JPH0774414B2 - 高温強度の優れるオ−ステナイト鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、高温強度及び組織安定性に優れ、高温装置
用材料として極めて良好な性能を発揮する低コストのオ
ーステナイト鋼に関するものである。

〈背景技術〉 従来、高温環境下で使用されるボイラや化学プラント等
の装置材料には、主として18−８系オーステナイトステ
ンレス鋼が使用されてきたが、近年、このような用途分
野では装置類使用条件の苛酷化が著しくなり、それにと
もなつて使用材料への要求性能も高度化して、現用の18
−８系オーステナイトステンレス鋼では高温強度が不十
分であると言われる状況となつてきている。

一般に、鋼の高温強度を改善する方法としては、インコ
ロイ807（商品名）やハステロイＸ（商品名）等のニツ
ケル基超合金にみられると同様、固溶強化元素として知
られるMo又はＷを多量添加することが有効であるが、こ
のような方法は経済性の点で大きな不利を伴うものであ
つた。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明者等は、従来の高温装置用材料にみられる上記問
題点を踏まえ、MoやＷ等の如き高価な元素による強化を
極力控えて、高温強度及び組織安定性に優れた経済的な
オーステナイト鋼を提供すべく、特に鋼の高温強度改善
にCu添加が有効であるとの確認事項に着目して、Cuを含
有する高温用鋼成分系の高温強度及び組織安定性につき
鋭意研究を行つた結果、下記（ａ）〜（ｃ）に示す如き
知見を得たのである。即ち、 （ａ）高温用鋼の高温強度及び組織安定性改善にはSi及
びAl量の低減が有効であること、 （ｂ）鋼の高温強度、特にクリープ破断強度の改善には
B,Zr及びMgの添加が有効であり、中でもZrは、組織安定
性の観点から脱酸元素としてのSi及びAl量を制限する場
合に大きな効果を発揮する。

（ｃ）更に、上記成分系に固溶強化元素群（Mo,W）或い
は炭化物分散強化元素群（Ti,Nb,V）を単独又は複合で
添加すると、鋼の高温強度が更に改善されること。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
オーステナイト鋼を C :0.03〜0.15％（以下、成分割合を表わす％は重量％
とする）、 Si:0.3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:14〜27％、 Ni:6〜50％、 Cu:2〜７％、 Al:0.003〜0.030％、 Mg:0.001〜0.015％、 B :0.001〜0.010％、 Zr:0.001〜0.100％ を含有するか、或いは更に、 Mo:0.3〜6.0％、 W:0.5〜10％、 Ti:0.01〜1.00％、 Nb:0.01〜1.50％、 V :0.01〜1.00％ のうちの１種以上をも含むかし、 Fe及び不可避的不純物：残り から成る成分組成に構成することにより優れた高温強度
と組織安定性を付与せしめた点、 を特徴とするものである。

次いで、この発明のオーステナイト鋼において、各成分
の含有割合を前記の如くに数値限定した理由を説明す
る。

Ｃ Ｃは、耐熱鋼として必要な引張強さ及びクリーブ破断強
度を確保するのに有効な元素であり、その含有が0.03％
以上で前記効果が得られるが、特に0.05％以上で該効果
は著しくなる。しかしながら、0.15％を越えて含有させ
ると溶体化状態での未固溶炭化物量も増加して機械的性
質に悪影響がでてくることから、Ｃ含有量は0.03〜0.15
％と定めた。

Si Siは脱酸剤として有効な元素であり、通常の鋼では、0.
4〜0.8％程度含有されているが、添加量が多くなると溶
接性が劣化する上、高温での長時間使用時にσ相等の脆
化相析出を析出して高温強度及び靭性（組織安定性）が
低下する。この傾向は、Si含有量が0.3％を越えると顕
著になるためSi含有量を0.3％以下と定めたが、できれ
ば0.2％以下に抑えることが望ましい。

Mn Mnは鋼の脱酸剤として知られており、また加工性改善に
有効な元素であるが、10％を越えて含有させると耐熱特
性を劣化するようになることから、Mn含有量は10％以下
と定めた。

Cr Crは耐酸化性等、鋼の耐食性改善の点より必要な元素で
あり、その十分な効果を発揮させるためには14％以上の
含有量を確保する必要がある。ところで、耐食性の観点
からはCr含有量は多いほど望ましいが、27％を越えて含
有させると加工性の劣化を招く上、組織不安定を来たす
恐れがあることから、Cr含有量は14〜27％と定めた。

Ni Niは安定なオーステナイト組織を確保するために必須の
成分であり、その適正量はCr,Mo,W,Ti,Nb及びＶ等の添
加量によつて定まるが、本発明鋼の場合にはNi含有量が
６％未満であるとオーステナイト組織の安定確保が困難
となり、一方、50％を越えて含有させることは著しい経
済的不利を招くことから、Ni含有量は６〜50％と定め
た。

Cu Cuは鋼の高温強度、特にクリープ破断強度を改善する作
用を有しているが、その含有量が２％未満では前記作用
に所望の効果が得られず、一方、７％を越えて含有させ
ると加工性の劣化並びにクリープ破断延性の劣化を来た
すようによることから、Cu含有量は２〜７％と定めた。

Al Alは、Siと同様に脱酸剤として必要な元素であり、0.00
3％以上の含有量を確保する必要がある。しかし、0.030
％を越えて含有させると、高温・長時間使用時でのσ相
析出を促進して組織安定性を劣化させることから、Al含
有量が0.003〜0.030％と定めた。

Mg Mgは鋼の脱酸剤として、そして加工性改善成分として必
要な元素であめとともに、クリープ破断強度改善にも有
効に作用するが、その含有量が0.001％未満ではこれら
の特性を十分に発揮せしめることができず、一方、0.01
5％を越えて含有させると、かえつて加工性を劣化させ
る結果となることから、Mgは0.001〜0.015％と定めた。

Ｂ Ｂは結晶粒界を強化して高温強度を改善するのに有効な
元素であるが、その含有量が0.001％未満では前記効果
が十分に発揮されず、一方、0.010％を越えて含有させ
ると溶接性の劣化を招くことから、Ｂ含有量は0.001〜
0.010％と定めた。

Zr Zrは鋼のクリープ破断強度改善に有効な元素であり、特
に本発明鋼のように組織安定性の観点から脱酸剤として
のSi量及びAl量を低目に制限する場合に大きな効果を発
揮する。そして、所望高温強度を確保するためには0.00
1％以上の含有量が必要であるが、0.100％を越えて含有
させると溶接性を劣化させることから、Zr含有量は0.00
1〜0.100％と定めた。

Mo,及びＷ これらの元素には鋼の高温強度を改善する作用があるの
で、必要により１種又は２種添加されるが、Mo含有量が
0.3％未満であつたりＷ含有量が0.5％未満であると前記
作用に所望の効果を得ることができない。一方、高温強
度改善の観点からはこれらの添加量は多いほど好ましい
が、Mo含有量が6.0％を越えたり、Ｗ含有量が10％を越
えたりすると鋼の加工性及び組織安定性が劣化すること
から、Mo含有量は0.3〜6.0％と、Ｗ含有量は0.5〜10％
とそれぞれ定めた。

Ti,Nb,及びＶ これらは鋼の高温強度を改善するのに有効な元素である
ので必要により１種以上含有せしめられるが、その十分
な効果を発揮させるためにはいずれも0.01％以上含有さ
せる必要がある。本発明鋼においては、これらの元素は
主として炭化物の微細分散強化を利用する目的で添加す
るものであり、Ti:1.00％以下、Nb:1.50％以下、そして
V:1.00％以下でその最大の効果が発揮されることから、
Ti含有量は0.01〜1.00％と、Nb含有量は0.01〜1.50％
と、Ｖは0.01〜1.00％とそれぞれ定めた。

次に、この発明を実施例により比較例と対比しながら具
体的に説明する。

〈実施例〉 まず、真空溶解にて第１表に示す如き成分組成 の本発明鋼１〜41、並びに比較材Ａ〜Ｐを溶製し、鍛造
及び冷間圧延を経た後溶体化処理を施した。なお、第１
表において、従来材Ｎは18−８系ステンレス鋼の中で最
も高温強度の優れたSUS316H鋼、従来材Ｏ及び従来材Ｐ
はFeをある程度含有しているNi基合金である。

続いて、これらの供試材について750℃でのクリープ破
断試験を行い、1000hクリープ破断強度を求めるととも
に、更に、組織安定性を評価するため750℃×1000hの長
時間加熱材について０℃でのシヤルピー衝撃試験を行つ
た。

これらの試験結果を第２表に示す。

第２表に示される結果からは、まず、本発明鋼１〜41は
いずれも18−８系ステンレス鋼の中で最も高温強度に優
れたSUS316H鋼より高いクリープ破断強度レベルを示す
ことがわかる。

また、本発明鋼12,31及び33と比較鋼Ｍとの破断強度を
比較すると、Cu添加による高温強度改善効果の大きいこ
とが明らかである。

更に、本発明鋼６〜13、及び17〜41ではインコロイ807
（商品名）と同等以上の高強度を示しており｛この中に
は、Moを９％含有するハステロイＸ（商品名）以上の高
強度を示すものもある｝、本発明鋼が高温用材料として
際立つた特性を有していることがわかる。

一方、本発明鋼の衝撃特性も良好であり、ハステロイＸ
（商品名）よりもクリープ破断強度レベルの高い本発明
鋼12においてさえも、衝撃値がハステロイＸ（商品名）
より優れた値を示している。

即ち、本発明鋼は、高温強度だけでなく、組織安定性に
も優れた経済的なオーステナイト鋼であることが明瞭で
ある。

ところで、第１図は、クリープ破断強度に及ぼすZr含有
量の影響を前記第１表の鋼についてグラフ化したもので
あるが、この第１図からも、Zrの微量添加によつてクリ
ープ破断強度が大幅に改善されることが確認できる。な
お、第１図中の記号は、第１表における鋼種記号である
ことは言うまでもない。

また、第２図は、クリープ破断強度及び長時間加熱材の
衝撃値に及ぼすZr,Si及びAl含有量を影響を前記第１表
の鋼についてグラフ化したものであるが、この第２図か
らは、特に高温強度及び組織安定性の点より脱酸元素と
してのSi及びAlレベルを制限した場合にZrの高温強度改
善効果が顕著であることを確認できる。更に、該第２図
から、Si及びAl量の低減が高温強度及び組織安定性改善
に寄与していることも理解することができる。

〈総括的な効果〉 以上に説明した如く、この発明によれば、優れたクリー
プ破断強度と組織安定性を備えたオーステナイト鋼を実
現することができ、かつ該オーステナイト鋼はNi基のイ
ンコロイト807（商品名）やハステロイＸ（商品名）に
比較して経済的にも有利であることから、ボイラや化学
プラント機器等の高温機器に適用してその耐久性を十分
に向上し得るなど、産業上有用な効果がもたらされるの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋼のクリープ破断強度に及ぼすZr含有量の影
響を示すグラフ、 第２図は、クリープ破断強度及び長時間加熱材の衝撃値
に及ぼすZr,Si及びAl含有量の影響を示すグラフであ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量割合にて、 C :0.03〜0.15％、 Si:0.3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:14〜27％、 Ni:6〜50％、 Cu:2〜７％、 Al:0.003〜0.030％、 Mg:0.001〜0.015％、 B :0.001〜0.010％、 Zr:0.001〜0.100％、 Fe及び不可避的不純物：残り から成ることを特徴とする、高温強度と組織安定性に優
   れるオーステナイト鋼。
2. 【請求項２】重量割合にて、 C :0.03〜0.15％、 Si:0.3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:14〜27％、 Ni:6〜50％、 Cu:2〜７％、 Al:0.003〜0.030％、 Mg:0.001〜0.015％、 B :0.001〜0.010％、 Zr:0.001〜0.100％、 を含有するとともに、 Mo:0.3〜6.0％、 W :0.5〜10％ のうちの１種以上をも含み、 Fe及び不可避的不純物：残り から成ることを特徴とする、高温強度と組織安定性に優
   れるオーステナイト鋼。
3. 【請求項３】重量割合にて、 C :0.03〜0.15％、 Si:0.3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:14〜27％、 Ni:6〜50％、 Cu:2〜７％、 Al:0.003〜0.030％、 Mg:0.001〜0.015％、 B :0.001〜0.010％、 Zr:0.001〜0.100％ を含有するとともに、 Ti:0.01〜1.00％、 Nb:0.01〜1.50％、 V :0.01〜1.00％ のうちの１種以上をも含み、 Fe及び不可避的不純物：残り から成ることを特徴とする、高温強度と組織安定性に優
   れるオーステナイト鋼。
4. 【請求項４】重量割合にて、 C :0.03〜0.15％、 Si:0.3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:14〜27％、 Ni:6〜50％、 Cu:2〜７％、 Al:0.003〜0.030％、 Mg:0.001〜0.015％、 B :0.001〜0.010％、 Zr:0.001〜0.100％ を含有するとともに、 Mo:0.3〜6.0％、 W :0.5〜10％ のうちの１種以上、並びに Ti:0.01〜1.00％、 Nb:0.01〜1.50％、 V :0.01〜1.00％ のうちの１種以上をも含み、 Fe及び不可避的不純物：残り から成ることを特徴とする、高温強度と組織安定性に優
   れるオーステナイト鋼。