JPH06293940A

JPH06293940A - 高温延性および高温強度に優れた高Ｃｒフェライト鋼

Info

Publication number: JPH06293940A
Application number: JP5081680A
Authority: JP
Inventors: Hideki Takabe; 秀樹高部; Yoshiatsu Sawaragi; 義淳椹木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-21
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JP3387145B2; EP0705909A1

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた高温特性の高Crフェライト鋼の提供。【構成】(1) Ｃ：0.02〜0.15％、Si： 0.5％以下、Mn：
0.1〜1.5 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.015 ％以下、
Ｏ：0.005 ％以下、Cr：８〜14％、Ｖ： 0.1〜0.3 ％、
Nb：0.01〜0.2 ％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、Al：0.05％以
下、Ｂ： 0.001〜0.02％、Cu：0.05〜3.0 ％およびCo：
1.0〜5.0 ％、さらにMo：0.01〜1.2 ％およびＷ： 0.8
〜3.5 ％の１種または２種を含有し、上記CuとCoの含有
量が (Cu／Co) ≦2.0 の関係式を満足する高温延性およ
び高温強度に優れた高Crフェライト鋼。 (2)上記(1) の成分に加えて更に、重量％で、Ni： 0.1
〜1.5 ％を含有し、Ni、CuおよびCoの含有量が〔Cu／(
Co＋Ni )〕≦2.0 の関係式を満足する高温延性および高
温強度に優れた高Crフェライト鋼。【効果】本発明鋼は、CuとCoを、またはさらにNiを適切
なバランスで複合して含有させることによって、Cu添加
の効果を損なうことなく、長時間の高温クリープ破断延
性および強度を向上させた高Crフェライト鋼である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ボイラ、化学工業等
の分野で高温での耐熱、耐圧部材として使用するのに好
適な、クリープ破断強度が高く、クリープ破断延性（伸
び、絞り）に優れた高Crフェライト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、化学工業用等の熱交換器管や耐
熱、耐圧配管等に使用される耐熱鋼は、高温強度、耐食
・耐酸化性、靱性とともに加工性、溶接性に優れ、さら
に安価で経済性にも優れていることが要求される。

【０００３】従来、上記の用途に用いられる材料として
は、オーステナイトステンレス鋼、２・1/4 Cr−１Mo鋼
などの低合金鋼、９〜12Cr系の高Crフェライト鋼があ
る。中でも高Crフェライト鋼は低合金鋼に比べ、 500〜
650 ℃の温度において強度、耐食・耐酸化性に優れ、ま
たオーステナイトステンレス鋼と比較すると、熱膨張係
数が小さいことから耐熱疲労特性に優れているととも
に、応力腐食割れを起こさず、さらに安価であるという
利点を有している。

【０００４】高Crフェライト鋼の既存鋼としては、９Cr
−１Mo鋼 (JIS STBA26) 、改良９Cr−１Mo鋼(ASTM SA21
3 T91)および12Cr−１Mo鋼(DIN X20CrMoV121) などがあ
る。

【０００５】さらに、 600℃以上での高温耐酸化性を高
めるため、上記９〜12％Cr鋼にCuを添加した鋼がある
（本発明者らによる特開平２−232345号公報、特開平３
−97832 号公報参照) 。

【０００６】これらの鋼ではCu添加により、上記の耐酸
化性改善に加え、次の〜のような効果がもたらされ
る。すなわち、靱性に悪影響を及ぼすδ−フェライト
が抑制される、 Ac₁変態点の低下を抑制するので高温
焼戻しが可能となり、長時間の使用でも安定したクリー
プ強度が得られる、ＨＡＺ（溶接熱影響部）軟化が抑
制される等である。

【０００７】また、高Crフェライト系耐熱鋼で、CuとNi
を 2.5％≦（Cu／Ni）≦ 4.5％の関係式を満たすように
含有させると、熱間加工中のカッパーチェッキングが防
止できる（本発明者らによる特願平３−131167号参照)
。

【０００８】しかし上記の各鋼でも、長時間クリープ破
断延性の低下とそれにともなうクリープ破断強度の低下
がなお問題である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
のCu添加による効果を損なうことなく、長時間クリープ
破断延性の低下と、それにともなうクリープ破断強度の
低下が改善された高Crフェライト鋼を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
(1)、(2) の高温延性および高温強度に優れた高Crフェ
ライト鋼にある。

【００１１】(1)重量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Si： 0.
5％以下、Mn： 0.1〜1.5 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：
0.015 ％以下、Ｏ：0.005 ％以下、Cr：８〜14％、Ｖ：
0.1〜0.3 ％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、
Al：0.05％以下、Ｂ： 0.001〜0.02％、Cu：0.05〜3.0
％およびCo： 1.0〜5.0 ％、さらにMo：0.01〜1.2 ％お
よびＷ： 0.8〜3.5 ％の１種または２種を含有し、残部
が鉄および不可避的不純物からなり、上記CuとCoの含有
量が (Cu／Co) ≦2.0 の関係式を満足する高温延性およ
び高温強度に優れた高Crフェライト鋼。

【００１２】(2)上記(1) の成分に加えて更に、重量％
で、Ni： 0.1〜1.5 ％を含有し、Ni、CuおよびCoの含有
量が〔Cu／( Co＋Ni )〕≦2.0 の関係式を満足する高温
延性および高温強度に優れた高Crフェライト鋼。

【００１３】本発明者らは、Cu添加高Crフェライト鋼に
おいて、Niの一部または全てをCoで置換すれば、Ac₁変
態点の低下を抑制することができ、長時間安定したクリ
ープ強度を得るために必要な高温焼戻しが可能となると
ともに、クリープ破断延性が向上すること、さらに上記
の関係式を満たすようにCuとCoの含有量を、またはさら
にNi、CuおよびCoの含有量を、それぞれ調整することに
よって、Cu添加の効果を損なうことなくCuの粒界析出を
抑制し、上記の優れた特性を有する高Crフェライト鋼が
得られることを見いだした。

【００１４】

【作用】以下に、本発明鋼の各成分の作用と、含有量を
前記のように限定した理由を説明する。「％」は重量％
を意味する。

【００１５】Ｃ：0.02〜0.15％Ｃは、Cr、Fe、Mo、Ｗ、ＶおよびNbと結合して炭化物を
形成し、高温強度に寄与するとともに、それ自身がオー
ステナイト安定化元素として組織を安定化する。Ｃ含有
量が0.02％未満の場合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、強度と靱性を損なう。一
方、0.15％を超えると炭化物の過剰析出により、鋼が硬
化して溶接性、加工性が低下する。したがって、Ｃ含有
量の範囲は0.02〜0.15％とした。

【００１６】Si： 0.5％以下 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、その含有量が 0.5％を超えると靱性
が著しく低下し、クリープ強度に対しても有害である。
特に厚肉材料では、長時間加熱による脆化を避けるため
にも、Si含有量は低く抑える方が望ましい。よって、Si
含有量は 0.5％以下とした。

【００１７】Mn： 0.1〜1.5 ％ Mnは鋼の熱間加工性を改善し、かつ組織の安定化にも有
効な元素である。Mn含有量が0.1 ％未満ではこの効果が
十分に得られず、一方、1.5 ％を超えると鋼を硬化さ
せ、加工性、溶接性を損なう。よって、Mn含有量の範囲
は 0.1〜1.5 ％とした。

【００１８】Cr：８〜14％ 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。Cr含有量が８％未満では、高Cr鋼として
の十分な耐酸化性、高温耐食性が得られない。

【００１９】一方、14％を超えるとδ−フェライト量の
増加により、強度、加工性、靱性が損なわれる。したが
って、Cr含有量の範囲は８〜14％とした。

【００２０】Ｖ： 0.1〜0.3 ％Ｖは、ＣおよびＮと結合してＶ (Ｃ、Ｎ) の微細析出物
を形成し、高温、長時間側のクリープ強度の向上に寄与
する。Ｖ含有量が 0.1％未満ではこれらの効果が十分に
得られず、一方、 0.3％を超えると固溶Ｖ量が増加し、
かえって強度を損なう。よって、Ｖ含有量の範囲は 0.1
〜0.3 ％とした。

【００２１】Nb：0.01〜0.2 ％ NbはＶと同様に、Ｃおよび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。
さらに結晶粒を微細化し、靱性の改善にも有効である。
Nb含有量が0.01％未満では上記の効果は得られず、一
方、0.2 ％を超えると焼ならし処理で未固溶のNbＣが増
加し、強度、延性さらに溶接性をも損なう。よって、Nb
含有量の範囲は0.01〜0.2 ％とした。

【００２２】Ｎ：0.01〜0.1 ％Ｎは上記のように、ＶおよびNbと結合して炭窒化物を形
成し、クリープ強度の向上に寄与するが、Ｎ含有量が
0.01 ％未満ではその効果がない。一方、 0.1％を超え
ると著しくクリープ延性、溶接性、加工性を損なう。し
たがって、Ｎ含有量の範囲は0.01〜0.1 ％とした。

【００２３】Al：0.05％以下脱酸剤として添加されるが、その含有量が0.05％を超え
る場合にはクリープ強度を損なう。よって、Al含有量は
0.05％以下とした。

【００２４】Ｂ： 0.001〜0.02％微量添加により焼入性の改善効果を有する。さらに粒界
に炭化物を均一に分散させて粒界を強化することによ
り、高温で長時間、安定した鋼の強度を得るのに有効で
ある。Ｂ含有量が0.001 ％未満ではその効果は小さく、
一方、0.02％を超えると加工性、溶接性を損なう。よっ
て、Ｂ含有量の範囲は 0.001〜0.02％とした。

【００２５】Cu：0.05〜3.0 ％ Cuは本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、次の〜
の効果を有する。

【００２６】δ−フェライトの生成を抑制し、靱性を
改善する。

【００２７】600 ℃以上での耐酸化性、耐食性を向上
させる。

【００２８】ＨＡＺの軟化層形成を抑制し、溶接継手
のクリープ強度を改善する。

【００２９】Cu含有量が0.05％未満では上記の効果が得
られない。一方、3.0 ％を超えるとクリープ中に粒界に
析出し、延性の低下を大きくする。よって、Cu含有量の
範囲は0.05〜3.0 ％とした。

【００３０】Co： 1.0〜5.0 ％ Coも本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、クリープ中
のCuの拡散を抑え、クリープ延性低下を抑制する。さら
に、Ｃと結合して微細析出物を形成すること、およびNi
に比べAc₁ 変態点を下げにくいため高温焼戻しが可能と
なることにより、クリープ強度の向上に寄与する。これ
らの効果は、Co含有量が1.0 ％未満では得られない。一
方、5.0 ％を超えると炭化物が粗大化し、かえってクリ
ープ強度が低下する。したがって、Co含有量の範囲は
1.0〜5.0 ％とした。

【００３１】Ni： 0.1〜1.5 ％、 Niは必要に応じて添加する成分である。すなわち、前記
(2) の鋼では、Coと同様にNiも本発明鋼の特徴的な成分
の一つであり、クリープ中のCuの拡散を抑制し、クリー
プ延性低下を防ぐ作用を有する。さらに、オーステナイ
ト安定化元素としてδ−フェライトの生成を抑制し、マ
ルテンサイト組織を安定にする。これらの効果はNi含有
量が 0.1％未満では得られない。一方、1.5 ％を超える
と鋼のAc₁ 変態点を著しく低下させ、十分な焼戻処理が
できなくなるばかりでなく、粗大な炭化物の析出を招
き、クリープ強度を低下させる。これらの点を考慮して
Ni含有量の範囲は 0.1〜1.5 ％とした。

【００３２】(Cu／Co) ≦2.0 または〔Cu／( Co＋Ni
)〕≦2.0 ：Cu、NiおよびCoは、前記の含有量の範囲内
で上記の関係式を満足しなければならない。すなわち、
これらの３元素はいずれもクリープ延性に関係する重要
な元素である。Cuのみを単独で含有させるとクリープ中
にCuが粒界に析出し、著しく延性を低下させるが、Coを
単独またはNiと複合して適正に含有させると、この延性
に有害なCuの粒界析出を抑制することができる。しか
し、CoまたはCoとNiの含有量が少なく、 (Cu／Co) また
は〔Cu／( Co＋Ni )〕が2.0 を超えると、CoおよびNiに
よるCuの粒界析出を抑制することができなくなる。よっ
て、本発明鋼の特性を得るのに適切な、これらの３元素
の含有量のバランスを (Cu／Co) ≦2.0 または〔Cu／(
Co＋Ni )〕≦2.0 と定めた。

【００３３】なお、CoとNiを複合して含有させる場合、
CoはAc₁ 変態点を下げにくいため高温焼戻しが可能とな
る一方、微細炭化物の析出促進作用も有しているためク
リープ強度を向上させる作用があるが、Niはこの作用効
果を有しない。このことから、クリープ延性を維持した
まま、より一層のクリープ強度の向上を図るには、Niの
含有量よりもCoの含有量の方を多くするのが望ましい。

【００３４】本発明の鋼は、さらにMoとＷの１種または
２種を含有する。

【００３５】Mo：0.01〜1.2 ％ Moは、固溶強化および微細炭化物の析出による強化元素
として、クリープ強度の向上に有効である。Mo含有量が
0.01％未満ではこの効果は得られない。一方、1.2 ％を
超えるとδ−フェライトを多量に生成するとともに、鋼
が硬化して靱性、延性、加工性を損なう。よって、Mo含
有量の範囲は0.01〜1.2 ％とした。

【００３６】Ｗ： 0.8〜3.5 ％ Moと同様に、固溶強化および微細炭窒化物の析出による
強化元素として、クリープ強度の向上に有効である。Ｗ
含有量は通常、Mo含有量の２倍が必要である。

【００３７】しかし、Ｗ含有量が3.5 ％を超えるとδ−
フェライトを生成するため、靱性の低下が著しくなる。
一方、0.8 ％未満では上記の効果が得られない。よっ
て、Ｗ含有量の適正な範囲は 0.8〜3.5 ％とした。さら
に、MoとＷは、複合して含有させると一層その効果があ
る。その場合、両者の含有量の関係を、 Mo＋ 1/2・Ｗ＝1.2 〜2.0 ％とするのが望ましい。

【００３８】Ｐ：0.025 ％以下Ｐは本発明鋼における有害不純物であり、0.025 ％以下
の含有量に抑えることにより、靱性、加工性および溶接
性を改善することができる。

【００３９】Ｓ：0.015 ％以下Ｓも本発明鋼における有害不純物であり、0.015 ％以下
の含有量に抑えることにより、靱性、加工性および溶接
性を改善することができる。

【００４０】Ｏ：0.005 ％以下Ｏも本発明鋼における有害不純物であり、0.005 ％以下
の含有量に抑えることにより、靱性、加工性および溶接
性を改善することができる。

【００４１】

【実施例】150kg 真空溶解炉で溶解して得られた、表１
(1) および表１(2) に示す化学組成の鋼のインゴット
を、1150〜950 ℃で鍛造して厚さ15mmの板とした。符号
Ａ〜Ｑが本発明例、符号１〜11が比較例である。

【００４２】

【表１（１）】

【００４３】

【表１（２）】

【００４４】上記の鋼板に1050℃で１時間保持して空冷
する焼ならし処理の後、 750〜830℃×３ｈの焼戻処理
を施した。

【００４５】評価は、上記の熱処理後の鋼板から削りだ
した引張試験片（φ６mm×GL30mm )を用いて、 600℃、
16kgf/mm²の条件で最長25000 時間のクリープ破断試験
を行い、クリープ破断強度（時間）と延性（伸び、絞
り）について比較する方法によった。これらの試験結果
を表２(1) および表２(2) に示す。

【００４６】

【表２（１）】

【００４７】

【表２（２）】

【００４８】表２（１）に示すとおり、本発明例では、
いずれも優れたクリープ特性値を示していることが明ら
かである。

【００４９】比較例の符号１〜４は、Cu、CoおよびNiの
含有量の関係が本発明で定める範囲を外れる〔Cu／( Co
＋Ni )〕＞2.0 の例であり、これらの３元素の含有量が
適切なバランスではないため、クリープ強度は高いが、
延性は低下している。

【００５０】比較例の符号５、６では、上記の含有量バ
ランスは本発明で定める条件を満たしているが、それぞ
れNi、Coが本発明で定める範囲外であるため、クリープ
中に炭化物が粗大化し、クリープ破断強度が低下してい
る。同じく符号７では、Cu含有量が本発明で定める上限
を超えているため、延性が低下している。同じく符号８
では、クリープ破断強度と焼入性の向上のために重要な
元素であるＢを含有していないため、十分なクリープ破
断強度が得られていない。

【００５１】比較例の符号９〜11は、Ni無添加鋼におい
てCuとCoの含有量の関係が本発明で定める範囲を外れる
（Cu／Co）＞2.0 の例であり、これらの２元素の含有量
が適切なバランスではないため、クリープ強度、延性と
もに低下している。

【００５２】図１〜図３に、得られた各クリープ特性値
とCu、CoおよびNiの含有量との関係を示す。図１は、Cu
／Coまたは〔Cu／( Co＋Ni )〕とクリープ破断絞り
（％）との関係を示す図である。図２は、Cu／Coまたは
〔Cu／( Co＋Ni )〕とクリープ破断時間（ｈ）との関係
の例を示す図である。なお、図２の比較例のデータは、
化学組成が本発明で定める範囲内のもののみである。図
３は、（Ni／Co）とクリープ破断時間および破断絞りと
の関係の例を示す図である。なお、図３では、Cu含有量
が約１％で、かつCo＋Ni＝２％である鋼の結果のみを示
している。

【００５３】図１および図２から明らかなように、 (Cu
／Co) ≦2.0 または〔Cu／( Co＋Ni)〕≦2.0 の場合に
クリープ破断絞りとクリープ破断強度が優れている。図
３は、NiをCoで置換する割合が増加する方が、クリープ
破断時間が長いことを示している。これは、NiをCoで置
換していくことによって、Ac₁変態点の低下を防ぎ、ク
リープ破断強度に有効な高温焼戻しが可能になったため
と考えられる。

【００５４】

【発明の効果】本発明鋼は、CuとCoを、またはさらにNi
を適切なバランスで複合して含有させることによって、
Cu添加の効果を損なうことなく、長時間の高温クリープ
破断延性および強度を向上させた高Crフェライト鋼であ
る。ボイラ、化学工業等の分野で鋼管、板、鍛造品等の
耐熱・耐圧部材として広く活用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Cu／Co) または〔Cu／( Co＋Ni )〕と、600
℃、16kgf/mm²でのクリープ破断試験による破断絞り
（％）との関係を示す図である。

【図２】(Cu／Co) または〔Cu／( Co＋Ni )〕と、600
℃、16kgf/mm²でのクリープ破断試験による破断時間
（ｈ）との関係の例を示す図である。

【図３】（Ni／Co）と、600 ℃、16kgf/mm²でのクリー
プ破断試験による破断時間および破断絞りとの関係の例
を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Si： 0.5％
以下、Mn： 0.1〜1.5 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.01
5 ％以下、Ｏ：0.005 ％以下、Cr：８〜14％、Ｖ： 0.1
〜0.3 ％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、Al：
0.05％以下、Ｂ： 0.001〜0.02％、Cu：0.05〜3.0 ％お
よびCo： 1.0〜5.0 ％、さらにMo：0.01〜1.2 ％および
Ｗ： 0.8〜3.5 ％の１種または２種を含有し、残部が鉄
および不可避的不純物からなり、上記CuとCoの含有量が
(Cu／Co) ≦2.0 の関係式を満足する高温延性および高
温強度に優れた高Crフェライト鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Si： 0.5％
以下、Mn： 0.1〜1.5 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.01
5 ％以下、Ｏ：0.005 ％以下、Ni： 0.1〜1.5 ％、Cr：
８〜14％、Ｖ： 0.1〜0.3 ％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｎ：
0.01〜0.1 ％、Al：0.05％以下、Ｂ： 0.001〜0.02％、
Cu：0.05〜3.0 ％およびCo： 1.0〜5.0 ％、さらにMo：
0.01〜1.2 ％およびＷ： 0.8〜3.5 ％の１種または２種
を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、上
記Ni、CuおよびCoの含有量が〔Cu／( Co＋Ni )〕≦2.0
の関係式を満足する高温延性および高温強度に優れた高
Crフェライト鋼。