JP2003253402A

JP2003253402A - 高クロムフェライト耐熱鋼

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Publication number: JP2003253402A
Application number: JP2002104525A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Toda; 佳明戸田; Kazuhiro Kimura; 一弘木村
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP3777421B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱性、耐酸化性、高靱性を有し、高温高圧
下での長期間使用においても強度の劣化が抑制できる高
クロムフェライト耐熱鋼を提供する。【解決手段】Ｃｒを１３重量％以上含有し、フェライ
ト相が７０体積％以上を占め、金属間化合物や炭化物お
よび窒化物の１種以上による析出強化がなされているフ
ェライト鋼とする。

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、高温にお
いても機械的強度の劣化が少ない、いわゆる、高温構造
部材として有用なフェライト耐熱鋼に関するものであ
る。さらに詳しくは、フェライト耐熱鋼の高温安定性を
向上するためにフェライト相を７０体積％以上含有させ
ると共に、耐酸化性を改良するためにＣｒを１３重量％
以上含有した高クロムフェライト耐熱鋼に関するもので
ある。

【０００２】

【従来技術と発明の課題】フェライト耐熱鋼は高温下で
も機械的強度が比較的大きいため、これまで、種々の装
置用材料として採用されてきた。しかしながら、既存の
フェライト耐熱鋼は、高温下で長時間使用すると機械的
強度が劣化していた。そのため、高温高圧下で長時間使
用しても機械的および化学的に劣化しないフェライト耐
熱鋼の開発が待たれていた。特に、大型で化学反応を伴
う様な化学工業装置や発電プラントにおいては、耐熱
性、耐圧性、耐酸化性に優れた部材の出現が強く要望さ
れてきた。また、化学工業に使用する装置は一般に高温
高圧下で反応させる方がエネルギー効率が良いとされて
いる。このため、エネルギー効率が良好な装置を製造す
ることは、反応生成物である二酸化炭素の排出量を削減
することになり、地球環境問題にも大きく寄与するもの
と考えられている。この様な様々な理由によって、耐熱
性や耐酸化性に優れ、しかも、高温高圧下で機械的強度
が劣化しないフェライト耐熱鋼を得るための研究が盛ん
に続けられている。しかしながら、既存のフェライト系
耐熱鋼は焼き戻しマルテンサイト組織を有するため、耐
酸化性の向上に必要なＣｒを多量に使用することができ
ず、Ｃｒの使用量は１２重量％以下に制限されていた。
また、既存のフェライト系耐熱鋼に含まれている、焼き
戻しマルテンサイト組織は高温下では不安定なため、高
温下で長時間使用すると、クリープ強度が著しく低下す
る欠点を有していた。

【０００３】そこで、この出願の発明は、以上のとおり
の従来技術の問題点を解消し、ボイラー、火力発電装
置、原子力発電装置、化学工業装置等々の高温構造部材
として好適な、フェライト耐熱鋼を提供することを課題
としている。具体的には、この出願の発明は、６００℃
を超える高温下でも既存のフェライト系耐熱鋼よりも優
れた強度や耐酸化性および靭性を有するフェライト耐熱
鋼を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、Ｃｒを１３重
量％以上含有し、フェライト相が７０体積％以上を占め
ると共に、金属間化合物や炭化物および窒化物の１種以
上の析出によって強化されていることを特徴とする高ク
ロムフェライト耐熱鋼を提供するものである。また、こ
の出願の発明は、第２には、第１の発明の高クロムフェ
ライト耐熱鋼について、ＭｏおよびＷを０．５重量％以
上含有し、Ｍｏ＋０．５Ｗ≧３．０重量％以上含有する
ことを特徴とする高クロムフェライト耐熱鋼を提供す
る。さらに、この出願の発明は、第３にはＮｉ、Ｃ、Ｎ
について、ＣあるいはＮの添加量が０．０１重量％以上
の場合には、靱性確保のため、Ｎｉ＞１０（Ｃ＋Ｎ）の
範囲で含有することを特徴とする上記の高クロムフェラ
イト耐熱鋼を提供するものである。

【０００５】そして、この出願の発明は、第４には、
Ｃ：０．００１〜０．１重量％、Ｃｒ：１３．５〜３
０．０重量％、Ｍｏ：０．５〜５．０重量％、Ｗ：０．
５〜１０．０重量％、Ｖ：０．０５〜０．４０重量％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０重量％、Ｃｏ：０．１〜１
０．０重量％、Ｎ：０．００１〜０．１重量％、Ｎｉ：
０．１〜２．５重量％、Ｂ：０．００２〜０．００４重
量％の組成比からなることを特徴とする上記いずれかの
高クロムフェライト耐熱鋼を提供するものである。

【０００６】この出願の発明は、第５には、１０００℃
以上で焼きなまし熱処理した後、空冷以上の速度で冷却
することを特徴とする上記いずれかの高クロムフェライ
ト耐熱鋼の製造方法を提供するものである。さらに、こ
の出願の発明は、第６には、冷却を水冷で行なうことを
特徴とする方法を提供するものである。以上のとおりの
この出願の発明は、発明者によって得られた次のような
知見に基づいて完成されている。すなわち、この出願の
発明者は、ボイラー、火力発電装置、原子力発電装置、
化学工業装置等々の高温構造部材として好適な耐熱性，
耐酸化性および靭性を有するフェライト耐熱鋼を得るた
めに、組成や成形後の冷却速度を種々変化させ、各種フ
ェライト耐熱鋼を製造した。製造したフェライト耐熱鋼
の物性を測定した結果、フェライト耐熱鋼の耐熱性、耐
酸化性および靭性の向上にとって次の（イ）（ロ）
（ハ）の点が重要であるとの知見を見出したのである。（イ）Ｃｒを１３重量％以上含有させることで耐酸化性
を向上させるとともに、ＭｏおよびＷを０．５重量％以
上含有させることが、クリープ強度の増大に特に効果的
である。しかも、ＭｏとＷの配合比をＭｏ＋０．５Ｗ≧
３．０重量％の範囲にすることによって、その効果は更
に増大する。これは、ＭｏおよびＷを０．５重量％以上
含有することによって、クリープ強度に必要な金属間化
合物や炭化物および窒化物の１種以上の析出量が確保さ
れるためであると考えられる。（ロ）靭性を向上させるためにはＮｉ、Ｃ、Ｎを含有さ
せることが有効であり、それらの元素は、ＣあるいはＮ
の添加量が０．０１重量％以上の場合には、Ｎｉ＞１０
（Ｃ＋Ｎ）とすることが特に好ましい。（ハ）靱性を向上させるためには、１０００℃以上で焼
きなまし熱処理を行った後の冷却は、空冷以上の冷却速
度にすることが好ましい。空冷以上の冷却速度にするこ
とによってフェライト相が７０体積％以上のフェライト
耐熱鋼を効果的に製造し、靱性を飛躍的に向上させるこ
とが可能になる。

【０００７】

【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態につ
いて説明する。

【０００８】既存のフェライト系耐熱鋼が焼き戻しマル
テンサイト組織を有しているのに対し、この出願の発明
が提供するフェライト耐熱鋼は、Ｃｒを１３重量％以上
含有し、フェライト組織を有する高クロムフェライト耐
熱鋼である。この発明の高クロムフェライト耐熱鋼はフ
ェライト相を７０体積％以上占めている点で既存のフェ
ライト系耐熱鋼と大きく異なっている。すなわち、既存
のフェライト系耐熱鋼は焼き戻しマルテンサイト組織を
有しているために、耐酸化性に有効なＣｒを１２重量％
以下に制限され、しかも、焼き戻しマルテンサイト組織
は、高温で不安定である。これに対し、この出願の発明
の高クロムフェライト耐熱鋼は、フェライト相が７０体
積％以上含有されているため高温に対して安定である。
特にこの出願の発明によって、１０００℃以上で焼きな
まし熱処理したものを、空冷以上の速度で冷却すること
で、フェライト相が７０体積％以上含有し、高温に対し
て安定な高クロムフェライト耐熱鋼を効果的に、つまり
均一、高生産性で、簡便に製造することができる。焼き
戻しマルテンサイト組織を有していないため、Ｃｒを１
３重量％以上含有させることが可能になり、耐酸化性も
優れている。

【０００９】そして、この出願の発明の高クロムフェラ
イト耐熱鋼においては、金属間化合物や炭化物および窒
化物の１種以上の析出によるクリープ強度の向上が図ら
れている。特に、ＭｏとＷを０．５重量％以上含有させ
ているため、大きなクリープ強度を有している。

【００１０】これは、ＭｏとＷをそれぞれ０．５重量％
以上、さらにはＭｏとＷをそれぞれ０．５重量％以上と
して、Ｍｏ＋０．５Ｗ≧３．０重量％とすることで、ク
リープ強度に必要な金属間化合物の析出量が確保される
ためであると考えられる。析出された金属間化合物とし
ては、後述の実施例にも例示したとおり、たとえば、Ｌ
ａｖｅ（ラーベス）相、χ（カイ）相、並びにミュー
（μ）相がある。

【００１１】そして、この出願の発明では、Ｎｉ、Ｃ、
Ｎを特定の割合、すなわち、ＣあるいはＮの添加量が
０．０１重量％以上の場合には、Ｎｉ＞１０（Ｃ＋Ｎ）
の割合に溶製し、含有させることによって、靭性も大幅
に改良されることになる。この様に、この発明の高クロ
ムフェライト耐熱鋼は既存のフェライト系耐熱鋼に比較
して格段の効果を有するものである。

【００１２】この出願の発明の高クロムフェライト耐熱
鋼においては、以上の特徴に沿って高クロムフェライト
耐熱鋼を構成するものであれば、各種の組成を有するも
のが考慮されてよい。なかでも、好ましい組成として
は、以下のものが例示される。Ｃｒ：Ｃｒは１３重量％以上であることが欠かせない
が、実際的にはフェライト相を７０体積％以上確保する
とともに、耐酸化性向上のために１３．５重量％以上が
好ましい。また、３０重量％以上では靱性の低下が著し
いため、上限を３０重量％とする。Ｍｏ；クリープ強度を高めるために必要な金属化合物を
析出させるために、０．５重量％以上含有するのが好ま
しく、Ｍｏ＋０．５Ｗ≧３．０重量％以上が必要であ
る。また、過剰添加は靱性を低下させるため、上限は５
重量％とする。Ｗ：クリープ強度を高めるために必要な金属間化合物を
析出させるために、０．５重量％以上含有するのが好ま
しく、Ｍｏ＋０．５Ｗ≧３．０重量％以上が必要であ
る。また、過剰添加は靱性を低下させるため、上限は１
０重量％とする。Ｎｉ：靱性向上のために０．１重量％以上の添加が好ま
しい。とくに、ＣあるいはＮの添加量が０．０１重量％
以上の場合は、靱性確保のため、Ｎｉ＞１０（Ｃ＋Ｎ）
の添加が必要である。また、過剰添加はフェライト相の
体積率を低下させるため、上限は２．５重量％とするＣ：クリープ強度向上のために、０．００１重量％以上
の添加が必要である。また、過剰添加は靱性を低下させ
るため、上限は０．１重量％とするとともに、０．０１
重量％以上添加する場合は、Ｎｉ＞１０（Ｃ＋Ｎ）を満
足する必要がある。Ｎ：クリープ強度向上のために、０．００１重量％以上
の添加が必要である。また、過剰添加は靱性を低下させ
るため、上限は０．１重量％とするとともに、０．０１
重量％以上添加する場合は、Ｎｉ＞１０（Ｃ＋Ｎ）を満
足する必要がある。Ｖ：クリープ強度向上に有効な炭化物、窒化物を形成さ
せるために、０．０５〜０．４０重量％の添加が必要で
ある。Ｎｂ：クリープ強度向上に有効な炭化物、窒化物を形成
させるために、０．０１〜０．１０重量％の添加が必要
である。Ｃｏ：炭化物、窒化物及び金属間化合物などの析出物を
微細化し、クリープ強度向上に有効なため、０．１重量
％以上の添加が必要であるが、過剰添加はフェライト相
の体積率を低下させるため、上限は１０．０重量％とす
る。Ｂ：析出物を微細化かつ安定化させるとともに、粒界強
化に有効な範囲として０．００２〜０．００４重量％と
するＭｎ：脱酸材として有効であるが、過剰添加は強度及び
靱性に有害なため、添加量は０．０５〜０．８重量％と
する。Ｓｉ：脱酸材として有効であるが、過剰添加は析出物の
粗大化を促進し、強度を低下させるため、添加量は０．
０５〜０．５重量％とする以上例示のような組成のこの発明の高クロムフェライト
耐熱鋼は、たとえば、各元素原料物質の溶製によって製
造することができ、鍛造、熱処理等を適宜な方法によっ
て施すことができる。そして、より好ましくは前記のと
おり、１０００℃以上の温度で焼きなまし熱処理し、空
冷以上の速度で冷却することが好ましい。

【００１３】特に水冷することが好ましい。より具体的
には、焼きなまし温度から４００℃以下の温度まで、１
００℃／ｍｉｎ（毎分１００℃）以上の速度で冷却する
ことが好ましい例として示される。

【００１４】そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく
説明する。もちろん、以下の例によって説明に限定され
ることはない。

【００１５】

【実施例】表１に示されている種々の組成の材料によ
り、１０ｋｇ鋼塊熱間鍛造により、直径１５ｍｍの丸棒
に成形して、１，２００℃で焼きなまし熱処理後、それ
ぞれを、炉冷および水冷で冷却した。

【００１６】これらの材料比で成形したものを、１００
℃でシャルピー衝撃試験を行った。その結果を示したも
のが表２である。この発明で成形した高クロムフェライ
ト耐熱鋼と比較鋼の物性の差は明確に現れている。すな
わち、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７は、焼きなまし熱処理後の冷
却速度の大小に係らず衝撃値は小さいのに対し、Ｎｏ．
１〜Ｎｏ．４は冷却速度が小さい炉冷では衝撃値が小さ
いが、冷却速度が大きい水冷では衝撃値が３３３Ｊ／ｃ
ｍ^２以上とＮｏ．５〜Ｎｏ．７に比べて桁違いに大きい
ことが示されている。また、図１から明らかな様に、こ
の発明の鋼（１）は比較鋼（５）に比べて約１００倍の
クリープ破断時間を示している。また、焼き戻しマルテ
ンサイト組織を有する既存鋼である改良９Ｃｒ−１Ｍｏ
鋼よりも１０倍近く長いクリープ破断寿命を示してい
る。したがって、この出願の発明による高クロムフェラ
イト耐熱鋼は優れたクリープ強度特性を有することが明
らかである。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】図２は、６５０℃で１，０００ｈの時効処
理を行った本発明鋼−１の二次電子像を示したものであ
り、多量の析出物が存在することがわかる。

【００２０】また、図３は、１２００℃で３０分間保持
後、水冷した本発明鋼−１から、電解抽出により採取し
た析出物のＸ線回析結果を示したものである。金属間化
合物であるＬａｖｅｓ（ラーベス）相、χ（カイ）相及
びμ（ミュー）相の存在が確認される。

【００２１】図４は、６５０℃で１，０００ｈの時効処
理を行った本発明鋼−４の析出物の反射電子像を示した
ものであり、また図５は、各析出物のＥＤＸ分析結果を
示したものである。図５の分析ポイント番号は図４の各
析出物に記載した番号と対応する。ＥＤＸ分析結果か
ら、分析を行った析出物χ（カイ）相であることがわか
る。

【００２２】また、上記の表２にはフェライト相の体積
率データを記載しているが、このフェライト相の体積率
は、光学顕微鏡写真を用いて、フェライト部分の面積率
を測定することにより、フェライト相の体積率を求めて
いる。この体積率に関連して、図６および図７には、表
２の本発明鋼１および４の光学顕微鏡写真を示した。本
発明鋼４（図７）で認められる白いコントラストの領域
がフェライト相に相当し、本発明鋼１（図６）は前面が
フェライト相（体積率１００％）である。

【００２３】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、耐熱性、耐酸化性、高靭性を有し、高温
高圧下での長期間使用においても強度の劣化が抑制でき
る高クロムフェライト耐熱鋼が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例について、クリープ強度試験の結果を例
示した図である。

【図２】６５０℃、１０００時間の時効処理を行った本
発明鋼−１の二次電子像を示した写真図である。

【図３】１２００℃で３０分間保持後に水冷した本発明
鋼−１から、電界抽出により採取した析出物のＸ線回析
の結果を示した図である。

【図４】６５０℃、１０００時間の時効処理を行った本
発明鋼−４の析出物の反射電子像を示した写真図であ
る。

【図５】図４の析出物のＥＤＸ分析の結果を示した図で
ある。

【図６】発明鋼−１の光学顕微鏡写真図である。

【図７】発明鋼−４の光学顕微鏡写真図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｒを１３重量％以上含有し、フェライ
ト相が７０体積％以上を占めると共に、金属間化合物や
炭化物および窒化物の１種以上の析出によって強化され
ていることを特徴とする高クロムフェライト耐熱鋼。
【請求項２】ＭｏおよびＷを０．５重量％以上含有
し、Ｍｏ＋０．５Ｗ≧３．０重量％以上含有することを
特徴とする請求項１に記載の高クロムフェライト耐熱
鋼。
【請求項３】Ｎｉ、Ｃ、Ｎについて、ＣあるいはＮの
添加量が０．０１重量％以上の場合には、Ｎｉ＞１０
（Ｃ＋Ｎ）の範囲で含有することを特徴とする請求項１
又は２に記載の高クロムフェライト耐熱鋼。
【請求項４】Ｃ：０．００１〜０．１重量％、Ｃｒ：
１３．５〜３０．０重量％、Ｍｏ：０．５〜５．０重量
％、Ｗ：０．５〜１０．０重量％、Ｖ：０．０５〜０．
４０重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０重量％、Ｃｏ：
０．１〜１０．０重量％、Ｎ：０．００１〜０．１重量
％、Ｎｉ：０．１〜２．５重量％、Ｂ：０．００２〜
０．００４重量％の組成比からなることを特徴とする請
求項１乃至３に記載の高クロムフェライト耐熱鋼。
【請求項５】１０００℃以上で焼きなまし熱処理した
後、空冷以上の速度で冷却することを特徴とする請求項
１乃至４に記載の高クロムフェライト耐熱鋼の製造方
法。
【請求項６】冷却を水冷で行なうことを特徴とする請求
項５に記載の方法。