JPS59211553A - 靭性及び高温強度の優れた高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
、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ューブ、配管、継手又は
パルプ等の各種部材には、高い高温強度（クリープ強度
）や優れた耐高温酸化性が安水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
陸用される高温用材料として、Ｃｒを７〜４５％（以下
、係は重量割合とする）含有する高ＣＴ鋼か知られてお
り、１酬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
こと等の理由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−１、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
定の合金元素を冷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上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Δ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拐や継手部材厚肉化の要望が強
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
することによっ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
サイト中にフェライトをかなシ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、特に厚肉拐の場合は長時間の応力除去
焼鈍が実施されることがあシ、靭性の一層の向上が強く
要求されている。特に、熱間加工によって製造される部
材の場合には１．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ったの
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・研究を行ったところ、 （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％程度のフェライト
を含有するものであったが、厚肉材になると、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
量が一層増加しでしまい、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、フェライト量が増加す
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
フェライト量の増化とともに犬きくなる、 （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、加工方向とこれに直角方向の靭性の差が比較的
太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
、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
結論に淳し、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、廉価であシ、
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、（、、）　　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きる
上、高温強度も大幅に向上すること、 （ｆ）　　更に所定量のＮｌ）を添加することによって
、鋼材の靭性がよシ改善されるとともに、高温強度も一
層向上すること、 （ε）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、 （Ｉ））　　このような高ｃｒ鋼に、所定量のＮｉ、　
Ｃｕ　、　Ｃａ　。

崗及び希土類元素のうちの１種６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、Ｎｕ）及びＮの添加によって
十分にカバーできる上、■を添加することによって更な
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ったのである。

この発明は、ｒ高Ｃｒ鋼の靭性な改善するには規準処理
後にフェ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シ、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
、７工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っ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シ、
高ｃｒ鋼を、 Ｃ：０．０９％以下、　　Ｓｉ：０．０２〜０１５％。

Ｍｎ　：　３．０％以下、　　　Ｃｒ：　７．　Ｏ〜１
５．０　％。

Ｍｏ：３．Ｑ係り、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。

（シａ：Ｑ、０１％以下、　　Ｍｇ、　：　０．０１　
％以下。

希土類元素（ＲＥＭ　）　：　０．０１％以下。

Ｖ：０２係以下。

のうもの１種頃上をも含み、 ）ｊ’ｅ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薇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、フェ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か、その含有量が００９
％を越えると、応力除去焼鈍或いは高温での使用中に炭
化物の析出量か多くなっ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００９％以下と定めだ。

■　５Ｉ 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０１５係を越えるとフェ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。丑だ、５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、　ＯＤ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
００２％とした。このようなことから、Ｓｉ含有量を０
０２〜０］５％と定めたのである。

なお、Ｓ１含有量は０．１０％以下であることが好１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、００５％以下の８１含有量の範囲
ではその効果は一層顕著になる。

■　１・ＡＪ」 １〜４ｎ、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、３０％を
越えて含有させると、逆にマルテンサイト部の靭性か劣
化するので、Ｍｎ含有量を３０俸以下と定めだ。

■　Ｃｒ Ｃｒ成分には、鋼の耐酸化性及び高温強度を改善する作
用かあるか、その含有量が７０％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シ、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係
と定めた。

■　Ｍ。

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と同様にフェライト生成元素であり、３
０係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から、ＭＯ含有量を３．０チ以下と
定めた。

■　Ｎｂ Ｎｂ成分には、結晶粒を微細化して靭性な向上させると
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−ｉｂ、かつフェライトを生成させて
、逆に強度及び靭性なともに低下するようになることか
ら、　Ｎｂ含有量を０６１０％以下と定めだ。なお、Ｎ
ｂは０．０５チ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、０１５％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 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チ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ｏ、ｏ１
５ｍ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 Ｎｉ及びＣｕ成分はオーステナイト生成元素であシ、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せしめて、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。

しかしながら、各々１．０％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ばかりでなく、
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％以下と定めた。

■　Ｃａ、、　Ｍｇ、及び希土類元素 特に、これらの元素には脱酸（低Ｓｉの場合には一層有
効である）、脱硫作用もあるので、鋼材の熱間加工性を
向上させ、厚肉材においても熱間での強加工を可能とし
、靭性な一層改善するものであるが、各々ｏ、ｏｌ’％
を越えて含有させると熱間加工性が劣化するようになる
こと力）ら、それぞれの含有量をｏ、　Ｏｌ　％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カニ、実際上好ましいことで
ある。

■　Ｖ ■成分には、Ｎｂのような結晶粒微細イヒ作用はないが
、Ｎｂと同様に室温及び高温での強度を向上させる作用
がある上、溶接部の高温割れ感受性を嵩める作用もＮｂ
より小さいので、高Ｃｒ鋼の強度上昇元素として極めて
良好なものである。し力為しな力；ら、その含有量が０
２％を越えると溶接時の高温割れ感受性が高まり、また
フェライト量を増力口させることともなるので、■含有
量を０．２％以下と定めた。

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％以下に抑え
ることが望ましく、また、ＣＯ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
．１　％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 まず、電気炉によって第１表に示されるよう゛な成分組
成の鋼１〜３６を溶製し、造塊した。次に、得られた各
鋼塊を鍛造によって１００９厚の板とし、更に第２表に
示すような規準及び焼戻し処理を施した後、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、丑だ、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
用状況に即した値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
力で示しだ。

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６００℃Ｘ１
０００ｈｒの時効処理後のシャルピー衝撃エネルギー値
も極めて高く、焼戻しのまま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２６〜３６は、例えば鋼柚ユ９〜
２↓にみられるように、フェライトが存在することによ
９強度が低かったシ、又は時効処理によって靭性が著し
く劣化したシ、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３７及び３８、並びに比較鋼（従来鋼）３９を溶製
し、これを砂型に鋳造して長さが５００闘１幅が２００
闘、厚さが８０朋の板状鋳物を作成した。

次に、これらに対して第４表に示すような規準及び焼戻
し処理を施した後、実施例１と同様に、引張特性、及び
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、本発明鋼は鋳造材として
使用しても十分に満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
向く、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。

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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｍ量割合にて、 Ｃ：０．０９％以下。 Ｓｉ：０．０２〜０．１５％。 Ｍｎ　：　３．０９１８以下。 Ｃｒ　：　７．　ｏ〜１５．０％。 Ｍｏ　：　３．　Ｏ多収下。 Ｊすｂ：０１０％以下。 １勺：０．０５〜０．１５チ。 Ｐ：０．０１５％以下。 を含有するとともに、 ］Ｉ″ｅ及び不可避不純物：残シ。 から成ることを特徴とする、靭性及び高温強度の筺れた
   マルテンサイト系高Ｃｒ銅。 （２）重量割合にて、 Ｃ二Ｏ，Ｃ１９チ以下。 Ｓｉ　：　Ｏ，Ｏ’２〜０１５％。 Ｍｎ　：　３．０％以下。 Ｃｒ　：　７．　Ｏ〜１５．０　％。 Ｍｏ　：　３．０％以下。 Ｎｂ　：　０．１０チ以下。 Ｎ：０．０５〜０．１５％。 Ｐ：０．０１５％以下。 を含有するとともに、更に、 Ｎｉ　：　１．　Ｏチ以下。 Ｃｕ　：　１．０％以下。 Ｃａ：０．０１％以下。 Ｍｇ二〇、０１％以下。 希土類元素二００１％以下。 のうちの１種以上をも含み、 Ｆｅ及び不可避不純物：残ｐ。 から成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二０．０９％以下。 Ｓｉ：０．０２〜０．１５　％。 １司ｎ：３０％以下。 Ｃｒ　　：　　７．０〜１　５．０　％　。 Ｍｏ　’、　３．０％以下。 Ｎｂ二０．１０％以下。 Ｎ：０．０５〜０．１５　　％。 Ｐ二０．０１５％以下。 を含有するとともに、更に、 １２０．２％以下。 をも含み、 Ｆｅ及び不可避不純物９残り。 から成ることを特徴とする、靭性及び高温強度のｆ、ｔ
   　しｆｔｃマルテンザイト系高Ｃｒ鋼。 （４）　　重量割合にて、 Ｃ二０．０９係以下。 Ｓｉ：０．０２〜０．１５％。 ｌ可ｎ：３．０係以下。 Ｃｒ　：　７０〜１５．０％。 Ｍｏ　：　３．０係以下。 Ｎｌ）　：　０．１０％以下。 １リ　：　００５〜０１５　％。 Ｐ：０．Ｏ１５係以下。 を含有するとともに、更に、 Ｎｉ　：　１．０％以下。 Ｃｕ　：　１．　Ｏ多収下。 Ｃａ：０．０１％以下。 Ｍｇ：０．０１％以下。 希土類元素　０．０１％以下。 のうちの１種以上を含み、かつ、 ■二〇２％以下。 をも含有し、 Ｆｅ及び不可避不純物：残υ。 から成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。