JP2001192781A - 高温強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼およびその製造方法 - Google Patents
高温強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼およびその製造方法Info
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Abstract
長時間クリープ強度と靱性に優れた安価な高Crフェラ
イト系耐熱鋼およびその製造方法の提供。 【解決手段】質量%で、C:0.01〜0.25%、C
r:8〜14%、V:0.05〜1.8%、Mo:0.
01〜2.5%、W:0.02〜5%およびN:0.0
01〜0.1%を含み、マトリックス中のVの固溶量V
sが、所定の式を満足している耐熱鋼および所定の条件
で焼ならし、焼戻し処理をおこなう製造方法。
Description
系耐熱鋼およびその製造方法に関する。本発明の耐熱鋼
は、高温長時間クリープ強度に優れており、ボイラ、原
子力発電設備および化学工業設備などの高温、高圧環境
下で使用される熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービ
ン用材料等に適している。
設備等の高温、高圧環境で使用される耐熱鋼には、一般
に高温における強度、耐食性、耐酸化性および靱性等が
要求される。
21H、SUS347H鋼などのオーステナイト系ステ
ンレス鋼、2・1/4Cr−1Mo鋼などの低合金鋼、
さらには9〜12Cr系の高Crフェライト鋼が用いら
れてきた。なかでも、高Crフェライト鋼は500〜6
50℃の温度において、強度および耐食性の点で低合金
鋼よりも優れている。また、高Crフェライト鋼は、オ
ーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であること、
熱伝導率が高く、かつ熱膨張率が小さいことから耐熱疲
労特性やスケール剥離が起こりにくく、さらには耐応力
腐食割れ性に優れている等の数々の利点を有している。
上を図るため、ボイラーの蒸気条件の高温高圧化が進め
られている。すなわち、超臨界圧条件である538℃、
246気圧から、将来は625℃で300気圧というよ
うな超々臨界圧条件での操業が計画されている。このよ
うな蒸気条件の変化に伴い、ボイラ用鋼管等に対する要
求性能は、ますます過酷化してきている。そのため、従
来の高Crフェライト鋼では、上記のような高温におけ
る長時間クリープ強度に対して十分に応えることができ
ない状況に至っている。
うな過酷な条件に応えることのできる性能を備えている
が高価である。そのため、オーステナイト系ステンレス
鋼に比べて安価な高Crフェライト鋼を使用すべく、そ
の特性改善の試みがなされている。
8246号、特開平7−286246号、特開平8−8
5850号、特開平9−71845号、特開平9−71
846号の各公報には、超々臨界圧条件用鋼として高C
rフェライト系鋼にVやNbにより析出強化された耐熱
鋼が開示されている。
での長時間使用中に粗大化し、クリープ強度が低下する
という問題があった。
々臨界圧条件下での高Crフェライト鋼の使用に対して
は、さらなるクリープ強度の向上が必要であり、そのた
めには焼戻し軟化抵抗を高め、マルテンサイト組織の回
復軟化現象をできるだけ高温長時間側まで遅らせること
が重要である。
5℃以上の高温蒸気下の使用に耐える高温長時間クリー
プ強度と常温靱性に優れた安価な高Crフェライト系耐
熱鋼を提供することにある。
上の高温蒸気下で長時間クリープ強度と常温靱性に優れ
た高Crフェライト系耐熱鋼を開発するため、高温長時
間クリープ特性に及ぼす固溶強化について実験を重ねて
検討した結果、以下の知見を得るに至った。
般にCr含有量の低い低合金鋼や炭素鋼においては炭窒
化物として析出しやすく、マトリックス中に固溶するV
の量は極めて低いが、Cr量が8%以上の高Cr鋼にお
いては、V炭化物の溶解度が高く、マトリックス中への
V固溶度が増加する。
たV炭窒化物がクリープ強度を上げる効果、いわゆる析
出強化の効果が強いが、高Cr鋼においては、マトリッ
クス中に固溶したVによる固溶強化によりクリープ強度
が上昇する。
およびN添加により強められる。これは、高Crフェラ
イト鋼中では、V原子とC原子またはN原子がクラスタ
ー状(V原子の周りにC原子またはN原子が集まった状
態)に引き合い、そのクラスターが転位の運動を阻害す
る。その結果、マルテンサイト組織の回復軟化現象が高
温長時間側まで抑制され、クリープ強度が大幅に向上す
る。
01/(C+N)(質量%)を超える場合に固溶強化と析
出強化との相乗効果によりクリープ強度がさらに向上す
る。本発明は、このような知見に基づきなされたもの
で、その要旨は以下の通りである。
%、Cr:8〜14%、V:0.05〜1.8%、M
o:0.01〜2.5%、W:0.02〜5%および
N:0.001〜0.1%を含み、マトリックス中のV
の固溶量Vsが、下記式(1)を満足している高温強度
に優れた高Crフェライト系耐熱鋼。
す (2)上記(1)記載の耐熱鋼を熱間加工した後、下記
式(1)で求まる温度T1〜1250℃の温度範囲に加
熱して焼きならし処理を施し、200℃/h以上の速さ
で冷却し、次いで下記式(2)および(3)で求まる加
熱温度T2〜T3℃で焼戻し処理を施す高温強度に優れた
高Crフェライト系耐熱鋼の製造方法。 (3)上記(1)記載の耐熱鋼を、下記式(1)で求ま
る温度T1〜1300℃に加熱後、圧下率50%以上で熱
間加工し、熱間加工終了後200℃/h以上の速さで冷
却し、次いで下記式(2)および(3)で求まる加熱温
度T2〜T3℃で焼戻処理を施す高温強度に優れた高Cr
フェライト系耐熱鋼の製造方法。
量(質量%)を示す
を限定した理由について説明する。以下、化学組成の%
表示はすべて質量%を示す。
に、VCとして析出する場合もある。これらのクラスタ
ーや炭化物は、クリープ強度の向上に寄与するととも
に、C自身がオーステナイト安定化元素として組織を安
定化する。しかしながら0.01%未満では上記の効果
が得られない上に、δフェライト量が多くなり十分なク
リープ強度が得られない。一方、0.18%を超えて多
量に含有させると、使用時の初期から炭化物の凝集粗大
化が起こるので、逆に長時間クリープ強度の低下を招
き、加工性や溶接性を劣化させるので、上限は0.18
%とした。
に耐水蒸気酸化特性を確保するために不可欠な元素であ
る。さらには、炭化物を形成してクリープ強度を向上さ
せる。その他、Cr主体の緻密な酸化皮膜を形成して耐
食性および耐酸化性を向上させる作用があり、それらの
効果を得るためには8%以上とする必要がある。しかし
多量に含有させるとδフェライトの生成を促進して靱性
の劣化をもたらすため、上限を14%とした。
にC原子が集まったクラスターを形成してクリープ強度
の向上に寄与する。さらに、CやNと結合して微細な炭
窒化物を形成し、析出強化によるクリープ強度の向上を
もたらす。その効果を発揮させるためには0.05%以
上とする必要がある。さらに、1.8%を超えて含有さ
せてもその効果は飽和し、かえって靱性を劣化させるの
で、0.05〜1.8%とした。ただし、溶接性を重視
する場合、上限は1%が望ましい。さらに、望ましくは
0.5%である。
N)]%以上 Vのマトリックス中への固溶量は、電解抽出により採取
された残渣中のV量(析出したV量)を測定し、全V量
と析出V量との差から算出する。こうして得られたVの
固溶量が、[0.01/(C+N)]を超える場合に
は、クリープ強度が著しく増加するが、[0.01/
(C+N)]以下である場合にはクリープ強度に寄与し
ない。したがって、Vの固溶量Vsは、Vs>0.01
/(C+N)とした。
するが、0.01%未満ではその効果は現れない。一
方、2.5%を超えて含有させると、ラーベス相等の金
属間化合物が粗大に析出するため、クリープ強度の向上
に寄与せず、かつ、時効後の靱性を低下させる。したが
って、Moの含有量は0.01〜2.5%とした。
界面にラーベス相等の金属間化合物として析出し、マル
テンサイトのラスの回復を抑制してクリープ強度の向上
に寄与する。さらに、Cr炭化物中に一部固溶して、炭
化物の凝集、粗大化を抑制して強度の維持に寄与する。
しかしながら、0.02%未満ではその効果が現れな
い。一方、5%を超えて多量に含有させるとδフェライ
トの生成を促進するため、Wの含有量は0.02〜5%
とした。
し、このクラスターはクリープ強度に寄与する。さら
に、NはCと同様オーステナイト安定化元素として有効
である。さらに、V、Nb、Ti、Ta等と微細な窒化
物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する。これらの
効果を得るには0.001%以上を必要とする。一方、
0.1%を超えて含有させると、Vは窒化物として析出
し、固溶V量が低減し、クリープ強度の向上に寄与しな
くなる。さらに、窒化物が粗大化して靱性を劣化させ
る。
含有させることができる。
て、クリープ強度の向上に寄与する。含有させる場合
は、0.002〜0.2%の範囲が好ましい。0.2%
を超えて含有させてもその効果は飽和し、かえって靱性
を劣化させるおそれがある。
物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。含有さ
せる場合0.001〜0.1%の範囲内が好ましく、
0.1%を超えて含有させてもその効果は飽和し、かえ
って靱性を劣化させるおそれがある。
物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する元素で、
含有させる場合は、0.002〜0.2%の範囲が好ま
しく、0.2%を超えて含有させてもその効果は飽和
し、かえって靱性を劣化させるおそれがある。
物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する元素であ
り、含有させる場合は、0.001〜0.2%の範囲が
好ましく、0.2%を超えて含有させてもその効果は飽
和し、かえって靱性を劣化させるおそれがある。
析出させる効果があり、高温長時間クリープ特性の向上
に寄与する。また、厚肉材などで熱処理後の冷却速度が
遅い場合には焼入性を高め、高温強度を高める効果があ
る。含有させる場合は、0.0001〜0.01%の範
囲が好ましく、0.01%を超えて含有させると粗大な
析出物を形成し靱性を劣化させるおそれがある。
であり、フェライトフォーマーであるW、MoおよびV
等を多量に含有させる場合には、積極的に添加するのが
よい。含有させる場合、0.01〜6%の範囲が好まし
く、6%を超えて含有させるとAc1変態点が低下し、
クリープ強度を低くめるおそれがある。
であり、フェライトフォーマーであるW、MoおよびV
等を多量に含有する場合に含有させるのがよい。含有さ
せる場合は、0.01〜1%の範囲が好ましく、1%を
超えて含有させると長時間時効後のクリープ強度を低め
る。
であり、フェライトフォーマーであるW、MoおよびV
等を多量に含有させる場合に含有させるのがよい。含有
させる場合は0.01〜2%の範囲が好ましく、2%を
超えて含有させると長時間時効後のクリープ延性を低め
る。
工性、溶接性および靱性の観点から低い方が望ましい
が、それぞれ0.03%、0.015%までであれば本
発明鋼の特性に直接影響しないのでPは0.03%以
下、Sは0,.015%以下とするのがよい。
応じて添加する。しかし、0.05%を超えて多量に含
有させるとクリープ強度の低下を招くおそれがあるの
で、上限は0.05%とするのがよい。
応じて添加する。さらに、Siは高温における耐水蒸気
酸化特性に対して有効である。含有させる場合は、1%
を超えて多量に含有させると靱性の劣化を引き起こすの
で、上限は1%とするのがよい。特に、耐水蒸気酸化特
性を重視する場合には、Si量の下限は0.1%とする
のが望ましい。
素として有効で、オーステナイト安定化元素としても寄
与する。含有させる場合は、0.05〜1.5%の範囲
が好ましく、1.5%超えると靱性を劣化させるおそれ
がある。
a、Ce、Y、およびHfは、極微量の含有量でも結晶
粒界を強化させてクリープ強度を向上させるとともに、
熱間加工性の向上にも寄与する。含有させる場合は、過
剰に含有させると逆に熱間加工性が低下するため、これ
らの元素の上限はCaは0.02%、La、Ce、Yお
よびHfは0.2%とするのが好ましい。
いて説明する。
して焼なまし、焼戻し熱処理をするか、または下記特定
の条件で加工熱処理をすることにより製造できる。
は、鋼に必要な強度を付与する共に必要な固溶V量を得
ると共に、析出物のサイズや形状等を好ましい状態に
し、焼入時に発生する残留応力を緩和するためにおこな
う。
戻しする場合焼きならし温度:T1 〜1250℃ 焼きならしは、Vの固溶量を増加させるために必要であ
る。ただし、下記実験式(1)で求まる温度T1℃未満
では、未固溶のV炭窒化物が多量に析出して固溶V量が
減少する。一方、1250℃以上では結晶粒の粗大化が
生じ、靱性が著しく劣化する。したがって、焼きならし
温度はT1〜1250℃とした。
は、冷却中に粗大な炭窒化物が析出し靱性が著しく劣化
するため、200℃/h以上とした。一方、冷却速度の
上限については特に規定する必要はないが、実用的には
水冷に相当する冷却速度である5℃/秒以下とするのが
望ましい。
実験式(2)で得られる温度T2℃未満では、残留応力
の緩 和が十分起こらないため、長時間側のクリープ強度が低
下する。一方、下記実験式T3℃を超える温度では、V
炭窒化物が多量に析出してVの固溶量を必要な量だけ確
保することができない。したがって、焼戻し温度はT2
〜T3℃とした。
は、未固溶のV炭窒化物が多量に析出して固溶V量が減
少する上に、良好な熱間加工性が得られない。また、温
度の上限は実用的な範囲で1300℃とした。
が十分高くなく、加工熱処理の効果が生かせない。した
がって、圧下率は50%以上とした。
冷却中に粗大な炭窒化物が析出し、靱性が著しく劣化す
るため、200℃/h以上とした。一方、冷却速度の上
限については特に規定する必要がないが、実用的には水
冷に相当する冷却速度である5℃/秒以下とするのが望
ましい。
化学組成の鋼を溶製し、直径144mmの50kgイン
ゴットとした。鋼記号A〜Rが本発明鋼、記号1〜9が
比較鋼である。比較例の鋼が、本発明で規定する含有量
の範囲外である元素は、鋼記号1、2はC、3、4はC
r、5、6はV、7はN、8はMo、9はWである。
延して20mm厚の鋼板に仕上げ、これらの鋼板を用い
て一部の鋼板については加工熱処理を施し、その他はオ
フライン熱処理に対応させた焼ならし、焼戻し処理を施
した。
の鋼板を、表3に示す各温度に加熱した後連続して各圧
下率で熱間圧延し、空冷した後各温度で焼戻し処理を施
した。また、オフライン相当の熱処理は、上記熱間圧延
した各20mm厚の鋼板に、表3に示す各温度で焼なま
し処理をし、空冷後焼戻しを施した。
ら抽出残渣採取用試験片、クリープ破断試験片およびシ
ャルピー衝撃試験片を作製し、下記の条件で抽出残渣分
析、クリープ破断試験およびシャルピー衝撃試験をおこ
なった。
溶液 電流密度:20mA/cm2 溶解量:0.4g 上記の条件で採取した抽出残渣中のV含有量を析出V量
とし、鋼中の全V量との差をV固溶量とした。
および650℃×100MPaのクリープ破断寿命比で
評価した。
1は加工熱処理、その他は焼ならし、焼戻し処理を施し
たものである。表3から明らかなように、Vの固溶量が
少ないか、化学組成が規定範囲外および製造方法が規定
の条件を満たしていないような試験No.19〜31の比
較例では、いずれもクリープ特性および/または靱性が
良好ではない。
ては、いずれもVの固溶量が0.01/(C+N)を超
えており、Vによる固溶強化のため650℃×120M
Paと650℃×100MPaのクリープ破断寿命比が
4.5以上に維持されており、長時間低応力側でのクリ
ープ強度が安定に保持されている。さらに0℃における
シャルピー衝撃値は180J/cm2であり、靱性も良
好である。
や高温長時間クリープ強度と常温における靱性に優れた
耐熱鋼が得られ、原子力発電や化学工業等の分野で用い
られる熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービン用材料
として使用して優れた効果を発揮し、産業上極めて有益
である。
Claims (3)
- 【請求項1】質量%で、C:0.01〜0.18%、C
r:8〜14%、V:0.05〜1.8%、Mo:0.
01〜2.5%、W:0.02〜5%およびN:0.0
01〜0.1%を含み、マトリックス中のVの固溶量V
s%が、下記式(1)を満足していることを特徴とする
高温強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼。 Vs>0.01/(C+N)・・・・・・ (1) ここで、C、Nは鋼中の炭素量、窒素量(質量%)を示
す - 【請求項2】請求項1記載の耐熱鋼を熱間加工した後、
下記式(1)で求まる温度T1〜1250℃の温度範囲
に加熱して焼きならし処理を施し、200℃/h以上の
速さで冷却し、次いで下記式(2)および(3)で求ま
る加熱温度T2〜T3℃で焼戻し処理を施すことを特徴と
する高温強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼の製造
方法。 T1=100×C+125×V-5×Cr+1030 ・・・・・ (1) T2=67×V-100×V×C+736 ・・・・・・・ (2) T3=67×V-100×V×C+800 ・・・・・・・ (3) ここで、C、V、Crは、それぞれ鋼中のC、V、Cr
量(質量%)を示す - 【請求項3】請求項1記載の耐熱鋼を、下記式(1)で
求まる温度T1〜1300℃に加熱後、圧下率50%以上
で熱間加工し、熱間加工終了後200℃/h以上の速さ
で冷却し、次いで下記式(2)および(3)で求まる加
熱温度T2〜T3℃で焼戻処理を施すことを特徴とする高
温強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼の製造方法。 T1=100×C+125×V-5×Cr+1030 ・・・・・ (1) T2=67×V-100×V×C+736 ・・・・・・・ (2) T3=67×V-100×V×C+800 ・・・・・・・ (3) ここで、C、V、Crは、それぞれ鋼中のC、V、Cr
量(質量%)を示す
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