JPH10140296A - 熱間加工性に優れるＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温環境下での耐酸化性に優れ、さらに良好な
熱間加工性と高温強度を備えるAl含有オーステナイト系
ステンレス鋼を提供すること。 【解決手段】重量%でC:0.15%以下、Si:0.9%以下、Mn:0.
2〜2%、P:0.04%以下、S:0.005%以下、かつS(%)とO(%)を
合わせて0.015%以下、Cr:12〜30%、Ni:10〜35%、Al:1.5
〜5.5%、B:0.001〜0.01%、N:0.025%以下、Ca:0〜0.008
%、Cu:0〜2%、Ti、Nb、Zr、VおよびHfのうちの1種以上
を合計で0〜2%、W、Mo、CoおよびReのうちの1種以上を
合計で0〜3%、希土類元素のうちの1種以上を合計で0〜
0.05%含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる
ことを特徴とするAl含有オーステナイト系ステンレス
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、９５０℃以上、特
に１０００℃を超える酸化雰囲気中で優れた耐酸化性を
有し、さらに良好な熱間加工性と高い高温強度を有する
Ａｌ含有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】オーステナイト系ステンレス鋼には、例
えばＳＵＳ３１０Ｓを代表とする２５Ｃｒ−２０Ｎｉ
系、Ｉｎｃｏｌｏｙ８００として知られる２１Ｃｒ−３
２．５Ｎｉ系等がある。これらの合金は、酸化雰囲気中
でＣｒ₂Ｏ₇系酸化皮膜を形成し、優れた耐酸化性を示
す。しかしながら、９５０℃以上の高温では、Ｃｒ₂Ｏ₃
系酸化皮膜中のカチオンおよびアニオンの拡散が速くな
ることや皮膜にクラックが発生することにより、合金の
耐酸化性は低下する。また、繰り返して加熱や冷却を行
う環境下ではこの酸化皮膜は剥離を起こし、酸素や窒素
が母材中に侵入しやすく、その場合には合金の劣化が著
しく進行する。

【０００３】このような合金に対して、耐酸化性を改善
する元素としてＳｉを添加したものがある。例えばＳＵ
ＳＸＭ１５Ｊ１はＳｉを添加した耐熱オーステナイト系
ステンレス鋼として主に自動車用構造材料に用いられて
いる。この合金は、Ｓｉを添加することによりＣｒ₂Ｏ₃
系酸化皮膜と母材との界面にＳｉＯ₂ を形成させ、酸化
速度を低減させることやＣｒ₂Ｏ₃系酸化皮膜と母材との
密着性を向上させることにより優れた耐酸化性を示す。
しかし、表面に形成される主たる酸化皮膜はＣｒ₂Ｏ₃系
酸化皮膜なので高温環境下での耐酸化性の飛躍的な向上
は望めない。また、繰り返しの加熱と冷却が生じる環境
下ではＳｉを添加した合金では熱膨張差に起因する熱応
力の発生が大きいため酸化皮膜の剥離が著しく、高温で
の使用に対し満足できる性能を有していない。

【０００４】このようなオーステナイト系ステンレス鋼
の欠点に鑑み、特に８００℃以上の酸化雰囲気中での使
用において、Ａｌ₂Ｏ₃酸化皮膜を合金表面に形成するこ
とで耐酸化性を向上させた例が、特公昭５５−４３４９
８号公報、特開平６−２７１９９２号公報および特開平
６−２７１９９３号公報に開示されている。これらは合
金中に多量のＡｌを添加すること、またＡｌとＳｉの添
加量を規定することにより、従来オーステナイト系ステ
ンレス鋼では生成し得なかったＡｌ₂Ｏ₃酸化皮膜を表面
に均一に生成させて耐酸化性の向上を実現している。

【０００５】しかしながら、Ａｌを多量に添加すると熱
間加工性を著しく悪化させるという問題が起こる。すな
わち、インゴットに分塊圧延を施す際やスラブに熱間圧
延を施す際に耳割れが発生するので、製品歩留まりが低
下する。したがって、Ａｌ含有オーステナイト系ステン
レス鋼においては、熱間加工性の改善が最大の課題とな
っている。

【０００６】特開平２−１１５３４８号公報には、Ａｌ
含有オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性が低い
のは、鋼中のＳ、Ｏが粒界に偏析することに起因してい
る旨記載されている。また、同公報には、Ａｌ含有オー
ステナイト系ステンレス鋼の割れ感受性を低下させるに
は、鋼中のＳおよびＯの含有量の低減、Ｃａ、Ｙおよび
希土類元素の添加によりＳ、Ｏを固定すること、ならび
にＭｇ、Ｐｂ、Ｂｉの含有量を制限することが有効であ
る旨開示されている。しかしながら、同公報に記載され
ているＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼は、ある
程度の熱間加工性は備えているものの十分満足しうる特
性を持つものとは言えない。特に、高温環境下で使用す
る場合は、上述した耐酸化性や耐腐食性のみならず高温
強度も備えていることが重要であり、高温強度を付与す
るために固溶強化元素や析出強化元素が添加される。こ
の場合には、熱間加工性はさらに低下するので、同公報
で開示されている鋼中ＳおよびＯの低減、Ｃａ、Ｙ、希
土類元素の添加によるＳ、Ｏの固定ならびにＭｇ、Ｐ
ｂ、Ｂｉの制限によって得られる熱間加工性では、不十
分である。

【０００７】このような背景から、耐酸化性を備えると
ともに、高温強度を向上させる元素を添加した場合であ
っても、熱間加工性に優れているＡｌ含有オーステナイ
ト系ステンレス鋼の開発が強く望まれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、９５
０℃以上、特に１０００℃を超える酸化雰囲気中におけ
る使用環境下において、耐酸化性に優れ、良好な熱間加
工性と高温強度を有するＡｌ含有オーステナイト系ステ
ンレス鋼を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
耐酸化性に優れ、熱間加工性と高温強度も良好なＡｌ含
有オーステナイト系ステンレス鋼にある。

【００１０】『重量％でＣ：０．１５％以下、Ｓｉ：
０．９％以下、Ｍｎ：０．２〜２％、Ｐ：０．０４％以
下、Ｓ：０．００５％以下、かつＳ（％）とＯ（％）を
合わせて０．０１５％以下、Ｃｒ：１２〜３０％、Ｎ
ｉ：１０〜３５％、Ａｌ：１．５〜５．５％、Ｂ：０．
００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２５％以下、Ｃａ：０
〜０．００８％、Ｃｕ：０〜２％、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、
ＶおよびＨｆのうちの１種以上を合計で０〜２％、Ｗ、
Ｍｏ、ＣｏおよびＲｅのうちの１種以上を合計で０〜３
％、希土類元素のうちの１種以上を合計で０〜０．０５
％含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とするＡｌ含有オーステナイト系ステンレス
鋼。』 『重量％でＣ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．３％以下、
Ｍｎ：０．２〜２％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０
０３％以下、かつＳ（％）とＯ（％）を合わせて０．０
０５％以下、Ｃｒ：１６％超え３０％以下、Ｎｉ：１５
〜３０％、Ａｌ：２．５〜４．５％、Ｂ：０．００１〜
０．０１％、Ｎ：０．０２５％以下、Ｃａ：０〜０．０
０８％、Ｃｕ：０〜１．２％、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖの
うちの１種以上を合計で０〜２％、Ｗ、ＭｏおよびＣｏ
のうちの１種以上を合計で０．２〜３％、希土類元素の
うちの１種以上を合計で０〜０．０５％含有し、残部は
Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＡ
ｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼。』 本発明は、下記（１）の従来からある知見に加え、
（２）および（３）の化学組成を種々検討した結果より
得られた新しい知見をもとになされたものである。 （１）熱間加工時に耳割れが発生するのは、結晶粒界の
延性が低下しているからである。粒界の延性が低下する
のは、ＳおよびＯが粒界に偏析しているからであり、精
錬段階で極力ＳおよびＯを低減することが、熱間加工性
を向上させるために必須である。

【００１１】（２）本発明者らは、結晶粒界の延性を向
上させるためには、Ｓ、Ｏを低減する他にＢを添加する
ことが有効であることを新たに見い出した。Ｂは、高温
強度を向上させるのに有効であることは知られていた
が、Ａｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼にＢを添加
すると、熱間加工時の耳割れの発生を抑制する作用もあ
ることがわかった。

【００１２】熱間加工性の指標となるグリーブル試験を
実施して素材の断面絞り率を求めた結果を用いて、Ｂが
熱間加工性を向上させる効果を持つことを次に示す。

【００１３】図１は、重量％でＣ：０．０６％、Ｓｉ：
０．２５％、Ｍｎ：０．８％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：
０．００２％、Ｓ＋Ｏ：０．００７％、Ｃｒ：１７％、
Ｎｉ：２４％、Ａｌ：３．５％、Ｎ：０．０２０％、Ｃ
ｕ：０．６％、Ｃａ：０．００４％、希土類元素：０．
０２５％、Ｎｂ：０．３５％、Ｖ：０．１５％、Ｗ：
０．５％、を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物
からなるＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼のＢの
含有量を０．０００２〜０．０１３７重量％まで変化さ
せた鋼を１２００℃で５分間保持した後、２００℃／分
の速度で１０００℃まで冷却し、その温度にて歪み速度
１／ｓｅｃでグリーブル試験を実施して求めた断面絞り
率を示すものである。以下、化学組成の説明で使用する
％は、重量％を意味するものとする。

【００１４】グリーブル試験の結果から、Ｂを１０ｐｐ
ｍ以上すなわち、０．００１％以上含有させることによ
り、１０００℃での断面絞り率が６０％程度まで向上す
ることが判明した。断面絞り率が高い程、熱間加工性が
良好であり、１０００℃でのグリーブル試験で６０％以
上の断面絞り率があれば、スラブに例えば熱間圧延等の
熱間加工を施しても耳割れは発生しない。このことか
ら、Ａｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼のＳとＯの
含有量を低減することに加えて、Ｂを０．００１％以上
含有させることが熱間加工性を向上させる上で有効であ
ると思われる。

【００１５】（３）さらに、本発明者らは、Ａｌ含有オ
ーステナイト系ステンレス鋼のＮを低減させることも熱
間加工時の耳割れを抑制するために有効であることを新
たに見い出した。グリーブル試験後の試験片の破断面を
観察した結果、破断は結晶粒界から発生しており、さら
に詳細に観察すると、結晶粒界に存在する析出物を起点
として亀裂が発生していることが明らかとなった。そし
て亀裂の起点となる析出物は、主としてＡｌＮであるこ
とが判明した。

【００１６】図２に鋼中のＮが熱間加工性に及ぼす影響
を示す。図２は、重量％でＣ：０．０６％、Ｓｉ：０．
２５％、Ｍｎ：０．８％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：０．
００２％、Ｓ＋Ｏ：０．００７％、Ｃｒ：１７％、Ｎ
ｉ：２４％、Ａｌ：３．５％、Ｃｕ：０．６％、Ｃａ：
０．００４％、希土類元素：０．０２５％、Ｎｂ：０．
３５％、Ｖ：０．１５％、Ｗ：０．５％、Ｂ：０．００
３５％含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からな
るＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼のＮの含有量
を０．００１〜０．０６３％まで変化させた鋼を１２０
０℃で５分間保持した後、２００℃／分の速度で１００
０℃まで冷却し、その温度にて歪み速度１／ｓｅｃの条
件でグリーブル試験を実施して求めた断面絞り率を示す
ものである。

【００１７】グリーブル試験の結果から、Ｎ含有量が
０．０２５％以下であれば、１０００℃での断面絞り率
が６０％以上となることが判明した。

【００１８】本発明では、特に（３）に記載のＮ含有量
を制限することが重要である。（１）のＳとＯの低減、
（２）のＢの添加による粒界延性の向上に加え、（３）
のＮ含有量の制限により割れ発生の起点となる鋼中のＡ
ｌＮの析出を極力抑制することで、本発明のＡｌ含有オ
ーステナイト系ステンレス鋼は、優れた熱間加工性を発
揮するのである。

【００１９】

【発明の実施の形態】

１．Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜について 本発明のＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼を１０
００℃程度の高温環境下で使用した場合、表面にＡｌ₂
Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜が形成される。この皮膜
が、優れた耐酸化性と耐腐食性を発揮する。Ａｌ₂Ｏ₃系
主体の保護性酸化皮膜とは、主たる化合物がＡｌ₂Ｏ₃型
であり、コランダム型やスピネル型の化合物である。酸
化物中の全金属原子に占めるＡｌの割合は、６０原子％
以上、好ましくは７０原子％以上であり、Ａｌ以外の元
素としては、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚ
ｒ等が固溶している。耐酸化性を向上させるためには、
Ａｌ₂Ｏ ₃系主体の酸化皮膜が鋼表面を覆うように均一
に形成させることが有効である。Ａｌ₂ Ｏ ₃系主体の酸
化皮膜は、後述するように鋼中に１．５〜５．５％のＡ
ｌが含有されていれば、高温での使用の際に鋼表面に均
一に形成されるが、非酸化性ガス雰囲気や燃焼灰等が鋼
表面に付着する環境、さらには鋼中でのＡｌの拡散が遅
い温度である８００℃以下で使用する場合には、予め使
用前にＡｌ₂Ｏ₃系主体の酸化皮膜を鋼表面に形成させて
おくことが好ましい。形成方法としては、酸化性ガス雰
囲気下において８００℃以上に加熱する方法または硝酸
溶液への浸漬、もしくは陽極電解処理による方法があ
る。

【００２０】また、Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜
は、Ａｌ₂Ｏ₃等のＡｌを主体とする酸化物が一面に形成
されているならば、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物の上にＦｅ、Ｃ
ｒ、Ｓｉ、Ｔｉを含む酸化物が層状に生成して多層酸化
皮膜となっているものでも良い。

【００２１】２．化学組成 Ｃ：０．１５％以下 Ｃの含有量は、０．１５％以下とする。Ｃは、熱間加工
性を低下させるとともに、高温での使用や溶接の際にＣ
ｒ₂₃Ｃ₆ 型の炭化物を形成して耐酸化性を悪化させる。
また、Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜を母材から剥離
させるので含有量は低い方が好ましい。ただし、高温環
境下での使用の際に強度を向上させることを重視する場
合には、上限近くまで含有させるのがよい。

【００２２】Ｓｉ：０．９％以下 Ｓｉの含有量は、０．９％以下とする。Ｓｉを含有させ
るとＡｌの酸化皮膜が形成されにくくなるからである。
Ｓｉを含有させると、鋼中にβ−ＮｉＡｌ金属間化合物
が析出し、Ａｌの酸化皮膜を形成するためのＡｌが表層
へ十分に供給されなくなる。したがって、Ｓｉ含有量
は、低い方が好ましく、上限を０．９％以下とする。好
ましくは０．７％以下、さらに好ましいのは０．３％以
下とすることである。

【００２３】Ｍｎ：０．２〜２％ Ｍｎは、結晶粒界に偏析し熱間鍛造もしくは熱間加工時
の耳割れを助長する有害なＳを固定する作用を持つ。ま
た、Ｍｎは、高温での強度を向上させ、オーステナイト
組織の安定性を高める元素でもあるので、０．２％以上
を含有させる。ところが、含有量が２％を超えると、耐
酸化性を悪化させる。したがって、含有量を０．２〜２
％とする。

【００２４】Ｐ：０．０４％以下 Ｐは、結晶粒界に偏析する傾向があり、熱間鍛造または
熱間圧延の際の加工性を悪化させる元素である。したが
って、含有量を０．０４％以下に制限する。

【００２５】Ｓ：０．００５％以下、かつＳ（％）とＯ
（％）を合わせて０．０１５％以下Ｓの含有量は、０．
００５％以下で、かつＳとＯを合わせて０．０１５％以
下とする。Ｓは結晶粒界に偏析し、熱間鍛造または熱間
圧延時に耳割れを引き起こす。特に本発明鋼のようにＡ
ｌ含有量が高いオーステナイト系ステンレス鋼では、そ
の影響は大きいので、Ｓを極力低減することが好まし
い。そのために上限を０．００５％以下とする。好まし
くは０．００３％以下である。

【００２６】一方、鋼中のＯは、Ａｌ等と結びついて母
材中に非金属介在物を形成し、鋼の清浄性を悪化させ
る。また、溶接時に酸化物の巻き込み等による溶接欠陥
を引き起こし、高温での強度または靭性を損なわせる。
このためにＳとＯを合わせて０．０１５％以下とする。
好ましくは０．０１２％以下、さらに好ましくは０．０
０５％以下である。

【００２７】Ｃｒ：１２〜３０％ Ｃｒの含有量は１２％以上、３０％以下とする。高温環
境下で使用する際にＡｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜を
緻密に生成させるには、Ｃｒを１２％以上含有させてお
く必要がある。これは、ＣｒがＦｅよりも酸素との親和
力が強く、酸化初期にＦｅの酸化物形成を抑制するた
め、その後のＡｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜の均一形
成を容易にする働きがあるからである。さらに望ましい
のは、１６％を超える量を含有させておくことである。
しかし、含有量が３０％を超えると、Ａｌ₂Ｏ₃系主体の
保護性酸化皮膜を緻密に形成する効果が飽和しているば
かりか、熱間加工性および靭性に悪影響を及ぼす。

【００２８】Ｎｉ：１０〜３５％ Ｎｉの含有量は、１０％以上、３５％以下とする。１０
％未満ではオーステナイト組織が不安定となる。好まし
くは、１５％以上含有させる。一方、含有量が３５％を
超えると高温での変形抵抗が増大するので、熱間加工性
が悪化する。また、含有量が３５％を超えるとオーステ
ナイト組織の安定度が高くなりすぎて、溶接時の高温割
れ感受性が高くなってしまう。好ましいのは、含有量を
３０％以下とすることである。

【００２９】Ａｌ：１．５〜５．５％ Ａｌの含有量は、１．５％以上、５．５％以下とする。
Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜を安定して生成させる
ためには、Ａｌを１．５％以上含有させる必要がある。
１．５％未満では、Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜が
十分には成長しにくく、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを含むスピネ
ル型酸化物やＣｒ、Ｆｅからなる（Ｃｒ、Ｆｅ）₂Ｏ₃型
酸化物が成長するので、良好な耐酸化性が得られない。
一方、Ａｌ含有量が５．５％を超えると、耐酸化性を向
上させる効果が飽和するばかりか、熱間加工性および靭
性を著しく悪化させる。また溶接時に高温割れが発生し
やすくなる。Ａｌ含有量の好ましい範囲は、２．５％〜
４．５％である。

【００３０】Ｂ：０．００１〜０．０１％ Ｂは、本発明において重要な元素のひとつである。Ｂ
は、結晶粒界の延性を向上させることにより熱間加工性
を大幅に向上させる。この効果を発揮させるためには、
０．００１％以上含有させる必要がある。しかしなが
ら、含有量が０．０１％を超えると熱間加工性を向上さ
せる効果が飽和するばかりか、Ｃｒ系硼化物等の析出を
促進し、熱間加工性を逆に悪化させる。そのために０．
０１％を上限とする。Ｂ含有量の好ましい範囲は、０．
００２％〜０．００８％、さらに好ましい範囲は、０．
００２％〜０．００７％である。

【００３１】Ｎ：０．０２５％以下 Ｎは、本発明においては、特に制限する必要がある元素
である。本発明鋼では、多量のＡｌを含有させるので、
前述したように、ＮはＡｌＮ等の窒化物として鋼中に残
存する傾向がある。そのためには、元来持っている固溶
強化による高温強度を高める効果を発揮できないばかり
か、結晶粒界またはその近傍に析出するＡｌＮが熱間加
工時の割れ起点となり、熱間加工性を著しく悪化させ
る。したがって、Ｎ含有量を０．０２５％以下に制限す
る。好ましくは０．０２０％以下、さらに好ましいのは
０．０１７％以下とすることである。

【００３２】Ｃｕ：０〜２％ Ｃｕは、必要に応じて添加する元素である。Ｃｕは、オ
ーステナイト組織の安定性を高める他、高温強度を向上
させる作用がある。これらの効果を確実に得るために
は、０．３％以上含有させるのが望ましい。しかしなが
ら、含有量が２％を超えると熱間加工性に悪影響を及ぼ
すため、上限を２％とする。望ましいのは、上限を１．
２％とすることである。

【００３３】Ｃａ：０〜０．００８％ Ｃａは、必要に応じて添加する元素である。Ｃａは、Ａ
ｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜の密着性を高めて耐酸化
性を向上させる働きがある。また、合金中で硫化物とし
てＳを固定することで熱間加工性を改善する効果があ
る。これらの効果を一層発揮させるためには、０．００
０６％以上含有させるのが望ましい。しかしながら、
０．００８％を超えて含有させると、Ｃａは合金中の結
晶粒界に存在して粒界脆化因子となる。特に本発明鋼の
ような変形抵抗が高い鋼においてはその影響は大きい。
そのため上限を０．００８％に制限する必要がある。好
ましくは０．００５％以下とすることである。

【００３４】希土類元素：１種以上を合計で０〜０．０
５％ 希土類元素は、必要に応じて添加してもよい元素であ
る。これらは、合金中で硫化物としてＳを固定すること
で熱間加工性を改善する効果があり、さらにＡｌ₂Ｏ₃系
主体の保護性酸化皮膜の形成を促進する。これらの効果
を一層得るためには、０．０１％以上含有させるのが好
ましい。ただし、含有量の合計が０．０５％を超える
と、粗大酸化物を生成させて、逆に耐酸化性に悪影響を
及ぼす。したがって、上限を０．０５％とした。なお、
ここで言う希土類元素とはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｃ、Ｙ等
の元素のことである。

【００３５】Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ：１種以上を
合計で０〜２％ これらは、必要に応じて添加してよい元素である。含有
させると炭窒化物として鋼中に微細に分散し、析出強化
作用を発揮し、高温強度を高める働きがある。したがっ
て、高温強度を必要とする場合には、１種以上を含有さ
せてもよい。これらの効果を一層得るためには、合計で
０．１％以上含有させるのが好ましい。しかしながら、
合計量が２％を超えると靭性や溶接性に悪影響を及ぼす
他、固溶化処理を行った場合に未固溶の炭窒化物が残存
し高温強度を低下させる。そのために合計含有量の上限
を２％とする。

【００３６】Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｒｅ：１種以上を合計で
０〜３％ これらは、添加すれば、固溶強化作用により高温強度を
高める働きがあるので、必要に応じて１種以上を添加し
てもよい。この効果を一層得るためには、１種以上を合
計で０．２％以上含有させるのが有効である。しかしな
がら、含有量の合計が３％を超えると、熱間加工性およ
び靭性を著しく悪化させるだけでなく、Ａｌ₂Ｏ₃系主体
の保護性酸化皮膜を生成しにくくする。したがって、含
有させる場合の上限は、合計で３％とする。

【００３７】３．鋼の製造方法 本発明の鋼は、通常の溶製法によって容易に製造するこ
とができる。例えば、転炉（ＬＤ）、電気炉（ＥＦ）お
よび真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）等を用いて溶製すること
ができ、次いで、ＡＯＤ（Argon Oxygen Decarbrizatio
n）、ＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarbrization）、ＬＦ
（Ladle Furnace ）およびその他の真空脱ガスまたは粉
体吹き込み装置（例えば、ＲＨ、ＤＨ）等の炉外設備を
用いるプロセスを使用して溶鋼を清浄化するのが有効で
ある。清浄後の溶鋼は、インゴットに鋳造するか、また
は連続鋳造によってスラブにした後、分塊圧延や熱間圧
延等を施して厚板、熱延鋼板、さらに冷延鋼板等の使用
目的に応じた最終製品の形状に加工する。

【００３８】最終製品として管製品を得たい場合には、
例えば鋼塊に分塊圧延等を施して得られたビレットを素
材として傾斜ロール穿孔圧延機もしくは熱間押出プレス
によって継目無管に加工するか、または熱延鋼板などの
板材を素材として溶接管に加工する。上記の厚板、熱延
鋼板および冷延鋼板ならびに管製品は、圧延まま、また
は用途に応じて種々の最終熱処理を施すことができる。
例えば、製品の最終熱処理としては、１０８０℃〜１１
５０℃の固溶化処理を施すこともある。製品の使用目的
により、上記温度範囲外で熱処理を施しても何ら問題は
ない。これらの熱処理は、材料特性を充分に発現させる
ために、複数回繰り返すことも可能である。

【００３９】

【実施例】

（実施例１）表１に示す種々の化学組成の本発明鋼のＡ
ｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼（１〜２０）およ
び本発明で規定する化学組成から外れる表２に示す比較
鋼（Ａ〜Ｔ）を製造し、熱間加工性および耐酸化性を調
査した。また、本発明鋼が溶接して使用されることがあ
ることを考慮して、溶接高温割れ性も調査した。なお、
比較鋼のうち、ＡはＳＵＳ３１０Ｓ、ＢはＳＵＳＸＭ１
５Ｊ１、ＣはＩｎｃｏｌｏｙ８００Ｈである。なお、こ
れらの鋼は真空溶解炉にて溶製し、インゴットに鋳造し
た。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】（ａ）熱間加工性 グリーブル試験および熱延耳割れ再現試験により、熱間
加工性を評価した。グリーブル試験は、１７ｋｇ真空溶
製後の扁平鋼塊より切り出した平行部の径が１０ｍｍの
試験片を１２００℃で５分間保持した後、２００℃／分
の速度で冷却し１０００℃にした後、歪み速度１／ｓｅ
ｃの条件で実施した。１０００℃での断面絞り率が６０
％以上の試験片を、商業規模の連続鋳造設備等によって
製造できる程度に優れた熱間加工性を備えるものと評価
した。

【００４３】熱延耳割れ再現試験は次のように実施し
た。鋼塊より厚さ４４ｍｍの試験材を切り出し、板厚
４．５ｍｍまで熱間圧延を施した。熱間圧延前の加熱
は、１２００℃で１時間、大気中で保持することにより
行った。熱間圧延後は、空冷して室温付近まで降温し
た。その後、熱延板の両側面に発生した耳割れの深さの
最大値（最大耳割れ深さ）を測定した。最大耳割れ深さ
が２ｍｍ以下のものを良好な耐耳割れ性を持つものと評
価した。表３に結果を示す。

【００４４】

【表３】

【００４５】本発明鋼１〜２０においては、いずれもグ
リーブル試験における１０００℃での断面絞り率が６５
％を超えている。また、熱延耳割れ再現試験においても
割れ発生が認められないか、または２ｍｍ以下の割れで
あり、優れた熱間加工性を備えていることがわかる。

【００４６】一方、比較鋼Ｄ、Ｅにおいては、５ｍｍを
超える割れが発生していた。その理由は、Ｓの含有量ま
たはＳとＯの合計の含有量が本発明で規定する量を超え
ていたからである。比較鋼Ｆにおいては、断絞り率が２
０％であった。Ａｌ量が本発明で規定する量を超えてい
るために熱間加工性が著しく悪化したのである。比較鋼
Ｇ、Ｈ、Ｉは、熱間加工性に劣っていた。それは、Ｓの
含有量およびＳとＯの合計の含有量は規定範囲内にある
ものの、Ｂ量が不足していることと、Ｎ量が高いことに
起因している。比較鋼Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭでは、断面絞
り率が５０％以下であった。比較鋼ＪではＣｕ、比較鋼
ＫではＣｕ、比較鋼ＬではＰ、比較鋼ＭではＣｒがそれ
ぞれ規定範囲を超えていたのが原因である。比較鋼Ｎに
おいては、グリーブル試験の断面絞り率が５０％以下
で、熱延耳割れ再現試験では、５ｍｍを超える割れが発
生している。これは、Ｃａや希土類元素を過剰に含有す
ることで大型介在物が発生し、粒界強度を低下させたた
めである。比較鋼ＯおよびＰは、熱間加工性に劣ってい
た。いずれも高温強度を高める元素を過剰に添加してい
たからである。比較鋼Ｔにおいては、大きな耳割れが発
生した。Ｎｉ量が規定範囲を超えていたからである。

【００４７】（ｂ）耐酸化性 ５０ｋｇのインゴットに鍛造、熱間圧延および固溶化処
理を施して板厚４ｍｍの熱延板を作製した。この熱延板
から２ｍｍ厚×２０ｍｍ幅×２５ｍｍ長の試験片を切り
出した。耐酸化性調査のための試験は、本発明鋼が高温
環境下で使用されることを想定して、電気抵抗式横型石
英管炉で１０００℃に加熱し、２００時間保持する条件
で行った。その後、炉冷にて２００℃付近まで冷却し、
空冷にて１００℃以下まで冷却した後取り出した。加熱
に用いたガスは、ｖｏｌ％で４％ＣＯ₂ −２０％Ｈ₂Ｏ
−７％Ｏ₂ −ｂａｌ．Ｎ₂ の混合ガスであり、各ボンベ
よりマスフローにて調整したガスに露点制御型加湿装置
にて水分量を調整し、炉体に導入した。炉入り口付近で
の流量は１０００ｃｃ／分程度とした。

【００４８】耐酸化性の評価は、加熱前後の重量変化を
算出することにより行った。加熱後の重量が増加してい
るほど酸化されており、耐酸化性に劣ることを意味す
る。酸化増量が１０ｇ／ｍ² 以下である場合を耐酸化性
に優れるものと評価した。なお、ここでいう酸化増量と
は、試験片に付着している酸化物の重量の他に試験片の
表面から剥離し、脱落した酸化物の重量も含めたものを
意味している。

【００４９】さらに、試験後の試験片に付着している酸
化皮膜の合計の厚さを測定した。表４に結果を示す。

【００５０】

【表４】

【００５１】本発明鋼１〜２０においては、酸化増量が
いずれも１０ｇ／ｍ² 以下であり、表面に付着している
酸化物も少なく、優れた耐酸化性を備えていた。一方、
比較鋼Ａ、Ｂ、ＣおよびＳにおいては、いずれもＡｌ量
が少ないために鋼表面に有効なＡｌ₂Ｏ₃系主体の保護性
酸化皮膜が形成し得ず、酸化増量が２５ｇ／ｍ² を超え
ていた。比較鋼Ｄにおいては、Ｓ量が高いために、酸化
増量が１０ｇ／ｍ² を超えていた。比較鋼Ｊ、Ｋ、Ｌに
おいては、それぞれ鋼中のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎが規定範囲
外にあり、酸化増量が１０ｇ／ｍ² を超えていた。比較
鋼Ｐにおいては、Ｗ、Ｍｏの合計含有量が規定範囲外で
あり、Ａｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜の形成を阻害し
たと思われる。比較Ｑにおいては、鋼中Ａｌ量が規定範
囲内であるが、鋼中Ｃｒ量が少ないために酸化増量が多
くなっている。

【００５２】（ｃ）溶接高温割れ性 （ｂ）の耐酸化性試験を実施する際の固溶化処理後の熱
延板より厚さ４ｍｍで１００ｍｍ角の試験材を切り出
し、トランスバレストレイン試験を実施した。１００
Ａ、１４Ｖ、送り速度１５ｃｍ／分の溶接条件で試験片
の表面をＴＩＧ溶接し、その直後に歪み量２％の曲げを
付与した。溶接高温割れ性は、発生した最大割れ長さ
（ｍｍ）によって評価した。最大割れ長さが１．０ｍｍ
以下のものを実用可能な鋼と判断した。表５に結果を示
す。

【００５３】

【表５】

【００５４】本発明鋼１〜２０の最大割れ長さは、０．
６ｍｍ以下である。実用材料であるＳＵＳ３１０Ｓ（比
較鋼Ａ）の最大の割れの長さが０．５ｍｍ程度であるこ
とから、本発明鋼は、厚板等に加工され、溶接を施され
て使用されても実用可能なステンレス鋼であることがわ
かる。

【００５５】一方、比較鋼Ｄにおいては、１．２ｍｍの
割れが発生していた。これは、Ｓの含有量が高いため
に、割れ感受性が高くなったからである。比較鋼Ｆにお
いては、Ａｌ量が多いために１．５ｍｍの割れが発生し
ていた。比較鋼Ｉ、Ｊ、Ｋにおいては、結晶粒界での割
れ感受性が高まり、大きな割れが発生していた。比較鋼
Ｍにおいては、Ｃｒ量が多いために１．１ｍｍの割れが
発生していた。比較鋼Ｐにおいては、大きな割れが発生
していた。これは、高温強度改善元素であるＷ、Ｍｏの
添加により粒界が脆弱となったからである。比較鋼Ｒに
おいては、大きな割れが発生していた。これは、溶接に
より粗大な結晶粒が成長したからである。 （実施例２）表６に示す種々の化学組成を有する本発明
鋼１〜１５と比較鋼Ａ〜Ｄ（ＡはＳＵＳ３１０Ｓ、Ｂは
ＳＵＳＸＭ１５Ｊ１、Ｃは Ｉｎｃｏｌｏｙ８００Ｈ、
ＤはＨａｓｔｅｌｌｏｙＸである。）を真空溶解炉にて
溶製し、鍛造、熱間圧延、溶体化処理を施して板厚１５
ｍｍの鋼板を製造した。その後、１１８０℃で固溶化熱
処理を施し、１５ｍｍ厚の鋼板から平行部６ｍｍφの丸
棒試験片を切り出し、１０００℃でのクリープ破断試験
を行った。

【００５６】

【表６】

【００５７】

【表７】

【００５８】表７は１０００℃で１．２kgf/mm² の荷重
条件での破断時間(ｈ)を示している。本発明鋼は、比較
鋼ＡのＳＵＳ３１０Ｓ合金および比較鋼ＢのＳＵＳＸＭ
１５Ｊ１を凌ぎ、比較鋼ＣのＩｎｃｏｌｏｙ８００Ｈと
同等以上のクリープ破断強度を有することが確認され
た。

【００５９】

【発明の効果】本発明のＡｌ含有オーステナイト系ステ
ンレス鋼は、Ｓ、Ｏ、Ｎの低減および適正な量のＢを含
有しているので優れた熱間加工性を備え、高温環境下で
使用した際に表面にＡｌ₂Ｏ₃系主体の保護性酸化皮膜を
形成することにより耐酸化性に優れ、さらに高温強度も
備えるものである。

【００６０】したがって、本発明鋼は、各種発電プラン
ト構造部材および自動車排気系統ならびに各種熱処理炉
等の９００℃以上、特に１０００℃を超える環境下にお
いて使用する材料として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼中のＢ含有量とグリーブル試験における１０
００℃での断面絞り率（％）との関係を表す図である。

【図２】鋼中のＮ含有量とグリーブル試験における１０
００℃での断面絞り率（％）との関係を表す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でＣ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．
   ９％以下、Ｍｎ：０．２〜２％、Ｐ：０．０４％以下、
   Ｓ：０．００５％以下、かつＳ（％）とＯ（％）を合わ
   せて０．０１５％以下、Ｃｒ：１２〜３０％、Ｎｉ：１
   ０〜３５％、Ａｌ：１．５〜５．５％、Ｂ：０．００１
   〜０．０１％、Ｎ：０．０２５％以下、Ｃａ：０〜０．
   ００８％、Ｃｕ：０〜２％、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖおよ
   びＨｆのうちの１種以上を合計で０〜２％、Ｗ、Ｍｏ、
   ＣｏおよびＲｅのうちの１種以上を合計で０〜３％、希
   土類元素のうちの１種以上を合計で０〜０．０５％含有
   し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特
   徴とするＡｌ含有オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】重量％でＣ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．
   ３％以下、Ｍｎ：０．２〜２％、Ｐ：０．０４％以下、
   Ｓ：０．００３％以下、かつＳ（％）とＯ（％）を合わ
   せて０．００５％以下、Ｃｒ：１６％超え３０％以下、
   Ｎｉ：１５〜３０％、Ａｌ：２．５〜４．５％、Ｂ：
   ０．００１〜０．０１％、Ｎ：０．０２５％以下、Ｃ
   ａ：０〜０．００８％、Ｃｕ：０〜１．２％、Ｔｉ、Ｎ
   ｂ、Ｚｒ、Ｖのうちの１種以上を合計で０〜２％、Ｗ、
   ＭｏおよびＣｏのうちの１種以上を合計で０．２〜３
   ％、希土類元素のうちの１種以上を合計で０〜０．０５
   ％含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
   とを特徴とするＡｌ含有オーステナイト系ステンレス
   鋼。