(57)【要約】  フェライト相の体積率が０．１〜５．０％であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
2012132679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト相の体積率が０．１〜５．０％であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
【請求項２】
Ｃ：０．０１〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．６〜１．０質量％、Ｍｎ：２．０〜２．８質量％、Ｎ：０．１〜０．４質量％を含有する請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
【請求項３】
Ｃｒ：１８．０〜２４．０質量％、Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％、Ｎｂ：０．２〜０．７質量％を含有する請求項１または２に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
【請求項４】
フェライト相の体積率が０．１〜５．０％であり、
Ｃ：０．０１〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．６〜１．０質量％、Ｍｎ：２．０〜２．８質量％、Ｎ：０．１〜０．４質量％、Ｃｒ：１８．０〜２４．０質量％、Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％、Ｎｂ：０．２〜０．７質量％、を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
【請求項５】
１１５０〜１３５０℃の温度範囲から、３０℃/分以上の冷却温度で、６００〜８００℃の温度範囲まで冷却して得られた請求項１〜４の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼を用いて形成されたバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋳鋼は耐食性、強度、溶接性等に特に優れているため、化学プラントや発電プラントの配管やバルブ等において広く使用されている。オーステナイト系ステンレス鋳鋼は、例えば冶金学的には約１０〜２０％のα相と約９０〜８０％のγ相（オーステナイト相）の二相から形成されている。【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼の鋳鋼品として、ＣＦ８Ｃが公知である。例えば、ＣＦ８Ｃオーステナイト系ステンレス鋼鋳鋼品は、最大で０．０８質量％のＣ（炭素）、最大で２．０質量％のＳｉ（ケイ素）、最大で１．５質量％のＭｎ（マンガン）、１８．０〜２１．０質量％のＣｒ（クロム）、９．０〜１２．０質量％のＮｉ（ニッケル）、最大で１．０質量％のＮｂ（ニオブ）、を含んでいる。【０００４】
ＣＦ８Ｃは約１２．０％のフェライト相を含有する。フェライト相は、例えば公知のフェライトスコープでオーステナイト系ステンレス鋼中のフェライト含有量を測定する、或いは、成分元素に基づくシェフラー状態図から算出でき、体積率（パーセント（％））で表示する。【０００５】
当該フェライト相は、溶接割れの防止、応力腐食割れの軽減に有効であるとされる。しかし、フェライト相の含有量が多くなると、例えばＣＦ８Ｃを長期間高温に暴露した場合、当該フェライト相が鉄とクロムの化合物であるシグマ相（σ相）に変態して脆化する虞がある。【０００６】
特許文献１には、ＣＦ８Ｃを改変した合金であるＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓが開示されており、当該ＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓはフェライト相を含まないことが記載してある。特許文献１では、ＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓは、０．０５〜０．１５質量％のＣ、０．２〜１．０質量％のＳｉ、０．５〜１０．０質量％のＭｎ、１８．０〜２５．０質量％のＣｒ、１０．０〜１５．０質量％のＮｉ、０．１〜１．５質量％のＮｂ、０．０５〜０．５質量％のＮ、を含むとされている。【０００７】
ＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓにフェライト相が存在しないことは、材料から作製した構成部品の寿命の間、材料の鋳造時の特性を維持するために重要であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００９−５４５６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＦ８Ｃは使用環境下で長期間高温に暴露した場合、シグマ相が析出して時効脆化を生じ、時効延性が不十分となる虞があった。また、特許文献１に記載のＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓにおいても、耐酸化性について更なる改善が求められていた。【００１０】
従って、本発明の目的は、時効延性および耐酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋳鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、以下の［１］〜［６］に示す発明を提供する。
［１］  フェライト相の体積率が０．１〜５．０％であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
［２］  Ｃ：０．０１〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．６〜１．０質量％、Ｍｎ：２．０〜２．８質量％、Ｎ：０．１〜０．４質量％を含有する上記［１］に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
［３］  Ｃｒ：１８．０〜２４．０質量％、Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％、Ｎｂ：０．２〜０．７質量％を含有する上記［１］または[２]に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
［４］  フェライト相の体積率が０．１〜５．０％であり、
Ｃ：０．０１〜０．１０質量％、Ｓｉ：０．６〜１．０質量％、Ｍｎ：２．０〜２．８質量％、Ｎ：０．１〜０．４質量％、Ｃｒ：１８．０〜２４．０質量％、Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％、Ｎｂ：０．２〜０．７質量％、を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
［５］  １１５０〜１３５０℃の温度範囲から、３０℃/分以上の冷却温度で、６００〜８００℃の温度範囲まで冷却して得られた上記［１］〜[４]の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼。
［６］  上記［１］〜[５]の何れか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋳鋼を用いて形成されたバルブ。【００１２】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、例えば後述の実施例にて示したように、時効延性・引張強度・耐酸化性について優れたものとなる。特に、時効延性については、本発明の実施例は比較例の２．４倍程度となっていた。同様に、耐酸化性については、本発明の実施例は比較例の９．５倍程度に改善されたものと認められた。【００１３】
当該オーステナイト系ステンレス鋳鋼がこのような優れた特性を有する理由として、フェライト相の体積率が０．１〜５．０％となっている点、含有成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｎの含有量が重要であると考えられる。各成分について詳述する。【００１４】
フェライト相の体積率を０．１〜５．０％とすることで、長期間高温に暴露した場合であっても、シグマ相の析出量を少なくすることができる。当該シグマ相の析出量が少なくなることで、オーステナイト系ステンレス鋳鋼が脆化し難くなり、時効延性に優れたオーステナイト系ステンレス鋳鋼となる。【００１５】
Ｃは、融点を低下させ、溶湯の流動性、即ち鋳造性を改善する作用がある。また、Ｃは耐食性の観点から低いほど好ましく、多量に添加されると母材の耐食性を低下させる。これらを踏まえ、本発明では高温延性を改善するため、Ｃの添加量を０．０１〜０．１０質量％としている。【００１６】
Ｓｉは、溶湯の脱酸剤および流動性改善、耐酸化性、溶接性の改善に有効な元素である。しかし、過剰に加えるとオーステナイト組織が不安定になり、鋳造性の劣化を招きまた、加工性、溶接性の阻害や溶接割れを助長する。そのため、本発明ではＳｉの添加量を０．６〜１．０質量％としている。【００１７】
Ｍｎは、溶湯の脱酸剤として有効であり、鋳造時の湯流れ性を向上させて生産性を改善する。さらに、溶接割れの低減に有効である。過度の添加は耐酸化性を損なうことから、本発明ではＭｎの添加量を２．０〜２．８質量％としている。Ｍｎがこの範囲であれば、後述の実施例で示したように、耐酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋳鋼を得ることができる。【００１８】
Ｎは、高温強度および耐熱疲労性を改善する元素であり、強力なオーステナイト生成元素であり、オーステナイト基地を安定にする。また、結晶粒微細化に有効な元素である。この結晶粒微細化により、構造物として重要な材料の延性の確保が可能になり、また、オーステナイト系ステンレス鋳鋼に特有な被削性が悪いという欠点を改善できる。特に、部品を連結するために穿孔加工を施される部材では、穿孔加工性が良好となる。Ｎを多量に添加すると、脆化を促進する一方、有効なＣｒ量が減少し耐酸化性を劣化させる。そのため、本発明ではＮの添加量を０．１〜０．４質量％としている。【００１９】
Ｃｒは、耐酸化性を改善し、フェライト組織を安定にする元素であるが、その効果を確実にするため１８．０質量％以上とする。一方、多量の添加は、高温使用過程で、Ｃｒ炭化物の過剰析出による鋼の時効延性の低下をきたすので、２４．０質量％を上限とする。【００２０】
Ｎｉは、安定なオーステナイト基地を形成し、オーステナイト相を安定化させ、鋼の高温強度、耐酸化性を高める。良好な鋳造性・耐食性及び溶接性を考慮して、本発明ではＮｉの添加量を８．０〜１５．０質量％としている。【００２１】
Ｎｂは、Ｃと結合して微細な炭化物を形成し、高温強度を改善する。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制することによって、耐酸化性を向上させる。これらの効果を有効に発揮させるためには、含有量は０.２％以上必要である。しかし、多量に添加すると、高温割れ感受性を著しく高め、内部品質を悪化させることから、本発明ではＮｂの添加量を０．２〜０．７質量％としている。【００２２】
また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、１１５０〜１３５０℃の温度範囲から、３０℃/分以上の冷却温度で、６００〜８００℃の温度範囲まで冷却することによって製造することができる。上記条件で本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼を製造することで、鋳放しでも優れた強度特性を有するため、固溶化熱処理を省略することができる。
製造されたオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、例えば、化学プラントや発電プラントの配管やバルブなどの材料として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】オーステナイト系ステンレス鋳鋼において、耐酸化性（ｍｍ／年）を調べた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、フェライト相の体積率が０．１〜５．０％、好ましくは０．５〜３．０％となるように構成される。本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｎなどを含有する。
Ｃは０．０１〜０．１０質量％、好ましくは０．０２〜０．０４質量％、
Ｓｉは０．６〜１．０質量％、好ましくは０．７〜０．９質量％、
Ｍｎは２．０〜２．８質量％、好ましくは２．２〜２．４質量％、
Ｎ：０．１〜０．４質量％、好ましくは０．１５〜０．２５質量％、
Ｃｒ：１８．０〜２４．０質量％、好ましくは１９．５〜２１．５質量％、
Ｎｉ：８．０〜１５．０質量％、好ましくは１０．５〜１２．５質量％、
Ｎｂ：０．２〜０．７質量％、好ましくは０．２〜０．４質量％、の含有量とする。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼、および、参考としてＣＦ８ＣおよびＣＦ８Ｃ−Ｐｌｕｓにおける上記成分の組成（質量％）の範囲を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2012132679.tif 000003
【００２６】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼においてフェライト相の体積率を０．１〜５．０％とすることで、長期間高温に暴露した場合であっても、シグマ相の析出量を少なくすることができる。よって、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は脆化し難くなり、時効延性に優れる。
また、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼では、Ｍｎの含有量をＣＦ８Ｃより高めており、Ｃの含有量を低めに設定している。これにより、高温での強度・耐酸化性を向上させることができる。
【００２７】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼には、上述した組成以外にもＷ、Ｂ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ，希土類元素（Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ，Ｐｄ，Ｎｄ等）などを含ませることができ、残部はＦｅおよび不可避不純物である。
【００２８】
上記の金属成分を、溶解炉にて溶解し、１１５０〜１３５０℃の温度範囲から、３０℃/分以上の冷却温度で、６００〜８００℃の温度範囲まで冷却することで、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼を作製することができる。この条件で本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼を製造することで、鋳放しでも優れた強度特性を有するため、固溶化熱処理を省略することができる。
【００２９】
製造されたオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、例えば、化学プラントや発電プラントの配管やバルブなどにおいて使用される。
【実施例】
【００３０】
〔実施例１〕
本発明の実施例について説明する。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼（実施例１−１〜１−６）、ＣＦ８Ｃ（比較例１−１〜１−５の主成分の組成（質量％）をそれぞれ表２，３に示す。【００３１】
【表２】
2012132679.tif 000004
【００３２】
【表３】
2012132679.tif 000005
【００３３】
これら実施例および比較例について、時効延性（７００℃―６２０時間）、引張強度（９００℃）、０．２％耐力（９００℃）、耐酸化性（１０００℃）を調べ、さらに高温低サイクル疲労試験（両振三角波、歪速度０．１％／秒、７００℃、全ひずみ０．５％）を行なった。【００３４】
なお、実施例および比較例ともに鋳造は、通常の置注鋳造法によって行なった。熱処理については、実施例１，２はas cast（鋳放し）によって行い、その他の実施例および比較例はＳＨＴ（固溶化熱処理法）によって行った。時効延性、引張強度、０．２％耐力、耐酸化性を調べた結果を表４に示した。【００３５】
【表４】
2012132679.tif 000006
【００３６】
この結果、時効延性については、実施例では２０．４％以上であるのに対して、比較例では１７．２％以下であった。
引張強度については、実施例では１１３〜１３４Ｍｐａであり、比較例では９３〜１２７Ｍｐａであった。
０．２％耐力については、実施例では８７〜９１Ｍｐａであり、比較例では７０〜８４Ｍｐａであった。
耐酸化性については、実施例では０．４８９ｍｍ／年  以下であり、比較例では１．２７８ｍｍ／年  以上であった。【００３７】
即ち、０．２％耐力については、実施例および比較例では顕著な差異は認められなかったものの、時効延性・引張強度・耐酸化性については、実施例のほうが優れていることが判明した。特に、時効延性については、実施例の平均値が２４．８％、比較例の平均値が１０．４％となっており、実施例は比較例の２．４倍程度となっていた。同様に、耐酸化性については、実施例の平均値が０．２９０ｍｍ／年、比較例の平均値が２．７７０ｍｍ／年となっており、実施例は比較例の９．５倍程度に改善されたものと認められた。
上述した結果は、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼のフェライト相の体積率が０．２％である場合であるが、フェライト相の体積率の下限を０．１％とした場合であっても同様の結果が得られるものと考えられる。【００３８】
〔実施例２〕
実施例１では、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼のフェライト相の体積率は０．２％であった（実施例１−１〜１−６）が、これに限らず、フェライトト相の体積率を１〜３％とした場合についても時効延性、引張強度、０．２％耐力、耐酸化性を調べた（実施例２−１〜２−４）。これらは実施例１と同様の条件で行なった。実施例２−１〜２−４の各成分を表５に示し、結果を表６に示した。【００３９】
【表５】
2012132679.tif 000007
【００４０】
【表６】
2012132679.tif 000008
【００４１】
この結果、実施例２−１〜２−４における時効延性の平均値は２４．６％、耐酸化性の平均値は０．１５９ｍｍ／年となっており、これらの値は実施例１と同様に比較例より優れていると認められた。本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼のフェライト相の体積率の上限を５％とした場合であっても同様の結果が得られると考えられる。【００４２】
〔実施例３〕
Ｍｎの含有量が約１．０〜４．５質量％であるオーステナイト系ステンレス鋳鋼において、耐酸化性（ｍｍ／年）を調べた。本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、Ｍｎの含有量が２．２６質量％（実施例３−１）、２．３３質量％（実施例３−２）の態様について調べた。比較例のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、Ｍｎの含有量が１．０４質量％（比較例３−１）、１．１７質量％（比較例３−２）、１．８１質量％（比較例３−３）、４．３７質量％（比較例３−４）、４．４８質量％（比較例３−５）の態様について調べた。これら実施例および比較例において、それぞれの成分を表７に示した。結果を表８および図１に示した。【００４３】
【表７】
2012132679.tif 000009
【００４４】
【表８】
2012132679.tif 000010
【００４５】
図１より、本発明のオーステナイト系ステンレス鋳鋼では、Ｍｎの含有量が２．０〜２．８質量％であれば、耐酸化性を１ｍｍ／年  以下に抑制できるものと認められた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋳鋼の製造に利用できる。
【図１】
2012132679.tif 000011
【国際調査報告】
2012132679.tif 000012
2012132679.tif 000013
2012132679.tif 000014
2012132679.tif 000015