JPH0762497A

JPH0762497A - 高温強度と靱性の優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼

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Publication number: JPH0762497A
Application number: JP20597393A
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: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-03-07
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: JP3355711B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高温強度と靱性の優れた高Crフェライト系耐熱
鋼の提供。【構成】Ｃ：0.02〜0.15％、Si:0.7％以下、Mn:0.1〜1.
5 ％、Cr：８〜16％、Ni:0.1〜1.5 ％、Ｖ:0.1〜0.3
％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｂ:0.001〜0.02％、Al:0.001〜
0.05％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、Cu:0.2〜3.0 ％およびCo:
1.0〜10.0％ならびにMo：0.01〜1.2 ％およびＷ:0.8〜
3.5 ％の１種または２種、さらにTa:1.0〜3.0 ％および
Ti:0.2〜3.0 ％の１種または２種を含有し、不純物中の
Ｐが 0.025％以下、Ｓが0.015 ％以下、Ｏ（酸素）が0.
005 ％以下である高温強度と靱性の優れた高Crフェライ
ト系耐熱鋼。【効果】本発明鋼は、Co、Cu、Ta、Tiを適切に含有させ
ることによって、長時間の高温クリープ破断強度および
靱性を向上させた高Crフェライト系耐熱鋼である。

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、化学工業用の熱交換器管や耐
熱、耐圧配管など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。高Crフェライト鋼は低合金鋼に比べ、 500〜650 ℃
での強度、耐食・耐酸化性に優れている。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】本発明者らの一人は、特開平２−232345号
公報、同３−97832 号公報および同５−17850 号公報
において、600 ℃以上での高温耐酸化性を高めるなどの
目的で、上記９〜12％Cr鋼にCuを添加した鋼を示した。
また、CoとCuを添加した鋼としては、特公昭46−6701号
公報、同57−23745 号公報および特開平２−294452号公
報に示される鋼がある。

【０００６】しかし現在は、これらよりもさらに高温強
度に優れた高Crフェライト系鋼管材料が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の従来鋼の高温強度と常温靱性を改良し、耐熱、耐圧配
管などの材料として用いるのに好適な高Crフェライト系
耐熱鋼を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の高温
強度と靱性の優れた高Crフェライト系耐熱鋼にある。

【０００９】質量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Si:0.7％以
下、Mn:0.1〜1.5 ％、Cr：８〜16％、Ni:0.1〜1.5 ％、
Ｖ:0.1〜0.3 ％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｂ:0.001〜0.02
％、Al:0.001〜0.05％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、Cu:0.2〜3.
0 ％およびCo:1.0〜10.0％ならびにMo：0.01〜1.2 ％お
よびＷ:0.8〜3.5 ％の１種または２種、さらにTa:1.0〜
3.0 ％およびTi:0.2〜3.0 ％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、不純物中
のＰが0.025 ％以下、Ｓが0.015 ％以下、Ｏ（酸素）が
0.005 ％以下である高温強度と靱性の優れた高Crフェラ
イト系耐熱鋼。

【００１０】本発明者らは、まず、TaとTiを従来の添加
量よりも多めに添加し、金属間化合物（Fe₂Ta 、Fe₂Ti)
を析出させると、高Crフェライト鋼のクリープ破断強度
を向上させることができることを見いだした。さらに、
これらの元素とCo、Cuを適正な範囲で複合添加すれば、
上記の金属間化合物の凝集粗大化にともなう常温靱性の
低下が改善されることも新たに知見した。

【００１１】

【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。「％」は質量％
を意味する。

【００１２】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、鋼が著しく
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。

【００１３】Si： 0.7％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 0.7％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 0.7％以下とした。

【００１４】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 ％未満ではこれらの効
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。

【００１５】Ｃｒ：８〜16％ 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。

【００１６】一方、16％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８〜16％とした。

【００１７】Ni： 0.1〜1.5 ％、 Niはカッパーチェッキングを防止する作用を有し、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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】Al： 0.001〜0.05％脱酸剤として添加されるが、その効果は 0.001％未満で
は得られない。一方、0.05％を超える場合にはクリープ
強度を損なう。よって、Al含有量の範囲は 0.001〜0.05
％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】Cu： 0.2〜3.0 ％ Cuは本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、Coと適正な
範囲で複合添加することにより、金属間化合物（Fe₂Ta
、Fe₂Ti)の凝集粗大化を抑制し、靱性を改善する。さ
らに、溶接部の軟化層形成を抑制し、溶接継手部のクリ
ープ強度を改善する効果がある。Cu含有量が0.2 ％未満
ではこれら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て延性の低下を大きくす
る。よって、Cu含有量の範囲は 0.2〜3.0 ％とした。

【００２４】Co： 1.0〜10.0％ Coも本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、Cuと適正な
範囲で複合添加することにより、金属間化合物（Fe₂Ta
、Fe₂Ti)の凝集粗大化を抑制し、靱性を改善する。さ
らに、クリープ中にCuの拡散を抑え、クリープ延性低下
を抑制する。また、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。

【００２５】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、10.0％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 1.0〜10.0％とした。

【００２６】本発明の鋼には、さらにMoとＷの１種また
は２種を含有させる。

【００２７】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。

【００２８】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。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。

【００２９】MoとＷは、複合して含有させると一層上記
の効果を発揮する。

【００３０】本発明の鋼には、さらにTaとTiの１種また
は２種を含有させる。

【００３１】Ta： 1.0〜3.0 ％ Taは本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、炭窒化物の
析出による強化元素として作用するのに加え、積極的に
含有させることで、金属間化合物を微細に析出させ、ク
リープ強度の向上に寄与する。このような効果はTa含有
量が1.0 ％未満では得られない。一方、3.0 ％を超える
と、Cu、Coと複合で含有させても、金属間化合物を粗大
化させ、靱性を低下させる。よって、Ta含有量の範囲は
1.0〜3.0 ％とした。

【００３２】Ti： 0.2〜3.0 ％ Tiも本発明鋼の特徴的な成分の一つであり、Taと同様に
炭窒化物の析出による強化元素として作用するのに加
え、積極的に含有させることで、金属間化合物を微細に
析出させ、クリープ強度の向上に寄与する。このような
効果はTi含有量が0.2 ％未満では得られない。一方、3.
0 ％を超えると、Cu、Coと複合で含有させても、金属間
化合物を粗大化させ、靱性を低下させる。よって、Ti含
有量の範囲は 0.2〜3.0 ％とした。

【００３３】TaとTiも、複合して含有させると一層上記
の効果を発揮する。

【００３４】Ｐ、ＳおよびＯは有害な不純物であり、で
きるだけ低く抑えるのが望ましい。

【００３５】Ｐ：0.025 ％以下Ｐは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。

【００３６】Ｓ：0.015 ％以下Ｓも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。

【００３７】Ｏ：0.005 ％以下Ｏも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。

【００３８】

【実施例】150kg 真空溶解炉で溶解して得られた、表１
(1) 、表１(2) および表１(3) 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１〜36が本発明例、符号Ａ〜Ｕが比較例であ
る。比較例Ａ〜ＭはTaまたは／およびTiが本発明で定め
る範囲外の鋼、比較例Ｎ〜ＵはNb、Taまたは／およびT
i、ならびにCo、Cuの各含有量は本発明で定める範囲内
であるが、CoとCuとが複合添加されていない鋼である。

【００３９】

【表１（１）】

【００４０】

【表１（２）】

【００４１】

【表１（３）】

【００４２】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℃で３時間保持する
焼戻処理を施した。

【００４３】評価は、クリープ破断試験とシャルピー衝
撃試験によった。クリープ破断試験は、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℃、22kgf/mm²の条件で最長15000 時間の
試験を行い、クリープ破断強度（時間）を比較する方法
によった。シャルピー衝撃試験は、同じく厚さ10mm×幅
10mm×長さ55mmの２mmＶノッチ試験片を用いて、０℃で
行った。これらの試験結果を表２(1) 、表２(2) および
表２(3) に示す。

【００４４】

【表２（１）】

【００４５】

【表２（２）】

【００４６】

【表２（３）】

【００４７】表２(1) および表２(2) に示すとおり、本
発明例鋼では、Co、CuならびにTaまたは／およびTiの各
含有量が適切であるために、クリープ破断時間は9000時
間以上、０℃の衝撃値も全て130 Ｊ/cm²以上と良好な値
となっている。

【００４８】一方、表２(3) に示すように、比較例鋼
Ａ、Ｂ、ＣおよびＧでは、TaまたはTiの含有量が本発明
で定める下限以下であり、金属間化合物が十分析出して
ないために、クリープ破断強度は本発明例鋼並みである
が、０℃での靱性が低下している。比較例鋼Ｎ〜Ｕで
は、Ta、Ti、Nb、CoおよびCuの含有量は、本発明で定め
る範囲内であるが、CoとCuが複合添加されていないため
に、CoやCuの含有量を各々単独に増加させても、金属間
化合物の凝集粗大化を十分抑制できず、０℃での靱性が
低下している。

【００４９】図１はクリープ破断時間に及ぼすTa含有量
の影響を示す図である。図２は同じくTi含有量の影響を
示す図である。図３はシャルピー衝撃値に及ぼすCo含有
量の影響を示す図である。図４は同じくCu含有量の影響
を示す図である。

【００５０】表２、図１および図２からわかるように、
TaまたはTiの含有量が低すぎるとクリープ破断強度が低
い。一方、TaまたはTiの含有量が高すぎるとクリープ破
断強度は向上するか、または適正な含有量の範囲の場合
に比べてやや低下する程度であるものの、靱性が低下す
る。図１および図２に示す、このような比較例鋼Ｄ、
Ｅ、ＨおよびＩでは、クリープ破断時間は目標値以上で
あるが、靱性が低く、実用上問題がある。

【００５１】図３および図４から明らかなように、Coと
Cuを本発明で定める範囲で複合添加した本発明例鋼で
は、シャルピー衝撃値が優れている。

【００５２】

【発明の効果】本発明鋼は、Co、Cu、Ta、Tiを適切に含
有させることによって、長時間の高温クリープ破断強度
および靱性を向上させた高Crフェライト系耐熱鋼であ
る。ボイラ、化学工業などの分野で鋼管、板、鍛造品な
どの耐熱・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】クリープ破断時間に及ぼすTa含有量の影響を示
す図である。

【図２】クリープ破断時間に及ぼすTi含有量の影響を示
す図である。

【図３】シャルピー衝撃値に及ぼすCo含有量の影響を示
す図である。

【図４】シャルピー衝撃値に及ぼすCu含有量の影響を示
す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.02〜0.15％、Si:0.7％以
下、Mn:0.1〜1.5 ％、Cr：８〜16％、Ni:0.1〜1.5 ％、
Ｖ:0.1〜0.3 ％、Nb：0.01〜0.2 ％、Ｂ:0.001〜0.02
％、Al:0.001〜0.05％、Ｎ：0.01〜0.1 ％、Cu:0.2〜3.
0 ％およびCo:1.0〜10.0％ならびにMo：0.01〜1.2 ％お
よびＷ:0.8〜3.5 ％の１種または２種、さらにTa:1.0〜
3.0 ％およびTi:0.2〜3.0 ％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、不純物中
のＰが0.025 ％以下、Ｓが0.015 ％以下、Ｏ（酸素）が
0.005 ％以下である高温強度と靱性の優れた高Crフェラ
イト系耐熱鋼。