JP2008248320A - フェライト系耐熱鋼とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フェライト系耐熱鋼の耐熱性を維持または向上しながらも、クリープ特性を遙かに向上させることを提供する。
【解決手段】フェライト系耐熱鋼は、強化因子の一つである炭窒化物が主にＣｒ窒化物（Ｍ２Ｘ）からなることを特徴とする。Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％及びこの種耐熱鋼として従来周知の元素などを含んだ合金を、焼入れあるいは焼ならし後、焼き戻しする熱処理のフェライト系耐熱鋼の製造方法である。
【選択図】図１
【解決手段】フェライト系耐熱鋼は、強化因子の一つである炭窒化物が主にＣｒ窒化物（Ｍ２Ｘ）からなることを特徴とする。Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％及びこの種耐熱鋼として従来周知の元素などを含んだ合金を、焼入れあるいは焼ならし後、焼き戻しする熱処理のフェライト系耐熱鋼の製造方法である。
【選択図】図１
Description
本発明は、フェライト系母相からなるフェライト系耐熱鋼とその製造方法に関し、より詳しくは、そのクリープ寿命の向上に関するものである。
非特許文献１、２に示すように、この種の耐熱鋼のクリープ寿命は、各種析出相によって組織を安定化することで向上する。
ＶやＮｂを主成分とするＭＸ炭窒化物は粗大化速度が遅いため、高温でも安定で、現状の高強度フェライト系耐熱鋼の主要な強化因子である。
ところが、ＭＸ炭窒化物は長時間使用後に、Ｚ相と呼ばれるＶ、Ｎｂ、Ｃｒを主成分とする粗大窒化物の析出と同時に消失し、強化能が低下することが問題となっている。
Ｋ．Ｍａｒｕｙａｍａ， ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｏｌ．４１ （２００１）， ｐ．６４１−６５３． Ｈ．Ｋ．Ｄ．Ｈ Ｂｈａｄｅｓｈｉａ， ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｏｌ．４１ （２００１）， ｐ．６２６−６４０．
ＶやＮｂを主成分とするＭＸ炭窒化物は粗大化速度が遅いため、高温でも安定で、現状の高強度フェライト系耐熱鋼の主要な強化因子である。
ところが、ＭＸ炭窒化物は長時間使用後に、Ｚ相と呼ばれるＶ、Ｎｂ、Ｃｒを主成分とする粗大窒化物の析出と同時に消失し、強化能が低下することが問題となっている。
Ｋ．Ｍａｒｕｙａｍａ， ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｏｌ．４１ （２００１）， ｐ．６４１−６５３． Ｈ．Ｋ．Ｄ．Ｈ Ｂｈａｄｅｓｈｉａ， ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｏｌ．４１ （２００１）， ｐ．６２６−６４０．
本発明は、この様な問題に対し、フェライト系耐熱鋼の耐熱性を維持または向上しながらも、クリープ特性を遙かに向上させることを目的とする。
発明１のフェライト系耐熱鋼は、強化因子の一つである炭窒化物が主にＣｒ窒化物（Ｍ２Ｘ）からなることを特徴とする。
発明２は、発明１のフェライト系耐熱鋼の製造方法であって、Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％及びこの種耐熱鋼として従来周知の元素と不可避的不純物を含み、残部は鉄からなり、これを焼入れあるいは焼ならしの温度は１０×１０２℃以上１２×１０２℃以下、焼き戻し温度は７×１０２℃未満６．５×１０２℃以上として熱処理することを特徴とする。
発明３は、発明２のフェライト系耐熱鋼の製造方法において、従来周知の元素としてＣ：０．０４〜０．２重量％、Ｍｏ：０〜２．０重量％、Ｗ：０〜４．０重量％、Ｖ：０．０２〜０．３５重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｏ：０〜４．０重量％、Ｎｉ：０〜３．０重量％、Ｂ：０〜０．０２重量％を含有することを特徴とする。
発明２は、発明１のフェライト系耐熱鋼の製造方法であって、Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％及びこの種耐熱鋼として従来周知の元素と不可避的不純物を含み、残部は鉄からなり、これを焼入れあるいは焼ならしの温度は１０×１０２℃以上１２×１０２℃以下、焼き戻し温度は７×１０２℃未満６．５×１０２℃以上として熱処理することを特徴とする。
発明３は、発明２のフェライト系耐熱鋼の製造方法において、従来周知の元素としてＣ：０．０４〜０．２重量％、Ｍｏ：０〜２．０重量％、Ｗ：０〜４．０重量％、Ｖ：０．０２〜０．３５重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｏ：０〜４．０重量％、Ｎｉ：０〜３．０重量％、Ｂ：０〜０．０２重量％を含有することを特徴とする。
発明１では、クリープ中にＭ２ＸからＭＸへ変化するが、Ｚ相は生じず、従来の５倍以上のクリープ寿命を有するものである。
発明２、３では、Ｍ２Ｘが大部分を占める炭窒化物を生成することができ、発明１を確実に製造することが出来た。
火力発電プラントの配管を設計する際に、管の肉厚は許容応力に基づいて決定される。
許容応力は１０万時間クリープ破断強度に基づいて決定される。
本発明は、７００℃未満の焼戻し熱処理を行うことにより、フェライト系耐熱鋼のクリープ寿命を長寿命化するもので（実施例図３）、１０万時間クリープ破断強度を向上すると予測できる。
つまり、許容応力を上げることにより、配管の肉厚を薄肉化できる。
あるいは従来と同一の肉厚の場合、配管内を通る蒸気温度・圧力を上げることができ、発電効率の向上に寄与するものと類推できる。
特にＣｒ量が９−１２％のフェライト系耐熱鋼では、高温・長時間使用中にＺ相と呼ばれる粗大窒化物が析出する。
Ｚ相は、元々強化相として分散されていたＭＸ炭窒化物を消費して析出するため、 長時間域においてクリープ強度を急激に低下させる原因として問題となっている。
本発明は、７００℃未満の焼戻し熱処理により、ＭＸの代わりにＭ２Ｘと呼ばれるＣｒ窒化物を分散させ、クリープ中にＭ２ＸからＭＸへの変化は起きるがＺ相の析出を抑制することに成功している。
つまり、本発明により、長時間使用中に生じる劣化の程度を緩和でき、プラント部材の信頼性向上に寄与するものと類推できる。
本技術は、ＭＸ炭窒化物で強化されたフェライト系耐熱鋼がＺ相析出により、強度低下すること を抑制するものであることから、ＭＸを強化因子として利用している以下の組成範囲のフェライト 系耐熱鋼に適用可能と判断される。
Ｃ：０．０４〜０．２重量％、Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｍｏ：０〜２．０重量％、Ｗ：０〜４．０重量％、Ｖ：０．０２〜０．３５重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｏ：０〜４．０重量％、Ｎｉ：０〜３．０重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％、Ｂ：０〜０．０２重量％、その他不可避的不純物を含み、残部は鉄からなり、焼入れあるいは焼ならしの温度は１０００℃以上１２００℃以下、焼き戻し温度は６５０℃以上７００℃未満とする。
許容応力は１０万時間クリープ破断強度に基づいて決定される。
本発明は、７００℃未満の焼戻し熱処理を行うことにより、フェライト系耐熱鋼のクリープ寿命を長寿命化するもので（実施例図３）、１０万時間クリープ破断強度を向上すると予測できる。
つまり、許容応力を上げることにより、配管の肉厚を薄肉化できる。
あるいは従来と同一の肉厚の場合、配管内を通る蒸気温度・圧力を上げることができ、発電効率の向上に寄与するものと類推できる。
特にＣｒ量が９−１２％のフェライト系耐熱鋼では、高温・長時間使用中にＺ相と呼ばれる粗大窒化物が析出する。
Ｚ相は、元々強化相として分散されていたＭＸ炭窒化物を消費して析出するため、 長時間域においてクリープ強度を急激に低下させる原因として問題となっている。
本発明は、７００℃未満の焼戻し熱処理により、ＭＸの代わりにＭ２Ｘと呼ばれるＣｒ窒化物を分散させ、クリープ中にＭ２ＸからＭＸへの変化は起きるがＺ相の析出を抑制することに成功している。
つまり、本発明により、長時間使用中に生じる劣化の程度を緩和でき、プラント部材の信頼性向上に寄与するものと類推できる。
本技術は、ＭＸ炭窒化物で強化されたフェライト系耐熱鋼がＺ相析出により、強度低下すること を抑制するものであることから、ＭＸを強化因子として利用している以下の組成範囲のフェライト 系耐熱鋼に適用可能と判断される。
Ｃ：０．０４〜０．２重量％、Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｍｏ：０〜２．０重量％、Ｗ：０〜４．０重量％、Ｖ：０．０２〜０．３５重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｏ：０〜４．０重量％、Ｎｉ：０〜３．０重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％、Ｂ：０〜０．０２重量％、その他不可避的不純物を含み、残部は鉄からなり、焼入れあるいは焼ならしの温度は１０００℃以上１２００℃以下、焼き戻し温度は６５０℃以上７００℃未満とする。
本発明の実施例の化学組成を表１に示す。
前記表１に示す化学組成の鋼を下記表２に示す熱処理条件で熱処理を行った。
なお、比較のために比較材（Ｔ９１）の条件も合わせて示す。
なお、比較のために比較材（Ｔ９１）の条件も合わせて示す。
焼ならし熱処理は同一であるが、比較材は７６５℃・３０ｍｉｎ焼戻し処理を行い本実施例では、６８０℃・３０ｍｉｎ焼戻し処理を行った。
図１および図２に実施例と比較材の初期の析出物分布を示す。
実施例（図１）では、矢印で示すようなＭ２３Ｃ６が析出するとともに、図中○で示すようなＭ２Ｘが多量に析出している。
一方、比較鋼（図２）では、Ｍ２３Ｃ６とともに図中○で示すＭＸが析出している。
実施例におけるＭ２ＸとＭＸの個数比は９：１で、比較鋼では、Ｍ２Ｘは析出していなかった。
６００℃における応力−破断時間線（図３）を示す。
実施例のクリープ強度は、数百時間域から数万時間域において比較材より高い。
図４に６００℃・１００ＭＰａでクリープ試験を実施して求めたクリープ速度−時間曲線を示す。
実施例のクリープ速度は比較材に比べて著しく低く、クリープ変形抵抗が大きいことが分かる。
図５に比較材における有害Ｚ相（矢印）の分布を示す。
Ｚ相は強化相であるＭＸ（白抜き矢印）に比べて粗大である。
図６に比較材における有害Ｚ相の析出開始曲線を示す。
６００℃では、約１万時間で有害Ｚ相が析出するが、実施例では、６００℃・約２万時間でも有害Ｚ相の析出が認められず、ＭＸが多数存在していた。
つまり長時間域において、当初析出していたＭ２ＸがＭＸに変化したものの、有害なＺ相の析出は抑制された。
このことにより高強度化が実現した。
図１および図２に実施例と比較材の初期の析出物分布を示す。
実施例（図１）では、矢印で示すようなＭ２３Ｃ６が析出するとともに、図中○で示すようなＭ２Ｘが多量に析出している。
一方、比較鋼（図２）では、Ｍ２３Ｃ６とともに図中○で示すＭＸが析出している。
実施例におけるＭ２ＸとＭＸの個数比は９：１で、比較鋼では、Ｍ２Ｘは析出していなかった。
６００℃における応力−破断時間線（図３）を示す。
実施例のクリープ強度は、数百時間域から数万時間域において比較材より高い。
図４に６００℃・１００ＭＰａでクリープ試験を実施して求めたクリープ速度−時間曲線を示す。
実施例のクリープ速度は比較材に比べて著しく低く、クリープ変形抵抗が大きいことが分かる。
図５に比較材における有害Ｚ相（矢印）の分布を示す。
Ｚ相は強化相であるＭＸ（白抜き矢印）に比べて粗大である。
図６に比較材における有害Ｚ相の析出開始曲線を示す。
６００℃では、約１万時間で有害Ｚ相が析出するが、実施例では、６００℃・約２万時間でも有害Ｚ相の析出が認められず、ＭＸが多数存在していた。
つまり長時間域において、当初析出していたＭ２ＸがＭＸに変化したものの、有害なＺ相の析出は抑制された。
このことにより高強度化が実現した。
本発明のフェライト系耐熱鋼は、従来の火力発電プラントでの耐久性を著しく向上するのみならず、各種耐熱性部材の構造材料として利用することが期待できる。
Claims (3)
- フェライト系母相からなるフェライト系耐熱鋼であって、その強化因子の一つである炭窒化物が主にＣｒ窒化物（Ｍ２Ｘ）からなることを特徴とするフェライト系耐熱鋼。
- 請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼の製造方法であって、Ｃｒ：８．０〜１３．５重量％、Ｎ：０．００２〜０．１５重量％及びこの種耐熱鋼として従来周知の元素と不可避的不純物を含み、残部は鉄からなり、これを焼入れあるいは焼ならしの温度は１０×１０２℃以上１２×１０２℃以下、焼き戻し温度は７×１０２℃未満６．５×１０２℃以上として熱処理することを特徴とするフェライト系耐熱鋼の製造方法。
- 請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼の製造方法において、従来周知の元素としてＣ：０．０４〜０．２重量％、Ｍｏ：０〜２．０重量％、Ｗ：０〜４．０重量％、Ｖ：０．０２〜０．３５重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｏ：０〜４．０重量％、Ｎｉ：０〜３．０重量％、Ｂ：０〜０．０２重量％を含有することを特徴とするフェライト系耐熱鋼の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2007091008A JP2008248320A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | フェライト系耐熱鋼とその製造方法 |
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| JP2007091008A Pending JP2008248320A (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | フェライト系耐熱鋼とその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2008248320A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111321337A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-23 | 江阴兴澄特种钢铁有限公司 | 一种预硬化镜面模具钢板及其制造方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06306550A (ja) * | 1993-04-28 | 1994-11-01 | Toshiba Corp | 耐熱鋼及びその熱処理方法 |
| JPH11350076A (ja) * | 1998-06-03 | 1999-12-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 析出強化型フェライト系耐熱鋼 |
| JP2004359969A (ja) * | 2003-05-30 | 2004-12-24 | Toshiba Corp | 耐熱鋼、耐熱鋼塊の製造方法および蒸気タービンロータ |
| JP2005256013A (ja) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Japan Steel Works Ltd:The | 室温強度及びクリープ強度に優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼 |
-
2007
- 2007-03-30 JP JP2007091008A patent/JP2008248320A/ja active Pending
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