JP2004002963A - 耐熱鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる耐熱鋼。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高温環境下で使用される金属部材の組成に係り、特に発電設備等で用いられる蒸気タービンを構成する耐熱鋼及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
発電設備における高温環境下で使用される金属材料には、1Cr−1Mo−0.25V鋼などの低合金耐熱鋼や12Cr−1Mo−VNbN鋼などの高Cr系耐熱鋼がある。これらは広く利用されている。近年の火力発電設備は蒸気温度の高温化が急速に進められている。このため、より高強度で耐環境特性等に優れた高Cr系耐熱鋼が使用されるようになってきている。このような高強度鋼を用いることで、より高性能のプラントを構成することが可能となっている。
【0003】
一方、従来製造が容易で、安価な低合金耐熱鋼を得る目的で開発された例として、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Mo及びFeを所定の含有比率でであって、これ以外に組成としてCoを必ず含むものが記載されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
さらに、安価な低合金耐熱鋼及び蒸気タービンを得る目的で開発された例として、質量%でC:0.15〜0.35%、Si:0.005〜0.35%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.8〜2.5%、Ni:0.1〜0.3%(0.3%を含まず)、V:0.05〜0.3%、Nb:0.01〜0.15%、Mo:0.1〜1.5%、W:0.1〜2.5%を含み、残部が不可避的不純物及びFeからなる低合金耐熱鋼が記載されている(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−268343号公報(特許請求の範囲、段落0021、表1、3、5)。
【0006】
【特許文献2】
特開平10−81935号公報(特許請求の範囲、段落0005、段落0010〜0018、表1、3、5、7、9)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の火力発電プラントでは、高い熱効率だけでなく、優れた経済性も要求される傾向にある。また、プラント構成材料も従来と同等あるいはそれ以上の機械的性質や製造性を有すること、さらに、経済性に優れていることが不可欠となってきている。
【0008】
本発明の目的は、高温の蒸気環境中で安定な運用が可能で、かつ、経済性に優れた耐熱鋼及びその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる耐熱鋼である。
【0010】
請求項5に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる耐熱鋼である。
【0011】
請求項7に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を熱間鍛造し、焼鈍、焼ならし後、引き続き焼入れを行い、さらに焼戻しを行うことにより結晶粒内及び結晶粒界に析出するM7C3型、MX型及びM23C6型の析出物を有し、前記析出物の合計量が0.5〜2.0質量%である耐熱鋼である。
【0012】
請求項8に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を熱間鍛造し、焼鈍、焼ならし後、引き続き焼入れを行い、さらに焼戻しを行うことにより結晶粒内及び結晶粒界に析出するM7C3型、MX型及びM23C6型の析出物を有し、前記析出物の合計量が0.5〜2.0質量%である耐熱鋼である。
【0013】
請求項9に係る発明は、耐熱鋼の製造にあたり、エレクトロスラグ再溶解法を採用した請求項1乃至8のいずれかに記載の耐熱鋼の製造方法である。
【0014】
請求項10に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼に、焼入れ開始温度を970℃以上1,020℃以下として焼入れる耐熱鋼の製造方法である。
【0015】
請求項13に係る発明は、質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼に、焼入れ開始温度を1,020℃以上1,050℃以下として焼入れる耐熱鋼の製造方法である。
【0016】
以下に本発明の耐熱鋼の組成の限定理由を説明する。なお、以下の説明において「%」と表した場合は、特に断らない限り質量%である。
【0017】
(a)C(炭素):Cは焼入れ性の確保に有用な元素であり、また、析出強化に寄与する炭化物の構成元素としても有用な元素である。C量が0.25%未満では上述の効果が小さい。一方、C量が0.35%を超えると炭化物の凝集が促進され、また、鋼塊凝固時の偏析傾向が高まる。このため、C含有量は0.25〜0.35%とする。
【0018】
(b)Si(ケイ素):Siは脱酸剤として有用であり、また、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかし、Si含有量が高い場合は、鋼の靭性の低下及び脆化が促進される。このため、この観点からはSi含有量は可能な限り抑制することが望ましい。Si含有量が0.15%を超えると靭性が著しく低下する。このため、Si含有量は0.15%以下とする。
【0019】
(c)Mn(マンガン):Mnは脱硫剤として有用な元素である。Mn量が0.2%未満では脱硫効果が認められない。一方、0.8%を超えてMnを添加するとクリープ抵抗を低下させる。このため、Mn含有量は0.2〜0.8%とする。
【0020】
(d)Cr(クロム):Crは鋼に耐酸化性、耐食性を付与する効果を有する。また、Crは析出強化に寄与する析出物の構成元素としても有用な元素である。本発明に係る耐熱鋼においては、主にCrに靭性の向上効果を期待するものである。Cr量が1.6%未満では靭性の向上は期待できない。一方、Cr量が1.9%を超えると焼戻し軟化抵抗が低下し、クリープ強度が悪化する。このため、Cr含有量は1.6〜1.9%とする。
【0021】
(e)V(バナジウム):Vは固溶強化及び微細な炭窒化物の形成に寄与する。VはNbと類似の効果を有するため、Nbの添加量との兼ね合いでその添加量を変化させる必要がある。
【0022】
Nb無添加の場合、0.26%以上のV添加で微細析出物が十分に析出し、また、母相の回復を抑制する。一方、V量が0.35%を超えると靭性の低下を招き、また、炭窒化物の粗大化を促進する。このため、V含有量は0.26〜0.35%とする。
【0023】
VとNbを複合添加する場合は、Vの一部がNbと同様の効果を有する。このため、0.23%以上のV添加で上述の効果が期待できる。一方、V量が0.30%を超えると靭性の低下及び炭窒化物の粗大化を促進する。このため、V含有量は0.23〜0.30%とする。
【0024】
(f)W(タングステン):Wは固溶強化に寄与し、また、炭化物中へ置換して析出強化にも寄与する。長時間にわたり高温に晒された場合に必要な固溶W量を確保するためには、0.6%以上のW添加が必要である。しかし、W量が1.4%を超えると靭性の低下やフェライトの生成を促進し、また、鋼塊が偏析しやすくなる。このため、W含有量は0.6〜1.4%とする。
【0025】
(g)Mo(モリブデン):Moは固溶強化に寄与し、また、炭化物中へ置換して析出強化にも寄与する。長時間にわたり高温に晒された場合に必要な固溶Mo量を確保するためには、0.6%以上のMo添加が必要である。しかし、Mo量が1.1%を超えると靭性の低下とフェライトの生成を促進し、また、鋼塊が偏析しやすくなる。このため、Mo含有量は0.6〜1.1%とする。
【0026】
(h)B(ホウ素):Bは微量の添加で焼入れ性を高め、また、炭窒化物の高温における長時間安定化を可能にする。その効果は0.001%以上のB添加で認められる。すなわち、0.001%以上のB添加は、結晶粒界及びその近傍に析出する炭化物の粗大化を抑制する効果を発揮する。しかし、B量が0.004%を超えると粗大生成物の形成を促進する。このため、添加する場合、B含有量は0.001〜0.004%とする。
【0027】
(i)N(窒素):Nは窒化物あるいは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。さらに母相中に残存するNは固溶強化にも寄与する。本発明に係る耐熱鋼ではN量が0.002%未満ではこれらの効果が認められない。一方、N量が0.008%以上では窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進し、クリープ抵抗が低下する。このため、N含有量は0.002〜0.008%とする。
【0028】
(j)Nb(ニオブ):Nbは微細炭窒化物を形成し析出強化に寄与する。Nb量が0.001%未満ではこれらの効果が得られない。一方、Nb量が0.008%を超えると偏析が生じ、未固溶の粗大なNb炭窒化物の体積率が増加する。これに伴い靭性の低下や切欠弱化が生じる。このため、Nb含有量は0.001〜0.008%とする。本発明に係る耐熱鋼においては、Vの添加量を増加させることでNb添加と同様の効果を得ることが可能となる。
【0029】
(k)Ni(ニッケル):Niは焼入れ性及び靭性を向上させ、また、フェライトの生成を抑制する効果を有する。Ni量が0.3%以上でその効果が認められる。しかしNi量が0.6%を超えるとクリープ抵抗を低下させる。このため、Ni含有量を0.3〜0.6%とする。
【0030】
なお、上記成分ならびに主成分であるFeを添加する際に付随的に混入する不純物は極力低減することが望ましい。
【0031】
(l)(Mo+W/2):(Mo+W/2)で表される量を1.3〜1.4に制限する理由を説明する。
【0032】
本発明に係る耐熱鋼におけるW及びMoのそれぞれの効果は上記(f)及び(g)に述べた通りである。しかし、これらを複合添加した場合はMoやWを単独添加した場合に比べ、クリープ強度が向上する一方で偏析傾向が著しく増大する。所望のクリープ強度を発揮させ、かつ偏析を回避するためにはMoとWの複合添加量に対して制限を設ける必要がある。このためには、ここで表したMo当量と称される指標を用いることが好適である。本発明に係る耐熱鋼の場合、Mo当量が1.3未満ではクリープ強度が低下する。一方、Mo当量が1.4を超えると偏析が不可避となる。このため、Mo当量は1.3〜1.4とする。
【0033】
次に、本発明に係る耐熱鋼の製造方法として、エレクトロスラグ再溶解法を採用する理由を説明する。
【0034】
蒸気タービンロータのような大型部品は、鋼塊の溶湯凝固時に添加元素の偏析や凝固組織の不均一が生じ易い。一般的には、真空カーボン脱酸法によっても耐熱鋼の製造は可能である。しかし、エレクトロスラグ再溶解法を採用することで鋼塊の性状をより向上させることが可能となる。
【0035】
焼入れ開始温度、すなわち焼ならし保持温度の限定理由を以下に述べる。
【0036】
本発明鋼において、Nb炭窒化物は最も高温まで安定に存在する析出物である。焼ならし加熱保持中においても未固溶生成物として鋼中に残存するNb炭窒化物量が多いと、その後の焼戻し過程で析出強化に寄与する微細なNb炭窒化物の析出量が減少する。その結果、鋼の機械的特性の低下を招く。
【0037】
そこで、Nbを含む耐熱鋼では、この未固溶Nb炭窒化物を減少させるために、焼入れ開始温度を1,020℃以上とする必要がある。しかし、焼入れ開始温度が1,050℃を超えると結晶粒の粗大化を招く。このため、焼入れ開始温度は1,020〜1,050℃とする。
【0038】
一方、Nbを添加せずにVの含有量を増した耐熱鋼では、未固溶のNb炭窒化物が生成しないため、この生成物の存在を考慮する必要がない。このため、焼入れ開始温度は、変態点を超え、かつ、結晶粒の粗大化も抑制可能な温度範囲として970〜1,020℃とする。
【0039】
次に、焼入れ時の冷却速度を1時間当たりで100℃以上とすることが好適な理由を説明する。
【0040】
本発明の耐熱鋼では、その金属組織がベイナイト単相である場合に所望の機械的特性を発揮する。しかし、本発明の耐熱鋼のようにフェライト形成元素を比較的多く含有する鋼は、鋼中のフェライト生成傾向が高くなる。特に、焼入れ時の冷却速度が遅い場合には、フェライトの生成傾向が著しく増大する。鋼中にフェライトが生成した場合、強化元素として添加するMoやWがフェライト中に濃縮してクリープ強度及び靭性を低下させる。特に、タービンロータ素材のような大型鋼塊では、冷却速度が遅くなる鋼塊中心部でのフェライト生成は確実に回避することが重要である。そこで、本発明記載の耐熱鋼では、熱処理時の冷却速度を1時間当たりで100℃以上とし、好ましくは1時間当たりで100℃以上1000℃以下とする。これにより、大型鋼塊の中心部においてもフェライトの生成を回避する。焼入れ操作は例えば、衝風空冷等の空気焼入れ、水噴霧、油焼入れ等の冷媒を用いた焼入れにより行う。
【0041】
次に、熱処理により結晶粒内及び結晶粒界にM7C3型、MX型及びM23C6型の析出物をそれぞれ析出させ、これら析出物の合計量が0.5〜2.0質量%であることが好適な理由を説明する。
【0042】
上記種類の析出物による析出強化作用によって、本発明の耐熱鋼のクリープ破断強度は向上する。上記析出物の合計量が0.5%未満の場合、析出強化作用が不十分であり、特に、所望のクリープ破断強度を発揮できない。
【0043】
一方、上記析出物の合計量が2.0%を超えると、強度維持に効果が認められない粗大析出物の割合が増加し、所望のクリープ破断強度が発揮できない。また、2.0%を超える上記析出物を析出させるためには、高温で長時間の熱処理が必要となる。この結果、母相自体の強度が低下する弊害も生じる。これらのことから、M7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量は0.5〜2.0%とする。
【0044】
なお、析出物の測定は、以下のように行う。試料をメタノールとアセチルアセトン及びテトラメチルアンモニウムクロライドの混合液に入れ、電解にて母相を溶解する。これを濾過し、残渣を洗浄後、質量を測定する。この結果を質量%で表す。さらに、残渣についてX線分析法等を用いてM7C3、MX、M23C6等を判定する。
【0045】
上記の手段により得られた耐熱鋼を蒸気タービンロータに適用することが可能である。本発明の耐熱鋼を蒸気タービン用鋼として用いる際、直径1m程度、長さ10m程度の丸棒とすることができる。これまでに述べた組成を有する耐熱鋼に上記熱処理を施した場合、定常時の最高蒸気温度が566〜593℃の蒸気タービンロータ材料として良好な特性を発揮する。一方、本発明の耐熱鋼は593℃を上回ると軟化が著しく、運転中の変形が促進されるおそれがある。また、566℃未満では、従来の1Cr−1Mo−0.25V鋼を用いることで十分である。
【0046】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態である耐熱鋼及びその製造方法につき、実施例に基づいて説明する。
【0047】
[実施例1]
本発明の一実施の形態に係る耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。供試鋼は30kg真空誘導溶解後、鋳込んだ鋳塊を熱間圧延した。続いて焼鈍、焼ならし後引き続き焼入れを行い、さらに焼戻しを施した。表1に示す鋼種P1〜鋼種P27は、本発明に係る化学組成範囲にある耐熱鋼の実施例であり、鋼種C1〜鋼種C9は、その組成が本実施例の組成範囲にない比較例である。
【0048】
【表1】
【0049】
このうち、特にC4は1Cr−1Mo−0.25V鋼と称される従来鋼種に相当する。すべての供試鋼は、タービンロータに適用した場合を想定し、表2に示すように650〜690MPa程度の室温0.02%耐力に調整した。各鋼について、JIS4号2mmVノッチシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行った結果を表2に示す。
【0050】
【表2】
【0051】
本発明の組成範囲内にある実施例P1〜P27の各鋼は、同等の0.02%耐力に調整した場合、20℃において40〜60Jの衝撃吸収エネルギーを示した。一方、C9を除く比較例C1〜C8の鋼の20℃衝撃吸収エネルギーは、いずれも40J未満であり、実施例の鋼に比べ全体に低かった。
【0052】
表1に示す各鋼について、600℃−196MPaでのクリープ破断試験を実施した。この試験により得られた各鋼のクリープ破断時間を表2に併せて示す。実施例P1〜P27の鋼のクリープ破断時間は1,700〜2,600hであった。一方、比較例C1〜C9の鋼のクリープ破断時間は700〜1,700hであった。比較例C6及びC7の鋼は、実施例に匹敵するクリープ破断時間を示したが、20℃における衝撃吸収エネルギーは実施例に比べ大幅に低かった。
【0053】
C9のようにMo当量が1.3未満の鋼及びC2のようにMo当量が1.4を超える鋼は、明らかにクリープ破断時間が減少した。また、Moが1.3〜1.4の範囲にある鋼であってもその他の元素の添加量が本発明の組成範囲内にない場合は、クリープ破断時間が短かった。
【0054】
以上のことから、本実施例の耐熱鋼は、同等の室温0.02%耐力に調整した場合、本発明範囲内にない添加元素量を有する比較例の鋼に比べ、衝撃吸収エネルギー及びクリープ破断時間の双方が優れる。また、本実施例の耐熱鋼は、従来鋼C4に比べても優れた特性を有する。
【0055】
[実施例2]
本発明の化学組成範囲内にある耐熱鋼が所定の温度範囲で焼ならしを施された場合に粗大生成物が減少し、高い組織清浄度を有すること、また、結晶粒の粗大化を抑制することが可能であることを説明する。供試鋼は表1中のP5、P13、及びP15を用いた。なお、これらの供試鋼の製造方法は実施例1と同様である。
【0056】
これらの供試鋼のうちP5及びP13については950、970、1,020及び1,030℃で焼ならしを施し、P15については970、1,020及び1,060℃で焼ならしを施した。焼ならし後の鋼材から試験鋼板を採取した。この試験鋼板を研磨後、JIS G 0555記載の試験方法に基づいてこの試験鋼板の清浄度の判定を実施した。これらの結果を表3に示す。介在物と判断したものにはMnS、未固溶のNb炭窒化物、BN等を含む。
【0057】
【表3】
【0058】
各鋼種のうちP5及びP13の鋼では950℃で焼ならした場合に、P15の鋼では970℃で焼ならした場合に介在物の合計値が0.017となった。P5及びP13の鋼では970℃以上で焼ならすことによって、P15の鋼では1,020℃以上で焼ならすことによって介在物の合計値が0.012以下となった。このように、本実施例の焼ならし温度範囲下限を超えた温度で焼きならすことによって介在物の合計値は減少する。介在物の減少によってNb、N、B等の効果をより大きく発揮させることが可能となる。
【0059】
次に、表3中の各鋼種の結晶粒度をJIS G 0551記載の試験方法に基づいて計測した。各鋼の得られた結晶粒度番号を最も焼ならし温度が低い鋼の結晶粒度番号で除した値を表3に併せて記載した。比較例方法で得られた各鋼板のうち1,030℃で焼ならした比較例方法2及び4の鋼板は結晶粒度比が約0.5となり、1,060℃で焼ならした比較例方法6の鋼板は、結晶粒度比が約0.25となった。すなわち、本実施例の焼ならし温度(焼入れ開始温度)範囲上限を超えた温度で焼きならすことによって結晶粒径が著しく粗大化した。
【0060】
以上のことから、所定の温度範囲で焼ならしを施した本実施例の耐熱鋼は、高い組織清浄度を確保し、また、結晶粒の粗大化も抑制できる。
【0061】
[実施例3]
本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼の鋼塊の製造に際し、ESR(エレクトロスラグ再溶解法)を採用した場合に、鋼塊の性状をより向上させることが可能であることを説明する。供試鋼は鋳造後の組成が表1中のP23の組成と同等となるようにした。供試鋼を溶解後にESRの消耗電極用モールドに鋳込んだ。次いでこの鋳塊を消耗電極として再溶解した後、鍛造した。これによりφ500×700mm程度の丸棒とした。また、これとほぼ同形状の丸棒を真空カーボン脱酸法によって製作した。これらの丸棒に本実施例の温度範囲にある1,000℃で焼入れを開始し、680℃で20時間の焼戻しを施した。
【0062】
両丸棒の表層及び中心部について、室温での引張試験及び20℃での2mmVノッチシャルピー衝撃試験を実施した。この結果を表4に示す。両者は、ほぼ同程度の室温0.02%耐力、引張強さに調整した。しかし、真空カーボン脱酸法で製作された鋼に比べ、ESRで製作された鋼は、伸び、絞り及び衝撃吸収エネルギーのいずれも僅かではあるが向上した。
【0063】
【表4】
【0064】
以上のことから、本実施例の組成範囲にある耐熱鋼をESRを用いて製作した場合は、ESRを用いない場合に比べて延靭性をさらに向上させることが可能である。
【0065】
[実施例4]
本発明の化学組成範囲内にある耐熱鋼が、M7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量が所定量だけ確保された場合に好適な特性を発揮することを説明する。供試鋼は表1中のP2、P9、P12及びP21を用いた。これらの供試鋼は実施例1と同様に製造した。これらの供試鋼のうち、P9については1,030℃から焼入れを行い、それ以外については1,010℃から焼入れを行った。焼入れ後、620〜700℃の範囲で焼戻しを施し、析出物の質量を測定した。得られた各鋼の析出物の質量%を表5に示す。また、各鋼種の熱処理後の状態での650℃−98MPaでのクリープ破断時間及び20℃衝撃吸収エネルギーを測定した。この結果を表5に併せて示す。
【0066】
M7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量が0.5%未満の鋼は、クリープ破断時間が短く、かつ、衝撃吸収エネルギーも低かった。一方、M7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量が2.0%を超える鋼は、衝撃吸収エネルギーは高くなるが、クリープ破断時間が短かった。
【0067】
【表5】
【0068】
以上のことから、本実施例の耐熱鋼は、熱処理後のM7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量によって特性が変化する。また、熱処理後に所定のM7C3型、MX型及びM23C6型析出物の合計量を確保した場合、クリープ破断時間と衝撃吸収エネルギーの双方が優れた値を有する。
【0069】
[実施例5]
本発明の化学組成範囲内にある耐熱鋼が、所定の冷却速度で焼入れされた場合に好適な金属組織及び良好な特性を有することを説明する。供試鋼は表1中のP2、P9、P12及びP21を用いた。なお、これらの供試鋼の製造方法は実施例1と同様とした。これらの供試鋼のうち、P9については1,030℃から焼入れを行い、それ以外については1,010℃から焼入れを行った。焼入れの際の冷却速度は、80℃/hまたは100℃/hとし、300℃以下まで冷却した。
【0070】
各鋼種の焼入れ後のフェライトの生成有無を表6に示す。いずれの鋼種についても、80℃/hで冷却した場合はフェライトが生成した。一方、冷却速度100℃/hではベイナイト単相組織を呈した。
【0071】
次に、上記焼入れを施した鋼材に焼戻しを施し、0.02%耐力を650MPa程度に調整した。これらの各鋼材について、JIS4号2mmVノッチシャルピー衝撃試験片を用いて20℃で衝撃試験を行った。その結果を表6に示す。
【0072】
【表6】
【0073】
冷却速度が遅く、フェライトが生成した鋼は、衝撃吸収エネルギーも低かった。
【0074】
以上のことから、本発明の耐熱鋼は、焼入れ時の冷却速度を速くしてフェライトの生成を避けることによって、良好な特性を発揮できる。
【0075】
【発明の効果】
本発明によれば、高温の蒸気環境中で安定な運用が可能であり、また、経済性に優れた耐熱鋼及びその製造方法を提供することができる。
Claims (15)
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱鋼。
- さらに、0.002〜0.008質量%のNを含有することを特徴とする請求項1記載の耐熱鋼。
- さらに、0.001〜0.004質量%のBを含有することを特徴とする請求項1記載の耐熱鋼。
- さらに、0.002〜0.008質量%のN及び0.001〜0.004質量%のBを含有することを特徴とする請求項1記載の耐熱鋼。
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱鋼。
- さらに、0.002〜0.008質量%のNを含有することを特徴とする請求項5記載の耐熱鋼。
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を熱間鍛造し、焼鈍、焼ならし後、引き続き焼入れを行い、さらに焼戻しを行うことにより結晶粒内及び結晶粒界に析出するM7C3型、MX型及びM23C6型の析出物を有し、前記析出物の合計量が0.5〜2.0質量%であることを特徴とする耐熱鋼。
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を熱間鍛造し、焼鈍、焼ならし後、引き続き焼入れを行い、さらに焼戻しを行うことにより結晶粒内及び結晶粒界に析出するM7C3型、MX型及びM23C6型の析出物を有し、前記析出物の合計量が0.5〜2.0質量%であることを特徴とする耐熱鋼。
- 耐熱鋼の製造にあたり、エレクトロスラグ再溶解法を採用したことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の耐熱鋼の製造方法。
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.26〜0.35、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼に、焼入れ開始温度を970℃以上1,020℃以下として焼入れることを特徴とする耐熱鋼の製造方法。
- 前記鋼は、さらに0.002〜0.008質量%のNを含有することを特徴とする請求項10記載の耐熱鋼の製造方法。
- 前記鋼は、さらに0.001〜0.004質量%のBを含有することを特徴とする請求項10記載の耐熱鋼の製造方法。
- 質量%で、C:0.25〜0.35、Si:0.15以下、Mn:0.2〜0.8、Ni:0.3〜0.6、Cr:1.6〜1.9、V:0.23〜0.30、Mo:0.6〜1.1、W:0.6〜1.4、Nb:0.001〜0.008、Mo+W/2:1.3〜1.4の範囲を満足し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼に、焼入れ開始温度を1,020℃以上1,050℃以下として焼入れることを特徴とする耐熱鋼の製造方法。
- 前記鋼は、さらに0.002〜0.008質量%のNを含有することを特徴とする請求項13記載の耐熱鋼の製造方法。
- 前記焼入れの冷却速度を1時間当たりで100℃以上とすることを特徴とする請求項10又は13記載の耐熱鋼の製造方法。
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