JP2000290756A

JP2000290756A - 熱間加工性に優れた高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP2000290756A
Application number: JP9879099A
Authority: JP
Inventors: Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木; Kunio Kondo; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2000-10-17
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP3570288B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間加工性に優れ、小径の継目無鋼管でも、傾
斜ロール式の穿孔圧延機を用いる熱間圧延製管法で高能
率かつ高歩留まりに製造可能な高Ｃｒマルテンサイト系
耐熱鋼を提供する。【解決手段】重量％で、C:0.04〜0.15％、Si:0.01〜1.0
％、Mn:0.05〜1.5％、P:0.030％以下、S:0.0010％以
下、Cr:8.0〜13.0％、W:1.0〜2.5％、Mo:0.01〜1.0％、
Cu:0.2〜2.0％、Ni:0〜0.7％、V:0.10〜0.30％、Nb:0.0
1〜0.15％、N:0.020〜0.10％、Al:0.001〜0.050％、B:
0.0001〜0.015％、Ca:0.0002〜0.010％、O:0.0050％以
下を含有し、残部は実質的にFeからなり、かつ、式「2
≦{Ca-0.1×(O+B)}／S≦30」を満たすとともに、1〜30
面積％のδフェライト相を含む組織の高Crマルテンサイ
ト系耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、継目無鋼管製造
時、特に傾斜ロール式の穿孔圧延機による製管時の熱間
加工性に優れ、かつ、高温強度、高温耐食性および溶接
性に優れた、ボイラ、原子力、化学工業などの広い産業
分野において高温耐熱部材、耐圧部材として使用して好
適な高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、原子力、化学工業用等の高温耐
熱耐圧部材に使用される耐熱鋼には、クリープ強度、耐
食性、耐酸化性、靭性および溶接性等が要求される。

【０００３】一般に、クリープ強度の点では、フェライ
ト系耐熱鋼よりもオーステナイト系耐熱鋼の方が優れて
いる。しかし、構造材料として適用する場合には、熱伝
導度が高く、熱膨張係数の小さいマルテンサイト系耐熱
鋼の方が適している。特に、近年の火力発電において
は、熱効率をより一層向上させるため、蒸気条件を高温
高圧化した条件での操業が余儀なくされつつある。

【０００４】したがって、ボイラ用鋼管等に対する要求
性能も益々過酷化してきており、長時間クリープ特性、
耐酸化性、特に水蒸気酸化の観点から、もはや既存のマ
ルテンサイト系耐熱鋼では十分に性能を満足できない状
況に至っている。

【０００５】このような問題点を解決するために、従来
のマルテンサイト系耐熱鋼よりもクリープ強度および耐
食性に優れる新しい高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼の研
究開発が活発化してきている。

【０００６】例えば、特開平２−２３２３４５号公報や
特開平３−９７８３２号公報には、従来よりもＷ量を高
めてクリープ強度を向上させ、かつ、Ｃｕを添加して耐
酸化性を向上させた高Ｃｒマルテンサイト系鋼が提案さ
れている。また、このようなＣｕ添加鋼で問題となる熱
間加工性の劣化対策に関しては、特開平５−１７８５０
号公報に示されるように、Ｎｉの添加が有効であること
が知られいる。

【０００７】一方、耐熱鋼用途ではなく、かつ、成分系
もクリープ強度の向上に欠かすことのできないＷとＢを
含有しないものの、δフェライト相を含むマルテンサイ
ト系鋼の熱間加工性の向上対策としては、特開昭５９−
２０８０５５号公報に示されるように、Ｓ量を低減した
うえでのＣａ添加が有効であることが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、高Ｃ
ｒマルテンサイト系耐熱鋼のクリープ強度を高めるため
には、Ｍｏの一部または大半をＷで置換するとともに、
Ｂ添加が極めて有効である。また、Ｃｕ含有鋼の熱間加
工性改善についても、適量のＮｉ添加が有効である。

【０００９】しかし、上記の各公報に示される高Ｃｒマ
ルテンサイト系耐熱鋼は、いずれもＣｕ含有鋼で、熱間
加工性は改善されているものの、その改善程度が不十分
なために、例えば、ボイラチューブのような小径の継目
無鋼管に仕上げる際、ユジーン・セジュルネ法に代表さ
れる熱間押出製管法を多用しなければならないという問
題があった。

【００１０】このユジーン−セジュルネ法に代表される
熱間押出製管法は、傾斜ロール式の穿孔圧延機を用いる
マンネスマン−プラグミル方式やマンネスマン−マンド
レルミル方式に代表される熱間圧延製管法に比べると、
素材ビレットの製造費が嵩むうえに、製管能率が圧倒的
に低く、製品鋼管の製造コストが高い。

【００１１】このため、ボイラチューブのような小径の
継目無鋼管であっても、上記の熱間圧延製管法によって
何ら問題なく製造可能な高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼
の開発が強く望まれていた。

【００１２】本発明の目的は、Ｗ、ＢおよびＣｕを含有
する高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼でありながら、クリ
ープ強度、耐食性、耐酸化性、靭性および溶接性等の性
能低下がなく、しかも熱間圧延製管法によって何らの問
題なく製管可能なまでに熱間加工性を向上させた高Ｃｒ
マルテンサイト系耐熱鋼を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
熱間加工性に優れた高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼にあ
る。

【００１４】重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓ
ｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００１０％以下、Ｃ
ｒ：８．０〜１３．０％、Ｗ：１．０〜２．５％、Ｍ
ｏ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎ
ｉ：０〜０．７％、Ｖ：０．１〜０．３０％、Ｎｂ：
０．０１〜０．１５％、Ｎ：０．０２０〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１〜０．０５０％、Ｂ：０．０００１〜
０．０１５％、Ｃａ：０．０００２〜０．０１０％、Ｏ
（酸素）：０．００５０％以下を含有し、残部は実質的
にＦｅからなり、かつ、下記の式を満足するととも
に、１〜３０面積％のδフェライト相を含む組織を有す
る熱間加工性に優れた高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼。

【００１５】２≦｛Ｃａ−０.１×（Ｏ＋Ｂ）｝／Ｓ≦３０・・・ここで、式中の元素記号は、鋼中の各元素の含有量（重
量％）を意味する。

【００１６】本発明者らは、Ｗ、ＢおよびＣｕを含有す
る高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼の熱間加工性を向上さ
せるために、鋭意実験研究を行った。その結果、以下の
ことを知見して本発明を完成させた。

【００１７】一般に、δフェライト相を含有しない焼戻
しマルテンサイト単相組織の高Ｃｒマルテンサイト系耐
熱鋼では、溶接継手のクリープ破断強度が母材に比べて
低下するが、面積率で１％以上のδフェライト相を含有
させると溶接継手のクリープ破断強度低下が抑制され
る。そして、この効果は、必須成分としてＷ、Ｃｕおよ
びＢを含有させた高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼におい
ても同じである。しかし、３０％を超えて含有させると
靭性や母材のクリープ破断強度が低下するが、１〜３０
％の範囲に調整すれば、所定の性能が確保される。

【００１８】１〜３０％のδフェライト相を含む上記の
高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼の熱間加工性は、鋼中の
不可避的不純物であるＳとＯ（酸素）の含有量をそれぞ
れ０．００１０％以下、０．００５０％以下にするとと
もに、上記の式を満たす量のＣａとＢを複合添加する
ことによってはじめて飛躍的に向上し、熱間圧延製管法
による小径管の安定な製造が可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明鋼の化学組成と組織
を上記のように定めた理由について、詳細に説明する。
なお、以下において、特に断らない限り、「％」は「重
量％」を意味する。

【００２０】《鋼の化学組成》Ｃ：Ｃは、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂと結合して
炭化物を形成し、高温強度に寄与するとともに、オース
テナイト生成元素であるため、マルテンサイト組織を安
定にする。これらの効果を発揮させるためには、０．０
４％以上が必要である。しかし、０．１５％を超えて含
有させると、使用初期から炭化物の凝集粗大化が起こ
り、長時間クリープ強度の低下を招くとともに、硬化し
て加工性や溶接性が劣化する。このため、Ｃ含有量は
０．０４〜０．１５％とした。

【００２１】Ｓｉ：Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤とし有効であ
るほか、高温における耐水蒸気酸化性を向上させるのに
有効な元素である。これらの効果を発揮させるために
は、０．０１％以上が必要である。しかし、１．０％を
超えて含有させると、靭性劣化を引き起こすだけでな
く、クリープ強度も低下する。したがって、Ｓｉ含有量
は０．０１〜１．０％とした。

【００２２】Ｍｎ：Ｍｎは、溶鋼の脱酸、脱硫剤として
有効であるほか、ＳをＭｎＳとして固定して熱間加工性
の向上にも寄与する元素であるが、その含有量が０．０
５％未満ではその効果が得られない。一方、１．５％を
超えて含有させると靭性が低下する。このため、Ｍｎ含
有量は０．０５〜１．５％とした。

【００２３】Ｃｒ：Ｃｒは、本発明鋼の高温における耐
食性や耐酸化性、特に耐水蒸気酸化性を確保するために
不可欠な元素である。これらの特性を得るためのＣｒ濃
度の高い緻密で保護性の高い酸化皮膜を形成させるため
には、８．０％以上が必要である。しかし、１３．０％
を超えて含有させると、δフェライト相が増加し、靭性
に悪影響を及ぼす。このため、Ｃｒ含有量は８．０〜１
３．０％とした。

【００２４】Ｎｉ：Ｎｉは、添加しなくてもよいが、添
加すればオーステナイト生成元素としてδフェライト相
の生成を抑制し、マルテンサイト組織を安定にするの
で、必要に応じて添加することができ、その効果は０．
０５％以上で顕著になる。しかし、Ｎｉは変態点を低下
させる元素であり、０．７％を超えて含有させるとクリ
ープ強度が確保できなくなる。したがって、添加する場
合のＮｉ含有量は０．７％以下とした。

【００２５】Ｃｕ：Ｃｕは、上記のＮｉと同様に、オー
ステナイト生成元素としてδフェライト相の生成を抑制
しマルテンサイト組織を安定にする。また、Ｃｕは、６
００〜７００℃の高温で保持すると極めて微細なＣｕ相
がマツリックスに分散析出し、特に溶接継手における熱
影響部（ＨＡＺ部）の軟化抑制に効果を発揮する。その
ためには０．２％以上が必要である。しかし、Ｃｕは上
記のＮｉと同様に変態点を低下させる元素であるり、
２．０％を超えて含有させると、クリープ強度が確保で
きなくなる。また、ＣｕはＳの粒界偏析を助長して熱間
加工性も劣化させる。したがって、Ｃｕ含有量は０．２
〜２．０％とした。

【００２６】Ｗ：Ｗは、本発明鋼のクリープ強度確保に
不可欠な強化元素である。Ｗは高温使用中にμ相（Ｆｅ
₇Ｗ₆型）やラーベス相（Ｆｅ₂Ｗ型）等の金属間化合物
として旧オーステナイト粒界やマルテンサイトラス境界
に分散析出し、長時間クリープ強度の向上に寄与する。
さらに、ＷはＣｒ炭化物中にも一部固溶して、炭化物の
凝集、粗大化を抑制し、強度の維持に寄与する。これら
の効果を得るためには１．０％が必要であるが、２．５
％を超えて含有させると、靱性が低下する。このため、
Ｗ含有量は１．０〜２．５％とした。

【００２７】Ｍｏ：Ｍｏは、クリープ強度を高めるのに
有効であり、上記のＷとの複合添加で固溶強化さらには
析出強化に寄与する。その効果を十分に発揮させるため
には０．０１％以上が必要である。しかし、Ｗと複合添
加する場合、１．０％を超えて含有させると、かえって
クリープ強度が低下するだけでなく、靱性も低下する。
このため、Ｍｏ含有量は０．０１〜１．０％とした。

【００２８】Ｖ：Ｖは、Ｃ、Ｎと結合して微細な炭窒化
物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。その効
果を発揮させるためには、０．１０％以上が必要である
が、０．３０％を超えると効果が飽和する。このため、
Ｖ含有量は０．１０〜０．３０％とした。

【００２９】Ｎｂ：Ｎｂは、上記のＶと同様に、Ｃ、Ｎ
と結合して微細な炭窒化物を形成して、クリープ強度の
向上に寄与する。また、結晶粒の微細化にも寄与するた
めに靱性向上にも有効である。その効果を発揮させるた
めには、０．０１％以上が必要であるが、０．１５％を
超えて含有させると溶接性が劣化する。したがって、Ｎ
ｂ含有量は０．０１〜０．１５％とした。

【００３０】Ａｌ：Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として添加さ
れるが、その効果を得るには０．００１％が必要でり、
逆に０．０５０％を超えて含有させるとクリープ強度が
低下する。このため、Ａｌ含有量は０．００１〜０．０
５０％とした。なお、本発明でいうＡｌとは、ｓｏｌ．
Ａｌ（酸可溶Ａｌ）のことである。

【００３１】Ｎ：Ｎは、Ｖ、Ｎｂと結合して炭窒化物を
形成してクリープ強度の向上に寄与する重要な元素の一
つである。その効果を発揮させるためには０．０２０％
以上が必要であるが、０．１０％を超えて含有させると
窒化物の粗大化が進行し、逆に靭性低下が著しくなると
ともに、溶接性や熱間加工性も劣化する。このため、Ｎ
含有量は０．０２０〜０．１０％とした。

【００３２】Ｂ：Ｂは、微量の添加で微細なＭ₂₃Ｃ₆ 型
炭化物を分散析出させる効果があり、高温長時間クリー
プ特性の向上に寄与する。また、Ｂは高温延性を改善す
る効果があり、本発明の目的である熱間加工性の向上に
は欠かすことのできない元素である。その効果を発揮さ
せるためには、０．０００１％以上が必要であるが、
０．０１５％を超えて含有させると溶接性が劣化する。
したがって、Ｂ含有量の範囲は０．０００１〜０．０１
５％とした。

【００３３】Ｐ：Ｐは、鋼中に不純物として含まれ、溶
接性や靱性の点からは低い方が望ましいが、０．０３０
％以下であれば、本発明鋼の性能に直接影響を及ぼさな
いため、その上限を０．０３０％とした。好ましい上限
は０．０２０％である。

【００３４】Ｓ：Ｓは、上記のＰと同様に、鋼中に不純
物として含まれるが、本発明の目的である高Ｃｒマルテ
ンサイト系耐熱鋼の熱間加工性を向上させるためには、
０．００１０％以下にする必要がる。これは、Ｓ含有量
が０．００１０％超の場合、本発明鋼のように、クリー
プ強度確保の観点からＷを多量添加し、かつ、Ｓの粒界
偏析を助長するＣｕを添加した１〜３０面積％のδフェ
ライト相を含む鋼では、次に述べるＣａを添加しても、
熱間加工性がほとんど改善されないためである。したが
って、Ｓ含有量は０．００１０％以下とした。好ましい
上限は０．０００７％である。

【００３５】Ｃａ：Ｃａは、鋼中の固溶Ｓを低減させて
熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。その効
果を発揮させるためには、Ｓ量とＯ量を、それぞれ０．
００１０％以下、０．００５０％以下に低減した状態
で、０．０００２％以上を含有させる必要がある。しか
し、０．０１０％を超えて含有させると、熱間加工性の
向上効果が飽和する反面、介在物量が増加して、特に溶
接性が著しく劣化する。したがって、Ｃａ含有量は０．
０００２〜０．０１０％とした。

【００３６】Ｏ（酸素）：Ｏは、鋼中に不純物として含
まれ、本発明鋼の熱間加工性を向上させるためには、上
記したように、０．００５０％以下にする必要がある。
好ましい上限は０．００４０％である。

【００３７】Ｃａ、Ｂ、ＳおよびＯの関係：本発明鋼の
Ｃａ、Ｂ、ＳおよびＯの含有量は、それぞれ上記の範囲
内において下式を満たす含有量でなければならない。こ
れは、Ｃａ、Ｂ、ＳおよびＯの含有量がそれぞれ上記の
範囲内であっても、下式を満たさない場合には、熱間加
工性が著しく低下するからである。このことは、後述す
る実施例の結果から明らかである。

【００３８】《鋼の組織》本発明鋼は、面積％で、１〜
３０％のδフェライト相を含むマルテンサイト組織でな
ければならない。これは、δフェライト相の含有量が１
面積％未満では、溶接継手のクリープ破断強度低下が大
きくなり、逆に、３０面積％超では、靭性や母材のクリ
ープ破断強度が低下するためである。

【００３９】上記の化学組成と組織を有する本発明の高
Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼は、転炉や電気炉などの製
鋼炉を用いて溶製し、必要に応じてその溶湯をＡＯＤ炉
やＶＯＤ炉などの製錬炉を用いて製錬し、次いで造塊法
や連続鋳造法などで所定の大きさの鋳片とする。そし
て、この鋳片を熱間圧延製管法や熱間押出製管法に供し
て所定寸法の継目無鋼管に成形した後、所定の熱処理
（例えば、焼きならし＋焼戻しの処理）を施すことで製
造できる。その際、特別な処理は不要で、常法に従って
製造すればよい。

【００４０】

【実施例】表１〜表３に示す化学組成を有する５３種類
の鋼を、５０ｋｇの真空誘導溶解炉で溶製し、外径１４
４ｍｍのインゴットにした後、熱間鍛造で厚さ４０ｍｍ
の板材とした。

【００４１】なお、表中、鋼No. １〜２０は本発明の
鋼、鋼No. Ａ１〜Ａ８、Ｂ１〜Ｂ７、Ｃ１〜Ｃ３、Ｄ１
〜Ｄ３、Ｅ１〜Ｅ３、Ｆ１〜Ｆ３、Ｇ１〜Ｇ３およびＨ
１〜Ｈ３は比較例の鋼である。また、表中には、式
「｛Ｃａ−０.１×（Ｏ＋Ｂ）｝／Ｓ」で求めた値を
式の値として示した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】得られた各板材には、１０５０℃に１時間
加熱保持後空冷する熱処理を施した後、δフェライト相
の面積割合を調べる一方、外径１０ｍｍ、長さ１３０ｍ
ｍの試験片を採取して下記条件のグリーブル試験に供
し、絞り値を求めることで、その熱間加工性を調べた。

【００４６】なお、δフェライト相の面積割合は、ＪＩ
ＳＧ０５５５に規定される「鋼の非金属介在物の顕
微鏡試験方法」に準じて測定して求めた。

【００４７】《グリーブル試験条件》試験片加熱：１２５０℃に３分間均熱保持、試験温度：９００℃、付与歪み速度：１／Ｓ（ここで、Ｓは秒である）、 ′試験方法：高速引張試験。

【００４８】上記の試験条件は、傾斜ロール式の穿孔圧
延機を用いる熱間圧延製管法、具体的にはマンネスマン
−プラグミルまたはマンネスマン−マンドレルミル方式
による製管時の加熱条件と加工条件を模擬した条件であ
る。

【００４９】なお、試験温度を、実際の製管温度（１２
５０℃）よりも低い９００℃としたのは、８５０〜１２
００℃の範囲で行った予備実験の結果、本発明鋼は９０
０℃の絞り値が最も小さく、熱間加工性が最も劣ること
が判明したためでる。

【００５０】以上の調査結果を、表１〜表３に併せて示
すとともに、代表的な２つの成分系（１２Ｃｒ−２Ｗ−
０．３５Ｍｏ−１Ｃｕ−０．３５Ｎｉ系と、１２Ｃｒ−
２Ｗ−０．３５Ｍｏ−０．３５Ｃｕ−０．１５Ｎｉ系）
の本発明例鋼と比較例鋼の結果を、図１に対比して示し
た。

【００５１】表１〜表３および図１に示す結果からわか
るように、本発明例の鋼はNo. ９の鋼を除けば、いずれ
も絞り値が８０％以上であり、熱間加工性が極めて良好
であった。

【００５２】これに対し、比較例の鋼の絞り値は、最も
高いもので、鋼No. Ａ７の７５％であり、熱間加工性が
悪かった。

【００５３】なお、データは省略するが、本発明例の鋼
のクリープ強度、耐食性、耐酸化性、靭性および溶接性
は、前述の各公報に示される従来鋼と同等以上であっ
た。また、実機のマンネスマン−マンドレルミル方式に
よる製造実験の結果も極めて良好で、小径のボイラーチ
ューブを何らの問題もなく製造できた。

【００５４】

【発明の効果】本発明の高Ｃｒマルテンサイト系耐熱鋼
は、熱間加工性が極めて高い。このため、小径のボイラ
ーチューブであっても、傾斜ロール式の穿孔圧延機を用
いる熱間圧延製管法のよって高能率かつ高歩留まりに製
造することが可能で、安価な製品を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例結果の一部を対比して示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓ
ｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００１０％以下、Ｃ
ｒ：８．０〜１３．０％、Ｗ：１．０〜２．５％、Ｍ
ｏ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎ
ｉ：０〜０．７％、Ｖ：０．１０〜０．３０％、Ｎｂ：
０．０１〜０．１５％、Ｎ：０．０２０〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１〜０．０５０％、Ｂ：０．０００１〜
０．０１５％、Ｃａ：０．０００２〜０．０１０％、Ｏ
（酸素）：０．００５０％以下を含有し、残部は実質的
にＦｅからなり、かつ、下記の式を満足するととも
に、１〜３０面積％のδフェライト相を含む組織を有す
ることを特徴とする熱間加工性に優れた高Ｃｒマルテン
サイト系耐熱鋼。２≦｛Ｃａ−０.１×（Ｏ＋Ｂ）｝／Ｓ≦３０・・・ここで、式中の元素記号は、鋼中の各元素の含有量（重
量％）を意味する。