CN100580119C - 铁素体类耐热钢 - Google Patents

铁素体类耐热钢 Download PDF

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Abstract

一种高温长时间蠕变强度与蠕变疲劳强度高的铁素体类耐热钢。含有质量%C 0.01～0.13%、Si 0.15～0.50%、Mn 0.2-0.5%、P 0.02%以下、S 0.005%以下、Cr大于8.0%小于12.0%、Mo 0.1～1.5%、W 1.0～3.0%、V 0.1～0.5%、Nb 0.02～0.10%、sol.Al 0.015%以下、N 0.005～0.070%、Nd 0.005～0.050%、B 0.002～0.015%，剩余部分由Fe及杂质形成，杂质中Ni小于0.3%、Co小于0.3%、Cu小于0.1%，含有Nd夹杂物，Nd的密度10000个/mm3以上。上述成分之外，该钢可含有Ta、Hf、Ti、Ca与Mg中的一种以上。

Description

铁素体类耐热钢
技术领域
本发明涉及一种铁素体类耐热钢。更加详细地说，涉及一种高温长时间蠕变强度与蠕变疲劳强度优良的铁素体类耐热钢。本发明的耐热钢适用于在锅炉、核能发电设备以及化学工业设备等在高温、高压环境下使用的热交换用钢管、压力容器用钢板、涡轮材料等。
背景技术
对于锅炉、核能发电设备以及化学工业设备等在高温、高压环境中使用的耐热钢，一般要求高温蠕变强度、蠕变疲劳强度、耐腐蚀性以及耐氧化性等。
高Cr铁素体钢在500～650℃温度中的强度和耐腐蚀性比低合金钢优良。另外，高Cr铁素体钢的特征在于，由于导热率高且热膨胀率低，因此，与奥氏体类不锈钢相比，耐热疲劳特性优良且价格便宜。另外，具有很难产生氧化皮剥离，不会产生应力腐蚀裂纹等多个优点。
从20世纪80年代后半期到20世纪90年代，ASMEP91钢作为高强度铁素体类耐热钢得到实际应用，在蒸汽温度566℃以上的超临界压力锅炉中使用。另外，在近些年，提高了蠕变强度的ASME P92钢得到实际应用，使用该钢的蒸汽温度为600℃左右的特超临界压力锅炉得到应用。
现在，为了保护环境，需要减少CO2的排放量。因此，即使在火力发电锅炉中，也需要更高的高温高压。为了使现在实用的ASME P92钢也能在更高温度区域、例如大约630℃下使用，必须使用壁厚较厚的构件。
由于火力发电设备要进行频繁地起动与停止，因此，尤其对于厚壁构件，蠕变疲劳强度变得重要。ASME P92钢与ASMEP91钢相比，蠕变强度大幅度提高，但是蠕变疲劳强度相同。为了使更高温高压的高温高压锅炉实用化，必须改善ASMEP92钢的蠕变疲劳强度。
专利文献1及2公开了含有8～14％Cr的耐热钢的发明。另外，专利文献3公开了含有8～13％Cr的耐热钢的发明。但是，上述文献所公开的发明没有将改善耐热钢的蠕变疲劳强度作为目的。虽然上述发明的钢也可以含有Nd，但不是下述充分利用了Nd夹杂物的有效作用的钢。
专利文献1：日本特开2001-192781号公报
专利文献2：日本特开2002-224798号公报
专利文献3：日本特开2002-235154号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温长时间蠕变强度优良、且蠕变疲劳强度也优良的铁素体类耐热钢。
图1是表示蠕变疲劳试验的应变波形的一个例子的图。图1(a)表示的是一种PP波形，是一种以高速施加应变以使拉伸一侧与压缩一侧都不产生蠕变应变的波形。图1(b)表示的是一种CP波形。该CP波形是为了导入拉伸的蠕变应变，而在拉伸一侧以低速、在压缩一侧以高速施加应变的波形。
比较上述PP波形下的寿命与CP波形下的寿命，则受到蠕变损伤的CP波形下的一方寿命短。一般情况下，在0.4～1.5％的全应变范围内进行蠕变疲劳试验，对在锅炉、核能发电设备以及化学工业设备的高温高压环境中使用的耐热钢寿命进行评价。
因为在高温高压下长时间使用上述锅炉等设备，因此，各个构件产生蠕变应变，承受CP型负载。另外，通常为了确保在高温高压下使用的构件的蠕变疲劳寿命，在实际使用中采用减少产生应变的构造。因此，对于在上述设备中使用的高Cr铁素体钢，需要在CP波形下、0.5％左右的全应变范围内确保蠕变疲劳寿命，其中，该0.5％左右的全应变范围为上述蠕变疲劳试验的全应变范围、即0.4～1.5％中的低应变区域。
上述ASME P91与P92钢在600℃中的10万小时蠕变强度分别为大约98MPa及128MPa，P92钢的强度高。但是，可以看出，在600℃中，在图1的CP波形中实施0.5％全应变范围的蠕变疲劳试验时，寿命都是大约3000次循环、没有大的差别。即，可以得出下述结果：与P91钢相比，P92钢虽然蠕变强度增大，但是，蠕变疲劳强度没有提高。从该结果可以研究P92钢蠕变疲劳强度没有提高的一些原因，换句话说，则包涵蠕变疲劳强度降低的原因。因此，本发明人为使P92钢蠕变疲劳强度提高而进行了专心研究。
首先，对于由于认为是蠕变疲劳强度没有提高的原因的合金元素偏析而引起的微量δ铁素体的影响进行下述(a)的研究。
(a)调查δ铁素体的影响
P92钢除了含有以往9Cr铁素体类耐热钢所含有的成分之外，还含有大量铁素体形成元素(Mo、W、Nb、V等)。因此，可能在晶界部中残存极微量的δ铁素体。为了完全除去δ铁素体，准备使P92钢分别含有微量Cu、Ni或者Co(这些为奥氏体形成元素)的原材料，比较蠕变疲劳强度。将试验温度设为600℃，将全应变范围设为0.5％。其结果是，寿命为大约1600～2100次循环，与P92钢进行比较，可以认定具有降低的趋势。
从上述结果可以看出，P92钢的蠕变疲劳强度没有提高的原因不是δ铁素体，而是若含有过剩的奥氏体形成元素，则蠕变疲劳强度降低。
接着，为了明确晶界对蠕变疲劳强度产生的作用，进行下述(b)的调查。
(b)原始奥氏体粒子大小对P92钢蠕变疲劳强度的影响的调查
将正火温度设为1050℃及1200℃，处理P92钢，使原始奥氏体粒子大小变为大约25μm与125μm。接着，通过回火进行调质、使拉伸强度变成大约710MPa之后，进行蠕变疲劳试验。将试验温度设为600℃，将全应变范围设为0.5％。
上述试验结果为，通常的在粒径为25μm状态下的寿命大约为3000次循环，与此相对，粒径为125μm的粗晶粒钢的寿命为大约2300次循环。从上述情况可以看出，粗晶粒钢即使强度与细晶粒钢相同，蠕变疲劳寿命也会降低。
(c)分析细晶粒钢的蠕变疲劳强度高的理由
对于从上述(b)试验结果所看到的细晶粒钢的蠕定疲劳强度高的原因进行考察。
一般可以说，对于高温中的蠕变特性，趋向于粗晶粒钢的蠕变特性优良。在这里，调查(b)试验使用的试样在600℃、160MPa中的蠕变强度。其结果是，25μm粒子大小的试样的断裂时间为大约6000个小时，与此相对，125μm粒子大小的试样的断裂时间为大约9000个小时，如以往所述，粗晶粒钢的蠕变强度高。从该结果可以看出，通过拉伸强度及蠕定强度无法说明细晶粒钢的蠕变疲劳强度的提高。
增大细晶粒钢的晶界面积。认为若晶界面积增大，则抑制P、S、As、Sn等杂质元素、尤其是S的偏析。因此，对于S向晶界的偏析进行考察。
通常，铁素体类耐热钢含有作为杂质的0.001％左右的S。在实际产品中，很难将S降低到小于0.001％的程度。即使在实验室中进行制造，也不能避免从合金元素混入S，因此，很难在一般的熔炼方法中、通过减少S来消除偏析。
一般，在由于S等的偏析而引起的现象中，回火脆性是众所周知的。众所周知，在600℃左右的某一定温度范围内、对马氏体进行回火时产生回火脆性，但微量Mo可以有效降低该回火脆性。
若蠕变疲劳现象与S的偏析有关，则考虑Mo含量与蠕变疲劳特性有何关联。在此，调查Mo含量变为0.01％、0.07％、0.13％、0.33％及1.83％时的蠕变疲劳强度(试验温度为600℃、全应变范围为0.5％)。其结果是，Mo含量为0.13％与0.33％时，寿命为大约3000次循环，Mo含量小(0.01％及0.07％)时，寿命为大约2000次循环左右、蠕变疲劳强度降低。从上述情况可以看出，Mo对于蠕变疲劳强度起到一定有益作用。但是，可以确认，若再增加Mo含量、使其为1.83％时，则蠕变疲劳寿命变为大约2500次循环，疲劳特性反而具有降低的趋势。
接着，对S在钢中的存在状态进行调查。其结果如图2所示，可以看出，S以MnS的形式存在。在高温中实施蠕变疲劳试验时，作为MnS进入的S变成游离，向晶界偏析，则该S对蠕变疲劳特性产生坏影响。
(d)固定S
如上所述，变成游离的S的偏析对蠕变疲劳特性产生坏影响，则除了Mn之外，还含有更牢固地与S结合的元素，从而可能提高蠕变疲劳强度。
因此，对于可能形成硫化物的Ca、Mg、Nd、La及Ce对蠕变疲劳强度产生的影响进行研究。
其结果是，可以看出，含有0.025％Nd时，除了MnS之外，Nd夹杂物固定S。该Nd夹杂物是指“Nd的氧化物”以及“Nd的氧化物与硫化物的复合夹杂物”。“Nd的氧化物与硫化物的复合夹杂物”可以说是直接固定S。另一方面，“Nd的氧化物”也通过S在其周围偏析而间接固定S。图3表示作为N d夹杂物的一个例子，在含有Nd的钢中观察到的“Nd氧化物与硫化物的复合夹杂物”。
如上所述，可以看出，在上述条件、即600℃试验温度及0.5％全应变范围中对含有直接以及间接固定S的Nd的钢进行蠕变疲劳试验时，疲劳寿命为大约7000次循环，有飞跃性地提高。
另外，可以看出，分别单独含有Ca、Mg、La以及Ce的钢的蠕变疲劳寿命(实验温度为600℃、全应变范围为0.5％)为大约3000～4000次循环，同时含有上述成分与Nd的钢的蠕变疲劳寿命为6000～7000次循环，蠕变疲劳寿命有飞跃性地提高。
(e)复合添加Nd与Cu、Ni或者Co
如上述(a)所述，可以看出，含有微量奥氏体形成元素，即Cu、Ni或者Co的钢的蠕变疲劳强度具有降低的趋势。为了进一步明确该现象，对于在含有微量Nd的钢中添加了微量Cu或Ni或Co的钢的蠕变疲劳寿命进行评价。
其结果表明，同时含有Nd与微量Cu、Ni或者Co的钢的蠕变疲劳寿命大约为4000次循环，与不含有Nd的钢相比，则蠕变疲劳特性提高，但与单独含有Nd的钢相比，则蠕变疲劳寿命大幅度降低。
从上述研究可以获得下述(1)～(4)的结论。
(1)0.1％以上的Mo有助于提高蠕变疲劳特性。
(2)虽然大部分S作为MnS被固定，但在高温的疲劳试验中，一部分S变成游离状态、向晶界偏析，使蠕变疲劳强度降低。
(3)使钢含有Nd，通过Nd的氧化物或者作为氧化物与硫化物的复合杂质来固定S，将一部分S固定为MnS，从而，蠕变疲劳强度得到大幅度改善。在Nd夹杂物的密度10000个/mm3以上时其效果显著。而且，“Nd夹杂物”是上述“Nd的氧化物”与“Nd的氧化物与硫化物的复合夹杂物”的总称。
(4)作为奥氏体形成元素的Cu、Ni以及Co降低蠕变疲劳强度。可以确认，即使含有微量Nd的钢也具有该趋势。可以认为，产生上述现象的原因在于Cu、Ni以及Co促进发生被固定为MnS的S在蠕变疲劳试验中形成游离状态的现象。
基于上述研究结果而作出的本发明以下述耐热钢为主旨。下面，与成分含量相关的％表示质量％。
(1)一种铁素体类耐热钢，含有0.01～0.13％的C、0.15～0.50％的Si、0.2～0.5％的Mn、0.02％以下的P、0.005％以下的S、大于8.0％且小于12.0％的Cr、0.1～1.5％的Mo、1.0～3.0％的W、0.1～0.5％的V、0.02～0.10％的Nb、0.015％以下的sol.Al、0.005～0.070％的N、0.005～0.050％的Nd、0.002～0.015％的B，剩余部分由Fe及杂质形成，杂质中的Ni小于0.3％、Co小于0.3％、Cu小于0.1％，还含有Nd夹杂物，该Nd夹杂物的密度为10000个/mm3以上。
(2)根据上述(1)所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，取代一部分Fe，含有0.04％以下的Ta、0.04％以下的Hf以及0.04％以下的Ti中的1种以上元素。
(3)根据上述(1)或者(2)所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，取代一部分Fe，含有0.005％以下的Ca以及0.005％以下的Mg中1种或者2种元素。
(4)根据上述(1)～(3)中任意一项所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，杂质中稀土元素的总量0.04％以下。
(5)根据上述(1)～(4)中任意一项所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，在拉伸一侧应变速度为0.01％/sec、在压缩一侧应变速度为0.8％/sec，全应变范围为0.5％的条件下，在600℃的CP波形下的蠕变疲劳寿命5000为次循环以上。
附图说明
图1是表示蠕变疲劳试验的应变波形的一个例子的图。
图2是表示在ASME P92钢中观察到的硫化物的图。
图3是表示在含有Nd的钢中观察到的“Nd的氧化物与硫化物的复合夹杂物”的图。
具体实施方式
1.化学组成
首先，对构成本发明的耐热钢的成分的作用效果与限制含量的原因进行说明。
C：0.01～0.13％
C作为奥氏体稳定元素，稳定钢的组织。另外，形成MC碳化物或者M(C、N)碳氮化物，有助于提高蠕变强度。MC及M(C、N)中的M为合金元素。但是，小于0.01％的C不能充分获得上述效果，并且，有时δ铁素体量增多会使强度降低。另一方面，若C含量超过0.13％，则不仅加工性、焊接性变差，而且，引起碳化物从使用初期开始凝结粗化，会导致长时间蠕变强度降低。因此，需要将C含量限制为0.13％以下。更加优选的上限与下限分别为0.08％及0.11％。
Si：0.15～0.50％
Si作为钢的脱氧元素而含在钢中，另外，也是用于提高耐水蒸气氧化性能所必需的元素。将下限设定为不损害耐水蒸气氧化性能的0.15％。另一方面，若Si含量超过0.50％，则蠕变强度显著降低，因此，将上限设定为0.50％。特别是在重视耐水蒸气氧化的场合，优选是将Si量的下限设定为0.25％。
Mn：0.2～0.5％
Mn作为脱氧元素以及奥氏体稳定元素起作用。另外，形成MnS来固定S。为了获得上述效果，需要含有0.2％以上的Mn另一方面，若超过0.5％，则导致蠕变强度降低。因此，Mn的适当含量为0.2～0.5％。另外，更为优选的下限为0.3％。
P：0.02％以下、S：0.005％以下
由于作为杂质的P以及S使钢的热加工性、焊接性、蠕变强度、蠕变疲劳强度等降低，因此，含量越低越好。但是，由于显著的钢净化会导致成本大幅度提高，因此，将P的容许上限设定为0.02％，将S的容许上限设定为0.005％。
Cr：大于8.0％且小于12.0％
Cr是用于确保本发明钢在高温中的耐腐蚀性、耐氧化性、尤其是耐水蒸气氧化特性的不可缺少的元素。另外，Cr形成碳化物，提高蠕变强度。为了获得上述效果，需要使其含量超过8.0％。但是，若Cr的含量过多，则导致长时间蠕变强度降低，因此，将该含量设为小于12.0％。更加优选的下限为8.5％，另外，更加优选的上限为小于10.0％。
Mo：0.1～1.5％
Mo作为固溶强化元素，有助于提高蠕变强度。而且，对Mo含量与蠕变疲劳强度的相互关系进行详细研究的结果表明，Mo为0.1％以上会起到改善蠕变疲劳特性的作用，若含量超过1.5％，则导致长时间蠕变强度降低。因此，Mo含量为0.1～1.5％是合适的。更加优选的下限与上限分别是0.3％及0.5％。
W：1.0～3.0％
W作为固溶强化元素，有助于提高蠕变强度。而且，一部分W固溶在Cr碳化物中，抑制碳化物的凝结、粗化，有助于提高蠕变强度。但是，在含量小于1.0％的情况下，上述效果小。另一方面，若W含量超过3.0％，则促进生成δ铁素体，导致蠕变强度降低。因此，W含量的优选范围是1.0～3.0％。更加优选的下限为超过1.5％的量，另外，更加优选的上限为2.0％。
V：0.1～0.5％
V利用固溶强化作用、形成其他细微的碳氮化物，有助于提高蠕变强度。为了发挥该效果，需要将其含量设为0.1％以上另一方面，若V含量超过0.5％，则促进生成δ铁素体，导致蠕变强度降低，因此，应将上限设定为0.5％。更加优选的下限与上限分别为0.15％及0.25％。
Nb：0.02～0.10％
Nb形成细微的碳氮化物，有助于提高长时间蠕变强度。为了发挥该效果，需要含有0.02％以上的Nb。但是，若该含量过多，则促进δ铁素体的生成，导致长时间蠕变强度降低。因此Nb的优选含量为0.02～0.10％。更加优选的下限与上限分别为0.04％及0.08％。
sol.Al：0.015％以下
Al作为钢液的脱氧剂使用，若其含量超过0.015％，则导致蠕变强度降低，因此，应将上限控制为0.015％以下。更加优选的上限为0.010％。
N：0.005～0.070％
N与C相同、作为奥氏体稳定元素有效。另外，N使氮化物或者碳氮化物析出，增大钢的高温强度。为了发挥该效果，需要含有0.005％以上的N。另一方面，若N含量过多，则不仅在熔炼时产生气泡，导致产生焊接缺陷，而且由于氮化物以及碳氮化物的粗化导致蠕变强度降低。因此，应将N含量的上限设定为0.070％。更加优选的N含量的下限为0.020％。
Nd：0.005～0.050％
如上所述，Nd大幅度提高蠕变疲劳强度。为了发挥该效果，需要含有0.005％以上的Nd。但是，若超过0.050％，则形成粗大的氮化物，导致蠕变强度降低，因此，应将上限设定为0.050％。更加优选的含量上限为0.040％。
B：0.002～0.015％
B起到增强淬硬性、确保高温强度的重要作用。该效果在B含量为0.002％以上时明显，若含量超过0.015％，则降低焊接性以及长时间蠕变强度。
Ni：小于0.3％、Co：小于0.3％、Cu：小于0.1％
如上所述，上述奥氏体稳定元素即使含量很小，也会降低蠕变疲劳强度。但是，有时不可避免地会从熔炼原料混入微量Ni、Co及Cu。因此，本发明将Ni及Co分别控制为小于0.3％，将Cu控制为小于0.1％。若在上述范围内，则对蠕变疲劳强度产生的坏影响较小。
第1组成分：Ta、Hf及Ti
上述成分为根据需要而添加1种或者2种以上的成分。在添加时的各自的适当含量如下所述。
Ta：0.04％以下、Hf：0.04％以下、Ti：0.04％以下
由于Ta、Hf及Ti形成细微的碳氮化物而有助于提高蠕变强度，因此，根据需要含有这些成分。为了充分发挥该效果，优选是分别含有0.005％以上。但是，即使含量分别超过0.04％，由于该效果达到饱合，反而会降低蠕变强度。因此，优选是分别将其含量的上限设定为0.04％。
第2组成分：Ca及Mg
上述成分为根据需要而添加1种或者2种的成分。在添加时的适当含量分别如下所述。
Ca：0.005％以下、Mg：0.005％以下
这两种元素都提高钢的热加工性。因此，尤其在希望改善钢的热加工时，可以单独含有其中任意一种或者复合含有两种。由于在含量分别0.0005％以上时其效果显著，因此，优选是将含量的下限分别设定为0.0005％。但是，若每种元素的含量都超过0.005％，则蠕变强度降低，因此，应将上限设定为0.005％。
除了Nd之外的稀土元素：0.04％以下
在添加Nd时，La、Ce等稀土元素有时会作为杂质混入。但是，若除了Nd之外的稀土元素含量总计0.04％以下，则不会对蠕变强度、蠕变延性等特性产生大的影响，因此，容许最多含有0.04％。
2.Nd夹杂物
本发明钢的特征之一是，Nd夹杂物的密度为10000个/mm3以上。
如上所述，在本发明钢中所观察的Nd夹杂物为“Nd的氧化物”以及“Nd的氧化物与硫化物的复合杂质”。具体地说，为Nd2O3、Nd2O2S4、Nd2O2SO4、Nd2O2S等。
Nd夹杂物的直径大约为0.3μm～1μm左右、各不相同，通常在含有微量Nd的钢中观察到Nd夹杂物。但是，在含有大量Co、Ni及Cu的钢中，MnS变多，Nd夹杂物显著减少。而且，若Nd夹杂物的密度小于10000个/mm3，则无法确认蠕变疲劳强度得到改善。因此，Nd夹杂物的密度必须为10000个/mm3以上。
3.制造方法
可以通过工业上通常使用的制造设备制造本发明钢。即，要获得本发明规定的化学组成的钢，可以通过电炉、转炉等炉进行提纯、脱氧以及通过添加合金元素而调整成分。尤其在需要严格调整成分时，也可以在添加合金元素之前、采用对钢液实施真空处理等适当处理的方法。
将10000个/mm3以上的Nd夹杂物导入钢中的方法如下所述。即，预先在从炼生铁到炼钢的阶段中，用C、Si、Mn、Al等进行充分脱氧。这是由于，若钢液中的氧含量多，则添加Nd的成品率变差。之后，在实施铸锭法时，在熔铸钢锭之前调整Nd以外的组成，在将要进行熔铸之前添加Nd，从而生成Nd夹杂物。另外，在实施连续铸造法时，在将钢液导入中间包之前，调整Nd以外的组成，之后，将Nd添加到中间包中，从而，生成Nd夹杂物。通过仅对Nd做最后调整，可以生成适当量的Nd夹杂物。另外，将被铸造的初轧板坯、钢坯或钢锭加工成钢管或钢板等。
制造无缝钢管时，例如，挤压钢坯并制管，或用倾斜轧辊式穿轧机进行轧制制管，也可以通过爱氏冲管制管法制造直径大的锻造管。在制造钢管时，可以根据需要实施冷加工、调整尺寸。在对制出的钢管进行适当热处理之后，根据需要、实施喷丸硬化、酸洗等表面处理。
作为钢板，有热轧钢板与冷轧钢板。通过热轧板坯，可以获得热轧钢板，若冷轧该热轧钢板，则可以获得冷轧钢板。
实施例
使用真空感应熔炼炉熔炼具有表1所示的化学组成的钢，形成直径为144mm的50kg钢锭。代码A～M表示本发明钢，代码1～22表示比较钢。对代码为A～M的钢以及代码为15～20的钢在用C、Si、Mn及Al进行充分脱氧之后、在将要熔铸之前添加Nd。从开始熔炼时起、向代码为21的钢中添加Nd；对于代码为22的钢进行只通过碳(C)实施脱氧之后，向其添加Nd。
对上述钢锭进行热锻、热轧，形成20mm厚的板。接着，在1050℃温度中保持1个小时之后，进行空冷(AC)。再在760℃～780℃中保持3个小时，进行空冷(AC)的回火处理。从上述板中选取试样，使试样的长度方向为轧制方向，在下述条件中进行蠕变断裂试验、蠕变疲劳试验以及Nd夹杂物的分布调查。
(1)蠕变断裂试验
试样：直径6.0mm、计量标点间距离30mm、试验温度600℃、负载应力160Mpa，
试验项目：断裂时间(h)。
(2)蠕变疲劳试验
试样：直径10mm、计量标点间距离25mm、试验温度600℃(大气中)
应变波形：CP波形、全应变范围Δεt＝0.5％
应变速度：拉伸一侧为0.01％/sec、压缩一侧为0.8％/sec
试验项目：蠕变疲劳寿命Nf(次循环)
(3)Nd夹杂物的分布调查
在进行热加工时，从原材料中截出试样，经过研磨、腐蚀后，通过C蒸镀制作提炼复制试样，用电子显微镜进行2000倍放大观察的同时，通过EDX分析(能量弥散X射线分析)进行杂质的鉴定，确定Nd夹杂物的个数(个/mm2)数量，用该值乘3/2，从而换算成析出密度(个/mm3)。而且，以10倍视场进行观察，将其平均值作为析出密度。
表2表示本发明钢以及比较钢的蠕变断裂试验结果、蠕变疲劳试验结果以及Nd夹杂物的分布调查结果。
表1
Figure C20068001022300191
表2
Figure C20068001022300201
如表2所示，与代码为1的ASME P91钢相比较，代码为2、代码为6的ASME P92钢的蠕变断裂时间长，蠕变强度明显高。但是，蠕变疲劳寿命大致相同。即，从ASME P92钢没有看到蠕变疲劳寿命的明显改善。
含有微量Cu、Ni或者Co的代码为3～5的钢的蠕变强度与代码为2的钢处于相同水平，但蠕变疲劳寿命明显低。
对于在代码为2、6、7、8及9的钢中Mo对蠕变断裂强度及蠕变疲劳强度产生的影响进行调查时，与代码为2及代码为6的钢相比，Mo含量较少的代码为7与代码为8的钢的蠕变疲劳强度低。另外，Mo含量较多的代码为9的钢的蠕变疲劳强度也低。
含有微量La、Ce、Ca或者Mg的代码为10～13的钢的蠕变强度以及蠕变疲劳强度都与代码为2的钢处于相同水平，没有确认到特性改善。
另一方面，满足本发明规定条件的代码A～代码M的钢蠕变断裂时间与代码为2的钢处于相同水平，但蠕变疲劳寿命显著提高。
Nd含量低于本发明规定范围的代码为14的钢的蠕变疲劳强度改善不充分。另一方面，含有过剩Nd的代码为15的钢的蠕变强度低。
含有微量Nd与奥氏体形成元素Cu、Ni或者Co的代码为16～18的钢的蠕变强度与代码为2的钢处于相同水平，蠕变疲劳强度与代码为2的钢相比有一些改善。但是，与不含Cu、Ni或Co或者降低上述成分含量的代码为A～M的钢相比较，则蠕变疲劳强度明显低。
含有的Nd在本发明规定范围内、Mo超出本发明规定范围的代码为19及代码为20的钢与不含有Nd的钢相比，蠕变疲劳寿命长。但是，与Mo含量在本发明规定范围内的代码为A～M的钢相比较，蠕变疲劳强度明显低。
代码为21及代码为22的钢的化学组成在本发明规定范围内，Nd夹杂物的分布密度没有达到本发明规定范围。上述钢由于没有充分进行脱氧就添加Nd，因此，形成非常粗大的Nd氧化物，Nd夹杂物的密度显著降低，蠕变疲劳寿命处于低水平。
产业上的应用可能性
本发明钢为在600～650℃高温下、长时间蠕变强度与蠕变疲劳强度高的耐热钢。该钢作为在火力发电、核能发电或化学工业等领域使用的热交换用钢管、压力容器用钢板、涡轮用材料发挥极佳的效果，在产业上极为有益。

Claims (9)

1.一种铁素体类耐热钢，含有质量％为0.01～0.13％的C、0.15～0.50％的Si、0.2～0.5％的Mn、0.02％以下的P、0.005％以下的S、大于8.0％且小于12.0％的Cr、0.1～1.5％的Mo、1.0～3.0％的W、0.1～0.5％的V、0.02～0.10％的Nb、0.015％以下的sol.Al、0.005～0.070％的N、0.005～0.050％的Nd、0.002～0.015％的B，剩余部分由Fe及杂质构成，杂质中的Ni小于0.3％、Co小于0.3％、Cu小于0.1％，含有Nd夹杂物，该Nd夹杂物的密度为10000个/mm3以上。
2.根据权利要求1所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，取代一部分Fe，含有以质量％计0.04％以下的Ta、0.04％以下的Hf以及0.04％以下的Ti中1种以上元素。
3.根据权利要求1或2所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，取代一部分Fe，含有以质量％计0.005％以下的Ca以及0.005％以下的Mg中的1种或者2种元素。
4.根据权利要求1或2所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，杂质中稀土元素的总量以质量％计为0.04％以下。
5.根据权利要求3所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，杂质中稀土元素的总量以质量％计为0.04％以下。
6.根据权利要求1或2所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，在拉伸一侧应变速度为0.01％/sec、压缩一侧应变速度为0.8％/sec，全应变范围为0.5％的条件下，在600℃的CP波形下蠕变疲劳寿命5000次循环以上。
7.根据权利要求3所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，在拉伸一侧应变速度为0.01％/sec、压缩一侧应变速度为0.8％/sec，全应变范围为0.5％的条件下，在600℃的CP波形下蠕变疲劳寿命5000次循环以上。
8.根据权利要求4所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，在拉伸一侧应变速度为0.01％/sec、压缩一侧应变速度为0.8％/sec，全应变范围为0.5％的条件下，在600℃的CP波形下蠕变疲劳寿命5000次循环以上。
9.根据权利要求5所述的铁素体类耐热钢，其特征在于，在拉伸一侧应变速度为0.01％/sec、压缩一侧应变速度为0.8％/sec，全应变范围为0.5％的条件下，在600℃的CP波形下蠕变疲劳寿命5000次循环以上。
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