JPH01205029A - 高温用高Ｃｒフェライト鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＶ、Ｎｂの１種または２種を含有する高温用品
Ｃｒフェライト鋼の熱間加工材の製造方法に関し、更に
詳しくは熱間加工における熱処理法の改良により熱間加
工後の焼なまし処理を省略した製造方法に関する。

〔従来の技術〕

高Ｃｒフェライト鋼は低合金鋼と比べ強度、耐食性に優
れ、オーステナイト系ステンレス鋼と比べた場合には熱
伝専性が高く、熱膨張係数も小さい。また、応力腐食割
れをおこすことがなく、経済性にも優れる。このような
ことから、この鋼はボイラ、原子力、化学工業用の耐熱
材料として広く使われている。なかでも、Ｖ、Ｎｂなど
の析出強化元素を含む高Ｃｒフェライト鋼は、高温クリ
ープ強度が高く、オーステナイト系ステンレス釦１に代
替するフェライト鋼として注目されている。

この析出強化元素Ｃｒフェライト鋼としては、欧州で広
く使われている１２Ｃｒ−ＩＭｏ系鋼（ＤＩＮ　　Ｘ２
０ＣｒＭｏＷＶ　　１２１鋼）、米国で開発された改良
９Ｃｒ”１Ｍｏ鋼（ＡＳＴＭＡ２１３　　Ｔ９１鋼）、
本発明者らが先に開発したＶ、Ｎｂ添加の９〜１２Ｃ「
鋼（特公昭５７−３６３４１号、特開昭５８−１８１８
４９号）などがある。

従来、このような析出強化型の高Ｃｒフェライト鋼に対
しては、引張強さや靭性を確保する目的で熱間圧延、熱
間押出し等の熱間成形加工後、焼ならし・焼もどし処理
を行うのが通例であるが、焼なまし処理により安定なフ
ェライト＋炭化物組織とする場合もある。後者の焼なま
し処理は特に靭性を重視される場合に施され、１ＩＩｌ
常は熱間成形加工後、場合により冷間仕上げ加工を行っ
た後、実施される。

析出強化型の高Ｃｒフェライト鋼に施す焼なまし処理と
しては、第２図（イ）に示される完全焼なまし処理と、
第２図（ロ）に示される恒温焼なまし処理の２種類があ
る。

前者の完全焼なまし処理は、通常加熱（■）での最終熱
間加工（■）を終了した後、Ａｃ＝変態点以上で再加熱
保持（■）を行い、熱間加工中に粗大化した炭化物など
の析出物を固溶させるとともに、各種合金成分の偏析を
均一化し、不均一な加工組織を整粒化した後に、徐冷（
炉冷）により組織をフェライト＋炭化物とする。

後者の恒温焼なまし処理は、最終熱間加工（■）の後、
Ａｃ１変態点以上で再加熱保持（■）を行って、上述の
組織改良と析出物処理を行った後に、へ０１点以下の高
温で一巨均熱保持を行い、組織をフェライト→炭化物と
した後に、空冷等により常温まで冷却する。

これらの焼なまし処理において特に重要な点は、クリー
プ強度に寄与する微細なＶ、Ｎｂの炭窒化物を十分に析
出させなければならないことであり、Ｖ、Ｎｂを添加し
ないいわゆる固溶強化型の高クロムフェライト鋼の焼な
まし処理とは炭化物析出のメカニズムが大幅に異なる点
である。

なお、これらの焼なまし処理の後に冷間加工、曲げ加工
、溶接等の仕上げ加工を行う場合は、加工後に応力除去
焼鈍等の後熱処理を実施することが多い。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような従来の析出強化甲高Ｃｒフェライ
ト鋼材の製造方法では、成品成形のための熱間加工に対
して焼なまし処理が独立しており、しかも焼なまし処理
はＡｃ３点以上の高温加熱を必要とすることから、燃料
コストがかさむ、その上成品の熱変形や酸化も著しく、
したがって焼なまし処理の後に矯正と脱スケールを余儀
なくされ、成品のコストを一層上昇させる結果になって
いる。

なお、従来の加工プロセスで、この焼ならし処理を省略
した場合には、クリープ強度、靭性、引張性質等の特性
が著しく損なわれ、成品価値のない鋼材しか得られない
。

本発明は斯かる状況に鑑み、熱間加工後の焼なまし処理
なしで所定の特性を確保し、これにより大幅な工程合理
化とコスト低減とを図るのみならず、特性の改善も期待
できる析出強化元素Ｃｒフェライト系耐熱鋼材の製造方
法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

従来の析出強化甲高Ｃｒフェライト鋼材の製造方法で実
施される焼なまし処理は前述したとおり、析出物の固溶
、合金成分の均一化、加工による不拘−＆Ｉｌ織の整粒
化を図るとともに、焼なまし後の冷却過程で靭性にイ憂
れたフェライト＋炭窒化物の均一＆Ｉｍを得、とりわけ
クリープ強度に寄与するＶ、Ｎｂの炭窒化物を十分に微
細分散析出させるのである。工程合理化のために従来法
でこの焼なまし処理を省略した場合、組織は硬いマルテ
ンサイトとなる場合が多く、靭性を低下させ、なかでも
Ｖ、Ｎｂの微細分散析出が不十分となるため、１「要な
特性であるクリープ強度の低下が著しい。

本発明者らは、Ｖ、Ｎｂを添加した析出強化型窩Ｃ「フ
ェライト鋼材に対して新しい熱処理を追加することなく
、マた特性の低下をともなうことなく、焼なまし処理を
省略できる方法について実験研究をくり返した。その結
果、熱間圧延、熱間押出等の最終熱間加工に際して行う
熱処理が重要な意味をもつことを知見した。

すなわち、Ｖ、Ｎｂを添加した析出強化型窩Ｃ「フェラ
イト鋼の最終熱間加工に際し、９３０℃以上で１分収上
保持εた後、最終熱間加工を行い、しかる後、２００°
Ｃ／　ｈ　ｒ以下で徐冷、もしくは加工後の冷却過程で
５００℃以上、Ａｃ、点板下に均熱保持することにより
、最終熱間加工後の焼なまし処理を省略しても十分な特
性が確保され、場合によっては従来よりも優れた特性が
得られることを知見したのである。

本発明は斯かる知見に基づきなされたもので、Ｎｈｔ９
Ａ−（！　Ｃ：　０．０３〜０．３　％、Ｎ：０．１％
以下、Ｃ「：５〜１３％含有し、更にＶ、Ｎｂの１棟ま
たは２種を（Ｖ十Ｎｂ）で０．０１〜１％添加したＡＣ
ｒフェライト鋼材の最終熱間加工に際して、第１（イ）
（ロ）に示されるように、９３０〜１３００℃に１分以
上加熱保持（■）をし、最終熱間加工（■）を行った後
、２００℃／ｈｒ以下の速度で徐冷（■）を行うか、も
しくは５００℃以上、八ｃ　、点板下に１分以上均熱保
持（■）をすることにより、フェライトと炭窒化物の混
合組織として最終熱間加工後の焼なまし処理を省略する
高Ｃ「フェライト系耐熱鋼材の製造方法を要旨とする。

徐冷（■）の後もしくは均熱保持（■）後の冷却の後に
、第１［Ｂ＋９９に）に示すように、Ａｃ＋点以下の加
熱で温間加工（■）を行ったり、温間加工（■）の後に
更にＡｅ１点以下の応力除去焼鈍（■）を行うことを阻
げない。

〔作　　用〕

本発明の方法における成分組成、熱処理条件の各限定理
由を述べる。

０　成分組成（車量％） Ｃ：炭化物を柄出させ、かつ強度を付与する重要元素で
ある。０．０３％未満では強度が十分ではなく、安定な
炭化物を形成しなくなる。また０、３％を超える場合、
炭化物量が過剰となり硬化して加二［性と溶接性を損な
う。よってＣ量は０．０３〜０゜３％とした。

Ｃ「：耐酸化性る′α保の点から不可欠な元素で、高Ｃ
「耐熱鋼としては５％未満では十分な耐酸化性が得られ
ず、また１３％を超えて添加される場合にはδ−フエラ
イＦ量がＡＣ１変態点以上でも多く残存し、加工性　強
度および靭性を…なう、したがってＣｒ＠は５〜１３％
とした。

Ｎニオ−ステナイト安定化元素で、かつ窒化物を析出さ
せる重要元素である。しかし０．１％を超える場合、著
しく加工性を損ない、靭性、強度も低下するため上限を
０．１％とした。なお、このＮは特に添加しなくて４）
０．０１％程度は含有されるので、明確な添加効果を得
るには０．０２％以上含有させることがｅ７７よれる。

Ｖ、Ｎｂ：いずれもＣ，Ｎと結合してＶ　（Ｃ。

Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）の微細析出物を形成し、クリ
ープ強度の向上に寄与する。これらの炭窒化物は粗大化
すると効果が低下する。また未固溶で存在するＶ　（Ｃ
，Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）は強度、靭性に有害である
０本発明で特に重要なのは、これらの炭窒化物を有効に
微細分散析出させる点である。

Ｖ、Ｎｂの添加量としてはこれら元素の１種または２種
を（Ｖ＋Ｎｂ）量で０．０１％〜１％添加するものとす
る。０．０１％未満では、十分な析出強化を得ることが
できず、また１％を超える場合は、前工程で生成した粗
大なＶ　（Ｃ，Ｎ）　、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）のｅｌｔｌに長
時間を要し、これらの化合物およびＭ　ｚ　ｓ　Ｃ＆等
の未固溶粗大析出物が残存して強度、靭性、加工性を損
なう。

上記以外の成分としてはＭｏ、Ｗをそれぞれ０゜１〜３
％含んでもよい、またＳｉ、Ｍｎ、Ｓｏｊ！ＡＩｔ、Ｎ
ｉ、Ｂを含むのも阻げない、ただし、Ｓｉは０．５％以
下、Ｍｎは１．５％以下、Ｓｏ　１ｋｅは０．０４％以
下、Ｎ１は１％以下、Ｂは０．０１％以Ｆであることが
望ましい。不可避不純物であるＰ、Ｓ、Ｃｕは、それぞ
れ０．０３％以下であることが望ましい。史に　必要に
応しＴＩ・Ｚｒ、Ｃａ　％　Ｙ　％　Ｃｅ　、ｌ−ａな
どの元素を総量で０．３％以下添加してもよい。これら
の元素は靭性、延性、溶接性を改善する効果がある。

○　熱処理 最終熱間加工（■）に際して行う加熱保持（■）は、焼
なまし処理を省略するための重要な要素で、素材の粗大
化した炭窒化物などの析出物を固溶させるとともに、各
種合金成分の偏析の均一化、不拘−加工＆ｌＩ織の整粒
化を目的として行うものである。

本発明者らの知見では、加熱保持（■）における加熱温
度が９３０℃未満では析出物が十分に固溶せず、クリー
プ強度を損なうため、下限を９３０℃とした。Ｖ、Ｎｂ
の添加量が多い場合は添加量に応じて加熱温度を高める
ことが望ましい、またＡＣ１変態点が９３０℃以上の鋼
では、９３０℃〜Ａ　Ｃｉ点の間でα−フェライトが残
存し、Ｖ、Ｎｂ析出物の均一固溶が阻害される危険性が
あるため、Ａｃ１点以上に加熱することが望ましい。

加熱温度の上限は、加熱温度が高いほど均一固溶化が促
進されるものの、１３００℃を超えるとδ−フェライト
が増加し、粒成長も加わって靭性、強度をｔＭなうので
、１３００℃を限度とする。

加熱保持時間は析出物の固溶化条件である。１分未満の
保持では、析出物の固溶化と合金成分の均一化が不十分
となり、未固溶粗大析出物が多数残存してクリープ強度
を…なう。

この保持時間は長時間はど特性確保に好都合であるので
、上限は特に規定しないが、実用上は部材の均熱保持の
観点から１　ｈ　ｒ　／　２５　＋ｎ厚程度が望ましい
。

最終熱間加工（■）の条件は特に規定する必要がないが
、加工完了温度はＡＣ，意思上が好ましく、より好まし
くはＡＣ，意思上である。

また、最終熱間加工（■）は加熱保持（■）中もしくは
加熱保持（■）後の冷却中に行われる場合も含まれる。

加熱直後に最終熱間加工（■）を行う場合でも加工中に
材料が加熱保持（■）の条件を満足していればよい。

熱間加工（■）の後（もしくは加工中）の冷却条件は、
フェライト」炭窒化物組織とするための条件で、２００
℃／　ｈ　ｒ以下の徐冷（■）と、冷却過程における５
００℃以上、Ａｃ１点以下の均熱保持（■）の２種類を
規定する。

徐冷（■）を行う場合、２００℃／　ｈ　ｒを超える速
度では組織がマルテンサイト化もしくはベイナイト化し
、このままで焼なまし処理を省略した場合には、硬く靭
性も低く、クリープ強度も著しく不足する。冷却速度は
８００〜５００℃のフェライト生成ノーズ領域での平均
冷却速度とする。

この温度域において、安定な炭化物（主にＭ　ｔ　ｓ　
Ｃ６やＭ’ｒ　Ｃ：＋　）を十分析出させるとともに、
微細なＶ　（Ｃ，Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）を析出させ
ることによって、従来の焼なまし処理を省略しても十分
な性能が得られる。

５００℃以上、Ａｃ１点以下で均熱保持（■）を行うの
も、安定な炭化物をこの恒温保持中に十分析出させ、組
織をフェライト＋炭窒化物とするとともにＶ　（Ｃ，Ｎ
）、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）を微細析出させるためである。Ａ
ｃ、点を超える均熱保持では残留オーステナイトが生じ
、均熱保持後の冷却により、マルテンサイトが生成する
ので、このままでは十分な靭性とクリープ強度が得られ
ない。

また、５００℃未満の場合は炭窒化物の析出が非常に遅
く、安定組織となりにくいため、焼なまし処理を省略し
た場合に十分な性能が得られなくなる。したがって、均
熱保持（■）は５００℃以上、ＡＣ１点以上の保持とす
る。

保持時間は炭窒化物析出の観点から１分以上とする。１
分未満では、安定な炭窒化物の析出が不可能で、均熱保
持後の冷却でマルテンサイトやベイナイトを生成し、靭
性とクリープ強度が低下する。したがって、保持時間は
１分以上とし、好ましくはｌｈｒ／２５富１厚以上とす
る。

均熱保持（■）の後の冷却は、空冷・放冷・徐冷のいず
れでもかまわない。

徐冷（■）や均熱保持（■）の後に行う温間加工（■）
は、主に寸法！ＩＡＩ整と変形の矯正を行うためのもの
である。

ここにおける加熱ｌ：ｊ１度がＡＣ，点を超えると、再
びオーステナイト変態をおこすため不適当である。した
がって、加熱温度の上限はＡＣ，点とする。

温間加工（■）の後に行う応力除去焼鈍（■）は、温間
加工後の加工歪が残る場合を想定したもので、再オース
テナイト化を防ぐため上限温度はＡｃ１点以下とする。

以上の工程により、従来の焼なまし処理を省略すること
が可能となる。その結果、成品の大幅なコスト低減と工
程の合理化が可能となる。

本発明の製造方法は、製造された成品に対する冷間加工
、もしくはへ０１点以下の再加熱処理による寸法や強度
の調整を行う場合も含むものである。

〔実施例〕

第１表に供試鋼の化学成分を示す。

Ａ鋼は改良９Ｃｒ−ＩＭｏ鋼（ＡＳＴＭ　　ＳΔ２１３
−Ｔ９１）　、［３Ｎは７　Ｃｒ　−２Ｍ　ｏ　−０，
０５Ｎｂ鋼、ｃｍはＤＩＮ１２Ｃｒ鋼（Ｘ２０ＣｒＭｏ
ＷＶ　Ｉ　２１）で、いずれも本発明の対象鋼である。

名調は１５０ｋｇ真空加熱炉で溶解し、得られたインゴ
ットを１１５０〜９００℃で熱間鍛造した後、６０　ｃ
ｘ８０ｗＸ２００ｔ’　　（龍）のブロックにして素材
とした。

そして、各素材に対し従来法として第２図（イ）および
（ロ）に示す方法を適用し、本発明法として第１図（イ
）および（ロ）に示す方法、第１図（イ）に第１図（ハ
）を組み合せた方法、ならびに第１図（ロ）に第１図に
）を組み合せた方法を適用した。また、第１図（イ）お
よび（ロ）に示す方法で条件が本発明範囲外のものを比
較例として実施した。第２表に各法の履歴を示す。

なお、最終熱間加工（■）はロール圧延により４０〜６
０％の加工度を加えるものとした。また、従来法におけ
る焼なまし処理は９５０℃、１０５０℃ｘｌｈｒＦｃ処
理もしくは９５０℃、１０５０℃×１ｈ「加熱後切替え
による７５０℃×２ｈｒＡＣ処理とし、いずれも標準の
焼なまし処理である。

得られた加工板材の圧延方向肉厚中央部よりＪ１３４号
シャルビ衝窄試駒片およびφ６ＸＧＬ３０（龍）引張試
験片及びクリープ破断試験片を採取し、常温引張試験、
２０’Ｃシヤルピー衝窄試験および６５０℃クリープ破
断試験を行った。結果を第３表に示す。

Ａ１．Ａ５．８１．Ｂ５．Ｃ１，Ｃ５はそれぞれ標準の
焼なまし処理を行った従来例である。これらに比較して
本発明法を適用したＡ２．Ａ３゜Ａ６．Ａ７．Ｂ２．Ｂ
３．Ｂ６．ＢＴ、Ｃ２，Ｃ３、Ｃ６，Ｃ７は焼なまし処
理を省略したにもかかわらず、従来例と同等もしくはそ
れ以上の引張強さ、靭性およびクリープ破断強度を示し
ている。

一方、比較法であるＡ４．Ａ８．Ｂ４．Ｂ８゜Ｃ４，Ｃ
８は最終熱間加工（■）の後に徐冷（■）または均熱保
持（■）を行うが、最終熱間加工（■）に際して行う加
熱保持（■）が９３０℃未満の９００℃で実施されてい
るため、いずれも低強度で延性が低く、とりわけクリー
プ破断強度が低い結果となっている。

第３図は各法の従来法に対するクリープ破断強度比を鋼
別方法別に比較して示したものである。

本発明例Ａ２．Ａ３．Ａ６．ＡＴ、Ｂ２．Ｂ３゜Ｂ６．
Ｂ７．Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７はいずれも従来法と同等
もしくはそれ以上の結果を示しているのに対し、比較例
Ａ４．Ａ８．Ｂ４．’Ｂ８．Ｃ４，０８は極めて低い強
度である。

これは比較例における加熱保持（■）が９３０℃未満で
行われていることから、炭窒化物の固溶化が不足し、前
履歴の不均一な組織が残留し、■（Ｃ，Ｎ）　、Ｎｂ　
（Ｃ，Ｎ）の微細析出もほとんどないことがクリープ破
断強度、引張強度、靭性を低下させている原因である。

すなわち、比較例のように単に焼なまし処理を省略する
たけでは十分な特性を得ることができない。

本発明の方法で製造した全材料４ｍ織観察した結果、い
ずれも安定な炭窒化物と微細なＶ　（Ｃ。

Ｎ）　、Ｎｂ　（Ｃ，Ｎ）が析出した健全１′を織であ
ることが確認された。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の方法はＶ、Ｎ
ｂを含む析出強度型の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を熱間
加工してボイラ、原子力、化学工業用の板材、管材、鍛
造品等を製造する際に、従来行われていた焼なまし処理
を省略しても成晶特性は従来法と同等もしくはそれ以上
が期待でき、焼なまし処理を省略したことによる工程合
理化およびコスト低減の効果は極めて大きなものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）〜に）は本発明の方法のヒートパターン図
、第２図（イ）（ロ）は従来法のヒートパターン図、第
３図は本発明法および比較法における高温クリープ強度
を従来法との強度比で示した図表である。 第２図 ［最終熱間加工］　　　　　　［焼こなまし処理］第１
図 ス終熱闇加工］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でＣ：０．０３〜０．３％、Ｎ：０．１％以
   下、Ｃｒ：５〜１３％、Ｖ、Ｎｂの１種または２種を合
   計で０．０１〜１％含有した高Ｃｒフェライト鋼材の最
   終熱間加工に際して、９３０〜１３００℃に１分以上加
   熱保持し、最終熱間加工を行った後、２００℃／ｈｒ以
   下の徐冷を行ってフェライトと炭窒化物の混合組織とす
   ることにより、最終熱間加工後の焼なまし処理を省略す
   ることを特徴とする高温用高Ｃｒフェライト鋼材の製造
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の徐冷にかえて、５０
   ０℃以上、Ａｃ＿１点以下の温度で１分以上の均熱保持
   を行うことを特徴とする高温用高Ｃｒフェライト鋼材の
   製造方法。 ３、徐冷の後または均熱保持後の冷却の後、Ａｃ、点以
   下の加熱で温間加工を行うことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の高温用高Ｃｒフェライ
   ト鋼材の製造方法。 ４、徐冷の後または均熱保持後の冷却の後、Ａｃ＿１点
   以下の加熱で温間加工を行い、しかる後、Ａｃ＿１点以
   下の加熱で応力除去焼鈍を行うことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項に記載の高温用高Ｃｒフェ
   ライト鋼材の製造方法。