JPH09165655A - 高温機器用オーステナイトステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents

高温機器用オーステナイトステンレス鋼およびその製造方法

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JPH09165655A
JPH09165655A JP32582195A JP32582195A JPH09165655A JP H09165655 A JPH09165655 A JP H09165655A JP 32582195 A JP32582195 A JP 32582195A JP 32582195 A JP32582195 A JP 32582195A JP H09165655 A JPH09165655 A JP H09165655A
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JP
Japan
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less
high temperature
stainless steel
temperature
strength
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Application number
JP32582195A
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English (en)
Inventor
Hideto Kimura
秀途 木村
Masayoshi Kurihara
正好 栗原
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高温において、耐高温腐食性、耐高温酸化性ば
かりでなく、強度に優れた高温機器用オーステナイトス
テンレス鋼およびその製造方法を提供すること。 【解決手段】重量分率で、C:0.05〜0.12%、
Si:2.5%以下、Mn:2.0%以下、Cr:1
6.0〜20.0%、Ni:6.0〜14.0%、M
o:0.01〜4%、N:0.005〜0.25%、M
g:0.05%以下(0%を含む)、Cu:0.01〜
4%、B:0.001〜0.005%、Zr:0.1%
以下(0%を含む)、Al:0.5%以下(0%を含
む)であり、さらに、Nb:0.45%以下、Ti:
0.25%以下、V:0.25%以下のうちの1種以上
を含み、かつ、以下の式を満足し、残部がFeおよび不
可避的不純物である、高温強度に優れた高温機器用オー
ステナイトステンレス鋼。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
8+V/51)≦2

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、耐高温腐食性、
耐高温酸化性、高温強度を兼備した高温機器用オーステ
ナイトステンレス鋼およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】加熱炉材料、火力発電プラントのボイラ
ーチューブや排ガスダクトなど、最高使用温度が約60
0℃を超える高温・耐熱機器用材料は、耐高温腐食性、
耐高温酸化性、高温強度が同時に求められる。
【0003】従来、これらの用途向けには、Cr−Mo
鋼、フェライト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス
鋼などが使用されているが、使用温度が600℃を超え
ると、フェライト系の耐熱ステンレス鋼では高温強度が
不足することから、使用可能な鋼は、16%以上のCr
含有量のオーステナイト系ステンレス鋼にほぼ限定され
る。
【0004】中でも、特開昭59−70752号公報、
特開昭56−169755号公報等に開示されているよ
うな、Nb、TiまたはV含有型のステンレス鋼は、炭
窒化物の微細分散による強化作用により、高い高温強度
を得ようとするものであり、Crによって良好な耐高温
腐食性・耐高温酸化性を具備しているのみならず、装置
構造材料としてのある程度の信頼性を得ることができ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な炭窒化物析出型のステンレス鋼では、析出可能なC、
N、Nb、Ti、Vを十分母相中に固溶させるために、
溶体化処理を高温行なう必要が生じる。18%Cr以上
の系では溶体化処理温度として通常1100℃以上が要
求され、これより温度が低い場合は、添加したC、N、
Nb、Ti、V量に見合う高温強度が得られないのみな
らず、これらの未固溶分が粗大炭窒化物や金属間化合物
の形で組織中に存在する結果、母材金属の延性や靭性が
著しく損なわれる場合も多い。このため、これらの添加
量によっては1150℃以上の溶体化処理温度が求めら
れる場合もある。
【0006】このように、通常、炭窒化物析出型ステン
レス鋼では比較的高い温度での溶体化処理が求められ
る。一方、通常生産規模で行なわれる熱処理は、大気炉
またはガス燃焼型の工業炉であることが多く、高温の熱
処理には必ずしも最適ではない。また、上記のような酸
素存在雰囲気の加熱炉では、熱処理中の鋼の表面酸化は
高温ほど速く進行し、特に1150℃を超えるような高
温では、スケールの過剰生成は重大な問題となる。板材
を例にとると、酸化減量が過大となり、板厚公差の管理
が非常に難しくなると同時に、生産コストが増大する。
また、粒界酸化が生じやすくなり、金属母材内に根をお
ろしたスケールは、熱間加工中の傷発生の原因にもなり
やすく、内部酸化が進むようになると、酸洗、ショット
デスケーリング等の手段によっても、スケールを除去す
ることができないという事態が発生する。
【0007】この発明はかかる事情に鑑みてなされたも
のであって、高温において、耐高温腐食性、耐高温酸化
性ばかりでなく、強度に優れた高温機器用オーステナイ
トステンレス鋼およびその製造方法を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高温での
過剰なスケール発生を抑制する抜本的な解決策は、成分
組成を検討することによって、低温での溶体化処理によ
っても高温溶体化処理の場合と同程度の高温強度を得る
ことができる鋼を開発することであるとの考えに基づき
検討を重ねた。ある溶体化処理温度における析出強化元
素の母相への固溶量は、高温であるほど多量であるとい
う関係が一般的であるが、析出強化元素の添加割合と添
加量を様々に振り分けて溶解度積の式を検討した結果、
析出強化元素をある割合で添加したとき、熱処理温度が
一定であっても高温強度が増加する場合が増加する場合
があることを見出した。このことを検証するため、数多
くの実験溶解によって、溶解と析出との関係を把握し
た。その結果、例えば、18〜20%Crを含有し、
C、N、Nb、Ti、Vを含有する析出強化型オーステ
ナイト鋼の場合、1140℃で溶体化処理した場合の6
50℃で105 時間のクリープ破断強度は、C、N、N
b、Ti、Vの添加レベルが変化しなければ、1180
℃で溶体化処理した場合より20MPa程度低下する
が、添加元素の総量が一定でもNb、Ti、Vの比率を
高めた場合に顕著にクリープ強度が改善され、上記20
MPa程度低下した値よりも5〜10MPa程度高い値
となる条件が存在することが明らかとなった。これを添
加元素の観点から数式化すると、必ず (C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/48+
V/51)≦2 となる関係を満たすことが明らかとなった。すなわち、
この式を満たす場合に、低温溶体化処理における高温強
度が著しく改善されるという結論を得た。
【0009】一方、本発明者らは、このような鋼におい
ては、C+N量に対するTi+Nb+V量の原子分率が
相対的に低い領域に元素添加を行うべきであることも明
らかにした。これを数式で表現した場合、 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
8+V/51) となる。これは、炭窒化物とならない余剰のTi、N
b、Vがあると、母相に固溶しきれない分が不安定な金
属化合物または複合化合物を形成し、粒界および粒内に
粗大に析出して高温強度を劣化させるためであると考え
られる。
【0010】これらの知見を総合して、Ti+Nb+V
量に対するC+N量の原子分率の比が 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
8+V/51)≦2 を満たす場合に、低温溶体化処理でも高い高温強度が得
られるという結論が得られた。
【0011】本発明はこれらの知見に基づいて完成され
たものである。すなわち、本発明は、第1に、重量分率
で、C:0.05〜0.12%、Si:2.5%以下、
Mn:2.0%以下、Cr:16.0〜20.0%、N
i:6.0〜14.0%、Mo:0.01〜4%、N:
0.005〜0.25%、Mg:0.05%以下(0%
を含む)、Cu:0.01〜4%、B:0.001〜
0.005%、Zr:0.1%以下(0%を含む)、A
l:0.5%以下(0%を含む)であり、さらに、N
b:0.45%以下、Ti:0.25%以下、V:0.
25%以下のうちの1種以上を含み、かつ、以下の
(1)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物で
あることを特徴とする、高温強度に優れた高温機器用オ
ーステナイトステンレス鋼を提供する。
【0012】本発明は、第2に、重量分率で、C:0.
05〜0.12%、Si:2.5%以下、Mn:2.0
%以下、Cr:16.0〜20.0%、Ni:6.0〜
14.0%、Mo:0.01〜4%、N:0.005〜
0.25%、Mg:0.05%以下(0%を含む)、C
u:0.01〜4%、B:0.001〜0.005%、
Zr:0.1%以下(0%を含む)、Al:0.5%以
下(0%を含む)であり、Nb:0.45%以下、T
i:0.25%以下、V:0.25%以下のうちの1種
以上を含み、さらに、Ce、La、Hfのうちの1種以
上を0.1%以下含み、かつ、以下の(1)式を満足
し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴
とする、高温強度に優れた高温機器用オーステナイトス
テンレス鋼を提供する。
【0013】本発明は、第3に、重量分率で、C:0.
05〜0.12%、Si:2.5%以下、Mn:2.0
%以下、Cr:16.0〜20.0%、Ni:6.0〜
14.0%、Mo:0.01〜4%、N:0.005〜
0.25%、Mg:0.05%以下(0%を含む)、C
u:0.01〜4%、B:0.001〜0.005%、
Zr:0.1%以下(0%を含む)、Al:0.5%以
下(0%を含む)であり、さらに、Nb:0.45%以
下、Ti:0.25%以下、V:0.25%以下のうち
の1種以上を含み、かつ、以下の(1)式を満足する鋼
を、鋳造工程、熱間加工工程を経て所定の製品形状また
は半製品となした後に、1150℃以下の温度で溶体化
処理することを特徴とする、高温強度に優れた高温機器
用オーステナイトステンレス鋼の製造方法を提供する。
【0014】本発明は、第4に、重量分率で、C:0.
05〜0.12%、Si:2.5%以下、Mn:2.0
%以下、Cr:16.0〜20.0%、Ni:6.0〜
14.0%、Mo:0.01〜4%、N:0.005〜
0.25%、Mg:0.05%以下(0%を含む)、C
u:0.01〜4%、B:0.001〜0.005%、
Zr:0.1%以下(0%を含む)、Al:0.5%以
下(0%を含む)であり、Nb:0.45%以下、T
i:0.25%以下、V:0.25%以下のうちの1種
以上を含み、さらに、Ce、La、Hfのうちの1種以
上を0.1%以下含み、かつ、以下の(1)式を満足す
る鋼を、鋳造工程、熱間加工工程を経て所定の製品形状
または半製品となした後に、1150℃以下の温度で溶
体化処理することを特徴とする、高温強度に優れた高温
機器用オーステナイトステンレス鋼の製造方法を提供す
る。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/48+V/51)≦2 ……(1)
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。本発明に係るオーステナイトステンレス鋼は、
重量分率で、C:0.05〜0.12%、Si:2.5
%以下、Mn:2.0%以下、Cr:16.0〜20.
0%、Ni:6.0〜14.0%、Mo:0.01〜4
%、N:0.005〜0.25%、Mg:0.05%以
下(0%を含む)、Cu:0.01〜4%、B:0.0
01〜0.005%、Zr:0.1%以下(0%を含
む)、Al:0.5%以下(0%を含む)であり、さら
に、Nb:0.45%以下、Ti:0.25%以下、
V:0.25%以下のうちの1種以上を含むものであ
る。さらに、Ce、La、Hfのうちの1種以上を0.
1%以下含んでもよい。
【0016】以下、これら各元素の限定理由等について
詳細に説明する。Cは、耐熱鋼の高温強度を得るために
有効な元素であるが、その効果は0.05%以上でなけ
れば十分ではなく、一方0.12%を超えると溶接性に
対して有害となるため、C含有量を0.05〜0.12
%とする。
【0017】Siは鋼の脱酸に有効であるが、2.5%
を超えて添加すると相安定性を著しく損なうため、その
含有量を2.5%以下とする。Mnは、鋼のオーステナ
イト安定化に有効な元素であるが、2.0%を超えて添
加すると耐高温酸化性を損なうため、その含有量を2.
0%以下とする。
【0018】Crは、鋼の一般耐食性付与に最も有効な
元素であり、前述したように、加熱炉材料、火力発電プ
ラントのボイラーチューブや排ガスダクトなど、最高使
用温度が約600℃を超えるような高温・耐熱機器用に
は、16.0%以上含まれないと耐高温腐食性、耐高温
酸化性が十分ではない。しかし、20.0%を超えて含
有すると相安定性の確保が困難となる。したがって、C
r含有量は16.0〜20.0%の範囲とする。
【0019】Niは、鋼のオーステナイト安定性を高め
る元素として非常に重要であり、その含有量が6.0%
以上でないとその効果が十分ではない。しかし、14.
0%を超えるとその効果が飽和するばかりか、著しく高
価になる。したがって、Ni含有量を6.0〜14.0
%の範囲とする。
【0020】Moは、母相に固溶し、固溶強化すること
で高温強度の上昇に寄与する元素である。しかし、0.
01%以上含有しないとその効果は十分ではなく、4%
を超えると延性が極端に低下する。したがって、Mo含
有量を0.01〜4%の範囲とする。
【0021】Nは、鋼のオーステナイト安定化および高
温強度の両方に有効な元素である。しかし、その量が
0.005%以上でなければその効果が十分ではなく、
0.25%を超えて含有すると溶接性を損なうので、そ
の含有量は0.005〜0.25%とする。
【0022】Mgは、脱酸に有効な元素であり、0.0
5%以下であれば熱間加工性を損なうことなく脱酸する
ことができる。ただし、0.02%以上のAlを含む場
合には含有する必要はない。したがって、Mg含有量を
0.05%以下(0%を含む)とする。
【0023】Cuは、析出強化によって高温強度上昇に
寄与する元素である。しかし、0.01%以上でなけれ
ばその効果が十分ではなく、4%を超えると延性が極端
に低下する。したがって、Cu含有量を0.01〜4%
とする。
【0024】Bは、クリープ延性の向上に有効な元素で
あり、その効果を発揮するために0.001%以上含有
することが必要であるが、0.005%を超えて添加す
ると熱間加工性を損なうため、その含有量を0.001
〜0.005%の範囲とする。
【0025】Zrは、必須の成分ではないが、Bと同様
クリープ延性の向上に有効な元素である。しかし、0.
1%を超えて添加すると熱間加工性を損なうため、その
含有量を0.1%以下(0%を含む)とする。
【0026】Alは、脱酸に有効な元素であり、0.5
%以下であれば熱間加工性を損なうことなく脱酸するこ
とができる。ただし、0.01%以上のMgを含む場合
には含有する必要はない。したがって、Al含有量を
0.5%以下(0%を含む)とする。
【0027】Nb、Ti、Vは、炭窒化物を形成して金
属組織中に微細分散し、鋼のクリープ破断強度向上に寄
与する元素であり、これらを1種以上含むことが本発明
の主眼の一つである。
【0028】しかし、Nbは、0.45%を超えて添加
すると、金属間化合物等の粗大な析出が生じ、クリープ
延性を損なうようになり、Ti、Vはいずれも0.25
%を超えて添加すると、やはり金属間化合物等の粗大な
析出が生じ、クリープ延性を損なうようになる。なお、
これらNb、Ti、Vはいずれも同様の機能を果たすた
め、これらのうち少なくとも1種を含有すればよい。
【0029】これらの他、Ce、La、Hfは、いずれ
も耐高温酸化性に対して有効な元素であるため、これら
のうち少なくとも1種を0.1%以下の範囲で含有して
もよい。
【0030】本発明では、上述したように、このように
各成分の範囲を規定する他、 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
8+V/51)≦2 の式を満たすことを要件としている。この式を満たすこ
とにより、高温でも有効な析出強化を達成することがで
きるため、高い高温強度が得られ、しかも、所定の強度
を得るための溶体化処理の低温化が可能となる。
【0031】次に、本発明の製造方法について説明す
る。本発明では、上述のような組成範囲の鋼を、鋳造工
程、熱間加工工程を経て所定の製品形状または半製品と
なした後に、1150℃以下の温度で溶体化処理する。
すなわち、上述の組成の鋼は、1150℃以下の温度で
の溶体化処理においても高温での強度に優れている。
【0032】
【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
表1、2に示すような成分・組成を有する本発明鋼およ
び比較鋼を実験室の150kgw真空溶解炉にて溶製
し、25kgwインゴットに鋳造した後、熱間圧延によ
り圧下比2.5の粗圧延を加え、さらに圧下比3.5の
仕上げ圧延を施して板厚12mmとした。
【0033】これらの鋼に対して、実生産を模したガス
燃焼型シミュレータ炉を用いた1140〜1180℃で
の溶体化熱処理(ST)を施し、断面光学顕微鏡観察に
よって粒界酸化および内部酸化の有無を確認するととも
に、650℃クリープ破断試験を行い、約10000時
間までの試験結果を外挿して100000時間破断強度
を求めた。表1、2に、化学組成と、以下に示す当量比
Rの値、および650℃、100000時間クリープ破
断強度をまとめて示す。
【0034】R=(C/12+N/14)/(Nb/9
3+Ti/48+V/51) なお、表1の鋼番1〜16は本発明鋼であり、表2の鋼
番17〜31は比較鋼である。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】また、表3に、溶体化処理後の断面観察に
おける粒界酸化の程度を示す。一部の鋼を除いて、11
40℃の溶体化処理材では粒界酸化が発生しておらず、
これに対し、1180℃での溶体化熱処理材では、ほと
んどに粒界酸が認められた。これらの不均一なスケール
生成は、圧延後の表面傷の発生と顕著な対応を有してい
たことから、健常な板材を得るための溶体化熱処理条件
として、一般に1180℃は高すぎると考えられる。
【0038】
【表3】
【0039】上記のクリープ破断強度をR値で整理する
と、図1に示すような関係となる。1140℃、118
0℃溶体化熱処理材はともに、1≦R≦2の範囲で65
0℃、100000時間クリープ破断強度が特に良好で
あることがわかるが、また、1140℃処理材と118
0℃処理材のクリープ破断強度の差も、この1≦R≦2
の範囲で比較的小さいことも特徴である。これは、この
範囲において、溶体化処理の低温化を行った場合も、高
温強度の低下を最小限に抑えることができることを意味
している。
【0040】こうしたR値での評価を、各元素の添加量
の適正化と同時に検討することにより、良好なクリープ
破断強度を発揮する範囲を把握することができる。すな
わち、本発明鋼では、1≦R≦2であるため、1140
℃の溶体化処理温度でも高温強度が高く、かつ粒界酸化
も発生しない。これに対して、比較鋼18、27では、
それぞれCおよびNの含有量が下限より少ないため、十
分な高温強度が得られなかった。比較鋼20,21,2
2は、それぞれNb,Ti,Vの添加が過剰であったた
めに、金属組織中に粗大な相が析出し、クリープ延性の
低下、破断寿命の低下につながったものである。また、
比較鋼23は、Cr含有量が低すぎ、650℃クリープ
破断試験中の大気酸化が著しく、減肉によって破断が早
期化した。比較鋼24,25,26は、Cr,Si、N
i等の含有量が適正値を外れていることにより、相安定
性の調整が困難となり、シグマ相等の脆い金属間化合物
析出につながり、長時間高温強度が低下した。比較鋼2
7にも低Nに起因する同様の傾向が認められた。また、
比較鋼30,31は、それぞれMoおよびCuが適正範
囲を外れているため延性が低く、クリープ破断強度も低
下した。さらに、比較鋼17,19,28、29は、R
値が適正値を外れているため、1140℃溶体化処理後
の高温クリープ破断強度が低かった。
【0041】以上のように、各元素の含有量の適正化お
よびR値の適正化を行うことによって、本発明鋼1〜1
6のように、良好な高温強度を得ることができ、例えば
650℃、100000時間クリープ破断強度が、11
40℃溶体化熱処理材の場合でも、約85MPaと高い
値となることが確認された。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によって初
めて、中・低温度域はもとより、600℃以上の高温に
おける耐熱強度への要求にも十分に対応することがで
き、しかも耐高温腐食性、耐高温酸化性が優れた材料が
得られる。しかも、表面性能低下・歩留まり低下を引き
起こす金属の高温溶体化処理を避けた1150℃以下の
温度での溶体化処理において、上述のような特性を達成
することができ、火力・原子力発電複合プラント等の高
性能高温機器の高効率化、および建造における経済性向
上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】鋼のR値と、650℃、100000時間クリ
ープ破断強度との関係を示す図。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量分率で、C:0.05〜0.12
    %、Si:2.5%以下、Mn:2.0%以下、Cr:
    16.0〜20.0%、Ni:6.0〜14.0%、M
    o:0.01〜4%、N:0.005〜0.25%、M
    g:0.05%以下(0%を含む)、Cu:0.01〜
    4%、B:0.001〜0.005%、Zr:0.1%
    以下(0%を含む)、Al:0.5%以下(0%を含
    む)であり、さらに、Nb:0.45%以下、Ti:
    0.25%以下、V:0.25%以下のうちの1種以上
    を含み、かつ、以下の式を満足し、残部がFeおよび不
    可避的不純物であることを特徴とする、高温強度に優れ
    た高温機器用オーステナイトステンレス鋼。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
    8+V/51)≦2
  2. 【請求項2】 重量分率で、C:0.05〜0.12
    %、Si:2.5%以下、Mn:2.0%以下、Cr:
    16.0〜20.0%、Ni:6.0〜14.0%、M
    o:0.01〜4%、N:0.005〜0.25%、M
    g:0.05%以下(0%を含む)、Cu:0.01〜
    4%、B:0.001〜0.005%、Zr:0.1%
    以下(0%を含む)、Al:0.5%以下(0%を含
    む)であり、Nb:0.45%以下、Ti:0.25%
    以下、V:0.25%以下のうちの1種以上を含み、さ
    らに、Ce、La、Hfのうちの1種以上を0.1%以
    下含み、かつ、以下の式を満足し、残部がFeおよび不
    可避的不純物であることを特徴とする、高温強度に優れ
    た高温機器用オーステナイトステンレス鋼。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
    8+V/51)≦2
  3. 【請求項3】 重量分率で、C:0.05〜0.12
    %、Si:2.5%以下、Mn:2.0%以下、Cr:
    16.0〜20.0%、Ni:6.0〜14.0%、M
    o:0.01〜4%、N:0.005〜0.25%、M
    g:0.05%以下(0%を含む)、Cu:0.01〜
    4%、B:0.001〜0.005%、Zr:0.1%
    以下(0%を含む)、Al:0.5%以下(0%を含
    む)であり、さらに、Nb:0.45%以下、Ti:
    0.25%以下、V:0.25%以下のうちの1種以上
    を含み、かつ、以下の式を満足する鋼を、鋳造工程、熱
    間加工工程を経て所定の製品形状または半製品となした
    後に、1150℃以下の温度で溶体化処理することを特
    徴とする、高温強度に優れた高温機器用オーステナイト
    ステンレス鋼の製造方法。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
    8+V/51)≦2
  4. 【請求項4】 重量分率で、C:0.05〜0.12
    %、Si:2.5%以下、Mn:2.0%以下、Cr:
    16.0〜20.0%、Ni:6.0〜14.0%、M
    o:0.01〜4%、N:0.005〜0.25%、M
    g:0.05%以下(0%を含む)、Cu:0.01〜
    4%、B:0.001〜0.005%、Zr:0.1%
    以下(0%を含む)、Al:0.5%以下(0%を含
    む)であり、Nb:0.45%以下、Ti:0.25%
    以下、V:0.25%以下のうちの1種以上を含み、さ
    らに、Ce、La、Hfのうちの1種以上を0.1%以
    下含み、かつ、以下の式を満足する鋼を、鋳造工程、熱
    間加工工程を経て所定の製品形状または半製品となした
    後に、1150℃以下の温度で溶体化処理することを特
    徴とする、高温強度に優れた高温機器用オーステナイト
    ステンレス鋼の製造方法。 1≦(C/12+N/14)/(Nb/93+Ti/4
    8+V/51)≦2
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