JPS6214626B2

JPS6214626B2 -

Info

Publication number: JPS6214626B2
Application number: JP55116124A
Authority: JP
Inventors: Hisao Fujikawa; Yoshiaki Shida
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-08-23
Filing date: 1980-08-23
Publication date: 1987-04-03
Also published as: JPS5741352A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、高温ですぐれた耐酸化性を有する
フエライト系高温用鋼に関する。高温下で使用される部品の材料、例えば加熱
炉、熱交換器等の部品、暖房用機器の燃焼部品、
自動車排ガス処理装置の構造部材などは、単に高
温下での使用による酸化が少ないということだけ
でなく、高温加熱と常温への冷却を繰返し受けて
もスケールの剥離がないということまで含めた耐
酸化性、複雑な形状の部品に加工成形されるため
に要求される冷間加工性、溶接性、更に常温、高
温における十分な機械的強度など、多くの特性が
要求される。また上記のような機器は、いわゆる
量産品であるため、その材料としては、できるだ
け安価なものが望まれる。従来かかる用途に供されている比較的安価な材
料に、フエライト系耐熱鋼がある。周知の如くこ
の鋼は、Fe−Cr系の合金であり、組織的には高
温にあつてフエライト相、またはフエライト相＋
オーステナイト相を呈する。基本的にオーステナ
イト鋼より高温強度が低い材料であるが、安価な
ため特に高温強度を必要としない用途に多用され
る傾向にある。具体的には17Cr系のSUS430や
11Cr系のSUS410Sなどがその代表として挙げら
れ、高温用としてはこれらをベースにTi、Nb、
ZrまたはAl、Siなどを添加して耐高温酸化性の改
善を図つたものの採用が多くみられる。さてここでもし、上記のようなフエライト鋼に
おいて、その基本的な特徴を損うことなく耐高温
酸化性を更に改良することができれば、実際使用
上経済性の面できわめて大きな利益が期待でき
る。本発明は、フエライト鋼の基本的特性、利点を
そのまま備えしかも高温での耐酸化性が著しく優
れたフエライト鋼を提供することを目的とする。本発明者らは、フエライト鋼中に不可避的に混
入する不純分が鋼の性質に及ぼす影響について詳
細に実験、検討を重ねた結果、鋼中ＳおよびＯが
耐酸化性に著しい弊害を与えていることを知見し
た。本発明は上記知見に基いてなされたものであつ
て、C0.006〜0.15％、Cr10〜30％、含有するフ
エライト鋼中のＳ＋Ｏが0.008％未満で、かつＯ
が0.005％未満であることを特徴とする耐高温酸
化性のすぐれたフエライト鋼を要旨とする。この種の鋼中Ｓ量は、従来においても規制され
てはいたが、しかしそれは熱間加工性の点から耐
熱鋼、耐食鋼の何れにおいても0.03％以下にすべ
きである、といつた程度のきわめて緩い規制に過
ぎなかつた。またＯ量に関しては、特別には規制
自体とられていないのが現状である。市販のもの
では、Ｓ量は概ね0.010％前後、Ｏ量は約0.008％
程度である。つまり従来は、この程度のＳ、Ｏで
は、鋼の性質にそれほど重大な影響がないものと
考えられていた。しかるに大発明者の多くの実験結果によれば、
これらＳ、Ｏは上記通常の場合より含有量が低い
ところで鋼の耐酸化性を著しく改善することが判
明した。第１図は、17Cr系フエライト鋼について、加
熱温度を1000℃として30分加熱−冷却のサイクル
を500回繰り返したときの重量変化量と（Ｏ＋
Ｓ）量の関係をプロツトしたものである。同図から明らかなように、（Ｏ＋Ｓ）量が低く
なるとともに酸化による重量減少量が少なくなつ
ており、特に（Ｏ＋Ｓ）量が0.008％未満のとこ
ろでは重量変化量が、（Ｏ＋Ｓ）量約0.015％市販
品の1/2以下にまでなつていて、極めて良好な耐
酸化性を示している。上記ＯおよびＳ含有量の低下に基づ耐酸化性向
上の理由は、以下の如く考えられる。通常、鋼中に0.01％前後含有されるＳは、同じ
く鋼中に存在するMnと結合してMnSを形成して
いる。しかし、このMnSは、鋼が高温が使用さ
れている間に分解しCr−Mn−Ｏの酸化性に変化
して、遊離したＳが鋼表面及び結晶粒界に濃化
し、かつ介在物周辺にCrの欠乏層に作り鋼の耐
高温酸化性に悪影響を及ぼす。Cr或いは更に
Si、Al等を含有する鋼の耐酸化性は、これら元素
の酸化によつて生ずる安定な酸化物の保護皮膜に
よるものであるが、上記のように鋼表面および結
晶粒界に遊離Ｓが濃化していると、Cr、Si等の
鋼表層部への拡散移動（特に結晶粒界を介して活
発に行われる）が阻害され、前記保護酸化膜の形
成、補修が迅速に行われ難くなる。また、鋼表面
および結晶粒界に存在する遊離Ｓはそれ自体、酸
素と結合して酸化の起点となり、粒界の脆化、酸
化スケールの剥離促進の原因にもなる。一方Ｏは、通常鋼中に0.005〜0.010％含まれる
が、この大半はCr、Si、Al、Mn等の活性元素と
結合して酸化物乃至酸硫化物として存在する。こ
のため、上記同様Cr、Si、Al等の鋼表層部への
拡散が阻害され、その分鋼表面でのこれら元素の
酸化物の生成が抑えられることとなる。また鋼−
酸化スケール界面では、界面に生成している、例
えばCrの酸化物などの解離平衡に基く酸素分圧
だけ酸素が存在し、これは鋼中へ拡散して内部酸
化や粒界酸化の原因になる。以上のような、ＳとＯの好ましくない作用は、
鋼中ＳおよびＯを完全に除去することで失くする
ことができると考えられるが、このような不純物
の完全除去は事実上不可能である。しかるに本発
明の規定に従つて、鋼中Ｓ、Ｏを低く抑えるなら
ば、上記の悪影響を排除することができるのであ
る。すなわち、本発明に基づく極く微量のＳ、Ｏ
は、鋼の溶製中に、炉材の耐火物、或いはスラグ
から混入してくるCa、Mg等と結合して、Ca−Al
−Mg−Ｏ−Ｓ系の化合物となつて鋼中に存在す
ることになる。このように硫酸化物は、高温でも
安定で、Ｓ、Ｏを固着しているため、先に述べた
Ｏ、Ｓの悪影響が取り除かれる結果となるものと
考える。ここで高温でも安定とは、硫化物を含む介在物
が分解してＳを遊離する反応を起こしにくい状態
をいい、その安定さの程度はMnSの分解の容易
さより困難であることが必要である。このようなメカニズムからしても、鋼中（Ｏ＋
Ｓ）0.008％未満、かつO0.005％未満の含有は、
実用効果上許容される。上記のような現象を考慮すれば、本発明鋼にお
いて、（Ｏ＋Ｓ）量が0.008％未満、Ｏ量が0.005
％未満でも、それらが上限に近い場合には、
Ca、Mg或いはこれらと同等の作用がある希土類
元素、Ｙを積極的に利用して、前記の安定な化合
物の生成を促進することは一層有利である。ま
た、溶製のとき鋼中のＯをできるだけ下げるため
の精錬、または元素の添加を実施するのも、耐酸
化性の向上に有効なことである。なお本発明鋼は、700〜1200℃程度で使用され
る、あらゆる鋼種のフエライト鋼に適用可能であ
り、通常フエライト鋼に含有される合金成分を含
ませることは勿論可能である。かかる合金元素の
種類および含有量は、Cr量とのバランスを考慮
して、鋼の使用条件、すなわち要求される耐用温
度、加工性、溶接性、機械的性質等に応じて選定
すればよい。何れにしても、Ｓ、Ｏが極めて低位
に抑えられる本発明鋼は、同一ベースでＳ、Ｏを
通常量含有すると鋼と較べ、耐酸化性が著しく勝
り、しかもその他の基本性質に関し少なくとも劣
るようなことはない。以下、本発明フエライト鋼の基本成分につい
て、好ましい範囲とその理由を説明する。Ｃは、鋼の高温での使用時に、或いは溶接後の
溶接部にCr₂₃C₆型の炭化物を形成して、Crの耐
酸化性向上の効果を減殺し、スケールの密着性を
劣化させる。また、過大量のＣは、鋼の溶接性、
加工性にも悪影響を与え、特に炭化物の多量の析
出防止の点からも、上限は0.15％に止めるべきで
ある。耐酸化性の点からはこの量以下で、可及的
に少ない方がよいが、極度に低い必要はなく、コ
ストを考慮し現状の通常製鋼法で達成の容易な
0.006％を下限とする。機械的強度を重視する場
合には、上限近くまで含有させることもあり得
る。上記のようなＣの弊害を除くには、Ｃと優先
的に結合して上記の害を減少させるTi、Nb、Zr
およびTaの利用が望ましい。これらの成分は作
用効果上均等なものであるから、その１種でも、
また２種以上の組合せでも使用でき、合計含有量
としてＣ（％）の４倍以上の含有が効果的であ
る。ただし、余り多量に添加すると、金属間化合
物の析出量が多くなり、鋼の清浄性、加工性を損
うから上限は1.5％までとするのがよい。 Siは、通常脱酸剤として使用され、その効果を
確かにするには0.1％以上必要である。Siはま
た、鋼の耐酸化性の向上にもすぐれた効果を発揮
する成分である。本発明者の実験結果によれば、
Ｏ、Ｓを本発明範囲内に抑制することによる耐酸
化性向上の効果は、特にSiを１％以上含有する鋼
において顕著であるから、Siの５％までの含有が
推奨される。しかし５％を越えるSiの含有は、鋼
の加工性および溶接性の劣化を招く。 Mnは、脱酸剤に用いられるが、耐酸化性から
すれば好ましい成分ではないから、３％以下とす
るのがよい。また３％を越えると熱間加工性をも
害し、更に製鋼時炉の耐火物を侵食する点が問題
となる。 Crは、耐酸化性を確保する上で10％以上必要
である。Cr含有量が多くなる程、耐食性は向上
するが、30％を越えると加工性に害を及ぼす。なお本発明鋼は、先に述べたように、Crの含
有量が既知のフエライト鋼のそれと同じであつて
も、その耐酸化性は格段にすぐれているのである
から、同一基の耐熱鋼よりも高温での苛酷な使用
条件に耐えるものである。つまり、同一使用条件
には、Cr含有量の低い、つまりより安価な鋼が
使用できることになる。以上の成分は、本発明に係るフエライト鋼の基
本成分であるが、この他にも鋼の使用目的によ
り、また製造上の必要から、各種の副成分の添加
が可能である。その副成分の主なものと、その好
ましい添加含有量は次のとおりである。 Alは、脱酸剤として必要となる場合が多い成
分である。特に、後述するCa、Mg等の積極添加
を行う場合、或いはスラグの効果を十分に発揮さ
せる場合、溶鋼中の酸素を予め十分に低下させて
おく必要があり、少量のAlの添加が行われる。
しかし鋼中に残留するAl量５％を越えると溶製
後の鋳造工程で、障害をおこすおそれがある。 Cuは、少量で鋼表面に生成する酸化スケール
の密着性向上に効果がある。しかし、1.5％を越
える含有は、反つて耐酸化性の劣化を招くことに
なる。 Moは、主に鋼の高温強度の向上に有効な成分
である。従つて高温で荷重のかかる用途に使用さ
れる場合には、その添加を行うべきであるが、５
％を越える含有は、耐酸化性に好ましくない影響
を及ぼし、また同時に材料コストの上昇を来た
す。 Ti、Nb、Zr、Taの使用目的は、先にＣとの関
係で述べたとおりである。 Ca、Mg、希土類元素、Ｙ、これらの元素はＳ
と結合して、高温でも分解しないきわめて安定な
硫化物、または酸硫化物を形成し、鋼の耐酸化性
の向上に寄与する。しかしこのような効果も、Ｏ
とＳを本発明範囲内に抑制しておくことが前提と
なり、これら不純分を通常量含有する鋼に上記元
素を多量に加えると、生成する化合物の量が過多
となり、耐酸化性だけでなく機械的性質にも悪影
響を与える結果となる。ＯおよびＳさえ本発明範
囲にすれば、Ca、Mg、希土類元素、Ｙは実質的
に存在しなくても耐酸化性の向上は達せられる。
通常、Ca、Mg等は、あえて積極的な添加を行わ
ずとも、溶鋼中に炉材、またはスラグから微少量
が侵入して来るものであり、これが上記の微量
Ｏ、Ｓと結合して、その害を除くことが期待でき
る。何れにしろ、これらの元素の添加によつて
Ｏ、Ｓ量を更に低位とした場合も、本発明の範疇
に含まれるものである。以上の主成分、副成分の他に、鋼には不可避的
に混入する不純物が存在する。そのうち、耐酸化
性と重要な係わりをもつのは、ＯとＳであるが、
その含有量は、Ｏ＋Ｓで0.008％未満、かつＯは
0.005％未満に抑えなければ、意図する耐酸化性
の改善が達せられないことは先に述べた。次に、実用上最も望ましい本発明の実施態様を
掲げるとともにその具体的な実例について説明す
る。なお以下の説明において、耐酸化性の試験は次
の条件で行なつた。試験片サイズ：25mm×20mmＷ×1.5mmｔの板試験方法：各表示の温度に加熱した炉中に30分
間保持し、次いで大気中に30分間放置する加熱−
冷却サイクルを500回繰り返した後、酸化物が付
着したままの試験片の重量を測定し、試験前の重
量に対する増量分を求め、その大きさにより耐酸
化性を評価する。第１表は、上記の試験を市販の代表的なフエラ
イト鋼について行なつた結果を示すもので、以下
に述べる説明の参考のために掲げる。

〔実施態様１〕

C0.15％以下、Si0.1〜5.0％、Mn3％以下、
Cr10〜15％で、その他必要に応じてAl、Cu、
Mo、Ti、Nb、Zr、Ta、Ca、Mg、希土類元素、
Ｙ等を含有し、不純物としてのＳ＋Ｏが0.008％
未満で、かつＯが0.005％未満である高温用フエ
ライト鋼。この鋼は、市販鋼のSUS410Sに対応するるも
のである。第２表にこの実施態様に属する鋼および同一鋼
種でＳ＋Ｏ量が本発明範囲より高い比較鋼の組成
および加熱温度900℃での耐酸化試験の結果を示
す。第２表において、本発明鋼１〜７と、比較鋼を
較べると、重量変化は前者が後者の1/5〜1/4程度
であることが分る。

〔実施態様２〕

C0.15％以下、Si0.1〜5.0％、Mn3％以下、
Cr15〜20％で、その他必要に応じてAl、Cu、
Mo、Ti、Nb、Zr、Ta、Ca、Mg、希土類元素、
Ｙの１種以上を含有し、不純物としてのＳ＋Ｏが
0.008％未満で、かつＯが0.005％未満である高温
用フエライト鋼。この鋼は、実施態様１の鋼のCr含有量を高め
て耐酸化性の向上を図つたもので、市販品の
SUS430に対応する。第３表にこの実施態様に属する鋼および同一鋼
種でＳ＋Ｏ量が本発明範囲を上廻る比較鋼の組成
および加熱温度950℃での耐酸化試験の結果を示
す。第３表において、本発明鋼の重量変化は、比較
例に較べて1/3〜1/7程度に減少している。

【表】

〔実施態様３〕

C0.15％以下、Si0.1〜5.0％、Mn3.0％以下、
Cr10〜20％、Al ５％以下で、その他必要に応じ
てCu、Mo、Ti、Nb、Zr、Ta、Ca、Mg、希土類
元素、Ｙの１種以上を含有し、不純物としてのＳ
＋Ｏが0.008％未満、かつＯが0.005％未満である
高温用フエライト鋼。この鋼は、市販品のシクロマル鋼に対応するも
のであるが、これに属する鋼および同一鋼種でＳ
＋Ｏ量が本発明範囲外の比較鋼の組成および加熱
温度1200℃での耐酸化試験の結果をまとめて第４
表として示す。本発明鋼は、比較鋼の1/3程度の重量変化に止
まつている。以上の説明から明らかなように本発明は、フエ
ライト鋼において、その基本的な特徴を損なうこ
となく、耐高温酸化性を大巾に改良することがで
き、従つて耐熱鋼としてのフエライト鋼の経済性
を更に向上させる上で著しい効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、加熱−冷却のサイクルを繰り返した
ときの鋼の重量変化量と（Ｏ＋Ｓ）量の関係を示
すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％で、不純物としてのＳ、
ＯがＯ：0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未満を満
足し、残部Feおよびその他不可避的不純物から
なり、鋼中介在物が高温でMnSよりも安定な介
在物であることを特徴とする耐高温酸化性のすぐ
れたフエライト鋼。２Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、さらにTi、Nb、Zr、Ta
の１種又は２種以上を合計でＣ量の４倍以上1.5
％以下を含有し、不純物としてのＳ、ＯがＯ：
0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未満を満足し、残
部Feおよびその他の不可避的不純物からなり、
鋼中介在物が高温でMnSよりも安定な介在物で
あることを特徴とする耐高温酸化性のすぐれたフ
エライト鋼。３Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、Al：５％以下で、不純
物としてのＳ、ＯがＯ：0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：
0.008％未満を満足し、残部Feおよびその他の不
可避的不純物からなり、鋼中介在物が高温で
MnSよりも安定な介在物であることを特徴とす
る耐高温酸化性のすぐれたフエライト鋼。４Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、Al：５％以下、さらに
Ti、Nb、Zr、Taの１種又は２種以上を合計でＣ
量の４倍以上1.5％以下を含有し、不純物として
のＳ、ＯがＯ：0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未
満を満足し、残部Feおよびその他不可避的不純
物からなり、鋼中介在物が高温でMnSよりも安
定な介在物であることを特徴とする耐高温酸化性
のすぐれたフエライト鋼。５Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、さらにCa、Mg、希土類
元素、Ｙの１種又は２種以上を各々0.1％以下含
有し、不純物としてのＳ、ＯがＯ：0.005％未
満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未満を満足し、残部Feおよ
びその不可避的不純物からなり、鋼中介在物が高
温でMnSよりも安定な介在物であることを特徴
とする耐高温酸化性のすぐれたフエライト鋼。６Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％にTi、Nb、Zr、Taの１種
又は２種以上を合計でＣ量の４倍以上1.5％以下
を含み、さらにCa、Mg、希土類元素、Ｙの１種
又は２種以上を各々0.1％以下を含有し、不純物
としてのＳ、ＯをＯ：0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：
0.008％未満を満足し、残部Feおよびその他不可
避的不純物からなり、鋼中介在物が高温でMnS
よりも安定な介在物であることを特徴とする耐高
温酸化性のすぐれたフエライト鋼。７Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、Al：５％以下にTi、
Nb、Zr、Taの１種又は２種以上を合計でＣ量の
４倍以上1.5％以下を含み、さらにCa、Mg、希土
類元素、Ｙの１種又は２種以上を各各0.1％以下
を含有し、不純物としてのＳ、ＯをＯ：0.005％
未満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未満を満足し、残部Feお
よびその他不可避的不純物からなり、鋼中介在物
が高温でMnSよりも安定な介在物であることを
特徴とする耐高温酸化性のすぐれたフエライト
鋼。８Ｃ：0.006〜0.15％、Si：0.1〜５％、Mn：３
％以下、Cr：10〜30％、Al：５％以下、さらに
Ca、Mg、希土類元素、Ｙの１種又は２種以上を
各々0.1％以下含有し、不純物としてのＳ、Ｏを
０：0.005％未満、Ｓ＋Ｏ：0.008％未満を満足
し、残部Feおよびその他不可避的不純物からな
り、鋼中介在物が高温でMnSよりも安定な介在
物であることを特徴とする耐高温酸化性のすぐれ
たフエライト鋼。