JPH0387332A - 高強度低合金耐熱鋼の製造方法 - 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〕 本発明は高強度低合金耐熱鋼に関し、例えば発電用ボイ
ラや化学プラントの熱交換器、配管等の鋼管材、高温耐
圧バルブなどの鋼鍛鋼品、高温で使用される吊金具、支
持材などの丸鋼、形鋼、鋼板などに適用される高強度低
合金耐熱鋼に関する。

〔従来の技術〕

従来、耐熱鋼としてはオーステナイト系ステンレス鋼、
ｅＣｒ鋼、１２Ｃｒ鋼、１〜２ｙ４ｃｒ鋼及び１．０％
未満のＣｒを含有する低合金鋼などがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来の耐熱鋼の場合、約６００℃までの高温で使
用することを条件とすると、次のような問題点がある。

Ｑ　オーステナイト系ステンレスｗＪ：高温強度、靭性
、加工性は良好であるが、使用環境によっては応力腐食
割れ、粒界腐食が生じる欠点があり、また材料価格が高
い。

■　ＱＣｒ鋼及び１２Ｃｒ鋼：種々の鋼種があるが、５
ＴＢＡ２６　（９Ｃｒ−ＩＭｏ鋼）やＤＩＮ規格Ｘ２０
ＣｒＭｏＶ　１２１　　（１２Ｃｒ−ＩＭｏ−Ｖ鋼）は
Ｃ量が約０．１３〜０．２５　ｗｔ％と高いために、溶
接割れが発生しやすく、また加工性が劣る。

最近開発された低Ｃ系でＶ及びＮｂを添加した９　Ｃｒ
ｔｌ及び１２ｃｒ鋼は上記の高Ｃ系の鋼種に比べ、溶接
性及び高温強度とも改善されているが、２　Ｖ＋　Ｃｒ
　−Ｉ　Ｍｏｗ４などの低合金鋼に比べ、熱伝導率が低
く全般に溶接作業性が劣る。

■　１〜２　′／４［：ｒａ　：この鋼は約６００℃ま
で使用できる耐酸化性があり、５ＴＢＡ２６を含めた低
合金鋼の中でも最も高温強度が優れ、溶接性及び加工性
が良好である。しかし、最近開発された高強度の９　Ｃ
ｒｔｌ及び１２Ｃｒ鋼やオーステナイト系ステンレス鋼
に比べ、高温強度が劣るため、水涸を使用する場合、６
００℃付近の設計温度では極厚となり、配管などの大径
管では大きな熱応力が発生することになる。

■　１．０％未満のＣｒを含有する低合金漏：１〜２％
Ｃｒ鋼に比べて高温強度が低く、耐酸化性が劣るため、
使用限界温度が低い欠点がある。

ＶやＮｂを微量添加し、高温強度の向上を図った鋼では
溶接熱などにより再結晶し、微細化した部分は原質部に
比べて硬さが低下し、９張あるいはクリープ破断試験片
の形状によっては、この部分で破断し、原質部よりも低
い強度を示すことがある。

また、低Ｃ−１〜２′／４Ｃｒ鋼系で、Ｍｏ、Ｗ。

Ｖ、Ｎｂを添加した鋼はフェライト相が多く靭性が低い
欠点がある。

本発明は上記技術水準に鑑み、上記のような従来鋼種の
欠点をなくして溶接熱影響部の軟化の程度を軽減し、さ
らに母地のシャルピー衝撃値を改善した上で、約６００
℃までオーステナイト系ステンレス鋼及び高強度９　Ｃ
ｒｍや１２Ｃｒ鋼に代えて使用できる鋼を提供しようと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２、Ｓ１≦
１％、Ｍｎ　＋　０．２〜１％、Ｐ”０．０３％、Ｓ≦
０．０３％、Ｎｉ”０．８％、Ｃｒ：０．７〜３％、Ｍ
Ｏｏ、３〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ
：０、Ｏ１〜０．１２％、Ｎ：Ｑ、０１〜０．０５％を
含み、あるいは更にＷ　：　０．５〜２．４％、Ｂ：０
、００　［）　５〜０．０１５％、Ａ１≦０．０５％、
Ｔｉ：０．０５〜０．２％の１種以上を含む残部Ｆｅ及
び不可避の不純物からなる鋼を、１１００℃（Ａ）以上
の温度に加熱したのち常温に冷却し、常温あるいは加工
中または冷却途中に再結晶を生じない温度域で塑性加工
を施し、最後に１１００℃（Ａ）よりも低い温度での焼
準及びＡｃ、温度以下での焼戻し処理を行ってなること
を特徴とする高強度低合金耐熱鋼である。

本発明鋼の金属組織はフェライト＋ベーナイトあるいは
フェライト＋パーライトであり、通常の１〜２ｙ４Ｃｒ
鋼に比ベフエライトの量が多いこのフェライト相内には
微細なＶＮ析出物が生成する。

以下、本発明鋼における成分範囲の限定理由を説明する
。説明中％はｗｔ％を示す。

■Ｃ：ＣはＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂとともに
炭化物を懲戒し、クリープ強度を上昇させる。しかし、
０．１２％を越えると溶接割れが生じやすく、またかえ
ってクリープ強度を低下させることになる。一方、クリ
ープ強度上昇のためには０．０３％以上が必要であり、
これを下廻るとクリープ強度が低下する。従って０．０
３〜０．１２％とした。好ましくは０．０５〜０．０９
％である。

■Ｓｉ　：　Ｓｉは脱酸剤として用いられ、強度上昇、
耐酸化性向上に寄与するが１％を越えて添加すると靭性
が低下し、クリープ強度を低下させるので１％以下とし
た。好ましくは０．２％以下である。

■Ｍｎ　：　ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤としての効果を
有し、焼入れ性を向上させるが、０．２％未満では、そ
の効果が少なく、また１％を越えて添加すると脆化しや
すいので０，２〜１％とした。

好ましくは０．４〜０．６％である。

■Ｐ及びＳ：これらＰ及びＳは不純物元素として靭性を
低下させ機械的性を劣化させるので、ともに０．０３％
以下とした。好ましくはＰは０．０１％以下、Ｓは０．
００５％以下である。

■Ｎｉ　：　Ｎｉは焼入れ性を向上させ、靭性を改善す
る元素であるが、０．８％を越えて添加すると硬化性が
大きくなり、溶接性が低下すると同時にクリープ破断強
度を低下させるので、０．８％以下とした。好ましくは
０．４％以下である。

■Ｃｒ　：　Ｃｒは耐酸化性を高め、適性は量であれば
炭化物形成元素としてクリープ破断強度を高めるが、添
加量が多くなると熱伝導率が小さくなるとともに、かえ
ってクリープ破断強度を低下させる。また、０．７％を
下田る量では耐酸化性の面から約６００℃まで使用する
ことは困難になり、クリープ破断強度を低下する。そこ
で下限を０．７％、上限を３％とした。

好ましくは０，９〜２．４％である。

■Ｍｏ：Ｍｏは母地に固溶するとともに炭化物などの析
出物を形成してクリープ破断強度を高めるが、０．３％
未満では不十分であり、１．５％を越えて添加しても、
その硬化は飽和し、靭性が低下してくる。また、Ｍｏの
多量の・添加は熱間加工性を阻害するのでＭｏの添加量
は０．３〜１．５％とした。好ましくは０．７〜１．３
％である。

■■：Ｖは炭化物を生成するとともにＮと化合してＶＮ
がフェライト地中に析出し、クリープ破断強度を著しく
高める効果がある。その効果は０．０５％以上で現われ
、０．３５％を越えると溶接割れ感受性を高め、溶接性
が劣化する。従って、０．０５〜０．３５％とした。好
ましくは０．１５〜３％である。

■Ｎｂ：Ｎｂは炭窒化物を生威し、短時間側のクリープ
破断強度を高め、■との複合添加によってＶ炭窒化物を
微細に、また良好な分散状態で析出させる効果があり、
その効果は０．０１％以上で現われる。また、０．１２
％を越えて添加してもその効果は飽和し、かえって長時
間側のクリープ破断強度を低下させる原因となる。また
、多量添加した場合には溶接性を低下させる。従って、
０．０１〜０．１２％とした。好ましくは０．０１〜０
．０５％である。

（ＩＤＮ：ＮはＣの代替元素としての役割りを果たすと
ともに、■及びＮｂなどと窒化物あるいは炭窒化物を形
成し、クリープ破断強度を著しく上昇させる。その効果
は０．０１％未満では不十分であり、０．０５％を越え
て添加すると焼入れ性が高くなり、溶接性を阻害するの
で、０．０１〜０．０５％とした。好ましくは０．０１
〜０．０３％である。

ＯＷ：Ｗは上記成分に加えて添加することにより、Ｍｏ
の添加量を減じ、またＭｏとともにフェライト地に固溶
して高温強度を著しく高める。

その効果は０．５％未満では十分ではなく、また、２．
４％を越えて添加した場合、熱間加工性を阻害し靭性が
低下する。従って０．５〜２．４％とした。好ましくは
０．７〜１．８％である。

■Ｂ：Ｂは粒界の強度を高める元素であり、クリープ破
断強度及び延性を上昇させる。その効果は０．０００５
％未満では不十分であり、０．０１５％を越えて添加し
た場合、熱間加工性を阻害するとともに常温強度が高く
なり加工性を低下させる。従って０．０００５〜０．０
１５％とした。好ましくは０．００１〜０．００５％で
ある。

＠Ａｌ　：　Ａｌは脱酸剤としても有効であり、かつ低
温靭性を向上させる効果があるが、０．０５％を越えて
多量に含有させると結晶粒を小さくし、クリープ破断強
度を低下させる。従って０．０５％以下とした。好まし
くは０．０１５％以下である。

■Ｔｉ　：　Ｔｉは炭化物を形成し、クリープ破断強度
を上昇させるが、その効果は０．０５％未満では十分で
はなく、また０、２％を越えて添加した場合、低温靭性
を低下させる。従って０．０５〜０．２％とした。好ま
しくは０．０５〜０．１％である。

上記のＷ、　Ｂ、　ＡＩ及びＴ１は本発明鋼におけるフ
ェライトを安定化する効果があり、フェライト地の強化
析出物ＶＮの析出を促し、間接的に高温強度（クリープ
破断強度）を高めるのに役立つ。本発明鋼では必要に応
じて、これらＷ。

Ｂ、ＡＩ及びＴＩを上記範囲内で１種以上を含有させる
。

次に、本発明鋼の熱処理条件について説明する。

上記成分の鋼を１１００℃（Ａ）以上の温度にすること
によって、特にＮｂの固溶を促進し、添加したＮｂの大
部分を母地中に固溶させる。次に、これを常温あるいは
加工中または冷却途中に再結晶を生じない温度域、すな
わち、八ｃ。

（約７５０℃）近傍の温度で塑性加工を与え、その後の
焼準温度で再結晶しやすくする。ところで、焼準温度を
上記１１００℃（Ａ）より低くすることにより、１１０
０℃（Ａ）と焼準温度の差に相当する固溶ＮｂをＮｂＣ
として微細に析出させることができる。このように微細
に析出したＮｂＣは焼準温度で生じる再結晶による結晶
粒の粗大化を阻止しオーステナイト粒を著しく微細化し
、靭性を改善することができる。なお、１１００℃（Ａ
）未満ではＮｂの固溶量が十分ではなく、また通常焼串
は高温強度、靭性を考慮し、１１００℃（Ａ）未満の温
度で行うので、ＮｂＣの固溶量の差に起因するＮｂＣの
微細析出を期待するためには１１００℃（Ａ）以上で加
熱する必要がある。このような理由から塑性加工の前の
中間熱処理を１１００℃（Ａ）以上とした。

以下、本発明の実施例をあげ、本発明の効果を立証する
。

〔実施例〕

第１表に示す化学成分の供試材５チヤージを大気中高周
波溶解炉により各々５０ｋｇ溶解した後、９５０〜１１
００℃の範囲で熱間鍛造し、断面が４０Ｘ２０ｍｍの棒
を作製した。

また、このうちの一部を１１５０℃で１時間加熱した後
、常温で断面が６０Ｘ１５ｍｍの板に圧延し、断面が４
０Ｘ２０ｍｍの棒とともに１０５０℃で１時間焼串、７
５０℃で１時間焼戻し処理を施した。

すなわち、従来鋼の製造プロセスは９５０℃〜１１００
℃の範囲で熱間鍛造した後、１ｂ×１時間焼準、７５０
℃×１時間焼戻しであるのに対し、本発明では９５０℃
〜１１００℃の範囲で熱間鍛造した後、１１５０℃×１
時間中間加熱−冷間圧延−１０５０℃×１時間焼鈍−７
５０Ｘ１時間焼戻しである。

次に、このように化学成分は同じであるが、製造プロセ
スの異なる従来鋼と本発明鋼についてシャルピー衝撃試
験及びクリープ破断試験を実施するとともに溶接継手を
作製してその断面の硬さ分布を測定した。

第２表は従来鋼と本発明鋼の０℃シャルピー吸収エネル
ギーとクリープ破断強度を比較したものである。これか
ら明らかなように本発明鋼の靭性は大幅に改善され、ク
リープ破断強度も十分に高いものであった。

第１図は両者の代表例としてチャージＮｏ、１の供試材
について遷移カーブを比較したものである。本発明鋼は
旧オーステナイト結晶粒の微細化によって遷移温度が低
温側へ移動し、著しく靭性が改善された。

第２図は同じチャージＮｏ、１の供試材について、その
後の製造プロセスが異なる従来鋼と本発明鋼の溶接継手
について断面硬さを測定して比較したものである。従来
鋼は溶接熱影響部の細粒域において軟化層が認められた
が、本発明鋼ではほとんど硬さの変化がみとめられなか
った。これは、本発明鋼のオーステナイト結晶粒がもと
もと細粒であり、さらに微細なＮｂＣが安定に分散して
いるために軟化が生じにくかったものと考えられる。

なお、従来鋼と本発明鋼のオーステナイト結晶粒度（Ａ
　Ｓ　ＴＭ＃）はそれぞれ３．２及び８．５であった。

以上のように本発明鋼は優れたクリープ破断強度を有し
ながら靭性が大幅に改善され、 また、 溶接熱影響部の軟化が生じにくいこ とが確認された。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来のオーステナイト鋼、９Ｃｒ鋼、
１２Ｃｒ鋼、１〜２　Ｖ＜　［：ｒｆｌ　、　１．０％
未満のＣｒを含有する鋼などにおける欠点が解消され、
溶接熱影響部の軟化の程度を軽減し、さらに母地のシャ
ルピー衝撃値を改善した上で、約６００℃までオーステ
ナイト系ステンレス鋼、高強度９Ｃｒ鋼、１２Ｃｒｆｌ
に代えて使用できる鋼が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と鉄鋼と同じ化学成分を含む従来鋼の
遷移カーブの比較をあられす図表、第２図は同じく本発
明鋼と鉄鋼と同じ化学成分を含む従来鋼の溶接継手につ
いて断面硬さを比較した図表である。 代　　理　　人　　　内　　１）　　　　明代　　理　
　人　　　萩　　原　　亮 代　　理　　人　　　安　　西　　篤　　夫第１ 図 度 （°Ｃ） 第２区 距 離

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２、Ｓｉ≦１％
   、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．０３
   ％、Ｎｉ≦０．８％、Ｃｒ：０．７〜３％、Ｍｏ：０．
   ３〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．
   ０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含み、
   あるいは更にＷ：０．５〜２．４％、Ｂ：０．０００５
   〜０．０１５％、Ａｌ≦０．０５％、Ｔｉ：０．０５〜
   ０．２％の１種以上を含む残部Ｆｅ及び不可避の不純物
   からなる鋼を、１１００℃（Ａ）以上の温度に加熱した
   のち常温に冷却し、常温あるいは加工中または冷却途中
   に再結晶を生じない温度域で塑性加工を施し、最後に１
   １００℃（Ａ）よりも低い温度での焼準及びＡｃ＿１温
   度以下での焼戻し処理を行なってなることを特徴とする
   高強度低合金耐熱鋼。