JPH09195005A - 高温強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】クリープ破断強度等の高温強度に優れ、過酷な
高温環境下で使用される装置用材料に好適な性能を備え
たオーステナイト系耐熱鋼を提供する。 【解決手段】重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．３％以下、 Ｍｎ：２％以下、 Ｃｒ：１７〜２５％、 Ｎｉ：７〜２３％、 Ｃｕ：２〜４．５％、 Ｎｂ：０．１〜０．８％、 Ｂ ：０．００１〜０．０１％、 Ｎ ：０．０５〜０．２５％、 ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３％、 Ｍｇ：０〜０．０１５％、 Ｍｏ：０〜２％、 Ｗ ：０〜４％ と、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄの内の１種または２種以
上の合計で０．０１〜０．２５％を含有し、残部がＦｅ
および不可避の不純物からなる高温強度に優れたオース
テナイト系耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クリープ破断強度
等の高温強度に優れ、高温装置用材料に好適な性能を備
えたオーステナイト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】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用材料としては、ＳＵＳ３０４
Ｈ、３１６Ｈ、３２１Ｈ、３４７Ｈ等の１８Ｃｒ−８Ｎ
ｉ系のオーステナイト系ステンレス鋼が使用されてき
た。しかし、近年、このような高温環境条件がさらに高
温化、高圧化される傾向にあり、装置の使用条件が著し
く苛酷化してきている。それに伴って、使用される材料
に対して、さらに高い性能が要求されるようになってき
た。そのために、従来用いられてきた１８Ｃｒ−８Ｎｉ
系のオーステナイト系ステンレス鋼は、高温強度の点で
要求に応えられなくなってきている。

【０００３】一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の
高温強度の改善方法としては、炭窒化物をマトリックス
に析出させることによる析出強化を図る手段が採られて
いる。さらに、析出強化に加えて、ＭｏやＷを多量に添
加し、これらの元素を固溶させることによる固溶強化も
有効な改善方法である。前者の析出強化単独の対策で
は、超々臨界圧発電ボイラの過熱器管のような苛酷な高
温環境下で使用される材料としては、強度が不十分であ
る。また、後者の析出強化と固溶強化を併用する対策で
は、オーステナイト組織を安定化させるために、高価な
Ｎｉの含有率を高くすることが余儀なくされる。したが
って、製造コストの上昇が避けられず、経済性の点で大
きな障害となっていた。

【０００４】そこで、本発明者らはコストアップを抑え
て、高温強度を上げることが可能な手段として、Ｎ（窒
素）添加鋼に着目した研究を行った。その結果、優れた
高温強度と組織安定性を備えた材料を開発し、特開昭６
２−１３３０４８号公報として提案した。この材料は、
Ｎを含有するオーステナイト系ステンレス鋼にＣｕおよ
びＢを添加し、かつ、ＳｉおよびＡｌの含有率を低く抑
えたことを特徴としている。しかし、最近は、上記のよ
うに使用環境がさらに苛酷化してきており、また、設備
費の抑制を図るために薄肉化も要求されている。そのた
めに、特開昭６２−１３３０４８号で提案したオーステ
ナイト系耐熱鋼でも、最近の高温強度に関する厳しい要
求には応えられなくなった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の課題
を解決するためになされたものであって、高価なＮｉ含
有率を極力抑えて、金属組織の安定性を確保することに
より、クリープ破断強度等の高温強度に優れ、過酷な高
温環境下で使用される装置用材料に好適な性能を備え、
かつ、安価なオーステナイト系耐熱鋼を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高価なＮ
ｉ含有率を極力抑えて、かつ、金属組織の安定性を確保
できることを前提条件として、Ｎを含むオーステナイト
系耐熱鋼のクリープ破断強度を飛躍的に向上させるため
の対策について、研究開発を行った。その結果、次の対
策により、クリープ破断強度を著しく向上させ、かつ、
高温で長時間保持しても、強度の低下がほとんどなく安
定なオーステナイト系耐熱鋼を得ることが可能であるこ
とが分かった。

【０００７】 Ｎを含むオーステナイト系耐熱鋼のＳ
ｉおよびＡｌ含有率を低くするとともに、ＣｕとＮｂの
両者を含有させる。

【０００８】 の基本鋼に、微量のＹ、Ｌａ、Ｃｅ
およびＮｄの１種以上を含有させる。

【０００９】上記およびを組み合わせた場合、高温
強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼が得られるのは、
次の理由による。微量のＹ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄがＮ
ｂを含有する微細な炭窒化物の析出を促進するとともに
析出物を安定化させる。そのために、高温強度に対して
重要な働きを持っているＣｕ析出相の成長粗大化が抑制
され、高温強度が向上する。

【００１０】本発明は、上記の知見を基になされたもの
であって、その要旨は、「重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．３％以下、 Ｍｎ：２％以下、 Ｃｒ：１７〜２５％、 Ｎｉ：７〜２３％、 Ｃｕ：２〜４．５％、 Ｎｂ：０．１〜０．８％、Ｂ ：０．００１〜０．０１
％、Ｎ ：０．０５〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．
００３〜０．０３％、Ｍｇ：０〜０．０１５％、 Ｍｏ：０〜２％、 Ｗ ：０〜４％ と、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄの内の１種または２種以
上の合計で０．０１〜０．２５％を含有し、残部がＦｅ
および不可避の不純物からなる高温強度に優れたオース
テナイト系耐熱鋼。」にある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のオーステナイト系
耐熱鋼（以下、単に本発明鋼と記す）を構成する合金元
素の作用と含有率について説明する。なお、化学組成の
％表示は、重量％を表す。

【００１２】Ｃ：炭化物を形成することにより、耐熱鋼
として必要な引張強さやクリープ破断強度を向上させる
のに有効な元素である。その効果を発揮させるために
は、０．０５％以上必要である。しかし、含有率が０．
１５％を超えると、それ以上では溶体化状態における未
固溶の炭化物量が増加するだけで、高温強度の向上効果
は得られない。さらに、靭性等の機械的性質を低下させ
る。したがって、Ｃ含有率の範囲は０．０５〜０．１５
％とした。

【００１３】Ｓｉ：脱酸元素として必要な元素であり、
耐酸化性の向上にも寄与する元素である。しかし、過剰
に含有する場合には、溶接性あるいは熱間加工性が低下
し、また、本発明鋼のようなＮを含む鋼では、時効中あ
るいはクリープ中に析出する窒化物量が増加するので、
高温下で使用する際に靭性および延性の低下を招く。

【００１４】したがって、Ｓｉ含有率は０．３％以下と
した。靭性や延性を重視する場合には、０．２５％以下
に抑えることが好ましい。また、本発明鋼におけるＳｉ
含有率の下限は、Ａｌ含有率が低めに抑えられているの
で、脱酸効果を得るために０．０３％以上とすることが
望ましい。

【００１５】Ｍｎ：Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、ま
た、熱間加工性の向上に有効な元素である。しかし、２
％を超えると耐熱特性、特に耐酸化性を低下させるの
で、Ｍｎ含有率の上限は２％とした。なお、脱酸作用や
熱間加工性の向上効果を得るためには、０．０５％以上
とすることが望ましく、上限はクリープ破断強度の観点
からは０．５％に抑えるのがよい。

【００１６】Ｃｒ：高温での耐酸化性、耐水蒸気酸化性
および耐高温腐食性等の耐食性を向上させるために必要
な元素であり、これらの性能は含有率の増加に伴って向
上する。しかし、その含有率が１７％未満では上記の効
果が得られない。また、Ｃｒ含有率の上限は、後述のよ
うにＮｉ含有率を２３％以下とする関係上、オーステナ
イト組織を確保するために、２５％とした。Ｎｉが２３
％の場合、Ｃｒ含有率が２５％を超えると、フェライト
やσ相が生成する可能性があるためである。したがっ
て、Ｃｒ含有率は１７〜２５％とした。

【００１７】Ｎｉ：安定なオーステナイト組織を確保す
る上で必須の合金元素である。Ｎｉの最適な含有率は、
鋼中に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等のフェライト生
成元素やＣ、Ｎ等のオーステナイト生成元素の含有率に
よって決まる。本発明鋼では、７％未満ではオーステナ
イト組織の安定化が困難であり、一方、２３％を超える
と製造コストが上昇し過ぎるので、Ｎｉ含有率は７〜２
３％とした。

【００１８】Ｃｕ：クリープ中に微細なＣｕ相としてマ
トリックスに分散して析出し、クリープ破断強度を向上
させる働きがある。その効果を得るためには２％以上含
有することが必要である。しかし、含有率が４．５％を
超えると、クリープ破断延性や加工性が悪くなる。その
ために、Ｃｕ含有率は２〜４．５％とした。

【００１９】Ｎｂ：Ｎｂは微細な炭窒化物として析出
し、析出物の分散強化によるクリープ破断強度の改善に
有効な元素である。この効果を発揮させるためには、
０．１％以上必要である。一方、含有率が０．８％を超
えると、溶体化状態で未固溶の炭窒化物が増加するの
で、機械的性質の低下を招く。したがって、上限は０．
８％とした。

【００２０】Ｎ：Ｎは高温強度を向上させるとともに、
オーステナイト組織を安定化させる働きがある。そのた
め、高価な元素であるＮｉの一部を代替する元素として
用いられる。ただし、Ｎ含有率が０．０５％未満では十
分な効果が得られない。

【００２１】一方、ＮはＣに比較して固溶限が大きいの
で、含有率が比較的多い場合でも溶体化状態で十分固溶
する。そのために、時効中に生成する窒化物の析出量が
少なく、靭性の低下も比較的少ない。しかし、Ｎ含有率
が０．２５％を超えると、時効後靭性が低下する。した
がって、Ｎ含有率は０．０５〜０．２５％とした。

【００２２】ｓｏｌ．Ａｌ：脱酸剤として添加される元
素であり、０．００３％以上含有することが必要であ
る。しかし、０．０３％を超えると、高温下で長時間保
持された場合、σ相等の金属間化合物の析出が促進さ
れ、靭性およびクリープ破断強度が低下する。このよう
な観点から、ｓｏｌ．Ａｌの含有率は０．００３〜０．
０３％と定めた。好ましくは、０．００３〜０．０２％
である。

【００２３】Ｂ：Ｂは、結晶粒界を強化する働きを持っ
ている。また、ＣあるいはＮと化合物を形成し、その微
細な炭窒化物には分散析出強化作用がある。この作用に
より、クリープ破断強度が向上する。この効果を発揮さ
せるためには、０．００１％以上を必要とする。一方、
Ｂ含有率が０．０１％を超えると溶接性を害する。した
がって、Ｂ含有率は０．００１〜０．０１％とした。

【００２４】Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ：これらの元素は、
本発明鋼においては、微細な炭窒化物の析出を促進する
とともに、析出物を安定化する働きがある。微細な炭窒
化物は、高温強度に対して重要な役割を果たすＣｕ相の
成長粗大化を抑制するので、クリープ破断強度を飛躍的
に向上させる。その効果を発揮させるためには、これら
の元素の内、少なくともいずれか１種を含む必要があ
り、単独では、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄとも０．０１
％以上を必要とする。しかし、過剰に含む場合には、熱
間加工性が悪く、また、クリープ破断強度の向上効果も
飽和するので、上限はＹ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄとも、
０．２５％とした。したがって、これらの元素の含有率
の範囲は、０．０１〜０．２５％、さらに好ましくは
０．０２〜０．２％である。

【００２５】これらの元素は１種だけ含有させてもよ
く、また、２種以上複合して含有させてもよい。なお、
本発明鋼においては、これらの元素は、いずれも同様な
作用効果を持っているので、２種以上同時に含ませる場
合には、合計で０．０１〜０．２５％の範囲とする必要
がある。

【００２６】ＭｏおよびＷ：ＭｏおよびＷは、必要に応
じて添加される元素であり、主として固溶強化元素とし
て、クリープ破断強度を向上させる働きがある。その効
果を得るためには、Ｍｏは０．３％以上、Ｗは０．５％
以上とするのが望ましい。

【００２７】一方、Ｍｏは２％、Ｗは４％を超えると、
クリープ破断強度の向上効果が飽和し、耐食性、加工性
が悪くなるとともに、これらの合金材料は高価なため経
済性の面でも不利になる。したがって、これらの元素を
含有させる場合には、Ｍｏ含有率は０．３〜２％、Ｗ含
有率は０．５〜４％とするのがよい。好ましくは、Ｍｏ
は０．５〜１．５％、Ｗは１〜２％である。

【００２８】Ｍｇ：溶鋼の脱酸剤として、必要に応じて
用いる元素である。本発明鋼においては、Ａｌの含有率
が低い場合に、溶鋼の脱酸を十分に行うために用いるの
が望ましい。この他、Ｍｇはクリープ破断強度の向上効
果も持っている。これらの効果を得るためには、０．０
０１％以上含むことが必要であり、０．０１５％を超え
ると加工性や溶接性が悪くなる。したがって、Ｍｇを含
有させる場合には、０．００１〜０．０１５％が好まし
い。

【００２９】上記の化学組成を備えた本発明鋼は、通常
商業的な生産に用いられている設備およびプロセスによ
って製造することができる。所定の化学組成の本発明鋼
を得るためには、電気炉、転炉、真空脱炭炉（ＶＯＤ
炉）あるいはアルゴン−酸素脱炭炉（ＡＯＤ炉）を利用
すればよい。特に、本発明鋼には、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎ
ｄなどの酸化されやすい合金元素が添加されるので、予
め溶鋼を真空処理することも有効である。鋼管を製造す
る場合には、成分調整された溶鋼を、連続鋳造法または
造塊法によって、ビレットあるいは鋼塊に鋳造する。鋼
塊はさらにビレットに加工し、これらのビレットを熱間
で製管し、必要に応じて冷間圧延、冷間抽伸等を行って
製品の鋼管に仕上げる。鋼板あるいは形鋼等の鋼材を製
造する場合には、それぞれ通常用いられる製造方法に従
えばよい。

【００３０】

【実施例】表１に、本実施例に用いた供試材の化学組成
を示す。供試材Ｎｏ．１〜２１は本発明例、供試材Ｎ
ｏ．Ａ〜Ｇは比較例である。

【００３１】

【表１】

【００３２】各供試材は、真空高周波誘導炉によって、
それぞれの化学組成の溶鋼を溶製し、２０ｋｇインゴッ
トに鋳造した後、各インゴットを鍛造、冷間圧延し、さ
らに１２００℃で固溶化熱処理を施すことによって作製
した。インゴットの径は１００ｍｍ、冷間圧延後の供試
材は、厚さ１０ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ７００ｍｍであ
る。

【００３３】各供試材から、ＪＩＳ Ｚ ２２７２に従
って、クリープ破断試験片（直径６ｍｍ、標点距離３０
ｍｍ）を採取し、クリープ破断試験を行った。クリープ
破断試験は、６５０〜７５０℃の温度範囲で、応力を変
えて実施し、ラルソンミラーパラメータ法により７００
℃、１０００時間クリープ破断強度を求めた。

【００３４】表１に、各供試材のクリープ破断強度を示
した。本発明例の供試材Ｎｏ．１〜２１のクリープ破断
強度は、１８．０〜２１．７ｋｇｆ／ｍｍ² の範囲にあ
り良好である。それに対して、比較例の供試材Ｎｏ．Ａ
〜Ｇのクリープ破断強度は、供試材Ｎｏ．Ｅの２１．０
ｋｇｆ／ｍｍ² を除くと、１６．５〜１９．５ｋｇｆ／
ｍｍ² であり、全般的に低めである。なお、比較例の供
試材Ｎｏ．Ｅについては、Ｃｅを本発明の範囲の上限を
超えて多量に含んでいるので、クリープ破断強度は高い
ものの、本発明例の高いものと同程度であり、熱間加工
性に劣る。そのために、製品に加工する際に、割れ等が
発生するという欠陥がある。

【００３５】７００℃、１０００時間クリープ破断強度
について、本発明例と比較例をさらに詳細に比較した。

【００３６】表２に、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄ以外の
化学組成が類似し、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄを含む本
発明例とこれらの元素を含まない比較例を対比して、ク
リープ破断強度を示した。表２から明らかなように、
Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄの内の少なくとも１つの元素
を０．０１〜０．２５％含む本発明例は、これらの元素
を含まない比較例に比べて、クリープ破断強度が高いこ
とが分かる。このように、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄ
は、本発明鋼にとって、極めて重要な働きをすることが
確認された。

【００３７】

【表２】

【００３８】図１に、表１に示したＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎ
ｄに関するデータの内、Ｃｅを例にとって、Ｃｅの含有
率と７００℃、１０００時間クリープ破断強度との関係
を示す。図１から、Ｃｅ含有率０．０１％以上でクリー
プ破断強度が飛躍的に向上することが分かる。しかし、
０．２５％以上では、Ｃｅ含有率を上げてもクリープ破
断強度の向上効果はそれ以上高くはならなかった。ま
た、Ｃｅ含有率が０．２５％を超えると、熱間加工性等
が低下する。したがって、本発明鋼においては、Ｃｅ含
有率は０．０１〜０．２５％とした。

【００３９】先に示した表１および表２からも明らかな
ように、Ｙ、ＬａおよびＮｄについても、Ｃｅと同様の
効果があり、各元素を単独で用いる場合には単独で、複
合で用いる場合はその合計で、０．０１〜０．２５％含
有させるのが適当である。

【００４０】このようなＹ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄは、
微細な炭窒化物の析出を促進するとともに、析出物を安
定化する働きがある。これらの微細な炭窒化物は、高温
強度に対して重要役割を果たすＣｕ相の成長粗大化を抑
制するので、本発明鋼のクリープ破断強度を飛躍的に向
上させる。

【００４１】

【発明の効果】本発明のオーステナイト系耐熱鋼は高温
強度に優れ、かつ、高温長時間におけるクリープ破断強
度にも優れている。しかも、高価な合金元素であるＮｉ
の含有率を極力低く抑えた上で、金属組織を安定化させ
ているので、経済性の面でも有利である。したがって、
本発明鋼は、ボイラや化学プラント等、高温環境下で使
用される装置用材料として好適であり、広い範囲で利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｃｅの含有率と７００℃、１０００時間クリー
プ破断強度との関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ ：０．０５〜０．１５％、
   Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１７〜２
   ５％、Ｎｉ：７〜２３％、Ｃｕ：２〜４．５％、Ｎｂ：
   ０．１〜０．８％、Ｂ ：０．００１〜０．０１％、Ｎ
   ：０．０５〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３
   〜０．０３％、Ｍｇ：０〜０．０１５％、Ｍｏ：０〜２
   ％、Ｗ ：０〜４％と、Ｙ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄの内
   の１種または２種以上の合計で０．０１〜０．２５％を
   含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる高温
   強度に優れたオーステナイト系耐熱鋼。