図面 (/)

技術 オーステナイト系耐熱鋼

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 石川茂浩西山佳孝仙波潤之岡田浩一
出願日 2012年8月28日 (8年4ヶ月経過) 出願番号 2012-187431
公開日 2014年3月13日 (6年9ヶ月経過) 公開番号 2014-043621
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 長時間加熱後 耐高温腐食 耐圧部材 熱間加工性改善 耐水蒸気酸化特性 オーステナイト系耐熱鋼 希土類元素含有量 溶接特性
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年3月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (0)

図面はありません

課題

700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織定性を有して高温強度に優れ、かつ長時間時効後も優れた靱性を有する低炭素オーステナイト系耐熱鋼の提供。

解決手段

C<0.02%、Si≦2%、Mn≦2%、Cr:15〜26%、Ni:20〜35%、Al≦0.3%、P≦0.04%、S≦0.01%、N≦0.05%を含むとともに、Ti≦3.0(0%を含む)、V≦3.0(0%を含む)、Nb<2.3%(0%を含む)およびTa≦2.0(0%を含む)から選択される1種以上を含み、かつ〔1.5≦2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta≦6.0〕を満たし、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼。Feの一部に代えて、特定量の、W、Mo、Co、Ca、Mg、希土類元素、B、Zr、HfおよびReから選択される1種以上の元素を含有してもよい。

概要

背景

従来、高温環境下で使用されるボイラ化学プラント等においては、装置用材料として18−8系のオーステナイト系ステンレス鋼、例えばSUS304H、SUS316H、SUS321H、SUS347H等が使用されてきた。

しかしながら、近年、高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなり、従来用いられてきた18−8系のオーステナイト系ステンレス鋼では、高温強度、特にクリープ強度が著しく不足する状況となっている。

そこで、各種元素含有量を最適化することにより、クリープ強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が開発されてきた。

例えば、特許文献1および特許文献2に、Nb、CおよびNを含有して、炭化物、窒化物および炭窒化物を形成して、鋼の高温強度を向上させるとともに、Cuを含有することで、オーステナイト母相中に金属Cuを析出させて、さらなる高温強度の向上を実現した「オーステナイト系耐熱鋼」および「オーステナイト系ステンレス鋼」がそれぞれ、開示されている。

最近では、火力発電プラントのさらなる高温高圧化が進められ、蒸気温度700℃級の環境下においても使用可能な耐熱鋼への要求が高まっており、より高温での組織定性に優れた高強度耐熱鋼の開発も行われている。

例えば、特許文献3および特許文献4に、Cの含有量を低減させ、Nbを主構成元素とする金属間化合物であるFe2Nb相およびNi3Nb相をそれぞれ、粒界および粒内に析出させて700℃以上の高温域におけるクリープ強度を高めた「オーステナイト系ステンレス鋼」が開示されている。上記のFe2Nb相およびNi3Nb相は、従来の炭化物、窒化物または炭窒化物に比べて高温長時間における相安定性に優れ、また粗大化の進行も遅い。このため、Fe2Nb相およびNi3Nb相を利用する上記の鋼は、従来の炭化物、窒化物または炭窒化物によって強化された鋼を超える高温強度を有している。

概要

700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織安定性を有して高温強度に優れ、かつ長時間時効後も優れた靱性を有する低炭素のオーステナイト系耐熱鋼の提供。C<0.02%、Si≦2%、Mn≦2%、Cr:15〜26%、Ni:20〜35%、Al≦0.3%、P≦0.04%、S≦0.01%、N≦0.05%を含むとともに、Ti≦3.0(0%を含む)、V≦3.0(0%を含む)、Nb<2.3%(0%を含む)およびTa≦2.0(0%を含む)から選択される1種以上を含み、かつ〔1.5≦2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta≦6.0〕を満たし、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系耐熱鋼。Feの一部に代えて、特定量の、W、Mo、Co、Ca、Mg、希土類元素、B、Zr、HfおよびReから選択される1種以上の元素を含有してもよい。なし

目的

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織安定性を有して高温強度に優れ、かつ長時間時効後に優れた靱性を有する低炭素のオーステナイト系耐熱鋼を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

該当するデータがありません

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

質量%で、C:0.02%未満、Si:2%以下、Mn:2以下、Cr:15〜26%、Ni:20〜35%、Al:0.3%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下およびN:0.05%以下を含むとともに、Ti:3.0%以下(0%を含む)、V:3.0%以下(0%を含む)、Nb:2.3%未満(0%を含む)およびTa:2.0%以下(0%を含む)から選択される1種以上を含み、かつ下記の式(1)で表されるf1が1.5〜6.0を満たし、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋼。f1=2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta・・・(1)上記の式(1)における元素記号は、各元素含有量(質量%)を意味する。

請求項2

Feの一部に代えて、質量%で、W:7.0%以下およびMo:3.0%以下から選択される1種以上を含有し、かつ下記の式(2)で表されるf2が1.0〜5.0であることを特徴とする、請求項1に記載のオーステナイト系耐熱鋼。f2=(1/2)W+Mo・・・(2)上記の式(2)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

請求項3

Feの一部に代えて、質量%で、下記の(a)から(d)までに示される元素から選択される1種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載のオーステナイト系耐熱鋼。(a):Co:5%以下(b):Ca:0.05%以下、Mg:0.05%以下および希土類元素:0.2%以下(c):B:0.01%以下、Zr:0.2%以下およびHf:0.2%以下、ならびに(d):Re:3%以下

技術分野

0001

本発明は、オーステナイト系耐熱鋼に関する。詳しくは、本発明は、発電用ボイラ化学工業用プラント等において鋼管耐熱耐圧部材鋼板棒鋼鍛造品等として用いられる高温強度に優れた低炭素の高Crオーステナイト系耐熱鋼に関する。

背景技術

0002

従来、高温環境下で使用されるボイラ化学プラント等においては、装置用材料として18−8系のオーステナイト系ステンレス鋼、例えばSUS304H、SUS316H、SUS321H、SUS347H等が使用されてきた。

0003

しかしながら、近年、高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなり、従来用いられてきた18−8系のオーステナイト系ステンレス鋼では、高温強度、特にクリープ強度が著しく不足する状況となっている。

0004

そこで、各種元素含有量を最適化することにより、クリープ強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が開発されてきた。

0005

例えば、特許文献1および特許文献2に、Nb、CおよびNを含有して、炭化物、窒化物および炭窒化物を形成して、鋼の高温強度を向上させるとともに、Cuを含有することで、オーステナイト母相中に金属Cuを析出させて、さらなる高温強度の向上を実現した「オーステナイト系耐熱鋼」および「オーステナイト系ステンレス鋼」がそれぞれ、開示されている。

0006

最近では、火力発電プラントのさらなる高温高圧化が進められ、蒸気温度700℃級の環境下においても使用可能な耐熱鋼への要求が高まっており、より高温での組織定性に優れた高強度耐熱鋼の開発も行われている。

0007

例えば、特許文献3および特許文献4に、Cの含有量を低減させ、Nbを主構成元素とする金属間化合物であるFe2Nb相およびNi3Nb相をそれぞれ、粒界および粒内に析出させて700℃以上の高温域におけるクリープ強度を高めた「オーステナイト系ステンレス鋼」が開示されている。上記のFe2Nb相およびNi3Nb相は、従来の炭化物、窒化物または炭窒化物に比べて高温長時間における相安定性に優れ、また粗大化の進行も遅い。このため、Fe2Nb相およびNi3Nb相を利用する上記の鋼は、従来の炭化物、窒化物または炭窒化物によって強化された鋼を超える高温強度を有している。

先行技術

0008

特開平8−13102号公報
特開2004−323937号公報
特開2011−195880号公報
特開2012−46796号公報

発明が解決しようとする課題

0009

特許文献1および特許文献2で提案された鋼は、優れた高温強度を有するものの、現状に比べてさらなる高温・高圧化し蒸気温度が700℃以上となるような非常に厳しい材料使用条件においては、クリープ強度がわずかに不足している。

0010

火力発電プラントなどに用いられる部材同士溶接によって接合されることがあり、優れた溶接特性が求められる。

0011

しかし、特許文献3および特許文献4で提案された鋼には非常に多くのNb(具体的には、それぞれ、3.0〜3.6%と2.3〜5.0%)が含まれる。このため、18−8系のオーステナイト系ステンレス鋼に比べると、長時間の時効後靱性が低下することがある。また、溶接性もわずかに低下することがある。

0012

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織安定性を有して高温強度に優れ、かつ長時間時効後に優れた靱性を有する低炭素のオーステナイト系耐熱鋼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

0013

本発明者らは、700℃以上の高温において、既存のオーステナイト系ステンレス鋼よりも良好な耐食性を確保することができるオーステナイト系耐熱鋼、具体的には、15〜26%のCrおよび20〜35%のNiを含有するオーステナイト系耐熱鋼を用いて、優れた高温強度を確保し、なおかつ長時間時効後の靱性を改善するための検討を行った。

0014

その結果、先ず、下記<a>〜<d>の知見を得た。

0015

<a>700℃以上の高温においては、炭化物に比べて金属間化合物の方が相安定性に優れる。このため、金属間化合物によって組織安定性を改善すれば、クリープ強度を向上させることができる。

0016

<b>Cの含有量を、従来のオーステナイト系ステンレス鋼および耐熱鋼(以下、簡単のために単に「オーステナイト系耐熱鋼」ということがある。)に比べて大幅に低下させて、0.02%未満とすれば、M23C6など従来のオーステナイト系耐熱鋼において析出強化相として用いられる炭化物の析出量が大幅に減少する。

0017

<c>Cの含有量が0.02%未満で析出強化相として炭化物を用い難い場合でも、Nbを含有させれば、ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb)といった金属間化合物が容易に析出して、結晶粒界および結晶粒内を強化することができる。

0018

<d>Nb単独で十分な金属間化合物による析出強化を得るためには、2.3%以上のNbの含有量が必要であるが、多量のNbを含むと長時間時効後に靱性が低下することがある。

0019

そこで、Nbの含有量を低減させ、かつ優れた高温強度を確保するための合金設計について種々検討を行った。

0020

その結果、下記<e>〜<h>の重要な知見を得た。

0021

<e>Taは、ラーベス相および/またはNi3M相(M:NbおよびTaの1種以上)の析出を強力に促進する元素である。このため、適正量のTaを含有させることで、結晶粒界および結晶粒内を金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:NbおよびTaの1種以上))によって析出強化し、クリープ強度を向上させることが可能となる。しかしながら、Taの含有量が多くなり過ぎると、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:NbおよびTaの1種以上))の体積率が過剰となり、脆化が生じる。

0022

<f>Tiは、金属間化合物であるラーベス相および/またはNi3M相(M:NbおよびTiの1種以上)の析出を強力に促進する元素である。このため、適正量のTiを含有させれば、結晶粒界および結晶粒内を金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:NbおよびTiの1種以上))によって析出強化して、高温長時間での高い組織安定性を確保できるので、クリープ強度が向上する。また、Vを含有させることで、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、TiおよびVの1種以上))の析出が促進される。しかし、Tiおよび/またはVの含有量が多くなり過ぎると、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、TiおよびVの1種以上))の体積率が過剰となって、脆化が生じる。

0023

<g>Ti、VおよびTaのうちの1種以上を含有させるか、または、これらの元素の1種以上をNbとともに含有させることで、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の析出が促進され、Nbを単独で含有させる場合に比べて、Nb含有量を低減させることが可能となる。

0024

<h>高強度化を達成するとともに、良好なクリープ延性ならびに、長時間時効後の優れた延性および靱性を確保するためには、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の析出を促進する元素であるTi、V、NbおよびTaの含有量について、「2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta」で表わされる量を1.5〜6.0%にする必要がある。

0025

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記のオーステナイト系耐熱鋼にある。

0026

(1)質量%で、C:0.02%未満、Si:2%以下、Mn:2以下、Cr:15〜26%、Ni:20〜35%、Al:0.3%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下およびN:0.05%以下を含むとともに、Ti:3.0%以下(0%を含む)、V:3.0%以下(0%を含む)、Nb:2.3%未満(0%を含む)およびTa:2.0%以下(0%を含む)から選択される1種以上を含み、かつ下記の式(1)で表されるf1が1.5〜6.0を満たし、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋼。
f1=2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta・・・(1)
上記の式(1)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

0027

(2)Feの一部に代えて、質量%で、W:7.0%以下およびMo:3.0%以下から選択される1種以上を含有し、かつ下記の式(2)で表されるf2が1.0〜5.0であることを特徴とする、上記(1)に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
f2=(1/2)W+Mo・・・(2)
上記の式(2)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

0028

(3)Feの一部に代えて、質量%で、下記の(a)から(d)までに示される元素から選択される1種以上を含有することを特徴とする、上記(1)または(2)に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
(a):Co:5%以下
(b):Ca:0.05%以下、Mg:0.05%以下および希土類元素:0.2%以下
(c):B:0.01%以下、Zr:0.2%以下およびHf:0.2%以下、ならびに
(d):Re:3%以下

発明の効果

0029

本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織安定性を有するため、クリープ強度に優れている。さらに、この鋼は、長時間時効後の靱性にも優れている。このため、700℃以上の高温に曝される発電用ボイラ、化学工業用プラント等において鋼管、耐熱・耐圧部材の鋼板、棒鋼、鍛造品等として好適に用いることができる。

0030

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。

0031

C:0.02%未満
Cは、従来の高温で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼および耐熱鋼において、炭化物を形成してクリープ強度を確保するための有効かつ重要な元素とされていた。しかし、本発明では、高温において炭化物に比べて安定な金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))によって高強度化を実現する。

0032

Cの含有量が多くなると、上述した金属間化合物の析出量が減少して高強度化が困難になり、しかも、炭化物が過剰に析出して靱性などの機械的性質劣化する。さらに、Cの含有量が多い場合には、溶接性も低下する。したがって、Cの含有量は少なくする必要があるため、0.02%未満とした。Cの含有量は、0.015%以下とすることが好ましい。

0033

なお、Cの含有量には、特に下限は設けないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。このため、C含有量の下限は0.003%とすることが好ましく、0.005%とすればさらに好ましい。

0034

Si:2%以下
Siは、製鋼時の脱酸ならびに鋼の耐酸化性および耐水蒸気酸化性を高めるために必要な元素である。しかし、その含有量が過剰になると鋼の熱間加工性が低下する。そのため、上限を設けて、Siの含有量を2%以下とした。Siの含有量は、好ましくは1.0%以下である。他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にSiの含有量について下限を設ける必要はない。

0035

なお、脱酸作用、耐酸化性および耐水蒸気酸化性等の効果を安定して得るためには、Si含有量は0.03%以上とするのが好ましく、0.06%以上とすればさらに好ましい。

0036

Mn:2%以下
Mnは、鋼中に含まれる不純物のSと結合してMnSを形成し、熱間加工性を向上させる。一方、その含有量が過剰になると、鋼が硬くなって脆くなり、かえって熱間加工性および溶接性が損なわれる。そのため、上限を設けて、Mnの含有量を2%以下とした。Mnの含有量は、好ましくは1.2%以下である。

0037

なお、熱間加工性改善作用を安定して得るためには、Mn含有量は、0.1%以上とすることが好ましく、0.5%以上とすればさらに好ましい。

0038

Cr:15〜26%
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性および耐食性を確保するために重要な元素である。700℃以上の高温環境下での有効な耐酸化特性耐水蒸気酸化特性および耐高温腐食特性を得るためには、15%以上のCr含有量が必要である。前記の耐食性はCr含有量が多いほど向上するが、26%を超えると、組織安定性が低下してクリープ強度が損なわれる。さらに、オーステナイト組織を安定にするために高価なNiの含有量増加を余儀なくされるだけでなく、溶接性も低下する。したがって、Crの含有量を15〜26%とした。Crの含有量は、17%以上とすることが好ましく、また24%以下とすることが好ましい。

0039

Ni:20〜35%
Niは、オーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも重要な元素であり、20%以上の含有量とする必要がある。一方、過剰なNiはコスト上昇を招くだけでなく、クリープ強度の低下を招く。そのため、上限を設けて、Niの含有量を20〜35%とした。Niの含有量は、25%を超えることが好ましく、28%以上であればさらに好ましい。また、Niの含有量は、33%以下とすることが好ましく、31%以下とすればさらに好ましい。

0040

Al:0.3%以下
Alは、脱酸作用を有するが、多量に含まれると、組織安定性が低下する。そのため、上限を設けてAlの含有量を0.3%以下とした。なお、Alの含有量は、0.0005%以上とすることが好ましい。また、Alの含有量は、0.25%以下とすることが好ましく、0.20%以下とすればさらに好ましい。

0041

P:0.04%以下
Pは、不純物として鋼中に不可避的に混入する元素であるが、過剰なPは溶接性および熱間加工性を害する。そのため、上限を設けて、Pの含有量を0.04%以下とした。Pの含有量は、0.03%以下とすることが好ましく、少なければ少ないほどよい。

0042

S:0.01%以下
Sも上記のPと同様に不純物として鋼中に不可避的に混入する元素であるが、過剰なSは溶接性および熱間加工性を害する。そのため、上限を設けて、Sの含有量を0.01%以下とした。Sの含有量は、0.008%以下とすることが好ましく、少なければ少ないほどよい。

0043

N:0.05%以下
Nは、オーステナイト組織を安定化する作用を有し、通常の溶解法では不可避的に含まれる元素である。しかし、多量のNは、CとともにTiなどと未固溶で残る炭窒化物を形成して靱性が損なわれる。したがって、上限を設けて、Nの含有量を0.05%以下とした。なお、Nの含有量は、0.04%以下とすることが好ましい。

0044

本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、上述した量のCからNまでの元素を含むとともに、以下に示す量のTi、V、NbおよびTaから選択される1種以上を含み、かつ
f1=2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta・・・(1)
で表されるf1が1.5〜6.0を満たす必要がある。

0045

ただし、式(1)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

0046

以下に、上記のことについて詳しく説明する。

0047

Ti:3.0%以下(0%を含む)
Tiは、析出強化相となる金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Ti))を形成して、結晶粒界および結晶粒内での析出強化に寄与し、クリープ強度を向上させる元素である。なお、V、NbおよびTaもTiと同様の作用を有する。このため、Ti、V、NbおよびTaから選択される1種以上を含有させる。しかし、Tiを単独またはV、NbやTaと複合で含有させるときの含有量が多量になると、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の体積率が過剰となり、高温延性および/または熱間加工性が損なわれる。また、長時間時効後の靱性も低下する。このため、Tiの含有量を3.0%以下(0%を含む)とした。なお、Tiの含有量は、0.2%以上とすることが好ましく、また2.5%以下とすることが好ましい。上記のTi含有量が0%とは、Tiを含有させない場合である。

0048

V:3.0%以下(0%を含む)
Vは、析出強化相となる金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:V))の析出を促進して、結晶粒界および結晶粒内での析出強化に寄与し、クリープ強度を向上させる元素である。なお、Ti、NbおよびTaもVと同様の作用を有する。このため、Ti、V、NbおよびTaから選択される1種以上を含有させる。しかし、Vの単独またはTi、NbやTaとの複合での含有量が多量になると、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の体積率が過剰となり、高温延性および/または熱間加工性が損なわれる。また長時間時効後の靱性も低下する。このため、Vの含有量を3.0%以下(0%を含む)とした。なお、Vの含有量は、0.2%以上とすることが好ましく、また2.0%以下とすることが好ましい。上記のV含有量が0%とは、Vを含有させない場合である。

0049

Nb:2.3%未満(0%を含む)
Nbは、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Nb))の形成を促進し、結晶粒界および結晶粒内での析出強化に寄与し、クリープ強度の向上に有用な元素である。なお、Ti、VおよびTaもNbと同様の作用を有する。このため、Ti、V、NbおよびTaから選択される1種以上を含有させる。しかし、Nbの単独またはTi、VやTaとの複合での含有量が多量となると、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の体積率が過剰となり、脆化が生じる。このため、Nbの含有量を2.3%未満(0%を含む)とした。なお、Nbの含有量は、0.1%以上とすることが好ましく、また1.8%以下とすることが好ましい。上記のNb含有量が0%とは、Nbを含有させない場合である。

0050

Ta:2.0%以下(0%を含む)
Taは、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Ta))の形成を促進し、結晶粒界および結晶粒内での析出強化に寄与し、クリープ強度の向上に有用な元素である。なお、Ti、VおよびNbもTaと同様の作用を有する。このため、Ti、V、NbおよびTaから選択される1種以上を含有させる。しかし、Taの単独またはTi、VやNbとの複合での含有量が多量となると、金属間化合物(ラーベス相およびNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の体積率が過剰となり、脆化が生じる。このため、Taの含有量を2.0%以下(0%を含む)とした。なお、Taの含有量は、0.1%以上とすることが好ましく、また1.5%以下とすることが好ましい。上記のTa含有量が0%とは、Taを含有させない場合である。

0051

f1:1.5〜6.0
f1=2Ti+2V+Nb+(1/2)Ta・・・(1)
で表されるf1が1.5未満では、金属間化合物(ラーベス相および/またはNi3M相(M:Nb、Ta、TiおよびVの1種以上))の形成によるクリープ強度の向上が達成されない。一方、f1が6.0を超えると、良好なクリープ延性ならびに、長時間時効後の優れた延性および靱性を確保できない。したがって、f1を1.5〜6.0とした。f1は、2.0を超えることが好ましい。なお、式(1)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

0052

本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、上述した各元素を含有し、残部がFeおよび不純物からなるものである。

0053

なお、「不純物」とは、耐熱鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。

0054

本発明のオーステナイト系耐熱鋼には、上述のFeの一部に代えて、以下に示すW、Mo、Co、Ca、Mg、希土類元素、B、Zr、HfおよびReから選択される1種以上の元素を含有させてもよい。

0055

以下、任意元素である上記W、Mo、Co、Ca、Mg、希土類元素、B、Zr、HfおよびReの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

0056

WおよびMoは、いずれもクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じて下記の範囲でそのうちのいずれか1種のみ、または、2種の複合で含有させてもよい。

0057

W:7.0%以下
Wは、母相、すなわちマトリックスであるオーステナイト相に固溶して、固溶強化によるクリープ強度の向上に寄与し、またラーベス相などの金属間化合物の形成による結晶粒界および結晶粒内での析出強化によるクリープ強度の向上にも有効に作用する元素である。このため、必要に応じてWを含有させてもよい。しかし、Wの含有量が多量になると、過剰な金属間化合物(ラーベス相あるいはσ相)の析出を生じさせるため、高温延性および/または熱間加工性が損なわれる。したがって、Wを含有させる場合には、その含有量を7.0%以下とした。W含有量の上限は、好ましくは5.0%である。

0058

一方、前記したWの効果は、Wの含有量が1.0%を超える場合に安定して得られる。W含有量の下限は、好ましくは1.5%である。

0059

なお、Wの含有量は、後述の、
f2=(1/2)W+Mo・・・(2)
で表されるf2が1.0〜5.0も満たす必要がある。

0060

Mo:3.0%以下
Moは、母相、すなわちマトリックスであるオーステナイト相に固溶し、固溶強化によるクリープ強度の向上に寄与し、またラーベス相の析出を促進する元素であり、Wと類似した性質を有する。このため、必要に応じてMoを含有させてもよい。しかし、Moの含有量が多量になると、靱性を低下させるσ相の析出が促進し、特に3.0%を超えると、靱性の低下が著しくなる。このため、Mo含有させる場合には、その含有量を3.0%以下とした。Mo含有量の上限は、好ましくは2.0%である。

0061

一方、前記したMoの効果は、Moの含有量が0.5%以上の場合に安定して得られる。Mo含有量の下限は、好ましくは1.0%である。

0062

なお、Moの含有量は、後述の、
f2=(1/2)W+Mo・・・(2)
で表されるf2が1.0〜5.0も満たす必要がある。

0063

f2:1.0〜5.0
WおよびMoから選択される1種以上を含有させる場合に、その含有量が上述した範囲にあっても、
f2=(1/2)W+Mo・・・(2)
で表されるf2が1.0未満では、固溶強化および金属間化合物(ラーベス相)の形成によるクリープ強度の向上が達成されない。一方、f2が5.0を超えると、過剰なラーベス相が析出し、また有害なσ相が安定化して、熱間加工性および靱性の劣化が著しくなる。したがって、f2を1.0〜5.0とした。f2は、2.0を超えることが好ましい。なお、式(2)における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。

0064

Co:5%以下
(a)のCoは、Niと同様オーステナイト組織を安定化させる元素で、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。このため、必要に応じてCoを含有させてもよい。しかしながら、Coの含有量が5%を超えると、コストの増加を招く。したがって、Coを含有させる場合には、その含有量を5%以下とした。Co含有量の上限は、好ましくは3.0%である。

0065

一方、前記したCoの効果は、Coの含有量が0.5%以上の場合に安定して得られる。Co含有量の下限は、好ましくは1.0%である。

0066

(b)群の元素であるCa、Mgおよび希土類元素は、いずれもSを硫化物として固定して熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じて下記の範囲で含有させてもよい。

0067

Ca:0.05%以下
Caは、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてCaを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が0.05%を超えると、靱性、延性および清浄性が損なわれる。したがって、Caを含有させる場合には、その含有量を0.05%以下とした。Ca含有量の上限は、好ましくは0.01%である。

0068

一方、前記したCaの効果は、Caの含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。Ca含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0069

Mg:0.05%以下
Mgは、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてMgを含有させてもよい。しかしながら、Mgの含有量が0.05%を超えると、靱性、延性および清浄性が損なわれる。したがって、Mgを含有させる場合には、その含有量を0.05%以下とした。Mg含有量の上限は、好ましくは0.01%である。

0070

一方、前記したMgの効果は、Mgの含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。Mg含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0071

希土類元素:0.2%以下
希土類元素は、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。また、希土類元素は、無害で安定な酸化物を形成して、O(酸素)の好ましくない影響を小さくし、耐食性、クリープ強度およびクリープ延性を向上させる作用も有する。このため、必要に応じて希土類元素を含有させてもよい。しかしながら、希土類元素の含有量が0.2%を超えると、酸化物等の介在物が多くなり、熱間加工性および溶接性が損なわれるだけでなく、コストの上昇を招く。したがって、希土類元素を含有させる場合には、その含有量を0.2%以下とした。希土類元素含有量の上限は、好ましくは0.1%である。

0072

一方、前記した希土類元素の効果は、希土類元素の含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。希土類元素含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0073

「希土類元素」とは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素の総称であり、希土類元素の含有量は、上記希土類元素のうちの1種または2種以上の元素の合計含有量を指す。

0074

なお、希土類元素については、一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、希土類元素の量が上記の範囲となるように含有させてもよい。

0075

上記のCa、Mgおよび希土類元素は、そのうちのいずれか1種のみ、または、2種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、0.3%であってもよいが、0.2%以下とすることが好ましい。

0076

(c)群の元素であるB、ZrおよびHfは、いずれもクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じて下記の範囲で含有させてもよい。

0077

B:0.01%以下
Bは、粒界強化元素としてクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてBを含有させてもよい。しかしながら、Bの含有量が0.01%を超えると、溶接性が損なわれる。したがって、Bを含有させる場合には、その含有量を0.01%以下とした。B含有量の上限は、好ましくは0.005%である。

0078

一方、前記したBの効果は、Bの含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。B含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0079

Zr:0.2%以下
Zr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作用を有する。このため、必要に応じてZrを含有させてもよい。しかしながら、Zrの含有量が0.2%を超えると、溶接性および熱間加工性が損なわれる。したがって、Zrを含有させる場合には、その含有量を0.2%以下とした。Zr含有量の上限は、好ましくは0.08%である。

0080

一方、前記したZrの効果は、Zrの含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。Zr含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0081

Hf:0.2%以下
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作用を有する。このため、必要に応じてHfを含有させてもよい。しかしながら、Hfの含有量が0.2%を超えると、溶接性および熱間加工性が損なわれる。したがって、Hfを含有させる場合には、その含有量を0.2%以下とした。Hf含有量の上限は、好ましくは0.06%である。

0082

一方、前記したHfの効果は、Hfの含有量が0.0005%以上の場合に安定して得られる。Hf含有量の下限は、好ましくは0.001%である。

0083

上記のB、ZrおよびHfは、そのうちのいずれか1種のみ、または、2種以上の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、0.41%であってもよいが、0.2%以下とすることが好ましい。

0084

Re:3%以下
(d)のReは、主として固溶強化元素として高温強度およびクリープ強度を向上させる。このため、必要に応じてReを含有させてもよい。しかしながら、Reの含有量が3%を超えると、熱間加工性および靱性が損なわれる。したがって、Reを含有させる場合には、その含有量を3%以下とした。Re含有量の上限は、好ましくは2%である。

0085

一方、前記したReの効果は、Reの含有量が0.1%以上の場合に安定して得られる。Re含有量の下限は、好ましくは0.5%である。

0086

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

0087

表1に示す化学組成を有するオーステナイト鋼1〜13およびA〜Kを高周波真空溶解炉を用いて溶製し、外径120mmの30kgインゴットとした。

0088

表1中の鋼1〜13は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼A〜Kは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。

0089

0090

このように得して得たインゴットを、熱間鍛造熱間圧延および冷間圧延して、厚さ10.5mmの鋼板とした。次いで、上記の鋼板を1200℃で10分保持した後、水冷した。

0091

水冷後の厚さ10.5mmの各鋼板の一部を用いて、厚さ方向中心部から、長手方向(圧延方向)に平行に、直径が6mmで標点間距離が30mmの丸棒試験片機械加工によって作製し、クリープ破断試験に供した。

0092

クリープ破断試験は700〜800℃の大気中において実施し、得られた破断強度を基にラーソンミラーパラメータ法によって、700℃、10000時間でのクリープ破断強度を求めた。

0093

また、上記1200℃で10分保持した後に水冷した厚さ10.5mmの各鋼板の残りを用いて、700℃で5000時間保持する時効処理を施した後、水冷した。

0094

上記の時効処理後水冷した厚さ10.5mmの各鋼板の厚さ方向中心部から、長手方向に平行に、JIS Z 2242(2005)に記載の、幅が5mm、高さが10mmで長さが55mmのVノッチ試験片を作製し、0℃でシャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を測定して長時間加熱後(時効処理後)の靱性を評価した。

0095

表2に、上記の試験結果を示す。

0096

0097

表2から、化学組成が本発明で規定する条件を満たす鋼1〜13を用いた試験番号1〜13の場合、クリープ破断強度および700℃で5000時間の時効処理後の靱性は、ともに良好であることが明らかである。

0098

これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼A〜Kを用いた試験番号14〜24の場合には、上記の試験番号1〜13の本発明例の場合と比べて、クリープ破断強度または700℃で5000時間の時効処理後の靱性(衝撃値)が劣っている。

0099

試験番号14の場合、鋼AはC(炭素)の含有量が高く本発明で規定する範囲外であること以外は、試験番号1で用いた鋼1とほぼ同等の化学組成を有しており、クリープ破断強度は高いものの、試験番号1の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が極めて低い。

0100

試験番号15の場合、鋼BはWの含有量およびf2が、本発明で規定する範囲外で高いこと以外は、試験番号1で用いた鋼1とほぼ同等の化学組成を有しており、クリープ破断強度は高いものの、試験番号1の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が著しく低い。

0101

試験番号16の場合、鋼CはNbの含有量およびf1が、本発明で規定する範囲外で高いこと以外は、試験番号2で用いた鋼2とほぼ同等の化学組成を有しており、クリープ破断強度は高いものの、試験番号2の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が極めて低い。

0102

試験番号17の場合、鋼DはTiの含有量およびf1が、本発明で規定する範囲外で高いこと以外は、試験番号3で用いた鋼3とほぼ同等の化学組成を有しており、クリープ破断強度は高いものの、試験番号3の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が著しく低い。

0103

試験番号18の場合、鋼Eは個別の元素の含有量に関しては、MoおよびWの含有量が多いこと以外は、試験番号5で用いた鋼5とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f2が、本発明で規定する範囲外で高い。このため、クリープ破断強度は高いものの、試験番号5の場合と比べて、時効処理後の衝撃値は低い。

0104

試験番号19の場合、鋼Fは個別の元素の含有量に関しては、NbおよびTaの含有量が多いこと以外は、試験番号6で用いた鋼6とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f1が、本発明で規定する範囲外で高い。このため、クリープ破断強度は高いものの、試験番号6の場合と比べて、時効処理後の衝撃値は低い。

0105

試験番号20の場合、鋼Gは個別の元素の含有量に関しては、Vの含有量が多いこと以外は、試験番号7で用いた鋼7とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f1が、本発明で規定する範囲外で高い。このため、クリープ破断強度は高いものの、試験番号7の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が極めて低い。

0106

試験番号21の場合、鋼Hは個別の元素の含有量に関しては、Mo、W、Nb、Ta、TiおよびVの含有量が多いこと以外は、試験番号4で用いた鋼4とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f1およびf2が、本発明で規定する範囲外で高い。このため、クリープ破断強度は高いものの、試験番号4の場合と比べて、時効処理後の衝撃値が極めて低い。

0107

試験番号22の場合、鋼Iは個別の元素の含有量に関しては、MoおよびWの含有量が少ないこと以外は、試験番号1で用いた鋼1とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f2が、本発明で規定する範囲外で低い。このため、時効処理後の衝撃値は高いものの、試験番号1の場合と比べて、クリープ破断強度は低い。

0108

試験番号23の場合、鋼Jは個別の元素の含有量に関しては、NbおよびTaの含有量が少ないこと以外は、試験番号2で用いた鋼1とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f1が、本発明で規定する範囲外で低い。このため、時効処理後の衝撃値は高いものの、試験番号2の場合と比べて、クリープ破断強度は低い。

実施例

0109

試験番号24の場合、鋼Kは個別の元素の含有量に関しては、TiおよびVの含有量が少ないこと以外は、試験番号3で用いた鋼3とほぼ同等で、しかも各元素の含有量自体も本発明の範囲内であるけれども、f1が、本発明で規定する範囲外で低い。このため、時効処理後の衝撃値は高いものの、試験番号3の場合と比べて、クリープ破断強度は低い。

0110

本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、700℃以上の温度で、長時間にわたって高い組織安定性を有するため、クリープ強度に優れている。さらに、この鋼は、長時間時効後の靱性にも優れている。このため、700℃以上の高温に曝される発電用ボイラ、化学工業用プラント等において鋼管、耐熱・耐圧部材の鋼板、棒鋼、鍛造品等として好適に用いることができる。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

この 技術と関連性が強い技術

該当するデータがありません

この 技術と関連性が強い法人

該当するデータがありません

この 技術と関連性が強い人物

該当するデータがありません

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ