JP2760004B2

JP2760004B2 - 加工性に優れた高強度耐熱鋼

Info

Publication number: JP2760004B2
Application number: JP1022032A
Authority: JP
Inventors: 義淳椹木; 信幸丸山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1989-01-30
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: KR920010120B1; DE69018658T2; US5021215A; JPH02200756A; KR900011910A; EP0381121B1; EP0381121A1; DE69018658D1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はおよそ700℃〜1150℃程度の高温環境で優れ
た高温強度特性を有し、かつ、加工性に優れた耐熱鋼に
関するものである。

（従来の技術）化学工業用材料として従来広く使用されているHK40
（25Cr−20Ni耐熱鋳鋼）は、エチレンプラントの分解炉
管や水素製造用の改質炉管等の高温装置用材料としても
用いられているが、遠心鋳造管であるため、細径、薄肉
および長尺の管の製造が難しく、また延性、靱性が低い
などの問題がある。一方、鍛伸管材料としてはAlloy800
H（0.08C−20Cr−32Ni−0.4Ti−0.4Al）が知られている
が、高温強度が不充分である。

近年、特にエチレンブラントにおいては、収率向上の
点より、反応温度の高温下指向が強くなってきており、
分解炉管材料の高温強度特性に対する要求が一段と強く
なっている。

遠心鋳造管では、HK40より高強度を有する材料とし
て、HP、HP−Nb、HP−Nb,W、BST等いくつかの新しい合
金が開発されている。このような材料に相当する鍛伸管
材料としては、ハステロイＸ（0.06C−21Cr−9No−1Co
−残Ni）、インコネル617（0.06C−21Cr−8.5Mo−12Co
−1Al−残Ni）やインコネル625（0.04C−21r−9Mo−3.5
CNb−残Ni）のようなNi基耐熱合金の適用が考えられる
が、高価な元素であるMoやNiを多量に含んでいるため、
経済性や加工性の点で問題がある。

かかる現状にあって、各種の高温機器の反応効率の向
上や作業の安定化のために、高温強度特性に優れ、しか
も小径長尺管の製造が可能な鍛伸管材料の開発が強く望
まれている。

（発明が解決しようとする課題）分解炉管や改質炉管材料は、約700℃から1150℃程度
の極めて高い温度下で使用されるために、高温強度、特
にクリープ破断強度に優れる材料が要求される。このよ
うな環境下では、先に述べたように遠心鋳造管が主に用
いられているが、これは、高温強度が優れかつ、経済性
に優れているからである。しかし、遠心鋳造方では細径
薄肉で長尺の管を製造することは困難で、また遠心鋳造
管そのものも低延性、低靱性という大きな欠点を有して
いる。

上記のような遠心鋳造材料のＣ量はいずれもれ0.4〜
0.5％と高いが、これは、凝固粒界に共晶炭化物を連続
析出させることにより高強度化をはかっているからであ
る。

一方、鍛伸管では、製造途中で共晶炭化物組織が消失
し、最終熱処理時には過剰のＣが未固溶析出物として残
存し、何ら強化に寄与しない。換言すれば、鍛伸管材料
の場合には共晶炭化物による強化は利用できないため、
他の強化方法を考える必要がある。

本発明者らは、先に、粒界強化元素や固溶強化元素利
用により高強度化を図った耐熱鋼鍛伸材を提案した（特
開昭57−23050号公報）。その耐熱鋼は、鍛伸管材料のA
lloy800Hや遠心鋳造管材料のHK40より優れた高温強度を
有し、靱性も良好でかつ、細径薄肉長尺管の製造が可能
なものであるが、さらに高強度化するには固溶強化元素
のMoやＷ量を増加させる必要がある。但し、この場合に
は加工性が劣化すると共に、組織安定性確保のためにNi
量もさらに増加させる必要があり、経済性の点で問題が
ある。

本発明の目的は、高価な強化元素としてのMoやＷ、組
織安定化元素としてのNiを徒に増加させることなく高温
強度の改善をはかり、加工性と経済性に優れる高強度耐
熱鋼を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本願の第１の発明は、下記の高強度耐熱鋼を要旨とす
る。

『重量％で、 C:0.05〜0.30％、 Si:3％以下、 Mn:10％以下、 Cr:15〜35％、 Ni:15〜50％、 Mg:0.001〜0.02％、更に、B:0.001〜0.01％とZr:0.001〜0.10％の中の１種
又は２種、およびTi:0.05〜１％とNb:0.1〜２％とAl:0.05〜１％の
中の１種または２種以上、を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物から成り、不
純物の酸素が50ppm以下、窒素が200ppm以下で、オース
テナイト結晶粒度番号が４以下であることを特徴とする
加工性に優れた高強度耐熱鋼』本願の第２の発明は、上記の合金成分に加えて更に、
Mo:0.05〜３％とW:0.5〜３％の１種または２種（但し、
MoとＷの両者を含む場合はMo＋1/2 W:0.5〜3.0％）を含
有する加工性に優れた高強度耐熱鋼、を要旨とする。

本発明の耐熱鋼は、加工性の改善と経済性の面から、
特に、強化元素として有効なMoやＷの添加を避けるか、
もしくはその添加量を最小限度に抑えながら、不純物で
ある酸素の量を50ppm以下、窒素の量を20ppm以下にそれ
ぞれ制限し、かつオーステナイト結晶粒度をNo.4以下に
限定することにより、約700℃〜1150℃程度の超高温下
における優れた高温強度特性をもたせたものである。

以下、合金成分の種類と含有量ならびにオーステナイ
ト結晶粒度を上記のように定めた理由およびその作用効
果を説明する。

（作用） C:耐熱鋼として必要な引張強さおよびクリープ破断強
度を向上させるのに有効な元素であり、0.05％以上必要
であるが、0.30％を超えると固溶化熱処理時に未固溶炭
化物が残存し、高温強度の改善に寄与しなくなる。さら
に結晶粒の成長も妨げるので0.05〜0.30％が適正含有量
である。

Si:脱酸元素として必要であるが、さらに、耐酸化性
や耐浸炭性の向上にも有効な元素である。しかし、含有
量が３％を越えると加工性、溶接性および組織安定性が
劣化するので３％以下とした。特に耐浸炭性が要求され
る場合には、１％以上のSiを含有させるのがよい。

Mn:脱酸および加工性改善に有効な元素である。ま
た、オーステナイト安定化元素でもあるため、Niの一部
をMnで置きかえることもできる。しかし、過剰に添加す
ると加工性が劣化するので10％以下とした。

Cr:耐酸化性確保のための主要な元素である。少なく
とも15％以上含有させる必要があり、20％以上の含有量
が望ましい。耐酸化性や耐浸炭性の点からCr量が多い程
好ましいが、35％以上になると加工性と組織安定性が劣
化するので15〜35％とした。

Ni:Niは、Cr、Si、Mo、Ｗ等のフェライト生成元素の
添加量に応じて安定したオーステナイト相を得るために
必要な元素である。本発明では経済性も考慮して15〜50
％とした。

Ti、Nb、Al:高温強度、特にクリープ破断強度改善に
有効な元素であり、その効果を充分発揮させるには、Ti
は0.05％以上、Nbは0.1％以上、Alは0.05％以上必要で
ある。但し、１％を超えるTiまたはAl、２％を超えるNb
を含有させても強度改善効果は飽和し、加工性や溶接性
を劣化させるので、Ti:0.05〜１％、Nb:0.1〜２％、Al:
0.05〜１％とした。これらは単独で添加しても、また２
種以上を複合添加してもよい。

Ｂ、Zr:いずれも粒界強化元素として有効である。特
に700℃程度以上の高温域では粒界破壊が支配的になる
ため、これらの元素の添加はその防止に効果を発揮す
る。この効果を得るにはいずれも0.001％以上必要であ
るが過剰添加すると溶接性が劣化するため、B:0.001〜
0.01％、Zr:0.001〜0.10％とした。ＢとZrも、いずれか
一つの添加でも、また、両方の複合添加でもよい。

Mg:加工性改善に有効な元素であるが、クリープ破断
強度の改善にも寄与する。その結果を発揮させるために
は0.00％以上必要であるが、0.02％を超えて含有される
とクリープ破断強度が再び低下するので0.001〜0.02％
とした。

本願の第１発明の鋼は、上記成分の外は不可避不純物
とFeから成る。不可避不純物のうち、Ｐは0.015％以
下、Ｓは0.003％以下とするのが望ましい。

不純物の中で、特に酸素と酸素の含有量を抑えること
が必要である。酸素含有量の低減はクリープ破断強度お
よびクリープ破断延性の改善に極めて有効である。後述
の実施例で明らかにするとおり、酸素含有量を50ppm以
下に制限することにより上記の性質が飛躍的に改善され
る。クリープ破断試験後の組織観察から判断すると、低
酸素化することにより粒界亀裂が激減しており、粒界が
強化されているものと考えられる。

窒素は、この種の鋼には通常250〜400ppm程度含有さ
れているが、これを200ppm以下におさえることによって
クリープ破断強度を延性が大幅に改善される。これは、
本発明の鋼では強化元素としてTi、Nb、Alが含有されて
いるが、上記のように低窒素化することにより、介在物
として結合するTi、Nb、Alの量が減少し、強化に有効な
Ti、Nb、Alの量が増えることに起因していると考えられ
る。窒素含有量は150ppm以下に抑えるのが一層望まし
い。

本願の第２の発明の鋼は、更にMoまたは／およびＷを
含有する。

MoとＷは、いずれも固溶強化元素として高温強度向上
に有効であり、その効果を発揮させるためには少なくと
も0.5％以上必要である。高温強度の点からは添加量が
多い程望ましいが、これらの添加によって加工性が損な
われるとともに、オーステナイト相を安定させるための
Ni添加量の増加も余儀なくされ、経済性の点で不利にな
る。従って本発明ではMoは0.5〜３％、Ｗは0.5〜６％と
し複合添加の場合はMo＋1/2Wで0.5〜３％とした。

この種の耐熱鋼の700℃以上の高温下でのクリープ破
断は粒界破壊が支配的になる。従って、クリープ破断強
度を向上させるには、オーステナイト粒を粗粒化するこ
とが望ましい。多数の試験結果から、オーステイナイト
結晶粒度をNo.4（ASTM粒度No.による）以下とれば、上
記の化学組成と相俟って充分な高温強度が得られること
が確認された。

なお、本発明鋼のオーステナイト結晶粒度の調整は、
例えば、溶体化処理温度を変える等の方法で行うことが
できる。

（実施例）供試材の化学成分を第１表に示す。No.A〜Ｔが本発明
鋼であり、No.1〜18は本発明範囲外の比較鋼である。こ
れらはいずれも17kg真空溶解炉で溶製し、鋳造、冷間圧
延の後、溶体化処理を施した。溶体化処理は結晶粒度N
o.が４以下となる温度で行った。但し、No.Aについて
は、結晶粒度No.4以下と４以上になるように変化させ
た。

上記の供試材について1000℃、2.0kgf/mm²にてクリー
プ破断試験を行った。結果を第２表および第１図に示
す。（図中の記号は、第１表の記号に対応する。）第１図は、３種の成分系について、クリープ破断時間
およびクリープ破断伸びと酸素含有量との関係を示した
ものである。この図から、酸素含有量が50ppm以下の本
発明鋼は、50ppmを超える比較鋼に比べて、破断時間お
よび破断延性が大巾に改善されていることがわかる。酸
素含有量の低減効果は、他の成分系（本発明鋼:L〜Ｒ、
比較鋼:9〜15）についても明らかであった。

第２図は、クリープ破断時間およびクリープ破断伸び
と窒素量との関係を示す図である。なお、同図中に、N
o.Aの鋼における結晶粒度とクリープ破断時間との関係
をも併記している。この図から、窒素を200ppm以下とす
ることによりクリープ破断時間および破断延性が顕著に
改善されること、ならびに結晶粒度No.を４以下にする
ことによってクリープ破断時間が長くなることがよくわ
かる。

第３図は、Mg添加によるクリープ破断寿命改善の効果
を示したものである。図示のとおり、Mgの含有量が0.00
1％以上の範囲でクリープ破断寿命が改善される。Mg量
が0.001〜0.02％の範囲ではMg量による破断寿命の差は
小さく、0.02％を超えると再び寿命が短くなっている。

第３表は、本発明鋼と比較鋼の加工性評価を行った結
果である。熱間加工性の評価には、17kg真空溶解インゴ
ットから切り出した試験片（10mmφ×130mm丸棒）を用
いてグリーブル試験（1200℃、歪速度5/秒）を行い、冷
間加工性は、冷間圧延後に溶体化した試験片（6mmφ、
標点間距離30mm）を用いて室温での引張破断伸びで評価
した。

第３表の結果から、本発明鋼の熱間および冷間の加工
性は、比較鋼をはるかに凌ぐことが明らかである。

（発明の効果）本発明によれば、高価な強化元素としてのMoやＷ、或
いは組織安定化元素としてのNiの量を最小限度に抑えな
がら、高温強度、特にクリープ破断強度および破断延性
の改善された耐熱鋼が得られる。この耐熱鋼は加工性を
経済性に優れ、化学プラント用の高強度耐熱材料として
実用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋼中の酸素含有量と1000℃、2.0kgf/mm²での
クリープ破断時間および破断伸びとの関係を示す図であ
る。第２図は、第１図と同じ条件下での鋼中の窒素含有量お
よび結晶粒度と、クリープ破断時間および破断伸びとの
関係を示す図である。第３図は、第１図と同じ条件下での鋼中のMg含有量とク
リープ破断時間との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−23050（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−23855（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−155653（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−6257（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−29962（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、C:0.05〜0.30％、Si:3％以下、
Mn:10％以下、Cr:15〜35％、Ni:15〜50％、Mg:0.001〜
0.02％、更に、B:0.001〜0.01％とZr:0.001〜0.10％の
中の１種又は２種、およびTi:0.05〜１％とNb:0.1〜２
％とAl:0.05〜１％の中の１種または２種以上を含有
し、残部はFeおよび不可避的不純物から成り、不純物の
酸素が50ppm以下、窒素が200ppm以下で、オーステナイ
ト結晶粒度番号が４以下であることを特徴とする加工性
に優れた高強度耐熱鋼。
【請求項２】重量％で、C:0.05〜0.30％、Si:3％以下、
Mn:10％以下、Cr:15〜35％、Ni:15〜50％、Mg:0.001〜
0.02％、更に、B:0.001〜0.01％とZr:0.001〜0.10％の
中の１種又は２種、Ti:0.05〜１％とNb:0.1〜２％とAl:
0.05〜１％の中の１種または２種以上、およびMo:0.5〜
3.0％とW:0.5〜6.0％の１種または２種（但し、MoとＷ
の両者を含む場合はMo＋1/2 W:0.5〜3.0％）を含有し、
残部はFeおよび不可避的不純物から成り、不純物の酸素
が50ppm以下、窒素が200ppm以下で、オーステナイト結
晶粒度番号が４以下であることを特徴とする加工性に優
れた高強度耐熱鋼。