JP4887506B2 - Method for producing ferritic heat resistant steel - Google Patents

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Description

本発明は、例えば耐熱金属材料として用いられるフェライト系耐熱鋼の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a ferritic heat resistant steel used as a heat resistant metal material, for example.

ボイラやタービン、エンジン、化学反応器材、燃料電池部材などの各種高温器材で使用される耐熱材料としては、引張応力に対する信頼性の観点から金属材料以外はほとんど使われていない。また、耐熱金属材料は経済性の観点から鋼かNi基合金に限られている。その中でも、熱伝導性に優れかつ熱膨張率が低いという理由からフェライト系耐熱鋼に大きな期待が寄せられており、現在でもフェライト系耐熱鋼の性能向上に多大な努力がなされている。   As heat-resistant materials used in various high-temperature devices such as boilers, turbines, engines, chemical reactor materials, and fuel cell members, only metal materials are used from the viewpoint of reliability against tensile stress. Further, the heat-resistant metal material is limited to steel or Ni-based alloy from the viewpoint of economy. Among these, ferritic heat resistant steels are highly expected because of their excellent thermal conductivity and low thermal expansion coefficient, and even now, great efforts are being made to improve the performance of ferritic heat resistant steels.

歴史的に言えば、かなり長い間2.25Cr−1Mo鋼とステンレス鋼がボイラの最高温部を構成してきた。1990年代の初めに改良9Cr鋼が発明され、それまでに研究・実用化されてきたフェライト鋼に取って代わり、現在ではボイラの最高温部に改良9Cr鋼が使用されているといっても過言ではない。さらに、地球の温暖化対策の一環として、蒸気条件の高温高圧化を目指した高クロムフェライト鋼の研究が現在でもなされている。しかし、これらの材料の耐用温度は620℃強にとどまっているので、更なる蒸気条件の向上のために高価なNi基合金(例えばオーステナイトステンレス鋼)の検討も開始されている。   Historically speaking, 2.25Cr-1Mo steel and stainless steel have been the boiler's hottest part for quite some time. It is an exaggeration to say that improved 9Cr steel was invented in the early 1990s, replacing the ferritic steel that has been researched and put to practical use, and that improved 9Cr steel is now used in the hottest parts of boilers. is not. In addition, as a part of global warming countermeasures, research on high chromium ferritic steel aiming at high temperature and high pressure in steam conditions is still in progress. However, since the service temperature of these materials is just over 620 ° C., investigation of expensive Ni-based alloys (for example, austenitic stainless steel) has been started to further improve the steam conditions.

フェライト系耐熱鋼はNi基合金と比較して安価であり、耐熱膨張性や熱伝導性の面でも優れている。反面、フェライト系耐熱鋼は室温でbcc構造(体心立方格子構造)をとるため、室温でfcc構造(面心立方格子構造)をとるNi基合金と比較して一般に高温強度が小さいという課題がある。   Ferritic heat-resistant steel is cheaper than Ni-based alloys, and is excellent in terms of heat expansion and thermal conductivity. On the other hand, ferritic heat-resistant steel has a bcc structure (body-centered cubic lattice structure) at room temperature, and therefore generally has a problem that the high-temperature strength is small compared to Ni-based alloys having an fcc structure (face-centered cubic lattice structure) at room temperature. is there.

そこで本発明は、Ni基合金と比較して安価かつ対熱膨張性及び熱伝導性に優れたフェライト耐熱鋼の耐用温度(高温強度)を現在よりも高めることの可能な、フェライト系耐熱鋼の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is a ferritic heat-resistant steel that can increase the service temperature (high-temperature strength) of a ferritic heat-resistant steel that is inexpensive, excellent in thermal expansion and thermal conductivity compared to a Ni-based alloy. An object is to provide a manufacturing method.

本発明のある態様は、フェライト系耐熱鋼の製造方法である。この製造方法は、
Feを主成分とし、Crを含有する鋼材料を、AC3変態点以上の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱した前記鋼材料を、パーライト変態が起こらない速度で、マルテンサイト変態開始温度以下で室温よりも高い所定温度範囲まで冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却した前記鋼材料を室温まで冷却せずに焼戻し処理を行なう焼き戻し工程とを有し、
前記所定温度範囲をTとし、マルテンサイト変態開始温度をMsとしたとき、前記Tが50℃≦T≦Ms−20℃であり、
前記所定温度範囲で出来たマルテンサイトが焼戻された組織と、未変態のオーステナイトが焼戻し温度から冷却されるときに形成される組織とを最終形態として含むフェライト系耐熱鋼を成すことを特徴とする
One embodiment of the present invention is a method for producing a ferritic heat resistant steel. This manufacturing method is
A heating step of heating a steel material mainly containing Fe and containing Cr to a temperature equal to or higher than the AC3 transformation point;
A cooling step of cooling the steel material heated in the heating step to a predetermined temperature range higher than room temperature below the martensitic transformation start temperature at a speed at which pearlite transformation does not occur;
The steel material cooled in the cooling step possess a tempering step is performed tempering treatment without cooling to room temperature,
When the predetermined temperature range is T and the martensite transformation start temperature is Ms, the T is 50 ° C. ≦ T ≦ Ms−20 ° C.
A ferritic heat-resisting steel comprising a structure in which martensite formed in the predetermined temperature range is tempered and a structure formed when untransformed austenite is cooled from the tempering temperature as a final form, To do .

ある態様の製造方法において、前記鋼材料が質量%で0<C≦0.5;0<Si≦2;0<Mn≦2;5≦Cr≦13;0<N≦0.1;0<Al≦0.05を含有するものであるとよい。   In the manufacturing method of a certain aspect, the steel material is 0 <C ≦ 0.5; 0 <Si ≦ 2; 0 <Mn ≦ 2; 5 ≦ Cr ≦ 13; 0 <N ≦ 0.1; It is preferable to contain Al ≦ 0.05.

ある態様の製造方法において、前記鋼材料がMo、W又はMo+Wを質量%で0.2以上4以下含有するものであるとよい。   In the manufacturing method of a certain aspect, it is good that the said steel material contains 0.2 or more and 4 or less by mass% of Mo, W, or Mo + W.

ある態様の製造方法において、前記鋼材料がV、Nb、Ta又はこれらの複合添加物を質量%で0.02以上0.6以下含有するものであるとよい。   In the manufacturing method of a certain aspect, the said steel material is good to contain 0.02 or more and 0.6 or less by mass% of V, Nb, Ta, or these composite additives.

ある態様の製造方法において、前記鋼材料がBを質量%で0.002以上0.02以下含有するものであるとよい。   In the manufacturing method of a certain aspect, it is good in the said steel material containing 0.002 or more and 0.02 or less by mass%.

ある態様の製造方法において、前記鋼材料がNi、Co、Cu又はこれらの複合添加物を質量%で0.05以上4以下含有するものであるとよい。   In the manufacturing method of a certain aspect, the steel material may contain Ni, Co, Cu, or a composite additive thereof in an amount of 0.05 to 4 in mass%.

なお、以上の構成要素の任意の組合せもまた、本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of the above components is also effective as an aspect of the present invention.

従来のフェライト鋼の製法では、焼き入れ・焼きならしと焼戻し・焼鈍を組み合わせた熱処理が行われてきた。本発明によれば、加熱工程で加熱した鋼材料をマルテンサイト変態開始温度以下で室温よりも高い所定温度範囲まで冷却した後、室温まで冷却せずに焼戻し処理を行なうという新たな熱処理によって、Ni基合金と比較して安価かつ対熱膨張性及び熱伝導性に優れたフェライト耐熱鋼の耐用温度(高温強度)を現在よりも高めることが可能となる。   In conventional ferritic steel manufacturing methods, heat treatment combining quenching / normalizing and tempering / annealing has been performed. According to the present invention, the steel material heated in the heating step is cooled to a predetermined temperature range below the martensite transformation start temperature and higher than room temperature, and then subjected to a tempering process without cooling to room temperature, thereby performing Ni treatment. Compared to the base alloy, it is possible to increase the service temperature (high temperature strength) of the ferritic heat resistant steel which is inexpensive and excellent in thermal expansion and thermal conductivity.

以下、本発明の好適な実施の形態を詳述するが、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. It is not always true.

(基本鋼の組成)
本実施の形態で最も基本となる鋼は、主成分のFeの他に、下記のものを含有する。なお、下記以外に製鋼上不可避の不純物元素も含有する。
・C(炭素):質量%で0<C≦0.5。炭素はマルテンサイト組織を作るために質量%で通常0.05以上0.2以下程度添加される。ただし、0.5質量%を超えると炭化物の多量析出により靭性が低下する。なお、炭素無添加の材料でもマルテンサイトに似た組織が形成されるので、変形例では炭素は0としてもよい。
・Si(ケイ素):質量%で0<Si≦2。ケイ素は耐食性の向上および脱酸剤として必要である。ただし、2質量%を超えると靭性を害する。
・Mn(マンガン):質量%で0<Mn≦2。マンガンは脱硫剤および脱酸剤として必要であるが、2質量%を超えると組織が不安定に成る。
・Cr(クロム):質量%で5≦Cr≦13。クロムは耐酸化性を確保するために5質量%以上の添加は必要であるが、13質量%を超えると、マルテンサイト組織を形成することが困難になる。
・N(窒素):質量%で0<N≦0.1。窒素は炭素と同じくマルテンサイトを安定化させるために必要な元素であるが、真空溶解や大気溶解では0.1質量%を超える添加は困難となり、経済性を損なう。
・Al(アルミニウム):質量%で0<Al≦0.05。アルミニウムは脱酸剤として添加することも出来るが、高温強度を害するので0.05%を上限とする。
(Basic steel composition)
The most basic steel in the present embodiment contains the following in addition to the main component Fe. In addition to the following, impurities that are inevitable in steelmaking are also contained.
C (carbon): 0 <C ≦ 0.5 in mass%. Carbon is usually added in an amount of 0.05 to 0.2 in mass% to form a martensite structure. However, if it exceeds 0.5 mass%, the toughness decreases due to the precipitation of a large amount of carbide. In addition, since the structure | tissue similar to a martensite is formed even if it is a carbon-free material, carbon may be 0 in a modification.
Si (silicon): 0 <Si ≦ 2 by mass%. Silicon is necessary for improving corrosion resistance and as a deoxidizer. However, if it exceeds 2% by mass, the toughness is impaired.
Mn (manganese): 0 <Mn ≦ 2 by mass%. Manganese is necessary as a desulfurizing agent and a deoxidizing agent, but if it exceeds 2% by mass, the structure becomes unstable.
Cr (chromium): 5 ≦ Cr ≦ 13 by mass%. Chromium needs to be added in an amount of 5% by mass or more in order to ensure oxidation resistance, but if it exceeds 13% by mass, it becomes difficult to form a martensite structure.
N (nitrogen): 0 <N ≦ 0.1 in mass%. Nitrogen is an element necessary for stabilizing martensite, like carbon, but it is difficult to add more than 0.1% by mass in vacuum melting or atmospheric melting, which impairs economic efficiency.
Al (aluminum): 0 <Al ≦ 0.05 by mass%. Aluminum can be added as a deoxidizing agent, but 0.05% is the upper limit because it impairs the high-temperature strength.

(熱処理の説明)
図1は、本発明の実施の形態に係るフェライト系耐熱鋼の製造方法における熱処理の説明図である。本図において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。本実施の形態の熱処理は下記の工程を有するものである。
・加熱工程:鋼材料をAC3変態点以上の温度に加熱する。なお、加熱後は所定時間(例えば30分〜2時間程度)だけその温度を保持する(均熱する)。
・冷却工程:加熱工程で加熱した鋼材料を、パーライト変態が起こらない速度で、マルテンサイト変態開始温度以下で室温よりも高い所定温度範囲まで冷却する。所定温度範囲については後述する。
・焼き戻し工程:冷却工程で冷却した鋼材料を室温まで冷却せずに焼戻し処理を行なう。すなわち、前記所定温度範囲からAC1変態点以下の所定温度まで加熱し、所定時間(例えば30分〜2時間程度)だけその温度を保持した後、室温まで冷却する。
(Description of heat treatment)
FIG. 1 is an explanatory view of heat treatment in a method for producing a ferritic heat resistant steel according to an embodiment of the present invention. In this figure, the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates temperature. The heat treatment of the present embodiment has the following steps.
Heating step: The steel material is heated to a temperature equal to or higher than the AC3 transformation point. After heating, the temperature is maintained (soaked) for a predetermined time (for example, about 30 minutes to 2 hours).
Cooling step: The steel material heated in the heating step is cooled to a predetermined temperature range that is lower than the martensitic transformation start temperature and higher than room temperature at a speed at which pearlite transformation does not occur. The predetermined temperature range will be described later.
Tempering process: The steel material cooled in the cooling process is tempered without cooling to room temperature. That is, it heats from the said predetermined temperature range to the predetermined temperature below an AC1 transformation point, and hold | maintains the temperature only for predetermined time (for example, about 30 minutes-2 hours), Then, it cools to room temperature.

従来の鋼の熱処理の基本は、一旦オーステナイト域に保持した後急冷、空冷によってマルテンサイト化する処理、すなわち、焼き入れまたは焼きならしを施した後、強度と靭性のバランスを採るために、焼戻しを行なうことである。本実施の形態でもこの基本的な考えを踏襲している。しかし、焼き入れ又は焼戻しはオーステナイト化した後室温近くまで冷却してマルテンサイト化することを基本としている。これに対し本実施の形態の熱処理は、オーステナイト化した後室温までは冷却せず、ある程度マルテンサイトが形成された時点(鋼種によっては一部ベイナイトが形成されることがある)でその温度(以下「マルテンサイト処理温度」ともいう)に保持し、その温度で形成されたマルテンサイトを軟化させるために、室温まで冷却することなく、直接昇温して、通常の焼戻し温度に保持して空冷を行い、優れた高温強度の確保を行なうものである。   The basic heat treatment of conventional steel is to maintain it in the austenite region, then to quench and air-cool and to martensite, that is, after quenching or normalizing, tempering to balance strength and toughness Is to do. This embodiment follows this basic idea. However, quenching or tempering is based on austenitizing and then cooling to near room temperature to martensite. On the other hand, the heat treatment according to the present embodiment does not cool to room temperature after austenitization, but at the time when martensite is formed to some extent (some bainite may be formed depending on the steel type) (hereinafter, bainite). In order to soften the martensite formed at that temperature, the temperature is raised directly without cooling to room temperature and kept at the normal tempering temperature for air cooling. To ensure excellent high temperature strength.

マルテンサイト処理温度は、当然マルテンサイト変態開始温度(以下「Ms点」ともいう)以下であり、適量のマルテンサイトを確保するためにはMs点の下20℃が上限である。より好ましくは、マルテンサイト処理温度はMs点の下50℃を上限とする。なお、Ms点は便覧に記載されている場合もあるが、実測によって容易に求めることが出来る。また、マルテンサイト処理温度が十分低いと、ほとんどがマルテンサイト変態を起こし、通常の焼き入れ・焼きならしと変わらなくなるので、マルテンサイト処理温度の下限は50℃とする。より好ましくは、マルテンサイト処理温度の下限は70℃とする。 The martensite treatment temperature is naturally below the martensite transformation start temperature (hereinafter also referred to as “Ms point”), and an upper limit is 20 ° C. below the Ms point in order to secure an appropriate amount of martensite. More preferably, the martensite treatment temperature has an upper limit of 50 ° C. below the Ms point. The Ms point may be described in the handbook, but can be easily obtained by actual measurement. In addition, when the martensite processing temperature is sufficiently low, almost causing a martensitic transformation, since not change the normal hardening, normalizing, the lower limit of the martensite processing temperature is set to 50 ℃. More preferably, the lower limit of the martensite treatment temperature is 70 ° C.

マルテンサイト温度に至る冷却速度は、炉の構造、素材の大きさなどに依存するので特に定めないが、冷却速度が十分小さいとパーライト変態を起こすので、冷却速度はパーライト変態を起こさない速度以上とする。また、マルテンサイト温度に到達したあとの保持時間は、ミクロ組織の微細な変化などが起こると考えられるが、マルテンサイト変態の性格上、マルテンサイト温度に到達してから、直ちに昇温しても、その温度に保持しても、基本的なマルテンサイトの形成反応に差が出ることはないので、マルテンサイト処理温度の保持時間は特に定めない。ただし、好ましくはマルテンサイト処理温度の保持時間を5分以上とする。   The cooling rate to the martensite temperature depends on the furnace structure, material size, etc., so it is not particularly determined.However, if the cooling rate is sufficiently low, pearlite transformation occurs, so the cooling rate is at least that which does not cause pearlite transformation. To do. In addition, the retention time after reaching the martensite temperature is considered to cause a minute change in the microstructure, but due to the nature of the martensite transformation, even if the temperature is raised immediately after reaching the martensite temperature. Even if the temperature is maintained, there is no difference in the basic martensite formation reaction, and therefore the retention time of the martensite treatment temperature is not particularly defined. However, the retention time of the martensite treatment temperature is preferably 5 minutes or more.

鋼の製法における熱処理については歴史的に多くの研究がある。しかし、その多くは高温から冷却してマルテンサイト化するときに成品の温度が不均一になって曲がりや割れが発生する可能性があるので、これを防止する目的で、焼き入れ温度(室温から300℃程度)に達してから、しばらくその温度に保持するか、その温度から徐冷する方法がある。たとえば、引き上げ焼き入れ、マルテンパーなどがそれにあたる。特殊な例として、マルテンサイトではなく、ベイナイトを作る目的で、オーステンパーという処理もある。これらの処理はいずれも焼き入れ・焼きならし温度から降下するか、保持されることはあっても、降温の途中から昇温(室温まで降温せずに昇温)することは無い。また、フェライト鋼では恒温焼鈍といって、焼きならしと焼戻しを組み合わせた熱処理もあるが、これも降温の途中で昇温(室温まで降温せずに昇温)することは無く、かつ、この処理はフェライトパーライト組織の形成を促進するためのものであって、本実施の形態のようなマルテンサイトを対象にしたものではない。   There are many historical studies on heat treatment in steel manufacturing. However, in many cases, when the product is cooled from a high temperature to martensite, the temperature of the product may become non-uniform and bending or cracking may occur. To prevent this, the quenching temperature (from room temperature) After reaching the temperature of about 300 ° C., there is a method of maintaining the temperature for a while or gradually cooling from the temperature. For example, pulling and quenching, martemper, etc. are examples. As a special example, there is a process called austemper for the purpose of making bainite instead of martensite. In any of these processes, the temperature is lowered or kept from the quenching / normalizing temperature, but the temperature is not raised during the temperature lowering (the temperature is not raised to the room temperature). Ferritic steel is also known as constant temperature annealing, and there is a heat treatment that combines normalizing and tempering. However, this does not raise the temperature during the temperature reduction (the temperature rises without lowering to room temperature). The treatment is for promoting the formation of a ferrite pearlite structure and is not intended for martensite as in the present embodiment.

本実施の形態の熱処理によって出来る組織はマルテンサイト処理温度で出来たマルテンサイト(一部ベイナイトを含む)が焼戻された組織(焼戻しマルテンサイト)と、未変態のオーステナイトが焼戻し温度から冷却されるときに形成される組織(潜伏マルテンサイトと呼ぶ)が混合した組織となる。しかし、潜伏マルテンサイトは焼き入れ・焼きならし温度から冷却中に形成されるマルテンサイトと違って、焼戻し温度で一部炭・窒化物を析出するので、過飽和の炭素をそれほど多く固溶せず、その量も限られているのでこの潜伏マルテンサイトのために材料が脆くなることは無い。また、高温から焼き入れ・焼きならしによって形成されたマルテンサイト組織のままでも十分高い強度が得られるが、高温で使用する場合、極めて短時間にマルテンサイト組織は回復軟化し、実用耐熱材料として適さないことは周知の事実である。すなわち、本実施の形態の組織は従来の熱処理によって得られる組織とはまったく別のものである。なお、組成と製造方法によってはデルタフェライトが若干含まれることがあるが、20質量%以下であれば高温強度の改善効果は失われない。   The structure formed by the heat treatment of the present embodiment is a structure (tempered martensite) obtained by tempering martensite (including some bainite) formed at the martensite treatment temperature, and untransformed austenite is cooled from the tempering temperature. It sometimes becomes a mixed structure of tissues that are sometimes formed (called latent martensite). However, unlike martensite, which is formed during cooling from quenching and normalizing temperatures, latent martensite partially precipitates charcoal and nitride at the tempering temperature, so it does not dissolve so much supersaturated carbon. Because the amount is limited, this latent martensite does not make the material brittle. In addition, a sufficiently high strength can be obtained even with the martensite structure formed by quenching and normalizing from a high temperature. However, when used at a high temperature, the martensite structure recovers and softens in a very short time, making it a practical heat-resistant material. It is a well-known fact that it is not suitable. That is, the structure of the present embodiment is completely different from the structure obtained by conventional heat treatment. Depending on the composition and manufacturing method, delta ferrite may be included slightly, but if it is 20% by mass or less, the effect of improving the high temperature strength is not lost.

(添加物の説明)
上記の基本鋼の組成に加えて、下記の添加物を含有させてもよい。
・Mo(モリブデン)およびW(タングステン):通常MoおよびWは高温強度を高める目的で単独または組み合わせて質量%で0.2以上4以下添加される。これらの元素は多量に添加するとデルタフェライトを生成するが、デルタフェライトの量が20質量%を超えない範囲であれば、本実施の形態の熱処理の効果は消失しない。
・V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル):通常V、Nb、Taは炭素および窒素と化合して微細な析出物を形成し、高温強度を高めるので、これらの元素は単独または組み合わせて質量%で0.02以上0.6以下添加される。これらの元素は多量に添加するとデルタフェライトを生成するが、基本鋼にこれらの元素が含まれていても、デルタフェライトの量が20質量%を超えない範囲であれば、本実施の形態の熱処理の効果は消失しない。
・B(ホウ素):Bは0.002質量%以上添加しないと高温強度を高める効果は期待できず、また0.02%を超えて添加すると化合物を形成して靭性を害する。
・Ni(ニッケル)、Co(コバルト)およびCu(銅):通常Ni、CoおよびCuはオーステナイトを安定化させ、靭性を確保する目的のために、これらの元素は単独または組み合わせて質量%で0.05以上4以下添加される。
(Description of additives)
In addition to the composition of the basic steel described above, the following additives may be included.
Mo (molybdenum) and W (tungsten): Usually, Mo and W are added individually or in combination in an amount of 0.2 to 4% by mass for the purpose of increasing the high temperature strength. When these elements are added in a large amount, delta ferrite is generated. However, as long as the amount of delta ferrite does not exceed 20% by mass, the effect of the heat treatment of the present embodiment is not lost.
V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum): Usually, V, Nb, and Ta combine with carbon and nitrogen to form fine precipitates, increasing the high temperature strength. In combination, 0.02 or more and 0.6 or less are added by mass%. When these elements are added in a large amount, delta ferrite is produced. However, even if these elements are contained in the basic steel, the heat treatment of this embodiment is performed as long as the amount of delta ferrite does not exceed 20 mass%. The effect of does not disappear.
-B (boron): If B is not added in an amount of 0.002% by mass or more, the effect of increasing the high-temperature strength cannot be expected, and if added over 0.02%, a compound is formed and the toughness is impaired.
Ni (nickel), Co (cobalt), and Cu (copper): Usually, Ni, Co, and Cu are used alone to stabilize austenite and to ensure toughness. .05 or more and 4 or less are added.

(クリープ試験)
ここでは、いくつかの鋼についてクリープ試験を行った結果について説明する。下記表1に、試験に用いた鋼(♯1〜♯8)の化学組成を示す。

Figure 0004887506
(Creep test)
Here, the results of creep tests on several steels will be described. Table 1 below shows the chemical compositions of the steels (# 1 to # 8) used in the test.
Figure 0004887506

下記表2は、上記表1に示されたそれぞれの鋼の焼きならし温度、マルテンサイト処理温度、時間、HV(ビッカス硬さ)、650℃110MPaでクリープ試験を行ったときのクリープ速度(%/h)、および比クリープ速度(後述)を示す。

Figure 0004887506
Table 2 below shows the normalization temperature, martensite treatment temperature, time, HV (Biccus hardness) of each steel shown in Table 1 above, and the creep rate (%) when the creep test was performed at 650 ° C. and 110 MPa. / H) and specific creep rate (described later).
Figure 0004887506

表2において、クリープ速度は最小クリープ速度であるが、ほとんど変形せず最小クリープ速度に達していない場合は、1000hにおけるクリープ速度を示している(♯2,♯3,♯5のマルテンサイト処理温度200℃のもの)。焼戻し条件はすべて750℃2hである。なお、表2には各材料の強度を比較するために、通常の焼ならし・焼戻し処理を行なった材料(マルテンサイト処理温度25℃のもの)のクリープ速度を対象とする材料のクリープ速度で除した値(比クリープ速度)を示している。また、表2には目標とするステンレス鋼(♯7、♯8)のクリープ速度をあわせて示している。   In Table 2, the creep speed is the minimum creep speed, but when the creep speed is hardly deformed and does not reach the minimum creep speed, the creep speed at 1000 h is indicated (the martensite treatment temperatures of # 2, # 3, and # 5) 200 ° C). All tempering conditions are 750 ° C. and 2 hours. In order to compare the strength of each material, Table 2 shows the creep rate of the material subjected to normal normalizing / tempering treatment (with a martensite treatment temperature of 25 ° C.). The divided value (specific creep speed) is shown. Table 2 also shows the target creep rates of stainless steel (# 7, # 8).

♯1鋼は、上述の基本鋼である。室温から350℃までマルテンサイト処理温度を変化させても、焼戻した後はHV(ビッカス硬さ)は225〜245とあまり大きな変化は無い。しかし、クリープ速度には著しい差が認められる。特に、マルテンサイト処理温度が200℃の場合の効果は顕著である。マルテンサイト化温度が450℃の場合、硬さは大きいがクリープ強さの改善効果は無い。   # 1 steel is the basic steel described above. Even if the martensite treatment temperature is changed from room temperature to 350 ° C., the HV (Bickus hardness) does not change so much as 225 to 245 after tempering. However, there are significant differences in creep speed. In particular, the effect when the martensite treatment temperature is 200 ° C. is remarkable. When the martensite temperature is 450 ° C., the hardness is large, but there is no effect of improving the creep strength.

♯2鋼は、上述の基本鋼にW、VおよびTaを添加した鋼である。マルテンサイト処理温度を変化させても硬さには大きな変化は認められない。200℃でマルテンサイト化処理を行なった場合、クリープ速度に著しい改善効果が認められる。   # 2 steel is steel obtained by adding W, V, and Ta to the basic steel described above. There is no significant change in hardness even when the martensite treatment temperature is changed. When the martensite treatment is performed at 200 ° C., a remarkable improvement effect is recognized in the creep rate.

♯3鋼は、上述の基本鋼にMo、V、Nb、Nを添加した鋼であり、基本鋼に比べると強炭化物生成元素の添加によってクリープ速度の大幅な改善が認められる。マルテンサイト処理温度を100〜350℃まで変化させても硬さには大きな変化は認められないが、200℃のマルテンサイト化処理を行なうと著しいクリープ速度の改善効果が認められる。また、表2にはC鋼を焼きならしたままの硬さとクリープ速度を示した。マルテンサイト化温度が450℃の場合、硬さは大きいがクリープ強さの改善効果は無い。また、C鋼の硬さは焼きならしままでは極めて大きいが、クリープ速度は通常の焼きならし・焼戻し材より大きくなる(劣化する)。   # 3 steel is a steel obtained by adding Mo, V, Nb, and N to the above-mentioned basic steel, and a significant improvement in creep rate is recognized by the addition of a strong carbide forming element as compared with the basic steel. Even if the martensite treatment temperature is changed from 100 to 350 ° C., no significant change in hardness is observed, but when a 200 ° C. martensite treatment is performed, a remarkable effect of improving the creep rate is recognized. Table 2 shows the hardness and creep speed of C steel as it is normalized. When the martensite temperature is 450 ° C., the hardness is large, but there is no effect of improving the creep strength. Further, the hardness of C steel is extremely high until normalizing, but the creep speed is larger (deteriorates) than that of normal normalizing and tempering materials.

♯4鋼は、上述の基本鋼にMo、W、V、Ni、Cu、Co、Nを添加したものであるが、200℃でマルテンサイト処理することによって、著しいクリープ速度の改善効果が確認できる。   # 4 steel is obtained by adding Mo, W, V, Ni, Cu, Co, and N to the above-mentioned basic steel. By performing martensite treatment at 200 ° C., a remarkable effect of improving the creep rate can be confirmed. .

♯5鋼は、基本鋼にMo、W、V、Nb、Co、N、Bを添加したものであるが、200℃でマルテンサイト処理することによって、著しいクリープ速度の改善効果が確認できる。   # 5 steel is obtained by adding Mo, W, V, Nb, Co, N, and B to the basic steel, but by performing martensite treatment at 200 ° C., a remarkable effect of improving the creep rate can be confirmed.

♯6鋼は、炭素を減じて意図的に15%のデルタフェライトを生成させたものであるが、200℃でマルテンサイト処理することによって、著しいクリープ速度の改善効果が確認でき、本実施の形態の効果は失われない。   # 6 steel is produced by intentionally producing 15% delta ferrite by reducing carbon, but by performing martensite treatment at 200 ° C., a remarkable effect of improving the creep rate can be confirmed. The effect of is not lost.

♯7および♯8鋼は、オーステナイトステンレス鋼であり、標準の溶体化処理をしたままのクリープ速度を示した。これらと、♯1〜♯6鋼を200℃でマルテンサイト処理した材料のクリープ速度を比較すると、本実施の形態鋼のクリープ速度は、オーステナイト鋼なみであり、一部の鋼種、♯3、♯4、♯5鋼ではオーステナイト鋼より優れていることが分かる。   # 7 and # 8 steels were austenitic stainless steels and exhibited creep rates with the standard solution treatment. Comparing these with the creep rates of materials obtained by martensite treatment of # 1 to # 6 steel at 200 ° C., the creep rate of the steel of the present embodiment is similar to that of austenitic steel, and some steel types, # 3, # It can be seen that steels # 4 and # 5 are superior to austenitic steels.

鋼のクリープ速度は組成、基本的な熱処理温度によって変化するので直接比較すると、説明が煩雑になるので、それぞれの鋼の改善効果を比較する目的で、前述した比クリープ速度を定義し、各鋼の比クリープ速度とマルテンサイト処理温度の関係を図2に示した。図示したとおり、本実施の形態で得られた熱処理によって、各鋼のクリープ速度は著しく改善されることがわかる。その効果は70℃から350℃の間で効果が顕著であり、とくに200℃の処理ではその効果が著しい。一方、50℃から380℃でも一定の改善効果があるといえる。なお、これらの鋼のマルテンサイト変態開始温度はおよそ400℃といわれている。   Since the creep rate of steel changes depending on the composition and the basic heat treatment temperature, it will be complicated to explain directly. Therefore, for the purpose of comparing the improvement effect of each steel, the specific creep rate described above is defined, and each steel is The relationship between the specific creep rate and the martensite treatment temperature is shown in FIG. As shown in the figure, it can be seen that the creep rate of each steel is remarkably improved by the heat treatment obtained in the present embodiment. The effect is remarkable between 70 ° C. and 350 ° C., and the effect is particularly remarkable in the treatment at 200 ° C. On the other hand, it can be said that there is a certain improvement effect even at 50 to 380 ° C. In addition, the martensitic transformation start temperature of these steels is said to be about 400 ° C.

このように、本実施の形態のフェライト系耐熱鋼の製造方法によれば、従来と異なる新しい熱処理によって、フェライト系耐熱鋼の高温強度を飛躍的に改善されることが可能となる。これらの技術は、ボイラ、タービン、エンジン、化学反応器材、燃料電池部材などの各種高温器材およびそれにかかわる締結部材、鋳鍛鋼部品に適用される。   Thus, according to the manufacturing method of the ferritic heat resistant steel of the present embodiment, the high temperature strength of the ferritic heat resistant steel can be dramatically improved by a new heat treatment different from the conventional one. These techniques are applied to various high-temperature devices such as boilers, turbines, engines, chemical reactor materials, fuel cell members, fastening members related to them, and cast forged steel parts.

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各工程には請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。   The present invention has been described above by taking the embodiment as an example, but it will be understood by those skilled in the art that various steps can be made within the scope of the claims for each step of the embodiment.

本発明の実施の形態に係るフェライト系耐熱鋼の製造方法における熱処理の説明図である。It is explanatory drawing of the heat processing in the manufacturing method of the ferritic heat-resistant steel which concerns on embodiment of this invention. 表1に示される各鋼の比クリープ速度とマルテンサイト処理温度の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the specific creep rate of each steel shown by Table 1, and a martensite process temperature.

Claims (6)

Feを主成分とし、Crを含有する鋼材料を、AC3変態点以上の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱した前記鋼材料を、パーライト変態が起こらない速度で、マルテンサイト変態開始温度以下で室温よりも高い所定温度範囲まで冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却した前記鋼材料を室温まで冷却せずに焼戻し処理を行なう焼き戻し工程とを有し、
前記所定温度範囲をTとし、マルテンサイト変態開始温度をMsとしたとき、前記Tが50℃≦T≦Ms−20℃であり、
前記所定温度範囲で出来たマルテンサイトが焼戻された組織と、未変態のオーステナイトが焼戻し温度から冷却されるときに形成される組織とを最終形態として含むフェライト系耐熱鋼を成すことを特徴とする、フェライト系耐熱鋼の製造方法。
A heating step of heating a steel material mainly containing Fe and containing Cr to a temperature equal to or higher than the AC3 transformation point;
A cooling step of cooling the steel material heated in the heating step to a predetermined temperature range higher than room temperature below the martensitic transformation start temperature at a speed at which pearlite transformation does not occur;
The steel material cooled in the cooling step possess a tempering step is performed tempering treatment without cooling to room temperature,
When the predetermined temperature range is T and the martensite transformation start temperature is Ms, the T is 50 ° C. ≦ T ≦ Ms−20 ° C.
A ferritic heat-resisting steel comprising a structure in which martensite formed in the predetermined temperature range is tempered and a structure formed when untransformed austenite is cooled from the tempering temperature as a final form, A method for producing a ferritic heat resistant steel.
請求項1に記載の製造方法において、前記鋼材料が質量%で0<C≦0.5;0<Si≦2;0<Mn≦2;5≦Cr≦13;0<N≦0.1;0<Al≦0.05を含有するものである、フェライト系耐熱鋼の製造方法。 2. The manufacturing method according to claim 1 , wherein the steel material is in mass% 0 <C ≦ 0.5; 0 <Si ≦ 2; 0 <Mn ≦ 2; 5 ≦ Cr ≦ 13; 0 <N ≦ 0.1. ; Ferritic heat resistant steel production method containing 0 <Al ≦ 0.05. 請求項1又は2に記載の製造方法において、前記鋼材料がMo、W又はMo+Wを質量%で0.2以上4以下含有するものである、フェライト系耐熱鋼の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 or 2 , wherein the steel material contains Mo, W, or Mo + W in a mass% of 0.2 or more and 4 or less. 請求項1からのいずれかに記載の製造方法において、前記鋼材料がV、Nb、Ta又はこれらの複合添加物を質量%で0.02以上0.6以下含有するものである、フェライト系耐熱鋼の製造方法。 In the manufacturing method in any one of Claim 1 to 3 , the said steel material contains 0.02 or more and 0.6 or less by mass% of V, Nb, Ta, or these composite additives. Manufacturing method of heat-resistant steel. 請求項1からのいずれかに記載の製造方法において、前記鋼材料がBを質量%で0.002以上0.02以下含有するものである、フェライト系耐熱鋼の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the steel material contains B in an amount of 0.002 to 0.02 by mass%. 請求項1からのいずれかに記載の製造方法において、前記鋼材料がNi、Co、Cu又はこれらの複合添加物を質量%で0.05以上4以下含有するものである、フェライト系耐熱鋼の製造方法。 The ferritic heat resistant steel according to any one of claims 1 to 5 , wherein the steel material contains Ni, Co, Cu or a composite additive thereof in an amount of 0.05% to 4% by mass. Manufacturing method.
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