JPS6267113A - 耐クリ−プ破断特性に優れた耐熱鋼の製造法 - 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、高温環境にて使用される高いクリープ破断強
度と靭性をもった鋼の製造法に関する。

（従来の技術） 近年火力発電設備の高効率化と大容量化に伴い、蒸気の
圧力、温度を高めるカ向に移行し、原子力発電では高速
増殖炉および多目的高温ガス炉又は、核融合炉などの開
発が進められている。このような動きと共にこれらの熱
交換器などの材料として、高温における特性向上が強く
要請されている。

例えば、５５０℃〜６００℃で使用可能な蒸気タービン
ローター材や、ボイラーチューブ、更にはボイラー缶板
等で、これらには高温での長時間クリープ破断強度が大
きいこと、高い応力に耐えるだけの靭性、延性、更には
設備建設時に必要な溶接施工に耐える溶接性等の緒特性
が要求される。

これらの要求に対して、最近種々の新しい製造法の開発
が行われ品質改善が行われている。例えば（文献門馬改
三鉄鋼材料学、実教理工学全書）に示されているイギリ
スで開発されたＨ４６゜Ｒｅｘ　４４８　、　ＨＧＴ４
や、日本で開発されたｒＡＦ等がある。

又、特開昭５９−１７９７１８号公報や特開昭６０−１
３０５６号公報に示されているように、ＮｂやＴＱを添
加し、これらの炭・窒化物を固溶させ、均質なマルテン
サイト組織を得、その後の焼戻し過程で、微細な炭窒化
物を析出させる方法などが散見される。

（発明が解決しようとする問題点） これらの従来法は、クリープ破断強度や、溶接性等は充
分考慮され、かつ５５０℃程度迄の温度におけるクリー
プ破断強度は大きいが、それ以上の温度になると、クリ
ープ破断強度が急激に低下し、前述の６００℃附近の温
度における耐クリープ用途に対しては、充分であるとは
いい難い。

又、クリープ破断強度を向上させるために、各種炭化物
を充分固溶させるため、高温の溶体化温度をとることが
オーステナイト粒度を粗くし、このためにクリープ温度
で炭化物が粒界に凝集して、クリープ脆化を惹起せしめ
ると云う欠点がある。

（問題点を解決するだめの手段） そこで、本発明者らは、上記既存技術の問題点を考慮し
た結果、Ｎｂの熱間加工時におけるオーステナイト粒の
再結晶抑制効果、Ｎｂ−Ｂ複合効果による焼入性向上効
果、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ或いは必要に応じてＷの固溶強化効
果を充分利用し、熱間加工後の直接加速冷却及び焼戻し
と、その後の高温での長時間保定時における各種炭・窒
化物の微細析出を利用した新規な製造手段により、高温
特性と溶接性のすぐれた耐熱鋼の製造が可能であること
を見出した。

即ち、鋼中のＮｂは、常温では極く一部のＮｂと、炭素
、窒素に結びついたＮｂの炭・窒化物として存在するが
、高温状態つまり１０５０℃以上では、その殆んどが地
鉄中に固溶する。この固溶Ｎｂは、熱間加工の際歪誘起
により、微細なＮｂの炭・窒化物として析出し、この効
果により、未再結晶域の上限温度を上昇させ、熱間加工
の歪み累積効果を増進させることにより、続く加速冷却
による変態後のマルテンサイトや、ベイナイト、フェラ
イトの微細化を促進する効果がある。

更にこの際加工歪をうけたオーステナイトは、その後の
焼入れ焼戻しによって、微細な炭・窒化物の析出による
ピーニング効果を含めて、その後のクリープ温度域にも
維持され、高転位密度の組織が得られる。

一方Ｎｂは、　Ｂとの複合添加により、フェライトの析
出を著るしく抑制し、変態点を下げることにより焼入性
を増大するため、上記微細オーステナイト状態からの加
速冷却でも、充分な焼入深度を保持することが可能であ
る。又、焼入れだ後のマルテンサイト、或いはベイナイ
トが微細であるため、引続く焼戻し時、および高温での
使用時に析出する炭・窒化物が極めて微細で、且つ均一
に分布すること、組織が微細粒であることのため、Ｍｎ
やｐ、ｓ　　など粒界脆化を促進する元素を、少くした
こととの重畳により、長時間加熱脆化の減少や、クリー
プ温度に長時間保定することによる炭・窒化物の凝集に
伴うクリープ脆化が、極めて少いなどの知見を見出した
。

即ち本発明は、以上の知見を得てなされたものであって
、その要旨とするところは、重量％でＣ０．０２〜０．
２５％、　Ｓｉ　り０．１０％、　Ｍｎ　≦　０．５　
％　。

６一 Ｐ≦０．０１５％、Ｓ＜０．０１０％、Ｎｉ＜１．０％
。

Ｃｒ９−１３　％、Ｍｏ１−２　％、　　Ｎｂ　　０．
０２〜０．２０％、　ｖ　０．）、　Ｏ〜０．３０％、
　ＴＯｌａｌＡｐ＜０．０１０％を含有する鋼、又はさ
らにＢを０．００１〜０．０４係を含有した鋼で、いず
れの場合もＴｏｔａｌ　Ｎ　０．０２〜０．０５％、Ｗ
＜２．０％のいずれが１種又は両方を含み、残部がＦｅ
と不可避的な不純物から成る鋼を、１０５０℃以上の温
度に加熱後、熱間加工を行い、８５０〜１０００℃間で
の累積圧下率が２０係以上になるように加工を行った後
、可及的早い時点で、加速冷却を行い、しかる後に５５
０〜７５０℃の温度で焼戻すことを特徴とする。

以下に本発明の詳細な説明する。

先ず本発明の対象とする鋼を構成する化学成分の限定理
由を説明する。

最初にＣは、強度確保上必要な元素であるが、０．０２
％未満の低い含有量では、厚みが比較的小さい場合でも
強度の確保が困難であり、またＭｏ。

Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒなどの炭・窒化物の生成が充分に期特出
来ない。又−カフエライトの著るしい生成などもあって
、結果的にクリープ強度を確保出来ない。０．２５％超
の含有量では、耐溶接割れ性の劣化、靭性の劣化、溶接
熱影響部硬化が著るしく、又固溶状態のＣｒの減少によ
って、耐食性を減少せしめる。従って０．０２〜０，２
５％とする。

Ｓｌ　　は高温で長時間使用した場合の長時間使用脆化
現象を招き、特にＰの含有との相乗作用で粒界脆化を起
すが、その量は０．１０％を超えると特に著るしい。従
って上限値を０．ｌｏ％とした。

Ｍｎ　　は、オーステナイトの生成元素であり、δフェ
ライトの生成を防止する効果があるが、−力では高温で
の使用中脆化や焼戻脆化を助長する。

本発明の対象鋼の場合は、むしろ後者の問題を重視する
が、あまり低いと溶製上困難なことが多く、本発明の限
定上限値である０、５％であれば、良好なものが得られ
る。しかしながら極めてきびしい脆化防止に対しては、
０６１％以下とさらに低くすることが好ましい。

Ｐは粒界に偏析し、特に本発明の対象となる高合金鋼で
は、焼戻および使用中脆化の原因となる一８＝ ため、低いことが望ましいが、経済性と低減の効果の観
点から０．０１５％を上限とした。

Ｓは本発明の対象とする鋼の初期靭性を劣化させ、また
Ｂとの共存で粒界に偏析し、高温焼戻脆化やクリープ脆
化の原因になることがあり、低いことが望ましいが、溶
製上の困難さを考慮して、上限を０．０１０％を限定し
た。

Ｎｂ　　は本発明の重点元素の１つで、熱間加工の際の
オーステナイト粒界や、粒内の変形帯に炭・窒化物とし
て微細析出し、ピーニングによる再結晶遅延効果を有す
る。またＢとの共存により、鋼の変態点を低下させ焼入
性を高める。これらの効果を有効ならしめる下限量は、
０．ｏ２％である。

一方添加量が多すぎると溶接性を劣化させ、溶接した場
合の溶着鋼に溶解して靭性を劣化させる。

又長時間加熱の際、Ｎｂ炭窒化物の顕著な凝集粗大化を
生じ、クリープ破断強度を低下させることがある。上限
値を０．２％と限定したのはこのためである。

ＶはＶ２Ｏ３，Ｖ　（Ｃ，Ｎ）　、あるいはＭ２３Ｃ６
のＭ中に入って析出強化作用を生じ、本発明の対象とな
る鋼の高温クリープ破断強度を確保する意味で極めて重
要である。下限量を０．１５％としたのは、これ未満で
はこれらの効果が充分に期特出来ないからであり、一方
添加量を過多にすると、これらの効果が飽和するばかり
か、反って靭性や溶接性を劣化させる。従って上限の値
は０．３　％とした。

Ｍｏ　　は本発明の対象とする鋼では固溶体強化作用、
Ｍ２３　ｃ６の安定化作用、ＬａＶｅ８相（Ｆｅ２Ｍｏ
　）として析出強化作用を有し、高温クリープ強度を確
保する上で添加する。下限を１．０％としたのは、これ
未満ではこれらの効果が、本発明の対象鋼の狙いとする
温度では少いためであり、又上限を２．０％としたのは
、これを超える量では添加量に比して効果の期待が少く
、経済的でないためである。

Ｃｒ　　は本発明の対象鋼の基本的元素で、高温におけ
る耐食性を保持するためと、Ｍ２３　ｃ、のＭ中に入っ
て、炭化物を安定させ、クリープ破断強度を維持させる
ために添加するもので、９％以下では炭化物生成後のマ
トリックスのｃｒ＃度の低下で耐食性に難点を生じ、又
−力１３チ超では本発明の対象鋼では、変態点がなくな
り、粒度の異常成長による靭性劣化が起るからである。

以−トが基本的な元素であるが、さらに本発明では前記
以外の元素として、Ｂ、Ｎ、Ｗを必要量添加しても同様
の特性の鋼を得ることが出来る。即ち先ずＢは、Ｎｂと
の共存で焼入性向上効果の他に、炭化物のＭ　Ｄ　Ｐ　
（Ｍａｔｒｉｘ　Ｄｏｔ　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
　）作用を示し、又粒界の析出物を不連続的にするなど
の効果がある。本発明で下限量を０．００５％としたの
は、これらの効果を期待するためであり、これ未満では
不充分である。−力０．０４％を超える量では、特に長
時間の高温保持で、粒界の炭化物を過度に凝集させる。

従って０．００５〜０．０４％とした。

Ｎは不可赳的元素として、通常０．０２％未満を含有す
る。Ｃとはソ同様な作用をし、マトリックスの強度を上
げる効果や、Ｎｂ、Ｖ　等と結びついて、Ｎｂ（ｃ、Ｎ
）、ｖ　（Ｃ，Ｎ　）となり、　クリープ破断強度の向
上や本発明の主な効果の１つである熱間加工の際のオー
ステナイト粒の再結晶を遅らせる効果があるが、添加量
が多いと溶接部の物性を低下させる。従って溶接を行う
必要のある場合は、０．０１０％以下と低い力が好まし
いが、ローター等の如く溶接を全く行わず、クリープ破
断強度を著るしく大きく期待するような場合は、マトリ
ックスへの固溶強化分も含めて０．０２％以上を必要と
する。

しかしながらＮ量が過多になると靭性が低くなり、高温
においても絞り値や伸び値が著るしく低下する現象が起
り、好ましくない。この限界量は０．０５％である。従
ってＮは意識的に含有させる場合は、Ｔｏｔａｌ　Ｎと
して０．０２〜０．０５％とする。

ＷはＭｏと同様な効果を持ち、高温側（６００℃以上）
のクリープ破断強度を向上させる場合や、５５０℃以上
のクリープ破断強度を更に向上させる場合添加する。し
かしｗｌあまりに多量に添加することは経済的でないこ
とと、反ってＭｏの効果を低減せしめることになり好ま
しくない。従って上限を２．０％とした。

尚これ迄記述した以外の元素については特に限定をしな
いが、不純物元素特に長時間の高温使用中に脆化の原因
となるＳｎ、Ｓｂ等の元素は可及的に低減することが良
いことは言う迄もなく、これらの微量元素や非金属介在
物を少くするために、ＶＡＲ法、ＥＳＲ法、ＶＣＢ法な
どの特殊精錬法を採用することも好ましい。

次に本発明における製造条件の限定についてその理由を
説明する。

先ず本発明においては、前述の如き化学成分を有する鋼
片を用いるのであるが、鋼片については鋳造まま、或い
は偏析やＨを拡散する目的、又は断面厚みの減少を目的
とした減厚熱間加工を行い冷却したもの、或いは熱片で
もよく特に指定しない。

この場合の熱間加工とは、圧延、鍛造など高温での加工
を指すがこれも特に指定しない。

次に鋼片の加熱はＮｂの炭・窒化物、ＭＯの炭化物、■
の炭・窒化物、Ｃｒの炭化物特にＢを含むＭ２Ｓ　（Ｃ
＋Ｂ）６炭化物や、更にはＷを添加する場合はＷの炭化
物が、はｙ全部が地鉄中に固溶する温度である１０５０
℃以上に加熱する。この目的は熱間加工後、加速冷却を
行う際のオーステナイト粒度を微細にするためであるが
、固溶したＮｂやＭ０．Ｖは熱間加工の際に、歪み誘起
により部分的に微細析出し、これが再結晶を抑制する。

従って未再結晶温度を上昇させ、この未再結晶域での累
積加工歪の増大により、著るしいオーステナイトの細粒
化をもたらす。本発明で規定する化学成分を有する鋼で
は、この細粒化適正温度は、８５０〜１ｏｏｏ℃の範囲
であり、細粒化を有効に進行せしめる圧下率の下限が２
０％である。

つまりこの規定する温度をこえる温度範囲が、規定する
圧下率未満の加工を行っても目的とする微細組織は得ら
れず、従って本発明の目的とする高クリープ破断強度を
もつ鋼は得られない。

熱間加工終了後直ちに加速冷却を行うが、実際は熱間加
工装置と加速冷却装置の間には距離があり、搬送に若干
の時間がかかる。しかしながら、少くとも鋼の温度が未
だオーステナイト組織である温度以上に保たれている時
間内に、加速冷却を開始する必要があり、−力空冷に伴
う温度の部分的バラツキの少い間に、加速冷却を開始す
ることが望壕しく、これが本発明に云う可及的早い時点
での加速冷却開始を意味する。

加速冷却は、本発明が規定する化学成分範囲では極めて
焼入性がよく、厚手断面鋼でも焼入深度が得られ易いた
め、むしろ断面寸法の大きなものや、複雑な断面形状を
したものなどは、焼き割れ防止のために圧搾気体や気水
冷却による冷却或い冷却による曲り、反りなどの変形が
懸念される場合は、スプレーやジェット水冷などの強冷
却も好ましく、要は均一な焼入組織を得るように管理さ
れた手段であればよく特に限定はしない。又、加速冷却
の終了温度は、焼入れ組織が全断面で得られるような温
度が必要であり、とくに限定はしないが、好ましいのは
２００℃以下である。

次に加速冷却終了後焼戻しを行うが、再加熱により６５
０〜７００℃の温度に加熱して行う。これは硬化組織の
軟化と、それに付随する高靭化および固溶していたＮｂ
、　Ｖ、　Ｍｏ　、　Ｃｒ　　或いはＷの炭・窒化物の
微細析出を目的としたものである。

ここで５５０〜７５０℃と限定したのは、５５０℃より
低い温度の焼戻しでは、使用時の高温長時間保持中の強
度の低下が著るしく、所期の目的を達せられないからで
あり、−力７５０℃をこえる温度の焼戻しでは、焼戻し
時に殆んどの炭化物の析出が終了してしまい、使用時の
高温長時間保持中の炭・窒化物の析出による軟化の遅滞
が期待出来ず、結果的にクリープ破断強度の向上が望め
ないからである。

つ１す５５０〜７５０℃の焼戻しで、微細な焼戻マルテ
ンサイト又はベイナイトの粒界、亜粒界のみでなくラス
内部にも細かい炭・窒化物の析出分散が起り、所謂ＭＤ
Ｐ作用を充分に期待することが可能になる。

次に本発明の効果を実施例により更に具体的に説明する
。

（実施例） 表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、同表欄外に示
す方法で鋼片を作成し、それぞれ表２に示す製造条件で
、加熱、熱間圧延し、加速冷却を行い更に焼戻しを行っ
た。

熱間加工はチューブ、厚板、ローターなどを想定し、圧
延と鍛造を利用した。

焼戻処理後常温における引張試験と衝撃試験を行った。

又６００℃と６５０℃のクリープ試験を行い、１０００
時間のクリープ破断強度を求めた。

これらの試験結果を表２に併記して示す。

これらによると本発明による高１〜随１３の鋼は、いず
れも本発明の目的とする高いクリープ破断強度が得られ
た。これに対しＮｆｌ１４〜２１は、化学成分が本発明
の規定値より外れたもの、製造条件が本発明の規定値よ
り外れたもの、醜２２〜２４は化学成分が本発明の規定
に入っているものの、本発明の規定する製造条件に外れ
ており、いずれもクリープ破断強度が劣る結果を示して
おり、本発明の効果による差が顕著に示されている。

（発明の効果） 以上の実施例からみても明らかな如く、本発明によれば
従来法により得られた鋼に比して、クリープ破断強度が
良好で、靭性のすぐれた耐熱鋼を製造し得ることが可能
となるものであり、産業上の効果は顕著なものがある。

代理人　弁理士　　茶野木　立　夫 ２Ｏ− （１）明細書１８頁表１のうち、鋼種Ａ−ｌ乃至Ａ手続
補正書印発） 昭和６０年１０月１７［１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＣ　０．０２〜０．２５％、Ｓｉ≦０．
   １０％、Ｍｎ≦０．５％、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．
   ０１０％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ　９〜１３％、Ｍｏ　
   １．０〜２．０％、Ｎｂ　０．０２〜０．２０％、Ｖ０
   ．１０〜０．３０％、ＴｏｔａｌＡｌ≦０．０１０％を
   含有し、更に必要に応じてＴｏｔａｌＮ　０．０２〜０
   ．０５％、Ｗ≦２．０％のいずれか１種又は両方を含み
   、残部がＦｅと不可避的な不純物から成る鋼を、１０５
   ０℃以上の温度に加熱後、熱間加工を行い、８５０〜１
   ０００℃間での累積圧下率が、少くとも２０％になるよ
   うに加工を行つた後、可及的早い時点で加速冷却を行い
   、しかるのちに５５０〜７５０℃の温度で焼戻すことを
   特徴とする耐クリープ破断特性のすぐれた耐熱鋼の製造
   法。
2. （２）重量％でＣ　０．０２〜０．２５％、Ｓｉ≦０．
   １０％、Ｍｎ≦０．５％、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．
   ０１０％、Ｎｉ≦１．０％、Ｃｒ　９〜１３％、Ｍｏ　
   １．０〜２．０％、Ｎｂ　０．０２〜０．２０％、Ｖ０
   ．１０〜０．３０％、Ｂ　０．００１〜０．０４％、Ｔ
   ｏｔａｌＡｌ≦０．０１０％を含有し、更に必要に応じ
   てＴｏｔａｌＮ　０．０２〜０．０５％、Ｗ≦２．０％
   のいずれか１種又は両方を含み、残部がＦｅと不可避的
   な不純物から成る鋼を、１０５０℃以上の温度に加熱後
   熱間加工を行い、８５０〜１０００℃間での累積圧下率
   が、少くとも２０％になるように加工を行つた後、可及
   的早い時点で加速冷却を行い、しかるのちに５５０〜７
   ５０℃の温度で焼戻すことを特徴とする耐クリープ破断
   特性のすぐれた耐熱鋼の製造法。