(57)【要約】【課題】アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で、該アルカリ硫酸塩の共晶点（８３２℃）以上の高温に晒された場合にも異常腐食を起す虞の少ない耐高温腐食部材及び熱交換器を提供すること。【解決手段】本発明に係る耐高温腐食部材は、８３２℃以上の温度に晒される耐高温腐食部材であって、該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜６、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。これによりＣｒが質量％で３２未満ではないので、前記アルカリ硫酸塩を含む灰が存在する雰囲気下で、その共晶点以上の高温に晒された場合においても異常腐食を起す虞は少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
８３２℃以上の温度に晒される耐高温腐食部材であって、
該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜６、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る、ことを特徴とする耐高温腐食部材。
【請求項２】
請求項１に記載の耐高温腐食部材おいて、
該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜４、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る、ことを特徴とする耐高温腐食部材。
【請求項３】
請求項１に記載の耐高温腐食部材おいて、
該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜３．５、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る、ことを特徴とする耐高温腐食部材。
【請求項４】
請求項１に記載の耐高温腐食部材おいて、
該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５以上３未満、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る、ことを特徴とする耐高温腐食部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の耐高温腐食部材において、
前記成分の他に、Ｗが、質量％で、０を超えて２以下含まれる、ことを特徴とする耐高温腐食部材。
【請求項６】
ごみ焼却炉に設けられ、８３２℃以上の温度に晒される熱交換器であって、
該熱交換器は、請求項１から５のいずれか一項に記載された材料組成の耐高温腐食部材である、ことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、８３２℃以上の温度に晒される耐高温腐食部材及び熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ごみ焼却炉等の熱交換器等、高温腐食環境下で使用される耐高温腐食部材の従来技術文献として、下記の特許文献１や特許文献２を挙げることができる。特許文献１には、重量％で、Ｃ：０．１８〜０．２８、Ｓｉ：３．００〜６．００、Ｍｎ：０．１０以下、Ｐ：０．０１以下、Ｓ：０．０１以下、Ｃｒが３０．０〜３５．０、Ｎｉ：４５．０〜５０．０、残りＦｅより成る耐高温腐食材料が開示されている。  
特許文献２には、重量％で、Ｎｉ：４５〜６０、Ｃｒが２０〜３２、Ｍｏが０を越えて５以下、Ｓｉが０を越えて５以下、Ｃ：０．３以下、Ｗが０を越えて２以下、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る耐高温腐食材料が開示されている。  
また、他の従来技術文献として、下記の特許文献３や特許文献４を挙げることができる。これらの文献には、Ａｌを必須の成分とする耐高温腐食材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５２１０７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７０１７５号公報
【特許文献３】特開２００４−２１８０１５号公報
【特許文献４】特開２００２−１２９２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ごみ焼却炉等においては、灰中に共融混合物であるアルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）が含まれることがある。灰中に含まれるアルカリ硫酸塩の量は、ごみの種類により変わる。このアルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）は、共晶点が８３２℃である。この共晶点（８３２℃）以上の高温環境になると灰中のＳの量によっては、腐食性が急激に上昇する。
【０００５】
本発明者等が実際に調べた結果を図１に示した。図１に示したように、耐高温腐食材料中のＣｒの含有量が３２質量％以下になると、該耐高温腐食材料はアルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含むごみ焼却炉発生灰（Ｃｌ：０．３１質量％、Ｓ：８．５８質量％）の存在下で、８５０℃で１００時間の高温腐食環境に晒すと異常腐食を起こすことを確認した。ここで、「異常腐食」とは、腐食試験の腐食減量が桁違いに大きく、試験片がほぼ全損（全壊）状態になるという意味で使われている。
【０００６】
この確認に用いた試験片の組成は、質量％で、Ｎｉが５０、Ｍｏが５．０、Ｓｉが５．０、Ｃが０．１９、Ｃｒは３４から３２を経て３１．６まで振り、残りＦｅ及び不可避的不純物から成る材料である。尚、この確認は温度８５０℃について行ったものであるが、本発明者等は、温度が８３２度を超えると、ほぼ同様の異常腐食を起こすことを確認した。
【０００７】
特許文献１に記載されている耐高温腐食材料は、その実施例では７００℃の耐食試験しか行われていない。また、特許文献２に記載されている耐高温腐食材料も、その実施例では７５０℃の耐食試験しか行われていない。いずれの文献においても、アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で８３２℃以上での耐食試験は行われていない。
【０００８】
特許文献２の耐高温腐食材料は、Ｃｒの含有量が３２質量％以下（Ｃｒが２０〜３２）であるので前記異常腐食を起すものである。  
特許文献１の耐高温腐食材料は、Ｃｒの含有量が３０．０〜３５．０質量％であり、前記異常腐食を起こす範囲と起こさない範囲が区別無く同列に記載されている。これは、耐高温腐食材料中のＣｒの含有量が３２質量％以下になると異常腐食を起す問題について、全く認識されていないことを示している。
【０００９】
特許文献３と特許文献４には、Ａｌを必須の成分とする耐高温腐食材料が記載されているが、Ａｌを含むことで、必要な成分の種類が多くなり、また、Ａｌの量が増加すると大気中での鋳造が困難になり、溶接性および材料強度が低下する問題がある。  
更にＣｒの含有量が２０〜４０質量％（特許文献３）、２５〜４０質量％（特許文献４）であり、前記異常腐食を起こす範囲と起こさない範囲が区別無く同列に記載されている。これは、前記特許文献１と同様に、耐高温腐食材料中のＣｒの含有量が３２質量％以下になると異常腐食を起す問題について、全く認識されていないことを示している。
【００１０】
本発明の目的は、アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で、該アルカリ硫酸塩の共晶点（８３２℃）以上の高温に晒された場合にも異常腐食を起す虞の少ない耐高温腐食部材及び熱交換器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、本発明の第１の態様に係る耐高温腐食部材は、８３２℃以上の温度に晒される耐高温腐食部材であって、該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜６、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、耐高温腐食部材の材料の組成は、Ｃｒが、質量％で、３２以上３６以下である。従って、Ｃｒが質量％で３２以下ではないので、当該耐高温腐食部材は、アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で、該アルカリ硫酸塩の共晶点（８３２℃）以上の高温に晒された場合においても異常腐食を起す虞は少ないという効果が得られる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記第１の態様において、Ｓｉの含有量を少ない方向に限定したものである。即ち、本態様において、該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜４、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の態様は、前記第１の態様において、Ｓｉの含有量を更に少ない方向に限定したものである。即ち、本態様において、該耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５〜３．５、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の態様は、前記第１の態様において、Ｓｉの含有量を更に少ない方向に限定したものである。即ち、本態様の耐高温腐食部材の材料の組成は、質量％で、Ｎｉが４５〜５０、Ｃｒが３２以上３６以下、Ｍｏが４．５〜５．５、Ｓｉが２．５以上３未満、Ｃが０．１〜０．３、残りＦｅ及び不可避的不純物から成ることを特徴とする。
【００１６】
第２の態様から第４の態様のそれぞれの態様によれば、第１の態様と同様に、Ｃｒが質量％で３２未満ではないので、当該耐高温腐食部材は、アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で、該アルカリ硫酸塩の共晶点（８３２℃）以上の高温に晒された場合においても異常腐食を起す虞は少ないという効果が得られる。また、Ｓｉの含有量の上限が小さくなったので、その分、σ相形成による割れの起点となる虞を低減することができる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、前記第１の態様から第４の態様のいずれか一つの態様において、前記成分の他に、Ｗが質量％で０を超えて２以下含まれることを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、新たにＷ（タングステン）を添加したことにより、該Ｗの存在に基づく耐高温腐食性向上効果が得られ、従来の耐高温腐食材料よりも耐高温腐食性を向上させることが可能である。
【００１９】
本発明の第６の態様に係る熱交換器は、ごみ焼却炉に設けられ、８３２℃以上の温度に晒される熱交換器であって、該熱交換器は、前記第１の態様から第５の態様のいずれか一つの態様に記載された材料組成の耐高温腐食部材であることを特徴とする。  
本態様によれば、ごみ焼却炉に設けられ、８３２℃以上の温度に晒される熱交換器において、前記第１の態様から第５の態様のいずれか一つの態様に記載の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ｃｒを含む耐高温腐食材料において、８３２℃以上の温度に晒された場合の腐食減量とＣｒの含有量（質量％）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る耐高温腐食部材の材料の成分限定の理由について先ず説明する。  
[成分限定の理由]
Ｃｒは質量％で３２以上３４以下である。  
上記の通り、Ｃｒが質量％で３２未満ではなく、３２以上であるので、当該耐高温腐食部材は、アルカリ硫酸塩（Ｎａ２ＳＯ４−Ｋ２ＳＯ４）を含む灰が存在する雰囲気下で、該アルカリ硫酸塩の共晶点（８３２℃）以上の高温に晒された場合においても異常腐食を起す虞は少ない。  
Ｃｒの含有量の上限については以下の通りである。Ｃｒは酸素と結びついてＣｒ２Ｏ３皮膜を形成し、耐高温耐食性を向上する。しかし、過剰添加は溶接性および機械的強度の低下につながるので、Ｃｒは、質量％で３４を上限とする。
【００２２】
Ｎｉは質量％で４５〜５０である。  
Ｎｉは、当該耐高温腐食部材の材料（合金）のベース材となるものであり、オーステナイト相を安定化し、耐酸化性及び高温強度を向上する。本態様では、この観点から他の成分との関係を踏まえて、質量％で４５〜５０とする。
【００２３】
Ｍｏは質量％で４．５〜５．５である。  
Ｍｏは、耐食性及び高温強度の向上に寄与する。過剰の添加は、溶接性や機械加工性を低下させる。本態様では、この観点から他の成分との関係を踏まえて、質量％で４．５〜５．５とする。
【００２４】
Ｓｉは質量％で２．５〜３．５である。  
Ｓｉは、その添加により酸素と結びついてＳｉＯ２皮膜を形成して耐高温腐食性を向上する。しかし、添加量が過剰になるとオーステナイト母相中にσ相という脆性相を形成し、割れの起点となる。また、σ相はＮｉ欠乏及びＣｒ濃化相でもあるため、アルカリ塩化物（ＮａＣｌ、ＫＣｌ）主体の溶融塩に対する耐食性が低く、腐食の起点ともなる。本発明では、この観点から他の成分との関係を踏まえて、質量％で２．５〜３．５とする。  
更に望ましくは、Ｓｉは、質量％で２．５以上３未満である。
【００２５】
Ｃは質量％で０．１８〜０．２８である。  
Ｃは、耐食性の観点からは添加量は少ないほうがよいが、その添加により機械的強度や鋳造性を向上する。本態様では、この観点から他の成分との関係を踏まえて、質量％で０．１８〜０．２８とする。
【００２６】
Ｗは質量％で０を超えて２以下である。  
高温腐食環境下における、Ｗを添加した当該耐高温腐食部材の材料では、炭化物（Ｍ２３Ｃ６：Ｍは金属）中にＷが優先的に固溶して、該炭化物中に固溶するＣｒの濃度を下げ、塩化物溶融塩に対する溶解抵抗を大きくする。  
一方、Ｗの添加量が多すぎると靱性の低下をきたす。本態様では、この観点から他の成分との関係を踏まえて、質量％で０を超えて２以下とする。
【００２７】
[実施例の説明]
本発明に係る耐高温腐食部材の各実施例１〜１０の化学組成は以下の表１に記載した。表１には、Ｃｒ含有量が質量％で３１・６である比較例１も示した。  
各実施例１〜１０の試験片は以下のように作成した。
【００２８】
＜試験片の作成＞
Ｆｅ、Ｃ、Ｆｅ-Ｓｉ、Ｆｅ-Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ-Ｗを原料としてそれぞれ秤量し、マグネシアルツボを用い、大気中にて高周波誘導炉において溶解した。Ｆｅ-Ｓｉを除くすべての原料を順次投入し、これらがすべて溶けた後にＦｅ-Ｓｉを投入した。すべてを溶融させた後、健全部の幅が約３０ｍｍであるＹブロックの砂型に鋳造し、大気中で常温まで冷却した。冷却後、砂型を壊し、鋳造材を得た。この鋳造材から後述する寸法の試験片を作成した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
〈腐食試験方法〉
腐食減量を計測するための腐食試験方法を以下に記す。  
腐食試験は、アルカリ硫酸塩を含むごみ焼却炉発生灰（Ｃｌ：０．３１質量％、Ｓ：８．５８質量％）中に前記各試験片を埋設し、８５０℃の高温で１００時間暴露するラボ腐食試験法であり、ＪＩＳＺ２２９３「金属材料の塩浸せき及び塩埋没高温腐食試験方法」に準じたものである。前記試験片は３ｍｍ深さに埋設した。  
試験片の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍとし、機械加工により、表面の算術平均粗さを５μｍ程度までに仕上げる。
【００３１】
試験片およびごみ焼却炉発生灰（Ｃｌ：０．３１質量％、Ｓ：８．５８質量％）を入れたるつぼを電気炉に静置し、上記の通り８５０℃に加熱して１００時間保持した後、取り出して表面の脱スケールを行った。前記電気炉内のガス組成（雰囲気）は、大気とした。  
また、脱スケールは、質量％で、１８％ＮaＯＨ＋３％ＫＭｎＯ４水溶液中での煮沸および１０％クエン酸アンモニウム水溶液中での煮沸により行った。脱スケール後、試験前後の重量減少を測定し、この腐食減量（ｍｇ／ｃｍ２）をもって耐食性の指標とした。
【００３２】
表１において、比較例１の試験片は、Ｃｒの含有量が質量％で３１．６であり、３２以下である。その腐食減量は５５５ｍｇ／ｃｍ２であり、Ｃｒの含有量が質量％で３２以上である各実施例に比べて桁違いの大きさである。実施例１から実施例１０の腐食減量は、７．９２〜１５．３の範囲にある。  
両者の値の差から、アルカリ硫酸塩を含むごみ焼却炉発生灰（Ｃｌ：０．３１質量％、Ｓ：８．５８質量％）に対する高温耐食性（腐食減量）において、Ｃｒ含有量が３２質量％を境に不連続とも言える急激な変化があることが理解できる。本発明は、この事実に基く発明である。
【００３３】
実施例１、２及び４は、Ｓｉの含有量が質量％で３以下のものである。実施例１、２及び４は、腐食減量においては他の実施例との間で顕著な差は見当たらない。  
しかし、Ｓｉは添加量が過剰になるとオーステナイト母相中にσ相という脆性相を形成し、割れの起点となる。また、σ相はＮｉ欠乏及びＣｒ濃化相でもあるため、アルカリ塩化物（ＮａＣｌ、ＫＣｌ）主体の溶融塩に対する耐食性が低く、腐食の起点ともなる。  
これらの実施例１、２及び４の組成の材料において、前記σ相形成に基く割れの起点になる問題を大きく改善でき、実用的で安定性のある耐高温腐食材料を得ることができることを本発明者等は確認した。
【００３４】
実施例１〜３及び実施例７〜８は、Ｗが更に添加されているものである。実施例１〜３及び実施例７〜８は、腐食減量においては他の実施例との間で顕著な差は見当たらない。  
しかし、高温腐食環境下において、Ｗを更に添加した実施例１〜３及び実施例７〜８の耐高温腐食部材では、炭化物（Ｍ２３Ｃ６：Ｍは金属）中にＷが優先的に固溶して、該炭化物中に固溶するＣｒの濃度を下げ、塩化物溶融塩に対する溶解抵抗を大きくする。  
これにより、実用的で安定性のある耐高温腐食材料を得ることができることを本発明者等は確認した。
【図１】
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