JP4026228B2 - マルテンサイト系耐熱鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系耐熱鋼の改良に関し、この鋼で製造した耐熱機械部品を包含する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、マルテンサイト系耐熱鋼は、蒸気タービンの部品や内燃機関の吸気バルブなどの材料として広く用いられている。 マルテンサイト系耐熱鋼はオーステナイト系耐熱鋼に比べて安価であるから、大いに使用したいところであるが、高温で使用しているうちに焼戻しが起こるため、最高使用温度が約６００℃とされている。 これを高めることができれば、これまでオーステナイト系耐熱鋼を使用していた用途にも向けることができ、部品の素材コストの低減が図れる。
【０００３】
発明者らは、吸気バルブや高温ボルトなどに好んで用いられているＪＩＳ耐熱鋼ＳＵＨ１１やＳＵＨ３を基礎的な材料とし、これにＭｏ，Ｗ，Ｎｂ＋Ｔａ，Ｖなどを適量添加して焼戻し軟化抵抗を高めた鋼が、本来の諸特性を維持した上で、７００℃での連続的な使用に耐えられることを見い出した。 さらに、Ｎｂ＋Ｔａの添加により高温でも安定な炭化物が形成され、高温鍛造時や焼き入れ時の結晶粒の粗大化が抑制され、それによって靭性の低下が防止できることをも確認した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した発明者らが得た新しい知見に基づいて、既知のマルテンサイト系耐熱鋼がもつ諸物性を維持したうえで耐熱性を向上させ、連続使用の最高温度を従来の６００℃から７００℃に高めたマルテンサイト系耐熱鋼を提供し、オーステナイト系耐熱鋼の用途の一部を置き換えることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、基本的には、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満およびＣｒ：７．５〜１３．０％に加えて、Ｍｏ：１．０〜３．０％およびＷ：１．０〜３．０％の１種または２種を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する。
【０００６】
この耐熱鋼を素材とする本発明の耐熱機械部品は、上記のマルテンサイト系耐熱鋼を機械部品形状に成形し、焼き入れ・焼き戻し処理を施してなるものであって、７００℃で連続的に使用してもHＲC３０以上の硬さを保持する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、上記の基本的な合金成分に加えて、つぎのグループの１種または２種の添加元素を含有することができる：
１）Ｎｂ＋Ｔａ：０．1〜１．０％および
２）Ｓ：０．１％以下。
【０００８】
前記の必須合金元素および任意添加元素のそれぞれの作用と組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【０００９】
Ｃ：０．３５〜０．６０％
焼入れ・焼戻し後のマトリクスの強度を確保し、かつＣｒやＭｏ、Ｗと炭化物を形成して高温強度を高める上で必須である。 この効果を確実なものにするには、０．３５％以上の添加を要する。 あまり多量になると靭性が低下するので、０．６０％以下の添加量とする。
【００１０】
Ｓｉ：１．０〜２．５％
脱酸剤として役立つとともに、耐酸化性および高温強度の向上に有効であるから、１．０％以上の比較的多量を添加する。 添加量が過大になると靭性および被削性が劣るので、２．５％までの添加に止めるが、好ましい添加量は１．５〜２．５％である。。
【００１１】
Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満
脱酸剤および脱硫剤として有用であり、かつ焼入れ性を向上させて強度の増大に寄与する。 少なくとも０．１％は必要であるが、熱間加工性や耐酸化性を悪くしないよう、１．５％未満の添加量をえらぶ。 １．０％までの添加が好ましい。
【００１２】
Ｃｒ：７．５〜１３．０％
耐熱鋼にとって不可欠な元素であり、耐酸化性、耐食性、高温強度の向上にも役立つ。 これらの効果を確実にするために７．５％以上を添加する。 一方で、多量の添加は靭性を低下させるため、１３．０％の上限をおいた。
【００１３】
Ｍｏ：１．０〜３．０％およびＷ：１．０〜３．０％の１種または２種
Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％
Ｍｏは焼入れ性を高めるのみならず、焼戻し軟化抵抗を向上させ、Ａ1 変態点を高くする。 焼戻し時にＭ7Ｃ3や Ｍ2Ｃ等の炭化物を形成して、高温強度を増大させる。 多量に添加すると熱間加工性と耐酸化性を損なう。 そのうえ、Ｍｏは高価である。 Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性と焼戻し軟化抵抗を高め、Ａ1 変態点を高くする。 焼戻し時にＭ7Ｃ3や Ｍ2Ｃ等の炭化物を形成して高温強度を増大させる点はＭｏと同じであり、多量に添加すると熱間加工性を損なうことも共通である。 こうした理由で、それぞれ１．０％を添加量の下限、３．０％を上限とするとともに、併用の場合の上限を上記のように定めた。
【００１４】
任意に添加する合金成分の働きを組成範囲の限定理由を、つぎに述べる。
【００１５】
Ｎｂ＋Ｔａ：０．１〜１．０％
鋼中のＣおよびＮと化合して炭化物（Ｎｂ，Ｔａ）Ｃや窒化物（Ｎｂ，Ｔａ）Ｎを形成し、高温強度の向上に寄与する。 この効果を確保するには、０．１％以上の添加を要する。 炭化物は高温まで安定に存在して、鍛造時や焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防止する。 そのことはもちろん靭性の向上に役立つが、過剰に添加するとかえって靭性を損ない、焼入れ硬さを低下させるから、１．０％を添加量の上限とする。
【００１７】
Ｓ：０．１０％以下
被削性の改善に有効であって、耐熱鋼の用途によっては適宜添加することが推奨される。 ただし、多量の添加は熱間加工性や疲労強度を低下させるから、上記の限界０．１０％以下の添加量をえらぶ。
【００１８】
【実施例】
表１に示す合金組成をもつマルテンサイト系耐熱鋼を高周波誘導炉で溶製し、インゴットを得た。
【００１９】
表１
Ｎｏ． Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｍｏ Ｗ Ｎｂ＋Ｔａ Ｓ
実施例
１ 0.42 1.88 0.54 8.62 1.97 − − −
２ 0.46 2.03 0.69 11.21 1.05 2.12
３ 0.45 2.00 0.81 10.97 1.01 2.08 − 0.05
４ 0.50 2.15 0.62 9.06 2.24 − 0.27
５ 0.53 1.72 0.81 12.10 1.57 1.29 0.16 −
６ 0.44 2.07 0.98 8.45 1.66 1.21 0.19 0.06
比較例
ＳＵＨ３ 0.39 1.92 0.56 0.34 0.88 − − −
ＳＵＨ 11 0.51 1.78 0.52 7.73 − − − −
各インゴットを１１５０℃で３時間保持し、引き続き１１５０〜９５０℃の温度範囲で鍛造、圧延して、直径１６mmの丸棒とした。この丸棒を１０５０℃×３０分油冷の条件で焼入れし、その後７５０℃×１時間空冷の焼戻しをした。以上の熱処理を施した丸棒から、以下の試験方法により諸特性を評価した。
【００２０】
〈焼戻し硬さ〉
ロックウエル硬さ試験片（直径１６mm、厚さ１０mm）を切り出し、室温でロックウエル硬さを測定
〈高温硬さ〉
高温硬さ試験片（直径１０mm、厚さ５．５mm）を切り出し、７００℃におけるビッカース硬さ（荷重５kg）を測定
〈引張り特性〉
引張り試験片（ＪＩＳ４号）を切り出し、７００℃における引張り強度、伸びおよび絞りを測定
〈疲労強度〉
回転曲げ疲労試験片（直径６mm）を切り出し、７００℃における１０7 回疲労強度を測定
〈耐酸化性〉
酸化試験片（直径７mm、長さ１５mm）を切り出し、７００℃に設定した加熱炉に入れ５０時間保持した後の酸化減量を測定
〈被削性〉
実施例Ｎｏ．３，９および１０と、比較例のＳＵＨ３とについて、ボルト切削時の工具寿命を比較。
【００２１】
上記の試験のデータを、焼戻し硬さおよび高温硬さについては表２に、引張り特性、疲労強度、耐酸化性および被削性については表３に、それぞれ示す。 被削性は、比較例のＳＵＨ３のデータを１．０としたときの相対値である。
【００２２】
表２
Ｎｏ． ７５０℃焼戻し後の ７００℃高温
室温硬さ（ＨＲＣ） 硬さ（ＨＶ）
実施例
１ ３５．３ ２４４
２ ３６．１ ２５３
３ ３５．９ ２４６
４ ３７．０ ２５９
５ ３７．８ ２６６
６ ３５．７ ２４７
比較例
ＳＵＨ３ ２８．２ ２０３
ＳＵＨ 11 ２４．８ １７１
表３
Ｎｏ． 700℃引張り特性 700℃107回 700℃50時間 被削性
引張り強さ 伸び 絞り 疲労強度 加熱後酸化減量 (工具
（ＭＰａ） （％） （％） （ＭＰａ） （ mg/cm 2 ） 寿命 )
実施例
１ ３２１ ４０ ８３ １６７ ０．２２
２ ３３６ ３８ ８０ １７２ ０．１８
３ ３２８ ３９ ８１ １６２ ０．３０ １．８
４ ３４０ ３７ ８０ １７２ ０．２４
５ ３４７ ３９ ８１ １７６ ０．１３
６ ３２４ ４１ ８４ １６７ ０．２１ １．９
比較例
SUH３ ２０８ ５２ ９３ １３７ ０．１４ １．０
SUH11 １８３ ６４ ９６ １３７ ０．２０
焼戻し軟化抵抗を確認するため、実施例のＮｏ．１，２，４および比較例のＳＵＨ３の試験片を、前記の条件で焼入れ・焼戻しした後、７００℃に１００時間まで保持して、硬さの変化を観察した。結果を図１に示す。
【００２３】
上記のデータから、本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、既知の材料より、焼戻し硬さ、高温硬さ、疲労強度および引張り強度において優れていること、および、高温での連続使用に耐えることがわかる。 延性および耐酸化性も劣らないといえる。 被削性を高めた合金組成のものは、既存の鋼よりも機械加工が容易である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の耐熱鋼は、既存のマルテンサイト系耐熱鋼の諸物性を損なうことなく耐熱性を向上させ、従来は連続使用の場合の最高温度が６００℃止まりであったものを７００℃まで高めることに成功した。 この改善に伴う原料費の増加は僅かであって、オーステナイト系耐熱鋼に比べて安価であるというマルテンサイト系耐熱鋼の有利さは失われていない。 このようにして本発明は、マルテンサイト系耐熱鋼の用途を拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例のデータであって、焼入れ・焼戻しした耐熱鋼を７００℃に保持したときの硬さの時間変化を示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系耐熱鋼の改良に関し、この鋼で製造した耐熱機械部品を包含する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、マルテンサイト系耐熱鋼は、蒸気タービンの部品や内燃機関の吸気バルブなどの材料として広く用いられている。 マルテンサイト系耐熱鋼はオーステナイト系耐熱鋼に比べて安価であるから、大いに使用したいところであるが、高温で使用しているうちに焼戻しが起こるため、最高使用温度が約６００℃とされている。 これを高めることができれば、これまでオーステナイト系耐熱鋼を使用していた用途にも向けることができ、部品の素材コストの低減が図れる。
【０００３】
発明者らは、吸気バルブや高温ボルトなどに好んで用いられているＪＩＳ耐熱鋼ＳＵＨ１１やＳＵＨ３を基礎的な材料とし、これにＭｏ，Ｗ，Ｎｂ＋Ｔａ，Ｖなどを適量添加して焼戻し軟化抵抗を高めた鋼が、本来の諸特性を維持した上で、７００℃での連続的な使用に耐えられることを見い出した。 さらに、Ｎｂ＋Ｔａの添加により高温でも安定な炭化物が形成され、高温鍛造時や焼き入れ時の結晶粒の粗大化が抑制され、それによって靭性の低下が防止できることをも確認した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した発明者らが得た新しい知見に基づいて、既知のマルテンサイト系耐熱鋼がもつ諸物性を維持したうえで耐熱性を向上させ、連続使用の最高温度を従来の６００℃から７００℃に高めたマルテンサイト系耐熱鋼を提供し、オーステナイト系耐熱鋼の用途の一部を置き換えることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、基本的には、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満およびＣｒ：７．５〜１３．０％に加えて、Ｍｏ：１．０〜３．０％およびＷ：１．０〜３．０％の１種または２種を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する。
【０００６】
この耐熱鋼を素材とする本発明の耐熱機械部品は、上記のマルテンサイト系耐熱鋼を機械部品形状に成形し、焼き入れ・焼き戻し処理を施してなるものであって、７００℃で連続的に使用してもHＲC３０以上の硬さを保持する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、上記の基本的な合金成分に加えて、つぎのグループの１種または２種の添加元素を含有することができる：
１）Ｎｂ＋Ｔａ：０．1〜１．０％および
２）Ｓ：０．１％以下。
【０００８】
前記の必須合金元素および任意添加元素のそれぞれの作用と組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【０００９】
Ｃ：０．３５〜０．６０％
焼入れ・焼戻し後のマトリクスの強度を確保し、かつＣｒやＭｏ、Ｗと炭化物を形成して高温強度を高める上で必須である。 この効果を確実なものにするには、０．３５％以上の添加を要する。 あまり多量になると靭性が低下するので、０．６０％以下の添加量とする。
【００１０】
Ｓｉ：１．０〜２．５％
脱酸剤として役立つとともに、耐酸化性および高温強度の向上に有効であるから、１．０％以上の比較的多量を添加する。 添加量が過大になると靭性および被削性が劣るので、２．５％までの添加に止めるが、好ましい添加量は１．５〜２．５％である。。
【００１１】
Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満
脱酸剤および脱硫剤として有用であり、かつ焼入れ性を向上させて強度の増大に寄与する。 少なくとも０．１％は必要であるが、熱間加工性や耐酸化性を悪くしないよう、１．５％未満の添加量をえらぶ。 １．０％までの添加が好ましい。
【００１２】
Ｃｒ：７．５〜１３．０％
耐熱鋼にとって不可欠な元素であり、耐酸化性、耐食性、高温強度の向上にも役立つ。 これらの効果を確実にするために７．５％以上を添加する。 一方で、多量の添加は靭性を低下させるため、１３．０％の上限をおいた。
【００１３】
Ｍｏ：１．０〜３．０％およびＷ：１．０〜３．０％の１種または２種
Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％
Ｍｏは焼入れ性を高めるのみならず、焼戻し軟化抵抗を向上させ、Ａ1 変態点を高くする。 焼戻し時にＭ7Ｃ3や Ｍ2Ｃ等の炭化物を形成して、高温強度を増大させる。 多量に添加すると熱間加工性と耐酸化性を損なう。 そのうえ、Ｍｏは高価である。 Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性と焼戻し軟化抵抗を高め、Ａ1 変態点を高くする。 焼戻し時にＭ7Ｃ3や Ｍ2Ｃ等の炭化物を形成して高温強度を増大させる点はＭｏと同じであり、多量に添加すると熱間加工性を損なうことも共通である。 こうした理由で、それぞれ１．０％を添加量の下限、３．０％を上限とするとともに、併用の場合の上限を上記のように定めた。
【００１４】
任意に添加する合金成分の働きを組成範囲の限定理由を、つぎに述べる。
【００１５】
Ｎｂ＋Ｔａ：０．１〜１．０％
鋼中のＣおよびＮと化合して炭化物（Ｎｂ，Ｔａ）Ｃや窒化物（Ｎｂ，Ｔａ）Ｎを形成し、高温強度の向上に寄与する。 この効果を確保するには、０．１％以上の添加を要する。 炭化物は高温まで安定に存在して、鍛造時や焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防止する。 そのことはもちろん靭性の向上に役立つが、過剰に添加するとかえって靭性を損ない、焼入れ硬さを低下させるから、１．０％を添加量の上限とする。
【００１７】
Ｓ：０．１０％以下
被削性の改善に有効であって、耐熱鋼の用途によっては適宜添加することが推奨される。 ただし、多量の添加は熱間加工性や疲労強度を低下させるから、上記の限界０．１０％以下の添加量をえらぶ。
【００１８】
【実施例】
表１に示す合金組成をもつマルテンサイト系耐熱鋼を高周波誘導炉で溶製し、インゴットを得た。
【００１９】
表１
Ｎｏ． Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｍｏ Ｗ Ｎｂ＋Ｔａ Ｓ
実施例
１ 0.42 1.88 0.54 8.62 1.97 − − −
２ 0.46 2.03 0.69 11.21 1.05 2.12
３ 0.45 2.00 0.81 10.97 1.01 2.08 − 0.05
４ 0.50 2.15 0.62 9.06 2.24 − 0.27
５ 0.53 1.72 0.81 12.10 1.57 1.29 0.16 −
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比較例
ＳＵＨ３ 0.39 1.92 0.56 0.34 0.88 − − −
ＳＵＨ 11 0.51 1.78 0.52 7.73 − − − −
各インゴットを１１５０℃で３時間保持し、引き続き１１５０〜９５０℃の温度範囲で鍛造、圧延して、直径１６mmの丸棒とした。この丸棒を１０５０℃×３０分油冷の条件で焼入れし、その後７５０℃×１時間空冷の焼戻しをした。以上の熱処理を施した丸棒から、以下の試験方法により諸特性を評価した。
【００２０】
〈焼戻し硬さ〉
ロックウエル硬さ試験片（直径１６mm、厚さ１０mm）を切り出し、室温でロックウエル硬さを測定
〈高温硬さ〉
高温硬さ試験片（直径１０mm、厚さ５．５mm）を切り出し、７００℃におけるビッカース硬さ（荷重５kg）を測定
〈引張り特性〉
引張り試験片（ＪＩＳ４号）を切り出し、７００℃における引張り強度、伸びおよび絞りを測定
〈疲労強度〉
回転曲げ疲労試験片（直径６mm）を切り出し、７００℃における１０7 回疲労強度を測定
〈耐酸化性〉
酸化試験片（直径７mm、長さ１５mm）を切り出し、７００℃に設定した加熱炉に入れ５０時間保持した後の酸化減量を測定
〈被削性〉
実施例Ｎｏ．３，９および１０と、比較例のＳＵＨ３とについて、ボルト切削時の工具寿命を比較。
【００２１】
上記の試験のデータを、焼戻し硬さおよび高温硬さについては表２に、引張り特性、疲労強度、耐酸化性および被削性については表３に、それぞれ示す。 被削性は、比較例のＳＵＨ３のデータを１．０としたときの相対値である。
【００２２】
表２
Ｎｏ． ７５０℃焼戻し後の ７００℃高温
室温硬さ（ＨＲＣ） 硬さ（ＨＶ）
実施例
１ ３５．３ ２４４
２ ３６．１ ２５３
３ ３５．９ ２４６
４ ３７．０ ２５９
５ ３７．８ ２６６
６ ３５．７ ２４７
比較例
ＳＵＨ３ ２８．２ ２０３
ＳＵＨ 11 ２４．８ １７１
表３
Ｎｏ． 700℃引張り特性 700℃107回 700℃50時間 被削性
引張り強さ 伸び 絞り 疲労強度 加熱後酸化減量 (工具
（ＭＰａ） （％） （％） （ＭＰａ） （ mg/cm 2 ） 寿命 )
実施例
１ ３２１ ４０ ８３ １６７ ０．２２
２ ３３６ ３８ ８０ １７２ ０．１８
３ ３２８ ３９ ８１ １６２ ０．３０ １．８
４ ３４０ ３７ ８０ １７２ ０．２４
５ ３４７ ３９ ８１ １７６ ０．１３
６ ３２４ ４１ ８４ １６７ ０．２１ １．９
比較例
SUH３ ２０８ ５２ ９３ １３７ ０．１４ １．０
SUH11 １８３ ６４ ９６ １３７ ０．２０
焼戻し軟化抵抗を確認するため、実施例のＮｏ．１，２，４および比較例のＳＵＨ３の試験片を、前記の条件で焼入れ・焼戻しした後、７００℃に１００時間まで保持して、硬さの変化を観察した。結果を図１に示す。
【００２３】
上記のデータから、本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、既知の材料より、焼戻し硬さ、高温硬さ、疲労強度および引張り強度において優れていること、および、高温での連続使用に耐えることがわかる。 延性および耐酸化性も劣らないといえる。 被削性を高めた合金組成のものは、既存の鋼よりも機械加工が容易である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の耐熱鋼は、既存のマルテンサイト系耐熱鋼の諸物性を損なうことなく耐熱性を向上させ、従来は連続使用の場合の最高温度が６００℃止まりであったものを７００℃まで高めることに成功した。 この改善に伴う原料費の増加は僅かであって、オーステナイト系耐熱鋼に比べて安価であるというマルテンサイト系耐熱鋼の有利さは失われていない。 このようにして本発明は、マルテンサイト系耐熱鋼の用途を拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例のデータであって、焼入れ・焼戻しした耐熱鋼を７００℃に保持したときの硬さの時間変化を示すグラフ。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満およびＣｒ：７．５〜１３．０％に加えて、Ｍｏ：１．０〜３．０％およびＷ：１．０〜３．０％の１種または２種を、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有するマルテンサイト系耐熱鋼。
- 請求項１に記載の合金成分に加えて、Ｎｂ＋Ｔａ：０．１〜１．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有するマルテンサイト系耐熱鋼。
- 請求項１または２に記載の合金成分に加えて、Ｓ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有するマルテンサイト系耐熱鋼。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の合金組成を有するマルテンサイト系耐熱鋼を機械部品形状に成形し、焼き入れ・焼き戻し処理を施してなり、７００℃で１００時間連続的に使用してもＨＲＣ３０以上の硬さを保持する耐熱機械部品。
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