JP2510206B2 - Si含有量の少ない高強度オ−ステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Si含有量の少ない高強度オ−ステナイト系耐熱鋼

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JP2510206B2 JP62165388A JP16538887A JP2510206B2 JP 2510206 B2 JP2510206 B2 JP 2510206B2 JP 62165388 A JP62165388 A JP 62165388A JP 16538887 A JP16538887 A JP 16538887A JP 2510206 B2 JP2510206 B2 JP 2510206B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は高温度で高強度を有する耐熱鋼に係るもの
で、石油及び石炭を燃料とする化学工業用容器材料、熱
交換器材料、ボイラチューブや高速炉等の高温部材料に
関するものである。
[従来の技術及び発明が解決しょうとする問題点] 近年、エネルギー資源の多元化、省資源、省エネルギ
ーの観点から設備の高温高圧操業、耐用年数の見直し等
が図られている。この為、従来から用いられているSUS3
04,310,321,347等の圧延材やHK,HP等の鋳造材について
高温強度に課題が生じてきた。これらの課題を解決すべ
く各方面で活発な材料開発研究が進められてきている。
この種の材料は、例えば特公昭62−6634などにおいて炭
窒化物形成元素を含有させたり、また特願昭62−13321
などにおいてMoやWの固溶強化元素を添加する等の手段
により高温強度の高強度化が提案されている。また特公
昭55−28307,Metal Construction and British Welding
Journal,February(s),(1969),P93−97,Transact
ion of JWRI Vol.6,No.1(1977),P105−116などにおい
て耐溶接割性の改善等が提案されている。しかしなが
ら、高温強度のより一層の向上が要望されている。
[問題点を解決するための手段] 本発明者等はかゝる実情に鑑み耐熱材料の高温強度を
支配する要因のなんたるかを詳細に検討し、従来、鋼の
脱酸剤として添加されてきたSiが限界量以上添加される
と高温強度を著しく低下させることを知見した。
又、Si含有量は鋼中のCr,Mo,W及びNb含有量との関連
からその総量が規制されることを見出して本発明をなし
たものである。すなわち本発明は (1)重量%で C:0.02〜0.15%, Si:0.15%以下, Mn:1.50%以下, Cr:17.0〜26.0%, Cr+60Si:29.0%以下, Ni:15.0〜40.0%, Mo及びWの1種又は2種を Mo:3.0%以下, W:6.0%以下, Mo+1/2W:0.3〜4.0%, Mo+1/2W+60Si:10.0%以下, B:0.001〜0.01%, Nb及びTiの1種又は2種を Nb:0.5%以下, Ti:0.2%以下, Nb+Ti:0.10〜0.50%, Nb+10Si:1.80%以下, N:0.03〜0.23%, を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなることを
特徴とするSi含有量の少ない高強度オーステナイト系耐
熱鋼。
(2)重量%で C:0.02〜0.15%, Si:0.15%以下, Mn:1.50%以下, Cr:17.0〜26.0%, Cr+60Si:29.0%以下, Ni:15.0〜40.0%, Mo及びWの1種又は2種を Mo:3.0%以下, W:6.0%以下, Mo+1/2W:0.3〜4.0%, Mo+1/2W+60Si:10.0%以下, B:0.001〜0.01%, Nb及びTiの1種又は2種を Nb:0.5%以下, Ti:0.2%以下, Nb+Ti:0.10〜0.50%, Nb+10Si:1.80%以下, N:0.03〜0.23%, を含有し、さらに第二元素としてZr,Al,Ca,Mg,Y,希土類
元素の1種又は2種以上を Zr:0.1%以下, Al:0.1%以下, Ca:0.05%以下, Mg:0.05%以下, Y:0.05%以下, 希土類元素:0.05%以下, 第二元素の総和:0.15%以下, を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなることを
特徴とするSi含有量の少ない高強度オーステナイト系耐
熱鋼である。
[作用] 以下に本発明を詳細に説明する。
本発明はSi,Cr,Mo,Nbの高温強度に及ぼす影響を詳細
に調査して得られた知見に基づいている。対象に用いた
材料はSUS304,310,321,347,NCF800Hで、耐熱鋼として最
も一般的な鋼である。すなわち、Cは固溶強化及び炭化
物析出強化により高温強度を保持するために下限を0.02
%として添加する。一方Cを0.15%を越えて含有させる
と初析の炭化物が粒界に析出し、熱間での加工性を著し
く害するためにその上限を0.15%とする。
Siは鋼の脱酸用に約0.5%添加されるのが通常である
が、本発明者等の詳細な研究により、第1図に示すよう
に0.15%を越えて鋼中に含有されるとクリープ強度を著
しく低下させることがわかった。このため、鋼中に添加
される微量のSiを制限し、上限を0.15%とする。また、
第2図、第3図、第4図に示す様にCr+60Siが30.0%,M
o+1/2W+60Siが10.0%,Nb+10Siが1.80%を越えると、
SiがCr,Mo,W,Nbとの金属間化合物を生成し、クリープ強
度を著しく低下させる。このため、本発明鋼では鋼中の
Cr,Mo,W,及びNbをSiとの関係で上式のように制限する必
要がある。
Mnはγ相安定化のため及び鋼中のSを固定させ熱間加
工性を向上させることから添加するが、過剰の添加はク
リープ速度を増加させ高温強度を低下させる。従ってγ
相の安定化及び熱間加工性の面から必要最小限量とし、
上限を1.5%に限定する。なお、クリープ強度の面から
は低い方がより好ましく、0.01〜0.40%の範囲が好まし
い。
Crは高温での耐酸化性を向上させるために17.0%以上
添加する。しかしながら、Crが過剰に添加されるとSi量
との関係でσ相が生成されることから26.0%を上限とす
る。
Niはγ相の安定化、σ相析出の防止によりクリープ強
度を向上させるために15.0%以上添加する。しかしなが
ら、Niの過剰の添加は相制御及び高温強度に及ぼす寄与
の割合が低く、熱間加工性の低下、さらには価格の増加
の点での不利も大きいために上限を40.0%とする。な
お、高温強度に対する寄与及び工業的見地からNiは18.0
〜33.0%の範囲が特に好ましい。
Mo及びWは固溶化のためにMo+1/2Wの下限を0.3%と
して添加する。Mo及び1/2Wがそれぞれ単独で3.0%を越
えて添加されると、Laves相が析出し易くクリープ強度
を低下する。このため、Moおよび1/2Wのそれぞれの上限
を3.0%に限定した。又Mo+1/2W量の上限も同様の理由
で4.0%に限定した。
Bは粒界強度を高める結果クリープ強度の向上に顕著
な効果を示す元素であるが、0.001%未満ではほとんど
効果がなく、また、0.01%を越えて添加すると硼化物を
形成するようになり熱間加工性、溶接性等を阻害するの
で上限を0.01%に限定する。Nb及びTiはそれぞれ炭化
物、窒化物生成元素であり、それらを微細に析出するこ
と及びそれらを核としてCr23C6が生成し、微細分散する
ために長時間使用中の炭窒化物の粗大化を抑制し、クリ
ープ強度を顕著に向上させる。しかしながらその量はNb
+Tiが0.10%未満では強化作用がなく、その下限を0.10
%として添加する。Nb及びTiがそれぞれ単独で0.5%及
び0.2%以上添加されると粗大な炭窒化物を形成し、強
度への寄与が減じられる。このためNb及びTiの上限をそ
れぞれ0.5%および0.2%に限定した。又同様の理由から
Nb+Tiの上限を0.5%に限定した。
Nは固溶及び析出によりクリープ強度を向上させる。
このため下限を0.03%として添加する。しかしNを過剰
に添加すると粗大な初析の窒化物が析出し熱間加工性、
靭性等を著しく低下させるため上限を0.23%に限定し
た。なおNは0.05〜0.15%の範囲が特に好ましい。
以上に示した基本組成を持つ本発明鋼に、さらに熱間
加工性を改善し、製造性を容易にするために第二元素す
なわちZr,Al,Ca,Mg,Y,希土類元素の1種又は2種以上を
Zr:0.1%以下、Al:0.1%以下、Ca:0.05%以下、Mg:0.05
%以下、Y:0.05%以下、希土類元素:0.05%以下を含有
することが出来る。これらの元素は本発明鋼を脱酸脱硫
すると同時にO及びSの粒界偏析を減少させることによ
って熱間加工性を向上させるために含有せしめることが
出来るものである。しかし過剰の添加はNiと金属間化合
物を生成し、かえって熱間加工性を劣化させる。このた
めZr,Al,Ca,Mg,Y,希土類元素の1種又は2種以上をZr:
0.1%以下、Al:0.1%以下、Ca:0.05%以下、Mg:0.05%
以下、Y:0.05%以下、希土類元素:0.05%以下をそれぞ
れ上限とし、さらに第二元素の総和を0.15%以下としな
ければならない。
なお、不可避的不純物として本発明鋼に含有されるP
及びSについては、Pは0.003%以下及びSは0.002%以
下になると熱間加工性の面から製造性は著しく改善する
が、P:0.035%以下、S:0.010%以下であっても通常の工
程における製造には支障ない。工業的にはPは約0.010
〜0.035%の範囲、Sは0.005%以下で製造するのが好ま
しい。
又、本発明鋼は真空溶解、大気溶解、VAR再溶解、ESR
再溶解等いずれの溶解法にても製造し得るものであり、
普通造塊又は連続鋳造にて鋼塊を製造し、通常の熱間加
工(鍛造、圧延、熱押、造管)により板、管、棒に製造
出来る。製品に加工後1300℃以下の熱処理により固溶化
と結晶粒の調整(10〜200μm)を行なうことが望まし
い。又冷間加工によっても本発明鋼は製造出来る。この
ようにして得られる本発明鋼は750℃×10.0kgf/mm2のク
リープ破断時間が5500時間以上という優れた性質を有す
るものである。
以下実施例により本発明鋼の効果をさらに具体的に説
明する。
[実施例] 以下に電気炉にて溶製し、15mmに圧延した後1250℃に
て固溶化熱処理後、750℃,10kgf/mm2の応力下でクリー
プ破断時間を求めた鋼の実施例にて、本発明鋼を詳細に
説明する。
第1表は本発明鋼の上限、中間、下限成分に属する鋼
1〜11と比較鋼のC1〜C14についてSi,Cr,Mo+1/2W,Nbの
クリープ破断寿命におよぼす効果を示す。C4はSi,Mo+1
/2W+60Si及びNb+10Siが本発明の範囲内にあるが、Cr
+60Siが高いためにクリープの長時間側でσ相が析出
し、破断寿命は本発明鋼に比べ劣っている。又、C5はNb
+10Siが本発明の範囲にあるが、Si,Cr+60SiおよびMo
+1/2W+60Siが高いため、C4鋼と同様にクリープの長時
間側でσ相及びμ相が析出し、破断寿命は本発明鋼に比
べ劣っている。C12はSi,Nb+10Siが本発明の範囲にある
が、Cr+60Si,Mo+1/2W+60Siが高く、破断寿命は本発
明鋼に比べ劣っている。C13はSi,Mo+1/2W+60Si,Nb+1
0Siが本発明の範囲にあるが、Cr及びCr+60Siが高く、
破断寿命は本発明鋼に比べ劣っている。その他の比較鋼
はいずれもSi,Cr+60Si,Mo+1/2W+60SiおよびNb+10Si
量が本発明の範囲外にあり、クリープ破断寿命が短く本
発明鋼より劣っている。
第2表Zr,Al,Ca,Mg,Y,希土類元素を含む鋼の実施例を
示す。12〜15はそれぞれZr,Al,Ca,Mg,Y,希土類元素が本
発明鋼組成の上限、中間にある鋼を示す。またC15〜18
は本発明1に属するそれぞれの鋼へZr,Al,Ca,Mg,Y,希土
類元素が本発明鋼組成の上限を越えて添加された比較鋼
を示す。比較鋼はいずれもクリープ破断寿命が短く本発
明鋼より劣っている。又Si,Cr+60Si,Mo+1/2W+60Si及
びNb+10Siが本発明の範囲外にある鋼へZr,Al,Ca,Mg,Y,
希土類元素を過剰に添加した場合においてもクリープ破
断寿命は本発明鋼より劣る。
第3表はC,Mn,Cr,Ni,Mo+1/2W,Nb,Ti,Nb+Ti,B,Nが本
発明鋼の化学成分範囲の下限に満たない鋼及び上限を越
える鋼のクリープ破断寿命を示す。第1表との比較にお
いて、下限に満たない鋼C19〜C23はいずれもクリープ破
断寿命が短かく本発明鋼より劣っている。又上限を越え
る鋼C24〜C29はクリープ破断寿命が本発明鋼と同等また
はそれ以下で、かつ熱間加工性も悪 く、上述した製造性や経済性を考慮すると本発明鋼より
劣っている。
[発明の効果] 以上本発明鋼は比較鋼に比しクリープ破断寿命に優れ
ており、材料の供給性、その特性において当該分野の産
業に貢献する効果は顕著である。
【図面の簡単な説明】 第1図は750℃,10kgf/mm2のクリープ破断時間とSiの関
係を示す図。第2図は750℃,10kgf/mm2のクリープ破断
時間とSi,Crの関係を示す図。第3図は750℃,10kgf/mm2
のクリープ破断時間とSi,Mo+1/2Wの関係を示す図。第
4図は750℃,10kgf/mm2のクリープ破断時間とSi,Nbの関
係を示す図。 である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で C:0.02〜0.15%, Si:0.15%以下, Mn:1.50%以下, Cr:17.0〜26.0%, Cr+60Si:29.0%以下, Ni:15.0〜40.0%, Mo及びWの1種又は2種を Mo:3.0%以下 W:6.0%以下, Mo+1/2W:0.3〜4.0%, Mo+1/2W+60Si:10.0%以下, B:0.001〜0.01%, Nb及びTiの1種又は2種を Nb:0.5%以下, Ti:0.2%以下, Nb+Ti:0.10〜0.5%, Nb+10Si:1.80%以下, N:0.03〜0.23%, を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなることを
    特徴とするSi含有量の少ない高強度オーステナイト系耐
    熱鋼。
  2. 【請求項2】重量%で C:0.02〜0.15% Si:0.15%以下, Mn:1.50%以下, Cr:17.0〜26.0%, Cr+60Si:29.0%以下 Ni:15.0〜40.0%, Mo及びWの1種又は2種を Mo:3.0%以下, W:6.0%以下, Mo+1/2W:0.3〜4.0%, Mo+1/2W+60Si:10.0%以下, B:0.001〜0.01%, Nb及びTiの1種又は2種を Nb:0.5%以下, Ti:0.2%以下, Nb+Ti:0.10〜0.50%, Nb+10Si:1.80%以下, N:0.03〜0.23%, を含有し、さらに第二元素としてZr,Al,Ca,Mg,Y,希土類
    元素の1種又は2種以上を Zr:0.1%以下, Al:0.1%以下, Ca:0.05%以下, Mg:0.05%以下, Y:0.05%以下, 希土類元素:0.05%以下, 第二元素の総和:0.15%以下, を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなることを
    特徴とするSi含有量の少ない高強度オーステナイト系耐
    熱鋼。
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