JPH04165043A - 耐酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼 - 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、高温強度が高く、耐酸化性に優れ、ボイラ、
原子力、化学工業などの分野において、特に５５０℃以
上の高温酸化と高温腐食にさらされる耐熱耐圧部材の材
料に好適なフェライト系耐熱鋼に関する。

（従来の技術） ボイラ、原子力、化学工業などの分野における各種耐熱
耐圧部材に使用される耐熱鋼には、高温強度、高温耐食
耐酸化性は勿論のこと、溶接性、加工性等の特性が求め
られる。更に、できるだけ安価であることも要求される
。

従来、上記のような分野における各種耐熱耐圧部材の材
料としては、次のようなものがあり、対象部材の使用温
度、圧力、環境等に応じ、さらに経済性を考直して適当
な材料が選択されている。

■オーステナイトステンレス鋼、■９〜１２Ｃｒ系の高
Ｃｒフェライト鋼、■３．５％以下のＣｒを含む低合金
鋼、■炭素鋼。

これらの材料の中で、■の高Ｃｒフェライト鋼および■
の低合金鋼は、■のオーステナイトステンレス鋼に比べ
て熱伝導性に優れ、熱膨張係数が小さく、応力腐食腐食
割れを起こしにくいという長所を有しており、従来から
種々のものが開発されている。しかしながら、低合金鋼
は、Ｃｒ量が低く、耐酸化性の観点から使用上限温度は
５５０″Ｃ以下である場合が多く、高Ｃｒフェライト鋼
は、６００〜６５０℃以下の温度で優れた特性を有する
ものの、Ｃｒ量が高く、高価であるとともに溶接性にや
や劣る。

また、Ｃｒ量の増加にともない熱伝導性は低下する。

このようなことから、５５０〜６００℃の温度域での使
用を考えた場合、Ｃｒ量が低合金鋼より高く、高Ｃｒフ
ェライト鋼より低い、４〜７Ｃｒ系フエライト鋼が適し
ていると考えられる。ところが、従来調の中には４〜７
Ｃｒ系フエライト鋼は非常に少ないうえに、５５０〜６
００℃の温度域で強度、耐酸化性、耐高温腐食性等の全
ての特性が満足できるものがない０例えば、ＪＩＳ規格
に唯一規定されている５ＴＢＡ　２５の５　Ｃｒ−０，
５Ｍｏｌｉは、同規格の５ＴＢＡ　２４の低合金鋼より
高温強度が低く、５５０〜６００°Ｃの温度域での使用
には適さない。

ＳＴＢ＾２５以外の４〜ＴＣｒ系フエライト鋼としては
、特開平１−１００２４１号公報に開示されている３〜
７％のＣｒを含むフェライト綱合金、特開昭５９−１７
９７５８号公報に開示されている５゜０％を超え１０．
０％未満のＣｒと０．０５〜０．８０％のＣｕを含む自
動車排気系部材用高耐食性クロム鋼、特開昭６３−１８
０３８号公報に開示されている２、０〜８．０％のＣｒ
と０．０５〜１．０％のＣｕを含むクリープ特性および
耐水素浸食特性の優れた低合金鋼などがあるが、これら
の鋼は、いずれも９〜１２Ｃｒ系の高Ｃｒフェライト鋼
に較べれば耐食性と強度において劣っており、本発明の
目的とする５５０〜６００℃の高温で、耐酸化性とクリ
ープ破断強度の両方に優れた材料とは言い難い。

（発明が解決しようとする課ＩＮ） 上記のこれまでに知られている４〜ＴＣｒ系フエライト
鋼は、高Ｃｒフェライト鋼より安価で、熱伝導性、溶接
性に優れるものの５５０〜６００℃の温度域での耐酸化
性および高温耐食性は高Ｃｒフェライト鋼より劣る。ま
た、特に６００℃でのクリープ破断強度も高Ｃｒフェラ
イト鋼や５ＴＢＡ　２４の低合金鋼より劣る。このため
、従来より５５０〜６００℃の温度域ではＳＴＢ＾２４
の低合金鋼、もしくは強度と耐食性が要求される部材に
は９〜１２Ｃｒ系の高Ｃｒフェライト鋼かオーステナイ
トステンレス鋼が使用されている。

本発明の課題は、従来の４〜ＴＣｒ系フエライト鋼にお
ける上記問題点を解消し、５５０〜６００℃の温度域で
使用されてきた高Ｃｒフェライト鋼やオーステナイトス
テンレス鋼に代替できる新しい４〜７Ｃｒ系フエライト
鯛を開発することにある。即ち、本発明の目的は、熱間
加工性および靭性については、低合金鋼と同等以上の特
性を有し、耐酸化性、高温耐食性および高温クリープ強
度については高Ｃｒフェライト鋼かオーステナイトステ
ンレス鋼と同等以上の特性を有するフェライト系耐熱鋼
を提供することにある。

＜ａｍを解決するための手段） 本発明者らは、先に８〜１４％のＣｒを含有する高Ｃｒ
フェライト鋼に適量のＷ、　Ｍｏ、　Ｖ、Ｎｂ、　Ｎ、
およびＣを添加すると高温強度が向上すること、および
、Ｃｕと微量のＭ、を複合添加すると高温での耐酸化性
と高温耐食性が改善されることを見出した（特開平２−
２３２３４５号公報）。

さらに、その後、本発明者らは従来の４〜？Ｃｒ系の耐
熱鋼についての上述の問題点を解消するため、種々の検
討を行った結果、４〜７Ｃｒ系の耐熱鋼においてもＷ、
　Ｍｏ、　Ｖ、Ｎｂ、　Ｎ、およびＣは高温強度の改善
に有効であること、およびＣｕとＭ、の複合添加は高温
での耐酸化性と高温耐食性の改善に有効であり、しかも
靭性および熱間加工性を阻害しないことを知見した。

Ｃｕは、強度および耐食性を改善する有効な元素である
が、過剰に添加すると熱間加工性が阻害されたり、赤熱
脆化が起こることは、前述の特開昭５９−１７９７５８
号公報、同６３−１８０３８号公報にも記載されている
とおりである。このため、これらの発明鋼ではＣｕの上
限含有量を０．８％および１．０％に抑えているが、こ
れでは、Ｃｕの好ましい効果が十分に発揮されない、と
ころが、本発明者らは、Ｃｕを１．０％以上と多量に添
加しても、ＣｕとＭｇを複合添加することにより高温で
の耐酸化性と高温耐食性は著しく高められ、しかも靭性
および熱間加工性は全く損なわれることがないことを新
たに見出し、本発明に至ったのである。

ここに本発明の要旨は下記のフェライト系耐熱鋼にある
。

■　重量％で、Ｃ：　０．０３〜０．２％、Ｓｉ　：　
０．７％以下、Ｍｎ　：　０．１〜１．５％、Ｎｉ　：
　０．８％以下、Ｃｒ　：　３．６〜７．８％、Ｖ　：
　０．０１〜０．５％、Ｎｂ　：　０．０１〜０．２％
、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｃｕ　：　１．Ｏ〜
２．５％、Ｍ、　：　０．０００５〜０．５％、Ｎ　：
　０．００５〜０．０７％を含み、更に、ＭＯ：０．１
〜１．５％およびＷ：０．２〜３％のうちの１種又は２
種を含有し、残部がＰｅおよび不可避不純物からなる耐
酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。

■　上記■の成分に加えて更に、０．０００１〜０．０
２重量％のＢを含有する耐酸化性に優れた高強度フェラ
イト系耐熱鋼。

■　上記■の成分に加えて更に、それぞれ０．Ｏ１〜０
．２重量％のＬａ、　Ｃｅ、　Ｙ、　Ｃａ、　Ｔｉ、　
ＺｒおよびＴａからなる群から選択した１種以上を含有
する耐酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。

■　上記■の成分に加えて更に、０．０００１〜０．０
２重量％のＢと、それぞれ０．０１〜０．２重量％のＬ
ａ、　Ｃｅ。

Ｙ、Ｃａ、Ｔｉ、　ＺｒおよびＴａからなる群から選択
した１種以上を含有する耐酸化性に優れた高強度フェラ
イト系耐熱鋼。

（作用） 以下、本発明鋼の各合金成分の作用効果とそれらの含有
量の限定理由について説明する。

ＣｕおよびＰＩｇ： まず、本発明鋼の最も大きな特徴であるＣｕとＭｇの複
合添加による相乗効果について述べる。

Ｃｕは、鋼の強度および耐酸化性を改善することは、前
述の特開昭５９−１７９７５８号公報および同６３−１
８０３８号公報に記載されているとおりであるが、いず
れも高々１．０％程度までの添加で効果は飽和するとさ
れており、過剰の添加は寧ろ熱間加工性の低下や赤熱脆
化を招くとある。ところが、本発明者らは従来の常識に
反する多量のＣｕをＭｇと複合添加することにより、耐
酸化性を著しく高めることができ、しかも熱間加工性の
劣化は全く生じないことを見出した。

これは、Ｃｕ自身の耐酸化性スケールを生成させる効果
に加え、Ｍｇもスケール安定化作用を有し、その結果、
耐酸化性に対してＣｕとＭｇの相乗効果が発揮されたも
のと推定される。また、高温クリープ強度に対しては、
Ｃｕの固溶もしくは析出強化にＭｇが有効に作用してい
ると考えられる。　Ｍｇと複合添加することによるＣｕ
の上記の効果は、その含有量が１．０％未満では不十分
であり、２．５％を超えて含有するとＭｇが含まれてい
ても熱間加工性、靭性、クリープ強度の低下が大きくな
るため、Ｃｕの含有量を１．０〜２．５％とした。

Ｍｇは前記のとおりＣｕとの複合添加により耐酸化性と
クリープ強度を向上させるだけでなく、熱間加工性の改
善にも寄与する。また、ＭｇはＳおよび０（酸素）等の
不純物と化合物をつくり、鋼を清浄化して靭性および溶
接性を改善する効果もある。

これらの効果はｏ、ｏｏｏｓ％未満では小さく、０．５
％を趙えて含有してもこれらの効果が飽和し、むしろ加
工性が損なわれることから、Ｍｇの含有量をｏ、ｏｏｏ
ｓ〜０．５％と定めた。

Ｃ： Ｃは、ＣｒＳＦｅＳＭｏ、Ｗ、■、Ｎｂと結合して炭化
物を形成し、高温強度に寄与する。しかし、その含有量
が０．０３％未満では炭化物の析出が不十分で、かつδ
−フェライト量が多くなり強度、靭性が不足になる。一
方、０．２％を超えて含有すると、炭化物が過剰析出し
て鋼が著しく硬化し、加工性と溶接性が悪くなる。この
ためＣの含有量を０．０３〜０．２％とした。

Ｓｉ： ＳＩは、脱酸剤として働き、また鋼の耐水蒸気酸化特性
を高める元素であるが、０．７％を超えて含有すると靭
性が著しく低下し、強度も損なわれることから、０．７
％を上限とした。

Ｍｎ： Ｍｎは、鋼の熱間加工性を改善し、組織の安定化に有効
であるが、その含有量が０．１％未満では十分な効果が
得られず、１．５％を趙えると鯛が硬化して加工性、溶
接性が損なわれることから、その含有量を０．１〜１．
５％とした。

Ｎｉ　： Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、靭性改善に
寄与するが、その含有量が０．８％を超えると高温クリ
ープ強度が損なわれるのみならず、多量添加はコスト的
に不利となるので、その含有量を０．８％以下とした。

Ｃｒ： Ｃｒは、鋼の耐酸化性、高温耐食性を確保するために不
可欠な元素である。しかし、その含有量が３．６％未満
では５５０℃以上での耐酸化性、高温耐食性が確保され
ず、７，８％を超えると靭性、溶接性および熱伝導性が
低下し、４〜７Ｃｒ系鋼の利点が損なわれることから、
その含有量を３．６〜７．８％とした。

■＝ ■は、Ｃ，Ｎと結合してＶ（Ｃ，Ｎ）の微細析出物を形
成する。この析出物は高温長時間の加熱でも安定で、長
時間側のクリープ強度の向上に大きく寄与するが、その
含有量が０．０１％未満では十分な効果が得られず、０
．５％を紹えると固溶Ｖが増加してかえって強度を損な
うことから、その含有量を０．０１〜０．５％と定めた
。

Ｎｂ： Ｎｂは、■と同様にＣ，Ｎと結合して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。

しかし、その含有量が０．０１％より低いと前記の効果
が小さく、０．２％を趙えると未開ｔ８　Ｎ　ｂ（Ｃ，
Ｎ）が増え、強度と溶接性を損なうようになることから
、その含有量を０．０１〜０．２％とした。

Ａｌ Ａｌは、脱酸剤として添加され、０．００５％以上の含
有量からその効果が発揮されるが、０．０５％を超えて
含有するとクリープ強度と加工性が損なわれるため、そ
の含有量を０．００５〜０．０５％とした。

Ｎ： Ｎは、Ｖ、Ｎｂと結合して炭窒化物を形成してクリープ
強度の向上に寄与するが、その含有量が０．００５％未
満ではその効果がなく、０．０７％を鰯えると溶接性、
加工性および靭性が損なわれるようになることから、そ
の含有量を０．００５〜０．０７％とした。

ＭＯ： Ｍｏは、固溶強化および微細炭化物析出強化元素として
高温クリープ強度の向上に有効であるが、０．１％未満
の含有量では十分な効果が得られず、１．５％を超えて
含有してもその効果が飽和するのみならず、溶接性およ
び加工性を損なうようになることから、その含有量を０
．１〜１．５％と定めた。

Ｗ： Ｗは、Ｎｏと同様に固溶強化および微細炭化物析出強化
元素としてクリープ強度の向上に有効であり、添加する
場合は、Ｍｏの２倍の重置％で含有させるのがよい、Ｗ
はＭｏより原子サイズが大きく、拡散係数も小さいので
、Ｍｏ以上にクリープ強度の向上に寄与する。しかし、
その含有量が０．２％未満では前記の効果がなく、３％
を超えると綱が著しく脆化することから、その含有量を
０．２〜３％とした。

Ｗと前記のＭｏは１種又は２種以上添加することができ
るが、望ましいのは複合添加であり、その場合の適正量
は、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｗ　：　１．５〜３％で
ある。

上記の各成分の外に、次の成分を必要に応じて添加する
ことができる。

Ｂ： Ｂは、微量添加により炭化物を微細分散させて強度を高
める効果がある。しかし、その含有量が０．０００１％
未満では前記の効果が小さく、０．０２％を超えると溶
接性、加工性が損なわれることから、Ｂを添加する場合
はその含有量を０．０００１〜０．０２％の範囲にする
のがよい。

Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｙ、　Ｃａ、、Ｔｉ、　ＺｒおよびＴ
ａ：これらの元素は、鋼中のＰ、Ｓ、０（酸素）などの
不純物元素を取り除き、綱を清浄化して加工性、靭性お
よび強度を改善する効果があるので、少なくとも１種以
上添加することができる。しかし、それぞれ０．０１％
未満では前記の効果がなく、それぞれ０．２％を超える
と介在物が増加し、かえって靭性が損なわれることから
、添加する場合はそれぞれの含有量を０．００１〜０．
２％とするのがよい。

本発明の鋼は、前述の成分のほか、残部はＦｅと不可避
不純物である。不純物として代表的なものはＰとＳであ
り、これらはいずれも靭性、加工性、溶接性に有害な成
分であるので、Ｐについては０．０２５％以下、Ｓにつ
いては０．０１５％以下の範囲で、できるだけ少なくす
るのがよい。

本発明のフェライト系耐熱鋼は、通常、９５０°Ｃ以上
の焼ならし処理と７５０〜８００°Ｃの焼もどし処理に
より組織を焼もどしマルテンサイト又はベイナイトとし
て用いるのがよく、δ−フェライトを３０％以下に抑え
れば靭性および強度はより良好となる。また、９５０℃
以上の焼なまし処理によりα−フエライト＋炭化物の組
織として用いてもかまわない。

（実施例） 第１表に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶
解し、インゴットを１１５０〜９５０℃で鍛造して厚さ
２０簡の板とした。

ＡｌｌはＳＴＢ＾２５、Ｂ鋼は７Ｃｒ−ＩＭｏ鋼、Ｃｔ
ｊＡ〜１鋼は５Ｃｒ系をベースにＶ、Ｎｂを添加し、Ｃ
ｕ量を変化させた比較鋼、Ｊ鋼は既存の９Ｃｒ系として
最もクリープ強度の高いＡＳＴＭ　５Ａ２１３−Ｔ９１
鋼、Ｋ鋼〜Ｚ鋼は本発明鋼である。

Ａ鋼およびＢ綱は、９５０°ＣＸ１時間→空冷の後、７
５０℃×１時間→空冷の通常の熱処理を行った。

Ｊ鋼は、１０５０℃×１時間→空冷の後、７８０℃×１
時間→空冷の通常の熱処理を行った。Ｃ綱〜Ｉ鋼および
に綱〜Ｚ鋼は、１０５０°ＣＸ１時間→空冷の焼ならし
処理と、７５０℃×３時間→空冷の焼もどし処理を行っ
た。

これらの供試材より丸棒引張試験片（φ６ｍａＸＧＬ３
０ｍ　）を切り出し、常温および６００°Ｃにて引張試
験を行った。また、同じ丸棒引張試験片を切り出し、６
００°Ｃにて最長１０，０００時間程度のクリープ試験
を行った。さらに、１０１０Ｘ２５Ｘｔ２（ａの板状試
験片を切り出し、耐水蒸気酸化試験を行った。この試験
は、水蒸気中６５０℃Ｘ１００Ｏ時間の加速試験を行い
、スケール厚さを測定した。

第２表に試験結果をまとめて示す、また、第１図に６０
０℃×１０４時間クリープ破断強度を示す。

第２表および第１図に明らかなように、本発明鋼は、い
ずれも既存の５ＴＢＡ　２５（Ａ鋼）　、５ＴＢＡ　２
４鋼より高い強度を有し、しかもその強度は高Ｃｒ鋼で
あるＤＩＮ規格のＸ　２０ＣｒＭｏＷ　Ｖ　１２１鋼（
０，２Ｃ−１２Ｃｒ　−Ｉ　Ｍｏ−０，５Ｗ　−Ｖ　−
Ｎ）をも上回り、高Ｃｒ鋼では最も強度の高いＪ鋼（Ａ
ＳＴ阿Ｓ＾２１３−Ｔ９１）と同等もしくはそれ以上で
あることがわかる。これは、Ｍｏ、　Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ
等の成分と、ＣｕとＭｇの複合添加による相乗効果であ
る。

第２図に水蒸気酸化特性を示す、耐食性はＣｒ量で大き
く変化するが、ここでも本発明鋼は既存鋼に比べて大幅
な改善が認められる０本発明鋼は５ＴＢＡ　２５鯛より
高い耐酸化性を示し、その耐酸化性はＪ鯛（ＡＳＴＭ　
５Ａ２１３−Ｔ９１）と同等レベルである。

Ｃｕ単独添加の比較鋼でも改善効果はあるが、本発明鋼
には及ばない。

第３図に６００°Ｃでの引張破断伸びを示す、比較鋼の
Ｃｕ単独添加鯛は、伸びが３０％以下と極めて低く、Ｃ
ｕ添加による延性低下が顕著であるのに対し、本発明鋼
はＣｕとＭｇの複合添加により延性低下は全く見られな
い。

（以下、余白） （発明の効果） 以上説明したように、本発明鋼は従来の４〜７Ｃｒ鋼を
はるかに凌ぐ高温クリープ強度と耐酸化性ならびに高温
耐食性を有し、且つ靭性、加工性においても優れている
。このため、本発明鋼はボイラ、化学工業、原子力など
の分野における耐熱耐圧部材、例えば管、板、その他さ
まざまの形状の鍛造品等として従来の高Ｃｒ１ｇやオー
ステナイトステンレス調のような高価な材料に変えて使
用することができるので、経済的な実益も大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明鋼および比較鋼の６００℃×１０４時
間クリープ破断強度とＣｕの含有量との関係を示す図、 第２図は、同じ＜６５０°ＣＸｌ０”時間の水蒸気酸化
試験番こよるスケール厚さとＣｕの含有量との関係を示
す図、 第３図は、同じ＜６００°Ｃ引張破断伸びとＣｕの含有
量との関係を示す図、である。 第１図 Ｃｕ量（ｗｔ、％） 第２図 Ｃｕ量（ｗｔ、％） 第３図 Ｃｕ量（ｗｔ、％） 手続争ｍ正書（自発） １、事件の表示 平成２年特許願第２８８６５６号 ２発明の名称 耐酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼３、補正を
する者 事件との関係　　特許出願人 住所　　大阪布中央区北浜４丁目５番３３号名称　　（
２１１）住友金属工業株式会社４、代理人 ５、補正の対象

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２％、Ｓｉ：０．
   ７％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：０．８％以
   下、Ｃｒ：３．６〜７．８％、Ｖ：０．０１〜０．５％
   、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．
   ０５％、Ｃｕ：１．０〜２．５％、Ｍｇ：０．０００５
   〜０．５％、Ｎ：０．００５〜０．０７％を含み、更に
   、Ｍｏ：０．１〜１．５％およびＷ：０．２〜３％のう
   ちの１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不
   純物からなる耐酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱
   鋼。
2. （２）請求項（１）の成分に加えて更に、０．０００１
   〜０．０２重量％のＢを含有する耐酸化性に優れた高強
   度フェライト系耐熱鋼。
3. （３）請求項（１）の成分に加えて更に、それぞれ０．
   ０１〜０．２重量％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚ
   ｒおよびＴａからなる群から選択した１種以上を含有す
   る耐酸化性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
4. （４）請求項（１）の成分に加えて更に、０．０００１
   〜０．０２重量％のＢと、それぞれ０．０１〜０．２重
   量％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴａか
   らなる群から選択した１種以上を含有する耐酸化性に優
   れた高強度フェライト系耐熱鋼。