JP2017145437A - Ferritic stainless steel - Google Patents

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剛夫 宮村
Takeo Miyamura
剛夫 宮村
難波 茂信
Shigenobu Nanba
茂信 難波
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferritic stainless steel with improved high temperature creep strength, without deteriorating room temperature ductility.SOLUTION: A ferritic stainless steel includes 0.05 mass% or less C, 0.1 to 3.0 mass% Si, 0.1 to 2.0 mass% Mn, 13.5 to 16.5 mass% Cr, 0.15 to 1.2 mass% Zr, 1.0 to 4.0 mass% Ni, 0.5 to 2.0 mass% Al, 0.5 to 3.0 mass% Cu, 0.0002 to 0.005 mass% B, 0.05 mass% or less N, 0.005 to 0.05 mass% P, and the balance Fe with inevitable impurities. S included as the inevitable impurities is regulated to be 0.005 mass % or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼に関し、特に高温クリープ強度と室温延性が両立して優れるものに関する。   The present invention relates to a ferritic stainless steel, and particularly relates to a material excellent in both high temperature creep strength and room temperature ductility.

火力発電プラントや化学プラントの熱交換器に使用される鋼管は、耐酸化性、耐食性に加えて、限界温度650℃もの優れた耐熱性が要求されるため、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼で形成される。オーステナイト系ステンレス鋼は、耐酸化性、耐食性、およびクリープ強度を含む高温強度のいずれも良好であり、耐熱材料として良好な特性を備えているが、Niを多量に含有する(例えば、SUS304で8質量%)ために原料コストが高い。一方、フェライト系ステンレス鋼は、Ni含有量が少なく原料コストが安い上、熱膨張率や熱伝導率など熱交換器としてより優れた特性を有しているが、オーステナイト系ステンレス鋼と比べて高温での強度に劣る。   Steel pipes used for heat exchangers in thermal power plants and chemical plants require not only oxidation resistance and corrosion resistance, but also excellent heat resistance at a limit temperature of 650 ° C, so austenitic stainless steel and ferritic stainless steel Formed with. Austenitic stainless steel has good oxidation resistance, corrosion resistance, and high-temperature strength including creep strength, and has good characteristics as a heat-resistant material, but contains a large amount of Ni (for example, 8 in SUS304). The raw material cost is high. Ferritic stainless steel, on the other hand, has low Ni content and low raw material costs, and has better characteristics as a heat exchanger such as thermal expansion coefficient and thermal conductivity, but it is hotter than austenitic stainless steel. Inferior in strength.

そのため、高温強度を向上させたフェライト系ステンレス鋼が開発されている。例えば、Crを9質量%含有する9Cr系耐熱鋼が開発され実用化されている。しかしながら、9Cr系耐熱鋼は、高温クリープ強度がオーステナイト系ステンレス鋼に及ばない上、耐酸化性を向上させるCrを18質量%含有するオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、高温での耐酸化性が十分とはいえない。   Therefore, ferritic stainless steel with improved high temperature strength has been developed. For example, 9Cr heat resistant steel containing 9% by mass of Cr has been developed and put into practical use. However, 9Cr heat-resistant steel does not have high-temperature creep strength comparable to that of austenitic stainless steel, and has higher oxidation resistance at higher temperatures than austenitic stainless steel containing 18% by mass of Cr, which improves oxidation resistance. Not enough.

そこで、Crを15質量%含有する15Crフェライト系ステンレス鋼が開発されている(非特許文献1)。前記9Cr系耐熱鋼が焼戻しマルテンサイトを有する金属組織であるのに対し、15Crフェライト系ステンレス鋼は、Crを多量に含有することによりフェライト単相の組織となる。さらに、特許文献1には、Mo,W,Nb,Co等を添加して、高温下で金属間化合物や炭化物、窒化物を析出させることにより、高温クリープ強度をさらに向上させた15Crフェライト鋼が開示されている。   Therefore, 15Cr ferritic stainless steel containing 15% by mass of Cr has been developed (Non-patent Document 1). The 9Cr heat-resistant steel has a metal structure having tempered martensite, whereas the 15Cr ferritic stainless steel has a ferrite single phase structure by containing a large amount of Cr. Furthermore, Patent Document 1 discloses 15Cr ferritic steel that further improves high-temperature creep strength by adding Mo, W, Nb, Co, and the like to precipitate intermetallic compounds, carbides, and nitrides at high temperatures. It is disclosed.

特許第3777421号公報Japanese Patent No. 3777421

Y. TODA, M. IIJIMA, H. KUSHIMA, K. KIMURA, F. ABE, “Effects of Ni and Heat Treatment on Long-term Creep Strength of Precipitation Strengthened 15Cr Ferritic Heat Resistant Steels”, ISIJ International, Vol.45, No.11,pp.1747-1753, 2005Y. TODA, M. IIJIMA, H. KUSHIMA, K. KIMURA, F. ABE, “Effects of Ni and Heat Treatment on Long-term Creep Strength of Precipitation Strengthened 15Cr Ferritic Heat Resistant Steels”, ISIJ International, Vol.45, No.11, pp.1747-1753, 2005

非特許文献1および特許文献1に記載された15Crフェライト鋼は、多量のCrにより十分な耐酸化性が得られる。しかし、高温クリープ強度をいっそう向上させるために、特許文献1のようにW,Coのような希少金属を添加して、その金属間化合物や炭化物、窒化物を高温下で析出させるようにすると、原料コストが高くなり、フェライト系ステンレス鋼の低コストという利点が損なわれる。また、添加した前記金属が、溶体化処理後においてFe母相中に固溶した状態で存在して室温での延性を低下させ、鋼管の製造段階における冷間加工や高温機器の組立における鋼管の曲げ加工等が困難になる。   The 15Cr ferritic steel described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 can provide sufficient oxidation resistance with a large amount of Cr. However, in order to further improve the high temperature creep strength, a rare metal such as W or Co is added as in Patent Document 1, and the intermetallic compound, carbide, or nitride is precipitated at a high temperature. The raw material cost increases, and the advantage of low cost of ferritic stainless steel is impaired. In addition, the added metal exists in a solid solution state in the Fe matrix after solution treatment, lowering the ductility at room temperature, and the steel pipe in cold work and high temperature equipment assembly in the steel pipe manufacturing stage. Bending process becomes difficult.

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、熱交換器等の高温機器に使用される鋼管として、耐熱性や耐酸化性等を低下させず、また高コスト化することなく、優れた高温クリープ強度と冷間加工を可能とする室温延性とを両立させたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its problem is that the steel pipe used in high-temperature equipment such as a heat exchanger does not deteriorate heat resistance, oxidation resistance, etc., and is high in cost. Therefore, it is an object of the present invention to provide a ferritic stainless steel that achieves both excellent high temperature creep strength and room temperature ductility that enables cold working.

本発明者らは、耐食性が要求される2相系ステンレス鋼の分野等で確認されているG相と称される析出物に着目し、このG相からなる微細析出物がクリープ変形に伴う転位の移動を阻害して、高いクリープ強度を発現することに想到した。本発明者らは、鋭意研究した結果、フェライト単相組織を有する15Crフェライト系ステンレス鋼において、溶体化処理後の延性を低下させることなく、高温環境下でG相を形成する、比較的高コストでない元素として、Ni,Zr,Siを見出した。すなわち、耐熱性および耐酸化性に優れる高濃度のCrを含有したフェライト単相組織で構成されるフェライト系ステンレス鋼に、適量のNi,Zr,Siを添加することによって、高温機器の温度環境に相当する450〜750℃程度の高温環境下で、金属間化合物Ni16Zr6Si7からなるG相が形成されて鋼中に微細に分散する。このG相は、フェライト系ステンレス鋼において、フェライト相とCube on Cubeの関係で半整合析出すると推測され、析出物周囲に歪場を形成し、クリープ変形に伴う転位の移動を効率よくピンニングしていると考えられる。さらに、本発明者らは、Zrを炭化物、窒化物として固定しないために、C,Nの含有量を抑制し、また、フェライト単相組織を維持し難くする作用を有するNiを十分に添加するために、フェライト相を安定化する作用を有するAlを共に添加することに想到した。 The present inventors pay attention to a precipitate called G phase, which has been confirmed in the field of duplex stainless steels and the like that require corrosion resistance, and the fine precipitate consisting of this G phase is dislocated due to creep deformation. It was conceived that high creep strength was developed by inhibiting the movement of. As a result of diligent research, the present inventors have found that a 15Cr ferritic stainless steel having a ferrite single phase structure forms a G phase in a high temperature environment without lowering the ductility after solution treatment. Ni, Zr, and Si were found as non-elements. In other words, by adding an appropriate amount of Ni, Zr, Si to a ferritic stainless steel composed of a ferrite single phase structure containing a high concentration of Cr with excellent heat resistance and oxidation resistance, the temperature environment of high temperature equipment can be improved. Under a corresponding high temperature environment of about 450 to 750 ° C., a G phase composed of the intermetallic compound Ni 16 Zr 6 Si 7 is formed and finely dispersed in the steel. This G phase is presumed to be semi-consistently precipitated in the ferritic stainless steel due to the relationship between the ferrite phase and Cube on Cube, forming a strain field around the precipitate and efficiently pinning dislocation movement accompanying creep deformation. It is thought that there is. Furthermore, the present inventors do not fix Zr as a carbide or nitride, so that the content of C and N is suppressed, and Ni having an effect of making it difficult to maintain a ferrite single-phase structure is sufficiently added. For this reason, the inventors conceived to add together Al having an effect of stabilizing the ferrite phase.

すなわち、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、C:0.05質量%以下、Si:0.1〜3.0質量%、Mn:0.1〜2.0質量%、Cr:13.5〜16.5質量%、Zr:0.15〜1.2質量%、Ni:1.0〜4.0質量%、Al:0.5〜2.0質量%、Cu:0.5〜3.0質量%、B:0.0002〜0.005質量%、N:0.05質量%以下、P:0.005〜0.05質量%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるSが0.005質量%以下に制限されることを特徴とする。   That is, the ferritic stainless steel according to the present invention has C: 0.05 mass% or less, Si: 0.1-3.0 mass%, Mn: 0.1-2.0 mass%, Cr: 13.5 To 16.5 mass%, Zr: 0.15 to 1.2 mass%, Ni: 1.0 to 4.0 mass%, Al: 0.5 to 2.0 mass%, Cu: 0.5 to 3 0.0% by mass, B: 0.0002 to 0.005% by mass, N: 0.05% by mass or less, P: 0.005 to 0.05% by mass, with the balance being Fe and inevitable impurities The S contained as the inevitable impurity is limited to 0.005 mass% or less.

かかる構成のフェライト系ステンレス鋼は、C,Nの含有量を抑制し、Si,Niと共にZrを添加して、高温下で金属間化合物Ni16Zr6Si7からなるG相を析出させて鋼中に微細に分散させることにより、優れた高温クリープ強度を有し、かつ、溶体化処理後の延性が低下することがない。また、フェライト系ステンレス鋼は、Alを含有するので、フェライト相の安定性がNiにより低下することがなく、フェライト単相組織からなり、その結果、耐熱性に優れ、また、高濃度のCrにより十分な耐酸化性を有する。 The ferritic stainless steel having such a structure suppresses the content of C and N, adds Zr together with Si and Ni, and precipitates a G phase composed of an intermetallic compound Ni 16 Zr 6 Si 7 at a high temperature. By finely dispersing in, it has excellent high-temperature creep strength, and ductility after solution treatment does not decrease. In addition, since ferritic stainless steel contains Al, the stability of the ferrite phase is not reduced by Ni, and it has a ferrite single-phase structure. As a result, it has excellent heat resistance and high concentration of Cr. Has sufficient oxidation resistance.

本発明に係るフェライト系ステンレス鋼によれば、耐酸化性および耐熱性に優れているので、熱交換器等の高温機器に好適に使用される鋼管になり、さらに原料コストが増大しない上に、高温でのクリープ強度が高くて耐クリープ変形能に優れているため、高温機器の肉厚を薄く形成することができて製造コストを削減することができ、また、冷間加工が可能であるので、高温機器を製造する際の鋼管の曲げ加工等における加工コストを削減することができる。   According to the ferritic stainless steel according to the present invention, because it is excellent in oxidation resistance and heat resistance, it becomes a steel pipe suitably used for high-temperature equipment such as a heat exchanger, and further, the raw material cost does not increase, Since the creep strength at high temperatures is high and the creep deformation resistance is excellent, the thickness of high-temperature equipment can be reduced, manufacturing costs can be reduced, and cold working is possible. In addition, it is possible to reduce the processing cost in bending a steel pipe when manufacturing a high-temperature device.

実施例での高温クリープ強度の評価のための最小歪速度を模式的に説明する図であり、(a)はクリープ歪と試験時間の関係を示すグラフ、(b)は(a)から算出した歪速度と試験時間の関係を示すグラフである。It is a figure which illustrates typically the minimum strain rate for evaluation of the high temperature creep strength in an Example, (a) is a graph which shows the relation between creep strain and test time, (b) was computed from (a). It is a graph which shows the relationship between a strain rate and test time.

以下、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を実現するための形態について説明する。
〔フェライト系ステンレス鋼〕
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、C:0.05質量%以下、Si:0.1〜3.0質量%、Mn:0.1〜2.0質量%、Cr:13.5〜16.5質量%、Zr:0.15〜1.2質量%、Ni:1.0〜4.0質量%、Al:0.5〜2.0質量%、Cu:0.5〜3.0質量%、B:0.0002〜0.005質量%、N:0.05質量%以下、P:0.005〜0.05質量%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるSが0.005質量%以下に制限される。以下に、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成について説明する。
Hereinafter, the form for implement | achieving the ferritic stainless steel which concerns on this invention is demonstrated.
[Ferrite stainless steel]
Ferritic stainless steel according to the present invention is C: 0.05% by mass or less, Si: 0.1-3.0% by mass, Mn: 0.1-2.0% by mass, Cr: 13.5-16 0.5 mass%, Zr: 0.15-1.2 mass%, Ni: 1.0-4.0 mass%, Al: 0.5-2.0 mass%, Cu: 0.5-3.0 % By mass, B: 0.0002 to 0.005% by mass, N: 0.05% by mass or less, P: 0.005 to 0.05% by mass, with the balance being Fe and inevitable impurities, S contained as an inevitable impurity is limited to 0.005 mass% or less. The chemical component composition of the ferritic stainless steel according to the present invention will be described below.

(C:0.05質量%以下)
Cは、高温環境において炭化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、Cは、Zrを炭化物として固定するので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、ZrをG相として十分に析出させてクリープ強度を向上させるために含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、C含有量は0.05質量%以下とし、好ましくは0.04質量%以下、より好ましくは0.03質量%以下である。
(C: 0.05% by mass or less)
C is an element that has an action of forming carbides in a high temperature environment and improving high temperature strength and high temperature creep strength. However, since C fixes Zr as a carbide, the ferritic stainless steel according to the present invention preferably has a low content in order to sufficiently precipitate Zr as a G phase and improve creep strength. Is not specified. Specifically, the C content is 0.05% by mass or less, preferably 0.04% by mass or less, and more preferably 0.03% by mass or less.

(Si:0.1〜3.0質量%)
Siは、溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、また、微量であっても耐酸化性の向上に有効に作用する。さらに、高温環境下でNi,Zrと金属間化合物Ni16Zr6Si7(G相)を形成して鋼中に微細に分散してクリープ強度を向上させるので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温クリープ強度を発現するために必須の元素である。これらの効果を発揮させるために、Si含有量は0.1質量%以上とし、好ましくは0.15質量%以上、より好ましくは0.25質量%以上である。一方で、Siを過剰に含有すると、フェライト系ステンレス鋼の硬さが増大して延性を低下させるので、Si含有量は3.0質量%以下とし、好ましくは2.5質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下である。
(Si: 0.1-3.0% by mass)
Si is an element having a deoxidizing action in molten steel, and effectively acts to improve oxidation resistance even in a trace amount. Further, since Ni, Zr and the intermetallic compound Ni 16 Zr 6 Si 7 (G phase) are formed in a high temperature environment and finely dispersed in the steel to improve the creep strength, the ferritic stainless steel according to the present invention It is an essential element for exhibiting high temperature creep strength. In order to exert these effects, the Si content is 0.1% by mass or more, preferably 0.15% by mass or more, and more preferably 0.25% by mass or more. On the other hand, if Si is contained excessively, the hardness of the ferritic stainless steel increases and ductility is lowered, so the Si content is 3.0% by mass or less, preferably 2.5% by mass or less, more preferably Is 1.5 mass% or less.

(Mn:0.1〜2.0質量%)
Mnは、Siと同様に溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、この効果を発揮させるために、Mn含有量は0.1質量%以上とし、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上である。一方で、Mnを過剰に含有すると、オーステナイト相の安定性が高くなってフェライト単相組織が維持され難くなるので、Mn含有量は2.0質量%以下とし、好ましくは1.5質量%以下、より好ましくは1.0質量%以下である。
(Mn: 0.1 to 2.0% by mass)
Mn is an element having a deoxidizing action in molten steel like Si, and in order to exert this effect, the Mn content is 0.1% by mass or more, preferably 0.3% by mass or more, more preferably Is 0.5% by mass or more. On the other hand, if Mn is contained excessively, the stability of the austenite phase becomes high and it becomes difficult to maintain the ferrite single phase structure. Therefore, the Mn content is 2.0% by mass or less, preferably 1.5% by mass or less. More preferably, it is 1.0 mass% or less.

(Cr:13.5〜16.5質量%)
Crは、ステンレス鋼としての耐食性(耐酸化性)を発現するために必須の元素である。十分な耐酸化性を発揮させるために、Cr含有量は13.5質量%以上とし、好ましくは14.0質量%以上、より好ましくは14.5質量%以上である。一方で、Crを過剰に含有すると、高温環境下でスピノーダル分解を生じて延性や靱性が低下する虞があるので、Cr含有量は16.5質量%以下とし、好ましくは16.0質量%以下、より好ましくは15.5質量%以下である。
(Cr: 13.5 to 16.5% by mass)
Cr is an essential element in order to develop corrosion resistance (oxidation resistance) as stainless steel. In order to exhibit sufficient oxidation resistance, the Cr content is 13.5% by mass or more, preferably 14.0% by mass or more, more preferably 14.5% by mass or more. On the other hand, if Cr is excessively contained, spinodal decomposition may occur in a high temperature environment and ductility and toughness may be reduced. Therefore, the Cr content is 16.5% by mass or less, preferably 16.0% by mass or less. More preferably, it is 15.5 mass% or less.

(Zr:0.15〜1.2質量%)
Zrは、室温でFe母相中に固溶していても延性を低下させず、また、高温環境下でNi,Siと金属間化合物Ni16Zr6Si7(G相)を形成して鋼中に微細に分散してクリープ強度を向上させるので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温クリープ強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を十分に発揮させるために、Zr含有量は0.15質量%以上とし、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上である。一方で、Zr含有量が過剰になると900℃近傍における熱間加工性が低下するため、1.2質量%以下とし、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.8質量%以下である。
(Zr: 0.15 to 1.2% by mass)
Zr does not lower the ductility even if it dissolves in the Fe matrix at room temperature, and also forms Ni, Si and the intermetallic compound Ni 16 Zr 6 Si 7 (G phase) in a high temperature environment. Since it is finely dispersed therein to improve the creep strength, it is an essential element for achieving both high temperature creep strength and room temperature ductility of the ferritic stainless steel according to the present invention. In order to sufficiently exhibit this effect, the Zr content is 0.15% by mass or more, preferably 0.3% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more. On the other hand, when the Zr content is excessive, the hot workability in the vicinity of 900 ° C. is lowered, so that it is 1.2% by mass or less, preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.8% by mass or less. is there.

(Ni:1.0〜4.0質量%)
Niは、室温延性を低下させず、また、高温環境下でZr,Siと金属間化合物Ni16Zr6Si7(G相)を形成して鋼中に微細に分散してクリープ強度を向上させるので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温クリープ強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を発揮させるために、Ni含有量は1.0質量%以上とし、好ましくは1.5質量%以上、より好ましくは2.0質量%以上である。一方で、Niを多量に含有させると原料コストが高くなるので、Ni含有量は4.0質量%以下とし、好ましくは3.0質量%以下、より好ましくは2.5質量%以下である。
(Ni: 1.0-4.0% by mass)
Ni does not lower the ductility at room temperature, and forms Zr, Si and an intermetallic compound Ni 16 Zr 6 Si 7 (G phase) in a high temperature environment to finely disperse in the steel and improve the creep strength. Therefore, it is an essential element in order to achieve both high temperature creep strength and room temperature ductility of the ferritic stainless steel according to the present invention. In order to exert this effect, the Ni content is 1.0% by mass or more, preferably 1.5% by mass or more, more preferably 2.0% by mass or more. On the other hand, since a raw material cost will become high when Ni is contained in large quantities, Ni content shall be 4.0 mass% or less, Preferably it is 3.0 mass% or less, More preferably, it is 2.5 mass% or less.

(Al:0.5〜2.0質量%)
Alは、フェライト相を安定化する作用を有し、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においてNiを十分に添加するために必須の元素であり、また、金属間化合物の析出等を阻害せず、室温延性への影響も小さい。前記作用を十分に得るために、Al含有量は0.5質量%以上とし、好ましくは0.7質量%以上、より好ましくは0.9質量%以上である。一方で、Alを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するので、Al含有量は2.0質量%以下とし、好ましくは1.5質量%以下、より好ましくは1.2質量%以下である。
(Al: 0.5-2.0 mass%)
Al has an effect of stabilizing the ferrite phase, and is an essential element for sufficiently adding Ni in the ferritic stainless steel according to the present invention, and does not inhibit the precipitation of intermetallic compounds, The effect on room temperature ductility is also small. In order to sufficiently obtain the above action, the Al content is 0.5% by mass or more, preferably 0.7% by mass or more, and more preferably 0.9% by mass or more. On the other hand, when Al is contained excessively, the hot workability is lowered, so the Al content is 2.0% by mass or less, preferably 1.5% by mass or less, more preferably 1.2% by mass or less. is there.

(Cu:0.5〜3.0質量%)
Cuは、フェライト相中に単独で析出するが、他の析出相との相互作用が少なく、析出強化によって強度を向上させ、特に高温環境において金属間化合物よりも短時間で強化に寄与することができる上、室温延性を低下させることがない。この効果を十分に発揮させるために、Cu含有量は0.5質量%以上とし、好ましくは1.0質量%以上、より好ましくは1.3質量%以上である。一方で、Cuを過剰に含有すると、製造時の熱間加工で割れを生じる虞があるので、Cu含有量は3.0質量%以下とし、好ましくは2.5質量%以下、より好ましくは2.0質量%以下である。
(Cu: 0.5-3.0% by mass)
Cu precipitates alone in the ferrite phase, but has less interaction with other precipitated phases, improves strength by precipitation strengthening, and contributes to strengthening in a shorter time than intermetallic compounds, especially in high-temperature environments. In addition, the room temperature ductility is not reduced. In order to sufficiently exhibit this effect, the Cu content is 0.5% by mass or more, preferably 1.0% by mass or more, and more preferably 1.3% by mass or more. On the other hand, if Cu is contained excessively, cracking may occur during hot working during production, so the Cu content is 3.0% by mass or less, preferably 2.5% by mass or less, more preferably 2%. 0.0 mass% or less.

(B:0.0002〜0.005質量%)
Bは、鋼中に固溶することで熱間加工性を向上させる作用があり、十分な熱間加工性を得るために、B含有量は0.0002質量%以上とし、好ましくは0.0005質量%以上、より好ましくは0.001質量%以上である。一方で、Bを過剰に含有すると、溶接時の延性を低下させるので、0.005質量%以下とし、好ましくは0.003質量%以下、より好ましくは0.0025質量%以下である。
(B: 0.0002 to 0.005 mass%)
B has the effect of improving hot workability by dissolving in steel, and in order to obtain sufficient hot workability, the B content is 0.0002% by mass or more, preferably 0.0005. It is at least mass%, more preferably at least 0.001 mass%. On the other hand, when B is contained excessively, ductility at the time of welding is lowered, so the content is 0.005% by mass or less, preferably 0.003% by mass or less, more preferably 0.0025% by mass or less.

(N:0.05質量%以下)
Nは、高温環境において窒化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、Nは、Zrを窒化物として固定するので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、ZrをG相として十分に析出させてクリープ強度を向上させるために含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、N含有量は0.05質量%以下とし、好ましくは0.04質量%以下、より好ましくは0.03質量%以下である。
(N: 0.05% by mass or less)
N is an element having an action of forming nitrides in a high temperature environment and improving high temperature strength and high temperature creep strength. However, since N fixes Zr as a nitride, the ferritic stainless steel according to the present invention preferably has a small content in order to sufficiently precipitate Zr as a G phase and improve the creep strength. There is no specific lower limit. Specifically, the N content is 0.05% by mass or less, preferably 0.04% by mass or less, and more preferably 0.03% by mass or less.

(P:0.005〜0.05質量%)
Pは、高温環境に長期間曝される状況でリン化物を形成して高温強度を向上させる作用があるため、P含有量は0.005質量%以上とし、好ましくは0.015質量%以上、より好ましくは0.020質量%以上である。一方で、Pを0.05質量%を超えて含有すると、溶接割れを生じ易くなるので、P含有量は0.05質量%以下とし、好ましくは0.04質量%以下、より好ましくは0.035質量%以下に抑制する。
(P: 0.005 to 0.05 mass%)
P has the effect of forming a phosphide and improving the high temperature strength in a situation where it is exposed to a high temperature environment for a long period of time, so the P content is 0.005% by mass or more, preferably 0.015% by mass or more, More preferably, it is 0.020 mass% or more. On the other hand, if P is contained in excess of 0.05% by mass, weld cracking is likely to occur. Therefore, the P content is 0.05% by mass or less, preferably 0.04% by mass or less, more preferably 0.8%. It suppresses to 035 mass% or less.

(不可避不純物、S:0.005質量%以下)
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、不可避不純物として、Sを含有していてもよいが、その含有量が増加すると熱間加工性を劣化させるため、0.005質量%以下に抑制し、好ましくは0.002質量%以下、より好ましくは0.001%質量以下である。
(Inevitable impurities, S: 0.005 mass% or less)
The ferritic stainless steel according to the present invention may contain S as an inevitable impurity. However, when the content is increased, the hot workability is deteriorated. Is 0.002% by mass or less, more preferably 0.001% by mass or less.

また、スクラップ原料に由来するSn,Pb,Sb,As,Zn等の低融点不純物金属は、熱間加工時や高温環境での使用時に粒界の強度を低下させるので、低濃度に抑えることが好ましく、具体的には、それぞれ0.015質量%以下に抑制し、その総量を0.04質量%以下とする。また、Mo,W,Nb,Hf,Ta,Co,V等の遷移金属は、高温下でFe2M型(M:遷移金属等)の金属間化合物を形成して強度を向上させるものの、室温ではFe母相中に固溶して延性を低下させるため、それぞれ0.3質量%以下に抑制する。また、Tiは、多量に含有すると高温下で靭性を低下させるが、Zrと同じ第4族元素で性質が比較的近いため、室温でFe母相中に固溶していても延性を低下させることがないので、0.2質量%以下であれば含有していてもよい。さらにこれらの成分は、合計(Sを除く)で1.0質量%以下とする。このような含有量であれば、本発明の所望する効果に影響しない。 In addition, low melting point impurities such as Sn, Pb, Sb, As, and Zn derived from scrap raw materials reduce the strength of the grain boundaries during hot working or when used in a high temperature environment. More specifically, each is suppressed to 0.015 mass% or less, and the total amount is set to 0.04 mass% or less. In addition, transition metals such as Mo, W, Nb, Hf, Ta, Co, and V improve the strength by forming an intermetallic compound of Fe 2 M type (M: transition metal, etc.) at a high temperature, but at room temperature. Then, in order to reduce the ductility by solid solution in the Fe matrix, each is suppressed to 0.3% by mass or less. Ti, when contained in a large amount, lowers toughness at high temperatures, but since the properties are relatively close to the same group 4 element as Zr, it lowers ductility even when dissolved in the Fe matrix at room temperature. Therefore, it may be contained as long as it is 0.2% by mass or less. Furthermore, these components are 1.0% by mass or less in total (excluding S). With such a content, the desired effect of the present invention is not affected.

(フェライト系ステンレス鋼材の製造方法)
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成を有する鋼材(フェライト系ステンレス鋼材)は、溶解にて原料の割合を適宜調節することで容易に得られ、得られた鋳塊は必要に応じてソーキング(均質化熱処理)や熱間加工による形状の調整を経た後、適切な溶体化処理を行う。ソーキングについては、造塊法であれば、例えば1250〜1300℃の範囲で10時間程度保持することで凝固偏析が解消され、連続鋳造で作製した場合は、より短い時間か省略することもできる。熱間加工は概ね1000℃以上に加熱した状態で加工することができる。このようにして得られた鋼材は適宜、中間工程として冷間加工と熱処理を組み合わせて金属組織の制御を行うことも可能であり、冷間加工を加えることで熱処理後の結晶粒径を微細化・均質化し易い場合がある。本発明に係るフェライト系ステンレス鋼材の製造においては、中間工程の有無によらず、最終工程を溶体化のための熱処理とする。溶体化処理は、1100℃以上の温度で60秒間以上保持し、その後、保持温度から300℃以下まで、30秒間以内で冷却することが好ましい。このような冷却方法として、空冷よりも水冷が急冷し易く好ましい。
(Manufacturing method of ferritic stainless steel)
The steel material (ferritic stainless steel material) having the chemical composition of ferritic stainless steel according to the present invention can be easily obtained by appropriately adjusting the ratio of raw materials by melting, and the obtained ingot is obtained as necessary. After adjusting the shape by soaking (homogenization heat treatment) or hot working, an appropriate solution treatment is performed. About soaking, if it is an agglomeration method, solidification segregation will be eliminated by hold | maintaining for about 10 hours, for example in the range of 1250-1300 degreeC, and when it produces by continuous casting, it can also be a shorter time or abbreviate | omitting. Hot working can be carried out in a state of being heated to approximately 1000 ° C. or higher. The steel material obtained in this way can be appropriately controlled by combining cold working and heat treatment as an intermediate process, and the crystal grain size after heat treatment can be refined by adding cold working.・ It may be easy to homogenize. In the production of the ferritic stainless steel material according to the present invention, the final process is a heat treatment for solution treatment regardless of the presence or absence of an intermediate process. The solution treatment is preferably held at a temperature of 1100 ° C. or higher for 60 seconds or more, and then cooled from the holding temperature to 300 ° C. or lower within 30 seconds. As such a cooling method, water cooling is preferred to air cooling more easily than air cooling.

以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例によって制限を受けるものではなく、請求項に示した範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   As mentioned above, although the form for implementing this invention has been described, the Example which confirmed the effect of this invention is demonstrated concretely compared with the comparative example which does not satisfy | fill the requirements of this invention below. It should be noted that the present invention is not limited by this embodiment, and can be implemented with modifications within the scope shown in the claims, all of which are included in the technical scope of the present invention.

〔試験材作製〕
表1に示す化学成分組成からなる鋼材を溶解し、真空溶解炉(VIF)にて溶製した20kgインゴットに、1280℃で8時間のソーキング処理を施した後、幅60mm×厚さ20mmに熱間鍛造加工した。さらに、1200℃で5分間保持後、浸漬水冷の溶体化処理を施して母材とした。
[Test material preparation]
A steel material having the chemical composition shown in Table 1 was melted and subjected to a soaking treatment at 1280 ° C. for 8 hours on a 20 kg ingot melted in a vacuum melting furnace (VIF), and then heated to a width of 60 mm and a thickness of 20 mm. Inter-forged. Further, after holding at 1200 ° C. for 5 minutes, a soaking water cooling solution treatment was performed to obtain a base material.

〔評価〕
(室温延性)
室温延性の評価として引張破断伸びを測定した。母材から、JIS Z 2241に記載の14A号丸棒引張試験片を作製した。試験片は、ゲージ部の寸法をφ6mm×30mmとした。JIS Z 2241にしたがって室温で引張試験を行い、破断試験片を突き合わせて引張破断伸び(室温引張破断伸び)を測定した。室温引張破断伸びを表1に示す。合格基準は、室温引張破断伸びが15%以上とする。
[Evaluation]
(Room temperature ductility)
As an evaluation of room temperature ductility, tensile elongation at break was measured. A 14A round bar tensile test piece described in JIS Z 2241 was prepared from the base material. The test piece had a gauge portion of φ6 mm × 30 mm. A tensile test was performed at room temperature in accordance with JIS Z 2241, and the tensile strength at break (room temperature tensile elongation at break) was measured by matching the fracture specimens. Table 1 shows the room temperature tensile elongation at break. The acceptance criterion is that the room temperature tensile elongation at break is 15% or more.

(高温クリープ強度)
高温クリープ強度の評価としてクリープ変形量(クリープ歪)を測定した。耐熱材料の許容応力は、破断時間または一定時間に生じるクリープ歪で決定され、例えば、資源エネルギー庁が制定した「発電用火力設備及び電気設備の技術基準の解釈」の材料の許容応力に記載されている。クリープ試験において荷重負荷から破断に至るまでの変形過程には、定常クリープ変形とその後に生じる加速クリープ変形があるが、一般に、フェライト系耐熱鋼のクリープ変形では均一伸びよりも不均一伸びの方が大きいため、破断せずとも局所的に大きな変形が進行する傾向がある。実際の耐熱部材では、このような局所変形は様々な問題を引き起こし、一定時間に生じるクリープ歪が重要な評価パラメータとなる場合がある。このような背景から、本実施例では、クリープ歪を連続的に測定して、一定時間に生じるクリープ歪に相当する最小クリープ歪速度を求め、評価指標とした。
(High temperature creep strength)
As an evaluation of the high temperature creep strength, the amount of creep deformation (creep strain) was measured. The allowable stress of a heat-resistant material is determined by the creep strain that occurs at a rupture time or a fixed time. ing. In the creep test, the deformation process from loading to fracture includes steady creep deformation and subsequent accelerated creep deformation. Since it is large, there is a tendency for large deformation to proceed locally without breaking. In an actual heat-resistant member, such local deformation causes various problems, and creep strain generated in a certain time may be an important evaluation parameter. Against this background, in this example, creep strain was continuously measured, and the minimum creep strain rate corresponding to the creep strain generated in a certain time was determined and used as an evaluation index.

母材から、ゲージ部の寸法がφ6mm×30mmの鍔付きクリープ試験片を作製した。650℃で80MPaの条件でクリープレート試験を実施し、クリープ試験片のゲージ間の伸びをリニアゲージで連続的に測定した。そして、図1(a)に示す試験時間とクリープ歪の関係から試験時間に対するクリープ歪の傾きに基づいてクリープ歪速度を算出し、図1(b)に示すようにクリープ歪速度の推移を得て、その最小値を最小クリープ歪速度とした。最小クリープ歪速度を表1に示す。合格基準は、最小クリープ歪速度が1.0×10-8sec-1以下とする。 From the base material, a creeped creep test piece having a gauge portion size of φ6 mm × 30 mm was produced. The creep rate test was conducted at 650 ° C. and 80 MPa, and the elongation between the gauges of the creep test piece was continuously measured with a linear gauge. Then, the creep strain rate is calculated based on the slope of the creep strain with respect to the test time from the relationship between the test time and the creep strain shown in FIG. 1 (a), and the transition of the creep strain rate is obtained as shown in FIG. 1 (b). The minimum value was taken as the minimum creep strain rate. Table 1 shows the minimum creep strain rate. The acceptance criterion is that the minimum creep strain rate is 1.0 × 10 −8 sec −1 or less.

Figure 2017145437
Figure 2017145437

表1に示すように、鋼材No.1〜11は、化学成分組成が本発明の範囲内の実施例であり、室温延性および高温クリープ強度が共に良好であった。   As shown in Table 1, the steel material No. Nos. 1 to 11 were examples in which the chemical composition was within the range of the present invention, and both room temperature ductility and high temperature creep strength were good.

これに対して、鋼材No.12〜15は、化学成分組成が本発明の範囲外の比較例であり、室温延性および高温クリープ強度の少なくとも一方が不合格である。鋼材No.12はZr含有量が、鋼材No.13はSi含有量が、鋼材No.14はNi含有量が、それぞれ不足しているため、いずれも高温クリープ強度が不十分であった。鋼材No.15は、Si含有量が過剰なため、高温クリープ強度は良好であったが、硬さが増大して室温延性が低下した。   On the other hand, the steel material No. Nos. 12 to 15 are comparative examples in which the chemical composition is outside the scope of the present invention, and at least one of room temperature ductility and high temperature creep strength is unacceptable. Steel No. No. 12 has a Zr content of Steel No. No. 13 has a Si content of steel no. No. 14 was insufficient in Ni content, so that the high temperature creep strength was insufficient. Steel No. In No. 15, since the Si content was excessive, the high temperature creep strength was good, but the hardness increased and the room temperature ductility decreased.

Claims (1)

C:0.05質量%以下、Si:0.1〜3.0質量%、Mn:0.1〜2.0質量%、Cr:13.5〜16.5質量%、Zr:0.15〜1.2質量%、Ni:1.0〜4.0質量%、Al:0.5〜2.0質量%、Cu:0.5〜3.0質量%、B:0.0002〜0.005質量%、N:0.05質量%以下、P:0.005〜0.05質量%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるSが0.005質量%以下に制限されることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。   C: 0.05 mass% or less, Si: 0.1-3.0 mass%, Mn: 0.1-2.0 mass%, Cr: 13.5-16.5 mass%, Zr: 0.15 -1.2 mass%, Ni: 1.0-4.0 mass%, Al: 0.5-2.0 mass%, Cu: 0.5-3.0 mass%, B: 0.0002-0 0.005% by mass, N: 0.05% by mass or less, P: 0.005 to 0.05% by mass, the balance being Fe and inevitable impurities, and S contained as the inevitable impurities being 0.005 Ferritic stainless steel characterized by being limited to mass% or less.
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