましい。流量は、SO供給速度を0.0071g/cm/分以上となるように、SO濃度に応じて適宜設定すればよい。
ここで、本発明におけるオーステナイト合金材には、板状および管状の材料だけでなく、粒状またはメッシュ状の材料も含まれる。粒状またはメッシュ状のオーステナイト合金材を反応ガスの流路に配置することで、合金材が有する皮膜と反応ガスとの接触面積を増やすことができ、SO分解量を増大させることが可能になる。
4.製造方法
本発明に係るオーステナイト合金材およびオーステナイト合金管の製造条件については特に制限はない。例えば、オーステナイト合金管を得る場合には、溶解、鋳造、熱間加工、冷間加工、溶接等の手段によって、継目無管、溶接管等の所望の鋼管形状に成形すればよい。また、粉末冶金または遠心鋳造等の手法によって所望の鋼管形状に成形してもよい。
母材表面にクロム酸化物を含む皮膜を形成する方法についても限定されない。例えば、Cr等の母材に含まれる成分を、熱的酸化または腐食(エッチングを含む)によって、表面に拡散または露出させることによって、皮膜を形成することができる。その他にも、CrならびにMおよび/またはPMを、コーティングまたは蒸着などの方法により外部から付与することで皮膜を形成することもできる。さらには、これらの方法のうち2種類以上を組み合わせることも可能である。なお、上記の皮膜の形成後は、必要に応じて熱処理を実施し、皮膜の密着力を高めたり、MをCrとの複合酸化物としたり、皮膜を構成する酸化物粒子の結晶性を高めて触媒能力を向上させたりすることもできる。
クロム酸化物を主体とする層の上層にMおよび/またはPMを含む層を形成する方法、ならびに表層側ほどMおよび/またはPMの濃度が高くなるような傾斜組成を有する皮膜を形成する方法についても特に限定されず、例えば、コーティングまたは蒸着などの方法を用いることができる。特にPMを含む皮膜を形成する場合には、塩化白金酸、塩化パラジウムなどの塩化金属化合物を含む溶液を、クロム酸化物皮膜上に付着させ、その後、水素雰囲気下において500℃で還元処理を行い、PMを表面に担持することができる。
また、Cu、V等の元素を含む皮膜を形成させる場合は、硝酸銅、硝酸バナジウムなどの化合物を含む溶液を同様にクロム酸化物皮膜上に付着させ、適切な雰囲気で熱処理することができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表1に示す化学組成を有する各種の合金を高周波加熱真空炉で溶解し、通常の方法で熱間鍛造、熱間圧延および冷間圧延を行って、外径20mm、肉厚2mmのオーステナイト合金管を作製した。次いで1100〜1200℃の温度範囲内で固溶化処理を30分間施した。
クロム酸化物を含む皮膜の作製は、下記2種類の方法に加えて、それらを組み合わせた方法の3種類の方法で行った。
A)上記固溶化熱処理の際、雰囲気中に水蒸気(1〜10体積%)を混入させ、母材を酸化させ皮膜を形成した(試験No.1〜3、16〜19、21、23〜26、28、29)。
B)上記固溶化熱処理後、所望の皮膜組成(Crと金属酸化物MOとの混成酸化物)となるようにゾルゲルコーティング法によって皮膜を形成した。コーティング用のゾル液は、金属硝酸塩、金属酢酸塩、またはM(OC2n+1で示される金属アルコキシドを脱水アルコールに溶解し、必要に応じて硝酸等の重合促進触媒、ジエタノールアミン等の安定化材を添加することによって作製した(試験No.5〜7、14、22)。
方法Bの場合、皮膜の組成は、CrとMo、Cu、W、Vの中から選択される酸化物の各ゾル液とを所定の比率で混合することで調整した。皮膜の形成は下記のように実施した。すなわち、混合したゾル液を管全面にディップ法により付着させ100℃の乾燥によりゲル化させた。これを450℃の酸化雰囲気で熱処理することで、脱水し、さらに有機物を蒸発、燃焼させるとともに結晶化させることによりクロム酸化物を主体とする皮膜をオーステナイト合金管内面に形成した。皮膜厚さの調整は、上記ゾルゲルコートを複数回行うことで行った。なお、試験No.7については、上記の450℃の酸化雰囲気での熱処理の後に、さらに850℃で熱処理することにより、複合酸化物(CuCr)を含む皮膜を形成した。
さらに、表2に「A+B」と示す一部の試料については、Aの方法で作製したクロム酸化物皮膜の上に、PMまたはMの酸化物を含む皮膜を形成した。具体的には、試験No.4および20では、塩化白金酸または塩化パラジウムを含む溶液を、クロム酸化物皮膜上に付着させた後、水素雰囲気において500℃で還元処理を行い、PMを表面に担持した。
また、試験No.10、11、12、15では、Aの方法で作製したクロム酸化物皮膜の上に、前記のように金属硝酸塩、金属酢酸塩、またはM(OC2n+1で示される金属アルコキシドを脱水アルコールに溶解し、必要に応じて硝酸等の重合促進触媒、ジエタノールアミン等の安定化材を添加することによって作製したゾル液を塗布した。次いで450℃において酸化雰囲気で熱処理し、金属酸化物MOとしてクロム酸化物皮膜上に形成した。
試験No.8については、上記の450℃の酸化雰囲気での熱処理の後に、さらに0.1体積%の水蒸気を含むアルゴン雰囲気下で、850℃で熱処理することにより、複合酸化物(CuCrO)をクロム酸化物皮膜上に形成した。
試験No.9では、Aの方法で作製したクロム酸化物皮膜の上に、CuOを含むゾル液を塗布し、乾燥後、500℃水素100%の雰囲気で還元処理することにより、金属Cuをクロム酸化物皮膜上に形成した。
試験No.13では、Aの方法で作製したクロム酸化物皮膜上に、Bの方法でCuOを塗布した後、高温で大気焼成することにより、複合酸化物(CuCr)をクロム酸化物皮膜上に形成した。
図1〜3にそれぞれ、試験No.3、10および13の深さ方向におけるO、CおよびNを除く各成分の濃度プロファイルを示す。
Figure 0006702416
Figure 0006702416
以上のようにして得られた本発明のオーステナイト合金材について、下記の方法により耐食性と触媒性能とを評価した。
<耐食性の評価>
耐食試験用の石英管に10mm×30mm×2mmに切断した試料を置き、アルゴンガスを流しながら850℃に加熱した。次いで濃硫酸を350℃以上で熱分解させSOを発生させアルゴンガスと混ぜ、石英管内に2%のSOガスとして流通させた。1000時間経過後、試料の試験前後の重量の差により腐食減量を測定した。さらに、皮膜の形態の変化、ならびに、皮膜下の母材の粒界腐食および酸化有無を考慮して、合金管の耐食性を総合的に評価した。
<触媒能力の評価>
流通系評価装置に試験管(外径20mm、内径16mm、長さ100mm、内面積50cm)を配置し、アルゴンガスを試験管内部に流しながら850℃まで加熱した。次いで前記のように濃硫酸の熱分解で得たSOをアルゴンガスと混ぜながら試験管内に導入・流通させた。
この際、反応ガスは流量1000mL/分、SO濃度が10体積%になるように、濃硫酸の分解量とアルゴンガス量とを調整した。本試験条件より、SO供給速度は0.0071g/cm/分であった。反応の評価は、生成ガスをヨウ素液で洗浄した後、生成物の一つであるOをガスクロマトグラフで濃度測定することで行った。そして、単位時間当たりのSO分解量(酸素量の2倍から算出、g/分)を面積で除することによって、SOの分解速度(g/cm/分)を算出した。
これらの結果を表2に併せて示す。
表2に示すように、本発明の規定を全て満足する試験No.1〜26では、優れた耐食性を示すことが分かる。そして、皮膜を観察すると皮膜は健全であり、剥離または割れは生じていなかった。さらに、母材にも腐食した様子は認められなかった。なお、表2に示される耐食性評価においては、腐食減量が0.0001mg/cm/h未満を「A」、0.0001mg/cm/h以上0.001mg/cm/h未満を「B」、0.001mg/cm/h以上0.01mg/cm/h未満を「C」、0.01mg/cm/h以上を「D」とした。ただし、皮膜に割れ等不健全な特徴が見られた場合は、減量が少なくても「D」とした。
なかでも、クロム酸化物皮膜の上にCu、Mo、W、V、またはPMを含む皮膜を設けた試験No.4、8〜13、15および20は、表2から分かるように、皮膜は健全であり腐食は見られなかった。また、SOの分解速度は、Cr皮膜単独の場合に比べて大幅に増加していた。積層した皮膜によって皮膜表面でのSOの分解性が増進されたため、耐食性が向上したと考えられる。
また、クロム酸化物皮膜中に、Cu、Mo、またはWの酸化物を含有させた試験No.5〜7、14、22は、皮膜厚さが比較的薄いにも関わらず、優れた耐食性が確認された。これらの酸化物はCrと同様にSOの分解に触媒活性を有するが、皮膜によっても同様であり高いSO分解速度が得られた。
これらに対して、クロム酸化物皮膜を形成しなかった試験No.27では、耐食性が劣る結果となった。また、クロム酸化物皮膜の厚さが規定の範囲を超える試験No.28では、腐食減量はさほど大きくなかったが、皮膜には大きなクラックが生じており、それを起点に腐食が進行していた。さらに、母材のCr濃度が規定値を下回る試験No.29では、腐食減量も高く、皮膜に剥離が見られた。
本発明によれば、硫酸等の硫黄酸化物またはハロゲン化水素等を含む高温過酷環境において、優れた耐食性を発揮するオーステナイト系合金材およびオーステナイト系合金管を得ることができる。

Claims (9)

  1. 母材が有する表面のうちの少なくとも一部に、厚さ0.1〜50μmのクロム酸化物を含む皮膜を備え、
    前記皮膜の、Cr濃度が最大となる深さ位置における化学組成が、O、CおよびNを除く成分に占める割合として、原子%で、Cr:50%以上を含有し、
    前記皮膜中に、Cu、V、W、Moおよび貴金属元素から選択される1種以上が含まれ、
    前記母材の化学組成が、質量%で、
    C:0.001〜0.6%、
    Si:0.01〜5.0%、
    Mn:0.1〜10.0%、
    P:0.08%以下、
    S:0.05%以下、
    Cr:15.0〜55.0%、
    Ni:30.0〜80.0%、
    N:0.001〜0.25%、
    O:0.02%以下、
    Mo:0〜20.0%、
    Cu:0〜5.0%、
    Co:0〜5.0%、
    W:0〜10.0%、
    Ta:0〜6.0%、
    Nb:0〜5.0%、
    Ti:0〜1.0%、
    B:0〜0.1%、
    Zr:0〜0.1%、
    Hf:0〜0.1%、
    Al:0〜1.0%、
    Mg:0〜0.1%、
    Ca:0〜0.1%、
    残部:Feおよび不純物である、
    オーステナイト合金材。
  2. 前記母材の化学組成が、質量%で、
    Mo:0.01〜20.0%、
    Cu:0.01〜5.0%、
    Co:0.01〜5.0%、
    W:0.01〜10.0%、
    Ta:0.01〜6.0%、
    Nb:0.01〜5.0%、
    Ti:0.01〜1.0%、
    B:0.001〜0.1%、
    Zr:0.001〜0.1%、
    Hf:0.001〜0.1%、
    Al:0.01〜1.0%、
    Mg:0.0005〜0.1%、および、
    Ca:0.0005〜0.1%、
    から選択される1種以上を含有する、
    請求項1に記載のオーステナイト合金材。
  3. 前記皮膜の表層における化学組成が、下記(i)および(ii)式を満足する、
    請求項1または請求項2に記載のオーステナイト合金材。
    [Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≧30 ・・・(i)
    [Cr]≦70 ・・・(ii)
    但し、上記式中の各記号は、皮膜の表層における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
  4. 前記Cr濃度が最大となる深さ位置における前記化学組成が、下記(iii)式を満足する、
    請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
    0.5≦[Cu]+[V]+[W]+[Mo]+[PM]≦50 ・・・(iii)
    但し、上記式中の各記号は、Cr濃度が最大となる深さ位置における各元素が、O、CおよびNを除く成分に占める割合(原子%)を表し、PMは貴金属元素の意味である。
  5. 前記皮膜が、Cu、V、WおよびMoから選択される1種以上とCrとを含む複合酸化物を含む、
    請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
  6. 前記皮膜が、SOを分解する作用を有する、
    請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
  7. SOの分解速度が、単位面積当たりのSO供給速度:0.0071g/cm/分および反応温度:850℃の条件において、8.0×10−5g/cm/分以上である、
    請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
  8. SOの分解速度が、単位面積当たりのSO供給速度:0.0071g/cm/分および反応温度:850℃の条件において、1.0×10−3g/cm/分以上である、
    請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材。
  9. 請求項1から請求項までのいずれかに記載のオーステナイト合金材からなる、
    オーステナイト合金管。
JP2018525232A 2016-06-28 2017-06-28 オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管 Active JP6702416B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016127963 2016-06-28
JP2016127963 2016-06-28
PCT/JP2017/023824 WO2018003887A1 (ja) 2016-06-28 2017-06-28 オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018003887A1 JPWO2018003887A1 (ja) 2019-05-16
JP6702416B2 true JP6702416B2 (ja) 2020-06-03

Family

ID=60785292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018525232A Active JP6702416B2 (ja) 2016-06-28 2017-06-28 オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20200087759A1 (ja)
EP (1) EP3476970A4 (ja)
JP (1) JP6702416B2 (ja)
KR (1) KR20190022724A (ja)
CN (1) CN109415796A (ja)
CA (1) CA3028948C (ja)
EA (1) EA201990138A1 (ja)
WO (1) WO2018003887A1 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6780558B2 (ja) * 2017-03-22 2020-11-04 日本製鉄株式会社 Cr含有合金の腐食抑制方法
JP6844486B2 (ja) * 2017-09-28 2021-03-17 日本製鉄株式会社 オーステナイト合金材の製造方法
KR102352743B1 (ko) * 2018-01-10 2022-01-18 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 오스테나이트계 내열 합금 및 그 제조 방법
EP3797179B1 (en) * 2018-05-23 2024-01-17 Alleima Tube AB New austenitic alloy
FR3097877B1 (fr) * 2019-06-28 2021-06-11 Manoir Ind alliage réfractaire à base de nickel et à haute teneur en chrome et procédé de conception associé
DE102019123174A1 (de) * 2019-08-29 2021-03-04 Mannesmann Stainless Tubes GmbH Austenitische Stahllegierung mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit bei Hochtemperaturbeanspruchung
CN113461478A (zh) * 2020-03-30 2021-10-01 中国石油化工股份有限公司 用于甲烷氧化偶联的反应器及其应用
JP7469635B2 (ja) 2020-05-13 2024-04-17 日本製鉄株式会社 Fe基合金管および溶接継手
CN111926231B (zh) * 2020-08-27 2021-08-03 湘潭大学 制备氧化物弥散强化MoNbTaVW难熔高熵合金方法
CN115772626B (zh) * 2022-11-17 2023-11-28 华能国际电力股份有限公司 一种镍基高温合金及其制备方法和应用

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3982066A (en) * 1975-07-25 1976-09-21 Rca Corporation Metal coating for video discs
JPH03107462A (ja) * 1989-09-21 1991-05-07 Seiko Instr Inc 恒温鍛造用金型
JP3480091B2 (ja) * 1994-11-29 2003-12-15 住友金属工業株式会社 発色用ステンレス鋼板
JP4042362B2 (ja) * 2000-08-11 2008-02-06 住友金属工業株式会社 Ni基合金製品とその製造方法
JP3960069B2 (ja) * 2002-02-13 2007-08-15 住友金属工業株式会社 Ni基合金管の熱処理方法
JP4442331B2 (ja) * 2003-07-17 2010-03-31 住友金属工業株式会社 耐浸炭性と耐コーキング性を有するステンレス鋼およびステンレス鋼管
JP4997808B2 (ja) * 2006-03-30 2012-08-08 Jfeスチール株式会社 耐塩酸性に優れる耐硫酸露点腐食鋼
JP4383499B2 (ja) * 2007-01-15 2009-12-16 敏夫 成田 耐酸化性合金皮膜、耐酸化性合金皮膜の製造方法および耐熱性金属部材
CN103080364B (zh) * 2010-08-26 2015-02-25 新日铁住金株式会社 含Cr奥氏体合金管及其制造方法
JP6259336B2 (ja) * 2014-03-26 2018-01-10 日本冶金工業株式会社 Ni基合金およびその製造方法
JP6505415B2 (ja) * 2014-11-04 2019-04-24 日本冶金工業株式会社 加工性と耐食性に優れたFe−Cr−Ni系合金材料の表面処理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109415796A (zh) 2019-03-01
EA201990138A1 (ru) 2019-06-28
EP3476970A4 (en) 2019-05-08
CA3028948A1 (en) 2018-01-04
JPWO2018003887A1 (ja) 2019-05-16
US20200087759A1 (en) 2020-03-19
CA3028948C (en) 2021-05-11
EP3476970A1 (en) 2019-05-01
WO2018003887A1 (ja) 2018-01-04
KR20190022724A (ko) 2019-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6702416B2 (ja) オーステナイト合金材およびオーステナイト合金管
JPWO2005078148A1 (ja) 浸炭性ガス雰囲気下で使用するための金属管
JP4329883B1 (ja) 耐浸炭性金属材料
JP4692289B2 (ja) 耐メタルダスティング性に優れた金属材料
JP5177330B1 (ja) 耐浸炭性金属材料
EP3437791B1 (en) Welded structural member
JP2007504358A (ja) 耐メタルダスティング性の製品
WO2007080856A1 (ja) 耐メタルダスティング性に優れた金属材料
WO2002103072A1 (en) Metal material having good resistance to metal dusting
JPWO2019131954A1 (ja) オーステナイト系耐熱合金
JPWO2018003823A1 (ja) オーステナイト系ステンレス鋼
WO2018003941A1 (ja) フェライト系耐熱鋼及びフェライト系伝熱部材
JP6805574B2 (ja) オーステナイト系耐熱鋼及びオーステナイト系伝熱部材
JP4687467B2 (ja) 加工性及び耐メタルダスティング性に優れた金属材料
JP2008214734A (ja) 耐メタルダスティング性に優れた金属材料
JP2004276035A (ja) 金属複合管の耐コーキング性に優れた溶接継手
JP2019516015A (ja) フェライト合金
JP6846838B2 (ja) 耐熱合金部材の製造方法、合金皮膜の製造方法および高温装置の製造方法
JP2019065313A (ja) オーステナイト合金材の製造方法
EP3495526A1 (en) Austenitic stainless steel
CN111601913B (zh) 奥氏体系耐热合金及其制造方法
JP6440340B1 (ja) 処理機器およびその製造方法ならびに構造体およびその製造方法
JP2018159101A (ja) Cr含有合金の腐食抑制方法
JPH051344A (ja) 耐コーキング性に優れたエチレン分解炉管用耐熱鋼
JP4633748B2 (ja) ごみ焼却炉用の高耐食ボイラ肉盛管の製造方法及びこれに用いる粉末肉盛材料

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190924

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191114

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200407

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200420

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6702416

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151