JP2021105204A - Austenitic heat-resistant steel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オーステナイト系耐熱鋼に関する。 The present invention relates to austenitic heat resistant steel.
従来、高温環境下で使用される火力発電用ボイラおよび化学プラント等においては、装置用材料としてＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ等の１８−８系オーステナイトステンレス鋼が使用されてきた。 Conventionally, 18-8 austenitic stainless steels such as SUS304H, SUS316H, SUS321H, and SUS347H have been used as equipment materials in boilers for thermal power generation and chemical plants used in high temperature environments.
しかし、近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。そして、従来用いられてきた１８−８系オーステナイトステンレス鋼では耐食性に加え、高温強度、特にクリープ破断強度と、耐水蒸気酸化性および耐高温腐食性とが著しく不足する状況となっている。 However, in recent years, new ultra-supercritical boilers with increased steam temperature and pressure have been installed all over the world to improve efficiency. The operating conditions of the equipment in such a high temperature environment have become extremely harsh, and the required performance for the materials used has become stricter accordingly. In addition to corrosion resistance, the conventionally used 18-8 austenitic stainless steel is in a situation where high temperature strength, particularly creep rupture strength, steam oxidation resistance and high temperature corrosion resistance are significantly insufficient.
そこで、Ｃｒを２０％程度以上含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、各種元素の最適量添加により、クリープ破断強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が開発されてきた。しかしながら、最近、例えば火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度を７００℃以上に高める計画が推進されるようになってきた。この場合、使用される部材の温度は７００℃を遙かに超えることとなる。そのため、新たに改良されたオーステナイト系ステンレス鋼でもクリープ破断強度および耐食性が不十分となってきた。 Therefore, in austenitic stainless steels containing about 20% or more of Cr, austenitic stainless steels having improved creep rupture strength by adding optimum amounts of various elements have been developed. However, recently, for example, in the field of boilers for thermal power generation, plans to raise the steam temperature to 700 ° C. or higher have been promoted. In this case, the temperature of the members used will be much higher than 700 ° C. Therefore, even the newly improved austenitic stainless steel has insufficient creep rupture strength and corrosion resistance.
上記の問題を解決するため、これまで様々な研究がなされてきた。例えば、特許文献１には、２０％を超え２８％未満のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。同文献には、Ｃｕ、ＮｂおよびＮを複合添加するとともに、Ｃｕ含有量に応じてＰおよびＯを制御することで、クリープ破断強度、クリープ破断延性、および熱間加工性を改善したことが記載されている。 Various studies have been conducted to solve the above problems. For example, Patent Document 1 discloses an austenitic stainless steel containing Cr of more than 20% and less than 28%. The document describes that the creep rupture strength, creep rupture ductility, and hot workability were improved by adding Cu, Nb, and N in combination and controlling P and O according to the Cu content. Has been done.
特許文献２には、１５〜３０％のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＺｎおよびＡｓの含有量を制限することで、溶接熱影響部の耐脆化割れ性を改善したことが開示されている。特許文献３には、２２％を超え３０％未満のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｐ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＺｎおよびＡｓの含有量を制限することで、経年材の加工性を改善したことが開示されている。 Patent Document 2 states that in austenitic stainless steel containing 15 to 30% Cr, the content of P, S, Sn, Sb, Pb, Zn and As is limited, so that the weld heat-affected zone is embrittled. It is disclosed that the crackability has been improved. Patent Document 3 describes the processing of aged materials by limiting the contents of P, S, Sn, Sb, Pb, Zn and As in austenitic stainless steel containing Cr of more than 22% and less than 30%. It is disclosed that the sex has been improved.
特許文献４には、２０〜２７％のＣｒを含有し、クリープ破断強度、耐水蒸気酸化性等に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献５には、１８．０〜２６．０％のＣｒを含有するオーステナイト系ステンレス鋼において、Ｍｏ、ＷおよびＮを複合添加することで、高いクリープ破断強度を得られることが開示されている。 Patent Document 4 discloses an austenitic stainless steel containing 20 to 27% Cr and having excellent creep rupture strength, steam oxidation resistance and the like. Patent Document 5 discloses that a high creep rupture strength can be obtained by compound-adding Mo, W and N in an austenitic stainless steel containing 18.0 to 26.0% Cr. ..
特許文献６には、１８〜２３％のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、オーステナイトバランスを規定することで、優れた高温強度と時効後靱性とを得られることが開示されている。特許文献７には、１８〜２３％のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂの添加量を最適化することで、優れたクリープ破断強度を得られることが開示されている。特許文献８には、２１．５０〜２８．００％のＣｒを含有するオーステナイト系耐熱鋼において、Ｗ含有量を最適化し、Ｔａ、Ｎｄ、およびＺｒの３元素を複合添加することで、優れた高温強度を得られることが開示されている。 Patent Document 6 discloses that in an austenitic heat-resistant steel containing 18 to 23% Cr, excellent high-temperature strength and post-aging toughness can be obtained by defining an austenitic balance. Patent Document 7 discloses that in austenitic heat-resistant steel containing 18 to 23% Cr, excellent creep rupture strength can be obtained by optimizing the addition amounts of Mo, W, and Nb. There is. Patent Document 8 is excellent in austenitic heat-resistant steel containing 21.50 to 28.00% Cr by optimizing the W content and compound-adding the three elements Ta, Nd, and Zr. It is disclosed that high temperature strength can be obtained.
しかしながら、クリープ破断強度の向上を重視した鋼では、高温長時間側におけるクリープ破断延性が低めになる場合があることが明らかとなってきた。そのため、従来技術においては、高いクリープ破断強度およびクリープ破断延性を両立する観点からは、十分ではない場合があることが分かった。また、構造物として使用する際に必須となる耐溶接割れ性についても改善の余地が残されている。 However, it has become clear that the creep rupture ductility on the high temperature and long-term side may be low in steels that emphasize the improvement of creep rupture strength. Therefore, it has been found that the prior art may not be sufficient from the viewpoint of achieving both high creep rupture strength and creep rupture ductility. In addition, there is still room for improvement in weld crack resistance, which is essential when used as a structure.
本発明は上記の問題を解決し、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems and provides an austenitic heat-resistant steel having excellent long-term structure stability, high creep rupture strength and creep rupture ductility, and good weld crack resistance. The purpose.
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、下記のオーステナイト系耐熱鋼を要旨とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the gist of the present invention is the following austenitic heat-resistant steel.
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０１〜０．４０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：２０．０〜２４．０％、
Ｎｉ：２２．０〜２８．０％、
Ｗ：２．００〜６．００％、
Ｃｕ：２．５０〜３．５０％、
Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、
Ｖ：０．０２〜０．８０％、
ＲＥＭ：０〜０．００４×Ｃｕ％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａｌ：０．１０％以下、
Ｎ：０．１８０〜０．３００％、
Ｍｏ：０．３０％以下、
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｃｏ：０〜１０．０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
Ｃａ：０〜０．０５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｔａ：０〜１．０％、
Ｒｅ：０〜５．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
８．５０≦４Ｖ＋２Ｎｂ＋Ｗ＋Ｃｕ＋１５Ｎ−６Ｓｉ≦１１．５０ ・・・（ｉ）
０．００５＋７×１０−５×ｄ≦１５Ｂ＋ＲＥＭ≦０．０７５ ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。また、ｄは平均結晶粒径（μｍ）を表す。
(1) The chemical composition is mass%.
C: 0.02 to 0.12%,
Si: 0.01-0.40%,
Mn: 0.10 to 1.50%,
P: 0.040% or less,
S: 0.020% or less,
Cr: 20.0 to 24.0%,
Ni: 22.0 to 28.0%,
W: 2.00 to 6.00%,
Cu: 2.50 to 3.50%,
Nb: 0.10 to 0.80%,
V: 0.02 to 0.80%,
REM: 0-0.004 x Cu%,
B: 0.0005 to 0.0050%,
Al: 0.10% or less,
N: 0.180 to 0.300%,
Mo: 0.30% or less,
Ti: 0.100% or less,
Co: 0-10.0%,
Mg: 0 to 0.050%,
Ca: 0 to 0.050%,
Zr: 0-0.10%,
Hf: 0-1.0%,
Ta: 0-1.0%,
Re: 0-5.0%,
Remaining: Fe and impurities,
Satisfy the following equations (i) and (ii),
Austenitic heat resistant steel.
8.50 ≦ 4V + 2Nb + W + Cu + 15N-6Si ≦ 11.50 ・ ・ ・ (i)
0.005 + 7 × 10 -5 × d ≦ 15B + REM ≦ 0.075 ・ ・ ・ (ii)
However, the element symbol in the above formula represents the content (mass%) of each element, and if it is not contained, 0 is substituted. Further, d represents an average crystal grain size (μm).
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、
Ｈｆ：０．００５〜１．０％、
Ｔａ：０．０１〜１．０％、および、
Ｒｅ：０．０１〜５．０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
(2) The chemical composition is mass%.
Mg: 0.0005 to 0.050%,
Ca: 0.0005 to 0.050%,
Zr: 0.005 to 0.10%,
Hf: 0.005-1.0%,
Ta: 0.01-1.0%, and
Re: 0.01-5.0%,
Contains one or more selected from,
The austenitic heat-resistant steel according to (1) above.
本発明によれば、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼が得られる。 According to the present invention, an austenitic heat-resistant steel having excellent long-term structure stability, high creep rupture strength and creep rupture ductility, and good weld crack resistance can be obtained.
本発明者らは、前記した課題を解決するために、高温環境下における組織安定性、および耐溶接割れ性を詳細に調査した結果、以下の知見を得るに至った。 The present inventors have obtained the following findings as a result of detailed investigation of tissue stability and weld crack resistance in a high temperature environment in order to solve the above-mentioned problems.
クリープ破断強度を向上させるためには、使用環境中において、Ｎｂ炭窒化物等を微細に析出させることが有効である。そのためには、製品の段階で、Ｎｂ等を均一に固溶させておくことが重要であり、一般的には固溶化熱処理を施す。 In order to improve the creep rupture strength, it is effective to finely precipitate Nb carbonitride and the like in the use environment. For that purpose, it is important to uniformly dissolve Nb and the like at the product stage, and generally, a solution heat treatment is performed.
しかし、Ｎｂは製造中に固溶温度の高いＮｂ炭窒化物を形成する。このＮｂ炭窒化物を固溶させるため、高温で固溶化熱処理を行う必要がある。一方、高温で熱処理を行うと、オーステナイト粒が粗大化し、クリープ破断延性および耐溶接割れ性が劣化するおそれがある。 However, Nb forms Nb carbonitrides with a high solid solution temperature during production. In order to dissolve this Nb carbonitride as a solution, it is necessary to perform a solution heat treatment at a high temperature. On the other hand, when the heat treatment is performed at a high temperature, the austenite grains may become coarse and the creep rupture ductility and the weld crack resistance may deteriorate.
そこで、Ｎｂ炭窒化物の固溶について研究を重ねた結果、鋼中にＮｂとＶとを複合的に含有させることにより、製造中に形成する炭窒化物を、ＮｂおよびＶを含む複合炭窒化物とすることができる。この複合炭窒化物は、Ｎｂ炭窒化物よりも固溶温度が低い。そのため、低温でも固溶しやすく、高温で固溶化熱処理を行う必要がないため、オーステナイト粒の粗大化を抑制することができる。 Therefore, as a result of repeated research on the solid solution of Nb carbonitride, the carbonitride formed during production by containing Nb and V in a composite manner in steel is a composite carbonitride containing Nb and V. Can be a thing. This composite carbonitride has a lower solid solution temperature than the Nb carbonitride. Therefore, it is easy to dissolve even at a low temperature, and it is not necessary to perform a solution heat treatment at a high temperature, so that coarsening of austenite grains can be suppressed.
なお、ＮｂおよびＶを含む複合炭窒化物の一部は、不可避的に溶け残る。しかし、このような未固溶の炭窒化物は、ピン留め効果により、固溶化熱処理中におけるオーステナイト粒粗大化の抑制に寄与する。 A part of the composite carbonitride containing Nb and V inevitably remains undissolved. However, such unsolidified carbonitride contributes to the suppression of austenite grain coarsening during the solid solution heat treatment due to the pinning effect.
また、炭窒化物を形成するＮｂおよびＶに加えて、Ｗ、Ｃｕ、およびＳｉの含有量を適切な範囲に調整することにより、使用環境中において、優れたクリープ破断強度およびクリープ破断延性を発現する。 Further, by adjusting the contents of W, Cu, and Si in an appropriate range in addition to Nb and V forming the carbonitride, excellent creep rupture strength and creep rupture ductility are exhibited in the usage environment. do.
さらに、クリープ破断延性に加えて、耐溶接割れ性に優れた鋼を得るためには、ＢおよびＲＥＭの含有量と、オーステナイト粒径とを適切な範囲に制御することが重要であることが分かった。 Furthermore, it was found that it is important to control the B and REM contents and the austenite particle size within an appropriate range in order to obtain a steel having excellent weld crack resistance in addition to creep rupture ductility. rice field.
本発明は、上記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。 The present invention has been made based on the above findings. Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail.
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。
1. 1. The reasons for limiting the chemical composition of each element are as follows. In the following description, "%" for the content means "mass%".
Ｃ：０．０２〜０．１２％
Ｃは炭化物を形成してオーステナイト系耐熱合金として必要な高温引張強さ、クリープ破断強度を保持する上で必須の元素である。しかし、その含有量が過剰であると、未固溶炭化物が生じるだけでなく、Ｃｒの炭化物が増えて延性、靭性などの機械的性質および耐溶接割れ性を劣化させる。したがって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１２％とする。Ｃ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以下であるのが好ましい。
C: 0.02 to 0.12%
C is an essential element for forming carbides and maintaining the high-temperature tensile strength and creep rupture strength required for an austenitic heat-resistant alloy. However, if the content is excessive, not only unsolid solution carbides are generated, but also Cr carbides increase, which deteriorates mechanical properties such as ductility and toughness and weld crack resistance. Therefore, the C content is 0.02 to 0.12%. The C content is preferably 0.05% or more, and preferably 0.10% or less.
Ｓｉ：０．０１〜０．４０％
Ｓｉは脱酸元素として含有される。また、Ｓｉは耐酸化性・耐水蒸気酸化性等を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、Ｌａｖｅｓ相または炭窒化物などの析出量、析出形態に影響を及ぼし、クリープ破断強度の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．４０％とする。Ｓｉ含有量は０．３５％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。
Si: 0.01 to 0.40%
Si is contained as a deoxidizing element. Further, Si is an element effective for enhancing oxidation resistance, water vapor oxidation resistance and the like. However, if the content is excessive, it affects the precipitation amount and precipitation form of the Laves phase or carbonitride, and causes a decrease in creep rupture strength. Therefore, the Si content is set to 0.01 to 0.40%. The Si content is preferably 0.35% or less, more preferably 0.30% or less.
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％
ＭｎはＳｉと同様に溶鋼の脱酸作用を有するとともに、鋼中に不可避的に含有されるＳを硫化物として固着し高温での延性を改善する。しかし、その含有量が過剰であると、σ相等の金属間化合物相の析出を助長し、組織安定性、高温強度、機械的性質が劣化する。したがってＭｎ含有量は０．１０〜１．５０％とする。Ｍｎ含有量は０．２０％以上であるのが好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Mn: 0.10 to 1.50%
Like Si, Mn has a deoxidizing effect on molten steel, and S, which is inevitably contained in steel, is fixed as a sulfide to improve ductility at high temperatures. However, if the content is excessive, the precipitation of intermetallic compound phases such as the σ phase is promoted, and the tissue stability, high temperature strength, and mechanical properties are deteriorated. Therefore, the Mn content is set to 0.10 to 1.50%. The Mn content is preferably 0.20% or more. The Mn content is preferably 1.20% or less, more preferably 1.00% or less.
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不可避的不純物として鋼中に含まれ、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は極力低くすることが好ましく、０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。
P: 0.040% or less P is contained in steel as an unavoidable impurity and significantly reduces weld crack resistance and ductility at high temperatures. Therefore, the P content is 0.040% or less. The P content is preferably as low as possible, preferably 0.030% or less, and more preferably 0.020% or less.
Ｓ：０．０２０％以下
ＳはＰと同様に鋼中に不可避的不純物として含有され、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、Ｓ含有量は０．０２０％以下とする。熱間加工性を重視する場合は、Ｓ含有量は０．０１０％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。
S: 0.020% or less S is contained in steel as an unavoidable impurity like P, and significantly reduces weld crack resistance and ductility at high temperatures. Therefore, the S content is 0.020% or less. When importance is attached to hot workability, the S content is preferably 0.010% or less, and more preferably 0.003% or less.
Ｃｒ：２０．０〜２４．０％
Ｃｒは耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善に優れた作用を発揮するとともに、Ｃｒ炭窒化物を形成しクリープ破断強度にも寄与する重要な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、σ相の析出などによる組織の不安定化を招き、耐溶接割れ性も劣化する。したがって、Ｃｒ含有量は２０．０〜２４．０％とする。Ｃｒ含有量は２１．０％以上であるのが好ましく、２３．５％以下であるのが好ましい。
Cr: 20.0 to 24.0%
Cr is an important element that exhibits excellent effects on improving corrosion resistance such as oxidation resistance, water vapor oxidation resistance, and high temperature corrosion resistance, and also forms Cr carbonitride and contributes to creep rupture strength. However, if the content is excessive, the structure becomes unstable due to the precipitation of the σ phase, and the weld crack resistance also deteriorates. Therefore, the Cr content is set to 20.0 to 24.0%. The Cr content is preferably 21.0% or more, and preferably 23.5% or less.
Ｎｉ：２２．０％〜２８．０％
Ｎｉはオーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも有効な元素である。上記のＣｒ含有量とのバランスから、Ｎｉ含有量が不足すると、σ相が高温長時間側で析出し、クリープ破断強度、クリープ破断延性および靭性が著しく低下する。しかし、その含有量が過剰であると、耐溶接割れ性および経済性を損なう。したがって、Ｎｉ含有量は２２．０〜２８．０％以下とする。Ｎｉ含有量は２３．５％以上であるのが好ましく、２６．５％以下であるのが好ましい。また、Ｎｉ含有量はオーステナイト安定化元素であるＮの含有量、およびＷ等のフェライト安定化元素の含有量も考慮して調整するのが好ましい。
Ni: 22.0% to 28.0%
Ni is an element that stabilizes the austenite structure and is also an effective element for ensuring corrosion resistance. From the balance with the above Cr content, when the Ni content is insufficient, the σ phase is precipitated on the high temperature and long time side, and the creep rupture strength, creep rupture ductility and toughness are remarkably lowered. However, if the content is excessive, the weld crack resistance and economic efficiency are impaired. Therefore, the Ni content is set to 22.0 to 28.0% or less. The Ni content is preferably 23.5% or more, and preferably 26.5% or less. Further, the Ni content is preferably adjusted in consideration of the content of N, which is an austenite stabilizing element, and the content of a ferrite stabilizing element such as W.
Ｗ：２．００〜６．００％
Ｗは母相に固溶し、固溶強化元素としてクリープ強度向上に寄与するとともに、Ｆｅ２Ｗ型のＬａｖｅｓ相などの金属間化合物相、さらには炭窒化物を析出させ析出強化によりクリープ強度を大幅に向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰であると、析出物が過剰となりクリープ破断延性および靭性の劣化が生じる。したがって、Ｗ含有量は２．００〜６．００％とする。Ｗ含有量は３．００％以上であるのが好ましい。また、Ｗ含有量は５．００％以下であるのが好ましく、４．００％以下であるのがより好ましい。
W: 2.00 to 6.00%
W dissolves in the matrix phase and contributes to the improvement of creep strength as a solid solution strengthening element, and at the same time, the creep strength is enhanced by precipitation strengthening by precipitating intermetallic compound phases such as Fe 2 W type Loves phase and carbon nitride. It is an element that greatly improves. However, if the content is excessive, the precipitate becomes excessive, resulting in deterioration of creep rupture ductility and toughness. Therefore, the W content is set to 2.00 to 6.00%. The W content is preferably 3.00% or more. The W content is preferably 5.00% or less, and more preferably 4.00% or less.
Ｃｕ：２．５０〜３．５０％
Ｃｕは高温での使用中に微細なＣｕ相として析出しクリープ破断強度を向上させる。特に７００℃以下の温度域のクリープ破断強度向上に有効である。その効果を発揮させるためには２．５０％以上含有させることが必要である。しかし、３．５０％を超えて含有させてもクリープ強度向上効果が飽和するばかりでなく、クリープ破断延性および熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は２．５０〜３．５０％とする。Ｃｕ含有量は２．７０％以上であるのが好ましく、３．４０％以下であるのが好ましい。
Cu: 2.50 to 3.50%
Cu precipitates as a fine Cu phase during use at high temperature to improve creep rupture strength. In particular, it is effective in improving creep rupture strength in the temperature range of 700 ° C. or lower. In order to exert the effect, it is necessary to contain 2.50% or more. However, if it is contained in excess of 3.50%, not only the creep strength improving effect is saturated, but also the creep rupture ductility and hot workability are lowered. Therefore, the Cu content is 2.50 to 3.50%. The Cu content is preferably 2.70% or more, and preferably 3.40% or less.
Ｎｂ：０．１０〜０．８０％
ＮｂはＶとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。さらに、結晶粒界におけるＣｒ炭窒化物の析出を抑制し、耐応力腐食割れ性の向上にも寄与する。しかし、その含有量が過剰であると、クリープ破断延性および靭性が低下し、耐溶接割れ性、熱間加工性も劣化する。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０〜０．８０％とする。Ｎｂ含有量は０．２０％以上であるのが好ましく、０．４０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Nb: 0.10 to 0.80%
Nb is an element that forms fine carbonitrides together with V and greatly contributes to the improvement of creep rupture strength. Furthermore, it suppresses the precipitation of Cr carbonitrides at the grain boundaries and contributes to the improvement of stress corrosion cracking resistance. However, if the content is excessive, the creep rupture ductility and toughness are lowered, and the weld crack resistance and hot workability are also deteriorated. Therefore, the Nb content is set to 0.10 to 0.80%. The Nb content is preferably 0.20% or more, and more preferably 0.40% or more. The Nb content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.60% or less.
Ｖ：０．０２〜０．８０％
ＶはＮｂとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。しかし、その含有量が過剰であると、クリープ破断延性および靭性が低下し、さらに耐高温腐食性も劣化する。したがって、Ｖ含有量は０．０２〜０．８０％とする。Ｖ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．０８％以上であるのがより好ましい。また、Ｖ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
V: 0.02 to 0.80%
V is an element that forms a fine carbonitride together with Nb and greatly contributes to the improvement of creep rupture strength. However, if the content is excessive, the creep rupture ductility and toughness are lowered, and the high temperature corrosion resistance is also deteriorated. Therefore, the V content is 0.02 to 0.80%. The V content is preferably 0.05% or more, more preferably 0.08% or more. The V content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.60% or less.
ＲＥＭ：０〜０．００４×Ｃｕ％
ＲＥＭは粒界のＳを硫化物として固定し、特に高温長時間側のクリープ破断延性を向上させる元素である。さらにＲＥＭは鋼表面のＣｒ２Ｏ３保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用も有するため必要に応じて含有させてもよい。しかし、Ｃｕを含有させる本発明鋼においてはＲＥＭ含有量が過剰であるとクリープ破断延性が低下し、さらに耐溶接割れ性も損なわれるため、Ｃｕ含有量に応じて適切に含有させることが必要である。したがって、含有させる場合のＲＥＭ含有量は０．００４×Ｃｕ％以下とする。上記効果を得たい場合は、ＲＥＭ含有量は０．００３％以上であるのが好ましい。
REM: 0 to 0.004 x Cu%
REM is an element that fixes S at grain boundaries as sulfide and improves creep rupture ductility especially on the high temperature and long time side. Further, REM improves the adhesion of the Cr 2 O 3 protective film on the steel surface, and in particular, has the effect of improving the oxidation resistance during repeated oxidation, and may be contained as necessary. However, in the steel of the present invention containing Cu, if the REM content is excessive, the creep rupture ductility is lowered and the weld cracking resistance is also impaired. Therefore, it is necessary to appropriately contain the steel according to the Cu content. be. Therefore, the REM content when contained is 0.004 × Cu% or less. When the above effect is desired, the REM content is preferably 0.003% or more.
なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、前記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。 In addition, REM refers to a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of the REM means the total content of these elements.
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは炭化物中または母相に存在し、析出する炭窒化物およびＬａｖｅｓ相などの微細化を促進するだけでなく、粒界を強化することでクリープ破断強度および破断延性を向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下し融点も低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５〜０．００５０％とする。Ｂ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００１５％以上であるのがより好ましい。また、Ｂ含有量は０．００４５％以下であるのが好ましい。
B: 0.0005 to 0.0050%
B is an element that is present in the carbide or in the matrix phase and not only promotes the miniaturization of the precipitated carbonitride and Loves phase, but also improves the creep rupture strength and rupture ductility by strengthening the grain boundaries. However, if the content is excessive, the ductility at high temperature is lowered and the melting point is also lowered. Therefore, the B content is set to 0.0005 to 0.0050%. The B content is preferably 0.0010% or more, and more preferably 0.0015% or more. The B content is preferably 0.0045% or less.
Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは溶鋼の脱酸剤として含有させる元素である。また、ＲＥＭを含有させる場合には、ＲＥＭの効果を最大限に発揮させる効果を有する。しかし、その含有量が過剰であると、非金属介在物が多量析出し、延性、靭性および加工性などが劣化する。したがって、Ａｌ含有量は０．１０％以下とする。Ａｌ含有量は０．０７０％以下であるのが好ましく、０．０５０％以下であるのがより好ましい。
Al: 0.10% or less Al is an element contained as a deoxidizer for molten steel. Further, when REM is contained, it has the effect of maximizing the effect of REM. However, if the content is excessive, a large amount of non-metal inclusions are precipitated, and the ductility, toughness, processability and the like are deteriorated. Therefore, the Al content is set to 0.10% or less. The Al content is preferably 0.070% or less, more preferably 0.050% or less.
Ｎ：０．１８０〜０．３００％
ＮはＶまたはＮｂとともに炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる元素である。また、固溶強化で引張強度も向上させる効果もある。さらにオーステナイト組織を安定化する作用を有する元素でもある。しかし、その含有量が過剰であると、過剰の炭窒化物析出による延性および靭性の低下が生じるだけでなく、鋼中にブローホール欠陥を形成する。したがって、Ｎ含有量は０．１８０〜０．３００％とする。Ｎ含有量は０．１９０％以上であるのが好ましく、０．２７０％以下であるのが好ましい。
N: 0.180 to 0.300%
N is an element that forms a carbonitride together with V or Nb and improves creep rupture strength. It also has the effect of improving the tensile strength by strengthening the solid solution. It is also an element that has the effect of stabilizing the austenite structure. However, if the content is excessive, not only the ductility and toughness are lowered due to excessive carbonitride precipitation, but also blowhole defects are formed in the steel. Therefore, the N content is set to 0.180 to 0.300%. The N content is preferably 0.190% or more, and preferably 0.270% or less.
Ｍｏ：０．３０％以下
Ｍｏは従来、母相に固溶し、固溶強化元素としてクリープ強度向上に寄与する元素であり、Ｗと同等の作用を有すると考えられてきた。しかし、本発明においてはＭｏを含有させると長時間側でσ相が析出しクリープ破断強度、延性および靭性が低下することが判明した。特に、本発明においてはＣｒ含有量が２０．０％以上であるため、Ｍｏ含有量は極力低くする必要がある。したがって、Ｍｏ含有量は０．３０％以下とする。Ｍｏ含有量は０．２０％以下であるのが好ましい。
Mo: 0.30% or less Mo is an element that dissolves in the matrix phase and contributes to the improvement of creep strength as a solid solution strengthening element, and has been considered to have an action equivalent to that of W. However, in the present invention, it has been found that when Mo is contained, the σ phase is precipitated on the long-term side and the creep rupture strength, ductility and toughness are lowered. In particular, in the present invention, since the Cr content is 20.0% or more, the Mo content needs to be as low as possible. Therefore, the Mo content is set to 0.30% or less. The Mo content is preferably 0.20% or less.
Ｔｉ：０．１００％以下
０．１８０％以上のＮを含有する本発明鋼において、Ｔｉはクリープ破断強度に寄与しない粗大なＴｉ炭窒化物を形成しＮを消費するため、Ｎ含有によるクリープ破断強度向上効果を低減させる。そのため、本発明においてＴｉ含有量は０．１００％以下に制限する。
Ti: 0.100% or less In the steel of the present invention containing 0.180% or more of N, Ti forms a coarse Ti carbonitride that does not contribute to creep rupture strength and consumes N. Therefore, creep rupture due to N content Reduce the strength improvement effect. Therefore, in the present invention, the Ti content is limited to 0.100% or less.
Ｃｏ：０〜１０．０％
ＣｏはＮｉと同様オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度向上にも寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、上記の効果も飽和し経済性が低下するだけである。したがって、含有させる場合のＣｏ含有量は１０．０％以下とする。Ｃｏ含有量は８．０％以下であるのが好ましく、７．０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、１．０％超であるのがより好ましい。
Co: 0 to 10.0%
Like Ni, Co stabilizes the austenite structure and contributes to the improvement of creep strength, and therefore may be contained as necessary. However, if the content is excessive, the above effects are also saturated and the economic efficiency is only lowered. Therefore, the Co content when contained is set to 10.0% or less. The Co content is preferably 8.0% or less, more preferably 7.0% or less. When the above effect is desired, the Co content is preferably 0.5% or more, and more preferably 1.0% or more.
Ｍｇ：０〜０．０５０％
Ｍｇは高温での延性を阻害するＳを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＭｇ含有量は０．０５０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
Mg: 0 to 0.050%
Since Mg has an effect of fixing S, which inhibits ductility at high temperature, as a sulfide and improving ductility at high temperature, it may be contained as necessary. However, if the content is excessive, the cleanliness is lowered and the high temperature ductility is rather impaired. Therefore, the Mg content when contained is set to 0.050% or less. The Mg content is preferably 0.020% or less, more preferably 0.010% or less. When the above effect is desired, the Mg content is preferably 0.0005% or more, and more preferably 0.0010% or more.
Ｃａ：０〜０．０５０％
Ｃａは高温での延性を阻害するＳを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＣａ含有量は０．０５０％以下とする。Ｃａ含有量は０．０２０％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．００１０％以上とするのがより好ましい。
Ca: 0 to 0.050%
Since Ca has an effect of fixing S, which inhibits ductility at high temperature, as a sulfide and improving ductility at high temperature, it may be contained as necessary. However, if the content is excessive, the cleanliness is lowered and the high temperature ductility is rather impaired. Therefore, the Ca content when contained is set to 0.050% or less. The Ca content is preferably 0.020% or less, more preferably 0.010% or less. When the above effect is desired, the Ca content is preferably 0.0005% or more, and more preferably 0.0010% or more.
Ｚｒ：０〜０．１０％
Ｚｒは炭窒化物の微細化を促進するとともに、粒界強化元素としてクリープ破断強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下する。したがって、含有させる場合のＺｒ含有量は０．１０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０６％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｚｒ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。
Zr: 0-0.10%
Since Zr is an element that promotes the miniaturization of the carbonitride and improves the creep rupture strength as a grain boundary strengthening element, it may be contained as necessary. However, if its content is excessive, ductility at high temperatures will decrease. Therefore, the Zr content when contained is set to 0.10% or less. The Zr content is preferably 0.06% or less, more preferably 0.05% or less. When the above effect is desired, the Zr content is preferably 0.005% or more, and more preferably 0.010% or more.
Ｈｆ：０〜１．０％
Ｈｆは炭窒化物として析出強化に寄与し、クリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および耐溶接割れ性が損なわれる。したがって、含有させる場合のＨｆ含有量は１．０％以下とする。Ｈｆ含有量は０．８０％以下であるのが好ましく、０．５０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｈｆ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０２０％以上であるのがさらに好ましい。
Hf: 0 to 1.0%
Since Hf contributes to precipitation strengthening as a carbonitride and has an effect of improving creep rupture strength, it may be contained as necessary. However, if the content is excessive, workability and weld crack resistance are impaired. Therefore, the Hf content when contained is 1.0% or less. The Hf content is preferably 0.80% or less, more preferably 0.50% or less. When the above effect is desired, the Hf content is preferably 0.005% or more, more preferably 0.010% or more, and further preferably 0.020% or more.
Ｔａ：０〜１．０％
Ｔａは炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＴａ含有量は１．０％以下とする。Ｔａ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｔａ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。
Ta: 0-1.0%
Since Ta has an action of forming a carbonitride and improving high temperature strength and creep rupture strength as a solid solution strengthening element, it may be contained if necessary. However, if its content is excessive, workability and mechanical properties are impaired. Therefore, the Ta content when contained is 1.0% or less. The Ta content is preferably 0.70% or less, more preferably 0.60% or less. When the above effect is desired, the Ta content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, and further preferably 0.10% or more.
Ｒｅ：０〜５．０％
Ｒｅは主に固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のＲｅ含有量は５．０％以下とする。Ｒｅ含有量は４．０％以下であるのが好ましく、３．０％以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ｒｅ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましく、０．５０％以上であるのがさらに好ましい。
Re: 0-5.0%
Since Re mainly has an action of improving high temperature strength and creep rupture strength as a solid solution strengthening element, it may be contained if necessary. However, if its content is excessive, workability and mechanical properties are impaired. Therefore, the Re content when contained is 5.0% or less. The Re content is preferably 4.0% or less, more preferably 3.0% or less. When the above effect is desired, the Re content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.10% or more, and further preferably 0.50% or more.
本発明に係るオーステナイト系耐熱鋼の化学組成は、各元素の含有量が上述した範囲であるとともに、下記（ｉ）式および（ii）式を満足する。それぞれについて説明する。 The chemical composition of the austenitic heat-resistant steel according to the present invention satisfies the following formulas (i) and (ii) while the content of each element is in the above-mentioned range. Each will be described.
本発明においては、高温長時間における十分なクリープ破断強度および破断延性と、靭性との確保のために、主として炭窒化物を形成するＶ、ＮｂおよびＮ、主として金属間化合物相を形成するＷ、Ｃｕ相として析出するＣｕ、ならびに、これらの析出量および析出形態に影響を及ぼすＳｉの含有量を、下記（ｉ）式を満足するよう調整する必要がある。 In the present invention, V, Nb and N, which mainly form carbonitride, and W, which mainly forms an intermetallic compound phase, are used to ensure sufficient creep rupture strength, rupture ductility and toughness at high temperature for a long time. It is necessary to adjust the content of Cu that precipitates as the Cu phase and the content of Si that affects the amount of precipitation and the precipitation form thereof so as to satisfy the following formula (i).
（ｉ）式中辺値を８．５０以上とすることにより、粒内の析出強化効果により、良好なクリープ破断強度が得られる。一方、（ｉ）式中辺値を１１．５０以下とすることにより、粒内が過度に強化されることによるクリープ破断延性および靭性の低下を抑制することが可能となる。
８．５０≦４Ｖ＋２Ｎｂ＋Ｗ＋Ｃｕ＋１５Ｎ−６Ｓｉ≦１１．５０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
By setting the middle value of the formula (i) to 8.50 or more, good creep rupture strength can be obtained due to the precipitation strengthening effect in the grains. On the other hand, by setting the middle value of the formula (i) to 11.50 or less, it is possible to suppress a decrease in creep rupture ductility and toughness due to excessive strengthening of the inside of the grain.
8.50 ≦ 4V + 2Nb + W + Cu + 15N-6Si ≦ 11.50 ・ ・ ・ (i)
However, the element symbol in the above formula represents the content (mass%) of each element, and if it is not contained, 0 is substituted.
Ｂは上記のとおり粒界強化効果を有するため、高温長時間側において十分なクリープ破断延性を確保するには、Ｂを含有させる必要がある。さらに、ＲＥＭを含有させることで、粒界に偏析するフリーＳをＲＥＭの硫化物として固定し、Ｂの粒界強化効果を有効に作用させることができる。 Since B has a grain boundary strengthening effect as described above, it is necessary to contain B in order to secure sufficient creep rupture ductility on the high temperature side for a long time. Further, by containing REM, the free S segregated at the grain boundaries can be fixed as a sulfide of REM, and the grain boundary strengthening effect of B can be effectively exerted.
また、ＢおよびＲＥＭの含有量と、オーステナイト結晶粒径とを、下記（ii）式を満足するように制御することにより、クリープ破断延性に加え、耐溶接割れ性に優れた鋼を得ることができる。（ii）式中辺値を０．００５＋７×１０−５×ｄ以上とすることにより、十分なクリープ破断延性の向上効果が得られる。一方、ＢおよびＲＥＭは耐溶接割れ性に悪影響を及ぼす場合があるため、（ii）式中辺値を０．０７５以下とすることにより、十分な耐溶接割れ性を確保する。
０．００５＋７×１０−５×ｄ≦１５Ｂ＋ＲＥＭ≦０．０７５ ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。また、ｄは平均結晶粒径（μｍ）を表す。平均結晶粒径は、（ii）式を満たす範囲であれば、制限はないが、５０〜２００μｍであることが好ましい。
Further, by controlling the B and REM contents and the austenite crystal grain size so as to satisfy the following equation (ii), it is possible to obtain a steel having excellent weld crack resistance in addition to creep rupture ductility. can. By setting the middle value of equation (ii) to 0.005 + 7 × 10 -5 × d or more, a sufficient effect of improving creep rupture ductility can be obtained. On the other hand, since B and REM may adversely affect the weld crack resistance, sufficient weld crack resistance is ensured by setting the middle edge value of Eq. (Ii) to 0.075 or less.
0.005 + 7 × 10 -5 × d ≦ 15B + REM ≦ 0.075 ・ ・ ・ (ii)
However, the element symbol in the above formula represents the content (mass%) of each element, and if it is not contained, 0 is substituted. Further, d represents an average crystal grain size (μm). The average crystal grain size is not limited as long as it satisfies the equation (ii), but is preferably 50 to 200 μm.
オーステナイト粒の平均結晶粒径は、以下の方法により求める。肉厚中央部から組織観察用の試験片を採取し、長手方向の断面をエメリーペーパーおよびバフで研磨後、混酸で腐食して光学顕微鏡観察を行う。観察面の結晶粒径はＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に規定される交差線分による測定方法に従って求める。 The average crystal grain size of austenite grains is determined by the following method. A test piece for observing the structure is collected from the central part of the wall thickness, the cross section in the longitudinal direction is polished with emery paper and a buff, and then corroded with a mixed acid and observed with an optical microscope. The crystal grain size of the observation surface is determined according to the measurement method using the cross line segment specified in JIS G 0551 (2013).
本発明のオーステナイト系耐熱鋼の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。また、ここで「不純物」とは、鋼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。 In the chemical composition of the austenitic heat-resistant steel of the present invention, the balance is Fe and impurities. Further, here, the "impurity" is a component mixed by various factors of raw materials such as ore and scrap, and various factors in the manufacturing process when steel is industrially manufactured, and is within a range that does not adversely affect the present invention. Means what is acceptable.
２．製造方法
本発明のオーステナイト系耐熱鋼の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。さらに、必要に応じて焼鈍を行った後、冷間加工を施してもよい。
2. Production Method The method for producing the austenitic heat-resistant steel of the present invention is not particularly limited, and for example, it can be produced by hot-working a steel ingot or slab having the above-mentioned chemical composition. Further, after the hot working, if necessary, hot working by a different method such as hot extrusion may be further performed. Further, if necessary, after annealing, cold working may be performed.
上記の工程の後、部位ごとの金属組織および機械的性質のばらつきを抑制し、高いクリープ破断強度を保持するために、固溶化熱処理を施す。熱処理温度は、化学組成および目標とする粒径に応じて、１０５０〜１２３０℃の温度範囲とし、保持温度は、肉厚に応じて２〜６０分とする。加熱保持後は水冷することが望ましい。 After the above steps, a solution heat treatment is performed in order to suppress variations in the metallographic structure and mechanical properties of each part and maintain high creep rupture strength. The heat treatment temperature is in the temperature range of 1050 to 1230 ° C. depending on the chemical composition and the target particle size, and the holding temperature is 2 to 60 minutes depending on the wall thickness. It is desirable to cool with water after heating and holding.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
表１に示す化学組成を有する鋼（鋼１〜４、Ａ〜Ｇ）を高周波真空溶解炉で溶製し、３０ｋｇのインゴットを得た。 Steels having the chemical compositions shown in Table 1 (steels 1 to 4, AG) were melted in a high-frequency vacuum melting furnace to obtain a 30 kg ingot.
得られたインゴットを、１２００℃に加熱した後、仕上げ温度が１０００℃となるように熱間鍛造して、厚さ１５ｍｍの板材とした。この厚さ１５ｍｍの板材を用いて、１１００℃で軟化熱処理を施した後、１０ｍｍまで冷間圧延した。さらに、鋼１〜４、Ａ〜Ｆについては、１１００℃で３０分間、鋼Ｇについては、１２５０℃で３０分間の固溶化熱処理を施した。その後、全ての鋼について水冷し、試験材を得た。 The obtained ingot was heated to 1200 ° C. and then hot forged so that the finishing temperature was 1000 ° C. to obtain a plate material having a thickness of 15 mm. Using this plate material having a thickness of 15 mm, a softening heat treatment was performed at 1100 ° C., and then cold rolling was performed to 10 mm. Further, the steels 1 to 4 and A to F were subjected to a solution heat treatment at 1100 ° C. for 30 minutes, and the steel G was subjected to a solution heat treatment at 1250 ° C. for 30 minutes. Then, all the steels were water-cooled to obtain test materials.
オーステナイト粒の平均結晶粒径は、以下の方法により求めた。肉厚中央部から組織観察用の試験片を採取し、長手方向の断面をエメリーペーパーおよびバフで研磨後、混酸で腐食して光学顕微鏡観察を行った。観察面の結晶粒径はＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）に規定される交差線分による測定方法に従って求めた。 The average crystal grain size of the austenite grains was determined by the following method. A test piece for observing the structure was collected from the central part of the wall thickness, the cross section in the longitudinal direction was polished with emery paper and a buff, and then corroded with a mixed acid and observed with an optical microscope. The crystal grain size of the observation surface was determined according to the measurement method using the cross line segment specified in JIS G 0551 (2013).
上記の各試験材の一部を用いて、厚さ方向中心部から、長手方向に平行に、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に記載される直径が６ｍｍで標点距離が３０ｍｍの丸棒引張試験片を機械加工により作製し、クリープ破断試験を実施した。クリープ破断試験は７００℃、２１０ＭＰａで実施し、破断時間および破断延性を測定した。そして、破断時間が１５００時間以上の場合にクリープ破断強度が優れると判断して「合格」とし、それ以外を「不合格」とした。クリープ破断延性については３０％以上の場合にクリープ破断延性が優れると判断して「合格」とし、それ以外を「不合格」とした。 Using a part of each of the above test materials, a round bar tensile test piece having a diameter of 6 mm and a reference point distance of 30 mm described in JIS Z 2241 (2011) parallel to the longitudinal direction from the center in the thickness direction. Was machined and a creep rupture test was carried out. The creep rupture test was carried out at 700 ° C. and 210 MPa, and the rupture time and rupture ductility were measured. Then, when the rupture time was 1500 hours or more, it was judged that the creep rupture strength was excellent, and the result was "passed", and the others were "failed". Regarding the creep rupture ductility, it was judged that the creep rupture ductility was excellent when it was 30% or more, and it was evaluated as "pass", and the other cases were evaluated as "fail".
次に、上記の各試験材の一部から、機械加工によって厚さ１０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの板状の試験片を得た。その試験片の長手方向に沿って開先加工を施し、開先加工を施した試験片同士を突き合わせ、以下の手順でそれぞれ２継手ずつ突合せ溶接を行って溶接継手を作製した。 Next, a plate-shaped test piece having a thickness of 10 mm, a width of 50 mm, and a length of 100 mm was obtained from a part of each of the above test materials by machining. Groove processing was performed along the longitudinal direction of the test piece, the test pieces subjected to groove processing were butted against each other, and two joints were butt-welded by the following procedure to prepare a welded joint.
まず、ガスタングステンアーク溶接法によって、溶加材料を用いず、５ｋＪ／ｃｍの入熱量で初層のみ溶接した後、市販の炭素鋼板の上に置き、四隅を拘束溶接した。その後、ＪＩＳ Ｚ ３３３４に規定のＳＮｉ６６２５相当のＴＩＧワイヤを用いて、入熱１０〜１５ｋＪ／ｃｍでＴＩＧ溶接により開先内に積層溶接を行って溶接継手を作製した。 First, by the gas tungsten arc welding method, only the first layer was welded with a heat input of 5 kJ / cm without using a filler metal material, and then placed on a commercially available carbon steel sheet and the four corners were restrained welded. Then, using a TIG wire equivalent to SNi6625 specified in JIS Z 3334, laminated welding was performed in the groove by TIG welding at a heat input of 10 to 15 kJ / cm to prepare a welded joint.
作製した溶接継手の各５か所から、観察面が継手の横断面（溶接ビードと垂直な断面）になるように試料を採取した。採取した試料を研磨、腐食した後、光学顕微鏡観察により溶接熱影響部における割れの有無を調査した。そして、５個の試料の全て、または４個で割れが観察されなかった場合に、耐溶接割れ性が優れると判断して「良好」とし、それ以外を「不良」とした。 Samples were taken from each of the five welded joints produced so that the observation surface was the cross section of the joint (the cross section perpendicular to the weld bead). After polishing and corroding the collected sample, the presence or absence of cracks in the weld heat affected zone was investigated by observing with an optical microscope. When no cracks were observed in all 5 samples or 4 samples, it was judged that the weld crack resistance was excellent and was regarded as "good", and the others were regarded as "bad".
それらの結果を表２にまとめて示す。 The results are summarized in Table 2.
表２に示すように、本発明の規定を満足する鋼１〜４では、クリープ破断強度およびクリープ破断延性が合格、耐溶接割れ性が良好であった。それに対して、比較例である鋼Ａ〜Ｇでは、クリープ破断強度、クリープ破断延性、および耐溶接割れ性のいずれかが「不合格」または「不良」となった。 As shown in Table 2, the steels 1 to 4 satisfying the provisions of the present invention passed the creep rupture strength and the creep rupture ductility, and had good weld crack resistance. On the other hand, in the steels A to G, which are comparative examples, any one of the creep rupture strength, the creep rupture ductility, and the weld crack resistance was "failed" or "defective".
本発明によれば、長時間の組織安定性に優れ、高いクリープ破断強度とクリープ破断延性とを有し、さらに耐溶接割れ性が良好であるオーステナイト系耐熱鋼が得られる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱鋼は、高温環境下で使用される火力発電用ボイラおよび化学プラント等の構造部材として好適に用いることができる。
According to the present invention, an austenitic heat-resistant steel having excellent long-term structure stability, high creep rupture strength and creep rupture ductility, and good weld crack resistance can be obtained. Therefore, the austenitic heat-resistant steel of the present invention can be suitably used as a structural member of a boiler for thermal power generation and a chemical plant used in a high temperature environment.
Claims (2)
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０１〜０．４０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：２０．０〜２４．０％、
Ｎｉ：２２．０〜２８．０％、
Ｗ：２．００〜６．００％、
Ｃｕ：２．５０〜３．５０％、
Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、
Ｖ：０．０２〜０．８０％、
ＲＥＭ：０〜０．００４×Ｃｕ％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａｌ：０．１０％以下、
Ｎ：０．１８０〜０．３００％、
Ｍｏ：０．３０％以下、
Ｔｉ：０．１００％以下、
Ｃｏ：０〜１０．０％、
Ｍｇ：０〜０．０５０％、
Ｃａ：０〜０．０５０％、
Ｚｒ：０〜０．１０％、
Ｈｆ：０〜１．０％、
Ｔａ：０〜１．０％、
Ｒｅ：０〜５．０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
８．５０≦４Ｖ＋２Ｎｂ＋Ｗ＋Ｃｕ＋１５Ｎ−６Ｓｉ≦１１．５０ ・・・（ｉ）
０．００５＋７×１０−５×ｄ≦１５Ｂ＋ＲＥＭ≦０．０７５ ・・・（ii）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。また、ｄは平均結晶粒径（μｍ）を表す。 The chemical composition is mass%,
C: 0.02 to 0.12%,
Si: 0.01-0.40%,
Mn: 0.10 to 1.50%,
P: 0.040% or less,
S: 0.020% or less,
Cr: 20.0 to 24.0%,
Ni: 22.0 to 28.0%,
W: 2.00 to 6.00%,
Cu: 2.50 to 3.50%,
Nb: 0.10 to 0.80%,
V: 0.02 to 0.80%,
REM: 0-0.004 x Cu%,
B: 0.0005 to 0.0050%,
Al: 0.10% or less,
N: 0.180 to 0.300%,
Mo: 0.30% or less,
Ti: 0.100% or less,
Co: 0-10.0%,
Mg: 0 to 0.050%,
Ca: 0 to 0.050%,
Zr: 0-0.10%,
Hf: 0-1.0%,
Ta: 0-1.0%,
Re: 0-5.0%,
Remaining: Fe and impurities,
Satisfy the following equations (i) and (ii),
Austenitic heat resistant steel.
8.50 ≦ 4V + 2Nb + W + Cu + 15N-6Si ≦ 11.50 ・ ・ ・ (i)
0.005 + 7 × 10 -5 × d ≦ 15B + REM ≦ 0.075 ・ ・ ・ (ii)
However, the element symbol in the above formula represents the content (mass%) of each element, and if it is not contained, 0 is substituted. Further, d represents an average crystal grain size (μm).
Ｍｇ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、
Ｈｆ：０．００５〜１．０％、
Ｔａ：０．０１〜１．０％、および、
Ｒｅ：０．０１〜５．０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
When the chemical composition is mass%,
Mg: 0.0005 to 0.050%,
Ca: 0.0005 to 0.050%,
Zr: 0.005 to 0.10%,
Hf: 0.005-1.0%,
Ta: 0.01-1.0%, and
Re: 0.01-5.0%,
Contains one or more selected from,
The austenitic heat-resistant steel according to claim 1.
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