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JP6627662B2 - Austenitic stainless steel - Google Patents

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JP6627662B2
JP6627662B2 JP2016128322A JP2016128322A JP6627662B2 JP 6627662 B2 JP6627662 B2 JP 6627662B2 JP 2016128322 A JP2016128322 A JP 2016128322A JP 2016128322 A JP2016128322 A JP 2016128322A JP 6627662 B2 JP6627662 B2 JP 6627662B2
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Description

本発明はステンレス鋼に関し、さらに詳しくは、オーステナイト系ステンレス鋼に関する。   The present invention relates to stainless steel, and more particularly, to austenitic stainless steel.

従来、高温環境下で使用されるボイラ及び化学プラント等の設備では、耐熱鋼として、Cr含有量及びNi含有量を高めたオーステナイト系ステンレス鋼、又は、Cr含有量を高めたNi基合金が使用されている。これらの耐熱鋼は、20〜30質量%程度のCr及び20〜70質量%程度のNiを含有するオーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金である。   Conventionally, equipment such as boilers and chemical plants used in high-temperature environments use austenitic stainless steel with an increased Cr content and Ni content or a Ni-based alloy with an increased Cr content as heat-resistant steel. Have been. These heat-resistant steels are austenitic stainless steels or Ni-based alloys containing about 20 to 30% by mass of Cr and about 20 to 70% by mass of Ni.

ところで最近では、いわゆるシェール革命により、安価なシェールガスが生産されている。化学プラント等の設備において、シェールガスを原料ガスとして使用する場合、ナフサ等の従来原料と比較して、原料ガス由来のCにより、化学プラント等の設備で用いられる金属管(たとえば反応管)の腐食現象である浸炭や、金属管表面への炭素の析出によるコーキングが生じやすい。そのため、化学プラント等の設備に使用される鋼には、優れた耐浸炭性及び耐コーキング性が求められる。   By the way, recently, the so-called shale revolution has produced inexpensive shale gas. When shale gas is used as a raw material gas in a facility such as a chemical plant, the C derived from the raw material gas causes a metal pipe (for example, a reaction tube) used in a facility such as a chemical plant to be compared with a conventional raw material such as naphtha. Caulking easily due to carburization, which is a corrosion phenomenon, and precipitation of carbon on the surface of a metal tube. For this reason, steels used for equipment such as chemical plants are required to have excellent carburization resistance and coking resistance.

耐浸炭性及び耐コーキング性を高めたステンレス鋼は、たとえば、特開2005−48284号公報(特許文献1)に提案されている。   A stainless steel having improved carburization resistance and coking resistance is proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-48284 (Patent Document 1).

特許文献1に開示されたステンレス鋼は、質量%で、C:0.01〜0.6%、Si:0.1〜5%、Mn:0.1〜10%、P:0.08%以下、S:0.05%以下、Cr:20〜55%、Ni:10〜70%、N:0.001〜0.25%、O(酸素):0.02%以下、残部がFe及び不可避不純物からなる化学組成を有する母材からなる。このステンレス鋼は、表層部にCr欠乏層を備え、該Cr欠乏層におけるCr濃度が、10%以上、母材のCr濃度未満であり、かつ該Cr欠乏層の厚さが20μm以内である。特許文献1では、Cr23皮膜を主体とする保護皮膜を形成することで、耐浸炭性及び耐コーキング性を高める、と記載されている。 The stainless steel disclosed in Patent Literature 1 is, by mass%, C: 0.01 to 0.6%, Si: 0.1 to 5%, Mn: 0.1 to 10%, and P: 0.08%. Hereinafter, S: 0.05% or less, Cr: 20 to 55%, Ni: 10 to 70%, N: 0.001 to 0.25%, O (oxygen): 0.02% or less, the balance being Fe and It consists of a base material having a chemical composition consisting of inevitable impurities. This stainless steel has a Cr-deficient layer in the surface layer portion, the Cr-depleted layer has a Cr concentration of 10% or more, less than the Cr concentration of the base material, and the thickness of the Cr-depleted layer is within 20 μm. Patent Document 1 describes that by forming a protective film mainly composed of a Cr 2 O 3 film, carburization resistance and coking resistance are enhanced.

しかしながら、特許文献1のステンレス鋼では、保護皮膜の主体がCr23皮膜である。そのため、特に高温環境下において、外部雰囲気からの酸素や炭素の侵入防止機能が十分でない。その結果、材料に内部酸化や浸炭を生じる場合がある。 However, in the stainless steel disclosed in Patent Document 1, the main component of the protective film is a Cr 2 O 3 film. Therefore, especially in a high-temperature environment, the function of preventing intrusion of oxygen and carbon from the external atmosphere is not sufficient. As a result, internal oxidation and carburization may occur in the material.

そこで、国際公開第2010/113830号(特許文献2)、国際公開第2004/067788号(特許文献3)、及び特開平10−140296号公報(特許文献4)は、Cr23皮膜に代わる保護皮膜に関する技術を開示する。具体的には、これらの文献では、Cr23皮膜に代わる保護皮膜として、熱力学的に安定なAl23を主体とした保護皮膜を耐熱鋼の表面に形成する。 Therefore, WO 2010/113830 (Patent Document 2), WO 2004/067788 (Patent Document 3), and JP-A-10-140296 (Patent Document 4) replace the Cr 2 O 3 film. A technique relating to a protective film is disclosed. Specifically, in these documents, a protective film mainly composed of Al 2 O 3 that is thermodynamically stable is formed on the surface of heat-resistant steel as a protective film instead of the Cr 2 O 3 film.

特許文献2に開示された鋳造製品は、質量%で、C:0.05〜0.7%、Si:0%を超えて2.5%以下、Mn:0%を超えて3.0%以下、Cr:15〜50%、Ni:18〜70%、Al:2〜4%、希土類元素:0.005〜0.4%、並びに、W:0.5〜10%及び/又はMo:0.1〜5%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物から耐熱合金の鋳造体を有する。高温雰囲気と接触する鋳造体の表面にバリア層が形成されており、バリア層は、厚さ0.5μm以上のAl23層であって、該バリア層の最表面の80面積%以上がAl23であり、Al23層と鋳造体との界面に、合金の基地よりもCr濃度が高いCr基粒子が分散していることを特徴とする。特許文献2では、Alを添加することで、Al23皮膜を主体とする保護皮膜を形成し、耐浸炭性を高める、と記載されている。 The cast product disclosed in Patent Literature 2 is, by mass%, C: 0.05 to 0.7%, Si: more than 0% to 2.5% or less, and Mn: more than 0% to 3.0%. Hereinafter, Cr: 15 to 50%, Ni: 18 to 70%, Al: 2 to 4%, rare earth element: 0.005 to 0.4%, and W: 0.5 to 10% and / or Mo: 0.1 to 5%, with a cast of heat-resistant alloy from the balance Fe and inevitable impurities. A barrier layer is formed on the surface of the casting in contact with the high-temperature atmosphere. The barrier layer is an Al 2 O 3 layer having a thickness of 0.5 μm or more, and 80% by area or more of the outermost surface of the barrier layer. Al 2 O 3 , wherein Cr-based particles having a higher Cr concentration than the base of the alloy are dispersed at the interface between the Al 2 O 3 layer and the casting. Patent Literature 2 describes that by adding Al, a protective film mainly composed of an Al 2 O 3 film is formed to enhance the carburization resistance.

特許文献3に開示されたニッケル−クロム鋳造合金は、0.8wt%までの炭素、1wt%までのケイ素、0.2wt%までのマンガン、15wt%〜40wt%のクロム、0.5wt%〜13wt%の鉄、1.5wt%〜7wt%のアルミニウム、2.5wt%までのニオブ、1.5wt%までのチタン、0.01wt%〜0.4wt%のジルコニウム、0.06wt%までの窒素、12wt%までのコバルト、5wt%までのモリブデン、6wt%までのタングステン、0.019wt%〜0.089wt%のイットリウム、残りはニッケルからなる。特許文献3では、Alに加えREMを添加することで、保護皮膜であるAl23の耐剥離性を高めたニッケル−クロム鋳造合金が得られる、と記載されている。 The nickel-chromium casting alloy disclosed in U.S. Pat. No. 6,059,086 is disclosed in U.S. Pat. % Iron, 1.5 wt% to 7 wt% aluminum, niobium up to 2.5 wt%, titanium up to 1.5 wt%, zirconium 0.01 wt% to 0.4 wt%, nitrogen up to 0.06 wt%, Up to 12 wt% cobalt, up to 5 wt% molybdenum, up to 6 wt% tungsten, from 0.019 wt% to 0.089 wt% yttrium, balance nickel. Patent Literature 3 describes that by adding REM in addition to Al, it is possible to obtain a nickel-chromium casting alloy with improved peel resistance of Al 2 O 3 as a protective film.

特許文献4に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、重量%で、C:0.15%以下、Si:0.9%以下、Mn:0.2〜2%、P:0.04%以下、S:0.005%以下、かつS(%)とO(%)を合わせて0.015%以下、Cr:12〜30%、Ni:10〜35%、Al:1.5〜5.5%、B:0.001〜0.01%、N:0.025%以下、Ca:0〜0.008%、Cu:0〜2%、Ti、Nb、Zr、VおよびHfのうちの1種以上を合計で0〜2%、W、Mo、CoおよびReのうちの1種以上を合計で0〜3%、希土類元素のうちの1種以上を合計で0〜0.05%含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる。特許文献4では、Alを添加することで、Al23皮膜を主体とする保護皮膜を形成し、耐酸化性を高める、と記載されている。 The austenitic stainless steel disclosed in Patent Document 4 is, by weight%, C: 0.15% or less, Si: 0.9% or less, Mn: 0.2 to 2%, P: 0.04% or less, S: 0.005% or less, and a total of S (%) and O (%) of 0.015% or less, Cr: 12 to 30%, Ni: 10 to 35%, Al: 1.5 to 5.5 %, B: 0.001 to 0.01%, N: 0.025% or less, Ca: 0 to 0.008%, Cu: 0 to 2%, 1 of Ti, Nb, Zr, V and Hf 0 to 2% in total, 0 to 3% in total of one or more of W, Mo, Co and Re, and 0 to 0.05% in total in one or more of rare earth elements , The remainder consists of Fe and inevitable impurities. Patent Document 4 describes that by adding Al, a protective film mainly composed of an Al 2 O 3 film is formed, and the oxidation resistance is increased.

特開2005−48284号公報JP 2005-48284 A 国際公開第2010/113830号International Publication No. 2010/113830 国際公開第2004/067788号International Publication No. WO 2004/067788 特開平10−140296号公報JP-A-10-140296

しかしながら、特許文献2では、耐熱合金がCrを最大50%添加している。そのため、炭化水素ガス雰囲気などの高温環境では、鋼表面でCrが炭化物として形成する場合がある。この場合、保護皮膜であるAl23が均一に形成されない。そのため、浸炭及びコーキングが発生する場合がある。 However, in Patent Document 2, the heat-resistant alloy contains up to 50% Cr. Therefore, in a high-temperature environment such as a hydrocarbon gas atmosphere, Cr may form as carbide on the steel surface. In this case, Al 2 O 3 as a protective film is not formed uniformly. Therefore, carburization and coking may occur.

特許文献3では、Ni含有量が高いため、原料コストが著しく高まる。   In Patent Document 3, since the Ni content is high, the raw material cost is significantly increased.

特許文献4では、耐浸炭性及び耐コーキング性について考慮されていない。そのため、耐浸炭性及び耐コーキング性が低い場合がある。   Patent Document 4 does not consider carburization resistance and coking resistance. Therefore, carburization resistance and coking resistance may be low.

本発明の目的は、炭化水素ガス雰囲気などの高温環境においても、優れた耐浸炭性及び耐コーキング性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を提供することである。   An object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel having excellent carburization resistance and coking resistance even in a high-temperature environment such as a hydrocarbon gas atmosphere.

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、質量%で、C:0.25〜0.7%、Si:0.01〜2.0%、Mn:2.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Cr:10〜19%、Ni:20〜40%、Al:2.5超〜4.5%未満、Nb:0.01〜3.5%、N:0.03%以下、Ti:0〜0.2%未満、Ca:0〜0.05%、及び、Mg:0〜0.05%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は式(1)を満たす。
0.4≦(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)≦0.8 (1)
ここで、式(1)中のCCr´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるCr濃度(質量%)が代入される。CAl´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるAl濃度(質量%)が代入される。また、CCrにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のCr濃度(質量%)が代入される。CAlにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のAl濃度(質量%)が代入される。
The austenitic stainless steel according to the present embodiment is, by mass%, C: 0.25 to 0.7%, Si: 0.01 to 2.0%, Mn: 2.0% or less, P: 0.04%. Hereinafter, S: 0.01% or less, Cr: 10 to 19%, Ni: 20 to 40%, Al: more than 2.5 to less than 4.5%, Nb: 0.01 to 3.5%, N: It contains 0.03% or less, Ti: 0 to less than 0.2%, Ca: 0 to 0.05%, and Mg: 0 to 0.05%, and the balance has a chemical composition of Fe and impurities. . The austenitic stainless steel according to the present embodiment satisfies Expression (1).
0.4 ≦ (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) ≦ 0.8 (1)
Here, Cr concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Cr ′ in the formula (1). The Al concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Al ′. The Cr concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Cr . The Al concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Al .

本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、炭化水素ガス雰囲気などの高温浸炭環境においても、優れた耐浸炭性及び耐コーキング性を有する。   The austenitic stainless steel according to the present embodiment has excellent carburization resistance and coking resistance even in a high-temperature carburizing environment such as a hydrocarbon gas atmosphere.

本発明者らは、高温浸炭環境(以下、単に高温環境ともいう)におけるオーステナイト系ステンレス鋼の耐浸炭性及び耐コーキング性について調査及び検討を行い、次の知見を得た。高温浸炭環境とは、炭化水素ガス雰囲気での1000℃以上の高温環境のことをいう。   The present inventors have investigated and studied the carburization resistance and coking resistance of austenitic stainless steel in a high-temperature carburizing environment (hereinafter, also simply referred to as a high-temperature environment), and obtained the following knowledge. The high-temperature carburizing environment refers to a high-temperature environment of 1000 ° C. or higher in a hydrocarbon gas atmosphere.

(A)オーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金にCrを含有させれば、鋼表面に保護皮膜であるCr23が形成され、耐食性が高まる。しかしながら、上述のとおり、Cr23は熱力学的に不安定である。そこで本発明においては、鋼表面にAl23皮膜を保護皮膜として形成する。Al23は、高温環境において、Cr23よりも熱力学的に安定である。 (A) If Cr is contained in the austenitic stainless steel or Ni-based alloy, Cr 2 O 3 as a protective film is formed on the steel surface, and the corrosion resistance is enhanced. However, as described above, Cr 2 O 3 is thermodynamically unstable. Therefore, in the present invention, an Al 2 O 3 film is formed on the steel surface as a protective film. Al 2 O 3 is more thermodynamically stable than Cr 2 O 3 in a high temperature environment.

(B)Crは、Al含有オーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金に過剰に含有された場合、高温環境において、雰囲気ガス由来のCと結合し、鋼表面にCr炭化物を形成する。Cr炭化物は、鋼表面でのAl23皮膜の均一な形成を物理的に阻害する。その結果、鋼の耐浸炭性及び耐コーキング性が低下する。 (B) When Cr is excessively contained in the Al-containing austenitic stainless steel or Ni-based alloy, it combines with C derived from atmospheric gas in a high-temperature environment to form Cr carbide on the steel surface. Cr carbides physically hinder uniform formation of an Al 2 O 3 coating on the steel surface. As a result, the carburization resistance and the coking resistance of the steel decrease.

一方で、CrはAl23皮膜の均一な形成を促進する。この効果を以降、CrのThird Element Effect(以下、TEE効果という)という。TEE効果のメカニズムは次の通りである。酸化のごく初期において、鋼表面では、まずCrが優先的に酸化され、Cr23が形成される。このため、鋼表面の酸素分圧が局所的に低下する。これにより、Alは内部酸化することなく、表面近傍において均一なAl23皮膜として形成される。その後、Cr23として使用されていた酸素がAl23に取り込まれ、最終的にはAl23のみの保護皮膜が形成される。そのため、保護性を有する均一なAl23皮膜を形成するためには、一定以上のCrを含有させる必要がある。 On the other hand, Cr promotes uniform formation of the Al 2 O 3 film. Hereinafter, this effect is referred to as Cr Third Element Effect (hereinafter, referred to as TEE effect). The mechanism of the TEE effect is as follows. At the very beginning of the oxidation, Cr is preferentially oxidized first on the steel surface to form Cr 2 O 3 . For this reason, the oxygen partial pressure on the steel surface locally decreases. Thereby, Al is formed as a uniform Al 2 O 3 film near the surface without internal oxidation. After that, oxygen used as Cr 2 O 3 is taken into Al 2 O 3 , and finally, a protective film of only Al 2 O 3 is formed. Therefore, in order to form a uniform protective Al 2 O 3 film, it is necessary to contain a certain amount of Cr or more.

したがって、Cr炭化物の生成を抑制し、Cr23のを促進するために、本発明では、Cr含有量を10〜19%とする。 Therefore, in order to suppress the generation of Cr carbide and promote Cr 2 O 3 , in the present invention, the Cr content is set to 10 to 19%.

(C)オーステナイト系ステンレス鋼において、表面から2μm深さまでの範囲におけるCr濃度とAl濃度との比を、母材のCr濃度とAl濃度との比よりも適度に小さくすれば、つまり、オーステナイト系ステンレス鋼が式(1)を満たせば、高温環境中での耐浸炭性及び耐コーキング性が高まる。
0.4≦(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)≦0.8 (1)
ここで、式(1)中のCCr´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるCr濃度(質量%)が代入される。CAl´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるAl濃度(質量%)が代入される。また、CCrにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のCr濃度(質量%)が代入される。CAlにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のAl濃度(質量%)が代入される。
(C) In the austenitic stainless steel, if the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the range from the surface to a depth of 2 μm is appropriately made smaller than the ratio between the Cr concentration and the Al concentration of the base material, that is, the austenitic stainless steel When the stainless steel satisfies the formula (1), the carburization resistance and the coking resistance in a high temperature environment are improved.
0.4 ≦ (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) ≦ 0.8 (1)
Here, Cr concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Cr ′ in the formula (1). The Al concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Al ′. The Cr concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Cr . The Al concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Al .

オーステナイト系ステンレス鋼が式(1)を満たせば、鋼表面においては、CrによるTEE効果が十分に得られ、Al23皮膜の形成が促進される。オーステナイト系ステンレス鋼が式(1)を満たせばさらに、Cr濃度が十分に小さく、Cr炭化物の形成が抑制される。このため、Al23皮膜が均一に形成される。その結果、耐浸炭性及び耐コーキング性が高まる。 When the austenitic stainless steel satisfies the formula (1), the TEE effect by Cr is sufficiently obtained on the steel surface, and the formation of the Al 2 O 3 film is promoted. When the austenitic stainless steel satisfies the formula (1), the Cr concentration is sufficiently low, and the formation of Cr carbide is suppressed. Therefore, the Al 2 O 3 film is formed uniformly. As a result, carburization resistance and coking resistance are improved.

以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、質量%で、C:0.25〜0.7%、Si:0.01〜2.0%、Mn:2.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Cr:10〜19%、Ni:20〜40%、Al:2.5超〜4.5%未満、Nb:0.01〜3.5%、N:0.03%以下、Ti:0〜0.2%未満、Ca:0〜0.05%、及び、Mg:0〜0.05%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は式(1)を満たす。
0.4≦(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)≦0.8 (1)
ここで、式(1)中のCCr´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるCr濃度(質量%)が代入される。CAl´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるAl濃度(質量%)が代入される。また、CCrにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のCr濃度(質量%)が代入される。CAlにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のAl濃度(質量%)が代入される。
The austenitic stainless steel according to the present embodiment completed on the basis of the above findings has, in mass%, C: 0.25 to 0.7%, Si: 0.01 to 2.0%, and Mn: 2.0%. Hereinafter, P: 0.04% or less, S: 0.01% or less, Cr: 10 to 19%, Ni: 20 to 40%, Al: more than 2.5 to less than 4.5%, Nb: 0.01 ~ 3.5%, N: 0.03% or less, Ti: 0 to less than 0.2%, Ca: 0 to 0.05%, and Mg: 0 to 0.05%, the balance being Fe And a chemical composition of impurities. The austenitic stainless steel according to the present embodiment satisfies Expression (1).
0.4 ≦ (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) ≦ 0.8 (1)
Here, Cr concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Cr ′ in the formula (1). The Al concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Al ′. The Cr concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Cr . The Al concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Al .

上記化学組成は、Ti:0.005〜0.2%未満を含有してもよい。   The chemical composition may contain 0.005 to less than 0.2% Ti.

上記化学組成は、Ca:0.0005〜0.05%、及びMg:0.0005〜0.05%からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。   The chemical composition may contain at least one selected from the group consisting of Ca: 0.0005 to 0.05% and Mg: 0.0005 to 0.05%.

以下、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼について詳述する。元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。   Hereinafter, the austenitic stainless steel of the present embodiment will be described in detail. “%” With respect to an element means “% by mass” unless otherwise specified.

[化学組成]
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the austenitic stainless steel according to the present embodiment contains the following elements.

C:0.25〜0.7%
炭素(C)は主にCrと結合して炭化物を形成し、高温クリープ強度を高める。C含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼の鋳造後の凝固組織中に粗大な共晶炭化物を多数形成し、鋼の靭性を低下する。したがって、C含有量は0.25〜0.7%である。C含有量の好ましい下限は0.27%であり、より好ましくは0.3%である。C含有量の好ましい上限は0.6%であり、より好ましくは0.5%である。
C: 0.25 to 0.7%
Carbon (C) mainly combines with Cr to form carbides and enhances high temperature creep strength. If the C content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the C content is too high, a large number of coarse eutectic carbides are formed in the solidified structure of the steel after casting, and the toughness of the steel is reduced. Therefore, the C content is 0.25 to 0.7%. A preferred lower limit of the C content is 0.27%, more preferably 0.3%. A preferred upper limit of the C content is 0.6%, and more preferably 0.5%.

Si:0.01〜2.0%
シリコン(Si)は鋼を脱酸する。他の元素で脱酸を十分に実施できる場合、Siの含有量は出来るだけ少なくてもよい。一方、Si含有量が高すぎれば、熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は0.01〜2.0%である。Si含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%である。Si含有量の好ましい上限は1.0%である。
Si: 0.01 to 2.0%
Silicon (Si) deoxidizes steel. When deoxidation can be sufficiently performed with another element, the content of Si may be as small as possible. On the other hand, if the Si content is too high, the hot workability decreases. Therefore, the Si content is 0.01 to 2.0%. A preferred lower limit of the Si content is 0.02%, and more preferably 0.03%. A preferred upper limit of the Si content is 1.0%.

Mn:2.0%以下
マンガン(Mn)は不可避に含有される。Mnは鋼中に含まれるSと結合してMnSを形成し、鋼の熱間加工性を高める。しかしながら、Mn含有量が高すぎれば、鋼が硬くなりすぎ、熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、Mn含有量は2.0%以下である。Mn含有量の好ましい下限は0.1%であり、さらに好ましくは0.2%である。Mn含有量の好ましい上限は1.2%である。
Mn: 2.0% or less Manganese (Mn) is inevitably contained. Mn combines with S contained in steel to form MnS and enhances hot workability of the steel. However, if the Mn content is too high, the steel becomes too hard, and the hot workability and the weldability decrease. Therefore, the Mn content is 2.0% or less. A preferred lower limit of the Mn content is 0.1%, more preferably 0.2%. The preferred upper limit of the Mn content is 1.2%.

P:0.04%以下
燐(P)は不純物である。Pは鋼の溶接性及び熱間加工性を低下する。したがって、P含有量は0.04%以下である。P含有量の好ましい上限は0.03%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
P: 0.04% or less Phosphorus (P) is an impurity. P reduces the weldability and hot workability of steel. Therefore, the P content is 0.04% or less. A preferable upper limit of the P content is 0.03%. The P content is preferably as low as possible.

S:0.01%以下
硫黄(S)は不純物である。Sは鋼の溶接性及び熱間加工性を低下する。したがって、S含有量は0.01%以下である。S含有量の好ましい上限は0.008%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
S: 0.01% or less Sulfur (S) is an impurity. S reduces the weldability and hot workability of steel. Therefore, the S content is 0.01% or less. A preferable upper limit of the S content is 0.008%. The S content is preferably as low as possible.

Cr:10〜19%
クロム(Cr)は、高温環境での鋼の表面において、保護性のあるCr23皮膜を形成する。Cr23皮膜は鋼の耐食性(耐酸化性、耐水蒸気酸化性等)を高める。Crはさらに、鋼中のCと結合してCr炭化物を形成し、高温強度を高める。本発明のオーステナイト系ステンレス鋼においては、Crはさらに、上述のTEE効果により、Al23皮膜の形成を促進する。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、炭化水素ガス雰囲気では、Crは雰囲気ガス由来のCと結合し、鋼表面にCr炭化物を形成する。Cr炭化物が形成されるとCrが局所的に欠乏する。このためTEE効果が低下し、均一なAl23皮膜が形成されない。Cr含有量が高すぎればさらに、Cr炭化物がAl23皮膜の形成を物理的に阻害する。したがって、Cr含有量は10〜19%である。Cr含有量の好ましい下限は11%であり、さらに好ましくは12%である。Cr含有量の好ましい上限は18.5%であり、さらに好ましくは18%である。
Cr: 10 to 19%
Chromium (Cr) forms a protective Cr 2 O 3 film on the surface of the steel in a high temperature environment. The Cr 2 O 3 coating enhances the corrosion resistance (oxidation resistance, steam oxidation resistance, etc.) of the steel. Cr further combines with C in the steel to form Cr carbides and enhances high-temperature strength. In the austenitic stainless steel of the present invention, Cr further promotes the formation of an Al 2 O 3 film by the above-described TEE effect. If the Cr content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content is too high, in a hydrocarbon gas atmosphere, Cr combines with C derived from the atmosphere gas to form Cr carbide on the steel surface. When Cr carbide is formed, Cr is locally depleted. For this reason, the TEE effect is reduced, and a uniform Al 2 O 3 film is not formed. If the Cr content is too high, the Cr carbides also physically inhibit the formation of the Al 2 O 3 film. Therefore, the Cr content is 10 to 19%. A preferred lower limit of the Cr content is 11%, more preferably 12%. A preferred upper limit of the Cr content is 18.5%, and more preferably 18%.

Ni:20〜40%
ニッケル(Ni)は、オーステナイトを安定化させ、高温強度を高める。Niはさらに、鋼の耐食性を高める。Ni含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和するだけでなく、原料コストが高くなる。したがって、Ni含有量は20〜40%である。Ni含有量の好ましい下限は22%であり、さらに好ましくは25%である。Ni含有量の好ましい上限は39%であり、さらに好ましくは38%である。
Ni: 20-40%
Nickel (Ni) stabilizes austenite and increases high-temperature strength. Ni further enhances the corrosion resistance of the steel. If the Ni content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Ni content is too high, these effects are not only saturated, but also the raw material cost is increased. Therefore, the Ni content is 20 to 40%. A preferred lower limit of the Ni content is 22%, and more preferably 25%. The preferred upper limit of the Ni content is 39%, and more preferably 38%.

Al:2.5超〜4.5%未満
アルミニウム(Al)は、高温環境において鋼表面にAl23皮膜を形成し、鋼の耐食性を高める。特に本発明にて想定している高温環境においては、従来用いられているCr23皮膜と比較して、Al23皮膜は熱力学的に安定である。Al含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、組織安定性が低下し、高温強度が著しく低下する。したがって、Al含有量は2.5超〜4.5%未満である。Al含有量の好ましい下限は2.55%であり、さらに好ましくは2.6%である。Al含有量の好ましい上限は4.2%であり、さらに好ましくは4.0%である。本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼において、Al含有量は、鋼材中に含有する全Al量を意味する。
Al: 2.5 Super to 4.5% less than aluminum (Al) forms a Al 2 O 3 film on the steel surface in a high temperature environment, increase the corrosion resistance of steel. Particularly, in the high-temperature environment assumed in the present invention, the Al 2 O 3 film is thermodynamically stable as compared with the conventionally used Cr 2 O 3 film. If the Al content is too low, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Al content is too high, the structural stability is reduced, and the high-temperature strength is significantly reduced. Therefore, the Al content is more than 2.5 to less than 4.5%. A preferred lower limit of the Al content is 2.55%, and more preferably 2.6%. The preferred upper limit of the Al content is 4.2%, and more preferably 4.0%. In the austenitic stainless steel according to the present invention, the Al content means the total amount of Al contained in the steel material.

Nb:0.01〜3.5%
ニオブ(Nb)は、析出強化相となる金属間化合物(ラーベス相及びNi3Nb相)を形成して、結晶粒界及び結晶粒内を析出強化し、鋼のクリープ強度を高める。一方、Nb含有量が高すぎれば、金属間化合物が過剰に生成して、鋼の靭性が低下する。Nb含有量が高すぎればさらに、長時間時効後の靭性も低下する。したがって、Nb含有量は0.01〜3.5%ある。Nb含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.1%である。Nb含有量の好ましい上限は3.2%未満であり、さらに好ましくは3.0%である。
Nb: 0.01 to 3.5%
Niobium (Nb) forms intermetallic compounds (Laves phase and Ni 3 Nb phase) to be a precipitation strengthening phase, precipitates and strengthens the crystal grain boundaries and inside the crystal grains, and increases the creep strength of steel. On the other hand, if the Nb content is too high, an intermetallic compound is excessively generated, and the toughness of the steel decreases. If the Nb content is too high, the toughness after long-term aging also decreases. Therefore, the Nb content is 0.01 to 3.5%. A preferred lower limit of the Nb content is 0.05%, and more preferably 0.1%. A preferred upper limit of the Nb content is less than 3.2%, and more preferably 3.0%.

N:0.03%以下
窒素(N)はオーステナイトを安定化し、不可避に含有される。しかしながら、N含有量が高すぎれば、溶体化処理後でも未固溶で残存する粗大な炭窒化物が生成する。粗大な炭窒化物は鋼の靱性を低下する。したがって、N含有量は0.03%以下である。好ましいN含有量の上限は0.01%である。
N: 0.03% or less Nitrogen (N) stabilizes austenite and is inevitably contained. However, if the N content is too high, coarse carbonitrides that remain undissolved and remain after the solution treatment are generated. Coarse carbonitrides reduce the toughness of the steel. Therefore, the N content is 0.03% or less. A preferable upper limit of the N content is 0.01%.

本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、オーステナイト系ステンレス鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、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。   The balance of the chemical composition of the austenitic stainless steel of the present embodiment consists of Fe and impurities. Here, impurities are those that are mixed in from the ore, scrap, or production environment as a raw material when industrially producing austenitic stainless steel, and are allowed within a range that does not adversely affect the present invention. Means what is done.

[任意元素について]
上述のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Tiを含有してもよい。
[About optional elements]
The chemical composition of the austenitic stainless steel described above may further contain Ti instead of part of Fe.

Ti:0〜0.2%未満
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Tiは、析出強化相となる金属間化合物(ラーベス相及びNi3Ti相)を形成して、析出強化によりクリープ強度を高める。しかしながら、Ti含有量が高すぎれば、金属間化合物が過剰に生成して、高温延性及び熱間加工性が低下する。Ti含有量が高すぎればさらに、長時間時効後の靭性が低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.2%未満である。Ti含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは、0.01%である。Ti含有量の好ましい上限は0.15%であり、さらに好ましくは、0.1%である。
Ti: 0 to less than 0.2% Titanium (Ti) is an optional element and may not be contained. When contained, Ti forms intermetallic compounds (Laves phase and Ni 3 Ti phase) to be a precipitation strengthening phase, and increases creep strength by precipitation strengthening. However, if the Ti content is too high, an excessive amount of the intermetallic compound is generated, and the high-temperature ductility and hot workability are reduced. If the Ti content is too high, the toughness after long-term aging is further reduced. Therefore, the Ti content is 0 to less than 0.2%. A preferred lower limit of the Ti content is 0.005%, and more preferably 0.01%. The preferable upper limit of the Ti content is 0.15%, and more preferably 0.1%.

上述のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ca及びMgからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼の熱間加工性を高める。   The chemical composition of the austenitic stainless steel described above may further include one or more selected from the group consisting of Ca and Mg instead of part of Fe. These elements are all optional elements and enhance the hot workability of steel.

Ca:0〜0.05%
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Caは、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を高める。一方、Ca含有量が高すぎれば、靱性、延性及び清浄性が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.05%である。Caの好ましい下限は0.0005%である。Ca含有量の好ましい上限は0.01%である。
Ca: 0 to 0.05%
Calcium (Ca) is an optional element and may not be contained. When contained, Ca fixes S as a sulfide and enhances hot workability. On the other hand, if the Ca content is too high, toughness, ductility, and cleanliness deteriorate. Therefore, the Ca content is 0 to 0.05%. A preferred lower limit of Ca is 0.0005%. A preferred upper limit of the Ca content is 0.01%.

Mg:0〜0.05%
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Mgは、Sを硫化物として固定し、鋼の熱間加工性を高める。一方、Mg含有量が高すぎれば、靱性、延性及び清浄性が低下する。したがって、Mg含有量は0〜0.05%である。Mgの好ましい下限は0.0005%である。Mg含有量の好ましい上限は0.01%である。
Mg: 0 to 0.05%
Magnesium (Mg) is an optional element and need not be contained. When contained, Mg fixes S as a sulfide and enhances the hot workability of the steel. On the other hand, if the Mg content is too high, toughness, ductility, and cleanliness deteriorate. Therefore, the Mg content is 0 to 0.05%. The preferred lower limit of Mg is 0.0005%. A preferable upper limit of the Mg content is 0.01%.

[式(1)について]
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼はさらに、式(1)を満たす。
0.4≦(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)≦0.8 (1)
ここで、式(1)中のCCr´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表層におけるCr濃度(質量%)が代入される。CAl´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表層におけるAl濃度(質量%)が代入される。また、CCrにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のCr濃度(質量%)が代入される。CAlにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のAl濃度(質量%)が代入される。
[About Equation (1)]
The austenitic stainless steel of the present embodiment further satisfies Expression (1).
0.4 ≦ (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) ≦ 0.8 (1)
Here, the Cr concentration (% by mass) in the surface layer of the austenitic stainless steel is substituted for C Cr ′ in equation (1). The Al concentration (% by mass) in the surface layer of the austenitic stainless steel is substituted for C Al ′. The Cr concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Cr . The Al concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Al .

本明細書において、オーステナイト系ステンレス鋼の表層とは、オーステナイト系ステンレス鋼における表面から2μm深さまでの範囲を意味する。表面から2μm深さとは、母材の表面から2μm深さを意味する。また、母材のCr濃度(質量%)及び母材のAl濃度(質量%)とはそれぞれ、表層を除いた母材の平均Cr濃度(質量%)及びAl濃度(質量%)を意味する。   In the present specification, the surface layer of austenitic stainless steel means a range from the surface of austenitic stainless steel to a depth of 2 μm. The depth of 2 μm from the surface means a depth of 2 μm from the surface of the base material. Further, the Cr concentration (% by mass) of the base material and the Al concentration (% by mass) of the base material mean the average Cr concentration (% by mass) and the Al concentration (% by mass) of the base material excluding the surface layer, respectively.

式(1)に示すとおり、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼では、表層のCr濃度とAl濃度との比が、鋼母材のCr濃度とAl濃度との比よりも適度に小さい。この場合、上述のとおり、Al23皮膜の形成が促進される。その結果、高温環境において、耐浸炭性及び耐コーキング性が高まる。 As shown in Expression (1), in the austenitic stainless steel of the present embodiment, the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the surface layer is appropriately smaller than the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the steel base material. In this case, as described above, the formation of the Al 2 O 3 film is promoted. As a result, carburization resistance and coking resistance are increased in a high-temperature environment.

F1=(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)と定義する。F1はCr挙動の指標である。 F1 = (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) is defined. F1 is an index of Cr behavior.

F1が0.8を超えれば、表層のCr濃度とAl濃度との比が、母材のCr濃度とAl濃度との比よりも大きすぎる。つまり、表層のCr濃度CCr´が高すぎる。この場合、鋼表面にCr炭化物が形成され、均一なAl23皮膜の形成が物理的に阻害される。 If F1 exceeds 0.8, the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the surface layer is too large than the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the base material. That is, the Cr concentration C Cr ′ of the surface layer is too high. In this case, Cr carbide is formed on the steel surface, and the formation of a uniform Al 2 O 3 film is physically inhibited.

F1が0.4未満であれば、表層のCr濃度とAl濃度との比が、母材のCr濃度とAl濃度との比よりも小さすぎる。つまり、表層のCr濃度CCr´が小さすぎる。この場合、CrのTEE効果が得られない。このため、鋼表面に均一なAl23皮膜が形成されない。 If F1 is less than 0.4, the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the surface layer is too small than the ratio between the Cr concentration and the Al concentration in the base material. That is, the Cr concentration C Cr ′ of the surface layer is too small. In this case, the TEE effect of Cr cannot be obtained. Therefore, a uniform Al 2 O 3 film is not formed on the steel surface.

したがって、F1は、0.4〜0.8である。F1の好ましい下限は、0.42であり、さらに好ましくは0.44である。F1の好ましい上限は、0.79であり、さらに好ましくは0.78である。   Therefore, F1 is 0.4 to 0.8. A preferred lower limit of F1 is 0.42, and more preferably 0.44. A preferred upper limit of F1 is 0.79, and more preferably 0.78.

上述の表層のCr濃度CCr´及びAl濃度CAl´は次の方法で求められる。オーステナイト系ステンレス鋼を表面に対して垂直に切断する。切断したオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲において、任意の5点(測定点)を選択し、EDX(エネルギ分散型X線分光)により、Cr濃度及びAl濃度を測定する。測定した値を平均して求めた値をCCr´及びCAl´(%)と定義する。 The Cr concentration C Cr ′ and the Al concentration C Al ′ of the above-mentioned surface layer are obtained by the following method. Austenitic stainless steel is cut perpendicular to the surface. Five arbitrary points (measurement points) are selected in a range from the surface of the cut austenitic stainless steel to a depth of 2 μm, and the Cr concentration and the Al concentration are measured by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy). The values obtained by averaging the measured values are defined as C Cr ′ and C Al ′ (%).

上述の母材のCr濃度CCr及びAl濃度CAlは、レードル値を用いる。レードル値は、製鋼工程で入手される鋼素材の分析値である。レードル値はたとえば、鋼の製造工程においてタンディッシュで採取した試料を分析した結果である。分析方法は例えば、スパーク放電分光分析法である。各サンプルでピーク値を求め、それらの平均を母材のCr濃度CCr及びAl濃度CAlと定義する。レードル値はチェック分析値と同等であるものとする。 Ladle values are used for the Cr concentration C Cr and the Al concentration C Al of the base material described above. The ladle value is an analysis value of a steel material obtained in a steelmaking process. The ladle value is, for example, a result of analysis of a sample taken with a tundish in a steel manufacturing process. The analysis method is, for example, spark discharge spectroscopy. The peak value is determined for each sample, and the average thereof is defined as the Cr concentration C Cr and the Al concentration C Al of the base material. The ladle value shall be equivalent to the check analysis value.

本実施形態によるオーステナイト系耐ステンレス鋼の形状は、特に限定されない。オーステナイト系耐ステンレス鋼はたとえば、鋼管である。オーステナイト系ステンレス鋼管は、化学プラント用反応管として使用される。オーステナイト系ステンレス鋼は、板材、棒材、線材等であってもよい。   The shape of the austenitic stainless steel according to the present embodiment is not particularly limited. The austenitic stainless steel is, for example, a steel pipe. Austenitic stainless steel tubes are used as reaction tubes for chemical plants. The austenitic stainless steel may be a plate, a bar, a wire, or the like.

[製造方法]
本実施形態のオーステナイト系耐ステンレス鋼の製造方法の一例として、鋼管の製造方法を説明する。
[Production method]
As an example of a method for manufacturing the austenitic stainless steel according to the present embodiment, a method for manufacturing a steel pipe will be described.

[準備工程]
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。溶鋼を用いて、鋳造により素材を製造する。素材は、造塊法によるインゴットであってもよいし、連続鋳造法によるスラブやブルーム、ビレット等の鋳片であってもよい。また、遠心鋳造法により、管形状の鋳造体を製造してもよい。
[Preparation process]
A molten steel having the above chemical composition is manufactured. A well-known degassing process is performed on the molten steel as needed. The material is manufactured by casting using molten steel. The raw material may be an ingot obtained by an ingot-making method, or a slab, a bloom, a billet or the like obtained by a continuous casting method. Further, a tube-shaped casting may be manufactured by a centrifugal casting method.

[熱間鍛造工程]
製造された素材に対して熱間鍛造を実施してもよい。熱間鍛造を実施すれば、準備工程で製造した溶鋼の内部組織を、凝固組織から均質な整粒組織へと変化させることができる。
[Hot forging process]
Hot forging may be performed on the manufactured material. By performing hot forging, the internal structure of the molten steel produced in the preparation step can be changed from a solidified structure to a uniform sized structure.

[熱間/冷間加工工程]
準備工程で製造された素材、又は熱間鍛造された素材に対して熱間加工及び/又は冷間加工を実施して、中間材である鋼素管を製造してもよい。熱間加工はたとえば、熱間押出し加工や熱間圧延加工である。冷間加工はたとえば、冷間引抜き加工や冷間圧延加工である。以上の工程により、中間材を製造する。
[Hot / cold working process]
Hot working and / or cold working may be performed on the material manufactured in the preparation step or the hot forged material to manufacture a steel tube as an intermediate material. The hot working is, for example, hot extrusion or hot rolling. The cold working is, for example, cold drawing or cold rolling. Through the above steps, an intermediate material is manufactured.

[熱処理工程]
製造された素材又は中間材に対して、大気雰囲気で熱処理を実施する。大気雰囲気での熱処理により、鋼表面にCr23を主体とするスケールが形成される。これにより鋼表面のCrが欠乏し、式(1)を満たすオーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。
[Heat treatment process]
A heat treatment is performed on the manufactured material or intermediate material in an air atmosphere. The heat treatment in the air atmosphere forms a scale mainly composed of Cr 2 O 3 on the steel surface. Thereby, Cr on the steel surface is deficient, and an austenitic stainless steel satisfying the expression (1) can be obtained.

熱処理温度は900〜1300℃であり、熱処理時間は3.0分〜30.0時間である。   The heat treatment temperature is 900 to 1300 ° C., and the heat treatment time is 3.0 minutes to 30.0 hours.

熱処理温度が900℃未満、又は熱処理時間が3.0分未満であれば、鋼表面にCr23を主体とするスケールが十分に形成されず、鋼表層のCr濃度CCr´が高くなりすぎ、式(1)を満たさない。このため、鋼表面にCr炭化物が形成され、均一なAl23皮膜が十分に形成されない。その結果、耐浸炭性及び耐コーキング性が低下する。熱処理温度が900℃未満、及び/又は熱処理時間が3.0分未満であればさらに、結晶粒が微細になりすぎるため、高温強度が低下する。 If the heat treatment temperature is less than 900 ° C. or the heat treatment time is less than 3.0 minutes, the scale mainly composed of Cr 2 O 3 is not sufficiently formed on the steel surface, and the Cr concentration C Cr ′ in the steel surface layer increases. And does not satisfy equation (1). For this reason, Cr carbide is formed on the steel surface, and a uniform Al 2 O 3 film is not sufficiently formed. As a result, carburization resistance and coking resistance are reduced. If the heat treatment temperature is less than 900 ° C. and / or the heat treatment time is less than 3.0 minutes, the crystal grains become too fine, and the high-temperature strength decreases.

一方、熱処理温度が1300℃を超えれば、又は熱処理時間が30.0時間を超えれば、鋼表面にCr23を主体とするスケールが過剰に形成されるため、鋼表層のCrが過剰に欠乏する。この場合、鋼表層のCr濃度CCr´が、低くなりすぎ、式(1)を満たさない。このため、CrのTEE効果が低下し、均一なAl23皮膜が十分に形成されない。その結果、耐浸炭性及び耐コーキング性が低下する。熱処理温度が1300℃を超えれば、及び/又は熱処理時間が30.0時間を超えればさらに、結晶粒が粗大化し、Alの粒界拡散が阻害され、Al23皮膜が十分に形成されない。結晶粒径は80μm以下であるのが好ましい。 On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 1300 ° C. or if the heat treatment time exceeds 30.0 hours, the scale mainly composed of Cr 2 O 3 is excessively formed on the steel surface, so that the Cr in the steel surface layer is excessively increased. Lack. In this case, the Cr concentration C Cr ′ in the steel surface layer is too low, and does not satisfy the expression (1). For this reason, the TEE effect of Cr is lowered, and a uniform Al 2 O 3 film is not sufficiently formed. As a result, carburization resistance and coking resistance are reduced. If the heat treatment temperature exceeds 1300 ° C. and / or the heat treatment time exceeds 30.0 hours, the crystal grains are further coarsened, the diffusion of Al grain boundaries is inhibited, and the Al 2 O 3 film is not sufficiently formed. The crystal grain size is preferably 80 μm or less.

熱処理温度が900〜1300℃、熱処理時間が3.0分〜30.0時間であれば、鋼表面にCr23を主体とするスケールが十分に形成され、式(1)を満たす化学組成を有する鋼が得られる。その結果、高温環境での耐浸炭性が高まる。 When the heat treatment temperature is 900 to 1300 ° C. and the heat treatment time is 3.0 minutes to 30.0 hours, a scale mainly composed of Cr 2 O 3 is sufficiently formed on the steel surface, and the chemical composition satisfying the formula (1) is obtained. Is obtained. As a result, carburization resistance in a high temperature environment is increased.

熱処理後の中間材に対して、表面に形成したスケールの除去を目的として酸洗処理を施してもよい。酸洗にはたとえば、硝酸と塩酸の混酸溶液を用いる。酸洗時間はたとえば、30分〜60分である。   The intermediate material after the heat treatment may be subjected to an acid washing treatment for the purpose of removing scale formed on the surface. For pickling, for example, a mixed acid solution of nitric acid and hydrochloric acid is used. The pickling time is, for example, 30 minutes to 60 minutes.

さらに、酸洗処理後の中間材に対して、投射材を用いたブラスト処理を実施してもよい。たとえば、鋼管内面に対してブラスト処理を実施する。この場合、表面に加工層を形成し、耐食性(耐酸化性等)が高まる。   Further, a blast treatment using a shot material may be performed on the intermediate material after the pickling treatment. For example, blast processing is performed on the inner surface of the steel pipe. In this case, a processed layer is formed on the surface, and corrosion resistance (eg, oxidation resistance) is increased.

以上の製造方法により、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼が製造される。なお、上記では鋼管の製造方法について説明した。しかしながら、同様の製造方法(準備工程、熱間鍛造工程、熱間/冷間加工工程、熱処理工程)により、板材、棒材、線材等を製造してもよい。   By the above manufacturing method, the austenitic stainless steel of the present embodiment is manufactured. In addition, the manufacturing method of the steel pipe was demonstrated above. However, a plate, a bar, a wire, etc. may be manufactured by the same manufacturing method (preparation step, hot forging step, hot / cold working step, heat treatment step).

[製造方法]
表1に示す化学組成を有する溶鋼を、真空溶解炉を用いて製造した。
[Production method]
Molten steel having the chemical composition shown in Table 1 was produced using a vacuum melting furnace.

[母材のCr濃度CCr及びAl濃度CAl測定]
取鍋に出鋼した溶鋼を採取し、スパーク放電分光分析法により母材のCr濃度及びAl濃度を測定した。各サンプルでピーク値を求め、それらの平均を母材のCr濃度CCr及びAl濃度CAlとした。
[Measurement of Cr concentration C Cr and Al concentration C Al of base metal]
The molten steel that had been tapped into a ladle was collected, and the Cr concentration and the Al concentration of the base metal were measured by spark discharge spectroscopy. The peak values were determined for each sample, and the average thereof was defined as the Cr concentration C Cr and the Al concentration C Al of the base material.

Figure 0006627662
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上記溶鋼を用いて、外径120mmの円柱状のインゴット(30kg)を製造した。インゴットに対して熱間鍛造を実施して、矩形状素材を製造した。矩形状素材に対して熱間圧延及び冷間圧延を実施して、厚さ15mmの中間材を製造した。得られた中間材から、機械加工により8mm×20mm×30mmの板材を、各鋼種2枚ずつ製造した。板材に対して表2に示す温度及び時間で、熱処理を実施した。熱処理後、板材を水冷して、試験用の鋼材を製造した。   Using the molten steel, a cylindrical ingot (30 kg) having an outer diameter of 120 mm was manufactured. Hot forging was performed on the ingot to produce a rectangular material. Hot rolling and cold rolling were performed on the rectangular material to produce an intermediate material having a thickness of 15 mm. From the obtained intermediate material, a plate material of 8 mm × 20 mm × 30 mm was manufactured by machining, each of two steel types. The heat treatment was performed on the plate material at the temperature and time shown in Table 2. After the heat treatment, the plate was cooled with water to produce a test steel.

Figure 0006627662
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[オーステナイト結晶粒径の測定]
各試験番号の鋼材の圧延方向と垂直な断面の中央部から顕微鏡観察用の試験片を作製した。試験片の表面のうち、上記断面に相当する表面(観察面という)を用いて、ASTM E 112に規定される顕微鏡試験方法を実施し、結晶粒径を測定した。具体的には、観察面を機械研磨後、腐食液を用いて腐食し、観察面の結晶粒界を現出させた。腐食した表面上の10視野において、各視野の平均結晶粒径を求めた。各視野の面積は、約0.75mm2である。
[Measurement of austenite grain size]
Specimens for microscope observation were prepared from the center of the cross section perpendicular to the rolling direction of the steel material of each test number. Using a surface (referred to as an observation surface) corresponding to the above-described cross section among the surfaces of the test pieces, a microscopic test method specified in ASTM E112 was performed to measure the crystal grain size. Specifically, after the observation surface was mechanically polished, the surface was corroded using a corrosive liquid to reveal crystal grain boundaries on the observation surface. In 10 visual fields on the corroded surface, the average crystal grain size of each visual field was determined. The area of each field of view is about 0.75 mm 2 .

[表層のCr濃度CCr´及びAl濃度CAl´測定]
各試験番号の鋼材を圧延方向に対して垂直に切断し、表面を含むサンプルを採取した。サンプルを樹脂に埋め込み、表面近傍の断面を含む観察面を研磨した。研磨後の観察面に対して、上述の方法を用いて表層(表面から2μm深さまでの範囲)のCr濃度CCr´及びAl濃度CAl´を求めた。
[Measurement of Cr concentration C Cr ′ and Al concentration C Al ′ of surface layer]
The steel material of each test number was cut perpendicular to the rolling direction, and a sample including the surface was collected. The sample was embedded in resin, and the observation surface including the cross section near the surface was polished. The Cr concentration C Cr ′ and the Al concentration C Al ′ of the surface layer (range from the surface to a depth of 2 μm) of the polished observation surface were determined using the above-described method.

[浸炭試験]
各試験番号の鋼材を、H2−CH4−CO2雰囲気にて1100℃×96時間保持した。浸炭後の鋼材表面を#600研磨紙で乾式手研磨して、表面のスケール等を除去した。鋼材表面から0.5mmピッチで4層分の分析切粉を採取した。得られた分析切粉について、高周波燃焼赤外吸収法にてC濃度を測定した。測定結果から、鋼に元から含有されているC濃度を差し引いて、C濃度増加量とした。4層分のC濃度増加量の平均を、侵入C量とした。
[Carburizing test]
The steel material of each test number was kept at 1100 ° C. for 96 hours in an H 2 —CH 4 —CO 2 atmosphere. The surface of the steel material after carburization was dry-hand polished with # 600 abrasive paper to remove scale and the like on the surface. Analytical chips from four layers were collected from the steel surface at 0.5 mm pitch. About the obtained analysis chip, C concentration was measured by the high frequency combustion infrared absorption method. From the measurement results, the C concentration originally contained in the steel was subtracted to obtain an increase in the C concentration. The average of the increase in the C concentration for the four layers was defined as the amount of intrusion C.

[クリープ破断試験]
製造された中間材から、クリープ試験片を作製した。クリープ試験片は、鋼材の厚さ中心部から圧延方向に平行に採取した。試験片は丸棒試験片であり、平行部の直径は6mm、標点間距離は30mmであった。試験片を用いて、クリープ破断試験を行った。クリープ破断試験は1000℃の大気雰囲気において、15MPaの引張り負荷をかけて実施した。破断時間が1.0×103時間以上のものを合格(表2中の○)、1.0×103時間未満のものを不合格(表2中の×)とした。
[Creep rupture test]
A creep test piece was prepared from the manufactured intermediate material. The creep test specimen was taken from the center of the thickness of the steel material in parallel with the rolling direction. The test piece was a round bar test piece, the diameter of the parallel portion was 6 mm, and the distance between the gauges was 30 mm. A creep rupture test was performed using the test piece. The creep rupture test was performed in an air atmosphere at 1000 ° C. under a tensile load of 15 MPa. Those with a rupture time of 1.0 × 10 3 hours or more were evaluated as acceptable (○ in Table 2), and those with a rupture time of less than 1.0 × 10 3 hours were evaluated as unacceptable (× in Table 2).

[試験結果]
試験結果を表2に示す。
[Test results]
Table 2 shows the test results.

表2を参照して、試験番号1〜試験番号7の化学組成は適切であり、F1は式(1)を満たした。その結果、侵入C量は0.18%以下であり、優れた耐浸炭性を示した。さらに、クリープ試験における破断時間が1.0×103時間以上であり、優れたクリープ強度を示した。 Referring to Table 2, the chemical compositions of Test Nos. 1 to 7 were appropriate, and F1 satisfied Formula (1). As a result, the infiltration C amount was 0.18% or less, indicating excellent carburization resistance. Further, the rupture time in the creep test was 1.0 × 10 3 hours or more, indicating excellent creep strength.

一方、試験番号8では、熱処理温度が高すぎた。そのため、表面のCr欠乏が過剰に促進し、式(1)を満たさなかった。また、粒径が大きくなり、Al23皮膜の形成も阻害された。その結果、耐浸炭性が低かった。 On the other hand, in Test No. 8, the heat treatment temperature was too high. Therefore, Cr deficiency on the surface was excessively promoted, and did not satisfy the expression (1). In addition, the particle size was increased, and the formation of the Al 2 O 3 film was inhibited. As a result, the carburization resistance was low.

試験番号9では、熱処理温度が低すぎた。そのため、スケール形成が不十分であり、式(1)を満たさなかった。その結果、耐浸炭性が低かった。   In Test No. 9, the heat treatment temperature was too low. Therefore, scale formation was insufficient, and did not satisfy Expression (1). As a result, the carburization resistance was low.

試験番号10では、熱処理時間が短すぎた。そのため、スケール形成が不十分であり、式(1)を満たさなかった。その結果、耐浸炭性が低かった。   In Test No. 10, the heat treatment time was too short. Therefore, scale formation was insufficient, and did not satisfy Expression (1). As a result, the carburization resistance was low.

試験番号11では、熱処理時間が長すぎた。そのため、表面のCr欠乏が過剰に促進し、式(1)を満たさなかった。また、粒径が大きくなり、Al23皮膜の形成も阻害された。その結果、耐浸炭性が低かった。 In test number 11, the heat treatment time was too long. Therefore, Cr deficiency on the surface was excessively promoted, and did not satisfy the expression (1). In addition, the particle size was increased, and the formation of the Al 2 O 3 film was inhibited. As a result, the carburization resistance was low.

試験番号12では、Cr含有量が低すぎた。そのため、CrによるTEEの効果が低下し、Al23皮膜を形成できなかった。その結果、耐浸炭性が低かった。 In Test No. 12, the Cr content was too low. For this reason, the effect of TEE by Cr was reduced, and an Al 2 O 3 film could not be formed. As a result, the carburization resistance was low.

試験番号13では、Al含有量が低すぎた。そのため、Al23皮膜が十分に形成されず、耐浸炭性が低かった。 In Test No. 13, the Al content was too low. Therefore, the Al 2 O 3 film was not sufficiently formed, and the carburization resistance was low.

試験番号14では、Cr含有量が高すぎた。そのため、Crが炭化物として形成された。それによりAl23皮膜の形成も阻害された。その結果、耐浸炭性が低かった。 In Test No. 14, the Cr content was too high. Therefore, Cr was formed as a carbide. This also inhibited the formation of the Al 2 O 3 film. As a result, the carburization resistance was low.

試験番号15では、Al含有量が高すぎた。そのため、クリープ強度が低下した。   In Test No. 15, the Al content was too high. Therefore, the creep strength decreased.

試験番号16では、C含有量が低すぎた。そのため、クリープ強度が低下した。   In Test No. 16, the C content was too low. Therefore, the creep strength decreased.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。   The embodiments of the present invention have been described above. However, the above-described embodiment is merely an example for implementing the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、炭化水素ガス雰囲気などの、浸炭及びコーキングが懸念されるような高温環境においても使用することができる。特に、エチレン製造プラント等の化学工業用プラント等における反応管用鋼としての用途に特に好適である。   The austenitic stainless steel of the present invention can be used in a high-temperature environment where carburization and caulking are concerned, such as in a hydrocarbon gas atmosphere. In particular, it is particularly suitable for use as steel for reaction tubes in chemical industry plants such as ethylene production plants.

Claims (3)

質量%で、
C:0.25〜0.7%、
Si:0.01〜2.0%、
Mn:2.0%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:10〜19%、
Ni:20〜40%、
Al:2.5超〜4.5%未満、
Nb:0.01〜3.5%、
N:0.03%以下、
Ti:0〜0.2%未満、
Ca:0〜0.05%、及び、
Mg:0〜0.05%を含有し、
残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
式(1)を満たす、オーステナイト系ステンレス鋼。
0.4≦(CCr´/CAl´)/(CCr/CAl)≦0.8 (1)
ここで、式(1)中のCCr´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるCr濃度(質量%)が代入される。CAl´にはオーステナイト系ステンレス鋼の表面から2μm深さまでの範囲におけるAl濃度(質量%)が代入される。また、CCrにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のCr濃度(質量%)が代入される。CAlにはオーステナイト系ステンレス鋼母材のAl濃度(質量%)が代入される。
In mass%,
C: 0.25 to 0.7%,
Si: 0.01 to 2.0%,
Mn: 2.0% or less,
P: 0.04% or less,
S: 0.01% or less,
Cr: 10 to 19%,
Ni: 20-40%,
Al: more than 2.5 to less than 4.5%,
Nb: 0.01 to 3.5%,
N: 0.03% or less,
Ti: 0 to less than 0.2%,
Ca: 0 to 0.05%, and
Mg: containing 0 to 0.05%,
The balance has a chemical composition consisting of Fe and impurities,
Austenitic stainless steel that satisfies formula (1).
0.4 ≦ (C Cr ′ / C Al ′) / (C Cr / C Al ) ≦ 0.8 (1)
Here, the Cr concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Cr ′ in the formula (1). The Al concentration (% by mass) in the range from the surface of the austenitic stainless steel to a depth of 2 μm is substituted for C Al ′. The Cr concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Cr . The Al concentration (% by mass) of the austenitic stainless steel base material is substituted for C Al .
請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成は、
Ti:0.005〜0.2%未満を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
An austenitic stainless steel according to claim 1,
The chemical composition is
Ti: Austenitic stainless steel containing 0.005 to less than 0.2%.
請求項1又は請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0005〜0.05%、及び、
Mg:0.0005〜0.05%からなる群から選択される1種以上を含有することを特徴とする、オーステナイト系ステンレス鋼。
Austenitic stainless steel according to claim 1 or claim 2,
The chemical composition is
Ca: 0.0005 to 0.05%, and
Mg: an austenitic stainless steel containing at least one selected from the group consisting of 0.0005 to 0.05%.
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