JPS60116750A - Ｖ，νを含むオ−ステナイト系耐熱合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は優れた高温強度、高温延性をもった耐熱合金お
よび優れた高温クリープ破断強度と耐高温腐食性、金具
！シたオーステナイト系耐熱合金に係わるものである。

（従来技術及４び問題点） 従来、化学工業用プラントや原子力発電プラントなどの
高温部”や腐食環境下における部材には　；ＳＵＳ　３
０４ステンレス鋼が一般に使用されている。

３０４ステンレス伽とはＪＩＳＧ′４３０３−によれば
Ｃ０１０８％以下、Ｓｉ１．００％以下、Ｍｎ　２．　
ＯＯ％以下、Ｃｒ　１８．０’Ｏ〜２０．００　％、Ｎ
ｉ　８〜１０．５０　％、ＰＯ，０４％以下、８０．０
３％以下のステンレス鋼で。

ある。しかしながら通常のＳＵＳ　３０４では高温隼度
や高温腐食性の面で使用性能が十分で雇い場合が３あル
、ＳＵＳ、３０４にＮを添加して強度を高めたシ、耐食
性が必要な場合にはＳＵＳ　３０４の代わシにＳＵＳ　
３４７やＳＵＳ　：ｊｌ　６などのＮｂ　＋Ｍｏを含有
する鋼種が使用される。一方ＳＵＳ　３０４の強度を高
めるためにＮを添加すると高温での延性が低下する。ま
た耐食性などの面からＳＵＳ　３０４の代わシに５ＵＳ
３４７やＳＵＳ　３１６を腐食環境で長時間使用する場
合、局部的な脆化が進行し高温変形能が小石くなシ機械
設備の破壊が起こり易くなる。

このような現状であるため、高温長時間使用に際・し延
性やクリープ強度とさらには高温耐食性にも優れた材料
の開発が切に望まれている。

（発明の構成） 本発明者らはこのような情況゛にかんがみ種々の実験を
行いこれらの結果を総合的に判断した結果１．５ＵＳ３
０４系の盛分を基本成分としこれを改良し高温強度と延
性さらには耐食性′ｆｃＡ備した合金を開発することに
成烏し本発８Ａをなしたものである。

即ち本発明は重量％で００．０２〜０，１０チ、Ｍｎ２
．０チ以下、Ｃｒ１８〜２′ｏ％、Ｎｉ　７〜１’　６
　％、Ｖ　０．０５〜０．５％、Ｐ　Ｏ，０５％以下、
８０．００５％以下、Ｎ０００２〜０．３５　％を含有
するか、またはさらにＳｉＯ，１〜３．５１ｉ含有し、
かつＮとＳｔの割合が重量％でＮ％〉０．０１　＋〇、
０５　Ｘ　Ｓｉ％　を満足し、ま念は上記いずれかにさ
らにＴｉ０．０１〜０．５％、Ｎｂ０．０１〜０．５％
、Ｂｏ、００３〜０．０１％、Ｍｏ　２チ以下の１種ま
たは２種以上含有し残部が鉄および不可避不純物からな
ることを特徴とするＶ、Ｎを含むオーステナイト系耐熱
合金である。

以下に本発明の詳細な説明する。

先ずＣの成分限定理由について述べると、炭化物の形状
や分布はクリープ破断強さや破断伸びに大きな影響を与
えるのでＣ、Ｊｌ　ｐ　Ｃｒ　（’　Ｖなどとクリ−）
特性に効果的な炭化物または炭窒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。またＣ量が多過ぎる
と炭化物が粗大化し易くクリープ特性に対して好ましく
ないば、かシでなく、溶接時高温割れを起こし易い。こ
れらの理由でＣ量の下限を０．０２チ、上限を０．１０
−と定めた。

Ｍｎは脱酸を十分行い、健全な鋳塊を得るために必要で
、合金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。ま
たＭｎはＮの固溶量を増し鋼中のＮ量を増すためにはＭ
ｎ　ｆｉｇを増す必要がある。しかしＭｎ量が多過ぎる
と耐酸化性を損うので上限を２．０％とした。

Ｃｒは高温クリープ強度、耐高温酸化性などを向上させ
るので耐熱合金にとっては必須の元素である。本発明合
金はＳＵＳ　３０４系ステンレス鋼の耐高温酸化性改善
を目的としたものであることは前述の通シであシ従って
Ｃｒ量の範囲はＳＵＳ　３０４と同等の１８〜２０％と
した。

Ｎ１は安定し、た高温強度を得る上で久かせない元素で
ある。しかしＮｉ量が多く、オーステナイトが安定にな
ると加工硬化が起こシ易く、熱間加工性が劣化するので
上限を１６％とした。またＭｎが高目に含有される場合
にはＭｎ増加によジオ−ステナイト化が促進されるので
Ｍｎ増加に゛よるオーステナイトポテンシャル増加分だ
けＮｉ量を低減できるのでＮｆの下限をＳＵＳ　３０４
の下限よシ低くして、７％とした。この場合下限を７％
にした理由はＭｎを２チ添加じてもＮｉ量７％未満の場
合には結晶構造が面心立方構造のオーステナイトになり
難いためである。

ＶはＮとの相互作用によって高温クリープ破断強さを高
めるだけでな（、Ｎの増加によるクリープ破断伸びの低
減を抑制する。またＮ増加による高温破断伸びの低減を
抑制しかつ高温における０．２多耐力を高める効果があ
ることを種々の実験によシ見出した。すなわちＣ０，０
５％、Ｍｎ　１．５　％、Ｃｒ　２０％、Ｎｉ　９　％
、Ｐ　Ｏ，０２５％、Ｓ　Ｏ，００４％、Ｎ　Ｏ，０，
３％、低鉄および不純物からなる供試材において、５５
０°Ｇ　２９　ｋｆｌｆ／Ｉｍ！Ｉ２　におけルクリー
プ破断時間とＶ量との関係全調査したところ、Ｖ増加に
伴って破断時間は増加し、クリープ破１ｄｒ伸びの減少
は少ないことが判った。また、同一材料の４２０℃にお
ける０、２％耐力とｖ−Ｂとの関係も■添加量の増加に
伴って強くなるーことが判った。以上のようなＶの効果
はＶ量０．０５％未満では効果が少ないので添加量の下
限を０．０５％とした。またＶ量を０．５％超にしても
効果が少ないだけでなく析出物の粗大化全促進し高温特
性を低減させる場合もある。従ってＶの上限ｔ−０，５
％とした。

Ｐは添加量が多いとクリープ中析出を促進しクリープ中
脆化を促進しクリープ破断伸びを低減させたシ高温での
延性を低減させるので上限を０．０５係とした。

Ｓも粒界に偏析しクリープ中粒界の脆化を促進したシ、
常温や高温での延性を低減式せるので上限を０．００５
％とした。

Ｎはオーステナイト系ステンレス鋼に添加されると高温
クリープ破断強さを著しく高め、また耐高温腐食性も高
くする。すなわちＣ０，０５％、Ｍｎ１．５％、Ｃｒ’
　２０　％、Ｎ１１０　％、Ｖ　Ｏ，１％、ＰＯ，０２
７％、８０．００４５％、その低鉄および不純物からな
る溶接ままのアーク溶接による溶接金属音５５０℃でク
リープ破断試験を行った結果、３００ｈｒのクリープ破
断強さはＮ量の増加に伴って増すこと、またＮ量を０．
０２％以上にしないとＶの効果が表われないことが見出
されたのでＮの下限を０．０２％とした。−力木発明合
金の如きオーステナイト系ステンレス鋼に溶解しりるＮ
ｍの限ＪＫは０．３５％でこれを超える量のＮを溶解さ
せることは困難なのでＮの上限ｉ　０．３５％にした。

以上が本発明合金の基本成分系であるが、本発明合金で
はこれらの他耐高温腐食性を向上せしめる目的でＳｔを
、またクリープ破断強度をさらに向上させる目的でＴｉ
　、　Ｎｂ　、　Ｂ　、　Ｍｏの１４％以上を含有せし
めることもできる。

まず、Ｓｉは耐高温腐食性を附与する目的で添加される
が０．１％未満ではその効果が得られないのでＳｉの下
限を０．１％とした。一方耐高温腐食性を向上させる意
味では３，５％超含有せしめてもそれに見合う効果が少
なく、むしろ高温強度や溶接性などの低下が大きくなる
。以上の理由によシＳ１の上限を３．５％とした。

また高温クリープ強度は結晶粒が均一であるものが混粒
材に比べて良好である。ところでＳｉは混粒の傾向を高
めるがＮはこの傾向を抑制する。

そこでＳｔの混粒化を抑制しうるＮ量について調査した
結果ＮとＳｉの関係が Ｎチ〉０．０１　＋０．０５　Ｘ　Ｓｉ裏を満足する範
囲にあれば適当であることが判った。

すなわちＣ０，０５％、Ｍｎ　１．３　％、Ｃｒ　１９
　％、Ｎｉ１０％、Ｖ　Ｏ，１％、Ｐｏ、０２１％、８
０．００３％、その低鉄および不可避不純物を含む材料
についてＳｉｙ、）　ｏ、　ｉ％〜３７チ、Ｎ′ｆ！：
０．０１　％　〜０．３５　％までそれぞれ３水準ずつ
変えた９種類のものについて１１００℃高体化処理後の
混粒ありなしとＮ、Ｓｉ量の割合との相関を調べたとこ
ろＳｔとＮ量の関係が ８％２０．０１＋０．０５ＸＳｉ襲 を満足するものには混粒の傾向がないことが判った。す
なわち前述のような合金で、光学顕微鏡によって混粒の
あシなしをＳｔとＮ量との関係で調べた結果、第１図の
ような関係になった。即ち同図において混粒を起こさな
いものを○印、混粒になったものを×印で示した。同図
に見られるように混粒にならないＮ量は直線Ｎ＝０．０
１＋０．０５ＸＳｉＯ上にくることがわかったので、混
粒にならないためにはＳｉとＮの関係がＮ％＞ｏ、ｏ　
ｌ＋０．０５ＸＳ量係を満足する必要があると定めたも
のである。

次にＴｉ　、　Ｎｂは炭窒化物形成元素でクリープ破断
特性の改善に効果があることは従来認められている。Ｔ
ｉ　、　Ｎｂ量はそれぞれ０．０１％未満であると高温
クリープ破断強さに対して効果が少ない。

また０、５％を超すと炭窒化物などの粗大化が起こシ易
くクリープ破断強さを低下させる。

また、Ｂはクリープ強さを高めるのに０．００３％以上
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０．０１１とした。

さらにＭｏは強い破断強度を必要としない場合には含ま
せるには及ばないが、Ｎ添加によるクリープ破断強さの
向上の限度以上に破断強さを高める必要のある場合には
含有せしめることが有効である。しかしＭｏは２チを超
えるとσ脆化を促進するので、その上限を２チとした。

以上本発明合金の成分範囲について述べたが残部は鉄お
よび不可避不純物であって、不可避不純物としては前記
Ｐ、Ｓの他脱酸調整のために用いられたＡｔ１積極的に
添加を行なわかった場合の脱酸元素の残部としてのＳｉ
１あるいはＣｕ、Ｃｏ、０などをそれぞれ極微量含むも
のである。

次に本発明の効果を実施例について具体的に述べるＯ 実施例 第１表に供試合金の化学組成、５５０℃３１ｋｆ／ｆ／
ｕ２の応力でのクリープ破断時間、６５０℃２００　ｈ
ｒ人工灰中での高温腐食試験結果および一部の材料につ
いて５５０℃における０、２チ耐力を示した。

Ｍ１表に示す合金のうちＳＵＳ　３０４および試料記号
Ａは比較材である。試料記号Ｂ、Ｃは比較材に比べＳｌ
が低（Ｖ、Ｎが高くなっている本発明合金である。Ｖ、
Ｎ添加量の増加に伴ってクリープ破断時間が長くなって
いる。またＮの高いＣ材は比較材よシ腐食減量が少ない
。

試料記号り、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉ、ＪはＶ及びＮ量を比
較材よシ多くしかつＮ量が０．０１＋０．０５ＸＳｉ％
以上添加されたもので、ＤｊＫ、Ｆ、Ｇは８１値０．３
１％〜０．５７　％にした場合、ＶとＮの組合わせを変
え九ものである。Ｖ、Ｎ量の高いＥ＃がり、Ｆ、Ｇ材よ
シクリーノ強さ、耐高温腐食性共に優れている。Ｓｉ量
を１１以上にしたＨ、Ｉ、Ｊ材はｓｉｎの増加に伴って
耐高温腐食性が向上しかつＮ＞ｏ、ｏｘ十〇、０５ＸＳ
ｉ％に従って添加されたＮによってクリープ強さの減少
も抑制されている。まｆｃ５５０℃の０．２　％耐力は
Ｎ量０．１−弱でＶ量はぼ０．３％のＦ、Ｈ材が高い。

Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ，Ｐｌ′ｉＳｉが０．１チ未満でＶ
、Ｎが比較材よル多くかつＴＩ　、　Ｎｂ　。

Ｂ　、　Ｍｏ　の１種または２種以上が添加されたもの
である。Ｔｉ　、　Ｎｂ　、　Ｂ　、　Ｍｏ　が添加さ
れていない低ＳＩ材Ｂ、Ｃ材に比べはは等量のＶ、Ｎ水
準でもに材はＢ材よル、Ｍ材はＣ材よシフリープ強さ、
耐高温腐食性が向上している。ま７’ｃＳ、ｉ、Ｖ、Ｎ
量がＢ材とはは同程度でＴＩ、Ｎｂ、Ｂ′ｆ：添加した
Ｎ。

０、Ｐ材はクリープ破断強さがＢ材に比べそれぞれ強く
なっている。Ｑ、Ｒ，Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ材はＳｉを＾くし
さらに、Ｖ、Ｎを添加し、Ｎ量は０．０１＋０．０５Ｘ
Ｓ１％以上でかつＴｉ　、　Ｎｂ　、　Ｂ　、　Ｍｏ　
の１ａｉｔ　ｆｃハ２　ｍ以上添加シｆｃ　４　）Ｃ’
Ｄ、　Ｅ、　Ｆ、　Ｇ、　Ｈ。

Ｉ、Ｊ　材のうちでＳｉ、Ｖ、Ｎの＃１は同一のものを
比較すると（例えばＦとＱ材、ＥとＳ材）　ＴＩ　。

Ｎｂ　、　Ｂ　、　Ｍｅなどを添加したＱ材やＳ材の方
がクリープ強さが優れている。

またＴ、Ｕ、Ｖ材は８１　ｊＮがほぼ等量の１羽に比ベ
クリープ強さが強くなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷間引抜材の混粒化に及はす８１　ｉとＮ量と
の関係を示す図である。 特許出願人　新日本製鐵株式會社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）重量％でＣＯ，０２〜０．１０　％、Ｍｎ　２．
   ０チ以下、Ｃｒ１８〜２０％、Ｎｉ７〜１６％、Ｖ　Ｏ
   ，０５〜０．５チ、Ｐｏ、０５チ以下、Ｓｏ、００５チ
   以下、ＮＯ，０２〜０．３５％　を含有し、残部が鉄お
   よび不可避不純物からなることを特徴とするＶ、Ｎを含
   むオーステナイト系耐熱合金。 （２：Ｊ　重量％でＣＯ，０２〜０．１０　％、Ｍｎ　
   ２．０　％以下、Ｃｒ１８〜２０％、Ｎｉ７〜１６％、
   Ｖｏ、０５〜０．５チ、Ｐｏ、０５多以下、ｓｏ、ｏｏ
   ｓ％以下、ＮＯ，０２〜０．３５チ　さらにＳｉ０．１
   〜３．５チを含有し、かつＮとＳｉの割合が重量％で８
   ％＞ｏ、ｏｘ　＋ｏ、ｏｓ　ｘ　ｓ淳の関係を満足し、
   残部が鉄および不可避ネ純物からなることを特徴とする
   Ｖ、Ｎを含むオーステナイト系耐熱合金。 （３）重量％でＣ０，０２〜０．１０％、Ｍｎ　２．０
   　Ｔｏ以下、Ｃｒ１Ｂ〜２０％、Ｎｉ７〜１６％、ｖｏ
   、ｏｓ〜０．５チ、ｐｏ、ｏｓチ以下、Ｓｏ、００５％
   以下、Ｎ０００２〜０．３５％を含有し、さらにＴｉ０
   ．０１〜０．５チ、ＮｂＯ，０１〜０．５ｑ６、　ＢＯ
   １００３〜０．０１　％、　Ｍ。 ２チ以下の元素を１種または２種以上含有し、残部が鉄
   および不可避不純物からなることを特徴とするｖ＃Ｎｔ
   −含むオーステナイト系耐熱合金。 （４）重量襲でＣ０，０２〜０．１０％、Ｍｎ２．０％
   以下、Ｃｒ１８〜２０％、Ｎｉ　７〜１６％、Ｖｏ、０
   ５〜０．５優、ＰＯ，０５％以下、８０．００５％以下
   、Ｎ０９０２〜０，３５チにさらにｓｔｏ、ｉ〜３．５
   ％を含有しかつＮとＳｉの割合がＭ量チで、Ｎチ〉０．
   ０１＋０．０５ＸＳｉ％を満足し、さらに７１０．０１
   〜０．５％、ＮｂＯ，０１〜０、５％、Ｂ　Ｏ，００３
   〜０．０１％、Ｎｏ　２％以下の１　ｆｍまたは２種以
   上含有し残部が鉄および不可避不純物からなることを特
   徴とするＶ、Ｎを含むオーステナイト系耐熱合金。