(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．５〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、ＮｂおよびＷの少なくとも一方を０．１〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる焼却炉高温部材用耐熱鋳鋼
【請求項２】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．５〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、Ｎｂを０．１〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる焼却炉高温部材用耐熱鋳鋼
【請求項３】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．５〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、Ｎｂを１．０２〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる耐食性耐熱鋳鋼
【請求項４】
焼却炉の高温部材として用いられることを特徴とする請求項３に記載の耐食性耐熱鋳鋼
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温酸化と共に塩化腐食や硫化腐食などが同時に生じるような腐食性の強い環境に対して、良好な耐食性を示す耐熱鋳鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温で使用される耐熱鋳鋼として、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃ系耐熱鋳鋼（たとえばＪＩＳ  ＳＣＨ２あるいはＳＣＨ１３）があるが、高温酸化と共に塩化腐食や硫化腐食などが同時に生じる激しい腐食環境下で本合金を使用すると、腐食により材料損傷が引起こされる。そのため高温の腐食環境下でこれらの合金を使用する場合、合金表面の冷却による延命化や、定期的にメンテナンスを行い短期間で装置部材を交換する事が必要である。
【０００３】
材料の延命化のために冷却により材料の表面温度を下げる事は、腐食を低減させるためには有効な手段であるが、これらの合金を例えば燃焼装置に用いた場合、過度の冷却は燃焼効率を低下させる要因となる。
【０００４】
上述した鋳鋼の用途の一つとして焼却炉の火格子が挙げられるが、焼却炉においてはダイオキシン類の発生抑制などの観点から高温燃焼が求められており、火格子はより厳しい腐食環境にて使用される傾向にある。ここで、火格子の腐食防止を目的として、過度に火格子を冷却すると、燃焼温度の低下を引起こすため好ましいとは言えない。ただし現状の材質では高温での耐食性が劣るため、短期間で定期的に炉を停止させメンテナンスをする事が必要となる。近年の焼却炉は多くの場合ごみ発電設備を有するため、長期間の連続運転が要求されており、現状の材質では対応できない問題がある。このため、材質に関する検討が数多く行われている。
【０００５】
特開平５−１４０７００号による従来技術では、重量比でＣ：０．０５〜０．２５％，Ｓｉ：０．３〜２．０％，Ｍｎ：０．２〜１．０％，Ｐ：＜０．０５％，Ｓ．：＜０．０５％，Ｃｒ：１６〜２０％，Ｎｂ：０．５〜１．５％，Ｂ：０．０２〜０．１５，残部Ｆｅから成る組成を提示し、ＮｂおよびＢの適量添加により熱疲労に有害な粗大なＣｒ炭化物を抑制でき、優れた疲労強度および耐熱性が得られたと謳っている。
【０００６】
特開平１１−１３１１９２号による従来技術では高温耐摩耗性について検討し、重量比でＣ：０．３〜０．７％，Ｓｉ：０．５〜２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％，Ｃｒ：２０〜３０％，Ｗ：０．５〜４．５％，Ａｌ：０．０１〜０．０５，Ｃａ：０．０１〜０．０５，残部Ｆｅから成る鋳鋼を提示し、従来材（ＳＣＨ２）を凌ぐ高温強度を有し、特に約６００℃ないしそれ以上の温度域で優れた高温硬度および耐摩耗性が得られたと謳っている。
【０００７】
特開平１１−１４０６００号による従来技術では、耐拘束熱疲労性と耐酸化性を向上させ且つ薄肉とするために、重量比でＣ：０．０１〜０．２％，Ｓｉ：３．０〜５．０％，Ｍｎ：０．５〜０．２５％，Ｃｒ：６．０〜１４．５％，Ｎｉ．６．０〜１１．５％，Ｍｏ．０．０５〜２．０％，Ｎｂ：０．０５〜２．５％，Ｗ：０．０５〜４．５，Ｃｕ：０．５〜２．０％，残部Ｆｅから成る鋳鋼を提示し、耐酸化性の向上および鋳造性の向上による薄肉化が得られたと謳っている。
【０００８】
さらに、特開平１１−１３１１９２号による従来技術では、高温域における高硬度・耐摩耗性の改善のために、重量比でＣ：０．３〜０．７％，Ｓｉ：０．５〜２．０％，Ｍｏ：０．１〜２．０％，Ｃｒ：２０．０〜３０．０％，Ｗ：０．５〜４．５％，Ａｌ：０．０１〜０．０５％，Ｃａ：０．０１〜０．０５％，残部Ｆｅから成る耐熱鋳鋼を提示し、５００℃を越える高温温度域で従来の材質（ＳＣＨ２）を越える硬度が得られたと謳っている。
【０００９】
上記の従来技術は、主に疲労強度や高温耐摩耗性等の機械的性質に関する内容であり、高温腐食についてはわずかに耐酸化性の向上が謳われている。これに対して、本発明は高温酸化のみならず、塩化腐食や硫化腐食などが同時に生じるような腐食性の強い環境に対する耐食性の向上を示す耐熱鋳鋼に関するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
高温の腐食環境下での腐食挙動を調査するため、耐熱鋳鋼（ＳＣＨ２）をＨＣｌおよびＳＯ２を含み溶融塩が存在する条件で腐食試験を行った。腐食試験後の断面写真を図１に示す。結晶粒界に連続的に析出したＣｒ炭化物が選択的に腐食され、さらに表面近傍では粒界が全て腐食し結晶粒の脱落が生じていた。実際の高温装置ではさらに温度変動による熱応力が加わり、腐食した結晶粒界から容易に亀裂が進展し結晶粒の脱落が加速される。この様な粒界腐食に起因して激しい減肉が生じる。
【００１１】
本発明は、上記の様な問題に対処すべく、高温の腐食環境において装置部材を過度に冷却する事無しに優れた耐食性を有する合金を提供する事を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の腐食機構より、粒界に析出したＣｒ炭化物に起因する粒界腐食を抑制する事により、高温の腐食環境下で鋳鋼の腐食損傷を低減させる事が可能となる。結晶粒界に連続的に析出している耐食性の低いＣｒ炭化物に代わり、部分的あるいは連続的に耐食性の高い他の炭化物に置換えることにより、連続的な粒界腐食と結晶粒の脱落による減肉を防止する事が可能となる。Ｃｒ炭化物に置き換わる炭化物を形成する元素として、ＮｂもしくはＷを添加した合金を製作した。
【００１３】
図２はＳＣＨ２、図３はＳＣＨ２に１％のＮｂを添加（以下１Ｎｂ）、図４はＳＣＨ２に３％のＮｂを添加（以下３Ｎｂ）、図５はＳＣＨ２に３％のＷを添加（以下３Ｗ）した合金のそれぞれ鋳放し材の断面写真である。またＸ線回折により同定された炭化物は、ＳＣＨ２ではＣｒ炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）、１ＮｂではＣｒ炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）と共にＮｂ炭化物（Ｎｂ２ＣおよびＮｂＣ）、３ＮｂではＮｂ炭化物（Ｎｂ６Ｃ５）のみであり、同様に３ＷでもＷ炭化物（ＷＣ）のみとなった。これより図２で粒界に析出している炭化物はＣｒ炭化物であるのに対し、図３の１ＮｂではＣｒ炭化物が部分的にＮｂ炭化物に置き換わった。また図４の３Ｎｂでは、Ｃｒ炭化物がほぼＮｂ炭化物に置換された。同様に図５ではＣｒ炭化物がほぼＷ炭化物に置換された。これらＣｒ炭化物の析出が連続的ではない場合、結晶粒の脱落を引起こす粒界腐食は起こらず、大幅な延命化に繋がった。
【００１４】
本発明は、実験研究により連続的なＣｒ炭化物の制御により耐食性が向上する事を明らかとした知見に基づき、下記の手段により前記の問題を解決した。
【００１５】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．１〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、ＮｂおよびＷの少なくとも一方を０．１〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる焼却炉高温部材用耐熱鋳鋼
【００１６】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．５〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、Ｎｂを０．１〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる焼却炉高温部材用耐熱鋳鋼
【００１７】
質量％でＣを０．１〜０．５％、Ｓｉを０．５〜５．０％、Ｍｎを２．０％以下、Ｃｒを２０〜３５％、Ｎｉを４％以下、Ｎｂを１．０２〜５．０％含み、Ｍｏを含まず、又は含む場合は０．４％を上限値とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなる焼却炉高温部材用耐熱鋳鋼
【００１８】
焼却炉の高温部材として用いられることを特徴とする請求項３に記載の耐食性耐熱鋳鋼
【００１９】
本発明は、前記した様に耐熱鋳鋼に炭化物形成元素を添加し、Ｃｒ炭化物の連続的な析出を抑制する事により耐食性を向上させたものである。
【００２０】
本発明は、前記した様に耐熱鋳鋼に炭化物形成元素を添加し、Ｃｒ炭化物の連続的な析出を抑制する事により耐食性を向上させたものである。
【発明の実施の形態】
本発明の合金における各元素の添加割合とその理由について説明する。
【００２１】
Ｃは従来合金ではＣｒ炭化物を形成し粒界腐食を促進するため耐食性観点からは少ない方が望ましいが、炭化物形成により高温強度を向上させると共に、鋳造性を向上させるため、一定量の添加が不可欠である。０．１％未満の添加では前記所望の効果が得られず、０．５％を超えると炭化物の形成が過剰となり、粒界腐食が激しくなるため、その含有量を０．１〜０．５と定めた。
【００２２】
Ｓｉは溶湯に対して強力な脱酸作用を発揮すると共に、鋳造性を向上させる作用があり、０．５％以上の添加でその効果が顕著になる。しかし過剰に添加すると材料の靱性が低下し、５％を超える添加では著しい靱性低下が生じる。そのため含有量を０．５〜５．０％と定めた。
【００２３】
Ｍｎは脱酸作用と共に脱硫材としても作用し、さらに鋳造性を向上させるが、多量の添加は耐高温酸化性の低下を招くため、その耐食性悪化の影響が顕著ではない２％以下を含有量とした。好ましくは１％以下の含有である。
【００２４】
Ｃｒは高温耐食性向上のためには不可欠な元素である。雰囲気の酸素と反応し、合金表面に腐食に対して保護的なＣｒ２Ｏ３皮膜を形成し母材の腐食を抑制する。合金表面に均一なＣｒ２Ｏ３皮膜を形成するためには２０％を超える添加が必要であるが、３５％を超える添加により靱性が著しく劣るσ相が形成され、材料の靱性が悪化する可能性がある。そのため含有量を２０〜３５％に限定した。
【００２５】
Ｎｉは多量の添加により素地をオーステナイト化させる。オーステナイト系はフェライト系に比べ合金中の拡散速度が遅く、母材の高温酸化性が劣る。また高温腐食による母材の組織変化により合金表面にＮｉが濃縮し表面がオーステナイト化する場合があるが、この様な合金表面のオーステナイト化しない４％以下を添加量と定めた。
【００２６】
Ｍｏは高温強度向上に効果的な添加元素であるが、耐高温酸化特性を低下させる。特に高温強度が必用な場合の添加量として、耐高温酸化特性を低下させない範囲の０．４％を上限値と定めた。
【００２７】
Ｎｂは前記の通り、合金中に固溶すると共に炭化物を形成し粒界に析出し、連続的なＣｒ炭化物の切断やＣｒ炭化物に置換わる事により耐粒界腐食性を向上させる。連続的なＣｒ炭化物を切断し、耐食性を向上させるためには０．１％を以上の添加が必要であるが、５％を超えた添加はその効果が一定になる。経済的観点からはＮｂの添加量は少ない方が望ましいため、０．１〜５．０％を含有量と定めた。望ましくは０．２〜２．０％である。
【００２８】
ＷもＮｂ同様に炭化物となり粒界に析出し、耐粒界腐食性向上に寄与する。０．１％以上の添加によりその効果が現われ、５％を超える添加では効果が一定になる。経済的観点からＷの含有量は少ない方が望ましいため、０．１〜５．０％を含有量と定めた。
【００２９】
【実施例】
以下実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３０】
本発明の合金の性質を調べるために、組成を変えた本発明の合金および比較材として用いた各種合金の試験片を作り、腐食試験を行った。なお試験に用いた合金は全て、大気中にて通常の高周波誘導溶解炉を用いて溶解し、インゴットを作製した。表１に試験に用いた合金の組成を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
インゴットより試験片を切出し、ごみ焼却炉の火格子環境を模擬した条件で７００℃，２４時間試験片を保持し、試験後断面観察により腐食量を測定した。表２に示す結果の通り、ＮｂおよびＷを添加した本発明合金は何れも比較材に対し優れた耐食性を示した。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
発明の効果
本発明による合金は、特に高温酸化と共に塩化腐食や硫化腐食が同時に生じ、粒界腐食が問題となる高温の腐食環境で優れた耐粒界腐食性を示す。そのため本発明合金を使用する事により冷却が装置性能を低下させる場合などに、過度な冷却を行わずに長寿命で信頼性の高い合金を提供する事が出来る。これらの特性が要求される、例えば焼却炉の火格子に本合金を使用した場合、過度な冷却により燃焼温度を下げる事無しに長期間に渡りメンテナンスの必要無く使用する事が可能である。
【００３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】腐食試験後のＳＣＨ２の断面形態である。
【図２】ＳＣＨ２の鋳放し材の断面形態である。
【図３】１％Ｎｂを添加した開発合金の鋳放し材の断面組織である。
【図４】３％Ｎｂを添加した開発合金の鋳放し材の断面組織である。
【図５】３％Ｗを添加した開発合金の鋳放し材の断面組織である。
【表１】鋳鋼の化学組成である。
【表２】鋳鋼の高温腐食試験結果である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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