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JP2000239807A - 耐熱性オーステナイトステンレス鋼 - Google Patents

耐熱性オーステナイトステンレス鋼

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JP2000239807A
JP2000239807A JP2000041437A JP2000041437A JP2000239807A JP 2000239807 A JP2000239807 A JP 2000239807A JP 2000041437 A JP2000041437 A JP 2000041437A JP 2000041437 A JP2000041437 A JP 2000041437A JP 2000239807 A JP2000239807 A JP 2000239807A
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JP
Japan
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stainless steel
austenitic stainless
less
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steel according
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Pending
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JP2000041437A
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English (en)
Inventor
Ann Sundstroem
スンドストロェーム アン
Goucai Chai
シャイ ゴウカイ
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Sandvik AB
Original Assignee
Sandvik AB
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Publication date
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    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温で高強度、良好な耐水蒸気酸化性、及
び、良好な耐火焔面側腐食性とともに、充分な組織安定
性を有する耐熱性オーステナイトステンレス鋼を提供す
る。 【解決手段】 上記ステンレス鋼は、質量%で、C:
0.04〜0.10%、Si:0.4%以下、Mn:0.6
%以下、Cr:20〜27%、Ni:22〜32%、Mo:
0.5%以下、Nb:0.20〜0.60%、W:0.4
〜4.0%、N:0.10〜0.30%、B:0.00
2〜0.008%、Al:0.003〜0.05%、さら
に、Mg:0.010%未満、及び、Ca:0.010%未
満のうち少なくとも1種、及び、残部:Fe及び不可避的
不純物を含んでなり、高温で稼動するボイラーに使用す
るのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明の目的は、高い高温強
度、良好な耐水蒸気酸化性、良好な耐火焔面側腐食性
(fire side corrosion resistance)、及び、充分な組
織安定性を有する耐熱性オーステナイトステンレス鋼を
提供することである。また、本発明は、このような、高
い高温強度、良好な耐水蒸気酸化性、良好な耐炉面腐食
性、及び、充分な組織安定性を有する耐熱性オーステナ
イトステンレス鋼から製造されたボイラーの構造部材に
関する。このような構造部材は、例えば、押出加工で製
造された継目無管の形であり得る。
【0002】
【従来の技術】オーステナイトステンレス鋼は、例え
ば、電力プラントにおける過熱器及び再熱器用の管とし
て、広く、使用されている。効率を高めるとともに制限
された環境条件を満たすという目的のために、電力プラ
ントは、より高温、より高圧で稼動することが求められ
る。その結果、AISI347 、AISI316 及び AISI310のよう
な通常のオーステナイトステンレス鋼は、これらの高い
要求に答えることができないであろうから、この種の設
備に使用される材料には、クリープ強度及び耐食性がよ
り改善されたものが求められる。電力プラントにおいて
より厳しい稼動状態に向かうこれらの傾向に答えるた
め、各種の開発努力がなされてきたし、いまもなされて
いる。
【0003】一般に、MoとWの添加による炭窒化物の析
出と固溶硬化は、オーステナイト系ステンレス鋼の高温
強度を高めるのに有効である。さらに、オーステナイト
系ステンレス鋼に、相当量のCuを添加することにより、
その強度を改善する方法がある。Crは、高温用合金にお
ける耐酸化性と耐食性を高めるのに使用する主要な元素
である。さらに、以前開発されたいくつかの合金におい
ては、組織安定のオーステナイト組織を確実に維持する
のに必要なNiの含有量が、Nでの置換により、低減され
ている。
【0004】一般に、高いクリープ破断強度を有すると
ともに、Nが、高価なNiに替わり、所定量添加されてい
るけれど、許容できる組織安定性を有する耐食性材料を
得ることは難しい。この材料には、高耐食性及び高クリ
ープ破断強度のために、Cr、W及びNbのようなフェライ
ト生成元素が、それぞれ高いレベルで添加されているの
で、長期間の雰囲気暴露の後、シグマ相のような脆化相
が生成するのを抑制するため、かなりの量のNiを添加す
る必要がある。Si及びMoのような、他のシグマ相生成促
進元素は、Ni以外のいくつかの元素が、組織安定性を高
める目的で添加されているのに対し、低い量に維持され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、長時
間高温で高いクリープ破断強度、良好な耐水蒸気酸化
性、及び、良好な耐火焔面側腐食性とともに、充分な組
織安定性を有する合金を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のオーステナイト
ステンレス鋼は、質量%で、C:0.04〜0.10
%、Si:0.4%以下、Mn:0.6%以下、Cr:20〜
27%、Ni:22〜32%、Mo:0.5%以下、Nb:
0.20〜0.60%、W:0.4〜4.0%、N:
0.10〜0.30%、B:0.002〜0.008
%、Al:0.003〜0.05%、さらに、Mg:0.0
10%未満、及び、Ca:0.010%未満のうち少なく
とも1種、及び、残部:Fe及び不可避的不純物を含む。
さらに、本発明のオーステナイトステンレス鋼は、選択
的に、Cu:2.0〜3.5%、Co:0.5〜3%、Ti:
0.02〜0.1%の1種または2種以上を含む。
【0007】
【発明の実施の形態】C:Cは、高温用鋼に要求される
引張強度及びクリープ破断強度を確実に得るのに有効な
成分である。しかしながら、Cを過剰に添加すると、合
金の靱性が低下し、また、溶接性が悪化する。これらの
理由で、C含有量は、0.04〜0.10%の範囲に、
好ましくは、0.06〜0.08%の範囲に限定する。
【0008】Si:Siは脱酸剤として有効であり、かつ、
耐酸化性を高める作用をなす。しかしながら、過剰のSi
は、溶接性に有害であり、そして、長期間の雰囲気暴露
の後におけるシグマ相の生成による延性及び靱性の悪化
を防ぐために、Si含有量は、0.4%以下、好ましく
は、0.2%以下とすべきである。
【0009】Mn:Mnは脱酸元素であり、また、熱間加工
性を高めるのに有効である。しかしながら、クリープ破
断強度、延性及び靱性が低下するのを防止するため、Mn
含有量は、0.6%以下とすべきである。 P及びS:P及びSは、溶接性に有害であり、脆化を促
進するので、それぞれ、0.03%及び0.005%を
超えないようにすべきである。
【0010】Cr:Crは、耐火焔面側腐食性及び耐水蒸気
酸化性を高めるのに有効な元素である。その面で充分な
耐性を得るために、少なくとも20%のCr含有量が必要
である。しかしながら、Cr含有量が27%を超えると、
安定なオーステナト組織を形成し、かつ、高温長時間後
のシグマ相の生成を抑制するため、Ni含有量を、さら
に、増加しなければならない。これらの条件を考慮し
て、Cr含有量を20〜27%に、好ましくは、22〜2
5%に限定する。
【0011】Ni:Niは安定なオーステナイト組織を確実
に得る目的のために重要な成分である。組織安定性は、
本質的には、Cr、Si、Mo、Al、W、Ti及びNbのようなフ
ェライト安定化元素の量と、Ni、C及びNのようなオー
ステナイト安定化元素の量の量比に依存する。耐高温腐
食性及び高いクリープ破断強度をそれぞれ確実に得るの
に必要なCr、W及びNbを高いレベルで添加する場合にお
いて、高温長時間後にシグマ相が生成するのを抑制する
ため、Ni含有量は、少なくとも22%、好ましくは25
%以上必要である。さらに、特定のCr含有量レベルで、
Ni含有量を増加すると、酸化物成長速度が抑制され、そ
して、連続したCr酸化物層の形成傾向が増加する。しか
しながら、生産コストを合理的なレベルに維持するた
め、Ni含有量は、32%を超えてはいけない。これらの
条件を考慮して、Ni含有量は、22〜32%の範囲に限
定される。
【0012】WとMo:Wは、主に、固溶硬化により高温
強度を高めるのに添加され、最小量0.4%の添加で、
この効果を達成することができる。しかしながら、Moと
Wは、シグマ相の生成を促進し、また、炉面腐食を加速
する。Wは、強度を高めるうえにおいて、Moより、より
効果的な元素であると認識されている。これらの理由
で、Mo含有量は、低く、0.5%以下に、好ましくは、
0.02%以下に維持される。しかしながら、充分な加
工性を維持するために、W含有量は、4.0%を超えて
はいけない。それ故、W含有量は、0.4〜4.0%の
範囲に、好ましくは1.8〜3.5%の範囲に限定され
る。
【0013】Co:Coは、オーステナイト安定化元素であ
る。Coの添加は、固溶硬化と高温長時間の雰囲気暴露の
後におけるシグマ相の生成抑制より、高温強度を高め
る。しかしながら、生産コストを合理的なレベルに維持
するため、Co含有量は、添加するなら、0.5〜3.0
%の範囲で添加する。
【0014】Ti:Tiは、炭窒化物、炭化物及び窒化物の
析出により、クリープ破断強度を高める目的で添加され
る。しかしながら、Tiの過剰添加は、溶接性及び加工性
を低減する。これらの理由で、Ti含有量は、添加するな
ら、0.02〜0.10%の範囲限定される。
【0015】Cu:Cuは、クリープ破断強度の向上に寄与
するCu富化相を、マトリックス中に均一微細に析出せし
めるために添加される。しかしながら、Cuの過剰添加
は、加工性を低減することになる。これらの条件を考慮
して、Cu含有量は、2.0〜3.5%の範囲に限定され
る。
【0016】Al及びMg:Al及びMgは、製造工程における
脱酸に有効である。しかしながら、Alの過剰添加は、シ
グマ相の析出を加速し、また、Mgの過剰添加は、溶接性
を悪化する。これらの理由で、Al含有量は、少なくとも
0.003%であり、0.05%を超えないように選択
され、そして、Mg含有量は、0.010%未満になるよ
うに選択される。
【0017】Ca:Caは、製造工程における脱酸に有効で
ある。Ca含有量は、添加するなら、0.010%未満に
なるように選択される。 Nb:Nbは、一般に、炭窒化物及び窒化物の析出により、
クリープ破断強度を高めるのに寄与する元素として認め
られている。しかしながら、Nbに過剰添加は、溶接性及
び加工性を低減する。これらの条件を考慮して、Nb含有
量は、0.20〜0.60%の範囲に、好ましくは0.
40〜0.50%の範囲に限定される。
【0018】B:Bは、一部には、微細に分散したM23
(C,B)6 の生成、及び、結晶粒界の強化により、ク
リープ破断強度の向上に寄与する。また、Bは、熱間加
工性の向上に寄与する。しかしながら、Bの過剰添加
は、溶接性を悪化する。これらの条件を考慮して、B含
有量は、0.002〜0.008%の範囲に限定され
る。
【0019】N:Nは、Cと同様に、通常、高温強度及
びクリープ破断強度を高めるのに寄与し、かつ、オース
テナイト相を安定化する元素として知られている。しか
しながら、Nが過剰に添加されると、合金の靱性及び延
性が低減される。これらの理由により、N含有量は、
0.10〜0.30%の範囲に、好ましくは0.20〜
0.25%の範囲に限定される。
【0020】本発明の合金を製造するに際し、合金の溶
湯は、電気アーク炉、アルゴン−酸素脱炭工程(AO
D)、及び、真空誘導溶解工程を含む通常の工程を経て
用意することができる。その後、この溶湯は、連続的に
スラブに鋳造されるか、または、インゴットに鋳造さ
れ、鍛造され、次いで、熱間押出により、継目無管に加
工される。その後、この鋼は、冷間圧延されて、115
0〜1250℃のような高温での固溶化処理に供され
る。そのような管は、過熱管として、有利に使用するこ
とができる。
【0021】本発明をより完全に理解するために、次
に、実施例を提示する。
【0022】
【実施例】表1に、本発明に従ういくつかの合金の化学
組成を示す。これらの全合金の試験片が作製され、70
0℃でのクリープ破断試験に供された。表2は、185
MPa及び165MPaでのクリープ破断時間を測定し
たクリープ破断試験の結果を示す。
【0023】N、Nb、W、Co、Cu含有量が高いとともに
Ni含有量が高い合金は、最もよいクリープ特性を示して
いる(合金No.605105)。さらに、N含有量が高
いことは、クリープ破断強度に対し極めて重要である
(合金No.605105、605107及び60511
2)。WとCo含有量が高い合金は、よりよいクリープ挙
動を示している。Ni含有量とN含有量の高い合金(合金
No.605105及び605107)同士を比較する
と、W及びCoの含有量が高い方の合金が、よりよい特性
を示している。さらに、Co含有量が高いことは、クリー
プ特性のより向上に寄与する。W含有量の高い合金(合
金No.605108及び605113)同士を比較する
と、Co含有量の高い方の合金が、クリープ強度に関して
は、最もよい特性を示している。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量%で、 C:0.04〜0.10%、 Si:0.4%以下、 Mn:0.6%以下、 Cr:20〜27%、 Ni:22〜32%、 Mo:0.5%以下、 Nb:0.20〜0.60%、 W:0.4〜4.0%、 N:0.10〜0.30%、 B:0.002〜0.008%、 Al:0.003〜0.05%、さらに、 Mg:0.010%未満、及び、Ca:0.010%未満の
    うち少なくとも1種、 及び、 残部:Fe及び不可避的不純物、 を含むことを特徴とする、長時間高温で高いクリープ破
    断強度、良好な耐水蒸気酸化性、及び、良好な耐火焔面
    側腐食性とともに、充分な組織安定性を有するオーステ
    ナイトステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 さらに、Cu:2〜3.5%、Co:0.5
    〜3%、Ti:0.02〜0.1%の1種または2種以上
    を含むことを特徴とする請求項1記載のオーステナイト
    ステンレス鋼。
  3. 【請求項3】 Cr:22〜25%を含むことを特徴とす
    る請求項1記載のオーステナイトステンレス鋼。
  4. 【請求項4】 Ni:25〜28%を含むことを特徴とす
    る請求項1記載のオーステナイトステンレス鋼。
  5. 【請求項5】 W:1.8〜3.5%を含むことを特徴
    とする請求項1記載のオーステナイトステンレス鋼。
  6. 【請求項6】 Nb:0.4〜0.5%を含むことを特徴
    とする請求項1記載のオーステナイトステンレス鋼。
  7. 【請求項7】 N:0.20〜0.25%を含むことを
    特徴とする請求項1記載のオーステナイトステンレス
    鋼。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれか1項記載のオー
    ステナイトステンレス鋼で作製されていることを特徴と
    する高温で使用するボイラーの構造部材。
  9. 【請求項9】 請求項1〜7のいずれか1項記載のオー
    ステナイトステンレス鋼で作製されていることを特徴と
    する高温で使用するボイラー用の継目無管。
JP2000041437A 1999-02-16 2000-02-15 耐熱性オーステナイトステンレス鋼 Pending JP2000239807A (ja)

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