JP2002146484A

JP2002146484A - 高強度フェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP2002146484A
Application number: JP2000343528A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Kariya; 哲朗仮屋; Tatsuro Isomoto; 辰郎磯本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】発電用のボイラチューブ、タービン部品、化
学プラント装置、原子力発電設備等の高温用材料におい
て、優れたクリープラプチャー強度を有する高強度フェ
ライト系耐熱鋼を提供する。【解決手段】融点以下の全ての温度域において、マト
リックスの９０％以上が常にフェライト相となるＦｅ基
合金において、金属間化合物を時効析出させることを特
徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。上記鋼において、
時効前に十分な固溶化処理を行い、金属間化合物の均一
微細な時効析出を促進させたことを特徴とする高強度フ
ェライト系耐熱鋼。また、該鋼はＣｒ：４０％以下、Ｓ
ｉ：１０％以下、Ａｌ：１０％以下、Ｗ：１０％以下、
Ｍｏ：１０％以下のうちの１種または２種以上を含有
し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴
とする高強度フェライト系耐熱鋼。さらに、Ｃ：０．０
５％以下、Ｎ：０．０５％以下、さらにまた、Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｂ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ、希土類
元素のうちの１種または２種以上を合計で５％以下含有
することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電用のボイラチ
ューブ、タービン部品、化学プラント装置、原子力発電
設備等の高温用材料において、優れたクリープラプチャ
ー強度を有する高強度フェライト系耐熱鋼に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温用材料として用いられるフェ
ライト系耐熱鋼は、オーステナイトからマルテンサイト
変態を生ずる成分系で、主にマルテンサイト組織からな
るマトリックス中に、炭化物、窒化物、または炭窒化物
を微細に分散させ、高温クリープ強度の向上を図るもの
であり、多くの報告例がある。しかし、これらは、マル
テンサイト変態を伴う材料であるため、転位密度が非常
に高く、６００〜７００℃のレベルの高温域で急激な回
復を起こすため、クリープ強度の向上には限界があり、
６５０℃、１９６ＭＰａのクリープラプチャー試験にお
いて、破断時間は１０時間〜１００時間程度である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、特開２０００−
２４８３４０号公報において、炭素を無添加として炭化
物の析出を抑制し、替わりに金属間化合物のみを析出さ
せて強度を図るものがあるが、これもマトリックスに関
しては、Ｎｉ，Ｃｏ等の元素を添加して、マルテンサイ
ト組織としており、また、６５０℃、１２０ＭＰａのク
リープラプチャー試験で、破断時間は２０００時間前後
であり、６５０℃、１９６ＭＰａの試験条件では、１０
０時間〜５００時間程度と推定され、そのため強度は不
十分である。さらに、高価なＮｉ，Ｃｏ等を多量に添加
するためコストも非常に高いという問題がある。

【０００４】また、特開２０００−２４８３４１号公報
においては、Ｐｄ，Ｐｔ等の添加によって、組織粒内に
強磁性、反強磁性を示す金属間化合物を均一に析出させ
ることを特徴としているが、マトリックスに関しては、
Ｃを０．０６〜０．１８％添加し、δフェライトの生成
を抑制し、オーステナイトからの変態によるマルテンサ
イト組織を推奨しており、６５０℃、１２０ＭＰａのク
リープラプチャー試験において、破断時間が４０００時
間程度であり、６５０℃、１９６ＭＰａの条件では、２
００時間〜８００時間程度と推定され、これも強度が不
十分であり、また高価なＰｄ，Ｐｔ等を使用するために
コストが非常に高いという問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述したような問題を解
消するため、発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｃ，Ｎ
等のオーステナイト生成元素を低減し、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ
等のフェライト生成元素を含有させ、マトリックスの９
０％以上が融点以下で常にフェライト相となるＦｅ基合
金で、そのマトリックス中にＷ，Ｍｏ，Ｆｅ等からなる
金属間化合物を時効析出させた高温強度に優れたフェラ
イト系耐熱鋼を提供することにある。その発明の要旨と
するところは、（１）融点以下の全ての温度域において、マトリックス
の９０％以上が常にフェライト相となるＦｅ基合金にお
いて、金属間化合物を時効析出させることを特徴とする
高強度フェライト系耐熱鋼。

【０００６】（２）前記（１）記載の鋼において、時効
前に十分な固溶化処理を行い、金属間化合物の均一微細
な時効析出を促進させたことを特徴とする高強度フェラ
イト系耐熱鋼。（３）前記（１）または（２）において、Ｃｒ：４０％
以下、Ｓｉ：１０％以下、Ａｌ：１０％以下、Ｗ：１０
％以下、Ｍｏ：１０％以下のうちの１種または２種以上
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなること
を特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。（４）前記（１）〜（３）において、Ｃ：０．０５％以
下、Ｎ：０．０５％以下に低減したことを特徴とする高
強度フェライト系耐熱鋼。

【０００７】（５）前記（１）〜（４）において、Ｖ，
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｂ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ、希土
類元素のうちの１種または２種以上を合計で５％以下含
有することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。（６）前記（１）〜（４）において、６５０℃、１９６
ＭＰａのクリープ破断寿命が１０００時間以上有するこ
とを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。（７）前記（５）において、７００℃、１９６ＭＰａの
クリープ破断寿命が１００時間以上有することを特徴と
する高強度フェライト系耐熱鋼にある。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る成分組成の限
定理由を述べる。Ｃｒ：４０％以下Ｃｒは、フェライト相の形成、耐食性、耐酸化性の向上
に有効である。しかし、過度の添加は、靱性を劣化させ
るため、その上限を４０％とした。Ｓｉ，Ａｌ：１０％以下Ｓｉ，Ａｌは、脱酸、フェライト相の形成、耐酸化性の
向上に有効である。しかし、過度の添加は、靱性を劣化
させるため、その上限をそれぞれ１０％とした。

【０００９】Ｗ，Ｍｏ：１０％以下Ｗ，Ｍｏは、フェライト相の形成、固溶強化、金属間化
合物としての析出強化に有効である。しかし、過度の添
加によるコストアップを抑える観点から、上限をそれぞ
れ１０％とした。Ｃ，Ｎ：０．０５％以下Ｃ，Ｎは、本発明には特に必要のない元素であり、マル
テンサイト変態を十分に抑制し、強度の向上を図る必要
があることから、その上限をそれぞれ０．０５％とし
た。

【００１０】Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｂ，Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｃｕ、希土類元素のうちの１種または２種以上を
合計で５％以下Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａは、フェライト相の形成に有効で
ある。また、Ｍｎは、脱酸に有効である。Ｂは、熱間加
工性、クリープ強度の向上に有効である。さらに、Ｎ
ｉ，Ｃｏ，Ｃｕは、耐食性の向上に有効であるが、過度
の添加はマルテンサイト変態を促進し、クリープ強度を
劣化させる。また、希土類元素は、クリープ強度の向上
に有効である。しかし、その効果は、それぞれの合計で
５％で十分であることから、その上限を５％とした。

【００１１】

【実施例】以下、本発明について実施例によって具体的
に説明する。表１に示す化学成分の１００ｋｇ実験鋼塊
を溶製し、直径２０ｍｍの丸棒に鍛伸し、表１に示す水
冷の固溶化熱処理を行い、その後７００℃−１ｈの空冷
の時効熱処理を実施した。上記の材料を用いて、平行部
の直径６ｍｍのクリープラプチャー試験片を作製し、６
５０℃、１９６ＭＰａの条件におけるクリープラプチャ
ー試験を実施した。その結果、表１に示すように、従来
鋼が１０時間〜１００時間程度の破断時間であるのに対
し、本発明鋼は、１０００時間以上、望ましくは３００
０時間以上の非常に優れた破断寿命を示していることが
判る。

【００１２】

【表１】

【００１３】このように、本発明鋼は、マルテンサイト
変態を伴わないため、マトリックスがマルテンサイト変
態からなる従来鋼に比べて、転位密度が非常に小さいた
め、６００〜７００℃の高温加熱時においても、急激な
回復を大幅に低減させることが可能となる。また、金属
間化合物を時効析出させることにより、さらに転位の動
きの十分な抑制が可能となり、その結果、本発明鋼は、
従来のフェライト系耐熱鋼では考えられないような、非
常に優れたクリープ強度を有する。具体的には、６５０
℃、１９６ＭＰａのクリープラプチャー試験において、
破断時間１０００時間以上、望ましくは３０００時間以
上の破断時間を示す。これは、現在、実際に使用されて
いるマトリックスがマルテンサイト組織からなるフェラ
イト系耐熱鋼の１０倍〜１００倍の破断時間に相当す
る。

【００１４】また、本発明鋼は、固溶化熱処理状態、ま
たはそれに相当する状態で、９８ＨＲＢ以下の低い硬さ
とすることも可能であり加工性にも優れる。また、時効
状態では、３３ＨＲＣ以上の硬さとすることも可能であ
り、常温引張強さも１０００ＭＰａ以上とすることが可
能である。さらに、時効析出による強化を十分に得るに
は、９００℃以上の固溶化熱処理、またはそれに相当す
る圧延温度、圧延後の冷却速度の制御等が有効である。
また、時効温度は６００〜７５０℃程度が効果的であ
る。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、オー
ステナイト系と同等以上の優れたクリープ強度を有する
フェライト系耐熱鋼を提供することが可能である優れた
効果を奏するものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】融点以下の全ての温度域において、マト
リックスの９０％以上が常にフェライト相となるＦｅ基
合金において、金属間化合物を時効析出させることを特
徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項２】請求項１記載の鋼において、時効前に十
分な固溶化処理を行い、金属間化合物の均一微細な時効
析出を促進させたことを特徴とする高強度フェライト系
耐熱鋼。
【請求項３】請求項１または２において、Ｃｒ：４０
％以下、Ｓｉ：１０％以下、Ａｌ：１０％以下、Ｗ：１
０％以下、Ｍｏ：１０％以下のうちの１種または２種以
上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項４】請求項１〜３において、Ｃ：０．０５％
以下、Ｎ：０．０５％以下に低減したことを特徴とする
高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項５】請求項１〜４において、Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｂ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ、希土類元素の
うちの１種または２種以上を合計で５％以下含有するこ
とを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項６】請求項１〜４において、６５０℃、１９
６ＭＰａのクリープ破断寿命が１０００時間以上有する
ことを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項７】請求項５において、７００℃、１９６Ｍ
Ｐａのクリープ破断寿命が１００時間以上有することを
特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼。