JP6690359B2 - Austenitic heat-resistant alloy member and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、オーステナイト系耐熱合金部材およびその製造方法に係り、特に、クリープ破断強度に優れるオーステナイト系耐熱合金部材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an austenitic heat resistant alloy member and a method for manufacturing the same, and more particularly to an austenitic heat resistant alloy member having excellent creep rupture strength and a method for manufacturing the same.
従来、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等においては、装置用材料としてSUS304H、SUS316H、SUS321H、SUS347H等の18−8系オーステナイトステンレス鋼が使用されてきた。 Conventionally, 18-8 austenitic stainless steel such as SUS304H, SUS316H, SUS321H, and SUS347H has been used as a material for equipment in boilers, chemical plants, and the like used in a high-temperature environment.
しかし、近年、高効率化のために蒸気の温度と圧力とを高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められている。このような高温環境下における装置の使用条件が著しく過酷化し、それに伴って使用材料に対する要求性能が厳しくなってきた。そして、従来用いられてきた18−8系オーステナイトステンレス鋼では耐食性に加え、高温強度、特にクリープ破断強度が著しく不足する状況となっている。 However, in recent years, new installations of ultra-supercritical pressure boilers in which the temperature and pressure of steam have been increased in order to achieve high efficiency are being advanced all over the world. The operating conditions of the device in such a high temperature environment have become extremely severe, and the required performance of the materials used has become stricter accordingly. In addition, the 18-8 austenitic stainless steel that has been conventionally used is in a situation where not only the corrosion resistance but also the high temperature strength, particularly the creep rupture strength, is remarkably insufficient.
そこで、各種合金元素を最適量含有させることにより、クリープ破断強度を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が発明されてきた。しかしながら、最近、例えば火力発電用ボイラの分野では、蒸気温度を700℃以上に高める計画が推進されるようになってきた。この場合、使用される部材の温度は700℃を遙かに超えることとなる。そのため、新たに改良されたオーステナイト系ステンレス鋼でもクリープ破断強度および耐食性が不十分となってきた。 Therefore, an austenitic stainless steel having improved creep rupture strength by containing optimal amounts of various alloying elements has been invented. However, recently, for example, in the field of boilers for thermal power generation, a plan for increasing the steam temperature to 700 ° C. or higher has been promoted. In this case, the temperature of the members used will be much higher than 700 ° C. Therefore, the creep rupture strength and corrosion resistance have become insufficient even with the newly improved austenitic stainless steel.
上記の厳しい要求に対して、特許文献1には優れたクリープ破断強度と熱間加工性とを有するオーステナイト系耐熱合金が開示されている。 In response to the above-mentioned strict requirements, Patent Document 1 discloses an austenitic heat-resistant alloy having excellent creep rupture strength and hot workability.
ところで、ボイラおよび化学プラント等の装置用材料のような大型の構造部材は、熱間圧延または熱間鍛造後、冷間加工を施さずに最終熱処理を実施して使用されるため、結晶粒径が比較的大きい。そのため、通常、材料の仕様として規定される常温における0.2%耐力および引張強さが、冷間加工後に最終熱処理を施したものより低くなるという問題がある。 By the way, since large-scale structural members such as materials for equipment such as boilers and chemical plants are used by performing final heat treatment without hot working after hot rolling or hot forging, crystal grain size is used. Is relatively large. Therefore, there is a problem that 0.2% proof stress and tensile strength at room temperature, which are usually specified as material specifications, are lower than those obtained by performing final heat treatment after cold working.
加えて、大型の構造部材では、熱処理時の冷却速度が部位により大きく異なるため、高温での使用時に析出物として強化に寄与する固溶元素の量が部位により異なる。そのことに起因して、クリープ破断強度のばらつきが生じるといった問題もある。そのため、特許文献1に記載の鋼を、大型の構造部材に適用するのは困難である。 In addition, in a large-sized structural member, the cooling rate during heat treatment varies greatly depending on the site, so the amount of the solid solution element that contributes to strengthening as a precipitate when used at high temperatures varies depending on the site. Due to this, there is also a problem that the creep rupture strength varies. Therefore, it is difficult to apply the steel described in Patent Document 1 to a large structural member.
本発明は上記の問題を解決し、大型の構造部材として十分な常温での0.2%耐力および引張強さ、ならびに、高温でのクリープ破断強度を発現するオーステナイト系耐熱合金部材およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems and develops a 0.2% proof stress and tensile strength at room temperature which are sufficient for a large-scale structural member, and a creep rupture strength at high temperature, and a method for producing the same. The purpose is to provide.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系耐熱合金部材およびその製造方法を要旨とする。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and has as its gist the following austenitic heat-resistant alloy member and its manufacturing method.
(1)質量%で、
C:0.02%を超えて0.15%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:3.0%以下、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
Cr:28.0〜38.0%、
Ni:40.0%を超えて60.0%以下、
W:3.0%を超えて15.0%以下、
Ti:0.05〜1.0%、
Zr:0.005〜0.2%、
Al:0.01〜0.3%、
N:0.02%以下、
Mo:0.50%未満、
B:0.005%以下、
Co:0〜20.0%、
残部:Feおよび不純物
である化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工が施された合金部材であって、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが40mm以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−2.0〜4.0であり、
抽出残渣分析によって得られるCr析出量が下記(i)式を満足し、
常温での機械的特性が下記(ii)式および(iii)式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が130MPa以上である、オーステナイト系耐熱合金部材。
CrPB/CrPS≦10.0 ・・・(i)
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
CrPB:中心部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
CrPS:外面部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ
(1) In mass%,
C: more than 0.02% and 0.15% or less,
Si: 2.0% or less,
Mn: 3.0% or less,
P: 0.030% or less,
S: 0.010% or less,
Cr: 28.0 to 38.0%,
Ni: more than 40.0% and 60.0% or less,
W: more than 3.0% and 15.0% or less,
Ti: 0.05 to 1.0%,
Zr: 0.005-0.2%,
Al: 0.01 to 0.3%,
N: 0.02% or less,
Mo: less than 0.50%,
B: 0.005% or less,
Co: 0 to 20.0%,
The balance: an alloy member obtained by hot working a steel ingot or a slab having a chemical composition of Fe and impurities,
In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the alloy member, the length from the central portion to the outer surface portion is 40 mm or more,
The austenite grain size number in the outer surface portion is -2.0 to 4.0,
The Cr precipitation amount obtained by extraction residue analysis satisfies the following formula (i),
The mechanical properties at room temperature satisfy the following equations (ii) and (iii),
An austenitic heat resistant alloy member having a creep rupture strength of 10,000 MPa or more at 700 ° C. in the longitudinal direction at the central portion, of 130 MPa or more.
Cr PB / Cr PS ≦ 10.0 (i)
YS S / YS B ≦ 1.5 (ii)
TS S / TS B ≦ 1.2 (iii)
However, the meaning of each symbol in the above formula is as follows.
Cr PB: Cr deposition amount obtained by extraction residue analysis at the center cr PS: Cr deposition amount obtained by extraction residue analysis in the outer surface portion YS B: 0.2% proof stress YS S at the center: 0.2 the outer surface portion % Yield strength TS B : Tensile strength in the central area TS S : Tensile strength in the outer surface area
(2)前記鋼塊または鋳片の化学組成が、質量%で、さらに下記の<1>〜<3>のグループから選択される1以上のグループに属する1種以上の元素を含有する、上記(1)に記載のオーステナイト系耐熱合金。
<1>Nb:1.0%以下、V:1.5%以下およびHf:1.0%以下
<2>Mg:0.050%以下、Ca:0.050%以下およびREM:0.50%以下
<3>Ta:8.0%以下、Re:8.0%以下、Ir:5.0%以下、Pd:5.0%以下、Pt:5.0%以下およびAg:5.0%以下
(2) The chemical composition of the steel ingot or the slab contains, in mass%, one or more elements belonging to one or more groups selected from the following groups <1> to <3>, The austenitic heat resistant alloy according to (1).
<1> Nb: 1.0% or less, V: 1.5% or less and Hf: 1.0% or less <2> Mg: 0.050% or less, Ca: 0.050% or less and REM: 0.50 % Or less <3> Ta: 8.0% or less, Re: 8.0% or less, Ir: 5.0% or less, Pd: 5.0% or less, Pt: 5.0% or less and Ag: 5.0. %Less than
(3)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施す工程と、
その後、1100〜1250℃の範囲の熱処理温度T(℃)まで加熱し、1150D/T〜1500D/T(min)保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、オーステナイト系耐熱合金部材の製造方法。
但し、Dは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値(mm)である。
(3) a step of hot working a steel ingot or a slab having the chemical composition according to (1) or (2) above,
Then, a heat treatment is performed to heat treatment temperature T (° C.) in the range of 1100 to 1250 ° C., hold at 1150 D / T to 1500 D / T (min), and then heat-treat by water cooling. Method.
However, D is the maximum value (mm) of the linear distance between an arbitrary point on the outer edge of the cross section and another arbitrary point on the outer edge of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the alloy member.
(4)前記熱間鍛造を施す工程において、熱間鍛造の長手方向と略垂直な方向に鍛造を1回以上施す、上記(3)に記載のオーステナイト系耐熱合金部材の製造方法。 (4) The method for producing an austenitic heat-resistant alloy member according to (3), wherein in the step of performing hot forging, forging is performed once or more in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of hot forging.
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、部位による機械的性質のばらつきが少なく、また、高温でのクリープ破断強度に優れる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等の大型構造部材として好適に用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The austenitic heat-resistant alloy member of the present invention has little variation in mechanical properties depending on the site and is excellent in creep rupture strength at high temperatures. Therefore, the austenitic heat-resistant alloy member of the present invention can be suitably used as a large-scale structural member such as a boiler and a chemical plant used in a high temperature environment.
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。 Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail.
1.化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
1. Chemical composition The reasons for limiting each element are as follows. In addition, in the following description, "%" regarding the content means "mass%".
C:0.02%を超えて0.15%以下
Cは、炭化物を形成して高温環境下で使用される際に必要となる引張強さおよびクリープ破断強度を確保する作用を有する。この効果を発揮させるためには、0.02%を超える量のCを含有させる必要がある。しかしながら、C含有量が0.15%を超えると、固溶化熱処理後の未固溶炭化物の量が増加するだけで、高温強度の向上に寄与しなくなり、さらに、靱性など他の機械的性質および溶接性も劣化させる。したがって、C含有量は0.02%を超えて0.15%以下とする。Cは、0.03%を超えて含有させるのが好ましく、0.05%を超えて含有させるのがより好ましい。また、C含有量は0.13%以下であるのが好ましく、0.12%以下であるのがより好ましい。
C: more than 0.02% and 0.15% or less C has the function of forming a carbide and ensuring the tensile strength and creep rupture strength required when used in a high temperature environment. In order to exert this effect, it is necessary to contain C in an amount exceeding 0.02%. However, if the C content exceeds 0.15%, the amount of undissolved carbides after solution heat treatment does not increase, but does not contribute to the improvement of high temperature strength. Furthermore, other mechanical properties such as toughness and It also deteriorates weldability. Therefore, the C content is set to more than 0.02% and 0.15% or less. C is preferably contained in excess of 0.03%, more preferably in excess of 0.05%. The C content is preferably 0.13% or less, more preferably 0.12% or less.
Si:2.0%以下
Siは、脱酸元素として含有される。また、Siは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を高めるためにも有効な元素である。しかしながら、Si含有量が高くなって、特に、2.0%を超えると、σ相等の金属間化合物の生成を促進するので、高温における組織の安定性が劣化して靱性および延性の低下を招く。さらに、溶接性および熱間加工性も低下する。したがって、Si含有量は2.0%以下とする。靱性および延性が重視される場合には、Si含有量は1.0%以下にすることが好ましい。なお、他の元素で脱酸作用が十分確保されている場合、特にSi含有量について下限を設ける必要はない。しかし、脱酸作用、耐酸化性、耐水蒸気酸化性等を重視する場合は、Si含有量は0.05%以上とするのが好ましく、0.1%以上とするのがより好ましい。
Si: 2.0% or less Si is contained as a deoxidizing element. Further, Si is an effective element for enhancing the oxidation resistance, steam oxidation resistance and the like. However, when the Si content becomes high, and particularly when it exceeds 2.0%, the formation of intermetallic compounds such as σ phase is promoted, so that the stability of the structure at high temperature is deteriorated and the toughness and ductility are deteriorated. . Further, the weldability and hot workability are also reduced. Therefore, the Si content is 2.0% or less. When the toughness and ductility are important, the Si content is preferably 1.0% or less. In addition, when the deoxidizing action is sufficiently secured by another element, it is not necessary to set a lower limit for the Si content. However, when importance is attached to deoxidizing action, oxidation resistance, steam oxidation resistance, etc., the Si content is preferably 0.05% or more, and more preferably 0.1% or more.
Mn:3.0%以下
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有するとともに、合金中に不可避的に含有されるSを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。しかしながら、Mn含有量が3.0%を超えると、σ相等の金属間化合物の析出を助長するので、組織安定性および高温強度などの機械的性質が劣化する。したがって、Mn含有量は3.0%以下とする。Mn含有量は2.0%以下であるのが好ましく、1.5%以下であるのがより好ましい。なお、Mn含有量について下限を設ける必要はないが、熱間加工性改善作用を重視する場合、Mn含有量は0.1%以上とするのが好ましく、0.2%以上とするのがより好ましい。
Mn: 3.0% or less Mn has a deoxidizing effect similar to Si, and also has an effect of fixing S inevitably contained in the alloy as a sulfide to improve hot workability. However, when the Mn content exceeds 3.0%, precipitation of intermetallic compounds such as σ phase is promoted, and thus mechanical properties such as structural stability and high temperature strength are deteriorated. Therefore, the Mn content is 3.0% or less. The Mn content is preferably 2.0% or less, more preferably 1.5% or less. It is not necessary to set a lower limit for the Mn content, but when the hot workability improving action is emphasized, the Mn content is preferably 0.1% or more, and more preferably 0.2% or more. preferable.
P:0.030%以下
Pは、不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を著しく低下させる。したがって、P含有量を0.030%以下とする。P含有量は極力低くすることがよく、0.020%以下とするのが好ましく、0.015%以下とするのがより好ましい。
P: 0.030% or less P is inevitably mixed in the alloy as an impurity and remarkably deteriorates hot workability. Therefore, the P content is set to 0.030% or less. The P content is preferably as low as possible, preferably 0.020% or less, and more preferably 0.015% or less.
S:0.010%以下
Sは、Pと同様に不純物として合金中に不可避的に混入し、熱間加工性を著しく低下させる。したがって、S含有量を0.010%以下とする。なお、良好な熱間加工性を確保したい場合には、S含有量は0.005%以下とするのが好ましく、0.003%以下とするのがより好ましい。
S: 0.010% or less S, like P, is unavoidably mixed in the alloy as an impurity and significantly deteriorates hot workability. Therefore, the S content is set to 0.010% or less. When it is desired to secure good hot workability, the S content is preferably 0.005% or less, and more preferably 0.003% or less.
Cr:28.0〜38.0%
Crは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善作用を有する。さらに、Crは、α−Cr相として析出してクリープ破断強度を高めるため、本発明においては必須の元素である。しかしながら、その含有量が28.0%未満では、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が多くなって、特に、38.0%を超えると、熱間加工性が劣化し、さらに、σ相の析出などによる組織の不安定化を招く。したがって、Cr含有量は28.0〜38.0%とする。なお、30.0%を超える量のCrを含有させることが好ましい。
Cr: 28.0-38.0%
Cr has an effect of improving corrosion resistance such as oxidation resistance, steam oxidation resistance, and high temperature corrosion resistance. Further, Cr is an essential element in the present invention because it precipitates as an α-Cr phase and enhances the creep rupture strength. However, if the content is less than 28.0%, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content increases, particularly if it exceeds 38.0%, the hot workability deteriorates, and further the structure becomes unstable due to the precipitation of the σ phase. Therefore, the Cr content is 28.0 to 38.0%. In addition, it is preferable to contain Cr in an amount exceeding 30.0%.
Ni:40.0%を超えて60.0%以下
Niは、安定なオーステナイト組織を確保するために必須の元素である。28.0〜38.0%のCrを含有する本発明において、σ相の析出を抑制するとともにα−Cr相を安定に析出させるためには、40.0%を超える量のNiを含有させる必要がある。しかしながら、Ni含有量が過剰になって、特に、60.0%を超えると、Crの含有量によってはα−Cr相が十分に析出せず、さらに、経済性も損なわれる。したがって、Ni含有量は40.0%を超えて60.0%以下とする。
Ni: More than 40.0% and 60.0% or less Ni is an essential element for ensuring a stable austenite structure. In the present invention containing 28.0 to 38.0% Cr, in order to suppress the precipitation of the σ phase and stably precipitate the α-Cr phase, Ni is contained in an amount exceeding 40.0%. There is a need. However, when the Ni content becomes excessive, particularly when it exceeds 60.0%, the α-Cr phase is not sufficiently precipitated depending on the Cr content, and further the economical efficiency is impaired. Therefore, the Ni content is more than 40.0% and 60.0% or less.
W:3.0%を超えて15.0%以下
Wは、マトリックスに固溶して固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与するばかりでなく、Fe2W型のLaves相またはFe7W6型のμ相として析出し、クリープ破断強度を大幅に向上させる極めて重要な元素である。さらに、Wは、28.0〜38.0%のCrを含有する本発明において析出するα−Cr相中に固溶して、高温での長時間使用中のα−Cr相の成長粗大化を抑制し、長時間側でのクリープ破断強度の急激な低下を抑止する作用を有する。しかしながら、W含有量が3.0%以下では、前記した効果が得られない。一方、15.0%を超える量のWを含有させても、前記の効果が飽和してコストが嵩むだけであり、しかも、組織安定性および熱間加工性が劣化する。したがって、W含有量は3.0%を超えて15.0%以下とする。W含有量は13.0%以下とするのが好ましい。なお、クリープ破断強度の向上効果をさらに重視する場合、6.0%を超える量のWを含有させるのが好ましい。
W: more than 3.0% and not more than 15.0% W not only contributes to the improvement of creep rupture strength as a solid solution strengthening element by forming a solid solution in the matrix, but also Fe 2 W type Laves phase or Fe 7 It is an extremely important element that precipitates as a W 6 type μ phase and significantly improves the creep rupture strength. Further, W forms a solid solution in the α-Cr phase precipitated in the present invention containing 28.0 to 38.0% Cr, and causes growth coarsening of the α-Cr phase during long-term use at high temperature. Has the effect of suppressing the sudden decrease in creep rupture strength on the long-term side. However, if the W content is 3.0% or less, the above effects cannot be obtained. On the other hand, even if W is contained in an amount of more than 15.0%, the above effect is saturated and the cost is increased, and moreover, the structural stability and the hot workability are deteriorated. Therefore, the W content is set to more than 3.0% and 15.0% or less. The W content is preferably 13.0% or less. When the effect of improving the creep rupture strength is further emphasized, it is preferable to contain W in an amount exceeding 6.0%.
Ti:0.05〜1.0%
Tiは、α−Cr相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Tiを後述のZrと複合して含有させることで、α−Cr相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Ti含有量が0.05%未満では十分な効果が得られず、一方、1.0%を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ti含有量は0.05〜1.0%とする。Ti含有量は0.1%以上とするのが好ましく、0.2%以上とするのがより好ましい。また、Ti含有量は0.9%以下とするのが好ましく、0.5%以下とするのがより好ましい。
Ti: 0.05-1.0%
Ti is an important element that promotes the precipitation of the α-Cr phase and enhances the creep rupture strength. In particular, by including Ti in combination with Zr described later, the precipitation of the α-Cr phase is further promoted, and the creep rupture strength can be further increased. However, if the Ti content is less than 0.05%, a sufficient effect cannot be obtained, while if it exceeds 1.0%, the hot workability deteriorates. Therefore, the Ti content is 0.05 to 1.0%. The Ti content is preferably 0.1% or more, more preferably 0.2% or more. The Ti content is preferably 0.9% or less, more preferably 0.5% or less.
Zr:0.005〜0.2%
Zrは、Tiと同様に、α−Cr相の析出を促進させてクリープ破断強度を高める重要な元素である。特に、Zrを上述のTiと複合して含有することで、α−Cr相の析出が一層促進されて、クリープ破断強度をより高めることが可能になる。しかしながら、Zr含有量が0.005%未満では十分な効果が得られず、一方、0.2%を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Zr含有量は0.005〜0.2%とする。Zr含有量は0.01%以上であるのが好ましい。また、Zr含有量は0.1%以下であるのが好ましく、0.05%以下であるのがより好ましい。
Zr: 0.005-0.2%
Like Ti, Zr is an important element that promotes the precipitation of the α-Cr phase and enhances the creep rupture strength. In particular, by containing Zr in combination with the above Ti, the precipitation of the α-Cr phase is further promoted, and the creep rupture strength can be further increased. However, if the Zr content is less than 0.005%, a sufficient effect cannot be obtained, while if it exceeds 0.2%, the hot workability deteriorates. Therefore, the Zr content is set to 0.005 to 0.2%. The Zr content is preferably 0.01% or more. Further, the Zr content is preferably 0.1% or less, more preferably 0.05% or less.
Al:0.01〜0.3%
Alは、脱酸作用を有する元素であり、その効果を発揮するには0.01%以上の含有量が必要である。なお、Alを多量に含有させることによって、γ’相が析出してクリープ破断強度を高めることができるが、本発明においては、適正量のW、TiおよびZrを含有させ、α−Cr相とLaves相等による複合析出強化でクリープ破断強度を飛躍的に高めることができるため、γ’相による強化は不要である。しかも、Al含有量が0.3%を超えると、熱間加工性、延性および靱性が劣化することがある。そのため、Al含有量を0.01〜0.3%とする。
Al: 0.01 to 0.3%
Al is an element having a deoxidizing action, and its content is required to be 0.01% or more in order to exert its effect. It should be noted that by including a large amount of Al, the γ'phase can be precipitated and the creep rupture strength can be increased. However, in the present invention, an appropriate amount of W, Ti and Zr is contained to form an α-Cr phase. Since the creep rupture strength can be dramatically increased by the composite precipitation strengthening by the Laves phase and the like, the strengthening by the γ ′ phase is unnecessary. Moreover, if the Al content exceeds 0.3%, the hot workability, ductility and toughness may deteriorate. Therefore, the Al content is set to 0.01 to 0.3%.
N:0.02%以下
前述のように、本発明においては、α−Cr相の析出促進のためにZrおよびTiを必須の元素として含有させている。通常の溶解法では不可避的に含まれる元素であるNは、ZrNおよびTiNを形成し、ZrおよびTiを消費してしまう。このことを避けるためには、N含有量は極力低減する必要がある。しかしながら、N含有量の極端な低減は、特殊溶解法の適用または高純度原料の使用を必要とし経済性を損なう。したがって、N含有量は0.02%以下とする。なお、N含有量は0.015%以下であるのが好ましい。
N: 0.02% or less As described above, in the present invention, Zr and Ti are contained as essential elements for promoting the precipitation of the α-Cr phase. N, which is an element that is unavoidably included in the normal melting method, forms ZrN and TiN and consumes Zr and Ti. In order to avoid this, it is necessary to reduce the N content as much as possible. However, the extreme reduction of the N content requires application of a special dissolution method or the use of high-purity raw materials, which impairs the economical efficiency. Therefore, the N content is 0.02% or less. The N content is preferably 0.015% or less.
Mo:0.50%未満
従来、Moは、マトリックスに固溶して、固溶強化元素としてクリープ破断強度の向上に寄与する元素として、Wと同等の作用を有する元素と考えられてきた。しかしながら、本発明者らの検討によって、前述した量のWとCrとを含む合金にMoが複合して含まれている場合には、長時間使用した際にσ相が析出することがあり、このため、クリープ破断強度、延性および靱性の低下をきたすことがあることが判明した。このため、Mo含有量は極力低くすることが望ましく、0.50%未満とする。なお、Mo含有量は0.20%未満に制限することがより好ましい。
Mo: Less than 0.50% Conventionally, Mo has been considered to be an element having the same action as W as an element that forms a solid solution in the matrix and contributes to the improvement of creep rupture strength as a solid solution strengthening element. However, according to the study by the present inventors, in the case where Mo is compounded in the alloy containing W and Cr in the amounts described above, the σ phase may be precipitated when used for a long time, Therefore, it has been found that creep rupture strength, ductility and toughness may be deteriorated. Therefore, it is desirable that the Mo content be as low as possible, and it is less than 0.50%. The Mo content is more preferably limited to less than 0.20%.
B:0.005%以下
Bは、B単体で粒界に、または炭窒化物中に存在し、高温での使用中における粒界強化による粒界すべり抑制および炭窒化物の微細分散析出促進によって、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。しかしながら、B含有量が0.005%を超えると、溶接性が劣化する。したがって、B含有量は0.005%以下とする。
B: 0.005% or less B exists in the grain boundary alone or in the carbonitride, and by the grain boundary strengthening during use at high temperature, grain boundary slip suppression and fine dispersion precipitation of carbonitride are promoted. , Has the effect of improving high temperature strength and creep rupture strength. However, if the B content exceeds 0.005%, the weldability deteriorates. Therefore, the B content is 0.005% or less.
Co:0〜20.0%
Coは、Niと同様にオーステナイト組織を安定にする作用を有するとともに、クリープ破断強度の向上にも寄与する元素であるので、前記の効果を得るためにCoを含有させてもよい。しかしながら、20.0%を超えてCoを含有させても上記の効果が飽和してコストが嵩むばかりであり、しかも、熱間加工性も低下する。したがって、Co含有量は20.0%以下とする。なお、Co含有量は15.0%以下とすることが好ましい。一方、前記したCoのオーステナイト組織を安定にする効果およびクリープ破断強度の向上効果を確実に得るためには、Co含有量を0.05%以上とすることが好ましく、0.5%以上とすることがより好ましい。
Co: 0 to 20.0%
Like Ni, Co has an action of stabilizing the austenite structure and also contributes to the improvement of creep rupture strength. Therefore, Co may be contained in order to obtain the above effect. However, even if Co is contained in excess of 20.0%, the above effect is saturated and the cost is increased, and the hot workability is also deteriorated. Therefore, the Co content is 20.0% or less. The Co content is preferably 15.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the effect of stabilizing the austenitic structure of Co and the effect of improving creep rupture strength, the Co content is preferably 0.05% or more, and 0.5% or more. Is more preferable.
本発明のオーステナイト系耐熱合金の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。Feは5.0〜20.0%含まれることが好ましい。また、ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。 In the chemical composition of the austenitic heat resistant alloy of the present invention, the balance is Fe and impurities. Fe is preferably contained in 5.0 to 20.0%. The term "impurity" as used herein refers to a component that is mixed by ores, raw materials such as scrap, and various factors in the manufacturing process when the alloy is industrially manufactured, within a range that does not adversely affect the present invention. Means acceptable.
本発明のオーステナイト系耐熱合金には、さらに、下記の<1>〜<3>のグループから選択される1以上のグループに属する1種以上の元素を含有させてもよい。
<1>Nb:1.0%以下、V:1.5%以下およびHf:1.0%以下
<2>Mg:0.050%以下、Ca:0.050%以下およびREM:0.50%以下
<3>Ta:8.0%以下、Re:8.0%以下、Ir:5.0%以下、Pd:5.0%以下、Pt:5.0%以下およびAg:5.0%以下
The austenitic heat resistant alloy of the present invention may further contain one or more elements belonging to one or more groups selected from the following groups <1> to <3>.
<1> Nb: 1.0% or less, V: 1.5% or less and Hf: 1.0% or less <2> Mg: 0.050% or less, Ca: 0.050% or less and REM: 0.50 % Or less <3> Ta: 8.0% or less, Re: 8.0% or less, Ir: 5.0% or less, Pd: 5.0% or less, Pt: 5.0% or less and Ag: 5.0. %Less than
<1>のグループの元素であるNb、VおよびHfは、いずれも高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、より大きな高温強度およびクリープ破断強度を得たい場合には、これらの元素の1種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。 Nb, V and Hf, which are elements of the <1> group, all have an action of improving high temperature strength and creep rupture strength. Therefore, in order to obtain higher high temperature strength and creep rupture strength, one or more of these elements may be positively contained within the following range.
Nb:1.0%以下
Nbは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させるとともに結晶粒を微細化して延性を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにNbを含有させてもよい。しかしながら、Nb含有量が1.0%を超えると、熱間加工性および靱性が低下する。したがって、含有させる場合のNbの量は1.0%以下とする。Nb含有量は0.9%以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Nb含有量は0.05%以上とするのが好ましく、0.1%以上とするのがより好ましい。
Nb: 1.0% or less Nb has the functions of forming carbonitrides to improve high-temperature strength and creep rupture strength, and also to refine crystal grains to improve ductility. Therefore, Nb may be contained to obtain these effects. However, if the Nb content exceeds 1.0%, the hot workability and toughness deteriorate. Therefore, the amount of Nb, if contained, is 1.0% or less. The Nb content is more preferably 0.9% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the Nb content is preferably 0.05% or more, more preferably 0.1% or more.
V:1.5%以下
Vは、炭窒化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにVを含有させてもよい。しかしながら、V含有量が1.5%を超えると、耐高温腐食性が低下し、さらに脆化相の析出に起因した延性および靱性の劣化をきたす。したがって、含有させる場合のVの量は1.5%以下とする。V含有量は1.2%以下とするのがより好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、V含有量は0.02%以上とするのが好ましく、0.04%以上とするのがより好ましい。
V: 1.5% or less V has the effect of forming carbonitrides and improving high temperature strength and creep rupture strength. Therefore, V may be contained in order to obtain these effects. However, if the V content exceeds 1.5%, the high-temperature corrosion resistance decreases, and further the ductility and toughness deteriorate due to the precipitation of the embrittlement phase. Therefore, when V is contained, the amount of V is set to 1.5% or less. The V content is more preferably 1.2% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the V content is preferably 0.02% or more, more preferably 0.04% or more.
Hf:1.0%以下
Hfは、炭窒化物として析出強化に寄与し高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにHfを含有させてもよい。しかしながら、Hf含有量が1.0%を超えると、加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のHfの量は1.0%以下とする。Hf含有量は0.8%以下とするのがより好ましく、0.5%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Hf含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Hf: 1.0% or less Hf has a function of contributing to precipitation strengthening as a carbonitride and improving the high temperature strength and the creep rupture strength, so Hf may be contained in order to obtain these effects. However, if the Hf content exceeds 1.0%, workability and weldability are impaired. Therefore, the amount of Hf when contained is 1.0% or less. The Hf content is more preferably 0.8% or less, further preferably 0.5% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the Hf content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.02% or more.
上記のNb、VおよびHfの合計含有量は3.5%以下であってもよいが、2.7%以下であることがより好ましい。 The total content of Nb, V, and Hf may be 3.5% or less, but it is more preferably 2.7% or less.
<2>のグループの元素であるMg、CaおよびREMは、いずれもSを硫化物として固定して熱間加工性を向上させる作用を有する。このため、より良好な熱間加工性を得たい場合には、これらの元素の1種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。 The elements of the <2> group, Mg, Ca and REM, all have the effect of fixing S as a sulfide and improving the hot workability. Therefore, in order to obtain better hot workability, one or more of these elements may be positively contained within the following range.
Mg:0.050%以下
Mgは、合金中に不可避的に含有されるSを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにMgを含有させてもよい。しかしながら、Mg含有量が0.050%を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のMgの量は0.050%以下とする。Mg含有量は0.020%以下とするのがより好ましく、0.010%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Mg含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましい。
Mg: 0.050% or less Since Mg has an effect of fixing S, which is unavoidably contained in the alloy, as a sulfide and improving hot workability, Mg should be contained in order to obtain this effect. Good. However, when the Mg content exceeds 0.050%, the cleanability is deteriorated, and the hot workability and ductility are deteriorated. Therefore, the amount of Mg, if contained, is 0.050% or less. The Mg content is more preferably 0.020% or less, further preferably 0.010% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the Mg content is preferably 0.0005% or more, more preferably 0.001% or more.
Ca:0.050%以下
Caは、熱間加工性を阻害するSを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有するので、この効果を得るためにCaを含有させてもよい。しかしながら、Ca含有量が0.050%を超えると、清浄性が低下し、かえって熱間加工性および延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のCaの量は0.050%以下とする。Ca含有量は0.020%以下とするのがより好ましく、0.010%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ca含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましい。
Ca: 0.050% or less Since Ca has an action of fixing S that inhibits hot workability as a sulfide and improving hot workability, Ca may be added to obtain this effect. . However, if the Ca content exceeds 0.050%, the cleanability is deteriorated, and the hot workability and ductility are deteriorated. Therefore, when Ca is contained, the amount of Ca is set to 0.050% or less. The Ca content is more preferably 0.020% or less, still more preferably 0.010% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the Ca content is preferably 0.0005% or more, more preferably 0.001% or more.
REM:0.50%以下
REMは、Sを硫化物として固定して熱間加工性を改善する作用を有する。また、REMには、鋼表面のCr2O3保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用、さらには、粒界強化に寄与して、クリープ破断強度およびクリープ破断延性を向上させる作用もある。しかしながら、REM含有量が0.50%を超えると、酸化物などの介在物が多くなり加工性および溶接性が損なわれる。したがって、含有させる場合のREMの量は0.50%以下とする。REM含有量は0.30%以下とするのがより好ましく、0.15%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、REM含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましく、0.002%以上とするのがさらに好ましい。
REM: 0.50% or less REM has an effect of fixing S as a sulfide and improving hot workability. Further, REM has an effect of improving the adhesion of the Cr 2 O 3 protective film on the steel surface, particularly, the effect of improving the oxidation resistance at the time of repeated oxidation, and further contributes to grain boundary strengthening to increase the creep rupture strength. It also has the function of improving the creep rupture ductility. However, if the REM content exceeds 0.50%, inclusions such as oxides increase and workability and weldability are impaired. Therefore, the amount of REM when contained is 0.50% or less. The REM content is more preferably 0.30% or less, further preferably 0.15% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effect, the REM content is preferably 0.0005% or more, more preferably 0.001% or more, and further preferably 0.002% or more. preferable.
なお、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、前記REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。 In addition, REM refers to a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of the REM means the total content of these elements.
上記のMg、CaおよびREMの合計含有量は0.6%以下であってもよいが、0.4%以下であることがより好ましく、0.2%以下であることがさらに好ましい。 The total content of Mg, Ca, and REM may be 0.6% or less, more preferably 0.4% or less, and further preferably 0.2% or less.
<3>のグループの元素であるTa、Re、Ir、Pd、PtおよびAgは、いずれもマトリックスであるオーステナイトに固溶して固溶強化作用を有する。このため、固溶強化作用よって、一層高い高温強度およびクリープ破断強度を得たい場合には、これらの元素の1種以上を以下の範囲で積極的に含有させてもよい。 Ta, Re, Ir, Pd, Pt, and Ag that are elements of the <3> group all have a solid solution strengthening action by forming a solid solution with austenite that is a matrix. Therefore, in order to obtain higher strength at high temperature and creep rupture strength by the solid solution strengthening action, one or more of these elements may be positively contained within the following range.
Ta:8.0%以下
Taは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、炭窒化物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにTaを含有させてもよい。しかしながら、Ta含有量が8.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のTaの量は8.0%以下とする。Ta含有量は7.0%以下とするのがより好ましく、6.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ta含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.1%以上とするのがより好ましく、0.5%以上とするのがさらに好ましい。
Ta: 8.0% or less Ta dissolves in austenite which is a matrix, forms carbonitrides, and has an effect of improving high-temperature strength and creep rupture strength. Therefore, Ta may be contained to obtain these effects. However, if the Ta content exceeds 8.0%, workability and mechanical properties are impaired. Therefore, if Ta is contained, the amount of Ta is set to 8.0% or less. The Ta content is more preferably 7.0% or less, and further preferably 6.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effect, the Ta content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.1% or more, and further preferably 0.5% or more. preferable.
Re:8.0%以下
Reは、マトリックスであるオーステナイトに固溶して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにReを含有させてもよい。しかしながら、Re含有量が8.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のReの量は8.0%以下とする。Re含有量は7.0%以下とするのがより好ましく、6.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Re含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.1%以上とするのがより好ましく、0.5%以上とするのがさらに好ましい。
Re: 8.0% or less Re has a function of forming a solid solution in austenite which is a matrix to improve high temperature strength and creep rupture strength, so Re may be contained in order to obtain these effects. However, if the Re content exceeds 8.0%, the workability and mechanical properties are impaired. Therefore, when Re is contained, the amount of Re is set to 8.0% or less. The Re content is more preferably 7.0% or less, still more preferably 6.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effects, the Re content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.1% or more, and further preferably 0.5% or more. preferable.
Ir:5.0%以下
Irは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにIrを含有させてもよい。しかしながら、Ir含有量が5.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のIrの量は5.0%以下とする。Ir含有量は4.0%以下とするのがより好ましく、3.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ir含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましく、0.1%以上とするのがさらに好ましい。
Ir: 5.0% or less Ir has a function of improving the high temperature strength and the creep rupture strength while forming a solid solution with austenite which is a matrix and partly forming a fine intermetallic compound depending on the content. . Therefore, Ir may be contained to obtain these effects. However, if the Ir content exceeds 5.0%, the workability and mechanical properties are impaired. Therefore, the amount of Ir, if contained, is 5.0% or less. The Ir content is more preferably 4.0% or less, further preferably 3.0% or less. On the other hand, in order to reliably obtain the above effects, the Ir content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, and further preferably 0.1% or more. preferable.
Pd:5.0%以下
Pdは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにPdを含有させてもよい。しかしながら、Pd含有量が5.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のPdの量は5.0%以下とする。Pd含有量は4.0%以下とするのがより好ましく、3.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Pd含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましく、0.1%以上とするのがさらに好ましい。
Pd: 5.0% or less Pd has a function of forming a solid solution with austenite which is a matrix, and partly forming a fine intermetallic compound depending on the content, thereby improving high temperature strength and creep rupture strength. . Therefore, Pd may be contained in order to obtain these effects. However, if the Pd content exceeds 5.0%, the workability and mechanical properties are impaired. Therefore, when Pd is contained, the amount is 5.0% or less. The Pd content is more preferably 4.0% or less, further preferably 3.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effect, the Pd content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, further preferably 0.1% or more. preferable.
Pt:5.0%以下
Ptも、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するので、これらの効果を得るためにPtを含有させてもよい。しかしながら、Pt含有量が5.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のPtの量は5.0%以下とする。Pt含有量は4.0%以下とするのがより好ましく、3.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Pt含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましく、0.1%以上とするのがさらに好ましい。
Pt: 5.0% or less Pt also forms a solid solution in austenite as a matrix, and partially forms a fine intermetallic compound depending on the content, and has an effect of improving high temperature strength and creep rupture strength. Therefore, Pt may be contained in order to obtain these effects. However, if the Pt content exceeds 5.0%, workability and mechanical properties are impaired. Therefore, when Pt is contained, the amount of Pt is set to 5.0% or less. The Pt content is more preferably 4.0% or less, and further preferably 3.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effect, the Pt content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, and further preferably 0.1% or more. preferable.
Ag:5.0%以下
Agは、マトリックスであるオーステナイトに固溶するとともに、含有量に応じて一部は微細な金属間化合物を形成して、高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有する。このため、これらの効果を得るためにAgを含有させてもよい。しかしながら、Agの含有量が5.0%を超えると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のAgの量は5.0%以下とする。Ag含有量は4.0%以下とするのがより好ましく、3.0%以下とするのがさらに好ましい。一方、上記の効果を確実に得るためには、Ag含有量は0.01%以上とするのが好ましく、0.05%以上とするのがより好ましく、0.1%以上とするのがさらに好ましい。
Ag: 5.0% or less Ag has a function of forming a solid solution in austenite which is a matrix, and partly forming a fine intermetallic compound depending on the content to improve high temperature strength and creep rupture strength. . Therefore, Ag may be contained to obtain these effects. However, if the Ag content exceeds 5.0%, the workability and mechanical properties are impaired. Therefore, when it is contained, the amount of Ag is 5.0% or less. The Ag content is more preferably 4.0% or less, and further preferably 3.0% or less. On the other hand, in order to surely obtain the above effect, the Ag content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.05% or more, and further preferably 0.1% or more. preferable.
上記のTa、Re、Ir、Pd、PtおよびAgはの合計含有量は10.0%以下であるのが好ましく、5.0%以下であるのがより好ましい。 The total content of Ta, Re, Ir, Pd, Pt, and Ag is preferably 10.0% or less, more preferably 5.0% or less.
2.結晶粒度
外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号:−2.0〜4.0
外面部におけるオーステナイト結晶粒度が粗すぎると、常温での0.2%耐力および引張強さが低くなり、一方、細かすぎると、高温における高いクリープ破断強度を保持することができなくなる。したがって、外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号は−2.0〜4.0とする。なお、オーステナイト系耐熱合金部材の製造工程において、熱間加工後の熱処理温度および保持時間ならびに冷却方法を適切に調整することで、最終熱処理後の外面部の結晶粒度番号を上記の範囲とすることができる。
2. Grain size Austenite grain size number in the outer surface part: -2.0 to 4.0
If the austenite grain size on the outer surface is too coarse, the 0.2% proof stress and tensile strength at room temperature will be low, while if it is too fine, it will not be possible to maintain high creep rupture strength at high temperatures. Therefore, the austenite grain size number in the outer surface portion is set to -2.0 to 4.0. Incidentally, in the manufacturing process of the austenitic heat-resistant alloy member, by appropriately adjusting the heat treatment temperature and holding time after hot working and the cooling method, the grain size number of the outer surface portion after the final heat treatment should be within the above range. You can
3.寸法
中心部から外面部までの長さ:40mm以上
上述のように、大型の構造部材では、常温における0.2%耐力および引張強さが低くなることに加えて、部位によってクリープ破断強度のばらつきが生じるという問題もある。しかしながら、本発明に係るオーステナイト系耐熱合金部材は、大型の構造部材として十分な常温での0.2%耐力および引張強さ、ならびに、高温でのクリープ破断強度を発現する。すなわち、本発明の効果は、厚肉の合金部材に対して顕著に発揮される。したがって、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材においては、長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さを40mm以上とする。
3. Dimension Length from center to outer surface: 40 mm or more As described above, in the case of large-scale structural members, 0.2% proof stress and tensile strength at room temperature are low, and in addition, variations in creep rupture strength depend on the site. There is also a problem that occurs. However, the austenitic heat-resistant alloy member according to the present invention exhibits sufficient 0.2% proof stress and tensile strength at room temperature and creep rupture strength at high temperature as a large structural member. That is, the effect of the present invention is remarkably exerted on a thick alloy member. Therefore, in the austenitic heat resistant alloy member of the present invention, the length from the central portion to the outer surface portion is 40 mm or more in the cross section perpendicular to the longitudinal direction.
なお、本発明に係る合金部材は、鋼塊または連続鋳造等によって得られた鋳片に、熱間鍛造または熱間圧延等の熱間加工が施されたものである。そして、合金部材の長手方向とは、鋼塊を用いる場合は、鋼塊のトップ部とボトム部とを結ぶ方向を指し、鋳片を用いる場合は、長さ方向を指す。 The alloy member according to the present invention is a steel ingot or a slab obtained by continuous casting or the like, which is subjected to hot working such as hot forging or hot rolling. When the steel ingot is used, the longitudinal direction of the alloy member refers to the direction connecting the top portion and the bottom portion of the steel ingot, and when the cast slab is used, the lengthwise direction.
4.抽出残渣分析によって得られるCr析出量
CrPB/CrPS≦10.0 ・・・(i)
但し、(i)式中の各記号の意味は以下のとおりである。
CrPB:中心部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
CrPS:外面部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
合金部材の製造工程において、熱間加工後の熱処理を施した後の結晶粒界または粒内には未固溶のCrの析出物(主として、炭化物)が生じる。特に、合金部材の中心部では外面部と比べて冷却速度が遅くなるため、析出物の量が増す傾向にある。そのため、合金部材の外面部に対して中心部でのCr析出量が多くなり、CrPB/CrPSの値が10.0を超えると高温における高いクリープ破断強度を保持することができなくなる。一方、CrPB/CrPSの下限値は定める必要はないが、中心部が外面部よりも析出物の量が増す傾向にあることから1.0以上とすることが好ましい。
4. Cr precipitation amount obtained by analysis of extraction residue Cr PB / Cr PS ≤10.0 (i)
However, the meaning of each symbol in the formula (i) is as follows.
Cr PB : Cr precipitation amount obtained by extraction residue analysis in the central portion Cr PS : Cr precipitation amount obtained by extraction residue analysis in the outer surface portion Crystal grains after heat treatment after hot working in the manufacturing process of the alloy member Undissolved Cr precipitates (mainly carbides) are formed in the boundaries or grains. Particularly, since the cooling rate is slower in the central portion of the alloy member than in the outer surface portion, the amount of precipitates tends to increase. Therefore, the amount of Cr precipitation in the central portion becomes large with respect to the outer surface portion of the alloy member, and when the value of Cr PB / Cr PS exceeds 10.0, it becomes impossible to maintain high creep rupture strength at high temperature. On the other hand, it is not necessary to set the lower limit of Cr PB / Cr PS , but it is preferable to set it to 1.0 or more because the amount of precipitates in the central portion tends to increase more than in the outer surface portion.
なお、抽出残渣分析によって得られるCr析出量は、合金部材中に未固溶のCr析出物として含まれるCrの含有量(質量%)をいい、上記合金部材を電解して抽出残渣を得て、この抽出残渣を定量分析することにより求めることができる。また、合金部材の中心部と外面部とのそれぞれにおいて、Cr析出量を測定することによって、CrPB/CrPSの値を求める。 The Cr precipitation amount obtained by extraction residue analysis means the content (% by mass) of Cr contained as undissolved Cr precipitates in the alloy member, and the extraction residue is obtained by electrolyzing the alloy member. , Can be obtained by quantitatively analyzing this extraction residue. Further, the Cr PB / Cr PS value is obtained by measuring the Cr precipitation amount in each of the central portion and the outer surface portion of the alloy member.
5.機械的性質
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ
大型の構造部材では、熱処理時の冷却速度が部位により異なることに起因して、部位ごとの機械的性質に大きなばらつきが生じる傾向にある。大型構造部材において、その中心部と外面部とで、常温での0.2%耐力および引張強さが大きく異なると、部位によって仕様を満たさないという問題が生じる。したがって、本発明に係るオーステナイト系耐熱合金部材は、常温での機械的特性が上記の(ii)式および(iii)式を満足するものとする。なお、それぞれ下限値は定める必要はないが、中心部の機械特性の方が外面部の機械特性よりも劣る傾向にあることから、(ii)式および(iii)式ともに1.0以上とすることが好ましい。
5. Mechanical properties YS S / YS B ≦ 1.5 (ii)
TS S / TS B ≦ 1.2 (iii)
However, the meaning of each symbol in the above formula is as follows.
YS B : 0.2% yield strength in the central portion YS S : 0.2% yield strength in the outer surface portion TS B : Tensile strength in the central portion TS S : Tensile strength in the outer surface portion Cooling during heat treatment for large structural members Due to the difference in speed depending on the site, there is a tendency for large variations in the mechanical properties from site to site. In a large-sized structural member, if the 0.2% proof stress and the tensile strength at room temperature are greatly different between the central portion and the outer surface portion, there arises a problem that the specifications are not satisfied depending on the portion. Therefore, the mechanical properties of the austenitic heat resistant alloy member according to the present invention at room temperature satisfy the above formulas (ii) and (iii). It is not necessary to set lower limit values for each, but since the mechanical properties of the central part tend to be inferior to the mechanical properties of the outer surface part, both (ii) and (iii) should be 1.0 or more. It is preferable.
6.クリープ破断強度
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、高温環境下で使用するため、高い高温強度、特に、高いクリープ破断強度が求められる。そのため、本発明の合金部材は、その中心部において、長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が130MPa以上である必要がある。
6. Creep Rupture Strength Since the austenitic heat resistant alloy member of the present invention is used in a high temperature environment, it is required to have high high temperature strength, particularly high creep rupture strength. Therefore, the alloy member of the present invention needs to have a creep rupture strength of 130 MPa or more at the center in the longitudinal direction at 700 ° C. for 10,000 hours.
7.製造方法
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造される。なお、上記の熱間加工工程においては、合金部材の最終形状における長手方向が、素材となる鋼塊または鋳片の長手方向と一致するように処理が施される。熱間加工は、長手方向のみに行ってもよいが、より高い加工度を与えて、より均質な組織とするため、上記長手方向と略垂直な方向に対して、熱間加工を1回以上施してもよい。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。
7. Manufacturing Method The austenitic heat resistant alloy member of the present invention is manufactured by subjecting a steel ingot or a slab having the above-described chemical composition to hot working. In addition, in the above-mentioned hot working step, the treatment is performed so that the longitudinal direction of the final shape of the alloy member coincides with the longitudinal direction of the steel ingot or slab as a raw material. The hot working may be performed only in the longitudinal direction, but in order to give a higher working degree and make a more homogeneous structure, the hot working is performed once or more in the direction substantially perpendicular to the longitudinal direction. May be given. Further, after the hot working, hot working by a different method such as hot extrusion may be further performed, if necessary.
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材を製造するに際しては、上記の工程の後、部位ごとの金属組織および機械的性質のばらつきを抑制し、高いクリープ破断強度を保持するために、以下に説明する最終熱処理を施す。 In the production of the austenitic heat-resistant alloy member of the present invention, after the above steps, in order to suppress the variation in the metal structure and mechanical properties of each site, and to maintain a high creep rupture strength, the final described below. Heat treatment is applied.
まず、熱間加工後の合金部材を、1100〜1250℃の範囲の熱処理温度T(℃)まで加熱し、その範囲内において、1150D/T〜1500D/T(min)保持する。ここで、Dは、例えば、合金部材が円柱状である場合、合金部材の直径(mm)となり、四角柱状である場合、対角の距離(mm)となる。すなわちDは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値(mm)である。 First, the alloy member after hot working is heated to a heat treatment temperature T (° C.) in the range of 1100 to 1250 ° C., and maintained at 1150 D / T to 1500 D / T (min) within the range. Here, D is, for example, the diameter (mm) of the alloy member when the alloy member has a columnar shape, and the diagonal distance (mm) when the alloy member has a rectangular columnar shape. That is, D is the maximum value (mm) of the linear distance between an arbitrary point on the outer edge of the cross section and another arbitrary point on the outer edge of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the alloy member.
上記の熱処理温度が1100℃未満であると、未固溶のクロム炭化物等が増大しクリープ破断強度が低下する。一方、1250℃を超えると、粒界が溶融したり著しく結晶粒が粗大化したりすることによって延性が低下し、クリープ破断強度も低下する。熱処理温度は1150℃以上とするのがより望ましく、1230℃以下とするのがより望ましい。また、上記保持時間が1150D/T(min)未満では、中心部の未固溶クロム炭化物が増大しCrPB/CrPSが本発明で規定する範囲外となる。一方、1500D/T(min)を超えると外面部の結晶粒が粗大化し、オーステナイト結晶粒度番号が本発明で規定する範囲外となる。 If the heat treatment temperature is less than 1100 ° C., undissolved chromium carbides and the like increase and the creep rupture strength decreases. On the other hand, when the temperature exceeds 1250 ° C, the grain boundary is melted or the crystal grains are significantly coarsened, so that the ductility is lowered and the creep rupture strength is also lowered. The heat treatment temperature is more preferably 1150 ° C. or higher, and more preferably 1230 ° C. or lower. If the holding time is less than 1150 D / T (min), the amount of undissolved chromium carbide in the central portion increases and Cr PB / Cr PS falls outside the range specified by the present invention. On the other hand, if it exceeds 1500 D / T (min), the crystal grains on the outer surface become coarse, and the austenite grain size number falls outside the range specified by the present invention.
加熱保持後は、合金部材を直ちに水冷する。冷却速度が遅くなると、特に合金部材の中心部において結晶粒界または粒内に未固溶Cr析出物が多量に生じ、上記の(i)式を満足しなくなるおそれがあるためである。 After heating and holding, the alloy member is immediately cooled with water. This is because if the cooling rate is slow, a large amount of undissolved Cr precipitates may be generated in the crystal grain boundaries or within the grains particularly in the central part of the alloy member, and the above formula (i) may not be satisfied.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
表1に示す化学組成を有する合金を高周波真空溶解炉で溶製し、外径が550mm、重量が3tの鋼塊とした。 Alloys having the chemical compositions shown in Table 1 were melted in a high-frequency vacuum melting furnace to obtain steel ingots having an outer diameter of 550 mm and a weight of 3 t.
得られた鋼塊を、熱間鍛造によって外径200〜480mmの円柱状に加工し、表2に示す条件で最終熱処理を施し、合金部材試料を得た。なお、合金1、2および4については長手方向の熱間鍛造の後、最終熱処理の前に、長手方向と略垂直な方向に鍛造を行い、その後さらに長手方向に最終の熱間鍛造を行った。 The obtained steel ingot was processed into a cylindrical shape having an outer diameter of 200 to 480 mm by hot forging, and subjected to final heat treatment under the conditions shown in Table 2 to obtain an alloy member sample. For alloys 1, 2 and 4, after hot forging in the longitudinal direction and before final heat treatment, forging was performed in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction, and then final hot forging was performed in the longitudinal direction. .
各試料について、外面部から組織観察用の試験片を採取し、長手方向の断面をエメリーペーパーとバフで研磨後、混酸で腐食して光学顕微鏡観察を行った。観察面の結晶粒度番号はJIS G 0551(2013)に規定される交差線分(粒径)による判定方法に従って求めた。 For each sample, a test piece for observing the structure was taken from the outer surface portion, the cross section in the longitudinal direction was polished with an emery paper and a buff, and then corroded with a mixed acid to observe with an optical microscope. The crystal grain size number of the observation surface was determined according to the determination method by the intersecting line segment (particle size) specified in JIS G 0551 (2013).
次に、各試料の長手方向と垂直な断面における中心部および外面部から、Cr析出物を測定するための試験片を採取した。上記の試験片の表面積を求めた上でそれぞれ10%アセチルアセトン−1%テトラメチルアンモニウムクロライド−メタノール溶液中で20mA/cm2の電解条件で合金部材の母材のみを完全に電解して析出物を残渣として抽出し、この抽出残渣を定量分析することによって未固溶のCr析出物として含まれるCrの含有量(質量%)を測定し、その測定値に基づきCrPB/CrPSの値を求めた。 Next, test pieces for measuring Cr precipitates were taken from the central portion and the outer surface portion in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of each sample. After determining the surface area of each of the above test pieces, only the base material of the alloy member was completely electrolyzed in a 10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-methanol solution under an electrolysis condition of 20 mA / cm 2 to form precipitates. It is extracted as a residue, and the content (% by mass) of Cr contained as an undissolved Cr precipitate is measured by quantitatively analyzing the extracted residue, and the value of Cr PB / Cr PS is obtained based on the measured value. It was
また、各試料の中心部および外面部から、長手方向に平行に、平行部の長さが40mmの引張試験片を機械加工により切り出し、室温において引張試験を実施し、0.2%耐力および引張強さを求めた。さらに、各試料の中心部から、長手方向に平行に、平行部の長さが30mmのクリープ破断試験片を機械加工により切り出した。そして、700℃、750℃、800℃の大気中においてクリープ破断試験を実施し、Larson-Millerパラメータ法を用いて700℃、10,000時間のクリープ破断強度を求めた。 Also, from the center and outer surface of each sample, tensile test pieces with a parallel length of 40 mm were cut out by machining in parallel with the longitudinal direction, and subjected to a tensile test at room temperature to obtain 0.2% proof stress and tensile strength. I asked for strength. Further, a creep rupture test piece having a parallel portion length of 30 mm was cut out from the center portion of each sample in parallel with the longitudinal direction by machining. Then, a creep rupture test was carried out in the atmosphere of 700 ° C., 750 ° C. and 800 ° C., and the creep rupture strength at 700 ° C. and 10,000 hours was obtained using the Larson-Miller parameter method.
それらの結果を表3にまとめて示す。 The results are summarized in Table 3.
合金AおよびBは、合金1と化学組成がほぼ同等であり、熱間鍛造によって同一の最終形状としたものである。しかしながら、熱処理時の保持時間が本発明で規定する製造条件の範囲外である。そのことに起因にして、合金Aについては外面部の結晶粒度番号が本発明の規定範囲外となり、YSS/YSBおよびTSS/TSBの値が本発明の規定範囲外となっており部位により機械特性のばらつきが大きくなる結果となった。また、合金BについてはCrPB/CrPSが高く本発明の規定範囲外であるためにクリープ破断強度も本発明の規定範囲外となっており、合金1と比較して著しく低い結果となった。 Alloys A and B have almost the same chemical composition as alloy 1 and have the same final shape by hot forging. However, the holding time during the heat treatment is out of the range of the manufacturing conditions specified in the present invention. Due to this, the grain size number of the outer surface portion of alloy A is out of the specified range of the present invention, and the values of YS S / YS B and TS S / TS B are outside the specified range of the present invention. The result is that the mechanical properties vary greatly depending on the part. Further, since alloy B has a high Cr PB / Cr PS and is outside the range specified by the present invention, the creep rupture strength is also outside the range specified by the present invention, which is significantly lower than that of alloy 1. .
合金C、DおよびEは、合金2と化学組成がほぼ同等であり、熱間鍛造によって同一の最終形状としたものである。合金Cは熱処理温度が本発明の規定範囲より低いために、外面部の結晶粒度番号とCrPB/CrPSの値とが本発明で規定する範囲外となっており、合金2と比較してクリープ破断強度が著しく低い結果となった。合金Dは熱処理温度が本発明の規定範囲より高いために、外面部の結晶粒度番号と、YSS/YSBおよびTSS/TSBの値とが本発明の規定範囲外となっており、合金2と比較してクリープ破断強度が著しく低い結果となった。また、合金Eは最終熱処理時の冷却方法が水冷ではなく空冷であり、冷却速度が著しく遅かったことに起因して、CrPB/CrPSの値が本発明の規定範囲外となり、その結果、合金2と比較してクリープ破断強度が著しく低くなった。一方、本発明の規定を全て満足する合金1〜4は、機械特性のばらつきも小さく、クリープ破断強度も良好であった。 Alloys C, D and E have almost the same chemical composition as alloy 2, and have the same final shape by hot forging. Since the heat treatment temperature of alloy C is lower than the specified range of the present invention, the grain size number of the outer surface portion and the value of Cr PB / Cr PS are outside the range specified by the present invention, and compared with alloy 2. The result was that creep rupture strength was extremely low. Since the heat treatment temperature of Alloy D is higher than the specified range of the present invention, the grain size number of the outer surface portion and the values of YS S / YS B and TS S / TS B are outside the specified range of the present invention. As a result, the creep rupture strength was remarkably lower than that of Alloy 2. Further, the alloy E had a cooling method at the time of the final heat treatment that was air cooling instead of water cooling, and the value of Cr PB / Cr PS was out of the specified range of the present invention due to the significantly slow cooling rate, and as a result, The creep rupture strength was significantly lower than that of Alloy 2. On the other hand, Alloys 1 to 4 satisfying all the requirements of the present invention had small variations in mechanical properties and good creep rupture strength.
本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、部位による機械的性質のばらつきが少なく、また、高温でのクリープ破断強度に優れる。そのため、本発明のオーステナイト系耐熱合金部材は、高温環境下で使用されるボイラおよび化学プラント等の大型構造部材として好適に用いることができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The austenitic heat-resistant alloy member of the present invention has little variation in mechanical properties depending on the site and is excellent in creep rupture strength at high temperatures. Therefore, the austenitic heat-resistant alloy member of the present invention can be suitably used as a large-scale structural member such as a boiler and a chemical plant used in a high temperature environment.
Claims (4)
C:0.02%を超えて0.15%以下、
Si:2.0%以下、
Mn:3.0%以下、
P:0.030%以下、
S:0.010%以下、
Cr:28.0〜38.0%、
Ni:40.0%を超えて60.0%以下、
W:3.0%を超えて15.0%以下、
Ti:0.05〜1.0%、
Zr:0.005〜0.2%、
Al:0.01〜0.3%、
N:0.02%以下、
Mo:0.50%未満、
B:0.005%以下、
Co:0〜20.0%、
残部:Feおよび不純物
である化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工が施された合金部材であって、
前記合金部材の長手方向と垂直な断面において、中心部から外面部までの長さが40mm以上であり、
前記外面部におけるオーステナイト結晶粒度番号が−2.0〜4.0であり、
抽出残渣分析によって得られるCr析出量が下記(i)式を満足し、
常温での機械的特性が下記(ii)式および(iii)式を満足し、
前記中心部における前記長手方向の700℃における10,000時間クリープ破断強度が130MPa以上である、オーステナイト系耐熱合金部材。
CrPB/CrPS≦10.0 ・・・(i)
YSS/YSB≦1.5 ・・・(ii)
TSS/TSB≦1.2 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
CrPB:中心部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
CrPS:外面部において抽出残渣分析によって得られるCr析出量
YSB:中心部における0.2%耐力
YSS:外面部における0.2%耐力
TSB:中心部における引張強さ
TSS:外面部における引張強さ In mass%,
C: more than 0.02% and 0.15% or less,
Si: 2.0% or less,
Mn: 3.0% or less,
P: 0.030% or less,
S: 0.010% or less,
Cr: 28.0 to 38.0%,
Ni: more than 40.0% and 60.0% or less,
W: more than 3.0% and 15.0% or less,
Ti: 0.05 to 1.0%,
Zr: 0.005-0.2%,
Al: 0.01 to 0.3%,
N: 0.02% or less,
Mo: less than 0.50%,
B: 0.005% or less,
Co: 0 to 20.0%,
The balance: an alloy member obtained by hot working a steel ingot or a slab having a chemical composition of Fe and impurities,
In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the alloy member, the length from the central portion to the outer surface portion is 40 mm or more,
The austenite grain size number in the outer surface portion is -2.0 to 4.0,
The Cr precipitation amount obtained by extraction residue analysis satisfies the following formula (i),
The mechanical properties at room temperature satisfy the following equations (ii) and (iii),
An austenitic heat resistant alloy member having a 10,000-hour creep rupture strength of 130 MPa or more at 700 ° C. in the longitudinal direction in the central portion.
Cr PB / Cr PS ≦ 10.0 (i)
YS S / YS B ≦ 1.5 (ii)
TS S / TS B ≦ 1.2 (iii)
However, the meaning of each symbol in the above formula is as follows.
Cr PB: Cr deposition amount obtained by extraction residue analysis at the center cr PS: Cr deposition amount obtained by extraction residue analysis in the outer surface portion YS B: 0.2% proof stress YS S at the center: 0.2 the outer surface portion % Yield strength TS B : Tensile strength in the central part TS S : Tensile strength in the outer surface
<1>Nb:1.0%以下、V:1.5%以下およびHf:1.0%以下
<2>Mg:0.050%以下、Ca:0.050%以下およびREM:0.50%以下
<3>Ta:8.0%以下、Re:8.0%以下、Ir:5.0%以下、Pd:5.0%以下、Pt:5.0%以下およびAg:5.0%以下 The chemical composition of the steel ingot or the slab contains, in mass%, one or more elements belonging to one or more groups selected from the following groups <1> to <3>. The austenitic heat resistant alloy member described.
<1> Nb: 1.0% or less, V: 1.5% or less and Hf: 1.0% or less <2> Mg: 0.050% or less, Ca: 0.050% or less and REM: 0.50 % Or less <3> Ta: 8.0% or less, Re: 8.0% or less, Ir: 5.0% or less, Pd: 5.0% or less, Pt: 5.0% or less and Ag: 5.0. %Less than
請求項1または請求項2に記載の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施す工程と、
その後、1100〜1250℃の範囲の熱処理温度T(℃)まで加熱し、1150D/T〜1500D/T(min)保持した後、水冷する熱処理を施す工程とを備える、オーステナイト系耐熱合金部材の製造方法。
但し、Dは、合金部材の長手方向と垂直な断面における、当該断面の外縁上の任意の点と該外縁上の他の任意の点との直線距離の最大値(mm)である。 A method for producing the austenitic heat-resistant alloy member according to claim 1 or 2,
A step of hot working a steel ingot or a slab having the chemical composition according to claim 1 or 2;
Then, a heat treatment is performed to heat treatment temperature T (° C.) in the range of 1100 to 1250 ° C., hold at 1150 D / T to 1500 D / T (min), and then heat-treat by water cooling. Method.
However, D is the maximum value (mm) of the linear distance between an arbitrary point on the outer edge of the cross section and another arbitrary point on the outer edge of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the alloy member.
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