JPH03100134A - 耐高温腐食性に優れるＦｅ―Ｎｉ系合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金およ
びその製造方法に関し、特に高温下において高濃度の塩
化物含有物質と接触するような厳しい腐食環境の下でも
、なお優れた耐食性を示すＦｅ　−Ｎｉ系合金とそれの
製造法について提案する。

近年、調理用電気器具類が普及してきたが、これらは、
例えば電気コンロの調理用ヒータ外部被覆管の場合、塩
化物による高温腐食（酸化や硫化）や溶接性の問題があ
り、現在種々の研究、開発が進められている。とくにこ
の種の分野に適合する材料は、高温の塩化物存在下であ
るから、ＮａＣ１が鋼表面に接触すると、鋼中のＦｅと
ＮａＣ１とが反応して揮発性の高いＮａＦｅＣ１ｍを発
生して腐食が促進されるので、通常の耐高温酸化性とは
別の視点で考察しなければならないものである。

〔従来の技術〕

上述の調理用ヒータ外部被覆管のように、醤油や食塩な
どが付着しやすいものでは、それらが付着したまま高温
大気に曝されるとすれば、高温腐食（乾食）を受けて、
温度が高くなればなるほどその損傷は著しくなる。

このような高温腐食を受けるシースヒータ外部被覆管に
は、従来、ＮＣＦ３００（ＪＩＳ　Ｇ４９０ｗｔ）材や
ＮＣＦ６００材などが使用されている。これに対し、Ｎ
ＣＦ３００のＶＡ材として、従来、Ｎｉを低く抑えた鋼
も提案されている。例えば、特公昭６４−８６９５号（
塩化物の存在する高温腐食環境用鋼）においては、Ｎｉ
は１６〜３０ｗｔ％（以下は単に「％」で表示する。

）の範囲で、特に肋やＷ、■の添加によるＮｉ低減効果
を提案しており、また、特開昭６４−７３０５６号では
、Ｎｉが内部侵食を促進し有害である旨、およびＳｉは
耐酸化性に有効である旨を開示している。

さらに、特開昭６３−６５０５８号では、Ｓｉｌを多（
したことを特徴とする耐高温腐食性に優れた鋼を提案し
ている。

また、上掲のものの他、高温腐食に対する合金元素の影
響については、多くの報告例があり、例えば、食塩を含
む高温腐食環境でのＣｒの有害性について、品出ら（第
３０同席食防食討論会（１９８３）ｐ５０〜５３）の報
告があり、またＮｉの耐食性については−，Ｒ，Ｄ、に
、　Ｍｉｓｒａ　ｅｔ　ａｌ（ＯｘｄａＬｉｏｎ　ｏｆ
　ＭｅｔａｌｓＶａｌ、２５（１９８６）Ｐ８３〜８３
）において、ＮｉＯのＮａＣ１に対する保護性を報告し
ている。さらに、富士用らの（材料とプ０セスＶｏ１．
１　（１９８８）　ｐ１７９９）（７）報告では、３．
５％Ｓｉを含んでいても５５０℃以上で著しい侵食が生
ずることを報告している。

以上説明したように、塩化物を含む環境下での高温腐食
に対する合金元素の影響については、従来、それぞれ有
効性の面と有害性の面の両方が相反する形で報告されて
いて、未だに確定していないのが実情である。

また、Ｓｉを含むＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金における溶接
性については、（溶接学会全国大会講演概要第４０集（
１９８７）ｌｌ＆ｈ４．　ｐ１２Ｂ）によると、Ｍｏの
添加が効果がある旨報告されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、近年、一般家庭への２００　Ｖ配線が推進されて
いるが１、それに伴って、電気ヒータの需要拡大が見込
まれている。特に、上述した調理用のシースヒータも高
電力化が進み、それの外部被覆材も、ＪＩＳのＮＣＦ６
００材のような高温用材料の使用が多くなることが予想
される。ところが、このＮＣＦ６００材は、コストおよ
び高温腐食性についてなお解決を必要とする大きな問題
（塩化物含有高温腐食環境における耐食性）を抱えてお
り、最近ではその代替材の出現が強く望まれているとこ
ろである。

しかしながら、上述した特公昭６４−８６９５号公報な
どで提案されている鋼は、いずれも前記ＮＣＦ６００材
よりも耐食性が劣り、目標とする特性が得られないのが
実情である。しかも、これらの合金については、耐高温
腐食性向上のため添加したＳｉとＮｉとの低融点共晶の
ために、熱間加工性および溶接性が著しく劣化すること
が指摘されており、今なおそれらについて解決を見るに
至っていないのが実情である。

本発明の目的は、塩化物存在下の高温腐食環境での耐食
性に優れることはもちろん、溶接性にも優れた材料を提
供することにより、上述した先行技術の課題を克服する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するために鋭意研究した結果、本発
明者らは、塩化物を含む高温腐食環境下での耐食性に対
する合金元素の影響について、新たな知見を得た。それ
は、単独添加の場合と異なり、ある種の合金元素間では
相乗作用が働くことによって予期しない優れた作用効果
を発揮する場合があるということである。すなわち本発
明においては、１６〜２５％Ｃｒを含むＦｅ−Ｃｒ−Ｎ
ｉ系合金について、それら各添加元素相互の影響から次
のことが明らかとなった。

（１）　　この３元系合金では、驚（ことに、Ｎｉ：≧
３５％という高Ｎｉにおいて、他に著しい障害を招くこ
となく粒界侵食などの局部侵食が防止できる。

（２）そして、Ｓｉの作用について、Ｎｉ量が少ないと
ピット状の局部侵食を誘発する作用があるが、Ｎｉ量を
多くすると、却って耐高温腐食性が著しく向上する。

すなわち、本発明は、ＮｉとＳｉの相乗作用に着目した
ところに特徴があり、従来のＮＣＦ６００材よりもＮｉ
量は少なくても、所定量以上でＮｉおよびＳｉを同時添
加することにより、却って耐高温腐食性に優れる合金を
得ることができた点に着目して完成した。

また、熱間加工性と同様、ＳｉとＮｉの共晶生成のため
、溶接性が劣化する。しかし、溶接性改善について、従
来低Ｎｉ合金で知られていたＮｏの作用と同時に、新た
にＮｉ≧３５％の高Ｎｉ側では、Ｎｉを高くすると溶接
性が改善することを新たに見い出し、溶接性保持のため
にはＮｉ、　Ｓｉ、　Ｎｏの間の好適な定量的関係が存
在することが判った。

このような知見の下で、本発明は次の如きを要旨構成と
するＦｅ−Ｎｉ系合金を開発した。

その第１のものは、Ｃ≦０．０５ｗｔ％、　　Ｓｉ　：
　１．５〜４．５　ｗｔ％、　　Ｍｎ≦１．０　ｗｔ％
、Ｐ≦０．０３ｗｔ％。

Ｓ≦０．０３ｗｔ％、　Ｎｉ　：　３５．０〜？５．Ｏ
ｗｔ％およびＣｒ：１２．０〜２５．０ｗｔ％を含有し
、かつＮｉとＳｉとが次式；３Ｎｉ≧１０５　＋　２０
５　ｉ　　を満足するように含み、残部がＦｅと不純物
とからなる耐高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金であ
り、 その第２のものは、Ｃ≦０．０５ｗｔ％、　　Ｓｉ　：
　１．５〜４．５ｗｔ％、　Ｍｎ≦１．０　ｗｔ％、　
Ｐ　Ｓ　０．０３ｗｔ％、Ｓ≦０．０３ｗｔ％、　Ｎｉ
　：　３５．０〜７５．０ｗｔ％、　Ｃｒ　：　１２．
０〜２５．０社％を含み、そして、Ｍｏ≦６．Ｏｗｔ％
、　Ｗ≦３．０ｗｔ％および■≦３．０社％のうちから
選ばれる少なくとも１種以上を含有し、かつＮｉとＳｉ
とが次式；３　Ｎｉ　＋　１０Ｍｏ≧１０５　＋　２０
Ｓｉを満足するように含み、残部がＦｅと不純物とから
なる耐高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金であり、 なお、上記各合金において、さらに、ＲＥＭ≦０．０５
ｗｔ％、　Ｃａ≦０．０２ｗｔ％およびＭｇ≦０．０２
ｗｔ％のうちのいずれか少な（とも１種以上を添加した
ことを特徴とする耐高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合
金もまた本発明合金である。

そして、これらの合金は、上記各成分組成にかかる合金
素材を、１１５０℃〜１２８０℃の温度範囲で（但し、
ｔは均熱時間（分）、Ｔは加熱温度（’Ｃ）である。）
の均質化熱処理し、その後熱間加工を施すことにより耐
高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金とすることができ
る。

〔作　用〕

本発明者らの研究によると、耐高温腐食性に有効なＮｉ
を３５％以上含有するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金においては
、Ｓｉを１．５％以上含有させたときには、Ｎｉとの相
乗的作用により、通常のＳｉ添加の効果を予測の範囲を
趨えて著しく向上させることができ、それは従来の低Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金では得られなかった耐高温腐食性
の高い合金となることが判った。

以下に、本発明合金の成分組成の詳細について、限定理
由の説明に併せて説明する。

Ｃ：高温強度を得るためには必要な元素であるが、Ｃは
高温でＣｒ元素と結合し、粒界にＣｒ、、Ｃ，として析
出し、粒界近傍にＣｒ欠乏相を形成するので高温塩腐食
の進行を助長するとともに、休止時に凝縮水による粒界
腐食が生じるので低い方が望ましく、上限を０．０５％
以下とした。

Ｓｉ：本発明合金において、最も重要な作用を担う元素
であり、Ｎｉ≧３５％で、このＮｉとの相乗作用によっ
て耐食性に著しい効果を示す。それは、塩化物の存在す
る高温環境での耐食性改善作用があるとされるＳｉの有
する一般的な効果をはるかに超えて発揮される。従って
、Ｎｉ≧３５％という条件の下で、その添加効果は１．
５％を下限として生ずる。一方、添加量が４．５％を超
えると、高Ｎｉの完全オーステナイト鋼の溶接性を害し
、またσなどの金属間化合物の析出を促進するために高
温長時間使用後の延性や靭性を劣化するので、Ｓｉ含有
量は１．５〜４．５％と定めた。

Ｍｎ：鋼の熱間加工性を維持するために必要な元素であ
るが、１．０％を趙えて含有させると塩化物の存在する
高温環境下での耐食性が劣化するようになることから、
Ｍｎ含有量を１．０％以下と定めた。なお、Ｍｎ含有量
は、できれば０．１〜０．５％に調整するのが好ましい
。

Ｎｉ：塩化物を含む高温腐食環境での高温耐食性を改善
するのに極めて有効であり、特にこのＮｉ含有量が３５
％以上で、Ｓｉの高温耐食性を飛躍的に向上させる効果
があり、それ以下では、むしろ高Ｎｉとすることのデメ
リットが助長されてしまい好ましくない、従って、Ｎｉ
は３５％以上とする。

また、このＮｉの添加は、ＣｒやＳｉ、　Ｎｏなどから
成る金属間化合物の析出に対する組織安定性および溶接
性改善にも有効であり、この意味において、多いほどよ
く、５０％以上がより好ましい。

Ｃｒ：塩化物の存在する環境での高温耐食性および９０
０℃付近での一般耐酸化性改善に対して有効であるが、
その量が１２％未満では塩化物による高温腐食環境でも
スケール剥離性が大きく、所望の効果が得られないので
、１２％以上とする。

しかし、多すぎると内部侵食を促進するので、２５％を
上限とする。好ましくは１６．０〜２０．０％の範囲内
がよい。

Ｍｏ：塩化物の存在する高温環境中での耐食性改善に極
めて有効に作用する元素の一つであると共に、とくに内
部侵食抑制および溶接性には有効である。しかし、この
Ｍｏの添加量が多すぎると、逆にスケール剥離性が大き
くなるので、６．０％以下とする。好ましくは４％以下
がよい。

Ｗ、Ｖ：塩化物存在下の耐高温腐食性に対してＭｏと同
様の効果がある。しかし、いずれの元素も３．０％を超
えて含有させると、金属間化合物の析出を促して加工性
に害を及ぼしたりスケール剥離性を大きくするので、い
ずれも３．０％を上限とした。

ＲＥＭ、　Ｃａ、　Ｍｇ　：これらの元素は、脱酸剤お
よび脱硫剤として有効に作用し、熱間加工性を高める効
果がある。しかし、多すぎると塩化物高温腐食を却って
促進させるように働（ので、それぞれの添加上限をＲＥ
Ｍ　：０．０５％、　Ｃａ　：　０．０２％、Ｍｇ：０
．０２％とした。

この他、本発明合金においては、ＡＩ、　Ｃｕ、　Ｔｉ
。

Ｎｂを各々０．５％以下添加してもよく、それによって
上述の主要成分添加の効果に特別の変化を生じない。

次に、溶接性の観点から上記成分組成を検討すると、Ｎ
ｉ−５ｉ−Ｎｏの関係はつぎのように規定されることが
必要である。

すなわち、第１図は、溶接性に及ぼすＮｏ、　Ｎｉ量依
存性を示す図である。溶接性の試験は、第工表に示す本
発明合金と１７％Ｃｒ−３％５ｉ−Ｆｅを基本にＮｏ、
　Ｎｉを種々変化させた合金の２．Ｏｎ＋を板を用いて
突合わせ拘束ＴＩＧ溶接を行い、１００ｍｍＪのビード
長さ割れ率で評価したものである。ベース合金（１７％
Ｃｒ−３％５ｉ−Ｆｅ）の場合、１０Ｍｏ＋　３　Ｎｉ
　≧１６５の条件のときに割れの発生がないことが判る
。

ベース合金（１７％Ｃｒ−３％５ｔ−Ｆｅ）からＳｉを
１．５％に変化させた場合、第１図の境界線は点ｖＡ（
１０Ｍｏ　＋　３　Ｎｉ　＝　１３５）に移動する。Ｓ
ｉ含有量を１．５％増大させるとＮｉ量を約１０％増大
させる必要があり、Ｓｉ量依存性を加味すると、結局１
０Ｍｏ＋　３　Ｎｉ≧１０５＋２０Ｓｉとなる。従って
、Ｎｏを含まない場合は、３Ｎｉ≧１０５　＋２０５ｉ
　　を満たす必要がある。

次に、本発明合金の製造方法、とくに熱処理の条件を中
心に説明する。

上述の如き成分組成よりなる合金素材（インゴット）は
、均質化熱処理が必要である。それは次のような理由に
よる。すなわち、Ｓｉを多く含むＦｅ−Ｃｒ　−Ｎｉ系
合金では、鋳込みのままでは、熱間加工性が著しく劣化
する場合がある。これは、凝固偏析が原因でＳｉとＮｉ
の低融点の共晶を生ずるためと考えられるので、これに
対しては高温熱処理による均質化でこの熱間脆化を防止
できるからであリ、また本発明製造方法においてその処
理は不可欠である。

このような理由の下に行われるこの熱処理の条件は、１
１５０℃〜１２８０℃の温度範囲で（但し、ｔは均熱時
間（分）、Ｔは加熱温度（℃））である。

第２図は、熱間加工性についての検討結果を示す図であ
り、第１表中の本発明合金（随１）の大気溶解インゴッ
トを用いて、１１５０〜１２８０℃の範囲でソーキング
処理を行い、超高温引張りによる絞り値を調査したもの
である。なお、高温引張り試験は、１０００〜１２００
℃で行い、その中で絞り値の最小値により評価した。こ
の図より、本発明合金のの熱処理を施すと、加工性が良
好になることが判った。

〔実施例〕

この実施例は、表１に示す成分組成の合金（隘１〜嵐１
０）を、大気誘導炉にて１０ｋｇインゴットとし、熱間
鍛造後冷間圧延して、２．０および０．５ｍｆｌｔ板に
して試験に供した。高温腐食試験片は、厚さ０．５ｍｍ
ｔ、幅２０ｕ、長さ３０鶴に切断後、１１００℃×１０
分大気酸化して、次に示す高温腐食試験に供した。

高温腐食試験は、飽和食塩水浸漬（５分）−乾燥（１０
分）−繰返し酸化（８００℃×３０分−空冷１０分５０
回）を１サイクルとして、４サイクル試験し、その結果
を第１表に示す。高温腐食試験結果に明らかなように、
本発明合金（隘１〜隘７）は、比較合金（患８〜魚１０
）に比べていずれも最大侵食深さが小さく、それはＮｉ
％の小さい隘８合金、隘１０合金や、Ｎｉ％は高いがＳ
ｉ％の小さいＮ１１Ｌ９合金に比べた場合に顕著である
。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明は、塩化物を含む高温腐食環
境において優れた耐食性を有し、また溶接性に優れたＦ
ｅ−Ｎｉ系合金を安価に提供することができる。それ故
に本発明合金は、 ＋１）　　ｌｉ気コンロなどのシースヒータの外部被覆
管、 （２）　　ハロゲンやハロゲン化物を含むゴミ焼却炉な
どのボイラーや熱交換器、 （３］　　高Ｓｉ、高Ｎｉ含有鋼の板や帯、を有利に製
造するのに有効に用いられる。

り率で、○印は絞り＞８０％、 ×印は絞り＜５０％を示す。

Δ印は５０〜８０％、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ≦０．０５ｗｔ％、Ｓｉ：１．５〜４．５ｗｔ％
   、Ｍｎ≦１．０ｗｔ％、Ｐ≦０．０３ｗｔ％、Ｓ≦０．
   ０３ｗｔ％、Ｎｉ：３５．０〜７５．０ｗｔ％、および
   Ｃｒ：１２．０〜２５．０ｗｔ％を含有し、かつＮｉと
   Ｓｉとは次式；３Ｎｉ≧１０５＋２０Ｓｉを満足するよ
   うに含み、残部がＦｅと不純物とからなる耐高温腐食性
   に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金。 ２、Ｃ≦０．０５ｗｔ％、Ｓｉ：１．５〜４．５ｗｔ％
   、Ｍｎ≦１．０ｗｔ％、ｐ≦０．０３ｗｔ％、Ｓ≦０．
   ０３ｗｔ％、Ｎｉ：３５．０〜７５．０ｗｔ％、Ｃｒ：
   １２．０〜２５．０ｗｔ％を含み、そしてＭｏ≦６．０
   ｗｔ％、Ｗ≦３．０ｗｔ％およびＶ≦３．０ｗｔ％のう
   ちから選ばれる少なくとも１種以上を含有し、かつ Ｎｉ、Ｓｉとは次式；３Ｎｉ＋１０Ｍｏ≧１０５＋２０
   Ｓｉを満足するように含み、残部がＦｅと不純物とから
   なる耐高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金。 ３、請求項１または２に記載のものにおいて、さらに、
   ＲＥＭ≦０．０５ｗｔ％、Ｃａ≦０．０２ｗｔ％および
   Ｍｇ≦０．０２ｗｔ％のうちのいずれか少なくとも１種
   以上を添加したことを特徴とする耐高温腐食性に優れる
   Ｆｅ−Ｎｉ系合金。 ４、請求項１、２、３のいずれかに記載された合金素材
   を、１１５０℃〜１２８０℃の温度範囲でｔ・ｅｘｐ［
   −１４４３／（Ｔ−１８１４）］≧１（但し、ｔは均熱
   時間（分）、Ｔは加熱温度（℃）である。）の均質化熱
   処理を行い、その後熱間加工を施すことを特徴とする耐
   高温腐食性に優れるＦｅ−Ｎｉ系合金の製造方法。