JP4465490B2

JP4465490B2 - 析出硬化型フェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP4465490B2
Application number: JP05200599A
Authority: JP
Inventors: 正晃五十嵐; 政一宗木; 冨士雄阿部
Original assignee: National Institute for Materials Science; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000248341A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、析出硬化型フェライト系耐熱鋼に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、６５０℃を超える高温における長時間クリープ強度に優れ、しかも耐水蒸気酸化性の低下も少ない、発電用ボイラ・タービン、原子力発電設備、化学工業装置など高温、高圧下で操業される装置用材料のための熱交換用のボイラ関連鋼管あるいは圧力容器用の鋼板、タービン用材料等として有用な、新しいフェライト系耐熱鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来のボイラ用高Ｃｒフェライト鋼は、６００℃を超える高温での長時間クリープ強度が低いという問題がある。これは最終安定組織が、フェライト母相＋Ｍ₂₃Ｃ₆、あるいはＭ₆Ｃ＋ＭＸ＋Ｌａｖｅｓ相などの金属間化合物で、これら析出物による強化機構が高温では低下することが主因である。
【０００３】
上記の組織を有するフェライト鋼のクリープ強度を高めるためには、マルテンサイトラス粒内を強化する方法と、旧オーステナイト粒界、およびマルテンサイトラス界面を強化する方法が考えられるが、これまで粒内強化にはＭＸ、粒界・ラス界面強化にはＭ₂₃Ｃ₆、Ｌａｖｅｓ相等の金属間化合物の安定化が有効と考えられ、種々の合金設計が為されてきた。しかしながら、実際には、高温クリープ抵抗を飛躍的に向上させる方法は得られていなかった。
【０００４】
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの従来技術の限界を克服し、６５０℃を超えるような高温においても、長時間クリープ特性に優れた、新しい高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：０〜１．０％、Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％、但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１５％、Ｔａ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０〜０．１５％、Ｚｒ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％、Ｎ：０〜０．１０％、Ｂ：０〜０．０３０％、Ａｇ：０〜１．０％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５０％以下含有するとともに、Ｐｄ：０．０１〜５．０％、Ｐｔ：０．０１〜１０．０％の少なくとも１種を０．０１％≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で含有し、さらにＭｎ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも１種を合計で０．０１％≦Ｍｎ＋１／２Ｒｅ＋Ｒｕ＋１／２Ｏｓ≦５．０％含有している残部：Ｆｅおよび不可避の不純物からなる化学組成を有するフェライトあるいは焼き戻しマルテンサイト組織を有するフェライト系耐熱鋼であって、組織粒内に強磁性あるいは反強磁性を示す金属間化合物相が均一析出されていることを特徴とする高温長時間クリープ強度を有する析出硬化型フェライト系耐熱鋼（但し、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：０〜１．０％、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｎｂ：０．０３０〜０．１４％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎ：０〜０．１０％、Ｂ：０〜０．０３０％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．０５０％含有し、さらにＰｄおよびＰｔの少なくとも１種を合計で０．３〜５．０％含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼、および、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、Ｗ：０超〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｔａ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％、Ｎ：０．１０％以下、Ｂ：０〜０．０３％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５０％以下を含有し、さらにＰｄ：０〜５．０％およびＰｔ：０〜１０．０％の少なくとも１種を０．１≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼を除く）を提供する。
【０００７】
すなわち、この出願の発明者らは、粒内強化の全く新しい方法として、Ｌ１₀型あるいはＬ１₂型規則構造を有する金属間化合物の微細析出が極めて有効であることをすでに明らかにしたが、この出願の発明では、これまでの研究の過程で、ＦｅＰｄ基Ｌ１₀型金属間化合物は本来Ｆｅ−Ｐｄ２元系では規則−不規則変態温度Ｔｃが６５０℃、強磁性変態温度Ｔｍが４９０℃であるものが、ＰｄをＭｎ置換していくと、Ｔｃ、Ｔｍ何れも上昇し、それに伴い高温でのクリープ抵抗が向上できることが明らかとなったことに基づいている。
【０００８】
ＦｅＭｎは反強磁性を示すことが知られているが、通常高Ｃｒフェライト鋼ではＭｎ量を１０％程度まで高めてもＦｅＭｎとしては析出しない。ところが少量のＰｄ，Ｐｔ等と共存させることによって、Ｆｅ（Ｘ，Ｍｎ）（ＸはＰｄ，Ｐｔ）なる金属間化合物相を母相と整合性を有して微細分散析出することを見出した。この析出相は組成によって反強磁性、あるいは強磁性を示し、ＦｅＰｄのＴｃ，Ｔｍを著しく高める。
【０００９】
高Ｃｒフェライト鋼においては、これまで析出相の磁性と高温クリープ抵抗との研究例はなく、この出願の発明において、初めて強磁性、あるいは反強磁性を示す析出物が、クリープ抵抗を飛躍的に向上させることを明示することになる。
さらにＭｎだけでなくＲｅ，Ｒｕ，Ｏｓについても同様な効果が期待できることをもこの出願の発明は明らかにしているのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は以上のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
まず、この出願の発明のフェライト系耐熱鋼に含まれる各合金元素と鋼の特性との関係および各合金元素の含有量の範囲とその限定理由について説明する。
【００１１】
Ｃ：Ｃは重要なオーステナイト生成元素としてδ−フェライト相の抑制効果を有すると共に、鋼の焼き入れ性を著しく高めてマルテンサイト相母相を形成するのに用いられる元素である。さらにＭＣ型炭化物（ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の合金元素、ＭＸ型炭窒化物（ＭはＭＣの場合に同じ、Ｘ；（Ｃ、Ｎ）の形態をとることもある）、Ｍ₇Ｃ₃型炭化物（Ｍ；Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｗ等の合金元素）、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物（ＭはＭ₇Ｃ₃に同じ）、あるいはＭ₆Ｃ型炭化物を形成する。これらの炭化物は、この発明の耐熱鋼の特性に著しい影響を及ぼす。従来の高Ｃｒフェライト鋼は、通常、焼きならしおよび焼きもどし処理によって焼きもどしマルテンサイト組織として使用される。６３０℃を超えるような高温下で長時間使用される場合には、ＭＸ等の微細な炭化物の析出が進行する。これらの炭化物は、長時間クリープ強度を維持する働きをする。この炭化物の効果を得るためには、０．０６質量％（以下、化学組成の％表示は質量％）以上のＣが必要である。一方、Ｃ含有量が０．１８％を超えると、高温下で使用される際、初期段階から炭化物の凝集と粗大化が起こり、長時間のクリープ強度が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０６〜０．１８％が適当である。
【００１２】
Ｓｉ：Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤として用いられる。この外、高温における耐水蒸気酸化性を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰な場合は、鋼の靱性が低下するので、１％以下がよい。溶鋼が十分なＡｌ量で脱酸される場合には、特にＳｉを含む必要はない。
Ｍｎ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｏｓ：この発明の耐熱鋼においては、これらの元素がＰｄ，Ｐｔの一部を置換することによって強磁性、あるいは反強磁性を示すＦｅ（Ｐｄ，Ｘ）（Ｘ；Ｍｎ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｏｓ）で代表される金属間化合物相の析出が促進され、さらに強磁性変態温度が高温側へ移行する。その結果、耐熱鋼の高温クリープ抵抗が飛躍的に向上する。その効果は微量でも明らかであるが、これらの含有量は０．０１％≦Ｍｎ＋１／２Ｒｅ＋Ｒｕ＋１／２Ｏｓ≦５．０％とする。
【００１３】
Ｃｒ：Ｃｒは、この発明のフェライト系耐熱鋼の高温における耐食性、耐酸化性、特に耐水蒸気酸化性を確保するために、必要不可欠な元素である。Ｃｒを含有する場合には、鋼の表面にＣｒ酸化物を主体とする緻密な酸化皮膜が形成される。この酸化皮膜が、この発明のフェライト系耐熱鋼の高温における耐食性や耐酸化性、特に耐水蒸気酸化性を向上させる。また、Ｃｒは、炭化物を形成してクリープ強度を向上させる働きを持っている。これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有量８．０％以上が必要である。一方、１５．０％を超えると、δ−フェライトが生成しやすくなるので、靱性の低下が起こる。したがって、Ｃｒ含有量は８．０〜１５．０％とする。
【００１４】
Ｗ：Ｗは、この発明のフェライト系耐熱鋼において、クリープ強度を高める上で有効な元素の１つである。Ｗは、固溶状態にあってはマルテンサイト相母相を強化し、さらに鋼が高温下で使用される場合には、Ｆｅ₇Ｗ₆型のμ相、あるいはＦｅ₂Ｗ型のＬａｖｅｓ相などを主体とする金属間化合物を形成し、微細析出相を通して、長時間クリープ強度を向上させる。また、ＷはＭ₂₃Ｃ₆等のＣｒ炭化物中にも一部固溶し、炭化物の凝集、粗大化を抑制する働きがあるので、この発明のフェライト系耐熱鋼の高温における強度の維持にも有効な元素である。Ｗのこの効果を得るためには、微量添加では固溶強化、１％を超える添加では析出強化が顕著となる。一方、４．０％を超えるとδ−フェライトが生成しやすくなり、靱性が低下する。また、Ｍｏ（後述）と同時に添加する場合はその含有量をＷ＋２Ｍｏ≦４．０％とするのが良い。さらに、他の強化元素で鋼が十分強化されている場合はＷを含有させなくても良い。
【００１５】
Ｍｏ：Ｍｏは、Ｗと同様に微量では固溶強化、１％超では析出強化に寄与し、クリープ強度を高めるが、析出強化の寄与する温度範囲はＷに比べて低温側（６００℃以下）で顕著である。またＭｏを含むＭ₂₃Ｃ₆、あるいはＭ₇Ｃ₃型炭化物は、高温で安定であるために、長時間クリープ強度の確保に対して有効な元素である。一方、２．０％を超えるとδ−フェライトが生成しやすくなり、靱性が低下する。また、Ｗ（前述）と同時に添加する場合はその含有量をＷ＋２Ｍｏ≦４．０％の範囲とする。さらに、他の強化元素で鋼が十分強化されている場合はＭｏを含有させなくても良い。
【００１６】
Ｖ：Ｖは、微細な炭窒化物を形成してクリープ強度の向上に寄与する元素である。Ｖの効果は、含有量０．１０％以上で現れる。一方、含有量が０．５０％を超えると、その効果は飽和するので、Ｖ含有量は０．１０〜０．５０％とする。
Ｎｂ：Ｎｂは、窒化物および炭窒化物の形成により、鋼の強度および靱性を向上させる。その効果を得るには、Ｎｂ含有量０．０３％以上を必要とする。ただし、０．１４％を超えると、Ｎｂの効果は飽和するので、Ｎｂ含有量は、０．０３〜０．１４％が適当である。
【００１７】
Ｎ：ＮはＣ同様に重要なオーステナイト生成元素としてδ−フェライト相の抑制効果を有すると共に、鋼の焼き入れ性を高めてマルテンサイト相を形成する元素である。さらにＭＸ型炭窒化物を形成し、この発明のフェライト系耐熱鋼の特性に著しい影響を及ぼすが、所望の性能に応じてＣとＮの添加割合を制御するのが重要である。すなわち、この発明のフェライト系耐熱鋼においては、ＣおよびＰｄ，Ｐｔ等によりδ−フェライト相を十分抑制可能であり、かつ６５０℃を超える高温におけるクリープ強度を重視する場合にはＮの多量添加は特に必要ない。一方、焼き入れ性を十分高めてδ−フェライト相を抑制することを重視する場合にはＮを添加するのが良い。その場合にも多量添加による窒化物の粗大化が進行すると、靱性の低下が著しくなるので、Ｎ含有量は０〜０．１０％とする。
【００１８】
Ｂ：Ｂが微量、鋼中に含まれると、主にＭ₂₃Ｃ₆型等の炭化物が微細に分散析出し凝集粗大化が抑制されるため、高温長時間クリープ強度が向上する。また、厚肉材などで熱処理後の冷却速度が遅い場合には、焼き入れ性を高めて高温強度を向上させる働きがある。この発明のフェライト系耐熱鋼では、Ｂを含有しなくてもよいが、高温強度を高める目的で含有させてもよい。Ｂの効果は、０．０００５％以上で顕著となるので、含有させる場合は０．０００５％以上とするのが望ましい。しかし、０．０３０％を超えると粗大な析出物を形成し、靱性を低下させるので、その上限は０．０３０％とする。
【００１９】
ｓｏｌ．Ａｌ：Ａｌは、おもに溶鋼の脱酸剤として添加される。鋼中には、酸化物としてのＡｌと、酸化物以外の形態で存在するＡｌがあり、通常後者のＡｌは分析上、塩酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）として区別されている。脱酸効果を得るためには、ｓｏｌ．Ａｌ含有量として０．００１％以上が必要である。一方、０．０５０％を超えるとクリープ強度の低下を招く。また、他の方法によって溶鋼を脱酸可能であれば、Ａｌを添加しなくても良い。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は、０．０５０％以下とする。
【００２０】
Ｐｄ：この発明のフェライト系耐熱鋼にあっては主にＬ１₀型あるいはＬ１₂型規則構造を有する強磁性の金属間化合物の均一分散析出を促進する元素である。その効果はＰｄの場合、質量％で０．０１％以上で顕著となる。Ｐｄは従来から鋼に含有させるとＡ₁変態点を著しく低下させると考えられていたが、Ｍｏ，Ｗを含有する高Ｃｒフェライト鋼ではＡ₁変態点の低下をほとんどなく、またＮｉのような炭窒化物の凝集粗大化の助長作用もないことが明らかとなった。その結果６５０℃を超える温度において長時間クリープ強度を低下させないことが明らかとなった。さらにＭｎ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｏｓ等と一部置換することによって、Ｆｅ（Ｐｄ，Ｘ）なる強磁性−常磁性変態温度が上昇し、あるいは反強磁性となって、高温クリープ抵抗を著しく高めることが明らかとなった。しかし、フェライト系耐熱鋼にあっては５％を超える多量添加ではその効果は飽和するのでその添加量を０．０１％〜５％とする。
【００２１】
Ｐｔ：ＰｔはＰｄと同様に主にＬ１₀型あるいはＬ１₂型規則構造を有する金属間化合物の均一分散析出を促進する元素である。母相と析出相の整合歪みの違いから、クリープ抵抗性を高める効果はＰｄの場合よりも大きくなる。その効果は質量％で０．０１％以上で顕著となる。Ｐｔについても従来から鋼に含有させるとＡ₁変態点を著しく低下させると考えられていたが、Ｍｏ，Ｗを含有する高Ｃｒフェライト鋼ではＡ₁変態点の低下は顕著でなく、またＮｉのような炭窒化物の凝集粗大化の助長作用も全くないことが明らかとなった。その結果６５０℃を超える温度においても長時間クリープ強度を低下させないことが明らかとなった。さらにＭｎ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｏｓ等と一部置換することによって、Ｆｅ（Ｐｔ，Ｘ）なる強靱性−常磁性変態温度が上昇し、あるいは反強磁性となって、高温クリープ抵抗を著しく高めることが明らかとなった。しかし、フェライト系耐熱鋼にあっては１０．０％を超える多量添加ではその効果は飽和するのでその添加量を０．０１％〜１０．０％とする。
【００２２】
ＰｄとＰｔを同時に添加する場合には０．０１％≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で所望の効果が得られる。
Ｔａ：Ｔａは、Ｎｂと同様に窒化物および炭窒化物の形成により、微量添加でも鋼の強度および靱性を向上させる。ただし、０．３０％を超えると、Ｔａの効果は飽和するので、Ｔａ含有量は０〜０．３０％が適当である。
【００２３】
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ：Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆは、Ｎｂ、Ｔａよりさらに強力な窒化物および炭窒化物の形成元素であり、微量添加でも鋼の強度および靱性を向上させる。さらに、粒界強化にも寄与し、高温クリープ抵抗を向上させる。ただし、それぞれ０．１５％、０．３０％、０．６０％を超えると、その効果は飽和するので、それぞれの含有量は、Ｔｉ：０〜０．１５％、Ｚｒ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％が適当である。
【００２４】
Ａｇ：この発明のフェライト系耐熱鋼にあっては主にＬ１₀型あるいはＬ１₂型規則構造を有する強磁性、あるいは反強磁性の金属間化合物相を均一分散析出させるのにＰｄ，Ｐｔが有効であるが、その一部をＡｇで置換可能である。その効果はＡｇ：０〜１．０％で顕著であるが、多量添加は不要である。
Ｐ、Ｓ：ＰおよびＳは、不可避の不純物として鋼中に含有され、熱間加工性、溶接部の靱性等に悪影響を及ぼす元素である。いずれも、含有量はできるだけ低い方がよい。Ｐ、Ｓの含有量は、それぞれ０．０３０％以下、０．０１５％以下が望ましい。
【００２５】
Ｏ（酸素）；Ｏは、不可避の不純物として鋼中に含有され、粗大な酸化物として偏在すると靱性等に悪影響を及ぼす元素である。特に、靱性を確保するためには、極力低い方がよい。Ｏ含有量０．０２０％以下の場合には、この発明のフェライト系耐熱鋼の靱性への影響は小さいので、上限は、０．０２０％とする。
なお、この発明のフェライト系耐熱鋼は、その化学組成から、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：０〜１．０％、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｎｂ：０．０３０〜０．１４％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎ：０〜０．１０％、Ｂ：０〜０．０３０％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．０５０％含有し、さらにＰｄおよびＰｔの少なくとも１種を合計で０．３〜５．０％含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼を除く。
また、この発明のフェライト系耐熱鋼は、その化学組成から、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、Ｗ：０超〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｔａ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％、Ｎ：０．１０％以下、Ｂ：０〜０．０３％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５０％以下を含有し、さらにＰｄ：０〜５．０％およびＰｔ：０〜１０．０％の少なくとも１種を０．１≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼も除く。
そして、この発明のフェライト系耐熱鋼は、通常工業的に用いられている製造設備および製造プロセスによって製造することができる。所要の化学組成の鋼を得るには、電気炉、転炉などの炉によって精錬し、脱酸剤および合金元素の添加によって成分調整すればよい。特に、厳密な成分調整を必要とする場合には、合金元素を添加する前に、溶鋼に真空処理を施す方法を採ってもよい。
【００２６】
所定の化学組成に調整された溶鋼は、連続鋳造法または造塊法によって、スラブ、ビレットまたは鋼塊に鋳造される。これらのスラブ、鋼塊などから、鋼管、鋼板などを製造する。継ぎ目無し鋼管を製造する場合には、例えば、ビレットを押し出し、あるいは鍛造によって製管すればよい。また、鋼板を製造する場合には、スラブを熱間圧延することによって熱延鋼板を得ることができる。冷延鋼板を製造する場合には、熱延鋼板をさらに冷間圧延すればよい。なお、得られた鋼管、鋼板については、必要に応じて焼鈍等の熱処理を施し、所定の特性に調整する。また、熱間加工後、冷間圧延等の冷間加工を行う場合には、通常冷間加工に先だって、焼鈍および酸洗処理を施す。
【００２７】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん、以下の実施例によってこの出願の発明が限定されることはない。
【００２８】
【実施例】
＜Ａ＞表１に性能試験に用いた供試材としての従来鋼と本発明鋼の化学組成を示した。なお、表中で、Ｎｏ．１，２は従来の高Ｃｒフェライト鋼（従来鋼）であり、Ｎｏ．１はＡＳＴＭ−Ａ２１３−Ｔ９１、Ｎｏ．２はＤＩＮ−Ｘ２０ＣｒＭｏＷＶ１２１に規定されている化学組成の供試材である。
【００２９】
【表１】

【００３０】
各供試材の製造方法は次のとおりである。すなわち、まず、容量１０Ｋｇの真空高周波誘導炉によって原料を溶解し、所定の化学組成に成分調整した後、直径７０ｍｍの鋼塊に鋳造した。得られたインゴットを温度１２５０℃〜１０００℃で熱間鍛造して、４５ｍｍ角、長さ４００ｍｍの供試材を作製した。その後熱間圧延にて１１００℃から９００℃にて、１５ｍｍ角の試験材を得た。各試験材に対しては、次の熱処理を行った。Ｎｏ．１およびＮｏ．２の供試材に対しては、通常、これらの鋼に施される９５０℃で１時間保持後、空冷の焼きならし処理と、さらに７５０℃で１時間保持後、空冷の焼きもどし処理を施した。その他の供試材に対しては、１１００℃で１時間保持後、空冷の焼きならし処理と、さらに８００℃で１時間保持後、空冷の焼きもどし処理を施した。これらから、鋼の水蒸気酸化性、および高温クリープ強度の試験片を採取した。
【００３１】
＜Ｂ＞上記の試験片を用いて、耐水蒸気酸化性、高温クリープ強度の評価を行った。そのための方法は下記の通りとした。
〔耐水蒸気酸化性〕
耐水蒸気酸化性は、下記の試験条件による水蒸気酸化試験によって評価した。
試験環境：水蒸気雰囲気、温度６５０℃
保持時間：１０００時間
測定項目：スケール層の厚さ
〔高温クリープ強度〕
高温クリープ強度は、下記の試験条件によるクリープ破断試験によって評価した。
【００３２】
試験片：径８．０ｍｍ、標点距離４０ｍｍ
試験温度：（１）６５０℃、（２）７００℃
応力：（１）１２０ＭＰａ、（２）１２０ＭＰａ
測定項目：クリープ破断時間
以上の試験の結果を表２に示した。
【００３３】
【表２】

【００３４】
表２の高温クリープ特性をみると、本発明鋼の供試材は何れも、６５０℃、１２０ＭＰａにおけるクリープ破断時間が３０００時間以上、７００℃、１２０ＭＰａにおいてもクリープ破断時間は何れも２００時間以上で、従来鋼や比較鋼に比べて、クリープ強度の向上が顕著である。特筆すべきは７００℃の高温試験におけるクリープ破断時間の飛躍的な向上であり、これは従来鋼に比べて強磁性−常磁性の変態温度が高温化し、これに伴いマルテンサイト組織の回復・軟化が著しく抑制されていることを示すものである。
【００３５】
また、耐水蒸気酸化性についも６５０℃×１０００ｈの水蒸気酸化試験によるスケール層の厚さ測定結果から、本発明鋼においては全て２０μｍ以下で、６５０℃以上の高温においても極めて安定な耐水蒸気酸化性が得られている。
一方、従来鋼の供試材Ｎｏ．１については、クリープ破断時間、水蒸気酸化スケール厚さともに本発明鋼よりも著しく劣り、特に７００℃でのクリープ速度は極めて大きな値を示しており、クリープ強度は著しく劣っている。
【００３６】
この結果から、本発明鋼は、６５０℃以上の高温においても耐水蒸気酸化性を低下することなく、６５０℃を超える高温クリープ強度が従来鋼に比べ飛躍的に向上していることが確認された。
＜Ｃ＞図１は、参考例の鋼（表１Ｎｏ．３）の７００℃で１０００時間時効材から採取した薄膜試験片の電界放射型電子顕微鏡写真である。写真の円盤状析出物は電子線回折像の同定の結果、Ｆｅ（Ｐｄ，Ｘ）タイプのＬ１₀型金属間化合物であると判明した。
【００３７】
電子顕微鏡内でエネルギー分散型Ｘ線分析により析出相の化学組成を定量したところ、図２のＸ線スペクトルが得られ、析出相はＦｅ_0.52（Ｐｄ_0.21Ｍｎ_0.21Ｃｒ_0.06）であった。
同じ試料から非水溶媒（１％テトラメチルアンモニウムクロライド−１０％アセチルアセトン−メタノール）を用いた電解抽出により、析出相を分離抽出し、振動試料型磁気特性測定装置で析出相の磁気変態温度を測定した結果を図３に示した。ＭｎがＰｄを置換した析出相では室温〜６６０℃までは反強磁性、６６０℃〜７８０℃では強磁性を示すことが明らかとなり、ＦｅＰｄ２元系の場合に比べて反強磁性の出現と、強磁性−常磁性変態温度Ｔｍの高温化が顕著であることがわかった。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明の耐熱鋼は、６５０℃を超える高温における長時間クリープ強度に優れ、しかも耐水蒸気酸化性の低下もない。したがって、この発明の耐熱鋼は、発電用ボイラー・タービン、原子力発電設備、化学工業装置など従来のフェライト鋼の使用限界温度と考えられていた６５０℃を超える高温、高圧下で操業される装置用材料、具体的には、熱鋼管用のボイラ関連鋼管あるいは圧力容器用の鋼板、タービン用材料等に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＩ₀型Ｆｅ（Ｐｄ，Ｍｎ）の電界放射型電子顕微鏡写真である。
【図２】電界放射型電子顕微鏡内にてエネルギー分散型Ｘ線分析により得られた析出相のＸ線スペクトルと析出物組成の定量結果を示した図である。
【図３】非水溶媒電解により抽出分離された析出物の温度−磁化曲線を示した図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：０〜１．０％、Ｐ：０．０３０％以下，Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％、但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１５％、Ｔａ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０〜０．１５％、Ｚｒ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％、Ｎ：０〜０．１０％、Ｂ：０〜０．０３０％、Ａｇ：０〜１．０％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５０％以下含有するとともに、Ｐｄ：０．０１〜５．０％、Ｐｔ：０．０１〜１０．０％の少なくとも１種を０．０１％≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で含有し、さらにＭｎ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも１種を合計で０．０１％≦Ｍｎ＋１／２Ｒｅ＋Ｒｕ＋１／２Ｏｓ≦５．０％含有している残部：Ｆｅおよび不可避の不純物からなる化学組成を有するフェライトあるいは焼き戻しマルテンサイト組織を有するフェライト系耐熱鋼であって、組織粒内に強磁性あるいは反強磁性を示す金属間化合物相が均一析出されていることを特徴とする高温長時間クリープ強度を有する析出硬化型フェライト系耐熱鋼（但し、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：０〜１．０％、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｗ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｎｂ：０．０３０〜０．１４％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎ：０〜０．１０％、Ｂ：０〜０．０３０％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０〜０．０５０％含有し、さらにＰｄおよびＰｔの少なくとも１種を合計で０．３〜５．０％含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼、および、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１８％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：８．０〜１５．０％、Ｗ：０超〜４．０％、Ｍｏ：０〜２．０％（但し、Ｗ＋２Ｍｏ≦４．０％）、Ｔａ：０〜０．３０％、Ｈｆ：０〜０．６０％、Ｎ：０．１０％以下、Ｂ：０〜０．０３％、Ｏ：０．０１０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５０％以下を含有し、さらにＰｄ：０〜５．０％およびＰｔ：０〜１０．０％の少なくとも１種を０．１≦Ｐｄ＋１／２Ｐｔ≦５．０％の範囲で含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有するフェライト系耐熱鋼を除く）。