JP6540131B2 - Ferritic heat resistant steel - Google Patents

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Description

本発明は、フェライト系耐熱鋼に関し、より詳しくは、高温強度、特に高温クリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼に関する。   The present invention relates to a ferritic heat resistant steel, and more particularly to a ferritic heat resistant steel excellent in high temperature strength, particularly high temperature creep strength.

高温、高負荷応力下で長時間使用される構造用鋼材として、高いクリープ強度を有するフェライト系耐熱鋼が強く要望されている。この種の用途に供される鋼の例として、JIS規格STBA24(2.25Cr−1Mo鋼)、SCMV4(1.25Cr−0.5Mo−0.3V鋼)等のCrが添加された鋼が挙げられる。   As structural steels used for a long time under high temperature and high load stress, there is a strong demand for ferritic heat resistant steels having high creep strength. Examples of steels used for this type of application include steels to which Cr such as JIS STBA 24 (2.25Cr-1Mo steel), SCMV 4 (1.25Cr-0.5Mo-0.3V steel) and the like are added. Be

高温強度、クリープ強度の向上には、炭化物による析出強化、Mo等による固溶強化が用いられている。しかしながら、高温に長時間曝されると、析出物は粗大化し、固溶元素は析出物を形成するようになるため、これら冶金因子による強化ではクリープ強度の向上に対して限界がある。   For the improvement of high temperature strength and creep strength, precipitation strengthening by carbide, solid solution strengthening by Mo or the like is used. However, when exposed to high temperatures for a long time, precipitates become coarse and solid solution elements form precipitates, so there is a limit to the improvement of creep strength in strengthening by these metallurgical factors.

高温強度の向上を目的として、酸化物を含有させた鋼及びその製造方法もいくつか開示されている。酸化物は一般的に高温での安定性が炭化物や窒化物に比べて高いため、酸化物による分散強化によって、安定したクリープ強度が得られる可能性が高い。   Several steels containing oxides and methods for producing the same have also been disclosed for the purpose of improving high temperature strength. Since oxides generally have high stability at high temperatures compared to carbides and nitrides, dispersion strengthening with oxides is likely to provide stable creep strength.

酸化物を分散させる方法として、機械的合金化法(Mechanical Alloying法、以下、MA法と称する)がある。例えば、特開平4−6244号公報には、MA法により粒径1μm以下の酸化物を高Cr系耐熱鋼中に分散させ、高温クリープ強度を向上させた例が記載されている。   As a method of dispersing the oxide, there is a mechanical alloying method (hereinafter referred to as a MA method). For example, JP-A-4-6244 describes an example in which an oxide with a particle diameter of 1 μm or less is dispersed in a high Cr heat resistant steel by MA method to improve high temperature creep strength.

なお、MA法とは以下のようなプロセスである。所望の合金組成になるように配合された数種類の金属あるいは合金粉末と酸化物粒子とをボールミルによって不活性雰囲気下で混合し、酸化物含有合金粉末(以下、MA粉末と称する)を得る。次に、MA粉末を金属製の缶に真空封入した後、熱間押出し又は高温等圧プレス(HIP)によって一体物とし、最後に熱処理、加工を施して製品とする。   The MA method is the following process. Several kinds of metal or alloy powder and oxide particles mixed so as to obtain a desired alloy composition are mixed by a ball mill under an inert atmosphere to obtain an oxide-containing alloy powder (hereinafter referred to as MA powder). Next, the MA powder is vacuum-sealed in a metal can, and then made into one body by hot extrusion or high temperature isostatic pressing (HIP), and finally heat treated and processed to give a product.

また、MA法によらず、溶鋼中に酸化タンタルを添加することによりCr系耐熱鋼に粒径1μm以下の酸化タンタルを含有させ、高温クリープ強度を向上させた例が特開平6−65690号公報に開示されている。   Further, an example in which tantalum oxide with a particle diameter of 1 μm or less is contained in Cr-based heat resistant steel by adding tantalum oxide to molten steel regardless of MA method, and an example in which high temperature creep strength is improved is disclosed in JP-A-6-65690. Is disclosed in

さらに、酸化物を直接用いる方法以外に、Tiによる脱酸でTi系の酸化物を鋼中に分散させる技術が低合金鋼の溶接部靱性向上を目的として開発されている。   Furthermore, in addition to the method using oxides directly, techniques for dispersing Ti-based oxides in steel by deoxidation with Ti have been developed for the purpose of improving weld zone toughness of low alloy steels.

炭化物、窒化物又はこれらの複合析出物を強化手法とすることにより、従来規格鋼よりもクリープ強度を向上させる技術が開発されている。例えば、特開平5−195061号公報においては、炭化物、窒化物生成元素であるVを含有させ、さらに低温圧延後に直接焼入れした後に焼戻しすることにより、微細析出物を析出させることが開示されている。   A technique has been developed to improve creep strength over conventional standard steels by using carbides, nitrides or their composite precipitates as a strengthening method. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-195061, it is disclosed that fine precipitates are precipitated by containing carbide which is a nitride-forming element V and further quenching directly after low-temperature rolling and then tempering. .

特開平4−6244号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 4-6244 特開平6−65690号公報JP-A-6-65690 特開平5−195061号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 5-195061

上記の従来技術は、クリープ強度を向上させるために、炭化物、酸化物等の数密度を大きくする点で共通している。上記の従来技術は以下のような課題を有する。   The above-described prior art is common in that the number density of carbides, oxides, etc. is increased to improve creep strength. The above-mentioned prior art has the following problems.

MA法によって酸化物を分散させる方法は、酸化物を微細かつ均一に分散させることが容易であり、数密度を比較的大きくすることが可能である。しかしながら、製造コストが高価であること、構造物に使用するために必要な大きいサイズを製造することが困難であることから、構造用鋼には不向きである。   In the method of dispersing the oxide by the MA method, it is easy to disperse the oxide finely and uniformly, and the number density can be made relatively large. However, it is not suitable for structural steels due to the high cost of manufacturing and the difficulty in manufacturing the large size required for use in the structure.

酸化タンタルを溶鋼中に添加する方法は、鋳造歩留りが悪く、添加量が自ずと多量になる。また、板厚方向での酸化タンタルの数密度の変動、ばらつきが大きく、材質が不安定になりやすい。   The method of adding tantalum oxide to molten steel has a poor casting yield, and the amount of addition is naturally large. In addition, the variation in number density of tantalum oxide in the thickness direction is large, and the material is easily unstable.

Ti脱酸によりTi系酸化物を鋼中に分散させる方法は、耐熱鋼で適用された例がない。低合金鋼における実績によれば、高温クリープ強度を高めるために必要な酸化物の数密度を確保することが困難であり、そのまま耐熱鋼の製造に適用することはできないと考えられる。   The method of dispersing Ti-based oxides in steel by Ti deoxidation has not been applied to heat resistant steel. According to the results in low alloy steels, it is difficult to secure the number density of oxides necessary to enhance the high temperature creep strength, and it is considered that they can not be applied as they are to the production of heat resistant steels.

特開平5−195061号公報の技術は、耐水素浸食性向上と、脆性向上を目的にしており、高温クリープ強度の向上の観点からは開発がなされていない。   The technique of Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-195061 aims at the improvement of hydrogen corrosion resistance and the improvement of brittleness, and has not been developed from the viewpoint of the improvement of high temperature creep strength.

本発明は、高温強度、特に高温クリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a ferritic heat resistant steel excellent in high temperature strength, particularly high temperature creep strength.

本発明の一実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、化学組成が、質量%で、C:0.05〜0.15%、Si:0.70%以下、Mn:0.30〜0.70%、Cr:0.30〜11.50%、Co:0.05〜3.00%、N:0.02〜0.05%、B:0.0003〜0.020%、P:0.03%以下、S:0.015%以下、Al:0.03%以下、Cu:0.10%以下、Ni:0.10%以下、V:0〜0.30%、Nb:0〜0.06%、Mo:0〜2.00%、W:0〜2.50%、Ti:0〜0.10%、Zr:0〜0.010%、残部:Fe及び不純物であり、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織を有し、前記ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物の平均粒径が100nm未満であり、前記析出物は、Bを含有した析出物の個数が、全析出物の個数の95%以上である。   The ferritic heat resistant steel according to one embodiment of the present invention has a chemical composition of, by mass%, C: 0.05 to 0.15%, Si: 0.70% or less, Mn: 0.30 to 0.70% Cr: 0.30 to 11.50%, Co: 0.05 to 3.00%, N: 0.02 to 0.05%, B: 0.0003 to 0.020%, P: 0.03 % Or less, S: 0.015% or less, Al: 0.03% or less, Cu: 0.10% or less, Ni: 0.10% or less, V: 0 to 0.30%, Nb: 0 to 0. 06%, Mo: 0 to 2.00%, W: 0 to 2.50%, Ti: 0 to 0.10%, Zr: 0 to 0.010%, balance: Fe and impurities, bainite and / or Or have a martensitic structure, and the average particle size of the precipitates deposited at the interface of the bainitic and / or martensitic structure is less than 100 nm Ri, the precipitates, the number of precipitates containing B is not less than 95% of the total number of the precipitates.

本発明によれば、高温強度、特に高温クリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼が得られる。   According to the present invention, a ferritic heat resistant steel excellent in high temperature strength, particularly high temperature creep strength is obtained.

図1は、B含有析出物の比率と、600℃×10時間クリープ強度との関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the ratio of B-containing precipitates and the creep strength at 600 ° C. × 10 4 hours.

本発明者らは、溶製法を基本とした上で、炭化物及び金属間化合物等の析出物(以下、単に析出物と称する)の実質的な数密度を大きくすること、すなわち、析出物間の間隔を短くすることで、上記課題を解決することを検討した。   The present inventors are to increase the substantial number density of precipitates such as carbides and intermetallic compounds (hereinafter referred to simply as precipitates) on the basis of solution process, that is, between precipitates. We considered solving the above-mentioned subject by shortening the interval.

本発明者らは、鋼中で析出物が析出する場所に着目した。より具体的には、ベイナイトやマルテンサイトのラス、ブロック、パケット等の粒界に着目した。   The present inventors focused on the places where precipitates are deposited in the steel. More specifically, we focused on grain boundaries such as bainite and martensite laths, blocks and packets.

マルテンサイトやベイナイトのラス、ブロック、パケット等の粒界は、面状又は線状欠陥である。そのため、これらの粒界に析出物を析出させれば、析出物は面状又は線状に分布し、粒界面内及び粒界線方向の析出物間の間隔が短くなる。これによって、実質的な数密度を飛躍的に高めることができる。   Grain boundaries such as martensite and bainite laths, blocks and packets are planar or linear defects. Therefore, if the precipitates are precipitated at these grain boundaries, the precipitates are distributed in a planar or linear manner, and the spacing between the precipitates in the grain interface and in the grain boundary line direction becomes short. This can dramatically increase the substantial number density.

実質的な数密度を高めることで高温クリープ強度が向上する理由は、次のとおりである。室温での一般的な引張試験の歪速度が10−2%/秒程度であるのに対し、高温クリープ現象の歪速度は10−7%/秒程度であり、極めて変形速度が遅い。高温クリープ現象では、析出物が変形の抵抗となって変形を律速していると考えられる。析出物による強化を考えた場合、鋼中の任意の場所で数密度が均一である必要はなく、数密度の高い場所が周期的に存在していれば、その場所で変形が律速されるので、クリープ強度の向上が期待できる。マルテンサイトやベイナイトのラス、ブロック、パケット等の粒界は、鋼中に周期的に存在する。そのため、これらの界面に析出する析出物を増やせば、クリープ強度の向上が期待できる。さらに、界面に析出物を析出させることにより、粒界の異常粒成長を抑制することが期待できる。 The reason why the high temperature creep strength is improved by increasing the substantial number density is as follows. The strain rate of a high temperature creep phenomenon is about 10 -7 % / sec, while the strain rate of a general tensile test at room temperature is about 10 -2 % / sec, and the deformation rate is extremely slow. In the high temperature creep phenomenon, it is considered that the precipitates act as a resistance to deformation to determine the deformation. When considering strengthening by precipitates, it is not necessary for the number density to be uniform at any place in the steel, and if locations with high number density are periodically present, deformation is limited at that place. The improvement of creep strength can be expected. Grain boundaries such as martensite and bainite laths, blocks and packets periodically exist in the steel. Therefore, creep strength can be expected to be improved by increasing the number of precipitates deposited on these interfaces. Furthermore, it is expected that abnormal grain growth at grain boundaries can be suppressed by precipitating at the interface.

ただし、界面の析出密度を高めると、析出物を構成する元素の拡散距離が短くなるため、高温保持中に析出物の粗大化が促進される可能性がある。そのため、初期の数密度を大きくするため、析出物の大きさを100nm未満に制御する必要がある。   However, when the precipitation density at the interface is increased, the diffusion distance of the elements constituting the precipitates becomes short, and thus coarsening of the precipitates may be promoted during high temperature holding. Therefore, in order to increase the initial number density, it is necessary to control the size of the precipitate to less than 100 nm.

本発明者らは、様々な元素の添加量を調整した鋼を作製し、析出物の析出状態及びクリープ強度を調査した。具体的には、析出物形成元素であるC、Cr、Mo、Nb、Vの量を調整し、0.1%C−9%Cr−2%W鋼及び0.1%C−9%Cr−2%W−0.01%B鋼を熱処理して、析出物の析出状態及びクリープ強度について調査した。なお、析出物の分析はTOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)により行い、クリープ試験は650℃×700時間の条件で行った。   The inventors of the present invention produced a steel in which the addition amounts of various elements were adjusted, and investigated the precipitation state of the precipitate and the creep strength. Specifically, the amounts of precipitate-forming elements C, Cr, Mo, Nb, and V are adjusted, and 0.1% C-9% Cr-2% W steel and 0.1% C-9% Cr The 2% W-0.01% B steel was heat treated to investigate the precipitation state of the precipitates and the creep strength. In addition, analysis of a precipitate was performed by TOF-SIMS (time-of-flight type secondary ion mass spectrometry), and the creep test was performed on the conditions of 650 degreeC x 700 hours.

その結果、500〜700℃の温度域のクリープ強度を向上させるためには、下記のように、Bを含有させることが有効であることが分かった。   As a result, in order to improve the creep strength in the temperature range of 500 to 700 ° C., it was found that the inclusion of B is effective as described below.

Bを含有させることによって、鋼の焼入れ性が高まり、組織をより微細にすることができる。これによって、マルテンサイトやベイナイトのラス、ブロック、パケットの単位面積当たりの境界長さが増加し、析出物の実質的な数密度が高まる。   By including B, the hardenability of the steel is enhanced and the structure can be made finer. This increases the boundary length per unit area of martensitic or bainitic lath, block or packet and increases the substantial number density of precipitates.

さらに、B含有鋼では、M23型化合物及びFeW(Laves)型金属間化合物中にBが存在する。Bは、長時間クリープ試験後も炭化物中に留まり、炭化物の高温安定性を高める。Bは、FeW等の金属間化合物中にも留まり、金属間化合物の高温安定性を高める。 Furthermore, in the B-containing steel, B is present in the M 23 C 6 type compound and the Fe 2 W (Laves) type intermetallic compound. B remains in the carbide even after a long time creep test, and enhances the high temperature stability of the carbide. B also remains in intermetallic compounds such as Fe 2 W to enhance the high temperature stability of the intermetallic compounds.

上記はWを含有した鋼を用いた試験結果であるが、Wを含有しない鋼、又はWと同じ効果が期待されるMoを含有しない鋼であっても、Bを含有させることが有効である。すなわち、Moを主成分とする炭化物、FeX型化合物が析出しない場合であっても、M23型化合物が析出する場合は、Bを含有させることが有効である。Bは、特に大傾角境界(隣り合う領域の共通回転軸周りの角度差が15℃以上の境界)に析出する析出物を微細化するため、クリープ強度を向上させる。 The above is the test results using a W-containing steel, but it is effective to contain B even in a W-free steel or a Mo-free steel that is expected to have the same effect as W. . That is, even when the carbide containing Fe as a main component or the Fe 2 X type compound is not precipitated, it is effective to contain B when the M 23 C 6 type compound is precipitated. B improves the creep strength, in particular, because it refines the precipitates deposited on the high angle boundary (the boundary where the angle difference between adjacent regions around the common rotation axis is 15 ° C. or more).

本発明者らは、従来なかったこれらの知見に基づいて、本発明を完成させた。以下、本発明の一実施形態によるフェライト系耐熱鋼について詳細に説明する。   The present inventors have completed the present invention on the basis of these non-conventional findings. Hereinafter, a heat resistant ferritic steel according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

[化学組成]
本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
[Chemical composition]
The heat resistant ferritic steel according to the present embodiment has the chemical composition described below. In the following description, “%” of the content of the element means mass%.

C:0.05〜0.15%
炭素(C)は、炭化物を生成し、析出強化によって高温強度を高めるとともに、フェライトの生成を抑制する。0.05%未満では、炭化物の析出量が不足し充分な強度が得られず、また、フェライト量が多くなるので、0.05%以上とする。好ましくは、0.06%以上であり、より好ましくは0.07%以上である。一方、0.15%を超えると、高温で炭化物が粗大化し、高温強度が低下するので、0.15%以下とする。650℃におけるクリープ強度の低下を防止する点で、0.12%以下が好ましい。より好ましくは0.10%以下である。
C: 0.05 to 0.15%
Carbon (C) forms carbides, enhances high-temperature strength by precipitation strengthening, and suppresses the formation of ferrite. If the amount is less than 0.05%, the amount of precipitated carbides is insufficient and sufficient strength can not be obtained, and the amount of ferrite increases, so the content is made 0.05% or more. Preferably, it is 0.06% or more, more preferably 0.07% or more. On the other hand, if it exceeds 0.15%, the carbides coarsen at high temperatures and the high temperature strength decreases, so the content is made 0.15% or less. In the point which prevents the fall of the creep strength in 650 degreeC, 0.12% or less is preferable. More preferably, it is 0.10% or less.

Si:0.70%以下
シリコン(Si)は、脱酸剤であり、特に下限の規定を要しないが、脱酸の効果を確実に得るためには、0.05%以上が好ましい。より好ましくは0.10%以上である。Siは、耐水蒸気酸化特性を高める元素でもあるので、この点で0.20%以上が好ましい。一方、0.70%を超えると、鋼の靱性及び加工性が低下するので、0.70%以下とする。好ましくは0.50%以下である。
Si: 0.70% or less Silicon (Si) is a deoxidizing agent, and the lower limit is not particularly required, but 0.05% or more is preferable in order to surely obtain the effect of deoxidation. More preferably, it is 0.10% or more. Since Si is also an element that enhances the steam oxidation resistance, 0.20% or more is preferable in this respect. On the other hand, if it exceeds 0.70%, the toughness and workability of the steel decrease, so the content is made 0.70% or less. Preferably it is 0.50% or less.

Mn:0.30〜0.70%
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高める。Mnはまた、ベイナイト及び/又はマルテンサイトの生成に寄与する。この効果を得るため、0.30%以上とする。また、Mnは、Sを固定して熱間加工性を改善し、組織の安定化にも寄与するので、この点で0.40%以上が好ましい。一方、0.70%を超えると、加工性や溶接性が低下するので、0.70%以下とする。Mnは、焼戻し脆化感受性を高める元素でもあるため、0.60%以下が好ましい。
Mn: 0.30 to 0.70%
Manganese (Mn) enhances the hardenability of the steel. Mn also contributes to the formation of bainite and / or martensite. In order to obtain this effect, it is 0.30% or more. In addition, Mn fixes S to improve the hot workability and contributes to the stabilization of the structure, and in this respect, 0.40% or more is preferable. On the other hand, when the content exceeds 0.70%, the formability and the weldability decrease, so the content is made 0.70% or less. Since Mn is also an element that enhances temper embrittlement susceptibility, 0.60% or less is preferable.

Cr:0.30〜11.50%
クロム(Cr)は、クリープ強度、耐酸化性に寄与する。耐熱鋼として必要な性能を確保するために、0.30%以上とする。耐酸化性や耐食性の点から、0.50%以上が好ましい。一方、11.50%を超えるとCrを主成分とする炭化物の粗大化、粗大な窒化物の析出を促進し、クリープ強度及び靱性が低下するので、11.50%以下とする。好ましくは10.00%以下である。
Cr: 0.30 to 11.50%
Chromium (Cr) contributes to creep strength and oxidation resistance. In order to secure the performance necessary for heat resistant steel, the content should be 0.30% or more. From the point of oxidation resistance and corrosion resistance, 0.50% or more is preferable. On the other hand, when it exceeds 11.50%, coarsening of carbides mainly composed of Cr and precipitation of coarse nitrides are promoted, and creep strength and toughness decrease, so the content is made 11.50% or less. Preferably it is 10.00% or less.

Co:0.05〜3.00%
コバルト(Co)は、クリープ強度を損なわずにオーステナイトを安定化させ、δフェライトの析出を抑制し、ベイナイト及び/又はマルテンサイトの生成を促進する。この効果を得るため、0.05%以上とする。高温強度を高める点で、0.80%以上が好ましい。一方、3.00%を超えると、溶接性や加工性が低下するので、3.00%以下とする。好ましくは2.90%以下である。
Co: 0.05 to 3.00%
Cobalt (Co) stabilizes austenite without impairing creep strength, suppresses precipitation of δ-ferrite, and promotes formation of bainite and / or martensite. In order to obtain this effect, it is 0.05% or more. In order to increase the high temperature strength, 0.80% or more is preferable. On the other hand, if it exceeds 3.00%, the weldability and the formability will decrease, so the content is made 3.00% or less. Preferably it is 2.90% or less.

N:0.02〜0.05%
窒素(N)は、MX型化合物、MX型化合物を形成し、高温強度の上昇に寄与する。この効果を得るため、0.02%以上とする。好ましくは0.025%以上である。一方、Nを過剰に含有させると、粗大なMX型化合物、MX型化合物が生成し、靱性が低下するので、0.05%以下とする。好ましくは0.045%以下である。
N: 0.02 to 0.05%
Nitrogen (N) forms an MX type compound and an M 2 X type compound, and contributes to an increase in high temperature strength. In order to obtain this effect, it is made 0.02% or more. Preferably it is 0.025% or more. On the other hand, when N is contained in excess, coarse MX type compounds and M 2 X type compounds are formed, and the toughness decreases, so the content is made 0.05% or less. Preferably it is 0.045% or less.

B:0.0003〜0.020%
硼素(B)は、本実施形態において最も重要な元素であり、微量でも鋼の焼入れ性を顕著に高める。この効果を得るため、0.0003%以上とする。炭化物を分散、安定化させ、クリープ強度を高める点で、0.003%以上が好ましく、0.005%以上がより好ましい。一方、過剰に含有させると、溶接性や加工性が低下する。さらに粗大なBNを形成し、クリープ強度を損なうため0.020%以下とする。好ましくは0.018%以下であり、より好ましくは0.008%以下である。
B: 0.0003 to 0.020%
Boron (B) is the most important element in the present embodiment, and significantly improves the hardenability of the steel even in a small amount. In order to obtain this effect, it is made 0.0003% or more. From the viewpoint of dispersing and stabilizing carbides and enhancing creep strength, 0.003% or more is preferable, and 0.005% or more is more preferable. On the other hand, if it is contained excessively, weldability and processability will be reduced. Furthermore, coarse BN is formed, and in order to impair creep strength, make it 0.020% or less. Preferably it is 0.018% or less, More preferably, it is 0.008% or less.

P:0.03%以下
燐(P)は、不純物であり、鋼の靱性、加工性、及び溶接性を損なうので、0.03%以下に制限する。好ましくは0.01%以下であり、より好ましくは0.005%以下である。下限は特に規定しないが、実用鋼のコストの点から、0.001%が実質的な下限である。
P: 0.03% or less Phosphorus (P) is an impurity and impairs the toughness, workability, and weldability of the steel, so it is limited to 0.03% or less. Preferably it is 0.01% or less, More preferably, it is 0.005% or less. The lower limit is not particularly defined, but from the viewpoint of the cost of practical steel, 0.001% is a practical lower limit.

S:0.015%以下
硫黄(S)は、不純物であり、鋼の靱性、加工性、及び溶接性を損なうので、0.015%以下に制限する。好ましくは0.003%以下であり、より好ましくは0.001%以下である。下限は特に規定しないが、実用鋼のコストの点から、0.0001%が実質的な下限である。
S: 0.015% or less Sulfur (S) is an impurity and impairs the toughness, workability, and weldability of the steel, so the content is limited to 0.015% or less. Preferably it is 0.003% or less, More preferably, it is 0.001% or less. The lower limit is not particularly defined, but in view of the cost of practical steel, 0.0001% is a practical lower limit.

Al:0.03%以下
アルミニウム(Al)は、脱酸剤として機能する。しかし、0.03%を超えると、クリープ強度の低下を招くので、0.03%以下とする。好ましくは0.02%以下である。下限は特に規定しないが、実用鋼のコストの点から、0.001%が実質的な下限である。
Al: 0.03% or less Aluminum (Al) functions as a deoxidizer. However, if it exceeds 0.03%, the creep strength decreases, so the content is made 0.03% or less. Preferably it is 0.02% or less. The lower limit is not particularly defined, but from the viewpoint of the cost of practical steel, 0.001% is a practical lower limit.

Cu:0.10%以下
銅(Cu)は、スクラップ等の原料から混入し、鋼のクリープ強度を低下させる。Cu含有量が0.10%を超えると、クリープ強度の低下を招くので、0.10%以下とする。好ましくは0.05%以下であり、より好ましくは0.01%以下である。なお、下限は0%を含む。
Cu: 0.10% or less Copper (Cu) is mixed from raw materials such as scrap and reduces the creep strength of the steel. If the Cu content exceeds 0.10%, the creep strength decreases, so the content is made 0.10% or less. Preferably it is 0.05% or less, More preferably, it is 0.01% or less. The lower limit includes 0%.

Ni:0.10%以下
ニッケル(Ni)は、スクラップ等の原料から混入し、鋼のクリープ強度を低下させる。Ni含有量が0.10%を超えると、クリープ強度の低下を招くので、0.10%以下とする。好ましくは0.05%以下であり、より好ましくは0.01%以下である。なお、下限は0%を含む。
Ni: 0.10% or less Nickel (Ni) is mixed from raw materials such as scrap and reduces the creep strength of the steel. If the Ni content exceeds 0.10%, the creep strength decreases, so the content is made 0.10% or less. Preferably it is 0.05% or less, More preferably, it is 0.01% or less. The lower limit includes 0%.

本実施形態によるフェライト系耐熱鋼の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。   The balance of the chemical composition of the heat resistant ferritic steel according to the present embodiment consists of Fe and impurities. Here, the term "impurity" means an element mixed from ore or scrap used as a raw material when industrially manufacturing steel, or an element mixed from an environment of a manufacturing process or the like.

本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、上記のFeの一部に代えて、V、Nb、Mo、及びWからなる群から選択される1又は2以上、並びに、Ti及びZrからなる群から選択される1又は2の元素を含有しても良い。V、Nb、Mo、及びWは、いずれも析出強化によって鋼のクリープ強度を向上させる。Ti及びZrは、いずれも炭化物及び窒化物を形成して鋼のクリープ強度を向上させる。   The ferritic heat resistant steel according to the present embodiment is selected from the group consisting of Ti and Zr, and one or more selected from the group consisting of V, Nb, Mo, and W instead of part of the above Fe. It may contain one or two elements. V, Nb, Mo, and W all improve the creep strength of the steel by precipitation strengthening. Both Ti and Zr form carbides and nitrides to improve the creep strength of the steel.

V、Nb、Mo、W、Ti、及びZrはすべて選択元素であり、本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、これらの元素を含有していなくても良い。本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、これらの比較的高価な合金元素を含有していなくても、高いクリープ強度が得られる。そのため本実施形態によれば、MoやW等を必須とする従来のフェライト系耐熱鋼と比較して、省合金化を図りつつ従来と同等以上のクリープ強度を得ることができる。また、これらの合金元素を含有することで、さらに高いクリープ強度を得ることができる。   V, Nb, Mo, W, Ti, and Zr are all selective elements, and the heat resistant ferritic steel according to the present embodiment may not contain these elements. Even if the ferritic heat resistant steel according to the present embodiment does not contain these relatively expensive alloy elements, high creep strength can be obtained. Therefore, according to this embodiment, compared with the conventional ferritic heat resistant steel which makes Mo, W, etc. essential, creep strength equivalent to or more than before can be obtained, achieving alloy saving. Moreover, higher creep strength can be obtained by containing these alloying elements.

V:0〜0.30%
バナジウム(V)は、微細なMX型化合物を析出させてクリープ強度を高める。微量でもこの効果は得られるが、より確実に得るためには0.15%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.18%以上、さらに好ましくは0.20%以上である。一方、Vを過剰に含有させると、析出物によって靱性が低下するので、0.30%以下とする。好ましくは0.25%以下である。
V: 0 to 0.30%
Vanadium (V) precipitates fine MX type compounds to enhance creep strength. Although this effect can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 0.15% or more in order to obtain it more reliably. More preferably, it is 0.18% or more, further preferably 0.20% or more. On the other hand, when V is contained excessively, the toughness is lowered by precipitates, so the content is made 0.30% or less. Preferably it is 0.25% or less.

Nb:0〜0.06%
ニオブ(Nb)は、微細なMX型化合物を形成してクリープ強度を高める。微量でもこの効果は得られるが、より確実に得るためには0.03%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.045%以上である。一方、Nbを過剰に含有させると、粗大な炭化物が生成し、靱性が低下するので、0.06%以下とする。好ましくは0.055%以下である。
Nb: 0 to 0.06%
Niobium (Nb) forms a fine MX type compound to enhance creep strength. Although this effect can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 0.03% or more in order to obtain it more reliably. More preferably, it is 0.045% or more. On the other hand, when Nb is excessively contained, coarse carbides are formed and the toughness is lowered, so the content is made 0.06% or less. Preferably it is 0.055% or less.

Mo:0〜2.00%
モリブデン(Mo)は、固溶強化及び析出強化によって、クリープ強度を顕著に向上させる。微量でもこの効果は得られるが、より確実に得るためには0.01%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.30%以上である。一方、Moを過剰に含有させると、Moを主成分とする炭化物が粗大化して、靱性及びクリープ強度が低下するので、2.00%以下とする。好ましくは1.50%以下である。
Mo: 0 to 2.00%
Molybdenum (Mo) significantly improves creep strength by solid solution strengthening and precipitation strengthening. Although this effect can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 0.01% or more in order to obtain it more reliably. More preferably, it is 0.30% or more. On the other hand, when Mo is excessively contained, the carbide containing Mo as a main component is coarsened to lower the toughness and the creep strength, so the content is made 2.00% or less. Preferably it is 1.50% or less.

W:0〜2.50%
タングステン(W)は、Moと同様の効果を奏する元素である。Wを含有させることで、クリープ強度を顕著に向上させることができる。微量でもこの効果は得られるが、より確実に得るためには1.50%以上とすることが好ましい。より好ましくは1.70%以上である。一方、Wを過剰に含有させると、溶接性や加工性が低下するので、2.50%以下とする。650℃以上におけるクリープ強度を確保する点で、2.40%以下とすることが好ましい。
W: 0 to 2.50%
Tungsten (W) is an element having the same effect as Mo. By containing W, creep strength can be remarkably improved. Although this effect can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 1.50% or more in order to obtain it more reliably. More preferably, it is 1.70% or more. On the other hand, if W is contained excessively, the weldability and the workability will decrease, so the content is made 2.50% or less. In order to secure the creep strength at 650 ° C. or more, the content is preferably 2.40% or less.

Ti:0〜0.10%
チタン(Ti)は、脱酸剤として機能する。また、Tiは強力な炭化物、窒化物生成元素であり、組織の微細化、並びに炭化物及び窒化物の安定化に寄与する。微量でもこれらの効果は得られるが、より確実に得るためには0.015%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.040%以上である。一方、Tiを過剰に含有させると、粗大なTiNが生成し、靱性が低下するので、0.10%以下とする。好ましくは0.09%以下である。
Ti: 0 to 0.10%
Titanium (Ti) functions as a deoxidizer. In addition, Ti is a strong carbide and nitride forming element, and contributes to the refinement of the structure and the stabilization of carbides and nitrides. Although these effects can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 0.015% or more in order to obtain these more reliably. More preferably, it is 0.040% or more. On the other hand, when Ti is excessively contained, coarse TiN is formed and the toughness is reduced, so the content is made 0.10% or less. Preferably it is 0.09% or less.

Zr:0〜0.010%
ジルコニウム(Zr)は、Tiと同様に、強力な炭化物、窒化物生成元素であり、組織の微細化、並びに炭化物及び窒化物の安定化に寄与する。微量でもこの効果は得られるが、より確実に得るためには0.001%以上とすることが好ましい。一方、Zrを過剰に含有させると、粗大なZrNが生成し、靱性が低下するので、0.010%以下とする。好ましくは0.005%以下である。
Zr: 0 to 0.010%
Zirconium (Zr), like Ti, is a strong carbide and nitride forming element and contributes to the refinement of the structure and the stabilization of carbides and nitrides. Although this effect can be obtained even with a small amount, it is preferable to be 0.001% or more in order to obtain it more reliably. On the other hand, when Zr is excessively contained, coarse ZrN is formed and the toughness is reduced, so the content is made 0.010% or less. Preferably it is 0.005% or less.

[組織]
本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織を有する。ここで、「ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織」の用語には、ベイナイト組織、マルテンサイト組織、及びベイナイトとマルテンサイトとの混合組織が含まれる。また、「ベイナイト組織」の用語には焼戻しベイナイトが含まれ、「マルテンサイト組織」の用語には焼戻しマルテンサイトが含まれる。
[Organization]
The heat resistant ferritic steel according to the present embodiment has a bainite and / or martensitic structure. Here, the term "bainite and / or martensitic structure" includes bainitic structure, martensitic structure, and mixed structure of bainite and martensite. Also, the term "bainitic structure" includes tempered bainite, and the term "martensitic structure" includes tempered martensite.

本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、ベイナイト及び/又はマルテンサイトの体積率が95%以上であることが好ましい。換言すれば、ベイナイト及びマルテンサイト以外の組織、例えばフェライトや残留オーステナイト等の組織を5%程度含んでいても良い。   In the heat resistant ferritic steel according to the present embodiment, the volume fraction of bainite and / or martensite is preferably 95% or more. In other words, a structure other than bainite and martensite, for example, a structure such as ferrite or retained austenite may be contained by about 5%.

組織は、微細であることが好ましく、具体的には、旧オーステナイト粒径が50μm以下であることが好ましい。また、ベイナイト及び/又はマルテンサイトのラス幅は、0.3μm以下であることが好ましい。組織が微細であるほど、析出物の実質的な数密度が大きくなり、クリープ強度が向上する。   The structure is preferably fine, and specifically, the prior austenite particle size is preferably 50 μm or less. The lath width of bainite and / or martensite is preferably 0.3 μm or less. The finer the texture, the greater the substantial number density of precipitates and the better the creep strength.

組織の同定は例えば、ナイタール又はピクラールでエッチングした組織を光学顕微鏡で観察することによって行うことができる。ベイナイト及び/又はマルテンサイトの面積率は例えば、画像解析によって測定することができる。ラス幅は例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定することができる。   The identification of the tissue can be performed, for example, by observing the tissue etched with nital or picral with a light microscope. The area ratio of bainite and / or martensite can be measured, for example, by image analysis. The lath width can be measured by, for example, a transmission electron microscope (TEM).

[析出物]
本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物の平均粒径が100nm未満である。ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面とは、ラス、ブロック、パケット等の粒界である。
[Precipitate]
In the ferritic heat resistant steel according to the present embodiment, the average particle size of precipitates deposited on the interface between the bainite and / or martensite structure is less than 100 nm. The interface between bainite and / or martensite structures is grain boundaries such as laths, blocks and packets.

析出物は例えば、MX型化合物、MX型化合物、M23型化合物、FeX型化合物、及びFeC(セメンタイト)、並びにこれらが組み合わさった析出物である。ここで、MX型化合物のMは、Nb、V、Ti、Zrの1種以上の元素を表し、XはC、Nを表す。MX型化合物のMは、Cr、Mo、Nb、Vの1種以上の元素を表し、XはC、Nを表す。M23型化合物のMは、Cr、Feを主な構成元素として、Mn、Mo、W、Nb、V、Ti、Zrの1種以上の元素が含まれる場合がある。FeX型化合物のXは主に、W、Moである。 The precipitates are, for example, MX type compounds, M 2 X type compounds, M 23 C 6 type compounds, Fe 2 X type compounds, and Fe 3 C (cementite), and precipitates combining these. Here, M in the MX type compound represents one or more elements of Nb, V, Ti, and Zr, and X represents C and N. M of the M 2 X type compound represents one or more elements of Cr, Mo, Nb, and V, and X represents C and N. M of M 23 C 6 type compounds, Cr, as main constituent elements Fe, there is a case where Mn, Mo, W, Nb, V, Ti, include one or more elements of Zr. X of the Fe 2 X type compound is mainly W or Mo.

ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物の平均粒径が100nm以上であると、高温保持中に析出物が粗大化し、高温クリープ強度が低下する。これらの析出物の平均粒径が100nm未満であれば、析出物の初期の数密度を大きくできるため、すなわち、析出物間の間隔を小さくできるため、高温保持中の析出物の粗大化を抑制することができる。これらの析出物の平均粒径は、好ましくは90nm以下である。   If the average particle size of the precipitates deposited on the boundary surface of the bainite and / or martensite structure is 100 nm or more, the precipitates become coarse during high temperature holding, and the high temperature creep strength decreases. If the average particle size of these precipitates is less than 100 nm, the initial number density of the precipitates can be increased, that is, the spacing between the precipitates can be reduced, and therefore the coarsening of the precipitates during high temperature holding is suppressed. can do. The average particle size of these precipitates is preferably 90 nm or less.

ここでの「平均粒径」は、個数平均径である。すなわち、ある観察面における(全析出物の直径の和)/(全析出物の個数)である。平均粒径は、より具体的には、下記のようにして求める。鋼の観察面から、抽出レプリカ法によって、TEM観察用の試験片を採取し、TEM像を得る。TEM像の視野は例えば、0.73μm×0.95μmである。TEM像を画像解析し、析出物の面積を楕円近似によって求め、面積から各析出物の円相当径(直径)を求める。このとき、析出物の個数は、円相当径が10nm以上のものをカウントする。   The "average particle diameter" here is a number average diameter. That is, (sum of diameters of all precipitates) / (number of all precipitates) in a certain observation plane. More specifically, the average particle size is determined as follows. From the observation surface of steel, a specimen for TEM observation is collected by the extraction replica method to obtain a TEM image. The field of view of the TEM image is, for example, 0.73 μm × 0.95 μm. The TEM image is image-analyzed, the area of the precipitate is determined by elliptic approximation, and the equivalent circle diameter (diameter) of each precipitate is determined from the area. At this time, as for the number of precipitates, those having a circle equivalent diameter of 10 nm or more are counted.

上記のベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物は、Bを含有した析出物の個数が、全析出物の個数の95%以上である。換言すれば、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物のうち、Bを含有する析出物(以下、B含有析出物と称する)の個数の比率が95%以上である。   In the precipitates deposited on the boundary surface of the bainite and / or martensite structure, the number of B-containing precipitates is 95% or more of the number of all precipitates. In other words, the ratio of the number of B-containing precipitates (hereinafter referred to as B-containing precipitates) is 95% or more among the precipitates deposited on the boundary surface of the bainite and / or martensite structure.

ここで、析出物にBが少しでも含まれていれば、その析出物はB含有析出物としてカウントする。反対に、析出物にBが全く含まれていなければ、その析出物はBを含有しない析出物としてカウントする。   Here, if the precipitate contains at least B, the precipitate is counted as a B-containing precipitate. On the other hand, if the precipitate does not contain B at all, the precipitate is counted as a precipitate containing no B.

B含有析出物の測定は例えば、TOF−SIMSによって測定することができる。すなわち、測定視野における元素イオンマップから、析出物を構成する元素ごとの元素イオンマップを作成し、個別又は合成マップから析出物の析出場所、析出粒子の大きさ及び数密度等が分かる。これをBの元素イオンマップと照合することにより、B含有析出物の個数の比率を計算することができる。   The measurement of the B-containing precipitate can be measured, for example, by TOF-SIMS. That is, from the elemental ion map in the measurement field of view, the elemental ion map of each element constituting the precipitate is prepared, and the precipitation location of the precipitate, the size and the number density of the precipitated particles, etc. are known from the individual or the synthesis map. By comparing this with the elemental ion map of B, the ratio of the number of B-containing precipitates can be calculated.

B含有析出物の測定は、電界放出型透過電子顕微鏡に電子エネルギー損失分光器(EELS)を組み合わせた装置によって行うこともできる。   The measurement of the B-containing precipitate can also be performed by an apparatus combining a field emission type transmission electron microscope with an electron energy loss spectrometer (EELS).

B含有析出物の比率が95%以上であれば、高温での析出物の安定性が高まるため、鋼の高温クリープ強度が向上する。B含有析出物の比率は、好ましくは97%以上である。   If the proportion of the B-containing precipitates is 95% or more, the stability of the precipitates at high temperatures is enhanced, and the high temperature creep strength of the steel is improved. The proportion of the B-containing precipitate is preferably 97% or more.

[製造方法]
次に、本実施形態によるフェライト系耐熱鋼の製造方法の一例を説明する。
[Production method]
Next, an example of a method of manufacturing the heat resistant ferritic steel according to the present embodiment will be described.

本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、常法により、鋼を溶製し、鋳造して得られた鋼片を熱間圧延して製造される。   The heat resistant ferritic steel according to the present embodiment is manufactured by hot rolling a steel piece obtained by melting and casting steel by a conventional method.

熱間圧延前の加熱は、鋼の変形抵抗を低下させるとともに、鋳造時に鋼片に生成した析出物を固溶させる工程である。炭化物が析出する温度よりも高温で熱間圧延を完了させるため、加熱温度は1050℃以上にすることが好ましい。より好ましくは1100℃以上である。一方、加熱温度が高すぎると、組織が粗大になるので、1250℃以下にすることが好ましい。   The heating before hot rolling is a process of reducing the deformation resistance of the steel and causing the solid solution of precipitates formed in the steel during casting to form a solid solution. The heating temperature is preferably 1050 ° C. or higher in order to complete the hot rolling at a temperature higher than the temperature at which carbides precipitate. More preferably, it is 1100 ° C. or higher. On the other hand, when the heating temperature is too high, the structure becomes coarse, so it is preferable to set the temperature to 1250 ° C. or less.

熱間圧延では、トータル圧下率を大きくするほど、組織を微細化できるため好ましい。熱間圧延のトータル圧下率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは65%以上である。熱間圧延は、金属組織がオーステナイトである温度域であるAr変態点以上の温度で行う。Ar変態点未満の温度で熱間圧延を行うと、加工フェライトが生成し、靱性が低下する。 In hot rolling, as the total rolling reduction is increased, the structure can be refined, which is preferable. The total rolling reduction in hot rolling is preferably 50% or more, and more preferably 65% or more. Hot rolling is performed at a temperature equal to or higher than the Ar 3 transformation point, which is a temperature range in which the metal structure is austenite. When hot rolling is performed at a temperature below the Ar 3 transformation point, processed ferrite is formed and the toughness is reduced.

熱間圧延の終了後、室温まで冷却する。冷却方法は例えば、空冷である。本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、特に加速冷却をしなくても、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織が得られる。好ましい冷却速度は、1℃/s以上である。   After the end of the hot rolling, it is cooled to room temperature. The cooling method is, for example, air cooling. The ferritic heat resistant steel according to the present embodiment can obtain a bainite and / or martensitic structure without particularly accelerated cooling. The preferred cooling rate is 1 ° C./s or more.

冷却後、必要に応じて、焼準し及び焼戻しを実施しても良い。焼準し及び焼戻しは、いずれも任意の工程である。すなわち、焼準し及び焼戻しのいずれか又は両方を実施しなくても良い。   After cooling, if necessary, normalizing and tempering may be performed. Both tempering and tempering are optional steps. That is, one or both of tempering and tempering may not be performed.

焼準しは、フェライト系耐熱鋼を1000℃以上に加熱して所定の時間保持し、その後、冷却することによって実施する。冷却は、空冷でも、水冷等の加速冷却でも良い。焼準しを実施することで、組織をより均一にすることができる。焼準し温度が高すぎると、旧オーステナイト粒径が大きくなる。焼準し温度は1200℃未満が好ましく、1150℃未満が好ましい。   Normalization is performed by heating the ferritic heat-resistant steel to 1000 ° C. or higher, holding it for a predetermined time, and then cooling it. The cooling may be air cooling or accelerated cooling such as water cooling. By performing the normalization, the tissue can be made more uniform. When the normalizing temperature is too high, the prior austenite grain size becomes large. The normalizing temperature is preferably less than 1200 ° C., preferably less than 1150 ° C.

焼戻しは、フェライト系耐熱鋼をAc変態点未満の温度に加熱して所定の時間保持し、その後、冷却することによって実施する。冷却は、空冷でも、水冷等の加速冷却でも良い。焼戻しを実施することで、靱性を向上させることができる。焼戻し温度がAc変態点以上の温度になると、析出物が粗大になり、高温強度が低下する。 The tempering is performed by heating the ferritic heat-resistant steel to a temperature lower than the Ac 1 transformation point and holding it for a predetermined time, and then cooling it. The cooling may be air cooling or accelerated cooling such as water cooling. By performing tempering, toughness can be improved. When the tempering temperature reaches a temperature above the Ac 1 transformation point, the precipitates become coarse and the high temperature strength decreases.

焼準し又は焼戻しを実施すると、その間に析出物の析出が促進される。ただし、焼準し及び焼戻しを実施しなくても、本実施形態によるフェライト系耐熱鋼は、高温(例えば600℃)での使用中に析出物が析出するので、高いクリープ強度が得られる。   During normalizing or tempering, precipitation of precipitates is promoted. However, even if the normalizing and tempering are not performed, the ferrite type heat resistant steel according to the present embodiment can obtain high creep strength because precipitates are precipitated during use at high temperature (for example, 600 ° C.).

以上、本発明の一実施形態によるフェライト系耐熱鋼について説明した。本実施形態によれば、高温強度、特に高温クリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼が得られる。   Heretofore, the heat resistant ferritic steel according to the embodiment of the present invention has been described. According to this embodiment, a ferritic heat-resistant steel excellent in high temperature strength, particularly high temperature creep strength can be obtained.

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。   Next, examples of the present invention will be described. The conditions in the examples are one condition example adopted to confirm the practicability and effects of the present invention, and the present invention is not limited to the one condition example. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the scope of the present invention.

表1及び表2(表1の続き)に示す化学組成の鋼を溶製して鋳造し、得られた鋼片を表3に示す条件で熱間圧延し、空冷した。なお、化学組成の残部はFe及び不純物である。その後、表3に示す条件で焼準し及び/又は焼戻しを実施した。なお、鋼No.23及び24は、焼準し及び/又は焼戻しのいずれも実施しなかった。   Steels having the chemical compositions shown in Tables 1 and 2 (continuation of Table 1) were melted and cast, and the obtained steel pieces were hot-rolled and air-cooled under the conditions shown in Table 3. The balance of the chemical composition is Fe and impurities. Thereafter, tempering and / or tempering were performed under the conditions shown in Table 3. In addition, steel No. Neither 23 nor 24 performed tempering and / or tempering.

Figure 0006540131
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クリープ試験前の鋼材を切断し、研磨し、エッチングして、光学顕微鏡により金属組織を観察した。さらに、抽出レプリカ法によって、TEM観察用の試験片を採取した。TEM像から実施形態において説明した方法によって、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物の平均粒径を測定した。TEM像の視野は、0.73μm×0.95μmであった。なお、フェライト組織の鋼については、フェライト粒界に析出した析出物の平均粒径を測定した。   The steel before the creep test was cut, polished and etched, and the metallographic structure was observed by an optical microscope. Furthermore, test pieces for TEM observation were collected by the extraction replica method. The average particle size of the precipitate deposited at the interface between the bainite and / or martensite structure was measured by the method described in the embodiment from the TEM image. The field of view of the TEM image was 0.73 μm × 0.95 μm. In addition, about the steel of a ferrite structure, the average particle diameter of the precipitate which precipitated to the ferrite grain boundary was measured.

さらに、焼戻し処理をした鋼材については、クリープ試験前の鋼材を切断し、常法の湿式機械研磨法により鏡面仕上げとして、TOF−SIMS測定用の試験片を作製した。焼戻し処理をしていない鋼材については、クリープ試験後の鋼材を切断し、同様に常法の湿式機械研磨法により鏡面仕上げとして、TOF−SIMS測定用の試験片を作製した。TOF−SIMS測定は、照射径80nmのガリウム(Ga)イオンビームを一次イオン源として使用し、1ピクセルあたり200パルス照射して測定した。TOF−SIMS測定の視野は、25μm×25μmであった。二次イオンの元素イオンマップを取得して、析出物の種類を分別してB含有析出物の個数の比率を計算した。   Furthermore, about the steel materials which carried out the tempering process, the steel materials before a creep test were cut | disconnected, and the test piece for TOF-SIMS measurement was produced as mirror finish by the wet mechanical polishing method of a conventional method. About the steel materials which are not tempered, the steel materials after a creep test were cut, and the test piece for TOF-SIMS measurement was similarly produced as mirror finish by the wet mechanical polishing method of a conventional method. The TOF-SIMS measurement was performed by irradiating 200 pulses per pixel using a gallium (Ga) ion beam with an irradiation diameter of 80 nm as a primary ion source. The field of view of TOF-SIMS measurement was 25 μm × 25 μm. The elemental ion map of the secondary ion was acquired, and the types of precipitates were separated to calculate the ratio of the number of B-containing precipitates.

クリープ強度は、クリープ試験を600℃において200MPa負荷試験、650℃において100MPa、150MPa負荷試験、さらに、700℃において70MPa、90MPa負荷試験を行い、クリープ破断強度を求めた。得られた結果を用いて、ラーソン・ミラー・パラメータにより、600℃、10時間の推定破断強度(以下、600℃×10時間クリープ強度と称する)を評価した。結果を表4に示す。 For the creep strength, a creep test was conducted at 200 ° C. for 200 MPa load test, at 650 ° C. for 100 MPa and 150 MPa load test, and further at 70 ° C. for 70 MPa and 90 MPa load test to determine creep rupture strength. Using the results obtained, by Larson Miller parameter, 600 ° C., the estimated rupture strength of 10 4 hours (hereinafter, referred to as 600 ° C. × 10 4 h creep strength) was evaluated. The results are shown in Table 4.

Figure 0006540131
Figure 0006540131

表1、表2及び表4に示すように、鋼No.1〜24は、本発明の化学組成を満たし、かつ、B含有析出物の比率が95%以上の鋼である。これらの鋼は、それぞれCr等の合金元素を同程度含む比較例と比較して、600℃×10時間クリープ強度が概ね20MPa以上大きかった。 As shown in Table 1, Table 2 and Table 4, steel no. The steels 1 to 24 satisfy the chemical composition of the present invention, and the proportion of B-containing precipitates is 95% or more. The creep strengths of these steels were approximately 20 MPa or more, respectively, at 600 ° C. × 10 4 hours, as compared with the comparative examples containing the same degree of alloying elements such as Cr.

同程度のCrを含む鋼として、表1及び表2に示す鋼をCr含有量により低Cr鋼(Cr含有量が3質量%未満)、中Cr鋼(Cr含有量が3質量%以上かつ7質量%未満)、及び高Cr鋼(Cr含有量が7質量%以上)に分けてクリープ強度を比較した。   Low Cr steels (Cr content less than 3% by mass), medium Cr steels (Cr content not less than 3% by mass and 7% or less) depending on the Cr content, as steels containing similar amounts of Cr The creep strengths were compared by dividing into less than mass%) and high Cr steels (Cr content is 7 mass% or more).

鋼No.2、7、15及び24は、本発明の化学組成を満たす低Cr鋼である。これらの鋼は、同程度のCrを含む鋼No.26、27、及び30〜32と比較して、600℃×10時間クリープ強度が20MPa以上大きかった。 Steel No. 2, 7, 15 and 24 are low Cr steels satisfying the chemical composition of the present invention. These steels are steel No. 1 containing comparable levels of Cr. The creep strength was increased by 20 MPa or more at 600 ° C. × 10 4 hours as compared with 26, 27, and 30-32.

鋼No.8、9、13、14、16〜18、及び20は、本発明の化学組成を満たす中Cr鋼である。これらの鋼は、同程度のCrを含む鋼No.29及び36と比較して、600℃×10時間クリープ強度が10MPa以上大きかった。 Steel No. 8, 9, 13, 14, 16, 18 and 20 are medium Cr steels which satisfy the chemical composition of the present invention. These steels are steel No. 1 containing comparable levels of Cr. The creep strength was 10 MPa or more greater at 600 ° C. × 10 4 hours as compared with 29 and 36.

鋼No.1、3、4〜6、10〜12、19、及び21〜23は、本発明の化学組成を満たす高Cr鋼である。これらの鋼は、同程度のCrを含む鋼No.25、28、33〜35、及び37と比較して、600℃×10時間クリープ強度が15MPa以上大きかった。 Steel No. 1, 3, 4 to 6, 10 to 12, 19 and 21 to 23 are high Cr steels satisfying the chemical composition of the present invention. These steels are steel No. 1 containing comparable levels of Cr. 25,28,33~35, and 37 compared to, 600 ° C. × 10 4 h creep strength greater than 15 MPa.

鋼No.6及び10は、本発明の化学組成を満たす鋼であり、熱間圧延終了後に焼準しを実施しなかった例である。熱間圧延後に焼準しを実施した鋼No.5と比較して、同程度の600℃×10時間クリープ強度を有していた。また、Cr等の合金元素を同程度含む鋼No.35及び37と比較して、600℃×10時間クリープ強度が20MPa以上大きかった。 Steel No. 6 and 10 are steels which satisfy the chemical composition of the present invention, and are examples in which normalizing is not performed after completion of hot rolling. Steel No. 1 that was standardized after hot rolling Compared with 5, it had creep strength equivalent to 600 ° C. × 10 4 hours. In addition, steel No. 1 containing alloy elements such as Cr and the like to the same extent. The creep strength was 20 MPa or more greater at 600 ° C. × 10 4 hours as compared with 35 and 37.

鋼No.23及び24は、本発明の化学組成を満たす鋼であり、熱間圧延終了後に焼準し及び焼戻しのいずれも実施しなかった例である。熱間圧延後に焼準し及び焼戻しの少なくとも一方を実施した例であって、Cr等の合金元素を同程度含む鋼No.1、6、及び10と比較して、同等以上の600℃×10時間クリープ強度を有していた。 Steel No. The steels 23 and 24 satisfy the chemical composition of the present invention, and are examples in which neither normalizing nor tempering is performed after the end of hot rolling. Steel No. 4 which is an example in which at least one of normalizing and tempering is carried out after hot rolling and which contains alloying elements such as Cr and the like to the same degree Compared with 1, 6 and 10, they had creep strength equal to or higher than 600 ° C. × 10 4 hours.

一方、鋼No.25〜34では、十分なクリープ強度が得られなかった。これは、本発明の化学組成を満たさなかったためと考えられる。さらに、B含有析出物の比率が95%未満であったためと考えられる。   On the other hand, steel No. In 25-34, sufficient creep strength was not obtained. It is considered that this is because the chemical composition of the present invention was not satisfied. Furthermore, it is considered that the proportion of the B-containing precipitate was less than 95%.

鋼No.26はC含有量が少なすぎ、鋼No.30はCr含有量が少なすぎたため、析出物の量が少なく、さらにB含有析出物の比率が少ないため析出物の安定化が図れなかったため、クリープ強度が低かったと考えられる。鋼No.25は、Cr含有量が多すぎ、さらにB含有析出物の比率が少ないため析出物の安定化が図れなかったため、クリープ強度が低かったと考えられる。   Steel No. No. 26 has too little C content, and steel No. In No. 30, the Cr content was too low, so the amount of precipitates was small, and furthermore, since the ratio of the precipitates containing B was small, the precipitates could not be stabilized, so it is considered that the creep strength was low. Steel No. No. 25 was considered to have low creep strength because the Cr content was too high and the proportion of the B-containing precipitate was too small to stabilize the precipitate.

鋼No.26及び30〜32では、ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織になっていないため、微細な析出物の析出場所が少なく、さらにB含有析出物の比率が少ないため析出物の安定化が図れなかったため、クリープ強度が低かったと考えられる。   Steel No. In 26 and 30-32, since the bainite and / or martensite structure is not formed, there are few precipitation places of fine precipitates, and furthermore, since the ratio of B-containing precipitates is small, stabilization of the precipitates can not be achieved. It is considered that the creep strength was low.

鋼No.35〜37では、十分なクリープ強度が得られなかった。これは、B含有析出物の比率が95%未満であったためと考えられる。B含有析出物の比率が低かったのは、鋼中における炭化物形成作用が相対的に強いTi、Nb、V、Mo等の合金元素の含有量とB含有量とのバランスが悪かったためと考えられる。これによって、組織の境界に存在するCrの炭化物、窒化物の粗大化、すなわち析出物粒径の不均一性をもたらし、B含有可能な量の差が生じ、B含有析出物の比率が低くなったと考えられる。   Steel No. In 35 to 37, sufficient creep strength was not obtained. This is considered to be because the proportion of the B-containing precipitate was less than 95%. The low proportion of B-containing precipitates is considered to be due to the fact that the balance between the content of alloy elements such as Ti, Nb, V, Mo, etc. and the B content was relatively strong in the carbide forming action in the steel. . This leads to coarsening of Cr carbides and nitrides present in the boundaries of the structure, that is, inhomogeneity in the grain size of the precipitate, resulting in differences in possible B content, and a reduction in the proportion of B-containing precipitates. It is thought that

図1は、B含有析出物の比率と、600℃×10時間クリープ強度との関係を示すグラフである。図1から、B含有析出物の比率が95%以上になったときに顕著にクリープ強度が向上することが分かる。 FIG. 1 is a graph showing the relationship between the ratio of B-containing precipitates and the creep strength at 600 ° C. × 10 4 hours. It can be seen from FIG. 1 that the creep strength is remarkably improved when the ratio of the B-containing precipitates is 95% or more.

本発明によれば、多量のCr、Mo、W、及び、希少元素を添加しなくても、従来と同等以上のクリープ強度を得ることができる。その結果、ボイラ、化学工業などで使用する耐熱鋼を安価に提供することが可能になるので、本発明は、産業上の利用可能性が極めて高いものである。   According to the present invention, even when a large amount of Cr, Mo, W and a rare element are not added, creep strength equal to or higher than that of the conventional one can be obtained. As a result, since it becomes possible to provide the heat-resistant steel used in a boiler, a chemical industry, etc. at low cost, the present invention has extremely high industrial applicability.

Claims (3)

化学組成が、質量%で、
C :0.05〜0.15%、
Si:0.70%以下、
Mn:0.30〜0.70%、
Cr:0.30%以上7.0%未満
Co:0.05〜3.00%、
N :0.02〜0.05%、
B :0.0003〜0.020%、
P :0.03%以下、
S :0.015%以下、
Al:0.03%以下、
Cu:0.10%以下、
Ni:0.10%以下、
V :0〜0.30%、
Nb:0〜0.06%、
Mo:0〜2.00%、
W :0〜2.50%、
Ti:0〜0.10%、
Zr:0〜0.010%、
残部:Fe及び不純物であり、
ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織を有し、
前記ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の体積率が95%以上であり、
前記ベイナイト及び/又はマルテンサイト組織の境界面に析出した析出物の平均粒径が100nm未満であり、
前記析出物は、Bを含有した析出物の個数が、全析出物の個数の95%以上である、フェライト系耐熱鋼。
The chemical composition is in mass%,
C: 0.05 to 0.15%,
Si: 0.70% or less,
Mn: 0.30 to 0.70%,
Cr: 0.30 % or more and less than 7.0% ,
Co: 0.05-3.00%,
N: 0.02 to 0.05%,
B: 0.0003 to 0.020%,
P: 0.03% or less,
S: 0.015% or less,
Al: 0.03% or less,
Cu: 0.10% or less,
Ni: 0.10% or less,
V: 0 to 0.30%,
Nb: 0 to 0.06%,
Mo: 0 to 2.00%,
W: 0 to 2.50%,
Ti: 0 to 0.10%,
Zr: 0 to 0.010%,
Remainder: Fe and impurities,
Has a bainite and / or martensitic structure,
The volume fraction of the bainite and / or martensite structure is 95% or more,
The average particle size of the precipitates deposited on the interface of the bainite and / or martensite structure is less than 100 nm,
The said precipitate is a ferritic heat-resistant steel whose number of objects of the precipitate containing B is 95% or more of the number of objects of all the precipitates.
請求項1に記載のフェライト系耐熱鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、
V :0.15〜0.30%、
Nb:0.03〜0.06%、
Mo:0.01〜2.00%、及び
W :1.50〜2.50%、
からなる群から選択される1又は2以上の元素を含有する、フェライト系耐熱鋼。
The heat resistant ferritic steel according to claim 1, wherein
The chemical composition is, in mass%,
V: 0.15 to 0.30%,
Nb: 0.03 to 0.06%,
Mo: 0.01 to 2.00%, and W: 1.50 to 2.50%,
A ferritic heat resistant steel containing one or more elements selected from the group consisting of
請求項1又は2に記載のフェライト系耐熱鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、
Ti:0.015〜0.10%、及び
Zr:0.001〜0.010%、
からなる群から選択される1又は2の元素を含有する、フェライト系耐熱鋼。
It is a ferritic heat resistant steel according to claim 1 or 2,
The chemical composition is, in mass%,
Ti: 0.015 to 0.10%, and Zr: 0.001 to 0.010%,
A ferritic heat resistant steel containing one or two elements selected from the group consisting of
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