(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-21
(45)【発行日】2024-05-29
(54)【発明の名称】鋼材
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240522BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20240522BHJP
C22C 30/00 20060101ALI20240522BHJP
C22C 30/02 20060101ALI20240522BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/54
C22C30/00
C22C30/02
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020182368
(22)【出願日】2020-10-30
(65)【公開番号】P2022072751
(43)【公開日】2022-05-17
【審査請求日】2023-05-19
(73)【特許権者】
【識別番号】505374783
【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110002044
【氏名又は名称】弁理士法人ブライタス
(72)【発明者】
【氏名】竹田 貴代子
(72)【発明者】
【氏名】正木 康浩
(72)【発明者】
【氏名】橘 幸男
(72)【発明者】
【氏名】広田 憲亮
【審査官】鈴木 毅
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－３２４２４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１７２４１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／００３８８７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０６５３１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／００５６２５７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０８７８０７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００ － ３８／６０
Ｃ２２Ｃ ３０／００ － ３０／０２
Ｃ２２Ｃ １９／００ － １９／０５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５～０．１０％、
Ｓｉ：０．１０～０．５０％、
Ａｌ：３．０～６．０％、
Ｍｎ：０．３０～１．５０％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｎｉ：２５．０～４０．０％、
Ｃｒ：１７．０～２５．０％、
Ｂ：０．００１５～０．００８０％、
Ｔｉ：０．１５～０．６０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、鋼材。
【請求項2】
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．７５％以下、および
Ｍｏ：０．２０％以下、
からなる群から選択される一種以上を含有する、請求項１に記載の鋼材。
【請求項3】
ｓｏｌ．Ａｌを２．８～６．０％、含有する、請求項１または２に記載の鋼材。
【請求項4】
ＩＳプロセスの装置および配管に用いられる、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼材に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、二酸化炭素を発生させないクリーンなエネルギー源として、水素エネルギーが注目されている。そして、水素をエネルギー源として活用するため、種々の水素製造プロセスが開発されている。例えば、その一例として、ＩＳプロセスが知られている。ＩＳプロセスは、原子力発電などにより生じる高温の熱源を利用して、水の熱分解を生じさせ、水素を製造するプロセスであり、大量に水素を製造するのに適したプロセスである。
【0003】
このＩＳプロセスでは、下記の（１）～（４）式に示すように、硫酸とヨウ化水素とを熱分解させることで、水素を製造する。そして、（１）～（４）式においては、ヨウ素および二酸化硫黄が循環するため、全体反応としては、下記（５）式に示すように、水の熱分解反応が生じる。
【0004】
ＩＳプロセスが行われるプラントでは、このように、高温の蒸気と強酸とが常に存在する状態であり、プラント内の装置および配管は、厳しい腐食環境で使用される。このため、例えば、特許文献１では、ＩＳプロセスでの実施を想定し、良好な耐食性を有するオーステナイト合金材が開示されている。
【0005】
Ｈ２ＳＯ４→ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ・・・（１）
ＳＯ３→ＳＯ２＋１／２Ｏ２・・・（２）
２ＨＩ→Ｈ２＋Ｉ２・・・（３）
ＳＯ２＋Ｉ２＋２Ｈ２Ｏ→２ＨＩ＋Ｈ２ＳＯ４・・・（４）
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２・・・（５）
ＳＯ３→ＳＯ２＋１／２Ｏ２・・・（２）
２ＨＩ→Ｈ２＋Ｉ２・・・（３）
ＳＯ２＋Ｉ２＋２Ｈ２Ｏ→２ＨＩ＋Ｈ２ＳＯ４・・・（４）
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２・・・（５）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１８／００３８８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
近年、ＩＳプロセスにおいては、反応の促進に用いる触媒の性能を向上させる研究が進められており、上述した装置および配管は、さらに厳しい腐食環境に曝されることが予想される。このため、これらに用いられる材料には、さらに優れた耐食性が要求される。したがって、特許文献１に開示されたオーステナイト合金材は、耐食性に関し、さらに改善の余地があると考えられる。
【0008】
また、配管および装置の形状に加工する点と、耐久性の点から、上記材料には、耐食性に加えて、加工性および強度も要求される。
【0009】
以上を踏まえ、本発明は、上記の課題を解決し、ＩＳプロセスを実施する環境下においても優れた耐食性を発揮し、かつ良好な加工性および強度を有する鋼材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】
【0010】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材を要旨とする。
【0011】
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５～０．１０％、
Ｓｉ：０．１０～０．５０％、
Ａｌ：３．０～６．０％、
Ｍｎ：０．３０～１．５０％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｎｉ：２５．０～４０．０％、
Ｃｒ：１７．０～２５．０％、
Ｂ：０．００１５～０．００８０％、
Ｔｉ：０．１５～０．６０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、鋼材。
Ｃ：０．０５～０．１０％、
Ｓｉ：０．１０～０．５０％、
Ａｌ：３．０～６．０％、
Ｍｎ：０．３０～１．５０％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｎｉ：２５．０～４０．０％、
Ｃｒ：１７．０～２５．０％、
Ｂ：０．００１５～０．００８０％、
Ｔｉ：０．１５～０．６０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、鋼材。
【0012】
（２）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｕ：０．７５％以下、および
Ｍｏ：０．２０％以下、
からなる群から選択される一種以上を含有する、上記（１）に記載の鋼材。
Ｃｕ：０．７５％以下、および
Ｍｏ：０．２０％以下、
からなる群から選択される一種以上を含有する、上記（１）に記載の鋼材。
【0013】
（３）ｓｏｌ．Ａｌを２．８～６．０％、
含有する、上記（１）または（２）に記載の鋼材。
含有する、上記（１）または（２）に記載の鋼材。
【0014】
（４）ＩＳプロセスの装置および配管に用いられる、上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の鋼材。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、ＩＳプロセスを実施する環境下においても優れた耐食性を発揮し、かつ良好な加工性および強度を有する鋼材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明者らは、ＩＳプロセスを実施する環境下においても良好な耐食性を具備させるために、検討を行い、以下の（ａ）～（ｃ）の知見を得た。
【0018】
（ａ）本発明者らは、種々の鋼材について、ＩＳプロセスでの使用を想定し、耐食性を調査した。具体的には、硫酸、ＳＯ３をはじめとする硫黄酸化物を含む高温蒸気中で、腐食試験を実施した。一般的に、上記腐食環境において、Ｃｒ酸化物からなる酸化皮膜が、耐食性の向上に有効であることが知られている。しかし、本発明者らの調査により、Ａｌ酸化物からなる酸化皮膜が、均一に形成している場合において、耐食性が非常に良好であることが判明した。
【0019】
（ｂ）また、本発明者らは、このＡｌ酸化物について、詳細な検討を行った。この結果、Ａｌ酸化物がα－Ａｌ２Ｏ３である場合に、良好な耐食性を示す一方、Ａｌ酸化物が、γ－Ａｌ２Ｏ３である場合は、耐食性がやや低下することも明らかにした。したがって、耐食性の改善には、腐食環境において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を形成させることが有効である。
【0020】
（ｃ）α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を、腐食環境において形成させるためには、母相に固溶したＡｌ量、すなわち、固溶Ａｌ量を十分に確保することが重要である。したがって、Ａｌ含有量を高める必要があるが、これだけでは不十分である。脱酸の際に、Ａｌが酸素と結合し、酸化物となることで、固溶Ａｌ量が低減してしまうことがあるからである。このため、固溶Ａｌ分のＡｌが脱酸で消費されない様、Ｓｉ含有量を高めることが有効である。これにより、脱酸の際、Ａｌの代わりにＳｉが酸素と結合し、消費される結果、固溶Ａｌ量を確保することができる。
【0021】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
【0022】
１．化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
【0023】
Ｃ：０．０５～０．１０％
Ｃは、オーステナイト組織を安定にするとともに，鋼の強度を向上させる。このため、Ｃ含有量は、０．０５％以上とする。強度を確保する観点からは、Ｃ含有量は、０．０６％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｃを過剰に含有させると、高温での使用中に炭化物が析出して脆化する。このため、Ｃ含有量は、０．１０％以下とする。Ｃ含有量は、０．０８％以下とするのが好ましい。
Ｃは、オーステナイト組織を安定にするとともに，鋼の強度を向上させる。このため、Ｃ含有量は、０．０５％以上とする。強度を確保する観点からは、Ｃ含有量は、０．０６％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｃを過剰に含有させると、高温での使用中に炭化物が析出して脆化する。このため、Ｃ含有量は、０．１０％以下とする。Ｃ含有量は、０．０８％以下とするのが好ましい。
【0024】
Ｓｉ：０．１０～０．５０％
Ｓｉは、脱酸効果を有する元素である。特に、本発明に係る鋼材では、使用環境において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を形成させる必要がある。このため、脱酸時に酸素と結合し、酸化物となるＡｌの量を低減し、十分な固溶Ａｌ量を確保することが必要である。この固溶Ａｌが、使用環境において、酸素と結合し、α－Ａｌ２Ｏ３となるからである。
Ｓｉは、脱酸効果を有する元素である。特に、本発明に係る鋼材では、使用環境において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を形成させる必要がある。このため、脱酸時に酸素と結合し、酸化物となるＡｌの量を低減し、十分な固溶Ａｌ量を確保することが必要である。この固溶Ａｌが、使用環境において、酸素と結合し、α－Ａｌ２Ｏ３となるからである。
【0025】
そして、Ｓｉ含有量が０．１０％未満の場合は、上述した作用が得られず、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜が均一に形成しにくくなる。このため、Ｓｉ含有量は、０．１０％以上とする。Ｓｉ含有量は、０．１２％以上とするのが好ましく、０．１５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有させると、介在物が過剰に生成し、強度等の機械的特性に悪影響を及ぼす。このため、Ｓｉ含有量は、０．５０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．４０％以下とするのが好ましく、０．３５％以下とするのがより好ましい。
【0026】
Ａｌ：３．０～６．０％
Ａｌは、使用環境中において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を、均一かつ早期に、形成させるのに必要な元素である。また、強度の向上にも有効な元素である。このため、Ａｌ含有量は、３．０％以上とする。Ａｌ含有量は、３．５％以上とするのが好ましく、４．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ａｌを過剰に含有させると、熱間加工中に、Ｎｉ３Ａｌが析出し、加工性が低下する。このため、Ａｌ含有量は、６．０％以下とする。Ａｌ含有量は、５．５％以下とするのが好ましく、５．０％以下とするのがより好ましい。
Ａｌは、使用環境中において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜を、均一かつ早期に、形成させるのに必要な元素である。また、強度の向上にも有効な元素である。このため、Ａｌ含有量は、３．０％以上とする。Ａｌ含有量は、３．５％以上とするのが好ましく、４．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ａｌを過剰に含有させると、熱間加工中に、Ｎｉ３Ａｌが析出し、加工性が低下する。このため、Ａｌ含有量は、６．０％以下とする。Ａｌ含有量は、５．５％以下とするのが好ましく、５．０％以下とするのがより好ましい。
【0027】
なお、上述したＡｌ含有量とは、Ｔ．Ａｌ（「トータルＡｌ」ともいう）であり、固溶Ａｌ（以下、「ｓｏｌ．Ａｌ」と記載する。）量と、酸化物、介在物等に由来する析出Ａｌ（「ｉｎｓｏｌ．Ａｌ」ともいう。）量の合計量である。
【0028】
そして、本発明に係る鋼材では、固溶Ａｌ量を高めることが必要であることから、ｓｏｌ．Ａｌを、２．８％以上含有するのが好ましく、３．５％以上含有するのがより好ましく、３．８％以上含有するのがさらに好ましい。なお、過剰なｓｏｌ．Ａｌは、使用環境において、Ａｌの析出物を形成させ、機械的特性を低下させることがある。このため、ｓｏｌ．Ａｌは、６．０％以下含有するのが好ましく、５．４％以下含有するのがより好ましく、４．９％以下含有するのがさらに好ましい。
【0029】
なお、ｓｏｌ．Ａｌの量については、以下の手順で測定すればよい。具体的には、鋼材を電解し、ろ紙が回収した残渣を誘導結合プラズマ質量法で分析する。検出したＡｌ量を析出Ａｌ量とし、含有Ａｌ量から析出Ａｌ量を引いた値を固溶Ａｌ量と定義する。そして、Ｔ．Ａｌとｓｏｌ．Ａｌとの差が、０．５％以下となる様、調整するのが好ましい。
【0030】
Ｍｎ：０．３０～１．５０％
Ｍｎは、脱酸効果を有する元素である。また、ＭｎＳとして、Ｓを固定化して熱間加工性を改善する。このため、Ｍｎ含有量は、０．３０％以上とする。Ｍｎ含有量は、０．４０％以上とするのが好ましく、０．５０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有させると、酸化皮膜中にＭｎ酸化物が取り込まれ、耐食性を劣化させる。この結果、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜について、耐食性向上効果を得にくくなる。このため、Ｍｎ含有量は、１．５０％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．２０％以下とするのが好ましく、１．００％以下とするのがより好ましい。
Ｍｎは、脱酸効果を有する元素である。また、ＭｎＳとして、Ｓを固定化して熱間加工性を改善する。このため、Ｍｎ含有量は、０．３０％以上とする。Ｍｎ含有量は、０．４０％以上とするのが好ましく、０．５０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｍｎを過剰に含有させると、酸化皮膜中にＭｎ酸化物が取り込まれ、耐食性を劣化させる。この結果、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜について、耐食性向上効果を得にくくなる。このため、Ｍｎ含有量は、１．５０％以下とする。Ｍｎ含有量は、１．２０％以下とするのが好ましく、１．００％以下とするのがより好ましい。
【0031】
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、鋼中に不純物として含有される元素である。そして、鋼材の溶接性を低下させる。特に、Ｐ含有量が０．０５％を超えると、溶接性が著しく低下する。このため、Ｐ含有量は、０．０５％以下とする。Ｐ含有量は、０．０４％以下とするのが好ましい。Ｐ含有量は、極力低減するのが好ましいが、過剰な低減は、製造コストを増加させる。このため、Ｐ含有量は、０．００５％以上とするのが好ましい。
Ｐは、鋼中に不純物として含有される元素である。そして、鋼材の溶接性を低下させる。特に、Ｐ含有量が０．０５％を超えると、溶接性が著しく低下する。このため、Ｐ含有量は、０．０５％以下とする。Ｐ含有量は、０．０４％以下とするのが好ましい。Ｐ含有量は、極力低減するのが好ましいが、過剰な低減は、製造コストを増加させる。このため、Ｐ含有量は、０．００５％以上とするのが好ましい。
【0032】
Ｓ：０．０２％以下
Ｓは、鋼中に不純物として含有される元素である。そして、鋼材の熱間加工性を低下させる。このため、Ｓ含有量は、０．０２％以下とする。Ｓ含有量は、０．０１％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、製造コストを増加させる。このため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするのが好ましい。
Ｓは、鋼中に不純物として含有される元素である。そして、鋼材の熱間加工性を低下させる。このため、Ｓ含有量は、０．０２％以下とする。Ｓ含有量は、０．０１％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、製造コストを増加させる。このため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするのが好ましい。
【0033】
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、鋼中に不純物として含有される元素である。Ｎは、固溶強化により、鋼材の強度向上に有効な元素であるが、窒化物が生成されることで、熱間加工性を低下させる。このため、Ｎ含有量は、０．０１％以下とする。Ｎ含有量は、０．００８％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。一方、強度向上効果を得たい場合には、Ｎ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましい。
Ｎは、鋼中に不純物として含有される元素である。Ｎは、固溶強化により、鋼材の強度向上に有効な元素であるが、窒化物が生成されることで、熱間加工性を低下させる。このため、Ｎ含有量は、０．０１％以下とする。Ｎ含有量は、０．００８％以下とするのが好ましく、０．００５％以下とするのがより好ましい。一方、強度向上効果を得たい場合には、Ｎ含有量は、０．００１０％以上とするのが好ましい。
【0034】
Ｎｉ：２５．０～４０．０％
Ｎｉは、耐食性を確保するために、必要な元素である。また、高温での強度を確保する上でも、必要な元素である。このため、Ｎｉ含有量は、２５．０％以上とする。Ｎｉ含有量は、２８．０％以上とするのが好ましく、３０．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｉを、過剰に含有させると、良好な耐食皮膜が形成しにくくなり耐食性が低下する。このため、Ｎｉ含有量は、４０．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、３８．０％以下とするのが好ましく、３５．０％以下とするのがより好ましい。
Ｎｉは、耐食性を確保するために、必要な元素である。また、高温での強度を確保する上でも、必要な元素である。このため、Ｎｉ含有量は、２５．０％以上とする。Ｎｉ含有量は、２８．０％以上とするのが好ましく、３０．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｉを、過剰に含有させると、良好な耐食皮膜が形成しにくくなり耐食性が低下する。このため、Ｎｉ含有量は、４０．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、３８．０％以下とするのが好ましく、３５．０％以下とするのがより好ましい。
【0035】
Ｃｒ：１７．０～２５．０％
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を確保するために、必要な元素である。また、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜の形成に寄与する元素である。特に、熱交換など高温の酸化環境で耐酸化性を確保するために、Ｃｒ含有量は、１７．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、２０．０％以上とするのが好ましく、２０．５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、加工性が低下する。このため、Ｃｒ含有量は、２５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、２４．０％以下とするのが好ましく、２３．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒは、耐食性および耐酸化性を確保するために、必要な元素である。また、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜の形成に寄与する元素である。特に、熱交換など高温の酸化環境で耐酸化性を確保するために、Ｃｒ含有量は、１７．０％以上とする。Ｃｒ含有量は、２０．０％以上とするのが好ましく、２０．５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、加工性が低下する。このため、Ｃｒ含有量は、２５．０％以下とする。Ｃｒ含有量は、２４．０％以下とするのが好ましく、２３．０％以下とするのがより好ましい。
【0036】
Ｂ：０．００１５～０．００８０％
Ｂは、高温において金属組織の安定を維持するのに有効な元素である。このため、Ｂ含有量は、０．００１５％以上とする。Ｂ含有量は、０．００２０％以上とするのが好ましく、０．００２５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、高温での使用中に、クロム硼化物が析出し脆化しやすくなる。このため、Ｂ含有量は、０．００８０％以下とする。Ｂ含有量は、０．００６０％以下とするのが好ましく、０．００５０％以下とするのがより好ましい。
Ｂは、高温において金属組織の安定を維持するのに有効な元素である。このため、Ｂ含有量は、０．００１５％以上とする。Ｂ含有量は、０．００２０％以上とするのが好ましく、０．００２５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、高温での使用中に、クロム硼化物が析出し脆化しやすくなる。このため、Ｂ含有量は、０．００８０％以下とする。Ｂ含有量は、０．００６０％以下とするのが好ましく、０．００５０％以下とするのがより好ましい。
【0037】
Ｔｉ：０．１５～０．６０％
Ｔｉは、ＴｉＣとしてＣを固定化して鋭敏化を抑制するとともに、細粒化により、鋼の強度を向上させる効果を有する。このため、Ｔｉ含有量は、０．１５％以上とする。Ｔｉ含有量は、０．２５％以上とするのが好ましく、０．３５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｔｉは、酸化しやすい元素であるため、過剰に含有させると、使用環境において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜の形成を阻害する。このため、Ｔｉ含有量は、０．６０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．５５％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。
Ｔｉは、ＴｉＣとしてＣを固定化して鋭敏化を抑制するとともに、細粒化により、鋼の強度を向上させる効果を有する。このため、Ｔｉ含有量は、０．１５％以上とする。Ｔｉ含有量は、０．２５％以上とするのが好ましく、０．３５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｔｉは、酸化しやすい元素であるため、過剰に含有させると、使用環境において、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜の形成を阻害する。このため、Ｔｉ含有量は、０．６０％以下とする。Ｔｉ含有量は、０．５５％以下とするのが好ましく、０．５０％以下とするのがより好ましい。
【0038】
上記の元素に加えて、さらにＣｕおよびＭｏから選択される一種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。各元素の限定理由について説明する。
【0039】
Ｃｕ：０．７５％以下
Ｃｕは、硫黄酸化物を含む高温蒸気中で、耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、熱間加工性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は、０．７５％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．６５％以下とするのが好ましく、０．５５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましい。
Ｃｕは、硫黄酸化物を含む高温蒸気中で、耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、熱間加工性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は、０．７５％以下とする。Ｃｕ含有量は、０．６５％以下とするのが好ましく、０．５５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましい。
【0040】
Ｍｏ：０．２０％以下
Ｍｏは、材料の保管時等、常温での耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させると、σ相が析出して強度が低下する。このため、Ｍｏ含有量は、０．２０％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．１８%以下とするのが好ましく、０．１５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましい。
Ｍｏは、材料の保管時等、常温での耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させると、σ相が析出して強度が低下する。このため、Ｍｏ含有量は、０．２０％以下とする。Ｍｏ含有量は、０．１８%以下とするのが好ましく、０．１５％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は、０．０３％以上とするのが好ましい。
【0041】
本発明の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【0042】
２．用途
本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスの装置等の素材となる板材および管材に好適である。また、本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスへの適応以外にも、例えば、硫酸などの硫黄酸化物またはハロゲン化水素等を含む高温過酷環境への用途にも使用することができる。
本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスの装置等の素材となる板材および管材に好適である。また、本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスへの適応以外にも、例えば、硫酸などの硫黄酸化物またはハロゲン化水素等を含む高温過酷環境への用途にも使用することができる。
【0043】
３．製造方法
本発明に係る鋼材の好ましい製造方法について説明する。本発明に係る鋼材は、製造方法によらず、上述の構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造することができる。
本発明に係る鋼材の好ましい製造方法について説明する。本発明に係る鋼材は、製造方法によらず、上述の構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造することができる。
【0044】
上記組成を有する鋼を溶製し、鋳造によりインゴットを製造する。鋳造方法は、常法に従えばよく、例えば、連続鋳造法を用いることができる。得られたインゴットを、１０００～１２５０℃の温度域で、加熱し、熱間加工する。熱間加工方法は、特に限定しないが、例えば、熱間圧延、熱間鍛造等を用いればよい。また、これらの方法を組み合わせてもよい。熱間加工の際の加工率も特に限定しない。適宜、必要に応じて調整すればよい。熱間加工後、必要に応じて、焼鈍および酸洗を行ってもよい。この際の焼鈍温度は、９００～１２００℃の温度域とすればよい。
【0045】
続いて、熱間加工後、必要に応じ、冷間加工を行えばいい。冷間加工方法は、特に限定しない。例えば、冷間圧延、冷間鍛造等を用いればよい。冷間加工の際の加工率も特に限定しない。適宜、必要に応じて調整すればよい。
【0046】
冷間加工の後は、必要に応じ、９００～１２００℃の温度域で熱処理を行い、加工歪みを解消する。この際の熱処理温度が、９００℃未満であると、加工歪を解消することができない。また、固溶Ａｌ量を確保しにくくなる。このため、上記熱処理温度は、９００℃以上とするのが好ましい。一方、上記熱処理温度が１２００℃超であると、結晶粒が粗大になり、所望する特性を得ることができない。このため、上記熱処理温度は、１２００℃以下とするのが好ましい。なお、熱処理時間は、特に限定しないが、通常、５ｍｉｎ～１ｈの範囲となることが多い。
【0047】
この熱処理を行った後、水焼入れを行い、鋼材を得る。その後、必要に応じて、酸洗を行ってもよい。
【0048】
以下、実施例によって、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0049】
表１に記載の化学組成を有する鋼を溶製し、真空溶解で５０ｋｇの重さのインゴットを作製した。作製したインゴットの外径は、２５０ｍｍとした。得られたインゴットについて、１２００℃で加熱後、熱間鍛造により、厚さ４０ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ１５０ｍｍの大きさに調整した。続いて、熱間鍛造を行った鋼を熱間圧延および冷間圧延に供し、厚さ５ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ１０００ｍｍの大きさとした。
【0050】
続いて、１１００℃で、１５分熱処理した後、水焼入れをし、板状の鋼材（以下、単に「板材」と記載する。）を作製した。Ｎｏ．９の例は、製造したＮｏ．８の板材について、アルミナコーティングを行い、後述する腐食試験を行った例である。なお、Ｎｏ．９の例については、上記板材の板厚中央から、腐食試験用に厚さ１ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの試験片を機械加工で作製した。この試験片の全面を、エメリー研磨紙の６００番で湿式研磨して、仕上げ、アセトンで洗浄、脱脂した。その後、市販のアルミナ希釈液（日産化学ゾル製：アルミナＡＳ２００）を試験片表面に塗布し、１００℃で乾燥した後、４００℃で焼成し厚さ約３μｍのアルミナをコーティングし、作製した。
【0051】
なお、Ｎｏ．１５の例では、熱間鍛造の際に割れが発生した。Ｎｏ．１６の例では、冷間圧延の際に割れが発生した。このため、Ｎｏ．１５および１６の例については、所望する板厚を得ることができなかった。所望する板厚を得られた板材について、腐食試験を行った。また、引張試験については、Ｎｏ．１～９について行った。以下、具体的な試験方法を示す。
【0052】
（固溶Ａｌ量）
固溶Ａｌ量は抽出残渣により評価した。板材から切粉を採取し、電解液（１０％アセチルアセトン－１％テトラメチルアンモニウムクロライド－メタノール）で切粉を電解し、ろ紙が回収した残渣を誘導結合プラズマ質量法で分析した。検出したＡｌ量を析出Ａｌ量とした。含有Ａｌ量から析出Ａｌ量を引いた値を固溶Ａｌ量と定義した。
固溶Ａｌ量は抽出残渣により評価した。板材から切粉を採取し、電解液（１０％アセチルアセトン－１％テトラメチルアンモニウムクロライド－メタノール）で切粉を電解し、ろ紙が回収した残渣を誘導結合プラズマ質量法で分析した。検出したＡｌ量を析出Ａｌ量とした。含有Ａｌ量から析出Ａｌ量を引いた値を固溶Ａｌ量と定義した。
【0053】
（腐食試験）
上記板材の板厚中央から、厚さ１ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの腐食試験片を機械加工で作製した。この試験片の全面を、エメリー研磨紙の６００番で湿式研磨し、仕上げ、アセトンで洗浄、脱脂した。その後、試験片の重量を測定した。この腐食試験片を、腐食試験用の石英管中に治具でセットし、アルゴンガスを流しながら８５０℃に加熱した。続いて、９８％硫酸を、マイクロポンプを用いて上流側から供給し、気化および分解させることで、ＳＯ３ガスを発生させた。そして、ＳＯ２を含有したアルゴンガスを流しながら、４０％ＳＯ３ガスとして通気させ、１００時間の腐食試験を実施した。これにより、板材の表面に腐食生成物が形成した。
上記板材の板厚中央から、厚さ１ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの腐食試験片を機械加工で作製した。この試験片の全面を、エメリー研磨紙の６００番で湿式研磨し、仕上げ、アセトンで洗浄、脱脂した。その後、試験片の重量を測定した。この腐食試験片を、腐食試験用の石英管中に治具でセットし、アルゴンガスを流しながら８５０℃に加熱した。続いて、９８％硫酸を、マイクロポンプを用いて上流側から供給し、気化および分解させることで、ＳＯ３ガスを発生させた。そして、ＳＯ２を含有したアルゴンガスを流しながら、４０％ＳＯ３ガスとして通気させ、１００時間の腐食試験を実施した。これにより、板材の表面に腐食生成物が形成した。
【0054】
腐食試験後、過マンガン酸カリウム溶液およびクエン酸二アンモニウム溶液で試験片の金属光沢が出るまで脱スケールした後、試験後重量を測定した。試験片の試験前後の重量差を試験時間で除して単位時間当たりの重量変化（ｇ／ｍ２／ｈｒ）を算出した。さらに、その値に８．７６を掛けて、試験片の比重（今回は８ｇ／ｃｍ3とした）で除して腐食速度（ｍｍ／ｙｒ）に換算した。なお、腐食速度が０．３０ｍｍ／ｙｒ以下である場合を、良好な耐食性であると評価した。一方、腐食速度が０．３０ｍｍ／ｙｒを超える場合を、耐食性が劣ると評価した。
【0055】
（引張試験）
上記板材の板厚中央部から、厚さ２ｍｍ、平行部３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板状引張試験片を採取し、引張試験を行い、常温引張強さを評価した。引張強さが６５０ＭＰａ以上である場合を、良好な強度であると評価した。一方、引張強さが６５０ＭＰａ未満である場合を、強度が劣ると評価した。また、加工性は、板材の表面に１０ｍｍ以上の割れなど欠陥が目視できる場合を加工性が劣ると評価した。
上記板材の板厚中央部から、厚さ２ｍｍ、平行部３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板状引張試験片を採取し、引張試験を行い、常温引張強さを評価した。引張強さが６５０ＭＰａ以上である場合を、良好な強度であると評価した。一方、引張強さが６５０ＭＰａ未満である場合を、強度が劣ると評価した。また、加工性は、板材の表面に１０ｍｍ以上の割れなど欠陥が目視できる場合を加工性が劣ると評価した。
【0056】
（ＥＰＭＡ測定およびＸＲＤ測定）
また、本発明例の中では、Ｎｏ．２について、比較例の中では、Ｎｏ．７～１２の例について、腐食試験を行った後、脱スケールせずに、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの元素分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）で分析した。また、Ｎｏ．２、Ｎｏ．７およびＮｏ．９について、ＸＲＤを行い、腐食生成物を同定した。以下、結果を表１に示す。
また、本発明例の中では、Ｎｏ．２について、比較例の中では、Ｎｏ．７～１２の例について、腐食試験を行った後、脱スケールせずに、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの元素分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）で分析した。また、Ｎｏ．２、Ｎｏ．７およびＮｏ．９について、ＸＲＤを行い、腐食生成物を同定した。以下、結果を表１に示す。
【0057】
【表1】
【0058】
Ｎｏ．１～６の例については、本発明の要件を満足するため、良好な耐食性、加工性および強度を有していた。その一方、Ｎｏ．７～１７の例については、本発明の要件を満足しなかったため、耐食性、加工性および強度のうち、少なくとも一つが劣る結果となった。
【0059】
Ｎｏ．７は、Ｎｉ含有量が低かったため、耐食性は良好であったものの、引張強さが低下した。Ｎｏ．８、１０～１２、および１４は、Ａｌ含有量が低かったため、α－Ａｌ２Ｏ３からなる酸化皮膜が均一に形成しなかったと考えられる。この結果、耐食性が低下した。Ｎｏ．１３は、鋼中のＣｒ濃度が低く、Ａｌの拡散が遅くなった結果、α－Ａｌ２Ｏ３から構成される酸化皮膜が均一に形成しなかったと考えられる。このため、耐食性が低下した。
【0060】
Ｎｏ．１５は、Ａｌ含有量が高かったため、加工性が低下した。Ｎｏ．１６は、Ｃｒ含有量が高かったため、加工性が低下した。Ｎｏ．１７は、Ｓｉ含有量が低く、Ａｌが脱酸の際に消費されたため、ｓｏｌ．Ａｌが低下した結果、耐食性が低下した。
【0061】
また、Ｎｏ．２、Ｎｏ．７～１２の例について、腐食試験後の各元素の分布について、ＥＰＭＡで測定した。本発明例であるＮｏ．２の例では、表面から約１μｍまでにおいて、Ａｌが濃化しているところが観察された。同様に、Ｎｏ．７の例についても、表面から約１μｍまでにおいて、Ａｌが濃化しているところが観察された。このため、強度は低下したが、耐食性は良好であったものと考えられる。一方、Ｎｏ．８～１２については、表面において、Ａｌの濃化は観察されず、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉが偏在して濃化していた。
【0062】
本発明例であるＮｏ．２、ならびに比較例であるＮｏ．７および９の腐食生成物について、ＸＲＤで測定を行ったところ、図１のような回折ピークが得られた。耐食性が良好であったＮｏ．２および７については、α－Ａｌ２Ｏ３のピークが観察された。また、Ｎｏ．７については、α－Ａｌ２Ｏ３のピークに加え、７７°付近にフェライト相のピークが観察された。このため、Ｎｏ．７の例については、強度が低下したものと考えられる。
【0063】
一方、耐食性が不良であったＮｏ．９については、α－Ａｌ２Ｏ３のピークは観察されず、γ－Ａｌ２Ｏ３のピークが観察された。このことから、α－Ａｌ２Ｏ３が耐食性の向上に有効であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0064】
本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスの装置等の素材となる板材および管材に好適である。また、本発明に係る鋼材は、ＩＳプロセスへの適応以外にも、例えば、硫酸などの硫黄酸化物またはハロゲン化水素等を含む高温過酷環境への用途にも使用することができる。
【図1】
