JP5097017B2 - Manufacturing method of high Cr ferritic heat resistant steel - Google Patents

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本発明は、高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法に関する。詳しくは、ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などにおいて、高温高圧の環境下で使用される熱交換用および配管用に用いられる、高温長時間クリープ強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法に関する。特に、ボイラチューブ等の高Crフェライト系耐熱鋼からなる管材を製造する際に、好適な製造方法である。   The present invention relates to a method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material. Specifically, in the production of high Cr ferritic heat-resistant steel materials with excellent high-temperature and long-term creep strength used for heat exchange and piping used in high-temperature and high-pressure environments in boilers, nuclear power generation facilities, and chemical industrial facilities. Regarding the method. In particular, it is a suitable manufacturing method when manufacturing a pipe material made of high Cr ferritic heat resistant steel such as a boiler tube.

ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などにおいて、高温高圧の環境で使用される耐熱鋼材には、その形状(板材、管材、棒材等)やサイズを問わず、一般に高温クリープ強度、クリープ疲労強度、耐食性、耐酸化性等が要求される。   Heat resistant steel materials used in high-temperature and high-pressure environments in boilers, nuclear power generation facilities, chemical industrial facilities, etc. are generally high-temperature creep strength and creep fatigue strength regardless of their shape (plate material, pipe material, bar material, etc.) and size. Corrosion resistance, oxidation resistance, etc. are required.

高Crフェライト系鋼材は500〜650℃の温度で使用される場合には、強度および耐食性の点で低合金鋼よりも優れている。また、高Crフェライト系鋼材は、熱伝導率が高く、かつ熱膨張率が小さいことから、オーステナイト系ステンレス鋼材と比較して耐熱疲労特性に優れ、かつ安価であるという特徴がある。さらには、スケール剥離が起こりにくいこと、応力腐食割れを起こさないことなど、数々の利点がある。   When used at a temperature of 500 to 650 ° C., the high Cr ferritic steel material is superior to the low alloy steel in terms of strength and corrosion resistance. In addition, high Cr ferritic steel has high heat conductivity and a low coefficient of thermal expansion. Therefore, the high Cr ferritic steel has excellent heat-resistant fatigue properties and is inexpensive compared to austenitic stainless steel. In addition, there are a number of advantages such as less scale peeling and no stress corrosion cracking.

従来、高Crフェライト系耐熱鋼としては、「火STBA26」で示される9Cr-1Mo鋼や、「火STBA27」で示される9Cr-2Mo鋼などが用いられてきた。   Conventionally, as a high Cr ferritic heat resistant steel, 9Cr-1Mo steel indicated by “Tue STBA26”, 9Cr-2Mo steel indicated by “Tue STBA27”, and the like have been used.

1980年代後半から1990年代にかけて、より高強度の高Crフェライト系耐熱鋼が提案された。これは、特許文献1〜8で開示されているように、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化したものであって、たとえば特許文献1〜8で開示されている。   From the late 1980s to the 1990s, higher strength high Cr ferritic heat resistant steels were proposed. As disclosed in Patent Documents 1 to 8, this contains W or Mo, and is further reinforced with a composite carbonitride of Nb and V. For example, disclosed in Patent Documents 1 to 8 Yes.

そして、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼は、「火STBA28」や「火STPA28」で示されるASME P91/T91鋼、「火STBA29」や「火STPA29」で示されるASME P92/T92鋼、「火SUS410J3TB」や「火SUS410J3TP」で示されるASME P122/T122鋼などが実用化され、蒸気温度566℃以上の超臨界ボイラに用いられてきた。これらの材料はいずれも、NbとVの複合炭窒化物からなるMX型炭窒化物(M=Nb、V;X=C、N)を微細析出させることにより、長時間クリープ強度を確保している。   And, high strength high Cr ferritic heat resistant steel containing W or Mo and further reinforced with Nb and V composite carbonitride is ASME P91 / T91 steel indicated by “Tue STBA28” and “Tue STPA28”, ASME P92 / T92 steel indicated by “Tue STBA29” and “Tue STPA29”, ASME P122 / T122 steel indicated by “Tue SUS410J3TB” and “Tue SUS410J3TP” have been put into practical use, and supercritical boilers with a steam temperature of 566 ° C or higher. Has been used. All of these materials ensure a long-term creep strength by finely depositing MX type carbonitrides (M = Nb, V; X = C, N) composed of a composite carbonitride of Nb and V. Yes.

そして、クリープ強度をさらに向上させる手法が特許文献9〜12に提案されている。すなわち、特許文献9には1100〜1130℃に加熱して熱間加工を施し、その後730〜830℃で焼戻し熱処理を行う方法が開示され、特許文献10および11には熱間加工後に2段の焼ならし処理を行う方法が開示されており、そして、特許文献12には焼準処理後に2段の焼戻しを行う方法が開示されている。   And the method of further improving creep strength is proposed by patent documents 9-12. That is, Patent Document 9 discloses a method of performing hot working by heating to 1100 to 1130 ° C. and then performing tempering heat treatment at 730 to 830 ° C., and Patent Documents 10 and 11 disclose two steps after hot working. A method of performing normalizing treatment is disclosed, and Patent Document 12 discloses a method of performing two-stage tempering after normalizing treatment.

このようなWまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼は、ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などにおいて、高温高圧の環境で使用される耐熱鋼材として、その実用化が図られている。たとえば、蒸気温度600℃程度の超々臨界圧ボイラにおいて適用されている。   Such high strength high Cr ferritic heat resistant steels containing W or Mo and further reinforced with Nb and V composite carbonitrides are used in boilers, nuclear power generation facilities and chemical industrial facilities in high temperature and high pressure environments. As a heat-resistant steel material to be used, its practical use has been attempted. For example, it is applied to an ultra-supercritical boiler with a steam temperature of about 600 ° C.

しかしながら、近年、地球環境問題からCOの排出削減が求められており、さらなる高温高圧化の環境で使用される耐熱鋼材が求められている。たとえば、蒸気温度630℃程度の高温度域の超々臨界圧ボイラにおいて適用できる耐熱鋼材が求められている。 However, in recent years, there has been a demand for CO 2 emission reduction due to global environmental problems, and there is a demand for heat-resistant steel materials that can be used in higher temperature and pressure environments. For example, there is a need for a heat-resistant steel material that can be applied to a super-supercritical boiler with a high temperature range of about 630 ° C.

特開昭61-69948号公報JP 61-69948 A 特開昭61-231139号公報JP-A-61-231139 特開昭62-297436号公報JP-A-62-297436 特開平7-286246号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-286246 特開平9-71846号公報、JP-A-9-71846, 特開2000-26940号公報JP 2000-26940 A 特開2001-192781号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-192781 特開2002-363709公報JP 2002-363709 JP 特開平3-20410号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-20410 特開平4-350118号公報JP-A-4-350118 特開平8-225832号公報JP-A-8-225832 特開平8-225833号公報JP-A-8-225833

しかしながら、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼を用いて、高温高圧の環境で使用される耐熱鋼材を製造した場合には、長時間クリープ強度がその形状(板材、管材、棒材等)には依存しないが、そのサイズの大小に依存する傾向が見出された。このような傾向は、9Cr-1Mo鋼や9Cr-2Mo鋼などの従来の高Crフェライト鋼ではみられない。   However, when manufacturing a heat-resistant steel material used in a high-temperature and high-pressure environment using a high-strength, high-Cr ferritic heat-resistant steel containing W or Mo and further strengthened with a composite carbonitride of Nb and V The long-term creep strength does not depend on the shape (plate material, pipe material, bar material, etc.), but a tendency to depend on the size of the size was found. Such a tendency is not observed in conventional high Cr ferritic steels such as 9Cr-1Mo steel and 9Cr-2Mo steel.

例えば、ボイラチューブに関して、2007年7月10日付発行の「発電用火力設備の技術基準の解釈」における許容引張応力においては、火STPA28と火STBA28との比較では625℃で大径管の許容引張応力が高く、火STPA29と火STBA29との比較では600℃と625℃で大径管の許容引張応力が高くなっている。そして、火SUS410J3TPと火SUS410J3TBとの比較でも600℃で大径管の許容引張応力が高くなっている。   For example, with regard to boiler tubes, the allowable tensile stress in the “Interpretation of Technical Standards for Thermal Power Facilities for Power Generation” issued on July 10, 2007 shows that the allowable tensile strength of large-diameter pipes is 625 ° C in comparison with fire STPA28 and fire STBA28. The stress is high, and the allowable tensile stress of the large-diameter pipe is high at 600 ° C and 625 ° C in comparison with fire STPA29 and fire STBA29. And even in comparison between fire SUS410J3TP and fire SUS410J3TB, the allowable tensile stress of the large-diameter pipe is high at 600 ° C.

すなわち、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼材は、長時間クリープ強度は大径管よりも小径管において低くなる傾向が認められることが分かった。長時間クリープ強度は、板材、管材、棒材といった鋼材の形状には依存しないので、長時間クリープ強度はそのサイズの大小に依存する傾向があると判断される。   That is, high strength high Cr ferritic heat resistant steel materials containing W or Mo and further reinforced with Nb and V composite carbonitrides tend to have a long-term creep strength that tends to be lower in small diameter tubes than in large diameter tubes. I found out that Since the long-term creep strength does not depend on the shape of a steel material such as a plate material, pipe material, or bar material, it is determined that the long-term creep strength tends to depend on the size of the steel material.

本発明の目的は、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼材に特有のサイズ依存性の問題を解決するためのものであって、高温長時間クリープ強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the problem of size dependence peculiar to a high strength high Cr ferritic heat resistant steel material containing W or Mo and further reinforced with a composite carbonitride of Nb and V. Thus, an object of the present invention is to provide a method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material having excellent high temperature long time creep strength.

本発明者らは、高温長時間クリープ強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼材を製造するために、次に示すように、鋼材の金属組織の旧オーステナイト粒径に着目した。   In order to produce a high Cr ferritic heat-resistant steel material having excellent high-temperature and long-term creep strength, the present inventors focused on the prior austenite grain size of the metal structure of the steel material as shown below.

ASME P91鋼、ASME P92鋼、ASME P122鋼など、WまたはMoを含有し、さらにNbとVの複合炭窒化物で強化した高強度の高Crフェライト系耐熱鋼は、いずれも焼戻しマルテンサイト単相の組織を有するか、あるいはせいぜい10%以下のδフェライト相を含む二相組織を有する。これらの鋼材の金属組織は、鋼種によっても製品(鋼板、鋼管等)のサイズによっても、本質的には大きく変わるものではない。   ASME P91 steel, ASME P92 steel, ASME P122 steel, and other high strength high Cr ferritic heat resistant steels containing W or Mo and reinforced with Nb and V composite carbonitrides are all tempered martensite single phase Or a two-phase structure containing at most 10% of a δ ferrite phase. The metal structure of these steel materials does not change substantially depending on the type of steel and the size of the product (steel plate, steel pipe, etc.).

しかしながら、より詳細に金属組織をみると、鋼材の金属組織の旧オーステナイト粒径は、板材、管材、棒材等の形状には無関係であり、製品のサイズ依存性が大きい。特に、シームレス鋼管において、その粒径は管の外径によって顕著に異なっている。たとえば、ボイラチューブとして用いられる外径150mm以下の小径管はASTM粒度番号で7.5以上の細粒であるのに対し、外径150mm以上の大径管はASTM粒度番号で7.5より小さな粗粒である。   However, looking at the metal structure in more detail, the prior austenite particle size of the metal structure of the steel material is irrelevant to the shapes of the plate material, pipe material, bar material, and the like, and is highly dependent on the size of the product. In particular, in a seamless steel pipe, its particle size varies significantly depending on the outer diameter of the pipe. For example, a small-diameter tube having an outer diameter of 150 mm or less used as a boiler tube is a fine particle having an ASTM particle size number of 7.5 or more, whereas a large-diameter tube having an outer diameter of 150 mm or more is a coarse particle having an ASTM particle size number of less than 7.5. .

そこで、本発明者らは、次の(i)〜(v)に示すとおり、種々の実験を行い、旧オーステナイト粒径の長時間クリープ試験結果に及ぼす影響と、加工および熱処理工程における製造条件の旧オーステナイト粒径に及ぼす影響について、新たな知見を得た。   Therefore, the present inventors conducted various experiments as shown in the following (i) to (v), the influence of the prior austenite grain size on the long-term creep test results, and the manufacturing conditions in the processing and heat treatment steps. We obtained new knowledge about the influence on the prior austenite grain size.

(i) まず、本発明者らは、表1に示す化学組成を有する「火STBA29」(ASME T92)相当鋼からなる板材の板材に関して、熱間加工条件を変えて、次の(A)および(B)の2種類の実験を行った。   (i) First, the present inventors changed the hot working conditions for the plate material made of steel equivalent to “Fire STBA29” (ASME T92) having the chemical composition shown in Table 1, and changed the following (A) and Two types of experiments (B) were conducted.

Figure 0005097017
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第一の実験(A)は、肉厚30mmの板材を1000℃に加熱後、終了温度が900℃の熱間加工により厚さ15mmまで圧延した後、1050℃で10min間保持する焼ならし処理後、780℃で1hr間保持して焼戻し処理を行った。その結果、旧オーステナイト粒径がASTM粒度番号8の細粒の鋼材が得られた。この鋼材を、650℃において90MPaの引張強度にて長時間クリープ試験を行ったところ、クリープ試験破断時間は約8000hrであった。   In the first experiment (A), a 30 mm thick plate was heated to 1000 ° C, rolled to a thickness of 15 mm by hot working at an end temperature of 900 ° C, and then maintained at 1050 ° C for 10 minutes. Thereafter, tempering treatment was performed by holding at 780 ° C. for 1 hour. As a result, a fine steel material having a prior austenite grain size of ASTM grain size number 8 was obtained. When this steel material was subjected to a creep test for a long time at a tensile strength of 90 MPa at 650 ° C., the rupture time for the creep test was about 8000 hours.

第二の実験(B)は、肉厚30mmの板材を1000℃に加熱後、終了温度が900℃の熱間加工により厚さ15mmまで圧延した後、空冷して1120℃で1hrのソーキング処理後、1050℃で10minの間保持する焼ならし処理後、780℃で1hrの間保持して焼戻し処理を行った。その結果、旧オーステナイト粒径がASTM粒度番号5の粗粒の鋼材が得られた。この鋼材を、650℃において90MPaの引張強度にて長時間クリープ試験を行ったところ、クリープ試験破断時間は約14000hrであった。   In the second experiment (B), a 30 mm thick plate was heated to 1000 ° C, rolled to a thickness of 15 mm by hot working at an end temperature of 900 ° C, then air cooled and soaked at 1120 ° C for 1 hr. After tempering treatment held at 1050 ° C. for 10 minutes, tempering treatment was carried out at 780 ° C. for 1 hour. As a result, a coarse steel material having a prior austenite grain size of ASTM grain size number 5 was obtained. When this steel material was subjected to a creep test for a long time at a tensile strength of 90 MPa at 650 ° C., the creep test rupture time was about 14000 hours.

表2は、上記2つの熱間加工プロセス、鋼材の旧オーステナイト粒径(ASTM粒度番号)および650℃における90MPaの引張強度でのクリープ試験破断時間を比較したものである。   Table 2 compares the above two hot working processes, the prior austenite grain size (ASTM grain size number) of the steel, and the creep test rupture time at a tensile strength of 90 MPa at 650 ° C.

Figure 0005097017
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これらの実験結果から、旧オーステナイト粒径の大きさが長時間クリープ試験結果に大きく影響を及ぼすものであることが分かった。これは、ソーキング処理により、焼ならし処理前の旧オーステナイト粒径を大きくすることで、焼ならし時の核生成サイトが少なくなるため、最終的な組織も粗粒になり、その結果として、クリープ試験破断時間が大きく増加したものであると考えられる。   From these experimental results, it was found that the size of the prior austenite grain size greatly affects the long-term creep test results. This is because by increasing the old austenite grain size before normalization by soaking, the number of nucleation sites during normalization decreases, so the final structure becomes coarse, and as a result, It is thought that the creep test rupture time was greatly increased.

しかしながら、本手法を製品の製造プロセスに適用することは困難である。すなわち、1120℃で1hrのソーキング処理によって鋼材表面には厚い酸化スケールが付着するため、そのスケールの除去に手間がかかり、製品の製造能力を大きく落とす要因になり、実製造への適用には問題がある。   However, it is difficult to apply this method to a product manufacturing process. In other words, a thick oxide scale adheres to the steel surface by soaking at 1120 ° C for 1 hr, which takes time to remove the scale and greatly reduces the production capacity of the product. There is.

(ii) 次に、上記の旧オーステナイト粒径に関する知見が、鋼材の形状の違いには影響されず、たとえば管材にも適用できることを確認するための実験と検討を行った。   (ii) Next, experiments and examinations were conducted to confirm that the knowledge about the prior austenite grain size is not affected by the difference in the shape of the steel material and can be applied to, for example, pipe materials.

一般に、鋼管の製造は、熱間加工、焼ならし処理、焼戻し処理の順になされる。通常、熱間加工によって成形した後、1050〜1100℃の温度域で保持後室温まで冷却する焼ならし処理と、750〜800℃程度に保持する焼戻し処理を施して使用する。例えば、鋼管の熱間加工はマンネスマン・マンドレルミル法、ユジーンセジュルネ法、エルハルトプッシュベンチ法などで行われるが、一般に小径管になればなるほど加工度が大きくなり、低温まで加工がなされるため、熱間加工完了段階の金属組織の粒径は細かくなる傾向である。なお、最終的な製品の粒径は焼ならし処理の工程で決定される。   In general, a steel pipe is manufactured in the order of hot working, normalizing treatment, and tempering treatment. Usually, after shaping | molding by hot processing, the normalization process which cools to room temperature after hold | maintaining in the temperature range of 1050-1100 degreeC, and the tempering process hold | maintained at about 750-800 degreeC are used. For example, hot processing of steel pipes is performed by the Mannesmann-Mandrel mill method, the Eugene Sejurune method, the Erhard push bench method, etc., but generally, the smaller the diameter of the tube, the greater the degree of processing and the lower the temperature. The particle size of the metal structure at the stage of completion of hot working tends to be fine. The final product particle size is determined in the normalization process.

本発明者らは、表1に示す化学組成を有するASME P92鋼から、外径60mm(肉厚8mm)、外径350mm(肉厚35mm)および外径500mm(肉厚70mm)の3種類のサイズの鋼管を製造した。   The present inventors made three types of sizes from ASME P92 steel having the chemical composition shown in Table 1 with an outer diameter of 60 mm (wall thickness of 8 mm), an outer diameter of 350 mm (wall thickness of 35 mm), and an outer diameter of 500 mm (wall thickness of 70 mm). The steel pipe was manufactured.

そして、鋼管製造時の熱間加工終了時と、1070℃で30minの焼ならし処理終了時に、それぞれサンプルを採取し、実験室にて780℃で1hr保持する焼戻し処理を実施し、旧オーステナイト粒径を測定した。ちなみに、各サイズの最終の熱間加工終了温度は、それぞれ、950℃、1050℃および1130℃であった。別途、鋼管製造時の熱間加工まま材を実験室にて1070℃で30minの焼ならし処理後、780℃で1hr保持する焼戻し処理を実施し、旧オーステナイト粒径を測定した。   At the end of hot working at the time of steel pipe production and at the end of 30 min normalization at 1070 ° C, samples were taken and tempered at 780 ° C for 1 hour, and subjected to old austenite grains. The diameter was measured. Incidentally, the final hot working end temperatures of each size were 950 ° C., 1050 ° C., and 1130 ° C., respectively. Separately, after normalizing the material as it was hot-worked at the time of steel pipe production at 1070 ° C. for 30 min, a tempering treatment was performed for 1 hour at 780 ° C., and the prior austenite grain size was measured.

すなわち、上記の3種類の肉厚の鋼管について、次の(C)〜(E)に示す3種類の加工および熱処理条件で実験を行ったことになる。
(C)熱間加工まま
(D)熱間加工→工場での焼ならし処理→実験室焼戻し処理
(E)熱間加工→実験室での焼ならし処理→実験室焼戻し処理
表3に、それぞれの旧オーステナイト粒径(ASTM粒度番号)の測定結果を示す。
That is, the above three types of thick steel pipes were tested under the following three types of processing and heat treatment conditions shown in (C) to (E).
(C) As hot working (D) Hot working → Factory normalizing process → Laboratory tempering process (E) Hot working → Laboratory normalizing process → Laboratory tempering process The measurement result of each prior austenite particle size (ASTM particle size number) is shown.

Figure 0005097017
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このように、管材においても焼ならし処理後の粒径は熱間加工完了段階の粒径に依存するものであって、管材の外径が大きいほど、すなわち熱間加工の終了温度が高いほど粗粒となることが明らかになった。また、実験室での焼ならし処理でも、工場での焼ならし処理と同様の粒度番号の鋼が得られており、実験室での焼ならし処理によって工場での焼ならし処理と同等の処理が再現されていることが確認できた。   In this way, the particle size after the normalizing treatment in the pipe material also depends on the particle size at the stage of completion of hot working, and the larger the outer diameter of the pipe material, that is, the higher the end temperature of hot working. It became clear that it became a coarse grain. Also, in the laboratory normalization process, steel with the same particle size number as the factory normalization process is obtained, and the normalization process in the laboratory is equivalent to the normalization process in the factory. It was confirmed that the process was reproduced.

ここで、結晶粒径の支配因子は、核生成と粒成長である。一般に、核生成サイトとしてもっとも有力であるのは結晶粒界であり、熱間加工ままで細粒な材料ほど核生成サイトが多いため、細粒になりやすいと考えられる。粒成長に関しては、粒成長を阻害するピン止め粒子の存在が重要である。   Here, the dominating factors of the crystal grain size are nucleation and grain growth. In general, the most prominent nucleation sites are crystal grain boundaries, and it is considered that finer materials are more likely to become fine grains because they have more nucleation sites as they are hot-worked. Regarding grain growth, the presence of pinning particles that inhibit grain growth is important.

表1に示す化学組成を有するASME P92鋼からなる鋼管の焼ならし処理において、粒成長を阻害するピン止め粒子は、VおよびNbの炭窒化物である。この鋼管には、質量%でNbが0.06%とVが0.2%含まれるが、その炭窒化物の一部が熱間加工完了の状態で析出しており、焼ならし処理時に粒成長を阻害する。この鋼管の熱間加工完了の状態におけるNbの炭窒化物の析出量を調査したところ、外径60mmの鋼管で0.039%、外径350mmの鋼管で0.035%、そして外径500mmの鋼管で0.032%が、それぞれ析出していた。Nbの炭窒化物の析出量は小径管の方が多く、焼ならし処理時に粒成長を阻害するピン止め粒子の数は小径管の方が多いと考えられる。しかしながら、大径管においては、相応のピン止め粒子がありながら粗粒になっていることから、焼ならし処理後の粒径の支配因子として、核生成サイトの数が最も重要であると考えられる。   In the normalization treatment of a steel pipe made of ASME P92 steel having the chemical composition shown in Table 1, the pinning particles that inhibit grain growth are V and Nb carbonitrides. This steel pipe contains 0.06% Nb and 0.2% V in mass%, but some of the carbonitrides are precipitated in the state of completion of hot working, which inhibits grain growth during normalization. To do. When the amount of Nb carbonitride deposited in the hot-worked state of this steel pipe was investigated, it was 0.039% for a steel pipe with an outer diameter of 60 mm, 0.035% for a steel pipe with an outer diameter of 350 mm, and 0.032% for a steel pipe with an outer diameter of 500 mm. However, each was deposited. It is considered that the amount of Nb carbonitride deposited in the small-diameter tube is larger in the small-diameter tube, and the number of pinning particles that inhibit grain growth during the normalizing treatment is larger in the small-diameter tube. However, in large-diameter pipes, the number of nucleation sites is considered to be the most important factor governing the grain size after normalization, since there are corresponding pinning particles and they are coarse. It is done.

これに対して、熱間加工の加工度が大きく、低温まで加工される小径管においては、熱間加工完了の段階で非常に核生成サイトが多く細粒になりやすいと考えられる。すなわち、小径管においては、低温強加工により細粒になっているのに加え、加工の影響と加工後の冷却中に生じたマルテンサイト変態により導入された多量の転位も核生成サイトになり得ると考えられるため、核生成の駆動力は非常に高いと考えられる。   On the other hand, in a small-diameter pipe that has a high degree of hot processing and is processed to a low temperature, it is considered that the number of nucleation sites is very large at the stage of completion of hot processing and is likely to become fine particles. That is, in a small-diameter tube, in addition to being finely grained by low-temperature strong processing, a large amount of dislocations introduced by the martensitic transformation that occurs during processing and cooling after processing can also become nucleation sites. Therefore, the driving force for nucleation is considered to be very high.

(iii) 次に、本発明者らは、熱間加工まま材の核生成の駆動力を減らす方法として、A変態点近傍での軟化処理の可否を検討した。この軟化処理の目的は、低温強加工およびマルテンサイト変態で導入された転位を減らすとともに、再結晶を生じさせて粒径を大きくすることである。 (iii) Next, the present inventors have found that, as a method of reducing the driving force of the nucleation of hot working Mom material was examined whether the softening treatment in the vicinity A 1 transformation point. The purpose of this softening treatment is to reduce the dislocations introduced in the low temperature strong working and martensitic transformation, and to cause recrystallization to increase the grain size.

このため、熱間加工後、焼ならし焼戻し処理の前に、軟化処理を行った(以下、このときの加工および熱処理条件を(F)とする。)。すなわち、肉厚30mmの板材を1000℃に加熱後、終了温度が900℃の熱間加工により厚さ15mmまで圧延した後、800℃で30minの軟化処理後、光学顕微鏡でその金属組織を観察した。   For this reason, the softening treatment was performed after the hot working and before the normalizing and tempering treatment (hereinafter, the working and heat treatment conditions at this time are referred to as (F)). That is, after heating a plate material with a thickness of 30 mm to 1000 ° C., after rolling to a thickness of 15 mm by hot working with an end temperature of 900 ° C., the metal structure was observed with an optical microscope after softening treatment at 800 ° C. for 30 min. .

軟化処理材の組織は、熱間加工ままの組織が焼戻された、焼戻しマルテンサイト組織であり、期待された様な再結晶は起こしていなかった。しかしながら、軟化処理後の鋼材のビッカース硬さは240であり、熱間加工後のビッカース硬さ430と比較すれば軟化しており、熱間加工およびマルテンサイト変態で導入された転位は減っており、核生成の駆動力は若干小さくなる傾向と期待される。そこで次に、この軟化処理材を1050℃で10min間保持する焼ならし処理および780℃で1hr間保持する焼戻し処理を施し、金属組織を調査した。焼ならし焼戻し処理後の旧オーステナイト粒径はASTM粒度番号7.5で熱間加工まま材を焼ならした場合と同等で、期待した粗粒化は起こらなかった。これは800℃×30minの軟化処理では再結晶が生じず、転位が依然として多いことに加え、熱間加工ままの粒径が保持されているため、核生成サイトが多いままであったためと推定される。   The structure of the softened material was a tempered martensite structure in which the structure as hot worked was tempered, and recrystallization as expected was not caused. However, the Vickers hardness of the steel after the softening treatment is 240, which is softer than the Vickers hardness 430 after hot working, and the dislocations introduced by hot working and martensitic transformation are reduced. The driving force for nucleation is expected to be slightly smaller. Then, the softening material was subjected to a normalizing treatment for 10 minutes at 1050 ° C. and a tempering treatment for 1 hour at 780 ° C., and the metal structure was investigated. The prior austenite grain size after the normalizing and tempering treatment was equivalent to the case of normalizing the material as it was hot worked with ASTM grain size number 7.5, and the expected coarsening did not occur. This is presumably because the softening treatment at 800 ° C x 30 min did not cause recrystallization, and there were still many dislocations, and the grain size as hot worked was maintained, so there were still many nucleation sites. The

表4に、この(F)の加工および熱処理条件で製造した鋼材の旧オーステナイト粒径(ASTM粒度番号)の測定結果を、前述の(A)の条件で製造した鋼材のものと比較して示す。   Table 4 shows the measurement results of the prior austenite grain size (ASTM grain size number) of the steel manufactured under the processing and heat treatment conditions of (F) in comparison with those of the steel manufactured under the conditions of (A) described above. .

Figure 0005097017
Figure 0005097017

(iv) A変態点近傍での軟化処理によって再結晶を生じなかった理由として、熱間加工後にマルテンサイト変態で導入された転位の分布が非常に均一であることが挙げられる。核生成の駆動力が小さい低温のA変態点近傍でのフェライト温度域では、むしろ転位の分布が不均一で、一部転位が再配列した領域がある方が再結晶を生じやすい可能性を考慮し、冷間加工により強制的に転位を導入し、そのあとに軟化処理を行うことを検討した。 The reason did not produce recrystallization by softening treatment with (iv) A 1 transformation point near, the distribution of dislocations introduced in the martensitic transformation after hot working and the like to be very uniform. The ferrite temperature region at a low temperature of A 1 transformation point near the driving force is small nucleation, rather the distribution of dislocations heterogeneous, the possibility prone to Write some dislocations rearranged regions recrystallization In view of this, we investigated the forced introduction of dislocations by cold working followed by softening.

このため、熱間加工後、軟化処理を行い、冷間加工した後、再度軟化処理を行った(以下、このときの加工および熱処理条件を(G)とする。)。すなわち、肉厚30mmの板材を1000℃に加熱後、終了温度が900℃の熱間加工により厚さ15mmまで圧延した後、800℃×30minの軟化処理を行い、さらに肉厚10.5mmまで冷間加工した後、再度800℃で30minの軟化処理を施した。冷間加工後、再度800℃×30minの軟化処理を行った材料の光学顕微鏡組織を図1に示す。冷間加工後の軟化処理材のビッカース硬さは165であり、再結晶フェライト組織が形成されたことがわかる。   For this reason, after the hot working, the softening treatment was performed, and after the cold working, the softening treatment was performed again (hereinafter, the working and heat treatment conditions at this time are referred to as (G)). That is, after heating a plate material with a thickness of 30 mm to 1000 ° C, rolling it to a thickness of 15 mm by hot working at an end temperature of 900 ° C, then performing a softening treatment at 800 ° C for 30 minutes, and further colding to a thickness of 10.5 mm After processing, it was again softened at 800 ° C. for 30 minutes. FIG. 1 shows an optical microstructure of a material that has been softened again at 800 ° C. for 30 minutes after cold working. The softened material after cold working had a Vickers hardness of 165, indicating that a recrystallized ferrite structure was formed.

冷間加工後の軟化処理により、再結晶した材料を、さらに1050℃で10min間保持する焼ならし処理と780℃で1hr間保持する焼戻し処理を行い、光学顕微鏡でその金属組織を観察した。   By the softening treatment after cold working, the recrystallized material was further subjected to a normalizing treatment for 10 minutes at 1050 ° C. and a tempering treatment for 1 hour at 780 ° C., and the metal structure was observed with an optical microscope.

表4に、この(G)の加工および熱処理条件で製造した鋼材の旧オーステナイト粒径(ASTM粒度番号)の測定結果を示す。   Table 4 shows the measurement results of the prior austenite particle size (ASTM particle size number) of the steel material produced under the processing and heat treatment conditions of (G).

この結果、(G)の加工および熱処理条件で製造した鋼材、すなわち、軟化処理後に冷間加工により強制的に転位を導入し、そのあとにさらに軟化処理を施した鋼材の組織は、旧オーステナイト粒径がASTM粒度番号6.0の粗粒であって、明らかに粗粒化されている。これは、再結晶させて核生成サイトを少なくしたためと考えられる。   As a result, the steel material manufactured under the processing and heat treatment conditions of (G), that is, the structure of the steel material forcibly introduced with dislocation by cold working after the softening treatment and then further softening treatment is the old austenite grains It is a coarse particle having a diameter of ASTM particle size number 6.0 and is obviously coarse. This is presumably because the number of nucleation sites was reduced by recrystallization.

(v) ちなみに、通常のボイラチューブで一部行われている冷間加工を模擬して、熱間加工後、軟化処理を行い、さらに冷間加工したが、再度の軟化処理を行わないプロセスを採用して、実験を行った(以下、このときの加工および熱処理条件を(H)とする。)。   (v) By the way, a process that simulates the cold work that is partly performed in a normal boiler tube, performs the softening process after hot working, and further cold-workes, but does not perform the softening process again. The experiment was carried out (hereinafter, the processing and heat treatment conditions at this time are referred to as (H)).

すなわち、肉厚30mmの板材を1000℃に加熱後、終了温度が900℃の熱間加工により厚さ15mmまで圧延した後、800℃×30minの軟化処理を行い、さらに肉厚10.5mmまで冷間加工した後、1050℃で10min間保持する焼ならし処理後、780℃で1hr間保持して焼戻し処理を行った。   In other words, after heating a plate with a thickness of 30 mm to 1000 ° C, rolling it to a thickness of 15 mm by hot working with an end temperature of 900 ° C, then softening it to 800 ° C x 30 min, and then colding to a thickness of 10.5 mm After the processing, after a normalizing treatment held at 1050 ° C. for 10 minutes, a tempering treatment was carried out by holding at 780 ° C. for 1 hour.

表4に、この(H)の加工および熱処理条件で製造した鋼材の旧オーステナイト粒径(ASTM粒度番号)の測定結果を示す。   Table 4 shows the measurement results of the prior austenite particle size (ASTM particle size number) of the steel material manufactured under the processing and heat treatment conditions of (H).

この結果、(H)の加工および熱処理条件で製造した鋼材、すなわち、軟化処理後に冷間加工により強制的に転位を導入したときの鋼材の組織は、旧オーステナイト粒径がASTM粒度番号8.0の細粒である。これは、冷間加工後の熱処理を核生成が容易な高温(オーステナイト域)で行っているため、結果として核生成サイトが多いためと推定される。   As a result, the structure of the steel material manufactured under the processing and heat treatment conditions of (H), that is, the steel material when the dislocation is forcibly introduced by cold working after the softening treatment, the prior austenite grain size is ASTM grain size number 8.0. It is a fine grain. This is presumably because the heat treatment after cold working is performed at a high temperature (austenite region) where nucleation is easy, and as a result, there are many nucleation sites.

本発明は、上記の知見を基礎としてなされたもので、その要旨は下記の(1)〜(4)に示す高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法にある。   The present invention has been made on the basis of the above-mentioned knowledge, and the gist thereof resides in a method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material shown in the following (1) to (4).

(1)質量%で、C:0.05〜0.12%、Si:0.2〜0.5%、Mn:0.3〜0.6%、P:0.02%以下、S:0.005%以下、Cr:8.0〜12%未満、V:0.15〜0.25%、Nb:0.03〜0.08%、N:0.005〜0.07%、sol.Al:0.015%以下、Ni:0.5%以下を含み、さらにMo:0.1〜1.1%およびW:1.5〜3.5%のうちの1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなる組成を有する鋼を、下記の(1)〜(5)の工程により加工及び熱処理を行うことを特徴とする、高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。
(1) 最終の加工終了温度が1000℃以下の熱間加工工程、
(2) 750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程、
(3) 断面減少率15%以上の冷間加工工程、
(4) 750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程、
(5) 焼ならし焼戻し処理工程。
(1) By mass%, C: 0.05 to 0.12%, Si: 0.2 to 0.5%, Mn: 0.3 to 0.6%, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, Cr: less than 8.0 to 12%, V: 0.15 to 0.25%, Nb: 0.03 to 0.08%, N: 0.005 to 0.07%, sol.Al: 0.015% or less, Ni: 0.5% or less, Mo: 0.1 to 1.1% and W: 1.5 to 3.5% A high Cr ferrite characterized in that a steel having a composition containing one or two of them, the balance being Fe and impurities, is processed and heat-treated by the following steps (1) to (5) Of manufacturing heat-resistant steel.
(1) A hot working process in which the final finishing temperature is 1000 ° C. or lower,
(2) Softening process of 20 min to 2 hr in the range of 750 to 820 ° C,
(3) Cold working process with a cross-section reduction rate of 15% or more,
(4) Softening process of 20 min to 2 hr in the range of 750 to 820 ° C,
(5) Normalizing and tempering process.

(2)質量%で、さらに、次に示す第1グループから第3グループまでのうちの少なくとも1つのグループの中から選択される成分のうちの少なくとも1種を含有することを特徴とする、上記(1)の高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。
第1グループ:質量%で、B:0.015%以下、
第2グループ:質量%で、Cu:1.5%以下およびCo:5%以下のうちの1種又は2種、
第3グループ:質量%で、Ti:0.05%以下、Ta:0.05%以下、Nd:0.05%以下及びCa:0.01%以下のうちの1種または2種以上。
(2) by mass%, further containing at least one component selected from at least one of the following first group to third group: (1) A method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material.
First group:% by mass, B: 0.015% or less,
Second group:% by mass, Cu: 1.5% or less and Co: 5% or less,
Third group:% by mass, Ti: 0.05% or less, Ta: 0.05% or less, Nd: 0.05% or less, and Ca: 0.01% or less.

(3)上記(1)又は(2)の高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法において、(1)の工程と(4)の工程との間で、(2)の工程と(3)の工程を複数回繰り返すことを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。   (3) In the method for producing a high Cr ferritic heat-resistant steel material according to (1) or (2) above, between the step (1) and the step (4), the step (2) and the step (3) Is repeated a plurality of times, and a method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material.

(4)高Crフェライト系耐熱鋼材がボイラチューブであることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかの高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。   (4) The method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material according to any one of (1) to (3) above, wherein the high Cr ferritic heat resistant steel material is a boiler tube.

本発明によれば、ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などにおいて、600〜650℃の高温の環境下で使用される熱交換用および配管用に用いられる、高温長時間クリープ強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼材が得られる。特に、ボイラチューブ等の高Crフェライト系耐熱鋼からなる管材を得るのに好適である。   According to the present invention, in boilers, nuclear power generation facilities, chemical industrial facilities, etc., it is used for heat exchange and piping used in a high temperature environment of 600 to 650 ° C. A Cr ferritic heat resistant steel material is obtained. In particular, it is suitable for obtaining a tube material made of a high Cr ferritic heat resistant steel such as a boiler tube.

以下に、本発明に係る高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法において用いる鋼を構成する成分の規定理由並びに加工および熱処理工程の規定理由を説明する。なお、含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。   Below, the reason for prescription | regulation of the component which comprises the steel used in the manufacturing method of the high Cr ferritic heat-resistant steel material which concerns on this invention, and the prescription | regulation reason of a process and a heat processing process are demonstrated. In addition, "%" regarding content means "mass%".

A.鋼を構成する成分の規定理由について
C:0.05〜0.12%
Cは、オーステナイト安定化元素として組織を安定化する。また、MC(Mは合金元素)炭化物あるいはM(C、N)炭窒化物を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。しかし、0.05%以下では上記の効果が充分得られない上に、δフェライト量が多くなり強度を低下させる場合がある。一方、0.12%を超えて多量に含有させると、加工性や溶接性を劣化させるとともに、使用初期から炭化物の凝集粗大化が起こり、長時間クリープ強度の低下を招く。したがって、Cの含有量を0.05〜0.12%とした。
A. Reasons for prescribing the components constituting steel C: 0.05 to 0.12%
C stabilizes the structure as an austenite stabilizing element. Further, MC (M is an alloying element) carbide or M (C, N) carbonitride is formed, which contributes to improvement of creep strength. However, if it is 0.05% or less, the above effects cannot be obtained sufficiently, and the amount of δ ferrite increases and the strength may be lowered. On the other hand, if the content exceeds 0.12%, the workability and weldability are deteriorated, and the agglomeration and coarsening of carbides occur from the beginning of use, leading to a decrease in creep strength for a long time. Therefore, the content of C is set to 0.05 to 0.12%.

Si:0.2〜0.5%
Siは、鋼の脱酸に効果があり、また耐水蒸気酸化性を高める効果を有する元素である。水蒸気酸化性能を損なわないためには、0.2%以上含有させる必要がある。ただし、0.5%を超えて多量に含有させると、クリープ強度の低下が著しい。したがって、Siの含有量を0.2〜0.5%とした。
Si: 0.2-0.5%
Si is an element that has an effect on deoxidation of steel and has an effect of improving the steam oxidation resistance. In order not to impair the steam oxidation performance, it is necessary to contain 0.2% or more. However, when the content exceeds 0.5%, the creep strength is remarkably lowered. Therefore, the Si content is set to 0.2 to 0.5%.

Mn:0.3〜0.6%
Mnは、鋼の脱酸に効果があり、オーステナイト安定化元素として寄与する。また、MnSを形成し、Sを固定する。それらの効果を得るためには0.3%以上必要である。ただし、0.6%を超えるとクリープ強度の低下を招く。したがって、Mnの含有量を0.3〜0.6%とした。
Mn: 0.3 to 0.6%
Mn is effective in deoxidizing steel and contributes as an austenite stabilizing element. Further, MnS is formed and S is fixed. In order to obtain those effects, 0.3% or more is necessary. However, if it exceeds 0.6%, the creep strength is reduced. Therefore, the Mn content is set to 0.3 to 0.6%.

P:0.02%以下
Pは、熱間加工性、溶接性、クリープ強度、クリープ疲労強度などの観点から低い方が望ましい。ただし、著しい鋼の清浄化は大幅なコストアップを招くため、上限を0.02%とした。
P: 0.02% or less P is preferably as low as possible from the viewpoints of hot workability, weldability, creep strength, creep fatigue strength, and the like. However, the remarkable cleaning of the steel causes a significant cost increase, so the upper limit was made 0.02%.

S:0.005%以下
Sは、熱間加工性、溶接性、クリープ強度、クリープ疲労強度などの観点から低い方が望ましい。ただし、著しい鋼の清浄化は大幅なコストアップを招くため、上限を0.005%とした。
S: 0.005% or less S is preferably as low as possible from the viewpoints of hot workability, weldability, creep strength, creep fatigue strength, and the like. However, the remarkable cleaning of the steel causes a significant cost increase, so the upper limit was made 0.005%.

Cr:8.0%以上かつ12%未満
Crは、高温における耐食性や耐酸化性、特に耐水蒸気酸化特性を確保するために不可欠な元素である。さらに、炭化物を形成してクリープ強度を向上させる。それらの効果を得るためには8.0%以上とする必要がある。しかし多量に含有させると、長時間クリープ強度の低下を招くため12%未満とした。
Cr: 8.0% or more and less than 12% Cr is an indispensable element for ensuring corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures, particularly steam oxidation resistance. Furthermore, a carbide is formed to improve the creep strength. In order to acquire those effects, it is necessary to set it as 8.0% or more. However, if contained in a large amount, the creep strength is lowered for a long time, so the content was made less than 12%.

V:0.15〜0.25%
Vは、固溶強化および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。その効果を発揮させるためには0.15%以上含有させる必要がある。しかしながら、0.25%を超えて含有させるとδフェライトの生成を促進し、長時間クリープ強度の低下を招く。したがって、Vの含有量は0.15〜0.25%とした。
V: 0.15-0.25%
V is an element that contributes to the improvement of creep strength by forming solid solution strengthening and fine carbonitride. In order to exert the effect, it is necessary to contain 0.15% or more. However, if the content exceeds 0.25%, the formation of δ ferrite is promoted and the creep strength is lowered for a long time. Therefore, the content of V is set to 0.15 to 0.25%.

Nb:0.03〜0.08%
Nbは、微細な炭窒化物を形成して長時間クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を発揮させるためには、0.03%以上含有させる必要である。しかしながら、0.08%を超えて含有させるとδフェライトの生成を促進し、長時間クリープ強度の低下を招く。したがって、Nbの含有量を0.03〜0.08%とした。
Nb: 0.03-0.08%
Nb is an element that contributes to the improvement of creep strength for a long time by forming fine carbonitrides. In order to exert the effect, it is necessary to contain 0.03% or more. However, if it exceeds 0.08%, the formation of δ ferrite is promoted and the creep strength is lowered for a long time. Therefore, the Nb content is set to 0.03 to 0.08%.

N :0.005〜0.07%
Nは、Cと同様オーステナイト安定化元素として有効である。またNは窒化物または炭窒化物を析出させて、高温強度を高める。その効果を発揮させるためには0.005%以上含有させることが必要である。しかし、多量に含有させると溶解時にブローホールを生成したり、溶接欠陥の原因となったりするとともに、窒化物、炭窒化物の粗大化によるクリープ強度の低下をもたらすため、上限を0.07%とした。
N: 0.005-0.07%
N, like C, is effective as an austenite stabilizing element. N also precipitates nitrides or carbonitrides to increase the high temperature strength. In order to exhibit the effect, it is necessary to contain 0.005% or more. However, if it is contained in a large amount, blow holes may be generated at the time of melting, causing welding defects and reducing the creep strength due to the coarsening of nitrides and carbonitrides, so the upper limit was made 0.07% .

sol.Al:0.015%以下
Alは、溶鋼の脱酸剤として用いるが、0.015%を超えて多量に含有させると、クリープ強度の低下を招くので、sol.Alの含有量の上限を0.015%とした。
solu.Al: 0.015% or less Al is used as a deoxidizer for molten steel, but if it is contained in a large amount exceeding 0.015%, the creep strength is reduced, so the upper limit of the solu.Al content is 0.015%. did.

Ni:0.5%以下
Niは、微量に含有してもクリープを低下させる元素である。しかし、微量のNiは溶解原料からの混入を避けられない。0.5%以下であれば、クリープ強度への影響は小さいため、許容量の上限を0.5%とした。
Ni: 0.5% or less Ni is an element that reduces creep even when contained in a trace amount. However, a very small amount of Ni is unavoidably mixed from the melting raw material. If it is 0.5% or less, the effect on the creep strength is small, so the upper limit of the allowable amount is set to 0.5%.

Mo: 0.1〜1.1%及びW:1.5〜3.5%のうちの1種または2種
MoおよびWは、それぞれ、固溶強化元素としてクリープ強度の向上に寄与する。さらに、Cr炭化物中に一部固溶して、炭化物の凝集と粗大化を抑制してクリープ強度の向上に寄与する。単独で添加する場合には、Mo:0.1%未満、W:1.5%未満では、クリープ強度の向上効果は小さい。一方、Moを1.1%を超えて含有させると、δフェライトの生成を促進し、クリープ強度の低下を招く。また、Wを3.5%を超えて含有させるとδフェライトの生成を促進し、クリープ強度の低下を招く。なお、MoとWの2種を複合して含有させる場合には、同様の観点から、Mo+0.5Wの上限を1.5%とすることが望ましい。
One or two of Mo: 0.1 to 1.1% and W: 1.5 to 3.5% Mo and W each contribute to improvement of creep strength as a solid solution strengthening element. Further, it partially dissolves in the Cr carbide, thereby suppressing the agglomeration and coarsening of the carbide and contributing to the improvement of the creep strength. When added alone, if the Mo content is less than 0.1% and the W content is less than 1.5%, the effect of improving the creep strength is small. On the other hand, when Mo is contained exceeding 1.1%, the formation of δ ferrite is promoted and the creep strength is lowered. Moreover, when W is contained exceeding 3.5%, the formation of δ ferrite is promoted, and the creep strength is lowered. In addition, when combining and containing 2 types of Mo and W, it is desirable from the same viewpoint that the upper limit of Mo + 0.5W is 1.5%.

本発明に係る高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法において用いる鋼を構成する成分として、上記の成分のほかに、質量%で、次に示す第1グループから第3グループまでのうちの少なくとも1つのグループの中から選択される成分のうちの少なくとも1種を含有させてもよい。   As a component constituting the steel used in the method for producing a high Cr ferritic heat-resistant steel material according to the present invention, in addition to the above components, at least one of the following first group to third group in mass% You may contain at least 1 sort (s) of the components selected from a group.

第1グループ:
B:0.015%以下
Bは任意添加元素であり、必要に応じて含有させることができる。Bを含有させた場合には、焼入れ性を高め、高温強度の確保に重要な役割を果たす。しかしながら、0.015%を超えて含有させると、溶接性および長時間クリープ強度を低下させる。そのため、含有させる場合はその含有量の上限を0.015%とする。なお、上記効果を確実に得るためには、0.003%以上含有させることが好ましい。
First group:
B: 0.015% or less B is an optional additive element and can be contained as necessary. When B is contained, it enhances hardenability and plays an important role in securing high temperature strength. However, if it exceeds 0.015%, weldability and long-term creep strength are lowered. Therefore, when it contains, the upper limit of the content shall be 0.015%. In addition, in order to acquire the said effect reliably, it is preferable to make it contain 0.003% or more.

第2グループ:
Cu:1.5%以下およびCo:5%以下のうちの1種又は2種
Cuは、任意添加元素であり、必要に応じて含有させることができる。Cuを含有させた場合には、オーステナイト安定化元素として作用する。しかしながら、1.5%を超えて含有させるとクリープ強度の低下を招く。そのため、含有させる場合はその含有量の上限を1.5%とする。なお、上記の作用を確実に得るためには、0.3%以上含有させることが好ましい。
Second group:
One or two of Cu: 1.5% or less and Co: 5% or less Cu is an optional additive element and can be contained as required. When Cu is contained, it acts as an austenite stabilizing element. However, if the content exceeds 1.5%, the creep strength is reduced. Therefore, when it makes it contain, the upper limit of the content shall be 1.5%. In addition, in order to acquire said effect reliably, it is preferable to make it contain 0.3% or more.

Coは、任意添加元素であり、必要に応じて含有させることができる。Coを含有させた場合には、オーステナイト安定化元素として作用する。しかしながら、5%を超えて含有させるとクリープ強度の低下を招く。そのため、含有させる場合はその含有量の上限を5%とする。なお、上記の作用を確実に得るためには、0.5%以上含有させることが好ましい。   Co is an optional additive element and can be contained as necessary. When Co is contained, it acts as an austenite stabilizing element. However, if the content exceeds 5%, the creep strength is reduced. Therefore, when it contains, the upper limit of the content shall be 5%. In order to reliably obtain the above action, it is preferable to contain 0.5% or more.

第3グループ:
Ti:0.05%以下、Ta:0.05%以下、Nd:0.05以下及びCa:0.01以下のうちの1種または2種以上
これらの元素は任意添加元素であり、必要に応じて含有させることができる。これらの元素を含有させた場合には、微細な炭窒化物を形成してクリープ強度の向上に効果がある。しかしながら、Ti、Ta、Ndは0.05%を超えて含有させてもその効果は飽和し、かえって靭性およびクリープ強度を劣化させる。また、Caは0.01%を超えて含有させてもその効果は飽和し、かえって靭性およびクリープ強度を劣化させる。そのため、これらの元素を含有させる場合は、その含有量の上限を、Ti、Ta、Ndは0.05%とし、Caは0.01%とする。なお、上記のクリープ強度の向上の効果を確実に得るためには、Ti、Ta、Ndは0.005%以上含有させることが好ましく、また、Caは0.0005%以上含有させることが好ましい。
Third group:
One or more of Ti: 0.05% or less, Ta: 0.05% or less, Nd: 0.05 or less, and Ca: 0.01 or less These elements are optional addition elements, and can be contained as necessary. When these elements are contained, fine carbonitrides are formed, which is effective in improving creep strength. However, even if Ti, Ta, and Nd are contained in excess of 0.05%, the effect is saturated, and on the contrary, toughness and creep strength are deteriorated. Moreover, even if Ca is contained in excess of 0.01%, the effect is saturated, and on the contrary, toughness and creep strength are deteriorated. Therefore, when these elements are contained, the upper limit of the content is 0.05% for Ti, Ta, and Nd, and 0.01% for Ca. In order to reliably obtain the effect of improving the creep strength, Ti, Ta, and Nd are preferably contained in an amount of 0.005% or more, and Ca is preferably contained in an amount of 0.0005% or more.

B.加工および熱処理工程の規定理由について
B−1.最終の加工終了温度を1000℃以下とする熱間加工工程について
鋼材の形状には、板材、管材や棒材等がある。このうち、板材は圧延により寸法が整えられる。管材は、マンネスマン・マンドレルミル法、ユジーンセジュルネ法やエルハルトプッシュベンチ法などの熱間加工によって造管がなされる。あるいはさらにその後、ストレッチレデューサーまたはサイザーで寸法を整えられる。そして、棒材は圧延で寸法が整えられる。
B. Reasons for defining processing and heat treatment processes B-1. About the hot working process which makes final processing end temperature 1000 degrees C or less There exist a board | plate material, a pipe material, a bar, etc. in the shape of steel materials. Of these, the plate material is dimensioned by rolling. The pipe material is piped by hot working such as Mannesmann-Mandrel Mill method, Eugene Sejurnee method or Erhard push bench method. Alternatively or later, the dimensions can be adjusted with a stretch reducer or sizer. And the bar is dimensioned by rolling.

ここで、前記(1)の工程、すなわち、最終の加工終了温度を1000℃以下とする熱間加工工程における「最終の加工終了温度」とは、板材と棒材の場合は、熱間圧延により寸法が整えられたときの仕上温度を指す。また、管材の場合には、上記のマンネスマン・マンドレルミル法、ユジーンセジュルネ法やエルハルトプッシュベンチ法などで仕上げた管が最終の熱間加工である場合はその加工終了温度を指し、そして、さらにその後、ストレッチレデューサーまたはサイザーで寸法を整えられた場合には、寸法を整えられたときの終了温度を指す。   Here, the `` final processing end temperature '' in the step (1), that is, the hot processing step in which the final processing end temperature is 1000 ° C. or less is, in the case of a plate material and a bar material, by hot rolling. Refers to the finishing temperature when the dimensions are adjusted. In the case of pipes, if the pipe finished by the above-mentioned Mannesmann-Mandrel Mill method, Eugene Sejurne method or Erhard push bench method is the final hot working, it indicates the processing end temperature, and Further, when the dimension is adjusted with a stretch reducer or a sizer thereafter, it indicates the end temperature when the dimension is adjusted.

また、前記(1)の工程、すなわち、最終の加工終了温度を1000℃以下とする熱間加工工程における「最終の加工終了温度」を1000℃以下とした理由は、次のとおりである。すなわち、大径管のように加工度が小さい鋼材の熱間加工では、1000℃を超える温度で熱間加工を終了することができるので、1000℃を超える温度で熱間加工を終了する限りにおいて、旧オーステナイト粒は粗粒となる。この場合、本発明の(2)〜(4)の工程を適用しなくとも通常の焼ならし焼戻し処理で粗粒組織が得られる。しかしながら、小径管のように加工度が大きい鋼材の熱間加工では、1000℃を超える温度で熱間加工を終了できず、1000℃以下の低温まで加工されてしまうため、熱間加工完了段階の組織は細かくなる。また、加工度の小さい熱間加工であっても、1000℃以下の低温まで加工がなされる場合には、熱間加工完了段階の組織は細かくなる。   The reason why the “final processing end temperature” in the step (1), that is, the hot processing step in which the final processing end temperature is 1000 ° C. or lower, is 1000 ° C. or lower is as follows. In other words, in the hot working of steel materials with a small degree of work like a large diameter pipe, the hot working can be finished at a temperature exceeding 1000 ° C, so as long as the hot working is finished at a temperature exceeding 1000 ° C. The prior austenite grains become coarse grains. In this case, a coarse grain structure can be obtained by a normal normalizing and tempering treatment without applying the steps (2) to (4) of the present invention. However, in hot working of steel materials with a high degree of work such as small diameter pipes, hot working cannot be completed at a temperature exceeding 1000 ° C, and it is processed to a low temperature of 1000 ° C or less. The organization becomes finer. Further, even in the case of hot working with a small degree of work, when the work is performed to a low temperature of 1000 ° C. or less, the structure at the stage of completion of the hot work becomes fine.

本発明は、小径管のように加工度が大きい鋼材の熱間加工だけでなく、大径管のように加工度が小さい鋼材の熱間加工を含めて、加工終了温度を1000℃以下とする熱間加工によって旧オーステナイト粒が細粒となった熱間加工材を粗粒へと変化させるために、前記(1)の工程を適用するものである。加工終了温度の下限は特に設けないが、熱間加工時の加工性や靭性等の機械的性質を確保するには800℃以上が好ましい。   In the present invention, not only hot working of a steel material having a high workability such as a small diameter pipe but also hot working of a steel material having a low workability such as a large diameter pipe, the processing end temperature is set to 1000 ° C. or less. In order to change the hot-worked material in which the prior austenite grains become fine grains by hot working into coarse grains, the step (1) is applied. There is no particular lower limit for the processing end temperature, but 800 ° C. or higher is preferable to ensure mechanical properties such as workability and toughness during hot working.

B−2.750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程について
熱間加工ままの材料は、通常空冷され、その結果、マルテンサイト変態して硬くなっている。したがって、そのままでは冷間加工できない。そのため、冷間加工を行う際には、前記(2)の工程、すなわち、750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程が必要となる。なお、この軟化処理工程の温度と時間は、材料が軟化する範囲であって、かつ製造を阻害しない範囲となるように、定めたものである。
B-2. Softening treatment step of 20 min or more and 2 hr or less in the range of 750 to 820 ° C. The material as hot worked is usually air-cooled, and as a result, martensite transforms and becomes hard. Therefore, it cannot be cold worked as it is. Therefore, when performing cold working, the step (2), that is, a softening treatment step of 20 min or more and 2 hr or less in the range of 750 to 820 ° C. is required. Note that the temperature and time of the softening treatment step are determined so as to be within a range in which the material is softened and does not hinder manufacturing.

B−3.断面減少率15%以上の冷間加工工程について
冷間加工の目的は次の軟化工程で再結晶フェライト組織を作製することであるが、冷間加工時の断面減少率が15%を下回る場合には、フェライト温度域での再結晶の駆動力となり得る充分なひずみが加わらない。また、冷間加工では一般に断面減少率が15%以下の軽加工を均一に行うのが難しい。
B-3. About cold working process with a cross-section reduction rate of 15% or more The purpose of cold work is to produce a recrystallized ferrite structure in the next softening process, but when the cross-section reduction rate during cold work is less than 15%. However, sufficient strain that can be a driving force for recrystallization in the ferrite temperature range is not added. In cold working, it is generally difficult to uniformly perform light machining with a cross-section reduction rate of 15% or less.

そのため、前記(3)の工程、すなわち、断面減少率を15%以上とする冷間加工工程とする必要がある。冷間加工度の上限は特に設けないが、一般にフェライト系耐熱鋼の場合、冷間加工における断面減少率が40%以下になるサイズに熱間加工で仕上げて用いることが多い。ここで、冷間加工においてサイズの調整が必要な場合には、より高加工度で加工できる冷間圧延を行うか、または、前記(2)および(3)の工程を繰り返せばよい。なお、冷間加工とは冷間圧延や冷間引抜等を指すが、管材の場合には冷間引抜が適用される場合が多い。   Therefore, the step (3), that is, a cold working step in which the cross-sectional reduction rate is 15% or more is required. Although there is no particular upper limit on the degree of cold work, in general, in the case of ferritic heat-resisting steel, it is often used by finishing by hot working to a size where the cross-section reduction rate in cold working is 40% or less. Here, when it is necessary to adjust the size in the cold working, cold rolling capable of working at a higher workability may be performed, or the steps (2) and (3) may be repeated. In addition, although cold work refers to cold rolling, cold drawing, etc., in the case of a pipe material, cold drawing is often applied.

B−4.750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程について
通常は上記(3)の冷間加工工程で製品の寸法とした後に焼ならし焼戻し処理を施すが、本発明では焼ならし焼戻し処理を施す前に軟化処理を行う。
B-4. About softening treatment process of 20min or more and 2hr or less in the range of 750 to 820 ℃ Normally, the normalization and tempering treatment is performed after making the product dimensions in the cold working process of (3) above. A softening treatment is performed before the normalizing and tempering treatment.

この軟化処理工程で、冷間加工で導入したひずみを駆動力にフェライト温度域で再結晶させ、ビッカース硬さ200以下の再結晶フェライト組織を形成する。そのために、前記(4)の工程、すなわち、750〜820℃の温度範囲で20min以上2hr以下の時間、軟化処理工程とする必要がある。750℃未満の温度では再結晶が生ぜず、反面、820℃を超える温度で熱処理するとA変態点を超えるので、微細なオーステナイト粒に変態した後にマルテンサイト組織となる。そのため、軟化温度範囲を750〜820℃とした。また、再結晶させるためにはとして20min以上の軟化処理時間を必要とする。特性面からみると、軟化処理時間の上限は特に必要ないが、2hrを超える軟化処理を実施しても金属組織に大きな差はみられないが、経済性および生産性の面からのデメリットを避けるために、軟化処理時間の上限は2hrとした。 In this softening treatment step, the strain introduced by cold working is recrystallized in the ferrite temperature range using the driving force as a driving force to form a recrystallized ferrite structure having a Vickers hardness of 200 or less. Therefore, it is necessary to perform the softening treatment step (4), that is, a time of 20 min or more and 2 hours or less in a temperature range of 750 to 820 ° C. Without recrystallization Namaze at temperatures below 750 ° C., the other hand, since more than when heat-treated at a temperature of A 1 transformation point in excess of 820 ° C., the martensite structure after transformation to the fine austenite grains. Therefore, the softening temperature range was set to 750 to 820 ° C. Moreover, in order to recrystallize, the softening processing time of 20 minutes or more is required. In terms of characteristics, the upper limit of the softening treatment time is not particularly required, but even if the softening treatment for over 2 hours is performed, there is no significant difference in the metal structure, but the disadvantages in terms of economy and productivity are avoided. Therefore, the upper limit of the softening treatment time is set to 2 hours.

B−5.焼ならし焼戻し処理工程について
軟化処理後の鋼材には、前記(5)の工程、すなわち焼ならし焼戻し処理工程を施す必要がある。焼ならし処理は、通常の高Crフェライト系耐熱鋼と同様に、1040〜1100℃の温度範囲で10min〜1hr程度の時間行えばよい。また、焼戻し処理も通常の高Crフェライト系耐熱鋼と同様に、760〜780℃の温度範囲で1〜6hr程度の時間行えばよい。
B-5. About the normalizing and tempering treatment step The steel material after the softening treatment needs to be subjected to the step (5), that is, the normalizing and tempering treatment step. The normalizing treatment may be performed for a period of about 10 min to 1 hr in a temperature range of 1040 to 1100 ° C. as in the case of ordinary high Cr ferritic heat resistant steel. Further, the tempering treatment may be performed for about 1 to 6 hours in a temperature range of 760 to 780 ° C., similarly to the ordinary high Cr ferritic heat resistant steel.

B−6.ボイラチューブに特有の規定について
ボイラチューブは、耐熱鋼から熱間加工と冷間加工を経て、所定の形状に製造される場合が多い。特に小径管の熱間加工においては、加工度が大きくなって、1000℃を超える温度で熱間加工を終了できず、1000℃以下の低温まで加工されてしまうため、熱間加工完了段階の組織は細かくなる。また、大径管のように加工度が小さい熱間加工であっても、1000℃以下の低温まで加工がなされる場合には、熱間加工完了段階の組織は細かくなる。そのため、小径管の熱間加工だけでなく、大径管の熱間加工を含めて、加工終了温度を1000℃以下とする熱間加工によって旧オーステナイト粒が細粒となった熱間加工材は粗粒へと変化させる必要がある。なお、加工度が大きくなって、1000℃を超える温度で熱間加工を終了できず、1000℃以下の低温まで加工される小径管の管サイズは、特に規定するものではないが、熱間加工と冷間加工を経て製造されるボイラチューブは、通常は外径で150mm以下である。
B-6. Regulations specific to boiler tubes Boiler tubes are often manufactured from heat-resistant steel into a predetermined shape through hot working and cold working. Especially in the hot processing of small-diameter pipes, the degree of processing becomes large, the hot processing cannot be completed at temperatures exceeding 1000 ° C, and the processing is performed to a low temperature of 1000 ° C or less, so the structure at the stage of completion of hot processing Becomes finer. Further, even in the case of hot working with a small degree of work such as a large-diameter pipe, when the work is performed to a low temperature of 1000 ° C. or less, the structure at the stage of completion of hot work becomes fine. Therefore, not only hot working of small diameter pipes, but also hot working of large diameter pipes, hot working materials in which old austenite grains became fine grains by hot working with a finishing temperature of 1000 ° C or less are It is necessary to change to coarse grains. In addition, the tube size of small diameter pipes that are processed to a low temperature of 1000 ° C or less cannot be finished at a temperature exceeding 1000 ° C because the degree of processing becomes large, but the hot processing is not specified. The boiler tube manufactured through cold working usually has an outer diameter of 150 mm or less.

C.その他
以上に説明した、本発明に係る高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法に用いる鋼は、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を用いて製造することができる。すなわち、電気炉、転炉などの炉によって精錬した溶鋼に、脱酸元素および合金元素を含有させること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、溶鋼に合金元素を含有させる前に、真空処理などの処理を適宜施す方法を採ってもよい。
C. Others The steel used for the manufacturing method of the high Cr ferritic heat-resistant steel material according to the present invention described above can be manufactured using a manufacturing facility and a manufacturing process that are usually used industrially. That is, the components may be adjusted by adding deoxidizing elements and alloy elements to molten steel refined by a furnace such as an electric furnace or a converter. In particular, when strict component adjustment is required, a method of appropriately performing a treatment such as a vacuum treatment may be adopted before the molten steel contains the alloy element.

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、スラブやビレットまたは鋼塊に鋳造され、これらのスラブや鋼塊などから、板材、管材や棒材を製造することができる。   Molten steel adjusted to a prescribed chemical composition is cast into slabs, billets, or steel ingots by continuous casting or ingot forming methods, and plates, pipes, and bars can be produced from these slabs and steel ingots. it can.

なお、管材の場合は、小径管の熱間加工はマンネスマン・マンドレルミル法またはユジーンセジュルネ法が用いられる。また、造管後に熱間でストレッチレデューサーまたはサイザーで寸法を整えられることがある。さらに、冷間加工は、冷間引抜法や冷間圧延法が用いられる。熱処理した後の鋼管は、必要に応じて、ショットピーニング、酸洗などの表面処理を施してもよい。   In the case of pipes, the Mannesmann mandrel mill method or the Eugene Sejurne method is used for hot working of small diameter tubes. In addition, the dimensions may be adjusted with a stretch reducer or sizer hot after pipe making. Further, the cold working is performed by a cold drawing method or a cold rolling method. The steel pipe after the heat treatment may be subjected to a surface treatment such as shot peening or pickling as necessary.

真空誘導溶解炉にて、表5に示す化学組成を有する合金を溶製し、いずれも直径144mmの50kgインゴットを作製した。鋼No.1〜5は本発明の規定する範囲に含まれる鋼であり、鋼No.6〜9は本発明の範囲から成分が外れている比較材である。これらのインゴットを熱間鍛造にて30mm厚の板とし、検討のベース素材とした。なお、鋼No.2は「火STBA29」(ASME T92)相当鋼であり、表1に示したものと同じである。   In a vacuum induction melting furnace, an alloy having the chemical composition shown in Table 5 was melted to produce a 50 kg ingot having a diameter of 144 mm. Steel Nos. 1 to 5 are steels included in the range defined by the present invention, and Steel Nos. 6 to 9 are comparative materials whose components are out of the range of the present invention. These ingots were made into 30 mm thick plates by hot forging and used as the base material for investigation. Steel No. 2 is “Tue STBA29” (ASME T92) equivalent steel, which is the same as shown in Table 1.

Figure 0005097017
Figure 0005097017

各種製造法に及ぼす製造プロセスの影響を検討するため、鋼材No.2を用いて、表6に示すとおり、9種類の加工および熱処理条件(マーク2A〜2I)にて、再結晶の有無と旧オーステナイト粒径のASTM粒度番号の測定と、650℃で90MPaの負荷をかけてクリープ破断試験を行った。   In order to examine the influence of the manufacturing process on various manufacturing methods, using steel No. 2, as shown in Table 6, the presence or absence of recrystallization and the oldness under nine types of processing and heat treatment conditions (marks 2A to 2I) The creep rupture test was performed by measuring the ASTM particle size number of the austenite particle size and applying a load of 90 MPa at 650 ° C.

Figure 0005097017
Figure 0005097017

ここで、冷間加工後の軟化処理における再結晶の有無は、ビッカース硬さ(荷重9.8N)を測定することによって、その有無を判断した。ビッカース硬さが190以下まで軟化しているものは再結晶していると判断し、表中に○印を付し、ビッカース硬さが190を超えたものは再結晶していないと判断し、表中に×印を付した。ASTM粒度は、焼戻し処理後の材料を樹脂に埋め込み、研磨後ビレラ試薬(ピクリン酸1g、 塩酸5ml、 エタノール100ml)にて腐食し、光学顕微鏡にて倍率100倍で10視野撮影した。撮影した写真を用いて、ASTM E112 Plate I と比較して旧オーステナイト粒径を判定した。10視野の平均でASTM粒度番号が7.5以下の粗粒のものを○と評価し、そして7.5を超える細粒のものを×と評価した。   Here, the presence or absence of recrystallization in the softening treatment after cold working was determined by measuring the Vickers hardness (load 9.8 N). If the Vickers hardness is softened to 190 or less, it is judged that it is recrystallized, and the mark in the table is marked with ○, and the one whose Vickers hardness exceeds 190 is judged not to be recrystallized, A cross was marked in the table. The ASTM grain size was obtained by embedding the tempered material in a resin, corroding it with a Virella reagent (1 g of picric acid, 5 ml of hydrochloric acid, 100 ml of ethanol), and taking 10 fields of view with an optical microscope at a magnification of 100 times. The photographed photograph was used to determine the prior austenite particle size compared to ASTM E112 Plate I. Coarse particles having an ASTM particle size number of 7.5 or less with an average of 10 fields of view were evaluated as ◯, and fine particles exceeding 7.5 were evaluated as ×.

さらに、熱処理後の板から、試験片の長さ方向が圧延方向となるように、直径6.0mmの試験片を採取し、標点間距離30mm、試験温度650℃、負荷応力90MPaの条件でクリープ破断試験を行い、破断するまでの時間(hr)を測定した。   Furthermore, from the heat-treated plate, a test piece with a diameter of 6.0 mm was collected so that the length direction of the test piece was the rolling direction, and creeped under the conditions of a distance between gauge points of 30 mm, a test temperature of 650 ° C., and a load stress of 90 MPa. A rupture test was performed, and the time (hr) until rupture was measured.

マーク2Aは、大径管の製造方法(熱間加工の終了温度が高い場合)を模擬したものである。加熱温度が高く、高温で加工が終了するために、熱間加工後の結晶粒径は大きい。熱間加工まま材の組織の影響を受けて、焼ならし焼戻し処理後も粗粒である。この材料のクリープ破断時間は14000hr超と良好である。   The mark 2A simulates a manufacturing method of a large-diameter pipe (when the end temperature of hot working is high). Since the heating temperature is high and the processing is finished at a high temperature, the crystal grain size after the hot processing is large. Under the influence of the structure of the material as it is hot-worked, it remains coarse after normalizing and tempering. The creep rupture time of this material is good at over 14000hr.

マーク2Bおよび2Cは、小径管の製法(熱間加工の終了温度が低い場合)を模擬したものである。いずれも細粒組織となり、クリープ試験における破断時間も、マーク2Aと比較すると大幅に劣る。   The marks 2B and 2C simulate the small diameter pipe manufacturing method (when the end temperature of hot working is low). Both have a fine-grained structure, and the rupture time in the creep test is significantly inferior to that of the mark 2A.

マーク2Dは、熱間加工後に軟化処理を行い、その後に焼ならし焼戻し処理を行ったものである。前述のように、熱間加工まま材を軟化処理しても、熱間加工後に生成されたマルテンサイト組織が焼戻されるだけで、再結晶フェライト組織は生じず、その後に焼ならし焼戻し処理を施した後の粒径は細粒なままである。また、クリープ試験における破断時間もマーク2Aと比較すると大幅に劣る。   The mark 2D is obtained by performing a softening process after hot working and then performing a normalizing and tempering process. As described above, even if the material is softened while being hot worked, the martensite structure generated after hot working is only tempered, and no recrystallized ferrite structure is formed. The particle size after application remains fine. Further, the rupture time in the creep test is significantly inferior to that of the mark 2A.

マーク2E〜2Iは、冷間加工とそれに続く軟化処理によって、金属組織を粗大フェライトにしたうえで、焼ならし焼戻し処理を行うことを狙ったものである。諸条件が本発明で規定する範囲を満たすマーク2Eは、冷間加工後の組織が再結晶フェライトになる。結果として、焼ならし焼戻し処理後の粒径も粒度番号が7.5以下の粗粒であり、クリープ試験における破断時間もマーク2Aと同等のレベルである。一方、冷間加工度、軟化処理の温度、軟化処理の時間のいずれかが本発明で規定する範囲外であるマーク2F〜マーク2Iは軟化処理後に再結晶を生じない。また、焼ならし焼戻し処理後の組織は細粒であり、クリープ試験における破断時間もマーク2Aと比較して大幅に劣る。   The marks 2E to 2I are intended to perform a normalizing and tempering treatment after making the metal structure coarse ferrite by cold working and subsequent softening treatment. In the mark 2E that satisfies the various conditions defined in the present invention, the structure after cold working is recrystallized ferrite. As a result, the particle size after the normalizing and tempering treatment is also a coarse particle having a particle size number of 7.5 or less, and the rupture time in the creep test is at the same level as that of the mark 2A. On the other hand, the marks 2F to 2I in which any one of the cold work degree, the temperature of the softening process, and the time of the softening process is outside the range defined in the present invention does not cause recrystallization after the softening process. Moreover, the structure | tissue after normalizing and tempering processing is a fine grain, and the fracture | rupture time in a creep test is also significantly inferior compared with the mark 2A.

前述のように、熱間加工の終了温度が低い場合の小径管のクリープ破断強度が、熱間加工の終了温度が高い場合の大径管のクリープ破断強度よりも劣る現象は、WまたはMoを含有し、さらにVとNbの複合炭窒化物で強化した高強度のCrフェライト系耐熱鋼材で顕在化した現象である。   As described above, the phenomenon that the creep rupture strength of the small-diameter pipe when the end temperature of hot working is low is inferior to the creep rupture strength of the large-diameter pipe when the end temperature of hot working is high is W or Mo. This phenomenon is manifested in a high-strength Cr ferritic heat-resistant steel material that is contained and further reinforced with a composite carbonitride of V and Nb.

そこで、VとNbの影響を明確にするために、表7に示すとおり、上記鋼No.1および3〜9を用いて、種々の加工および熱処理条件(マーク1A、1B、1E、3A、3B、3E、4A、4B、4E、5A、5B、5E、6A、6B、6E、7A、7B、7E、8A、8B、8E、9A、9Bおよび9E)にて、再結晶の有無と旧オーステナイト粒径のASTM粒度番号を測定し、そして650℃で90MPaの負荷をかけてクリープ破断試験を行った。   Therefore, in order to clarify the influence of V and Nb, as shown in Table 7, using the steel Nos. 1 and 3 to 9, various processing and heat treatment conditions (marks 1A, 1B, 1E, 3A, 3B) 3E, 4A, 4B, 4E, 5A, 5B, 5E, 6A, 6B, 6E, 7A, 7B, 7E, 8A, 8B, 8E, 9A, 9B, and 9E), and the presence of old austenite grains The ASTM particle size number of the diameter was measured and a creep rupture test was performed at 650 ° C. with a load of 90 MPa.

Figure 0005097017
Figure 0005097017

ここで、各マークのうち、数字は上記鋼No.を、そして、アルファベットはそれぞれ次の目的のために設定された加工および熱処理条件であることを意味する。
条件A:大径管の製造方法(熱間加工の終了温度が高い場合)を模擬したものである。加熱温度が高く、高温で加工が終了するために、熱間加工後の結晶粒径は大きい。熱間加工まま材の組織の影響を受けて、焼ならし焼戻し処理後も粗粒である。
条件B:小径管の製法(熱間加工の終了温度が低い場合)を模擬したものである。いずれも細粒組織となる。
条件E:冷間加工とそれに続く軟化処理によって、金属組織を粗大フェライトにしたうえで、焼ならし焼戻し処理を行うことを狙ったものである。
Here, among the marks, the numbers indicate the steel No., and the alphabets indicate the processing and heat treatment conditions set for the following purposes.
Condition A: Simulating a manufacturing method of a large-diameter pipe (when the end temperature of hot working is high). Since the heating temperature is high and the processing is finished at a high temperature, the crystal grain size after the hot processing is large. Under the influence of the structure of the material as it is hot-worked, it remains coarse after normalizing and tempering.
Condition B: Simulating the manufacturing method of a small diameter pipe (when the end temperature of hot working is low). Both have a fine grain structure.
Condition E: Aimed at performing normalizing and tempering treatment after making the metal structure coarse ferrite by cold working and subsequent softening treatment.

その結果、VとNbを含有する鋼No.1および3〜5は鋼No.2と同様の傾向になった。すなわち、条件Bで作製した鋼材は細粒になり、条件Aで製作した鋼材と比較して長時間クリープ強度は低位となった。また、条件Eで作製した鋼材は、粗粒になり、条件Aで作製した鋼材と同レベルのクリープ強度を有していた。   As a result, steels No. 1 and 3 to 5 containing V and Nb had the same tendency as steel No. 2. That is, the steel material produced on condition B became fine grain, and the creep strength for a long time was low as compared with the steel material produced on condition A. Moreover, the steel material produced on condition E became a coarse grain, and had the creep strength of the same level as the steel material produced on condition A.

一方、VとNbのうちの双方もしくは一方を含有しない比較鋼(鋼No.6〜9)では、条件Bで作製した鋼材であっても、粒度番号7.5以下の粗粒であった。これは、VおよびNbの含有量が少なければ極端な細粒にはならないからである。これからも、本発明の化学組成を有する鋼材を条件Bで製作したときの細粒組織の形成に、VおよびNbの複合炭窒化物が寄与していることが明らかになった。また、比較鋼の長時間クリープ強度は、条件A〜Cのいずれも低位であり、長時間クリープ強度の改善にも、VおよびNbの双方を含有させることが必要であることが明らかになった。   On the other hand, in the comparative steel (steel No. 6-9) which does not contain both or one of V and Nb, even if it was the steel material produced on the conditions B, it was a coarse grain with a particle size number of 7.5 or less. This is because if the contents of V and Nb are small, extreme fine grains cannot be obtained. This also revealed that the composite carbonitride of V and Nb contributed to the formation of a fine grain structure when the steel material having the chemical composition of the present invention was produced under Condition B. In addition, the long-term creep strength of the comparative steel is low in any of the conditions A to C, and it has become clear that it is necessary to contain both V and Nb in order to improve the long-term creep strength. .

本発明によれば、ボイラ、原子力発電設備および化学工業設備などにおいて、600〜650℃の高温の環境下で使用される熱交換用および配管用に用いられる、高温長時間クリープ強度に優れた高Crフェライト系耐熱鋼材が得られる。特に、ボイラチューブ等の高Crフェライト系耐熱鋼からなる管材を得るのに好適である。   According to the present invention, in boilers, nuclear power generation facilities, chemical industrial facilities, etc., it is used for heat exchange and piping used in a high temperature environment of 600 to 650 ° C. A Cr ferritic heat resistant steel material is obtained. In particular, it is suitable for obtaining a tube material made of a high Cr ferritic heat resistant steel such as a boiler tube.

冷間加工後、再度800℃×30minの軟化処理を行った材料の光学顕微鏡組織である。It is the optical microscope structure of the material which performed the softening process of 800 degreeC x 30 min again after cold working.

Claims (4)

質量%で、C:0.05〜0.12%、Si:0.2〜0.5%、Mn:0.3〜0.6%、P:0.02%以下、S:0.005%以下、Cr:8.0〜12%未満、V:0.15〜0.25%、Nb:0.03〜0.08%、N:0.005〜0.07%、sol.Al:0.015%以下、Ni:0.5%以下を含み、さらにMo:0.1〜1.1%およびW:1.5〜3.5%のうちの1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなる組成を有する鋼を、下記の(1)〜(5)の工程により加工及び熱処理を行うことを特徴とする、高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。
(1) 最終の加工終了温度が1000℃以下の熱間加工工程、
(2) 750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程、
(3) 断面減少率15%以上の冷間加工工程、
(4) 750〜820℃の範囲で20min以上2hr以下の軟化処理工程、
(5) 焼ならし焼戻し処理工程。
In mass%, C: 0.05 to 0.12%, Si: 0.2 to 0.5%, Mn: 0.3 to 0.6%, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, Cr: 8.0 to less than 12%, V: 0.15 to 0.25 %, Nb: 0.03-0.08%, N: 0.005-0.07%, sol.Al: 0.015% or less, Ni: 0.5% or less, Mo: 0.1-1.1%, and W: 1.5-3.5% A high Cr ferritic heat-resistant steel material characterized by subjecting a steel having a composition comprising seeds or two kinds, the balance of Fe and impurities to be processed and heat-treated by the following steps (1) to (5) Manufacturing method.
(1) A hot working process in which the final finishing temperature is 1000 ° C. or lower,
(2) Softening process of 20 min to 2 hr in the range of 750 to 820 ° C,
(3) Cold working process with a cross-section reduction rate of 15% or more,
(4) Softening process of 20 min to 2 hr in the range of 750 to 820 ° C,
(5) Normalizing and tempering process.
質量%で、さらに、次に示す第1グループから第3グループまでのうちの少なくとも1つのグループの中から選択される成分のうちの少なくとも1種を含有することを特徴とする、請求項1に記載の高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。
第1グループ:質量%で、B:0.015%以下、
第2グループ:質量%で、Cu:1.5%以下およびCo:5%以下のうちの1種又は2種、
第3グループ:質量%で、Ti:0.05%以下、Ta:0.05%以下、Nd:0.05%以下及びCa:0.01%以下のうちの1種または2種以上。
2. The composition according to claim 1, further comprising at least one component selected from the group consisting of at least one of the following first group to third group: The manufacturing method of the high Cr ferritic heat-resistant steel material of description.
First group:% by mass, B: 0.015% or less,
Second group:% by mass, Cu: 1.5% or less and Co: 5% or less,
Third group:% by mass, Ti: 0.05% or less, Ta: 0.05% or less, Nd: 0.05% or less, and Ca: 0.01% or less.
請求項1又は2に記載の高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法において、(1)の工程と(4)の工程との間で、(2)の工程と(3)の工程を複数回繰り返すことを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。   3. The method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material according to claim 1 or 2, wherein the steps (2) and (3) are repeated a plurality of times between the steps (1) and (4). A method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material. 高Crフェライト系耐熱鋼材がボイラチューブであることを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の高Crフェライト系耐熱鋼材の製造方法。   4. The method for producing a high Cr ferritic heat resistant steel material according to claim 1, wherein the high Cr ferritic heat resistant steel material is a boiler tube.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102373372B (en) * 2010-08-23 2014-06-04 宝山钢铁股份有限公司 High temperature resistant steel for oil well pipe and its manufacturing method
JP5562825B2 (en) * 2010-12-28 2014-07-30 株式会社東芝 Heat-resistant cast steel, method for producing heat-resistant cast steel, cast component for steam turbine, and method for producing cast component for steam turbine
CN102383062A (en) * 2011-11-03 2012-03-21 安徽荣达阀门有限公司 Steel material and preparation method thereof
KR20160023682A (en) * 2013-06-25 2016-03-03 테나리스 커넥션즈 리미티드 High-chromium heat-resistant steel
CN105324495A (en) * 2013-07-09 2016-02-10 新日铁住金株式会社 Method for producing high-Cr steel pipe
CN105256247B (en) * 2015-11-10 2017-05-24 盐城市圣泰阀门有限公司 Ferrite type heat-resistant steel used for coal-fired power generation boiler pipeline and valve type castings and preparation method of ferrite type heat-resistant steel
DE102016206370A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 Siemens Aktiengesellschaft Martensitic steel with delayed Z-phase formation and component
US11060156B2 (en) 2016-09-30 2021-07-13 Nippon Steel Corporation Method of manufacturing welded structure of ferritic heat-resistant steel and welded structure of ferritic heat-resistant steel
JP6323634B1 (en) 2016-09-30 2018-05-16 新日鐵住金株式会社 Ferritic heat resistant steel welded structure manufacturing method and ferritic heat resistant steel welded structure
CN109554629A (en) * 2017-09-27 2019-04-02 宝山钢铁股份有限公司 A kind of ultra supercritical coal-fired unit steel and preparation method thereof
JP7320936B2 (en) * 2018-11-16 2023-08-04 日鉄ステンレス株式会社 bar steel
JP7218573B2 (en) * 2018-12-27 2023-02-07 日本製鉄株式会社 Ferritic heat-resistant steel weld metal and welded joint comprising the same
CN113574198B (en) * 2019-03-19 2023-06-09 日本制铁株式会社 Ferritic heat-resistant steel
CN114058939A (en) * 2020-07-30 2022-02-18 上海电气电站设备有限公司 Steel pipe and heat-resistant steel for casting
KR20240034213A (en) * 2021-07-14 2024-03-13 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 Ferritic heat-resistant steel

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6164860A (en) * 1984-09-04 1986-04-03 Nippon Kokan Kk <Nkk> Austenite compound heat resisting steel containing nb excellent in corrosion resistance and strength or the like and its manufacture
JPH0699741B2 (en) * 1987-07-29 1994-12-07 住友金属工業株式会社 Processing method of high Cr ferritic steel for high temperature
JP3196587B2 (en) * 1995-09-05 2001-08-06 住友金属工業株式会社 High Cr ferritic heat resistant steel
JP3462182B2 (en) * 2001-03-07 2003-11-05 核燃料サイクル開発機構 Method for producing chromium-containing oxide dispersion strengthened ferritic iron alloy tube

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