(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｐ ；０．０４％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｃｒ：１５〜２０％、
Ｎ ：０．０３％以下、
Ａｌ：２〜４％、
Ｎｂ：０．１越え０．３％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
重量％で、
Ｃ ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｐ ；０．０４％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｃｒ：１５〜２０％、
Ｎ ：０．０３％以下、
Ａｌ：２〜４％、
Ｎｂ：０．１越え０．３％以下
およびＴｉ：０．１％越え０．３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
重量％で、
Ｃ ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｐ ；０．０４％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｃｒ：１５〜２０％、
Ｎ ：０．０３％以下、
Ａｌ：２〜４％、
Ｎｂ：０．１越え０．３％以下
および希土類元素の１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼。
【請求項４】
重量％で、
Ｃ ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｐ ；０．０４％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｃｒ：１５〜２０％、
Ｎ ：０．０３％以下、
Ａｌ：２〜４％、
Ｎｂ：０．１越え０．３％以下
およびＴｉ：０．１％越え０．３％以下を含有し、さらに希土類元素の１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼。
【請求項５】
重量％で、
Ａｌ：２〜３．５％未満である請求項１、２、３または４に記載の耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，電熱器やストーブ等の高温器機の高温に曝される部位で使用される耐高温酸化性および耐高温変形性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼は，非常に優れた耐高温酸化性を特徴とし、電熱器の発熱体やストーブの燃焼筒等、高温に曝される部位の材料に使用されている。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼が優れた耐高温酸化性を示すのは、高温下で材料表面に主にＡｌ酸化物からなる強固で緻密な酸化皮膜を形成し、これが酸化に対して保護層の役割を果たすからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃焼の高効率化、低公害化、あるいは、熱容量の増大に伴い、燃焼器機の高温部位の温度が従来よりも上昇する傾向にあり、このような環境では、耐高温酸化性に優れた従来のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼でも、要求特性を十分満たすものとは言えなくなってきた。
【０００４】
電熱器やストーブの高温部位は、器機の使用・停止により、加熱・冷却の繰り返しに曝される。この繰返し加熱・冷却によって、材料の表面に形成された酸化皮膜は、金属母材との熱膨張率の違いにより、剥離を起こす。酸化皮膜の剥離が発生すると、剥離した酸化皮膜下の金属母材が直接、外気に曝されるようになり、その部分で酸化が再び進行することになる。温度が高いほど酸化速度が大きく、冷却時に酸化皮膜の剥離が激しいので、材料の酸化が加速される。
【０００５】
また、温度が高くなると材料の変形が大きくなり、外観上の見栄えの問題や機能上のトラブル発生の原因となりやすい。これは、高温では一般に材料強度が低下するうえに、酸化皮膜の成長によって材料表面に応力が生じるためである。
【０００６】
従来から耐高温酸化性を改善した鋼として、ＴｉやＮｂを添加した鋼が知られている。ＴｉやＮｂは、Ｃ、Ｎを炭化物や窒化物として安定化させ、耐高温酸化性の向上に効果がある。とくに、Ｔｉ添加は、異状酸化の発生の抑制や酸化皮膜の剥離の防止等の効果のほか、赤熱性の改善にも効果があり、ストーブ等の燃焼筒用材料として非常に有用である。さらに、鋼の靱性の改善にも効果があることが知られている。しかしながら、過剰なＴｉの添加は、酸化皮膜中のＴｉ酸化物の増大を招き、Ａｌ酸化皮膜の欠陥部を増加させて、耐高温酸化性を劣化させる。
【０００７】
また、本発明者らによれば、酸化皮膜中でのＴｉ酸化物の生成により、高温での材料変形量も増大することが明らかになった。したがって、実際のＴｉ添加量は、過剰のＴｉによる材料特性の劣化が現れない量に限定されているのが現状であり、Ｔｉ添加による材料特性の改善効果をそれ以上に向上させることは困難である。本発明は、従来のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼の高温特性を改良し、繰り返し加熱・冷却環境に曝される部位で使用されても高温酸化されにくく、かつ、変形の少ないＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼を提供することである。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するため、重量％で、
Ｃ ：０．０３％以下、
Ｓｉ：０．５％未満、
Ｍｎ：０．５％以下、
Ｐ ；０．０４％以下、
Ｓ ：０．００３％以下、
Ｃｒ：１５〜２０％、
Ｎ ：０．０３％以下、
Ａｌ：２〜４％、
Ｎｂ：０．１％越え０．３％以下、
を含有し、望ましくは、
希土類元素の１種又は２種以上：合計０．０１〜０．２０％、
Ｔｉ：０．１％越え０．３％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐高温酸化性および耐高温変形性に優れた発熱体またはストーブの燃焼筒用Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼にＴｉを添加すると、異常酸化発生の抑制や酸化皮膜剥離の防止等に効果があるほか、赤熱性の向上にも有効である等、Ｔｉ添加による高温特性の改善効果は大きい。しかしながら、過剰なＴｉの添加は酸化皮膜中のＴｉ濃化により、Ａｌ酸化皮膜の欠陥部を増加させて、耐高温酸化性を劣化させたり、高温での材料変形を増大させるなど、逆に高温特性を劣化させる原因となる。
【００１０】
一般に鋼の強度を向上させる元素としてＮｂが知られているが、Ｎｂは高温での材料の変形を防止する働きがあることが、本発明で明らかになった。この理由は、Ｎｂは酸化皮膜の水平方向の成長を抑制し、素材との界面で生じる応力を緩和させる効果があるものと推測される。
【００１１】
さらに、Ｔｉ添加鋼にＮｂを添加すると、材料表面でのＴｉ酸化物の生成が抑制され、耐高温酸化性が向上するとともに、材料の変形も減少することが明らかになった。ＴｉおよびＮｂを添加した耐高温酸化性に優れたステンレス鋼としては、特開平１−２５５６４８号公報や特開平４−２３５２５５号公報に記載がある。しかし、これらはＮｂ添加によって、ＡｌがＡｌＮとして消費されることを防ぐ効果や高温脆化を防止する効果が開示されているが、高温での変形の防止やＴｉ酸化物の生成の防止に関しての考慮はなされていない。
【００１２】
また、特開平１−２５５６４８号公報では、Ｎｂの過剰添加は耐高温酸化性を劣化させるとして、Ｎｂ添加量は０．１０％以下に限定している。これに対して、本発明では、鋼中のＳｉ、ＭｎおよびＮを低減化することにより、Ｎｂ添加によって耐高温酸化性は劣化しないことを確認した。ＳｉおよびＭｎはそれぞれ、Ｓｉ酸化物およびＭｎ酸化物を生成して、緻密なＡｌ酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化特性を劣化させる。また、Ｎは鋼中のＡｌと結合してＡｌＮを形成してＡｌを消費するため、異常酸化の起点となり、耐高温酸化性に悪影響を及ぼす。したがって、鋼中のＳｉやＭｎ、Ｎを低減化することにより、より耐高温酸化性を改善することができる。これら元素の低減化による耐高温酸化性の向上は、温度や熱・冷サイクル頻度等、材料の曝される環境が厳しいほど、より顕著に現れる。
【００１３】
以下に各元素の限定理由を述べる。
【００１４】
Ｃ：Ｃ含有量が高いと、異常酸化が発生しやすくなる。また、高Ａｌ含有フエライト系ステンレス鋼においては、Ｃ含有量が高くなると、スラブやホットコイルの靱性が劣化し、製造性が劣化する。したがって、Ｃ含有量の上限を０．０３％以下に限定する。
【００１５】
Ｓｉ：Ｓｉは、フエライト系ステンレス鋼の靱性を劣化させる。また、Ａｌ含有鋼においては、Ｓｉ酸化物の生成が緻密なＡｌ酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化特性を劣化させる。したがって、Ｓｉの含有量を０．５％未満に限定する。
【００１６】
Ｍｎ：Ｍｎは、Ｍｎ酸化物を生成して、緻密なＡｌ酸化物層の形成を阻害し、耐高温酸化特性に悪影響を及ぼす。したがって、耐高温酸化特性を維持するために、Ｍｎの含有量を０．５％以下に限定する。
【００１７】
Ｐ：Ｐは、耐高温酸化性および熱延板の靱性に悪影響を及ぼすので、その含有量を０．０４％以下に限定する。
【００１８】
Ｓ：Ｓは、鋼中の希土類元素と結合して非金属介在物となり、鋼の表面性状を悪化させる。また、非金属介在物を生成することで耐高温酸化性に有効な希土類元素の実質的有効量を低下させる。したがって、Ｓ含有量は０．００３％以下に限定する。
【００１９】
Ｃｒ：Ｃｒは、耐高温酸化性を向上させる元素として基本的かつ有効な元素であり、良好な耐高温酸化性を得るためには１５％以上の添加が必要である。しかし、過剰の添加はスラブやホットコイルの靱性を劣化させる。したがって、Ｃｒ含有量は１５〜２０％に限定する。
【００２０】
Ｎ：Ｎは鋼中のＡｌと結合してＡｌＮを形成して、異常酸化の起点となる。したがって、耐高温酸化性の向上のため、Ｎ含有量は０．０３％以下に限定する。
【００２１】
Ａｌ：ＡｌはＣｒと同様、耐高温酸化性を得るために最も重要な元素である。優れた耐高温酸化性は、鋼の表面に形成される緻密なＡｌ酸化物によって得られ、この層を形成させるのに必要なＡｌ含有量は２％以上である。しかし、Ａｌを過剰に含有させるとスラブやホットコイルの靱性が劣化するので、上限を４％に限定する。なお、Ａｌが３．５％未満でもほぼ十分な耐高温酸化性が得られるので、製造性、特に熱間加工性や酸洗性を重視する場合には３．５％未満としてもよい。
【００２２】
Ｎｂ：適量のＮｂは、鋼中のＣやＮと結合して靱性を著しく改善する効果がある。また、Ｎｂを添加すると鋼の高温強度が上がるとともに、酸化皮膜が成長する過程で生じる応力を緩和させて、材料の変形を防止する。また、Ｔｉ添加鋼にＮｂを添加すると、材料表面でのＴｉ酸化物の生成が抑えられて、Ａｌ酸化皮膜の欠陥部が少なくなり、耐高温酸化性が向上する。これらＮｂ添加の効果を得るためには、０．１％を越えて添加する必要があるが、あまり過剰に添加すると、鋼の靱性が劣化するので、上限を０．３％に限定する。
【００２３】
Ｔｉ：Ｔｉは、熱延板の靱性を向上させる。また、材料表面に形成された酸化皮膜の密着性を高めるのに非常に効果がある。これらの効果を得るため、Ｔｉは０．１％を越えて添加する必要がある。しかし、過剰に添加すると酸化皮膜中にＴｉ酸化物を生成して、Ａｌ酸化皮膜の欠陥部を増加させて耐高温酸化性を劣化させる。また、Ｔｉは酸化皮膜中に濃化して高温での材料変形を増大させる。これは前項のＮｂ添加によって防止できることも判ったが、Ｔｉ添加量は０．３％以下が望ましい。
【００２４】
希土類元素：これら元素は、耐高温酸化性を改善する重要な元素である。Ｌａ、Ｃｅ等の希土類元素は、箔表面に形成されるＡｌ酸化皮膜を安定化させ、また、箔マトリックスと酸化皮膜との密着性を改善することにより、箔の耐高温酸化性を向上させると考えられている。この効果は、希土類元素を０．０１％以上添加するときに有効に現れる。しかし、過剰に添加すると、熱間加工性や靱性を劣化させたり、異常酸化の起点となる介在物が生成しやすくなって、耐高温酸化性が低下したりする。したがって、添加量上限を０．２０％とする。
【００２５】
【実施例】
表１に供試材の化学成分値を示す。表１に示す鋼を真空溶解し、鍛造、切削、熱間圧延を施した後、焼鈍および冷間圧延を繰り返して、板厚１ｍｍの板材を製造した。得られた板材から、２５×３５ｍｍの大きさの試験片を作製し、縦型エレマ炉にて、炉内加熱１０００℃×３０分、炉外放冷１０分を１サイクルとする加熱・冷却の繰り返し酸化試験を１０００サイクル実施した。試験結果を表２に示す。なお、変形量としては試験後の試験片を定盤に置いたときの平坦度を測定した。本発明鋼は、比較鋼と比べて重量増加量および変形量はともに小さく、高温特性に優れることがわかる。変形量とＮｂ％との関係を図１に示す。図１からＮｂ％の増加とともに変形量が減少し、Ｎｂが０．１％を越えると、変形はほとんど生じていないことが判る。
【００２６】
表１のＴｉを含有している試料のうち、Ａ１、Ａ３、Ｂ１およびＢ２について、１１００℃で１００時間の連続酸化試験を実施した。試験後、ＧＤＳによって試料表面の深さ方向における元素の分析を行い、表面のＴｉ酸化物厚みの調査を行った。その結果を図２に示す。Ｔｉ酸化物の厚みは、ＴｉのＧＤＳデイプス・プロフアイルにおけるピークの半値幅とした。Ｎｂの増加に伴い、Ｔｉ酸化物厚みが減少することが判る。なお、図２中には表２の酸化増量の結果を併せてプロット（▲印）した。Ｔｉ酸化物厚みの薄い試料は、酸化増量が小さいことが判る。
【００２７】
【表１】
0003865452.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003865452.tif 000003
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフエライト系ステンレス鋼は、優れた耐高温酸化性を有し、加熱・冷却の繰り返しによる材料の変形防止にも優れた特性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １０００℃×１０００サイクルの加熱・冷却の繰り返し酸化試験後の試料変形量をＮｂ％に対してプロットした図である。
【図２】  １１００℃×１００時間の連続酸化試験後の試料表面のＴｉ酸化物厚みをＮｂ％に対してプロットした図である。
【図１】
0003865452.tif 000004
【図２】
0003865452.tif 000005