JPH0142346B2

JPH0142346B2 -

Info

Publication number: JPH0142346B2
Application number: JP58098509A
Authority: JP
Inventors: Takashi Zaizen; Yasuo Otoguro; Katsumi Suzuki; Katsukuni Hashimoto; Mizuo Sakakibara; Masao Onoyama; Toshio Fujita
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-06-02
Filing date: 1983-06-02
Publication date: 1989-09-12
Also published as: JPS59222561A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は優れた高温クリープ特性、高温脆化特
性、高温腐食特性、溶接性をもつたオーステナイ
ト系耐熱合金に係わるものである。 1974年オイルシヨツク以後原油等燃料の高騰に
より、電力の発電コストに占める燃料費の割合が
大きくなりその後米国では火力発電用タービンの
高温・高圧化が計画されている。我国では米国よ
りも燃料が高いので、米国よりさらに高温・高圧
化に進むものと考えられる。高温・高圧化によつ
て得られるプラントの効率の上昇分は、例えば蒸
気温度を現状の538℃から650℃に高め、圧力を
3500psigから5000psigまで高めた場合約７％であ
るといわれている。このような蒸気条件で使用で
きるボイラー用耐熱合金の開発が進められてい
る。蒸気温度650℃の場合、ボイラーのメタル温度
は720℃附近になるが、この使用温度に耐えうる
耐熱材料は従来のSUS347、SUS316、SUS310の
オーステナイトステンレス鋼では不十分でさらに
高強度のものが必要になる。また従来のオーステ
ナイトステンレス鋼、例えばSUS347やSUS316
では常温の耐食性を中心に考えて開発されてきた
ので、高温の使用に耐えうるものに成分的な検討
を加え、高温強度、高温腐食性、溶接性などの点
においてボイラー用材料に必要な性能を具備する
耐熱合金を開発する必要がある。本発明はこのような情況にかんがみ種々の実験
事実を総合的に判断した結果、全く新規な成分の
耐熱合金を開発することに成功し、本発明をなし
たものである。即ち本発明は、重量パーセントでC0.03〜0.15
％、Si0.1〜3.5％、Mn0.3〜1.5％、Cr18〜30％、
Ni18.5〜50％、Mo0.5〜3.0％、V0.01〜0.3％、
Ti0.01〜0.5％、Nb0.01〜0.5％、B0.003〜0.01％、
P0.04％以下、S0.005％以下、N0.02〜0.4％を含
有し、ＮとSiの割合が重量％で式Ｎ％≧0.01＋
0.11Si％を満足する範囲にあるもの、さらにＷを
0.1〜6.0％含有せしめたもので、残部鉄および不
可避不純物からなることを特徴とするＶ、Ｎを含
むオーステナイト系耐熱合金である。なお、類似の合金鋼として特開昭53−106621号
公報記載の鋼が提案されているが、該材料はＮ、
Ｂを添加せずしかもＣが0.029％以下であつて、
耐応力腐食割れ性の点ではすぐれているものの、
高温強度や耐クリープ性の点では前述の如くＮ、
Ｂなどの高温強度向上元素を添加していないこと
や高温強度向上元素の一つであるＣ量が少ない点
で、高温特性を十分保証することはできない。以下に本発明を詳細に説明する。先ずＣの成分限定理由について述べると、炭化
物の形状や分布はクリープ破断強さや破断伸びに
大きな影響を与えるので、Ｃ量はCr、Mo、Ti、
Ｂ、Nbとクリープ特性に効果的な炭化物を形成
するに必要な量を最少限添加する必要がある。一
方溶接時高温割れを防止するためにはＣ量をでき
る限り下げる必要がある。以上の観点からＣの下
限を0.03％、上限を0.15％と定めた。次にSiの成分範囲を0.1〜3.5％と定めたのは次
のような実験に基づくものである。第１図は0.05
％Ｃ、1.0％Mn、20％Cr、25％Ni、0.5％Mo、
0.01％Ｖ、0.05％Ti、0.2％Nb、0.005％Ｂ、0.02
％Ｐ、0.002％Ｓ、0.2％Ｎの高Ｎ材（図中□印）、
と0.1％Ｃ、1.0％Mn、21％Cr、25％Ni、0.5％
Mo、0.01％Ｖ、0.1％Ti、0.2％Nb、0.004％Ｂ、
0.02％Ｐ、0.003％Ｓ、0.05％Ｎの通常のＮ含有量
材（図中〇印）を用い２水準のＮ量の異なるもの
についてそれぞれSi量を変化させ、これを1150℃
×30′溶体化処理後、組織を調べ、結晶粒の大き
さと、Si量との関係を示したものである。同図か
ら判るようにSiを高くすると結晶粒が大きくな
り、JIS規定による結晶粒度番号が低下する。こ
の傾向はＮ量が0.05％のもの（図中〇印）より
0.2％（図中□印）のものの方が少ない。また結
晶の大きさも高Ｎ材の方が小さくSi増量による結
晶粒の粗大化をＮが抑制していることが判る。さ
らに多数の材料について組織を調べた結果、この
成分系の材料では結晶粒度番号が５以下のものは
粗大結晶粒が局部的に形成され、混粒になる傾向
の強いことが判つた。さらにクリープ破断試験の
結果、このように結晶粒が混粒で大きさが不均一
なものはクリープ破断強さが低下することが判つ
た。第１図から混粒によるクリープ破断強さの低下
をさけるためには、例えばＮ量0.2％材の場合に
はSi量を1.7％以下に抑える必要があることがわ
かる。以上の観察結果からSi添加により粗粒化、混粒
化が促進されるがＮ量の増加によりこの傾向が抑
制されることが判つたが、また後述するようにこ
の粗粒化・混粒化を抑制するには、SiとＮ量の割
合が重量％で特定の関係式即ちＮ％≧0.01＋
0.11Si％を満足する範囲にあること、さらにＮは
高温クリープ強さを高めるのに0.4％までは効果
があることなどの実験結果から上述の式を用いSi
の上限を3.5％とした。またSiは脱酸剤として使
用され、また鋼の流動性を得るため鋼中含有量を
0.1％以上にすることが必要であるのでSiの下限
を0.1％とした。 Mnは脱酸を十分行い、健全な鋳塊を得るため
に必要で、合金中に不純物として含有されるＳ成
分を固定し、熱間脆性を防止し、溶接性、熱間加
工性を向上させるので、0.3％以上は必要である。
しかし添加量が多過ぎると耐酸化性を損うので、
上限を1.5％とした。 Crは高温クリープ強度、耐高温酸化性などを
向上させるので、耐熱合金にとつては必須の元素
である。SUS347と同等以上の耐高温酸化性が必
要なので、Cr量の下限をSUS347のCr量と同量の
18％とした。しかしCr量が多いと長時間加熱に
よりσ脆化が起こり易くなる。Niを50％含有す
る合金鋼で25Cr・20Niオーステナイトステンレ
ス鋼SUS310以上のσ脆化特性を確保するために
Cr量の上限を30％とした。 Niは鋼に10％以上添加すると体心立方構造の
鋼を面心立方構造の鋼に変えるので、安定した高
温強度を確保する上で欠かせない元素であるが、
ボイラーなど高温で長時間使用される高Cr系耐
熱合金に起こるσ脆化を抑制するためには18.5％
以上添加する必要がある。しかしNi量が多くオ
ーステナイトが安定になると、加工硬化が起こり
易く、熱間加工性が劣化する。またコスト面でも
Ni量が多くなると高価になる。以上の理由によ
りNi量の上限を50％とした。 Moは固溶体硬化作用や析出硬化作用によつて
クリープ破断強さを高めるのに必要な元素である
が0.5％未満では効果が少ないので添加量の下限
を0.5％とした。しかしMoは偏析の傾向が強く、
高温高圧下において偏析部においてσ化を促進し
局部的な割れや腐食を起こし易くする場合があ
る。したがつて添加量の上限を3.0％とした。Ｖは高温クリープ中安定な析出物を形成しクリ
ープ破断強さを高める。第２図は0.05％Ｃ、0.5
％Si、1.5％Mn、20％Cr、10％Ni、0.03％Ｐ、
0.05％Mo、0.002％Ti、0.0005％Ｂ、0.004％Ｓ、
0.028％Ｎの成分の合金にＶ量を変化させたもの
について、550℃31Kgｆ／mm²のクリープ条件でク
リープ破断した時のクリープ破断時間とＶ量との
関係を示したものである。同図から判るようにＶ
を添加するとクリープ破断時間が長くなるが、
0.3％を超えて添加してもクリープ破断時間の増
加は認められない。これはＶを含む析出物が熱的
に安定で長時間にわたつてクリープ破断強さの強
化に寄与するためで、Ｎ量が0.028％の場合、Ｖ
量を0.3％を超えて添加すると析出物の粗大化が
起こり易く、クリープ破断強さを高める効果が減
退するだけでなく、粗大化した析出物によつてク
リープ破断強さが劣化する場合がある。またＶは
0.01％より少ないと、Ｖを含む析出物が形成され
難く、クリープ破断強さを高める効果は少ない。
以上の点を考慮してＶ量の下限を0.01％、上限を
0.3％とした。 Ti、Nbは炭窒化物形成元素でクリープ破断特
性の改善に効果があることは従来認められてい
る。Ti、Nb量はそれぞれ0.01％より少ないと高
温クリープ破断強さに対して効果が少ない。また
0.5％を超すと炭・窒化物などの粗大化が起こり
易くクリープ破断強さを低下させる。以上の理由
によりTiとNbの下限をそれぞれ0.01％、上限を
0.5％とした。Ｂはクリープ強さを高めるのに0.003％以上は
必要であるが添加量が多いと溶接性および延性が
劣化するので添加量の上限を0.01％とした。Ｐは添加量が多いとクリープ中析出を促進しク
リープ脆化を促進させるので上限を0.04％とし
た。Ｓも粒界に偏析しクリープ中粒界の脆化を促
進させるので上限を0.0005％とした。Ｎは高Cr、高Ni系オーステナイト合金の高温
クリープ破断強さを高めることが知られている。第３図は0.05％Ｃ、0.5％Si、1.0％Mn、0.02％
Ｐ、0.002％Ｓ、25％Ni、20％Cr、1.5％Mo、0.2
％Nb、0.1％Ti、0.005％Ｂの成分の合金にＮ量
を0.02％から0.4％まで変えたものについて、750
℃、12Kgｆ／mm²のクリープ破断試験を行い、クリ
ープ破断時間とＮ量との関係を示したものであ
る。Ｎ量を増すとクリープ破断強さが次第に強く
なるが、Ｎ量が0.3％より多くなると、クリープ
破断強さの増加傾向は少なくなり、0.4％を超え
て添加してもクリープ破断強さを高める効果は期
待できないし、クリープ破断伸びも劣化する。ま
たＮは0.02％未満ではクリープ破断強さを高める
作用は期待できない。以上の理由によりＮの上限
を0.4％、下限を0.02％とした。また本発明においては、特に結晶粒の粗粒化や
混粒の傾向を抑制する目的でさらにＮとSiの割合
を、重量％でＮ％≧0.01＋0.11Si％を満足する範
囲を保つことも有効である。この場合、必要なSi
量とＮ量との割合は次の実験結果から決定した。
すなわち、Si、Ｎ量を変えた0.1％Ｃ、1.0％Mn、
20％Cr、25％Ni、１％Mo、0.05％Ti、0.1％Nb、
0.005％Ｂ、0.02％Ｐ、0.002％Ｓの成分の合金を
1150℃×30′溶体化処理を施して結晶粒の混粒化
に対するSi量とＮ量との関係を調べた。この結果
を第４図に示す。図中△印は混粒材、〇印は混粒
の認められなかつた材料を示す。同図で直線はＮ％＝0.01＋0.11Si％で表わされ、この直線から下のハツチングを施し
た領域は混粒域となり、直線から上は混粒になら
ない領域である。したがつて次式の関係を満足す
るＮ量とSi量との関係が成立つとき混粒は生じな
いと判断した。Ｎ％0.01＋0.11Si％さらに本発明においてはとくに高温長時間のク
リープ破断特性を向上させる目的でＷを添加する
ことができる。ＷはMoとの複合添加で優れた高
温特性を示すものであつて、その量は0.1％未満
では効果がなく、また6.0％を超すと耐酸化性に
悪影響を及ぼすのでＷの上限を6.0％、下限を0.1
％とした。次に本発明の効果を実施例についてさらに具体
的に述べる。第１表に供試合金の化学組成、750℃、12Kg
ｆ／mm²の応力でのクリープ破断時間、破断伸びお
よび混粒にならない傾向の強さを表わすパラメー
ターとして、ΔN値を示した。 ΔN＝Ｎ％−（0.01＋0.11Si％） ΔN０のものは混粒にならないもので、その
大きさは混粒になり難い程度を示し、ΔN＜０の
ものは混粒になるので、ΔNの絶対値の大きさは
混粒になり易い程度を示す。第１表に示す合金のうち試料番号１〜６までは
比較合金で１はSUS347、２はSUS304相当材、
３は25Ni、20Crを基本成分としたもので、Ｗ、
Ｖ、Ti、Nb、Ｂを添加しないものである。試料
番号４、５、６はいずれもＶ、Ti、Nb、Ｂのい
ずれかが添加されていないNi−Cr系オーステナ
イト合金である。試料番号７、８はＶ、Ti、
Nb、Ｂを含むNi−Cr系オーステナイト合金であ
るが、ΔN値がマイナスとなつている。試料番号
９、10、11、12は特許請求の範囲１に該当する本
発明合金であり、Ｎ量の増加に伴い強度が増大
し、比較合金の試料番号７、８よりクリープ破断
時間が長くなつている。Ｖが存在するとＮを添加
し強さを高めても伸びの減少が少ない。また試料
番号12はSiを1.0％にしたものであるがＮを0.4％
添加することにより、Si増加による強さの減少は
抑制されている。これらの合金の内、特にΔN値
の大きい試料番号11、12は強さが強い。試料番号14、16はＷを含むNi−Cr系オーステ
ナイト系合金であるが、SiとＮ量のバランスが最
適でないため、ＷおよびNiの添加量の多い割に
はクリープ強さが改善されていない。試料番号
13、15、17、18は特許請求の範囲２に相当するも
のである。試料番号15は試料番号13のＷ量を１％
から５％に高めたもので、Ｗ増加によりクリープ
破断時間は1.5倍になるが破断伸びは若干減少す
る。試験片１７はMoを3.0％にしＷを1.5％にし
て、試料番号13に比べMo、Ｗ量を増加したもの
であるが、Ni量を45％と多量添加したもので、
このNiの増加によりMo、Ｗ増加によるクリープ
破断伸びの低減効果は打消されてかえつて伸びは
増加している。試料番号18はNi、Crを低くおさ
えた場合であるが、試料番号１に比べると強さは
改善されており特許請求の範囲２に相当するもの
のクリープ破断強さは高い水準にある。【表】

【図面の簡単な説明】

第１図はSi量と結晶粒度の関係を示す図、第２
図はクリープ破断強さに及ぼすＶの影響を示す
図、第３図はクリープ破断強さに及ぼすＮの影響
を示す図、第４図は結晶の粗粒混粒化の抑制傾向
に及ぼすSi量とＮ量との関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量パーセントにてC0.03〜0.15％、Si0.1〜
3.5％、Mn0.3〜1.5％、Cr18〜30％、Ni18.5〜50
％、Mo0.5〜3.0％、V0.01〜0.3％、Ti0.01〜0.5
％、Nb0.01〜0.5％、B0.003〜0.01％、P0.04％以
下、S0.005％以下、N0.02〜0.4％を含有し、Ｎと
Siの割合が重量％で式Ｎ％≧0.01＋0.11Si％を満
足する範囲にあり、残部鉄および不可避不純物か
らなることを特徴とするＶ、Ｎを含むオーステナ
イト系耐熱合金。２重量パーセントにてC0.03〜0.15％、Si0.1〜
3.5％、Mn0.3〜1.5％、Cr18〜30％、Ni18.5〜50
％、Mo0.5〜3.0％、V0.01〜0.3％、Ti0.01〜0.5
％、Nb0.01〜0.5％、B0.003〜0.01％、P0.04％以
下、S0.005％以下、N0.02〜0.4％、W0.1〜6.0％
を含有し、ＮとSiの割合が重量％で式Ｎ％≧0.01
＋0.11Si％を満足する範囲にあり、残部鉄および
不可避不純物からなることを特徴とするＶ、Ｎを
含むオーステナイト系耐熱合金。