JPH0971846A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】６００℃を超えるような高温における長時間ク
リープ強度、耐水蒸気酸化性および常温における靱性に
優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を提供する。 【解決手段】Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｓｏｌ、Ａｌ
が特定された鋼において、下記（１）および（２）を満
足する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。 ０≦Ｐ_Nd≦０．１０３ （１） ０．００５≦Ｐ_Nb≦０．０３ （２） Ｐ_Nd＝Ｎｄ−６．０１×Ｏ（酸素） Ｐ_Nb＝０．１５１×Ｎｂ＋０．０９７１×Ｐ_Nd （元素記号は、各元素の鋼中における含有率（重量％）
を表す）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高Ｃｒフェライト
系の耐熱鋼に関する。本発明の耐熱鋼は、高温における
長時間クリープ強度、耐水蒸気酸化性および常温におけ
る靱性に優れている。したがって、本発明の耐熱鋼は、
ボイラ、原子力発電設備、化学工業装置など高温、高圧
下で操業される装置用材料、具体的には、熱交換用の鋼
管あるいは圧力容器用の鋼板、タービン用材料等に適し
ている。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、原子力発電設備、化学工業装置
等の装置は、高温、高圧下で長時間使用される。したが
って、これらの装置に用いられる耐熱鋼は、高温におけ
る強度、耐食性、耐酸化性および常温における靭性等に
優れていることが要求される。

【０００３】これらの用途には、従来、オーステナイト
系ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ−ＳＵＳ３２１Ｈ、同
ＳＵＳ３４７Ｈ鋼）、低合金鋼（例えば、ＪＩＳ−ＳＴ
ＢＡ２４（２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ））、さらには、９
〜１２Ｃｒ系の高Ｃｒフェライト鋼（例えば、ＪＩＳ−
ＳＴＢＡ２６（９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼））などが用いられて
きた。なかでも、高Ｃｒフェライト鋼は、５００〜６５
０℃の温度域において、強度、耐食性の点で低合金鋼よ
りも優れている。また、高Ｃｒフェライト鋼は、オース
テナイト系ステンレス鋼に比べて安価であること、熱伝
導率が高く、かつ熱膨張率が小さいので、耐熱疲労性に
優れていること、またスケール剥離が起こりにくい特性
を備えていることといった特長がある。この他、高Ｃｒ
フェライト鋼は、応力腐食割れを起こさないことなどの
長所を持っているため、広く利用されている。

【０００４】近年、火力発電においては、熱効率の向上
を図るために、ボイラの蒸気条件の高温化、高圧化が進
められている。すなわち、現状の超臨界圧条件５３８
℃、２４６気圧から、将来は６５０℃で３５０気圧とい
うような超々臨界圧条件での操業が計画されている。こ
のような蒸気条件の変化に伴って、ボイラ用鋼管に対し
て要求される性能は、ますます過酷化してきている。そ
のため、従来の高Ｃｒフェライト鋼は、上記のような高
温における長時間クリープ強度、耐酸化性等の特性、特
に耐水蒸気酸化性について、十分に応えられなくなって
きているのが実状である。なお、水蒸気酸化とは、高温
高圧の水蒸気に曝されるボイラー用鋼管等の表面で生じ
る酸化現象である。この酸化が起こり酸化皮膜（スケー
ル）が生成すると、ボイラーの温度変化にともなってス
ケールが剥離する。剥離したスケールは、鋼管内の詰ま
り等のトラブルの原因にもなるので、水蒸気酸化の防止
は重要な課題となっている。

【０００５】オーステナイト系ステンレス鋼は、上記の
要求に応えることができる性能を持っている。しかし、
オーステナイト系ステンレス鋼は、価格が高いために、
経済性の観点から、商業的な設備への使用範囲は限られ
ている。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼に
比べて安価な高Ｃｒフェライト鋼の特性を改良し、使用
可能範囲を広げようとする努力が払われている。

【０００６】高Ｃｒフェライト鋼の特性の改良対策とし
て、従来の高Ｃｒフェライト鋼にＷを含有させた耐熱鋼
が開発されている。例えば、特開平３−９７８３２号公
報には、従来よりもＷ含有率を高くし、さらに、高温に
おける耐酸化性を向上させるためにＣｕを含有させた高
Ｃｒフェライト鋼が開示されている。また、特開平４−
３７１５５１号公報および特開平４−３７１５５２号公
報には、ＷおよびＭｏを含有させ、ＭｏとＷの含有率の
適正な割合を選択するとともに、ＣｏおよびＢの両者を
含有させることにより、高温における強度と靭性を高め
た高Ｃｒフェライト鋼が提案されている。

【０００７】これらの高Ｃｒフェライト鋼は、Ｗを多量
に含有しているので、高温クリープ強度に優れている。
しかし、Ｗは、Ｍｏ、Ｃｒ等と共にフェライト生成元素
であるため、多量に含有する場合には、鋼中にδ−フェ
ライトが生成する。その結果、高Ｃｒフェライト鋼の靭
性が低下するという弊害が生じる。

【０００８】靱性低下の防止には、高Ｃｒフェライト鋼
の組織をマルテンサイト組織単相とすることが有効であ
る。その点を考慮して、特開平５−２６３１９６号公報
には、Ｃｒ含有率を低くすることにより、マルテンサイ
ト組織単相とした耐熱鋼が開示されている。また、特開
平５−３１１３４２号、同５−３１１３４３号、同５−
３１１３４４号、同５−３１１３４５号、同５−３１１
３４６号公報には、高Ｃｒフェライト鋼に対して、オー
ステナイト生成元素であるＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ等を含有さ
せることによって、靭性を向上させた高Ｃｒフェライト
鋼が提案されている。

【０００９】上記の特開平５−２６３１９６号公報に開
示されている高Ｃｒフェライト鋼においては、Ｍｏ、Ｎ
ｉ等が、鋼の表面に生成する緻密で安定なコランダム型
のＣｒ₂ Ｏ₃ からなるスケール層を破壊するために、耐
水蒸気酸化性に劣るという欠点がある。また、特開平５
−３１１３４２号公報等に開示されている高Ｃｒフェラ
イト鋼は、Ｎｉ、Ｃｕ等を多量に含有しているので、Ａ
ｃ₁ 変態点およびＡｃ₃ 変態点が低い。そのために、焼
きもどし軟化抵抗が小さいので、長時間クリープ強度が
低い。また、これらの元素が含まれると、Ｃｒ₂ Ｏ₃ を
主体とする酸化物の構造が変わるので、高Ｃｒフェライ
ト鋼の耐水蒸気酸化性が悪くなるという欠点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、高温高
圧の超々臨界圧条件下における長時間クリープ強度、耐
水蒸気酸化性および靭性のすべての特性を満足する高Ｃ
ｒフェライト系の耐熱鋼は、未だに開発されていないの
が実状である。

【００１１】本発明は、上記の実状を考慮してなされた
ものであって、６００℃を超えるような高温において、
高温長時間クリープ強度、耐水蒸気酸化性および常温に
おける靱性に優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を提供す
ることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】発明者らは、６００℃を
超える温度における長時間クリープ強度、耐水蒸気酸化
性および常温における靱性を備える高Ｃｒフェライト系
の耐熱鋼の開発を目標として、研究開発を行った。その
ために、高Ｃｒフェライト鋼の高温長時間クリープ強
度、靱性および耐水蒸気酸化性等の特性と、鋼の化学組
成および金属組織（ミクロ組織）との関係について詳細
に検討した。その結果、次のような新たな知見を得た。

【００１３】−長時間クリープ強度および靱性について
− 高Ｃｒフェライト鋼の金属組織は、焼きならしおよ
び焼き戻し処理によって、炭窒化物が析出したマルテン
サイト組織となる。この出発組織によって、鋼の初期強
度が決定される。しかし、６００℃を超える温度で使用
される場合には、マルテンサイト組織が時間とともに回
復軟化するので、クリープ強度が維持されない。

【００１４】 ６００℃を超える温度においても、高
Ｃｒフェライト鋼の長時間クリープ強度を向上させるた
めには、長時間の使用中に金属組織内に微細なＦｅ₇ Ｗ
₆ 型（Ｃｒ、Ｍｏを含む場合の形態は、例えばＦｅ₅₅Ｃ
ｒ₂₂（Ｍｏ，Ｗ）₂₃）のμ相を均一に分散析出させるこ
とが極めて有効である。このμ相は、マルテンサイト組
織の回復軟化後もクリープ強度を維持できる働きを持っ
ているからである。

【００１５】 微細なμ相を分散して析出させるため
には、Ｗを単独で多量に含有させるか、またはＷとＭｏ
を複合で用いる場合はＷに対するＭｏの割合を低くする
ことが有効である。その理由は、Ｍｏが多い場合には、
μ相が旧オーステナイト粒界やマルテンサイトラス界面
に局所的に析出するのに対して、Ｗが多い場合には、Ｗ
の拡散速度が遅いために、μ相が粒界の他に粒内にも析
出するためである。また、μ相が安定に存在できる温度
の上限が高いので、高い温度までμ相の効果を発揮させ
るのに有利である。

【００１６】 微細なμ相が分散して析出した状態で
は、μ相に起因する靱性の低下は起こらない。

【００１７】−耐水蒸気酸化性について− 高Ｃｒフェライト鋼の表面に生成するスケール層
は、Ｃｒ酸化物を主体とするコランダム型の緻密な酸化
物からなっており、これらによって水蒸気酸化は抑制さ
れる。しかし、スケール中にＭｏが存在する場合には、
スケール層がスピネル型の脆い構造に変わるので、耐水
蒸気酸化性が著しく低下する。Ｗは耐水蒸気酸化性に対
して悪影響を及ぼすことがない。したがって、Ｗを含有
させ、Ｍｏを減らすことによって、耐水蒸気酸化性を向
上させることができる。

【００１８】 酸化物を生成する傾向が極めて強いＮ
ｄ（ネオジウム）を鋼に含ませることによって、耐水蒸
気酸化性に対するＭｏの影響を軽減することができる。

【００１９】 Ｎｄの添加により、高温における窒化
物の析出形態が変化する。特に、Ｎｂ（ニオブ）を添加
した鋼では、微細なＮｂＮが分散して析出し、このＮｂ
Ｎが靱性を向上させている。

【００２０】 上記のＮｄの効果を十分に発揮させる
ためには、ＮｄとＯ（酸素）含有率の関係およびＮｂと
ＮｄならびにＯの含有率との関係を厳密に制御すること
が重要である。

【００２１】本発明は、上記の知見を基に完成されたも
のであって、下記の技術的な思想を基本としている。

【００２２】ａ）長時間クリープ強度および靱性は、Ｆ
ｅ₇ Ｗ₆ 型を主体とする微細なμ相を分散して析出させ
ることによって向上させる。

【００２３】ｂ）耐水蒸気酸化性に有害なＭｏの含有率
は、母材の強度を得るのに必要な量に抑える。Ｍｏの減
少分はＷで補う。

【００２４】ｃ）Ｎｄを含有させることによって、Ｍｏ
の弊害を抑制するとともに、靱性の向上を図る。

【００２５】ｄ）ＮｄとＯ含有率の関係、ＮｄとＮｂと
Ｏ含有率関係を制御する。

【００２６】上記の技術的思想に基づく本発明は、「重
量％で、 C :0.02 〜0.15%、 Si:0 〜1.0%、 Mn:0.05 〜1.5%、 P :0.030%以下、 S :0.015% 以下 Cr:8.0 〜13.0%、 W :1.5〜3.5%、 Mo:0 〜1.0%、 Co:2.5〜6.0%、 V :0.10〜0.50%、 Nb:0.030〜0.14%、 Nd:0.001 〜0.17%、 N :0.020〜0.12%、 B :0 〜0.030%、 O :0.010% 以下、 sol.Al:0.001〜0.050% を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避の不純物からなる化
学組成を備え、さらに、下記（１）式および（２）式を
満足する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。」 ０≦Ｐ_Nd≦０．１０３ （１） ０．００５≦Ｐ_Nb≦０．０３ （２） Ｐ_Nd＝Ｎｄ−６．０１×Ｏ（酸素） Ｐ_Nb＝０．１５１×Ｎｂ＋０．９７１×Ｐ_Nd （元素記号は、各元素の鋼中における含有率（重量％）
を表す）を要旨としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の高Ｃｒフェライト系の耐
熱鋼（以下、本発明鋼と記す）に含まれる各合金元素と
鋼の特性との関係および各合金元素の含有率の範囲とそ
の限定理由について、以下に説明する。

【００２８】Ｃ：Ｃは炭化物ＭＣ（Ｍは合金元素）、Ｍ
₇ Ｃ₃ 、Ｍ₂₃Ｃ₆ 型の炭化物を形成する（炭窒化物Ｍ
（Ｃ、Ｎ））等の形態をとる場合もある）。この炭化物
は、本発明鋼の特性に著しい影響を及ぼす。高Ｃｒフェ
ライト鋼は、通常、焼きならしおよび焼きもどし処理に
よって焼きもどしマルテンサイト組織とし、その状態で
使用される。長時間、高温下で使用される場合には、Ｖ
Ｃ、ＮｂＣ等の微細な炭化物の析出が進行する。これら
の炭化物は、長時間クリープ強度を維持する働きをす
る。この炭化物の効果を得るためには、０．０２重量％
（以下、化学組成の％表示は重量％）以上のＣが必要で
ある。一方、Ｃ含有率が０．１５％を超えると、高温下
で使用される際、初期段階から炭化物の凝集と粗大化が
起こり、長時間のクリープ強度が低下する。したがっ
て、Ｃ含有率は０．０２〜０．１５％が適当である。好
ましくは、０．０６〜０．１２％である。

【００２９】Ｓｉ：Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤として用いら
れる。この外、高温における耐水蒸気酸化性を向上させ
るのに有効な元素である。しかし、過剰な場合は、鋼の
靭性が低下するので、１％以下がよい。溶鋼が十分なＡ
ｌ量で脱酸される場合には、特にＳｉを含む必要はな
い。

【００３０】Ｍｎ：Ｍｎは、通常、ＳをＭｎＳとして固
定し、鋼の熱間加工性を向上させるために添加される。
本発明鋼においては、Ｍｎは高応力下での短時間クリー
プ強度を向上させる効果もある。その効果を得ることが
できるＭｎ含有率は、０．０５％以上である。一方、
１．５％を超えると、鋼の靭性が低下する。したがっ
て、Ｍｎ含有率は０．０５〜１．５％とした。好ましく
は、０．１０〜１．０％である。

【００３１】Ｃｒ：Ｃｒは、本発明鋼の高温における耐
食性、耐酸化性、特に耐水蒸気酸化性を確保するため
に、必要不可欠な元素である。Ｃｒを含有する場合に
は、鋼の表面にＣｒ酸化物を主体とする緻密な酸化皮膜
が形成される。この酸化皮膜が、本発明鋼の高温におけ
る耐食性や耐酸化性、特に耐水蒸気酸化性を向上させ
る。

【００３２】また、Ｃｒは、炭化物を形成してクリープ
強度を向上させる働きを持っている。

【００３３】これらの効果を得るためには、Ｃｒ含有率
８．０％以上が必要である。一方、１３．０％を超える
と、δ−フェライトが生成しやすくなるので、靭性の低
下が起こる。したがって、Ｃｒ含有率は８．０〜１３．
０％とした。

【００３４】Ｗ：Ｗは、本発明鋼において、クリープ強
度を高める上で重要な元素の１つである。Ｗは、鋼が高
温下で使用される場合に、Ｆｅ₇ Ｗ₆ 型のμ相を主体と
する金属間化合物を形成する。この金属間化合物は、結
晶粒内に細かく分散して析出するので、長時間クリープ
強度を向上させる。また、ＷはＣｒ炭化物中にも一部固
溶し、炭化物の凝集、粗大化を抑制する働きがあるの
で、本発明鋼の高温における強度の維持にも有効な元素
である。Ｗのこの効果を得るためには、含有率１．５％
以上が必要である。一方、３．５％を超えるとδ−フェ
ライトが生成しやすくなり、靭性が低下する。したがっ
て、Ｗ含有率は１．５〜３．５％とした。

【００３５】Ｍｏ：Ｍｏは、主に母材に固溶することに
よる固溶強化および析出物の形成による析出強化といっ
た働きをする。特に、Ｍｏを含むＭ₂₃Ｃ₆ 、あるいはＭ
₇ Ｃ₃ 型炭化物は、高温で安定であるために、長時間ク
リープ強度の確保に対して極めて有効な元素である。し
かし、Ｍｏは前述のように、耐水蒸気酸化性に対しては
有害な元素である。前述のように、Ｎｄの添加によって
その弊害は軽減できる。しかし、その場合でも１．０％
を超える多量の添加は靭性の低下を招く。したがって、
Ｍｏを含有させる場合の上限は１．０％とした。本発明
鋼では、Ｍｏを含んでいなくてもよい。

【００３６】Ｃｏ：Ｃｏは、本発明鋼においてＦｅ₇ Ｗ
₆ 型のμ相の析出を促進し、クリープ強度の向上に寄与
する。また、Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、マ
ルテンサイト組織の安定化に寄与する元素である。その
効果を得るためには、含有率２．５％以上が必要であ
る。一方、６．０％を超えると、鋼のＡc₁変態点の低下
が著しく、高温強度が低下する。したがって、Ｃｏ含有
率は２．５〜６．０ ％とした。

【００３７】Ｖ：Ｖは、微細な炭窒化物を形成してクリ
ープ強度の向上に寄与する元素である。Ｖの効果は、含
有率０．１０％以上で現れる。一方、含有率が０．５０
％を超えると、その効果は飽和するので、Ｖ含有率は
０．１０〜０．５０％とした。

【００３８】Ｎｂ：Ｎｂは、窒化物および炭窒化物の形
成により、鋼の強度および靱性を向上させる。特にＮｄ
と併用されると、微細なＮｂＮ型窒化物が高温下で分散
して析出し、効果的に靱性を向上させる。その効果を得
るには、Ｎｂ含有率０．０３％以上を必要とする。ただ
し、０．１４％を超えると、Ｎｂの効果は飽和するの
で、Ｎｂ含有率は、０．０３〜０．１４％が適当であ
る。

【００３９】Ｎｄ：ＮｄはＯ（酸素）と結合する傾向が
極めて強く、溶鋼中で酸化物を形成する。Ｎｄを適量含
む場合には、微細なＮｄ酸化物が鋼中に均一に分散して
存在する。一方、高Ｃｒフェライト鋼が高温、高圧の水
蒸気雰囲気に曝されると、その表面にＣｒ酸化物を主体
とする皮膜が形成される。その際、鋼の表面に分散して
いる微細なＮｄ酸化物は、Ｃｒ酸化物の成長を抑制する
ピン止め効果を発揮する。そのために、スケールの成長
が抑制されるとともに、スケールが緻密化する。したが
って、適正量のＮｄを含む場合には、鋼の耐水蒸気酸化
性が飛躍的に向上する。また、Ｎｄは、Ｎｄ酸化物とし
て鋼中の酸素を固定するので、Ｎｂ等が酸素と結合して
酸化物となるのを防止する。そのために、Ｎｂが窒化物
および炭窒化物を形成するのを助ける働きがあるので、
間接的に鋼の強度、靱性を向上させる作用をもってい
る。このような効果が得られるのは、Ｎｄ含有率０．０
０１〜０．１７％の範囲である。０．１７％を超える
と、Ｎｄの害が現れて鋼の靱性が低下する。

【００４０】Ｎｄは、さらにＮｄＣ₂ 等の炭化物を形成
する。この炭化物は、他のＲＥＭ炭化物に比べて、マト
リックスとの格子不整合（ミスフィット）が小さく、微
細かつ安定に存在する。したがって、Ｎｄはクリープ強
度の向上にも寄与する。

【００４１】Ｎ：Ｎは、窒化物および炭窒化物を形成し
てクリープ強度、靭性の向上に寄与する重要な元素の１
つである。その効果を得るためには、０．０２％以上含
有することが必要である。しかし、含有率０．０８％を
超えると窒化物の粗大化が進行し、靭性の低下が著しい
ので、Ｎ含有率は０．０２〜０．０８％とした。

【００４２】Ｂ：Ｂが微量、鋼中に含まれる場合、Ｍ₂₃
Ｃ₆ 型炭化物が微細に分散して析出する。そのために、
高温長時間クリープ強度が向上する。また、厚肉材など
で熱処理後の冷却速度が遅い場合には、焼き入れ性を高
めて高温強度を向上させる働きがある。本発明鋼では、
Ｂを含有しなくてもよいが、高温強度を高める目的で含
有させてもよい。Ｂの効果は、０．０００５％以上で顕
著となるので、含有させる場合は０．０００５％以上と
するのが望ましい。しかし、０．０２０％を超えると粗
大な析出物を形成し、靭性を低下させるので、その上限
は０．０２０％とした。

【００４３】ｓｏｌ．Ａｌ：Ａｌは、おもに溶鋼の脱酸
剤として添加される。鋼中には、酸化物としてのＡｌ
と、酸化物以外の形態で存在するＡｌがあり、通常後者
のＡｌは分析上、塩酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）として
区別されている。脱酸効果を得るためには、ｓｏｌ．Ａ
ｌ含有率０．００１％以上が必要である。一方、０．０
５０％を超えるとクリープ強度の低下を招く。したがっ
て、ｓｏｌ．Ａｌ含有率は、０．００１〜０．０５０％
とした。

【００４４】Ｐ、Ｓ：ＰおよびＳは、不可避の不純物と
して鋼中に含有され、熱間加工性、溶接部の靭性等に悪
影響を及ぼす元素である。いずれも、含有率はできるだ
け低い方がよい。Ｐ、Ｓの含有率は、それぞれ０．０３
０％以下、０．０１５％以下が望ましい。

【００４５】Ｏ（酸素）：Ｏは、不可避の不純物として
鋼中に含有され、粗大な酸化物として偏在すると靭性等
に悪影響を及ぼす元素である。特に、靭性を確保するた
めには、極力低い方がよい。Ｏ含有率０．０１０％以下
の場合には、本発明鋼の靭性への影響は小さいので、上
限は、０．０１０％とした。

【００４６】ＮｄとＮｂとＯの関係：前述のように、Ｎ
ｄおよびＮｂは、酸素と結合し酸化物を形成する傾向が
極めて強い。Ｎｂの窒化物、炭窒化物等を析出させるた
めには、(1) ＮｂＮが析出する時点で酸素と結合してい
ないＮｄ、Ｎｂを確保するために下記の（１）式、(2)
微細なＮｂＮを分散して析出させるために下記の（２）
式を満足させる必要がある。

【００４７】 ０≦Ｐ_Nd≦０．１０３ （１） ０．００５≦Ｐ_Nb≦０．０３ （２） Ｐ_Nd＝Ｎｄ−６．０１×Ｏ（酸素） Ｐ_Nb＝０．１５１×Ｎｂ＋０．０９７１×Ｐ_Nd （元素記号は、各元素の含有率（重量％）を表す） 本発明鋼は、通常工業的に用いられている製造設備およ
び製造プロセスによって製造することができる。本発明
鋼の化学組成の鋼を得るには、電気炉、転炉などの炉に
よって精錬し、脱酸剤および合金元素の添加によって成
分調整すればよい。前記の（１）式、（２）式の関係
は、経験的に求められている脱酸後の溶鋼中のＯ含有
率、各合金元素の添加歩留まり等を考慮して各合金元素
を添加することによって満足させることができる。特
に、厳密な成分調整を必要とする場合には、合金元素を
添加する前に、溶鋼に真空処理を施す方法を採ってもよ
い。

【００４８】所定の化学組成に調整された溶鋼は、連続
鋳造法または造塊法によって、スラブ、ビレットまたは
鋼塊に鋳造される。これらのスラブ、鋼塊などから、鋼
管、鋼板などを製造する。継ぎ目無し鋼管を製造する場
合には、例えば、ビレットを押し出し製管すればよい。
また、鋼板を製造する場合には、スラブを熱間圧延する
ことによって熱延鋼板を得ることができる。冷延鋼板を
製造する場合には、熱延鋼板をさらに冷間圧延すればよ
い。なお、得られた鋼管、鋼板については、必要に応じ
て焼鈍等の熱処理を施し、所定の特性に調整する。ま
た、熱間加工後、冷間圧延等の冷間加工を行う場合に
は、通常冷間加工に先だって、焼鈍および酸洗処理を施
す。

【００４９】

【実施例】本発明鋼の性能を実施例によって、以下に説
明する。実施例における試験方法とその結果は下記のと
おりである。

【００５０】表１および表２に、本試験に用いた供試材
の化学組成を示す。表１には、本発明鋼の供試材の化学
組成を示し、表２には、比較鋼（従来鋼を含む）の供試
材の化学組成を示した。なお、表２の中で、Ｎｏ．４８
〜５１は従来の高Ｃｒフェライト鋼（従来鋼）であり、
Ｎｏ．４８はＪＩＳ−ＳＴＢＡ２６、Ｎｏ．４９は火Ｓ
ＴＢＡ２７（火力原子力技術協会規格）、Ｎｏ．５０は
ＡＳＴＭ−Ａ２１３−Ｔ９１、Ｎｏ．５１はＤＩＮ−Ｘ
２０ＣｒＭｏＷＶ１２１に規定されている化学組成の供
試材である。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】各供試材の製造方法は次のとおりである。
まず、容量５０Ｋｇの真空高周波誘導炉よって原料を溶
解し、所定の化学組成に成分調整した後、直径１４４ｍ
ｍの鋼塊に鋳造した。得られたインゴットを温度１３０
０〜１０００℃で熱間鍛造して、幅２００ｍｍ、長さ４
００ｍｍ、厚さ２５ｍｍの供試材を作製した。各供試材
に対しては、次の熱処理を行った。Ｎｏ．４８およびＮ
ｏ．４９の供試材に対しては、通常、これらの鋼に施さ
れる９５０℃で１時間保持後、空冷の焼きならし処理
と、さらに７５０℃で１時間保持後、空冷の焼きもどし
処理を施した。その他の供試材に対しては、１０５０℃
で１時間保持後、空冷の焼きならし処理と、さらに７８
０℃で１時間保持後、空冷の焼きもどし処理を施した。
これらの供試材から、鋼の高温クリープ強度、耐水蒸気
酸化性および靱性評価用の試験片を採取した。

【００５４】高温クリープ強度、耐水蒸気酸化性および
靭性の評価方法は下記の通りである。

【００５５】［高温クリープ強度］高温クリープ強度
は、下記の試験条件によるクリープ破断試験によって評
価した。

【００５６】 ［耐水蒸気酸化性］耐水蒸気酸化性は、下記の試験条件
による水蒸気酸化試験によって評価した。

【００５７】 試験環境 ： 水蒸気雰囲気、温度 ７００℃ 保持時間 ： １０００時間 測定項目 ： スケール層の厚さ ［靱性］靱性は、下記の試験条件によるシャルピー衝撃
試験によって評価した。

【００５８】 表３および表４に、これらの試験結果を示した。表３は
本発明鋼の供試材、表４は比較鋼（従来鋼を含む）の供
試材に関する試験結果である。

【００５９】

【表３】

【００６０】

【表４】

【００６１】表３に示すように、本発明鋼の供試材Ｎ
ｏ．１〜２１については、６５０℃、９８ＭＰａにおけ
るクリープ破断時間は１００００時間以上、衝撃値は１
２０Ｊ／ｃｍ² 以上、水蒸気酸化によるスケール層の厚
さは９３μｍ以下であった。この結果から、本発明鋼
は、高温クリープ強度、耐水蒸気酸化性および靱性のす
べての特性を同時に満足していることが確認された。

【００６２】一方、表４に示すように、比較鋼の供試材
Ｎｏ．２２〜５１については、一部の供試材にクリープ
破断時間、水蒸気酸化スケール層厚さあるいは衝撃値の
測定値に、本発明鋼並みの高い値が認められた。しか
し、３つの特性すべてを満足する供試材はない。特に、
供試材Ｎｏ．４８〜５１の従来鋼では、いずれも、６５
０℃、９８ＭＰａの条件におけるクリープ破断時間が、
９００時間未満であり、高温クリープ強度が著しく低
い。水蒸気酸化におけるスケール層の厚さも１００μｍ
を超えるものが多く、耐水蒸気酸化性にも劣っている。
また、いずれかの元素の含有率が、本発明鋼の化学組成
の範囲外である供試材Ｎｏ．２２〜４７については、上
記のように３つの特性の内のいずれか、またはすべてが
本発明鋼に比べて劣っている。比較鋼の供試材Ｎｏ．２
７、３４および３７〜４７ならびに従来鋼の４８〜５１
については、前記（１）式を満足しておらず、また、比
較鋼の供試材Ｎｏ．３７および４０ならびに従来鋼の４
８、４９および５１については、（２）式を満足してい
ない。この場合には、一部の特性値に本発明鋼並みの値
も見られるが、高温クリープ強度、耐水蒸気酸化性ある
いは靱性のいずれかが著しく劣っていた。

【００６３】上述のように、本発明鋼は比較鋼または従
来鋼に比べて、高温クリープ強度、耐水蒸気酸化性およ
び靱性が格段に優れていることが実証された。

【００６４】

【発明の効果】本発明の高Ｃｒフェライト系の耐熱鋼
は、６００℃を超える高温における長時間クリープ強
度、耐水蒸気酸化性および常温における靱性に優れてい
る。したがって、ボイラー、原子力発電設備、化学工業
装置など高温、高圧下で操業される装置用材料、例えば
熱交換用の鋼管あるいは圧力容器用の鋼板、タービン用
材料等として好適である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、 C :0.02 〜0.15%、 Si:0 〜1.0%、 Mn:0.05 〜1.5%、 P :0.030%以下、 S :0.015% 以下 Cr:8.0 〜13.0%、 W :1.5〜3.5%、 Mo:0 〜1.0%、 Co:2.5〜6.0%、 V :0.10〜0.50%、 Nb:0.030〜0.14%、 Nd:0.001 〜0.17%、 N :0.020〜0.12%、 B :0 〜0.030%、 O :0.010% 以下、 sol.Al:0.001〜0.050% を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避の不純物からなる化
   学組成を備え、さらに、下記（１）式および（２）式を
   満足する高温における長時間クリープ強度、耐水蒸気酸
   化性および靱性に優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。 ０≦Ｐ_Nd≦０．１０３ （１） ０．００５≦Ｐ_Nb≦０．０３ （２） Ｐ_Nd＝Ｎｄ−６．０１×Ｏ（酸素） Ｐ_Nb＝０．１５１×Ｎｂ＋０．０９７１×Ｐ_Nd （元素記号は、各元素の鋼中における含有率（重量％）
   を表す）