JPH06271994A - 耐熱オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過熱器管や熱処理炉さらには熱交換器等、80
0 ℃以上の高温環境下で使用される材料として適切な耐
酸化性と同時に高温で高い強度を有するオーステナイト
系ステンレス鋼を提供する。 【構成】 Ｃ:0.15 ％以下、Si:0.15 ％以下、Cr:15 〜
30％、Mn:5.0％以下、Ni:20 〜60％、Al:2.5〜6.0 ％、
Ｎ:0.10 〜0.35％、Ｓ:0.0030 ％以下、かつＳ＋Ｏ:0.0
080 ％以下。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、800 ℃以上の高温酸化
雰囲気中で優れた耐酸化性と高温強度を有する耐熱オー
ステナイト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】オーステナイト系ステンレス鋼は高温強
度や加工性を備えており、例えばSUS310S を代表とする
25Cr−20Ni系、インコロイ800 として知られる21Cr−3
2.5Ni系、さらにSiを添加したSUSXM15J1 等があり、そ
れぞれ、使用目的に応じて選択されて利用されている。

【０００３】しかしながら、用途によっては今日的要求
がますます厳しくなってきており、そのような従来材で
対応するには耐酸化性に限界がある。このようなオース
テナイト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上する目的でAl
を添加することにより、従来生成し得なかったAl系主体
の酸化皮膜を表面に生成させ耐酸化性の向上を実現して
いる。。

【０００４】しかしながら、このような材料を過熱器管
や熱処理炉さらには熱交換器等、800 ℃以上の高温環境
下で使用する場合、同時に高い強度が要求される。近
年、21世紀における石油資源枯渇と大気汚染を含めた環
境問題より、次世代の電力供給源として石炭改質ガスが
利用可能で、かつエネルギー変換効率の高い燃料電池が
脚光を浴び始めている。そのため起電力を発生する本体
部はもちろんのこと、総合発電効率の向上、装置のコン
パクト化から、本体部をとりまく補助機械を含めた発電
装置全体の研究開発が行われている。

【０００５】特に、固体電解質型燃料電池に用いられる
熱交換器は1000℃近傍の環境になるものもあり長時間に
わたって耐酸化性と高温強度を有する材料が必要であ
る。また同時に長時間使用した場合の延性、靱性も重要
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、例え
ば800 ℃以上という高温酸化雰囲気中で長時間にわたっ
て安定な耐酸化性と同時に高温で高い強度を有するオー
ステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。

【０００７】より具体的には、本発明の目的は、過熱器
管や熱処理炉さらには熱交換器等、800 ℃以上の高温環
境下で使用される材料として適切な耐酸化性と同時に高
温で高い強度を有するオーステナイト系ステンレス鋼を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような優れた高温特
性が要求されるオーステナイト系ステンレス鋼に対し、
AlとSiの成分バランスを適正化することにより高温酸化
雰囲気中でAl系主体の酸化皮膜をより安定に生成させる
ことによって、長時間にわたって優れた耐酸化性を示す
材料が開発された。さらに、その後の開発研究により、
2.5 〜4.0 ％Alの領域においてもAl系主体の酸化皮膜の
生成が可能となり、加工性を確保した良耐酸化性材料の
Al、Si適正化オーステナイト系ステンレス鋼も開発され
ている。

【０００９】しかしながら、かかる優れた耐酸化性をも
ったオーステナイト系ステンレス鋼を上述のような高温
環境で使用する場合、高温強度、長時間使用時の高延性
が問題となることが判明した。

【００１０】そこで、本発明者らは、上述のような高温
酸化雰囲気中でも優れた耐酸化性と同時に高温強度を有
するオーステナイト系ステンレス鋼の材料開発をめざし
鋭意研究を重ねてきたが、次のような知見を得ることに
より本発明に至った。すなわち、(1) AlとSiの適正化に
よりAlを2.5 ％以上含有するオーステナイト系ステンレ
ス鋼において、800 ℃以上の高温酸化雰囲気中で耐酸化
性に優れたものとなる、(2) しかしながら、高温強度、
長時間使用時の高延性に問題がある、(3) 種々の成分変
化材による高温特性試験の結果、鋼中Si、Ｎが高温強度
に有効な相互作用をもち、Siの制限が高延性を改善させ
る、(4) Ｂの添加は粒界を強化することにより高温強度
を向上させる、そして(5) これらの複合添加により、さ
らに高強度材料となる。

【００１１】よって、本発明の要旨とするところは、重
量％で、Ｃ:0.15 ％以下、Si:0.15 ％以下、Cr:15 〜30
％、Mn:5.0％以下、Ni:20 〜60％、Al:2.5〜6.0 ％、
Ｎ:0.10 〜0.35％、残部Feおよび不可避不純物よりなる
ことを特徴とする耐熱オーステナイト系ステンレス鋼で
ある。好適態様によれば、上記鋼は、さらに、重量％
で、Ｂ:0.0005 〜0.020 ％を含有することによって、高
温強度をさらに改善することができる。

【００１２】

【作用】次に、本発明を上記範囲に限定した理由を説明
する。 Ｃ:Ｃは、高温での適用時に、あるいは溶接熱影響部に
おいてCr₂₃C₆型の炭化物を形成して、加工性およびCrに
よる耐酸化性の向上効果を著しく減ずる影響を有する。
また、スケール剥離をもたらすため低い方が好ましく、
本発明にあっては上限を0.15％とした。ただし、高温で
の強度を重視する場合は、上限近くまで含有させること
もある。

【００１３】Si:Siは本発明鋼において最も重要な元素
である。その含有量が0.15％を越えると高温酸化雰囲気
でAl主体の酸化物を安定に生成できない。

【００１４】Cr:CrはAlとともに高温での耐酸化性を得
るのに必要な基本的な元素である。本発明においては、
下限を15％、上限を30％とする。800 ℃を越えて緻密な
Al系酸化皮膜を生成するのに15％以上のCrが必要であ
る。一方、30％を越えて添加しても耐酸化性の向上が見
られないばかりでなく、板の成形性、加工性に悪影響を
及ぼす。

【００１５】Mn:Mnは、高温での強度確保のために添加
することがある。また、オーステナイト相安定化にも有
効である。しかしながら5.0 ％を越えて添加すると耐酸
化性に悪影響を及ぼすため5.0 ％を上限とする。

【００１６】Ni:Niはオーステナイト鋼の基本的性質を
与えるのに重要な元素である。また、1000℃近傍での高
温強度ならびに高温クリープ強度を高めるためにも必要
である。20％未満ではオーステナイト相が不安定となる
ほか、Al系の保護皮膜が単一で生成し得ない。一方、60
％を越えるものは、コスト的に実用化し難いものにな
る。上限を60％とする。

【００１７】Al:Alは本発明鋼において重要な基本元素
である。Al系酸素皮膜を安定に生成する場合は2.5 ％以
上が必要である。2.5 ％未満ではSi量の如何にかかわら
ずFe−Cr−Ni系のスピネル型酸化物が生じ、連続したAl
系酸化皮膜とならない。しかしながら6.0 ％を超えて添
加すると、熱間での変形抵抗およびNiAl系金属間化合物
の粒内、粒界析出による粒界延性の低下が引き起こす熱
間加工性の劣化が大きくなるばかりか、常温での靱性低
下が極めて顕著となるため、上限を6.0 ％とする。

【００１８】Ｎ:Ｎは本発明において最も重要な元素の
ひとつである。オーステナイト生成元素であるとともに
オーステナイト地に固溶し強化作用をもたらす。0.10％
以上の添加によりその効果を発揮する。しかし、0.35％
を超えて添加すると加工性を劣化させる。

【００１９】Ｓ、Ｏ:Ｓは鋼中Mnと化合物を形成し異常
酸化発生起点となる。さらに凝固時の粒界偏析により粒
界の延性が低下し熱間加工時の割れが発生する。このた
め上限を0.0030％望ましくは10ppm に規制するととも
に、必要に応じ、Mnより高温でより安定な硫化物を形成
するCe、La、Ｙ等の希土類元素または、Caを添加するこ
とで固定化する。

【００２０】熱間加工性確保のためこれらの添加元素の
効果を高めるためには、鋼中の酸素濃度は低い方がよ
い。このことは、これらの添加元素が酸化物を作りやす
く、鋼中のＳ固定元素として機能する以前に酸化物とし
て消費され、有効量が減少するためである。鋼中のＳ＋
Ｏ(%) 値は低い方が好ましいが、Ｓ＋Ｏ(%) ≦0.0080
％、さらに望ましくはＳ＋Ｏ(%) ≦0.0050％とする。本
発明にあっては必要によりＢを添加してもよい。

【００２１】Ｂ:Ｂは粒界強化により高温強度を改善す
るが0.0005％未満ではその効果が得られず、また0.020
％を超えると鍛造性が低下する。本発明が適用されるオ
ーステナイト系ステンレス鋼の組成は上述のような組成
を有する限り特に制限はされないが、規格その他を考慮
した場合の実用的観点からは、以下のように成分調整を
行うことが好ましい。

【００２２】Ti、Nb、Zr:鋼中のＣ、Ｎの悪影響を減じ
て、加工性、耐酸化性を改善するために、CrあるいはAl
よりもＣ、Ｎとの親和力の強いTi、Nb、Zr等の安定化元
素を添加してもよい。しかし、Ti、Nb、Zrの過剰な添加
は金属間化合物の析出により靱性の低下をもたらすた
め、Ti＋Nb＋Zr(%) の上限を2.0 ％とする。

【００２３】希土類元素 (例: Ｙ、Ce、La) 、Ca:これ
らは、耐酸化性改善元素であり、さらに後述する鋼中の
硫化物をMnS より安定な硫化物として固定することで熱
間加工性を改善する。ただし、過剰添加は粗大酸化物の
生成により、逆に耐酸化性に悪影響を及ぼすことから、
さらに熱間加工性が急激に劣化することから、合計量が
0.50％以下の範囲で添加する。

【００２４】Mo:Moは高温での強度確保あるいは耐食性
確保のために添加することがある。ただし、10.0％を超
えても一層の性能改善は見られないばかりか、高温での
変形抵抗を高める。 Ｐ:Ｐは積極的には添加しない。原則的に不純物であ
る。0.03％以下含有する。

【００２５】Cu:鋼中のCuは、Ni源からの不純物として
1.5 ％まで許容される。次に具体例をもって本発明をさ
らに説明する。

【００２６】

【実施例】

(実施例１)表１のNo.1の鋼組成を基本成分として各主成
分を変化させた供試材を用いて1000℃でのクリープ破断
試験を行った。図１にクリープ破断時間および破断伸び
とSi量の関係を、図２にクリープ破断時間とＮ量の関係
を示す。これらの結果よりSiを0.5 ％以下とすることに
より破断寿命および破断延性が改善される。さらにこの
ようなSi量である供試材ではＮ量が0.10〜0.35％におい
て優れたクリープ破断特性を持つことが分かった。

【００２７】(実施例２)次に、表１に示す種々の化学成
分をする鋼を供試した。鋼No.1〜９が本発明鋼でありN
o.10 〜23は比較鋼である。これらのうち鋼No.1〜９、1
3、23については真空溶解炉にて溶製し、鍛造、熱間圧
延により板厚５mmとした後、1200℃で溶体化処理を施し
た。

【００２８】これら供試材についても850 ℃および1000
℃でのクリープ破断試験および高温引張試験を行った。
結果を併せて表２に示す。さらに表１の鋼種のうち本発
明鋼および比較鋼No.10 、15、21の1000℃大気中保持で
の単位面積あたりの酸化増量の経時変化 (mg／cm²)を図
３に示す。

【００２９】なお、酸化試験材は２ｔ×20×25mmの大き
さで600 番エメリー紙で端面、表面研磨、脱脂洗浄後供
試した。また酸化試験では、スケール剥離を含めた酸化
後の酸化増量の大小をもって耐酸化性を評価した。

【００３０】表２に示す結果から、本発明が示す適正成
分を有する各鋼種は比較鋼に比べ高温強度特性に優れて
いることが分かる。また耐酸化性試験結果より、本発明
鋼は高温酸化雰囲気中で優れた耐酸化性を有しているこ
とがわかり、耐酸化性と高温での高い強度を併せ持つこ
とが確認された。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、Al系主体の酸化皮膜を生成する優れた耐酸化性を有
しかつ高温で強度特性に優れていることから800 ℃の高
温酸化雰囲気で使用される熱交換器等の材料として極め
て有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼と同系で1000℃でのクリープ破断時
間、延性と鋼中のSi含有量との関係を示すグラフであ
る。

【図２】本発明鋼と同系で1000℃でのクリープ破断時間
と鋼中のＮ含有量との関係を示すグラフである。

【図３】実施例２において得られた材料の連続酸化試験
における酸化増量変化を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ:0.15 ％以下、Si:0.15 ％以下、Cr:15 〜30％、Mn:
   5.0％以下、 Ni:20 〜60％、Al:2.5〜6.0 ％、Ｎ:0.10 〜0.35％以
   下、 Ｓ：0.0030％以下かつＳ＋Ｏ：0.0080％以下、 残部Feおよび不可避不純物よりなることを特徴とする耐
   熱オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 さらに、重量％で、Ｂ：0.0005〜0.020
   ％以下を含有する請求項１記載の耐熱オーステナイト系
   ステンレス鋼。