JPH0426737A

JPH0426737A - 酸化物分散強化型フェライト鋼

Info

Publication number: JPH0426737A
Application number: JP13233090A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hirano; 平野　奨; Hiroshi Teranishi; 寺西　洋志
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1992-01-29
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JP2692340B2

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、酸化物分散強化型フェライト鋼、特に機械的
合金化により微細酸化物の平均粒径を制御することによ
り、押出加工等の強加工を行っても変形集合組織が発達
しにくく、押出方向等の加工方向（１４）の６５０°Ｃ
Ｘｌ０’ｈｒクリ一プ破断強度が２５ｋｇｆ／ｍｍ２以
上で、このときの直角方向（Ｔ）　との強度比（Ｔ／Ｌ
）が７０％以上である酸化物分散強化型フェライト鋼に
関する。かかる鋼は、押出製品とした場合にもクリープ
破断強度の異方性が小さく、加熱炉、ボイラ、内燃機関
、・タービン等、高温下で使用される材料として有望で
ある。

（従来の技術）近年、技術が高度化し厳しい使用条件での仕様が求めら
れるに伴って益々高温に耐え、しかもすぐれた耐食性を
只備した材料への要求が高まっている。こうした要求に
答える材料の一つとして有望視されている合金は、分散
強化型合金である。

この分散強化型合金、とりわけ酸化物分散強化型合金は
、マトリックス中に微細な不活性粒子が均一分散された
材料であり、マトリックス合金の融点に近い温度まで存
用な強度を示し得る。

分散強化型合金の最も一般的な製造方法は、金属粉末と
硬質微粒子（酸化物、炭化物、窒化物等）を高エネルギ
ーボールミル中で強力に粉砕混合する機械的合金化法で
ある。このような合金化プロセスは、特公昭５０−３７
６３１号公報にすでに開示される。

次いで、このように機械的合金化法によって製造された
分散強化型合金粉末は、鋼製のカプセルに真空封入され
焼結されるが、構造部材を製造するに際しては、さらに
焼結後あるいは焼結と同時に行われる押出、圧延等の加
工工程が不可欠である。

しかし、一般に金属材料が加工に際して大きな歪を受け
るとき、その材料には「変形集合組織」が生ずる。すな
わち、材料の結晶粒は特定の結晶学的方位が加工方向に
平行に整列するように配向される。このような変形集合
組織は、通常、その後の加工や熱処理によって軽減され
得るが、材料がランダムな結晶配向を完全に回復するこ
とはめったにない。とりわけ酸化物分散強化型合金は、
再結晶温度が非常に高く、１１００°Ｃ以上になること
もあるため、通常の熱処理により変形集合組織を元に回
復させることは非常に難しい。

ここに、結晶配向は材料の物理的性質の方向性に影啓を
与えることから、高温度で変形応力を受ける状況下で使
用される材料であってこのような組織を持つ材料では、
加工方向に垂直な方向の強度、特にクリープ破断強度が
、加工方向から予想される強度よりも著しく劣るという
問題（これをクリープ破断強度の異方性と呼ぶこととす
る）が予想され、このような異方性を持たない酸化物分
散強化型合金を開発する必要がある。

ところで、このような酸化物分散強化型合金のうち酸化
物分散強化型フェライ１−鋼としては、特公昭６０−８
２９６号公報、特開昭６３−５０４４８号公報、特開昭
６３−１８６８５３号公報に見られるが、強加工時に見
られる変形集合組織に対する注意が払われておらず、ク
リープ破断強度の著しい異方性を示す成分（Ｔｉ）ある
いは強度の低下を招く成分（Ｓｉ、八Ｑ）が多量に含ま
れる。

例えば、特公昭６０−８２９６号公報に開示される鋼で
は強度重視のため、Ｍｏ、　ＴｉおよびＹ２Ｏ３がそれ
ぞれ２％までと添加量が多く、特にＴｉは実施例で０．
５％超と多く、むしろ異方性が助長されると考えられる
。また、ＳｉがＴｉと同じ作用を有するとして２％まで
の配合が許容されると述べているが、本発明者らの研究
ではそのような作用は見いだされず、むしろＳｉの積極
的配合は機械的合金化を阻害し、分散粒子径を増大させ
強度を低下させることが判明した。

特開昭６３−５０４４８号公報では耐酸化性と耐食性向
上のために５〜６．２５％のＡｌを必須成分として含有
するとともに、酸化物分散粒子を比較的多量に配合され
ている鋼が開示されている。酸化物分散粒子の配合量が
比較的多く、しかもＡｌがかなり多量に必須成分として
含有されていることから、分散粒子径を増大させ所望の
強度が得られない。

特開昭６３−１８６８５３号公報では、強度向上のため
に０．５〜３．０％のＷ必須含有のへＱ、Ｔｉ非含を鋼
が開示され、かつＹ２Ｏ３が５％まで許容され、比較的
添加量が多く、この場合にあってもクリープ破断強度の
異方性が助長される。またＴｉが必須でなく、Ｓｉも１
％まで（実施例：　０．１１〜０．９２％）と多いため
十分な強度が得られない恐れがある。

（発明が解決しようとする課題）かくして、本発明の目的は、強加工時にあっても変形集
合組織の発達しにくく、押出方向等の加工方向（１，）
の６５０°Ｃ×１０″ｈｒクリープ破断強度が２５Ｊｆ
／ｍｍ２以上で、このときの直角方向（Ｔ）との強度比
（Ｔ／］、）が７０％以上である酸化物分散強化型フェ
ライト鋼を提供することである。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明者らは、分散強化型合
金の高温強度の異方性に及ぼず集合組織の影響について
鋭意研究を重ねた。

第１図は、ｌＮＣ０社のＭＡ９５７鋼（公称成分：Ｆｅ
４４Ｃｒ−ＩＴｉ−０，３Ｍｏ−０，２５ＹｚＯ：＋）
の、ａニ一方向に加工度７０％で圧延した後、さらにそ
の直角方向に加工度５０％で圧延したり「１ス圧延材、
ｂ：押出材（押出比・＝５）、Ｃ：押出材（押出比−１
５）について、長手方向（ｌ、）とその直角方向（Ｔ）
の６５０°ＣＸ　１０００ｈクリープ破断強度と＜１１
０＞方位の応力軸への集積度との関係を調べたものであ
る。

図中、波線で示すごとく酸化物分散強化型フェライト鋼
は、応力軸に＜１１０＞方位を集積させると強度が増加
することが判明した。しかし、その直角方向（Ｔ）のｄ
ｌｏ＞方位の集積度が小さいとクリープ破断強度の異方
性が顕著となる。例えば、第１図の押出材（Ｃ）の場合
、Ｌ方向の積分強度は１７で、クリープ破断強度が３１
ｋｇｆ／ｍｍ２以上を示しているのに対して、Ｔ方向の
積分強度は０．３で、クリープ破断強度も］］、ｋｇｆ
ノ１２程度しかなく、強度差が約２０ｋｇｆ／ｍｍ２　
もあり、その割合（Ｔ／Ｌ）は３５％である。

ここで、「集積する」とは、ある結晶方位のＸ線積分強
度を供試材の応力軸に沿って測定したとき（１）に、粉
末試料のような無秩序ザンブルから得られるもの（ｌｏ
）の５倍を越える軸密度（１／Ｉｏ）を持つことを意味
する。

本発明者らは、以上のような知見に基づき、クリープ強
度の異方性と変形集合組織との相関に着目して、スピニ
ング加工仕」二を行うことによって不利な変形集合組織
を減少させクリープ破断強度の異方性を減少させる加工
法を提案しく特願平１２Ｂ４２９４号）、さらに直角方
向にも＜１１０＞方位を発達させることによりクリープ
破断強度の異方性を減少させる加工法を提案した（特願
平２−３７６８７号）。

そごで、今度は本発明者らは、同じく前述の目的達成の
ために化学成分の分散粒子径と変形集合組織に及ぼず影
響について検耐した。その結果、機械的合金化後の酸化
物分散粒子の平均粒径が８０人より小さいか、過剰量の
Ｔｉが存在すると押出加工時に結晶の回転および転位な
らびに粒界の移動を拘束し、変形集合組織を助長し、ま
た分散粒子の平均粒径が１５０人より大きいと所望の強
度が得られないことが判明した。そこで分散酸化物粒子
の配合量を０．１〜０．４％に制限するとともに、０．
０１〜０．０５％のＣおよび０．０２％以下のＳｊの存
在下でＴｉ、必要によりさらにＡｌを少量配合するごと
により分散酸化物（Ｙｚ（ｈの複合酸化物）の平均粒子
径の制御を図ることができ、それにより例えば押出加工
材の任意の方向に対して＜１１０＞方位のＸ線積分強度
が０．８〜５となり、所望の強度を有し、かつクリープ
破断強度の異方性が非常に小さい酸化物分散強化型鋼が
得られることを知り本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨とするところは、重量％でＣ：０．０１〜０．０５％、　　Ｓｉ：　０．０２％以
下、Ｃｒ：３〜２５％、　　　　　Ｔｉ：　０．１〜０
．５％、Ｙ２Ｏ３：　ｏ、１〜０．４％、さらに必要に
よりＡｌ：２〜４％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、機械的合金化後の分散粒子の平均粒径が８０
〜１５０人であることを特徴とする変形集合組織の発達
しにくい酸化物分散強化型フェライト鋼である。

（作用）次に、合金成分の限定理由について述べるが、以下の説
明にあって特にことわりがなければ、「％」は重量％で
ある。

本発明の特徴は、機械的合金化後の分散粒子径に及ぼす
各元素の役割を明らかにし、さらに引続き行われる押出
工程後の変形集合組織に及ぼず影響から成分限定を行っ
た。

Ｓｉ：　Ｓｉを添加すると、機械的合金化時にボールミ
ル内面への金属粉の付着が起こり機械的合金化を著しく
阻害し、分子ｉｋ粒子の微細化を妨げ、その粒径が１５
０Å以下とならず強度が低下する。このため、０．０２
に以下とする。特に本発明では、強度改善寄与の大きい
Ｔｉ含有量を、特にクリープ破断強度の異方性改善の観
点から制限しているためＳｉ含有量を０．０２％以下に
制限することは重要である。

Ｃｒ：耐酸化性の点から用途に応じた景だけ添加される
が、３％未満では不十分で、２５％を越えると延性、靭
性が劣化する。

Ｔｉ；機械的合金化工程において、Ｙ２Ｏ３と作用しＹ
２ＴｉｚＯ７等の複合酸化物を形成しながら微細分散粒
子となり、高温強度の改善に寄与する。０．１％未満で
は不」−分で、１％程度までの添加が強度改善には寄与
するが、過剰なＴｉおよび８０人より小さい分散粒子は
変形時の結晶の回転および転位ならびに粒界の移動を拘
束し、変形集合組織の生成を助長するため、０．５％以
下とした。

Ｃ：上記Ｔｉの効果を更に一層高めるために添加される
。Ｔ＋含有鋼の機械的合金化工程において、Ｔｉに作用
しＹ２Ｏ３の微細化に寄与し強度を改善する。

この作用はまだ完全には理解されていないが、ＴｉＣお
よび複合酸化物の形成にある種の平衡関係があるためと
考えられる。特に本発明では、強度改善に大きい影響を
有するＴｉ含有量を、前述のように変形集合組織の生成
を抑制するために制限していることから、この効果が重
要であるが、０．０１％未満では不十分で、一方、０．
０５％超となるとＣｒ炭化物のような不要な炭化物を生
成し、靭性、耐食性を劣化させる。したがって、Ｃは０
．０１〜０．０５％に制限する。

Ｙｚ（１１：機械的合金化により微細分散し強度改善に
寄与する。ＴｉやＡｌが存在すると機械的合金化に際し
て、Ｙｄｉ２０７、ＹｚＡｌｚＯｂ等の複合酸化物を形
成し、微細化する。０．１％未満では不十分で、０．４
％を超えると延性が劣化し加工性が低下するとともに、
過剰な量の分散粒子が存在すると変形時に結晶の回転お
よび転位ならびに粒界の移動を拘束し、変形集合組織を
助長する。本発明では微細分散した粒子の平均粒径は、
機械的合金化後に８０〜１５０人である。

なお、入手可能なＹ２Ｏ３の配合時の粒径は通常１５０
〜８００人のものである。

Ａ（ｌ耐食性を高めるため、必要に応じて添加する。ま
た、Ｆｅに対する固溶量が大きいため機械的合金化を促
進する効果もある。Ａｌは添加する場合、２％未満では
不十分で、４％を超えるとマトリックスの高温強度を低
下させ、また分散粒子径を増大させる。その結果得られ
た酸化物分散強化型鋼の高温強度も低下する。次いで、
このようにして配合された原料粉末は機械的合金化処理
を受りるが、そのときの操作、条件は慣用のものであっ
てよい。また、機械的合金化によって得られた粉末は、
その後、適宜加工手段、一般には熱間押出し、あるいは
熱間圧延によって焼結成形が行われるが、本発明にあっ
てはそのときの操作、条件も特に制限されず、慣用のも
のであればよい。しかし、本発明によれば、例えば押出
比−１５という強加工を行っても変形集合組織はみられ
ない。

次に、本発明をその実施例によって説明する。

実施例平均粉末粒径が２００ｐ以下の元素粉あるいはガスアト
マイズ台金粉と平均粒径３００人のＹ２Ｏ３微粉末を目
的組成に調合し、高エネルギーボールミル（アトライタ
ー）中に装荷し、Ａｒ雰囲気中で攪拌混合し機械的合金
化を行った。アトライターの回転数は２００ｒｐｍ、攪
拌時間は４８ｈであった。得られた合金粉末をステンレ
ス鋼製のカプセルに真空封入し、１１００°Ｃにて押出
比８で熱間押出し、３０ｍｍφＸ　１０００ｍｍ　ｌの
押出棒を作製した。これに１０００°Ｃ×Ｉｈ−→空冷
の歪取り焼鈍を施し供試材とした。第２図に示すように
、押出棒の押出方向（Ｌ）および直径方向（Ｔ）から、
平行部が５１１ＩＩＩｌφＸ　１０ｍｍ　ｌの試験片を
切り出し、６５０°Ｃクリープ破断試験を行った。また
、それぞれの応力軸の＜１１０＞　Ｘ線積分強度を測定
した。またさらに、分散粒子の平均粒径は、機械的合金
化後の粉末から抽出レプリカを採取して測定した。

押出棒の化学成分および試験結果を第１表に示すがＡ−
Ｅは本発明鋼であり、Ｆ−には比較鋼である。表からも
明らかなように、本発明鋼の■７方向の６５０’ＣＸ　
ｌ０００ｈクリ一プ破断強度は２５ｋｇｆ／ｍｍ２以上
を示し、Ｔ方向との比（Ｔ／Ｌ）も７０％以上と異方性
も小さい。

第３図にはＴｉｉと６５０°ＣＸ　］０ＯＯｈｒクリー
プ破断強度との関係（同図（ａ））およびそのときの異
方性との関係（同図Ｑ）））を示すが、図から明らかな
ように、Ｔｉを添加しないと所望の強度が得られないが
、０．５％を超えると異方性が大きくなることが判る。

また、第４図にはＡｌ量と６５０°ｃ　Ｘ　］０ＯＯｈ
ｒクリープ破断強度との関係（同図（ａ））およびその
ときの異方性との関係（同図（ｂ））を示すが、図から
明らかなように、八Ｑの添加量が４％を超えると所望の
強度が得られないことが判る。

また更に、第５図には機械的合金化後粉末中の分散粒子
径と６５０°ＣＸ　１０００ｈｒクリープ破断強度との
関係（同図（ａ））およびそのときの異方性との関係（
同図（ｂ））を示すが、図から明らかなように、分散粒
子径が１５０人より大きいと所望の強度が得られず、８
０人未満および分散粒子径が８０〜１５０人の本発明範
囲内でもＴｉ量が０．５％を超えると異方性の大きいこ
とが判る。

第６図には本発明鋼Ｃと比較鋼Ｈの６５０°Ｃクリプ破
断試験結果を示すが、比較鋼ＨのＴ方向の強度が時間と
ともに大きく低下しており、実用上憂慮される。

（発明の効果）本発明によると、押出時のような強加工時に変形集合組
織の発達しにくく、押出方向等の加工方向（１２）の６
５０°ＣＸ］０３ｈｒクリープ破断強度が２５ｋｇｆ／
ｌｌｌｍ２以上で、このときの直角方向（Ｔ）との強度
比（Ｔ／Ｉ、）が７０％以上である酸化物分散強化型鋼
が得ることができ、かかる鋼は、高強度でかつクリープ
破断強度の異方性が小さく、加熱炉、ボイラ、内燃機関
、タービン等、高温下で使用される材料として有望であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＭＡ９５７　ｗＡニツイＴ、６５０　’ＣＸ
１０００ｈクリープ破断強度の異方性と＜１１０＞方位
の応力軸への集積度を調べた結果を示すグラフ；第２図
は、試験片の採取方向およびＸ線測定方向を示す説明図
：および第３図は、Ｔｉｆｉと強度の関係を示す図で、同図（ａ
）は６５０°ＣＸ　１０００ｈｒクリープ破断強度との
関係図、同図（ｂ）はそのときの異方性との関係図第４
図は、ＡｌＨと強度との関係を示す図で、同図（ａ）は
６５０　’ＣＸ１０００ｈｒクリープ破断強度との関係
図、同図部）はそのときの異方性との関係図；第５図は
、機械的合金化後の粉末中の分散粒子径と強度との関係
を示す図で、同図（ａ）は６５０’ＣＸ１０００ｈｒク
リ一プ破断強度との関係図、同図（ｂ）はそのときの異
方性上の関係図；および第６図は、本発明鋼Ｃと比較ｍＨの６５０　’Ｃクリー
プ破断試験結果を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＣ：０．０１〜０．０５％、Ｓｉ：０．０２％以下、Ｃ
ｒ：３〜２５％、Ｔｉ：０．１〜０．５％、Ｙ＿２Ｏ＿
３：０．１〜０．４％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、機械的合金化後の分散粒子の平均粒径が８０
〜１５０Åであることを特徴とする変形集合組織の発達
しにくい酸化物分散強化型フェライト鋼。
（２）重量％でＡｌ：２〜４％をさらに含む請求項１記載の酸化物分散強化型フェライ
ト鋼。