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技術 高温酸化特性を改善した高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材

出願人 日鉄日新製鋼株式会社
発明者 奥学藤村佳幸名越敏郎平松直人
出願日 1999年3月4日 (21年3ヶ月経過) 出願番号 1999-057733
公開日 2000年9月19日 (19年9ヶ月経過) 公開番号 2000-256797
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 使用限界温度 排ガス経路部材 オーステナイト系ステンレス鋼材 大気加熱 ビード割れ 廃棄物焼却プラント スケール剥離量 高温酸化特性
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図面 (2)

課題

900℃以上の高温域使用可能な高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材を提供する。

解決手段

質量%で、C:0.1%以下,Si:2.0%超え〜4.5%,Mn:5.0%超え〜7.0%,Ni:3.0〜5.0%,Cr:15.0〜25.0%,N:0.10〜0.25%,Al:0〜2.5%(無添加を含む),好ましくは0.5〜2.5質量%,REM:0〜0.1%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材。

概要

背景

ステンレス鋼は良好な耐食性および耐熱性を有するため、上記の用途に幅広く使用されている。耐熱用途において最も重要な特性は、高温酸化特性および高温強度である。

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べ高温酸化特性に優れ、また熱膨張係数が小さいことから、熱応力が繰り返される用途、例えば各種燃焼器具自動車排ガス部材に適している。しかし、高温強度がオーステナイト系ステンレス鋼に比べ本質的に低く、構造材としては650℃程度が使用限界温度とされる。

オーステナイト系ステンレス鋼は、JIS G 4305に規定される300系(SUS304,SUS316,SUS302B,SUS310S等)や200系(SUS201,SUS202等)のものが耐熱用途に幅広く使用されており、使用温度が700℃を超える構造材などの用途にも適用されている。

300系のオーステナイト系ステンレス鋼はMn含有量が2.0質量%以下に規定されていて耐高温酸化性にも比較的優れている。SUS304やSUS316は850〜900℃までの温度で使用可能とされ、SUS302B,SUS310Sでは900℃を超える高温域で使用可能とされる。

一方、200系のオーステナイト系ステンレス鋼はNiをMnで置換した高Mnステンレス鋼であり、Nを多く含むため高温強度が高く、また安価であることが特徴である。これらは各種内燃機関弁用部材や各種プラント耐熱耐摩耗部材に使用されている。しかしながら、200系のものはMn含有量が高いことに起因して300系のものより耐高温酸化性に劣り、SUS201やSUS202の使用限界温度は800〜850℃付近までとされている。近年開発されたCr含有量の高い高Mn系ステンレス鋼では耐高温酸化性も多少向上しているが、それでも使用限界温度はSUS304と同程度で高々850〜900℃までとされる。

概要

900℃以上の高温域で使用可能な高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材を提供する。

質量%で、C:0.1%以下,Si:2.0%超え〜4.5%,Mn:5.0%超え〜7.0%,Ni:3.0〜5.0%,Cr:15.0〜25.0%,N:0.10〜0.25%,Al:0〜2.5%(無添加を含む),好ましくは0.5〜2.5質量%,REM:0〜0.1%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材。

目的

本発明は、このような現状に対応すべく、900℃以上の高温域においても優れた耐高温酸化性を呈する高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

質量%で、C:0.1%以下,Si:2.0%超え〜4.5%,Mn:5.0%超え〜7.0%,Ni:3.0〜5.0%,Cr:15.0〜25.0%,N:0.10〜0.25%,Al:0〜2.5%(無添加を含む),REM:0〜0.1%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材。

請求項2

Al含有量が0.5〜2.5質量%である請求項1に記載の鋼材

請求項3

1000℃×100時間の大気連続加熱後の酸化増量が0.1kg/m2未満,1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量が0.2kg/m2以下,かつ900℃における0.2%耐力が90N/mm2以上である請求項1または2に記載の鋼材。

請求項4

1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量が0.1kg/m2未満である請求項3に記載の鋼材。

技術分野

0001

本発明は、各種熱機関、例えば発電廃棄物焼却プラント高温燃焼雰囲気に曝される部材や、内燃機関排ガス経路部材に使用される、高温酸化特性および高温強度に優れた高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材に関するものである。

背景技術

0002

ステンレス鋼は良好な耐食性および耐熱性を有するため、上記の用途に幅広く使用されている。耐熱用途において最も重要な特性は、高温酸化特性および高温強度である。

0003

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べ高温酸化特性に優れ、また熱膨張係数が小さいことから、熱応力が繰り返される用途、例えば各種燃焼器具自動車排ガス部材に適している。しかし、高温強度がオーステナイト系ステンレス鋼に比べ本質的に低く、構造材としては650℃程度が使用限界温度とされる。

0004

オーステナイト系ステンレス鋼は、JIS G 4305に規定される300系(SUS304,SUS316,SUS302B,SUS310S等)や200系(SUS201,SUS202等)のものが耐熱用途に幅広く使用されており、使用温度が700℃を超える構造材などの用途にも適用されている。

0005

300系のオーステナイト系ステンレス鋼はMn含有量が2.0質量%以下に規定されていて耐高温酸化性にも比較的優れている。SUS304やSUS316は850〜900℃までの温度で使用可能とされ、SUS302B,SUS310Sでは900℃を超える高温域で使用可能とされる。

0006

一方、200系のオーステナイト系ステンレス鋼はNiをMnで置換した高Mnステンレス鋼であり、Nを多く含むため高温強度が高く、また安価であることが特徴である。これらは各種内燃機関の弁用部材や各種プラント耐熱耐摩耗部材に使用されている。しかしながら、200系のものはMn含有量が高いことに起因して300系のものより耐高温酸化性に劣り、SUS201やSUS202の使用限界温度は800〜850℃付近までとされている。近年開発されたCr含有量の高い高Mn系ステンレス鋼では耐高温酸化性も多少向上しているが、それでも使用限界温度はSUS304と同程度で高々850〜900℃までとされる。

発明が解決しようとする課題

0007

オーステナイト系ステンレス鋼の耐高温酸化性を改善する手段に関し、Mn含有量が2.0質量%以下の300系については従来から多くの検討がなされており、例えば特公昭54−12890号公報に開示されているように、Cr,Si,Al,REM希土類元素),Ca等の元素が有効に作用することが知られている。しかし、200系の高Mnオーステナイト系ステンレス鋼の場合、高温酸化の厳しい用途には適さないとされており、その耐高温酸化性の改善を検討した例は非常に少ない。その中で、特開昭57−108250号公報には、95%窒素−5%酸素雰囲気中1200℃×2時間までの加熱条件においてCaおよびREMの添加が有効であることが示されている。しかしこれは、鋼材製造過程スラブ加熱を想定したものであり、耐熱部材として大気中で高温に曝される場合の耐高温酸化性改善を意図したものではない。高Mnオーステナイト系ステンレス鋼において、900℃以上の高温大気中における耐高温酸化性を向上させる手法は確立されておらず、SUS302BやSUS310Sのように900℃以上の高温域で使用できる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼は未だ出現していないのが現状である。

0008

本発明は、このような現状に対応すべく、900℃以上の高温域においても優れた耐高温酸化性を呈する高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、質量%で、C:0.1%以下,Si:2.0%超え〜4.5%,Mn:5.0%超え〜7.0%,Ni:3.0〜5.0%,Cr:15.0〜25.0%,N:0.10〜0.25%,Al:0〜2.5%(無添加を含む),REM:0〜0.1%(無添加を含む)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材である。ここで、REMはCe,La,Y等に代表される希土類元素であり、希土類元素の合計含有量を規定するものである。

0010

請求項2の発明は、請求項1の発明において、Al含有量が0.5〜2.5質量%である点を規定したものである。

0011

請求項3の発明は、請求項1または2の鋼材において、特に、1000℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量が0.1kg/m2未満,1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量が0.2kg/m2以下,かつ900℃における0.2%耐力が90N/mm2以上である点を規定したものである。

0012

ここで、酸化増量は、JIS Z 2281に準拠した高温酸化試験を実施して求める。加熱→空冷過程酸化スケール剥離した場合は剥離した酸化スケールの質量も含めて酸化増量を算出する。900℃における0.2%耐力は、JIS G 0567に準拠した高温引張試験を行って求める。

0013

請求項4の発明は、請求項3の発明において、1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量が0.1kg/m2未満である点を規定したものである。

発明を実施するための最良の形態

0014

発明者らは種々検討の結果、Mnを多量に含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Siを特定量以上含有させたとき、900℃以上の高温域での耐高温酸化性が顕著に向上することを見出した。また、微量のAlやREMをSiと複合で含有させると、さらに良好な耐高温酸化性を示すことも明らかになった。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。

0015

高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材の耐高温酸化性に及ぼすSi含有量の影響を調査した一例として、図1に、Fe−17Cr−6Mn−4Ni−0.2Nを基本成分とする高Mnオーステナイト系ステンレス鋼においてSi含有量を変化させたときの、耐高温酸化性に及ぼすSi含有量の影響を示す。図1には、1000℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量と、1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量のデータを示してある。また、比較のため、SUS304およびSUS310Sについての1100℃×100時間加熱による酸化増量もプロットしてある。

0016

図1から、高Mnオーステナイト系ステンレス鋼にSiを添加していくと、Si含有量の増加とともに酸化増量は減少し、Si含有量が2.0質量%を超えたときに酸化増量は極めて低い値に安定することがわかる。加熱温度が1000℃の場合と1100℃の場合とを比較すると、Si含有量が2質量%以下の範囲では両者の酸化増量に大きな差が見られる。これは、加熱温度が高いほど酸化激しくなるという、材料の一般的な性質を示しているものといえる。一方、Si含有量が2.0質量%を超えると、1000℃,1100℃いずれの場合でも酸化増量は非常に少なくなる。また、スケール剥離量も極めて少なくなる。本発明ではこの新たな知見に基づき、高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材の耐高温酸化性をSUS310Sと同程度にまで向上させることを可能にした。以下、本発明を特定する事項について説明する。

0017

Cは、一般にクリープ特性を向上させる元素として有効であるが、0.10質量%を超えると炭化物析出による脆化溶接施工時ビード割れを誘発しやすくなる。したがって、C含有量は0.1質量%以下とした。

0018

Siは、前述のように2.0質量%を超える含有量とすることで高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材の高温酸化特性を著しく改善する他、高温腐食特性を向上させるためにも有効に作用する。しかし、Siを4.5質量%を超えて多量に含有させると、σ脆化感受性が高くなり、また、溶接性および熱間加工性の低下も懸念される。このため、Si含有量は2.0質量%を超え4.5質量%以下の範囲に規定した。好ましいSi含有量の範囲は2.0質量%を超え4.0質量%以下である。なお、特に優れた耐高温酸化性を安定して得るためにはSiを3.5質量%以上含有させるのがよい。 したがって、高温酸化特性を特に重視する場合は、Si含有量を3.5〜4.5質量%にするのがよい。より一層好ましいSi含有量の範囲は3.5〜4.0質量%である。

0019

Mnは、本成分系においてはオーステナイト生成元素であるNiの代替として添加される。Mn含有量が少ないとNiまたはNを多量に添加する必要があるが、Niの多量添加は製鋼原価の上昇を、またNの多量添加は鋼の硬質化を招く。一方、Mn含有量が多くなりすぎると、Siを2.0質量%を超えて添加しても十分な耐高温酸化性が得られなくなる。したがって、Mn含有量は5.0質量%を超え7.0質量%以下の範囲に規定した。

0020

Niは、オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる基本元素の1つである。本成分系ではNiの替わりにMnおよびNを含有させてオーステナイト組織とするため、300系のオーステナイト系ステンレス鋼ほどの添加は必要としない。製造コストの低減とオーステナイト単相組織を得ることを目的として、Ni含有量は3.0〜5.0質量%とした。

0021

Crは、ステンレス鋼材の耐高温酸化性を確保するのに不可欠な元素であるが、15.0質量%未満では十分な特性が得られない。一方、25.0質量%を超えるとδフェライトが生成しやすくなり、σ脆化の促進を招く。したがって、Cr含有量は15.0〜25.0質量%とした。

0022

Nは、オーステナイト系ステンレス鋼材の高温強度を上昇させる元素であるが、本成分系ではNiの代替元素としての役割もある。0.10質量%未満では強度上昇の効果が小さいこと、0.25質量%を超えると加工性劣化することから、N含有量は0.10〜0.25質量%とした。

0023

Alは、鋼の溶製時に残存酸素を除去する脱酸剤として作用するとともに、耐高温酸化性の改善に有効に作用する。これらの作用は0.5質量%以上のAl含有により、一層効果的に発揮される。ただし、2.5質量%を超えると加工性および溶接性の劣化を招くようになる。したがって、Alを添加する場合は、0.5〜2.5質量%の含有量とすることが望ましい。

0024

REM(希土類元素)は、Cr,Siなどからなる酸化皮膜保護性を著しく改善する。しかし、多量に添加すると熱間加工性を害する。このため、REMを添加する場合は、1.0質量%以下の含有量とすることが望ましい。

0025

表1に示す鋼を真空溶解炉にて30kg溶製し、熱延焼鈍冷延→焼鈍の工程で板厚2.0mmの供試材を得た。各供試材について、高温引張試験,高温酸化試験および常温引張試験を実施した。高温引張試験では、JIS G 0567に準拠して900℃における0.2%耐力を求めた。高温酸化試験では、JIS Z 2281に準拠して1000℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量および1100℃×100時間の大気中連続加熱後の酸化増量を求めた。常温引張試験では、JIS Z 2241に準拠した引張試験を25℃で行い、伸びを求めて加工性の指標とした。結果を表2に示す。

0026

0027

0028

表2の結果にみられるように、発明例である鋼No.01〜07では、大気中連続加熱後の酸化増量が、1000℃×100時間の加熱で0.1kg/m2未満、かつ1100℃×100時間の加熱で0.2kg/m2以下であり、良好な耐高温酸化性を呈する。特にSi含有量が3.5質量%以上であるNo.02,04、AlまたはREMを添加したNo.06,07は、いずれも1100℃×100時間の加熱後の酸化増量が0.1kg/m2未満と、非常に優れた耐高温酸化性を示す。また、発明例のものはいずれも900℃の0.2%耐力が90N/mm2以上であり、この値はSUS304よりも高く、SUS201と同レベルの優れたものである。常温での伸びも50%以上であり、比較的良好な加工性を有している。

0029

一方、比較例のNo.08(SUS201相当)およびNo.09は、Si含有量が低いため十分な耐高温酸化性を示さない。No.10はSi含有量が多いため耐高温酸化性には優れるものの、伸び(加工性)は劣っている。No.11はSUS304相当鋼であり、高温酸化特性はSUS201よりも良好であるが、上記本発明例の鋼材には及ばない。またN含有量が少ないため高温強度は本発明例の鋼材より大きく劣る。No.12はSUS202系鋼にSiを多量に添加したものであるが、Mn含有量が本発明規定範囲から外れて多いため、高温酸化特性の改善は十分でない。

発明の効果

0030

本発明により、高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材の耐高温酸化性を大幅に向上させることができ、900℃以上の高温域で使用可能な高Mnオーステナイト系ステンレス鋼材が得られた。

図面の簡単な説明

0031

図1Fe−17Cr−6Mn−4Ni−0.2N系高Mnオーステナイト系ステンレス鋼の1000℃または1100℃×100時間大気加熱後の酸化増量に及ぼすSi含有量の影響を表したグラフである。

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