JPS63266045A - 熱間加工性の優れた高Ａｌオ−ステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｌｒ業上の利用分野 本発明は高温で優れた耐酸化性、耐高温腐食性を有し、
かつ熱間加工性の良好なオーステナイト系１耐熱鋼に関
する。

従来の技術 合金中にＭを添加し、高温酸化性雰囲気中で表面にＭ　
２０３を主体とする酸化皮膜を形成させると、非常に優
れた耐酸化性を示すことが知られており、例えば、Ｆｅ
−Ｃｒ−Ａ２合金鋼は、電熱線あるいは燃焼器具用部材
等、１２００℃程度までの雰囲気に曝される部材の材料
として使用されている。しかし」−記鋼種は、フェライ
ト相であるため高温での強度が根本的に低く、高温での
強度を必要とする部位には使用できず適用範囲が限られ
ていた。

一方、　Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、あるいはＮｉ−Ｃｒ等のオ
ーステナイト系耐熱鋼は、高温強度、常温での機械的性
質が優れているため、高温部材として一般的に使用され
てきたが、これら鋼種は、高温で表面にＣｒ２Ｏ３を形
成し、この皮膜によって耐酸化性を良好に維持している
ため、皮膜がＣｒＯ３として蒸発を始めるｔｏｏｏ−ｔ
＋ｏｏ℃以上では、急激に耐酸化性が劣化する。また酸
化皮膜の耐スポーリング性も悪く、断続加熱や二ローシ
ョンを受ける場合は酸化による材ネ４のやせ細りの傾向
が大きい。

このオーステナイト系耐熱鋼の欠点を改善するためにと
記鋼種にＭを添加する試みは、現在まで多く行われてき
た。しかしＭの添加ｉ）が少ないと合金表面にＭ２Ｏ３
の酸化皮膜が形成されず、スピネル系のＦｅ、　Ｎｉ、
　Ｃｒの酸化膜が主体となる。この酸化膜はポーラスで
酸素や窒素を比較的透過しやすいため酸化膜直下のマト
リックスの酸化速度は大きく、さらにその下にＭＮが角
状に析出し、Ａｌ２が消費されるため添加の効果は少な
い、オーステナイト系の合金表面に均一なＭ２Ｏ３の皮
膜を形成させ、優れた＃酸化性を発揮させるためには合
金中に爪ｊ−１，パーセントで最低４．０％以上添加し
なければならない。このことは例えば、特公昭５５−４
３４９８号公報等に記載されている。

発明が解決しようとする問題点 しかし八９をオーステナイト鋼中に添加すると急激に熱
間加工性が劣化し、熱間圧延、熱間鍛造。

熱間押し出し等の加工時に激しい割れを生じ、さらには
加工不可能となる場合も発生する。そこで特公昭５５−
４３４９８号公報、特公昭５Ｂ−１１３０２号公報では
オーステナイト相中にデルタフェライトを析出すること
により、またはＹ、　Ｃｅ、　Ｃａ等の希土類元素を添
加することにより、熱間加工性が向上することを記載し
ているが、デルタフェライトの析出、あるいは単なる希
土類元素の添加だけでは、１−分な熱間加工性を得るこ
とはできない、また特開昭８０−２８２９４５号公報で
は１０００℃以上、１２００℃以下の温度範囲で熱間圧
延することを提唱しているが、熱間圧延初期に耳割れ、
疵等が多数発生し十分な効果があるとは言えない。

本発明はＭを添加したオーステナイト系耐熱鋼において
、高温での耐熱性が優れていると共に、熱間圧延、熱間
鍛造、熱間押し出し等の加工時に割れ、疵の発生しない
熱間加工性が特に優れている鋼種を提供するものである
。

問題点を解決するための手段 以ｒに本発明の構成について説明する。まず本発明の第
一のものは、 Ｃ０１２％以下、　Ｓｉ　　１％以下、Ｍｎ　　２％以
下、　　Ｎｉ１５〜３５％、Ｃｒ　１２〜２５％、　　
Ａ１１４〜６％を含み、さらにＣａ、　Ｙ、　ＲＥＭか
ら選ばれた１種あるいは２種以上を下記（１）式で示さ
れた範囲を満足するよう含有させ、残部は主としてＦｅ
からなる０式中のＲＥＭとはＬａ、　Ｃｅ等の希土類元
素を意味する。（以後、ＲＥＭと称する。） −５０＜　（Ｓ）　＋　（Ｏ）　−０，８Ｘ（Ｃａ）−
０，２Ｘ（Ｙ）　−０，Ｉ　Ｘ（ＲＥＭ）　＜３０　　
（単位；ｐｐ層）・　・　番　（１）　　式 この発明の特徴は、八９を上記成分範囲含有するオース
テナイト鋼に、上記（１）式を満足するようＣａ、　Ｙ
、　ＲＥＤから選ばれた１種あるいは２種以丘を添加す
ることによって、熱間加工性の優れた耐熱鋼を得ること
が可能になったことである。

すなわちオーステナイト系ステンレス鋼にＣａ、ＲＥＭ
　’１４を添加することにより熱間加工性が向上するこ
とは公知の事実であるが、本発明の成分範囲で、Ｍを重
量パーセントで４．０〜６．０％含有するオーステナイ
ト鋼においては特に１１００℃以下での熱間変形抵抗が
高いため、粒界強度を低下させるＳとＯの含有量を（１
）式の範囲内に規定しなければ熱間加工性の良好な鋼を
得ることができない。

しかしＳとＯの含有量を常に（１）式の範囲内に抑制す
ることは工業的に難しく、コストも丘昇するため、Ｃａ
、　Ｙ、　ＲＥＭの添加が有効となるが、その添加ｔを
Ｓと０の含有量との関係において（１）式を満足するよ
う厳密に規定しなければ、添加効果を期待することはで
きないことを見出し、本発明を成立させたのである。

（１）式中の各元素に掛かる係数は、本発明の成分範囲
内で各々の元素の含有量を変化させた鋼塊の熱間加工性
を評価し、各元素の効果が等しくなるように実験的に求
めたものである。

本発明の第二のものは第一の発明に加え、上記成分範囲
において著しく熱間加工性を害するＭｇの許容量を１０
０ＰｐＪ以下に規定したものである。従来の汎用ステン
レス鋼あるいはＮｉ基超超合金おいては、少量のＭｇ添
加は熱間加工性を向上させる効果を有するが、鮫を重量
パーセントで４．０〜８．０％含有するオーステナイト
鋼においては、逆に熱間加工性を劣化させる効果が著し
く大きく、許容される含有量が低いことを本発明者は見
出し、その許容量を明確にした。高濃度Ｍを含有するオ
ーステナイト鋼がＭｇ不純物によって、熱間加工性が劣
化するのは、　ＨｇおよびＭが粒界に高濃度濃縮し粒界
の高温強度を低下させるためである。

Ａ９を含有しないオーステナイ）ｆｌｉｌにおいては、
Ｍｇ不純物は鋼中にほとんど含まれないが、高濃度Ｍを
含有するオーステナイト鋼においては、Ｍの原料、ある
いは鋼中のＡｔが炉材またはスラグ中のＭｇＯを還元さ
せることにより、ｌ’１ｇが侵入してくる可能性は十分
にあり、その濃度は時には数百ｐｐｍにおよぶことがあ
る。従って上記成分範囲の鋼種において、にｇ含有量を
規定する必要がある。

また本発明の成分範囲で凝固時のデルタフェライト湯を
規制すると次のような効果を有する。デルタフェライト
相はオーステナイト相よりＡｌｌを多く含有するため、
オーステナイト相中のＡＩ２濃度が低下し、冷却時に粒
界あるいは粒内にＸｌ−Ａｎ系の金属間化合物が析出す
るのを遅らせる。またＳ、０等の不純物を吸収する効果
も有するため、圧下率あるいは歪速度の大きい、より厳
しい熱間加工においても耳割れ等が生じない、さらに溶
接時の高温割れを抑制する効果もある。

しかしデルタフェライト相を１０％以り析出させると冷
間での加工性あるいは高温強度が劣化するため、析出量
は１０％未満とすることが望ましい。

凝固時に析出するデルタフェライト（δ−Ｆｅｒｒ）星
（％）は、化学組成から下記に示す（２）式にて推測で
きる。但しその適用範囲は特許請求の範囲に記載された
成分範囲である。

δ−Ｆｅｒｒ（＄）＝ ３Ｘ　（Ｃｒ＋１．５ＸＳｉ＋８ＸＭ−２４，７）−２
，８Ｘ（Ｎｉ＋０．５　Ｘ−Ｍｎ◆３０　ＸＣ＋ＩＥ１
．５ＸＮ）−１９，８会・・（２）式 （俯しく２）式中の各成分の単位は重量％である。） （２）式で求めたδ−Ｆｅｒｒ（＄）が１０％未満であ
れば、実際の凝固時に析出するデルタフェライト％は１
０％未満となる。しかしく２）式で０％以下であっても
、−１５％以上であれば実際の凝固時には僅かにデルタ
フェライト相を析出する。

作用 以下に本発明の成分を限定した理由を述べる。

Ｃは鋼中に不可避的に含有される元素であるが、含有量
が多いと６００〜９００℃で使用中にクロム次化物、σ
相を多量に析出し材料を脆化させるほか、高温での変形
抵抗が上昇し、熱間加工性が劣化する。従ってそのＥ限
を０．２％とした。

Ｓｉは一般的に耐酸化性を向丘させる効果を有するが、
表面にＭ７Ｏ３皮膜を形成する本発明鋼種ではその添加
効果はほとんどなく、逆にＳｉ含有量が１％を越えると
Ａｌｌ、０３皮膜の形成を阻害する。

従ってＳｉの含有量の上限を１．０％とした。

Ｍｎも鋼中に不可避的に含有される元素であるが、含有
量が２％を越えるとＭ２Ｏ３皮膜の形成を隋書するため
、その、上限を２％とした。

Ｘｉは本発明鋼をオーステナイト鋼たらしめる基本的な
元素であり、Ｃｒ、　Ｍの含有量からＮｉは１５％以上
必要である。しかしＸｉの含有量が３５％を越えると、
Ｘｌ−Ｍ系の金属間化合物の析出が著しくなり熱間加工
が困難となる。従ってＸｉの範囲は１５〜３５％とした
。

ＯｒはＭと同様、高度の耐酸化性を得るには必要不ロｆ
欠な元素であり、Ｃ「の含有量が１２％未満であると使
用初期に異常酸化し、鋼材表面に耐酸化性を維持すべく
Ａｌ７０３皮膜が形成されない、　Ｃｒは使用初期のＭ
、０３皮膜形成に重要な役割を果たす元素である。しか
しＣｒの含有量が２５％を越えると、使用中σ相が析出
し脆化しやすくなる上、オーステナイト形成元素である
Ｎｉを多驕に添加しなくてはならず、Ｎ１−Ａｌ系の金
属間化合物の析出を促進する。従ってＣｒの含有量−は
１２〜２５％とした。

Ａ９は本発明鋼の表面にＡｌ２０３皮膜を形成させる最
も毛要な元素である。Ａｌ２０３皮膜を安定的に形成さ
せるためには、Ｍの含有量は４％以七でなければならな
い。４％未満であるとＡｌｌ、０３皮膜は形成されず、
　Ｃｒが主体の酸化物が形成されＭ、０．皮膜による優
れた耐酸化性に比べ耐酸化性が低下する。しかしＭの含
有量が６％を越えるとＮｉ−Ａｌ系の金属間化合物の析
出が著しくなり、熱間加工が困難となる。

Ｓおよび０は熱間加工性の点から、従来のステンレス鋼
と同様、低い方が９ましいが、特に本鋼種のようにＭを
多く含有する鋼ではＳおよびＯの含有量に敏感に影響さ
れる。これは凝固時あるいは冷却時にＳおよびＯが粒界
に偏析し１粒界の強度を低下させるためで、本鋼種は高
温での粒内の変形抵抗が従来のステンレス鋼に比べ高く
、この粒界強度の低下がより強調され粒界割れが発生し
やすくなる。

このためＳおよびＯの許容敬は低く、本発明の成分範囲
においては、その合計含有量を３０ｐｐｍ未満に抑えな
ければならず、３０ＰＰ１１以上で含有されると熱間加
工時に粒界に沿って激しい割れが発生する。これが前記
（１）式の上限を３０ｐｐｍに限定した理由である。各
種熱間加工で割れを抑制するには２Ｏｐｐ層以下にする
ことが望ましい、しかしＳおよび０の合計含有量を常に
２０ＰＰ１１未満に抑制することは製鋼上難しく、また
純度の良い原料を必要とするためコストも上昇する。従
ってＣａ、Ｙ。

ＲＥＭを添加することが有効となる。

Ｃａ、　Ｙ、　ＲＥＭは、本発明鋼種の熱間加工性を向
り、＝せる１２な添加元素であり、溶鋼中のＳ、０の除
去のみならず、冷却中粒界に偏析するＳ、０を固定し、
熱間加工性が劣化するのを抑制するのに最も有効な元素
である。これら元素の添加により極端にＳおよび０を低
減しなくても良好な熱間加工性は維持できる。

しかしＣａ、　Ｙ、　ＲＥＭをＳおよび０の含有量に換
算して５０ｐｐ■を越えて過剰に添加すると、耐酸化性
はさらに向上するが、粒界部に不安定なＣａ、Ｙ、ＲＥ
Ｍが偏析し粒界強度を低下させるため逆に熱間加工性を
悪化させる。この過剰添加を防市するために前記（１）
式の下限を一５０ｐｐ朧に限定した。

以上の関係を示したのが第１図である。即ち第１図は前
記（１）式と熱間衝撃平均評点の関係を示したもので、
図中の点は鋼中のＭｇの含有量が５０ｐｐｍ未満のもの
から得られたデータであり、縦軸の上方で熱間加工性が
良好で、下方で熱間加工性が不良であることを示す、ま
た第２表に示すように斗割れ等を発生せずに通常の熱間
加工を可能にするためには熱間衝撃平均評点を２以下に
しなければならず、この条件を満たすため（１）式の丘
限を３０ｐｐｍ　、　　下限を一５０ＰｐＨとした。圧
下率あるいは歪速度の大きい等、厳しい熱間加工性を行
う場合は第１図で熱間衝撃平均評点が１以下となる範囲
での加工が望ましい。

不純物として鋼中に混入してくる軸は１本発明鋼の熱間
加工性を著しく劣化させる。第２図は。

Ｍｇの含有量と熱間衝撃平均評点の関係を示したもので
ある。この図からＭｇの含有量が１００ＰＰ■を越える
と熱間加Ｔが困難になることが判る。８延での微小な耳
割れ、疵等を防ぐには、Ｍｇの含有−を５０ｐｐｍ以下
に抑制し熱間衝撃平均評点を１未満にすることが望まし
い。

さらに本発明鋼は多硫にＭを含有するため高温での変形
抵抗が高く、５ＯＳ３０４等の汎用ステンレス鋼に比べ
熱間加工性におよぼすＰｂ、　Ｓｂ、　Ｚｎ、　Ａ３、
Ｎａ等の不純物の影響が大きい、これらの不純物が４Ｊ
コ入すると熱間加工性の劣化が著しいため、これらが混
入しないよう溶解原料やスラグ組成を充分に吟味した溶
製法、あるいはこれら低融点金属を除去することが可能
な、たとえば真空溶解法、真空粘錬法が望ましい溶製法
である。しかしＭｇをはじめ」二記不純物等の混入を十
分病１Ｆすれば、本発明の成分範囲で熱間加工性の優れ
たオーステナイト系耐熱鋼を製造することができる。

またクリープ強度あるいは耐酸化性をさらに向コーさせ
るためにＮｏ、Ｗ、　Ｃｏ、　Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｚｒを
添加することは可能であるが、これらの元素を過剰に添
加すると熱間での変形抵抗が上昇し、熱間加工性を劣化
させる。

実施例 以下に本発明の実施例を記載する。

第１表の試験Ｎ０１１〜２４に示す各成分の鋼を真空中
あるいは大気中（溶解後ＡＯＤ精錬）にて溶製し、真空
中で溶解したものはインゴットで、大気中で溶解したも
のは連続鋳造で造塊した。

熱間加工性の評価は、熱間衝撃試験と上記方法にて溶製
した鋼塊の熱延実験で行った。熱間衝撃試験は、鋼塊肌
下５層層よりノツチ無しのシャルピー試験片を切り出し
、１２５０℃に加熱し１０分保持した後、所定の打撃温
度まで空冷し打撃を行った。打撃温度は９００．１００
０．１０５０．１１００．１１５０゜１２００℃で行い
、評価は第２表に示すように割れの状況より６段階にラ
ンク分けを行い、全ての打撃温度での結果を平均した値
を採用した。

橿ｌ均評点が大きいほど高温での延性が乏しく熱間加工
性が悪く１通常の熱延で耳割れが生じないためにはこの
値が２以下でなければならない、熱延実験は表面を面削
した鋼塊を１２５０℃で１時間保持した後、５パスで計
９０％圧下し耳割れの状況を観察した。

熱間加工性の評価結果を第３表に示す、この結果から特
許請求の範囲第１項および第２項に記載した成分範囲を
満足すれば、熱間加工性の優れたオーステナイト系耐熱
鋼を得ることができる。またオーステナイト相中のデル
タフェライト相を１０５未満析出した鋼種は、熱間衝撃
試験の平均評点が１以下で、さらに熱間加工性が優れて
いることが判る。

さらに第１島試験Ｎｏ、　１．　７、＋０．２０．及び
２１の鋼塊について熱延−冷延一焼鈍一表面研削を施し
酸化試験を行った。試験片のサイズは１ｍｍｔＸ２０ｍ
ｍ　ｗＸ５０鳳■Ｌで、１２００℃の大気中および自動
車エンジン排ガス中に挿入し、３０分保持した後、１０
分空冷する断続加熱を２００回繰り返し、その後重贋変
化を測定した。その結果を第４表に示す、この結果から
本発明鋼が比較鋼に比べて優れた！Ｍ耐酸化性右してい
ることが判る。

（以下余白） 第２表　熱間衝撃試験評点 第３表　熱間加工性の評価結果 発明の効果 に記の如く特許請求の範囲に記載した成分範囲を満足す
ることによって、耐酸化性が優れ、かつ熱間加工性の良
好なす−ステナイト系耐熱鋼を得ることが可使になり、
工業上有用な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は特許請求の範囲に記載した第（１）式と熱間衝
撃モ均評点の関係を示すグラフである。 第２図は鋼中のＭｇ含有場と熱間衝撃平均評点の関係を
示すグラフである。 代理人　弁理士　井　上　雅　生 字　１　区 （Ｓ）＋（○）　−Ｑ８　ｘ　（Ｃａ）　−Ｑ２　Ｘ　
（Ｙ）−０ｊ　×（ＲＥＭ）（ｊ枦仁イ☆−；　ｐｐｍ
） 第　２図 Ｍｇ勧（（叫） 手　糸走　ネ市　］［Ｅ　　基２ 昭和８３年　１月１２日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量パーセントでＣ０．２％以下、Ｓｉ１％以下
   、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ１５〜３５％、Ｃｒ１２〜２５％
   、Ａｌ４〜６％を含み、さらにＣａ、Ｙ、ＲＥＭの１種
   あるいは２種以上を下式で示された範囲を満足するよう
   含有し、残部が主としてＦｅからなることを特徴とする
   熱間加工性の優れたオーステナイト系耐熱鋼。 −５０＜（Ｓ）＋（Ｏ）−０．８×（Ｃａ）−０．２×
   （Ｙ）−０．１×（ＲＥＭ）＜３０（単位；ｐｐｍ）（
   ２）重量パーセントでＣ０．２％以下、Ｓｉ１％以下、
   Ｍｎ２％以下、Ｈｉ１５〜３５％、Ｃｒ１２〜２５％、
   Ａｌ４〜６％を含み、さらにＣａ、Ｙ、ＲＥＭの１種あ
   るいは２種以上を下式で示された範囲を満足するよう含
   有し、さらに鋼中に含有せるＭｇを１００ｐｐｍ以下に
   抑制した、残部が主としてＦｅからなることを特徴とす
   る熱間加工性の優れたオーステナイト系耐熱鋼。 −５０＜（Ｓ）＋（Ｏ）−０．８×（Ｃａ）−０．２×
   （Ｙ）−０．１×（ＲＥＭ）＜３０（単位；ｐｐｍ）