(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｎ：０．０５〜０．２５％およびｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｎ：０．０５〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０  ％およびＭｇ：０．００１〜０．０１５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｎ：０．０５〜０．２５％およびｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０％を含有し、更に、Ｍｏ：０．３〜２．０  ％およびＷ：０．５〜４．０％のいずれか一方または両方を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｎ：０．０５〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０  ％およびＭｇ：０．００１〜０．０１５％を含有し、更に、Ｍｏ：０．３〜２．０％およびＷ：０．５〜４．０％のいずれか一方または両方を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高温装置用材料として使用される、高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温環境下で使用されるボイラや化学プラント等においては、装置用材料として  ＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ  、ＳＵＳ３２１Ｈ  、ＳＵＳ３４７Ｈ  等の１８−８系オーステナイトステンレス鋼が使用されてきた。しかし、近年、このような高温環境下における装置の使用条件が著しく苛酷化し、それに伴って使用材料の性能に対する要求が厳しくなり、従来用いられてきた１８−８系オーステナイトステンレス鋼では高温強度が不十分となってきている。
【０００３】
一般に、オーステナイト鋼の高温強度の改善方法としては、炭窒化物による析出強化に加えて、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を多量に添加することによる固溶強化が有効であるが、後者による場合はオーステナイト組織の安定性を確保するために高価なニッケル（Ｎｉ）量の増加が余儀なくされ、製造コストの上昇が避けられず、経済性の点で大きな不利を伴うものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、使用条件の苛酷化に十分対処できる良好な高温強度を有し、かつ、安価な元素を活用して高価な元素の添加を極力抑えることにより、経済的にも有利なオーステナイト系耐熱鋼を提供することを課題としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
優れた高温強度と組織安定性を備えた材料として、本出願人は、先に特開昭６２−１３３０４８号公報で、窒素（Ｎ）含有オーステナイト鋼にクリープ破断強度の向上に有効な銅（Ｃｕ）、ほう素（Ｂ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を添加し、かつ、珪素（Ｓｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）の含有量を減少させた材料を提案した。
【０００６】
本発明者らはその後さらに検討を重ね、Ｃｕ、ニオブ（Ｎｂ）およびＮの３種類の合金元素を複合添加したオーステナイト系の鋼において、マンガン（Ｍｎ）含有量を  ０．５重量％以下に抑えることにより、高温長時間側でのクリープ破断強度の向上が可能になるという新たな知見を得た。
【０００７】
本発明は上記の知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記▲１▼および▲２▼のオーステナイト系耐熱鋼にある。
【０００８】
▲１▼  重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０  ％、Ｎ：０．０５〜０．２５％およびｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。この耐熱鋼は、更に０．００１〜０．０１５％のＭｇを含有してもよい。
【０００９】
▲２▼  重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｎｉ：７〜２０％、Ｃｕ：２．０〜４．５％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｎ：０．０５〜０．２５％およびｓｏｌ．Ａｌ：０．００３〜０．０３０％を含有し、更に、Ｍｏ：０．３〜２．０％およびＷ：０．５〜４．０％のいずれか一方または両方を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高温強度の良好なオーステナイト系耐熱鋼。この耐熱鋼は、更に０．００１〜０．０１５％のＭｇを含有してもよい。
【００１０】
【作用】
以下に、本発明鋼に含まれる各成分の作用効果とそれらの含有量の限定理由について述べる。なお、合金元素の「％」は「重量％」を意味する。
【００１１】
Ｃ：
耐熱鋼として必要な引張強さおよびクリープ破断強度を確保するために有効な元素である。しかし、０．１５％を超えて含有させても溶体化状態における未固溶炭化物量が増加するだけで、高温強度の向上に寄与しなくなるばかりでなく、靱性等の機械的性質も劣化させる。従って、Ｃ含有量の上限は０．１５％と定めた。なお、本発明鋼のようなＮ添加鋼ではＣ含有量は低めであってもよいが、上記の効果を十分に発揮させるために、下限は０．０５％とした。
【００１２】
Ｓｉ：
脱酸剤として用いられ、また、耐酸化性の向上に有効な元素であるが、含有量が多くなると溶接性や熱間加工性が劣化する。また、本発明鋼のようなＮ添加鋼では時効中やクリープ中に析出する窒化物量が増加し、靱性や延性の低下を招く。従って、Ｓｉ含有量は  ０．５％以下とした。特に靱性や延性を重視する場合には、０．３％以下に抑えることが望ましく、さらに望ましくは、実質的に０（ｔｒ．）  とするのがよい。
【００１３】
Ｍｎ：
Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、また、熱間加工性の向上に有効な元素であって、通常のオーステナイト系ステンレス鋼では１〜２％程度含まれている。しかし、本発明鋼のようにＣｕ、ＮｂおよびＮを含有する鋼では、Ｍｎ含有量を０．５０％以下に減少させることにより、クリープ中に微細に析出してくるＣｕ相やＮｂＣｒＮ複合窒化物の成長を抑制し、高温長時間側でのクリープ破断強度を向上させることができる。なお、クリープ破断強度の点からはＭｎ含有量に下限を設ける必要はないが、脱酸剤としての作用や熱間加工性の向上に有効であることを考慮して、下限は０．０５とした。
【００１４】
Ｃｒ：
高温での耐酸化性や耐食性を向上させるために必要な元素であり、含有量の増加に伴いこれらの性能は向上する。しかし、その含有量が１７％未満では十分な効果が得られず、一方、２５％を超えると、オーステナイト組織を確保するために添加するＮｉもそれに応じて増加させなければならないので製造コストの上昇が大きくなる。従って、Ｃｒの含有量は１７〜２５％とした。
【００１５】
Ｎｉ：
安定なオーステナイト組織を確保するための必須成分であり、その最適含有量は鋼中に含まれるＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等のフェライト生成元素やＣ、Ｎ等のオーステナイト生成元素の含有量によって定まる。本発明鋼では、７％未満ではオーステナイト組織の安定化が困難であり、一方、２０％を超えて含有させると製造コストの上昇が大きくなるので、その含有量は７〜２０％とした。
【００１６】
Ｃｕ：
クリープ中に微細なＣｕ相として分散析出し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与するが、その効果を発揮させるためには  ２．０％以上含有させることが必要である。しかし、  ４．５％を超えて含有させるとクリープ破断延性や加工性が劣化する。従って、Ｃｕ含有量は  ２．０〜４．５  ％とした。
【００１７】
Ｎ：
Ｃと同様、引張強さやクリープ破断強度の向上に有効な元素であるが、その含有量が０．０５％未満では十分な効果を発揮させることはできない。一方、ＮはＣに比較して固溶限が大きいので、比較的多量に含有させても溶体化状態で十分固溶し、時効中に生じる窒化物析出に伴う靱性低下も比較的少ないが、０．２５％を超えて含有させると時効後靱性が低下する。従って、Ｎの含有量は０．０５〜０．２５％とした。
【００１８】
Ｎｂ：
Ｎｂは微細な炭窒化物の分散析出強化によりクリープ破断強度を向上させる元素である。しかし、その含有量が０．１０％未満では十分な効果が得られず、一方、０．８０％を超えて過剰に添加すると溶接性や加工性が劣化するとともに、本発明のようなＮ添加鋼では未固溶の炭窒化物量が増加し、機械的性質も劣化するので、Ｎｂの含有量は０．１０〜０．８０％とした。
【００１９】
ｓｏｌ．Ａｌ：
脱酸剤として添加される元素であり、  ０．００３％以上含有させる必要がある。しかし、  ０．０３０％を超えて含有させると、高温条件下で長時間使用する際、σ相等の金属間化合物の析出が促進され、靱性が劣化する。したがって、ｓｏｌ．Ａｌの含有量は  ０．００３〜０．０３０  ％と定めた。  ０．００３〜０．０２０  ％の範囲に調整するのが望ましい。
【００２０】
Ｂ：
Ｂは微細な炭窒化物の分散析出強化および粒界強化によりクリープ破断強度の向上に寄与するが、含有量が  ０．００１％未満ではその効果が発揮されず、一方、  ０．０１０％を超えて含有させると溶接性が劣化する。従って、Ｂの含有量は  ０．００１〜０．０１０  ％と定めた。
【００２１】
上記の成分のほかに、必要に応じて、更に、ＭｏおよびＷのいずれか一方または両方を添加してもよい。また、Ｍｇも必要に応じて添加することができる。必要に応じて添加する成分の限定理由は以下のとおりである。
【００２２】
ＭｏおよびＷ：
これらの元素は鋼の高温強度を改善する作用を有している。しかし、Ｍｏについては、その含有量が  ０．３％未満、Ｗについては  ０．５％未満では、その効果は十分ではない。一方、Ｍｏについては、  ２．０％、Ｗについては  ４．０％を超えて含有させるとその効果は飽和傾向を示すとともに、加工性が劣化し、経済的にも不利である。従って、これらの元素の含有量は、Ｍｏについては  ０．３〜２．０  ％、Ｗについては  ０．５〜４．０  ％とした。なお、これらの元素の上限が前記の特開昭６２−１３３０４８号公報に記載の発明におけるＭｏおよびＷの上限（それぞれ  ３．０％および  ５．０％）よりも低いのは、加工性の向上に有効なＭｎの含有量を低く抑えたことによるものである。
【００２３】
Ｍｇ：
脱酸元素としてのＭｎおよびＡｌの含有量を減少させた本発明鋼において、鋼の脱酸を十分行うためにＭｇの添加が有効である。更に、Ｍｇはクリープ破断強度の改善にも寄与する元素である。従って、Ｍｇも必要に応じて添加するのがよい。ただし、添加する場合は、その含有量が  ０．００１％未満では上記の効果は十分ではないので、  ０．００１％以上含有させるのが望ましい。一方、  ０．０１５％を超えて含有させると加工性や溶接性が劣化する。
【００２４】
【実施例】
真空溶解により、表１および表２に示す化学組成を有する本発明鋼（合金  Ｎｏ．１〜２２）および比較鋼（合金  Ｎｏ．Ａ〜Ｍ）を溶製し、鍛造および冷間圧延を経た後、溶体化処理を施した。
【００２５】
これらの供試材についてクリープ破断試験を行い、  ７５０℃での１０００時間クリープ破断強度を求めた。
【００２６】
試験結果を表３、図１および図２に示す。図１は、表３に示した合金  Ｎｏ．１〜６およびＡ〜Ｅについての結果をＭｇを含有する鋼と含有しない鋼に分けて図示したものであるが（図中の符号は表３の合金  Ｎｏ．に対応する）、この結果から、クリープ破断強度の向上にはＭｎの低減が極めて有効であり、Ｍｎ含有量を本発明で規定する範囲内に調整することによりＭｎの含有量が本発明の規定を超える比較鋼に比べてクリープ破断強度が大幅に向上していることがわかる。
【００２７】
図２は、同じく表３に示した供試材（合金  Ｎｏ．７、９、１２、１６、１７、１９、２０、２２およびＦ〜Ｍ）についての結果を、合金成分系別に本発明鋼と比較鋼とを対比させて示したものであるが（図中の合金  Ｎｏ．は表３の合金  Ｎｏ．に対応する）、この図に示されるように、いずれの成分系の鋼においてもＭｎ含有量を所定の範囲内に調整することによりクリープ破断強度が大幅に向上している。
【００２８】
また、Ｍｇを添加することによりクリープ破断強度が改善されており（図１参照）、Ｍｏの添加（合金  Ｎｏ．７）、Ｗの添加（  Ｎｏ．９、２２）あるいはＭｇとＷの添加（Ｎｏ．１２）によってクリープ破断強度が向上していることがわかる（図２参照）。
【００２９】
【表１】
0003543366.tif 000002
【００３０】
【表２】
0003543366.tif 000003
【００３１】
【表３】
0003543366.tif 000004
【００３２】
【発明の効果】
本発明のオーステナイト系耐熱鋼は高温強度に優れ、高温長時間側でも優れたクリープ破断強度を有している。しかも、高価な元素であるＮｉの含有量を極力抑制するためＮを積極的に活用しているので経済的にも有利で、ボイラや化学プラント等、高温環境下で使用される装置用材料として好適であり、産業上有用な効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｍｎ含有量とクリープ破断強度との関係を示す図である。
【図２】クリープ破断強度について合金成分系別に本発明鋼と比較鋼とを対比した図である。
【図１】
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【図２】
0003543366.tif 000006