JP2001158947A

JP2001158947A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼

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Publication number: JP2001158947A
Application number: JP2000291335A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kimura; 一弘木村; Yoshiaki Toda; 佳昭戸田
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2001-06-12
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: JP3843314B2

Abstract

(57)【要約】【課題】６５０℃を超える高温における長時間クリー
プ強度に優れ、また、耐酸化性にも優れた高Ｃｒフェラ
イト系耐熱鋼を提供する。【解決手段】Ｃｒを１３重量％以上含有し、Ｍｏおよ
びＷを含有し、フェライト相が７０体積％以上を占め
て、金属間化合物によって析出強化されている耐熱鋼と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、高Ｃｒフ
ェライト系耐熱鋼に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、６５０℃を超える高温における
長時間クリープ強度に優れ、また、耐酸化性にも優れた
高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】既存のフェライト系耐熱鋼
は、組織を、フェライト組織に比べてクリープ強度の高
い焼戻しマルテンサイト組織にすることによりクリープ
強度が高められている。

【０００３】しかしながら、焼戻しマルテンサイト組織
は高温で不安定であり、組織変化して不均一となり、ク
リープ強度が低下する。また、マルテンサイトが有する
多量の転位が長時間側でのクリープ変形を促進させる。
このため、溶接時に熱影響により組織が変化し、溶接部
のクリープ強度の低下をきたす。

【０００４】一方、Ｃｒは、耐酸化性の向上に有効な元
素であるが、含有量が１２重量部以上と高くなると、ク
リープ強度及び靱性を低下させるδフェライト相が生成
する。そこで、既存のフェライト系耐熱鋼には、δフェ
ライト相の生成を抑制するために、オーステナイト安定
化元素であるＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ等が添加されている。

【０００５】しかしながら、Ｎｉ及びＣｕの添加は、オ
ーステナイトとフェライトの変態温度を低下させる。高
温強度の長時間安定性を図るためには、焼ならし後の焼
戻し温度を高く設定した方が有利であるが、Ｎｉ及びＣ
ｕの添加は、そのようにオーステナイトとフェライトの
変態温度を低下させるため、焼戻し温度は低くなる。従
って、Ｃｒを１２重量％を超えて添加することは実際上
難しい。

【０００６】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みてなされたものであり、従来のフェライト系耐熱鋼の
欠点を解消し、６５０℃を超える高温における長時間ク
リープ強度に優れ、また、耐酸化性にも優れた高Ｃｒフ
ェライト系耐熱鋼を提供することを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の通りに、焼戻しマ
ルテンサイト組織を基本とする既存のフェライト系耐熱
鋼は６５０℃を超える高温で組織が不安定なため、長時
間側では粒界近傍で組織が不均一に変化し、クリープ強
度が急激に低下する。

【０００８】そこで、この出願の発明者は、高温での組
織安定性を実現する手法を鋭意検討した。その結果、フ
ェライト相を基本とし、これにLaves 相、μ相、σ相、
又はχ相の金属間化合物を析出させることにより、フェ
ライト系耐熱鋼の高温における長時間クリープ強度が飛
躍的に向上することを見出し、この出願の発明を完成し
た。

【０００９】すなわち、この出願の発明は、第１には、
Ｃｒを１３重量％以上含有し、ＭｏおよびＷを含有し、
フェライト相が７０体積％以上を占めるとともに、酸化
物分散による強化ではなく、金属間化合物によって析出
強化されていることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐
熱鋼を提供し、第２には、この高Ｃｒフェライト系耐熱
鋼について、Ｃｏを含有することを特徴とする高Ｃｒフ
ェライト系耐熱鋼を提供する。

【００１０】そして、この出願の発明は、第３には、第
１または第２の発明の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼であっ
て、その組成において、Ｃ：０．１０重量％に対し、Ｃ
ｒ：１５．０〜２０．０重量％、Ｍｏ：０．５〜１．０
重量％、Ｗ：１．８〜６．０重量％、Ｖ：０．２０重量
％、Ｎｂ：０．０５重量％、Ｃｏ：０または３．０〜
５．０重量％、Ｎ：０．０７重量％、Ｂ：０．００３重
量％の割合で含有することを特徴とする高Ｃｒフェライ
ト系耐熱鋼を提供する。

【００１１】第４には、第１または第２の発明の高Ｃｒ
フェライト系耐熱鋼であって、その組成が、Ｃ：０．０
１５〜０．１０重量％、Ｃｒ：１３．５〜３０．０重量
％、Ｍｏ：０．５〜１．０重量％、Ｗ：１．８〜１０．
０重量％、Ｖ：０．０５〜０．４０重量％、Ｎｂ：０．
０１〜０．１０重量％、Ｃｏ：０または０．５〜１０．
０重量％、Ｎ：０．０１〜０．０９重量％、Ｂ：０．０
０２〜０．００４重量％、残部がＦｅと不可避的不純物
からなることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を
提供する。

【００１２】さらにこの出願の発明は、第５には、金属
間化合物は、Laves 相、μ相、χ相およびσ相から選択
される少なくとも一種以上である第１ないし第４のいず
れかの高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

【００１３】

【発明の実施の形態】この出願の発明の高Ｃｒフェライ
ト系耐熱鋼は、上記の通りに、Ｃｒを１３重量％以上含
有し、フェライト相を基本とすると共に、金属間化合物
が析出していることを特徴としている。金属間化合物と
しては、Laves 相（Ｆｅ２Ｗ、Ｆｅ２Ｍｏ）、μ
相、σ相、又はχ相から選択される少なくとも一種以上
が例示される。これらの金属間化合物はフェライト相を
析出強化し、また、基本となる相が高温で不安定な焼戻
しマルテンサイトではなく、フェライトであるため、こ
の出願の発明の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼は優れた長時
間クリープ強度を実現する。溶接後の熱処理で母材と同
等のフェライト母相を得ることにより、溶接部の熱影響
による強度低下を避けることが可能である。

【００１４】なお、この出願の発明の高Ｃｒフェライト
系耐熱鋼では、基本となるフェライト相の体積％は７０
％以上である。

【００１５】さらに、この出願の発明の高Ｃｒフェライ
ト系耐熱鋼は、Ｃｒを１３重量％以上の多量に含有する
ため、既存のフェライト系耐熱鋼に比べ、耐酸化性に優
れ、耐水蒸気酸化性にも優れる。Ｃｒ量の増加は一方で
靱性の低下が懸念されるが、この出願の発明の高Ｃｒフ
ェライト系耐熱鋼では、金属間化合物が均一なサブグレ
イン組織を形成し、これが基本となるフェライト相の結
晶粒の粗大化を抑制するため、靱性は良好に保持され
る。

【００１６】金属間化合物がどのような種類の相として
形成されるかは、主として合金の化学組成に依存してい
る。たとえば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｗの３元系状態図からだけ
でも、金属間化合物としては、σ、χおよびμ相が存在
するが、それぞれの金属間化合物で化学組成が相違して
いることがわかる。このため、化学組成によって金属間
化合物の相が制御されることになる。

【００１７】この出願の発明の高Ｃｒフェライト系耐熱
鋼については、その組成としては、前記のとおり、Ｃ：
０．０１５〜０．１０重量％、Ｃｒ：１３．５〜３０．
０重量％、Ｍｏ：０．５〜１．０重量％、Ｗ：１．８〜
１０．０重量％、Ｖ：０．０５〜０．４０重量％、Ｎ
ｂ：０．０１〜０．１０重量％、Ｃｏ：０または０．５
〜１０．０重量％、Ｎ：０．０１〜０．０９重量％、
Ｂ：０．００２〜０．００４重量％、残部がＦｅと不可
避的不純物からなるものが好適なものとして例示され
る。

【００１８】さらにまた、上記の化学組成については、
不可避的不純物としての混入を除いては、実質的にＣ
（炭素）や、Ｎ、Ｂを含有しないもの、Ｖ、Ｎｂを含有
しないものも好適なものとして例示される。

【００１９】上記化学組成におけるＣｒについては、１
３重量％、さらには１３．５重量％未満では、フェライ
トの体積率が低下し、また３０．０重量％を超える場合
にはクリープ強度が低下する傾向があることから、１
３．５〜３０．０重量％を好ましい範囲としている。

【００２０】Ｃｒ以外の成分について説明すると、Ｍｏ
およびＷは強度を充分なものとするための成分であっ
て、Ｍｏが０．５〜１．０重量％、Ｗが１．８〜１０．
０重量％の範囲にあることが重要である。ＶおよびＮｂ
についても、同様に強度の向上にとって重要な成分であ
る。

【００２１】ＶおよびＮｂについては必ずしも必須の成
分ではない。ただ、クリープ強度の向上のためには、Ｖ
は、前記のとおり０．０５〜０．４０重量％、Ｎｂは
０．０１〜０．１０重量％とすることが大切である。Ｃ
ｏも、この発明においては必ずしも必須の成分ではな
い。ただＣｏは、金属間化合物の析出を増大させるよう
に作用する。その効果は、０．５〜１０．０重量％の範
囲において顕著である。なお、Ｃｏは、１０．０重量％
を超えるとフェライト相の体積率を著しく減少させるた
め、その添加量は１０．０重量％を超えないものとす
る。

【００２２】Ｎ、Ｃ（炭素）、Ｂについても、この発明
においては必ずしも必順の成分ではないが、所要の強度
を与えるためには、前記の範囲とすることが大切であ
る。

【００２３】この出願の発明の高Ｃｒフェライト系耐熱
鋼については、たとえば、溶製とその後熱間鍛造、そし
て焼なましの工程によって製造することができる。溶製
後の熱間鍛造については、９００℃以上の温度で行うの
が好ましい。９００℃未満では鍛造性が劣るからであ
る。また、焼なましは、１２００℃以上の温度に保持
し、次いで炉冷することで行うのが望ましい。この条件
において、フェライト相の高い体積率が得られることに
なる。

【００２４】また、金属間化合物の析出のために、化学
組成によっては、時効熱処理をさらに行ってもよい。た
とえば８００℃以下での時効処理である。

【００２５】そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく
この出願の発明について説明する。もちろん、以下の例
によって発明が限定されることはない。

【００２６】

【実施例】（実施例１〜８）表１に示した化学組成を有
する供試材を作製した。好ましい組成の例として、実施
例１〜８では、Ｃ：０．１０重量％に対し、Ｃｒ：１
５．０〜２０．０重量％、Ｍｏ：０．５〜１．０重量
％、Ｗ：１．８〜６．０重量％、Ｖ：０．２０重量％、
Ｎｂ：０．０５重量％、Ｃｏ：０または３．０〜５．０
重量％、Ｎ：０．０７重量％、Ｂ：０．００３重量％の
割合で含有するものとしている。供試材は、いずれも、
真空高周波溶解炉において１０ｋｇのインゴットを作製
し、直径約１３ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、１２００℃に
３０分間保持した後に炉冷して焼なましを行った。この
供試材に対して６００℃、６５０℃、及び７００℃でク
リープ試験を行い、また、硬さ測定並びに透過型電子顕
微鏡による組織観察を行った。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例１〜８の供試材の焼なまし後の組織
は、いずれも炭化物を含むフェライトであったが、炭化
物の析出密度は低かった。Ｃｏを添加した実施例４、７
及び８の供試材では体積率で数％程度のマルテンサイト
が認められた。

【００２９】表２は、実施例１〜８並びに比較例１〜３
におけるフェライト相の割合（体積％）を示したもので
ある。このフェライト相の割合の測定については、たと
えば、透過型電子顕微鏡を用いての組織観察によってフ
ェライト相とマルテンサイト相とを識別することによっ
て可能とされる。

【００３０】

【表２】

【００３１】この発明の実施例１〜８のものはいずれも
フェライト相が７０％体積％以上を占めていることがわ
かる。これに対し、比較例１〜３のものは、マルテンサ
イト相の割合が大きく、フェライト相は確認できない
か、わずかに５体積％であった。

【００３２】また、焼なまし後の硬さは、実施例１〜
３、５及び６の供試材はＨＶ＝１６０〜１８０であり、
実施例４、７及び８の供試材はＨＶ＝２３０〜２５０の
高い値を示した。

【００３３】図１は、６５０℃における応力−破断時間
曲線を示しているが、この応力−破断時間曲線から明ら
かなように、実施例１〜３及び５〜７の供試材（フェラ
イト鋼）は、従来の１〜３の供試材（マルテンサイト
鋼）に比べ、長時間側でもクリープ強度は安定してい
る。一方、比較例１〜３の供試材は長時間側でクリープ
強度が著しく低下している。

【００３４】図２は、実施例１及び２の供試材の６５０
℃−７０ＭＰａでのクリープ試験の結果を示したクリー
プ速度−時間曲線である。実施例１及び２の供試材は共
にＣｒを１５重量％含有したものであるが、実施例２の
供試材は、実施例１の供試材に比べ、金属間化合物を形
成するＭｏ及びＷの含有量が高くなっている。また、実
施例２の供試材のクリープ速度は小さく、クリープ破断
時間は約１０倍長くなっており、実施例２の供試材のク
リープ強度は実施例１の供試材のクリープ強度に比べて
高いことが分かる。

【００３５】図３〜図５は、各々、実施例２の供試材の
焼なまし直後、クリープ試験１００時間後、そしてクリ
ープ試験１０００時間後の組織を示している。組織は均
一であり、図中に黒い点で示されているのが金属間化合
物である。金属間化合物は、クリープ試験中にフェライ
ト相中に多量に析出している。

【００３６】以上から、クリープ強度の向上は、析出す
る金属間化合物によるフェライト相の強化に起因してお
り、金属間化合物の析出強化は、Ｍｏ及びＷの添加量の
増加に伴って増大すると理解される。

【００３７】図６は、実施例５〜７の供試材の６５０℃
−７０ＭＰａでのクリープ試験の結果を示したクリープ
速度−時間曲線である。実施例５〜７の供試材は、実施
例１〜４の供試材に比べ、Ｃｒの含有量が２０重量％と
高くなっている。実施例５及び６の供試材のクリープ試
験の結果からも、実施例１及び２の場合と同様に、金属
間化合物の析出強化は、Ｍｏ及びＷの添加量の増加に伴
って増大することが認められる。

【００３８】実施例７の供試材は、実施例６の供試材に
Ｃｏが添加されている。実施例６と実施例７の比較か
ら、Ｃｏの添加により金属間化合物の析出量が増大し、
クリープ強度が増大すると理解される。

【００３９】図７及び図８は、各々、実施例７の供試材
の焼なまし直後、クリープ試験１００時間後の組織を示
している。図中に黒点で示されているのが金属間化合物
であるが、金属間化合物の析出量は多い。

【００４０】図９は、６５０℃−７０ＭＰａでのクリー
プ試験を１０００時間後に中断し、実施例７の供試材か
ら採取した電解抽出残査のＸ線回折パターンである。供
試材中に金属間化合物の一つであるLaves相が形成して
いることが確認される。

【００４１】図１０は、実施例１〜４の供試材の７００
℃−７０ＭＰａでのクリープ試験の結果を示したクリー
プ速度−時間曲線である。供試材のクリープ強度が、実
施例１、実施例２、実施例３、実施例４の順に増大して
いる。

【００４２】実施例１〜４の供試材は、いずれもＣｒを
１５重量％含有しているが、実施例２の供試材は、実施
例１の供試材に比べ、金属間化合物を形成するＭｏ及び
Ｗの含有量が高い。実施例３の供試材は、実施例２の供
試材に比べ、金属間化合物を形成するＷの含有量が高
い。そして、実施例４の供試材は、実施例３の供試材に
金属間化合物の析出量を増大させるＣｏが添加されてい
る。

【００４３】これらの事実から、金属間化合物の析出量
が実施例１、実施例２、実施例３、実施例４の順に増大
し、金属間化合物の析出強化が増大し、その結果、クリ
ープ強度が増大したと理解される。

【００４４】なお、図１１は、実施例４（合金名：１５
０８）の供試材について、これより採取した電解抽出残
渣のＸ線回析パターンを示したものである。この図１１
から、金属間化合物の一つであるχ相が形成されている
のがわかる。

【００４５】図１２は、実施例５〜８の供試材の７００
℃−７０ＭＰａでのクリープ試験の結果を示したクリー
プ速度−時間曲線である。供試材のクリープ強度が、実
施例５、実施例６、実施例７、実施例８の順に増大して
いる。

【００４６】実施例５〜８の供試材は、いずれもＣｒを
２０重量％含有しているが、実施例６の供試材は、実施
例５の供試材に比べ、金属間化合物を形成するＭｏ及び
Ｗの含有量が高い。実施例７の供試材は、実施例６の供
試材に金属間化合物の析出量を増大させるＣｏが添加さ
れている。そして、実施例８の供試材は、実施例７の供
試材に比べ、金属間化合物を形成するＷの含有量が高
い。

【００４７】これらの事実から、金属間化合物の析出量
が実施例５、実施例６、実施例７、実施例８の順に増大
し、金属間化合物の析出強化が増大し、その結果、クリ
ープ強度が増大したと理解される。（実施例９〜２５）表３に示した化学組成を有する供試
材を実施例１〜８と同様にして製造した。

【００４８】実施例９〜２５のいずれの供試材もフェラ
イト相は７０体積％以上であった。また、いずれのもの
も、６５０℃を超える高温における長時間クリープ強度
に優れ、耐酸化性にも優れていることが確認された。組
織的には、いずれも金属間化合物が析出し、この析出に
より強化されていることが確認された。

【００４９】

【表３】

【００５０】添付した図１３は、実施例１３（１５０
９）、実施例１８（１５１４）の供試材について、実施
例４のものとともに、６５０℃−１２０ＭＰａのクリー
プ試験の結果を示した。クリープ速度−時間曲線であ
る。長時間クリープ強度に優れていることがわかる。

【００５１】もちろんこの出願の発明は、以上の実施の
形態及び実施例によって限定されるものではない。化学
組成、金属間化合物の種類、製造条件等の細部について
は様々な態様が可能であることは言うまでもない。

【００５２】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、６５０℃を超える高温における長時間クリ
ープ強度に優れ、また、耐酸化性にも優れた高Ｃｒフェ
ライト系耐熱鋼が提供される。この出願の発明の高Ｃｒ
フェライト系耐熱鋼は、その特性から、ボイラ、原子力
発電設備、化学工業装置等の高温高圧下で使用される装
置用の材料に適すると考えられ、発電プラントのエネル
ギー効率の向上、化学工業装置の反応効率の向上等が見
込まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜３、実施例５〜７及び比較例１〜３
の供試材の６５０℃における応力−破断時間曲線であ
る。

【図２】実施例１及び２の供試材の６５０℃−７０ＭＰ
ａでのクリープ試験の結果を示したクリープ速度−時間
曲線である。

【図３】実施例２の供試材の焼なまし直後の組織を示し
た透過型電子顕微鏡写真である。

【図４】実施例２の供試材のクリープ試験１０００時間
後の組織を示した透過型電子顕微鏡写真である。

【図５】実施例２の供試材のクリープ試験１０００時間
後の組織を示した透過型電子顕微鏡写真である。

【図６】実施例５〜７の供試材の６５０℃−７０ＭＰａ
でのクリープ試験の結果を示したクリープ速度−時間曲
線である。

【図７】実施例７の供試材の焼なまし直後の組織を示し
た透過型電子顕微鏡写真である。

【図８】実施例７の供試材のクリープ試験１００時間後
の組織を示した透過型電子顕微鏡写真である。

【図９】６５０℃−７０ＭＰａでのクリープ試験を１０
００時間後に中断し、実施例７の供試材から採取した電
解抽出残渣のＸ線回折パターンである。

【図１０】実施例１〜４の供試材の７００℃−７０Ｍｐ
ａでのクリープ試験の結果を示したクリープ速度−時間
曲線である。

【図１１】実施例の供試材の電解抽出残渣についてのＸ
線回折パターンである。

【図１２】実施例５〜８の供試材の７００℃−７０ＭＰ
ａでのクリープ試験の結果を示したクリープ速度−時間
曲線である。

【図１３】実施例１３および１８、並びに実施例４の供
試材の６５０℃−１２０ＭＰａでのクリープ試験の結果
を示したクリープ速度−時間曲線である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｒを１３重量％以上含有し、Ｍｏおよ
びＷを含有し、フェライト相が７０体積％以上を占める
とともに、酸化物分散による強化ではなく、金属間化合
物によって析出強化されていることを特徴とする高Ｃｒ
フェライト系耐熱鋼。
【請求項２】請求項１の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼で
あって、Ｃｏを含有することを特徴とする高Ｃｒフェラ
イト系耐熱鋼。
【請求項３】請求項１または２の高Ｃｒフェライト系
耐熱鋼であって、その組成において、Ｃ：０．１０重量
％に対し、Ｃｒ：１５．０〜２０．０重量％、Ｍｏ：
０．５〜１．０重量％、Ｗ：１．８〜６．０重量％、
Ｖ：０．２０重量％、Ｎｂ：０．０５重量％、Ｃｏ：０
または３．０〜５．０重量％、Ｎ：０．０７重量％、
Ｂ：０．００３重量％の割合で含有することを特徴とす
る高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
【請求項４】請求項１または２の高Ｃｒフェライト系
耐熱鋼であって、その組成が、Ｃ：０．０１５〜０．１
０重量％、Ｃｒ：１３．５〜３０．０重量％、Ｍｏ：
０．５〜１．０重量％、Ｗ：１．８〜１０．０重量％、
Ｖ：０．０５〜０．４０重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．
１０重量％、Ｃｏ：０または０．５〜１０．０重量％、
Ｎ：０．０１〜０．０９重量％、Ｂ：０．００２〜０．
００４重量％、残部がＦｅと不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
【請求項５】金属間化合物は、Laves相、μ相、χ相
およびσ相から選択される少なくとも一種以上である請
求項１ないし４のいずれかに記載の高Ｃｒフェライト系
耐熱鋼。