JPWO2012176586A1 - 耐浸炭性金属材料 - Google Patents
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Abstract
Description
第1グループ:質量%で、Co:10%以下、
第2グループ:質量%で、Mo:2.5%以下、W:5%以下及びTa:5%以下、
第3グループ:質量%で、B:0.1%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Nb:2%以下及びHf:0.5%以下、
第4グループ:質量%で、Mg:0.1%以下及びCa:0.1%以下、
第5グループ:質量%で、Y:0.15%以下、La:0.15%以下、Ce:0.15%以下及びNd:0.15%以下。
本発明において、金属材料の組成範囲を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
Cは、本発明においてもっとも重要な元素のひとつである。CはCrなどと結合して炭化物を形成することによって、高温での強度を高める。このため、Cの0.03%以上の含有が必要である。一方、Cを含有することで溶接時の凝固割れ感受性を高めるとともに、高温でのクリープ延性低下を招く。そのため、上限を0.075%に制限する。好ましくは、0.03%〜0.07%であり、より好ましい範囲は0.04%〜0.07%である。
Siは、本発明において重要な元素のひとつである。酸素との親和力が強いため、Cr2O3等の保護性酸化スケ−ル層の下層にSi系酸化スケールを形成し、浸炭性ガスを遮断する。この作用は、0.6%以上含有することで発揮される。ただし、2.0%を超えると溶接性が著しく低下するので、上限を2.0%とする。好ましい範囲は、0.8〜1.5%であり、より好ましい範囲は、0.9〜1.3%である。
Mnは脱酸能力を有するほか、加工性や溶接性を改善するので、0.05%以上添加する。また、Mnはオーステナイト生成元素であることから。Niの一部をMnで置換することも可能である。ただし、過剰の添加は保護性酸化スケール層の浸炭性ガス遮断性能を阻害することから、Mnの含有量上限を2.5%とする。好ましい範囲は、0.1〜2.0%である。より好ましい範囲は、0.6〜1.5%である。
Pは熱間加工性や溶接性を低下させるので、Pの上限を0.04%とする。特にSiやCuの含有量が高い場合にその効果が重要となる。Pの好ましい上限は0.03%であり、より好ましい上限は0.025%である。ただし、浸炭性ガスの金属表面における解離性吸着反応を抑制する働きを有するため、溶接性の低下を許容できる場合にはPを含有させてもよい。
Sは、Pと同様に、熱間加工性や溶接性を低下させるので、Sの上限を0.015%とする。特にSiやCuの含有量が高い場合にその効果が重要となる。Sの好ましい上限は0.005%であり、より好ましい上限は0.002%である。ただし、Pと同様に、浸炭性ガスの金属表面における解離性吸着反応を抑制する働きを有するため、溶接性の低下を許容できる場合にはSを含有させてもよい。
Crは本発明においてもっとも重要な元素のひとつである。Cr2O3等の酸化スケ−ルを安定に形成し、浸炭性ガスを遮断する効果があるので、特に苛酷な浸炭性ガス環境においても十分な耐浸炭性、耐メタルダスティング性及び耐コーキング性を付与する。この効果を十分に発揮するには、16.0%を超えて含有することが必要である。一方、CrはCと結合し炭化物を形成することでクリープ延性を低下させる。また、Crを含有することでオーステナイト組織のクリープ強度を低下させる。特に、SiやCuの含有量が高い場合にその影響が大きい。この悪影響を抑制するためには、Cr含有量を20.0%未満に制限する必要がある。Cr含有量の好ましい範囲は、18.0%以上20.0%未満である。より好ましい範囲は、18.0%以上19.5%未満である。
Niは、Cr含有量に応じて安定したオーステナイト組織を得るために必要な元素であり、20.0%以上の含有量が必要である。また、Cが鋼中に浸入した場合、浸入速度を低下する機能を有する。さらに、金属組織の高温強度を確保する働きがある。しかしながら、必要以上の含有は、コスト高と製造難を招くほか、特に炭化水素を含有するガス環境ではコーキングやメタルダスティングを促進する場合もあるため、Niの含有量を30.0%未満に制限する。Niの含有量の好ましい範囲は22.0〜28.0%であり、より好ましい範囲は23.0〜27.0%である。
Cuは本発明において重要な元素のひとつである。Cuは浸炭性ガスと金属の表面反応を抑制し、耐メタルダスティング性等を大きく向上させる。また、オーステナイト生成元素であるためNiの一部をCuで置換することも可能である。耐メタルダスティング性の向上効果を発揮するためには、Cuを0.5%以上含有させる必要がある。ただし、10.0%を超えて含有させると溶接性を低下させるので、含有量の上限を10.0%とする。Cuの好ましい含有量は1.5〜6.0%である。より好ましい含有量は2.1〜4.0%である。
Alは析出強化によるクリープ強度向上に有効な元素であるが、共存するSiやCuの含有量が高い場合にHAZ割れ感受性を高め、さらにクリープ延性も低下させる。また、HAZ割れ感受性を低下するには、前述のようにAlの含有量を可能な範囲で制限して粒内への金属化合物の析出を少なくすることが有効である。そのため、本発明では、その含有量を0.15%以下に制限する。好ましくは0.12%以下、より好ましくは0.10%以下である。なお、Alは溶製時の脱酸元素として有効に働くため、その効果を得たい場合は0.005%以上含有させるのが好ましい。
Tiは析出強化によるクリープ強度向上に有効な元素であるが、共存するSiやCuの含有量が高い場合にHAZ割れ感受性を高め、さらにクリープ延性も低下させる。また、HAZ割れ感受性を低下するには、前述のようにAlの含有量を可能な範囲で制限して粒内への金属化合物や炭化物の析出を少なくすることが有効である。そのため、本発明では、Ti含有量を0.15%以下に制限する。好ましくは0.08%以下、より好ましくは0.05%以下である。なお、Tiによるクリープ強度向上効果を得たい場合は0.005%以上含有させるのが好ましい。
Nは金属材料の高温強度を高める作用を有する。さらに、Nb及びTa等の元素と結合しZ相を形成することで、HAZ割れ感受性を低減する。これらの効果は0.005%以上含有させることで発揮される。しかしながら、Nの含有量が0.20%を超えると加工性を阻害する。したがって、Nの含有量は0.20%を上限とする。Nの好ましい含有量の範囲は、0.015〜0.15%である。AlおよびTiを制限することによるクリープ破断強度の低下を改善したい場合は、窒素の固溶強化もしくは析出強化を活用してもよい。その場合の好ましい含有量の範囲は、0.05〜0.12%であり、さらに好ましい含有量の範囲は0.07〜0.12%である。
O(酸素)は、金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素である。O(酸素)の含有量が0.02%を超えると、鋼中に酸化物系介在物が多量存在し、加工性が低下するほか、金属材料表面の疵の原因になる。したがって、O(酸素)の上限を0.02%とする。
第1グループ:質量%で、Co:10%以下、
第2グループ:質量%で、Mo:2.5%以下、W:5%以下及びTa:5%以下
第3グループ:質量%で、B:0.1%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Nb:2%以下及びHf:0.5%以下、
第4グループ:質量%で、Mg:0.1%以下及びCa:0.1%以下、
第5グループ:質量%で、Y:0.15%以下、La:0.15%以下、Ce:0.15%以下及びNd:0.15%以下。
Coは、オーステナイト相を安定にする作用を有するため、Ni成分の一部を置換することができるので、必要に応じて含有させてもよい。ただし、含有量が10%を超えると熱間加工性を低下させるので、Coを含有させる場合は、その含有量は10%以下とする。熱間加工性の観点から、Co含有量は好ましくは5%以下であり、より好ましくは3%以下である。なお、Coの含有効果を得たい場合には0.01%以上含有させるのが好ましい。
Mo、W及びTaは、いずれも固溶強化元素であるため、その1種または2種以上を、必要に応じて含有させてもよい。但し、これらの含有量がそれぞれ5%を超えると加工性を低下させるとともに組織安定性を阻害するので、その含有量は5%以下とする。好ましい含有量は、それぞれ3.5%以下である。これらの元素のうちの2種以上を含有させる場合には、合計で10%以下の含有量とするのが好ましい。なお、Mo、WまたはTaの含有効果を得たい場合には、0.01%以上含有させるのが好ましい。
B、V、Zr、Nb及びHfは、いずれも高温強度特性を改善するのに有効な元素であるため、これらのうちの1種又は2種以上を必要に応じて含有させてもよい。ただし、Bを含有させる場合には、その含有量が0.1%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は0.1%以下とする。好ましくは0.05%以下である。Vを含有させる場合は、その含有量が0.5%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は0.5%以下とする。好ましくは0.1%以下である。Zrを含有させる場合には、その含有量が0.5%を超えると溶接性を著しく低下させるので、その含有量は0.5%以下とする。好ましくは0.1%以下である。Nbを含有させる場合には、その含有量が2%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は2%以下とする。好ましくは0.8%以下である。また、Hfを含有させる場合には、その含有量が0.5%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は0.5%以下とする。好ましくは0.1%である。なお、B、V、Zr、NbまたはHfの含有効果を得たい場合には、BまたはHfは0.0005%以上、V、ZrまたはNbは0.005%以上含有させるのが好ましい。
Mg及びCaは、いずれも熱間加工性を向上させる作用を有するため、これらのうちの1種又は2種を必要に応じて含有させてもよい。ただし、Mgを含有させる場合には、その含有量が0.1%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は0.1%以下とする。また、Caを含有させる場合には、その含有量が0.1%を超えると溶接性を低下させるので、その含有量は0.1%以下とする。なお、MgまたはCaの含有効果を得たい場合には、0.0005%以上含有させるのが好ましい。
Y、La、Ce及びNdは、いずれも耐酸化性を向上させる作用を有するため、これらのうちの1種又は2種以上を必要に応じて含有させてもよい。ただし、これらの元素を含有させる場合には、それぞれ、その含有量が0.15%を超えると加工性を低下させるので、その含有量は0.15%以下とする。好ましくは0.07%以下である。なお、Y、La、CeまたはNdの含有効果を得たい場合には、0.0005%以上含有させるのが好ましい。
金属材料の結晶粒度としては、オーステナイト結晶粒度番号が6以上の細粒とするのが好ましい。好ましい結晶粒度は、7以上である。より好ましい結晶粒度は、7.5以上である。母材であるオーステナイト組織の結晶粒径が小さいほど、クリープ延性に優れ、またHAZ割れ感受性を低減することができるからである。なお、オーステナイト結晶粒度番号はASTM (American Society for Testing and Material:アメリカ材料試験協会)の規定に基づく。
第1グループ:質量%で、Co:10%以下、
第2グループ:質量%で、Mo:5%以下、W:5%以下及びTa:5%以下
第3グループ:質量%で、B:0.1%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Nb:2%以下及びHf:0.5%以下、
第4グループ:質量%で、Mg:0.1%以下及びCa:0.1%以下、
第5グループ:質量%で、Y:0.15%以下、La:0.15%以下、Ce:0.15%以下及びNd:0.15%以下。
第1グループ:質量%で、Co:10%以下、
第2グループ:質量%で、Mo:5%以下、W:5%以下及びTa:5%以下
第3グループ:質量%で、B:0.1%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Nb:2%以下及びHf:0.5%以下、
第4グループ:質量%で、Mg:0.1%以下及びCa:0.1%以下、
第5グループ:質量%で、Y:0.15%以下、La:0.15%以下、Ce:0.15%以下及びNd:0.15%以下。
(5) オーステナイト結晶粒度番号が6以上の細粒組織であることを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の耐浸炭性金属材料。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.03〜0.075%、Si:0.6〜2.0%、Mn:0.05〜2.5%、P:0.04%以下、S:0.015%以下、Cr:16.0%を超えて20.0%未満、Ni:20.0%以上30.0%未満、Cu:0.5〜10.0%、Al:0.15%以下、Ti:0.15%以下、N:0.005〜0.20%、O(酸素):0.02%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなることを特徴とする耐浸炭性金属材料。
- 質量%で、C:0.04〜0.07%、Si:0.8〜1.5%、Mn:0.05〜2.5%、P:0.04%以下、S:0.015%以下、Cr:18.0%以上20.0%未満、Ni:22.0〜28.0%、Cu:1.5〜6.0%、Al:0.12%以下、Ti:0.05%以下、N:0.005〜0.20%、O(酸素):0.02%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなることを特徴とする耐浸炭性金属材料。
- 次に示す第1グループから第5グループまでのうちの少なくとも1つのグループの中から選択される成分のうちの少なくとも1種をさらに含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の耐浸炭性金属材料。
第1グループ:質量%で、Co:10%以下、
第2グループ:質量%で、Mo:5%以下、W:5%以下及びTa:5%以下
第3グループ:質量%で、B:0.1%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Nb:2%以下及びHf:0.5%以下、
第4グループ:質量%で、Mg:0.1%以下及びCa:0.1%以下、
第5グループ:質量%で、Y:0.15%以下、La:0.15%以下、Ce:0.15%以下及びNd:0.15%以下。 - オーステナイト結晶粒度番号が6以上の細粒組織であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の耐浸炭性金属材料。
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