JPS59211552A - 靭性の良好なマルテンサイト系高Ｃｒ鋼 - 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】 この発明は、高温用厚肉部材として使用するのに好適な
、高靭性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・ド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ューブ、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１牛とされていた。

ところで、従来、このような５０Ｑ〜６００℃の高温で
使用される高温用材料として、Ｃｒを７〜土、３％（以
下、％は重量割合とする）含有する高ＣＩ鋼か知られて
おシ、耐高温酸化性に優れていること、ＭＯ等の合金元
素の添加によっ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
こと等の展出から各方面で広く使用されるようになって
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った材料も多
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」二したものとなっている。

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
にともなって高温用管部材や継手等に太径厚肉化の要望
が強くなされるようにもなってきだのである。

しかしながら、従来の高Ｃｒ系高温用鋼は、例え（ｄ　
９Ｃｒ　−Ｉ　Ｍｏ鋼では所定の熱処理の後マルテンサ
イト組織を呈するけれども庫温強度が低く、丑だ高温強
度の高い９Ｃｒ−２ＭＯ鋼ではマルテンサイト中にフェ
ライトを含んだ組織を呈するものである。

従って、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ったが、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、フェライト量が
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Ｏ１間の応力除去焼鈍が実施さ
れることがあり、靭１イＶの一層の向上が強く要求され
ている。特に、熱１ｕＪ加工によって製造される部材の
場合には、加工方向とこれに直角方向の靭性の差か比較
的大きくなることも１３Ａもがとなった。

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
ずへく、数多くの実験・研究を行・つだところ、 （１」）　　従来の高温強度の高い高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〜ｂ量％程度
のフェライトを含有するものであったが、厚肉インにな
ると、規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って、鋼中
のフェ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１う、 （ｂ）　　丑だ、厚肉材は溶接後の応力除去焼鈍を欠か
ぜないものであるが、フェライト量が増加すると応力除
去焼鈍後に靭性の劣化を来たすこととなシ、その後の高
温域での長時間使用による脆化もフェライト量の増加と
ともに大きくなる、（Ｃ）特に、熱間加工によって厚肉
材を製造すると、硬いマルテンサイト相中に存在する軟
質の大きなフェライト相が薄く押し延ばされ、熱間加工
方向に粗大なフェライトが延びた組織を形成することと
なって材料に異方性が生じ、これが加工方向と直角方向
の靭性や強度を著しく低下する原因となる、 との新しい事実を見出したのである１、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、規準処理後に
おいてもフェライトを生成することのない、マルテンサ
イト単相の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
ねだ結果、 （ｄ）ＣＦを７〜１５％添加して高温耐酸化性を確保し
た鋼のＳｌ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、フェライトの生成が極めて少なくなっ
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って炭化物析出に伴う靭性劣化
が防止され、これらによっ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って、上述の
ようにフェライト量そのものを減らすことがでｈる上、
高温強度も大幅に向上すること、 （ｆ）　　更に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、 （→　Ｃ含有量低減による強度低下は、マルテンサイト
単相鋼となることによって十分にカバーできること、 （１））　　このような高Ｃｒ鋼に、所定量のＮｉ　、
　Ｃｕ　、　Ｃａ　。

Ｍｇ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、 以上（ｄ）〜（ｈ）に示される如き知見を得るに至った
のである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
高Ｃｒ鋼を、 Ｃ：０．０９％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．１５％。

Ｍｎ：３．０％以下、　　　Ｃｒ　：　７．　Ｏ〜ｌ　
５．０％。

Ｍｏ：３．０％以下、　　　Ｎ　：　０．０５〜０．１
５　％。

Ｐ：０．０１５係以下。

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：Ｏ，０１％以下。

希土類元素（ＲＥＶ）：０．０１係以下。

のうちの１種以上をも含み、 １？０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って、靭性が極めて良
好で、高温強度及び高温耐酸化性と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、熱間加工によって厚肉品
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
することによっても良好な結果がイ４すられることは当
然のことである。

次に、この発明の鋼に菱いて、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。

■す Ｃには、フェライト量を低減するとともに常温Ｊｆｆｉ
びに高温強度を上昇させる作用があるが、その含有量か
０．０９％を越えると、応力除去焼鈍或いｉ−１、高温
での使用中に炭化物の析出量が多くなって靭性な著しく
低下させる上、溶接時の高温割れ感受性をも極端に高ぐ
することから、Ｃ含有量を００９％以下と定めた。

■　Ｓ］ Ｓユ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Ｏ，１５％を越えるとフェライト量が」■加
して靭性の劣化を招くこととなる。そし”’Ｃ，Ｓｉ含
有計が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シ、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、Ｓ１含
有量は低ければ低いほど良好な結果が得られ、最近のＡ
Ｏ］）又はＶＯＤによる鋼の溶製ではＳ１含有量を低く
しても十分な脱酸が可能となったが、経済性を考慮して
その下限を０．０１％としだ。このようなことから、Ｓ
１含有量を０．０１〜０．１５％と定めだのである。

なお、Ｓ１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８１含有量の
範囲ではその効果は一層顯著（ｒ（なる。

＠Ｍｎ Ｍｎ成分はオーステナイト生成元素としてフェライト量
を減少させるのに有効なものであるが、３．０チを越え
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３０係以下と定めた。

■　Ｃｒ Ｃｒ成分には、鋼の銅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、
特に面」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ェライト量が急激に
増加してもはやどのような手段を講じてもフェライトを
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７０〜１５．
０％と定めた。

■　Ｊ＼４Ｑ ｌ・Ａｏ酸成分鋼の強度及び靭性の向上に有効な元素で
あるが、１可○もＣｒと同様にフェ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ェライトが
生成して靭性低下を招くことがら、Ｍｏ含有ｍｌ゛を３
．０％以下と定めた。

■　Ｎ Ｎ成分には、Ｃと同、様にフェ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に比べて、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。従って、Ｎ含有量を０．０５〜０．１５％と定めた
。

＠　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０．０１
５　％以下と定めだ。

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　、　Ｃ１，、Ｃａ　、　Ｍｇ　、及び希土類
元素　さこれらの元素は、この発明の高ｃｒ鋼（・て添
加することによってその靭性な改善する作用があるので
、鋼の靭性な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。

■Ｎｉ、及びＣｕ Ｎ１及びＣｕ成分はオーステナイト生成元素であり、フ
ェライトの生成を抑制する作用があるので、特に規準処
理における冷却速度が遅くなってフェライトを生成する
恐れのある厚肉材に添加含有ぜしめて、フェライト生成
を抑制し、靭性並びに強度を確保するのに有効なもので
ある、。

しかしなから、各々］、、　０　％を越えて含有させて
も、より以上の向上効果を得ることができないはかりて
なく、特にＣｕは熱間加工性を劣化するようになるので
、それぞれの含有量を１．０　％以下と定め／ζ０ （ｊｊ）　　Ｃａ、、Ｍｇ、及び希土類元素特に、これ
らの元素には脱酸（低Ｓ１の場合には一層有効である）
、脱硫作用もあるので、調料の熱［ｕ」加工性を向上さ
せ、厚肉材においても熱間での強加工を可能とし、靭性
を一層改善するものであるが、各々ｏ、　０１％を越え
て含有さぜると熱間加工性が劣化するようになることか
ら、それぞれの含有量を０．０１　％以下と定めた。

なお、希土類元素については、経済性を考慮してミツシ
ュメタルの形で添加するのが、実際上好ましいことであ
る。

そのほか、不純物元素であるＳｂは、Ｐと同様、靭性に
悪影響を及ぼすのでその含有量を０．０１係以下に抑え
ることか重重しく、寸だ、Ｃ（Ｔも、フェライト生成を
容易にする作用を有していることに加えて原子力用に使
用されると誘導放射能を発生するので、極力抑える（０
１２％以下にする）ことが望ましい。

次いで、この発明を実施例により比較例と対比しながら
説明する。

実施例　１ 寸ず、電気炉によって第１表に示されるような成分組成
の鋼１〜２日を溶製し、造塊した。次に、イ４コられた
各鋼塊を鍛造によって１００　ｍｍ厚の板とし、更に第
２表に示すような焼型及び焼戻し処理を施しだ後、引張
試験、シャルピー衝撃試験、並びに焼戻し処理後に更に
６００℃で１０００時間の時効処理を施した試料につい
てのシャルピー衝撃試験をそれぞれ行い、またクリープ
強度の測定実施例 これらの結果を、第２表に併せて示した。

なお、シャルピー衝撃試験片はいずれも鍛造方向と直角
に採取したものを使用し、また、時効処理後の衝撃吸収
エネルギー値を測定したのは、熱履歴を受ける実際の使
用状況に即した１直を求めるためである。そして、クリ
ープ強度は、６５０℃の温度での１０００時間後の破断
応力で示した。

第２表に示される結果からも、本発明鋼は、室温での強
度はもちろんのこと、クリープ強度も十分に高く、しか
も、高温で長時間使用した場合を想定したｅ○０℃×１
０００ｈｒの時効処理後の７ヤルピー衝撃エネルギー値
も極めて高く、焼戻しのま丑の郵相と比較すれば明らか
なように脆化が非常に少ないことが明白である。

これに対して、比較鋼２０〜２８は、例えば鋼種２８に
みられるように強度が低かったり、又は時効処理（ｒ（
よって靭性が著しく劣化した９、或いはクリープ強度が
低いというように、高温用鋼として十分に満足できる特
性を備えていないことがわかる。

実施例　２ 電気炉によって第３表に示されるような成分組成の本発
明鋼２９及び３０、並びに比較鋼（従来鋼）３１を溶製
し、これを砂型に鋳造して長さが５００ｍｊｎ、幅が２
００ｍｊｌ、厚さが８０ｍの板状鋳物を作成した。

次に、これらに対して第４表に示すような焼型及び焼戻
し処理を施した後、実施例１と同様に、引張特性、笈び
シャルピー衝撃特性をそれぞれ調べた。

これらの結果を、第４表に併せて示した、第４表に示さ
れる結果からも、本罪明鋼は鋳造拐として使用しても十
分Ｋａ足できる強度と靭性とを備えているのに対して、
成分組成が本発明の範囲から外れている比較鋼では、強
度が低く、しかも靭性、特に時効処理後の靭性が著しく
劣っていることがわかる。

上述のように、この発明によれば、常温及び高温強度が
高く、かつ極めて良好な靭性を有し、しかも耐高温酸化
性にも優れた低熱膨張係数の鋼をコスト安く得ることが
でき、高温用機器部材の性能を一層向上し得るなど、工
業上極めて有用な効果がもたらされるの″である３、 出願人　　三菱重工業株式会社 出願人　　住友金属工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　重量割合にて、 Ｃ：０．０９ｑ６以下。 Ｓｉ：Ｏ，Ｏ１〜０．１５係。 Ｍｌｌ　：　３．０％以下。 Ｃｒ　：　’７．０〜１５．０％。 Ｍｏ　：　３．　Ｏ多収下。 Ｎ：０．０５〜０．１５俤。 Ｐ　：　０．０１５％以下。 を含有するとともに、 １’ｉ’　ｅ及び不可避不純物：残シ。 から成ることを特徴とする、靭性の良好なマルンザイト
   系高Ｃｒ由り。
2. （２）重量割合にて、 Ｃ：０．０９係以下。 Ｓｉ：０．０１〜０．１５％。 Ｍｎ　：　３．　Ｏ多収下。 Ｃｒ　　：　　７．０〜１５．０　％。 Ｍｏ　、：　３．０％以下。 Ｎ：０．０５〜０．１５チ。 Ｐ：０．０１□５％以下。 を含有するとともに、更に、 Ｎｉ：１．０チ以下。 Ｃｕ：１．Ｏｑ６以下。 Ｃａ　：　０．０１係以下。 Ｍｇ　：　０．０１　％以下。 希土類元素二００１慢以下。 のうちの１種以上をも含み、 Ｆｅ及び不可避不純物：残り。 から成ることを特徴とする、靭性の良好なマルテンサイ
   ト系高Ｃｒ鋼。 テ