KR20150060942A

KR20150060942A - 오스테나이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20150060942A
Application number: KR1020157010895A
Authority: KR
Inventors: 다케오 미야무라; 시겐노부 남바
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104736735A; EP2915893A4; EP2915893A1; WO2014069467A1; CN109321822A

Abstract

본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은, C:0.01∼0.15질량％, Si:0.10∼1.00질량％, Mn:0.10∼2.50질량％, Ni:15.0∼25.0질량％, Cr:20.0∼30.0질량％, Nb:0.10∼0.80질량％, Ta:0.20∼1.00질량％, B:0.0005∼0.0050질량％, N:0.10∼0.35질량％, S:0.0050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 P:0.050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함한다.

Description

오스테나이트계 스테인리스강 {AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 특히는 화력 발전용의 보일러 튜브 등, 고온·산화성 환경에서 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

안정적인 전력 공급의 유지를 목적으로 태양광 등 재생 가능 에너지가 주목받고 있지만, 세계적으로 보면 화력 발전이 주요한 발전 방법인 것에 변화는 없다. 특히, 석탄 화력 발전은 풍부한 자원·저렴한 원료 비용을 배경으로 신흥국을 중심으로 확대될 것으로 생각되고 있다. 그러나, 석탄 화력 발전은 발전 전력량당 CO₂배출량이 크기 때문에, 발전 보일러의 증기를 고온·고압화함으로써 발전 효율의 개선이 행해지고 있다. 이와 같은 상황하에, 보일러의 열교환부에 사용되는 보일러 튜브 재료에 요구되는 내열성은 해마다, 점점 엄격해지고 있다.

화력 발전용 보일러 튜브에는 고온 강도, 내산화성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 사용되고 있다. 특히, 온도 환경이 높고, 부식성이 심한 부분에는 SUS310으로 대표되는 25Cr계의 스테인리스강이 사용되고 있다. 이들 보일러 튜브는 500∼700℃의 고온 환경에 노출될 뿐만 아니라, 강관 내부를 고압의 수증기가 통하기 때문에 우수한 크리프 특성이 필요해진다. 종래 지견에서는, 다양한 방법에 의해 크리프 강도의 향상이 도모되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, Ti량, Nb량, Zr량, Ta량과 C량을 적절한 비율로 하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 미량의 산소와 Ti을 포함함으로써 결정립의 혼립을 억제하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3에는, Cu, Nb, N를 첨가한 강재에 있어서 P량, Al량, V량 등을 제어하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, Mo량, W량과 N량을 조절하는 기술이 기재되어 있다.

한편, 보일러 튜브에 있어서는, 인성을 향상시키고자 하는 과제도 있다. 인성이 낮은 경우에는 운전 시·점검 시에 부하되는 충격에 의해 보일러 튜브에 균열이나 깨짐이 발생하기 쉬워져, 보일러가 파열될 가능성이 높아지기 때문이다.

종래부터, 인성을 높이기 위해서는 스테인리스강에 포함되는 Si나 Al, S(황), O(산소)를 저감시키는 것이 유효하다고 여겨지고 있다. 기존의 화력 발전용의 보일러 튜브 재료에서는 탈산 효과가 얻어지는 범위에서 Si, Al을 저감시킴으로써 σ상 등의 취화상의 형성을 억제하고, Mn이나 Ca, Mg을 첨가함으로써 S의 영향을 저감시키고 있다(예를 들어, 특허문헌 5, 6 참조).

또한, 25Cr-20Ni계 등의 내열 스테인리스강에 첨가 가능한 원소로서 Ta(탄탈)이 있다. 특허문헌 7∼11에는, Ta을 포함하는, Ti, Nb, V, Mo, W, Re 등으로부터 선택적으로 이것을 첨가함으로써, 탄소의 고정화에 의한 내식성의 향상이나 열간 가공성의 향상, 고온 강도의 향상이 도모되는 취지가 기재되어 있다.

일본 특허 공개 소 59-23855호 공보 일본 특허 공개 2004-250783호 공보 일본 특허 공개 2004-323937호 공보 일본 특허 공개 2012-1749호 공보 일본 특허 공개 평 7-278757호 공보 일본 특허 공개 평 4-358043호 공보 일본 특허 공개 2004-156126호 공보 일본 특허 공개 2002-69591호 공보 일본 특허 공개 2006-291290호 공보 국제 공개 제2009/044802호 국제 공개 제2009/044796호

그러나, 특허문헌 1, 2의 방법에서는 충분한 크리프 강도가 얻어지지 않고, 특허문헌 3, 4에서는 W, Mo, Cu 등의 고가의 금속을 수질량％로 첨가하고 있어 비용 증가를 피할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 기존 보일러 재료인 화 SUS310J1HTB와 같은 JIS 규격강에 있어서는, N를 고농도로 포함하기 때문에, 특허문헌 4와 같은 N와 타원소의 상승 효과에 의한 크리프 강도 향상을 적용할 수 없다.

또한, 특허문헌 5∼11에 기재된 기술에 의하면, 고온 환경(예를 들어, 500∼700℃)에 장기간 노출된 경우에도, 인성을 어느 정도 높게 유지하는 것은 가능하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 해마다, 점점 엄격해지는 내열성의 요구를 만족시키기 위해서는 충분하다고는 할 수 없는 상황으로 되어가고 있다.

본 발명은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 과제 중 하나는, W, Mo, Cu 등의 고가의 금속을 다량으로 첨가하지 않고, 고온 환경에 있어서 장기간에 걸쳐 우수한 크리프 강도를 발현할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것에 있다. 또한, 또 하나의 과제는, 고온 환경에 장기간 노출된 후에도 우수한 인성을 유지할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 예의 연구 개발한 결과, 오스테나이트계 스테인리스강에 특정한 수치 범위에서 Ta을 함유시킴으로써, 보일러 등에서의 사용 환경, 즉, 고온 환경에 장기간 노출되는 환경을 모의한 시효 열처리 후의 인성을 우수한 것으로 할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, Ta을 특정한 농도 범위로 함유시키는 것 외에, Nb와 Ta의 함유량을 특정 비율로 함유시킴으로써, 크리프 강도가 향상되는 것도 발견하였다.

이상의 지견을 바탕으로 완성한 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, C:0.01∼0.15질량％, Si:0.10∼1.00질량％, Mn:0.10∼2.50질량％, Ni:15.0∼25.0질량％, Cr:20.0∼30.0질량％, Nb:0.10∼0.80질량％, Ta:0.20∼1.00질량％, B:0.0005∼0.0050질량％, N:0.10∼0.35질량％, S:0.0050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 P:0.050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

여기서, 상기 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서, Ta 함유량을 0.25∼0.8질량％로 하면 특히 우수한 시효 후 인성이 발휘된다.

또한, 상기 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서, Nb 함유량을 0.10∼0.60질량％로 하고, 또한 Ta/Nb의 비율을 0.8∼4.0으로 하면, 특히 우수한 크리프 강도가 발휘된다.

본 발명은, 하기 (a), (b)군 중 적어도 1군을 더 포함하면, 함유시키는 원소에 따라, 고온 강도나 내산화성을 향상시킬 수 있어, 보다 바람직한 것으로 된다.

(a) W:4질량％ 이하, Mo:4질량％ 이하, Cu:4질량％ 이하, 희토류 원소:0.15질량％ 이하, Ca:0.005질량％ 이하 및 Mg:0.005질량％ 이하를 포함하는 군 중 어느 1종 이상,

(b) V:0.2질량％ 이하, Ti:0.2질량％ 이하, Zr:0.2질량％ 이하, Hf:0.2질량％ 이하를 포함하는 군 중 어느 1종 이상이고, 또한 이들 함유량의 합계가 0.4질량％ 이하.

본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, 고온 환경에 장기간 노출된 후에도 우수한 인성을 유지할 수 있다. 또는, Mo, Cu 등의 고가의 금속을 다량으로 첨가하지 않고, 고온 환경에 있어서 장기간에 걸쳐 우수한 크리프 강도를 발현할 수 있다.

이어서, 본 발명을 실시하기 위한 형태(실시 형태)에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, C:0.01∼0.15질량％, Si:0.10∼1.00질량％, Mn:0.10∼2.50질량％, Ni:15.0∼25.0질량％, Cr:20.0∼30.0질량％, Nb:0.10∼0.80질량％, Ta:0.20∼1.00질량％, B:0.0005∼0.0050질량％, N:0.10∼0.35질량％, S:0.0050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 P:0.050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함한다.

본 발명에 관한 상기 오스테나이트계 스테인리스강은, Ni과 Cr의 함유량이 25Cr-20Ni 오스테나이트계 스테인리스강과 동등한 화학 성분 조성을 갖는 것이지만, 이하에 나타내는 바와 같은 특정한 화학 성분 조성(C, Si, Mn, Ni, Cr, Nb, Ta, B, N, S, P)을 갖는 것에 특징이 있다. 이들 성분에 의한 작용 및 범위 설정 이유는 하기하는 바와 같다.

[C:0.01∼0.15질량％]

C는, 고온의 사용 환경에 있어서 탄화물을 형성하여, 전열관으로서 필요한 고온 강도와 크리프 강도를 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 강화 기구로 되는 탄화물의 석출량을 확보하기 위해서는 C를 0.01질량％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 과잉으로 되어 0.15질량％를 초과하면 조대한 탄화물로 되어, 가일층의 강화가 얻어지지 않는다. C 함유량은 0.03질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, C 함유량은 0.10질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.07질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Si:0.1∼1.0질량％]

Si는, 용강 중에서 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또한, 미량의 함유이어도, 내산화성의 향상에 유효하게 작용한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 0.1질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되어 1.0질량％를 초과하면, σ상의 형성을 초래하여, 인성의 저하를 초래하게 된다. Si 함유량은 0.2질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.3질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Si 함유량은 0.7질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.5질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Mn:0.1∼2.5질량％]

Mn은 Si와 마찬가지로, 용강 중에서 탈산 작용을 갖는 원소이며, 또한 오스테나이트를 안정화시키는 작용이 있다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn 함유량은 0.1질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Mn 함유량이 과잉으로 되어 2.5질량％를 초과하면, 열간 가공성을 저해하게 된다. Mn 함유량은 0.5질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.0질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Mn 함유량은 2.0질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.5질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[P:0.05질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

P은 불가피 불순물이다. P 함유량이 증가하면 용접성을 저하시키기 때문에, 0.05질량％ 이하로 할 필요가 있다. P 함유량은 0.04질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.03질량％ 이하로 억제하는 것이 보다 바람직하다.

[S:0.005질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

S은 불가피 불순물이다. S 함유량이 증가하면 열간 가공성을 열화시키기 때문에, 0.005질량％ 이하로 할 필요가 있다. S 함유량은 0.003질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.001질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Ni:15∼25질량％]

Ni은, 오스테나이트를 안정화시키는 작용이 있고, 오스테나이트상을 유지하기 위해서는 15질량％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Ni 함유량이 과잉으로 되어 25질량％를 초과하면, 비용의 증가를 초래하게 된다. Ni 함유량은 17질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 19질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Ni 함유량은 23질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 21질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Cr:20∼30질량％]

Cr은, 스테인리스강으로서의 내식성을 발현하기 위해 필수적인 원소이다. 우수한 내식성을 발휘시키기 위해서는, Cr은 20질량％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 과잉으로 되어 30질량％를 초과하면, 고온 강도의 저하를 초래하는 페라이트상이 증가한다. Cr 함유량은 22질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 24질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Cr 함유량은 28질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 26질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[Nb:0.1∼0.8질량％]

Nb는, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 석출시킴으로써, 고온 강도, 크리프 강도를 향상시키는 원소이다. 또한, 이들 석출물이 결정립의 조대화를 억제하고, Cr의 확산을 촉진함으로써, 부차적으로 내식성 향상의 작용을 발휘한다. 이들 효과를 유효하게 발휘시키는 데에 필요한 석출량을 확보하기 위해서는, Nb는 0.1질량％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Nb 함유량이 0.8질량％를 초과하여 과잉으로 되면, 석출물이 조대화되어, 인성의 저하를 초래하게 된다. Nb 함유량은 0.15질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.2질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.25질량％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, Nb 함유량은 0.6질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Ta:0.20∼1.00질량％]

석출물의 형성에는, 결정립계에의 석출과, 결정립내에의 석출이 있지만, 결정립계에 형성되는 석출물이 입계를 덮는 상태로 되면 인성이 저하되는 것이 종래로부터 알려져 있다. Ta을 함유시키면, 결정립계에 석출되는 석출물의 석출량을 억제할 수 있어, 우수한 시효 후 인성을 발휘시키는 것이 가능하게 되는 한편, 결정립내에는 탄화물, 탄질화물이 석출되고, 석출 강화에 의해 크리프 강도를 향상시킴과 함께, 강 중에 석출된 Z상(CrNbN)으로 Ta이 고용되어 크리프 강도를 더욱 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Ta 함유량을 0.20질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Ta 함유량이 과잉으로 되어 1.00질량％를 초과하면, 석출물이 과잉으로 되어 연성이 저하되고, 또한 경제성이 저하된다. Ta 함유량의 바람직한 하한은 0.25질량％ 이상(보다 바람직하게는 0.30질량％ 이상)이며, 바람직한 상한은 0.80질량％ 이하(보다 바람직하게는 0.60질량％ 이하)이다.

[B:0.0005∼0.005질량％]

B는, 강 중에 고용됨으로써, 주요한 강화 기구 중 하나인 M₂₃C₆형 탄화물(M은 탄화물 형성 원소)의 형성을 촉진시키는 작용이 있다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, B 함유량은 0.0005질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, B 함유량이 과잉으로 되면 열간 가공성이나 용접성의 저하를 초래하기 때문에, 0.005질량％ 이하로 할 필요가 있다. B 함유량은 0.001질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0015질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, B 함유량은 0.003질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.0025질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[N:0.10∼0.35질량％]

N는, 강 중에 고용됨으로써 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시키는 작용이 있고, 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 강도를 담당하는 중요한 원소 중 하나이다. 이 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, N 함유량은 0.10질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, N 함유량이 과잉으로 되어 0.35질량％를 초과하면, 열간 가공성을 저해해 버린다. N 함유량은 0.20질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.23질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, N 함유량은 0.30질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.27질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

[잔량부:철 및 불가피 불순물]

본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 함유되는 원소는 상기한 바와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피 불순물로 되지만, 스크랩 원료에 유래되는 Sn, Pb, Sb, As, Zn 등의 저융점 불순물 금속은, 열간 가공 시나 고온 환경에서의 사용 시에 입계의 강도를 저하시키기 때문에, 열간 가공성이나 장기 사용 후의 내취화 깨짐을 개선하기 위해서는 저농도로 억제하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 대해 설명하였지만, 상기한 바와 같이, 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서는, Ta 함유량을 0.25∼0.8질량％로 하면 특히 우수한 시효 후 인성이 발휘된다. 이하 그 이유에 대해 설명한다.

상기한 바와 같이, 석출물의 형성에는, 결정립계에의 석출과, 결정립내에의 석출이 있고, 결정립계에 형성되는 석출물이 입계를 덮는 상태로 되면 인성이 저하되는 것이 종래로부터 알려져 있다. 그러나, Ta을 0.25∼0.8질량％ 함유시키면, 결정립계에 석출되는 석출물의 석출량을 특히 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그 결과, 우수한 시효 후 인성을 발휘시키는 것이 가능하게 되는 것이다. 이 관점에서는, Ta은 0.3질량％ 이상 함유시키는 것이 특히 바람직하다. 한편, 양호한 인성 및 고가의 금속인 Ta의 첨가에 수반되는 비용의 상승을 감안하면 0.6질량％ 이하가 바람직하고, 0.5질량％ 이하가 보다 바람직하다.

이와 같이 Ta을 특정한 수치 범위에서 함유하고, 또한 상기한 Ta 이외의 각 원소도 적절하게 조정하고 있기 때문에, 후기하는 실시예의 항목에서 구체적으로 설명한 바와 같이, 보일러 등에서의 사용 환경, 즉, 고온 환경에 장기간 노출되는 환경을 모의한 시효 열처리 후의 인성(인성값)을 우수한 것으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, 보일러 등의 전열관(보일러 튜브) 재료로서 적절하게 사용할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, 보일러 등에서 장기간, 고온 환경에 노출된 후에도 우수한 인성을 유지하기 때문에, 운전 중 및/또는 점검 중에 발생하는 충격에도 견딜 수 있는 점에서, 장기간에 걸쳐 신뢰를 유지할 수 있는 보일러 튜브 재료로 할 수 있다.

한편 상기한 바와 같이, 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서는, Nb 함유량을 0.10∼0.60질량％로 하고, 또한 Ta/Nb의 비율을 0.8∼4.0으로 하면, 특히 우수한 크리프 강도가 발휘된다. 이하 그 이유에 대해 설명한다.

상기한 바와 같이, Nb는, 강 중에 Nb(C, N)나 Z상(CrNbN)을 석출시키고, 석출 강화에 의해 크리프 강도를 향상시키는 원소이다. Nb 함유량을 0.10∼0.60질량％ 로 하면, 이와 같은 효과가 특히 적절하게 발휘되는 것을 알 수 있었다. 이 외에, Ta과 Nb의 함유량의 비율:Ta/Nb을 소정 범위로 제어함으로써, Z상에의 Ta 고용량이 최적으로 되어, 크리프 강도를 향상시킬 수 있는 것이다. Ta/Nb의 비율이 0.8 미만이면 Ta 고용량이 적어, 크리프 강도의 향상을 기대할 수 없게 된다. 또한, Ta/Nb의 비율이 4.0을 초과하면, Ta 고용량이 많아, 연성이 저하되고, 또한 경제성이 저하된다. 따라서, Ta/Nb의 비율은 0.8∼4.0으로 한다.

본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, 필요에 따라 하기 (a), (b)군 중 적어도 1군을 더 포함하면, 함유시키는 원소에 따라, 고온 강도나 내산화성을 향상시킬 수 있어, 보다 바람직한 것으로 된다.

이하, 본 실시 형태를 구성하는 각 원소와 그 함유량에 대해 설명한다.

[W:4질량％ 이하, Mo:4질량％ 이하]

W 및 Mo은, 고용 강화에 의해 고온 강도를 향상시키는 효과가 있고, 필요에 따라 함유시킴으로써 고온 강도를 상승시킬 수 있다. 그러나, W 함유량이 4질량％를 초과하여 과잉으로 되면 조대한 금속간 화합물을 형성하여 고온 연성의 저하를 초래한다. 그로 인해, W 함유량은 4질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하고, 3질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 2질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, Mo 함유량이 4질량％를 초과하여 과잉으로 되면 열간 가공성을 저해한다. 그로 인해, Mo 함유량은 4질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하고, 3질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 2질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기한 바와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, W 함유량은 0.1질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 마찬가지로, Mo 함유량은 0.1질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.5질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 단, 이들 원소는 함유시킴으로써 상기한 바와 같은 작용을 발휘하지만, 그것과 동시에 비용 증가를 초래하기 때문에, 필요한 강화량과 허용되는 비용에 따라 함유량을 설정하는 것이 바람직하다.

[Cu:4질량％ 이하]

Cu는, 강 중에 정합 석출물(모재와 원자 배열이 연속적인 석출물)을 형성하여, 고온 크리프 강도를 현저하게 향상시키는 원소로, 스테인리스강에 있어서의 주요한 강화 기구 중 하나이다. 그러나, Cu 함유량이 과잉으로 되어 4질량％를 초과해도 그 효과는 포화되어 버린다. 그로 인해, Cu 함유량은 4질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하고, 3.7질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 3.5질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu 함유량을 0.2질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 2.5질량％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

[희토류 원소:0.15질량％ 이하]

본 발명에서 사용할 수 있는 희토류 원소로서는, Sc, Y, La, Ce, Nd으로 대표되는 란타노이드 원소 17종을 들 수 있다.

희토류 원소는, 스테인리스강의 내산화성을 향상시키는 작용이 있기 때문에, 고온 고압 증기가 흐르는 전열관 내면의 산화 스케일의 생성을 억제할 수 있다. 희토류 원소가 0.15질량％를 초과하여 함유되면 고온 환경에서 입계의 일부가 용융되어 열간 가공성을 저해한다. 그로 인해, 희토류 원소의 함유량은 0.15질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.1질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.05질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기한 바와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, 희토류 원소의 함유량은 0.01질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.015질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.02질량％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 오스테나이트계 스테인리스강으로 함으로써, 인성이 우수한 보일러용 전열관(보일러 튜브)을 제공할 수 있다. 또한, 희토류 원소는 상기한 각 원소를 개별적으로 첨가하여 함유시킬 수도 있지만, 이들 원소를 포함하는 소위 미슈 메탈을 첨가함으로써 상기한 각 원소를 함유시킬 수도 있다. 또한, 미슈 메탈을 사용하면 상기한 각 원소의 분리 비용을 삭감할 수 있으므로, 채산성을 향상시킬 수 있다.

[Ca:0.005질량％ 이하, Mg:0.005질량％ 이하]

Ca 및 Mg은, 탈황·탈산 원소로서 작용한다. 그러나, 이들 원소의 함유량이 과잉으로 되면, 용해 작업 중에 용강의 돌비가 발생하는 등의 작업상의 제약을 받는다. 그로 인해, Ca 및 Mg의 함유량은 모두 0.005질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하고, 0.002질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Ca 및 Mg의 함유량은 모두 0.0002질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0005질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

[V:0.2질량％ 이하, Ti:0.2질량％ 이하, Zr:0.2질량％ 이하, Hf:0.2질량％ 이하, 또한 이들 함유량의 합계가 0.4질량％ 이하]

V, Ti, Zr 및 Hf은, Nb과 동일한 작용을 발휘하지만, 복합 첨가함으로써 석출물이 더욱 안정화되어 장기간의 고온 강도의 유지에도 유효하다. 그러나, 이들 함유량이 과잉으로 되면 강재 중에 고용시킬 수 없어, 개재물의 증가에 의한 인성의 저하를 초래하게 된다. 그로 인해, V, Ti, Zr 및 Hf의 각각의 함유량은 0.2질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하고, 0.15질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.1질량％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, V, Ti, Zr 및 Hf의 각각의 함유량은 0.02질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.04질량％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.06질량％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 단, 이들 원소를 복수 포함하는 경우, 함유량의 합계가 0.4질량％를 초과하여 함유하면 전술한 바와 같이 미고용의 개재물이 증가해 버린다. 그로 인해, 이들 원소를 복수 포함하는 경우에는, 이들 원소의 함유량의 합계가 0.4질량％ 이하로 되도록 하는 것이 바람직하다.

[본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강의 제조]

상기한 본 실시 형태에 관한 오스테나이트계 스테인리스강은, 예를 들어 1차 정련에 있어서, 각각 상기한 화학 성분 조성으로 되도록 각 원소를 첨가하여 용해하고, 그 후에는 통상법에 따라서 2차 정련 등의 제조 프로세스를 순차 행함으로써, 제조할 수 있다.

실시예

이어서, 본 발명의 원하는 효과를 발휘하는 실시예를 나타내어 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.

[실시예 1:시효 후 인성에 관한 실시예]

하기 표 1의 시험 No.1A∼19A에 나타내는 화학 성분 조성을 포함하는 각종 강재를 용해하고, 진공 용해로(VIF)에서 용제한 20㎏ 잉곳을 폭 120㎜×두께 20㎜의 치수로 열간 단조 가공하고, 1250℃에서 열처리를 실시한 후, 냉간 압연에 의해 두께 13㎜까지 가공하였다. 그 후, 1220℃에서 5분의 열처리를 다시 실시하여, 이것을 모재로 하였다.

또한, 하기 표 1의 시험 No.1A∼19A에 나타내는 강재 중, 시험 No.1A∼12A는 본 발명에서 규정하는 특히 시효 후 인성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 화학 성분 조성을 만족하는 강재(본 발명강)이다. 또한, 시험 No.13A∼19A는 본 발명에서 규정하는 특히 시효 후 인성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 화학 성분 조성을 벗어나는 강재(비교강)이다. 그리고, 이 중 시험 No.19A는 기존강인 「화SUS310J1HTB」상당 강이다. 이 「화SUS310J1HTB」상당 강(시험 No.19A)은 25Cr-20Ni 오스테나이트계 스테인리스강에 속하고, 보일러 전열관(보일러 튜브)으로서 사용 실적이 있는 강종이다. 또한, 표 1에 있어서 이탤릭체 및 밑줄을 그어 나타내고 있는 수치는, 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성을 벗어나 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 표 1 중의 「-」는, 해당하는 원소를 첨가하고 있지 않은 것을 나타낸다. 희토류 원소의 첨가 원료로서, Ce, La, Nd을 포함하는 미슈 메탈을 사용하였다.

이들 모재로부터 기계 가공에 의해 40×60㎜의 샘플을 제작하고, 대기로를 사용하여 700℃에서 300hr의 시효 열처리를 행하였다. 시효 열처리 후, 수냉한 후에 샘플을 취출하고, JIS Z 2242의 노치 깊이 2㎜의 V 노치 시험편을 N수가 2로 되도록 1개의 강종에 대해, 2개의 샤르피 충격 시험편을 제작하였다. 샤르피 충격 시험은 JIS Z 2242에 준거하고, 0℃에서 시험을 행하였다. 샤르피 충격 시험의 측정 결과{인성값(샤르피 충격값[J/㎠])}를 하기 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타내는 측정 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다.

본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성을 만족하는 강(본 발명강:시험 No.1A∼12A)은 기존강(시험 No.19A)이나, 특히 시효 후 인성이 우수한 본 발명에 관한 오스테나이트계 스테인리스강을 규정하는 화학 성분 조성으로부터 벗어난 비교강(시험 No.13A∼18A)에 비해 인성값이 우수하고, 시효 처리 후의 인성 저하가 억제되어 있는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명강은, 보일러 등의 전열관(보일러 튜브) 재료로서 적절하게 사용할 수 있는 것이 강하게 시사되었다. 즉, 본 발명강은, 보일러 등에서 장기간, 고온 환경에 노출된 후에도 우수한 인성을 유지하므로, 운전 중 및/또는 점검 중에 발생하는 충격에도 견딜 수 있는 점에서, 장기간에 걸쳐 신뢰를 유지할 수 있는 보일러 튜브 재료가 얻어지는 것이 강하게 시사되었다.

또한, 시험 No.17A와 시험 No.18A는, 각각 Si와 S(황)이 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성을 벗어난(상한값을 초과한) 경우이다. 종래 지견에 있는 바와 같이 Si나 S이 극히 높은 강재에 대해서는 인성값이 낮아지는 것이 확인되었다. 즉, 이와 같은 강재에서는 Ta을 특정량 함유시켰다고 해도, 충분히 높은 인성값을 얻을 수 없는 것이 확인되었다. 즉, 시험 No.1A∼12A와 같이, Si와 S은, 본 발명에서 규정하고 있는 화학 성분 조성을 만족하도록 제어하면서, Ta을 본 발명에서 규정하고 있는 특정량 함유시킴으로써, 인성의 개선이 얻어지는 것이 확인되었다.

[실시예 2:크리프 특성에 관한 실시예]

하기 표 3에 나타내는 화학 성분 조성을 포함하는 각종 강을 진공 용해로(VIF)에서 용해하여 잉곳을 제작하였다. 용제한 20㎏ 잉곳을 폭 130㎜×두께 20㎜의 치수로 열간 단조 가공하고, 1250℃에서 열처리를 실시한 후, 냉간 압연에 의해 두께 13㎜까지 가공하였다. 그 후, 1220℃에서 5분의 열처리를 다시 실시하여, 이것을 모재(시험 No.1B∼17B)로 하였다.

또한, 하기 표 3의 시험 No.1B∼17B에 나타내는 모재 중, 시험 No.2B, 3B, 5B, 6B, 7B, 10B, 11B, 13B, 15B, 17B는 본 발명에서 규정하는 특히 우수한 크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 화학 성분 조성을 만족하는 모재(실시예)이다. 또한, 시험 No.1B, 4B, 8B, 9B, 12B, 14B, 16B는 본 발명에서 규정하는 특히 우수한 크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 화학 성분 조성을 벗어나는 모재(비교예)이다. 그리고, 이 중 시험 No.8B는 기존강인 「화SUS310J1HTB」상당 강을 포함하는 모재이다.

또한, 오스테나이트계 스테인리스강에서는 Nb 화합물(CrNbN)의 석출 강화가 작용하고 있고, Nb 첨가량(함유량)이 많을수록 석출 강화가 향상되어, 크리프 파단 시간이 길어지는 경향이 있다. Ta도 마찬가지로 석출 강화에 기여하기 때문에, 실시예에 있어서는, Nb과 Ta의 총량의 효과와 Nb의 일부를 Ta로 치환한 효과를 구별하여 나타내기 위해 No.1B∼3B, 4B∼8B, 9B∼11B, 12B∼13B, 14B∼15B, 16B∼17B의 Ta과 Nb의 원자 농도(at％)의 합은 대략 일정하게 하고 있다.

이들 모재로부터 기계 가공에 의해 φ6㎜의 크리프 시험편을 제작하고, 멀티형 크리프 시험기를 사용하여 700℃, 189㎫의 조건으로 크리프 파단 시험을 실시하였다. 얻어진 크리프 파단 시간을 하기 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 특히 우수한 크리프 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 화학 성분 조성을 만족하는 모재(실시예)는 기존강(시험 No.8B)이나, 그 화학 성분 조성으로부터 벗어난 스테인리스강을 포함하는 모재(비교예)에 비해 크리프 파단 시간이 길고, 크리프 강도가 우수한 것이 확인되었다.

또한, 크리프 강도의 평가는, Ta과 Nb의 원자 농도의 합이 거의 동일한 스테인리스강끼리를 비교함으로써 행하였다. 예를 들어, 시험 No.8B(비교예)는 보일러 튜브의 종래 재료인데, 시험 No.5B∼7B(실시예)와 비교하여 알 수 있는 바와 같이, Nb의 일부를 Ta로 치환함으로써 종래 재료보다도 우수한 크리프 강도가 얻어지는 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에 대해, 발명을 실시하기 위한 형태 및 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 취지는 이들 기재로 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위의 기재에 기초하여 넓게 해석되야만 한다. 또한, 이들 기재에 기초하여 다양한 변경, 개변 등을 한 것도 본 발명의 취지에 포함되는 것은 물론이다.

본 출원은, 2012년 10월 30일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2012-238872), 2013년 1월 23일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-010188)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은, 화력 발전용의 보일러 튜브 등의 고온·산화성 환경에서 사용되는 부품이나 장치의 재료로서 적합하다.

Claims

C:0.01∼0.15질량％, Si:0.10∼1.00질량％, Mn:0.10∼2.50질량％, Ni:15.0∼25.0질량％, Cr:20.0∼30.0질량％, Nb:0.10∼0.80질량％, Ta:0.20∼1.00질량％, B:0.0005∼0.0050질량％, N:0.10∼0.35질량％, S:0.0050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 P:0.050질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Ta 함유량이, 0.25∼0.8질량％인, 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Nb 함유량이 0.10∼0.60질량％이며, 또한 Ta/Nb의 비율이 0.8∼4.0인, 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
하기 (a), (b)군 중 적어도 1군을 더 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
(a) W:4질량％ 이하, Mo:4질량％ 이하, Cu:4질량％ 이하, 희토류 원소:0.15질량％ 이하, Ca:0.005질량％ 이하 및 Mg:0.005질량％ 이하를 포함하는 군 중 어느 1종 이상
(b) V:0.2질량％ 이하, Ti:0.2질량％ 이하, Zr:0.2질량％ 이하, Hf:0.2질량％ 이하를 포함하는 군 중 어느 1종 이상이고, 또한 이들 함유량의 합계가 0.4질량％ 이하