JP2007162114A - Martensitic iron based heat resistant alloy - Google Patents

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Mitsuru Yoshizawa
満 吉澤
Masaaki Igarashi
正晃 五十嵐
Naoyuki Sano
直幸 佐野
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Nippon Steel Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a martensitic heat resistant alloy having high temperature long time creep strength suitable for a steel tube for a heat exchanger, a steel sheet for a pressure vessel, a turbine material or the like used under high temperature-high pressure environments in a boiler, nuclear power generation equipment, chemical industry equipment or the like. <P>SOLUTION: The martensitic iron based heat resistant alloy has a composition comprising, by mass, 8 to 16% Cr, 1 to 18% Co, 0.01 to 1% Si, 0.01 to 3% Mn, 0.0005 to 0.03% B, 0.001 to 0.1% sol.Al and 0 to 0.5% Cu, further comprising either or both of ≤2% Mo and ≤5% W in the ranges satisfying inequality (1), and the balance Fe with impurities satisfying ≤0.05% C, ≤0.01% N, ≤0.05% P and ≤0.02% S, and has a modulated structure. The alloy may further comprise one or more kinds selected from Nb, V, Ni, Ta, Hf, Ti, REM, Ca and Mg. (1): Mo+(1/2)W≥0.5%, wherein Mo and W denote the respective contents (mass%). <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、マルテンサイト系耐熱合金に関する。さらに詳しくは、ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などの高温、高圧環境下で使用される熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービン材料等に適する高温長時間クリープ強度に優れたマルテンサイト系耐熱合金に関する。   The present invention relates to a martensitic heat resistant alloy. More specifically, martensite systems with excellent high-temperature and long-term creep strength suitable for high-temperature, high-pressure environments such as boilers, nuclear power generation facilities, and chemical industrial facilities, which are suitable for heat exchange steel pipes, steel plates for pressure vessels, turbine materials, etc. It relates to heat resistant alloys.

ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備等の高温、高圧環境で使用される各種部品用の耐熱材料には、高温クリープ強度、耐食性および耐酸化性等が要求される。そのような耐熱材料の一つである高Crマルテンサイト鋼は、500〜650℃の温度において、強度および耐食性の点で低合金鋼よりも優れている。また、高Crマルテンサイト鋼は、熱伝導率が高く、かつ熱膨張率が小さいことから、オーステナイトステンレス鋼と比較して耐熱疲労特性に優れ、かつ安価であるという特徴がある。さらには、スケール剥離が起こりにくいこと、応力腐食割れを起こさないことなど、数々の利点がある。   High temperature creep strength, corrosion resistance, oxidation resistance and the like are required for heat resistant materials for various parts used in high temperature and high pressure environments such as boilers, nuclear power generation facilities and chemical industrial facilities. High Cr martensitic steel, which is one of such heat resistant materials, is superior to low alloy steel in terms of strength and corrosion resistance at a temperature of 500 to 650 ° C. Further, high Cr martensitic steel has a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, and is therefore characterized by excellent heat fatigue resistance and low cost compared to austenitic stainless steel. In addition, there are a number of advantages such as less scale peeling and no stress corrosion cracking.

1980年代後半から1990年代にかけて、NbやVの微細炭窒化物による析出強化により、従来鋼よりも強度の高められたASME P91の鋼が実用化された。この鋼を用いて、蒸気温度566℃以上の超臨界ボイラが実用化されてきた。近年、Wを添加してさらにクリープ強度を高めたASME P92およびP122の鋼が実用化され、それによって蒸気温度が600℃程度の超々臨界圧ボイラも実用化されている。   From the late 1980s to the 1990s, ASME P91 steel with higher strength than conventional steel was put into practical use by precipitation strengthening with fine carbonitrides of Nb and V. Using this steel, supercritical boilers with a steam temperature of 566 ° C or higher have been put into practical use. In recent years, ASME P92 and P122 steel, which has been further increased in creep strength by adding W, has been put into practical use, and an ultra-supercritical boiler with a steam temperature of about 600 ° C. has also been put into practical use.

しかし、高強度化された高Crマルテンサイト鋼においても600℃程度の高温での長時間クリープ強度が低いという問題がある。長時間クリープ強度が低下する原因としては、低応力・長時間域では旧オーステナイト粒界近傍で組織回復が優先的に進行する不均一回復が挙げられている。   However, even high-strength, high Cr martensitic steels have a problem of low long-term creep strength at a high temperature of about 600 ° C. As the cause of the decrease in long-term creep strength, there is a non-uniform recovery in which the structure recovery preferentially proceeds in the vicinity of the prior austenite grain boundary in the low stress and long time range.

近年、地球環境保護のためにCO2排出量の削減が求められており、それに応えるべく火力発電ボイラにおいても更なる高温高圧化が求められている。そして、ボイラのより一層の高温高圧運転を実現するために、さらに高強度のマルテンサイト系材料の開発が求められる。 In recent years, reduction of CO 2 emissions has been demanded in order to protect the global environment, and in order to meet this demand, further higher temperature and pressure have been demanded in thermal power generation boilers. And in order to implement | achieve the further high temperature high pressure operation of a boiler, development of a higher intensity | strength martensitic material is calculated | required.

従来のマルテンサイト系耐熱鋼は、固溶強化と析出強化によって極限まで高強度化されてきた。マルテンサイト系耐熱鋼の変形の担い手は転位であり、固溶強化および析出強化は、いずれも転位の運動を阻止することによる強化である。   Conventional martensitic heat resistant steels have been made extremely strong by solid solution strengthening and precipitation strengthening. Dislocations are responsible for deformation of martensitic heat-resistant steel, and both solid solution strengthening and precipitation strengthening are strengthened by preventing the movement of dislocations.

固溶強化元素の代表として、MoおよびWが挙げられる。しかし、固溶強化の効果を大きくするためにこれらの元素の含有量を増加させていくと、固溶限を超える量の元素は析出してしまう。したがって、固溶強化のみによる強化には限界がある。   Typical examples of the solid solution strengthening element include Mo and W. However, if the content of these elements is increased in order to increase the effect of solid solution strengthening, an amount of elements exceeding the solid solution limit will be precipitated. Therefore, there is a limit to strengthening only by solid solution strengthening.

析出強化という観点でみると、従来鋼は、M236型炭化物、MX型炭窒化物(Mは金属元素、XはCおよびN)に代表される炭窒化物と、Laves相に代表される金属間化合物により強化されている。一般に、析出物の粒子間隔を小さくすればするほど、強度は高くなる。なお、と粒子直径および粒子の体積分率の間には、下記の関係がある。この体積分率とは、合金全体に占める粒子の体積%である。したがって、細かい粒子を大量に分散させれば、材料は強化される。

Figure 2007162114
From the viewpoint of precipitation strengthening, conventional steels are typically represented by M 23 C 6 type carbide, MX type carbonitride (M is a metal element, X is C and N), and Laves phase. It is strengthened by intermetallic compounds. In general, the smaller the particle spacing of the precipitate, the higher the strength. There is the following relationship between the particle diameter and the volume fraction of the particles. This volume fraction is the volume percent of particles in the entire alloy. Therefore, the material is strengthened if a large amount of fine particles are dispersed.
Figure 2007162114

析出強化を従来以上に有効に活用する目的で、下記のように種々の発明が提案されている。   In order to make effective use of precipitation strengthening more than ever, various inventions have been proposed as follows.

特許文献1(特開2002−226946号公報)には、炭窒化物の粗大化を抑制するためにBを有効に活用する目的で、Nを0.005%未満に制限した鋼が開示されている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-226946) discloses a steel in which N is limited to less than 0.005% for the purpose of effectively utilizing B in order to suppress coarsening of carbonitrides.

特許文献2(特許第3118566号公報)には、炭化物による強化に頼らない新たな材料として、炭素無添加のマルテンサイト系鉄基耐熱合金が開示されている。この鉄基耐熱合金は、Moまたは/およびWを多量に添加し、高温まで微細で安定な金属間化合物(Laves、μ、σなど)をマルテンサイト母相、ラス界面および旧オーステナイト粒界に析出させ、高温クリープ強度を向上させている。   Patent Document 2 (Japanese Patent No. 3118566) discloses a martensitic iron-based heat-resistant alloy containing no carbon as a new material that does not rely on strengthening by carbides. This iron-based heat-resistant alloy adds a large amount of Mo or / and W, and precipitates fine and stable intermetallic compounds (Laves, μ, σ, etc.) up to high temperatures in the martensite matrix, lath interface and prior austenite grain boundaries. To improve the high temperature creep strength.

特開2002−226946号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-226946 特許第3118566号公報Japanese Patent No. 3118566

しかし、析出物の種類や組成を変化させても、高温において数千時間から数万時間も使用すると、析出物は粗大化する。析出物の粗大化速度(オストワルド成長速度)は、高温になればなるほど大きくなる。耐熱鋼を強化するM236型炭化物、MX型炭窒化物、Laves相などの成長速度は、600℃程度の高温になると顕著に大きくなる。従って、600℃程度の高温では、これまでに強化に用いてきた炭窒化物や金属間化合物による、さらなる強化は困難である。 However, even if the type and composition of the precipitates are changed, the precipitates become coarse when used at high temperatures for thousands to tens of thousands of hours. The coarsening rate of precipitates (Ostwald growth rate) increases as the temperature increases. The growth rate of M 23 C 6 type carbide, MX type carbonitride, Laves phase and the like for strengthening the heat-resistant steel increases remarkably at a high temperature of about 600 ° C. Therefore, at a high temperature of about 600 ° C., further strengthening by the carbonitride and intermetallic compounds that have been used for strengthening is difficult.

本発明は、高温長時間クリープ強度に優れたマルテンサイト系耐熱合金を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the martensitic heat-resistant alloy excellent in high temperature long-time creep strength.

上記のとおり、固溶強化にも析出強化にもそれぞれ限界があって、これらの強化法によって、耐熱材料をより一層強化することは難しい。しかし、これまでに知られている析出物よりも微細で、しかも粗大化しない粒子を大量に分散させることができれば、飛躍的に高強度化することが可能であると考えられる。その手法として下記の(1)および(2)がある。   As described above, both solid solution strengthening and precipitation strengthening have limitations, and it is difficult to further strengthen the heat-resistant material by these strengthening methods. However, if it is possible to disperse a large amount of particles that are finer than the precipitates known so far and that do not become coarse, it is considered that the strength can be dramatically increased. There are the following methods (1) and (2).

(1) ODS合金(酸化物分散強化合金)
(2) GPゾーンに代表されるクラスターの活用
上記(1)のODS合金については、高強度化が可能であることが知られているが、工業的に安価に、かつ安定的に製造できる溶解法による大型部材の製造方法の確立には、技術的障壁が極めて高い。
(1) ODS alloy (oxide dispersion strengthened alloy)
(2) Utilization of cluster represented by GP zone It is known that the ODS alloy of (1) above can be strengthened, but it can be industrially inexpensively and stably manufactured. There are very high technical barriers to establishing a method for manufacturing large-sized members by the method.

上記(2)のクラスターについて述べれば、本発明の合金のような組成を有する合金においては、最初にマトリックスと同じ構造の核(GPゾーン)が生成し、その後、クラスターと呼ばれる熱力学的に準安定な相が形成され、最終的には熱力学的に安定な析出物へと変化していく。低温域では熱力学的安定状態への移行に時間を要するため、場合によっては材料特性の改善に寄与する可能性がある。しかし、高温域では短時間で容易に平衡相(析出物)に変化していくと考えられる。したがって、クラスターにより長時間クリープ強度を向上させることは難しいと考えられる。   Regarding the cluster of (2) above, in an alloy having a composition like the alloy of the present invention, nuclei (GP zones) having the same structure as the matrix are first formed, and then a thermodynamically quasi called a cluster. A stable phase is formed and eventually changes into a thermodynamically stable precipitate. Since it takes time to shift to a thermodynamically stable state in a low temperature region, it may contribute to improvement of material properties depending on the case. However, it is considered that the high-temperature region easily changes to an equilibrium phase (precipitate) in a short time. Therefore, it is considered difficult to improve the creep strength for a long time by the cluster.

上記(1)および(2)の手法には、いずれも難点がある。そこで、析出物に頼らない強化方法の探索を目的に、炭窒化物および金属間化合物の析出を抑制したモデル合金を用いて基礎検討を行った。モデル合金は、Crが10.5%、Moが1%、Wが0.5%、Coが1%で、残部がFeからなり、Cが0.003%以下、Nが0.003%以下の合金である。なお、ここでは合金成分の含有量に関する%は「質量%」を意味する。   The above methods (1) and (2) both have drawbacks. Therefore, for the purpose of searching for a strengthening method that does not rely on precipitates, a basic study was conducted using a model alloy in which precipitation of carbonitrides and intermetallic compounds was suppressed. The model alloy is an alloy in which Cr is 10.5%, Mo is 1%, W is 0.5%, Co is 1%, the balance is Fe, C is 0.003% or less, and N is 0.003% or less. In addition,% regarding content of an alloy component means "mass%" here.

マルテンサイトは、高温に保持すると徐々に転位密度が低下して軟化していく。これを組織回復という。合金のクリープ特性を推察するうえでは組織回復過程を掌握することが重要であるため、1100℃で焼ならし後、500℃〜650℃において100時間までの時効を行い、組織回復過程を硬さで評価した。その結果、500℃における時効後は硬さの上昇がみられた。通常、析出物フリーの合金において時効処理によって硬さが上昇することは考えられない。そこで、電子顕微鏡を用いて組織を詳細に調査した。   When martensite is kept at a high temperature, the dislocation density gradually decreases and softens. This is called organizational recovery. In order to infer the creep properties of alloys, it is important to grasp the structure recovery process. Therefore, after normalizing at 1100 ° C, aging is performed at 500 ° C to 650 ° C for up to 100 hours, and the structure recovery process is hardened. It was evaluated with. As a result, an increase in hardness was observed after aging at 500 ° C. In general, it is unlikely that the hardness is increased by aging treatment in a precipitate-free alloy. Then, the structure | tissue was investigated in detail using the electron microscope.

図1は、1100℃で焼ならし後、500℃で100時間の熱処理を施したモデル合金の電子顕微鏡組織の一例である。図1の(a)の電子顕微鏡の明視野像ではツイード状の規則的で微細な変調構造が確認され、(b)の電子線回折図形にはサテライトが観察され、変調構造の形成が確認された。   FIG. 1 is an example of an electron microscope structure of a model alloy that has been normalized at 1100 ° C. and then heat-treated at 500 ° C. for 100 hours. In the bright field image of the electron microscope in FIG. 1 (a), a tweed regular and fine modulation structure is confirmed, and in the electron diffraction pattern of (b), satellites are observed, confirming the formation of the modulation structure. It was.

上記の変調構造とは、規則的、かつ微細な「ゆらぎ」を示す組織であり、スピノーダル分解によって生じる組織に代表される濃度ゆらぎから濃度振幅が一定の二相(母相とα’相)に分かれるまでの過程で現れる構造である。   The above-mentioned modulation structure is a structure exhibiting regular and fine “fluctuation”, and from the concentration fluctuation represented by the spinodal decomposition to the two phases (parent phase and α ′ phase) having a constant concentration amplitude. It is a structure that appears in the process until it is divided.

変調構造は、一般的には、500℃以下の低温で生じる現象であり、ステンレス鋼では著しく靭性を低下させる475脆性の原因として知られている。通常、鉄鋼材料においては、475脆性(即ち、変調構造による脆性)を生じさせないようにする努力が払われており、鉄鋼構造材料に変調構造が積極的に活用された例はない。   The modulation structure is a phenomenon that generally occurs at a low temperature of 500 ° C. or lower, and is known as a cause of 475 brittleness that significantly lowers toughness in stainless steel. Usually, in steel materials, efforts are made not to cause 475 brittleness (that is, brittleness due to the modulation structure), and there is no example in which the modulation structure is actively utilized in the steel structure material.

しかしながら、変調構造は、熱力学的に準安定な相であるクラスターとは異なり、熱力学的に平衡であり、粗大化が著しく遅い可能性があること、および転位の運動(拡張、すべり、上昇)に対して、通常の機構と異なる強力な障害になる可能性がある。即ち、予め合金中に生成させた変調構造が、合金の使用温度である575℃以上の高温域において長時間安定に存在すれば、この高温域でのその合金の大幅な強化の可能性があると考えられる。   However, the modulation structure, unlike clusters, which are thermodynamically metastable phases, is thermodynamically balanced, may be significantly slower in coarsening, and dislocation motion (expansion, slip, rise) ) May be a powerful obstacle different from the normal mechanism. In other words, if the modulation structure generated in the alloy in advance is stable for a long time in the high temperature range of 575 ° C. or more, which is the use temperature of the alloy, there is a possibility of significant strengthening of the alloy in this high temperature range. it is conceivable that.

従来、マルテンサイト系耐熱鋼の分野において、変調構造を積極的に利用することについての研究結果はほとんどみられない。逆に、特許文献3(特開平6−65689号公報)には、MoまたはWを多量に添加すると、二相分離・スピノーダル分解を引き起こしてクリープ強度を低下させると記載され、スピノーダル分解を忌避する思想が示されている。   Conventionally, there have been few research results on the active use of modulation structures in the field of martensitic heat-resisting steels. On the other hand, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-65689) describes that adding a large amount of Mo or W causes two-phase separation / spinodal decomposition to reduce creep strength, thus avoiding spinodal decomposition. The idea is shown.

特開平6−65689号公報JP-A-6-65689

先に述べた基礎検討において、通常Crを18%程度含有するフェライトステンレス鋼でみられる変調構造が、10%Cr程度の材料で観察されたことは、極めて画期的である。この現象の要因の一つは、CおよびNの含有量の制限によって、従来の耐熱鋼では不可避であった析出物の生成を抑制したことにあると考えられる。そして、高温域で安定な変調構造を形成できれば、高温・長時間クリープ強度に著しく優れた新材料の創出が可能である。   In the basic study described above, the modulation structure usually found in ferritic stainless steel containing about 18% Cr was observed with a material of about 10% Cr, which is extremely epoch-making. One of the causes of this phenomenon is considered to be that the formation of precipitates, which was unavoidable in the conventional heat-resistant steel, was suppressed by limiting the contents of C and N. If a stable modulation structure can be formed in a high temperature range, it is possible to create a new material that is remarkably excellent in high temperature and long time creep strength.

前述のモデル合金において500℃で変調構造を生じた場合、硬さが上昇した例をみても明らかなように、変調構造は、転位の運動の大きな障害になって、強化に寄与すると考えられる。しかしながら、変調構造を活用した耐熱合金開発には下記の二つの課題が残る。   When a modulation structure is generated at 500 ° C. in the above model alloy, it is considered that the modulation structure becomes a major obstacle to the movement of dislocations and contributes to strengthening, as is apparent from an example in which the hardness is increased. However, the following two problems remain in the development of a heat-resistant alloy utilizing a modulation structure.

(a)変調構造に伴う靭性の低下を抑制すること。   (A) To suppress a decrease in toughness associated with the modulation structure.

(b)変調構造を使用温度である575℃以上でも安定なものとすること。   (B) The modulation structure should be stable even at the operating temperature of 575 ° C or higher.

これまで、変調構造が生じたために靭性の低下が顕著になっていたのは、フェライトステンレスである。そこで、まず母相をフェライトでなく、金属組織が微細なマルテンサイトにすることにより大幅な靭性の改善が可能であると考えられる。   Until now, it was ferrite stainless steel that the decrease in toughness was remarkable due to the modulation structure. Therefore, it is considered that the toughness can be drastically improved by making the matrix phase martensite instead of ferrite first.

マルテンサイト組織の鋼であっても、例えばPH17−4ステンレス鋼では、変調構造の出現により靭性が低下する。その理由としては、下記の(1)および(2)が考えられる。   Even in a martensitic steel, for example, in PH17-4 stainless steel, toughness decreases due to the appearance of a modulation structure. The following (1) and (2) can be considered as the reason.

(1)母相が微細に析出したCuにより硬化している。   (1) The parent phase is hardened by finely precipitated Cu.

(2)変調構造を出現させるための時効温度が400℃と低いことに起因して、変調構造の形成による硬さの上昇が非常に大きい。   (2) Due to the low aging temperature for causing the modulation structure to appear as low as 400 ° C., the increase in hardness due to the formation of the modulation structure is very large.

本発明では、後述のように、変調構造形成のため、CおよびNの含有量の上限を抑えて炭化物、金属間化合物等の析出を抑制しているが、上記(1)に対処すべく、さらにCuも含めた析出をも抑制することとした。また、変調構造を生成させる熱処理を500℃以上の高温で行えば、400℃において生じるような著しい硬化は生じず、靭性の低下は抑制できると考えられる。以上の考えに基づいて種々の検討を行った。   In the present invention, as described later, for the modulation structure formation, the upper limit of the C and N content is suppressed to suppress the precipitation of carbides, intermetallic compounds, etc., but to cope with the above (1), Furthermore, it was decided to suppress precipitation including Cu. In addition, if the heat treatment for generating the modulation structure is performed at a high temperature of 500 ° C. or higher, the remarkable hardening that occurs at 400 ° C. does not occur, and the decrease in toughness can be suppressed. Various studies were conducted based on the above idea.

マルテンサイト組織とするためには、まず1000〜1200℃における焼ならしの際にオーステナイト組織になる必要がある。即ち、焼ならし時にγループ内に入るような合金設計が必須である。言い換えれば、γループを広げるオーステナイト形成元素を含有し、変調構造を生じる合金設計が求められる。   In order to obtain a martensite structure, it is first necessary to form an austenite structure during normalization at 1000 to 1200 ° C. In other words, it is essential to design an alloy that enters the γ loop during normalization. In other words, an alloy design that includes an austenite-forming element that expands the γ loop and generates a modulation structure is required.

γループを広げる元素として、最も有効な元素はCおよびNである。しかしながら、CおよびNは、変調構造を構成する基本元素であるCrと炭窒化物を形成し、高温域(500℃以上)における変調構造の形成を妨げるので、活用が難しい。そこで、CおよびN以外のオーステナイト形成元素である、Ni、CuおよびCoの活用を検討した。   The most effective elements for expanding the γ loop are C and N. However, C and N form a carbonitride with Cr, which is a basic element constituting the modulation structure, and hinder the formation of the modulation structure in a high temperature range (500 ° C. or higher), and thus are difficult to use. Then, utilization of Ni, Cu, and Co which are austenite forming elements other than C and N was examined.

Niはオーステナイト化に寄与するが、Ms点およびAc1変態点を大きく下げるため、含有させられる量には限界がある。Cuもオーステナイト化には寄与するが、前述のPH17−4ステンレス鋼におけると同様に、微細に析出して靭性低下を助長する。従って、その許容含有量にも限界がある。 Ni contributes to austenitization, but the Ms point and Ac 1 transformation point are greatly lowered, so the amount of Ni is limited. Although Cu contributes to austenitization, it precipitates finely and promotes toughness reduction as in the above-mentioned PH17-4 stainless steel. Therefore, the allowable content is limited.

Coは、Ms点およびAc1変態点を下げない元素である。また、上記のCuのように脆化を誘発することもない。そこで、本発明では、Coを含有させることにより、マルテンサイト化を促進することとした。 Co is an element that does not lower the Ms point and the Ac 1 transformation point. Moreover, embrittlement is not induced like the above Cu. Therefore, in the present invention, martensite formation is promoted by containing Co.

次に、従来母相が変調構造を持つことが知られるCrが18%の鋼と比較してCrを大幅に減らした鋼において、合金の使用温度である575℃以上の高温域で長時間、安定して変調構造を保持し得る合金組成を見出すため、各種合金を作製し、種々の温度で熱処理した材料の組織の電子顕微鏡観察を行い、変調構造の形成について調査した。その結果、以下の点が明らかになった。   Next, in steel where Cr is significantly reduced compared to steel with 18% Cr, which is known to have a modulation structure in the parent phase, in the high temperature range of 575 ° C or higher, which is the operating temperature of the alloy, for a long time, In order to find an alloy composition capable of stably maintaining the modulation structure, various alloys were prepared, and the structure of the material heat-treated at various temperatures was observed with an electron microscope to investigate the formation of the modulation structure. As a result, the following points became clear.

(A) CとNの含有量を抑制して、即ち、Crが炭窒化物窒化物としての析出するのを抑制して、Coに加えてMoまたは/およびWとを含有させることにより、525℃以下の低温域でも変調構造が安定に存在する。但し、金属間化合物の析出量は、できるだけ少なくする必要がある。   (A) By suppressing the contents of C and N, that is, suppressing the precipitation of Cr as carbonitride nitrides, and adding Mo or / and W in addition to Co, 525 The modulation structure exists stably even in a low temperature range below ℃. However, the amount of precipitation of the intermetallic compound needs to be as small as possible.

(B) B(硼素)を含有させることにより、高温まで変調構造が安定に存在するようになる。通常の耐熱鋼においてもBの効果は必ずしも明確になっていないが、Cr、Moまたは/およびW、Coなどと相互作用していると推定される。   (B) By containing B (boron), the modulation structure is stably present up to a high temperature. Even in ordinary heat-resistant steel, the effect of B is not necessarily clear, but it is presumed that it interacts with Cr, Mo or / and W, Co and the like.

(C) Nbまたは/およびVを含有させることにより、高温まで変調構造をより安定に存在させることができる。通常、炭窒化物を形成して析出するNbまたは/およびVが、析出せずに固溶することが何らかの熱力学的に好ましい影響を与えていると推定される。   (C) By containing Nb or / and V, the modulation structure can exist more stably up to a high temperature. It is presumed that Nb or / and V, which usually precipitates by forming carbonitride, have some thermodynamically favorable effect that solid solution does not precipitate.

上記(A)〜(C)の知見を生かすことによって、使用温度である575℃以上の高温域においても、変調構造を長時間にわたって安定に存在させ得ることが明らかになった。   By making use of the above findings (A) to (C), it has been clarified that the modulation structure can be stably present for a long time even in a high temperature range of 575 ° C. or more which is a use temperature.

本発明は、以上の知見を基礎としてなされたもので、その要旨は下記のマルテンサイト系鉄基耐熱合金にある。   The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and the gist thereof lies in the following martensitic iron-based heat-resistant alloy.

(1)質量%で、Cr:8〜16%、Co:1〜18%、Si:0.01〜1%、Mn:0.01〜3%、B:0.0005〜0.03%、sol.Al:0.001〜0.1%、Cu:0〜0.5%、さらにMo:2%以下とW:5%以下のいずれか一方または両方を下記の(1)式を満たす範囲で含有し、残部がFeおよび不純物からなり、不純物のうちのCが0.05%以下、Nが0.01%以下、Pが0.05%以下、Sが0.02%以下で、変調構造を有することを特徴とするマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   (1) In mass%, Cr: 8-16%, Co: 1-18%, Si: 0.01-1%, Mn: 0.01-3%, B: 0.0005-0.03%, sol.Al: 0.001-0.1% Cu: 0 to 0.5%, Mo: 2% or less and W: 5% or less are contained within a range that satisfies the following formula (1), and the balance consists of Fe and impurities. A martensitic iron-based heat-resistant alloy characterized in that C is 0.05% or less, N is 0.01% or less, P is 0.05% or less, and S is 0.02% or less and has a modulation structure.

Mo+(1/2)W≧0.5% ・・・・(1)
ただし、(1)式のMoおよびWは、それぞれの含有量(質量%)を示す。
Mo + (1/2) W ≧ 0.5% ・ ・ ・ ・ (1)
However, Mo and W in the formula (1) indicate their contents (mass%).

(2)Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.005〜0.1%およびV:0.05〜0.5%のいずれか一方または両方を含有することを特徴とする上記(1)のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   (2) The martensite system according to the above (1), which contains one or both of Nb: 0.005 to 0.1% and V: 0.05 to 0.5% in mass% instead of part of Fe Iron-based heat-resistant alloy.

(3)Feの一部に代えて、質量%で、Ni:0.05〜3%を含有することを特徴とする上記(1)または(2)のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   (3) The martensitic iron-based heat-resistant alloy according to (1) or (2) above, wherein Ni: 0.05 to 3% is contained in mass% instead of part of Fe.

(4)Feの一部に代えて、質量%で、Ta:0.005〜0.1%、Hf:0.005〜0.1%、Ti:0.001〜0.05%およびREM:0.005〜0.1%の中から選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(1)から(3)までのいずれかのマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   (4) In place of part of Fe, by mass%, Ta: 0.005-0.1%, Hf: 0.005-0.1%, Ti: 0.001-0.05% and REM: 0.005-0.1% Alternatively, the martensitic iron-based heat-resistant alloy according to any one of (1) to (3) above, which contains two or more kinds.

(5)Feの一部に変えて、質量%で、Ca:0.001〜0.02%およびMg:0.001〜0.02%の一方または両方を含有することを特徴とする上記(1)から(4)までのいずれかのマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   (5) The above (1) to (4), characterized in that one or both of Ca: 0.001 to 0.02% and Mg: 0.001 to 0.02% are contained in mass% instead of part of Fe Any martensitic iron-based heat-resistant alloy.

本発明の合金は、575〜650℃の高温下における長時間クリープ強度に優れた耐熱合金である。この合金は、火力発電、原子力発電や化学工業等の分野で用いられる熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービン用材料として使用したときに優れた効果を発揮する。   The alloy of the present invention is a heat-resistant alloy having excellent long-term creep strength at a high temperature of 575 to 650 ° C. This alloy exhibits an excellent effect when used as a steel tube for heat exchange, a steel plate for a pressure vessel, and a turbine material used in fields such as thermal power generation, nuclear power generation, and chemical industry.

1.変調構造について
図2は、表1に示す化学組成の4種の鋼を用いて、650℃、69MPaでのクリープ速度(Creep Rate)を調査した結果である。表1の鋼aはCoを含有せず、M236およびMXも存在しないフェライト母相を有する鉄基合金である。鋼bはマルテンサイト母相にM236が分散したもの、鋼cは同じくマルテンサイト母相にM236とMX型炭窒化物が分散したもの(ASME P91相当鋼)、鋼dは母相がマルテンサイトでM236もMX型炭窒化物も実質的に存在しない本発明の鋼である。
1. Modulation Structure FIG. 2 shows the results of investigating the creep rate at 650 ° C. and 69 MPa using four types of steel having the chemical composition shown in Table 1. Steel a in Table 1 is an iron-based alloy having a ferrite matrix that does not contain Co and does not contain M 23 C 6 and MX. Steel b has M 23 C 6 dispersed in the martensite matrix, Steel c has M 23 C 6 and MX carbonitride dispersed in the martensite matrix (ASME P91 equivalent steel), Steel d It is the steel of the present invention in which the parent phase is martensite and M 23 C 6 and MX type carbonitride are substantially absent.

Figure 2007162114
Figure 2007162114

図2に示すとおり、鋼a、bおよびcでは、いずれも1000時間付近からクリープ速度の急激な上昇が見られる。この現象は次のように説明できる。即ち、鋼aでは、強化因子がないので、短時間で加速クリープが発現し、早期に破断した。鋼bおよび鋼cでは、M236やMX型炭窒化物がこの時間帯で凝集・粗大化して強度が低下し、クリープ速度が大きくなるのである。これに対して、鋼dでは、1000時間を超えてもなおクリープ速度は小さくなっており、6000時間付近からようやく増大に転じている。長時間経過後にもクリープ速度の増大がないということは、長時間クリープ特性が優れているということである。このような極めて意外な現象が現れるのは、鋼dには変調構造が生じているからである。 As shown in FIG. 2, the steels a, b, and c all show a rapid increase in creep rate from around 1000 hours. This phenomenon can be explained as follows. That is, in steel a, since there is no strengthening factor, accelerated creep appeared in a short time and broke early. In the steel b and steel c, M 23 C 6 and MX type carbonitride are aggregated and coarsened in this time zone, the strength is lowered, and the creep rate is increased. On the other hand, in steel d, the creep rate is still small even after 1000 hours, and finally starts to increase from around 6000 hours. The fact that there is no increase in the creep rate even after a long period of time means that the long-term creep characteristics are excellent. Such a very surprising phenomenon appears because the steel d has a modulation structure.

2.合金の母相組織について
本発明合金の母相の主たる組織はマルテンサイトである。母相の主たる組織をマルテンサイトとする理由は、先に説明したとおりである。なお、「主たる組織がマルテンサイトである」というのは、マルテンサイトが面積率で95%以上であることを意味する。マルテンサイトの他に合計面積率で5%未満のフェライトが存在してもよい。本発明合金には、炭化物、窒化物、炭窒化物および金属間化合物などの強化相を積極的に含ませる必要はなく、むしろ、その含有を抑制する方がよい。前記のように、これらは変調構造生成の障害になるからである。
2. About the parent phase structure of the alloy The main structure of the parent phase of the alloy of the present invention is martensite. The reason why the main organization of the mother phase is martensite is as described above. In addition, “the main organization is martensite” means that martensite is 95% or more in area ratio. In addition to martensite, ferrite having a total area ratio of less than 5% may be present. It is not necessary for the alloy of the present invention to positively contain reinforcing phases such as carbides, nitrides, carbonitrides and intermetallic compounds, but rather it is better to suppress the inclusion. This is because, as described above, these become obstacles to modulation structure generation.

3.合金の化学組成について
以下、本発明合金の化学組成の選定理由を各成分の作用効果とともに説明する。なお、先に述べたとおり、成分含有量に関する%は、質量%を意味する。
3. About the chemical composition of an alloy Hereinafter, the reason for selection of the chemical composition of this invention alloy is demonstrated with the effect of each component. In addition, as mentioned above,% regarding component content means the mass%.

Cr:8〜16%
Crは変調構造の形成に欠かせない元素で、高温強度確保のために必須である。また、耐水蒸気酸化特性の向上にも寄与する。8%未満では、600℃以上で変調構造が安定に存在できない。しかし、その含有量が16%を超えるとマルテンサイト組織の形成が難しくなり、強度と靭性の両立が困難になる。従って、Cr含有量は8〜16%が適正である。さらに望ましいのは10〜15%である。
Cr: 8-16%
Cr is an element indispensable for the formation of a modulation structure, and is essential for securing high temperature strength. It also contributes to the improvement of the steam oxidation resistance. If it is less than 8%, the modulation structure cannot exist stably at 600 ° C. or higher. However, if its content exceeds 16%, it becomes difficult to form a martensite structure, and it becomes difficult to achieve both strength and toughness. Therefore, the appropriate Cr content is 8 to 16%. More desirable is 10 to 15%.

Co:1〜18%
CoはAc1変態点及びMs点を大きく低下させないオーステナイト形成元素であり、変調構造の形成の上でも必須である。必要な含有量は、Cr含有量によっても変化するが、Crが8%の場合でも1%以上は必要である。一方、Coが18%を超えるとクリープ強度の低下がみられる。従って、Coの適正な含有量は1〜18%である。
Co: 1-18%
Co is an austenite-forming element that does not significantly lower the Ac 1 transformation point and the Ms point, and is essential for the formation of a modulation structure. The required content varies depending on the Cr content, but even when Cr is 8%, 1% or more is necessary. On the other hand, when Co exceeds 18%, the creep strength decreases. Therefore, the proper content of Co is 1 to 18%.

Si:0.01〜1%
Siは脱酸元素として添加され、また耐水蒸気酸化性能を高めるためにも有効な元素である。含有量の下限は、耐水蒸気酸化性改善の効果が現れる0.01%とした。一方、1%を超える含有量ではクリープ強度の低下が著しいので、上限を1%とした。特に耐水蒸気酸化性を重視する場合にはSi含有量の下限を0.15%とするのが望ましい。
Si: 0.01 to 1%
Si is added as a deoxidizing element and is also an effective element for enhancing the steam oxidation resistance. The lower limit of the content was set to 0.01% at which the effect of improving the steam oxidation resistance appeared. On the other hand, if the content exceeds 1%, the creep strength is remarkably lowered, so the upper limit was made 1%. In particular, when importance is attached to steam oxidation resistance, the lower limit of the Si content is preferably 0.15%.

Mn:0.01〜3%
Mnは、脱酸剤として、またオーステナイト安定化元素としても寄与する。さらに、MnSを形成してSを固定する。それらの効果を得るためには0.01%以上必要であるが、3%を超えるとクリープ強度の低下を招く。従って、0.01〜3%が適正含有量である。
Mn: 0.01-3%
Mn also contributes as a deoxidizer and as an austenite stabilizing element. Further, MnS is formed to fix S. In order to obtain these effects, 0.01% or more is necessary. However, if it exceeds 3%, the creep strength is lowered. Therefore, 0.01 to 3% is an appropriate content.

B:0.0005〜0.03%
Bは変調構造を高温まで安定にするのに有効である。また、焼入れ性を高め、高温強度の確保に重要な役割を果たす。その効果は0.0005%以上で顕著となるが0.03%を超えると溶接性を損ない、長時間クリープ強度を低下させる。従って、Bの適正含有量は、0.0005〜0.03%である。
B: 0.0005-0.03%
B is effective in stabilizing the modulation structure up to a high temperature. In addition, it enhances hardenability and plays an important role in securing high temperature strength. The effect becomes remarkable at 0.0005% or more, but if it exceeds 0.03%, the weldability is impaired and the creep strength is lowered for a long time. Therefore, the appropriate content of B is 0.0005 to 0.03%.

sol.Al:0.001〜0.1%
Alは、溶鋼の脱酸剤として用いる。その効果を得るためにはsol.Alとして0.001%以上含有されている必要があるが、0.1%を超えて多量に含有させるとクリープ強度の低下を招く。従って、sol.Alとしての適正含有量は0.001〜0.1%である。
sol.Al: 0.001 to 0.1%
Al is used as a deoxidizer for molten steel. In order to acquire the effect, it is necessary to contain 0.001% or more as sol.Al, but if it contains more than 0.1%, creep strength will be reduced. Therefore, the appropriate content as sol.Al is 0.001 to 0.1%.

Cu:0〜0.5%
Cuは、オーステナイト安定化元素として寄与するため、必要に応じて含有させる。その効果を得るため、含有させる場合には0.05%以上とするのが望ましい。但し、Cuは、多量に含有されると、微細に析出して靭性低下を助長するので、含有させる場合は0.5%以下とする。
Cu: 0 to 0.5%
Since Cu contributes as an austenite stabilizing element, it is contained as necessary. In order to acquire the effect, when making it contain, it is desirable to set it as 0.05% or more. However, if Cu is contained in a large amount, it precipitates finely and promotes toughness reduction.

Mo:2%以下、W:5%以下、ただしMo+(1/2)W≧0.5%
MoまたはWは、変調構造形成のため必須である。また固溶強化元素として強度に寄与する。MoとWはよく似た特性を持つため、どちらか一方を単独で含有させてもよく、両方を複合で含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Mo+(1/2)Wで0.5%以上が必要である。Moまたは/およびWを過剰に含有させると、粗大なLaves相が大量に析出して、変調構造が形成されなくなるとともにクリープ強度を低下させるため、上限をMoは2%、Wは5%とした。特に靭性を重視する場合には、Moは1.5%以下、Wは3%以下であることが望ましい。
Mo: 2% or less, W: 5% or less, but Mo + (1/2) W ≧ 0.5%
Mo or W is essential for forming the modulation structure. It also contributes to strength as a solid solution strengthening element. Since Mo and W have similar characteristics, either one may be contained alone or both may be contained in combination. In order to obtain the above effect, 0.5% or more of Mo + (1/2) W is required. When Mo or / and W are excessively contained, a large amount of coarse Laves phase precipitates, and the modulation structure is not formed and the creep strength is lowered. Therefore, the upper limit is set to 2% for Mo and 5% to W. . In particular, when emphasizing toughness, it is desirable that Mo is 1.5% or less and W is 3% or less.

上記以外に不純物であるC、N、PおよびSを下記のように規制することも必須である。   In addition to the above, it is also essential to regulate impurities C, N, P and S as described below.

C:0.05%以下、N:0.01%以下
本発明合金は、Crの濃度ゆらぎに起因する変調構造を利用してクリープ強度を確保するものである。CおよびNは、Crと炭化物、窒化物または/および炭窒化物を形成し、特に後述の熱処理における変調構造の形成を抑制するので、これらの含有量は少ない方がよい。但し、Cは0.05%以下、Nは0.01%以下の含有であれば、特性に与える影響が小さい。特に靭性を重視する場合には、Cは0.03%以下、Nは0.008%以下とするのが望ましい。更に望ましいのはCが0.01%以下、Nが0.005%以下である。
C: 0.05% or less, N: 0.01% or less The alloy of the present invention secures creep strength by utilizing a modulation structure resulting from Cr concentration fluctuation. C and N form Cr and carbide, nitride or / and carbonitride, and particularly suppress the formation of a modulation structure in the heat treatment described later. However, if C is 0.05% or less and N is 0.01% or less, the effect on the characteristics is small. In particular, when importance is attached to toughness, it is desirable that C is 0.03% or less and N is 0.008% or less. More preferably, C is 0.01% or less and N is 0.005% or less.

P:0.05%以下、S:0.02%以下
不純物であるPおよびSは、熱間加工性、溶接性、クリープ強度などに悪影響を及ぼすので、その含有量は低い方が望ましい。但し、極端な鋼の清浄化は大きな製造コストの増大を招くため、許容上限をPでは0.05%、Sでは0.02%とした。
P: 0.05% or less, S: 0.02% or less The impurities P and S adversely affect hot workability, weldability, creep strength, and the like, and therefore the content is preferably low. However, since the extreme cleaning of the steel causes a large increase in manufacturing cost, the allowable upper limit is set to 0.05% for P and 0.02% for S.

以下に述べる元素は、必要に応じて添加される成分である。   The elements described below are components added as necessary.

Nb:0.005〜0.1%、V:0.05〜0.5%
NbおよびVは、通常のマルテンサイト系耐熱鋼ではMX型炭窒化物を形成し、クリープ強度に寄与する。しかし、本発明合金では、CおよびNの含有量を抑制しているため、NbおよびVの大部分が母相中に固溶している。
Nb: 0.005 to 0.1%, V: 0.05 to 0.5%
Nb and V form MX-type carbonitrides in ordinary martensitic heat-resistant steel, and contribute to creep strength. However, in the alloy of the present invention, since the contents of C and N are suppressed, most of Nb and V are dissolved in the matrix.

NbおよびVは、変調構造を安定にする元素で、合金の使用温度である575℃以上の高温域まで変調構造を保持する上で有効である。その効果を得るためには、Nbは0.005%以上、Vは0.05%以上必要である。一方、Nbは0.1%、Vは0.5%を超えると、δフェライトが生成してクリープ強度および靭性が低下する。従って、含有量をNbでは0.005〜0.1%、Vでは0.05〜0.5%とした。これらはいずれか一方の含有でもよく、両方の含有でもよい。   Nb and V are elements that stabilize the modulation structure, and are effective in maintaining the modulation structure up to a high temperature range of 575 ° C. or higher, which is the use temperature of the alloy. In order to obtain the effect, Nb needs to be 0.005% or more and V needs to be 0.05% or more. On the other hand, when Nb exceeds 0.1% and V exceeds 0.5%, δ ferrite is generated and the creep strength and toughness are lowered. Therefore, the content is set to 0.005 to 0.1% for Nb and 0.05 to 0.5% for V. One of these may be contained, or both may be contained.

Ni:0.05〜3%
Niは、オーステナイト安定化元素として寄与するため、必要に応じて含有させる。その効果を得るため、含有させる場合には0.05%以上とする。但し、Ni含有量が3%を超えるとMs点およびAc1変態点を大きく下げるため、含有量させる場合は3%以下とする。
Ni: 0.05-3%
Since Ni contributes as an austenite stabilizing element, Ni is contained as necessary. In order to acquire the effect, when it contains, it is 0.05% or more. However, if the Ni content exceeds 3%, the Ms point and Ac 1 transformation point are greatly lowered.

Ta:0.005〜0.1%、Hf:0.005〜0.1%、Ti:0.001〜0.05%、REM:0.005〜0.1%
これらの元素はNbおよびVと同様、変調構造を安定にする元素であり、必要に応じて含有させることができる。上記の効果を得るためには、Ta、HfおよびREMはそれぞれ0.005%以上、Tiは0.001%以上の含有が必要である。一方、Ta、HfおよびREMは、それぞれ0.1%、Tiは0.05%を超えると、合金のクリープ強度が低下するため、含有させる場合にはTa、HfおよびREMはそれぞれ0.005〜0.1%、Tiは0.001〜0.05%とするのがよい。なお、REMは、Yを含めた希土類元素の総称である。
Ta: 0.005-0.1%, Hf: 0.005-0.1%, Ti: 0.001-0.05%, REM: 0.005-0.1%
These elements, like Nb and V, are elements that stabilize the modulation structure, and can be contained as necessary. In order to obtain the above effects, Ta, Hf, and REM must be 0.005% or more, and Ti must be 0.001% or more. On the other hand, when Ta, Hf and REM are each 0.1% and Ti exceeds 0.05%, the creep strength of the alloy is lowered. Therefore, when included, Ta, Hf and REM are 0.005 to 0.1%, and Ti is 0.001. It is good to make it 0.05%. REM is a general term for rare earth elements including Y.

Ca:0.001〜0.02%、Mg:0.001〜0.02%
CaおよびMgは、極微量の含有量でも結晶粒界を強化させてクリープ強度を向上させるとともに、熱間加工性の向上にも寄与する。従って、必要に応じて一方または両方を含有されてもよい。しかし、過剰に含有させるとかえって熱間加工性が低下する。そのため、これらの元素を含有させる場合には、それぞれ0.001〜0.02%とする。
Ca: 0.001 to 0.02%, Mg: 0.001 to 0.02%
Ca and Mg enhance the crystal grain boundary by improving the grain boundary even at a very small content, and contribute to the improvement of hot workability. Accordingly, one or both of them may be contained as necessary. However, hot workability deteriorates if excessively contained. Therefore, when these elements are contained, the content is 0.001 to 0.02%, respectively.

4.本発明合金の製造方法
以上に説明した化学組成を有する本発明合金は、通常工業的に用いられている製造設備により製造することができる。すなわち、本発明で規定する化学成分の合金を得るには、溶解後、AOD、VOD、LF(Ladle Furnace)などにより精錬し、脱酸および合金元素の添加によって成分調整を行えばよい。
4). Production method of the alloy of the present invention The alloy of the present invention having the chemical composition described above can be produced by a production facility that is usually used industrially. That is, in order to obtain an alloy of chemical components defined in the present invention, after melting, it is refined by AOD, VOD, LF (Ladle Furnace), etc., and the components are adjusted by deoxidation and addition of alloy elements.

所定の化学組成に調整された合金は、連続鋳造法または造塊法によって、スラブやビレットまたは鋼塊に鋳造され、これらから鋼管や鋼板などを製造する。鋼板を製造する場合には、スラブを熱間圧延することによって熱延鋼板とすることができる。   An alloy adjusted to a predetermined chemical composition is cast into a slab, billet, or steel ingot by a continuous casting method or an ingot-making method, and a steel pipe, a steel plate, or the like is produced therefrom. When manufacturing a steel plate, a hot-rolled steel plate can be obtained by hot rolling a slab.

継目無鋼管を製造する場合には、例えばビレットを押出し製管したり、傾斜ロール式のピアサで穿孔圧延して製管したり、エルハルト−プッシュベンチプロセスにより大形の鍛造管を製造したりすればよい。製管前のスラブ、ビレットまたは鋼塊に熱間加工を施す場合もある。また、製管の前後で、必要に応じて1200℃以上の高温でソーキングを施す場合もある。製管後、冷間加工を行って寸法を整える場合もある。板や管などの製品に加工した後に、1000℃〜1200℃で保持した後、空冷する焼ならし処理、または水冷する焼入れ処理を施す。   When producing seamless steel pipes, for example, the billet is extruded and piped, or pierced and rolled with an inclined roll type piercer, or a large forged pipe is produced by the Erhard-Pushbench process. That's fine. In some cases, hot working is performed on a slab, billet or steel ingot before pipe making. In addition, soaking may be performed at a high temperature of 1200 ° C. or higher as necessary before and after pipe making. In some cases, after pipe making, cold working is performed to adjust the dimensions. After processing into a product such as a plate or a tube, it is kept at 1000 ° C. to 1200 ° C., and then subjected to a normalizing treatment that is air-cooled or a quenching treatment that is water-cooled.

本発明の合金中には予め変調構造を出現させておく必要がある。そのためには、500〜650℃で数時間から20時間程度の変調構造形成熱処理を施す。なお、通常の750℃付近での高温焼戻しは、変態歪を解放し変調構造の生成を遅らせるので、実施しないのが望ましい。   It is necessary to make a modulation structure appear in advance in the alloy of the present invention. For this purpose, a modulation structure forming heat treatment is performed at 500 to 650 ° C. for several hours to 20 hours. It should be noted that normal high temperature tempering at around 750 ° C. is preferably not performed because it releases the transformation strain and delays the formation of the modulation structure.

500℃よりも低温で熱処理を施すと、変調構造形成による硬化が過大となって靭性が著しく低下する。一方、650℃を超える温度で熱処理を施しても変調構造は形成されない。したがって、熱処理温度を500〜650℃とした。より好ましいのは、575〜630℃である。   When heat treatment is performed at a temperature lower than 500 ° C., the toughness is remarkably lowered due to excessive hardening due to the formation of the modulation structure. On the other hand, even if heat treatment is performed at a temperature exceeding 650 ° C., the modulation structure is not formed. Therefore, the heat treatment temperature was set to 500 to 650 ° C. More preferred is 575 to 630 ° C.

また、熱処理は数時間(2〜3時間)施せば変調構造が形成され、一方、20時間を超える長時間の熱処理を行っても変調構造の大きな増大は認められず、経済性の面からも望ましくない。従って、熱処理時間は数時間から20時間程度とするのがよい。   In addition, when the heat treatment is performed for several hours (2 to 3 hours), a modulation structure is formed. On the other hand, even if heat treatment is performed for a long time exceeding 20 hours, a large increase in the modulation structure is not recognized. Not desirable. Accordingly, the heat treatment time is preferably from several hours to about 20 hours.

なお、上記の変調構造形成熱処理の前処理として、より低温での短時間熱処理を施すことによって変調構造がより微細化され、合金のクリープ抵抗を一段と高めることができる。その前処理の温度は、変調構造形成熱処理の温度よりも10℃以上低く、かつ500℃以上の温度範囲とし、処理時間は30分から10時間程度とするのが好ましい。   As a pretreatment for the above-mentioned heat treatment for forming a modulation structure, the modulation structure can be further refined by performing a heat treatment at a lower temperature for a short time, and the creep resistance of the alloy can be further increased. The pretreatment temperature is preferably lower than the temperature of the modulation structure forming heat treatment by 10 ° C. or more and 500 ° C. or more, and the treatment time is preferably about 30 minutes to 10 hours.

真空誘導溶解炉にて表2に示す化学組成を有する鋼を溶製し、各直径144mmの50kgインゴットとした。マークA〜Mが本発明合金、マーク1〜10が比較合金である。これらの合金のインゴットを熱間鍛造し、熱間圧延して20mm厚の板とした。次いで1050℃以上の温度で1時間保持した後、空冷(AC)した。さらに、525℃×5hの加熱に引き続き、620℃で10時間保持する変調構造形成熱処理を実施した。   Steel having the chemical composition shown in Table 2 was melted in a vacuum induction melting furnace to obtain 50 kg ingots each having a diameter of 144 mm. Marks A to M are the alloys of the present invention, and marks 1 to 10 are comparative alloys. These alloy ingots were hot forged and hot rolled into 20 mm thick plates. Next, after holding for 1 hour at a temperature of 1050 ° C. or higher, air cooling (AC) was performed. Further, following the heating at 525 ° C. × 5 h, a modulation structure forming heat treatment was performed by holding at 620 ° C. for 10 hours.

変調構造形成熱処理後の試験片から、クリープ破断試験片およびシャルピー衝撃試験片を採取し、下記の条件で試験を行った。さらに、変調構造形成熱処理後の電子顕微鏡観察により、変調構造形成の有無を調査した。表3に本発明材および比較材の試験結果を示す。   Creep rupture test pieces and Charpy impact test pieces were sampled from the test pieces after the heat treatment for forming the modulation structure, and tested under the following conditions. Furthermore, the presence / absence of modulation structure formation was examined by electron microscope observation after the heat treatment for forming the modulation structure. Table 3 shows the test results of the inventive material and the comparative material.

1.変調構造の形成調査
上記の変調構造形成熱処理の後、厚さ0.08mmの薄片とし、電解研磨により電子顕微鏡の薄膜試料を作製した。薄膜試料を電子顕微鏡の明視野15〜20万倍にて観察し、ツイード状の規則的で微細な変調組織が確認されるか、または電子線回折図形にサテライトが観察されるかを調査し、変調構造形成の有無を判断した。
1. Investigation of modulation structure formation After the above modulation structure formation heat treatment, a thin piece having a thickness of 0.08 mm was formed, and a thin film sample of an electron microscope was prepared by electrolytic polishing. A thin film sample is observed at a bright field of 150 to 200,000 times with an electron microscope, and whether a tweed regular and fine modulation structure is confirmed or whether satellites are observed in an electron diffraction pattern is investigated. The presence or absence of modulation structure formation was judged.

2.クリープ破断試験の条件
試験片・・・直径:6.0mm、標点間距離:30mm
試験温度・・・615℃
負荷応力・・・170MPa
試験項目・・・破断時間(h)
3.シャルピー衝撃試験の条件
試験片・・・・10mm×10mm×55mm、2mmVノッチ
試験温度・・・0℃
試験項目・・・衝撃値(J/cm2)
2. Conditions for creep rupture test Test piece: Diameter: 6.0 mm, distance between gauge points: 30 mm
Test temperature: 615 ° C
Load stress: 170 MPa
Test item: Break time (h)
3. Conditions for Charpy impact test Specimen: 10 mm x 10 mm x 55 mm, 2 mm V notch Test temperature: 0 ° C
Test item: Impact value (J / cm 2 )

Figure 2007162114
Figure 2007162114

Figure 2007162114
Figure 2007162114

表3に示すとおり、本発明合金では、620℃における熱処理後、変調構造が確認された。また、クリープ破断時間は3200時間以上と、規格鋼であるASME-P91(表3のマーク1)およびP92(表3のマーク2)と比較して大幅に良好であり、衝撃値も問題のないレベルである。   As shown in Table 3, in the alloy of the present invention, a modulation structure was confirmed after the heat treatment at 620 ° C. Moreover, the creep rupture time is 3200 hours or more, which is much better than ASME-P91 (Mark 1 in Table 3) and P92 (Mark 2 in Table 3), which are standard steels, and there is no problem with the impact value. Is a level.

一方、比較合金のうちマーク4および8を除く材料では、高温域での変調構造が確認できず、本発明合金と比較してクリープ強度も低位である。マーク4および8は、変調構造は確認できるが、合金成分の含有量が本発明で規定する範囲を満たさないので、クリープ強度または靭性が本発明合金と比較して低位である。   On the other hand, the materials other than the marks 4 and 8 in the comparative alloy cannot confirm the modulation structure in the high temperature range, and the creep strength is lower than that of the alloy of the present invention. Although marks 4 and 8 can confirm the modulation structure, the content of the alloy component does not satisfy the range defined in the present invention, so that the creep strength or toughness is lower than that of the alloy of the present invention.

符号Aの合金について、通常の耐熱鋼で行われる780℃での高温焼戻し熱処理(焼戻し条件:780℃×1h)のみを行い、変調構造形成熱処理を行わなかった場合(マークA-2)についても、上記と同様の変調構造の形成の有無、クリープ破断試験およびシャルピー衝撃試験を行った。その結果を表4に示す。   For the alloy of code A, only high temperature tempering heat treatment at 780 ° C. (tempering condition: 780 ° C. × 1 h), which is performed with normal heat-resistant steel, is performed, and modulation structure forming heat treatment is not performed (mark A-2) The presence or absence of the formation of a modulation structure similar to the above, the creep rupture test and the Charpy impact test were performed. The results are shown in Table 4.

Figure 2007162114
Figure 2007162114

表4に示されるように、780℃での高温焼戻しのみを行った場合(A-2)は、マルテンサイト変態で導入された転位の消滅と、微量の炭化物や金属間化合物の析出により、変調構造の形成が阻害され、クリープ破断時間が著しく短くなっている。   As shown in Table 4, when only high temperature tempering at 780 ° C. is performed (A-2), modulation is caused by the disappearance of dislocations introduced by the martensitic transformation and the precipitation of trace amounts of carbides and intermetallic compounds. The formation of the structure is hindered and the creep rupture time is significantly shortened.

本発明の合金の615℃におけるクリープ強度は、既存のASME-P91およびP92を大幅に上回り、靭性はこれらの既存鋼と同等である。このように、本発明によれば575〜650℃の高温下における長時間クリープ強度に優れた耐熱合金が得られ、火力発電、原子力発電や化学工業等の分野で用いられる熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービン用材料として使用したときに優れた効果を発揮する。本発明は、超高圧・高温ボイラの実用化に寄与する産業上極めて有益な発明である。   The creep strength of the alloy of the present invention at 615 ° C. is significantly higher than the existing ASME-P91 and P92, and the toughness is equivalent to these existing steels. Thus, according to the present invention, a heat-resistant alloy having excellent long-term creep strength at a high temperature of 575 to 650 ° C. is obtained, and a steel tube for heat exchange, pressure used in the fields of thermal power generation, nuclear power generation, chemical industry, etc. Excellent effect when used as a steel plate for containers and a material for turbines. The present invention is an industrially extremely useful invention that contributes to the practical application of an ultrahigh pressure / high temperature boiler.

モデル合金の組織観察結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure observation result of a model alloy. 各種の鋼の650℃、69MPaでの経過時間とクリープ速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time in 650 degreeC and 69 MPa of various steel, and a creep rate.

Claims (5)

質量%で、Cr:8〜16%、Co:1〜18%、Si:0.01〜1%、Mn:0.01〜3%、B:0.0005〜0.03%、sol.Al:0.001〜0.1%、Cu:0〜0.5%、さらにMo:2%以下とW:5%以下のいずれか一方または両方を下記の(1)式を満たす範囲で含有し、残部がFeおよび不純物からなり、不純物のうちのCが0.05%以下、Nが0.01%以下、Pが0.05%以下、Sが0.02%以下で、変調構造を有することを特徴とするマルテンサイト系鉄基耐熱合金。
Mo+(1/2)W≧0.5% ・・・・(1)
ただし、(1)式のMoおよびWは、それぞれの含有量(質量%)を示す。
In mass%, Cr: 8 to 16%, Co: 1 to 18%, Si: 0.01 to 1%, Mn: 0.01 to 3%, B: 0.0005 to 0.03%, sol. Al: 0.001 to 0.1%, Cu: 0 to 0.5%, Mo: 2% or less and W: 5% or less are contained within a range that satisfies the following formula (1), the balance is Fe and impurities, and C of impurities Is a martensitic iron-based heat-resistant alloy characterized by having a modulation structure with N of 0.05% or less, N of 0.01% or less, P of 0.05% or less, and S of 0.02% or less.
Mo + (1/2) W ≧ 0.5% ・ ・ ・ ・ (1)
However, Mo and W in the formula (1) indicate their contents (mass%).
Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.005〜0.1%およびV:0.05〜0.5%のいずれか一方または両方を含有することを特徴とする請求項1に記載のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   The martensitic iron group according to claim 1, wherein the martensitic iron group contains at least one of Nb: 0.005 to 0.1% and V: 0.05 to 0.5% in mass% instead of part of Fe. Heat resistant alloy. Feの一部に代えて、質量%で、Ni:0.05〜3%を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   The martensitic iron-based heat-resistant alloy according to claim 1 or 2, which contains Ni: 0.05 to 3% by mass instead of part of Fe. Feの一部に代えて、質量%で、Ta:0.005〜0.1%、Hf:0.005〜0.1%、Ti:0.001〜0.05%およびREM:0.005〜0.1%の中から選ばれた1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。   Instead of part of Fe, by mass%, Ta: 0.005-0.1%, Hf: 0.005-0.1%, Ti: 0.001-0.05% and REM: 0.005-0.1% The martensitic iron-based heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 3, characterized by containing the above. Feの一部に変えて、質量%で、Ca:0.001〜0.02%およびMg:0.001〜0.02%の一方または両方を含有することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載のマルテンサイト系鉄基耐熱合金。
It replaces with a part of Fe, and contains one or both of Ca: 0.001-0.02% and Mg: 0.001-0.02% by the mass%, Either of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned. Martensitic iron-based heat-resistant alloy.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016169406A (en) * 2015-03-11 2016-09-23 新日鐵住金株式会社 Ferrite steel

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08225833A (en) * 1995-02-16 1996-09-03 Nippon Steel Corp Production of martensitic heat resistant steel excellent in high temperature creep strength
JPH1036944A (en) * 1996-07-19 1998-02-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Martensitic heat resistant steel
JP2002226946A (en) * 2001-01-31 2002-08-14 National Institute For Materials Science Martensitic heat-resistant alloy having excellent high temperature creep rupture strength and ductility and production method therefor
JP2004143513A (en) * 2002-10-23 2004-05-20 Sumitomo Metal Ind Ltd Martensitic heat-resistant iron alloy and its production method
JP2004219323A (en) * 2003-01-16 2004-08-05 Hitachi Metals Ltd Method of evaluating iron base material
JP2004339532A (en) * 2003-05-13 2004-12-02 Hitachi Metals Ltd Method of producing tool steel
JP2005023378A (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Babcock Hitachi Kk HIGH Cr FERRITIC HEAT RESISTANT STEEL

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08225833A (en) * 1995-02-16 1996-09-03 Nippon Steel Corp Production of martensitic heat resistant steel excellent in high temperature creep strength
JPH1036944A (en) * 1996-07-19 1998-02-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Martensitic heat resistant steel
JP2002226946A (en) * 2001-01-31 2002-08-14 National Institute For Materials Science Martensitic heat-resistant alloy having excellent high temperature creep rupture strength and ductility and production method therefor
JP2004143513A (en) * 2002-10-23 2004-05-20 Sumitomo Metal Ind Ltd Martensitic heat-resistant iron alloy and its production method
JP2004219323A (en) * 2003-01-16 2004-08-05 Hitachi Metals Ltd Method of evaluating iron base material
JP2004339532A (en) * 2003-05-13 2004-12-02 Hitachi Metals Ltd Method of producing tool steel
JP2005023378A (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Babcock Hitachi Kk HIGH Cr FERRITIC HEAT RESISTANT STEEL

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016169406A (en) * 2015-03-11 2016-09-23 新日鐵住金株式会社 Ferrite steel

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