JPH0770681A

JPH0770681A - 高クロムオーステナイト耐熱合金

Info

Publication number: JPH0770681A
Application number: JP22015493A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Senba; 潤之仙波; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】高クロムオーステナイト耐熱合金を提供する。【構成】Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、Si:1.0％以下、
Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜60％、Cu：２〜
６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下およびAl：0.01
〜0.3 ％を含有し、さらにＢ:0.001〜0.01％およびZr：
0.01〜0.1 ％の１種以上ならびにMo:0.5〜3.0 ％および
Ｗ:1.0〜6.0 ％の１種以上を含有する高温強度と耐食性
に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。上記の合金
は加えてさらに、Nb:0.1〜1.0 ％または／およびMg:0.0
01〜0.05％とCa:0.001〜0.05％のうちの１種以上を含有
することができる。【効果】苛酷な高温腐食環境下においても優れた高温強
度をもつ安価な合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラや化学プラント
などの苛酷な高温腐食環境下で、高温強度と耐食性に優
れる高クロムオーステナイト耐熱合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電プラントにおいて熱効率
の改善を目的とする超高温高圧ボイラが注目されてい
る。このボイラでは、従来のボイラに比較して蒸気条件
が高温・高圧化されているため、過熱器管材料としては
高温強度や耐食性に対する一段と厳しい要求性能を満た
さなければならない。このため、従来多く使用されてい
る18−８系ステンレス鋼より高い高温強度を有し、かつ
耐水蒸気酸化特性や耐高温腐食特性にも優れる高強度高
耐食オーステナイト鋼が要求される。

【０００３】一般に、耐食性を改善するためには鋼中の
Cr含有量を高めることが有効である。しかし、例えば、
25％程度のCrを含有するＳＵＳ310 ＳＴＢ鋼にみられる
ように、 600〜700 ℃での高温強度は18−８系ステンレ
ス鋼よりむしろ低めであり、かつσ相析出による靱性劣
化の問題がある。さらに25％程度のCr含有量では、厳し
い腐食環境下においては耐食性が十分ではない。

【０００４】比較的、耐食性が良好な合金として、Cr含
有量を30％程度に高めた、例えば特開昭59−153858号公
報に開示されるような合金があるが、上述のような厳し
い条件下では単管として適用するには高温強度が不足す
る。また二重管とした場合には、製造コストや信頼性の
点で問題が多い。

【０００５】さらにCr含有量を30％程度に高める一方、
Mo、Ｗを添加することにより強度向上を図ったものとし
て、特開昭60−100640号公報、同61−174350号公報、同
61−276948号公報および同64−55352 号公報などに開示
されるような耐熱合金があるが、いずれもその強度は十
分とはいいがたい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、苛酷
な高温腐食環境下においても十分な耐食性と優れた高温
強度を有し、しかも経済的にも有利な高クロムオーステ
ナイト耐熱合金を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の (1)
〜(4) の耐熱合金にある。

【０００８】(1)重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以
下、Si:1.0％以下、Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：
35〜60％、Cu：２〜６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％
以下およびAl：0.01〜0.3 ％を含有し、さらにＢ:0.001
〜0.01％およびZr：0.01〜0.1％の１種以上ならびにMo:
0.5〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上を含有
し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる高温強度と
耐食性に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。

【０００９】(2)上記(1) の成分に加えてさらに重量％
で、Nb:0.1〜1.0 ％を含有し、残部はFeおよび不可避的
不純物からなる高温強度と耐食性に優れた高クロムオー
ステナイト耐熱合金。 (3)上記(1) の成分に加えてさらに重量％で、Mg:0.001
〜0.05％およびCa:0.001〜0.05％の１種以上を含有し、
残部はFeおよび不可避的不純物からなる高温強度と耐食
性に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。

【００１０】(4)上記(1) の成分に加えてさらに重量％
で、Nb:0.1〜1.0 ％ならびにＭｇ：０．００１〜０．０
５％およびCa:0.001〜0.05％の１種以上を含有し、残部
はFeおよび不可避的不純物からなる高温強度と耐食性に
優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。

【００１１】前記のような苛酷な高温腐食環境下で十分
な耐食性を得るには、28％以上のCrを含有させることが
必要である。このような高Cr含有のCr−Ni−Fe系合金に
おいては、所定のNi含有量の範囲でα相が析出し、強度
に影響を及ぼす。

【００１２】本発明者らは、前記の従来の高Cr含有オー
ステナイト鋼のクリープ破断強度の飛躍的向上を目指し
て研究を行った結果、次の〜の知見を得た。

【００１３】Ti添加はクリープ破断強度を大きく向上
させる。これは、Tiがα相の析出を促進することによ
る。

【００１４】Cu添加はクリープ破断強度を著しく向上
させる。これは、Cu富化相が析出し、高温強度向上に大
きく寄与するとともに、α相の成長が抑制され、長時間
使用後もα相が粗大化しないためである。

【００１５】TiとCuを複合添加することにより、特開
昭60−100640号公報などに開示されているような合金以
上の高温強度を有する高耐食性合金を得ることができ
る。しかも、安価なCuの添加により高温強度を大きく改
善することができるので、この合金は経済的にも非常に
優れている。

【００１６】

【作用】以下、本発明の合金を構成する成分の作用効果
と、その適正含有量を前記のように定めた理由について
説明する。％は重量％を意味する。

【００１７】Ｃ：0.02％を超え0.10％以下Ｃは、炭化物を形成して耐熱鋼として必要な引張強さや
クリープ破断強度を向上させるために有効な元素であ
る。Ｃ含有量が0.02％以下ではこれらの所望の効果が得
られない。一方、0.10％を超えると合金の延性および靱
性の低下が大きくなる。よって、Ｃ含有量の範囲は0.02
％を超え0.10％以下とした。

【００１８】Si：1.0 ％以下 Siは、脱酸のために必要な元素であるとともに、耐酸化
性改善にも寄与する元素である。しかし、Siが1.0 ％を
超えて過剰に存在すると、溶接性や組織安定性が悪化す
る。これらの作用を考慮してSi含有量は1.0 ％以下とし
た。

【００１９】Mn：0.5 ％以下 Mnは脱酸のために有効な元素である。しかし、Mn含有量
が0.5 ％を超えると耐熱特性が劣化する。よって、Mn含
有量は0.5 ％以下とした。

【００２０】Cr：28〜38％ Crは耐酸化性、耐水蒸気酸化性あるいは耐高温腐食性な
どの耐食性改善に優れた作用を発揮し、さらに本発明に
おいては高温強度を担うα相を形成する重要な元素であ
る。しかし、その含有量が28％未満ではこれらの所望の
効果が得られない。一方、38％を超えると加工性の劣化
や組織の不安定化を招く。よって、Cr含有量の範囲は28
〜38％とした。

【００２１】Ni：35〜60％ Niは安定なオーステナイト組織を得るために必要不可欠
な元素である。さらにα相の析出を抑制する作用を有す
る元素である。しかし、Ni含有量が35％未満であると、
オーステナイト組織の確保が不安定になる。一方、60％
を超えるとα相の析出が抑制され、高温強度が不足する
上に経済的にも多大な不利を招く。よって、Ni含有量の
範囲は35〜60％とした。

【００２２】Cu：２〜６％ Cuは高温強度、特にクリープ破断強度を改善する元素で
ある。これは、Cu富化相が析出し、高温強度向上に大き
く寄与するとともに、α相の成長が抑制され、長時間使
用後もα相が粗大化しないためである。しかし、その含
有量が２％未満では上記の所望の効果が得られない。一
方、６％を超えると延性が低下し、加工性も悪化する。
よって、Cu含有量の範囲は２〜６％とした。

【００２３】Ti： 0.1〜1.0 ％ Tiはα相の析出に大きな影響を及ぼす元素である。Tiを
含有させるとα相の析出は促進される。しかし、0.1 ％
未満ではこの効果が得られない。一方、1.0 ％を超える
とα相の析出が過多となって時効後すなわち長時間使用
後の靱性を阻害する。よって、Ti含有量の範囲は 0.1〜
1.0 ％とした。

【００２４】Ｎ：0.05％以下Ｎは高温強度を改善するとともにオーステナイト組織を
安定化する作用を有する元素である。このため、高価な
元素であるNiの一部として代替するのに有効である。し
かし、Ｎ含有量が0.05％を超えると、高温長時間使用後
に窒化物が析出し、長時間使用後の靱性の劣化をもたら
す。よって、Ｎ含有量は0.05％以下とした。

【００２５】Al: 0.01〜0.3 ％ Alは脱酸剤として有効な元素であり、その効果を得るに
は0.01％以上含有させる必要がある。一方、0.3 ％を超
えると加工性を阻害する。よって、Al含有量の範囲は
0.01〜0.3 ％とした。

【００２６】ＢおよびZr: Ｂは 0.001〜0.01％、Zrは0.
01〜0.1 ％これらの元素は主として合金の粒界強化に有効な元素で
ある。しかし、Ｂではその含有量が0.001 ％未満、Zrで
はその含有量が0.01％未満であると、この効果が得られ
ない。一方、Ｂ含有量が0.01％、Zr含有量が0.1 ％をそ
れぞれ超えるとクリープ破断強度が低下し、溶接性も劣
化する。よって、Ｂではその含有量の範囲を 0.001〜0.
01％、Zrではその含有量の範囲を0.01〜0.1 ％とした。
これらの元素は１種だけ含有させてもよいし、２種複合
して含有させてもよい。

【００２７】MoおよびＷ：Moは 0.5〜3.0 ％、Ｗは 1.0
〜6.0 ％ MoおよびＷは主として固溶強化元素として有効であり、
クリープ破断強度を向上させる。しかし、Moではその含
有量が0.5 ％未満、Ｗではその含有量が1.0 ％未満であ
るとこれらの効果が得られない。一方、Mo含有量が3.0
％、Ｗ含有量が6.0 ％をそれぞれ超えると、耐食性、加
工性を劣化させる。よって、Moではその含有量の範囲を
0.5〜3.0 ％、Ｗではその含有量の範囲を 1.0〜6.0 ％
とした。

【００２８】これらの元素は１種だけ含有させてもよい
し、２種複合して含有させてもよい。ただし、２種併用
する場合には、合計含有量をMo＋ (1/2)Ｗで3.0 ％以下
に抑えるのが望ましい。

【００２９】本発明合金は上記の各成分の他に、さらに
次に述べる成分を含有することができる。

【００３０】Nb： 0.1〜1.0 ％ Nbは結晶粒を微細化し、延性を向上させる。さらにオー
ステナイト相中やCr炭化物中に固溶してクリープ破断強
度の向上に寄与する。しかし、Nb含有量が 0.1％未満で
はこれらの効果が得られない。一方、1.0 ％を超えると
靱性の劣化を招く。よって、Nb含有量の範囲は 0.1〜1.
0 ％とした。

【００３１】MgおよびCa：それぞれ 0.001〜0.05％ MgおよびCaは加工性改善に有効な元素である。しかし、
それぞれの含有量が0.001 ％未満ではこの効果が得られ
ない。一方、0.05％を超えると逆に加工性を劣化させ
る。よって、MgおよびCaの含有量の範囲は、ともに 0.0
01〜0.05％とした。これらの元素は１種だけ含有させて
もよいし、２種複合して含有させてもよい。ただし、２
種併用の場合にはMgとCaの含有量の合計においても 0.0
01〜0.05％とするのが望ましい。

【００３２】なお、Ｐ、Ｓは合金中に不可避的に混入す
る元素であるが、溶接性と高温強度を確保する観点か
ら、Ｐは0.03％以下、Ｓは0.01％以下とすることが望ま
しい。

【００３３】

【実施例】表１(1) 、表１(2) および表１(3) に示す化
学組成の合金を高周波真空溶解炉で溶製して得た20kgイ
ンゴットを鍛造、冷間圧延し、さらに1200℃で固溶化熱
処理を施した供試材から、各試験片を作製し、クリープ
破断試験と時効後のシャルピー衝撃試験を行った。

【００３４】クリープ破断試験は、外径６mm、標点間距
離30mmの試験片を用いて750 ℃で行い、10³ 時間と10⁴
時間の破断強度を求めた。時効後のシャルピー衝撃試験
は、750 ℃、300 時間の条件で時効処理した供試材から
作製した厚さ５mm×幅10mm×長さ55mmの２mmＶノッチ形
成試験片を用いて０℃で行った。

【００３５】表２(1) 、表２(2) および表２(3) に、10
³ 時間と10⁴時間の破断強度と時効後のシャルピー衝撃
値を示す。No.1〜44は本発明例、Ａ〜Ｗは比較例であ
る。なお、比較例Ａ〜Ｆは特開昭61−276948号公報に開
示される従来合金、比較例ＧとＨは特開昭59−153858号
公報に開示される従来合金である。比較例Ｉ〜Ｗは、表
中＊印の成分が本発明で定める範囲外の合金である。

【００３６】

【表１（１）】

【００３７】

【表１（２）】

【００３８】

【表１（３）】

【００３９】

【表２（１）】

【００４０】

【表２（２）】

【００４１】

【表２（３）】

【００４２】図１はクリープ破断強度に及ぼすTiとCuの
含有量の影響を示す図である。図２はクリープ破断強度
に及ぼすCu含有量の影響を示す図である。図３は、表２
の結果から本発明例と比較例の合金についてクリープ破
断強度を比較した例を示す図である。

【００４３】図１から、TiとCuの含有量が本発明で定め
る範囲にある合金は、優れたクリープ破断強度を示すこ
とが明らかである。図１、図２および表２から、Cuを２
％以上含有させることによってクリープ破断強度の改善
効果が顕著になり、一方、６％を超えてもクリープ破断
強度は本発明例合金のそれと差がなく、しかも靱性が大
きく低下することがわかる。

【００４４】さらに表２と図３から明らかなように、本
発明例合金は、Ti、Cuを含有していない比較例合金Ａと
Ｂに比べ、非常に高いクリープ破断強度を示す。また、
Tiを含有していてもCuを含有しない比較例合金Ｃ〜Ｆに
比べても、高いクリープ破断強度を示す。これは、Tiが
α相の析出を促進し、さらにCuによって析出したCu富化
相が高温強度向上に大きく寄与するとともに、α相の成
長を抑制し、長時間使用後もα相が粗大化しないためで
ある。

【００４５】

【発明の効果】本発明の高クロムオーステナイト耐熱合
金は、苛酷な高温腐食環境下においても優れた高温強度
を有する安価な合金である。この合金製単管は、従来合
金製の二重管よりもコスト的に有利で、しかも信頼性の
高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クリープ破断強度に及ぼすTiとCuの含有量の影
響を示す図である。

【図２】クリープ破断強度に及ぼすCu含有量の影響を示
す図である。

【図３】本発明例と比較例の合金についてクリープ破
断強度を比較した例を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si:1.0％以下、Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜
60％、Cu：２〜６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下
およびAl：0.01〜0.3 ％を含有し、さらにＢ:0.001〜0.
01％およびZr：0.01〜0.1 ％の１種以上ならびにMo:0.5
〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上を含有し、残
部はFeおよび不可避的不純物からなる高温強度と耐食性
に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。
【請求項２】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si:1.0％以下、Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜
60％、Cu：２〜６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以
下、Al：0.01〜0.3 ％およびNb:0.1〜1.0 ％を含有し、
さらにＢ:0.001〜0.01％およびZr：0.01〜0.1 ％の１種
以上ならびにMo:0.5〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１
種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
る高温強度と耐食性に優れた高クロムオーステナイト耐
熱合金。
【請求項３】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si:1.0％以下、Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜
60％、Cu：２〜６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以下
およびAl：0.01〜0.3 ％を含有し、さらにＢ:0.001〜0.
01％およびZr：0.01〜0.1 ％の１種以上ならびにMo:0.5
〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１種以上ならびにMg:
0.001〜0.05％およびCa:0.001〜0.05％の１種以上を含
有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる高温強度
と耐食性に優れた高クロムオーステナイト耐熱合金。
【請求項４】重量％で、Ｃ：0.02％を超え0.10％以下、
Si:1.0％以下、Mn:0.5％以下、Cr：28〜38％、Ni：35〜
60％、Cu：２〜６％、Ti:0.1〜1.0 ％、Ｎ：0.05％以
下、Al：0.01〜0.3 ％およびNb:0.1〜1.0 ％を含有し、
さらにＢ:0.001〜0.01％およびZr：0.01〜0.1 ％の１種
以上ならびにMo:0.5〜3.0 ％およびＷ:1.0〜6.0 ％の１
種以上ならびにMg:0.001〜0.05％およびCa:0.001〜0.05
％の１種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物
からなる高温強度と耐食性に優れた高クロムオーステナ
イト耐熱合金。