JPH0377269B2 - - Google Patents

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JPH0377269B2
JPH0377269B2 JP8544683A JP8544683A JPH0377269B2 JP H0377269 B2 JPH0377269 B2 JP H0377269B2 JP 8544683 A JP8544683 A JP 8544683A JP 8544683 A JP8544683 A JP 8544683A JP H0377269 B2 JPH0377269 B2 JP H0377269B2
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Japan
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ferrite
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JP8544683A
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Fujimitsu Masuyama
Takashi Ooguro
Yasutaka Okada
Kunihiko Yoshikawa
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Nippon Steel Corp
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高温用厚肉部材として使用するの
に好適な、優れた靭性と高い高温強度とを有する
マルテンサイト系高Cr鋼に関するものである。 一般に、高速増殖炉等の原子力利用設備、火力
発電設備、或いは一般のボイラ設備等におけるよ
うな高温・高圧の環境下で使用される熱交換チユ
ーブ、配管、継手又はバルブ等の各種部材には、
高い高温強度(クリープ強度)や優れた耐高温酸
化性が要求されることはもちろんのことである
が、同時に、溶接性に優れていることや、熱応力
に起因する事故を誘発することのない十分に小さ
な熱膨張係数であること等も重要な要件とされて
いた。 ところで、従来、このような500〜600℃の高温
で使用される高温用材料として、Crを7〜15%
(以下、%は重量割合とする)含有する高Cr鋼が
知られており、耐高温酸化性に優れていること、
Mo等の合金元素の添加によつて高温強度を一段
と向上できること、熱膨張係数が小さいこと、そ
して価格が比較的低廉であること等の理由から各
方面で広く使用されるようになつてきた。そし
て、例えば、特開昭54−81116号公報にもみられ
るように、高Cr鋼を基本とし、これに特定の合
金元素を添加して所望特性の改善を図つた材料も
多数提案されており、前述のような各種高温設備
の性能や信頼性は一段と向上したものとなつてい
る。 また一方では、このような技術的背景をふま
え、エネルギー需要の目覚しい増大などに対処す
るために前記高温設備の高能率化や大型化が急速
に推進されており、それにともなつて高温用管部
材や継手等に厚肉化の要望が強くなされるように
もなつてきたのである。 しかしながら、従来のNb或いはVを含有する
高Cr系高温用鋼としては、例えば9Cr−1Mo鋼で
Cを高くすることによつて熱処理後マルテンサイ
ト組織を呈するものがあるが靭性、溶接性に劣
る。また9Cr−2Mo鋼では所定の熱処理の後、マ
ルテンサイト中にフエライトかなり多量に含んだ
組織を呈する。後者は薄肉管等に使用した場合に
良好な曲げ加工性を示すものではあるが、厚肉
管、鍛鋼品、或いは鋳造品等の厚肉材として使用
する場合、フエライト量が増加すると所望の強度
を確保することが困難となるほか、特に厚肉材の
場合は長時間の応力除去焼鈍が実施されることが
あり、靭性の一層の向上が強く要求されている。
特に、熱間加工によつて製造される部材の場合に
は、加工方向と直角の方向の靭性が著しく劣化す
るという報告が度々もたらされるようになつたの
である。 本発明者等は、上述のような観点から、まず、
高Cr系高温用厚肉鋼材にみられる前記問題点の
発生原因を究明すべく、数多くの実験・研究を行
つたところ、 (a) 従来の高Cr系高温用鋼は、熱処理後の状態
でマルテンサイト中に5〜30容量%程度のフエ
ライトを含有するものであつたが、厚肉材にな
ると、焼準処理後の冷却速度が小さくなる上、
熱間加工時の加工率を十分に大きくできないこ
ともあつて、鋼中のフエライト量が一層増加し
てしまい、どうしても強度の低下を招いてしま
う、 (b) また、厚肉材は溶接後の応力除去焼鈍を欠か
せないものであるが、フエライト量が増加する
と応力除去焼鈍後に靭性の劣化や強度低下を来
たすようになり、その後の高温域での長時間使
用による脆化はフエライト量の増加とともに大
きくなる、 (c) 特に、熱間加工によつて厚肉材を製造する
と、硬いマルテンサイト相中に存在する軟質の
大きなフエライト相が薄く押し延ばされ、熱間
加工方向に粗大なフエライトが延びた組織を形
成することとなつて材料に異方性が生じ、加工
方向とこれに直角方向の靭性の差が比較的大き
くなる原因となる、 との新しい事実を見出したのである。 そこで、本発明者等は、高Cr鋼において、
室温或いは高温での強度を十分に確保し、しか
も応力除去焼鈍後或いは長時間の使用後の靭性
低下を最小限にとどめるには、焼準処理後にお
いてもフエライトを生成することのない、マル
テンサイト単相とし、しかも溶接性を改善させ
るためにCなどを低く抑えた成分系を選べば良
いとの結論に達し、高温強度や耐高温酸化性に
優れていることはもちろんのこと、低熱膨張係
数を有し、廉価であり、しかも良好な靭性をも
兼備したマルテンサイト鋼を実現すべく更に研
究を重ねた結果、 (d) Crを7〜15%添加して耐高温酸化性を確保
した鋼のSi含有量を極めて低く抑えるとともに
所定量のNを添加すると、フエライトの生成が
極めて少なくなつて実質的にマルテンサイト単
相の鋼材が得られる上、Si含有量を特定の低い
範囲に調整することで炭化物が微細に分散する
こととなつて炭化物析出に伴う靭性劣化が防止
され、これらによつて鋼材の靭性が大幅に向上
すること、 (e) Nを添加することによつて、上述のようにフ
エライト量そのものを減らすことができる上、
高温強度も大幅に向上すること、 (f) 更に所定量のNbを添加することによつて、
鋼材の靭性がより改善されるとともに、高温強
度も一層向上すること、 (g) 加えてC含有量を低減すると、応力除去焼鈍
や高温での使用中における炭化物析出量が抑制
されて、靭性が一層改善されること、 (h) このような高Cr鋼に、所定量のNi,Cu,
Ca,Ma及び希土類元素のうちの1種以上を添
加すると、その靭性がより向上すること、 (i) C含有量低減による強度低下は、マルテンサ
イト単相鋼となることや、Nb及びNの添加に
よつて十分にカバーできる上、Vを添加するこ
とによつて更なる強度の向上が達成されるこ
と、 以上(d)〜(i)に示される如き知見を得るに至つた
のである。 この発明は、「高Cr鋼の靭性を改善するには焼
準処理後にフエライトを生成させないでマルテン
サイトのみの組織を得ることが必要であり、その
ためにはオーステナイト生成元素であるC,
Mn,Ni,Cu,Nを脆化しない範囲内で高くする
とともに、フエライト生成元素であるSi,Cr,
Moを低くすることが望ましいが、更に長時間高
温で使用した場合の炭化物等の析出による脆化や
高温強度を考慮すると、C及びN含有量の上限、
並びにCr及びMoの下限は自ずから定まることと
なる。しかしながら、特にC,Cr及びMoを低減
することによつて生ずる高温強度の低下は、Nb
やNの添加で十分に防止することができる上、こ
れらの元素の添加は靭性の一層の改善にもつなが
る」旨を根幹とした上記知見に基いてなされたも
のであり、高Cr鋼を、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有するとともに、更に必要に応じて、 Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、 Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、 希土類元素(REM):0.01%以下、 V:0.2%以下、 のうちの1種以上をも含み、 Fe及び不可避不純物:残り、 から成る成分組成とすることによつて、靭性及び
高温強度に優れ、かつ高温耐酸化性も申し分のな
いマルテンサイト単相組織鋼とした点に特徴を有
するものである。 なお、この発明の高Cr鋼は、熱間加工によつ
て厚肉品とされたり、或いは鋳造品として使用さ
れることにより、所望の十分な効果が発揮される
ものであるが、従来の高Cr鋼におけるように薄
肉品にまで熱間加工して使用することによつても
良好な結果が得られることは当然のことである。 次に、この発明の鋼において、化学成分の組成
割合を前記の如くに数値限定した理由を説明す
る。 C Cには、フエライト量を低減するとともに常
温並びに高温強度を上昇させる作用があるが、
その含有量が0.09%を越えると、応力除去焼鈍
或いは高温での使用中に炭化物の析出量が多く
なつて靭性を著しく低下させる上、溶接時の高
温割れ感受性をも極端に高くすることから、C
含有量を0.09%以下と定めた。 Si Siは鋼の脱酸に有効な元素として知られてい
るが、その含有量が0.15%を越えるとフエライ
ト量が増加して靭性の劣化を招くこととなる。
そして、Si含有量が0.15%以下の範囲であれ
ば、鋼中の炭化物が微細に分散することとな
り、炭化物析出に伴う靭性劣化も抑制されるこ
とが判明したのである。また、Si含有量は低け
れば低いほど良好な結果が得られ、最近の
AOD又はVODによる鋼の溶製ではSi含有量を
低くしても十分な脱酸が可能となつたが、経済
性を考慮してその下限を0.02%とした。このよ
うなことから、Si含有量を0.02〜0.15%と定め
たのである。 なお、Si含有量は0.10%以下であることが好
ましく、この範囲で炭化物析出に伴う靭性劣化
が顕著に抑制されるものであるが、0.05%以下
のSi含有量の範囲ではその効果は一層顕著にな
る。 Mn Mn成分はオーステナイト生成元素としてフ
エライト量を減少させるのに有効なものである
が、3.0%を越えて含有させると、逆にマルテ
ンサイト部の靭性が劣化するので、Mn含有量
を3.0%以下と定めた。 Cr Cr成分には、鋼の耐酸化性及び高温強度を
改善する作用があるが、その含有量が7.0%未
満では前記作用、特に耐酸化性改善作用に所望
の効果が得られず、他方15.0%を越えて含有さ
せるとフエライト量が急激に増加してもはやど
のような手段を講じてもフエライトを無くする
ことができなくなり、室温での強度並びに靭性
を大幅に劣化することから、Cr含有量を7.0〜
15.0%と定めた。 Mo Mo成分は鋼の強度及び靭性の向上に有効な
元素であるが、MoもCrと同様にフエライト生
成元素であり、3.0%を越えて含有させると多
量にフエライトが生成して靭性低下を招くこと
から、Mo含有量を3.0%以下と定めた。 Nb Nb成分には、結晶粒を微細化して靭性を向
上させるとともに、室温並びに高温強度を高め
る顕著な作用があるが、0.10%を越えて含有さ
せると溶接時の高温割れ感受性が著しく高ま
り、かつフエライトを生成させて、逆に強度及
び靭性をともに低下するようになることから、
Nb含有量を0.10%以下と定めた。なお、Nbは
0.05%以下の添加でも十分な効果を発揮するも
のである。 N N成分には、Cと同様にフエライトの生成を
抑制し、しかも室温及び高温強度を向上する作
用があるが、その含有量が0.05%未満では前記
作用に所望の効果を得ることができない。一
方、N成分はCに較べて、応力除去焼鈍後や高
温での使用による靭性劣化が小さいので比較的
多量の添加が許容されるが、0.15%を越えて含
有させると窒化物が生成して靭性の劣化を招く
こととなる。従つて、N含有量を0.05〜0.15%
と定めた。 P Pは、鋼中に不可避的に随伴される不純物と
して存在するものであり、Crを7〜15%含む
マルテンサイト鋼の高温長時間使用による靭性
低下を加速する元素であるが、その含有量が
0.015%以下になると前記靭性劣化作用が大幅
に緩和されるので、P含有量を0.015%以下と
定めた。 なお、P含有量を0.010%以下に抑えると、
靭性向上効果が一層顕著になることも確認され
た。 Ni,Cu,Ca,Mg、及び希土類元素 これらの元素は、この発明の高Cr鋼に添加
することによつてその靭性を改善する作用があ
るので、鋼の靭性をより向上させる必要がある
場合に1種以上添加されるものであるが、以
下、付随的な効果をも含めて、添加量限定理由
をより詳細に説明する。 ○…

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 2 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、 のうちの1種以上、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 3 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、 希土類元素:0.01%以下、 のうちの1種以上、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 4 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 V:0.2%以下、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 5 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、 のうちの1種以上と、 Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、 希土類元素:0.01%以下、 のうちの1種以上、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 6 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、 のうちの1種以上と、 V:0.2%以下、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 7 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、 希土類元素:0.01%以下、 のうちの1種以上と、 V:0.2%以下、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。 8 重量割合にて、 C:0.09%以下、Si:0.02〜0.15%、 Mn:3.0%以下、Cr:7.0〜15.0%、 Mo:3.0%以下、Nb:0.10%以下、 N:0.05〜0.15%、P:0.015%以下、 を含有し、更に、 Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、 のうちの1種以上と、 Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、 希土類元素:0.01%以下、 のうちの1種以上と、 V:0.2%以下、 を含有し、残りがFeとその他の不可避不純物か
    ら成る組成を有することを特徴とする、靭性及び
    高温強度の優れたマルテンサイト系高Cr鋼。
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