JPWO2006106944A1 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第2の目的は、上記の特性に加えてさらに熱間加工性も改善されたオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。
なお、REMは、 rare earth element の略で、15種のランタノイド(lanthanoid)元素にScおよびYを加えた17種の元素の総称である。
C:0.05〜0.15%
Cは、高温環境下で使用される際に必要となる引張強さおよびクリープ強度を確保するために有効かつ重要な元素である。本発明鋼においてはその含有量を0.05%以上にしないと上記の効果が発揮されず、目標の高温強度が得られない。しかし、0.15%を超える量を含有させても、溶体化状態における未固溶炭化物量が増加するだけで、高温強度の向上に寄与しなくなる。また、靭性などの機械的性質や溶接性を劣化させる。したがって、C含有量は0.05〜0.15%とした。より好ましい上限は0.13%である。さらに好ましい上限は0.12%である。
Siは、脱酸元素として添加され、また、耐酸化性および耐水蒸気酸化性等を高めるのに有効な元素である。その効果を得るためには0.1%以上含有させるのが望ましい。しかし、その含有量が2%を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出を促進し、高温における組織安定性の劣化に起因した靭性や延性の低下を生ずる。また、溶接性や熱間加工性も低下する。よってSi含有量は2%以下とした。好ましいのは1%以下である。
Mnは、Siと同様に溶鋼の脱酸作用を有するとともに、鋼中に不可避的に含有されるSを硫化物として固着し、熱間加工性を改善する。その効果を十分得るためには0.1%以上の含有が必要である。しかし、その含有量が3%を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出を助長し、組織安定性、高温強度、機械的性質が劣化する。したがってMn含有量は0.1〜3%とした。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.2および2%である。さらに好ましい上限は1.5%である。
Pは、炭化物の微細析出やTiおよびFeとのリン化物を析出させ、本発明鋼のクリープ強度を向上させる。この効果を得るためには0.05%以上の含有が必要である。通常、Pの添加はクリープ延性や溶接性並びに熱間加工性の劣化を伴うのであるが、本発明鋼ではREMの添加により上記の特性の劣化を抑制している。しかし、Pを過剰に添加した場合にはREM添加の効果、特にNd添加の効果が失われるため、その含有量は0.3%以下にする必要がある。したがって、P含有量は0.05〜0.3%が適正である。より好ましい下限と上限はそれぞれ0.06%および0.25%、さらに好ましい下限は0.08%を超える量であり、また、さらに好ましい上限は0.20%である。
Sは、鋼中に不可避的不純物として含有され、熱間加工性を著しく低下させるため、0.03%以下とする。その含有量は少ないほどよい。
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性等を確保する重要な元素であり、さらにCr系炭化物を形成し強度を上げるのにも寄与する。そのため15%以上含有させる。Cr含有量が多いほど耐食性は向上するが、その含有量が28%を超えるとオーステナイト組織が不安定となりσ相などの金属間化合物やα―Cr相を生成しやすく、靭性や高温強度も損なう。したがってCr含有量は15〜28%とするべきである。なお、より好ましい下限と上限は、それぞれ16%および25%である。さらに好ましい下限は17%であり、また、さらに好ましい上限は23%である。
Niは、安定なオーステナイト組織を確保するために必須の元素である。その必要最少含有量は、鋼中に含まれるCr、Mo、W、Nbなどのフェライト生成元素やC、Nなどのオーステナイト生成元素の含有量によって定まる。本発明鋼には15%以上のCrを含有させる必要があるが、このCr量に対してNiが8%未満だとオーステナイト単相組織にするのが困難である。また、高温での長時間の使用にともないオーステナイト組織が不安定になり、σ相等の脆化相析出に起因して高温強度や靭性が著しく劣化し、耐熱耐圧部材としての使用に耐えることができない。また、55%を超える含有量にしても、その効果は飽和し経済性が損なわれる。したがって、Ni含有量は8〜55%とする。より好ましい上限は25%、さらに好ましい上限は15%である。
Cuは、本発明鋼の高温での使用中に微細なCu相としてオーステナイト母相に整合析出し、クリープ強度を大幅に向上させる元素の一つである。したがって、このような効果を得たい場合には、Cuを含有させることができる。しかし、Cu含有量が過剰になると、熱間加工性およびクリープ延性を劣化させる。本発明鋼においては、Cu含有量が3.0%を超えた場合、後述のREMの添加によるクリープ延性改善効果が減少する。したがって、本発明鋼のCu含有量は0〜3.0%とする。より好ましい上限は2.0%、さらに好ましい上限は0.9%である。なお、本発明ではCuは含有させなくてもよいが、クリープ強度向上効果を得るために含有させる場合は、含有量の下限を0.01%とするのが望ましい。
Tiは、炭化物を形成し高温強度向上に寄与する。本発明鋼においてはPとの複合添加によりリン化物として析出し、さらにクリープ強度の向上にも寄与する。その含有量が0.05%未満では十分な効果が得られず、0.6%を超えると溶接性や熱間加工性を低下させる。したがって、Ti含有量は0.05〜0.6%が適正である。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.06%および0.5%である。
本発明鋼において含有量を問題にするAlはsol.Al(酸可溶性Al)である。Alは、溶鋼の脱酸剤として添加される元素であり、その効果を発揮させるためにはsol.Alとして0.001%以上含有させることが必要である。しかし、その含有量が0.1%を超えると高温での使用中にσ相等の金属間化合物析出を促進し、靭性や延性、高温強度を低下させる。したがって、sol.Al含有量の適正範囲は0.001〜0.1%とする。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.005%および0.05%である。さらに好ましい下限と上限は、それぞれ0.01%および0.03%である。
Tiを含有している本発明鋼においては、Nの含有量が0.03%を超えると高温でTiNが析出し、これが粗大な未固溶窒化物として鋼中に残存して熱間加工性および冷間加工性を低下させる。したがって、N含有量は0.03%以下とするべきである。Nの含有量は少ないほど望ましく、より好ましいのは0.02%以下、さらに好ましいのは0.015%以下である。
本発明鋼において、REMは重要な元素の一つである。REMを添加することにより高濃度のP添加により劣化したクリープ延性、溶接性ならびに熱間加工性を回復させることができる。その効果を発揮させるためには0.001%以上含有させることが必要である。しかし、その含有量が0.5%を超えると酸化物などの介在物を増加させる。したがって、REMの含有量の適正範囲は0.001〜0.5%である。なお、より好ましい下限と上限は、それぞれ0.005%および0.2%であり、さらに好ましい上限は0.1%未満である。
REMの中の元素は、単独で添加してもよく、ミッシュメタル(mish metal)のような混合物として添加してもよい。REMの中で特に望ましいのはNdである。
MoおよびWは、本発明鋼の必須成分ではない。しかし、これらは、高温強度およびクリープ強度の向上に有効な元素であるから、必要に応じて添加することができる。単独添加の場合、含有量はそれぞれ0.05%以上とする。複合添加する場合は、合計で0.05%以上とするのがよい。しかしMoは5%、Wは10%を超えると強度向上効果は飽和するとともにσ相などの金属間化合物の生成を招き、組織安定性および熱間加工性が劣化する。したがって添加する場合の上限は、Mo単独で5%、W単独で10%、MoとWを複合添加する場合は、Mo+(W/2)で5%以下とするのがよい。なお、Wはフェライト形成元素のため、オーステナイト組織の安定化のためには、Wの含有量は、4%未満とするのがより好ましい。
Bは、炭窒化物中に、またはB単体で粒界に存在し、高温使用中における炭窒化物の微細分散析出を促進し、粒界強化による粒界すべりの抑制によって高温強度およびクリープ強度を改善する。その効果を発揮させるには0.0005%以上の含有が必要であるが、0.05%を超えると溶接性が劣化する。したがって添加する場合のB含有量の適正範囲は0.0005〜0.05%である。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.001%および0.01%である。さらに好ましい上限は0.005%である。
NbもTiと同様に炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる。その含有量が0.05%未満では十分な効果が得られず、0.8%を超えると溶接性や未固溶窒化物の増加による機械的性質の劣化に加えて熱間加工性、特に1200℃以上での高温延性が著しく低下する。従って、Nb含有量は0.05〜0.8%が適正である。より好ましい上限は0.6%である。
Vは、炭化物を形成し、高温強度およびクリープ強度の向上に有効な元素である。添加する場合、その含有量が0.02%未満では効果がなく、1.5%を超えると耐高温腐食性が劣化し、また脆化相析出に起因して延性および靭性が劣化する。したがって、V含有量は0.02〜1.5%が適正である。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.04%および1%である。
Coは、Niと同様にオーステナイト組織を安定にし、クリープ強度向上にも寄与する。その含有量が0.05%未満では効果がなく、5%を超えると効果が飽和し、経済性も低下する。従って、添加する場合のCo含有量は0.05〜5%とするべきである。
Zrは、粒界強化に寄与し高温強度およびクリープ強度を向上させる。さらに、Sを固着して熱間加工性を改善する効果も有する。その効果を発揮させるには0.0005%以上の含有が必要であるが、0.2%を超えると延性、靭性等の機械的性質が劣化する。したがって、添加する場合のZr含有量は0.0005〜0.2%が適正である。なお、より好ましい下限と上限は、それぞれ0.01%および0.1%、さらに好ましい上限は0.05%である。
Hfは、主として粒界強化に寄与し、クリープ強度を向上させる。その含有量が0.0005%未満では効果がない。一方、その含有量が1%を超えると加工性および溶接性を損なう。したがって、Zrを添加する場合は、その含有量は0.0005〜1%が適正である。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.01%および0.8%、さらに好ましい下限と上限は、それぞれ0.02%および0.5%である。
Taは、炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度、クリープ強度を向上させる。その含有量が0.01%未満の場合は効果がない。一方、Taの含有量が8%を超えると加工性および機械的性質を損なう。したがって、Taを添加する場合は、その含有量を0.01〜8%とするべきである。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.1%および7%、さらに好ましい下限と上限は、それぞれ0.5%および6%である。
MgおよびCaは、熱間加工性を阻害するSを硫化物として固着し熱間加工性を改善する。それぞれの含有量が0.0005%未満では効果がない。一方、それぞれ0.05%を超える含有量のMgおよびCaは、鋼質を害し、かえって熱間加工性や延性を低下させる。したがって、添加する場合のMgおよびCaの含有量は、それぞれ0.0005〜0.05%とするのがよい。より好ましい下限と上限は、それぞれ0.001%および0.02%である。さらに好ましい上限は0.01%である。
まず、上記の化学組成の鋼塊を通常のステンレス鋼の溶製および鋳造方法で製造する。得られた鋼塊を鋳造のまま、または鍛造や分塊圧延でビレットとした後、熱間押出しや熱間圧延等の熱間加工を行う。熱間加工前の加熱温度は1160℃以上、1250℃以下が望ましい。熱間加工終了温度は1150℃以上が望ましい。また、加工終了後は、粗大な炭窒化物の析出を抑えるため、少なくとも500℃までは0.25℃/秒以上の極力早い冷却速度で冷却させるのがよい。
得られたインゴットを熱間鍛造して厚さ40mmの板材とし、高温延性を評価するための丸棒引張試験片(直径10mm、長さ130mm)を機械加工により作製した。さらに熱間鍛造により厚さ15mmの板材とし、軟化熱処理の後、厚さ10mmまで冷間圧延し、1150℃で15分保持した後、水冷した。
上記の各試験の結果を表2に示す。
本発明の鋼は、650℃〜700℃以上の高温下で使用される耐熱耐圧部材として好適である。この鋼を用いたプラントでは、操業の高効率化が可能であるから、そのプラントで製造される製品の製造コストの削減も可能となる。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:2%以下、Mn:0.1〜3%、P:0.05〜0.30%、S:0.03%以下、Cr:15〜28%、Ni:8〜55%、Cu:0〜3.0%、Ti:0.05〜0.6%、REM:0.001〜0.5%、sol.Al:0.001〜0.1%、N:0.03%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼。
- Feの一部に代えて、質量%で、さらにMo:0.05〜5%、W:0.05〜10%、ただしMo+(W/2)は5%以下、B:0.0005〜0.05%、Nb:0.05〜0.8%、V:0.02〜1.5%、Co:0.05〜5%、Zr:0.0005〜0.2%、Hf:0.0005〜1%およびTa:0.01〜8%のうちの1種以上を含有する請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- Feの一部に代えて、質量%で、さらにMg:0.0005〜0.05%およびCa:0.0005〜0.05%の一方または両方を含有する請求項1または請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- REMがNdである請求項1から請求項3までのいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
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