JPH01139717A - 高温用高Ｃｒフェライト鋼の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＶ、Ｎｂの１種または２！ｌを含有する高温用
高Ｃｒフェライト鋼の加工方法に関し、更に詳しくは加
工熱処理方法の改良に関する。

〔従来の技術〕

高Ｃｒフェライト鋼は低合金鋼と比べ強度、耐食性に優
れ、オーステナイト系ステンレス鋼と比べた場合には熱
伝導性が高く、熱膨張係数も小さい。また、応力腐食割
れをおこさない特徴もある。

このようなことから、この鋼はボイラ、原子力、化学工
業用の耐熱材料として広く使われている。

なかでも、Ｖ、Ｎｂなどの析出強化元素を含む高Ｃｒフ
ェライト鋼は、高温クリープ強度が高く、オーステナイ
ト系ステンレス鋼に代替するフェライト鋼として注目さ
れている。

この析出強化型置Ｃｒフェライト鋼としては、欧州で広
く使われている１　２Ｃｒ−ＩＭｏ系鋼（ＤＩＮＸ２０
ＣｒＭｏＷＶ１２）１１１）　、米国で開発された改良
９Ｃｒ−ＩＭｏｗ４（ＡＳＴＭ　　Ａ２　ｊ３　　Ｔ９
１！ＩＩ）　、本発明者らが先に開発したＶ、Ｎｂ添加
の９〜１２Ｃｒ鋼（特公昭５７−３６３４１号、特開昭
５８−１８１８４９号）などがある。

従来、このような析出強化型の高Ｃｒフェライト鋼は、
第３図に示されるように、熱間圧延、熱間押出し等の熱
間加工後、熱処理として焼ならしおよび焼もどし処理を
受け、微細析出物を含む焼もどしマルテンサイト組織（
一部にδ−フェライトを含むものもある）にしている。

焼ならし処理は、Ａｃ、変態点以上に加熱し、粗大化し
た炭化物などの析出物を固溶させるとともに、各種合金
成分の偏析を均一化し、その後急冷してマルテンサイト
組織を生成させるのが目的である。一方、焼もどし処理
は、硬いマルテンサイト組織の転位密度を下げ、高温で
長時間安定なＭｉ織と強度を与えるとともに、Ｖ、Ｎｂ
を含む微細炭窒化物やＦｅ、Ｃｒなどの炭窒化物を分散
析出させ靭性と高温強度の優れた性質を付与することが
目的である。

焼もどし処理の後に溶接や曲げ加工等の仕上げ加工を行
う場合は、加工後に応力除去焼鈍等の後熱処理が実施さ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、このように塑性加工と、熱処理が独立の工程
である場合、特に焼ならし処理がＡｃ＝点以上の高温処
理であることから熱処理コストが高価である。さらに加
熱による変形と酸化が著しく、このため熱処理後に行う
矯正と脱スケールも製品のコストをさらに上昇させる結
果になっている。

なお、従来の加工プロセスでこの焼ならし処理を省略し
た場合には、クリープ強度、靭性等の特性が著しく損な
われ、製品価値のない材料しか得られない。

本発明は、斯かる現状に鑑みなされたもので、焼ならし
処理なしで所定の特性を確保し、これにより大幅な工程
合理化とコスト低減とを図るのみならず、特性の改善も
期待できる新規な加工熱処理方法を提供するものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

析出強化型置Ｃｒフェライト鋼に実施される焼ならし処
理は、前述したとおり、析出物の固溶、成分の均一化を
図りマルテンサイト組織の生成を行わしめるものである
。工程合理化としてこの焼ならし処理を省略した場合、
高温材料としての特性、とりわけクリープ強度が低下す
る。

本発明＃らは、析出強化型置Ｃｒフェライト鋼について
、新しい熱処理を追加することなく、また特性の低下を
ともなうことなく、焼ならし処理を省略できる方法につ
いて、実験研究を繰り返した結果、熱間圧延等の最終熱
間加工に際して行う加熱が重要な意味をもつことを知見
した。すなわち、熱間圧延等の最終熱間加工に際し、Ｎ
ｂ、■等を含む高Ｃｒフェライト鋼を９３０℃以上で１
分以上保持すれば、焼もどし処理との組合せにより、焼
ならし処理を省略しても従来どおりのクリープ特性が確
保され、場合によっては従来よりも優れた特性が得られ
ることを知見したものである。

本発明の方法は斯かる知見を基礎に完成されたもので、
重量％テ’Ｃ：ｏ、ｏ　３〜０．３％、Ｎ：０．１％以
下、Ｃｒ：５〜１３％含有し、更にＶ、Ｎｂの１種また
は２種を（Ｖ＋Ｎｂ）で０．０１〜１％添加した析出強
化型の高Ｃｒフェライト鋼に対し、次の３つの加工工程
■〜■（第１図（イ）〜（ハ））を採用するものである
。

■　最終熱間加工に際して９３０〜１３００℃に１分以
上加熱保持し、その間に必要な熱間加工を加えた後に、
急冷によりＭｉ織をマルテンサイトにし、さらにＡＣ，
点板下の焼もどし処理を行う（図イ）。

■　■で行われる焼もどし処理時に温間加工を行い、焼
もどし処理時の加熱と温間加工時の加熱を兼ねる（図口
）。

■　■で行われる温間加工の後に、さらにＡｃ。

点板下の歪取り焼鈍を行う（図ハ）。

■が基本の工程であり、熱間圧延、熱間押出し等の最終
熱間加工の際の加工熱処理と、焼もどしによるｍｍ調整
とでクリープ特性の改善を図る。

また■、■の工程は最終熱間加工後に焼もどし処理を兼
ねた温間加工を行うものである。

〔作　　用〕

以下、本発明の方法における成分組成、熱処理条件の各
限定理由を述べ、作用を明らかにする。

○　成分組成 Ｃ：マルテンサイト組織化を図るためのオーステナイト
安定化元素で、かつ炭化物を析出させる重要元素である
。０．０３％未満の場合、δ−フェライトａが著しく増
加し、強度、靭性を損ない、かつ安定な炭化物を形成し
なくなる。また、０．３％を超える場合、炭化物が増え
て硬化し、著しく加工性と溶接性を損なう。よってＣｉ
は０．０３〜０゜３％とした。

Ｃｒ：耐酸化性の点から不可欠な元素で、高温用高Ｃｒ
鋼としては、５％未満では十分な耐酸化性が得られず、
また１３％を超えて添加された場合にはδ−フェライト
量が増加して強度と靭性をｔ員なう、したがって５〜１
３％とした。

Ｎニオ−ステナイト安定化元素で、かつ窒化物を析出さ
せる重要元素である。しかし０．１％を超える場合、著
しく加工性を損ない、靭性、強度が低下するため上限を
０．１％とした。なお、このＮは特に添加しなくても０
．０１％程度は含有されるので、明確な添加効果を得る
には０．０２％以上含有させることが望まれる。

Ｖ、Ｎｂ：いずれもＣ，Ｎと結合してＶ　（Ｃ。

Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）の微細析出物を形成し、クリ
ープ強度の増大に寄与する。Ｖ　（Ｃ，Ｎ）　、　　Ｎ
ｂ　（Ｃ，Ｎ）は粗大化すると効果が低下するため、未
固溶で存在するＶ　（Ｃ，Ｎ）　、Ｎｂ、（Ｃ，Ｎ）は
強度、靭性に有害である。本発明はこれらの析出強化元
素を有効に微細分散析出させる加工熱処理法を見出した
ものである。そしてＶ、Ｎｂは１種または２種を（Ｖ＋
Ｎｂ）量で０．０１％〜１％添加する。０．０１％未満
では、十分な析出強化を得ることができず、また１％を
超える場合は、前工程で生成した粗大なＶ　（Ｃ，Ｎ）
　、Ｎｂ　（Ｃ。

Ｎ）の固溶に長時間を要し、これらの化合物およびＭ　
ｚ　ｓ　Ｃｂ等の未固溶粗大析出物が残存して強度、靭
性、加工性をｔ員なう。

上記以外の成分としてはＭｏ、Ｗを総量で０．１〜３％
および／またはＳｉ、Ｍｎ、ＳｏρＡｊｌ！。

Ｎｉ、Ｂを含むのが望ましい、ただし、Ｓｔは０゜５％
以下、Ｍｎは１．５％以下、５ＯＩＡ１は０．０３％以
下、Ｎｉは０．８％以下、Ｂは０．０１％以下であるこ
とが望ましい。不可避の不純物であるＰ。

Ｓ、Ｃｕは、それぞれ０．０３％以下であることが望ま
しい。

○　熱処理 ■〜■（第１図イ〜ハ）の工程における最終熱間加工時
の加熱は、焼ならし処理を省略するため、素材のＶ　（
Ｃ，Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）　、Ｍ２３Ｃ。

、ＣｒｚＮ等の未固溶炭窒化物を固溶させ、かつ合金成
分の均一化を目的として行うものである。

特にＶ、Ｎｂの炭窒化物の固溶条件として、９３０℃以
上に加熱する必要がある。Ｖ、Ｎｂの添加量が多い場合
は、添加量に応じてより高温加熱を適用することが望ま
しい。９３０℃未満ではこれらの析出物が十分に固溶せ
ず、強度を著しく撰なうため、下限を９３０℃とした。

またＡｃ、変態点が９３０℃以上の鋼では、９３０℃〜
Ａｃ３点の間でα−フェライトが残存し、Ｖ、Ｎｂ析出
物の均一固溶が阻害される危険性があるため、ＡＣ１点
以上に加熱することが望ましい、加熱温度の上限は、加
熱温度が高いほど均一固溶化が促進されるが、１３００
℃を越えるとδ−フェライトが増大し、靭性、強度を損
なうので上限を１３００℃とする。

加熱保持時間は析出物を固溶化する条件である。

保持時間には加工中も含まれる。加熱直後に加工を施し
ても、上記温度にて１分間以上加工されていれば良い、
保持時間が１分未満では、析出物の固溶化と合金成分の
均一化が不十分となり、未固溶粗大析出物が多数残存し
、強度を損なう、保持時間の上限は、加熱保持が長時間
はど特性確保に好都合であるので特に規定しないが、実
用上は部材の均熱保持の観点から（ｌｈ／２５ｍ重厚さ
）程度が望ましい。

加工は、上記加熱温度に保持した状態で行われる場合も
含める。加工終了温度に制限はないが、好ましくはＡＣ
，変態点以上、更に好ましくはＡＣ２変態点以上で加工
を完了し、後に続く急冷で組織のマルテンサイト化が達
成できればよい。

加工後の急冷はマルテンサイト組織とするためで、加工
終了温度がＡ　Ｃｚ変態点以上の場合は５００℃／ｈ以
上の速度で行う、５００℃／ｈ未満の冷却では、冷却中
に炭化物＋フェライト組織に変化し、健全なマルテンサ
イト組織とならない。

この急渣においては、ＡＣ，変態点からマルテンサイト
変態が完了するＭｆ点まで急冷されることが望ましく、
この場合冷却速度の測定は８００℃〜５００℃での平均
冷却速度について行う、この領域はフェライト生成ノー
ズ領域である。冷却速度の上限は冷却が急なほど良好な
＆ｌ織が得られるで特に規定しないが、実操業上は厚肉
材などでは急冷により割れ、変形の生じないように配慮
すべきである。

本発明の方法においては、急冷後のマルテンサイト組織
に一部δ−フェライトが含まれていてもよく、急冷中に
加工が行われてもよい６本発明にによれば焼ならし処理
が不用になり、つづいて焼もどし処理を行う。

焼もどし処理は、マルテンサイト組織の転位密度が極め
て高く、高温での組織の長時間安定性に欠けるため転位
密度を下げて組織を安定化するために行う、すなわち焼
もどしマルテンサイト組織を得るとともに、Ｖ、Ｎｂの
微細炭窒化物とその他の炭化物を微細析出させる。焼も
どし処理の温度をＡＣＩ点以下とするのは、組織の再オ
ーステナイト化を防ぐためである。

■、■の工程は、焼もどし処理中に成形仕上げ加工を行
う場合である。この工程は上記焼もどし処理後に寸法調
整と変形の矯正を温間で行う場合を想定したものであり
、この１間加工を行うための加熱を焼もどし時の加熱と
同時に行って工程の合理化に寄与する。加熱温度がＡｃ
１以上となると、マルテンサイトＭｉ織が再びオーステ
ナイト変態をおこすため不適当である。したがって加熱
温度の上限をＡｃ＋点以下とした。温間加工後加工歪が
残る場合は、この残留応力を除去するために後熱処理と
して応力除去焼鈍を行う、応力除去焼鈍温度は再オース
テナイト化を防ぐため上限温度はＡＣ，変態点であり、
下限は必要により適当温度が選ばれる。部材によっては
軟化処理の必要ない場合もあり、２通りの工程■および
■を規定した。

■〜■の工程においてＡｃ１以下の加熱を行う場合、ボ
イラ熱交換器材料、ボイラ配管材料では７００〜８００
℃で１ｈ程度の加熱とするのがよい。

■〜■の工程により、焼ならし処理を省略することが可
能となる。また、■の工程において、焼もどし時の加熱
が温間加工時の加熱を兼ねるため、成品の熱変形、スケ
ール生成が抑制され、大幅なコスト低減と合理化が可能
となる。

また成品は、一部δ−フェライトを含有もしくは全く含
有しない焼もどしマルテンサイトｍ織に微細なＶ　（Ｃ
，Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）が分散析出した良好な組織
となり、従来法と同等もしくはそれ以上のクリープ強度
および高温特性をもつものとなる。

〔実施例〕

第１表に供試鋼の化学成分を示す、ＡｆＩ４は米国の改
良９Ｃｒ−ＩＭｏ鋼（ＡＳＴＭ　　Ｔ９１−Ａ２）３鋼
）系でＶ、Ｎｂ複合添加鋼、Ｂ鋼は９Ｃｒ　　２Ｍｏ′
ｉＡへの微ｌＮｂ添加鋼系、Ｃ鋼は欧州の１２Ｃｒ−Ｉ
Ｍｏ−Ｖ鋼（ＤＩＮＸ２０ＣｒＭｏＷＶ１２）鋼）系で
、いずれも高Ｃｒフェライト調の代表鋼種系である。

各鋼は先ず１５０ｋｇを真空加熱炉で溶解し、インゴッ
トを１１５０℃〜９００℃で熱間鍛造し、ｔ６０Ｘｗ８
０Ｘｊ！２００のブロックにして素材とした０次に、こ
の素材に対し、第１図（イ）〜（ハ）に示す加工熱処理
■〜■および第３図に示す従来の加工熱処理を行った。

第２表に各熱処理法の熱履歴を示す。

工程Φ〜■における熱間加工として、１１００〜９００
℃の温度域でロール圧延により６０〜８０％の加工度を
与えた後、Ｍｓ変態点以下まで急冷した。■、■におけ
る温間加工として、７８０℃で１ｈ均熱後、ロール圧延
により３０％の加工度を与えた。■における応力除去焼
鈍は７６０〜７８０℃で行った。

比較のために実施した従来法の工程として、１０００℃
に加熱の後、１０００〜８００℃で６０％の熱間圧延を
行い、しかる後、２５０℃／ｈで３００℃まで除冷を行
い、以後放冷した。

そして、得られた加工板材の圧延方向肉厚中央部よりＪ
ＩＳ４号シャルピー衝撃試験片およびφ５ＸＧＬ３０ｎ
引張試験片を採取し、常温引張試験、０℃シャルピー衝
Ｍ試験および６００℃クリープ破断試験を行った。結果
を第３表に示す。

従来法であるＡ４．Ｂ４．Ｃ４は標準の焼ならし、焼も
どし処理である。これに比較して本発明法を適用したＡ
Ｉ、Ａ２．Ａｓ、Ａ６．Ｂｌ、Ｂ２、Ｂ５．Ｂ６．ＣＩ
、Ｃ２，Ｃ５，Ｃ’６は、いずれもそれぞれの従来法に
比べ同等もしくは若干高めの強度特性を示した。またＡ
３．Ｂ３．Ｃ３は、各鋼に工程■を適用した場合である
が、素材加熱温度がＡＣ２変態点より低い９００℃に設
定されているため、クリープ破断強度が著しく低い。

一方Ｃ７はＣＩｌに■の工程を適用し、冷却速度が本発
明外の徐冷の場合であり、クリープ強度が著しく低い、
第２図に１例としてＣ鋼についてのクリープ破断試験結
果を示す。

組織的な検討の結果、ＣＩでは従来の焼ならし、焼もど
し材（Ｃ４）の組織とほぼ同等で、かつ微細なＶ　（Ｃ
，Ｎ）が分散析出しているのに対し、強度の低かったＣ
３は、加工組織の残る細かな焼もどしマルテンサイト組
織で、加工中に粗大化したと考えられる未固溶析出物が
多数確認された。

（発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明の方法は、板材
、管材、鍛造品の成形加工にあたり、クリープ特性確保
のために焼ならし・焼もどし処理を施していたボイラ、
原子力、化学工業用の析出強化型窩Ｃｒフェライト鋼に
対し、焼ならし処理なしで従来と同等もしくはそれ以上
の特性を付与しうろことが明らかであり、これにより工
程を大巾に簡略化し、製造コストの低減に大きな効果を
発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１１２Ｉ（イ）〜四は本発明法における加工工程のヒ
ートパターン図、第２図は高温クリープ強度の試験結果
を本発明法と従来法とについて示したグラフ、第３図は
従来法における加工工程のし一ドパターン図である。 手続補正書（放） 昭和６３年１咀９２７日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殴 ■、事件の表示 昭和６２年特許願第１９０７９０号 ２、発明の名称 高温用高Ｃｒフェライト鋼の加工方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２）
１）住友金属工業株式会社代表者新宮康男 ４、代理人 ６、補正の対象 図面。 ７、補正の内容 図面の第１図を別紙の通り補正いたします。 （第３図は補正なし。） 以　　　上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ：０．０３〜０．３％、Ｎ：０．１％
   以下、Ｃｒ：５〜１３％含有し、更にＶ、Ｎｂの１種ま
   たは２種を（Ｖ＋Ｎｂ）で０．０１〜１％添加した高Ｃ
   ｒフェライト鋼の最終熱間加工において、９３０〜１３
   ００℃に１分以上加熱保持して熱間加工を行い、急冷に
   より組織をマルテンサイト化した後、Ａｃ＿１点以下の
   焼もどし処理を行うことを特徴とする高温用高Ｃｒフェ
   ライト鋼の加工方法。
2. （２）重量％でＣ：０．０３〜０．３％、Ｎ：０．１％
   以下、Ｃｒ：５〜１３％含有し、更にＶ、Ｎｂの１種ま
   たは２種を（Ｖ＋Ｎｂ）で０．０１〜１％添加した高Ｃ
   ｒフェライト鋼の最終熱間加工において、９３０〜１３
   ００℃に１分以上加熱保持して熱間加工を行い、急冷に
   より組織をマルテンサイト化した後、Ａｃ＿１以下の加
   熱で温間加工を行うことを特徴とする高温用高Ｃｒフェ
   ライト鋼の加工方法。
3. （３）重量％でＣ：０．０３〜０．３％、Ｎ：０．１％
   以下、Ｃｒ：５〜１３％含有し、更にＶ、Ｎｂの１種ま
   たは２種を（Ｖ＋Ｎｂ）で０．０１〜１％添加した高Ｃ
   ｒフェライト鋼の最終熱間加工において、９３０〜１３
   ００℃に１分以上加熱保持して熱間加工を行い、急冷に
   より組織をマルテンサイト化した後、Ａｃ＿１点以下の
   加熱で温間加工を行い、しかる後、Ａｃ＿１点以下の応
   力除去焼鈍を行うことを特徴とする高温用高Ｃｒフェラ
   イト鋼の加工方法。