JP2001073066A - 高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼およびその製造方法 - Google Patents

高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】４００〜６００℃程度の高温におけるクリープ
強度が高く、かつそのような温度域で長時間使用しても
安定した強度を示し、さらに焼戻脆化を抑制した靱性に
優れた低Ｃｒフェライト鋼およびその製造方法の提供。 【解決手段】Ｃｒを０．１〜３重量％を含み、かつ下記
式を満足し、結晶粒内に析出するＭＸ型析出物中に、Ｍ
ｏを３０重量％以上、Ｎｂを７重量％以上含有している
耐熱鋼、および鋳造まままたは熱間加工後に、焼きなら
しまたは直接焼入れした後、所定の冷却速度で冷却し、
次いで焼戻しする製造方法。 ０．１≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｖ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ボイラ、化学工
業、原子力等の分野で使用される熱交換器や配管用鋼
管、耐熱バルブ、接続継手等として使用するのに好適な
高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼に関
する。
【０００２】
【従来の技術】 ４００℃以上の高温で使用
される耐熱鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼、
Ｃｒ含有量が９〜１２％の高Ｃｒフェライト鋼、Ｃ
ｒ含有量が数％の低Ｃｒフェライト鋼、および炭素鋼
に大別される。
【０００３】そして、鋼種は使用環境（温度、圧力等）
および経済性を考慮して適宜選択される。
ところで、
これらの鋼種のうち、低Ｃｒフェライト系耐熱鋼は一般
に、数％のＣｒと、必要に応じてＭｏ、Ｗ等の合金元素
を含む焼戻マルテンサイト、または焼戻ベイナイト組織
を有する耐熱鋼である。
【０００４】低Ｃｒフェライト系耐熱鋼の特徴点は、Ｃ
ｒを含有しているため炭素鋼に比べて耐酸化性、高温耐
食性および高温強度に優れていることである。また、オ
ーステナイト系ステンレス鋼に比べて、高温強度の点で
は劣るが格段に安価で、且つ熱膨張係数が小さく、さら
には高Ｃｒフェライト鋼に比べても安価であって靱性、
溶接性および熱伝導性に優れていることが特徴である。
【０００５】このような低Ｃｒフェライト鋼の代表例と
してＪＩＳで規格化されているＳＴＢＡ２０（０．５Ｃ
ｒ−０．５Ｍｏ）、ＳＴＢＡ２２（１．０Ｃｒ−０．５
Ｍｏ）、ＳＴＢＡ２３（１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ）、
ＳＴＢＡ２４（２．２５Ｃｒ−１．０Ｍｏ）等が知られ
ている。
【０００６】高温強度は耐圧部材の設計上極めて重要で
あり、使用温度によらず高強度であることが望ましい。
特に、ボイラ、化学工業、原子力用などに用いられてい
る耐熱耐圧鋼管では、素材の高温強度に応じて管の肉厚
が決定される。
【０００７】低Ｃｒフェライト系鋼の高温強度の改善
は、固溶強化と析出強化によりなされている。
【０００８】固溶強化による高温強度改善は、一般に適
正量のＣ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷを含有させることにより
おこなわれているが、高温で長時間使用すると炭化物の
粗大化や金属間化合物の析出が生じて高温長時間側のク
リープ強度が低下する。強度を上昇させるために固溶元
素の添加量を増量し、固溶強化を高める方法が考えられ
るが、固溶限以上の添加はこれらの元素の析出を助長
し、かえって靱性、加工性および溶接性を劣化させる。
【０００９】析出強化による高温強度改善は、析出強化
元素であるＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、等を添加することによりお
こなわれている。このような低Ｃｒフェライト鋼は例え
ば、特開昭５７−１３１３４９号、特開昭５７−１３１
３５０号、特開昭５９−２２６１５２号、特開平８−１
５８０２２号等の各公報により多数の提案がなされ、実
用化もされている。
【００１０】さらに、析出強化型の低Ｃｒフェライト鋼
として、タービン用材料である1Cr-1Mo-0.25V鋼や高速
増殖炉用構造材料である2.25Cr-1Mo-Nb鋼がよく知られ
ている。
【００１１】しかし、析出強化をする場合、適切な組織
制御をおこなわない場合には次のような問題が生ずる。
【００１２】（ａ）未使用材や短時間使用材では高強度
を有するものの、１００００時間以上もの長時間高温に
曝されると析出強化効果が低減し、安定した強度が得ら
れなくなる。これは、未使用材や短時間使用材では炭化
物、窒化物が析出強化に寄与するが、高温で長時間使用
中に生じる時効により、これらの析出物が凝集粗大化
し、析出強化能が失われるからである。
【００１３】（ｂ）析出強化鋼では粒内が強化されてい
るため、相対的に粒界が弱くなり、靱性や耐食性が劣化
する。
【００１４】低Ｃｒフェライト鋼の高温強度をさらに高
めることができれば、次のような利点が得られる。
【００１５】１）従来、耐高温腐食性がそれほど厳しく
要求されない使用環境でも、高温強度確保のためにオー
ステナイト系ステンレス鋼あるいは高Ｃｒフェライト系
鋼が使用されていたが、これらの鋼に代えて低Ｃｒフェ
ライト系鋼を用いれば、低Ｃｒフェライト系鋼の特性、
例えば優れた溶接性、熱伝導性、耐疲労特性および経済
性を生かすことができる。
【００１６】２）従来の用途において、肉厚を薄くする
ことが可能となり、それによって熱伝導性が向上し、プ
ラントの熱効率そのものを改善することができるととも
に、プラントの起動、停止に伴う熱疲労負荷を軽減する
ことができる。
【００１７】３）肉厚の薄肉化による軽量化によりプラ
ントのコンパクト化と製造コストの低減ができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、４０
０〜６００℃程度の高温におけるクリープ強度が高く、
且つそのような温度域で長時間使用しても安定した強度
を示し、さらに焼戻脆化を抑制した靱性に優れた低Ｃｒ
フェライト系耐熱鋼およびその製造方法を提供すること
にある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。
【００２０】（１）重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５
％、Ｃｒ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．００５〜０．２
％、Ｍｏ：０．０１〜２．５％、Ｃａ：０．０００１〜
０．０１％、Ｎ：０．０００５〜０．０１％、Ｂ：０．
０００１〜０．０１％を含み、かつ下記式を満足し、結
晶粒内に析出しているＭＸ型析出物中に、Ｍｏを３０重
量％以上、Ｎｂを７重量％以上含有している高温強度と
靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
【００２１】０．１≦Ｎｂ＋Ｍｏ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す （２）重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃｒ：
０．１〜３％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｍｏ：
０．０１〜２．５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１
％、Ｎ：０．０００５〜０．０１％、Ｂ：０．０００１
〜０．０１％、Ｖ：０．０２〜０．５重量％を含み、か
つ下記式を満足し、結晶粒内に析出しているＭＸ型析出
物中に、Ｍｏを３０重量％以上、Ｎｂを７重量％以上お
よびＶを１０％以上含有している高温強度と靱性に優れ
た低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
【００２２】０．１≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｖ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す （３）Ｚｒを０．００２〜０．１重量％含有している上
記（１）または（２）に記載の低Ｃｒフェライト系耐熱
鋼。
【００２３】（４）Ｔｉを０．００２〜０．１重量％含
有している上記（１）〜（３）のいずれかに記載の低Ｃ
ｒフェライト系耐熱鋼。
【００２４】（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記
載の化学組成の低Ｃｒフェライト系耐熱鋼を鋳造し、鋳
造したまま、または熱間加工後に、９５０℃以上の温度
で焼ならしをおこなった後、室温まで冷却するに際し、
８５０℃から６５０℃までの温度範囲を下記式（１）ま
たは（２）で得られる冷却速度ＡとＢのうちの速い方の
冷却速度以上の平均冷却速度で冷却し、次いで下記式
（３）と（４）で得られる温度範囲内で焼戻処理を施す
ことを特徴とする高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェラ
イト系耐熱鋼の製造方法。
【００２５】 A=0.6×log(Nb)+1.24 ・・・・・・・・ (1) B=0.1×log(C+N)+0.3 ・・・・・・・・ (2) C=780-125×Mo/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (3) D=780+100×Nb/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (4) （６）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の化学組成
の低Ｃｒフェライト系耐熱鋼を、熱間圧延して１１００
〜９００℃の温度範囲内で仕上げた後、２００℃以下に
冷却するに際し、８５０℃から６５０℃までの温度範囲
を下記式（１）または（２）で得られる冷却速度ＡとＢ
のうちの速い方の冷却速度以上の平均冷却速度で冷却
し、次いで下記式（３）と（４）で得られる温度範囲内
で焼戻処理を施すことを特徴とする高温強度と靱性に優
れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼の製造方法。
【００２６】 A=0.6×log(Nb)+1.24 ・・・・・・・・ (1) B=0.1×log(C+N)+0.3 ・・・・・・・・ (2) C=780-125×Mo/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (3) D=780+100×Nb/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (4) なお、本発明の耐熱鋼は主として熱間加工した鍛鋼であ
るが、鋳造のままの鋼も含むものとする。また、平均冷
却速度とは、下記式で得られる速度である。
【００２７】２００℃／８５０から６５０℃までの冷却
に要する時間 また、ＭＸのＭはＮｂ、Ｖ、Ｍｏ等の金属元素、Ｘは
Ｃ、Ｎ等の侵入型元素で、ＭとＸの原子数比が１：１で
あることを表す。
【００２８】本発明者は、低Ｃｒフェライト鋼の高温強
度、特に４００℃以上でのクリープ強度と焼戻処理後の
靱性を向上させるため、炭化物による析出強化に着目
し、４００℃以上の高温での粒内の炭化物析出挙動と粒
界強度について種々の試験を繰り返した結果、以下の知
見を得て本発明を完成するに至った。
【００２９】ａ）低Ｃｒフェライト系耐熱鋼において
は、析出物のうちＭＸ型炭窒化物が最も析出強化作用が
強く、クリープ強度向上に有効である。
【００３０】ｂ）ＭＸは粒内に析出し、鋼の化学組成、
熱処理条件に依存してＭＸの構成成分が変化する。例え
ば、ＭｏとＮｂが複合添加された鋼の場合、ＭＸの金属
成分はＭｏとＮｂからなる。Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖが複合添加
された場合、ＭＸの金属成分はＭｏ、Ｎｂ及びＶからな
る。その他、Ｔｉ、ＺｒもＭＸのＭになり得る。
【００３１】ｃ）ＭＸの中で金属成分Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、
Ｚｒ、Ｔｉ等が完全に混ざり合って（Mo,Nb,V,Zr,Ti）
(C,N)の複合析出の状態にある場合に、凝集粗大化が抑
えられる。すなわち、高温での長時間使用後も、微細な
ＭＸが安定、且つ高密度に保たれて析出強化能が持続す
る。
【００３２】一方、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ等が各
々別のサイトに析出する場合、例えばMoC,NbC,VC等が別
々の場所に析出したり、NbCを核にしてその回りにVCが
析出するような場合は、一部の析出物の凝集粗大化が速
くなり、析出強化能が低下する。
【００３３】ｄ）Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ等が複合
析出していても、下記の条件を満たさない場合には、特
定の析出物が凝集粗大化しやすくなり、析出強化作用が
長時間持続しなくなる。
【００３４】すなわち、ＭＸ型析出物中のうち８割以上
が、Ｍｏを３０重量％以上、Ｎｂを７重量％以上、また
Ｖ含有鋼の場合、Ｖを１０重量％以上含有すること。
【００３５】ｅ）しかしながら、たとえ微細なＭＸによ
って粒内強化が図られても、粒界に粒界結合力を弱める
ような不純物元素が偏析すると、焼戻し脆化やクリープ
脆化のような靱性劣化現象が生ずる。
【００３６】（ｆ）そのため、適量のＣａ、Ｂ、および
必要に応じてＺｒを含有させるのがよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】次に、本発明の耐熱鋼の化学組成
および析出物の組成を限定した理由について以下に詳し
く説明する。なお、以下の説明において、化学成分の含
有量の％表示はすべて重量％を意味する。
【００３８】Ｃ：０．０１〜０．２５％ Ｃは、Ｎｂ、Ｖ、ＴｉおよびＺｒ等とＭＸ型の炭窒化物
を形成し、高温強度に寄与するとともに、それ自体がオ
ーステナイト安定化元素として組織を安定化する。
【００３９】Ｃ含有量が０．０１％未満では炭化物の析
出量が不十分である上に、焼入性が低下して強度と靱性
を損なう。一方、０．２５％を超えると炭化物が過剰に
析出し、鋼が著しく硬化して加工性と溶接性を損なう。
したがって、Ｃ含有量は０．０１〜０．２５％とした。
【００４０】Ｃｒ：０．１〜３％ Ｃｒは、耐酸化性と高温耐食性の改善のために不可欠の
元素である。Ｃｒ含有量が０．１％未満ではこれらの効
果が得られない。一方、３％を超えると経済的でなくな
り、低Ｃｒフェライト鋼の利点が少なくなる。したがっ
て、Ｃｒ含有量の範囲は０．１〜３％とした。
【００４１】Ｎｂ：０．００５〜０．２％ Ｎｂは、ＭｏとともにＣと結合してＭＸ型析出物を形成
し、クリープ強度の向上に寄与する。ＭＸにＮｂが含ま
れていると、ＭＸの粗大化が抑えられてＭＸの熱的安定
性が高められるため、長時間側のクリープ強度の低下が
防止される。さらに、結晶粒を微細化して溶接性および
靱性の改善にも有効である。しかし、０．００５％未満
ではＭＸの析出量が少なく、クリープ強度の向上に寄与
しない。一方、０．２％を超えて過剰に含有する場合に
は、析出物が粗大化しやすく、かえって強度と靱性を損
なう。したがって、Ｎｂ含有量は０．００５〜０．２％
とした。望ましくは０．０２〜０．０８％である。但
し、Ｎｂ含有量とＭｏ含有量の合計が０．１％未満の場
合にはＭＸによる析出強化が得られないため、０．１％
≦Ｎｂ＋Ｍｏとした。
【００４２】Ｍｏ：０．０１〜２．５％ Ｍｏは固溶強化の作用を有する。また、ＭＸとしてＮｂ
やＶとともに複合析出するため、析出強化作用も有し、
クリープ強度の向上に有効な元素である。さらには焼戻
脆化やクリープ脆化を防止し、靱性改善に有効な元素で
ある。しかし、０．０１％未満では上記の効果が得られ
ない。一方、２．５％を超えて過剰に含有させると、そ
の効果が飽和するとともに、長時間加熱後には粗大な炭
化物析出を誘発して強度および靱性を損なう。したがっ
て、Ｍｏ含有量は０．０１〜２．５％とした。望ましく
は０．０５〜１．５％である。さらに望ましくは０．２
〜１％である。
【００４３】但し、Ｎｂ含有量とＭｏ含有量の合計が
０．１％未満の場合にはＭＸによる析出強化が得られな
いため、０．１％≦Ｎｂ＋Ｍｏとする必要がある。
【００４４】Ｃａ：０．０００１〜０．０１％ Ｃａは、介在物の低減に有効であり、鋳鋼として用いる
場合に鋳造性を向上させるのに有効である。また、焼戻
脆化やクリープ脆化に有害なＳを固定して靱性改善に寄
与する。ただし、０．０００１％未満の添加では上記の
効果が得られない。一方、０．０１％を超えて含有させ
ると、炭化物や硫化物を増加させ、かえって靱性および
強度を損なう。したがって、Ｃａ含有量は０．０００１
〜０．０１％とした。
【００４５】Ｎ：０．０００５〜０．０１％ ＮはＮｂ、Ｖ、ＴｉおよびＺｒと結合した場合、微細な
炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上、結晶粒の微細
化による靱性改善およびＨＡＺの軟化の防止に寄与す
る。しかし、０．０００５未満では上記の効果が得られ
ない。一方、０．０１％を超えて過剰に含有させると炭
化物が粗大化するとともに、焼戻脆化やクリープ脆化が
生じやすくなる。したがって、Ｎ含有量は０．０００５
〜０．０１％とした。望ましくは０．００１〜０．０１
％である。
【００４６】Ｂ：０．０００１〜０．０１％ Ｂは粒界強化元素であり、焼戻脆化及びクリープ脆化の
防止に有効である。また、炭化物を微細化し、クリープ
強度の向上に寄与する。しかし、０．０００１未満では
上記の効果が得られない。一方、０．０１％を超えて過
剰に添加すると、粒界炭化物の析出を促進し、かえって
靱性を劣化させる。したがってＢ含有量は０．０００１
〜０．０１％とした。望ましくは０．００１〜０．００
５％である。
【００４７】Ｖ：０．０２〜０．５％ Ｖは、ＭｏやＮｂとの複合析出によりＭＸを形成し、ク
リープ強度の向上に寄与する。さらに、粒界上への粗大
な炭化物の析出を抑制し、強度及び靱性の安定化に有効
である。上記効果を得るには０．０２％以上含有させる
のが望ましい。一方、０．５％を超えるとＭＸが粗大化
しやすくなるため、かえって強度と靱性を損なう。した
がって、Ｖを含有させる場合には０．０２〜０．５％と
するのがよい。望ましくは０．０５〜０．３％である。
【００４８】また、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＶの含有量の合計
が０．１％未満の場合には、十分な析出強化作用が得ら
れないことから、０．１％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｖとする必要
がある。
【００４９】Ｚｒ：０．００２〜０．１％ Ｚｒは有効な脱酸元素であり、Ｃａを添加する場合にＣ
ａが酸素と結合するのを防止して、ＣａによるＳの固定
硫効果を上げるのに有効である。さらに、Ｎｂと同様に
Ｃと結合してＭＸを形成し、細粒化による靱性改善およ
びクリープ強度の向上に寄与するため、必要に応じて含
有させる。含有させる場合は０．００２％以上が好まし
く、０．１％を超えて過剰に含有させると、ＭＸが粗大
化しやすくなるため、かえって強度と靱性を損なう。し
たがって、Ｚｒを含有させる場合には、上限を０．１％
とするのがよい。
【００５０】Ｔｉ：０．００２〜０．１％ ＴｉはＮｂと同様にＣと結合してＭＸを形成し、クリー
プ強度の向上に寄与する。さらに、結晶粒を微細化し、
溶接熱影響部（ＨＡＺ部）の軟化防止にも有効であり、
必要に応じて含有させる。含有させる場合０．００２％
以上が好ましく、０．１％を超えて過剰に添加すると、
鋼を著しく硬化させて靱性、加工性および溶接性を損な
う。したがって、Ｔｉを含有させる場合は、上限を０．
１％とするのがよい。
【００５１】Ｔａ：Ｔａは、Ｔｉと同様にＣと結合して
ＭＸを形成し、クリープ強度の向上に寄与する。さら
に、結晶粒を微細化し、ＨＡＺの軟化防止にも有効であ
り、必要に応じて含有させる。しかし、０．１％を超え
て過剰に添加すると、鋼を著しく硬化させ、靱性、加工
性および溶接性を損なう。したがって、Ｔａを含有させ
る場合は、上限を０．１％とするのがよい。
【００５２】Ｗ：ＷはＭｏと同様に固溶強化の作用を有
し、より高温のクリープ強度の向上に有元素であり、必
要に応じて含有させる。しかし、２．５％を超えて過剰
に添加すると、その硬化が飽和するとともに、かえって
溶接性と靱性を損なう。したがって、Ｗを含有させる場
合は、上限を２．５％とするのがよい。
【００５３】Ｃｏ：Ｃｏはオーステナイト安定化元素で
あり、かつ固溶強化作用を有し、必要により含有させ
る。しかし、０．５％を超えると高温でのクリープ強度
を低下させる。また、経済性の点からも過剰添加は好ま
しくない。したがって、Ｃｏを添加させる場合は、上限
を０．５％とするのがよい。
【００５４】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト安定化元素で
あり、かつ靱性改善に寄与し、必要により含有させる。
しかし、０．５％を超えて含有させると高温でのクリー
プ強度を低下させる。また、経済性の点からも過剰に含
有させるのは好ましくない。したがって、Ｎｉを含有さ
せる場合は、上限を０．５％とするのがよい。
【００５５】Ｃｕ：Ｃｕはオーステナイト安定化元素で
あり、且つ熱伝導性の向上に寄与し、必要により含有さ
せる。しかし、０．５％を超えて含有させると高温での
クリープ強度や靱性を劣化させる。したがって、Ｃｕを
含有させる場合は、上限を０．５％とするのがよい。
【００５６】Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として有効な元素で必
要により用いる。この効果を得るには０．００１％以上
含有させるのがよい。一方、０．０５％を超えるとクリ
ープ強度と加工性を損なう。したがって、Ａｌを含有さ
せる場合は、その範囲を０．０００５〜０．０５％とす
るのがよい。さらに望ましくは０．００１〜０．０１％
である。
【００５７】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤として作用し、鋼の耐
水蒸気酸化特性を高める元素で必要により用いる。これ
らの効果を得るには０．０１％以上含有させるのがよ
い。一方、０．７％を超えて含有させると靱性が著しく
低下し、クリープ強度に対しても有害である。したがっ
て、Ｓｉを含有させる場合は、その範囲を０．０１〜
０．７％とするのがよい。さらに望ましい上限は０．５
％である。
【００５８】Ｍｎ：Ｍｎは、溶製時に脱酸剤として作用
すると共に、Ｓを固定することによって熱間加工性を向
上させ、さらには、焼入性を向上させる元素で必要によ
り含有させる。これらの効果を得るには０．０１％以上
含有させるのがよい。一方、１％を超えるとクリープ強
化に有効な微細炭窒化物の安定性を損ない、高温長時間
のクリープ強度が低下する。したがって、Ｍｎを含有さ
せる場合は、０．０１〜１％とするのがよい。さらに望
ましい上限は、０．８％である。
【００５９】Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以
下 ＰおよびＳは、不可避不純物元素であり、いずれも靱
性、加工性および溶接性に有害であり、特に焼戻脆化を
促進させる。このため、可能な限り低くすることが望ま
しく、Ｐの許容上限は０．０３％、Ｓの許容上限は０．
０１５％である。
【００６０】本発明の耐熱鋼は、少なくとも上記の合金
元素を含有しており、下記の合金元素を必要により選択
的に含有させることができる。
【００６１】ＭＸ型炭窒化物：ＭＸ型炭窒化物は、結晶
粒内に微細析出する。ＭＸのＭは金属元素（主として、
Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴａ）、ＸはＣまた
はＮを表し、金属元素とＣまたはＮが１対１で結合する
ことを意味する。また、一般にＭＸはＮｂＣ、ＮｂＮ、
ＭｏＣ、ＭｏＮ、ＶＣ、ＶＮ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＴａＮ、等およびこれらの複合析
出物の総称であるが、本発明鋼におけるＭＸは上記の炭
窒化物で構成された複合析出物（上記の諸炭窒化物が完
全に混ざり合った状態）とする。その理由は、ＮｂＣ、
ＮｂＮ、ＭｏＣ、ＭｏＮ、ＶＣ、ＶＮ、ＺｒＣ、Ｚｒ
Ｎ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＴａＮ、等が各々別の場
所から析出したり、ある析出物を核として別の析出物が
析出する場合には、特定の析出物の凝集粗大化が顕著に
生ずるのに対し、複合析出物の場合にはＭＸが均一分散
し、合金元素量が少なくても効果的に析出強化が図られ
るからである。ただし、ＭＸ中の、Ｍｏ含有量が３０重
量％未満またはＮｂ含有量が７重量％未満の場合には、
複合析出の効果はない。またＶを含む鋼の場合、さらに
ＭＸ中のＶ含有量が１０重量％未満の場合も複合析出の
効果はない。したがって、ＭＸ中の金属成分は、Ｍｏが
３０重量％以上且つＮｂが７重量％以上、またＶ含有鋼
の場合には、ＭＸ中に１０重量％以上のＶが含まれるも
のとする。
【００６２】なお、ＭＸ中のＭ量は、例えば透過電子顕
微鏡を用いてＥＤＸ分析をおこなうことにより求めるこ
とができる。
【００６３】次に、製造方法について説明する。
【００６４】本発明の製造方法の対象となる耐熱鋼は、
溶解、鋳造したまま使用する鋳鋼、および熱間加工後使
用する鍛鋼である。本発明で規定する化学成分の鋼に下
記の熱処理を施すことにより、ＭＸ型炭窒化物を本発明
で規定する範囲内の化学組成にすることができる。
【００６５】（１）鋳造したまま、または熱間加工後の
焼きならし 焼きならしは、オーステナイト変態開始温度以上で、且
つＭＸが固溶する温度でおこなうのが好ましい。未固溶
のＭＸは主としてＮｂＮ、ＮｂＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣ
が各々単独に析出し凝集粗大化したものであり粗大であ
る。したがって未固溶のＭＸが増加すると、クリープ強
度と靱性を低下させる。また、未固溶のＭＸが多いほ
ど、その後の焼戻や長時間時効時に析出する微細なＭＸ
の析出密度が低下し、十分な強化作用が得られない。具
体的には、９５０℃未満の温度での焼きならしでは、未
固溶のＭＸが凝集粗大化して強度、靱性が劣化する。し
たがって、焼ならし温度は９５０℃以上とするのがよ
い。上限は特に限定しないが、ＭＸが固溶する温度、１
２００℃以下が望ましい。この処理は、鋳造したまま、
または熱間加工後の鋼に有効である。
【００６６】（２）熱間圧延後の仕上げ温度 鋳造した後、熱間圧延して鋼板や鋼管にする場合は、熱
間圧延の加工歪みによる再結晶や析出の均一化の効果を
生かすには、圧延仕上温度を１１００〜９００℃の温度
範囲に制御圧延するのがよい。仕上圧延温度がこの範囲
になければ、転位は蓄積されず、熱間加工の効果が現れ
ない。圧延仕上温度の上限は、経済性の観点から１１０
０℃以下とするのが望ましい。また、制御圧延の場合は
熱間圧延した後に、焼きならし処理を行わないため、省
エネルギーによる製造コストの低減が図れる。
【００６７】（３）焼きならし、または熱間圧延後の冷
却 冷却条件としては、８５０℃から６５０℃までの温度範
囲を下記式（１）または（２）で得られる冷却速度Ａと
Ｂのうちの速い方の冷却速度以上の平均冷却速度で冷却
する。
【００６８】 A=0.6×log(Nb)+1.24 ・・・・・・・・ (1) B=0.1×log(C+N)+0.3 ・・・・・・・・ (2) 冷却速度がＡ未満の場合は、冷却中に粗大なＮｂＣ、Ｎ
ｂＮが析出し、またＢ未満の場合は、冷却中にＮｂＣ、
ＮｂＮ以外の粗大な炭化物、窒化物が析出して靱性およ
び強度が劣化する。さらに、冷却速度がＢ以上、Ａ未満
の場合には、ＮｂＣ、ＮｂＮ以外の炭化物、窒化物の粗
大化は押さえられるが、ＮｂＣ、ＮｂＮは粗大化してし
まう。また、Ａ以上、Ｂ未満の場合は、ＮｂＣ、ＮｂＮ
の粗大化は抑制されるが、それ以外の炭化物、窒化物が
粗大化してしまう。したがって、冷却速度はＡ以上で、
かつＢ以上（すなわち、ＡとＢのどちらか高いほうの冷
却速度以上）の平均冷却速度としなければならない。
【００６９】冷却速度の上限は特に限定するものではな
いが、実用的には水冷に相当する冷却速度２０℃／秒以
下が望ましい。なお、焼きならし後は、組織をマルテン
サイト変態またはベイナイト変態させるため室温まで冷
却する必要があるが、６５０℃未満の温度範囲では冷却
速度は規制する必要はなく、放冷でよい。また、熱間圧
延後の冷却は、粗大なＮｂＮ、ＮｂＣの析出を防止する
ために、８５０〜６５０の温度範囲をＡ以上、かつＢ以
上の冷却速度で２００℃以下に冷却する必要があるが、
６５０℃未満の温度範囲の冷却速度は特に規制する必要
はなく放冷でよい。また、制御圧延により加工歪が蓄え
られると変態点が上昇するため室温まで冷却する必要は
なく、２００℃以下であればよい。
【００７０】（４）焼戻し 焼戻しは、ＭＸ炭窒化物を析出させるために重要であ
り、焼戻し温度は下記式で得られるＣ〜Ｄ℃の温度範囲
内でおこなう。
【００７１】 C=780-125×Mo/(Mo+Nb) D=780+100×Nb/(Mo+Nb) 焼戻し温度が、Ｃ℃未満では、ＭＸ中のＮｂが７％未満
となり、強化能が小さくなる。さらに、粒界に別の炭化
物がフィルム状に析出して靱性を劣化させる。一方、Ｄ
℃を超えるとＭＸ中のＭｏ量が３０％未満となり、強度
および靱性を悪化させる。さらに、Ｖを含有する場合
は、焼戻し温度がＣ℃未満やＤ℃を超える場合、ＭＸ中
のＶが１０％未満となり、所望の強度、靱性が得られな
い。したがって、焼戻温度はＣ〜Ｄ℃の範囲内とするの
がよい。
【００７２】
【実施例】１５０ｋｇ真空溶解炉で、表１および表２に
示す化学組成の２８種の鋼を溶解し、下記の３種類の工
程で鋳造から焼戻し処理をおこなった。
【００７３】
【表１】
【００７４】
【表２】
【００７５】（１）インゴット−機械加工−焼きならし
−焼戻し（鋳造ＮＴ） インゴットを直接機械加工をして５０ｍｍ厚の鋼板を製
作したのち、焼きならし、焼戻しをおこなった。
【００７６】（２）インゴット−熱間鍛造−焼きならし
−焼戻し（ＮＴ） 鋳造したインゴットを１２００〜１０００℃の温度範囲
で鍛造して厚さ５０ｍｍの鋼板とした。この鋼板につい
て焼きならし、焼きもどし処理を施した。
【００７７】（３）インゴット−鍛造−熱間圧延−焼き
ならし−焼戻し（ＤＱＴ） 鋳造したインゴットを１２００〜１０００℃の温度範囲
で鍛造して厚さ１００ｍｍの鋼板とした。この鋼板につ
いて１２５０℃に再加熱したのち、続いて仕上温度を８
００〜１０５０℃の範囲で種々変化させ熱間圧延をおこ
ない、その後室温まで表３に示す速度で冷却した。こう
して得られた鋼板について焼きもどし処理をおこなっ
た。以上の熱処理条件の詳細を表３に示す。
【００７８】
【表３】
【００７９】焼戻し後の各鋼板から、抽出レプリカ試料
を採取し、それをＦＥＧ（電界放出型電子銃）透過電子
顕微鏡を用い、ＥＤＸ分析（エネルギー分散Ｘ線分光分
析）によりＭＸ型炭窒化物の組成を測定した。ＦＥＧ透
過電子顕微鏡はビームを数ｎｍ以下に絞ることができる
ため、数ｎｍ以下のＭＸ炭窒化物の分析も精度良く測定
できる。なお、分析は２０粒子おこなった。表２にはＭ
Ｘ中のＮｂ、ＭｏおよびＶの含有量を示す。
【００８０】高温強度および靱性を調べるため、クリー
プ試験とシャルピー衝撃試験とを実施した。
【００８１】クリープ試験では、直径６ｍｍ、平行部の
長さ３０ｍｍの試験片を製作し、５２５℃で最長１００
００時間の試験をおこない、平均破断強度を求めた。ま
た、５２５℃×１０００時間と５２５℃×１００００時
間の強度を比較し、強度の低下率を求め、高温での強度
の安定性の指標とした。
【００８２】シャルピー衝撃試験では、１０×１０×５
５（ｍｍ）、２ｍｍＶノッチ試験片（ＪＩＳ４号試験
片）を用い、延性−脆性破面遷移温度を求めた。表４に
評価結果を示す。
【００８３】
【表４】
【００８４】比較鋼うちＢ無添加のＡ鋼においては微細
な炭窒化物が少なく、クリープ強度低い。
【００８５】Ｃａ無添加のＢ鋼においては、焼戻脆化が
起こりやすく、靱性が不芳である。
【００８６】である。
【００８７】Ｃｒ量の低いＣ鋼においては、水蒸気酸化
が起こりやすくクリープ強度が低い。
【００８８】Ｃ、Ｎ量の低いＤ鋼においては、ＭＸ炭窒
化物が析出せず、クリープ強度が低い。
【００８９】Ｍｏ無添加のＥ鋼においては、Ｍｏによる
固溶強化、析出強化がおこらず、クリープ強度が低い。
また、焼戻脆化が起こりやすくなり、靱性が不芳であ
る。
【００９０】Ｂ過剰添加のＦ鋼においては、粒界に粗大
な炭化物が析出し、靱性が不芳である。
【００９１】Ｎｂ無添加のＧ鋼においては、本発明で規
定する化学組成を有する微細なＭＸが析出せず、クリー
プ強度が低い。
【００９２】Ｍｏ過剰添加のＨ鋼においては、長時間時
効後に炭化物の粗大化が生じ、長時間強度の低下率が大
きい。
【００９３】Ｃ過剰添加のＩ鋼においては、長時間時効
後に炭化物が凝集粗大化しやすい上に、焼戻時に残留応
力が緩和せず、靱性が不芳である。
【００９４】Ｎｂ過剰添加のＪ鋼においては、粗大なＭ
Ｘが多量に析出し、靱性が不芳である。
【００９５】Ｃａ過剰添加のＫ鋼においては、粗大な介
在物が未固溶で存在し、靱性が不芳である。
【００９６】また、比較例における１〜３鋼を用いた場
合は、化学組成は本発明で規定（以下、規定と記す）す
る範囲内にあるが、熱処理方法が適正でないため、ＭＸ
の組成は規定を満たしていない。このため、クリープ強
度が低く、靱性も不芳である。また、比較例における４
と５鋼を用いた場合は、化学組成は規定範囲内にある
が、焼戻温度範囲が適正でない。このため、ＭＸの組成
は規定を満たいておらず、強度または靱性が不芳であ
る。
【００９７】一方、本発明鋼においては、５２５℃×１
００００時間平均強度が１７０ＭＰａ以上を満たし、且
つ５２５℃×１０００時間から１００００時間経過後の
強度低下は２０％と以下に抑えられ、安定した強度を有
する。また、焼戻後の延性−脆性破面遷移温度は−１０
℃以下と良好な靱性を示す。
【００９８】
【発明の効果】本発明によれば、４００〜６００℃の高
温で長時間使用してもクリープ破断強度が安定して高
く、且つ靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼が得ら
れる。したがって、靱性の要求される厚肉材や、従来高
Ｃｒフェライト鋼が使用されていた用途にも用いること
ができ、経済的な効果が大きい。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
    ｒ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｍ
    ｏ：０．０１〜２．５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０
    １％、Ｎ：０．０００５〜０．０１％、Ｂ：０．０００
    １〜０．０１％を含み、かつ下記式を満足し、結晶粒内
    に析出しているＭＸ型析出物中に、Ｍｏを３０重量％以
    上、Ｎｂを７重量％以上含有していることを特徴とする
    高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。 ０．１≦Ｎｂ＋Ｍｏ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す
  2. 【請求項２】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
    ｒ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｍ
    ｏ：０．０１〜２．５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０
    １％、Ｎ：０．０００５〜０．０１％、Ｂ：０．０００
    １〜０．０１％、Ｖ：０．０２〜０．５重量％を含み、
    かつ下記式を満足し、結晶粒内に析出しているＭＸ型析
    出物中に、Ｍｏを３０重量％以上、Ｎｂを７重量％以上
    およびＶを１０％重量以上含有していることを特徴とす
    る高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。 ０．１≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｖ ここで、元素記号は各元素の含有量（重量％）を示す
  3. 【請求項３】Ｚｒを０．００２〜０．１重量％含有して
    いることを特徴とする請求項１または２記載の低Ｃｒフ
    ェライト系耐熱鋼。
  4. 【請求項４】Ｔｉを０．００２〜０．１重量％含有して
    いることを特徴とする請求項１、２および３のいずれか
    に記載の低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
  5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の化学組成
    の低Ｃｒフェライト系耐熱鋼を鋳造し、鋳造したまま、
    または熱間加工後に、９５０℃以上の温度で焼ならしを
    おこなった後、室温まで冷却するに際し、８５０℃から
    ６５０℃までの温度範囲を下記式（１）または（２）で
    得られる冷却速度ＡとＢのうちの速い方の冷却速度以上
    の平均冷却速度で冷却し、次いで下記式（３）と（４）
    で得られる温度範囲内で焼戻処理を施すことを特徴とす
    る高温強度と靱性に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼の
    製造方法。 A=0.6×log(Nb)+1.24 ・・・・・・・・ (1) B=0.1×log(C+N)+0.3 ・・・・・・・・ (2) C=780-125×Mo/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (3) D=780+100×Nb/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (4)
  6. 【請求項６】請求項１〜４のいずれかに記載の化学組成
    の低Ｃｒフェライト系耐熱鋼を、熱間圧延して１１００
    〜９００℃の温度範囲内で仕上げた後、２００℃以下に
    冷却するに際し、８５０℃から６５０℃までの温度範囲
    を下記式（１）または（２）で得られる冷却速度ＡとＢ
    のうちの速い方の冷却速度以上の平均冷却速度で冷却
    し、次いで下記式（３）と（４）で得られる温度範囲内
    で焼戻処理を施すことを特徴とする高温強度と靱性に優
    れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼の製造方法。 A=0.6×log(Nb)+1.24 ・・・・・・・・ (1) B=0.1×log(C+N)+0.3 ・・・・・・・・ (2) C=780-125×Mo/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (3) D=780+100×Nb/(Mo+Nb) ・・・・・・・ (4)
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