(57)【要約】【課題】  ８００℃以上の温度域での耐久性が向上された耐食、耐酸化性鋳造合金を提供する。【解決手段】  Ｃｒ：４０〜５０ｗｔ％、Ｆｅ：１０〜３５ｗｔ％、Ｓｉ：０．３２〜０．５ｗｔ％、残部実質的にＮｉからなることを特徴とする耐食、耐酸化性鋳造合金。この合金において、  Ｃｒ：４６〜４９ｗｔ％、Ｓｉ：０．３５〜０．４５ｗｔ％であることが望ましい。本発明は、Ｓｉを所定範囲に設定することにより、８００℃以上の温度域においてσ相の発生を抑制するとともに、鋳造時の溶湯の流動性を確保した点に特徴がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：４０〜５０ｗｔ％、Ｆｅ：１０〜３５ｗｔ％、Ｓｉ：０．３２〜０．５ｗｔ％、残部実質的にＮｉからなることを特徴とする耐食、耐酸化性鋳造合金。
【請求項２】
Ｃｒ：４６〜４９ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の耐食、耐酸化性鋳造合金。
【請求項３】
Ｓｉ：０．３５〜０．４５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐食、耐酸化性鋳造合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばボイラのバーナノズル、高温配管等に用いられる耐食、耐酸化性鋳造合金に関し、特に８００〜９００℃の温度域における引張り強さ及び伸びの耐久性の向上を図った耐食、耐酸化性鋳造合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラのバーナノズル、高温配管等に用いられる耐食、耐酸化性鋳造合金として、特公昭４５−２８２２号公報（特許文献１）に開示される合金が知られている。この合金は、Ｃｒ：３５〜４５ｗｔ％、Ｆｅ：１０〜３５ｗｔ％、Ｃ：１ｗｔ％以下、残部Ｎｉからなる組成を有している。この耐食、耐酸化性鋳造合金は、αクロム相の晶出及びσ相の析出を阻止して安定なオーステナイト基地を与えることにより、優れた耐熱、耐食性と溶接性とを併せ持つことができ、かつＮｉ含有量が比較的低いことから、廉価であるという利点があることが知られている。そのため、この合金は、ボイラのバーナノズル、高温配管等への使用実績が多い。
【０００３】
【特許文献１】特公昭４５−２８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された合金は、上述のように、優れた耐熱性、耐食性と溶接性とを併せ持つ。しかし、８００℃以上の温度に長時間晒された場合の耐久性について、特許文献１に開示された合金は不十分な点があることが本発明者等の検討によって明らかとなった。この合金は、σ相の析出によって、８００℃以上の温度域では、引張り強さ及び伸びの低下が顕著となる。近時、燃焼器の性能向上に伴って８００℃以上の温度域での引張り強さ及及び伸びの耐久性が特に重要となってきている。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、８００℃以上の温度域での引張り強さ及び伸びの耐久性が向上された耐食、耐酸化性鋳造合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
引張り強さ及び伸びの向上を図るためには、Ｃｒ含有量を多くすればよい。ところが、特許文献１には、Ｃｒ含有量の上限を４５ｗｔ％にする理由として、Ｃｒ含有量が４５ｗｔ％を超えると、Ｎｉ量が少なくなることから、σ相の析出が生じて靭性が乏しくなることの開示がなされている。つまり、特許文献１の開示に従う限り、Ｃｒ含有量を増加することによる耐食性、耐熱性の向上を期待することができない。そこで本発明者は、Ｃｒ含有量を増加するための検討を行った。その結果、特許文献１に開示された合金に含まれるＳｉの量を制御することにより、σ相の析出を回避しつつＣｒ含有量を増加できることを知見した。本発明はこの知見に基づくものであり、Ｃｒ：４０〜５０ｗｔ％、Ｆｅ：１０〜３５ｗｔ％、Ｓｉ：０．３２〜０．５ｗｔ％、残部実質的にＮｉからなることを特徴とする耐食、耐酸化性鋳造合金である。
【０００６】
本発明による耐食、耐酸化性鋳造合金は、Ｓｉ含有量を０．３２〜０．５ｗｔ％とすることにより、合金中のＣｒ含有量を増加してもσ相の析出による靭性低下を防ぐことが可能になった。本発明では、Ｃｒを４０〜５０ｗｔ％の範囲で含有することを許容するが、引張り強さ及び伸びの耐久性向上の観点から望ましいＣｒ含有量は４６〜４９ｗｔ％である。また、Ｓｉ含有量の望ましい範囲は、０．３５〜０．４５ｗｔ％である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｃｒ含有量を増加することにより、引張り強さ及び伸びの耐久性を向上するとともに、Ｓｉ含有量を所定値にすることにより、靭性低下の原因となるσ相の析出を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下本発明による耐食、耐酸化性鋳造合金の成分限定理由について説明する。
Ｃｒ：４０〜５０ｗｔ％
本発明において、Ｃｒは合金に耐食性、耐酸化性を付与するとともに、必要な機械的特性を得るために必要な元素である。本発明では、特に引張り強さ及び伸びの耐久性向上を図るべく、Ｃｒ含有量の下限を４０ｗｔ％とした。この程度の量のＣｒを含有することにより、耐食性、耐酸化性も良好である。ただし、Ｃｒ含有量が５０ｗｔ％を超えると、８００℃の環境下でσ相の析出が生じてしまう。また、Ｃｒ含有量が５０ｗｔ％を超えて多くなると、鋳造時の溶湯の流動性が劣ってくる。そこで本発明では、Ｃｒ含有量の上限を５０ｗｔ％とした。望ましいＣｒ含有量は４６〜４９ｗｔ％である。
【０００９】
Ｆｅ：１０〜３５ｗｔ％
Ｆｅの含有量は、特許文献１に開示された合金と同様とする。つまり、Ｆｅが１０％未満ではＮｉの含有量が多くなり合金のコストが高くなる。一方、Ｆｅの含有量が３５ｗｔ％を超えると、ＣｒとＮｉの相関関係によりσ相が多量に析出して脆硬となる。望ましいＦｅ含有量は１５〜３０ｗｔ％、さらに望ましいＦｅ含有量は１８〜２５ｗｔ％である。
【００１０】
Ｓｉ：０．３２〜０．５ｗｔ％
Ｓｉは、鋳造時の溶湯の流動性を確保する目的で合金に含有する。しかし、本発明者等の検討によれば、Ｓｉの含有量はσ相の析出に影響を与える。特に、８００℃未満の環境下ではσ相は析出することがない場合でも、８００℃以上の温度域では容易にσ相が析出する。
ここで、Ｃｒ含有量及びＳｉ含有量を変動させたときの溶湯（Ｆｅ：１８〜２８ｗｔ％、Ｎｉ：残部）の流動性を評価した。評価は、２００ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍのキャビティに、溶湯を流入させてその性状を観察するというものである。また、溶湯の流動性評価のほかに、時効処理によるσ相の析出を観察した。以下に評価基準を示すとともに、結果を表１に示した。
○：溶湯がキャビティ内に充填され、湯皺（湯じわ）の発生なし
△：溶湯はキャビティ内にほぼ充填されるが、表面に溶湯の境である湯皺が発生する
×：溶湯の流動性が悪く、キャビティ内に溶湯の充填されない隙間が発生
●：溶湯はキャビティ内に充填されるが、８００℃×２５００時間の時効試験でσ相が析出
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表１に示すように、Ｓｉ含有量が０．３０ｗｔ％以下の場合には溶湯の流動性が劣り、Ｓｉ含有量が０．６０ｗｔ％以上の場合はσ相の析出が観察される。以上の実験結果は、本願発明のＳｉ含有量を０．３２〜０．５ｗｔ％と規定することをサポートしている。本発明における望ましいＳｉ含有量は０．３５〜０．４５ｗｔ％である。
表１の結果はまた、Ｃｒ含有量についても示唆を与えている。つまり表１は、Ｃｒ含有量が多くなると溶湯の流動性が低下する傾向にあることを示している。
【００１３】
ところで、特許文献１には、「一般には…硅素約０．３％…含まれる。」との記載がある。しかし、表１の結果からして、特許文献１の上記記載はあくまで一般論を言っているのであって、特許文献１に開示された上記合金が具体的に０．３ｗｔ％を含んでいたことを示す根拠とはならない。一方、特許文献１に示されている機械的特性（引張り強さ、伸び、ビッカース硬さ）は、常温で測定されたものであり、本発明の合金が適用される８００℃以上の温度域においてσ相が析出することを示唆していない。
【００１４】
Ｎｉ：残部
本発明の鋳造合金は、以上の元素のほかの残部は実質的にＮｉからなる。製造上含まれる不純物は以下の範囲であれば本発明に影響を与えない。
Ｃ：０．１ｗｔ％以下、望ましくは０．０８ｗｔ％以下、さらに望ましくは０．０５ｗｔ％以下
Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、望ましくは０．８ｗｔ％以下、さらに望ましくは０．５ｗｔ％以下
Ｐ：０．５ｗｔ％以下、望ましくは０．０５ｗｔ％以下、さらに望ましくは０．０３ｗｔ％以下
Ｓ：０．１ｗｔ％以下、望ましくは０．０１ｗｔ％以下、さらに望ましくは０．００８ｗｔ％以下
【００１５】
本発明による鋳造合金は、所定の形状に鋳造されて又は鋳造後にさらに所定の形状に加工されて使用に供される。用途としては、ボイラのバーナノズル、高温配管等に適しているが、他の用途に用いることも当然可能である。また、本発明の鋳造合金は、８００℃以上、さらには９００℃以上の高温域での使用に適用することが想定されている。したがって、ボイラ等の燃焼器に用いた場合、運転温度を高くすることができるため、燃焼器の性能向上に寄与する。
【実施例１】
【００１６】
以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
表２に示す組成の合金を鋳造した後に、８００℃及び９００℃において時効処理を行った後、σ相の析出をＸ線回折により観察した。その結果を表２に示す。なお、表２における評価基準は以下の通りである。
○：σ相析出せず、△：σ相微量析出、×：σ相析出
表２において、試料Ｎｏ．２〜４を比較することにより、Ｓｉ含有量が多くなるにつれて、σ相の析出度合いが高くなることがわかる。一方で、試料Ｎｏ．５のようにＣｒ含有量が４８．０ｗｔ％と多くなっても、Ｓｉ含有量が０．３６ｗｔ％と低ければ、９００℃×２５００時間の時効処理を行った後でも、σ相が析出することはない。また、Ｃｒ含有量が２５．０ｗｔ％と低い試料Ｎｏ．１もσ相の析出が抑制されている。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
次に、試料Ｎｏ．１〜６の合金について、時効処理による硬さの変動を観察した。その結果を表３に示す。なお、合金の化学組成は、Ｓｉ、Ｃｒ及びＦｅの含有量（ｗｔ％）のみを表３に記載している。
【００１９】
【表３】
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【００２０】
次に、試料Ｎｏ．１〜６の合金について、時効処理による引張り強さの変動を観察した。その結果を表４及び図１、図２に示す。なお、合金の化学組成は、Ｓｉ、Ｃｒ及びＦｅの含有量（ｗｔ％）のみを表４に記載している。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
次に、試料Ｎｏ．１〜６の合金について、時効処理による伸びの変動を観察した。その結果を表５及び図３、図４に示す。なお、合金の化学組成は、Ｓｉ、Ｃｒ及びＦｅの含有量のみを表５に記載している。
【００２３】
【表５】
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【００２４】
表３〜表５及び図１〜図４より以下のことがわかる。
Ｃｒ含有量が２５．０ｗｔ％と低い試料Ｎｏ．１の合金は、硬さ、引張り強さが低いために、使用中に変形しやすいという問題がある。これは、伸びの値が大きいことからも伺える。このように変形しやすい合金を用いた場合、例えばバーナに用いた場合に性能に変化が生ずることが想定され、望ましくない。
Ｃｒ含有量、Ｆｅ含有量及びＮｉ含有量がほぼ等しく、Ｓｉ含有量の相違する試料Ｎｏ．２〜４を比較すると、Ｓｉ含有量が多くなるにつれて引張り強さ及び伸びの低下が顕著となる。これは、σ相析出に起因すると解される。以上に対して、Ｓｉ含有量が本発明の範囲に包含される試料Ｎｏ．４及び５は、試料Ｎｏ．２〜４に比べて、引張り強さ、伸びの低下が抑制されている。特に、Ｃｒ含有量が４８．０ｗｔ％と多い試料Ｎｏ．５は、常温における引張り強さ、伸びともに高い値を示し、かつ時効処理における低下も低いことがわかる。
以上の結果、さらには溶湯の流動性の評価結果より、本発明はＣｒ含有量を４０〜５０ｗｔ％、Ｓｉ含有量を０．３５〜０．５ｗｔ％とし、さらにＣｒ含有量を４６〜４９ｗｔ％に設定することを推奨する。本発明は、σ相の析出を抑制できるとともに、引張り強さ、伸びの低下を抑えることができる。特に、Ｃｒ含有量を増加しても、Ｓｉ含有量を低く設定することにより、σ相の析出を抑制できることは、Ｃｒ含有量増加により引張り強度、伸びの向上効果を享受する上で極めて重要である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例における時効時間（加熱温度８００℃）と引張り強さの関係を示すグラフである。
【図２】実施例における時効時間（加熱温度９００℃）と引張り強さの関係を示すグラフである。
【図３】実施例における時効時間（加熱温度８００℃）と伸びの関係を示すグラフである。
【図４】実施例における時効時間（加熱温度９００℃）と伸びの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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