JP6547599B2 - オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents
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Description
0.15[N残渣]≦[REM]≦0.7[N残渣]…(1)
6.2[N]≦[W]≦17.1[N]…(2)
ここで、[REM]、[N]、及び[W]には、REM、N、及びWの含有量が質量%で代入され、[N残渣]には、750℃で3000時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量%で代入される。
a)Cr:20〜26%、Ni:26%を超え35%以下
b)W:1〜5.5%、Mo:0.3%以下
c)V:0.01〜1%、Nb:0.01〜1%、N:0.13%を超え0.35%以下
d)6.2[N]≦[W]≦17.1[N]
e)0.15[N残渣]≦[REM]≦0.7[N残渣]
ここで、[REM]、[N]、及び[W]には、REM、N、及びWの含有量が質量%で代入され、[N残渣]には、750℃で3000時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量%で代入される。
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、オーステナイト系耐熱鋼として必要な高温引張強さ、クリープ破断強度を得るために必須の元素である。この効果を得るためには、C含有量を0.02%以上にする必要がある。一方、C含有量が0.12%を超えると、未固溶炭化物が生じたり、Crの炭化物が増えたりすることによって、延性、靱性等の機械的性質や溶接性が劣化する。したがって、C含有量は0.02〜0.12%である。C含有量の下限は、好ましくは0.05%である。C含有量の上限は、好ましくは0.10%である。
シリコン(Si)は、脱酸元素として含有される。Siはまた、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。この効果を得るためには、Si含有量を0.1%以上にする必要がある。一方、Si含有量が2%を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出が促進され、高温における組織安定性の劣化に起因して靱性や延性が低下する。また、溶接性も低下する。したがって、Si含有量は0.1〜2%である。Si含有量の下限は、好ましくは0.2%である。Si含有量の上限は、好ましくは1%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様、溶鋼の脱酸作用を有する。Mnはまた、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。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.1%以上にする必要がある。一方、Mn含有量が3%を超えると、σ相等の金属間化合物相の析出が促進され、組織安定性、高温強度、及び機械的性質が劣化する。したがって、Mn含有量は0.1〜3%である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.2%である。Mn含有量の上限は、好ましくは2%であり、さらに好ましくは1.5%である。
リン(P)は、不純物として鋼中に含まれ、溶接性や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0.04%以下である。P含有量は、極力低くすることが好ましく、好ましくは0.03%以下、さらに好ましくは0.02%以下である。
硫黄(S)は、Pと同様、不純物として鋼中に含まれ、溶接性や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0.02%以下である。S含有量は、熱間加工性を重視する場合、好ましくは0.01%以下、さらに好ましくは0.003%以下である。
クロム(Cr)は、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性等の耐食性改善に優れた作用を発揮するとともに、Cr炭窒化物を形成してクリープ破断強度の向上にも寄与する重要な元素である。本実施形態では、厳しい高温環境下での耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性を重視するため、Cr含有量を20%以上にする必要がある。一方、Cr含有量が26%を超えると、σ相の析出等による組織の不安定化を招き、溶接性も劣化する。したがって、Cr含有量は20〜26%である。Cr含有量の下限は、好ましくは21%である。Cr含有量の上限は、好ましくは25%である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも重要な元素である。特に本実施形態のように、Crを20%以上含有するオーステナイト系耐熱鋼においては、Ni含有量が不足すると、高温で長時間保持したときにσ相が析出し、クリープ破断強度やクリープ破断延性、靱性が著しく低下する。上記のCr含有量とのバランスから、Ni含有量は26%よりも高くする必要がある。一方、過剰なNiは溶接性や経済性を損なうため、Ni含有量の上限を35%とする。したがって、Ni含有量は26%を超え35%以下である。Ni含有量の下限は、好ましくは26.5%である。Ni含有量の上限は、好ましくは33%である。なお、Ni含有量は、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べきである。
タングステン(W)は、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与するとともに、Fe2W型のLaves相やFe7W6型のμ相を析出させ、析出強化によりクリープ破断強度を大幅に向上させる重要な元素である。これらの効果は、W含有量が1%未満では得られない。一方、W含有量が5.5%を超えると、強度の向上効果が飽和するのに対して組織安定性が低下し、また過剰な析出物によってクリープ破断延性や靱性が劣化する。したがって、W含有量は1〜5.5%である。W含有量の下限は、好ましくは1.2%である。W含有量の上限は、好ましくは5%であり、さらに好ましくは4%である。さらにWは比較的粗大な窒化物π相の析出も促進するため、(d)式の通りN含有量に応じて適切に制御する必要がある。
バナジウム(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重要な元素である。V含有量が0.01%未満では、この効果が得られない。一方、V含有量が1%を超えると、クリープ破断強度や靱性が低下し、さらに耐高温腐食性も劣化する。したがって、V含有量は0.01〜1%である。V含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.08%である。V含有量の上限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは0.7%である。
ニオブ(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重要な元素である。Nbはさらに、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。Nb含有量が0.01%未満では、この効果が得られない。一方、Nb含有量が1%を超えると、クリープ破断延性や靱性が低下し、熱間加工性も劣化する。したがって、Nb含有量は0.01〜1%である。Nb含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.08%である。Nb含有量の上限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは0.7%である。
ボロン(B)は、炭化物中又は母相に存在し、析出する炭化物やLaves相等を微細化させたり、粒界を強化することでクリープ破断強度を向上させたりする重要な元素である。この効果を発揮するためには、B含有量を0.0005%以上にする必要がある。一方、B含有量が0.008%を超えると、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0.0005〜0.008%である。B含有量の下限は、好ましくは0.001%である。B含有量の上限は、好ましくは0.007%であり、さらに好ましくは0.005%である。
モリブデン(Mo)は、溶解原料等から混入する不純物である。Moは、従来、母相に固溶してクリープ破断強度の向上に寄与する元素として、Wと同等の作用を有すると考えられている。しかし、本実施形態の化学組成においてMoを含有すると、高温で長時間保持したときにσ相が析出し、クリープ破断強度、延性、及び靱性が低下する。特に、本実施形態ではCrを20%以上含有するため、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0.3%以下である。Mo含有量は、好ましくは0.2%以下である。
アルミニウム(Al)は、溶鋼の脱酸剤として含有させる元素である。この効果を発揮するためには、Al含有量を0.001%以上にする必要がある。しかし、Al含有量が0.3%を超えると、非金属介在物が多量に析出し、延性、靱性、加工性等が劣化する。したがって、Al含有量は0.001〜0.3%である。Al含有量の下限は、好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.2%である。
銅(Cu)は、溶解原料等から混入する不純物である。Cuは、通常のオーステナイト系耐熱鋼では、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。しかし、Cuは、REMによる延性向上効果を阻害する。V及びNbの窒化物並びにLaves相等で700℃以上の高温まで十分高いクリープ破断強度を確保した上で、クリープ破断延性や靱性を重視する本実施形態では、Cu含有量は極力低くする必要がある。したがって、Cu含有量は0.3%以下である。Cu含有量は、好ましくは0.2%以下である。
チタン(Ti)は、溶解原料等から混入する不純物である。Tiは、クリープ破断強度の向上に寄与しない粗大なTi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の向上効果を低減させる。したがって、Ti含有量は0.01%以下である。Ti含有量は、好ましくは0.008%以下である。
窒素(N)は、VやNb等とともに窒化物を形成してクリープ破断強度を向上させる重要な元素である。Nはまた、固溶強化によって引張強度を向上させる。Nはさらに、オーステナイトを安定化する作用を有する。これらの効果を十分に得るためには、N含有量を0.13%よりも高くする必要がある。一方、N含有量が0.35%を超えると、過剰な窒化物の析出によって延性や靱性が低下するとともに、鋼中にブローホール欠陥が形成される。したがって、N含有量は0.13%を超え0.35%以下である。N含有量の好ましい下限は、0.15%である。N含有量の好ましい上限は、0.30%である。
希土類元素(REM)は、粒界のSを硫化物として固定し、特に高温で長時間保持したときのクリープ破断延性を向上させる。REMはさらに、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。これらの効果は、REM含有量が0.003%未満では得られない。一方、REM含有量が0.10%を超えると、酸化物等の介在物が多くなり加工性及び溶接性が損なわれる。したがって、REM含有量は0.003〜0.10%である。REM含有量の下限は、好ましくは0.005%である。REM含有量の上限は、好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.05%である。
第1グループに属する元素は、Mg及びCaである。これらの元素は、オーステナイト系耐熱鋼の高温延性を改善する。
Mgは、高温での延性を劣化させるSを硫化物として固着し、高温延性を改善する。Mgが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Mg含有量が0.05%を超えると、鋼質を害し、かえって高温延性を害する。したがって、Mg含有量は0〜0.05%である。Mg含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Mg含有量の上限は、好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.01%である。
Caは、高温での延性を劣化させるSを硫化物として固着し、高温延性を改善する。Caが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ca含有量が0.05%を超えると、鋼質を害し、かえって高温延性を害する。したがって、Ca含有量は0〜0.05%である。Ca含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.01%である。
第2グループに属する元素は、Zr及びHfである。これらの元素は、鋼のクリープ破断強度を向上させる。
ジルコニウム(Zr)は、炭窒化物の微細化や粒界強化によってクリープ破断強度を向上させる。Zrが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Zr含有量が0.1%を超えると、高温での延性が低下する。したがって、Zr含有量は0〜0.1%である。Zr含有量の下限は、好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.01%である。Zr含有量の上限は、好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.05%である。
ハフニウム(Hf)は、炭窒化物による析出強化によってクリープ破断強度を向上させる。Hfが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Hf含有量が0.5%を超えると、鋼の加工性及び溶接性が損なわれる。したがって、Hf含有量は0〜0.5%である。Hf含有量の下限は、好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Hf含有量の上限は、好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.3%である。
第3グループに属する元素は、Ta及びReである。これらの元素は、鋼の高温強度及びクリープ破断強度を向上させる。
タンタル(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及びクリープ破断強度を向上させる。Taが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ta含有量が1%を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。したがって、Ta含有量は0〜1%である。Ta含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.1%である。Ta含有量の上限は、好ましくは0.7%であり、さらに好ましくは0.6%である。
レニウム(Re)は、主に固溶強化元素として高温強度、クリープ破断強度を向上させる。Reが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Re含有量が5%を超えると、鋼の加工性や機械的性質が損なわれる。したがって、Re含有量は0〜5%である。Re含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.1%であり、さらに好ましくは0.5%である。Re含有量の上限は、好ましくは4%であり、さらに好ましくは3%である。
第4グループに属する元素は、Coである。Coは、鋼のオーステナイト組織を安定にする。
コバルト(Co)は、Niと同様、オーステナイト組織を安定にし、クリープ破断強度の向上にも寄与する。Coが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Co含有量が10%を超えると、効果が飽和し経済性が低下する。したがって、Co含有量は0〜10%である。Co含有量は、下限の観点では、好ましくは0.5%以上であり、さらに好ましくは1%よりも高い。Co含有量は、上限の観点では、好ましくは8%以下であり、さらに好ましくは7%以下である。
本実施形態によ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、下記の式(1)を満たす。
0.15[N残渣]≦[REM]≦0.7[N残渣]…(1)
ここで、[REM]には、REM含有量が質量%で代入され、[N残渣]には、750℃で3000時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量%で代入される。
本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の化学組成はさらに、下記の式(2)を満たす。
6.2[N]≦[W]≦17.1[N]…(2)
ここで、[N]及び[W]には、N及びWの含有量が質量%で代入される。
本発明の一実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の製造方法の一例を説明する。本実施形態によるオーステナイト系耐熱鋼の製造方法は、この例に限定されない。
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.02〜0.12%、
Si:0.1〜2%、
Mn:0.1〜3%、
P :0.04%以下、
S :0.02%以下、
Cr:20〜26%、
Ni:26%を超え35%以下、
W :1〜5.5%、
V :0.01〜1%、
Nb:0.01〜1%、
B :0.0005〜0.008%、
Mo:0.3%以下、
Al:0.001〜0.3%、
Cu:0.3%以下、
Ti:0.01%以下、
N :0.13%を超え0.35%以下、
REM:0.003〜0.10%、
Mg:0〜0.05%、
Ca:0〜0.05%、
Zr:0〜0.1%、
Hf:0〜0.5%、
Ta:0〜1%、
Re:0〜5%、
Co:0〜10%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記化学組成が、下記の式(1)及び(2)を満たす、オーステナイト系耐熱鋼。
0.15[N残渣]≦[REM]≦0.7[N残渣]…(1)
6.2[N]≦[W]≦17.1[N]…(2)
ここで、[REM]、[N]、及び[W]には、REM、N、及びWの含有量が質量%で代入され、[N残渣]には、750℃で3000時間加熱時に窒化物として析出する窒素量が質量%で代入される。 - 請求項1に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、下記の第1グループから第4グループまでのうちの少なくとも1つのグループから選択される少なくとも1種を含有する、オーステナイト系耐熱鋼。
第1グループ Mg:0.0005〜0.05%、Ca:0.0005〜0.05%
第2グループ Zr:0.005〜0.1%、Hf:0.005〜1%
第3グループ Ta:0.01〜1%、Re:0.01〜5%
第4グループ Co:0.05〜10% - 請求項1又は2に記載のオーステナイト系耐熱鋼であって、
700℃、10000時間のクリープ破断強度が125MPa以上であり、700℃、130MPaにおけるクリープ破断伸びが15%以上である、オーステナイト系耐熱鋼。
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