JP2001342549A

JP2001342549A - 低・中Ｃｒ系耐熱鋼

Info

Publication number: JP2001342549A
Application number: JP2001021239A
Authority: JP
Inventors: Yoshiori Kono; 佳織河野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2001-12-14
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: CA2342664A1; CN1316540A; KR100422409B1; EP1143026B1; DE60110861T2; EP1143026A1; US6514359B2; CN1117883C; KR20010100856A; DE60110861D1; US20010035235A1; JP3518515B2; CA2342664C

Abstract

(57)【要約】【課題】400℃以上の高温、なかでも 400〜600℃程度の
温度域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高温強度を示し、更
に、靱性にも優れた低・中Ｃｒ系耐熱鋼の提供。【解決手段】C：0.01〜0.25％、Cr：0.5〜8％、V：0.05
〜0.5％、Si≦0.7％、Mn≦1％、Mo≦2.5％、W≦5％、Nb
≦0.2％、N≦0.1％、Ti≦0.1％、Ta≦0.2％、Cu≦0.5
％、Ni≦0.5％、Co≦0.5％、B≦0.1％、Al≦0.05％、Ca
≦0.01％、Mg≦0.01％、Nd≦0.01％以下を含み、残部は
Feと不純物で、且つ、下記 fn1の値が0.01以上、下記 f
n2の値が0.60以下で、結晶粒内析出物のうち平均直径が
30ｎｍ以下の析出物の存在密度が１個／μｍ^３以上で
ある低・中Ｃｒ系耐熱鋼。ここで、fn1＝C−0.06×（Mo
＋0.5W）、fn2＝Mn＋0.69×ｌｏｇ（Mo＋0.5W＋0.0
1）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラ、化学工
業、原子力などの分野で使用される熱交換器や配管用鋼
管、耐熱バルブ及び溶接が必要な部材といった用途に好
適なＣｒ含有量が８質量％以下の低・中Ｃｒ系耐熱鋼に
関し、特に４００℃以上の高温におけるクリープ強度と
高温強度に優れるとともに靱性にも優れた低・中Ｃｒ系
耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、４００℃以上の高温環境において
は、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｃｒ含有量が９〜
１２質量％の高Ｃｒ系鋼、Ｃｒ含有量が数質量％の低・
中Ｃｒ系鋼、及び炭素鋼が、環境（温度、圧力など）と
経済性の両方の面から適宜選択され、耐熱鋼として使用
されてきた。

【０００３】上記の各種耐熱鋼のうちで、低・中Ｃｒ系
鋼はＣｒ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、高温強度及びクリープ強度に優れてい
る。更に、低・中Ｃｒ系鋼は、オーステナイト系ステン
レス鋼に比べれば高温強度やクリープ強度は劣るものの
熱膨張係数が小さく、加えて格段に安価である。しか
も、低・中Ｃｒ系鋼は、高Ｃｒ系鋼に比べても安価で、
靱性、溶接性及び熱伝導性に優れるという特徴も有して
いる。このため、所謂「Ｃｒ−Ｍｏ鋼」、すなわち、質
量％でのＣｒとＭｏの含有量を基にして、それぞれ０．
５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、１．０Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、
１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、２．２５Ｃｒ−１．０Ｍ
ｏ鋼、５．０Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼と称されるJIS G 3462
に規定のＳＴＢＡ２０、ＳＴＢＡ２２、ＳＴＢＡ２３、
ＳＴＢＡ２４、ＳＴＢＡ２５などの低・中Ｃｒ系耐熱鋼
が用いられることが多かった。

【０００４】一般に耐熱鋼の高温強度及びクリープ強度
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る耐熱耐圧鋼管の場合、そ
の素材には高温強度及びクリープ強度の高い鋼が要求さ
れ、前記鋼管の肉厚は素材の高温強度及びクリープ強度
に応じて決定されている。このため、既に述べた低・中
Ｃｒ系鋼の高温強度とクリープ強度の改善は、固溶強化
と析出強化によりなされてきた。しかしながら、高温強
度と長時間側のクリープ強度は必ずしも両立するもので
はない。

【０００５】固溶強化による低・中Ｃｒ系耐熱鋼の高温
強度の改善は、一般に、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの含有量
を増加させることにより行われてきた。しかし、これら
の合金元素を固溶限を超えて含有させて高温強度を高め
た鋼の場合には、高温での長時間使用でＣ、Ｃｒ、Ｍｏ
及びＷを主成分とする炭化物や金属間化合物の析出が生
じ、高温長時間側でのクリープ強度が低下することがあ
った。したがって、前記従来の「Ｃｒ−Ｍｏ鋼」の場合
もこの問題を避けることができなかった。

【０００６】一方、析出強化による低・中Ｃｒ系耐熱鋼
の高温強度及びクリープ強度の改善は、析出強化元素で
あるＶ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａなどを含有させることにより
行われており、このような析出強化型の低・中Ｃｒ系耐
熱鋼としては、質量％での含有量を基にして、タービン
用材料である１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０．２５％Ｖ鋼や高
速増殖炉用構造材料である２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ−
Ｎｂ鋼などがよく知られている。

【０００７】更に、特開昭６３−１８０３８号公報、特
開平１−３１６４４１号公報、特開平２−２１７４３９
号公報、特開平６−２２０５３２号公報、特開平８−１
３４５８５号公報、ＷＯ９６／１４４４５号公報などに
析出強化型の低、中Ｃｒフェライト系鋼が記載されてい
る。

【０００８】しかし、析出強化させて低・中Ｃｒ系鋼の
強度、なかでも高温強度を高める場合、適切な組織制御
を行わないと次のような問題が生ずる場合がある。

【０００９】（ａ）未使用材や高温での短時間使用材は
高い高温強度とクリープ強度を有するものの、高温で１
００００時間以上もの長時間に曝されると析出効果が低
減し、安定した高温強度とクリープ強度が得られなくな
る場合がある。これは、未使用材や高温での短時間使用
材では炭化物、窒化物、炭窒化物及び金属間化合物が析
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
失われることがあるからである。

【００１０】（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、このため靱性や耐食
性が劣化する場合がある。

【００１１】（ｃ）鋼材の組織がベイナイトとフェライ
トの２相組織、又はマルテンサイトとフェライトの２相
組織である場合、ベイナイトやマルテンサイト中では微
細な析出物が析出して高温強度とクリープ強度が上昇す
るが、フェライト中では析出物が粗大化しやすくなって
析出強化能が低下し、このため、上記２相組織を形成す
る相の間に変形能（高温強度や延性など）の差が生じ、
靱性やクリープ強度が劣化する場合がある。又、高温で
の使用中に、ベイナイトとフェライトとの界面やマルテ
ンサイトとフェライトとの界面で析出物が粗大化し、靱
性や疲労特性が劣化する場合がある。したがって、１％
Ｃｒ−１％Ｍｏ−０．２５％Ｖ鋼や２．２５％Ｃｒ−１
％Ｍｏ−Ｎｂ鋼及び前記各公報で提案された析出強化型
の低・中Ｃｒ系鋼にはそれぞれ次の問題が生ずることが
あった。１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０．２５％Ｖ鋼の場合に
は、Ｖ炭窒化物の析出量が過剰となることに加えて析出
物の粗大化がおこりやすく、したがって、靱性やクリー
プ強度が劣化する場合があった。

【００１２】２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ−Ｎｂ鋼の場合
には、Ｍ_６Ｃ炭化物などの結晶粒界析出物が粗大化し
やすく、却って素地中のＭｏの固溶量が減少するため、
靱性及びクリープ強度が劣化する場合があった。

【００１３】特開昭６３−１８０３８号公報で提案され
た３％Ｃｒ−１％Ｍｏ−Ｗ−Ｖ鋼の場合には、Ｍ_６Ｃ
炭化物が析出しやすく、却って素地中のＭｏ及びＷの固
溶量が減少してクリープ強度、なかでも破断時間が６０
００時間を超える長時間側のクリープ強度の劣化をきた
す場合があった。

【００１４】特開平１−３１６４４１号公報で提案され
た「靱性に優れた耐熱鋼」は、Ｃｒ−Ｍｏ鋼をベースに
Ｖを含有させた耐熱鋼である。但し、その組織はフェラ
イトとベーナイト、又は、フェライトとパーライトの２
相組織とする必要があり、しかも、実施例に記載のよう
にフェライト相率は７０％以上である。したがって、高
温強度が劣る場合があった。

【００１５】特開平２−２１７４３９号公報で提案され
た「耐食、耐酸化性に優れた高強度低合金鋼」は、Ｃｒ
−Ｍｏ鋼をベースにＶ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉなどを含有さ
せた耐熱鋼である。しかし、上記公報に開示された鋼に
は、ミクロ組織中の析出物についての配慮がなされてい
ないし、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗの含有量バランス次第では
Ｍ_６Ｃ炭化物が析出しやすくなるので、高温強度、ク
リープ強度、靱性のいずれかが劣化する場合があった。

【００１６】特開平６−２２０５３２号公報に記載され
た鋼は、Ｃｒ−Ｍｏ鋼をベースにＮｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂを
含有させた初析フェライトの面積率が１０％以下である
ベイナイト組織からなる、高降伏比高靱性非調質高強度
鋼である。しかし、この鋼はミクロ組織中の析出物につ
いての配慮がなされていないし、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗの
含有量バランス次第ではＭ_６Ｃ炭化物が析出しやすく
なるので、高温強度、クリープ強度、靱性のいずれかが
劣化する場合があった。

【００１７】更に、特開平８−１３４５８５号公報で提
案された「高温強度及び耐酸化性に優れたフェライト系
耐熱鋼」とＷＯ９６／１４４４５号公報で提案された
「高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼」は、いずれも
Ｃｒ−Ｍｏ鋼をベースにＶ、Ｎｂ、Ｂを含有含有させ
た、断面面積率で１５％以下の初析フェライトと残部ベ
イナイトからなる組織を有する鋼である。しかし、上記
２つの公報に開示された鋼もミクロ組織中の析出物につ
いての配慮がなされておらず、更に、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、
Ｗの含有量バランス次第ではＭ_６Ｃ炭化物が析出しや
すくなるので、高温強度、クリープ強度、靱性のいずれ
かが劣化する場合があった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】種々の問題を生ずる場
合がある低・中Ｃｒ系耐熱鋼の高温強度とクリープ強度
を一層高めることができれば、次のような利点が得られ
る。すなわち、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、高温強度及びクリープ強度を
確保するために高Ｃｒ系鋼が使用されていたが、高Ｃｒ
系鋼に代えて低・中Ｃｒ系鋼を用いれば、経済的に有利
であることに加えて低・中Ｃｒ系鋼の特性、例えば優れ
た溶接性を生かすことができる。

【００１９】又、従来の用途においても、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。更
に、プラントの起動、停止に伴う熱疲労負荷を軽減する
こともできる。

【００２０】更に、肉厚が薄くなり軽量化できるので、
プラントがコンパクトになるし、製造コストの低減も可
能である。

【００２１】そこで、本発明は、４００℃以上の高温、
なかでも４００〜６００℃程度の温度域におけるクリー
プ強度が高く、且つ、そのような温度域で長時間使用し
ても安定した高温強度を示し、更に、靱性にも優れたＣ
ｒ含有量が８質量％以下の低・中Ｃｒ系耐熱鋼を提供す
ることを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）〜（１６）に示す低・中Ｃｒ系耐熱鋼にある。

【００２３】（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５
％、Ｃｒ：０．５〜８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｓ
ｉ：０．７％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｍｏ：２．５％以
下、Ｗ：５％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｎ：０．１％
以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｔａ：０．２％以下、Ｃ
ｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５
％以下、Ｂ：０．１％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃ
ａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｎｄ：
０．０１％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からな
り、且つ、下記 (1)式及び (2)式を満たす化学組成で、
結晶粒内析出物のうち平均直径が３０ｎｍ以下の析出物
の存在密度が１個／μｍ^３以上である低・中Ｃｒ系耐
熱鋼。

【００２４】Ｃ−０．０６×（Ｍｏ＋０．５Ｗ）≧０．０１・・・ (1) Ｍｎ＋０．６９×ｌｏｇ（Ｍｏ＋０．５Ｗ＋０．０１）≦０．６０・・・ (2) ここで、上記 (1)式及び (2)式における元素記号は、そ
の元素の質量％での鋼中含有量を表す。

【００２５】（２）結晶粒界析出物を構成する金属元素
中のＶ量がいずれも２質量％以上、且つ、その短径と長
径の比である「短径／長径」の値が０．５以上である上
記（１）に記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００２６】（３）化学組成が更に下記 (3)〜 (5)式を
満たす上記（１）又は（２）に記載の低・中Ｃｒ系耐熱
鋼。

【００２７】Ｂ−（Ｎ／３）≧０・・・ (3) （Ｃｒ／７）−Ｖ＞０・・・ (4) ｌｏｇ｛（Ｃｒ／７）−Ｖ｝×ｌｏｇ（Ｎｂ＋２Ｔｉ＋０．００１）≦２・・・ (5) ここで、上記 (3)〜 (5)式における元素記号は、その元
素の質量％での鋼中含有量を表す。

【００２８】（４）ＭｏとＷの含有量がＭｏ（％）＋
０．５Ｗ（％）の値で０．０１〜２．５％で、且つ、Ｎ
ｂの含有量が０．００２〜０．２％である上記（１）〜
（３）のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００２９】（５）Ｎの含有量が０．００１〜０．１
％、Ｔｉの含有量が０．００１〜０．１％、Ｔａの含有
量が０．００２〜０．２％、Ｃｕの含有量が０．０１〜
０．５％、Ｎｉの含有量が０．０１〜０．５％、Ｃｏの
含有量が０．０１〜０．５％の少なくともいずれかを満
たす上記（１）〜（４）のいずれかに記載の低・中Ｃｒ
系耐熱鋼。

【００３０】（６）Ｂの含有量が０．０００１〜０．１
％である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低・中
Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３１】（７）Ａｌの含有量が０．００１〜０．０
５％である上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低・
中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３２】（８）Ｃａの含有量が０．０００１〜０．
０１％、Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎ
ｄの含有量が０．０００１〜０．０１％の少なくともい
ずれかを満たす上記（１）〜（５）のいずれかに記載の
低・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３３】（９）Ｂの含有量が０．０００１〜０．１
％で、且つ、Ａｌの含有量が０．００１〜０．０５％で
ある上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低・中Ｃｒ
系耐熱鋼。

【００３４】（１０）Ｂの含有量が０．０００１〜０．
１％で、且つ、Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０１
％、Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの
含有量が０．０００１〜０．０１％の少なくともいずれ
かを満たす上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低・
中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３５】（１１）Ａｌの含有量が０．００１〜０．
０５％で、且つ、Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０
１％、Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄ
の含有量が０．０００１〜０．０１％の少なくともいず
れかを満たす上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低
・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３６】（１２）Ｂ及びＡｌの含有量がそれぞれ
０．０００１〜０．１％、０．００１〜０．０５％で、
且つ、Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｍｇ
の含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの含有量が
０．０００１〜０．０１％の少なくともいずれかを満た
す上記（１）〜（５）のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系
耐熱鋼。

【００３７】（１３）不純物中のＰとＳの含有量が、そ
れぞれ、質量％で０．０３％以下、０．０１５％以下で
ある上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の低・中Ｃ
ｒ系耐熱鋼。

【００３８】（１４）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２
５％、Ｃｒ：０．５〜８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：１％以下を含み、残部はＦ
ｅ及び不純物からなり、透過電子顕微鏡を用いて加速電
圧１００ｋｖ以上で鋼の断面を観察した場合に確認され
る直径３０ｎｍ以下の整合析出物が結晶粒内に１個／μ
ｍ^３以上の密度で存在し、且つ結晶粒界にセメンタイ
ト、Ｍ_７Ｃ_３炭化物及びＭ_２３Ｃ_６炭化物のうちの１
種以上の粒界析出物が存在し、これらの粒界析出物を構
成する金属元素Ｍ中のＶ量がいずれも２質量％以上で、
その短径と長径の比である「短径／長径」の値が０．５
以上である高温強度に優れた低・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００３９】（１５）Ｆｅの一部に代えて、更に、下記
(a)〜 (g)のグループのうちから選ばれた１グループ又
は２グループ以上の元素を含む上記（１４）に記載の高
温強度に優れた低・中Ｃｒ系耐熱鋼。

【００４０】(a)：質量％で、Ｎｂ：０．００２〜０．
２％、Ｔｉ：０．００１〜０．１％及びＴａ：０．００
２〜０．２％のうちから選ばれた１種又は２種以上。

【００４１】(b)：質量％で、Ｎ：０．００１〜０．１
％。 (c)：質量％で、Ｍｏ：０．０１〜２．５％及びＷ：
０．０２〜５％のいずれか一方又は双方。

【００４２】(d)：質量％で、Ｂ：０．０００１〜０．
１％。

【００４３】(e)：質量％で、Ｃｏ：０．０１〜０．５
％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％及びＣｕ：０．０１〜
０．５％のうちから選ばれた１種又は２種以上。

【００４４】(f)：質量％で、Ａｌ：０．００１〜０．
０５％。

【００４５】(g)：質量％で、Ｃａ：０．０００１〜
０．０１％及びＭｇ：０．０００１〜０．０１％のいず
れか一方又は双方。（１６）不純物としてのＰとＳが、それぞれ、質量％
で、０．０３％以下、０．０１５％以下である上記（１
４）又は（１５）に記載の高温強度に優れた低・中Ｃｒ
系耐熱鋼。

【００４６】本発明における「平均直径」とは、具体的
には短径と長径の和の１／２で定義される値をいう。な
お、本発明で規定する平均直径３０ｎｍ以下の析出物
は、透過電子顕微鏡を用いて加速電圧１００ｋＶ以上で
観察した場合に容易に観察でき、特に、加速電圧が３０
００ＫＶといった超高圧電子顕微鏡を用いれば原子単位
まで観察可能であるので、上記析出物の平均直径の下限
値はＦｅや析出物の格子定数に相当する０．３ｎｍ程度
としてもよい。但し、通常の加速電圧（例えば、１００
〜２００ｋＶ）の場合には、平均直径が２ｎｍ以下で
は、透過電子顕微鏡の分解能以下のサイズとなって、明
瞭に確認できない場合があるので、上記析出物の平均直
径の下限値は２ｎｍとするのが現実的である。

【００４７】本発明の「整合析出物」とは、金属元素を
Ｍとし、Ｃ又はＮをＸとした場合にＭＸで表され、Ｖ、
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａなどを主成分とするＶＣ、ＶＮ、Ｎｂ
Ｃ、ＮｂＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＴａＮなどと、
Ｍ_２Ｘで表され、Ｍｏ、Ｃｒを主成分とするＭｏ_２Ｃ
、Ｃｒ_２Ｎなどの、結晶粒内に析出する微細な炭化
物、窒化物又は炭窒化物及びこれらの複合析出物を総称
するものである。以下、本明細書においては、上記の整
合析出物を単にＭＸ型の析出物ということもある。な
お、素地（以下、母相ともいう）と析出物との界面が部
分的に整合であって、そこに界面転位が存在する場合の
析出物も整合析出物に含むものとする。

【００４８】なお、上記本発明の低・中Ｃｒ系耐熱鋼
は、鍛鋼又は鋳鋼のいずれであってもよい。

【００４９】本発明者らは、前記した課題を達成するた
めに、低・中Ｃｒ系耐熱鋼の化学組成、析出物及び素地
の組織と、靱性、４００℃以上の高温、なかでも４００
〜６００℃の温度域におけるクリープ強度及び高温強度
との関係について種々検討を行った。その結果、下記の
知見が得られた。イ．結晶粒界にＭ_６Ｃ炭化物が析出すればクリープ強
度、高温強度、靱性のいずれかが低下するが、特定の化
学組成を有する低・中Ｃｒ系耐熱鋼において、Ｃ、Ｍ
ｎ、Ｍｏ、Ｗ、の含有量が前記した (1)式及び (2)式を
満足すれば、Ｍ_６Ｃ炭化物は析出しない。しかも、長
時間側でのクリープ強度に有効な固溶Ｍｏ量や固溶Ｗ量
が確保できる。ロ．Ｍ_６Ｃ炭化物中にはＶはほとんど固溶しない。換
言すれば、Ｍ_６Ｃ炭化物の金属元素Ｍ中には、Ｖはほ
とんど含まれない。ハ．結晶粒内に平均直径３０ｎｍ以下の微細な析出物が
１個／μｍ^３以上の密度で存在しておれば、析出強化
作用によって低・中Ｃｒ系耐熱鋼の高温強度とクリープ
強度が高まる。ニ．上記結晶粒内における平均直径３０ｎｍ以下の析出
物が「整合析出物」、すなわち「ＭＸ型の析出物」であ
れば一層大きな高温強度とクリープ強度が得られる。

【００５０】これは、次のように考えられる。すなわ
ち、（ニ．−１）上記ＭＸ型の析出物は、高温での析出初期
には球状の形状をしており、母相と同じ体心立方構造
（ｂｃｃ）を有し、母相とは完全な整合関係にある。

【００５１】（ニ．−２）このＭＸ型の析出物は、焼戻
しや使用中に生じる高温時効により面心立方構造（ｆｃ
ｃ）に変化し、形状は薄い円板状に変化するが、形状が
円板状の間は母相と整合関係を保持している。

【００５２】（ニ．−３）このＭＸ型の析出物が母相と
整合性を保持しておれば、ＭＸ型の析出物のまわりに発
生した整合歪に転位が固着して転位が動き難くなり、こ
のため素地の組織の回復軟化が抑制され、且つ、変形抵
抗が高くなる。更に、塑性変形の際に動く転位も固着さ
れるため、変形抵抗が高くなる。その結果、高温強度及
びクリープ強度が上昇する。

【００５３】（ニ．−４）ＭＸ型の析出物が母相と整合
性を保持している間は、ＭＸ型の析出物は母相からの拘
束を受け、ＭＸ型の析出物自身の成長と凝集粗大化が抑
制される。したがって、高温長時間使用後まで微細なＭ
Ｘ型の析出物が安定且つ高密度に保たれて析出強化能が
持続され、安定した高温強度及びクリープ強度が得られ
る。ホ．低・中Ｃｒ系耐熱鋼の高温強度とクリープ強度を高
めることは勿論のこと、クリープ延性や靱性をも高める
ためには、前記の結晶粒内における析出物に加えて、Ｍ
_６Ｃ炭化物以外の結晶粒界における析出物にも配慮す
ればよい。

【００５４】ヘ．Ｍ_６Ｃ炭化物が結晶粒界に析出しな
い成分系の場合でも、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭
化物やセメンタイトなどの析出物が結晶粒界に沿って析
出する。これらの析出物は、析出の初期段階で結晶粒界
に沿ってフィルム状に析出するので、上記の結晶粒界に
おける析出物の周りではＭＸ型の析出物など他の炭化物
の無析出帯が生じ、粒界強度が弱くなってクリープ延性
の低下や靱性の劣化をきたす。しかし、上記結晶粒界に
おけるフィルム状の析出物を球状に変化させると、球状
の析出物の周りでは炭化物の無析出帯が回復し、それに
伴ってクリープ延性や靱性も回復する。又、球状に変化
したＭ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物やセメンタイ
トなどが結晶粒界上に均一に存在すると粒界すべりが抑
制され、長時間側のクリープ強度が安定化する。ト．Ｍ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物やセメンタイ
トなど結晶粒界における析出物中にＶが固溶すると、前
記析出物の粗大化が生じ難くなるので長時間側でのクリ
ープ強度の低下が抑制される。

【００５５】チ．結晶粒界析出物を構成する金属元素中
のＶ量がいずれも２質量％以上、且つ、その短径と長径
の比（短径／長径）が０．５以上である場合、優れたク
リープ強度、クリープ延性及び靱性が得られる。更に、
焼戻し脆化も生じ難くなる。リ．低・中Ｃｒ系耐熱鋼の素地がベイナイトの単相組織
であれば、結晶粒内のＭＸ型の析出物は均一に分布しや
すく、結晶粒界における析出物も球状化しやすい。この
ため、高温強度が高い上に高温長時間側でも極めて大き
なクリープ強度が確保でき、更に靱性も極めて良好であ
る。これは、素地の組織がベイナイト単相組織の場合に
は、素地の組織にフェライトが存在している場合に比べ
て、ＭＸ型の析出物の存在密度が高くなり、しかも、フ
ェライトやマルテンサイトが混在している場合に比べて
旧オーステナイト粒界、フェライトとベイナイトとの界
面やマルテンサイトとベイナイトとの界面で認められる
「短径／直径」の値が小さい板状又は棒状の析出物が析
出し難くなるからである。ヌ．特定の化学組成を有する低・中Ｃｒ系耐熱鋼におい
て、Ｂ、Ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの含有量が前記した
(3)〜 (5)式を満足すれば、素地の組織がベイナイト単
相組織となる。

【００５６】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は
「質量％」を意味する。（Ａ）鋼の化学組成Ｃ：Ｃは、Ｃｒ、Ｖ、ＭｏなどとＭＸ型の析出物やＭ_２
Ｘ型の析出物を形成し、高温強度やクリープ強度を高
める作用を有する。しかし、Ｃの含有量が０．０１％未
満ではＭＸ型の析出物やＭ_２Ｘ型の析出物の析出量が
不十分である上に、焼入れ性が低下してフェライトが析
出しやすくなるため、高温強度、クリープ強度と靱性が
低下する。一方、その含有量が０．２５％を超えると、
ＭＸ型の析出物、Ｍ_２Ｘ型の析出物及び、例えばＭ_６
Ｃ炭化物、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物、セメ
ンタイトなど他の炭化物が過剰に析出して鋼が著しく硬
化するので加工性と溶接性が損なわれる。更に、組織中
にマルテンサイトが増加し、長時間側のクリープ強度と
クリープ延性が低下する。したがって、Ｃの含有量の範
囲を０．０１〜０．２５％とした。なお、Ｃの含有量は
０．０２〜０．１５％とすることが好ましく、０．０６
〜０．０８％とすれば一層好ましい。

【００５８】Ｃｒ：Ｃｒは、耐酸化性と高温耐食性の確
保のために不可欠な元素である。しかし、Ｃｒの含有量
が０．５％未満ではこれらの効果が得られない。一方、
その含有量が８％を超えると、溶接性、熱伝導性が低く
なるとともに、経済性が低下し、低・中Ｃｒ系耐熱鋼の
利点が少なくなる。したがって、Ｃｒ含有量を０．５〜
８％とした。なお、Ｃｒ含有量の好ましい範囲は０．７
〜５％、より好ましい範囲は０．８〜３％である。Ｖ：Ｖは、ＭＸ型の析出物を形成する重要な元素であ
る。すなわち、ＶはＣ及びＮと結合して微細なＶ（Ｃ、
Ｎ）を形成し、クリープ強度と高温強度を高める作用を
有する。しかし、Ｖ含有量が０．０５％未満ではＶ
（Ｃ、Ｎ）の析出量が少なく、クリープ強度と高温強度
の向上に寄与しない。一方、その含有量が０．５％を超
えると、Ｖ（Ｃ、Ｎ）が粗大化し、粗大なＶ（Ｃ、Ｎ）
のまわりでフェライトが析出しやすくなるため、却って
クリープ強度、高温強度と靱性が損なわれる。したがっ
て、Ｖの含有量を０．０５〜０．５％とした。なお、Ｖ
の含有量は０．０６〜０．３％とすることが好ましく、
０．０８〜０．２５％とすれば一層好ましい。Ｖの含有
量を０．０８〜０．１２％とすれば極めて好ましい。

【００５９】Ｓｉ：Ｓｉは、脱酸剤として作用し、更
に、鋼の耐水蒸気酸化特性を高める作用も有する。しか
し、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の含有量を０．７％以下とした。なお、Ｓｉ含有量
は不純物のレベルであってもよいので、その下限は特に
定めないが、０．０１％以上とすることが望ましい。Ｓ
ｉ含有量の好ましい範囲は０．１〜０．６％、より好ま
しい範囲は０．１５〜０．４５％、極めて好ましい範囲
は０．１５〜０．３５％である。Ｍｎ：Ｍｎは、脱硫作用と脱酸作用を有し、鋼の熱間加
工性を高めるのに有効な元素である。Ｍｎには鋼の焼入
れ性を高める作用もある。しかし、Ｍｎを１％を超えて
含有させると、クリープ強化に有効な微細な析出物の安
定性が損なわれる上、冷却の条件によっては素地の一部
又はすべてがマルテンサイトになるため、高温長時間側
のクリープ強度が低下する。したがって、Ｍｎの含有量
を１％以下とした。なお、Ｍｎ含有量は不純物のレベル
であってもよいので、その下限は特に定めないが、０．
０１％以上とすることが望ましい。Ｍｎ含有量の好まし
い範囲は０．０５〜０．６５％、より好ましい範囲は
０．１〜０．５％、極めて好ましい範囲は０．３〜０．
５％である。

【００６０】本発明の低・中Ｃｒ系耐熱鋼が含有するＦ
ｅ以外の成分元素は、上記のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及び
Ｖだけであってもよい。しかし、上記の成分に加え、必
要に応じて、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎｄを選択的に含
有させることができる。すなわち、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、
Ｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、
Ｍｇ、Ｎｄの各元素を任意添加元素として添加し、含有
させてもよい。以下、上記の任意添加元素に関して説明
する。

【００６１】Ｍｏ、Ｗ：これらの元素は、添加すれば、
固溶強化によってクリープ強度及び高温強度の向上に寄
与する。又、Ｍ_２Ｘ型の析出物を形成するため、析出
強化によるクリープ強度及び高温強度の向上作用も有す
る。これらの効果は不純物レベルの含有量であっても得
られるが、より顕著にその効果を得るには、Ｍｏは０．
０１％以上、Ｗは０．０２％以上の含有量とすることが
好ましい。しかし、Ｍｏは２．５％を超えて、Ｗは５％
を超えて含有させるとその効果が飽和するばかりか、フ
ェライトの析出が促進されるため、却って溶接性と靱性
が損なわれる。したがって、添加する場合のこれら元素
の含有量は、Ｍｏについては０．０１〜２．５％、Ｗに
ついては０．０２〜５％とするのがよい。Ｍｏ含有量の
好ましい範囲は０．０２〜２％、より好ましい範囲は
０．０５〜１．５％であり、その範囲が０．１〜０．８
％であれば更に一層好ましく、０．３〜０．６％であれ
ば極めて好ましい。Ｗ含有量の好ましい範囲は０．０２
〜４％、より好ましい範囲は０．０５〜３％である。な
お、これらの元素はいずれか一方を単独又は両方を複合
で添加することができる。上記の各効果を顕著に得るた
めに、ＭｏとＷとを複合添加して含有させる場合には、
Ｍｏ（％）＋０．５Ｗ（％）の値で０．０１〜２．５％
とするのがよい。

【００６２】Ｎｂ：Ｎｂは、添加すれば、Ｖと同様にＭ
Ｘ型の析出物を形成するため、析出強化によるクリープ
強度及び高温強度の向上作用を有する。更に、ＭＸ型の
析出物の粗大化を抑制してその熱的安定性を高め、長時
間側でのクリープ強度の低下を防止する作用もある。
又、結晶粒を微細化し、溶接性と靱性を高めるとともに
溶接熱影響部（以下、ＨＡＺという）の軟化を防止する
作用も有する。これらの効果は不純物レベルの含有量で
あっても得られるが、より顕著にその効果を得るには、
Ｎｂは０．００２％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、Ｎｂの含有量が０．２％を超えると鋼が著
しく硬化することに加えてＭＸ型の析出物が却って粗大
化し、クリープ強度、高温強度、靱性が損なわれる。し
たがって、添加する場合のＮｂの含有量は、０．００２
〜０．２％とするのがよい。Ｎｂ含有量の好ましい範囲
は０．００５〜０．１％、より好ましい範囲は０．０１
〜０．０７％であり、その範囲が０．０２〜０．０６％
であれば更に一層好ましい。

【００６３】Ｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ：これ
らの元素はいずれも、添加すれば、クリープ強度及び高
温強度を高める作用を有する。

【００６４】すなわち、Ｎは、Ｖ、Ｎｂ、Ｃなどと結合
して結晶粒内に微細な析出物を形成し、クリープ強度及
び高温強度を高める作用を有する。Ｎには更に、結晶粒
を微細化して溶接性と靱性を高めるとともにＨＡＺの軟
化を防止する作用もある。これらのＮの作用は不純物レ
ベルの含有量であっても得られるが、より顕著にその効
果を得るには、Ｎは０．００１％以上の含有量とするこ
とが好ましい。しかし、Ｎの含有量が０．１％を超える
と、析出物が却って粗大化してクリープ強度、高温強
度、靱性が損なわれる。更に、Ｎを過剰に含有させると
初析フェライトの析出が促進されるという不利も生じ
る。したがって、添加する場合のＮの含有量は、０．０
０１〜０．１％とするのがよい。Ｎ含有量の好ましい範
囲は０．００２〜０．０５％、より好ましい範囲は０．
００３〜０．０１％であり、その範囲が０．００２〜
０．００７％であれば更に一層好ましい。

【００６５】Ｔｉ、Ｔａは、Ｖと同様にＭＸ型の析出物
を形成するため、析出強化によってクリープ強度及び高
温強度を高める作用を有する。Ｔｉ、Ｔａには更に、結
晶粒を微細化し、溶接性と靱性を高めるとともにＨＡＺ
の軟化を防止する作用もある。これらのＴｉ、Ｔａの作
用は不純物レベルの含有量であっても得られるが、より
顕著にその効果を得るには、Ｔｉは０．００１％以上、
Ｔａは０．００２％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、Ｔｉは０．１％を超えて、Ｔａは０．２％
を超えて含有させると、鋼が著しく硬化して靱性、加工
性、溶接性が損なわれる。したがって、添加する場合の
Ｔｉ、Ｔａの含有量は、Ｔｉについては０．００１〜
０．１％、Ｔａについては０．００２〜０．２％とする
のがよい。Ｔｉ含有量の好ましい範囲は０．００３〜
０．０５％、より好ましい範囲は０．００５〜０．０１
５％であり、その範囲が０．００５〜０．０１％であれ
ば更に一層好ましい。Ｔａ含有量の好ましい範囲は０．
００５〜０．１％、より好ましい範囲は０．０１〜０．
０７％であり、その範囲が０．００５〜０．０２％であ
れば更に一層好ましい。

【００６６】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏは、オーステナイト安定
化元素であり、しかも固溶強化作用を有するので、高温
強度とクリープ強度を高める効果がある。上記Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｏの作用は不純物レベルの含有量であっても得ら
れるが、より顕著にその効果を得るには、Ｃｕ、Ｎｉ、
Ｃｏのいずれも、０．０１％以上の含有量とすることが
好ましい。しかし、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏのいずれも、０．
５％を超えて含有させると却って高温長時間側でのクリ
ープ強度の低下を招く。又、経済性の点からも過剰添加
は好ましくない。したがって、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏを添加
する場合の含有量は、いずれも０．０１〜０．５％とす
るのがよい。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏのいずれについても、含
有量の好ましい範囲は０．０２〜０．３％、より好まし
い範囲は０．１〜０．２％である。なお、前記の作用に
加えて、Ｃｕには熱伝導性を高める作用があり、又、Ｎ
ｉには靱性を高める作用がある。上記のＮ、Ｔｉ、Ｔ
ａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏはいずれか１種のみ、又は２種以
上の複合で添加することができる。

【００６７】Ｂ：Ｂは、添加すれば、析出物の粗大化を
抑制し、長時間側のクリープ強度の向上に寄与する。更
に、焼入れ性を高めるので安定した高温強度とクリープ
強度を確保するのに有効な元素でもある。これらの効果
は不純物レベルの含有量であっても得られるが、より顕
著にその効果を得るには、Ｂは０．０００１％以上の含
有量とすることが好ましい。しかし、Ｂの含有量が０．
１％を超えると、粒界に著しく偏析するので粒界の析出
物が却って粗大化して、高温強度、クリープ強度や靱性
が損なわれる。したがって、添加する場合のＢの含有量
は、０．０００１〜０．１％とするのがよい。Ｂ含有量
の好ましい範囲は０．０００５〜０．０１５％、より好
ましい範囲は０．００１〜０．００８％であり、その範
囲が０．００１〜０．００４％であれば更に一層好まし
い。

【００６８】Ａｌ：Ａｌは、添加すれば、脱酸作用を有
する。この効果は不純物レベルの含有量であっても得ら
れるが、より顕著にその効果を得るには、Ａｌは０．０
０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、
０．０５％を超えて含有させると長時間側のクリープ強
度と加工性が損なわれる。したがって、添加する場合の
Ａｌ含有量は０．００１〜０．０５％とするのがよい。
Ａｌ含有量の好ましい範囲は０．０００１〜０．０２
％、より好ましい範囲は０．００２〜０．０１５％であ
る。なお、本発明にいうＡｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ
（所謂「ｓｏｌ．Ａｌ」）の含有量を指す。

【００６９】Ｃａ、Ｍｇ、Ｎｄ：これらの元素は、添加
すれば、いずれもＳを固定し、靱性を高めるとともにク
リープ脆化を防止する作用を有する。これらの効果は不
純物レベルの含有量であっても得られるが、より顕著に
その効果を得るには、いずれの元素も０．０００１％以
上の含有量とすることが好ましい。しかし、いずれの元
素も０．０１％を超えて含有させると、酸化物や硫化物
が増加して、却って靱性が損なわれる。したがって、こ
れらの元素を添加する場合の含有量は、いずれも０．０
００１〜０．０１％とするのがよい。いずれの元素も含
有量の好ましい範囲は０．０００２〜０．００５％、よ
り好ましい範囲は０．０００５〜０．００３５％であ
る。なお、これらの元素はいずれか１種のみ又は２種以
上の複合で添加することができる。

【００７０】Ｐ、Ｓ：これらの元素は鋼中に不純物とし
て含まれ、靱性、加工性、溶接性に有害であり、特に焼
戻し脆化を助長する。したがって、その含有量はできる
だけ少ない方が望ましく、Ｐは０．０３％以下、Ｓは
０．０１５％以下であることが好ましい。 (1)式、(2)式：結晶粒界にＭ_６Ｃ炭化物が析出すれば
クリープ強度、高温強度や靱性が低下する。したがっ
て、上記Ｍ_６Ｃ炭化物を析出させないことが肝要であ
る。

【００７１】既に述べたように、本発明者らの詳細な検
討によって、上記化学組成を有する低・中Ｃｒ系耐熱鋼
のＣ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、の含有量が前記 (1)式及び (2)
式を満足すれば、Ｍ_６Ｃ炭化物は析出せず、しかも、
固溶Ｍｏ量や固溶Ｗ量が確保できるので、長時間側での
クリープ強度の低下を抑制することができることが判明
した。したがって、「Ｃ−０．０６×（Ｍｏ＋０．５
Ｗ）」の値が０．０１以上で、「Ｍｎ＋０．６９×ｌｏ
ｇ（Ｍｏ＋０．５Ｗ＋０．０１）」の値が０．６０以下
となるように、すなわち、前記 (1)式及び (2)式を満足
するように規定した。 (3)式、(4)式、(5)式：更に、本発明者らの詳細な検討
の結果、上記の化学組成を有する低・中Ｃｒ系耐熱鋼の
Ｂ、Ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの含有量が下記 (3)〜
(5)式を満足すれば、素地の組織がベイナイト単相組織
となり、高温強度が高い上に高温長時間側でも極めて大
きなクリープ強度が確保でき、更に靱性も極めて良好に
なることが明らかになった。したがって、高温強度及び
高温長時間側での大きなクリープ強度の確保、並びに良
好な靱性が要求される場合には、「Ｂ−（Ｎ／３）」の
値が０以上で、「（Ｃｒ／７）−Ｖ」の値が０を超え、
「ｌｏｇ｛（Ｃｒ／７）−Ｖ｝×ｌｏｇ（Ｎｂ＋２Ｔｉ
＋０．００１）」の値が２以下となるように、すなわ
ち、前記 (3)〜 (5)式を満足するように規定するのがよ
い。（Ｂ）析出物（Ｂ−１）結晶粒内の析出物結晶粒内に微細な析出物が存在すると析出強化に寄与
し、特に、平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在密度
が１個／μｍ^３以上である場合に析出強化能が大き
く、高温強度及びクリープ強度の向上が可能となる。

【００７２】すなわち、結晶粒内の析出物は、その平均
直径が３０ｎｍを超えて粗大化すると析出強化作用が低
下してしまう。一方、結晶粒内に平均直径が３０ｎｍ以
下の析出物が存在しても、その存在密度が１個／μｍ^３
未満である場合には、十分な析出強化能が得られな
い。

【００７３】したがって、本発明においては、結晶粒内
析出物に関し、平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在
密度が１個／μｍ^３以上と規定した。

【００７４】既に述べたように、本発明における「平均
直径」は、具体的には短径と長径の和の１／２で定義さ
れる値を指す。又、平均直径３０ｎｍ以下の析出物は、
透過電子顕微鏡を用いて容易に観察でき、特に、加速電
圧が３０００ＫＶといった超高圧電子顕微鏡を用いれば
原子単位まで観察可能であるので、上記析出物の平均直
径の下限値はＦｅや析出物の格子定数に相当する０．３
ｎｍ程度としてもよい。但し、通常の加速電圧（例え
ば、１００〜２００ｋＶ）の場合には、平均直径が２ｎ
ｍ以下では、透過電子顕微鏡の分解能以下のサイズとな
って、明瞭に確認できない場合があり、したがって、上
記析出物の平均直径の下限値は２ｎｍとするのが現実的
である。一方、平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在
密度が大きければ大きいほど高い析出強化作用が得られ
る。したがって、上記存在密度の上限は特に定めなくて
もよい。なお、現実的には５００個／μｍ^３程度が上
限になる。

【００７５】結晶粒内析出物の存在密度は、例えば、日
本金属学会会報第１０巻（１９７１年）の第２７９〜２
８９ページに解説されているように、透過電子顕微鏡を
用いて観察した２次元の情報を３次元に換算して求めれ
ばよい。

【００７６】すなわち、透過電子顕微鏡を用いて、高い
倍率で数視野（例えば、５視野）の写真撮影を行い、そ
れらの写真から求めた所定サイズの析出物の単位面積
（１μｍ^２）当たりの数Ｎ_Ａと、前記写真上に引いた
任意の直線と前記析出物の交点の数を前記直線の長さ
（μｍ）で割った値Ｎ_Ｌとから、結晶粒内析出物の３
次元での存在密度を求めることができる。

【００７７】具体的には、本発明で規定する結晶粒内析
出物の存在密度Ｎ_Ｖ（個／μｍ^３）は、例えば、加速
電圧が１００ｋＶの透過電子顕微鏡を用いて、倍率４０
０００倍で５視野の写真撮影を行い、それらの写真から
求めた平均直径が２〜３０ｎｍの析出物の単位面積（１
μｍ^２）当たりの数Ｎ_Ａと、前記写真上に引いた任意
の直線と前記析出物との交点の数を前記直線の長さ（μ
ｍ）で割った値Ｎ_Ｌとから、析出物の形状を円板と仮定
して、下記 (6)式によって求めることができる。Ｎ_Ｖ＝２（Ｎ_Ａ ^２／π）Ｎ_Ｌ・・・ (6) ここで、結晶粒内には、平均直径で３０ｎｍを超える析
出物が存在していてもよいことはいうまでもないが、こ
れはできるだけ少ない方がよい。なお、前記結晶粒内に
おける平均直径３０ｎｍ以下の析出物が整合析出物（す
なわちＭＸ型の析出物やＭ_２Ｘ型の析出物）であれば
一層大きなクリープ強度が得られるので、結晶粒内の析
出物は整合析出物であることが好ましい。

【００７８】既に述べたように、本発明の「整合析出
物」は、素地と完全整合の状態にある析出物に限らず、
析出物との界面が部分的に整合であって、そこに界面転
位が存在する場合の析出物も含むものである。

【００７９】なお、整合析出物の周りには整合歪みが生
じているので、析出物が整合析出物であるか否かは、透
過電子顕微鏡観察により整合歪の有無を調べることによ
り判定できる。具体的には、透過電子顕微鏡を用いて倍
率が２００００倍以上の高倍率で二波近似回折条件にな
るように電子線の入射方向を選ぶことで整合歪コントラ
ストが現れて、整合歪の有無が確認できる。したがっ
て、整合析出物であるか否かの判定が行える。

【００８０】（Ｂ−２）結晶粒界の析出物既に述べたように、結晶粒界にＭ_６Ｃ炭化物が析出す
ればクリープ強度や高温強度が低下するので、Ｍ_６Ｃ
炭化物を析出させないことが第１であるが、クリープ強
度と高温強度を高めることは勿論のこと、クリープ延性
や靱性をも高めるためには、前記（Ｂ−１）項の結晶粒
内における析出物に加えて、Ｍ_６Ｃ炭化物以外の結晶
粒界における析出物にも配慮すればよい。

【００８１】Ｍ_６Ｃ炭化物が結晶粒界に析出しない成
分系の場合でも、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物
やセメンタイトなどの析出物が結晶粒界に沿って析出す
るが、これらの析出物が球状に変化すると、クリープ延
性や靱性が回復する。そして、結晶粒界析出物の短径と
長径の比である「短径／長径」の値が０．５以上である
場合に、クリープ延性や靱性が大きく回復する。更に、
Ｍ_６Ｃ炭化物中にはＶはほとんど固溶しない、換言す
れば、Ｍ_６Ｃ炭化物の金属元素Ｍ中には、Ｖはほとん
ど含まれないが、Ｍ_６Ｃ炭化物以外の結晶粒界析出
物、例えば、Ｍ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物やセ
メンタイト（Ｍ_３Ｃ炭化物）などにはＶが固溶するの
で、その金属元素Ｍ中にはＶが含まれる。そして、前記
析出物中に固溶するＶの量が増すにつれて、析出物の粗
大化が生じ難くなって長時間側でのクリープ強度の低下
が抑制され、特に、金属元素Ｍ中のＶ量が２質量％以上
になると、長時間側でのクリープ強度、クリープ延性及
び靱性が安定化する。更に、焼戻し脆化も生じ難くな
る。

【００８２】したがって、長時間側でのクリープ強度、
クリープ延性、靱性を高め、焼戻し脆化を生じ難くする
ためには、結晶粒界析出物を構成する金属元素中のＶ量
がいずれも２質量％以上、且つ、その短径と長径の比
（短径／長径）が０．５以上であることが好ましい。な
お、金属元素Ｍ中にＶが含まれる結晶粒界析出物のうち
でも特に、Ｍ_２３Ｃ _６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物、セメ
ンタイトにはＶが固溶しやすい。したがって、結晶粒界
析出物としてＭ_２３Ｃ_６炭化物、Ｍ_７Ｃ_３炭化物、セ
メンタイトの１種以上が存在することが好ましい。

【００８３】ここで、結晶粒界析出物を構成する金属元
素Ｍ中のＶ量の上限は特に限定しない。しかし、結晶粒
界析出物中のＶ量が過剰な場合、前記ＭＸ型の析出物の
量が減少するので、上記Ｖ量の上限は１０％以下である
ことが好ましい。

【００８４】なお、結晶粒界析出物を構成する金属元素
中の上記Ｖ量は、透過電子顕微鏡のエネルギー分散Ｘ線
分光分析（ＥＤＸ分析）によって測定することができ
る。（Ｃ）素地の組織本発明の低・中Ｃｒ系耐熱鋼の素地の組織に関しては、
特に規定する必要はない。しかし、素地の組織にフェラ
イトが含まれると高温強度、クリープ強度、靱性が低下
する場合があり、又、素地の組織にマルテンサイトが含
まれると長時間側のクリープ強度が低下する場合があ
る。これに対して、既に述べたように、素地がベイナイ
トの単相組織であれば、高温強度が高い上に高温長時間
側でも大きなクリープ強度が確保でき、靱性も良好であ
る。したがって、高温強度及び高温長時間側での大きな
クリープ強度の確保、並びに良好な靱性が要求される場
合には、素地の組織をベイナイト単相組織にするのがよ
い。

【００８５】なお、本発明の低、中Ｃｒ系耐熱鋼の場
合、Ｂ、Ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの含有量が前記した
(3)〜 (5)式を満足すれば、素地の組織はベイナイト単
相組織となる。

【００８６】本発明に係る低・中Ｃｒ系耐熱鋼は、溶
解、鋳造して熱間加工した鍛鋼、及び鋳造したまま使用
する鋳鋼のいずれであってもよい。

【００８７】既に（Ａ）の項で述べた化学組成を有する
鋼を素材鋼とする鍛鋼及び鋳鋼に、例えば下記の熱処理
を施すことによって、比較的容易に、結晶粒内析出物、
結晶粒界析出物を所定のサイズ、存在密度、組成、形状
にすることができる。（Ｄ）熱処理（Ｄ−１）焼ならし：オーステナイト変態開始温度以上
で、しかも、結晶粒内析出物が固溶する温度と、結晶粒
の粗大化を生じない温度との間の温度で焼ならしを行
い、焼ならし後は、２００℃／時間以上の冷却速度で冷
却すればよい。焼ならしの温度は、具体的には、素材鋼
の化学組成によって異なるものの、ほぼ９００〜１１０
０℃とすればよく、９２０〜１０５０℃とすれば一層よ
い。焼ならし後の冷却速度は、速ければ速いほどよい
が、実用的には水冷に相当する冷却速度（つまり、５℃
／秒程度の冷却速度）以下で十分である。

【００８８】（Ｄ−２）焼戻し：結晶粒内に所定の析出
物を析出させるために、上記焼ならし後の冷却に続いて
焼戻しを行えばよい。焼戻しによって、結晶粒界析出物
中にＶが固溶する（つまり、結晶粒界析出物を構成する
金属元素中にＶが含まれる）ようにもなる。この焼戻し
の温度は、例えば、５５０℃〜ＡC1変態点とすれば十分
である。なお、焼戻しは、（ＡC1変態点−５０℃）〜Ａ
C1変態点の温度域で行うのが好ましい。

【００８９】既に述べたように、本発明に係る低・中Ｃ
ｒ系耐熱鋼は、鍛鋼と鋳鋼のいずれであってもよいが、
高温のオーステナイト域で熱間加工を施された鍛鋼には
転位が多く導入されている。転位は析出の核生成サイト
となるため、総じて鍛鋼の方が鋳鋼に比べて結晶粒内に
おける平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在密度が増
加し、高強度化しやすい。したがって、鍛鋼であること
が好ましい。但し、鍛鋼の場合でも、熱間加工の効果を
十分に生かすには、ＡC3変態点〜１３００℃の温度域に
加熱した後、圧下率５０％以上で熱間加工するのが好ま
しい。これは、加熱温度及び圧下率が前記の範囲にあれ
ば、十分な熱間加工の効果が発現されるからである。
又、熱間加工した後、直接に、連続して焼ならしを行う
と、省エネルギーによる製造コストの低減が図れる。

【００９０】以下、実施例により本発明を更に詳しく説
明する。

【００９１】

【実施例】表１〜４に示す化学組成を有する３８種の鋼
を溶製し、鋼Ｃ、鋼Ｋを除いた各鋼のインゴットを１０
００〜１２００℃の温度に加熱した後、圧下率５０〜７
０％の熱間圧延加工を施して厚さ５０ｍｍの板材とし
た。鋼Ｃ、鋼Ｋのインゴットは、これに直接機械加工を
行って厚さ５０ｍｍの板材とした。なお、表１〜４にお
ける鋼Ａ〜Ｖ、鋼１２、鋼１３及び鋼１６は、成分が本
発明で規定する条件を満たす鋼で、表３、表４における
鋼１〜１１、鋼１４及び鋼１５は、成分のいずれかが本
発明で規定する条件から外れた鋼である。

【００９２】

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】次いで、得られた各板材に、表５に示す条件の焼きなら
しと焼戻しの熱処理を施した。なお、焼戻し条件は焼戻
しパラメータＰ_ＬＭの値で示した。焼ならし後の冷却は
鋼Ｋ及び鋼８以外は空冷とし、鋼Ｋ及び鋼８については
水冷とした。

【００９３】

【表５】上記熱処理後の各板材から試料を採取し、この試料に電
解研磨処理を施して薄膜試料とし、透過電子顕微鏡（加
速電圧２００ｋＶ）により観察して、結晶粒内析出物の
サイズ、存在密度及び形状を測定した。なお、組織観察
面は板材の「長手方向縦断面」（所謂「Ｌ断面」）であ
る。ここで、熱間圧延加工を施して作製した板材の場合
には、圧延方向が板材の長手方向を指す。インゴットに
直接機械加工を行って作製した板材の場合は、インゴッ
トの鋳込み方向を板材の長手方向とした。

【００９４】平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在密
度は、倍率４００００倍で５視野の写真撮影を行い、そ
の写真から得られた２次元の情報を（６）式にしたがっ
て３次元に換算して行った。

【００９５】整合析出物は、透過電子顕微鏡の二波近似
観察法で、整合歪コントラストの有無により判定した。
又、析出物の平均直径と粒子密度は母相の｛００１｝に
垂直に電子ビームを入射して測定した。観察の結果、析
出物は、いずれも真円の円板状で、「長径＝短径」であ
ることを確認した。

【００９６】粒界析出物中のＶ量は、透過電子顕微鏡で
観察した析出物のＥＤＸ分析により測定した。

【００９７】高温強度では、直径６ｍｍ、平行部の長さ
３０ｍｍの試験片を作製し、通常の方法で５００℃及び
５５０℃で引張試験を行い、引張強度を測定した。

【００９８】クリープ試験では、直径６ｍｍ、平行部の
長さ３０ｍｍの試験片を作製し、５００℃及び５５０℃
で最長１００００時間の試験を行い、内挿して５００℃
×８０００時間のクリープ平均破断強度を求めた。

【００９９】又、各々の温度における１００時間破断強
度に対する１００００時間破断強度の比で整理すること
により、長時間クリープによる強度低下率を定量化し、
クリープ強度の安定性を評価した。

【０１００】シャルピー衝撃試験では、JIS Z 2202に記
載の幅が１０ｍｍ、厚さが１０ｍｍ、長さが５５ｍｍの
シャルピー２ｍｍＶノッチ試験片を用い、延性−脆性破
面遷移温度（℃）を求めた。

【０１０１】上記各試験の結果を表６、表７に示す。

【０１０２】

【表６】

【表７】表６、表７から、成分が本発明で規定する条件を満たす
とともに、結晶粒内析出物としての平均直径が３０ｎｍ
以下の析出物の存在密度が本発明で規定する条件を満た
す鋼Ａ〜Ｖの場合、良好な高温強度とクリープ特性を有
し、更に靱性も良好であることが明らかである。上記鋼
のうちでも結晶粒界における析出物が本発明の規定を満
たす鋼Ａ〜Ｒ及び鋼Ｔの場合の特性が一層良好であるこ
とも明らかである。又、成分が本発明で規定する前記
(3)〜 (5)式を満たして、素地の組織がベイナイトの単
相組織になる鋼Ａ〜Ｃ、鋼Ｅ、鋼Ｆ、鋼Ｈ〜Ｐの場合の
特性が、更に一層良好であることも明らかである。これ
に対し、成分のいずれかが本発明で規定する条件から外
れた鋼１〜１１、鋼１４及び鋼１５の場合、少なくとも
高温強度、クリープ特性と靱性のいずれか１つの特性が
本発明に係る鋼に比べて劣っている。一方、成分が本発
明で規定する条件を満たしても、結晶粒内析出物として
の平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在密度が本発明
で規定する条件から外れる鋼１２、鋼１３及び鋼１６の
場合、高温強度、クリープ強度が本発明に係る鋼に比べ
て劣っている。

【０１０３】

【発明の効果】本発明の低・中Ｃｒ系耐熱鋼は、４００
℃以上の高温、なかでも４００〜６００℃程度の温度域
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高温強度を示す。更に、靱
性にも優れている。したがって、ボイラ、化学工業、原
子力などの分野で使用される熱交換器や配管用鋼管、耐
熱バルブ及び溶接が必要な部材に用いることができる。
更に、本発明の低・中Ｃｒ系耐熱鋼は上記のように優れ
た特性を有するので、従来は合金元素量を高めた高Ｃｒ
鋼でなければ使用できないとされていた用途に用いるこ
とができ、その経済的効果も大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
ｒ：０．５〜８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：
０．７％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｍｏ：２．５％以下、
Ｗ：５％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｎ：０．１％以
下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｔａ：０．２％以下、Ｃｕ：
０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｏ：０．５％以
下、Ｂ：０．１％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃａ：
０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｎｄ：０．０
１％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、且
つ、下記 (1)式及び (2)式を満たす化学組成で、結晶粒
内析出物のうち平均直径が３０ｎｍ以下の析出物の存在
密度が１個／μｍ^３以上である低・中Ｃｒ系耐熱鋼。Ｃ−０．０６×（Ｍｏ＋０．５Ｗ）≧０．０１・・・ (1) Ｍｎ＋０．６９×ｌｏｇ（Ｍｏ＋０．５Ｗ＋０．０１）≦０．６０・・・ (2) ここで、上記 (1)式及び (2)式における元素記号は、そ
の元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【請求項２】結晶粒界析出物を構成する金属元素中のＶ
量がいずれも２質量％以上、且つ、その短径と長径の比
である「短径／長径」の値が０．５以上である請求項１
に記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項３】化学組成が更に下記 (3)〜 (5)式を満たす
請求項１又は２に記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。Ｂ−（Ｎ／３）≧０・・・ (3) （Ｃｒ／７）−Ｖ＞０・・・ (4) ｌｏｇ｛（Ｃｒ／７）−Ｖ｝×ｌｏｇ（Ｎｂ＋２Ｔｉ＋０．００１）≦２・・・ (5) ここで、上記 (3)〜 (5)式における元素記号は、その元
素の質量％での鋼中含有量を表す。
【請求項４】ＭｏとＷの含有量がＭｏ（％）＋０．５Ｗ
（％）の値で０．０１〜２．５％で、且つ、Ｎｂの含有
量が０．００２〜０．２％である請求項１〜３のいずれ
かに記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項５】Ｎの含有量が０．００１〜０．１％、Ｔｉ
の含有量が０．００１〜０．１％、Ｔａの含有量が０．
００２〜０．２％、Ｃｕの含有量が０．０１〜０．５
％、Ｎｉの含有量が０．０１〜０．５％、Ｃｏの含有量
が０．０１〜０．５％の少なくともいずれかを満たす請
求項１〜４のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項６】Ｂの含有量が０．０００１〜０．１％であ
る請求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱
鋼。
【請求項７】Ａｌの含有量が０．００１〜０．０５％で
ある請求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱
鋼。
【請求項８】Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０１
％、Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの
含有量が０．０００１〜０．０１％の少なくともいずれ
かを満たす請求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ
系耐熱鋼。
【請求項９】Ｂの含有量が０．０００１〜０．１％で、
且つ、Ａｌの含有量が０．００１〜０．０５％である請
求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項１０】Ｂの含有量が０．０００１〜０．１％
で、且つ、Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの含有
量が０．０００１〜０．０１％の少なくともいずれかを
満たす請求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐
熱鋼。
【請求項１１】Ａｌの含有量が０．００１〜０．０５％
で、且つ、Ｃａの含有量が０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの含有
量が０．０００１〜０．０１％の少なくともいずれかを
満たす請求項１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐
熱鋼。
【請求項１２】Ｂ及びＡｌの含有量がそれぞれ０．００
０１〜０．１％、０．００１〜０．０５％で、且つ、Ｃ
ａの含有量が０．０００１〜０．０１％、Ｍｇの含有量
が０．０００１〜０．０１％、Ｎｄの含有量が０．００
０１〜０．０１％の少なくともいずれかを満たす請求項
１〜５のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項１３】不純物中のＰとＳの含有量が、それぞ
れ、質量％で０．０３％以下、０．０１５％以下である
請求項１〜１２のいずれかに記載の低・中Ｃｒ系耐熱
鋼。
【請求項１４】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、
Ｃｒ：０．５〜８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：
０．７％以下、Ｍｎ：１％以下を含み、残部はＦｅ及び
不純物からなり、透過電子顕微鏡を用いて加速電圧１０
０ｋｖ以上で鋼の断面を観察した場合に確認される直径
３０ｎｍ以下の整合析出物が結晶粒内に１個／μｍ^３以
上の密度で存在し、且つ、結晶粒界にセメンタイト、Ｍ
_７Ｃ_３炭化物及びＭ_２ _３Ｃ_６炭化物のうちの１種以上
の粒界析出物が存在し、これらの粒界析出物を構成する
金属元素Ｍ中のＶ量がいずれも２質量％以上で、その短
径と長径の比である「短径／長径」の値が０．５以上で
ある高温強度に優れた低・中Ｃｒ系耐熱鋼。
【請求項１５】Ｆｅの一部に代えて、更に、下記 (a)〜
(g)のグループのうちから選ばれた１グループ又は２グ
ループ以上の元素を含む請求項１４に記載の高温強度に
優れた低・中Ｃｒ系耐熱鋼。 (a)：質量％で、Ｎｂ：０．００２〜０．２％、Ｔｉ：
０．００１〜０．１％及びＴａ：０．００２〜０．２％
のうちから選ばれた１種又は２種以上。 (b)：質量％で、Ｎ：０．００１〜０．１％。 (c)：質量％で、Ｍｏ：０．０１〜２．５％及びＷ：
０．０２〜５％のいずれか一方又は双方。 (d)：質量％で、Ｂ：０．０００１〜０．１％。 (e)：質量％で、Ｃｏ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：
０．０１〜０．５％及びＣｕ：０．０１〜０．５％のう
ちから選ばれた１種又は２種以上。 (f)：質量％で、Ａｌ：０．００１〜０．０５％。 (g)：質量％で、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％及び
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％のいずれか一方又は双
方。
【請求項１６】不純物としてのＰとＳが、それぞれ、質
量％で、０．０３％以下、０．０１５％以下である請求
項１４又は１５に記載の高温強度に優れた低・中Ｃｒ系
耐熱鋼。