JP6425959B2 - 耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼 Download PDFInfo
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Description
本発明は、レキュペレータ（復熱装置）熱交換器や他の熱収支を高める熱交換器用などの高温かつ腐食性燃焼ガス環境下において、優れた耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系耐熱鋼に関する。
従来のレキュペレータにおける熱交換器では、鋼材温度は最高で約７５０℃であり、当該温度域で耐えうる鋼材として、フェライト系耐熱鋼（Ｃｒ−Ｓｉ−Ａｌ鋼）として知られているＤＩＮ規格鋼種のＸ１０ＣｒＡｌ２４などが利用されている。しかし、熱効率のさらなる向上には使用環境温度の上昇例えば８００℃以上が必要とされる。高温環境においては酸化や腐食による鋼材の減肉量が著しいため耐高温酸化性が要求されるとともに、高温ではクリープ強度が低下し、鋼材が使用時に変形してしまう。そこで、鋼材の温度上昇により、さらなる耐高温酸化性や、高温クリープ特性や、高温引張特性の向上が必要である。
これに対して、耐用温度の高い鋼材としては、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金が有用である。しかし、これらはＮｉなどの合金元素量が多く経済性に優れない。一方で、フェライト系ステンレス鋼はＮｉなどの合金元素量が少ないことから、経済性に優れており、ＨｆやＺｒなどのようなレアメタルを添加することによって、高温でのクリープ強度を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この提案方法では、６００℃を超える温度域でのクリープ強度について考慮されておらず、レアメタルを多種使用しており、原料の安定供給性を欠くものである。
耐高温酸化性を向上させる方法としては、Ｃｕ添加などによる手法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。一般的に、温度の上昇により酸化量は著しく増加することが知られている。この特許文献２では、１０００℃で連続酸化試験を行った結果について示されている。しかし、これを超える温度における鋼材の耐酸化性については示されていない。また、クリープ強度が低いことは鋼材が短寿命であることを意味するが、特許文献２では、鋼材の早期破損による設備トラブルや鋼材の早期交換など、経済性を悪化させるクリープ強度の特性については言及されていない。
さらに、耐高温酸化性を向上させる方法の特許が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この特許文献３はクリープ強度について考慮しておらず、かつ、質量％で、（Ｍｏ＋Ｗ）が４．３％以上と高価な合金元素が多く、コスト増となっている。
さらに、耐高温酸化性を向上させる方法の特許が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、特許文献４は８００℃を超える温度域での耐酸化性や、高温クリープ特性や、高温引張特性について考慮されていない。
本発明が解決しようとする課題は、８００℃以上の高温かつ腐食燃焼ガス環境下において優れた耐酸化性を有し、高温クリープ強度および高温引張強度に優れ、経済的に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供することである。
本発明の課題を解決するための手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．４０〜１．２０％、Ｍｎ：０．０１〜０．４０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１８．００〜２５．００％、Ａｌ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．１０〜０．９０、Ｎｂ：０．１０〜１．２０％、Ｎ：０．０３％以下を含有し、さらにＭｏまたはＷの１種：０．５０〜３．００％もしくはＭｏおよびＷの２種：０．５０〜３．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％、の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上を満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼である。
請求項２の手段では、請求項１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜２．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％、の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上を満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼である。
請求項３の手段では、請求項１の手段の化学成分または請求項２の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｃｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種：０．０１〜２．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上を満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼である。
請求項４の手段では、請求項１の手段の化学成分、請求項２の手段の化学成分または請求項３の手段の化学成分のいずれか１項の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種：０．０１〜１．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上を満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼である。
請求項５の手段では、請求項１の手段の化学成分、請求項２の手段の化学成分、請求項３の手段の化学成分、請求項４の化学成分のいずれか１項の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｃａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種：０．０１％以下を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上を満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼である。
本発明の耐高温酸化性、高温引張強度および高温クリープ強度に優れたフェライト系ステンレス鋼からなる鋼材は、鋼材の耐用温度域および鋼材寿命を増大させることができ、したがって、鋼材減肉量が大きくなる高温環境かつ酸化性雰囲気であるレキュペレータ用の熱交換器や、その他の高温環境下かつ酸化性雰囲気下にある機器類などに、使用することができるなど工業的に極めて優れた効果を奏するものである。
先ず、本願の請求項の手段における化学成分、およびＬａｖｅｓ相の析出量の限定理由について説明する。
Ｃ：０．０４％以下、望ましくは０．０３％以下
Ｃは、高温でのクリープ強度を向上させる元素であるが、その含有量が０．０４％より多い場合には、耐高温酸化性および靱性が低下する。したがって、本成分系においては、Ｃは０．０４％以下と低くする。そこで、Ｃは０．０４％以下、望ましくは０．０３％以下とする。
Ｃは、高温でのクリープ強度を向上させる元素であるが、その含有量が０．０４％より多い場合には、耐高温酸化性および靱性が低下する。したがって、本成分系においては、Ｃは０．０４％以下と低くする。そこで、Ｃは０．０４％以下、望ましくは０．０３％以下とする。
Ｓｉ：０．４０〜１．２０％
Ｓｉは、製鋼の際に脱酸材として用いられるとともに、製造および溶接の際の溶鋼の流動性を高め、さらに耐高温酸化性を高めるとともに、クリープ強度を向上させるＬａｖｅｓ相の形成に必要な元素で、このためには０．４０％以上が必要である。しかし、Ｓｉ含有量が１．２０％より多い場合、硬さが上昇して靱性の低下および加工性の低下を招くので、Ｓｉは１．２０％以下とする。そこで、Ｓｉは０．４０〜１．２０％とする。
Ｓｉは、製鋼の際に脱酸材として用いられるとともに、製造および溶接の際の溶鋼の流動性を高め、さらに耐高温酸化性を高めるとともに、クリープ強度を向上させるＬａｖｅｓ相の形成に必要な元素で、このためには０．４０％以上が必要である。しかし、Ｓｉ含有量が１．２０％より多い場合、硬さが上昇して靱性の低下および加工性の低下を招くので、Ｓｉは１．２０％以下とする。そこで、Ｓｉは０．４０〜１．２０％とする。
Ｍｎ：０．０１〜０．４０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に製鋼の際に脱酸材として用いられるとともに、耐酸化性および耐スケール剥離性を向上させる元素である。このためには、Ｍｎは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｍｎの含有量が０．４０％より多い場合、オーステナイト相が形成されて異常酸化の起点を招くとともに、このオーステナイト相は熱膨張係数がフェライト層に比較して大きいため、寸法変化が生じる恐れがあるので、Ｍｎは０．４０％以下とする。そこでＭｎは０．０１〜０．４０％とする。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に製鋼の際に脱酸材として用いられるとともに、耐酸化性および耐スケール剥離性を向上させる元素である。このためには、Ｍｎは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｍｎの含有量が０．４０％より多い場合、オーステナイト相が形成されて異常酸化の起点を招くとともに、このオーステナイト相は熱膨張係数がフェライト層に比較して大きいため、寸法変化が生じる恐れがあるので、Ｍｎは０．４０％以下とする。そこでＭｎは０．０１〜０．４０％とする。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、０．０４０％より多いと得られた鋼材の熱間加工性を低下する。そこで、Ｐは０．０４０％以下とする。
Ｐは、０．０４０％より多いと得られた鋼材の熱間加工性を低下する。そこで、Ｐは０．０４０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、０．０３０％より多いと得られた鋼材の熱間加工性を低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｓは、０．０３０％より多いと得られた鋼材の熱間加工性を低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｃｒ：１８．００〜２５．００％
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼の基本成分の一つでフェライト相を安定させるとともに、高温材料として重要視される耐高温酸化性の改善に重要な元素である。そこで、耐高温酸化性を確保するために、Ｃｒは１８．００％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒは２５％を超えて含有させると、靱性および加工性を低下する。そこで、Ｃｒは１８．００〜２５．００％とする。
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼の基本成分の一つでフェライト相を安定させるとともに、高温材料として重要視される耐高温酸化性の改善に重要な元素である。そこで、耐高温酸化性を確保するために、Ｃｒは１８．００％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒは２５％を超えて含有させると、靱性および加工性を低下する。そこで、Ｃｒは１８．００〜２５．００％とする。
Ａｌ：０．６０〜１．４０％
Ａｌは、脱酸能の高い元素であり、ＳｉおよびＭｎと同様に製鋼の際に脱酸剤として用いられるとともに、高温酸化性環境下で鋼材の表面に緻密な酸化性被膜を形成することで耐酸化性を向上させる元素である。Ａｌは酸化被膜を形成させ、十分な耐高温酸化性向上の効果を得るために０．６０％以上が必要である。しかし、Ａｌは１．４０％より過剰になると鋼の靱性および加工性が低下する。そこで、Ａｌは０．６０〜１．４０％とする。
Ａｌは、脱酸能の高い元素であり、ＳｉおよびＭｎと同様に製鋼の際に脱酸剤として用いられるとともに、高温酸化性環境下で鋼材の表面に緻密な酸化性被膜を形成することで耐酸化性を向上させる元素である。Ａｌは酸化被膜を形成させ、十分な耐高温酸化性向上の効果を得るために０．６０％以上が必要である。しかし、Ａｌは１．４０％より過剰になると鋼の靱性および加工性が低下する。そこで、Ａｌは０．６０〜１．４０％とする。
Ｎ：０．０３％以下
Ｎは、炭素と共にＣｒやＶやＦｅと結合して炭窒化物を形成する元素であるが、０．０３％を超えると炭窒化物が粗大化して靱性や加工性を劣化させる元素である。したがって、本成分系においては、Ｎは０．０３％以下と低いことが望ましい。そこで、Ｎは０．０３％以下とする。
Ｎは、炭素と共にＣｒやＶやＦｅと結合して炭窒化物を形成する元素であるが、０．０３％を超えると炭窒化物が粗大化して靱性や加工性を劣化させる元素である。したがって、本成分系においては、Ｎは０．０３％以下と低いことが望ましい。そこで、Ｎは０．０３％以下とする。
Ｔｉ：０．１０〜０．９０％、Ｎｂ：０．１０〜１．２０％
Ｔｉは、Ｎｂと共に固溶強化により高温強度を向上させる元素で、ＴｉおよびＮｂの複合添加によるＬａｖｅｓ相の形成により、その効果はより向上される。ＴｉまたはＮｂの単独添加のみでは、Ｌａｖｅｓ相の析出が困難であり、十分な高温強度の向上の効果が得られないため、ＴｉおよびＮｂの複合添加が必要である。しかし、ＴｉおよびＮｂは強力な炭窒化物の形成元素であるため、これら元素が炭窒化物の形成を助長すると、固溶強化およびＬａｖｅｓ相の形成による高温強度の効果が得られない。そこで、Ｔｉは０．１０％以上、Ｎｂは０．１０％以上とする。しかし、添加量が多くなってＴｉの添加量が０．９０％を超え、Ｎｂの添加量が１．２０％を超える場合、炭窒化物の量が多くなり、マトリックス中の固溶強化に寄与するＣおよびＮの量が減り、強度の低下が生じ、あるいは多量の炭窒化物が異常酸化の起点となり、耐高温酸化性が劣化するため、Ｔｉの上限は０．９０％、Ｎｂの上限は１．２０％とする。そこで、Ｔｉは０．１０〜０．９０％、Ｎｂは０．１０〜１．２０％とする。
Ｔｉは、Ｎｂと共に固溶強化により高温強度を向上させる元素で、ＴｉおよびＮｂの複合添加によるＬａｖｅｓ相の形成により、その効果はより向上される。ＴｉまたはＮｂの単独添加のみでは、Ｌａｖｅｓ相の析出が困難であり、十分な高温強度の向上の効果が得られないため、ＴｉおよびＮｂの複合添加が必要である。しかし、ＴｉおよびＮｂは強力な炭窒化物の形成元素であるため、これら元素が炭窒化物の形成を助長すると、固溶強化およびＬａｖｅｓ相の形成による高温強度の効果が得られない。そこで、Ｔｉは０．１０％以上、Ｎｂは０．１０％以上とする。しかし、添加量が多くなってＴｉの添加量が０．９０％を超え、Ｎｂの添加量が１．２０％を超える場合、炭窒化物の量が多くなり、マトリックス中の固溶強化に寄与するＣおよびＮの量が減り、強度の低下が生じ、あるいは多量の炭窒化物が異常酸化の起点となり、耐高温酸化性が劣化するため、Ｔｉの上限は０．９０％、Ｎｂの上限は１．２０％とする。そこで、Ｔｉは０．１０〜０．９０％、Ｎｂは０．１０〜１．２０％とする。
（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％
（Ｔｉ＋Ｎｂ）は、高温クリープ強度を向上させるために、ＣおよびＮ含有量に対して４（Ｃ＋Ｎ）以上の大きさである関係を満足するように、これらの元素の含有量を、上記のＴｉの範囲およびＮｂの範囲の下で、限定する必要がある。すなわち、これは、高温クリープ強度を向上させるためには、（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ）2（Ｔｉ、Ｎｂ）からなる析出強化相であるＬａｖｅｓ相の形成が有効であるが、Ｌａｖｅｓ相の形成元素であるＴｉおよびＮｂはいずれも強力な炭窒化物形成元素であるため、炭窒化物形成元素が促進されるとＬａｖｅｓ相の析出量が低減し、高温クリープ強度を向上させるための十分な効果が得られないからである。ところで、ＴｉおよびＮｂの含有量が多くなると、Ｌａｖｅｓ相の析出量が多くなり、高温クリープ強度の向上に対しては望ましいが、Ｌａｖｅｓ相形成元素であるＣｒは基地成分における耐酸化性およびフェライト安定化元素であるため、Ｌａｖｅｓ相の析出量が多くなることは、すなわち、基地のＣｒ含有量が低下し、基地の耐酸化性の低下を招くこととなる。したがって、（Ｔｉ＋Ｎｂ）は４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％とする。
（Ｔｉ＋Ｎｂ）は、高温クリープ強度を向上させるために、ＣおよびＮ含有量に対して４（Ｃ＋Ｎ）以上の大きさである関係を満足するように、これらの元素の含有量を、上記のＴｉの範囲およびＮｂの範囲の下で、限定する必要がある。すなわち、これは、高温クリープ強度を向上させるためには、（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ）2（Ｔｉ、Ｎｂ）からなる析出強化相であるＬａｖｅｓ相の形成が有効であるが、Ｌａｖｅｓ相の形成元素であるＴｉおよびＮｂはいずれも強力な炭窒化物形成元素であるため、炭窒化物形成元素が促進されるとＬａｖｅｓ相の析出量が低減し、高温クリープ強度を向上させるための十分な効果が得られないからである。ところで、ＴｉおよびＮｂの含有量が多くなると、Ｌａｖｅｓ相の析出量が多くなり、高温クリープ強度の向上に対しては望ましいが、Ｌａｖｅｓ相形成元素であるＣｒは基地成分における耐酸化性およびフェライト安定化元素であるため、Ｌａｖｅｓ相の析出量が多くなることは、すなわち、基地のＣｒ含有量が低下し、基地の耐酸化性の低下を招くこととなる。したがって、（Ｔｉ＋Ｎｂ）は４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％とする。
（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％
（Ｓｉ＋Ａｌ）は、上記したＳｉおよびＡｌの成分組成に加えて、鋼の表面に形成される酸化被膜の構造を一層緻密なものにする。本発明の目的を達成する耐酸化性を得るためには、（Ｓｉ＋Ａｌ）は１．００〜２．６０％の関係を満足するように、これら元素の含有量を限定する必要がある。そこで、（Ｓｉ＋Ａｌ）は１．００〜２．６０％とする。
（Ｓｉ＋Ａｌ）は、上記したＳｉおよびＡｌの成分組成に加えて、鋼の表面に形成される酸化被膜の構造を一層緻密なものにする。本発明の目的を達成する耐酸化性を得るためには、（Ｓｉ＋Ａｌ）は１．００〜２．６０％の関係を満足するように、これら元素の含有量を限定する必要がある。そこで、（Ｓｉ＋Ａｌ）は１．００〜２．６０％とする。
Ｌａｖｅｓ相の析出量：体積率で０．２％以上
Ｌａｖｅｓ相の析出量は、フェライト系ステンレス鋼におけるＮｂおよびＴｉの複合添加におけるＬａｖｅｓ相の析出量と高温クリープ強度の関係を検討した結果、上記した化学成分からなる組成において、体積率で０．２％以上のＬａｖｅｓ相の析出量が形成され、高温クリープ強度の向上へ寄与することを見出した。そこで、良好な高温クリープ強度を得るためには、Ｌａｖｅｓ相の析出量は体積率で０．２％以上とする。
Ｌａｖｅｓ相の析出量は、フェライト系ステンレス鋼におけるＮｂおよびＴｉの複合添加におけるＬａｖｅｓ相の析出量と高温クリープ強度の関係を検討した結果、上記した化学成分からなる組成において、体積率で０．２％以上のＬａｖｅｓ相の析出量が形成され、高温クリープ強度の向上へ寄与することを見出した。そこで、良好な高温クリープ強度を得るためには、Ｌａｖｅｓ相の析出量は体積率で０．２％以上とする。
Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種：０．５０〜３．００％
Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は、鋼材の高温引張強度の確保に有効な元素であり、このためにＭｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は０．５０％以上が必要である。しかし、ＭｏおよびＷは高価な元素であるので、Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種の合計で３．００％を超えるとコスト増となる。そこで、Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は０．５０〜３．００％とする。
Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は、鋼材の高温引張強度の確保に有効な元素であり、このためにＭｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は０．５０％以上が必要である。しかし、ＭｏおよびＷは高価な元素であるので、Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種の合計で３．００％を超えるとコスト増となる。そこで、Ｍｏ、Ｗのいずれか１種もしくは２種は０．５０〜３．００％とする。
Ｎｉ：０．０１〜２．００％
Ｎｉは、鋼の靱性改善に有効な元素である。そのためには、Ｎｉは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｎｉは２．００％より多く含有されると、熱間加工性が低下し、かつ高価な元素であるのでコスト増となる。そこで、Ｎｉは０．０１〜２．００％とする。
Ｎｉは、鋼の靱性改善に有効な元素である。そのためには、Ｎｉは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｎｉは２．００％より多く含有されると、熱間加工性が低下し、かつ高価な元素であるのでコスト増となる。そこで、Ｎｉは０．０１〜２．００％とする。
Ｃｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種：０．０１〜２．００％
Ｃｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種は、鋼材の高温引張強度の改善に有効な元素であり、このためにＣｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以上が必要である。しかし、Ｃｕ、Ｃｏの１種もしくは２種の合計で１．００％を超えて含有されると熱間加工性が低下する。さらにＣｏは高価な元素であるので、２．００％を超えるとコスト増となる。そこで、Ｃｕ、Ｃｏの１種もしくは２種は０．０１〜１．００％とする。
Ｃｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種は、鋼材の高温引張強度の改善に有効な元素であり、このためにＣｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以上が必要である。しかし、Ｃｕ、Ｃｏの１種もしくは２種の合計で１．００％を超えて含有されると熱間加工性が低下する。さらにＣｏは高価な元素であるので、２．００％を超えるとコスト増となる。そこで、Ｃｕ、Ｃｏの１種もしくは２種は０．０１〜１．００％とする。
Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種：０．０１〜１．００％
Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は鋼材の高温クリープ 強度を改善する元素であり、そのためにはＶ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は０．０１〜１．００％を含有する必要がある。しかし、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒは１．００％より多く含有されると熱間加工性が低下する。さらにＶ、Ｚｒは高価な元素であるので、１．００％より多く含有されるとコスト増となる。そこで、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は０．０１〜１．００％とする。
Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は鋼材の高温クリープ 強度を改善する元素であり、そのためにはＶ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は０．０１〜１．００％を含有する必要がある。しかし、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒは１．００％より多く含有されると熱間加工性が低下する。さらにＶ、Ｚｒは高価な元素であるので、１．００％より多く含有されるとコスト増となる。そこで、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種は０．０１〜１．００％とする。
Ｃａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種：０．０１％以下
Ｃａ、Ｍｇは、精錬時の脱酸に効果があり、かつ鋼材の熱間加工性を改善する元素である。そのためにはＣａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以下である必要がある。そこで、Ｃａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以下とする。
Ｃａ、Ｍｇは、精錬時の脱酸に効果があり、かつ鋼材の熱間加工性を改善する元素である。そのためにはＣａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以下である必要がある。そこで、Ｃａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種は０．０１％以下とする。
次いで、本願の発明の実施の形態について下記の実施例を踏まえて説明する。なお、本願の発明は、第１の手段では、化学成分としてＴｉとＮｂを複合添加することによって、（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ）2（Ｎｂ、Ｔｉ）で表される析出強化相のＬａｖｅｓ相を鋼材温度で析出させることで、高温クリープ強度を向上させ、また、鋼の化学成分としてＭｏまたはＷを添加することによって固溶強化によって高温引張強度を向上させるものである。
第２の手段では、第１の手段に、さらにＮｉを添加することによって、高温引張強度の向上に加えて、靱性を改善したものである。
第３の手段では、第１の手段または第２の手段の化学成分に、さらにＣｕ、Ｃｏの１種または２種を加えることで、さらに高温強度の改善を図ったものである。
第４の手段では、第１の手段、第２の手段もしくは第３の手段の化学成分に、さらにＶ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種を加えることで、高温硬度をより一層に改善したものである。
さらに、第５の手段では、第１の化学成分、第２の化学成分、第３の化学成分または第４の化学成分に加えてＣａ、Ｍｇの１種または２種を加えることで、製鋼における脱酸効果を一層に高め、かつ鋼の熱間加工性を改善したものである。
第２の手段では、第１の手段に、さらにＮｉを添加することによって、高温引張強度の向上に加えて、靱性を改善したものである。
第３の手段では、第１の手段または第２の手段の化学成分に、さらにＣｕ、Ｃｏの１種または２種を加えることで、さらに高温強度の改善を図ったものである。
第４の手段では、第１の手段、第２の手段もしくは第３の手段の化学成分に、さらにＶ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種を加えることで、高温硬度をより一層に改善したものである。
さらに、第５の手段では、第１の化学成分、第２の化学成分、第３の化学成分または第４の化学成分に加えてＣａ、Ｍｇの１種または２種を加えることで、製鋼における脱酸効果を一層に高め、かつ鋼の熱間加工性を改善したものである。
表１に示す化学成分値からなる各発明鋼のＮｏ．１〜２９と、表２に示す各比較鋼のＮｏ．３０〜３９を、１００ｋｇ真空誘導溶解炉にて溶製し、得られた溶鋼を鋳造してそれぞれの鋼とした。次いで、これらの各発明鋼および比較鋼を１０５０℃に加熱して、径１５ｍｍに鍛造して１０５０℃に１５分保持して水冷し、これらの鋼からなる各供試材の試験片を得た。
表１に示す化学成分からなるＮｏ．１〜２９の各発明鋼と、表２に示すＮｏ．３０〜３９の各比較鋼のそれぞれの供試材を用いて、以下に記載の試験方法で各供試材の鋼における（１）耐高温酸化性、（２）高温クリープ強度、（３）Ｌａｖｅｓ相の析出量、（４）高温引張特性の評価、およびこれらの総合評価を行なって、下記の表３にＮｏ．１〜２９の各発明鋼とＮｏ．３０〜３９の比較鋼を示している。この場合、ＭｏおよびＷにおいて、ＭｏおよびＷの２成分を合計した成分値が０．５０〜３．００％を満足する場合で、かつＭｏまたはＷのいずれかの成分値が０．５０％未満であるとき、その０．５０％未満の元素自体は不純物の範囲を示している。しかし、これらのものは請求項に規定する、ＭｏおよびＷの２種：０．５０〜３．００％、の範囲を満足しているので、その０．５０％未満の成分値には下線を付すことなく、表１および表２に記載している。
（１）耐高温酸化性の評価は、カンタル炉で大気雰囲気中において各供試材の試験片を１１００℃に１００時間保持し、試験後の質量増分を測定した。質量増分を酸化量とし、１ｃｍ2当り５．００ｍｇ以下の酸化量のものを、表３の評価で○と記載している。
（２）高温クリープ強度の評価は、各供試材の試験片の平行部が径６ｍｍである高温クリープ試験片をＪＩＳ Ｚ２２７１の規格に基づき作製し、８５０℃にて９．０ＭＰａの引張り応力を負荷させ、破断するまでの時間を測定し、破断時間が２００時間を超えるものを、表３の評価で○と記載している。
（３）上記の高温クリープ強度の試験における破断後の各供試材の試験片を電子顕微鏡で撮影し、画像解析によりＬａｖｅｓ相の析出量の体積率を算出し、体積率０．２％以上のものを、表３の評価で○と記載している。
高温強度特性としての高温引張強度試験は、ＪＩＳ Ｇ０５６７に基づき、各供試材からなる、平行部の径が６ｍｍのつば付き棒状の試験片を用い、８５０℃における降伏強度を測定し、高温引張強度の降伏強度とし、３５ＭＰａ以上ものを、表３の評価で○と記載している。
表３に、耐高温酸化性、高温クリープ強度、Ｌａｖｅｓ相の析出量および高温引張強度の評価が○であるＮｏ．１〜２９の各発明鋼と、○と×であるＮｏ．３０〜３９の各比較鋼と、並びに耐高温酸化性、高温クリープ強度、Ｌａｖｅｓ相の析出量および高温引張強度の総合評価が○であるＮｏ．１〜２９の各発明鋼と、総合評価が×であるＮｏ．３０〜３９の各比較鋼とを、示している。これらのうち、各比較鋼で×の評価となった項目の値にはアンダーラインを付している。
表１の発明鋼のＮｏ．１〜２９のフェライト系ステンレス鋼は、化学成分の最適化によって、炭窒化物析出の影響が軽減されており、表３に見られるように、Ｌａｖｅｓ相による強化により、良好な高温クリープ強度が得られ、高温クリープ強度の評価は○であり、さらに異常酸化を抑制した良好な耐高温酸化性を示し、その酸化増量は１ｃｍ2当り４．５５ｍｇ以下であり、耐高温酸化性の評価は○であり、高温引張強度においても上記したように、８５０℃における降伏強度が３５ＭＰａ以上であり評価は○である。したがって、表３に示すように、本発明のＮｏ．１〜２９は総合評価は全て○である。
一方、比較鋼のＮｏ．３０は表２に示すＡｌの値が本発明の請求項１に示すＡｌの下限値の０．６０％より少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
Ｎｏ．３１は表２に示すＣｒの値が本発明の請求項１に示すＣｒの下限値の１８．００％より少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価がで×である。
Ｎｏ．３２は表２に示すＭｏ０．０１％およびＷの０．２６％の合計の含有量の０．２７％が本発明の請求項１に示すＭｏおよびＷの２種の下限値の０．５０％より少ないので、表３で高温引張強度の評価が×である。
Ｎｏ．３３は表２に示すＳｉの値が本発明の請求項１に示すＳｉの下限値の０．４０％より少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
Ｎｏ．３４は表２に示すＴｉの値が本発明の請求項１に示すＴｉの下限値の０．１０％より少ないので、表３の高温クリープ強度の評価およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３５は表２に示すＣの値が本発明の請求項１に示すＣの上限値の０．０４％より多く、表２に示すＮｂの値が本発明の請求項１に示すＮｂの下限値の０．１０％より少なく、かつ表２に示すＮの値が本発明の請求項１に示すＮの上限値の０．０３％より多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量、高温クリープ強度およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３６は表２に示すＮｂの値が本発明の請求項１に示すＮｂの上限値の１．２０％より多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
Ｎｏ．３７は表２に示すＭｏおよびＷの合計の含有量の０．３２％が本発明の請求項１に示すＭｏおよびＷの合計の下限値の０．５０％より少ないので、表３の高温引張強度の評価が×である。
Ｎｏ．３８は表２に示すＭｎの値が本発明の請求項１に示すＭｎの上限値の０．４０％よりも多く、かつ表２に示すＮｂの値が本願の請求項１に示すＮｂの下限値の０．１０％よりも少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量、高温クリープ強度およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３９は表２に示すＴｉの値が本発明の請求項１に示すＴｉの上限値の０．９０％よりも多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
以上の結果、表３に示すように比較鋼のＮｏ．３０〜３９の総合評価は全て×である。
Ｎｏ．３１は表２に示すＣｒの値が本発明の請求項１に示すＣｒの下限値の１８．００％より少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価がで×である。
Ｎｏ．３２は表２に示すＭｏ０．０１％およびＷの０．２６％の合計の含有量の０．２７％が本発明の請求項１に示すＭｏおよびＷの２種の下限値の０．５０％より少ないので、表３で高温引張強度の評価が×である。
Ｎｏ．３３は表２に示すＳｉの値が本発明の請求項１に示すＳｉの下限値の０．４０％より少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
Ｎｏ．３４は表２に示すＴｉの値が本発明の請求項１に示すＴｉの下限値の０．１０％より少ないので、表３の高温クリープ強度の評価およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３５は表２に示すＣの値が本発明の請求項１に示すＣの上限値の０．０４％より多く、表２に示すＮｂの値が本発明の請求項１に示すＮｂの下限値の０．１０％より少なく、かつ表２に示すＮの値が本発明の請求項１に示すＮの上限値の０．０３％より多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量、高温クリープ強度およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３６は表２に示すＮｂの値が本発明の請求項１に示すＮｂの上限値の１．２０％より多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
Ｎｏ．３７は表２に示すＭｏおよびＷの合計の含有量の０．３２％が本発明の請求項１に示すＭｏおよびＷの合計の下限値の０．５０％より少ないので、表３の高温引張強度の評価が×である。
Ｎｏ．３８は表２に示すＭｎの値が本発明の請求項１に示すＭｎの上限値の０．４０％よりも多く、かつ表２に示すＮｂの値が本願の請求項１に示すＮｂの下限値の０．１０％よりも少ないので、表３の耐高温酸化性の酸化増量、高温クリープ強度およびＬａｖｅｓ相の析出量の体積率の各評価が×である。
Ｎｏ．３９は表２に示すＴｉの値が本発明の請求項１に示すＴｉの上限値の０．９０％よりも多いので、表３の耐高温酸化性の酸化増量の評価が×である。
以上の結果、表３に示すように比較鋼のＮｏ．３０〜３９の総合評価は全て×である。
Claims (5)
- 質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．４０〜１．２０％、Ｍｎ：０．０１〜０．４０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１８．００〜２５．００％、Ａｌ：０．６０〜１．４０％、Ｔｉ：０．１０〜０．９０、Ｎｂ：０．１０〜１．２０％、Ｎ：０．０３％以下を含有し、さらにＭｏまたはＷの１種：０．５０〜３．００％もしくはＭｏおよびＷの２種：０．５０〜３．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％、の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上であることを満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜２．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％、の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上であることを満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 請求項１の化学成分または請求項２の化学成分に加えて、質量％で、Ｃｕ、Ｃｏのいずれか１種もしくは２種：０．０１〜２．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上であることを満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 請求項１の化学成分、請求項２の化学成分、または請求項３の化学成分のいずれか１項の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒのいずれか１種または２種もしくは３種：０．０１〜１．００％を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上であることを満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 請求項１の化学成分、請求項２の化学成分、請求項３の化学成分、または請求項４の化学成分のいずれか１項の化学成分に加えて、質量％で、Ｃａ、Ｍｇのいずれか１種もしくは２種：０．０１％以下を含有し、かつ、前記の化学成分の範囲において、（Ｓｉ＋Ａｌ）：１．００〜２．６０％、および（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）〜１．６０％の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼で、８５０℃の鋼中において析出するＬａｖｅｓ相量は体積率で０．２％以上であることを満足することを特徴とする耐高温酸化性、高温クリープ強度および高温引張強度に優れたフェライト系ステンレス鋼。
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