JP2022116797A - オーステナイト・ステンレス鋼鋳物 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温域の複合ガス雰囲気中で優れた耐摩耗性、耐腐食性を有する、バイオマス用空気吹き出しノズルに用いることができる鋳物を提供する。【解決手段】オーステナイト・ステンレス鋼鋳物の成分組成を、質量%で、C:0.08%以下、Si:2.50~4.00%、Mn:0.30~2.00%、Cr:20.00~30.00%、Ni:35.00~45.00%、Se:0~0.50%、Te:0~0.100%、Bi:0~0.50%、Mo:0~8.00%、B:0~0.030%、Ce:0~0.20%、La:0~0.20%、及びMg:0~0.20%の1種以、並びにW:0~2.00%、Nb:0~2.00%、Ti:0~2.00%、及びAl:0~5.00%の1種以上を含有し、残部がFe及び不純物である組成とする。【選択図】なし
Description
本発明はオーステナイト・ステンレス鋼鋳物に関し、特に耐高温腐食に優れたオーステナイト・ステンレス鋼鋳物に関する。
近年、化石燃料の使用削減の試みとして、バイオマス資源の活用が検討されている。 バイオマス資源は、無駄に廃棄されている資源の再活用の意味もあり、これを燃焼に活用することが化石燃料の使用削減に結びつき注目されている。
バイオマスボイラとしては、砂等の不活性無機物を熱媒体となるベッド材として火炉に充填し、炉床から空気吹き出しノズルを通して燃焼ガスを吹き込んでベッド材を攪拌し、このベッド材を所望温度に保持しつつ、処理対象物を燃焼できる形式であり、広く普及している。
近年では、様々なバイオマス資源を燃料としていることから、H2O、CO2、及びO2による酸化の他,プラスチック類の燃料から発生する塩素による塩化および廃タイヤから発生する二酸化硫黄による腐食が問題となっている。腐食は、侵食したCl、S、Oが空気吹き出しノズルのマトリックスに腐食層を生成して蒸発あるいは剥離する現象である。
特許文献1には、ごみ廃却廃熱ボイラ管用鋼高合金鋼が開示されており、耐応力腐食割れ性および耐粒界腐食に優れた溶融塩を生成するごみ焼却炉の廃熱ボイラ管用高合金を提案している。
特許文献2には、熱間加工性に優れた耐高温腐食用鋼が開示されている。
特許文献3には、廃棄物廃却プラントボイラ伝熱管用高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼が開示されており、溶融塩腐食および酸露点腐食に優れた耐粒界腐食を有するボイラ伝熱管用オーステナイト系ステンレス鋼を提案している。
特許文献4には、砂による摩耗に優れたノズル材質が開示されている。
バイオマス用の空気吹き出しノズルは高温環境下で使用されるため、鋳物でノズルを製造する場合は、流動層媒体の砂等による摩耗と、塩化、硫化、酸化による腐食の対策が重要となる。
バイオマスボイラの炉床で用いる空気吹き出しノズルには、耐熱鋳鋼(JIS G 5122 SCH22)あるいはステンレス鋳鋼(JIS G 5121のSCS13A)などが適用されているが、砂による摩耗、塩化、硫化、酸化の腐食により耐用寿命は著しく短い。
特許文献1~3は、塑性加工品に関し、熱間鍛造などの塑性加工が施されている。これに対し、空気吹き出しノズルは、所定の形状に鋳込んだ後に塑性加工を施さない鋳物品である。鋳物の合金組織は、塑性加工により生じた合金組織とは異なり、鋳造時の凝固組織がそのまま残ったものである。鋳物は、鋳型に溶湯を流し込むことにより任意の形状が得られるので、塑性加工品に比べて製造が容易であるという利点がある。一方、鋳造の凝固組織は、偏析が大きく、結晶粒が粗大であるため、耐腐食性に影響を及ぼすと言われている。
特許文献4には砂による摩耗に優れたノズルに用いることができる鋳鉄が開示されているが、複合ガス雰囲気中における耐腐食性について、改善の余地がある。
本発明は、上記の事情に鑑み、高温域の複合ガス雰囲気中で優れた耐摩耗性、耐腐食性を有する、バイオマス用空気吹き出しノズルに用いることができる鋳物を提供することを課題とする。
本発明者らは、高温域の複合ガス雰囲気中で優れた耐腐食性を有する鋼鋳物の成分組成について鋭意検討した。
CrはH2O、O2などの酸化雰囲気において、安定なCr2O3もしくはFeCr2O4を生成して耐高温腐食性に有効である。しかし、SO2あるいはCl2を含有する燃焼ガス雰囲気では、CrSまたはCrCl2を生成する。硫化反応が進行するとマトリックスのCr量が減少して耐腐食性が低下し、同様に塩化反応が進行すると反応生成物が蒸発することでマトリックスのCr量が減少し耐腐食性が低下する。このような、マトリックスのCr量の減少による耐腐食性の低下を抑制するためには、Siの添加が有効であると知られている。
本発明者らは、さらに、Niを多量に添加すると腐食生成物とNiが濃化したマトリックスの混在した安定な被膜を生成して、高温域の塩素、硫黄、酸素の複合ガス雰囲気中で耐腐食性を向上させることを見出した。
本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
(1)質量%で、C:0.08%以下、Si:2.50~4.00%、Mn:0.30~2.00%、Cr:20.00~30.00%、Ni:35.00~45.00%、Se:0~0.50%、Te:0~0.100%、Bi:0~0.50%、B:0~0.030%、Mo:0~8.00%、Ce:0~0.20%、La:0~0.20%、及びMg:0~0.20%の1種以、並びにW:0~2.00%、Nb:0~2.00%、Ti:0~2.00%、及びAl:0~5.00%の1種以上を含有し、残部がFe及び不純物であることを特徴とするオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(2)前記Feの一部に代えて、質量%で、Se:0.001~0.50%、Te:0.001~0.100%、及びBi:0.001~0.50%の1種以上を含有することを特徴とする前記(1)のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(3)前記Feの一部に代えて、質量%で、Mo:1.00~8.00%含有することを特徴とする前記(1)又は(2)のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(4)前記Feの一部に代えて、質量%で、B:0.001~0.030%を含有することを特徴とする前記(1)~(3)のいずれかのオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(5)前記Feの一部に代えて、質量%で、Ce:0.001~0.20%、La:0.001~0.20%、及びMg:0.001~0.20%の1種以上を含有することを特徴とする前記(1)~(4)のいずれかのオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(6)前記Feの一部に代えて、質量%で、W:0.001~2.00%、Nb:0.001~2.00%、Ti:0.001~2.00%、及びAl:0.001~5.00%の1種以上を含有することを特徴とする前記(1)~(5)のいずれかのオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
(7)前記(1)~(6)のいずれかのオーステナイト・ステンレス鋼鋳物からなる空気吹き出しノズル。
本発明によれば、高温域の複合ガス雰囲気中で耐腐食性を有する、バイオマス用空気吹き出しノズル鋳物を提供することが可能となる。
以下、本発明を詳細に説明する。はじめに、本発明の耐熱耐摩耗鋳鉄の成分組成について説明する。以下、成分組成についての「%」は「質量%」を意味するものとする。
Cは、鋼中のCrと結合して結晶粒界にCr炭化物として析出する。Crが炭化物として析出すると、基地のCr濃度が低下して耐高温酸化性が劣るので、Cの含有量は少ないほうが好ましい。したがって、Cの含有量は0.08%以下、好ましくは0.05%以下とする。
Siは、脱酸剤として働く元素であり、また、特に高温における耐酸化性、耐食性を向上させるために必要な元素である。この効果を十分に得るためにSiの含有量は2.50%以上とする。シグマ脆化を考慮して、Siの含有量は4.00%以下、好ましくは3.50%以下とする。
Mnは、オーステナイト形成元素であり、また、脱酸剤、脱硫剤として有用な成分である。その効果を十分に得るために、Mnの含有量は0.30%以上とする。鋳鉄の脆化の防止や、クリープ強度の低下の防止の観点から、Mnの含有量の上限は2.00%以下とする。
Crは高温強度、および高温での耐酸化性を向上する元素である。その効果を十分に得るために、Crの含有量は20.00%とする。バイオマスボイラのような、溶融塩化物が付着するような環境下ではCrの含有量が多くなりすぎると、揮発性のCr2O2Cl2が形成され、耐高温酸化性が低下するので、Crの含有量は30.00%以下とする。
Niはオーステナイト形成元素であり、高温強度や高温での耐食性を向上する元素である。また、加工硬化量を増し、耐摩耗性を高める効果がある。材料コストと効果のバランスを考慮し、Niの含有量は35.00~45.00%とする。
一般にオーステナイト・ステンレス鋼は、難削鋼であるため、切削加工のコストがかかるという課題がある。本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物には被削性を向上させるために、さらに、Se、Te、Biの1種以上を含有させることができる。これらの元素の添加は必須ではない。これらの元素は少量の添加でも被削性を向上させる効果があるが、添加の効果を十分に得るには、どの元素を添加する場合でも、0.001%以上添加するのが好ましい。これらの元素の含有量が多すぎても効果が飽和するだけなので、含有量の上限は、Seは0.50%、Teは0.100%、Biは0.50%とする。
Se、Te及びBiを添加することで、切削抵抗の減少、工具寿命の延長、構成刃先の抑制、仕上げ面性状の改善、切りくず破砕性の改善という効果が得られる。
なお、これらの元素を添加すると熱間加工性が低下するため、鍛造や圧延を施すには好ましくない。本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物は鋳造ままの鋳物であるから、熱間加工性の低下は大きな問題とはならず、Se、Te及びBiの添加が被削性向上に有効である。
本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物には、さらに、Moを含有させることができる。Moの添加は必須ではない。Moはオーステナイト中に固溶して、耐摩耗性を高める効果がある。この効果は少量の添加でも得られるが、添加の効果を十分に得るには、Moの含有量を1.00%以上とするのが好ましい。Moの含有量が多くても、効果は飽和し、また、偏析による靭性低下を生じる可能性があるので、上限は8.00%とする。
本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物には、さらに、Bを含有させることができる。Bの添加は必須ではない。Bは、固溶Bとして粒界に偏析させることにより、熱間加工性を向上させ、さらに鋳造割れを防ぐ効果がある。この効果は少量の添加でも得られるが、添加の効果を十分に得るには、Bの含有量を0.001以上とするのが好ましい。Bの含有量が多くても、効果は飽和し、また、偏析による靭性低下を生じる可能性があるので、上限は0.030%とする。
本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物には、さらに、Ce、La、Mgの1種以上を含有させることができる。これらの元素の添加は必須ではない。これらの元素はSと結びついてSの粒界偏析を抑え、靭性の低下を抑制することができる。これらの元素は少量の添加でもCr硫化物の析出を抑制する効果があるが、添加の効果を十分に得るには、どの元素を添加する場合でも、0.001%以上添加するのが好ましい。各元素とも、含有量が0.20%を超えると効果が飽和するので、上限は0.20%とする。
本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物には、さらに、W、Nb、Ti、Alの1種以上を含有させることができる。これらの元素の添加は必須ではない。これらの元素は炭化物を形成しやすいので、鋼中のCを固定してCr炭化物の析出を抑制することができ、高温強度の低下を防ぐことができる。これらの元素は少量の添加でもCr炭化物の析出を抑制する効果があるが、添加の効果を十分に得るには、どの元素を添加する場合でも、0.001%以上添加するのが好ましい。各元素とも含有量が多くなると効果が飽和するので、W、Nb、Tiの上限は2.00%、Alの上限は5.00%とする。
成分組成の残部は、Fe及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、本発明で規定する成分組成を有する鋳物を工業的に製造する際に、原料や製造環境等から不可避的に混入するものをいい、たとえば、P、Sがあげられる。P、Sは、通常0.030%以下程度、鋳物に不可避的に混入する。
本発明の製造方法は、特に限定されるものではなく、常法によればよい。はじめに、上述した成分組成を有する溶湯を調整し、溶湯を鋳型に注湯し、注湯された溶湯を冷却して凝固させる。本発明鋳鉄は原則として鋳放しのまま使用されるが、必要に応じて溶体化処理をすることができる。
本発明の成分組成を有する溶湯を鋳造することにより、特別な製法を用いることなく、鋳造ままで優れた高温耐腐食性を有するオーステナイト・ステンレス鋼鋳物を得ることが可能である。
なお、本発明のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物は、所定の形状の鋳型に鋳込んだ後に塑性加工を施さない鋼であり、熱間圧延や鍛造のような塑性加工が施された合金とは区別される。すなわち、鋳物は合金組織として鋳造したままの凝固組織が残ったものであるのに対し、塑性加工が施された合金は加工により生じた合金組織を有するものであり、その組織は大きく異なるものである。本発明の鋳物では、結晶粒の大きさは0.2~10.0mm程度となる。
以下、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明する。以下に挙げる例は本発明の実施態様の一例であり、本発明が以下の実施例により制限されるものでないことはいうまでもない。
[実施例1]
表1に示す成分組成を有する外径70mm、内径56mmの円筒形の空気吹き出しノズルを、塩素、硫黄、酸素雰囲気のバイオマスボイラ内に設置して、実機実験を行った。設置してから1年後に、ノズルの外径をノギスで測定し、直径の減少量で、ノズルの耐摩耗性、耐腐食性を評価した。表1にそれぞれの成分組成を有するノズルについて測定した直径の減少量を示す。
表1に示す成分組成を有する外径70mm、内径56mmの円筒形の空気吹き出しノズルを、塩素、硫黄、酸素雰囲気のバイオマスボイラ内に設置して、実機実験を行った。設置してから1年後に、ノズルの外径をノギスで測定し、直径の減少量で、ノズルの耐摩耗性、耐腐食性を評価した。表1にそれぞれの成分組成を有するノズルについて測定した直径の減少量を示す。
表1に示すNo.1~15は本発明の鋼を用いた発明例、No.21~22は一般的な鋼を用いた比較例である。表1に示すように、本発明の鋳物を用いたノズルは、バイオマスボイラ中で使用した場合であっても摩耗、腐食が小さく、高温域における耐摩耗性、耐腐食性に優れていることが確認できた。
[実施例2]
表1に示したNo.1、11、12、13の成分組成を有する鋳物について、ドリル(SKH51、ドリル径5.0mm)を用いて、切削油なし、切削速度:20m/min、1回転あたりの送り量:0.1mm/revで、深さ20mmの穴あけ加工を繰り返し行い、加工ができなくなるまでの穴数を求め加工性能を評価した。表2に結果を示す。加工能率は、No.1の鋳物で加工ができなくなるまでの回数を1としたときの加工可能回数の比である。
表1に示したNo.1、11、12、13の成分組成を有する鋳物について、ドリル(SKH51、ドリル径5.0mm)を用いて、切削油なし、切削速度:20m/min、1回転あたりの送り量:0.1mm/revで、深さ20mmの穴あけ加工を繰り返し行い、加工ができなくなるまでの穴数を求め加工性能を評価した。表2に結果を示す。加工能率は、No.1の鋳物で加工ができなくなるまでの回数を1としたときの加工可能回数の比である。
Claims (7)
- 質量%で、
C:0.08%以下、
Si:2.50~4.00%、
Mn:0.30~2.00%、
Cr:20.00~30.00%、
Ni:35.00~45.00%、
Se:0~0.50%、
Te:0~0.100%、
Bi:0~0.50%、
Mo:0~8.00%、
B:0~0.030%、
Ce:0~0.20%、La:0~0.20%、及びMg:0~0.20%の1種以、並びに
W:0~2.00%、Nb:0~2.00%、Ti:0~2.00%、及びAl:0~5.00%の1種以上
を含有し、残部がFe及び不純物である
ことを特徴とするオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。 - 前記Feの一部に代えて、質量%で、Se:0.001~0.50%、Te:0.001~0.100%、及びBi:0.001~0.50%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
- 前記Feの一部に代えて、質量%で、Mo:1.00~8.00%含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
- 前記Feの一部に代えて、質量%で、B:0.001~0.030%を含有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
- 前記Feの一部に代えて、質量%で、Ce:0.001~0.20%、La:0.001~0.20%、及びMg:0.001~0.20%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
- 前記Feの一部に代えて、質量%で、W:0.001~2.00%、Nb:0.001~2.00%、Ti:0.001~2.00%、及びAl:0.001~5.00%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載のオーステナイト・ステンレス鋼鋳物からなる空気吹き出しノズル。
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---|---|---|---|
JP2021013164A JP2022116797A (ja) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | オーステナイト・ステンレス鋼鋳物 |
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2021
- 2021-01-29 JP JP2021013164A patent/JP2022116797A/ja active Pending
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