JP3570379B2 - Low alloy heat resistant steel - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ、原子力、化学工業などの分野で特に500℃以上の高温で使用するのに適した耐熱鋼に関する。本発明の耐熱鋼は、上記の用途に必要な全ての特性を備えるものであるが、特に高温強度、長時間クリープ強度および低温靱性の少なくとも一つが著しく優れていることを特徴とする。本発明の耐熱鋼は、例えば、熱交換器用管、配管用管等に使用するの特に好適である。
【0002】
【従来の技術】
ボイラ、化学工業、原子力用等の高温耐熱耐圧部材としては、オーステナイトステンレス鋼、Cr含有量が9〜12%の高Crフェライト鋼、Cr含有量が3.5%以下の低Cr−Mo系フェライト鋼および炭素鋼が用いられている。中でも、2.25%Cr−1%Mo鋼に代表される低合金耐熱鋼は安価であるため使用環境に応じて多量に使用されている(本明細書において成分含有量に関する%はすべて質量%である)。
【0003】
数%のCrを含有する低合金耐熱鋼は、一般に焼戻しベイナイト、焼戻しマルテンサイトなどのいわゆるフェライト系の組織からなる。近年、この低合金鋼をベースにMo,W,V,Nbなどを添加して高温強度を高め、且つ靱性を改善した低合金耐熱鋼が、例えば特開平4−268040号公報、特公平6−2926号公報、同6−6771号公報、特開平8−325669号公報、同10−46290号公報等によって数多く提案されている。
【0004】
ボイラの設計基準では、例えば、高温域でもクリープ現象が殆ど問題にならない温度域においては引張強度(使用温度における引張強度:高温強度と呼ぶ)が重視され、クリープ現象が問題になる温度域、例えば520℃以上では長時間のクリープ強度が重視される。
【0005】
V,Nbなどの析出強化元素を添加すると高温強度および長時間のクリープ強度が向上することは、従来から知られている。しかしながら、高温強度とクリープ強度とは、強化機構が異なるので、これらの二特性が同時に改善されるとは限らない。また、これらの析出強化元素は、低温靱性の低下を招くので、製品の形状や肉厚によっては使用が制限される。
【0006】
フェライト系耐熱鋼においては、高温強度や短時間クリープ強度が高くても、低い負荷応力で長時間(例えば10,000時間を超える期間)高温に曝されるとクリープ強度が大きく低下することがある。このような長時間でのクリープ強度の低下は、短時間のクリープ試験(例えば破断時間が3,000時間程度になるような条件での試験)の結果からは予想できない。つまり、未使用状態または短時間使用された状態で、材料が十分な強度を持っていても、長時間の使用では強度が低下する可能性があるということである。従って、10,000時間を超えるような長時間クリープ強度が高くなければ、耐熱構造材料としての用途は限られたものとなる。
【0007】
前記の公報で提案されているような従来の低合金耐熱鋼は、上記長時間クリープ強度の安定性の面で不十分であり、また、高温強度および低温靱性の面でも改良の余地がある。特に、高温強度、長時間クリープ強度および低温靱性の全てを兼ね備えさせた低合金耐熱鋼は未だ開発されていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来、低合金耐熱鋼の使用が制限されていた分野でオーステナイトステンレス鋼および高Crフェライト鋼に代えて使用できる安価な耐熱鋼を提供することを課題としてなされたもので、その目的は、Cr含有量が3%以下の低合金鋼の利点を生かし、500℃〜600℃といった温度域で使用する耐熱材料としての基本的な特性を備えた上で、さらに高温強度、長時間クリープ強度および低温靱性の中の一つまたはそれ以上が特に優れた耐熱鋼、およびその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、低合金鋼の高温強度をはじめとする様々な性質を支配する要因を明らかにする目的で種々の実験を重ねた結果、以下の知見を得た。
(1)高温強度について
(1)−1.ベイナイトやマルテンサイトからなるフェライト系耐熱鋼の引張強度は、高温では大きく低下する。しかしながら焼戻し軟化抵抗を高めることにより高温強度の向上が可能である。
【0010】
(1)−2.焼戻し軟化抵抗の向上にはV、Nb、Mo、W、B、等の析出強化元素や固溶強化元素の添加が有効である。
【0011】
(1)−3.これらの元素のうち、MoとWは、従来、ほぼ同等の効果を有すると考えられてきた。しかしながら、焼戻し軟化抵抗の向上には、Wの効果がより大きく、Wの添加量が多いほど、高温強度が向上する。
【0012】
(1)−4.ベイナイトやマルテンサイトからなるフェライト系耐熱鋼の組織においては、旧オーステナイト粒内にさらにラスまたは亜結晶粒といった小単位が存在する。焼戻し軟化抵抗は、ラス(lath)または亜結晶粒の微細化により向上する。なお、ここでいうラスとはマルテンサイトまたはベイナイトを構成する小単位であり、亜結晶粒とは焼戻し処理によって形成されるフェライトの亜結晶粒である(後述の図10参照)。
(2)長時間クリープ強度について
(2)−1.例えばボイラチューブとして高温で長時間使用される耐熱鋼では、長時間のクリープ強度を一層高める材質設計が必要である。しかしながら、析出強化元素や固溶強化元素を多く添加しても、長時間使用中にクリープ強度が低下する場合がある。
【0013】
(2)−2.長時間クリープ強度の低下は、WおよびMoの析出を抑制し、固溶したWおよび固溶Moの合計量(以下、固溶[W+Mo]量と記す)を保持することにより防止できる。但し、たとえ固溶[W+Mo]量が十分であっても、結晶粒が細かくなると、クリープ強度が低下する。すなわち、クリープ強度の向上には、高温で長時間、WおよびMoの析出を抑え、結晶粒径を微細にする成分設計が必要である。
【0014】
(2)−3.WはMoに比べて析出速度が遅く、より長時間、固溶状態で存在できるため、Moに比べW添加の方が有効である。
【0015】
(2)−4.WおよびMoの析出は、Mn含有量の低減およびVの添加により抑えられる。
(3)低温靱性について
(3)−1.例えば、厚肉部材や形状が複雑な部位に用いる鋼材では、特に低温靱性を考慮した材質設計が必要である。
【0016】
(3)−2.低温靱性が劣化した材料では、粒界の固溶Wと固溶Moの合計濃度の減少、即ち、粒界上の固溶Wと固溶Moの合計量(即ち、固溶[W+Mo]量)の欠乏が認められる。粒界上での固溶[W+Mo]量の減少を防ぐと、低温靱性が改善できる。低温靱性の改善に有効な粒界上の固溶[W+Mo]量は0.4%を以上である。
なお、粒界上の固溶[W+Mo]量とは、析出物を含まない濃度であって、粒界を挟んだ±0.5μmの範囲内の固溶[W+Mo]量を意味する。
【0017】
(3)−3.低温靱性は、窒素含有量を高めること(高N化)によりさらに改善できる。これはNbNの析出量が増加し、結晶粒の粗大化が抑えられるからである。
【0018】
(3)−4.低温靱性の改善に有効な粒径は、平均粒径で150μm以下である。
【0019】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、本発明の耐熱鋼の特徴は次のとおりである。
【0020】
(A)化学組成(成分含有量に関する%は、質量%である。)
C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下、Fe及び不純物:残部。
【0021】
これらの成分のうち、Si、Mn、Al、Ti、Ni、Cu、Mg、CaおよびZrは、必ずしも積極的に添加しなくてもよい。添加しない場合の含有量は通常の不純物レベルである。ただし、それぞれ特有の作用効果を持つので、鋼の使用目的に応じて、上記の上限値以下の範囲で含有させてもよい。その場合の作用効果および望ましい含有量については後述する。
(B)金属組織その他
(B)−1.特に高い高温強度を特徴とする鋼では、ベイナイトおよびマルテンサイトのラス幅ならびに亜結晶粒の粒径の平均が3μm以下。
【0022】
(B)−2.特に高い長時間クリープ強度を特徴とする鋼では、固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均結晶粒径が5μm以上。
(B)−3.特に優れた低温靱性を特徴とする鋼では、粒界上の固溶[W+Mo]が0.4%以上で、かつ平均結晶粒径が150μm以下。
【0023】
本発明の鋼は、上記の特徴(B)−1〜(B)−3を、それぞれ単独で備えてもよく、また、これらの複数を組み合わせて備えてもよい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明鋼の化学組成と金属組織について詳しく説明する。
(A)化学組成
C:0.03〜0.15%
CはCr,Fe,W,Mo,V,Nbおよび必要に応じて添加されるTiと結合して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であるから、マルテンサイトまたは/およびベイナイト組織を形成するのに重要である。C量が0.03%未満ではこれらの効果が得られず、また、結晶粒の粗大化を誘引し、靱性を損なう。一方、C含有量が0.15%を超えると炭化物が過剰に析出し、鋼が硬化して加工性、溶接性を損なう。さらに、固溶強化元素として添加するWやMoの析出を助長し、これらの固溶量が減少する。したがって、Cの適正含有量は0.03〜0.15%である。望ましいのは0.04〜0.12%、さらに望ましいのは0.05〜0.08%である。
【0025】
Si:0.7%以下
Siは、鋼の脱酸剤として有効であり、また耐水蒸気酸化性を高める作用を持つ。しかし、Siの含有量が0.7%を超えると、靱性、加工性が低下し強度低下を招く。さらに、焼戻脆化を助長し、また、溶接性を損なう。
【0026】
Siは、必ずしも添加しなくてもよいので含有量の下限は不純物レベルでもよい。しかし、耐水蒸気酸化性の改善を意図する場合は、0.2%以上の含有量が望ましい。その場合でも、前記の理由で含有量の上限は0.7%とする。望ましいのは0.5%以下、最も望ましい含有量の範囲は、0.2〜0.3%である。
【0027】
Mn:0.7%以下
Mnは、焼入性の向上に有効な元素であるから必要に応じて添加する。しかし、Mn含有量が0.7%を超えるとWやMoの析出を助長し、これらの固溶量が減少するため、焼戻し軟化抵抗が低下し、高温強度が著しく低下する。また、Siと同様に焼戻し脆化および溶接性の劣化を助長する。したがって、Mnの適正含有量は0.7%以下である。
【0028】
長時間クリープ強度の向上のためには、Mn含有量を0.5%以下に抑えるのが望ましい。それによってWおよびMoの固溶量が増加するからである。この効果を最大限に生かすにはMn含有量を0.35%未満とするのが一層望ましい。
【0029】
図3および図4は、後述する実施例の試験データの一部を図示したものである(鋼No.は、後記の表1の鋼No.である)。図3から明らかなように、Mn含有量が高い鋼ほどクリープ強度が低下している。一方、図4をみれば、Mn含有量の高い鋼ほど、固溶[W+Mo]量が少ない。これら図3および図4を総合すれば、Mn含有量を減らすことによって固溶[W+Mo]量を増加させることができ、ひいては長時間クリープ強度を高めることが可能であることがわかる。
【0030】
Cr:1.5〜3%
Crは低合金鋼の耐酸化性および高温耐食性の改善のため不可欠な元素である。500〜600℃のような高温での引張強度またはクリープ強度を高めるには1.5%以上のCr含有量が必要である。一方、Cr含有量が3%を超えると、靱性、溶接性が劣化する上に、材料コストが嵩み、低合金鋼の特徴が損なわれる。したがって、Crの適正含有量は1.5〜3%である。なお、望ましいCr含有量は2〜3%、最も望ましいのは2.2〜2.7%である。
【0031】
Mo:0.01〜0.5%
MoはWと同様に固溶強化と析出強化の作用を持つ元素である。Wに比べるとその効果は小さいが、微量でも粒界脆化を防止し、高強度材であっても延性を損なうことはない。さらに低温靱性や溶接性の改善にも効果がある。しかしながら、0.01%未満ではその効果は期待できない。また、0.5%を超えると、靱性や加工性を損なう。したがって、Moの適正含有量は0.01〜0.5%である。より望ましいのは0.03〜0.3%であり、最も望ましいのは0.05〜0.15%である。
【0032】
W:1〜3%
WはMoと同様に固溶強化と析出強化の作用を持つ元素であるが、Moに比べると拡散が遅いため、固溶状態が長く続き、固溶強化作用が長時間維持される。このため、焼戻し軟化抵抗の向上および長時間クリープ強度の向上に有効である。さらにCr、Fe、MoおよびW等を含む炭化物の粗大化を抑制する。これもWの拡散が遅いからである。しかしながら、W含有量が1%未満では上記の効果は得られない。一方、W含有量が3%を超えると、鋼を著しく硬化させ、靱性、加工性、および溶接性を損なう。従って、Wの適正な含有量は1〜3%で、望ましいのは1.3〜2%、さらに望ましいのは1.4〜1.8%である。
【0033】
上記のMoおよびWの含有量は、本発明鋼の平均含有量である。その中で固溶[W+Mo]量が0.9%を超えるとクリープ強度が大きく向上する。1%を超える固溶[W+Mo]の存在が一層望ましい。この点については後に詳述する。
【0034】
V:0.05〜0.35%
Vは、主にCと結合してMX(MはW+Mo+Vを表し、XはC、即ち、炭素を表す)型の微細炭化物を形成し、クリープ強度の向上に寄与する。さらに、Vは、WおよびMoに優先してCと結合するので、WやMo炭化物の形成を抑制し、固溶[W+Mo]量の減少を抑制する。0.05%未満ではこの効果が十分でなく、0.35%を超えるとかえって高温強度、クリープ強度を損なうとともに、靱性、溶接性も低下する。よって、Vの適正含有量は0.05〜0.35%である。望ましいのは0.1〜0.28%であり、さらに望ましいのは0.18〜0.25%である。
【0035】
Nb:0.01〜0.1%
Nbは、NおよびCと結合してMX(MはNb、XはC+Nを表す)型の微細炭窒化物を形成し、粒成長を抑え、高温強度の向上に寄与するとともに、低温靱性を向上させる。Nb含有量が0.01%未満ではこの効果が期待できない。一方、Nb含有量が0.1%を超えると、異常粒成長により強度が低下するとともに、粗大な窒化物が形成されて、かえって靱性が劣化する。従って、Nbの適正含有量は0.01〜0.1%である。望ましいのは0.02〜0.07%、さらに望ましいのは0.04〜0.06%である。
【0036】
N:0.002〜0.03%
Nは、NbおよびCと結合してMX(MはNb、XはC+Nを表す)型の微細炭窒化物を形成し、粒成長を抑え、固溶Nによる固溶強化と相俟って高温強度および低温靱性の向上に寄与する。しかし、0.002%未満のN含有量ではMXの析出量が少なく、粒成長の抑制、靱性向上および高温強度向上の効果が十分に得られない。一方、0.03%を超えるNは、粗大な窒化物を形成し、かえって靱性を劣化させる。したがって、Nの適正な含有量は0.002〜0.03%である。
【0037】
なお、低温靱性を高めるためには、NbNにより結晶粒の粗大化を抑える必要がある。NbNを有効に析出させるためには、0.004%以上、0.01%までのNを含むのが望ましい。さらに望ましいのは0.005を超えて0.01%までの範囲である。
【0038】
図7は、後述の実施例の鋼(図中に表1の鋼No.を示した)のN含有量と平均結晶粒径との関係をプロットしたものである。N含有量が0.004%以上であれば150μm以下の望ましい平均結晶粒径が得られることがわかる。
【0039】
B:0.0001〜0.02%
Bは鋼の焼入性を改善し、高温強度および低温靱性を向上させる。さらに、炭化物を長時間安定化し、長時間クリープ強度の改善に寄与する。しかしながら、B含有量が0.0001%未満では上記の効果は得られない。一方、B含有量が0.02%を超えると、粒界上に粗大な炭化物が生成するとともに、粒界におけるWおよびMoの欠乏を助長し、かえって靱性および溶接性を劣化させる。よって、Bの適正含有量は0.0001〜0.02%である。より望ましい含有量は0.001〜0.01%である。さらに望ましいのは0.003〜0.004%である。
【0040】
Al:0.03%以下
Alは脱酸剤として添加される。また、AlはNと結合して窒化物を形成するため、鋼の粗粒化防止に有効である。しかしながら、Al含有量が0.03%を超えるとクリープ強度と加工性を損なう。したがって、Alの適性含有量は0.03%以下、望ましくは0.02%以下である。さらに望ましいのは0.01%未満である。なお、Alの含有量は通常の不純物レベルであってもよい。
【0041】
本発明鋼は、上記の各成分の外に、次に述べる成分を必要に応じて選択的に含有することができる。これらの成分を積極的に添加しない場合は、含有量の下限はいずれも通常の不純物レベルである。
【0042】
Ti:0.05%以下(添加する場合の望ましい含有量は0.002〜0.05%)
TiはNbとともにNと結合してMX(MはTi+Nb、XはN、即ち、窒素である)型の窒化物を形成し、鋼の高温強度が上げる。このような効果を確実に得るには0.002%以上の含有が望ましい。しかし、Ti含有量が0.05%を超えると、窒化物が粗大化する上に、TiCの偏析により異常粒成長や混粒組織の生成を誘引する。したがって、Tiを添加する場合、その含有量の適正範囲は0.002〜0.05%である。より望ましいのは0.003〜0.02%、さらに望ましいのは0.005〜0.01%である。
【0043】
Ni:0.8%以下(添加する場合の望ましい含有量は0.1〜0.5%)
Niはオーステナイト安定化元素であり靱性改善に寄与するので、必要に応じて添加すればよい。ただし、Ni含有量が0.8%を超えると長時間クリープ強度が低下するので、添加する場合もその含有量は0.8%以下にとどめるべきである。望ましいのは0.5%以下、さらに望ましいのは0.3%以下である。なお、上記の効果を得るべくNiを添加する場合には、含有量の下限は0.1%とするのがよい。
【0044】
Cu:0.5%以下(添加する場合の望ましい含有量は0.1〜0.3%)
CuもNiと同じくオーステナイト安定化元素であり、靱性改善に寄与するので、Niに代えて、またはNiとともにまたはそれぞれ単独で必要に応じて添加することができる。しかし、Cu含有量が0.5%を超えると、焼戻し脆化が起こりやすくなる。従って、積極的に添加する場合でもその含有量は0.5%以下とすべきである。望ましいのは0.3%以下である。上記の効果を得るべくCuを添加する場合には、含有量の下限は0.1%とするのがよい。なお、CuはNiと併用するのが望ましい。
【0045】
Mg、Ca、Zr:それぞれ0.05%以下(添加する場合の望ましい含有量はそれぞれ0.0005〜0.05%)
これらの元素は不純物であるP、SおよびO(酸素)と結合してその好ましくない作用を抑えて、鋼の靱性を改善する。いずれも0.0005%未満では効果が顕著でないので添加する場合はそれぞれ0.0005%以上の含有量とするのが望ましい。しかし、それぞれの含有量が0.05%を超えると介在物が増加し、かえって靱性が損なわれる。したがって、添加する場合でもそれぞれの含有量は0.05%以下とすべきであり、また、これらの元素を2種以上用いる場合は、合計含有量を0.05%以下とするのがよい。望ましいのは0.01%以下である。なお、添加しない場合は、下限値は不純物レベルとなる。
【0046】
本発明鋼の必須成分および任意添加成分は以上のものである。その残部はFeと不純物であるが、不純物のなかでPとSは、特に鋼の靱性やクリープ延性を損なうから可能な限り低くすることが望ましい。Pの許容上限は0.03%、Sのそれは0.015%である。
【0047】
(B)金属組織その他
(B)−1.(ラス幅または/および亜結晶粒の粒径:3μm以下)
本発明の低合金耐熱鋼の組織は、基本的にはベイナイトもしくはマルテンサイトまたはこれらの混合組織からなる。また、焼戻し時に生成する少量のフェライトを含むこともある。
【0048】
図10は、本発明鋼(後記の表1に示すNo.1の鋼)の金属組織の一例を示す図である。同図に示すように、ラスまたはフェライト亜結晶は、ベイナイト、マルテンサイトおよびこれらの焼戻し組織を構成する最小単位である。これらの平均が3μmを超える程に粗大化すると、焼戻し軟化抵抗が低下し、高温強度が大きく低下する。したがって、高温強度を特に重視する場合は、ベイナイトまたは/およびマルテンサイトの焼戻し組織におけるラス幅の平均は3μm以下、さらに、フェライトを含む場合はその亜結晶の粒径の平均は3μm以下で、できるだけ小さくする必要がある。望ましいのはいずれも2μm以下、さらに望ましいのは1μm以下である。
【0049】
図1は、後記の実施例の鋼(表1に示す鋼)のラス幅(および亜結晶粒径)の平均値と高温強度との関係を示す図である。この図から明らかなように、ラス幅(および亜結晶粒径)が小さいほど高温強度が高くなっている。
【0050】
マルテンサイトおよびベイナイトのラス幅、およびフェライトの亜結晶粒の粒径を小さくする方法としては、次の方法がある。
【0051】
▲1▼ WおよびMoの含有量を増やして転位を動きにくくしてラス界面や粒界の移動を抑制する方法。
【0052】
▲2▼ MX炭窒化物(MはTi,Nb、XはC,N)のピンニング効果を利用して粒成長を抑える方法。
【0053】
具体的には、本発明鋼は、次のような製造方法で製造できる。即ち、素材(ビレット、スラブ等)を、例えば1,100℃以上に加熱した後、オーステナイト温度で20%以上の加工を加え、300℃以下に冷却し、その後、1,000℃/h以下の昇温速度で所定のオーステナイト化温度(Ac点以上、1,150℃以下の温度が望ましい)まで加熱して焼ならしする。次いで、1,000℃/h以下の昇温速度で「Ac点−50℃」からAc点までの焼戻し温度に加熱して所定の焼戻しを行う。
【0054】
本発明で規定する組織を得るためには、焼ならしおよび焼戻しを行う際の昇温速度の調整が特に重要である。これは、一つには焼ならし時の昇温過程でTi、Nbを主成分とする微細なMX炭窒化物(MはTi,Nb、XはC,N)を析出させ、オーステナイトの粗大化を抑えるため、二つには焼戻し時に昇温過程でVを主成分とする炭窒化物MX(MはV、XはC,N)を析出させ、マルテンサイトまたは/およびベイナイトのラスおよびフェライト亜結晶粒の粗大化を抑えるため、である。焼ならし時でも焼戻し時でも、1,000℃/hを超えるような早い昇温速度では上記の効果が得られない。望ましい昇温速度は500〜700℃/hである。
【0055】
ラスや亜結晶粒の粗大化は特に焼戻しの際に生じる。したがって、上記の作用を得るためには、焼戻しの際にWおよびMoの析出をできるだけ抑えて、固溶[W+Mo]量を多くすること、MX炭窒化物の微細化を図ることが重要である。そのためには成分の調整とともに上記のように熱処理時の昇温速度を調整するのが望ましい。
【0056】
(3)固溶[W+Mo]量:0.9%を超える量
これは、特に長時間クリープ強度を必要とする場合に備えるべき条件である。Cr量が3%以下の低合金鋼においては、長時間使用中にWおよびMoが炭化物として析出するが、できるだけ長時間、多くのWおよびMoを固溶状態に保つことにより、長時間クリープ強度とクリープ延性が改善される。具体的には、通常のボイラの寿命の範囲内(例えば20年)では、使用中にも固溶[W+Mo]量を0.5%程度以上に確保する必要がある。使用中の鋼の固溶[W+Mo]量を0.5%以上に確保するためには、使用前の製品(例えばボイラ管)の状態で、固溶[W+Mo]量が0.9%(望ましくは1%)を超えている必要がある。0.9%以下では、使用中に固溶[W+Mo]量が0.5%よりも低下し、クリープ強度が大きく低下する。
【0057】
図2は、後述の実施例の鋼(表1に示す鋼)の使用前の固溶[W+Mo]と575℃×100,000時間のクリープ強度との関係を示すものである。
【0058】
固溶[W+Mo]量は、例えば、抽出残渣法により析出物のみを採取して定量化学分析を行い、鋼中に含まれるWおよびMoの総量から抽出残渣量を差し引くことにより定量できる。
【0059】
0.9%を超える固溶[W+Mo」量は、前記の製造条件によって確保できる。特に重要なのは焼戻し温度を「Ac点−50℃」からAc点までの範囲にすることである。この温度域よりも低温でも高温でも、固溶[W+Mo」量は減少する。
【0060】
(4)平均結晶粒径:5μm以上、または150μm以下
特に長時間クリープ強度を必要とする場合には、前記の固溶[W+Mo]量を確保することともに、平均結晶粒径を5μm以上とすることも必要である。低合金耐熱鋼においては、平均結晶粒径が5μm未満になると、クリープ強度が低下する。したがって、平均結晶粒径は5μm以上にする必要がある。望ましくは20μm以上、さらに望ましいのは40μm以上である。
【0061】
図5は、後述の実施例の試験データを平均粒径とクリープ強度との関係で整理した図である。図示のとおり、結晶粒径が5μm以上、特に40μm以上の鋼は高いクリープ強度を示している(詳細は実施例の表2参照)。
【0062】
一方、低温靱性の向上のためには、細粒組織の方がよい。平均結晶粒径が150μmを超えると靱性が著しく悪化する。
【0063】
図6は、後述の実施例のデータを平均結晶粒径と衝撃値との関係で整理した図である。粒径150μm以下、特に80μm以下で衝撃値が著しく高まることが明らかである。従って、特に低温靱性を重視する場合には、平均結晶粒径は150μm以下、望ましくは100μm以下とすべきである。なお、さらに望ましいのは80μm以下である。
【0064】
前記のとおり、長時間クリープ強度を高めるには平均結晶粒径は5μm以上であることが望ましい。従って、長時間クリープ強度と低温靱性を兼備させるには平均結晶粒径を5〜150μm、望ましくは20〜100μm、さらに望ましくは40〜80μmとすべきである。
【0065】
(5)粒界上の固溶[W+Mo]量:0.4%以上
これは、特に低温靱性を重視する場合に備えるべき条件である。
【0066】
図9に模式的に示すように、Cr含有低合金の場合、粒界でCr、W、Mo、V等の濃度が局部的に減少する欠乏層が形成される場合があり、このような欠乏層は低温靱性の劣化をもたらす。
【0067】
図8は後述の実施例のデータを粒界上の固溶[W+Mo]量と衝撃値の関係で整理したものである。粒界上の固溶[W+Mo]が0.4%未満では衝撃値が著しく低いことが分かる。従って、低温靱性を重視する場合には粒界上の固溶[W+Mo]量を0.4%以上とするのが望ましい。
【0068】
なお、粒界上の固溶[W+Mo]量とは、粒界を挟んだ±0.5μmの範囲内での固溶[W+Mo]量の平均値を意味し、例えば、透過電子顕微鏡のEDXを用いて測定することができる。
【0069】
上記のような粒界上の固溶[W+Mo]量の制御は、焼戻しの時間および温度を鋼の組成に応じて調整することにより実現できる。望ましい焼戻し条件は、先に述べた「Ac点−50℃」からAc点までの範囲で、0.5〜1時間保持することである。
【0070】
【実施例】
1.試験方法
表1に示す化学組成の各鋼をそれぞれ50kg真空溶解炉で溶解、鋳造して得たインゴットを1150〜950℃で鍛造し、75〜85%の加工を加えて厚さ20mmの板とした。
【0071】
各鋼の熱処理条件は次のとおりである。
【0072】
鋼No.1〜18:
焼ならし…昇温速度500℃/hで1,000〜1,100℃まで加熱して30分保持した後、室温まで空冷。
【0073】
焼戻し…昇温速度500℃/hで750〜790℃まで加熱して下記の焼戻しパラメータで求めた所定時間保持した後、室温まで空冷。
【0074】
鋼7−1:
焼ならし…昇温速度1,000℃/hで1,050℃まで加熱して30分保持した後、 室温まで空冷。
焼戻し…昇温速度500℃/hで800℃(Ac点+5℃)まで加熱して下記の焼戻しパラメータで求めた所定時間保持した後、室温まで空冷。
【0075】
鋼2−2および16−1:
焼ならし…昇温速度10,000℃/hで1,050℃まで加熱して30分保持した後、室温まで空冷。
【0076】
焼戻し…昇温速度500℃/hで650℃(Ac点−145℃)まで加熱して下記の焼戻しパラメータで求めた所定時間保持した後、室温まで空冷。
【0077】
なお、焼戻し処理の保持時間は、焼戻しパラメータ、TP[TP=(T+273)logt+20)。但し、Tは温度(℃)、tは時間(h)である]が21,000〜21,300の範囲になるように調整した。
このようにして得られた各鋼板から抽出残渣採取用試験片、クリープ破断試験片、シャルピー衝撃試験片、定荷重引張試験片を採取し、以下の試験に供した。
【0078】
(1)固溶[W+Mo]量の測定:
電解液:10%アセチルアセトン−メタノール溶液
電流密度:20 mA/cm
溶解量:0.4g
上記の条件で採取した抽出残渣中のW含有量およびMo含有量を析出量とし、鋼中のWおよびMoの合計量との差を固溶Wおよび固溶Mo量とした。
【0079】
(2)高温引張試験…JIS G0567
試験片:φ6mm × GL 30mm
試験温度:575 ℃
(3)クリープ破断試験…JIS Z2272
試験片:φ6mm× GL 30 mm
試験温度:500〜650℃
負荷応力:50〜350 MPa
以上の条件で、最長15,000時間までのデータを採取し、575℃×100,000時間のクリープ破断強度の平均値を外挿して求めた。さらに575℃で10,000時間の平均強度と100時間の平均強度の差を求めて、長時間クリープ強度の安定性を評価した。
【0080】
(4)シャルピー衝撃試験:
試験片:10mm×10mm×55mm、2mmVノッチ
試験温度:0℃
(5)粒界における固溶[W+Mo]濃度の測定:
透過電子顕微鏡によるEDX分析(エネルギー分散X線分析)で測定した。粒界を挟んだ±0.5μmの範囲を0.1μmピッチで10点の点分析を行い、その中の[W+Mo]量の最小値をもって固溶[W+Mo]濃度とした。
【0081】
(6)粒径の測定:
各鋼について100の旧オーステナイト粒の粒径を測定し、平均値で評価した。
2.試験結果
試験結果を表2に示す。試験結果を要約すれば次のとおりである。
【0082】
(1)表1に示す全ての鋼の化学組成は、本発明で定める範囲内にある。そして、その中の幾つかは、下記の条件▲1▼〜▲3▼の一つまたは二つ以上を満たす。
【0083】
条件▲1▼…ベイナイトのラス幅、マルテンサイトのラス幅、およびフェライト亜結晶の粒径の平均が3μm以下であること。
【0084】
条件▲2▼…固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均粒径が5μm以上であること。
【0085】
条件▲3▼…粒界上の固溶[W+Mo]が0.4%以上、かつ平均粒径が150μm以下であること。
【0086】
(2)鋼No.2−2と16−1以外の鋼は全て条件▲1▼を満たすので、575℃で400MPaを超える特に高い高温強度を有している。
【0087】
(3)条件▲2▼を満たす鋼(鋼No.1,2,3〜7,8〜11,14,16および17)は575℃×100,000時間の平均強度が100MPaを超える。即ち、特に高いクリープ強度を有している。また、575℃×100時間のクリープ破断強度と、575℃×10,000時間のクリープ破断強度との差が90MPa以下で、長時間クリープ強度がきわめて安定である。
【0088】
(4)条件▲3▼を満たす鋼(No.14,16および17以外の鋼)は、条件▲3▼を満たさないNo.14,16および17の鋼よりも優れた衝撃特性(250J/cm以上の衝撃値)を有する。
【0089】
(5)条件▲1▼〜▲3▼の全てを満たす鋼No.1,2,3〜7,8〜12および15は高温強度、長時間クリープ強度および低温靱性の全てにおいて著しく優れている。
【0090】
【表1】

Figure 0003570379
【表2】
Figure 0003570379
【発明の効果】
実施例の試験結果から明らかなように、本発明の鋼は、合金成分の適切な含有によって、耐熱材料として優れた総合特性を持っている。その上で、高温強度、長時間クリープ強度または/および低温靱性が特に大きく改善されている。
【0091】
本発明鋼はCr含有量が1.5〜3%の安価な低合金鋼でありながら、上記の優れた特性を有するので、オーステナイト系耐熱鋼や高Cr耐熱鋼に代えて使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ラス幅(および亜結晶粒径)の平均値と、高温強度との関係を示す図である。
【図2】固溶[W+Mo]量と、クリープ強度との関係を示す図である。
【図3】Mn含有量とクリープ強度との関係を示す図である。
【図4】Mn含有量と固溶[W+Mo]量との関係を示す図である。
【図5】平均結晶粒径とクリープ強度との関係を示す図である。
【図6】平均結晶粒径とシャルピー衝撃特性との関係を示す図である。
【図7】N含有量と平均結晶粒径との関係を示す図である。
【図8】粒界の固溶[W+Mo]濃度と衝撃値の関係を示す図である。
【図9】結晶粒界のW、Moの濃度分布を模式的に示す図である。
【図10】本発明鋼の金属組織の一例を説明するミクロ組織図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat-resistant steel suitable for use at a high temperature of 500 ° C. or more, particularly in the fields of boilers, nuclear power, and chemical industries. The heat-resisting steel of the present invention has all the properties required for the above-mentioned applications, and is characterized in that at least one of high-temperature strength, long-time creep strength and low-temperature toughness is remarkably excellent. The heat-resistant steel of the present invention is particularly suitable for use in, for example, heat exchanger tubes, piping tubes, and the like.
[0002]
[Prior art]
Austenitic stainless steel, high Cr ferrite steel with a Cr content of 9 to 12%, low Cr-Mo ferrite with a Cr content of 3.5% or less are used as high-temperature and heat-resistant members for boilers, chemical industries, nuclear power, and the like. Steel and carbon steel are used. Among them, low-alloy heat-resistant steel represented by 2.25% Cr-1% Mo steel is inexpensive and is used in large amounts according to the use environment (all percentages in the present specification are mass%. Is).
[0003]
The low alloy heat-resistant steel containing several% of Cr generally has a so-called ferritic structure such as tempered bainite and tempered martensite. In recent years, low-alloy heat-resisting steels which have high strength at high temperature and improved toughness by adding Mo, W, V, Nb, etc., based on this low-alloy steel have been disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-268040 and Japanese Patent Publication No. Many proposals have been made in, for example, JP-A-2926, JP-A-6-6771, JP-A-8-325669, and JP-A-10-46290.
[0004]
In the boiler design standard, for example, in a temperature range where creep phenomenon hardly causes a problem even in a high temperature range, tensile strength (tensile strength at use temperature: referred to as high temperature strength) is emphasized, and a temperature range where creep phenomenon becomes a problem, for example, At 520 ° C. or higher, long-term creep strength is emphasized.
[0005]
It is conventionally known that the addition of precipitation strengthening elements such as V and Nb improves the high-temperature strength and the long-term creep strength. However, since the high-temperature strength and the creep strength have different strengthening mechanisms, these two properties are not always improved simultaneously. Further, since these precipitation strengthening elements cause lowering of the low-temperature toughness, the use is restricted depending on the shape and thickness of the product.
[0006]
In a ferritic heat-resistant steel, even if the high-temperature strength or the short-time creep strength is high, the creep strength may be significantly reduced when exposed to high temperature for a long time (for example, a period exceeding 10,000 hours) with a low load stress. . Such a long-term decrease in creep strength cannot be predicted from the results of a short-term creep test (for example, a test under conditions where the rupture time is about 3,000 hours). That is, even if the material has sufficient strength in an unused state or a state used for a short time, the strength may be reduced in a long-time use. Therefore, unless long-term creep strength exceeding 10,000 hours is high, its use as a heat-resistant structural material is limited.
[0007]
The conventional low-alloy heat-resistant steel proposed in the above-mentioned publication is insufficient in stability of the long-term creep strength, and there is room for improvement in high-temperature strength and low-temperature toughness. In particular, a low-alloy heat-resistant steel having all of high-temperature strength, long-time creep strength and low-temperature toughness has not yet been developed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to provide an inexpensive heat-resistant steel that can be used in place of austenitic stainless steel and high Cr ferritic steel in a field where the use of low-alloy heat-resistant steel has been limited. Takes advantage of low-alloy steel with a Cr content of 3% or less, has the basic characteristics of a heat-resistant material used in a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C., and further has high-temperature strength and long-term creep. One or more of the strength and low-temperature toughness is to provide a heat-resistant steel that is particularly excellent, and a method for producing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has obtained the following findings as a result of repeated experiments for the purpose of clarifying the factors governing various properties of a low-alloy steel including the high-temperature strength.
(1) High temperature strength
(1) -1. The tensile strength of a heat-resistant ferritic steel made of bainite or martensite is greatly reduced at high temperatures. However, the high-temperature strength can be improved by increasing the tempering softening resistance.
[0010]
(1) -2. To improve the tempering softening resistance, it is effective to add a precipitation strengthening element such as V, Nb, Mo, W, B, or a solid solution strengthening element.
[0011]
(1) -3. Of these elements, Mo and W have conventionally been considered to have approximately the same effect. However, the effect of W is greater in improving the tempering softening resistance, and the higher the amount of W added, the higher the high-temperature strength.
[0012]
(1) -4. In the structure of the ferritic heat-resistant steel composed of bainite and martensite, small units such as laths or sub-crystal grains are present in the prior austenite grains. Temper softening resistance is improved by the refinement of lath or sub-crystal grains. The lath here is a small unit constituting martensite or bainite, and the sub-crystal grains are sub-crystal grains of ferrite formed by tempering (see FIG. 10 described later).
(2) Long-term creep strength
(2) -1. For example, heat-resistant steel used for a long time at a high temperature as a boiler tube requires a material design that further enhances the long-term creep strength. However, even when a large amount of the precipitation strengthening element or the solid solution strengthening element is added, the creep strength may decrease during long-time use.
[0013]
(2) -2. The decrease in the long-term creep strength can be prevented by suppressing the precipitation of W and Mo and maintaining the total amount of solid solution W and solid solution Mo (hereinafter, referred to as solid solution [W + Mo] amount). However, even if the amount of solid solution [W + Mo] is sufficient, if the crystal grains are fine, the creep strength decreases. That is, in order to improve the creep strength, it is necessary to design a component that suppresses the precipitation of W and Mo at a high temperature for a long time and reduces the crystal grain size.
[0014]
(2) -3. Since W has a lower deposition rate than Mo and can exist in a solid solution state for a longer time, W is more effective than Mo.
[0015]
(2) -4. The precipitation of W and Mo is suppressed by reducing the Mn content and adding V.
(3) Low temperature toughness
(3) -1. For example, in the case of a thick member or a steel material used for a part having a complicated shape, a material design particularly considering low-temperature toughness is required.
[0016]
(3) -2. In a material with low temperature toughness, the total concentration of solid solution W and solid solution Mo at the grain boundary decreases, that is, the total amount of solid solution W and solid solution Mo on the grain boundary (that is, the solid solution [W + Mo] amount). Deficiency is observed. Preventing a decrease in the amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundaries can improve low-temperature toughness. The amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundaries effective for improving low-temperature toughness is 0.4% or more.
The amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundary is a concentration not containing a precipitate and means the amount of solid solution [W + Mo] within a range of ± 0.5 μm across the grain boundary.
[0017]
(3) -3. Low-temperature toughness can be further improved by increasing the nitrogen content (higher N content). This is because the precipitation amount of NbN increases and coarsening of crystal grains is suppressed.
[0018]
(3) -4. The particle size effective for improving the low-temperature toughness is 150 μm or less in average particle size.
[0019]
The present invention has been made based on the above findings, and the features of the heat-resistant steel of the present invention are as follows.
[0020]
(A) Chemical composition (% relating to component content is% by mass)
C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5%, W: 1 -3%, V: 0.05-0.35%, Nb: 0.01-0.1%, N: 0.002-0.03%, B: 0.0001-0.02%, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: 0. 05% or less, Fe and impurities: balance.
[0021]
Among these components, Si, Mn, Al, Ti, Ni, Cu, Mg, Ca, and Zr do not always need to be positively added. The content when not added is the usual impurity level. However, since each has a specific function and effect, it may be contained in the range of not more than the above upper limit depending on the purpose of use of the steel. The effect and desired content in that case will be described later.
(B) Metal structure and others
(B) -1. In particular, in steels characterized by high high-temperature strength, the average lath width of bainite and martensite and the average grain size of subcrystal grains are 3 μm or less.
[0022]
(B) -2. Particularly, in a steel characterized by high long-term creep strength, the solid solution [W + Mo] exceeds 0.9% and the average crystal grain size is 5 μm or more.
(B) -3. In a steel characterized by particularly excellent low-temperature toughness, the solid solution [W + Mo] on the grain boundaries is 0.4% or more and the average crystal grain size is 150 μm or less.
[0023]
The steel of the present invention may include the above-mentioned features (B) -1 to (B) -3 independently, or may include a plurality of these in combination.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the chemical composition and metal structure of the steel of the present invention will be described in detail.
(A) Chemical composition
C: 0.03 to 0.15%
C combines with Cr, Fe, W, Mo, V, Nb and Ti optionally added to contribute to high-temperature strength, and itself is an austenite stabilizing element, so that martensite or / and bainite can be used. Important to form an organization. If the C content is less than 0.03%, these effects cannot be obtained, and the crystal grains are coarsened to deteriorate the toughness. On the other hand, when the C content exceeds 0.15%, carbides are excessively precipitated, and the steel is hardened to impair workability and weldability. Further, precipitation of W or Mo added as a solid solution strengthening element is promoted, and the amount of these solid solutions is reduced. Therefore, the appropriate content of C is 0.03 to 0.15%. Desirable is 0.04 to 0.12%, and more preferable is 0.05 to 0.08%.
[0025]
Si: 0.7% or less
Si is effective as a deoxidizing agent for steel and has an effect of increasing steam oxidation resistance. However, when the Si content exceeds 0.7%, toughness and workability are reduced, and strength is reduced. Further, it promotes tempering embrittlement and impairs weldability.
[0026]
Since Si need not always be added, the lower limit of the content may be the impurity level. However, when the steam oxidation resistance is intended to be improved, the content is preferably 0.2% or more. Even in that case, the upper limit of the content is set to 0.7% for the above-mentioned reason. The desirable content is 0.5% or less, and the most desirable content range is 0.2 to 0.3%.
[0027]
Mn: 0.7% or less
Since Mn is an element effective for improving hardenability, Mn is added as necessary. However, if the Mn content exceeds 0.7%, the precipitation of W and Mo is promoted, and the solid solution amount thereof is reduced, so that the tempering softening resistance is reduced and the high-temperature strength is significantly reduced. Further, like Si, it promotes temper embrittlement and deterioration of weldability. Therefore, the appropriate content of Mn is 0.7% or less.
[0028]
In order to improve the long-term creep strength, the Mn content is desirably suppressed to 0.5% or less. This is because the amount of solid solution of W and Mo increases. To make the most of this effect, the Mn content is more desirably less than 0.35%.
[0029]
3 and 4 show some of the test data of the examples described later (steel No. is steel No. in Table 1 described later). As is clear from FIG. 3, the creep strength of steel with a higher Mn content is lower. On the other hand, in FIG. 4, the higher the Mn content of the steel, the smaller the amount of solid solution [W + Mo]. 3 and 4, it can be seen that the amount of solid solution [W + Mo] can be increased by reducing the Mn content, and thus the long-term creep strength can be increased.
[0030]
Cr: 1.5-3%
Cr is an essential element for improving the oxidation resistance and high-temperature corrosion resistance of low alloy steel. To increase the tensile strength or creep strength at a high temperature such as 500 to 600 ° C., a Cr content of 1.5% or more is required. On the other hand, if the Cr content exceeds 3%, toughness and weldability are deteriorated, and the material cost is increased, and the characteristics of the low alloy steel are impaired. Therefore, the proper content of Cr is 1.5 to 3%. The desirable Cr content is 2-3%, and the most desirable is 2.2-2.7%.
[0031]
Mo: 0.01 to 0.5%
Mo is an element having the functions of solid solution strengthening and precipitation strengthening like W. Although its effect is smaller than that of W, even a very small amount prevents grain boundary embrittlement and does not impair ductility even with a high-strength material. It is also effective in improving low-temperature toughness and weldability. However, if it is less than 0.01%, the effect cannot be expected. If it exceeds 0.5%, toughness and workability are impaired. Therefore, the appropriate content of Mo is 0.01 to 0.5%. More preferred is 0.03-0.3%, most preferred is 0.05-0.15%.
[0032]
W: 1-3%
W is an element having the functions of solid solution strengthening and precipitation strengthening, similar to Mo, but since diffusion is slower than that of Mo, the solid solution state continues for a long time, and the solid solution strengthening action is maintained for a long time. For this reason, it is effective in improving temper softening resistance and improving long-time creep strength. Further, coarsening of carbides containing Cr, Fe, Mo, W and the like is suppressed. This is also because the diffusion of W is slow. However, if the W content is less than 1%, the above effects cannot be obtained. On the other hand, when the W content exceeds 3%, the steel is hardened significantly, and toughness, workability, and weldability are impaired. Therefore, the proper content of W is 1 to 3%, preferably 1.3 to 2%, and more preferably 1.4 to 1.8%.
[0033]
The above contents of Mo and W are the average contents of the steel of the present invention. When the amount of solid solution [W + Mo] exceeds 0.9%, the creep strength is greatly improved. The presence of more than 1% of solid solution [W + Mo] is even more desirable. This will be described in detail later.
[0034]
V: 0.05-0.35%
V mainly combines with C to form MX (M represents W + Mo + V, X represents C, that is, carbon) type fine carbide, and contributes to improvement of creep strength. Further, V binds to C in preference to W and Mo, and therefore suppresses the formation of W and Mo carbides and suppresses a decrease in the amount of solid solution [W + Mo]. If it is less than 0.05%, this effect is not sufficient, and if it exceeds 0.35%, the high temperature strength and the creep strength are impaired, and the toughness and weldability are also reduced. Therefore, the appropriate content of V is 0.05 to 0.35%. Desirable is 0.1 to 0.28%, and more preferable is 0.18 to 0.25%.
[0035]
Nb: 0.01 to 0.1%
Nb combines with N and C to form an MX (M represents Nb, X represents C + N) type fine carbonitride, suppresses grain growth, contributes to improvement in high-temperature strength, and improves low-temperature toughness. Let it. If the Nb content is less than 0.01%, this effect cannot be expected. On the other hand, if the Nb content exceeds 0.1%, the strength is reduced due to abnormal grain growth, and a coarse nitride is formed, and the toughness is rather deteriorated. Therefore, the proper content of Nb is 0.01 to 0.1%. Desirable is 0.02 to 0.07%, and more preferable is 0.04 to 0.06%.
[0036]
N: 0.002 to 0.03%
N combines with Nb and C to form an MX (M represents Nb, X represents C + N) type fine carbonitride, suppresses grain growth, and, together with solid solution strengthening by solid solution N, increases the high temperature. It contributes to improvement in strength and low-temperature toughness. However, when the N content is less than 0.002%, the precipitation amount of MX is small, and the effects of suppressing grain growth, improving toughness, and improving high-temperature strength cannot be sufficiently obtained. On the other hand, N exceeding 0.03% forms a coarse nitride and rather deteriorates toughness. Therefore, the appropriate content of N is 0.002 to 0.03%.
[0037]
In order to increase the low-temperature toughness, it is necessary to suppress the coarsening of crystal grains by NbN. In order to effectively precipitate NbN, it is desirable to contain 0.004% or more and up to 0.01% of N. Even more desirable is a range from more than 0.005 to 0.01%.
[0038]
FIG. 7 is a plot of the relationship between the N content and the average crystal grain size of the steels of the examples described later (the steel No. in Table 1 is shown in the figure). It can be seen that if the N content is 0.004% or more, a desirable average crystal grain size of 150 μm or less can be obtained.
[0039]
B: 0.0001 to 0.02%
B improves the hardenability of the steel and improves the high-temperature strength and low-temperature toughness. Further, it stabilizes carbides for a long time and contributes to improvement of long-term creep strength. However, if the B content is less than 0.0001%, the above effects cannot be obtained. On the other hand, when the B content exceeds 0.02%, coarse carbides are formed on the grain boundaries, and the lack of W and Mo at the grain boundaries is promoted, and the toughness and weldability are rather deteriorated. Therefore, the appropriate content of B is 0.0001 to 0.02%. A more desirable content is 0.001 to 0.01%. More preferably, it is 0.003 to 0.004%.
[0040]
Al: 0.03% or less
Al is added as a deoxidizing agent. In addition, since Al combines with N to form a nitride, Al is effective in preventing coarsening of steel. However, when the Al content exceeds 0.03%, creep strength and workability are impaired. Therefore, the suitable content of Al is 0.03% or less, preferably 0.02% or less. More desirable is less than 0.01%. The Al content may be at a normal impurity level.
[0041]
The steel of the present invention can optionally contain the following components in addition to the above-described components, if necessary. When these components are not positively added, the lower limits of the contents are all normal impurity levels.
[0042]
Ti: 0.05% or less (desirable content when added is 0.002 to 0.05%)
Ti combines with Nb together with N to form an MX (M is Ti + Nb, X is N, ie, nitrogen) type nitride, increasing the high temperature strength of the steel. In order to surely obtain such an effect, the content is preferably 0.002% or more. However, when the Ti content exceeds 0.05%, the nitride coarsens, and the segregation of TiC induces abnormal grain growth and formation of a mixed grain structure. Therefore, when adding Ti, the appropriate range of the content is 0.002 to 0.05%. More preferably, it is 0.003 to 0.02%, and still more preferably 0.005 to 0.01%.
[0043]
Ni: 0.8% or less (desirable content when added is 0.1 to 0.5%)
Ni is an austenite stabilizing element and contributes to improvement in toughness, and therefore may be added as necessary. However, if the Ni content exceeds 0.8%, the long-term creep strength decreases, so that the Ni content should be kept to 0.8% or less even when Ni is added. Desirable is 0.5% or less, and more desirable is 0.3% or less. When Ni is added in order to obtain the above effects, the lower limit of the content is preferably set to 0.1%.
[0044]
Cu: 0.5% or less (desirable content when added is 0.1-0.3%)
Cu is also an austenite stabilizing element like Ni, and contributes to improvement in toughness. Therefore, Cu can be added instead of Ni, or together with Ni, or each alone as needed. However, when the Cu content exceeds 0.5%, tempering embrittlement is likely to occur. Therefore, even if it is added positively, its content should be 0.5% or less. Desirable is 0.3% or less. When Cu is added to obtain the above effects, the lower limit of the content is preferably set to 0.1%. It is desirable that Cu be used in combination with Ni.
[0045]
Mg, Ca, Zr: 0.05% or less for each (desirable contents when added are 0.0005 to 0.05%, respectively)
These elements combine with the impurities P, S and O (oxygen) to suppress their undesired effects and improve the toughness of the steel. In any case, if the content is less than 0.0005%, the effect is not remarkable. Therefore, it is preferable that the content is 0.0005% or more. However, if the content of each exceeds 0.05%, the number of inclusions increases, and on the contrary, the toughness is impaired. Therefore, even when they are added, their contents should be 0.05% or less, and when two or more of these elements are used, the total content is preferably 0.05% or less. Desirable is 0.01% or less. If no addition is made, the lower limit is the impurity level.
[0046]
The essential components and optional components of the steel of the present invention are as described above. The balance is Fe and impurities, but P and S among the impurities impair the toughness and creep ductility of steel in particular. The allowable upper limit of P is 0.03%, and that of S is 0.015%.
[0047]
(B) Metal structure and others
(B) -1. (Lath width or / and subcrystal grain size: 3 μm or less)
The structure of the low alloy heat-resistant steel of the present invention basically comprises bainite or martensite or a mixed structure thereof. It may also contain a small amount of ferrite generated during tempering.
[0048]
FIG. 10 is a diagram showing an example of the metallographic structure of the steel of the present invention (No. 1 steel shown in Table 1 below). As shown in the figure, lath or ferrite subcrystal is the minimum unit constituting bainite, martensite and their tempered structures. If the average of these is larger than 3 μm, the tempering softening resistance is reduced and the high temperature strength is significantly reduced. Therefore, when high-temperature strength is particularly important, the average lath width in the tempered structure of bainite and / or martensite is 3 μm or less, and when ferrite is included, the average of the subcrystal grain size is 3 μm or less. Need to be smaller. Desirably, each is 2 μm or less, and more preferably, 1 μm or less.
[0049]
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the average value of the lath width (and subcrystal grain size) and the high-temperature strength of the steel (the steel shown in Table 1) of Examples described later. As is clear from this figure, the smaller the lath width (and the sub-crystal grain size), the higher the high-temperature strength.
[0050]
The following methods are available for reducing the lath width of martensite and bainite and the grain size of sub-crystal grains of ferrite.
[0051]
{Circle around (1)} A method in which the contents of W and Mo are increased to make the dislocations less likely to move, thereby suppressing the movement of the lath interface and grain boundaries.
[0052]
{Circle around (2)} A method of suppressing grain growth by utilizing the pinning effect of MX carbonitride (M is Ti, Nb, X is C, N).
[0053]
Specifically, the steel of the present invention can be manufactured by the following manufacturing method. That is, after heating a raw material (a billet, a slab, or the like) to, for example, 1,100 ° C. or more, processing at 20% or more at an austenite temperature is performed, and the material is cooled to 300 ° C. or less, and thereafter, 1,000 ° C./h or less A predetermined austenitizing temperature (Ac1And a temperature of 1,150 ° C. or less is desirable). Next, at the temperature rising rate of 1,000 ° C./h or less, “Ac1Point -50 ° C ”to Ac1A predetermined tempering is performed by heating to a tempering temperature up to the point.
[0054]
In order to obtain the structure defined by the present invention, it is particularly important to adjust the temperature increase rate during normalizing and tempering. This is because, in part, fine MX carbonitrides (M is Ti, Nb, X is C, N) are precipitated in the course of temperature rise during normalizing, and coarse austenite is formed. In order to suppress the formation of carbonitrides, in the second step, a carbonitride MX mainly composed of V (M is V, X is C, N) is precipitated during the temperature raising process during tempering, and martensite or / and bainite lath and ferrite are precipitated. This is for suppressing coarsening of the sub-crystal grains. The above effects cannot be obtained at a high temperature rising rate exceeding 1,000 ° C./h in both normalizing and tempering. A desirable heating rate is 500 to 700 ° C./h.
[0055]
The coarsening of laths and sub-crystal grains occurs particularly during tempering. Therefore, in order to obtain the above effects, it is important to suppress the precipitation of W and Mo during tempering as much as possible, to increase the amount of solid solution [W + Mo], and to make the MX carbonitride finer. . For this purpose, it is desirable to adjust the temperature rise rate during the heat treatment as described above together with the adjustment of the components.
[0056]
(3) Solid solution [W + Mo] amount: amount exceeding 0.9%
This is a condition to be provided especially when long-term creep strength is required. In a low alloy steel having a Cr content of 3% or less, W and Mo precipitate as carbides during long-term use. However, long-term creep strength is maintained by keeping a large amount of W and Mo in a solid solution state for as long as possible. And the creep ductility is improved. Specifically, within the normal life of a boiler (for example, 20 years), it is necessary to secure the amount of solid solution [W + Mo] to about 0.5% or more even during use. In order to secure the amount of solid solution [W + Mo] of steel in use to 0.5% or more, the amount of solid solution [W + Mo] in a product (for example, a boiler tube) before use is 0.9% (desirably). Must exceed 1%). If it is 0.9% or less, the amount of solid solution [W + Mo] is reduced to less than 0.5% during use, and the creep strength is greatly reduced.
[0057]
FIG. 2 shows the relationship between the solid solution [W + Mo] before use and the creep strength at 575 ° C. × 100,000 hours of the steel (the steel shown in Table 1) in Examples described later.
[0058]
The amount of solid solution [W + Mo] can be determined, for example, by extracting only the precipitate by the extraction residue method, performing quantitative chemical analysis, and subtracting the extraction residue amount from the total amount of W and Mo contained in the steel.
[0059]
The amount of solid solution [W + Mo] exceeding 0.9% can be ensured by the above production conditions. It is particularly important to set the tempering temperature to "Ac1Point -50 ° C ”to Ac1The range is up to the point. Even when the temperature is lower or higher than this temperature range, the amount of solid solution [W + Mo] decreases.
[0060]
(4) Average crystal grain size: 5 μm or more, or 150 μm or less
In particular, when long-term creep strength is required, it is necessary to ensure the amount of the solid solution [W + Mo] and to make the average crystal grain size 5 μm or more. In the low alloy heat-resistant steel, if the average crystal grain size is less than 5 μm, the creep strength decreases. Therefore, the average crystal grain size needs to be 5 μm or more. It is preferably at least 20 μm, more preferably at least 40 μm.
[0061]
FIG. 5 is a diagram in which test data of Examples described later are arranged in relation to the average particle size and the creep strength. As shown, steel having a crystal grain size of 5 μm or more, particularly 40 μm or more shows high creep strength (for details, see Table 2 in Examples).
[0062]
On the other hand, for improving low-temperature toughness, a fine-grained structure is better. If the average crystal grain size exceeds 150 μm, the toughness is remarkably deteriorated.
[0063]
FIG. 6 is a diagram in which the data of Examples described later are arranged in relation to the average crystal grain size and the impact value. It is clear that the impact value is significantly increased at a particle size of 150 μm or less, particularly at 80 μm or less. Therefore, when importance is placed on low-temperature toughness, the average crystal grain size should be 150 μm or less, preferably 100 μm or less. It is more preferable that the thickness be 80 μm or less.
[0064]
As described above, in order to increase the long-term creep strength, the average crystal grain size is desirably 5 μm or more. Therefore, in order to combine long-term creep strength and low-temperature toughness, the average crystal grain size should be 5 to 150 μm, preferably 20 to 100 μm, and more preferably 40 to 80 μm.
[0065]
(5) Amount of solid solution [W + Mo] on grain boundaries: 0.4% or more
This is a condition to be prepared especially when importance is attached to low-temperature toughness.
[0066]
As schematically shown in FIG. 9, in the case of a Cr-containing low alloy, a depletion layer in which the concentration of Cr, W, Mo, V, etc. is locally reduced may be formed at the grain boundary. The layers result in poor low temperature toughness.
[0067]
FIG. 8 summarizes the data of Examples described later in relation to the amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundary and the impact value. When the solid solution [W + Mo] on the grain boundary is less than 0.4%, the impact value is remarkably low. Therefore, when low-temperature toughness is emphasized, the amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundary is desirably 0.4% or more.
[0068]
The amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundary means an average value of the amount of solid solution [W + Mo] within a range of ± 0.5 μm across the grain boundary. It can be measured using:
[0069]
The control of the amount of solid solution [W + Mo] on the grain boundaries as described above can be realized by adjusting the tempering time and temperature according to the steel composition. Desirable tempering conditions are “Ac1Point -50 ° C ”to Ac1Is maintained for 0.5 to 1 hour within the range up to the point.
[0070]
【Example】
1. Test method
Ingots obtained by melting and casting each steel having a chemical composition shown in Table 1 in a 50 kg vacuum melting furnace were forged at 1150 to 950 ° C., and processed by 75 to 85% to obtain plates having a thickness of 20 mm.
[0071]
The heat treatment conditions for each steel are as follows.
[0072]
Steel No. 1 to 18:
Normalization: heating to 1,000 to 1,100 ° C. at a heating rate of 500 ° C./h, holding for 30 minutes, and air cooling to room temperature.
[0073]
Tempering: heating to 750-790 ° C. at a heating rate of 500 ° C./h, holding for a predetermined time determined by the following tempering parameters, and then air cooling to room temperature.
[0074]
Steel 7-1:
Normalization: Heated at a rate of 1,000 ° C / h to 1,050 ° C, held for 30 minutes, and air-cooled to room temperature.
Tempering: 800 ° C (Ac) at a heating rate of 500 ° C / h1(Point + 5 ° C.) and maintained for a predetermined time determined by the following tempering parameters, and then air-cooled to room temperature.
[0075]
Steels 2-2 and 16-1:
Normalization: heating to 10,000 deg. C. at a heating rate of 10,000 deg./h, holding for 30 minutes, and air cooling to room temperature.
[0076]
Tempering: 650 ° C at a heating rate of 500 ° C / h (Ac1(Point -145 ° C.), hold for a predetermined time determined by the following tempering parameters, and air-cool to room temperature.
[0077]
The holding time of the tempering process is a tempering parameter, TP [TP = (T + 273) logt + 20). Here, T is the temperature (° C.) and t is the time (h)] was adjusted in the range of 21,000 to 21,300.
From the steel sheets thus obtained, a test piece for extracting extraction residue, a creep rupture test piece, a Charpy impact test piece, and a constant load tensile test piece were sampled and subjected to the following tests.
[0078]
(1) Measurement of the amount of solid solution [W + Mo]:
Electrolyte solution: 10% acetylacetone-methanol solution
Current density: 20 mA / cm2
Dissolution amount: 0.4 g
The W content and the Mo content in the extraction residue collected under the above conditions were defined as the amount of precipitation, and the difference from the total amount of W and Mo in the steel was defined as the amount of dissolved W and the amount of dissolved Mo.
[0079]
(2) High temperature tensile test: JIS G0567
Test piece: φ6mm x GL 30mm
Test temperature: 575 ° C
(3) Creep rupture test: JIS Z2272
Test piece: φ6mm x GL 30mm
Test temperature: 500-650 ° C
Load stress: 50 to 350 MPa
Under the above conditions, data up to a maximum of 15,000 hours were collected and extrapolated from the average value of creep rupture strength at 575 ° C. × 100,000 hours. Further, the difference between the average strength at 10,000 hours and the average strength at 100 hours at 575 ° C. was determined to evaluate the stability of the long-term creep strength.
[0080]
(4) Charpy impact test:
Test piece: 10 mm x 10 mm x 55 mm, 2 mm V notch
Test temperature: 0 ° C
(5) Measurement of concentration of solid solution [W + Mo] at grain boundaries:
It was measured by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) using a transmission electron microscope. Ten points were analyzed at a pitch of 0.1 μm in a range of ± 0.5 μm across the grain boundary, and the minimum value of the amount of [W + Mo] therein was defined as the concentration of solid solution [W + Mo].
[0081]
(6) Measurement of particle size:
The grain size of 100 prior austenite grains was measured for each steel and evaluated by the average value.
2. Test results
Table 2 shows the test results. The test results are summarized below.
[0082]
(1) The chemical compositions of all steels shown in Table 1 are within the range specified by the present invention. Some of them satisfy one or more of the following conditions (1) to (3).
[0083]
Condition (1): The average of the lath width of bainite, the lath width of martensite, and the grain size of ferrite subcrystals are 3 μm or less.
[0084]
Condition (2): Solid solution [W + Mo] exceeds 0.9% and average particle diameter is 5 μm or more.
[0085]
Condition (3): The solid solution [W + Mo] on the grain boundary is 0.4% or more and the average particle size is 150 μm or less.
[0086]
(2) Steel No. Since steels other than 2-2 and 16-1 all satisfy condition (1), they have particularly high high-temperature strength exceeding 400 MPa at 575 ° C.
[0087]
(3) Steels satisfying the condition (2) (Steel Nos. 1, 2, 3 to 7, 8 to 11, 14, 16, and 17) have an average strength at 575 ° C. × 100,000 hours exceeding 100 MPa. That is, it has a particularly high creep strength. The difference between the creep rupture strength at 575 ° C. × 100 hours and the creep rupture strength at 575 ° C. × 10,000 hours is 90 MPa or less, and the long-term creep strength is extremely stable.
[0088]
(4) Steels satisfying the condition (3) (steels other than Nos. 14, 16, and 17) are No.s that do not satisfy the condition (3). Impact properties superior to steels 14, 16, and 17 (250 J / cm2Impact value).
[0089]
(5) Steel No. satisfying all of conditions (1) to (3). 1, 2, 3 to 7, 8 to 12 and 15 are remarkably excellent in all of high-temperature strength, long-term creep strength and low-temperature toughness.
[0090]
[Table 1]
Figure 0003570379
[Table 2]
Figure 0003570379
【The invention's effect】
As is clear from the test results of the examples, the steel of the present invention has excellent overall properties as a heat-resistant material due to the proper content of alloy components. In addition, the high-temperature strength, long-term creep strength and / or low-temperature toughness are particularly greatly improved.
[0091]
The steel of the present invention is an inexpensive low-alloy steel having a Cr content of 1.5 to 3%, but has the above-mentioned excellent characteristics, and thus can be used in place of an austenitic heat-resistant steel or a high Cr heat-resistant steel. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an average value of lath width (and subcrystal grain size) and high-temperature strength.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of solid solution [W + Mo] and creep strength.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between Mn content and creep strength.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the Mn content and the amount of solid solution [W + Mo].
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an average crystal grain size and creep strength.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an average crystal grain size and a Charpy impact characteristic.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between N content and average crystal grain size.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the solid solution [W + Mo] concentration at the grain boundary and the impact value.
FIG. 9 is a diagram schematically showing a concentration distribution of W and Mo at a crystal grain boundary.
FIG. 10 is a microstructure diagram illustrating an example of a metal structure of the steel of the present invention.

Claims (8)

質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、ベイナイトのラス幅、マルテンサイトのラス幅およびフェライト亜結晶粒の粒径の平均が3μm以下であることを特徴とする高温強度に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: contains 0.05% or less, with the balance being Fe and impurities, wherein the average of the lath width of bainite, the lath width of martensite, and the grain size of ferrite sub-crystal grains is 3 μm or less. Excellent low alloy heat resistant steel. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均結晶粒径が5μm以上である長時間クリープ強度に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: a low alloy containing 0.05% or less, the balance being Fe and impurities, having a solid solution [W + Mo] of more than 0.9%, and having an average crystal grain size of 5 μm or more and having excellent long-term creep strength. Heat resistant steel. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、粒界上の固溶[W+Mo]が0.4質量%以上で、かつ平均結晶粒径が150μm以下である低温靱性に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: contains 0.05% or less, the balance consists of Fe and impurities, and the solid solution [W + Mo] on the grain boundary is 0.4% by mass or more and the average crystal grain size is 150 μm or less, and has excellent low-temperature toughness. Low alloy heat resistant steel. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、ベイナイトのラス幅、マルテンサイトのラス幅およびフェライト亜結晶粒の粒径の平均が3μm以下であること、ならびに固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均結晶粒径が5μm以上であることを特徴とする高温強度および長時間クリープ強度に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: 0.05% or less, the balance being Fe and impurities, the average of the lath width of bainite, the lath width of martensite, and the grain size of ferrite sub-crystal grains is 3 μm or less, and solid solution [W + Mo Is excellent in high-temperature strength and long-time creep strength, characterized by having a mean crystal grain size of 0.9% or more and an average crystal grain size of 5 μm or more. Alloy heat-resistant steel. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、ベイナイトのラス幅、マルテンサイトのラス幅およびフェライト亜結晶粒の粒径の平均が3μm以下であること、ならびに粒界上の固溶[W+Mo]が0.4質量%以上で、かつ平均結晶粒径が150μm以下である高温強度および低温靱性に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: 0.05% or less, the balance being Fe and impurities, the average of the lath width of bainite, the lath width of martensite and the grain size of ferrite sub-crystal grains is 3 μm or less, and Low alloy heat-resistant steel excellent in high-temperature strength and low-temperature toughness having a solid solution [W + Mo] of 0.4% by mass or more and an average crystal grain size of 150 μm or less. . 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均結晶粒径が5μm以上、150μm以下であること、および粒界上の固溶[W+Mo]が0.4質量%以上であることを特徴とする長時間クリープ強度および低温靱性に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: contains 0.05% or less, the balance consists of Fe and impurities, the solid solution [W + Mo] exceeds 0.9%, and the average crystal grain size is 5 μm or more and 150 μm or less, and A low-alloy heat-resistant steel excellent in long-term creep strength and low-temperature toughness, characterized in that the solid solution [W + Mo] of the steel is 0.4% by mass or more. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下およびCu:0.5%以下の1種または2種、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、ベイナイトのラス幅、マルテンサイトのラス幅およびフェライト亜結晶粒の粒径の平均が3μm以下であること、固溶[W+Mo]が0.9%を超え、かつ平均結晶粒径が5μm以上、150μm以下であること、および粒界上の固溶[W+Mo]が0.4質量%以上で、かつ平均結晶粒径がであることを特徴とする高温強度、長時間クリープ強度および低温靱性に優れた低合金耐熱鋼。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, one or two kinds, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: 0.05% or less, the balance being Fe and impurities, the average of the lath width of bainite, the lath width of martensite, and the grain size of ferrite sub-crystal grains is 3 μm or less. The solid solution [W + Mo] exceeds 0.9%, the average crystal grain size is 5 μm or more and 150 μm or less, and the solid solution [W + Mo] o] is 0.4 mass% or more, and high-temperature strength, wherein the average crystal grain size is, low alloy heat-resistant steel having excellent long-term creep strength and low temperature toughness. 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.7%以下、Mn:0.7%以下、Cr:1.5〜3%、Mo:0.01〜0.5%、W:1〜3%、V:0.05〜0.35%、Nb:0.01〜0.1%、N:0.002〜0.03%、B:0.0001〜0.02%、Al:0.03%以下、Ti:0.05%以下、Ni:0.8%以下、Cu:0.5%以下、Mg:0.05%以下、Ca:0.05%以下、Zr:0.05%以下を含み、残部はFe及び不純物からなる鋼をオーステナイト温度域で加工した後、300℃以下に冷却し、その後1,000℃/h以下の昇温速度でオーステナイト温度域まで加熱して焼ならしを行い、次いで1,000℃/h以下の昇温速度で「Ac点−50℃」からAc点までの温度域に加熱して焼戻しすることを特徴とする請求項1から7までのいずれかに記載の耐熱鋼の製造方法。In mass%, C: 0.03 to 0.15%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.7% or less, Cr: 1.5 to 3%, Mo: 0.01 to 0.5% , W: 1 to 3%, V: 0.05 to 0.35%, Nb: 0.01 to 0.1%, N: 0.002 to 0.03%, B: 0.0001 to 0.02 %, Al: 0.03% or less, Ti: 0.05% or less, Ni: 0.8% or less, Cu: 0.5% or less, Mg: 0.05% or less, Ca: 0.05% or less, Zr: steel containing 0.05% or less, with the balance being Fe and impurities, processed in the austenitic temperature range, then cooled to 300 ° C or less, and then at an austenite temperature range of 1,000 ° C / h or less. until heated performed normalizing baked, then heated to a temperature range at 1,000 ° C. / h less heating rate from "Ac 1 point -50 ° C." to Ac 1 point Method for producing a heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the tempering Te.
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