JPH07331390A

JPH07331390A - 高クロムオーステナイト耐熱合金

Info

Publication number: JPH07331390A
Application number: JP12640794A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Senba; 潤之仙波; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1995-12-19

Abstract

(57)【要約】【目的】高温強度と耐食性に優れた高Crオーステナイト
耐熱合金の提供。【構成】Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、Si：1.0 ％以
下、Mn：2.0 ％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜60％、T
i:0.2〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下、Al：0.5 ％を超え３
％以下、Nb:0〜1.0 ％を含有し、更にＢ:0.001〜0.01％
とZr：0.01〜0.1％の１種以上、Mo:0.5〜3.0 ％とＷ:1.
0〜6.0 ％の１種以上、Mg：０〜0.05％とCa:0〜0.05％
の１種以上を含有する高温強度と耐食性に優れた高Crオ
ーステナイト耐熱合金。【効果】高い高温クリープ破断強度と時効後シャルピー
衝撃値及び耐食性を有する合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラや化学プラント
等の苛酷な高温腐食環境下においても、高温強度と耐食
性に優れる高クロムオーステナイト耐熱合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電プラントにおいては熱効
率の改善を目的とする超高温高圧ボイラが注目されてい
る。このボイラでは、従来のボイラと比較して蒸気条件
が高温化、高圧化されているため、過熱器管材料として
は高温強度や耐食性に対する一段と厳しい要求性能が満
たされなければならない。このため、従来多く使用され
ている18−８系ステンレス鋼より高い高温強度を有し、
かつ耐水蒸気酸化特性や耐高温腐食特性にも優れる高強
度高耐食オーステナイト鋼が要求される。

【０００３】一般に、耐食性を改善するためには、鋼中
のCr含有量を高めることが有効である。しかし、例えば
25％程度のCrを含有するＳＵＳ310 STB 鋼にみられるよ
うに、 600〜700 ℃での高温強度は18−８系ステンレス
鋼よりむしろ低めであり、かつσ相析出による靱性劣化
の問題がある。さらに、25％程度のCr含有量では厳しい
腐食環境下では耐食性が十分でない。

【０００４】比較的、耐食性が良好な合金としては、例
えば、特開昭59−153858号公報に開示されるように、Cr
含有量を30％程度に高め、必要に応じてNb、Taを含有さ
せた合金があるが、上述のような厳しい条件下で単管と
して適用するには高温強度が不足する。また、二重管と
して使用する場合には製造コストや信頼性の点で問題が
多い。

【０００５】さらに、Cr含有量を30％程度に高める一
方、Mo、Ｗ、Zr、Taなどを添加することにより、高温強
度の向上を図ったものとして、特開昭60−100640号公
報、同61−174350号公報、同61−276948号公報および、
同64−55352 号公報などに開示されるような耐熱合金が
あるが、いずれもその強度は超高温高圧ボイラのような
過酷な使用環境下では十分とは言いがたい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、苛酷
な高温腐食環境下においても、十分な耐食性と優れた高
温強度をもつオーステナイト耐熱合金を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の高クロム
オーステナイト耐熱合金を要旨とする。

【０００８】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si：1.0 ％以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：28〜38％、Ni：
35〜60％、Ti:0.2〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下、Al：0.5
％を超え３％以下及びNb:0〜1.0 ％を含有し、更にＢ:
0.001〜0.01％及びZr：0.01〜0.1 ％の１種以上、Mo:0.
5〜3.0 ％及びＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上、Mg：０〜0.0
5％及びCa:0〜0.05％の１種以上を含有し、残部はFe及
び不可避的不純物からなる高温強度と耐食性に優れた高
クロムオーステナイト耐熱合金。

【０００９】上記成分において、Nb、MgおよびCaはいず
れも無添加でもよい。これらを積極的に添加する場合、
含有量はNbで 0.1〜1.0 ％、MgおよびCaでいずれも 0.0
01〜0.05％の範囲とするのが望ましい。

【００１０】前述のような苛酷な高温腐食環境下で十分
な耐食性を得るためには、28％以上Crを含有させること
が必要である。このような高CrのCr−Ni−Fe系合金にお
いては、所定のNi含有量の範囲でα−Cr相が析出し、高
温強度向上に寄与する。

【００１１】本発明者らは、前記の従来の高Crオーステ
ナイト鋼のクリープ破断強度の飛躍的向上を目指して研
究を行った結果、次の知見を得た。

【００１２】Ti添加は、クリープ破断強度を著しく向
上させる。これは、Tiがα−Cr相析出を促進することに
よる。

【００１３】0.5 ％を超えるAlの添加は、クリープ破
断強度を大きく向上させる。これはγ′相が析出し、高
温強度向上に寄与するとともに、Alがα−Cr相の固溶限
を狭め、α−Cr相の析出が一層促進されるためである。

【００１４】TiとAlを適正な量で複合添加することに
より、特開昭60−100640号公報などに開示されているよ
うな合金を遙かにしのぐ高温強度を有する高耐食性合金
を得ることができる。

【００１５】

【作用】以下、本発明の合金を構成する成分の作用効果
と、その適正含有量を前記のように定めた理由について
説明する。

【００１６】Ｃ：0.02％を超え0.10％以下Ｃは、炭化物を形成して耐熱鋼として必要な引張強さや
クリープ破断強度を向上させるために有効な元素であ
る。しかし、Ｃ含有量が0.02％以下では上記の効果が得
られず、一方、0.10％を超えると合金の延性および靱性
の低下が大きくなる。よって、Ｃ含有量の範囲は0.02％
を超え0.10％以下とした。

【００１７】Si：1.0 ％以下 Siは、脱酸のために必要な元素であり、また耐酸化性改
善にも寄与する元素である。Si含有量が1.0 ％を超える
と、溶接性や組織安定性が悪化する。これらの作用を考
慮してSi含有量は1.0 ％以下とした。脱酸と耐酸化性改
善の効果を得るための望ましい下限は0.05％である。

【００１８】Mn：2.0 ％以下 Mnは脱酸元素として有効な元素であるが、2.0 ％を超え
ると耐熱特性が劣化する。よって、Mn含有量は2.0 ％以
下とした。有効な脱酸と耐熱特性を得るための望ましい
下限は0.05％である。

【００１９】Cr：28〜38％ Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性または耐高温腐食性等
の耐食性改善に優れた作用を発揮し、さらに高温強度を
担うα−Cr相を形成する重要な元素である。しかし、そ
の含有量が28％未満では上記効果が得られず、一方、38
％を超えると加工性の劣化や組織の不安定を招く。よっ
て、Cr含有量の範囲は28〜38％とした。

【００２０】Ni：35〜60％ Niは、安定なオーステナイト組織を得るために必要不可
欠な元素である。さらに、α−Cr相の析出を抑制する作
用を有する元素である。しかし、Ni含有量が35％未満で
あると、オーステナイト組織の確保が不安定になる。一
方、60％を超えるとα−Cr相の析出が抑制され、高温強
度が不足する上に、経済的にも多大な不利を招く。よっ
て、Ni含有量の範囲は35〜60％とした。

【００２１】Ti： 0.2〜1.0 ％ Tiはα−Cr相析出に大きな影響を及ぼす重要な元素であ
る。Tiを含有させるとα−Cr相の析出は促進される。十
分な高温強度を示すα−Cr相量を確保するには、0.2 ％
以上のTi含有量が必要であるが、1.0 ％を超えると靱性
が低下する。よって、Ti含有量の範囲は 0.2〜1.0 ％と
した。

【００２２】Ｎ：0.05％以下Ｎは高温強度を改善するとともに、オーステナイト組織
を安定化するため、高価な元素であるNiの一部として代
替するのに有効な元素である。しかし、0.05％を超える
と、高温長時間使用時に窒化物が析出し靱性の低下をも
たらす。よってＮ含有量は0.05％以下とした。上記効果
を得るための望ましい下限は0.005 ％である。

【００２３】Al：0.5 ％を超え３％以下 Alは、一般的には脱酸元素として含有させるが、0.5 ％
を超えて含有させることによりクリープ破断強度が大き
く改善される。これは、γ′相が析出し高温強度向上に
大きく寄与するとともに、α−Cr相の固溶限を狭め、α
−Cr相の析出を促進するためである。しかし、3.0 ％を
超えると靱性が著しく低下する。よってAl含有量の範囲
は0.5 ％を超え3.0 ％以下とした。

【００２４】ＢおよびZr：Ｂは 0.001〜0.01％、Zrは0.
01〜0.1 ％これらの元素は、主として合金の粒界強化に有効な元素
であり、１種だけを選んで添加してもよいし、２種複合
添加してもよい。Ｂ含有量が0.001 ％未満、Zr含有量が
0.01％未満では、上記効果が得られない。一方、Ｂ含有
量は0.01％、Zr含有量は0.1 ％を超えると、クリープ破
断強度も低下し、溶接性も劣化する。よって、含有量の
範囲は、Ｂで 0.001〜0.01％、Zrで0.01〜0.1 ％とし
た。

【００２５】MoおよびＷ：Moは 0.5〜3.0 ％、Ｗは 1.0
〜6.0 ％ MoおよびＷは、主として固溶強化元素として有効な元素
であり、クリープ破断強度を向上させる。これらの元素
は１種だけを選んで添加してもよいし、２種複合添加し
てもよい。Mo含有量が0.5 ％未満、Ｗ含有量が1.0 ％未
満では、上記効果が得られない。一方、Mo含有量は3.0
％、Ｗ含有量は6.0 ％を超えると、耐食性および加工性
を劣化させる。よって、Mo含有量の範囲は 0.5〜3.0
％、Ｗ含有量の範囲は 1.0〜6.0 ％とした。

【００２６】ただし、これらを２種併用する場合には、
合計含有量をMo＋ (1/2)Ｗで 3.0％以下に抑えるのが望
ましい。

【００２７】本発明合金は、前述の成分の他に、さらに
以下に述べる成分を含有させることができる。

【００２８】Nb：上限1.0 ％ Nbは結晶粒を微細化し、延性を向上させる。さらにオー
ステナイト相中やCr炭化物中に固溶してクリープ破断強
度の向上に寄与する。このため、必要に応じて用いるの
がよい。上記効果を得るために積極的に添加する場合
は、0.1 ％以上とするのが望ましい。しかし、Nb含有量
が1.0 ％を超えると靱性の劣化を招くのでその上限は1.
0 ％とした。

【００２９】MgおよびCa：Mgは上限0.05％、Caは上限0.
05％ MgおよびCaは加工性改善に有効な元素であり、必要に応
じて用いる。積極的に添加する場合、１種だけを選んで
添加してもよいし、２種複合添加してもよい。

【００３０】その際加工性の改善効果を得るには、下限
はMg、Caともに0.001 ％とするのが望ましい。

【００３１】しかし、いずれも0.05％を超えると逆に加
工性を劣化させるので、ともに含有量の上限は0.05％と
した。ただし、MgとCaを２種併用する場合には、合計含
有量の範囲も 0.001〜0.05％とするのが望ましい。

【００３２】

【実施例】表１および表２に示す化学組成の合金を高周
波真空溶解炉で溶製して得た20kgインゴットを鍛造、冷
間圧延し、さらに1200℃で固溶化熱処理を施した供試材
から、各試験片を作製し、クリープ破断強度と時効後の
シャルピー衝撃値の測定試験を行った。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】No.1〜28は本発明例、Ａ〜Ｊは比較例であ
る。なお、比較例Ｅ、Ｆは特開昭60-100640号公報に開
示される従来合金、比較例Ｇ、Ｈは特開昭61−174350号
公報に開示される従来合金、比較例Ｉは特開昭64−5535
2 号公報に開示される従来合金、比較例Ｊは特開昭61−
276948号公報に開示される従来合金である。

【００３６】クリープ破断試験は、外径６mm、標点間距
離30mmの試験片を用いて、700 ℃で行い、10³時間のク
リープ破断強度を求めた。時効後のシャルピー衝撃試験
は、700 ℃、100 時間の条件で時効処理した供試材から
作製した厚さ５mm×幅10mm×長さ55mmの２mmＶノッチ形
成試験片を用いて、０℃で行った。

【００３７】表３および表４に、クリープ破断強度と時
効後のシャルピー衝撃値を示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【００４０】図１は、クリープ破断強度に及ぼすAl含有
量の影響を示す図である。図２は、時効後シャルピー衝
撃値（靱性）に及ぼすAl含有量の影響を示す図である。
図３は、表３および表４の結果から、本発明例と比較例
の合金についてクリープ破断強度を比較した例を示す図
である。

【００４１】図１から、0.5 ％を超えるAl添加によっ
て、クリープ破断強度の改善効果が顕著になることがわ
かる。しかし、Al含有量が３％を超えると、クリープ破
断強度の向上は飽和し、Al含有量が本発明範囲内の合金
と差がなくなる。その上、図２に示すとおり、靱性が大
きく低下する。

【００４２】図３に示すとおり、本発明例合金は、Al含
有量が 0.5％を超えるがTi含有量が0.2 ％未満である比
較例Ｅ、Ｆや、Ti含有量が 0.2％以上であるがAl含有量
が0.5 ％未満である比較例Ｇ〜Ｊに対して、非常に高い
クリープ破断強度を示すことが明らかである。これは、
本発明で定める組成においては、適正なTi含有量がα−
Cr相の析出を促進していること、また適正なAl含有量に
よりγ′相が析出して高温強度向上に大きく寄与してい
ること、このAlがさらにα−Cr相の固溶限を狭め、α−
Cr相の析出を一層促進していることによる。

【００４３】

【発明の効果】本発明の高クロムオーステナイト耐熱合
金は、苛酷な高温環境下においても優れたクリープ破断
強度を有する合金である。本合金は高クロムでもあるの
で、苛酷な高温腐食環境下での耐食性にも優れている。
この合金製単管は、従来合金製の二重管よりもコスト的
に有利で、しかも信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クリープ破断強度に及ぼすAl含有量の影響を示
す図である。

【図２】時効後のシャルピー衝撃値に及ぼすAl含有量の
影響を示す図である。

【図３】実施例に示す各鋼種のクリープ破断強度を比較
した例を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si：1.0 ％以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：28〜38％、Ni：
35〜60％、Ti:0.2〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下、Al：0.5
％を超え３％以下及びNb:0〜1.0 ％を含有し、さらに
Ｂ:0.001〜0.01％及びZr：0.01〜0.1 ％の１種以上、M
o:0.5〜3.0 ％及びＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上、Mg：０
〜0.05％及びCa:0〜0.05％の１種以上を含有し、残部は
Fe及び不可避的不純物からなる高温強度と耐食性に優れ
た高クロムオーステナイト耐熱合金。