JP2017053006A - Ni基耐熱合金管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.02〜0.15%、Si:1.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Cr:17.0%以上25.0%未満、Ni:45.0%〜60.0%、Mo:6.0%〜13.0%、Co:4.0〜15.0%、Al:0.3%を超え1.8%以下、Ti:0.02〜0.8%、N:0.05%以下、O:0.01%以下、W:0〜10.0%、Zr:0〜0.3%、Nb:0〜1.5%、Ca:0〜0.05%、Mg:0〜0.05%、希土類元素:0〜0.2%、Hf:0〜0.2%、B:0〜0.02%、V:0〜1.5%、Ta:0〜2.0%、Re:0〜3.0%、残部:Feおよび不純物である合金管に製品熱処理を実施した後、前記合金管の一部に熱間または冷間で加工を行って加工部を形成した後、当該加工部の金属組織中の結晶粒界の炭化物および金属間化合物による被覆率が40.0%以下となる条件で後熱処理を行う、Ni基耐熱合金管の製造方法。
【選択図】 なし
Description
ρ=(l1+l2+l3+・・・)/L
C:0.02〜0.15%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.03%以下、
S:0.01%以下、
Cr:17.0%以上25.0%未満、
Ni:45.0%〜60.0%、
Mo:6.0%〜13.0%、
Co:4.0〜15.0%、
Al:0.3%を超え1.8%以下、
Ti:0.02〜0.8%、
N:0.05%以下、
O:0.01%以下
W:0〜10.0%、
Zr:0〜0.3%、
Nb:0〜1.5%、
Ca:0〜0.05%、
Mg:0〜0.05%、
希土類元素:0〜0.2%、
Hf:0〜0.2%、
B:0〜0.02%、
V:0〜1.5%、
Ta:0〜2.0%、
Re:0〜3.0%、
残部:Feおよび不純物である合金管に製品熱処理を実施した後、
前記合金管の一部に熱間または冷間で加工を行って加工部を形成した後、
当該加工部の金属組織中の結晶粒界の炭化物および金属間化合物による被覆率が40.0%以下となり、前記炭化物および前記金属間化合物の金属組織全体に占める面積率が10.0%以下となる条件で後熱処理を行う、Ni基耐熱合金管の製造方法。
(A)から(D)までに記載される元素から選択される1種以上を含有する、上記[1]のNi基耐熱合金管の製造方法。
(A)W:0.5〜10%、
(B)Ca:0.0005〜0.05%、Mg:0.0005〜0.05%および希土類元素:0.0005〜0.2%、
(C)Hf:0.0005〜0.2%、Zr:0.001〜0.3%およびB:0.0005〜0.02%、
(D)Nb:0.01〜1.5%、V:0.02〜1.5%、Ta:0.1〜2.0%およびRe:0.1〜3.0%。
830+130×log(80×C)+25×(1/2Mo+2.3Al+Ti)≦T≦1260 (1)
ただし、(1)式中のTは後熱処理温度(℃)を、各元素記号は各元素の質量%での含有量をそれぞれ意味する。
42−0.03×T≦t≦360−0.2×T (2)
ただし、(2)式中のTは後熱処理温度(℃)を、tは後熱処理時間(分)をそれぞれ意味する。
1.Ni基耐熱合金管の化学組成
以下の説明における各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。
Cは、高温で使用されるNi基耐熱合金において、炭化物を形成してクリープ強度を確保するために有効かつ重要な元素である。このような効果を得るためには、0.02%以上のC含有量が必要である。しかしながら、C含有量が過剰になりすぎると、炭化物が粗大化し、また多量に析出して、却ってクリープ強度の低下を招く。したがって、C含有量の上限は0.15%とする。C含有量の好ましい下限は0.03%であり、より好ましい下限は0.04%である。また、C含有量の好ましい上限は0.13%であり、より好ましい上限は0.10%である。
Siは、製鋼時の脱酸ならびに合金の耐酸化性および耐水蒸気酸化性を高めるために必要な元素である。しかし、その含有量が過剰になると合金の熱間加工性が低下する。そのため、上限を設けて、Siの含有量を1.0%以下とした。Siの含有量は、好ましくは0.8%以下である。他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にSiの含有量について下限を設ける必要はない。なお、脱酸作用、耐酸化性および耐水蒸気酸化性等の効果を安定して得るためには、Si含有量は0.03%以上とするのが好ましく、0.05%以上とすればさらに好ましい。
Mnは、合金中に含まれる不純物のSと結合してMnSを形成し、熱間加工性を向上させる。一方、その含有量が過剰になると、合金が硬くなって脆くなり、かえって熱間加工性および溶接性を損なう。そのため、上限を設けて、Mnの含有量を2.0%以下とした。Mnの含有量は、好ましくは1.2%以下である。なお、熱間加工性を改善する作用を安定して得るためには、Mn含有量は、0.02%以上とすることが好ましく、0.05%以上とすればさらに好ましい。
Pは、不純物として合金中に不可避的に混入するが、過剰なPは、溶接性および熱間加工性を害する。そのため、上限を設けて、Pの含有量を0.03%以下とした。Pの含有量は、0.025%以下とすることが好ましく、さらに好ましくは0.02%以下である。なお、Pの含有量は、可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量の好ましい下限は0.0005%以上、さらに好ましくは0.0007%以上である。
Sも上記のPと同様に不純物として合金中に不可避的に混入するが、過剰なSは、溶接性および熱間加工性を害する。そのため、上限を設けて、Sの含有量を0.01%以下とした。Sの含有量は、0.008%以下とすることが好ましく、さらに好ましくは0.007%以下である。なおSの含有量は可能な限り低減することが望ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量の好ましい下限は0.0001%以上、さらに好ましくは0.0002%以上である。
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性および耐食性を確保するために重要な元素である。700℃以上の高温環境下での有効な耐酸化特性、耐水蒸気酸化特性および耐高温腐食特性を得るためには17.0%以上含有させる必要がある。前記の耐食性はCr含有量が多いほど向上するが、25.0%を超えると、組織安定性が低下してクリープ強度を損なう。また、オーステナイト組織を安定にするために高価なNiの含有量増加を余儀なくされるだけでなく、溶接性も低下する。Cr含有量の好ましい下限は18.0%であり、より好ましい下限は19.0%である。Cr含有量の好ましい上限は24.0%であり、より好ましい上限は23.0%である。
Niは、オーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも重要な元素である。これらの効果を得るためにNi含有量は45.0%以上とする。一方、過剰なNiはコスト上昇を招くだけでなく、クリープ強度の低下を招く。そのため、Niの含有量の上限は60.0%とする。Ni含有量の好ましい下限は46.0%であり、より好ましい下限は48.0%である。Ni含有量の好ましい上限は58.0%以下であり、より好ましい上限は56.0%である。
Moは、母相オーステナイト中に固溶し、固溶強化によるクリープ強度の向上に寄与し、また金属間化合物Laves相の析出を促進させる元素である。その効果を十分に発揮させるためにはMoは6.0%以上含有させる必要がある。しかしながら、Moを過剰に含有させても、粗大な金属間化合物が過剰に析出し、かえってクリープ強度を低下させる場合もある。さらに、Moは高価な元素であるため、過剰のMo含有はコストの増大を招く。そのため、Moの含有量は13.0%以下とする。Mo含有量の好ましい下限は7.0%であり、より好ましい下限は8.0%である。Mo含有量の好ましい上限は12.0%であり、より好ましい上限は10.0%である。
Coは、Niと同様オーステナイト組織を安定化させる元素で、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。このような効果を得るためには、4.0%以上含有させる必要がある。しかしながら、Coの含有量が15.0%を超えると、コストの増加を招く。上記のCoの効果を十分に得るためにはCoの含有量を5.0%以上とすることが好ましく、7.0%以上とすることがより好ましい。また含有量の上限は14.0%以下とすることが好ましく、13.0%以下であればさらに好ましい。
Alは、脱酸作用を有し、また本合金のクリープ強度を向上させるγ’−Ni3(Al,Ti)相の主構成元素のひとつである。γ’−Ni3(Al,Ti)相による析出強化の効果を活用するためには、0.3%を超えて含有させる必要がある。一方、多量に含まれると、γ’−Ni3(Al,Ti)相が過剰に析出し、析出物が粗大な形態となるため、クリープ強度を低下させる。そのため、上限を設けてAlの含有量を1.8%以下とした。なお、Alの含有量は、0.4%以上とすることが好ましく、より好ましくは0.6%以上である。また、Alの含有量は、1.6%以下とすることが好ましく、1.4%以下とすればさらに好ましい。
Tiは、金属間化合物γ’−Ni3(Al,Ti)相の形成を促進し、粒界・粒内の析出強化に寄与し、クリープ強度の向上に有用な元素である。これらの効果を十分に発揮させるためには0.02%以上の含有量が必要となる。一方、Tiの含有量が多量となると、金属間化合物の体積率が過剰となり、析出物が粗大となり、クリープ強度の低下が生じる。このため、Ti含有量は0.8%以下とする。Ti含有量の好ましい下限は、0.05%であり、より好ましい下限は0.1%である。Ti含有量の好ましい上限は0.7%であり、より好ましい上限は0.6%である。
Nは、オーステナイト組織を安定化する作用を有し、通常の溶解法では不可避的に含まれる元素である。しかし、多量のNは、CとともにTiなどと未固溶で残る炭窒化物を形成して靱性を損なう。したがって、上限を設けて、Nの含有量を0.05%以下とした。なお、Nの含有量は、0.03%以下とすることが好ましく、0.02以下とすると更に好ましい。Nの含有量については、特に下限を設ける必要は無いが、極端な低減は製造コストを大幅に上昇させるため、Nの好ましい下限は0.0005%であり、さらに好ましい下限は0.0008%である。
O(酸素)は、不純物として合金中に含まれ,その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し,さらに靱性および延性の劣化を招く。このため、Oの含有量に上限を設けて0.01%以下とする。Oの含有量は0.008%以下とするのが好ましく、0.005%以下とするのがより好ましい。Oの含有量については、特に下限を設ける必要はないが、極端な低減は製造コストの上昇を招くので、O含有量の好ましい下限は0.0005%であり、より好ましい下限は0.0008%である。
Wは、母相オーステナイト中に固溶し、固溶強化によるクリープ強度の向上に寄与し、また金属間化合物の析出Laves相を促進する元素であり、Moと類似した性質を有する。このため、上記したMoの一部に代えてWを含有してもよい。しかし、Wの含有量が多量になると、金属間化合物が多量に析出し、クリープ強度を低下させる。特に10.0%を超えると、クリープ強度の低下が著しくなる。このため、Wを含有させる場合には、その含有量を10.0%以下とする。W含有量は、8%以下とすることが好ましく、6%以下とすることがより好ましい。上記の効果を十分に得るためには、その含有量を0.5%以上とすることが好ましく、1.0%以上とすることがより好ましい。
Zrは、主として粒界強化に寄与し、クリープ強度を向上させる作用を有する。このため必要に応じてはZrを含有させても良い。この効果を十分発揮させるためには0.001%以上含有させる必要がある。しかしながら、Zrの含有量が0.3%を超えると、溶接性および熱間加工性を損なう。したがって、Zrの含有量は0.3%以下とする。Zrの好ましい下限は0.005%であり、より好ましい下限は0.01%である。Zrの好ましい上限は0.1%であり、より好ましい上限は0.08%である。
Nbは、金属間化合物の形成を促進し、粒界・粒内の析出強化に寄与し、クリープ強度の向上に有用な元素である。一方、Nbの含有量が多量となると、金属間化合物の体積率が過剰となり、析出物が粗大となり、クリープ強度の低下が生じる。また融点の低下による溶接性の低下が生じる。このため、Nbを含有させる場合には、その含有量を1.5%以下とする。Nb含有量は1.0%以下とするのが好ましく、0.5%以下とするのがより好ましい。上記の効果を十分に得るには、Nb含有量を0.01%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましい。
Caは、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてCaを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が0.05%を超えると、靱性、延性および清浄性を損なう。したがって、Caを含有させる場合にはその含有量を0.05%以下とする。Caの含有量は0.01%以下とするのが好ましい。上記の効果を十分に得るためにはCaの含有量を0.0005%以上とするのが好ましい。
Mgは、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてMgを含有させてもよい。しかしながら、Mgの含有量が0.05%を超えると、靱性、延性および清浄性を損なう。したがって、Mgを含有させる場合にはその含有量を0.05%以下とする。Mgの含有量は0.01%以下とすることが好ましい。上記の効果を十分に得るためにはMgの含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
希土類元素は、Sを硫化物として固定し、熱間加工性を向上させる作用を有する。また、希土類元素は、無害で安定な酸化物を形成して、O(酸素)の好ましくない影響を小さくし、耐食性、クリープ強度およびクリープ延性を向上させる作用も有する。このため、必要に応じて希土類元素を含有させてもよい。しかしながら、希土類元素の含有量が0.2%を超えると、酸化物等の介在物が多くなり、熱間加工性および溶接性を損なうだけでなく、コストの上昇を招く。したがって、希土類元素を含有させる場合にはその含有量を0.2%以下とする。希土類元素の含有量は0.1%以下とすることが好ましい。上記の効果を十分に得るためには希土類元素の含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
Hfは、主として粒界強化に寄与し、クリープ強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてHfを含有させてもよい。しかしながら、Hfの含有量が0.2%を超えると、溶接性および熱間加工性を損なう。したがって、Hfを含有させる場合にはその含有量を0.2%以下とする。Hfの含有量は0.1%以下とするのが好ましく、0.06%以下とするのがさらに好ましい。上記の効果を十分に得るためにはHfの含有量を0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましい。
Bは、粒界強化元素としてクリープ強度を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてBを含有させてもよい。しかしながら、Bの含有量が0.02%を超えると、溶接性を損なう。したがって、Bを含有させる場合にはその含有量を0.02%以下とする。Bの含有量は0.008%以下とすることが好ましく、0.006%以下とすることがより好ましい。上記の効果を十分に得るためにはBの含有量を0.0005%以上とすることが好ましく、0.0008%以上とすることがより好ましい。
Vは、炭窒化物を形成して、高温強度およびクリープ強度を向上させる。このため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかしながら、Vの含有量が1.5%を超えると、高温耐食性が低下し、さらに脆化相であるσ相の析出を促進する。したがって、Vを含有させる場合にはその含有量を1.5%以下とする。Vの含有量は1.0%以下とすることが好ましく、0.8%以下とすることがより好ましい。上記の効果を十分に得るためには、Vの含有量を0.02%以上とすることが好ましく、0.04%以上とすることがより好ましい。
Taは、Tiと同様に金属間化合物を形成する元素であり、高温強度およびクリープ強度を向上させる。このため、必要に応じてTaを含有させてもよい。しかしながら、Taの含有量が2.0%を超えると、金属間化合物の析出量が過剰となり、クリープ強度が低下する。したがって、Taを含有させる場合にはその含有量を2.0%以下とする。Taの含有量は1.5%以下とすることが好ましく、1.3%以下とすることがより好ましい上記の効果を十分に得るためにはTaの含有量を0.1%以上とすることが好ましく、0.3%以上とするのがより好ましい。
Reは、主として固溶強化元素として高温強度およびクリープ強度を向上させる。このため、必要に応じてReを含有させてもよい。しかしながら、Reの含有量が3.0%を超えると、熱間加工性および靱性を損なう。したがって、Reを含有させる場合にはその含有量を3.0%以下とする。Reの含有量は2.0%以下とすることが好ましく、1.5%以下とすることがより好ましい。上記の効果を十分に得るためにはReの含有量を0.1%以上とすることが好ましく、0.3%以上とするのがより好ましい。
上記の化学組成を有するNi基耐熱合金管に製品熱処理(1150〜1230℃)を実施した後、前記合金管の一部分に曲げ、拡管などの熱間または冷間の加工を行うと、部分的な加工部が形成される。この加工部は、結晶粒内に転位が導入されており、加工を受けていない部位に比べて結晶粒内における炭化物および金属間化合物の析出が促進される。その結果、実際の使用環境において、当該加工部で炭化物および金属間化合物が粗大に、かつ多量に析出して、応力緩和時の割れ、非加工部と比較したときのクリープ強度の相対的な低下が生じる。これらを抑制するためには、後熱処理によりひずみを除去し、炭化物および金属間化合物の析出を抑制することが有効である。よって、本発明においては、必ず後熱処理を実施する。
830+130×log(80×C)+25×(1/2Mo+2.3Al+Ti)≦T≦1260 (1)
ただし、(1)式中のTは後熱処理温度(℃)を、各元素記号は各元素の質量%での含有量をそれぞれ意味する。
42−0.03×T≦t≦360−0.2×T
ただし、(2)式中のTは後熱処理温度(℃)を、tは後熱処理時間(分)をそれぞれ意味する。
Claims (5)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.02〜0.15%、
Si:1.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.03%以下、
S:0.01%以下、
Cr:17.0%以上25.0%未満、
Ni:45.0%〜60.0%、
Mo:6.0%〜13.0%、
Co:4.0〜15.0%、
Al:0.3%を超え1.8%以下、
Ti:0.02〜0.8%、
N:0.05%以下、
O:0.01%以下、
W:0〜10.0%、
Zr:0〜0.3%、
Nb:0〜1.5%、
Ca:0〜0.05%、
Mg:0〜0.05%、
希土類元素:0〜0.2%、
Hf:0〜0.2%、
B:0〜0.02%、
V:0〜1.5%、
Ta:0〜2.0%、
Re:0〜3.0%、
残部:Feおよび不純物である合金管に製品熱処理を実施した後、
前記合金管の一部に熱間または冷間で加工を行って加工部を形成した後、
当該加工部の金属組織中の結晶粒界の炭化物および金属間化合物による被覆率が40.0%以下となり、前記炭化物および前記金属間化合物の金属組織全体に占める面積率が10.0%以下となる条件で後熱処理を行う、Ni基耐熱合金管の製造方法。 - 前記の化学組成が、質量%で、
(A)から(D)までに記載される元素から選択される1種以上を含有する、請求項1に記載のNi基耐熱合金管の製造方法。
(A)W:0.5〜10%、
(B)Ca:0.0005〜0.05%、Mg:0.0005〜0.05%および希土類元素:0.0005〜0.2%、
(C)Hf:0.0005〜0.2%、Zr:0.001〜0.3%およびB:0.0005〜0.02%、
(D)Nb:0.01〜1.5%、V:0.02〜1.5%、Ta:0.1〜2.0%およびRe:0.1〜3.0%。 - 前記後熱処理を、下記(1)式を満たす条件で行う、請求項1または2に記載のNi基耐熱合金管の製造方法。
830+130×log(80×C)+25×(1/2Mo+2.3Al+Ti)≦T≦1260 (1)
ただし、(1)式中のTは後熱処理温度(℃)を、各元素記号は各元素の質量%での含有量をそれぞれ意味する。 - 前記後熱処理を、下記(2)式を満たす条件で行う、請求項1から3までのいずれかに記載のNi基耐熱合金管の製造方法。
42−0.03×T≦t≦360−0.2×T (2)
ただし、(2)式中のTは後熱処理温度(℃)を、tは後熱処理時間(分)をそれぞれ意味する。 - 前記合金管の一部に行う加工を、前記合金管の全長に対して5.0〜40.0%の範囲に、10.0〜50.0%の加工度で行う、請求項1から4までのいずれかに記載のNi基合金管の製造方法。
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