JPS6411106B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

＜産業上の利用分野＞ この発明は、常温・高温間の熱サイクルが頻繁
に加わる上、比較的高濃度の塩化物含有物質が接
触したり付着したりし易い環境下にあつても、優
れた耐食性を示すことはもちろん、溶接性や成形
加工性等も良好で、発熱被覆管に使用して優れた
性能を発揮する鋼に関するものである。 近年、防災対策等のために燃料用ガスの使用を
規制した集合型住宅が増加しており、これらを中
心として調理用電気機器類や電気温水器類が目覚
しい勢で普及してきた。 ところで、電気コンロや魚焼器等の調理用電気
機器類の発熱源には、従来、「ぜんまい状」に成
形されたニクロム線をそのまま使用する場合が多
かつたが、このような形式のものは感電の危険性
が高く、また断線を起こしやすい等の指摘がなさ
れていたこともあつて、近年では、前記発熱体を
耐熱性金属材料のパイプに挿入するとともに、そ
の両者間にマグネシア等の無機絶縁粉末を充填し
て完全密閉したところの、所謂“シーズヒータ”
の採用が目立つようになり、発熱源の安全性や安
定性は飛躍的に向上している。 しかし一方では、上述のような調理用電気機器
類に使用されるシーズヒータは、大気中での表面
温度が約800℃程度にも達することに加え、醤油、
マヨネーズ或いは食塩水等の付着する機会が多い
こともあつて（因に、醤油やマヨネーズには、通
常、５％以上のNaClが含まれている）、シーズヒ
ータの発熱被覆管として通常の鋼材等を使用した
のでは予想外の腐食により比較的短時間に孔が発
生し、発熱体の断線を招くと言う問題があつた。
もちろん、このような塩化物の存在する高温環境
下での腐食問題は調理用電気機器類に限られるも
のではなく、例えば水道水を加熱する温水器（使
用期間が長くなると、その伝熱面等に水アカが生
成して温度が予想以上に上昇し易くなると同時
に、該箇所に塩分の濃縮が生ずる機会も多くな
る）やその他の熱交換用発熱被覆管等に共通する
問題でもあつた。 ＜従来の技術＞ そこで、従来、シーズヒータの被覆管に代表さ
れる発熱被覆管材には、例えばJIS規格の
SUS309S鋼、SUS310S鋼、或いはNCF800材と
言つたようなNi含有量の高い材料が使用され、
塩化物の存在する高温環境での鋼の耐食性にNi
の添加が有効であるとの従来の報告の通り、良好
な成績を収めるものと期待されていた。 ＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、これらの材料のうち、
SUS309S鋼やSUS310S鋼等の比較的Ni含有量の
低いものは、発熱被覆管の使用環境における腐食
形態が前述の如くに従来の予想を越えたものであ
つたことから、耐食性の点で十分に満足できるも
のでないことが明らかとなり、一方、Ni含有量
の比較的高いNCF800材は、耐熱性・耐食性の点
で従来材中最も良好な部類のものではあつたが、
それでも、 (a) Cl^-イオンを多量に含む水溶液による常温並
びに高温腐食に対しての抵抗性が今一歩十分で
はなく、Cr系炭化物の粒界析出に起因する粒
界型の腐食を発生し易い。 (b) 特にシーズヒータの発熱被覆管として電気製
品に組み込まれる場合、シーズヒータの絶縁破
壊電圧にどうしても悪影響が及んでしまう。 つまり、シーズヒータの絶縁破壊電圧は、発
熱被覆管に充填する無機絶縁粉末の特性以外
に、該発熱被覆管内部の気圧によつて大きく変
化する性質のものであるが、前記NCF800材で
あつても高温加熱時に酸化が起こつて密封され
た発熱被覆管内部の空気を消費し、その内部圧
を下げるので、絶縁破壊電圧の低下を逸れな
い。 との問題を有していることが長期に亘る実使用
によつて次第に明らかとなつてきた上、 (c) 溶接性や成形加工性に難点があつて、素管製
造時の溶接に際してビード部に割れを生じた
り、発熱被覆管の断面成形時（シーズヒータ等
の発熱被覆管は、通常、上部に偏平辺が位置す
るような三角形断面に成形加工され、熱効率の
向上が図られる）や、スパイラル形状等への成
形加工時に割れを発生したりし易い。 即ち、NCF800材は、室温から溶融温度まで
オーステナイトー相組織であり、このため、フ
エライト生成元素であつてかつ溶融温度の低い
Ｐ及びＳが溶接凝固時に地金中へ固溶しないで
セル状デンドライト境界に濃化するので、凝固
収縮応力がこの部分に集中し、割れを発生す
る。この場合、Ｃ含有量は高い方が溶接割れ感
受性を抑えるのに有効であるが、Ｃ含有量を高
くすると発熱被覆管としての性能が劣化するの
でＣ量含有量はどうしても0.04％以下（以降、
成分割合を表わす％は重量基準とする）に抑え
ざるを得ず、溶接割れ感受性は必然的に高くな
つてしまう。そして、例えこの溶接部の割れ欠
陥が極めて小さい内部欠陥であつたとしても、
その後の偏平加工時や、スパイラル状又はＵ字
型への成形時に製品割れとして顕化してしま
う。 と言う、発熱被覆管の製造上極めて不利な問題点
をも抱えていたのである。 ＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、上述のような各種の問題点を解消
し、常温・高温間の熱サイクルが頻繁に加わる
上、比較的高濃度の塩化物含有物質と接触し易い
環境下にあつても優れた耐食性を示すことはもち
ろん、溶接性や成形加工性等も良好で、例えばシ
ーズヒータの発熱被覆管に適用したとしても該シ
ーズヒータの絶縁破壊電圧に悪影響を及ぼすこと
のない金属材料を比較的安価に提供すべく、試行
錯誤を繰り返しながらなされた本発明者等の研究
の結果なされたものであり、 発熱被覆管用材料を、 Ｃ ：0.015〜0.04％，Si：0.2〜1.0％， Mn：1.0％以下，Cr：19〜23％， Ni：30超〜35％，Mo：0.2〜5.0％， Cu：0.2〜1.0％，Al：0.15〜0.60％， Ti：0.15〜0.60％ を含有し、 残部：Fe及び不可避不純物 から成るとともに、前記不可避不純物中のＰ，
Ｓ，Ｎ及びＯの含有量を、それぞれ、 Ｐ：0.020％以下，Ｓ：0.002％以下、 Ｎ：0.02％以下，Ｏ：0.01％以下 に抑えた鋼で構成することにより、通常の高温用
鋼としての必要特性を有することはもちろんのこ
と、塩化物の存在する高温環境中での格段に改善
された耐食性、シーズヒータの発熱被覆管として
使用した際にも絶縁破壊電圧に悪影響を及ぼさな
い特性、優れた溶接性、そして優れた成形性等を
も兼ね備えしめ、発熱被覆管を備えた各種高温機
器類寿命の飛躍的延長を可能ならしめた点、 に特徴を有するものである。 次に、この発明の鋼において、その組成成分の
割合を前記の如くに限定した理由を詳述する。 ａ○ Ｃ Ｃ成分の含有量が0.015％未満では溶接時にビ
ード割れを発生し易くなり、一方、0.04％を越え
てＣを含有させると、発熱被覆管として使用され
る際にCr系炭化物が析出して高温耐食性を劣化
することから、Ｃ含有量は0.015〜0.04％と定め
た。 ｂ○ Si Si成分は鋼の脱酸剤として有効なものである
が、その含有量が0.2％未満では溶解工程におい
て脱酸不良を惹起し、地金中に多量の酸化物系介
在物が残存するようになつて製品板表面の地疵欠
陥を誘発する恐れがでてくる。一方、1.0％を越
えてSiを含有させると、溶接時のビード割れを発
生するようになることから、Si含有量が0.2〜1.0
％と定めた。 ｃ○ Mn Mn成分も溶解工程における脱酸剤として使用
されるものであるが、この意味からも鋼中に残存
するMn量は1.0％以内で十分であるので、Mn含
有量を1.0％以下と定めた。 ｄ○ Cr Cr成分には、塩化物の存在する環境で使用さ
れる発熱被覆管用鋼の高温及び常温での耐食性を
改善する作用があるが、その含有量が19％未満で
は前記作用に所望の効果が得られず、一方、Cr
含有量が高いほど高温耐酸化性には有効であるけ
れども、あまり多量に含有させると、オーステナ
イト単相を維持して長時間時効による劣化を防止
したり溶接性を確保するのにNiの多量添加を必
要としてコスト上昇をもたらす上、23％を越える
添加ではそれ以上の特性向上効果が得られないば
かりか、組織的にσ相を析出するようになること
から、Cr含有量は19〜23％と定めた。 ｅ○ Ni Ni成分は、塩化物の存在する環境で使用され
る発熱被覆管用鋼の耐食性を改善するのに極めて
重要な元素であり、またオーステナイト単相を維
持するためにも重要なものであるが、その含有量
が30％以下では塩化物付着下での高温耐食性改善
作用やオーステナイト単相維持作用に所望の効果
が得られない上、加工性の面からも好ましくな
く、一方、Ni含有量が高いほど発熱被覆管とし
ての耐食性向上効果は顕著であるが、35％を越え
てNiを含有させることは鋼材価格の著しい上昇
につながることから、Ni含有量は30％を越える
値〜35％と定めた。 ｆ○ Mo Mo成分は、塩化物の存在する環境で使用され
る発熱被覆管用鋼の耐食性向上に有効な元素であ
るが、その含有量が0.2％未満では所望の耐食性
向上効果が得られず、一方、5.0％を越えて含有
させると、耐食性向上効果は増進するものの発熱
被覆管製作工程での曲げ加工性を害するようにな
ることから、Mo含有量は0.2〜5.0％と定めた。 ｇ○ Cu Cu成分にも、塩化物存在下で使用される発熱
被覆管用鋼の耐食性改善作用があるが、その含有
量が0.2％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方、1.0％を越えて含有させると素管溶
接時に割れの発生をみるようになることから、
Cu含有量は0.2〜1.0％と定めた。 ｈ○ Al，及びTi これらの各成分には、発熱被覆管用鋼の高温強
度を向上する作用があるが、それぞれの含有量が
0.15％未満では所望のクリープ・ラプチヤー強度
を確保することができず、一方、各々0.60％を越
えて含有させると、素管溶接時Al，Tiの酸化物
や窒化物が溶接ビード部へ浮上し、溶接部のビー
ド割れを惹起するようになることから、Al及び
Tiの含有量は、それぞれ0.15〜0.60％と定めた。 ｉ○ Ｐ Ｐは、溶接時にビード割れを誘発する有害な不
純物元素であるが、その含有量を0.020％以下低
減すると前記ビード割れ発生が抑えられることか
ら、Ｐ含有量を0.020％以下と定めた。 ｊ○ Ｓ Ｓも、Ｐと同様、溶接時にビード割れを誘発す
る有害な不純物元素であるが、やはりその含有量
を0.002％以下にまで低減すると前記ビード割れ
発生が抑えられることから、Ｓ含有量を0.002％
以下と定めた。 ｋ○ Ｎ この発明の鋼は、窒化物形成傾向の高いAl及
びTiを含有するため、Ｎ含有量が多くなるとAl，
Tiの窒化物を多量に形成し、溶接性（溶接曲げ
性）を害するようになる。しかしながら、その含
有量が0.02％以下であれば溶接性に対する悪影響
はそれほど著しくないことから、Ｎ含有量を0.02
％以下と定めた。 ｌ○ Ｏ 前記Al及びTiは酸化物形成傾向の高い元素で
もあるので、やはり溶接性の観点から鋼中のＯ含
有量を低減する必要がある。しかしながら、種々
の実験の結果、Ｏ含有量が0.01％以下であれば実
用上の格別な問題を生じないことから、Ｏ含有量
は0.01％以下と定めた。 さて、この発明は、これまで説明してきたよう
に、塩化物含有物質との接触を避けることが困難
な発熱被覆管に適用する鋼を、上述のような成分
組成にて構成した点に大きな特徴を有するもので
あるが、適用対象である発熱被覆管には格別な制
限はなく、いずれの型式のものであつても十分に
満足し得る効果が得られる。しかしながら、最近
特にその普及が著しい、被覆管内部に発熱コイル
を挿入するとともにマグネシア等の無機絶縁粉末
を充填してなる構造を有し、かつ大気中で600℃
以上の赤熱状態とされるか、或いは水中にて加熱
状態とされるシーズヒータの発熱被覆管に適用す
ることで一層優れた性能が発揮される。 次いで、この発明を、実施例により比較例と対
比しながら更に具体的に説明する。 ＜実施例＞ 実施例 １ まず、第１表に示される如き成分組成の鋼を、
真空溶解を経てインゴツトとし、熱間鍛造、熱間
圧延及び冷間圧延にて0.46mm厚の鋼板とした。 続いてこれらの鋼板を素材として、通常の方法
にて造管・溶接（溶接は「なめ付TIG溶接」を採
用し、溶接速度は３ｍ／minと５ｍ／min以上と
の

【表】

【表】 ２種とした）を行い、直径が８mmφの発熱被覆管
を製造した。 このようにして得られた各発熱被覆管につい
て、溶接部欠陥の有無（超音波探傷試験によつて
調査）並びに曲げ加工性を調べ、その結果を第１
表に併せて示した。なお、曲げ加工性は、発熱被
覆管を半径：11mmで曲げ加工したときの割れ発生
の有無によつて評価した。 第１表に示される結果からも明らかなように、
本発明鋼Ａ〜Ｈは素管の溶接性及び発熱被覆管と
したときの曲げ加工性のいずれもが良好な結果を
示したのに対して、比較材Ｋ，Ｌ及びＯ以外の比
較材については、素管の溶接でビード割れを起し
たり或いはスカム浮上による欠陥が発生し、曲げ
加工性を劣化することがわかる。 実施例 ２ 実施例１において良好な溶接性並びに曲げ加工
性を示した材料の中から、本発明鋼Ａ，Ｃ，Ｅ及
びＦ，並びに比較材Ｋ，Ｌ及びＯを選んで、Cl^-
イオンに対する耐孔食性と、加熱温度：800℃の
熱サイクル試験を実施した。 なお、耐孔食性試験はJISG0577に基づいて実
施し、熱サイクル試験は、実施例１におけると同
様に製作した発熱被覆管に発熱コイルを挿入し、
かつマグネシアを充填して得たシーズヒータに、
20分間通電及び10分間止電の熱サイクルを与える
とともに、初回及び５回目毎に３％NaCl水溶接
中へ浸漬し、腐食の有無、並びに形状変形の有無
を調査する方法を採用した。 得られた結果を第２表に示す。

【表】 第２表において、「耐孔食性」の評価は、 ○……孔食電位が0.12V以上（対S.C.E.）のも
の、 △……孔食電位が0.1V以下（対S.C.E.）のも
の、 で表わし、また「熱サイクル試験結果」の評価
は、 ○……熱サイクル300回以上で異常なし、 ×……熱サイクル300回未満で粒界腐食又は形
状変形あり、 で表わしているが、該第２表からも、本発明鋼は
いずれも良好な結果が得られているのに対して、
比較材Ｋ／Ｌ及びＯは、発熱被覆管の製作上は何
の問題もなかつたけれども実用面での性能に劣つ
ていることが明白である。 実施例 ３ まず、第１表の本発明鋼Ａ及びＢ、並びにJIS
規格のNCF800材から成る板厚：0.46mmの帯鋼を
用い、シーム溶接にて外径：８mmφの発熱被覆管
を作製した。 次いで、第１図に示されるように、前記発熱被
覆管１に、両端部に電気取り出し端子２を接続し
たJIS規格NCHW１から成る発熱コイル３を挿入
し、マグネシアを主成分とする無機絶縁粉末４を
充填した後、そのままで外径：6.6mmφにまで縮
径圧延した。 続いて、これに固溶化熱処理を施し、「うず巻
き状」に曲げ加工し、更にプレス加工を行つた
後、発熱被覆管１の端部をガラス５及びシリコー
ンゴム６で封口して、第２図ａの平面図で、そし
て第２図ｂの正面図でそれぞれ示されるような電
気コンロ用シーズヒータを作製した。なお、第２
図において符号７及び８で示されるものは、シー
ズヒータ取付金具である。 このようして得られたシーズヒータの電気特性
を調べ、その結果を第３図及び第４図に示した。 第３図は、通電中の熱時絶縁抵抗を示すグラフ
であり、第４図は、シーズヒータ完成後の絶縁破
壊電圧を示したグラフである。なお、これらは、
それぞれシーズヒータ５本について測定した値の
範囲で示されている。 第３図に示される結果からは、熱時絶縁抵抗に
ついては、本発明鋼Ａ及びＢとNCF800材との間
に殆んど差がなく、いずれも電気用品取締法に規
定された1MΩより大きな値を示していることが
わかるが、これは、熱時絶縁抵抗が、本来、無機
絶縁粉末の電気抵抗によつて決定されるものであ
ることを考慮すれば十分に理解できることであ
る。 一方、絶縁破壊電圧については、第４図からも
明らかなように、NCF800材と比較して本発明鋼
Ａ及びＢ一段と高い値を示すと言う結果が得られ
た。 このように、絶縁破壊電圧は、無機絶縁粉末の
特性以外にシーズヒータ内部の気圧によつて大き
く変化する性質のものであるが、本発明鋼Ａ及び
Ｂ耐酸化性に優れるためシーズヒータ内部の空気
の消費が少なく、従つてシーズヒータ内部圧を高
く保持し続けるため、絶縁破壊電圧が高くると言
う好結果を得ることができたわけである。 更に、以上のシーズヒータを電気コンロに組込
み、実使用に近い条件で耐久テストを行つた。 即ち、20分間通電−10分間休止を１サイクルと
し、48サイクル毎に味噌汁及び醤油のそれぞれ20
mlをシーズヒータ全体塗布して、定格電圧で熱サ
イクル試験を実施したわけである。なお、この時
のシーズヒータの表面温度は約760℃であつた。 この耐久テストの結果を第３表に示す。

【表】 (注) 表中に示す数値は、発熱被覆管に孔が
あき、絶縁劣化に至つたサイクル数であ
る。
第３表に示される結果からも、味噌汁に比べて
醤油の方が食塩濃度が高いため耐久性は悪くなる
が、いずれにおいても、NCF800材に比べて本発
明鋼Ａ及びＢの方が耐久性に優れていることは明
白である。これは、鋼中のＣ含有量を低減し、塩
化物の存在する高温環境下での腐食に大きく影響
する炭化クロム量を低減するとともに、MoやCu
の含有量を高めた効果が現われたものである。 また、第１表に示した本発明鋼Ａ，Ｅ及びＧ，
並びにJIS規格のNCF800材を用いて同様のシー
ズヒータを作製し、電気コンロに組み込んで、空
気中空焼による耐久テストを行つた。 即ち、“20分間通電―10分間休止”を１サイク
ルとし、定格電圧の20％アツプの電圧にて空気中
空焼による熱サイクル試験を実施したわけであ
る。この時のシーズヒータの表面温度は、約870
℃であつた。 この耐久テストの結果を第４表に示す。 第４表に示される結果からも、本発明鋼Ａ，Ｅ
及びＧは、NCF800材に比べて一段と耐久性に優
れていることが明白である。 これは、本発明鋼中のMoがシーズヒータの加
工工程における焼鈍工程や除湿工程等での加熱工

【表】 (注) 表中に示す数値は、通電中の熱時絶縁
抵抗が1MΩ未満になるサイクル数であ
る。
程を経る際に酸化され、酸化モリブデンを生成す
るので、シーズヒータ通電中に該シーズヒータ内
部が減圧傾向になつた場合でも酵素を解離して減
圧を防止する作用を発揮するためであると考えら
れる。 第５図は、鋼中のMo含有量とシーズヒータの
耐久寿命との関係を示すグラフであるが、第５図
からも、鋼中のMo含有量増加に伴つて耐久寿命
が増加していることが明らかである。 また、第６図は、シーズヒータの耐久テスト中
の熱時絶縁抵抗の変化を示すグララフであり、熱
時絶縁抵抗の測定を定格電圧（シーズヒータの表
面温度：約760℃）で行つた場合のものを示して
いるが、第６図からは、本発明鋼を用いたシーズ
ヒータの方が熱時絶縁抵抗の劣化が少ないことが
わかり、更に鋼中のMo含有量の増加に従つて熱
時絶縁抵抗の劣化が少なくなることも明らかであ
る。そして、これも、前記したように、酸化モリ
ブデンの減圧防止作用に起因した効果であると考
えられる。 上述のように、本発明鋼を用いたシーズヒータ
の耐久特性はJIS規格のNCF800材を用いたシー
ズヒータに比べて非常に優れており、高い信頼性
の得られることがわかつた。 このように、本発明鋼から成る発熱被覆管を用
いたシーズヒータは、従来のNCF800材を使用し
たものに比較して、電気特性及び実使用下での耐
久性のいずれにも優れていることが明らかであ
り、特に、食塩等の塩化物含有物質（調味料等）
が付着する恐れのある電気コンロ、ロースター、
オーブン、或いはオーブンレンジ等の耐久性を格
段に向上できることが明白である。 ＜総括的な効果＞ 以上説明したように、この発明によれば、塩化
物の存在する常温・高温熱サイクル付加環境下に
おいても優れた耐食性を示す上、溶接性及び曲げ
加工性にも優れた発熱被覆管用鋼を比較的安価に
得ることができ、高温機器類の性能や耐久性を一
段と向上することが可能となるなど、産業上極め
て優れた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、シーズヒータの構造の１例を示す概
略模式図、第２図は、電気コンロ用シーズヒータ
の１例を示す概略図であり、第２図ａはその平面
図、第２図ｂはその正面図、第３図は、シーズヒ
ータの通電中の熱時絶縁抵抗を比較したグラフ、
第４図は、シーズヒータの絶縁破壊電圧を比較し
たグラフ、第５図は、鋼中のMo含有量とシーズ
ヒータの耐久寿命との関係を示すグラフ、第６図
は、シーズヒータの耐久テスト中の熱時絶縁抵抗
の変化を示すグラフである。 図面において、１…発熱被覆管、２…電気取り
出し端子、３…発熱コイル、４…無機絶縁粉末、
５…ガラス、６…シリコーンゴム、７，８…シー
ズヒータ取付金具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量割合で、 Ｃ ：0.015〜0.04％、Si：0.2〜1.0％、 Mn：1.0％以下、Cr：19〜23％、 Ni：30超〜35％、Mo：0.2〜5.0％、 Cu：0.2〜1.0％、Al：0.15〜0.60％、 Ti：0.15〜0.60％ を含有し、 残部：Fe及び不可避不純物 から成るとともに、前記不可避不純物中のＰ，
   Ｓ，Ｎ及びＯの含有量を、それぞれ、 Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.002％以下、 Ｎ：0.02％以下、Ｏ：0.01％以下 に抑えたことを特徴とする発熱被覆管用鋼。 ２ 鋼の用途が、無機絶縁粉末充填材とともに内
   部に封入された発熱コイルによつて、600℃以上
   の大気中赤熱状態、若しくは水中加熱状態に置か
   れるシーズヒータの発熱被覆管用である、特許請
   求の範囲第１項に記載の発熱被覆管用鋼。