JP2970955B2 - 耐カッパーチェッキング性に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼 - Google Patents
耐カッパーチェッキング性に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼Info
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Description
く、熱間加工の際のカッパーチェッキングのない高クロ
ムフェライト系耐熱鋼であって、ボイラ、原子力、化学
工業等の広い産業分野で高温耐熱、耐圧部材、例えば鋼
管、圧力容器用鋼板、タービン用材料として使用される
高クロムフェライト系耐熱鋼に関する。
熱耐圧部材に使用される耐熱鋼には、高温強度、耐食・
耐酸化性、靱性が必要とされるとともに加工性、溶接性
に優れ、さらに安価で経済性に優れていることが要求さ
れる。これらの用途に用いられる材料としては、JIS の
SUS 321 H 、SUS 347 H 鋼などのオーステナイトステン
レス鋼、2・1/4 Cr−1Mo鋼などの低合金鋼、9〜12Cr
系の高クロムフェライト鋼がある。中でも高クロムフェ
ライト鋼は 500〜650 ℃の温度において、強度、耐食性
の点で低合金鋼より優れ、またオーステナイトステンレ
ス鋼に比べて安価であるばかりでなく熱伝導度が高く熱
膨張係数が小さいことから耐熱疲労特性に優れ、スケー
ルの剥離を起こしにくいこと、応力腐食割れを起こさな
いこと等の利点がある。
9Cr−1Mo鋼 (JIS STBA26) 、改良9Cr−1Mo鋼(ASTM
SA213 T91)および12Cr−1Mo鋼(DIN X20CrMoV121) など
が著名である。さらに、高温強度を改善する目的でMo、
W,V、Nb、N等を複合添加した鋼として、特公昭57−
36341 号、特公昭62−8502号、特公昭62−12304 号、特
開昭59−211553号、特開昭61−110753号、特開昭62−29
7435号、特開平2−310340号等の公報に種々の組成が提
案されている。
化性の改善にCu添加が有効であることを見出し、Cuを含
有する新しい組成の高クロム耐熱鋼を提案した (特開平
2−232345号公報、特開平3−97832 号公報) 。このCu
添加は、Cr添加量の増量により生成するδ−フェライト
を抑制する効果もあるから、従来この目的で使用されて
いたNiの添加量を減らすことができ、Niによる鋼の熱伝
導度の低下を避け、価格の上昇を抑制するという効果も
ある。また、高クロムフェライト鋼の溶接継手部に生成
するδ−フェライトを抑制し、溶接継手の靱性改善の点
からも有効であるとの報告(材料とプロセス、4巻、3
号 (1991)p.884)があり、このようなCuの作用を利用し
て溶接部靱性を改善した耐熱鋼が特開平2−294452号公
報に提案されている。
上のCrを含む高クロム耐熱鋼については相当の改良が見
られるが、これまでに提案された組成では鋼の靱性、組
織安定性、加工性、溶接性に関してなお次のような課題
が残されている。
量を低くした場合、母材もしくは溶接部に多量のδ−フ
ェライトが生成し、靱性および高温強度が損なわれる。
加すると熱伝導率が小さくなり、また、経済性が損なわ
れるだけでなく、高温使用中に炭化物の粗大化が加速さ
れ高温クリープ強度が低下する。
公報に示したように、δ−フェライトの抑制のためにCu
を添加する場合、加工性の観点から微量のMgを複合添加
するのが有効であるが、Mgは溶解時の歩留りが悪く、製
鋼技術上の難しさがある。
微量Mgの添加に代えて、特開平3−97832 号公報で本発
明者らが提案したように微量のδ−フェライトを残存さ
せる方法があるが、このようにδ−フェライトが残存し
た鋼は靱性が特に溶接部において低くなるという難点が
ある。
Cu相が粒界析出し加工中に割れを生ずるカッパーチェッ
キングと呼ばれる現象が見られる。このカッパーチェッ
キングを防ぐため、低合金鋼ではCuを添加する場合には
Cu量の半分以上 (重量%で)のNiを添加するという対策
をとるが、高クロム鋼では上記(2) の問題が残る。
的に解決することを課題としてなされたものである。
の組成をもち、耐カッパーチェッキング性にも優れた高
クロムフェライト系耐熱鋼を要旨とする。
不純物からなり、上記CuとNiの含有量が 2.5≦Cu%/Ni%≦4.5 ・・・(a) の関係を満足する組成。
0.02重量%のBを含有し、同じくCuとNiの含有量が上記
(a)式の関係を満足する組成。
0.01〜0.2 重量%のLa、Ce、Ca、Y、Ti、ZrおよびTaの
中の1種以上を含有し、CuとNiの含有量が上記(a)式
の関係を満足する組成。
0.02重量%のBと、それぞれ0.01〜0.2 重量%のLa、C
e、Ca、Y、Ti、ZrおよびTaの中の1種以上を含有し、
同じくCuとNiの含有量が上記(a)式の関係を満足する
組成。
の種類およびその含有量の適切な選択組合せによって、
耐食、耐酸化性はもとより、高温強度、母材および溶接
継手の靱性等の基本的性質に優れ、しかもカッパーチェ
ッキングを起こしにくいという極めてすぐれた特性を有
するのであるが、特に主要な特徴を掲げると次のとおり
である。
トを抑制する目的でCuを活用して母材と溶接継手の靱性
を高めるとともに、カッパーチェッキングを防止する簡
便な技術として経済性、強度などの利点を損なわない程
度の微量のNiを複合添加したこと。
添加せず、W単独添加によって高温強度を高めたこと。
このWにはカッパーチェッキングの抑制効果もある。
チェッキングを防止するためのNiの添加量は、従来の低
合金鋼における常識的な添加量に較べて極めて少ない量
とし、CuとNiの含有量の重量比において前記(a)式の
関係で規定したこと。なお、従来の低合金鋼ではCu%/
Ni%≦2とするのが常識であった。
界析出する低融点のCu相に起因する。従来の研究では、
Niが多量に添加されればCu−Ni全率固溶体として融点の
高いCu−Ni相になるから粒界の強度が高まりカッパーチ
ェッキング起きなくなると言われている。しかしなが
ら、その目的を達するためにはCu%/Ni%≦2、即ち、
NiをCuの 1/2以上添加することが必要とされている。例
えば、前述の特公昭62−12304 号公報の鋼では 0.4〜1.
5 %のCuと 0.3〜1.5 %のNiを添加するとしているもの
の、この鋼は 0.5〜2%のMoの添加を必須とする高Mo−
低W鋼である。したがって、同公報の実施例に示される
鋼の殆どはCuと同量程度のNiを含有している。また、特
開平2−294452号公報に提案される鋼もMoを必須とする
もので、カッパーチェッキングについての配慮は何らな
されていない。
能な限り防止するという観点からMoを使用せずWの単独
添加とした。こうしてδ−フェライト生成を抑えれば、
δ−フェライトとマルテンサイトとの境界にCu相が析出
するのを防止することができる。また、W自身に粒界や
スケールと母相との界面へのCu相の析出を抑制する作用
があることも新たに見出された。
に、上記のようにMo添加をやめてWを 0.8%以上含有さ
せた場合には、熱間加工性改善のためのMgの添加は不必
要である。しかもδ−フェライトを含まない鋼において
は、Cu%/Ni%の比が 2.5〜4.5 であってもカッパーチ
ェッキングは起こらず熱間加工性に問題がなくなる。
でよいことが本発明鋼の大きな特徴の一つである。
と含有量の限定理由を詳細に説明する。
を形成し、高温強度に寄与するとともに、それ自身がオ
ーステナイト安定化元素として組織を安定化する。Cが
0.03%未満の場合は炭化物の析出量が少なく、またδ−
フェライトが生成して強度と靱性を損なう。一方、0.15
%を超える場合には、鋼が硬化して溶接性、加工性が悪
くなる。したがって、Cの含有量は0.03〜0.15%が適正
範囲であり、そのなかでも好ましいのは0.06〜0.13%で
ある。
ために不可欠な元素であり、含有量が8%未満では高Cr
鋼として十分な耐酸化性、高温耐食性が得られない。一
方、14%を超えるとδ−フェライト量の増加により強
度、加工性、靱性が損なわれる。したがってCrの含有量
量は8〜14%とした。好ましくは9〜12%である。
蒸気酸化特性を高める元素であるが、その含有量が 0.7
%を超えると靱性が著しく低下し、クリープ強度に対し
ても有害である。特に厚肉材料では長時間加熱の際の脆
化を抑制するためにも低く抑える方がよい。
安定化にも有効である。0.1 %未満では十分な効果が得
られず、 1.5%を超えると鋼を硬化させ、加工性、溶接
性を損なう。よってMnの含有量は 0.1〜1.5 %とする。
フェライトの生成を抑制し、マルテンサイト組織を安定
にする。また、前述のように、カッパーチェッキングを
防止する作用をもつ。これらの効果は0.05%未満では得
られない。一方、Niの多量添加は材料コストを上げ経済
性の点からも不利である。しかも、Niの多量添加は鋼の
変態点を著しく下げて十分な焼もどし処理を行う上で支
障をきたすだけでなくクリープ強度を低下させる。即
ち、高クロムフェライト系耐熱鋼においては、Niの添加
は必要最小限度に抑えることが望ましい。これらの点を
考慮して、本発明ではNi含有量の範囲を0.05〜1%とし
た。好ましくは 0.1〜0.8 %、より好ましくは 0.1〜0.
6 %である。
強化および微細炭窒化物の析出強化元素としてクリープ
強度の向上に有効である。Moにも同様の効果があり、通
常、Moと併用されることが多いが、本発明ではMoを添加
せず、Wのみで強化する。その理由は、Moはδ−フェラ
イトの生成を促進する傾向が強く、その結果、δ−フェ
ライトとマルテンサイトの境界にCu相が析出して加工性
および強度を損なうこと、ならびに、特に溶接熱影響部
にδ−フェライトを生成させやすく靱性を損なうためで
ある。一方、Wは、Moに比較してδ−フェライト生成傾
向が小さく、前述のようにカッパーチェッキング防止す
る上で効果が大きい。強度の点からはWは通常重量比で
Moの2倍量を添加しなければならず、経済性の点からや
や不利であるが、上記の効果を勘案すれば長所の方が大
きく、高温強度の点からもMoよりも長時間強度を高める
作用が大きい。したがって、Moを添加しないでWを使用
しても十分経済性は保たれる。
ず、 3.5%を超えるとδ−フェライトを生成し、鋼が硬
化して靱性、加工性を損なう。従って、Wの適正含有量
は 0.8〜3.5 %であり、その範囲でも好ましいのは 1.5
〜2.5 %である。
(C、N)を析出して強度の向上に寄与する。特にNを
多量添加した場合はクリープ強度に有効なVN主体の析
出物をつくる。 0.1%未満では十分な効果が得られず、
0.3%を超える場合は固溶V量が増加してかえって強度
を損なう。よってV添加量は 0.1〜0.3 %とする。好ま
しくは0.15〜0.25%である。
N)の微細析出物を形成しクリープ強度の向上に寄与す
る。この析出物は短時間クリープ強度の向上に有効であ
る。また、焼ならし中のオーステナイト粒の微細化に寄
与し、靱性を向上させる。0.01%未満では上記の効果は
得られず、 0.2%を超える場合には焼ならし中の未固溶
Nb(C、N)が増え、強度と溶接性を損なうとともにク
リープ中に微細析出物が凝集粗大化し、クリープ強度が
低下する。好ましくは0.03〜0.1 %、より好ましくは0.
03〜0.08%である。
量が0.05%を超える場合にはクリープ強度を損なう。好
ましい含有量は 0.005〜0.025 %である。
クリープ強度の向上に寄与する。高クロムフェライト鋼
では、特にVNを安定に分散析出させ、長時間クリープ
強度に寄与する。 0.001%未満では上記の効果が得られ
ず、 0.1%を超える場合は溶接性、加工性を損なう。好
ましい含有量は0.02〜0.07%である。
は、高温での耐酸化性の改善、Niに代わる安価なオ
ーステナイト生成元素としてδ−フェライトの生成を抑
制し、強度と靱性を改善、Niに比べ Ac1点を低下させ
る作用が小さく、クリープ強度を低下させないので多量
添加が可能、溶接熱影響部の軟化層形成を防止し、溶
接継手の強度を改善する、という効果がある。
い。一方、Cuが 3.5%を超える場合には粒界でのCu相の
析出が多くなり延性、高温強度、溶接性および加工性を
損なう。よってCuの添加量は 0.4〜3.5 %とする。好ま
しいCuの含有量は 0.7〜2%である。
で、NiとCuは前記(a)の式を満足しなければならな
い。即ち、2.5 ≦Cu%/Ni%≦4.5 となるように調整す
る。
添加する場合は、従来Cu/Ni≦2.0とするのが通例であ
ったが、本発明者の数多くの試験結果から、本発明鋼の
合金系では 2.5≦Cu/Ni≦4.5 であればカッパーチェッ
キングの懸念なく、即ち、十分な加工性を保ちつつCuを
添加できることが明らかになった。言い換えると、多量
にCuを添加しても微量のNi添加によってカッパーチェッ
キングを防止できることが判明した。これは、加工性改
善のためにMgを添加する方法に比べて安価で技術的に容
易であり、微量δ−フェライトを共存させる方法に比べ
れば、鋼の靱性確保において格段に優れ、厚肉部材への
適用に有効である。
量のNi添加による材料コストの上昇、クリープ強度の低
下および Ac1点の低下による焼もどし処理、軟化処理の
不具合を招く。Cu%/Ni%>4.5 では熱間加工中のカッ
パーチェッキングの防止が確実でなく、また、クリープ
延性を損ない強度上も好ましくない。望ましいのは前記
(a)の範囲内でも特にCu%/Ni%の比を3〜4の範囲
にすることである。
Taの中の1種以上の元素は、本発明合金に必要に応じ添
加することができる成分である。
せ、安定化させて鋼の強度を向上させるのに有効であ
る。0.0001%未満の含有量ではその効果が小さく、0.02
%を超える場合は加工性、溶接性を損なう。よってBを
添加する場合はその含有量は0.0001〜0.02%とする。
の元素は鋼中のP、S、O(酸素)などの有害不純物元
素を固定して安定化する作用をもつ元素、即ち、非金属
介在物の形態制御元素である。少なくとも1種をそれぞ
れの元素につき0.01%以上添加することで上記の効果が
得られるが、 0.2%を超えると溶解時の介在物が増加し
靱性、加工性、強度を損なう。従って、これらの元素を
添加する場合は、含有量は各々につき0.01〜0.2 %とす
る。これらの元素は、上記のBと併用してもよい。
代表的なものはP、SおよびOである。Pは 0.025%以
下、Sは 0.015%以下、Oは 0.005%以下とし、できる
だけ少なく抑えるのが望ましい。そうすることにより靱
性、加工性、強度、溶接性を改善できる。
し処理を行い、δ−フェライトを含まない焼もどしマル
テンサイト単相組織として用いる。但し、延性を重視す
る場合には、焼なまし処理によりα−フェライト+炭窒
化物組織として用いてもよい。通例、焼ならし又は焼な
まし温度は1000〜1200℃、好ましくは1030〜1100℃であ
る。焼ならし後の焼もどし処理は 750〜 830℃、ただ
し、 Ac1点が 830℃以下の場合は、750 ℃〜Ac1 温度が
好ましい。焼もどし処理が不十分な場合、長時間クリー
プ強度の低下が起こりやすい。安定なクリープ特性の観
点からは常温引張強さが65〜80kgf/mm2 となるように熱
処理することが好ましい。
50kg真空溶解炉で溶解し、インゴットを1150〜950 ℃で
鍛造して厚さ20mmの板とした。
(火)STBA27(火力原子力発電技術協会規格) 、A3鋼はA
STM A213 T91 、A4鋼はDIN X20 CrMoWV121 で、い
ずれも既存の代表的な高クロムフェライト鋼である。A
5〜A9鋼およびA11とA12鋼はMoを含み、Cu%/Ni%
の比が前記(a)式を満足していない比較鋼、A10鋼は
Cu%/Ni%の比は(a)式を満足するがW量が少ない比
較鋼である。表1(2) のB1〜B15鋼が本発明鋼であ
る。
50℃×1h空冷後、 750℃×1h空冷の焼ならし−焼も
どし処理をした。A3〜A12鋼、B1〜B15鋼は1050℃
×1h空冷後、 770℃×3h空冷の焼ならし−焼もどし
処理を行った。
よび650℃において試験を行った。
張試験片を用い、 650℃で最長10000h程度の試験を行
った。シャルピー衝撃試験はJIS 4号(10mm×10mm×55
mm、2mmVノッチ)試験片を用いた。
m、幅 200mm、長さ 400mmの板を1150℃に加熱し、30%
の圧下率で2パスのロール圧延を行った後の板につい
て、板端部と表面の割れ状況を目視および光学顕微鏡観
察で調査して行った。
た図1に表1(1) および(2) の鋼のCuとNiの含有量の範
囲ならびにカッパーチェッキングによる割れ発生の有無
を示す。図1の斜線部が前記(a)式を満足する範囲で
ある。なお、図1においてA〜E点の座標は次のとおり
である。
0.4 、Ni:0.09) 、C点(Cu:2.5 、Ni:1)、D点(C
u:3.5 、Ni:1)、E点(Cu:3.5 、Ni:0.78) 。
はカッパーチェッキングが発生しないことが明らかであ
る。これは、適量のCu、Ni、W量を含有させた本発明の
成果を実証している。比較鋼のA10鋼はCu%/Ni%が
4.3であるにもかかわらずカッパーチェッキングを生じ
ているが、これはW量が0.75%と低いことが原因と考え
られる。
鋼でもカッパーチェッキングは防止できるものの、表2
(1) の 650℃×104 hクリープ破断強度を見ると、それ
ぞれ8.2kgf/mm2、8.0kgf/mm2と低い。本発明鋼はいずれ
も9.5kgf/mm2以上の高強度を示しており、既存鋼を含め
たどの比較鋼よりも優れた特性が得られている。また、
引張伸びおよび靱性についても比較鋼と同等以上の性能
が明らかである。
の耐熱鋼は、多量のNi添加を必要とせず、強度、靱性、
経済性に優れ、しかもカッパーチェッキングがないこと
において加工性にも優れた高クロムフェライト系耐熱鋼
である。本発明鋼はボイラ、原子力などの産業分野で特
に厚肉の耐熱耐圧部材、板、管などの素材として広く適
用できるものである。
囲とカッパーチェッキングによる割れ発生の有無を示す
図である。
Claims (4)
- 【請求項1】重量%で、C:0.03〜0.15%、Si: 0.7%
以下、Mn: 0.1〜1.5 %、Ni:0.05〜1.0 %、Cr:8〜
14%、W: 0.8〜3.5 %、V: 0.1〜0.3 %、Nb:0.01
〜0.2 %、N: 0.001〜0.1 %、Al:0.05%以下、Cu:
0.4〜3.5 %を含有し、残部が鉄および不可避的不純物
からなり、上記CuとNiの含有量が 2.5≦Cu%/Ni%≦4.
5 の関係を満足する耐カッパーチェッキング性に優れた
高クロムフェライト系耐熱鋼。 - 【請求項2】請求項1に記載の成分に加えて更に0.0001
〜0.02重量%のBを含有し、CuとNiの含有量が 2.5≦Cu
%/Ni%≦4.5 の関係を満足する耐カッパーチェッキン
グ性に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。 - 【請求項3】請求項1に記載の成分に加えて更にそれぞ
れ0.01〜0.2 重量%のLa、Ce、Ca、Y、Ti、ZrおよびTa
の中の1種以上を含有し、CuとNiの含有量が 2.5≦Cu%
/Ni%≦4.5 の関係を満足する耐カッパーチェッキング
性に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。 - 【請求項4】請求項1に記載の成分に加えて更に0.0001
〜0.02重量%のBと、それぞれ0.01〜0.2 重量%のLa、
Ce、Ca、Y、Ti、ZrおよびTaの中の1種以上を含有し、
CuとNiの含有量が 2.5≦Cu%/Ni%≦4.5 の関係を満足
する耐カッパーチェッキング性に優れた高クロムフェラ
イト系耐熱鋼。
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DE69204123T DE69204123T2 (de) | 1991-06-03 | 1992-06-02 | Hitzebeständiges ferritisches Stahl mit hohem Chromgehalt und mit höhere Beständigkeit gegen Versprödung durch intergranuläre Ausscheidung von Kupfer. |
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