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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024067228
(43)【公開日】2024-05-17
(54)【発明の名称】フェライト系ステンレス合金
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240510BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20240510BHJP
C21D 6/00 20060101ALN20240510BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/58
C21D6/00 102E
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022177136
(22)【出願日】2022-11-04
(71)【出願人】
【識別番号】591274299
【氏名又は名称】新報国マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100187702
【弁理士】
【氏名又は名称】福地 律生
(74)【代理人】
【識別番号】100162204
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 学
(74)【代理人】
【識別番号】100195213
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 健治
(72)【発明者】
【氏名】稲毛 基大
(72)【発明者】
【氏名】小奈 浩太郎
(72)【発明者】
【氏名】横溝 勇太
(57)【要約】
【課題】高温域の腐食性ガスと溶融塩の存在する雰囲気で優れた耐塩素腐食性を有する、焼却炉用部品に用いることができるフェライト系ステンレス合金を提供する。
【解決手段】本発明のフェライト系ステンレス合金は、質量％で、Ｃ：０．２０～１．００％、Ｓｉ：２．００～４．００％、Ｍｎ：０．３０～２．００％、Ｃｒ：１５．００～２５．００％、Ｎｉ：０～２．００％、Ｎｂ：０～３．００％、Ｍｏ：０～５．００％、及びＷ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】本発明のフェライト系ステンレス合金は、質量％で、Ｃ：０．２０～１．００％、Ｓｉ：２．００～４．００％、Ｍｎ：０．３０～２．００％、Ｃｒ：１５．００～２５．００％、Ｎｉ：０～２．００％、Ｎｂ：０～３．００％、Ｍｏ：０～５．００％、及びＷ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とする。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、
Ｃ ：０．２０～１．００％、
Ｓｉ：２．００～４．００％、
Ｍｎ：０．３０～２．００％、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：０～２．００％、
Ｎｂ：０～３．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、及び
Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％
を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とするフェライト系ステンレス合金。
Ｃ ：０．２０～１．００％、
Ｓｉ：２．００～４．００％、
Ｍｎ：０．３０～２．００％、
Ｃｒ：１５．００～２５．００％、
Ｎｉ：０～２．００％、
Ｎｂ：０～３．００％、
Ｍｏ：０～５．００％、及び
Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％
を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とするフェライト系ステンレス合金。
【請求項2】
質量％で、Ｎｂ：０．２０～３．００％を含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス合金。
【請求項3】
質量％で、Ｍｏ：０．５０～５．００％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス合金。
【請求項4】
Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０．１０～２．００％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス合金。
【請求項5】
Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０．１０～２．００％を含有することを特徴とする請求項３に記載のフェライト系ステンレス合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はフェライト系ステンレス合金に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、化石燃料の使用削減の試みとして、バイオマス資源の活用が検討されている。 バイオマス資源は、無駄に廃棄されている資源の再活用の意味もあり、これを燃焼に活用することが化石燃料の使用削減に結びつき注目されている。
【0003】
バイオマスボイラとしては、砂等の不活性無機物を熱媒体となるベッド材として火炉に充填し、炉床から空気吹き出しノズルを通して燃焼ガスを吹き込んでベッド材を攪拌し、このベッド材を所望温度に保持しつつ、処理対象物を燃焼できる形式であり、広く普及している。
【0004】
近年では、様々なバイオマス資源を燃料としていることから、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、及びＯ2による酸化の他，プラスチック類の燃料から発生する塩素による塩化及び廃タイヤから発生する二酸化硫黄による腐食が問題となっている。腐食は、侵食したＣｌ、Ｓ、Ｏが空気吹き出しノズルのマトリックスに腐食層を生成して蒸発あるいは剥離する現象である。
【0005】
そのため、上述のようなバイオマスボイラや、あるいは、廃棄物焼却炉のような、高温域で腐食ガスと溶融塩が存在するような雰囲気で用いられるノズル、熱交換器、火格子のような部品には、高い耐塩素腐食性が求められる。
【0006】
特許文献１には、高温域の複合ガス雰囲気中で優れた耐摩耗性、耐腐食性を有する、バイオマス用空気吹き出しノズルに用いることができる鋳物が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０２１－０２５０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１の鋳物を、例えば、バイオマスボイラのような焼却炉の火格子のように、使用時の高温、停止時の常温の間の温度変化が繰り返されるような環境で、焼却炉内に固定されて用いられるような場合には、σ脆化に対する耐性に改善の余地がある。
【0009】
σ脆化はＣｒやＭｏが多く含有される鋼で生じやすく、８００℃付近でσ相が析出することにより生じる現象である。σ相が生じると冷却後の靭性に悪影響を与え、何らかの振動や衝撃により破損に至る要因となり得る。
【0010】
本発明は、上記の事情に鑑み、高温域の複合ガス雰囲気中で使用し、室温に冷却されることが繰り返されるような温度変化がある場合であっても破損しない、σ脆化を抑制した耐塩素腐食性を有する、例えば焼却炉の火格子に用いることができるフェライト系ステンレス合金を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは高温域の腐食性ガスと溶融塩の存在する雰囲気での耐塩素腐食性を備えた合金について鋭意検討した。その結果、Ｃの添加によりσ相析出の抑制が達成できることを見出した。本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【0012】
（１）質量％で、Ｃ：０．２０～１．００％、Ｓｉ：２．００～４．００％、Ｍｎ：０．３０～２．００％、Ｃｒ：１５．００～２５．００％、Ｎｉ：０～２．００％、Ｎｂ：０～３．００％、Ｍｏ：０～５．００％、及びＷ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であることを特徴とするフェライト系ステンレス合金。
【0013】
（２）質量％で、Ｎｂ：０．２０～３．００％を含有することを特徴とする前記（１）のフェライト系ステンレス合金。
【0014】
（３）質量％で、Ｍｏ：０．５０～５．００％を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）のフェライト系ステンレス合金。
【0015】
（４）Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０．１０～２．００％を含有することを特徴とする前記（１）～（３）のいずれかのフェライト系ステンレス合金。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、高温域の腐食性ガスと溶融塩の存在する雰囲気で，優れた耐腐食性を有し、かつ、σ脆化を抑制した、耐塩素腐食性を有する、フェライト系ステンレス合金を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明におけるフェライト系ステンレス合金の化学成分について説明する。以下、含有量における「％」は「質量％」を意味するものとする。
【0018】
Ｃ：０．２０～１．００％
Ｃは鋼の強度の上昇に寄与する元素である。さらに、σ相の析出を抑制する元素でもある。σ脆化を抑えるために、Ｃの含有量は０．２０％以上とする。延性、鋳造割れの観点から１．００％以下とする。Ｃの含有量は０．３０％以上、０．４０％以上、０．５０％以上としてもよい。また、０．９０％以下、０．８０％以下、０．７０％以下としてもよい。
Ｃは鋼の強度の上昇に寄与する元素である。さらに、σ相の析出を抑制する元素でもある。σ脆化を抑えるために、Ｃの含有量は０．２０％以上とする。延性、鋳造割れの観点から１．００％以下とする。Ｃの含有量は０．３０％以上、０．４０％以上、０．５０％以上としてもよい。また、０．９０％以下、０．８０％以下、０．７０％以下としてもよい。
【0019】
Ｓｉ：２．００～４．００％
Ｓｉは耐酸化性に効果があり、特に高温での耐酸化性、耐塩素腐食性の向上に効果がある。耐酸化性、耐塩素腐食性向上の効果を得るために、Ｓｉの含有量は２．００％以上とする。Ｓｉの含有量は、２．２０％以上、２．４０％以上、２．５０％以上としてもよい。また、Ｓｉはシグマ層の生成も促進するので、高温で長時間使用した場合の脆化を考慮し、４．００％以下とする。３．８０％以下、３．６０％以下、３．５０％以下としてもよい。
Ｓｉは耐酸化性に効果があり、特に高温での耐酸化性、耐塩素腐食性の向上に効果がある。耐酸化性、耐塩素腐食性向上の効果を得るために、Ｓｉの含有量は２．００％以上とする。Ｓｉの含有量は、２．２０％以上、２．４０％以上、２．５０％以上としてもよい。また、Ｓｉはシグマ層の生成も促進するので、高温で長時間使用した場合の脆化を考慮し、４．００％以下とする。３．８０％以下、３．６０％以下、３．５０％以下としてもよい。
【0020】
Ｍｎ：０．３０～２．００％
Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、また、脱酸剤、脱硫剤として有用な成分である。その効果を得るために、Ｍｎの含有量は０．３０％以上とする。０．４０％以上、０．５０％以上、０．７０％以上としてもよい。脆化の防止や、クリープ強度、耐塩素腐食性の低下の防止の観点から、Ｍｎの含有量は２．００％以下とする。１．８０％以下、１．５０％以下としてもよい。
Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、また、脱酸剤、脱硫剤として有用な成分である。その効果を得るために、Ｍｎの含有量は０．３０％以上とする。０．４０％以上、０．５０％以上、０．７０％以上としてもよい。脆化の防止や、クリープ強度、耐塩素腐食性の低下の防止の観点から、Ｍｎの含有量は２．００％以下とする。１．８０％以下、１．５０％以下としてもよい。
【0021】
Ｃｒ：１５．００～２５．００％
Ｃｒは高温強度、及び高温での耐酸化性、耐塩素腐食性を向上する元素である。その効果を得るために、Ｃｒの含有量は１５．００％以上とする。１６．００％以上、１８．００％以上、２０．００％以上としてもよい。バイオマスボイラのような、溶融塩化物が付着するような環境下の、揮発性のＣｒ2Ｏ2Ｃｌ2が形成による高温での耐酸化性、耐塩素腐食性が低下を考慮し、Ｃｒの含有量は２５．００％以下とする。２４．００％以下、２３．００％以下、２２．００％以下としてもよい。
Ｃｒは高温強度、及び高温での耐酸化性、耐塩素腐食性を向上する元素である。その効果を得るために、Ｃｒの含有量は１５．００％以上とする。１６．００％以上、１８．００％以上、２０．００％以上としてもよい。バイオマスボイラのような、溶融塩化物が付着するような環境下の、揮発性のＣｒ2Ｏ2Ｃｌ2が形成による高温での耐酸化性、耐塩素腐食性が低下を考慮し、Ｃｒの含有量は２５．００％以下とする。２４．００％以下、２３．００％以下、２２．００％以下としてもよい。
【0022】
Ｎｉ：０～２．００％
Ｎｉは常温延性を向上する元素であり、２．００％以下の範囲で含有させてもよい。Ｎｉは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上としてもよい。また、１．８０％以下、１．６０％以下、１．５０％以下、１．００％以下としてもよい。
Ｎｉは常温延性を向上する元素であり、２．００％以下の範囲で含有させてもよい。Ｎｉは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上としてもよい。また、１．８０％以下、１．６０％以下、１．５０％以下、１．００％以下としてもよい。
【0023】
Ｎｂ：０～３．００％
Ｎｂは炭化物を形成しやすく、鋼中のＣを固定してＣｒ炭化物の析出を抑制することにより、高温強度と延性の低下を防ぐことができるので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．１０％以上、０．２０％以上、０．３０％以上、０．４０％以上としてもよい。また、２．８０Ｎｉは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上としてもよい。また、１．８０％以下、１．６０％以下、１．５０％以下、１．００％以下としてもよい。
Ｎｂは炭化物を形成しやすく、鋼中のＣを固定してＣｒ炭化物の析出を抑制することにより、高温強度と延性の低下を防ぐことができるので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．１０％以上、０．２０％以上、０．３０％以上、０．４０％以上としてもよい。また、２．８０Ｎｉは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上としてもよい。また、１．８０％以下、１．６０％以下、１．５０％以下、１．００％以下としてもよい。
【0024】
Ｍｏ：０～５．００％
Ｍｏは耐塩素腐食を高める効果があるので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．１０％以上、０．５０％以上、１．００％以上、１．２０％以上、１．５０％以上してもよい。偏析による靭性低下を考慮し、上限は５．００％とする。４．００％以下、３．００％以下、２．００％以下としてもよい。
Ｍｏは耐塩素腐食を高める効果があるので、必要に応じて含有させてもよい。Ｎｂは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．１０％以上、０．５０％以上、１．００％以上、１．２０％以上、１．５０％以上してもよい。偏析による靭性低下を考慮し、上限は５．００％とする。４．００％以下、３．００％以下、２．００％以下としてもよい。
【0025】
Ｗ、Ｔｉ、及びＡｌの１種以上：０～２．００％
本発明のフェライト系ステンレス合金には、さらに、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌの１種以上を、合計で２．００％以下の範囲で含有させることができる。
本発明のフェライト系ステンレス合金には、さらに、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌの１種以上を、合計で２．００％以下の範囲で含有させることができる。
【0026】
Ｗは炭化物を形成しやすく、鋼中のＣを固定してＣｒ炭化物の析出を抑制することができ、高温強度の低下を防ぐことができる。ＴｉはＷと同様に、Ｃｒ炭化物の析出を抑制することができ、高温強度の低下を防ぐことができる元素である。ＡｌはＷやＴｉと同様に、Ｃｒ炭化物の析出を抑制することができ、高温強度の低下を防ぐことができる元素である。
【0027】
これらの必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。合計の含有量を０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上、０．３０％以上としてもよい。また、２．８０Ｎｉは必須の元素ではなく、含有量の下限は０％である。０．００１％以上、０．０５％以上、０．１０％以上、０．２０％以上としてもよい。また、含有量が多すぎても効果が飽和するので、含有量は合計で２．００％以下としてもよい。合計で１．８０％以下、１．６０％以下、１．５０％以下、１．００％以下としてもよい。
【0028】
化学成分の残部はＦｅ及び不純物である。不純物とは、例えば、本発明で規定する成分組成を有するフェライト系ステンレス合金を工業的に製造する際に、原料や製造環境等から混入するものが挙げられる。例えば、Ｐ、Ｓが挙げられる。Ｐ、Ｓは、０．０３０％以下程度、不可避的に混入してもよい。
【0029】
次に、本発明のフェライト系ステンレス合金の製造方法について説明する。
【0030】
本発明の製造方法は、特に限定されるものではなく、常法によればよい。はじめに、上述した成分組成を有する溶湯を調整し、溶湯を鋳型に注湯し、注湯された溶湯を冷却して凝固させる。鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、注入方法は特に限定されるものではなく、公知の装置、方法を用いればよい。
【0031】
本発明の化学成分を有する溶湯を鋳造することにより、特別な製法を用いることなく、鋳造ままで優れた耐塩素腐食性を有するフェライト系ステンレス合金を得ることが可能である。
【0032】
必要に応じて、９００～１２００℃に加熱し、２～２４Ｈｒ保持する溶体化処理を施してもよい。
【0033】
なお、本発明のフェライト系ステンレス合金は、火格子等、ニアネットシェイプで製造できる鋳造品としてもよい。また、鍛造や圧延を施してもよい。
【実施例0034】
以下、実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。
【0035】
表１に示す成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼鋳物を作製し、腐食試験に供した。耐腐食性は、製造した鋳物から２０×２０×３ｍｍの試験片を採取し、溶融塩（ＮａＣｌ－ＫＣｌ（１：１））１０ｇの上に吊り下げ、７００℃で１００Ｈｒ腐食試験を実施し、試験後に脱スケール処理を施して腐食減量を測定することにより評価した。その結果、腐食減量が２０ｍｇ／ｃｍ2以下であれば耐腐食性に優れると判断した。
【0036】
また、耐σ脆化性の評価として、鋳物から同様に採取した２０×２０×３ｍｍの試験片に、８００℃で２４０時間の熱処理を施した後、試験片の組織観察を行い、σ相の面積率を測定した。その結果、σ相の面積率が２０％以上の場合、σ脆化による割れの危険性があると判断した．
【0037】
【表1】
【0038】
Ｎｏ．２６は、Ｓｉ量が少なく、耐腐食性に劣る結果となった。
【0039】
Ｎｏ．２７は、Ｃ量が少なく、耐σ脆化性に劣る結果となった。
【0040】
Ｎｏ．２８は、耐熱合金として知られるＳＣＨ１３であり、Ｓｉ量が少なく、耐腐食性に劣る結果となった。
【0041】
本発明によれば、高温域の腐食性ガスと溶融塩の存在する雰囲気で，優れた耐腐食性を有し、かつ、σ脆化を抑制した、耐塩素腐食性を有する、フェライト系ステンレス合金が得られることが確認できた。