JPH055891B2

JPH055891B2 -

Info

Publication number: JPH055891B2
Application number: JP60226993A
Authority: JP
Inventors: Fujimitsu Masuyama; Takashi Ooguro; Toshio Haneda; Kunihiko Yoshikawa; Hiroshi Teranishi; Atsuro Iseda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1985-10-14
Publication date: 1993-01-25
Also published as: JPS6289842A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は高温高圧下で使用される蒸気発生器、
ボイラ等の熱交換器用鋼など、特に、メタル温度
600℃以上の高温環境での使用を考慮した高温用
高クロムフエライト鋼に関する。（従来の技術）ボイラの加熱器管、再熱器管あるいは原子力
用、化学工業用の熱交換器等に用いる耐熱鋼は高
温強度、耐食性、靱性に加え、加工性、溶接性の
優れた材料が要求される。これらの用途に供され
る鋼としては、(1)オーステナイト系ステンレス
鋼、(2)２ 1/4Cr−1Mo鋼など低合鋼金および(3)
9Cr−1Mo鋼に代表される高クロムフエライト鋼
がある。中でも高クロムフエライト鋼は高温腐食
及び応力腐食が生じにくいこと、安価であるなど
の利点を有しており、また、Cr量を高くし、耐
酸化性を改善していることから600℃以上での使
用が困難な低合金鋼に代つて高温用部材に使用さ
れている。高温強度の優れた高Cr鋼としては9Cr
−1Mo鋼（STBA26）、改良9Cr鋼（ASTM
A213T91）、12Cr−1Mo（鋼（DIN X20Cr Mo
WV121）などが代表例である。また、本発明者
らが開発した９〜12Cr鋼（特公昭57−36341、特
開昭55−110758及び特開昭58−181849）がある。
一方、近年、ボイラの高温高圧化に伴う使用温度
の上昇とコスト低減のためにメタル温度550〜650
℃の高温部材に高Crフエライト鋼が使用されつ
つある。このような高温での使用に際しては長時間クリ
ープ強度と組織の安定な材料が必要である。一般
に、フエライト鋼の熱処理としては焼ならし焼戻
し処理が行なわれるが、熱交換器用材料の場合、
焼もどし処理は通例としてAc₁よりも約30〜50℃
以上低く、かつ使用温度より約150℃以上高い温
度で行なわれてきた。これは組織を安定な焼戻し
マルテンサイトとし、高温・長時間クリープ強度
を安定化させるためである。焼もどし温度が低い
場合は短時間のクリープ強度は高くなるものの、
長時間側で組織の再結晶化をともなつた、強度の
急な定価を生じる場合があることが知られてい
る。 12Cr鋼の高温強度を安定化させるためには焼
もどし温度は800℃以上が望ましいが、従来鋼の
場合、Ac₁変態点は800℃前後であり、実際の生
産ラインでは加熱炉の温度変動を考慮すると800
℃以上の高温での焼もどしはできない。 Ac₁点を下げるのはＣ、Mn、Ni、Ｎのような
オーステナイト安定化元素の作用であるが、従来
鋼では強度、靱性の面から好ましくないδフエラ
イトを抑制するために、これらの元素を積極的に
添加する場合が多い。また、従来はAc₁点を考慮した成分設計はほと
んど行なわれていなかつた。（発明が解決しようとする問題点）そこで本発明は、高温強度は従来鋼に劣らず、
かつ使用温度600℃以上を考慮した高温焼もどし
処理が可能なAc₁点の高い高クロムフエライト鋼
を提供しようとするものである。（問題点を解決するための手段）本発明は、Ｃ：0.05〜0.15％、Si：0.1％を超
え、１％以下、Mn：0.2〜１％、Ｐ：0.025％以
下、Ｓ：0.015％以下、Ni：0.8％以下、Cr：８〜
13％、Mo：0.5〜３％、Ｗ：0.5〜３％、Ｖ：0.1
〜0.5％、Nb：0.01％以上、0.05％未満、Al：
0.005〜0.04％、Ｎ：0.02〜0.07％、更に0.01〜0.2
％のCa、Ti、Zr、Ｙ、La、Ceのうちの１種又は
２種以上、又は更にＢ：0.001〜0.02％を含み、
残部は鉄及び不可避的不純物から成り、下記式
（重量％）によつて計算されるAc₁が850℃以上、 Ac₁＝765−500C−450N＋30Si−25Mn＋25Mo＋15W＋11Cr
＋50V＋30Nb−30Ni＋30Al…… かつ下記式により計算されるCr当量が17以
下、 Cr当量＝Cr−40C−30N＋6Si−2Mn＋4Mo＋1.5W＋11V＋5N
b−4Ni＋12Al…… である高温用高クロムフエライト鋼である。以下に本発明鋼の各条件限定理由について詳細
に説明する。まず、本発明の特徴であるAc₁温度の限定は従
来全く規定されていなかつたものである。 Ac₁を求める式は本発明者らの実験により得
られたものである。γ変態を生じず、かつ800℃
以上の高温焼もどしを行なうために、熱処理の際
の温度変動を考慮して、Ac₁は850℃以上とした。次にCr当量の規定は生成するδ−フエライト
量を限定するためである。式に求められるAc₁
を850℃以上とする成分系では、δ−フエライト
量がかなり多くなることがある。δ−フエライト
量が適量存在する場合、溶接性と加工性が改善さ
れるが、多量に存在する場合は強度と靱性をそこ
なう。そこで、一般に用いられている式で求め
られるCr当量を17以下に限定することにより、
強度、靱性を劣化させない成分系を得ることがで
きた。さらに、成分限定理由を以下に示す。Ｃ；Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Nbと結合して炭化物を
形成し、高温クリープ強度を高めるが0.05％未
満では組織がフエライト化し、靱性と強度が不
足する。一方、0.15％を超えるとAc₁が著しく
低下し、また炭化物量が増えて硬化し、加工
性、溶接性が悪くなる。従つて、0.05〜0.15％
とした。 Si；脱酸剤として添加され、耐水蒸気酸化特性を
高める元素であるが、１％を超えると靱性が低
下し、クリープ強度にも有害である。また、
0.1％以下では十分な耐水蒸気酸化特性が得ら
れない。従つて、0.1％超え、１％以下とした。 Mn；熱間加工性を改善し、組織の安定化に有効
であるが、0.2％未満では効果が得られず、ま
た１％を超える場合、硬化相が形成され、靱性
を損うことから0.2〜１％とした。Ｐ、Ｓ；いずれ靱性、加工性、溶接性に有害な不
純物元素である。不可避な含有量として上限を
定め、Ｐは0.025％以下、Ｓは0.015％以下とし
た。 Ni；オーステナイト安定化元素としてマルテン
サイト組織を安定にするが、0.8％を超えると
クリープ強度を損う。従つて、0.8％以下とし
た。 Cr；基本成分の一つとして耐酸化性の点から不
可欠であるが、８％未満では良好な耐酸化性が
得られず、また13％を超えて添加すると、δ−
フエライトが増加して強度と靱性をそこなう。
従つて８〜13％とした。 Mo；クリープ強度の向上に有効であるが、0.5％
未満では十分な効果が得られず、３％を超える
と高温で、金属間化合物が析出し、靱性が低下
するだけでなく、強度に対しても効果がなくな
る。従つて、0.5〜3.0％とした。Ｗ；Moと同様にクリープ強度の向上に有効であ
るが、0.5％未満では十分な効果が得られず、
３％を超える添加に対しては効果がなくなる。
従つて、0.5〜0.3％とした。ＷはMoに比べ原
子サイズが大きく拡散が遅いため高温クリープ
に極めて有効な固溶強化元素であり、また炭化
物中に固溶して粗大化を抑制し、クリープ強度
の安定化に寄与するが、Ｗ単独よりもむしろ
Moと複合添加する場合に効果を発揮する。さ
らにＷはMoに比べδ−フエライト生成傾向が
低く、Mo当量を1/2Ｗ＋Moと考えた場合でも
Mo単独より複合添加の方がδ−フエライト量
を低くおさえ、強度および靱性の点で有利であ
る。Ｖ；Ｃ、Ｎと結合してＶ（Ｃ、Ｎ）の微細析出物
を形成し、この析出物は高温において長時間安
定で主に長時間クリープ強度を高めることに寄
与する。0.1％未満では十分な効果が得られず、
0.5％を超えると固溶Ｖが増加し、かえつてク
リープ強度は低下する。従つて0.1〜0.5％とし
た。 Nb；Ｖと同様にＣ、Ｎと結合して、Nb（Ｃ、Ｎ）
の微細析出物を形成し、クリープ強度に寄与す
る。Nbは短時間クリープ強度には有効である
が過剰添加では長時間側でNb（Ｃ、Ｎ）が粗大
化しやすく強度を下げる。さらにNbは未固溶
NbCとして焼ならし中のオーステナイト粒微
細化に有効で靱性改善に寄与する点がＶにない
効果である。0.01％未満では効果が得られず、
0.05％超えては焼ならし処理で未固溶析出物と
して多量に残存し、強度が低下する。従つて、
0.01％以上、0.05％未満とした。 Al；脱酸剤として添加されるが、0.04％を超える
場合、クリープ強度を損う。また、0.005％未
満では脱酸が不十分となり、強度、靱性を損う
ばかりか、溶接性、クリープ強度が低下する。
従つて、0.005〜0.04％とした。Ｎ；Ｖ、Nbと結合し、炭窒化物としてクリープ
強度向上に寄与するが、0.02％未満では効果が
なく、0.07％超えては加工性、溶接性が低下す
る。従つて、0.02〜0.07％とした。Ｂ；微量添加により、炭化物を分散、安定化させ
る効果がある。0.001％未満では効果が小さく、
0.02％以上では溶接性を損うことから、0.001
〜0.02％の範囲が好ましい。 Ca、Ti、Zr、Ｙ、La、Ce：これらの元素は、介
在物の形態制御を目駅として単独は複合で微量
添加される。これらはそれぞれを0.01％以上添
加することによつて、不純物であるＯ、Ｐ、Ｓ
を清浄化し、強度と靱性を改善できる。特に、
クリープ強度に対してもこれらの元素の添加が
有効である。しかし、それぞれ0.2％を超える
と介在物が増加し、かえつて靱性を損うことか
らその添加量をそれぞれ0.01〜0.2％の範囲と
した。表１に供試鋼の化学成分を示す。表１中、Ａ〜
Ｊは比較鋼、０〜29は本発明鋼であり、比較鋼の
うち、Ａ鋼はJIS−STBA26、Ｂ鋼は火力原子力
発電技術協会規格のマル火STBA27、Ｃ鋼は従
来の既存鋼として最も強度の高いASTM−
SA213−T91、Ｄ鋼はDIN−X20CrMoV121であ
る。これらの鋼は、何れも容量50Kgの真空溶解炉で
溶解し、鋼塊を1150〜950℃で鍛造して厚さ20mm
の板とした。次いで、Ａ、Ｂの両鋼は通常処理として950℃
×1h・ACの焼ならし後750℃×1h・ACの焼もど
しを行つた。また、Ｖ又はＶとNbを含有するＣ、
Ｄ、ＥおよびＦの各鋼は1050℃×1h・ACの焼な
らし後、780℃×1h・ACの焼もどしを行つた。
更に、他の比較鋼Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊおよび本発明鋼
０〜29については1050℃×1h・ACの焼ならし
後、810〜830℃×0.5h・ACの高温短時間焼もど
しを行つた。引張試験およびクリープ試験には、板の長手方
向より直径６mm×Ｇ・L30mmの単軸丸棒試験片を
採取して用いた。クリープ試験は600℃において最長60000h程度
の長時間破断試験を行い600℃×50000hクリープ
破断強度を求めて比較した。また、650℃×５Kg
ｆ／mm²におけるクリープ破断試験を行つて、破断
強度を比較した。表２に試験結果を示す。また、第１図にAc₁変
態温度と650℃×８Kgｆ／mm²クリープ破断時間と
の関係を、第２図にAc₁変態温度と600℃×
50000hクリープ破断強度との関係をそれぞれ示
す。２表から明らかなように、本発明鋼の常温引張
強さは高温焼もどしであるために比較鋼より若干
低目となるが、延性は良好な常温加工性に優れて
いる。また、650℃での引張強さは比較鋼と同等
である。次に、650℃×８Kgｆ／mm²クリープ破断時間お
よび実用温度に近い600℃×50000hクリープ破断
強度のいずれも、比較鋼に比べて本発明鋼が優れ
ており、特に長時間クリープ破断強度に優れてい
る。特定の成分組成範囲を満足し、且つAc₁点が
850℃以上、Cr当量が17以下になるように成分調
整を行つた本発明鋼の利点を以下に示す。

【表】

【表】 (1) 600℃以上の高温環境での使用に対して、組
織と強度を安定化させる800℃以上での高温焼
もどしが可能である。 (2) 従来鋼の焼もどし処理に比べ高温、短時間処
理が可能である。 (3) 830℃程度の未変態加熱軟化処理による熱間
加工が可能でSR（応力除去焼鈍）省略も可能で
ある。また、常温強度が低目であり、延性が高
目であるため常温での加工、例えば曲げ加工性
が優れている。 (4) 従来鋼の場合、組織安定化（マルテンサイト
の焼もどし）のため800℃以下で1h以上の長時
間焼もどしが必要であつたが、本発明鋼では
800℃以上で1h以内の短時間熱処理が可能であ
る。 (5) 従来鋼の場合、Ac₁が低いために800℃以上
での高温焼もどしができず、600℃以上での長
時間使用に対して、組織、強度が不安定であつ
たが、本発明鋼の場合、600℃以上の高温長時
間使用でも組織、強度が安定している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と比較鋼のクリープ破断時間
をAc₁変態点別に示した図表、第２図は本発明鋼
と比較鋼の長時間クリープ破断強度をAc₁変態点
別に示した図表である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Si：0.1超え、
１％以下、Mn：0.2〜１％、Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.015％以下、Ni：0.8％以下、Cr：８〜13
％、Mo：0.5〜３％、Ｗ：0.5〜３％、Ｖ：0.1〜
0.5％、Nb：0.01％以上、0.05％未満、Al：0.005
〜0.04％、Ｎ：0.02〜0.07％を含み、更に0.01〜
0.2％のCa、Ti、Zr、Ｙ、La、Ceの１種又は２
種以上を含み、残部は鉄および不可避的不純物か
ら成り、下記式によつて計算されるAc₁が850
℃以上、かつ下記式によつて計算されるCr当
量が17以下であることを特徴とする高温用クロム
フエライト鋼。 Ac₁＝765−500C−450N＋30Si−25Mn＋25Mo＋15W＋11Cr
＋50V＋30Nb−30Ni＋30Al…… Cr当量＝Cr−40C−30N＋6Si−2Mn＋4Mo＋1.5W＋11V＋5N
b−4Ni＋12Al…… 但し、両式中の元素記号はその含有重量％値。２重量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Si：0.1％超
え、１％以下、Mn：0.2〜１％、Ｐ：0.025％以
下、Ｓ：0.015％以下、Ni：0.8％以下、Cr：８〜
13％、Mo：0.5〜３％、Ｗ：0.5〜３％、Ｖ：0.1
〜0.5％、Nb：0.01％以上、0.05％未満、Al：
0.005〜0.04％、Ｎ：0.02〜0.07％、Ｂ：0.001〜
0.02％を含み、更に0.01〜0.2％のCa、Ti、Zr、
Ｙ、La、Ceの１種又は２種以上を含み、残部は
鉄および不可避的不純物から成り、下記式によ
つて計算されるAc₁が850℃以上、かつ下記式
によつて計算されるCr当量が17以下であること
を特徴とする高温用クロムフエライト鋼。 Ac₁＝765−500C−450N＋30Si−25Mn＋25Mo＋15W＋11Cr
＋50V＋30Nb−30Ni＋30Al…… Cr当量＝Cr−40C−30N＋6Si−2Mn＋4Mo＋1.5W＋11V＋5N
b−4Ni＋12Al…… 但し、両式中の元素記号はその含有重量％値。