JPH04173939A - 高温強度および靱性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高温強度が高く、常温靭性および高温延性に
優れ、ボイラ、原子力、化学工業などの分野で使用され
る各種耐酸化部材、および自動車排ガス用耐食・耐酸化
部材の材料に好適なフェライト系ステンレス鋼に関する
。

（従来の技術） フェライト系ステンレス鋼は、−ｇにオーステナイト系
ステンレス鋼に比べ、次のような特性を有している。

１）熱伝導性が高く、熱膨張係数が小さい、２）酸化ス
ケールの剥離を起こしにくい、３）熱疲労特性に優れて
いる。４）応力腐食割れを起こしにくい。

このような特性を有するフェライト系ステンレス鋼は、
従来からボイラ、原子力、化学工業などの産業分野にお
いて、耐熱鋼、耐食鋼、耐酸化綱として、板、管などに
加工されて広く利用されている。その中でも、ＡｎとＳ
ｉを含みＣｒ量が２０〜３０％のＣｒ−３ｉ−ＡＩ！系
のフェライト系ステンレス鋼は、鋼表面にＣｒ酸化物よ
り安定な＾１２０１、ＳｉＯ□の保護皮膜を生成するこ
とから、耐熱・耐酸化性は一段と優れており、およそ１
０００°Ｃの高温酸化雰囲気にて使用される部材、例え
ばガス配管、熱交換器管、自動車排ガス浄化装置用管な
どの材料として用いられている。

しかしながら、Ｃｒ−５ｉ−ＡＩ！系のフェライト系ス
テンレス鋼は、常温靭性および延性に乏しく、管や板な
どに加工するのが難しい上に、構造材としての使用上も
加工性および耐衝撃性に劣るために問題がある。また、
１０００°Ｃ以上の温度では急激な強度低下を起こし、
オーステナイト系ステンレス鋼と比べて強度は格段に低
くなるため、使用分野に大きな制約がある。

ところで、従来からＣｒ−５ｉ−Ａｊ！系のフェライト
系ステンレス鋼の常温靭性や高温強度を改善する方法は
いくつか知られている。例えば、常温靭性については、
鋼中のＣおよびＮを低く押さえた上で、Ｔ１、Ｎｂ、■
を添加するのが有効であることが知られている。高温強
度については、Ｎｂ、■を適量添加するのが有効である
ことが特開平１−２８７２５３号公報に開示されている
。しかし、このような方法を採用しても、後述する実施
例に示す如く、常温靭性および高温強度の改善効果はさ
ほど大きくなく、本発明が対象とするような耐熱鋼管な
どの大型部材として使用するためには十分な常温靭性と
ｘｏｏｏ″Ｃにおける高温強度を有していないことが、
本発明者らの試験結果より判明した。このような常温靭
性と高温強度の乏しい鋼は、例えば製管ができなくなっ
たり、製管することができてもこれを耐熱鋼管などの大
型部材として使用しているあいだに問題が発生する。具
体的には、熱間加工後の管を更に冷間抽伸のような冷間
加工を行う場合、十分な常温靭性を有していなければ管
に割れが発生して製管ができなくなる。高温強度が乏し
いと、１０００°Ｃ程度での使用中に部材の変形や噴破
が生じやすくなる。また、高温強度が乏しいと、部材の
軽量化を図ることが難しくなる。近年、ボイラ、原子力
、化学工業などの分野では、エネルギー効率の向上、機
器や装置の軽量化およびコンパクト化が図られており、
肉厚を薄くすることができる高温強度に優れたフェライ
ト系ステンレス鋼が求められているが、従来のフェライ
ト系ステンレス鋼では部材の肉厚を薄くすると、高温強
度が低くなってしまう。

（発明が解決しようとする課題） この発明の！ＩＢは、上記のＡ２とＳｉを含みＣｒ量が
２０〜３０％のＣｒ−３ｉ−Ａｌ系のフェライト系ステ
ンレス鋼のもつ優れた特性を損なうことなく、常温靭性
と高温強度を改善することにある０本発明の具体的な目
標は、既存のフェライト系ステンレス鋼より高温耐酸化
性に優れ、１０００”Ｃでの高温引張強さは２　ｋｇｆ
／ｍｍ”以上、伸びは３０％以上、常温テノ衝ｌｉ値は
２　ｋｇｆ−ｍ／ｃｍ”以上の特性を有するフェライト
系ステンレス鋼を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、ＡｌとＳｉを含みＣｒ量が２０〜３０％
程度のフェライト系ステンレス鋼の常温靭性および高温
強度に及ぼす合金成分の影響を詳細に検討した結果、下
記の知見を得た。

■　Ｍｇは常温靭性の改善に有効な成分であり、鋼中の
０（酸素）を０．００５０％以下に抑えた上で、Ｍｇを
添加すると、常温靭性は著しく向上する。

■　しかし、Ｍｇの効果は■、Ｔｉ、　Ｎｂおよび一〇
の存在下によってはじめて得られるものであり、これら
成分の一つでも欠けると十分な常温靭性の向上が得られ
ないので、Ｍｇは■、Ｔｉ、　ＮｂおよびＭｏと複合添
加する必要がある。

■　また、ＭｇとＶ、　Ｔｒ、　ＮｂおよびＭｏの複合
添加は、延性および熱疲労特性を何ら阻害することなく
、高温強度をも改善する。

この発明は、上記知見を基に完成したものであり、下記
のフェライト系ステンレス鋼を要旨とする。

（ｉ）重量％で、Ｃ：　０．０２％以下、Ｓｉ　：　１
．１〜２．５％、Ｍｒｚ１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃ
ｒ：２０〜３０％、Ａｊ！：０．５〜３％、Ｔｉ　：　
０．０１〜０．４％、Ｎｂ　：　０．０１〜０．７％、
Ｖ　：　０．０１〜０．５％、Ｍｏ二〇、０１〜３％、
Ｎ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ　：　０．０００１
〜０．０５％を含み、残部はＦｅおよび不可避不純物か
らなり、不純物としてのＯ（酸素）が０．００５％以下
である高温強度および靭性に優れたフェライト系ステン
レス鋼。

（ｉｉ　）上記（ｉ）の成分に加えて更に、０．０００
１〜０．０２重量％のＢを含有する高温強度および靭性
に優れたフェライト系ステンレス鋼。

（ｉｊ　）上記（ｉ）または（ｉｉ）の成分に加えて更
に、０．０１〜１％のＣｕを含有する高温強度および靭
性に優れたフェライト系ステンレス鋼。

（ｉｖ　）上記（ｉ）、（１１）または（山）の成分に
加えて更に、それぞれ０．０１〜０．２重量％のＬａ５
Ｃｅ、　Ｚｒ、Ｙ、　Ｔａ、　Ｃａから選択した１種以
上を含有する高温強度および靭性に優れたフェライト系
ステンレス鋼。

（作用） 以下、本発明鋼の各合金成分の作用効果とそれらの含有
量の限定理由について説明する。

Ｃ： Ｃは、オーステナイト安定化成分であり、Ｃｒと結合し
て炭化物を形成し、耐酸化性に有効な固溶Ｃｒ量を減少
させるので、その含有量は極力低くすることが望ましい
、Ｃの含有量が０．０２％を超えると、炭化物の析出が
多くなるばかりか、特に高温でオーステナイト変態した
後、冷却中に鋼がマルテンサイト化すると、靭性、溶接
性および加工性を著しく損なうことから、０．０２％を
上限とした。

Ｓｉ　： Ｓｉは、鋼表面に安定なＳｉＯ□の保護皮膜を形成し、
耐酸化性を高める効果がある。また、ＳｉはＡＮ添加鋼
ではＡ／！、０．の保護皮膜の剥離を防止する効果もあ
る。その含有量が１．１％未満では前記の効果が得られ
ず、２．５％を超えると靭性、溶接性、加工性を損なう
ことから、１．１〜２．５％の含有量とした。

Ｍｎ： Ｍｎは、綱の脱酸および脱硫のために適量添加されるが
、過度に添加すると耐酸化性を損なうことから、その含
有量の上限を１％とした。

Ｎｉ　： Ｎｉは、オーステナイト安定化成分であるが、微量であ
れば靭性改善に寄与する。しかし、１％を超えて含有さ
せると、残留オーステナイトを生成して靭性および強度
を損なうことから、１％を上限とした。

Ｃｒ： Ｃｒは、耐酸化性、高温耐食性を確保する上で不可欠な
成分である。しかし、その含有量が２０％未満では１０
００℃程度の使用に対して十分な耐酸化性が得られず、
一方、３０％を超えてもより一層の向上効果が現れず、
むしろ加工性および靭性の低下をきたすようになること
から、その含有量を２０〜３０％とした。

Ａ２： ＾ｌは、ＣｒおよびＳｔと同様に耐酸化性を確保する上
で不可欠な成分である。Ａ１は鋼表面にＡＩｌ、Ｏ，の
保護皮膜を形成して高温耐酸化性を改善する。その効果
は、特に９００″Ｃ以上の高温において顕著で、高温に
なるほどＣｒ単独添加鋼に比べて優れた耐酸化性を示す
、しかし、その含有量が０．５％より少ないと前記の効
果が十分に得られず、３％を超えると加工性、靭性を損
なうことがら、０．５〜３％の含有量とした。

Ｔｉ　： Ｔｉハ、ＣおよびＮと結合し、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）（７）析
出物を形成して靭性および強度を高める。これはＴｉ（
Ｃ，Ｎ）の析出により、母相中のＣおよびＮが安定化さ
れるとともに結晶粒が微細化されることによる。しかし
、その含有量が０．０１％未満では前記の効果が得られ
ず、０．４％を超えると介在物が増加して靭性低下が大
きくなることがら、その含有量を０．０１〜０．４％と
した。

Ｎｂ： Ｎｂは、Ｔｉと同様にＣおよびＮと結合してＮｂ（Ｃ，
Ｎ）の析出物を形成し、結晶粒を微細化するとともに母
相中の固溶ＣおよびＮを低減して靭性および強度を高め
る。しかし、その含有量が０．０１％未満では前記の効
果が得られず、０．７％を超えると金属間化合物が多量
に析出して靭性を損なうことから、０．０１〜０．７％
の含有量とした。

Ｖ　； ■は、高温強度を確保する上から重要な成分であり、Ｔ
ｉおよびＮｂと比べ、Ｖ（Ｃ，Ｎ）として析出しにくい
、しかし、微量のＴｉおよびＮｂを添加し、Ｎをやや多
めに添加した鋼においては、ＶＮの微細析出物を形成し
、高温強度を著しく改善することがわかった。特に、こ
のＶＮは６００〜８００°Ｃの加熱処理により微細析出
するので、加工中にＴｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）と
してＮがほぼ固定されてしまうＴｉおよびＮｂの添加鋼
とは異なる。前記■の効果は、０．０１％未満では小さ
く、一方、０．５％を超えてもその効果は飽和し、むし
ろ靭性を損なうことから、０．０１〜０．５％の含有量
としたＭＯ： Ｍｏは、固溶強化成分であり、特に１０００″Ｃの高温
強度に対して有効である。　Ｍｏは鋼の延性、加工性を
損なうことなく強度を高める他に、熱疲労特性の向上に
極めて有効な成分である。しかし、その含有量が０．０
１％未満では前記の効果が十分に得られず、３％を超え
ると多量の金属間化合物が析出して靭性、加工性および
溶接性を損なうことから、０．０１〜３％の含有量とし
た。

Ｎ： 固溶Ｎを少なくすると靭性が向上する。またＮｂ（Ｃ，
Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）として安定化される以上の過剰Ｎ
がＶＮを形成し、高温強度を改善する。

本発明では通常Ｔｉ、　Ｎｂで安定化されるＮを考慮し
、それ以上の過剰のＮを添加する。Ｎの含有量が０．０
０１％未満ではＶＮの微細析出強化は得られず、０．０
５％を超えると靭性を著しく損なうことから、０．００
１〜０．０５％の含有量とした。望ましい含を量は、０
．０２〜０．０３％である。

Ｍｇ： Ｍｇは、本発明では特に重要な成分である。ＭｇはＯや
Ｓと結合して鋼を清浄化する効果があることは従来から
知られているが、この効果に加えて、Ｍ、は常温靭性、
高温強度、延性および熱疲労特性を改善する効果もあっ
て、これらの効果はＶ、Ｔｉ、ＮｂおよびＭｏと複合添
加し、且つ酸素量を０．００５％以下に調整した場合の
みに得られることがわかった。しかし、Ｍｏの含有量が
０．０００１％未満では前記の効果が得られず、０．０
５％を超えて含有させると加工性、靭性を損なうことか
ら、０．０００１〜０．０５％の含有量とした。

０　（酸素）： ０は、Ｍｇの効果を損なうので、その含有量は低くする
ほどよい、０．００５％を超える０が含まれていると、
添加したＭｇがＭｇＯとして消費され、Ｍｇの効果が得
られなくなるばかりか、介在物が増加して強度、靭性、
溶接性を損なうことから、０．００５％を上限とした。

上記の各成分の外に、次の成分を必要に応して添加する
ことができる。

Ｂ： Ｂは、微量添加により炭窒化物を微細分散させるととも
に粒界を強化して高温強度を高める。しかし、その含有
量が０．０００１％未満では前記の効果が小さく　、０
．０２％を超えると靭性および加工性を損なうことから
、Ｂを添加する場合はその含有量を０．０００１〜０．
０２％の範囲にするのがよい。

Ｃｕ： Ｃｕは、高温強度と耐食性を高める効果がある。

０．０１％未満の含有量ではこの効果がなく、１％を超
えて含有させると、熱間加工性、高温延性を損なうこと
から、添加する場合はその含有量を０．０１〜１％の範
囲にするのがよい。

Ｌａ、　Ｃｅｓ　Ｚｒ、　Ｙ、　ＴａおよびＣａ：これ
らの成分は、Ｃ，Ｓ、Ｎ、０と結合して鋼の靭性を改善
する。しかし、それぞれ０．０１％未満の含有量では前
記の効果がなく、それぞれ０．２％を超えて含有すると
介在物が増加し、かえって靭性および加工性を損なうこ
とから、これらの成分を添加する場合はそれぞれの含有
量を０．０１〜１％とするのがよい。

本発明の鋼は、前述の成分のほか、残部はＦｅと不可避
不純物である。不純物として代表的なものはＰとＳであ
り、これらはいずれも靭性、高温延性に有害な成分であ
るので、Ｐについては０．０２５％以下、Ｓについては
０．０１％以下の範囲で、でできるだけ少なくするのが
よい。

（実施例） 第１表に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶
解し、インゴットをｌｌ５０〜９５０°Ｃで鍛造して厚
さ２５論の板とした。これらの板をさらに１１５０°Ｃ
に加熱後、熱間圧延により厚さ７ｍの板とした。

熱間圧延は、その終了温度は１０００”Ｃであり、圧延
後の板は室温まで空冷した。

Ａ鋼はＪＩＳに規定されている５ＵＳ４３０のフェライ
ト系ステンレス鋼、ＢおよびＣ綱は１８（：ｒ系でＳｉ
およびＡｌ２を添加した比較鋼、Ｄ綱〜Ｆ綱は２４Ｃｒ
−１，５５ｉ−１，５Ａｌ系の比較鋼、Ｇ鋼〜Ｚ綱は本
発明鋼である。

熱間圧延後のそれぞれの板から、丸棒引張試験片（φ６
　＋ｕ＋　Ｘ　ＧＬ３０ｍｍ）、シャルピー衝撃試験片
（２＋＋＋ｗ■ノツチ、ｔ５　Ｘ　１０　Ｘ　（！　５
５ｍｍ）および板状の耐酸化性試験片（ｔ２Ｘ　２　Ｘ
　１１２５ｍｍ）を切り出して、試験を行った。

引張試験は、１０００°Ｃにおいて、ＪＩＳの高温引張
試験法により行い、その温度における引張強さ、０．２
％耐力および伸びを測定した。シャルピー衝撃試験は、
室温（２０°Ｃ）における衝撃値を測定した。耐酸化性
試験は、試験片を大気中で１０００°Ｃの温度に１時間
加熱して空冷することを５００回繰り返す、繰り返し試
験を行い、試験後、脱スケール処理し、重量減を測定し
て耐酸化性を評価した。

第２表にこれらの試験結果をまとめて示す。

（以下、余白） 第２表（試験結果） 第２表より、Ｇ鋼〜ｚｗ４の本発明鋼はいずれの特性も
Ａ鋼〜Ｆｌの比較鋼より優れていることがわかる。即ち
、１０００°Ｃでの引張強さは、比較鋼は２　ｋｇｆ／
ｓｍ２未満であるのに対して、本発明鋼は２ｋｇｆ／ｍ
ｍ”以上である。１０００°Ｃでの引張破断伸びは、比
較鋼は３０％未満であるのに対して、本発明鋼は３０％
以上である。常温靭性は比較鋼はいずれも１１ｔｇｆ−
ｍ７ｃｍ”未満であるのに対して、本発明鋼はいずれも
２　ｋｇｆ−ｍ７ｃｍ”以上である。耐酸化性は、本発
明鋼はいずれも５０ｍｇ／ｃｍ”以下の酸化減量で、鋼
種ＡのＳＵＳ　４３０鋼より耐酸化性は改善されており
、既存鋼の中でも耐酸化性が最も良好な２ｄＣｒ系のＤ
・　鋼〜Ｆ鋼と比べても同等か、もしくはそれ以上であ
る。

（発明の効果） 実施例に示した如く、本発明のフェライト系ステンレス
鋼は、高い高温強度と、優れた常温靭性および延性を有
し、且つ、耐酸化性も従来鋼より優れている。この鋼は
ボイラ、原子力、化学工業などで使用される高温耐熱・
耐酸化部材の材料としての管、板、鍛造品に広く適用す
ることができる。また、繰り返し酸化性や熱衝撃性が求
められる自動車排ガス用耐酸化材料にも応用可能である
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．１〜
   ２．５％、Ｍｎ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｒ：２
   ０〜３０％、Ａｌ：０．５〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０
   ．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．７％、Ｖ：０．０１〜０
   ．５％、Ｍｏ：０．０１〜３％、Ｎ：０．００１〜０．
   ０５％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０５％を含み、残部
   はＦｅおよび不可避不純物からなり、不純物としてのＯ
   （酸素）が０．００５％以下である高温強度および靭性
   に優れたフェライト系ステンレス鋼。
2. （２）請求項（１）の成分に加えて更に、０．０００１
   〜０．０２重量％のＢを含有する高温強度および靭性に
   優れたフェライト系ステンレス鋼。
3. （３）請求項（１）または（２）の成分に加えて更に、
   ０．０１〜１％のＣｕを含有する高温強度および靭性に
   優れたフェライト系ステンレス鋼。
4. （４）請求項（１）、（２）または（３）の成分に加え
   て更に、それぞれ０．０１〜０．２重量％のＬａ、Ｃｅ
   、Ｚｒ、Ｙ、Ｔａ、Ｃａから選択した１種以上を含有す
   る高温強度および靭性に優れたフェライト系ステンレス
   鋼。