JPH07278757A - 高温腐食特性および時効後靭性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

高温腐食特性および時効後靭性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼

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JPH07278757A
JPH07278757A JP7110194A JP7110194A JPH07278757A JP H07278757 A JPH07278757 A JP H07278757A JP 7110194 A JP7110194 A JP 7110194A JP 7110194 A JP7110194 A JP 7110194A JP H07278757 A JPH07278757 A JP H07278757A
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JP
Japan
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amount
high temperature
toughness
aging
temperature corrosion
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Application number
JP7110194A
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English (en)
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Satoshi Araki
敏 荒木
Tsunetoshi Takahashi
常利 高橋
Mizuo Sakakibara
瑞夫 榊原
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、廃棄物燃焼環境等での使用におい
て、優れた高温腐食特性および時効後靭性を有するオー
ステナイト系ステンレス鋼を提供する。 【構成】 重量%にて、C;0.01〜0.15%、S
i;0.05〜0.35%、Mn;0.3〜2.0%、
Cr;18〜25%、Ni;17〜50%、Mo;0.
5〜3.0%、Al;0.5〜6.0%、Ti;0.0
3〜0.3%、Nb;0.05〜0.6%、B;0.0
03〜0.01%、N;0.02〜0.3%を含有し、
必要に応じて、Ca;0.0005〜0.015%、あ
るいは、Y;0.001〜0.10%、La;0.00
1〜0.10%、Ce;0.001〜0.10%のうち
1種以上の一方、あるいは両方を含み、残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる、優れた高温腐食特性および
時効後靭性を有するオーステナイト系ステンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は廃棄物燃焼環境等の塩化
物および塩化水素(HCl)ガス等に対して優れた高温
腐食特性を有し、かつ、高温・長時間使用後の優れた時
効後靭性を有するオーステナイト系ステンレス鋼に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】現在、一般廃棄物および産業廃棄物の中
で、廃棄プラスチック類および自動車シュレッダーダス
ト等の燃焼により発生する高濃度の塩化物およびHCl
ガス等に対し、優れた高温腐食特性を有する焼却炉およ
び燃焼ボイラ用鉄鋼材料はない。そのために、現状で
は、上記廃棄物は高い発熱量を持ちながら、不燃・燃焼
不適物として分別・収集され主に埋め立てられている。
また、分別・収集されずに一般廃棄物に混入してボイラ
で燃焼される場合には、腐食性環境条件が厳しいためボ
イラの蒸気条件は圧力294.2N/cm2 、温度350
℃程度以下に抑えられ、効率の良い低公害の燃料源とし
ては活用されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
解決するという観点にたって、廃棄物燃焼環境中の塩化
物およびHClガス等に対して優れた耐高温腐食性を有
し、かつ、高温・長時間使用後の優れた靭性を有し、さ
らに、クリープ破断強度および製造時の熱間加工性の良
好なオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、重量%にて、C ;0.01〜0.15%、
Si;0.05〜0.35%、Mn;0.3〜2.0
%、 Cr;18〜25%、Ni;17〜50
%、 Mo;0.5〜3.0%、Al;0.
5〜6.0%、 Ti;0.03〜0.3%、N
b;0.05〜0.6%、 B ;0.003〜
0.01%、N ;0.02〜0.3%を含有し、必要
に応じて、Ca;0.0005〜0.015%、あるい
はY;0.001〜0.10%、La;0.001〜
0.10%、 Ce;0.001〜0.10%のうちの
1種以上を含み、残部がFeおよび不可避的不純物から
なるオーステナイト系ステンレス鋼にあり、廃棄物燃焼
環境での優れた高温腐食特性および高温・長時間使用後
の優れた靭性を有し、かつクリープ破断強度および製造
時の熱間加工性が良好なステンレス鋼である。
【0005】
【作用】以下に成分の限定理由について説明する。先
ず、塩化物およびHClガスに対して高温腐食特性を向
上させる合金元素として、NiおよびAlと、必要に応
じてY,LaおよびCeを添加することが有効である。
図1に示すようにNi含有量増大により高温腐食深さが
減少する。これはスケール中に生成するNi富化層が塩
化物およびHClガスに対する保護性を有するためと考
えられる。その効果は17%未満では十分でないため下
限を17%とした。一方、Ni量が多くなると熱間での
加工硬化が起こりやすく熱間加工性が劣化すること、ま
たコストの面でもNi量が多くなると高価になるのでN
iの上限を50%とした。したがってNiの量を17〜
50%と限定した。なお、Ni量の好ましい範囲は17
〜40%である。
【0006】図2に示すようにAlはその添加により高
温腐食深さが減少する。これはスケール中にAl2 3
系の保護性スケールが生成するためと考えられる。その
効果はAl;0.5%未満では十分でないため、Alの
下限を0.5%とした。一方、Al量が増加すると時効
後靭性、熱間加工性および高温クリープ破断強度が低下
するので、これらの特性を確保するためにAl量の上限
を6.0%にすることが必要である。これらの理由によ
ってAlの量を0.5〜6.0%とした。なお、Al量
の好ましい範囲は0.8〜4.0%である。
【0007】Y,LaおよびCeはその1種以上をAl
と組み合わせて添加することにより、高温腐食深さが減
少する。Al添加により、前述のとおりスケール中にA
23 系の保護性スケールを形成し、塩化物およびH
Clガスに対する保護性を向上させるが、さらにY,L
aおよびCeの1種以上を添加すると、スケールが緻密
になり、耐高温腐食性が向上する。その効果はY;0.
001%未満、La;0.001%未満、Ce;0.0
01%未満では十分でないため、Yの下限を0.001
%、Laの下限を0.001%、Ceの下限を0.00
1%とした。一方、Y,LaおよびCe量がそれぞれ
0.10%を超えると鋼の清浄度が低下し、熱間加工性
およびクリープ破断強度が低下するので、両特性を確保
するためにY量を0.10%以下、La量を0.10%
以下、Ce量を0.10%以下にすることが必要であ
る。これらの理由によってYの量を0.001〜0.1
0%、Laの量を0.001〜0.10%、Ceの量を
0.001〜0.10%とした。なお、Y,Laおよび
Ce量の好ましい範囲はいずれも0.005〜0.05
%である。Y,LaおよびCeはその1種以上を添加す
ることにより前記の効果が得られるが、熱間加工性およ
びクリープ破断強度確保の観点から、複合添加の場合の
上限はY,La,Ceの合計0.15%が望ましい。
【0008】次に、図3から明らかのようにSi量を低
減すると、本発明鋼のようにAlおよびN含有量の高い
オーステナイト系ステンレス鋼の時効後靭性の低下を抑
制できることを見出した。Si量が低い程、高温環境下
で結晶粒界へのAl窒化物およびCr炭窒化物析出は抑
制され、その効果は0.35%以下で顕著である。一
方、Si量を0.05%より少なくすることは、精錬上
高価になるので、Siの下限を0.05%とした。よっ
て、Siの量を0.05〜0.35%とした。なお、S
i量の好ましい範囲は0.10〜0.26%である。
【0009】さらに、前記以外の成分について述べる。
Cは炭化物形成元素としてクリープ破断強度やクリープ
破断伸びに大きな影響を与えるので、C量はクリープ特
性に効果的なCr,Mo,Ti,Nb,Bの炭化物を形
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0.01
%、上限を0.15%と定めた。なお、C量の好ましい
範囲は0.01〜0.08%である。
【0010】Mnは脱酸を十分行い健全な鋳片を得るた
めに必要であり、鋼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
上させるために0.3%以上は必要である。しかし添加
量が多すぎると耐酸化性を損なうので上限を2.0%と
した。よって、Mnの量を0.3〜2.0%とした。な
お、Mn量の好ましい範囲も0.3〜2.0%である。
【0011】Crは高温クリープ破断強度、硫酸塩等に
対する耐高温腐食性および耐高温酸化性等を向上させる
ので耐熱合金にとっては必須の元素である。SUS34
7H(18Cr−12Ni−0.7Nb)と同等以上の
耐高温酸化性が必要なので、Cr量の下限をSUS34
7H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脆化が起こりやすくなる。25
Cr−20Niのオーステナイト系ステンレス鋼SUS
310S以上の耐σ脆化性を確保するために、Cr量の
上限を25%とした。よって、Crの量を18〜25%
とした。なお、Cr量の好ましい範囲も18〜25%で
ある。
【0012】Moは固溶体硬化作用や析出硬化作用によ
ってクリープ破断強度を高めるのに必要な元素であるの
で下限を0.5%とした。しかしMoはσ相の形成を促
進し、長時間使用脆化を起こしやすいので添加量の上限
を3.0%とした。よって、Moの量を0.5〜3.0
%とした。なお、Mo量の好ましい範囲は0.5〜2.
0%である。
【0013】Ti,Nbは炭,窒化物形成元素でクリー
プ破断強度の向上に効果があり、複合添加でその炭,窒
化物が微細分散化する場合に最もクリープ破断強度が高
くなる。炭,窒化物の析出量はTi量が0.03%未
満、Nb量が0.05%未満では十分でなく、一方、T
i量が0.3%、Nb量が0.6%を超えてのTi,N
b複合添加では炭,窒化物が凝集粗大化し、クリープ破
断強度が低下する。以上の点を考慮してTiの量を0.
03〜0.3%、Nbの量を0.05〜0.6%とし
た。なお、TiおよびNb量の好ましい範囲はそれぞれ
0.03〜0.2%、0.05〜0.3%である。
【0014】Bはクリープ破断強度を高めるのに0.0
03%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0.010%とし
た。よって、Bの量を0.003〜0.010%とし
た。なお、B量の好ましい範囲は0.003〜0.00
7%である。
【0015】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度を高めることが知られている。
Nは窒化物の形成によりクリープ破断強度を高めるが、
そのためには0.02%以上にする必要がある。しかし
N量が増加するとクリープ破断伸びが減少し、またN量
が0.3%を超えても長時間のクリープ破断強度の増加
は少ない。したがってN量の上限を0.3%とした。よ
って、Nの量を0.02〜0.3%とした。なお、N量
の好ましい範囲は0.04〜0.20%である。
【0016】Caは脱酸・脱硫作用を有し、OおよびS
の粒界偏析を減少させることによって熱間加工性および
クリープ破断強度を向上させるので必要に応じ添加す
る。その効果は0.0005%未満では十分でないの
で、Ca量の下限を0.0005%とした。また、Ca
量が0.015%を超えると鋼の清浄性を劣化し、熱間
加工性を低下する。したがってCa量の上限を0.01
5%とした。よって、Caの量を0.0005〜0.0
15%とした。なお、Ca量の好ましい範囲は0.00
05〜0.005%である。
【0017】
【実施例】次に本発明の実施例についてさらに具体的に
述べる。表1に本発明例の化学組成、熱間加工性、高温
腐食深さ、時効後靭性およびクリープ破断強度を、ま
た、表2に比較例の化学組成、熱間加工性、高温腐食深
さ、時効後靭性およびクリープ破断強度を示す。いずれ
も45kg真空溶製し、熱間押出、固溶化熱処理の後、高
温腐食試験、靭性評価試験(時効熱処理後)およびクリ
ープ破断試験を行った。高温腐食試験は、37%NaC
l+63%FeCl2 の合成灰を板状試験片表面に塗布
し、0.2%HCl+0.5%SO2 +5%O2 +15
%CO2 +bal.N2 ガス中で550℃×30h加熱し、
試験片縦断面の腐食深さを測定した。時効後の靭性評価
は固溶化熱処理後550℃×1,000h時効熱処理し
た材料からJIS4号(Vノッチ、サブサイズt5mm)
衝撃試験片を切り出し、0℃でシャルピー衝撃試験を行
い、衝撃値を測定した。クリープ破断試験はゲージ部φ
6×l30mmの試験片で温度550℃、応力441.3
N/mm2 の条件で行い、その破断時間でクリープ破断強
度を評価した。また、熱間加工性を熱間押出時の割れ有
無で評価した。
【0018】表1に示す本発明例A〜Mは請求項1に相
当するCa,Y,La,Ce無添加材料であり、本発明
例N〜Pは請求項2に相当するCa添加材料であり、本
発明例Q〜Sは請求項3に相当するY,La,Ceを1
種以上添加した材料であり、本発明例T〜Wは請求項4
に相当するCa添加でかつY,La,Ceを1種以上添
加した材料である。
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】
【表3】
【0022】
【表4】
【0023】
【表5】
【0024】
【表6】
【0025】
【表7】
【0026】
【表8】
【0027】表1に示す本発明例A〜Cは20Cr−2
5Ni−1.5Moを基本成分として、Alをそれぞれ
1〜5%含有し、さらにSiが約0.2%のものであ
る。Dは20Cr−18Ni−1.5Moを基本成分と
して、Alを約3%含有し、さらにSiが約0.2%の
ものである。EおよびFはそれぞれ24Cr−35Ni
−1.5Moおよび24Cr−48Ni−1.5Moを
基本成分として、Alを約3%含有し、さらに、Siが
それぞれ0.18%および0.15%のものである。G
およびHはそれぞれ20Cr−25Ni−1.5Moを
基本成分として、Alを約3%含有し、Siがそれぞれ
0.05%および0.32%のものである。IおよびJ
は20Cr−25Ni−1.5Moを基本成分として、
Alを約3%含有し、Moがそれぞれ0.5%および
2.78%で、さらにSiが約0.2%のものである。
KおよびLはそれぞれ20Cr−25Ni−1.5Mo
を基本成分として、TiおよびNbをKではそれぞれ
0.23%、0.07%、Lではそれぞれ0.05%、
0.54%添加したものであり、いずれもSi量は0.
20%である。また、Mは18Cr−17Ni−1.5
Moが基本成分で、Cr,Niがいずれも本発明成分範
囲の下限近傍であり、かつAlが0.52%、Siが
0.34%で、それぞれ本発明成分範囲の下限近傍およ
び上限近傍である。
【0028】本発明例NおよびOは、20Cr−25N
i−1.5Moを基本成分として、Alをそれぞれ約1
%、約3%含有し、Siが約0.2%で、Caをそれぞ
れ0.0030%および0.0025%添加したもので
ある。また、Pは24Cr−35Ni−1.5Moを基
本成分として、Alを約3%含有し、Siが約0.2%
で、Caを0.0112%添加したものである。
【0029】本発明例QおよびRは、20Cr−25N
i−1.5Moを基本成分として、Alをそれぞれ約3
%、約1%含有し、Siが約0.2%で、QはYを0.
05%、RはLa0.02%とCe0.02%をそれぞ
れ添加したものである。また、Sは24Cr−35Ni
−1.5Moを基本成分として、Alを約2%含有し、
Siが0.15%で、さらに、Y0.08%、La0.
005%、Ce0.005%を添加したものである。
【0030】本発明例TおよびUは、20Cr−25N
i−1.5Moを基本成分として、Alをそれぞれ約3
%、約2%含有し、Siが約0.2%で、TはCa0.
0030%、Y0.04%を、UはCa0.0008
%、La0.06%、Ce0.07%をそれぞれ添加し
たものである。Vは25Cr−36Ni−1.7Moを
基本成分として、Alを約1%含有し、Siが0.21
%で、さらにCa0.0025%、Y0.03%を添加
したものである。また、Wは25Cr−45Ni−1.
5Moを基本成分として、Alを約1%含有し、Siが
0.19%で、さらにCa0.0031%、Y0.03
%、La0.02%、Ce0.02%を添加したもので
ある。
【0031】本発明例A〜Wはいずれも高温腐食深さ5
0μm以下の良好な高温腐食特性、150J/cm2 以上
の良好な時効後靭性、破断時間200h以上の良好なク
リープ破断強度および熱間押出時に割れのみられない良
好な熱間加工性を有している。なお、本発明例Mの各特
性の値から、Ni量の下限を17%に、Al量の下限を
0.5%に、Si量の下限を0.35%にそれぞれ設定
した。
【0032】一方、表2に示す比較例HA〜HEはNi
をそれぞれ9.3%、13.1%、25.3%、35.
1%および46.8%を含有するオーステナイト系ステ
ンレス鋼であり、いずれの鋼もAlが本発明の成分範囲
下限である0.5%より低く、かつ、Siが本発明の成
分範囲上限である0.35%より高い。なお、HAはS
US304相当材であり、Niが本発明の成分範囲(1
7〜50%)より低い。
【0033】比較例HFはAlを約3%含有するが、N
iが14.5%であり、本発明の成分範囲下限である1
7%より低い。比較例HG〜HIは20Cr−25Ni
−1.5Moを基本成分とし、Alを約3%含有する
が、Siがそれぞれ0.42%、0.75%および1.
11%であり、本発明の成分範囲上限である0.35%
より高い。
【0034】比較例HJは20Cr−25Ni−1.5
Moを基本成分とし、Siが0.28%であるが、Al
が7.81%であり、本発明の成分範囲上限である6.
0%より高い。比較例HKは24Cr−35Ni−1.
5Moを基本成分とし、Siが0.25%であるが、A
lが6.59%であり、本発明の成分範囲上限である
6.0%より高い。比較例HLはNiが57.1%であ
り、本発明の成分範囲上限である50%より高い。
【0035】比較例HM〜HQは20Cr−25Ni−
1.5Moを基本成分とし、Alを約3%含有するが、
Ti,NbおよびBのいずれか1種以上が本発明の成分
範囲下限より低い。すなわち、HMではTi,Nbおよ
びBが、HNではBが、HOではTiおよびNbが、H
PではNbが、HQではTiがそれぞれ本発明の成分範
囲下限より低い。
【0036】比較例HR,HSは20Cr−25Ni−
1.5Moを基本成分とし、Alを約3%含有するが、
MoがHRでは0.08%、HSでは3.75%であ
り、いずれも本発明の成分範囲外の鋼である。
【0037】これらの比較例は、本発明例と対比して、
高温腐食特性、時効後靭性、クリープ破断強度あるいは
熱間加工性の少なくともいずれか一特性に問題点を有し
ている。すなわち、Alが本発明の成分範囲下限より低
いHA〜HE、Alを約3%含有するがNiが本発明の
成分範囲下限より低いHFは高温腐食深さが50μmを
超えて、高温腐食特性が本発明例より劣る。
【0038】Siが本発明の成分範囲上限より高いHG
〜HIは、時効後靭性が150J/cm2 を下回り本発明
例より劣る。またAlが本発明の成分範囲上限より高い
HJ,HKは熱間押出時にヘゲ状疵が発生し、また時効
後靭性が150J/cm2 を下回り、かつ破断時間200
h未満のクリープ破断強度であり、いずれの特性も本発
明例より劣る。Niが本発明の成分範囲上限より高いH
Lは熱間押出時にヘゲ状疵が発生した。
【0039】Ti,NbおよびBのいずれかが本発明の
成分範囲下限より低いHM〜HQは、破断時間200h
未満のクリープ破断強度であり、本発明例より劣る。ま
た、Moが本発明の成分範囲下限より低いHRは破断時
間200h未満のクリープ破断強度であり、本発明例よ
り劣る。一方、Moが本発明の成分範囲上限より高いH
Sは時効後靭性が150J/cm2 を下回り、本発明例よ
り劣る。
【0040】
【発明の効果】この発明によれば、廃棄プラスチック類
および自動車シュレッダーダスト等の廃棄物燃焼ボイラ
の過熱器管等に適用することのできる、燃焼環境中の塩
化物および塩化水素(HCl)ガス等に対して極めて優
れた高温腐食特性を有し、また、高温使用後の時効後靭
性が良好で、かつ、クリープ破断強度の良好なオーステ
ナイト系ステンレス鋼を供給することが可能になり、エ
ネルギーおよび環境分野に極めて有用な効果がもたらさ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高温腐食深さに及ぼすNi含有量の影響を示す
図。
【図2】高温腐食深さに及ぼすAl含有量の影響を示す
図。
【図3】時効後靭性に及ぼすSi含有量の影響を示す
図。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%にて、 C ;0.01〜0.15%、 Si;0.05〜0.35%、 Mn;0.3〜2.0%、 Cr;18〜25%、 Ni;17〜50%、 Mo;0.5〜3.0%、 Al;0.5〜6.0%、 Ti;0.03〜0.3%、 Nb;0.05〜0.6%、 B ;0.003〜0.01%、 P ;0.04%以下、 S ;0.005%以下、 N ;0.02〜0.3% を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるこ
    とを特徴とする高温腐食特性および時効後靭性に優れた
    オーステナイト系ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 重量%にて、 C ;0.01〜0.15%、 Si;0.05〜0.35%、 Mn;0.3〜2.0%、 Cr;18〜25%、 Ni;17〜50%、 Mo;0.5〜3.0%、 Al;0.5〜6.0%、 Ti;0.03〜0.3%、 Nb;0.05〜0.6%、 B ;0.003〜0.01%、 N ;0.02〜0.3% を含有し、さらにCa;0.0005〜0.015%を
    含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを
    特徴とする高温腐食特性および時効後靭性に優れたオー
    ステナイト系ステンレス鋼。
  3. 【請求項3】 重量%にて、 C ;0.01〜0.15%、 Si;0.05〜0.35%、 Mn;0.3〜2.0%、 Cr;18〜25%、 Ni;17〜50%、 Mo;0.5〜3.0%、 Al;0.5〜6.0%、 Ti;0.03〜0.3%、 Nb;0.05〜0.6%、 B ;0.003〜0.01%、 N ;0.02〜0.3% を含有し、さらにY ;0.001〜0.10%、 La;0.001〜0.10%、 Ce;0.001〜0.10%のうち1種以上を含み、
    残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴と
    する高温腐食特性および時効後靭性に優れたオーステナ
    イト系ステンレス鋼。
  4. 【請求項4】 重量%にて、 C ;0.01〜0.15%、 Si;0.05〜0.35%、 Mn;0.3〜2.0%、 Cr;18〜25%、 Ni;17〜50%、 Mo;0.5〜3.0%、 Al;0.5〜6.0%、 Ti;0.03〜0.3%、 Nb;0.05〜0.6%、 B ;0.003〜0.01%、 N ;0.02〜0.3% を含有し、さらに Ca;0.0005〜0.015% を含み、かつ、 Y ;0.001〜0.10%、 La;0.001〜0.10%、 Ce;0.001〜0.10%のうち1種以上を含み、
    残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴と
    する高温腐食特性および時効後靭性に優れたオーステナ
    イト系ステンレス鋼。
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