JPH10251809A

JPH10251809A - 高靭性フェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JPH10251809A
Application number: JP9064318A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Kadoya; 好邦角屋; Hisataka Kawai; 久孝河合; Koji Takahashi; 孝二高橋; Ryutaro Umagoe; 龍太郎馬越
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-09-22
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: DE69800902T2; ATE202159T1; JP3354832B2; EP0867523B1; DE69800902D1; EP0867523A1; US5944922A

Abstract

(57)【要約】【課題】高温におけるクリープ破断強度と常温におけ
る靭性に優れたガスタービンロータやディスクを形成す
るためのフェライト系耐熱鋼を提供する。【解決手段】重量比で、０．０８及至０．２５％の炭
素、０．５％以下のけい素、１．０％以下のマンガン、
１．０％を越え３．０％以下のニッケル、９．０及至１
２．５％のクロム、０．３及至１．５％のモリブデン、
１．０及至３．０％のタングステン、０．１０及至０．
３５％のバナジウム、０．０２及至０．１０％のニオ
ブ、０．０１及至０．０８％の窒素、０．００１及至
０．０１％のボロン、１．０及至５．０％のコバルトを
含有し、残部が実質的に鉄であり、組織が焼もどしマル
テンサイト基地からなる耐熱鋼より形成される高靭性フ
ェライト系耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気タービン及び
ガスタービンのロータやディスクなどの大型鍛造材用の
耐熱鋼に関し、特に、４００〜６００℃の温度範囲の高
温におけるクリープ破断強度と常温における靭性に優れ
たガスタービンロータやディスクを形成するためのフェ
ライト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、効率が良くかつクリーンな発電シ
ステムとしてガスタービンが注目されており、ガスター
ビンと蒸気タービンを組合わせたコンバインドサイクル
発電プラントも含めて、その増加は著しい。こうしたガ
スタービンあるいはコンバインドサイクル発電プラント
の効率の一層の向上を図るため、ガスタービンの入口ガ
ス温度は上昇する趨勢にあり、現在１３００℃級のプラ
ントが実用化され、さらに１５００℃級の開発も進んで
いる。このような入口ガス温度の高温化にともない、動
翼、静翼、燃焼器、ガスタービンおよびコンプレッサー
ディスクなども、より優れた高温強度、靭性が要求され
るようになっている。ガスタービンの回転部品として最
も大型となるディスク材としては、高温化にともないイ
ンコネル等のＮｉ基合金が使用されつつあるが、大出力
化にともなう耐熱材料大型部材の製造性やコストなどの
面から、１２％Ｃｒ鋼や低合金鋼などのフェライト系材
料の性能向上への要望が強くなっているのが現状であ
る。

【０００３】ガスタービンやジェットエンジンのタービ
ンディスク用材料には、従来、主として表１から表４に
示す化学組成からなる合金鋼の鍛造品が用いられてい
る。表１は３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（低合金鋼デ
ィスク材）の組成の例を示し、表２はＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼
（低合金鋼ディスク材）の組成の例を示し、表３は１２
％Ｃｒ系鋼ディスク材の組成の例を示し、および表４は
Ｆｅ基耐熱合金ディスク材の組成の例を示す。

【０００４】

【表１】

【０００５】表１に代表されるような、Ｎｉを数％含有
する３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（低合金鋼）ディス
ク材は、０．２％耐力（以下、０．２％耐力を単に耐力
という）が７０〜１２０ｋｇ／ｍｍ²と比較的高い強度
を備え、かつ２５℃におけるＶノッチ・シャルピー衝撃
吸収エネルギーが５〜１０ｋｇ−ｍ以上と高い靭性を兼
備し、溶解、鍛造、熱処理も比較的簡単でコストが低
く、入手も容易である。しかし、使用温度（ディスク材
のメタル温度をいう）が３００〜３５０℃以上になる
と、このディスク材はクリープ領域に入り、材料強度の
設計上、クリープを考慮する必要が生じ、複雑になり、
また引張強さや耐力などの強度は長時間使用するに従っ
て低下する軟化現象を示し、さらに３５０〜５００℃の
温度範囲で数百〜数万時間使用すると、焼もどし脆性の
ため靭性が著しく低下する。これは、主に、数％以上の
Ｎｉを含む低合金鋼であって、焼入、焼もどしの調質を
行ない、強度と靭性を改良したディスク材に見られる宿
命である。

【０００６】

【表２】

【０００７】また、表２に代表されるようなＣｒ−Ｍｏ
−Ｖ鋼（低合金鋼）は、上記の３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ
−Ｖ鋼と同様にコストも低く、入手も容易であり、また
３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のような著しい軟化現象
や焼戻し脆性を示さず、しかも使用温度が４３０〜４８
０℃になるまでクリープ領域に入らないため、３．５Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼よりも使用温度を１００〜２００
℃高くすることができる。しかし、靭性は３．５Ｎｉ−
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼ほどに優れておらず、特に引張強さや
耐力などを上げようとすると靭性が著しく低下し、例え
ば耐力を７０〜８０ｋｇ／ｍｍ²以上の高い強度レベル
に調質すると２５℃におけるＶノッチ・シャルピー衝撃
エネルギーが１〜２ｋｇ−ｍ以下と著しく低下してしま
う。さらに、４００℃程度の温度でもクリープ領域に入
り、このクリープ温度領域において切欠弱化（切欠クリ
ープ破断強さが平滑クリープ破断強さより弱くなること
をいう）するため、ディスク用材料として使用する場
合、強度をあまり高くする調質（焼入、焼もどし）を行
なうことができず、一般に、３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−
Ｖ鋼よりも強度レベルは低く押えられ、通常、室温にお
ける耐力は６０〜７０ｋｇ／ｍｍ²以下である。

【０００８】

【表３】

【０００９】さらに、表３に代表されるような１２％Ｃ
ｒ鋼は、約１２％のＣｒの他、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ等を合金
添加して、高強度・高靭性を確保した鋼である。これら
の現状の１２％Ｃｒ鋼は、上記の３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ鋼やＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の両低合金鋼に比べて耐食
耐酸化性に優れるが、高温における強度や室温における
靭性は上記のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼に比べて比較的良好なる
ものの顕著な強度および靭性の向上は図られていない。

【００１０】

【表４】

【００１１】そして、表４に代表されるようなＦｅ基耐
熱合金は、ＮｉやＣｒを多く含有しているため、耐食耐
酸化性に優れ、５００〜５８０℃以上の温度でクリープ
領域に入るので、高温強度を高くとることができ、また
均一なオーステナイト系組織のため、脆性破壊を起さ
ず、靭性を考慮する必要がなく、強度は溶体化・時効処
理によってγ’相｛Ｎｉ₃（Ａｌ・Ｔｉ）｝の金属間化
合物の析出硬化によりもたされるので、上記した低合金
鋼（焼もどしベイナイト組織）や１２％Ｃｒ鋼（焼もど
しマルテンサイト組織）のように調質時における質量効
果を考慮する必要がない。しかし、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏな
どの高価な合金元素を多量に含有しており、しかもＡ
ｌ、Ｔｉなどの活性の高い合金元素を含有しているため
通常の溶解法は適用できず、真空高周波溶解あるいは真
空アーク溶解などのより高度な溶解技術が必要で、コス
トがかなり高く、通常の低合金鋼のコストの５〜１０倍
である。また、最近のようにタービンが大容量化してく
ると、必要なタービンディスクも単体重量で６〜８トン
以上にもなり、このような大型のＦｅ基耐熱合金のディ
スク用鍛造品を製造し得る設備を有するメーカーは国内
外を見ても数社に限られる。

【００１２】一方、近年、ガスタービンは高効率化と大
容量化が図られるようになり、前者においては、熱効率
向上のためにタービン入口ガス温度を高くする必要があ
り、従ってディスクのメタル温度も４５０℃以上と高く
なり、上記の３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の最高使用
温度である３００〜３５０℃以下に押えることは難し
く、後者においては、設計上必要とされるディスクの形
状が大型化し、ディスク用鍛造品の単体重量が６〜８ト
ン以上にもなってきているなどの問題が生じてきてい
る。しかも、ガスタービンのロータおよびディスク等の
高温部材は、高温強度と靭性の材料特性のバランスが優
れていると同時に、プラントの使用温度において高温長
時間にわたりその材料特性の変化が少ないことが要求さ
れている。これまで用いられてきたロータおよびディス
ク材料の中でも特に１２％Ｃｒ耐熱鋼は、一般に上述し
た高温強度と靭性の材料特性のバランスが比較的良好な
材料である。しかしながら、従来の１２％Ｃｒ耐熱鋼
は、４００℃以上では長時間使用に伴ない脆化するた
め、入口ガス温度の上昇に対応するためには脆化の抑制
が必要となる。この１２％Ｃｒ耐熱鋼の脆化は、焼もど
し温度附近に再加熱した後急冷することにより回復する
可逆な脆化と、再加熱急冷処理による回復のおこらない
不可逆な脆化が重畳したものである。このうち焼もどし
温度への再加熱により回復する可逆な脆化は、不純物元
素の粒界偏析による焼もどし脆化の寄与が大きいと考え
られるが、その低減には不純物元素の低減やＳｉ、Ｍｎ
の低減が有効であることが知られており、３．５Ｎｉ−
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のような脆化感受性の大きい低合金鋼
では、こうした高純度化が脆化感受性低減に著しい効果
のあることが知られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の諸点
に鑑み、上記の３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼やＣｒ−
Ｍｏ−Ｖ鋼などの低合金鋼と同等の製造性を有し、容易
に入手することができ、しかもディスクのメタル温度の
最高使用温度が４００〜５００℃と上記の３．５Ｎｉ−
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼よりも１００〜２００℃高くでき、強
度レベルも上記の３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼と同等
のディスク用低合金鋼を提供しようとするので、ディス
クのメタル温度を４００〜４８０℃に上げることができ
れば熱効率を大幅に向上させることができ、しかも１２
％Ｃｒ鋼であれば６〜８トン以上の大型鍛造品であって
も国内で容易に入手でき、コストも高くならないという
上記した近年の問題をも解消しようとするものである。
本発明の第２の課題は、高温での強度が優れているだけ
でなく、常温での靭性も優れたディスク材を提供するこ
とにある。これはガスタービンのディスクおよびロータ
においては、上記タービンの常温の靭性が低いと脆性破
壊を起す危険があるからである。

【００１４】本発明の第３の課題は、熱疲労によるき裂
の発生を防止するために高い延性を持つディスクおよび
ロータを提供することである。ガスタービンの運用に応
じて停止、起動がしばしば繰返されると、特に停止時に
ディスク表面のみが急冷されて熱応力が発生し、熱疲労
によるき裂が発生するおそれがある。このような熱疲労
によるき裂の発生を防止するためには、ディスク材は高
い延性を有していることが必要である。本発明の第４の
課題は、ディスクの外周部のみでなく、中心部の諸性質
とくに長時間クリープ破断強度および常温の靭性が優れ
たディスク材を提供することである。大容量のガスター
ビンではロータおよびディスクの鋼塊重量は１０数トン
にも達するために、固溶化処理後、油などで急冷しても
ディスク中心部の冷却速度は１００℃／ｈｒ程度とな
る。このような遅い冷却速度で焼入れされると、焼入れ
途中に初析フェライトの析出が生じて所定の強度および
靭性が得られないことがある。そこで、本発明では後述
するようにディスク中心部の冷却条件をシミュレートし
た試験を行ない、大型ディスクの中心部の長時間クリー
プ破断強度が高く、また靭性が非常に優れている鋼を提
供するものである。

【００１５】本発明の第５の課題は、高い温度で長時間
使用しても強度が著しく低下しないように焼もどし温度
が使用温度より十分高いディスク材を提供することであ
る。本発明の第６の課題は、１０数トンにも及ぶ鍛造品
において鋼塊製造段階で、溶融状態から凝固する時に共
晶ＮｂＣの生成を阻止するとともに、９００℃〜１２０
０℃に加熱した鍛造段階で、共晶Ｆｅ₂ＢおよびＢＮの
生成を阻止するとともに、熱処理段階で、１０５０℃〜
１１５０℃から焼入れしてもδ−フェライトの発生がな
いディスク材を提供することである。この共晶ＮｂＣの
生成は機械的特性に有害であり、共晶Ｆｅ₂Ｂの生成は
割れ発生により鍛錬が不可となり、ＢＮの生成は機械的
性質を低下させ、δ−フェライトの生成は高温使用時の
疲労強度を著しく低下させるので、共晶ＮｂＣ、共晶Ｆ
ｅ₂Ｂ、ＢＮおよびδ−フェライトのいずれも絶対に生
成させてはならない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の１
２％Ｃｒ鋼の見直しを行ない、さらに高強度化をはかる
ために各元素の最適添加量を研究した。その結果、ま
ず、Ｎｉの増量添加によりマルテンサイト組織の安定化
を図り、靭性の向上を狙い、さらに組織の安定化に加え
て焼もどし軟化抵抗の増加を狙い、Ｃｏを新たに従来の
同系統の耐熱鋼に比べて比較的多く、積極的に添加する
こと、そして、高温強度向上を狙いＭｏとＷを同時に添
加するが、Ｍｏに比べてＷの増量添加を図り、従来より
も多量のＭｏ当量（Ｍｏ＋０．５Ｗ）を添加すること、
およびその結果としてＭｏ当量とＣｏの相乗効果により
高温強度を一段と高められることを新規に見い出し、本
発明に至ったものである。すなわち、本発明の第１の高
靭性フェライト系耐熱鋼は、重量比で、０．０８及至
０．２５％の炭素、０．５％以下のけい素、１．０％以
下のマンガン、１．０％を越え３．０％以下のニッケ
ル、９．０及至１２．５％のクロム、０．３及至１．５
％のモリブデン、１．０及至３．０％のタングステン、
０．１０及至０．３５％のバナジウム、０．０２及至
０．１０％のニオブ、０．０１及至０．０８％の窒素、
０．００１及至０．０１％のボロン、１．０及至５．０
％のコバルトを含有し、残部が実質的に鉄であり、組織
がマルテンサイト基地からなる耐熱鋼より形成されるこ
とを特徴とする。

【００１７】本発明の第２の高靭性フェライト系耐熱鋼
は、重量比で、０．０８及至０．２５％の炭素、０．５
％以下のけい素、１．０％以下のマンガン、１．０％を
越え３．０％以下のニッケル、９．０及至１２．５％の
クロム、０．３及至１．５％のモリブデン、１．０及至
３．０％のタングステン、０．１０及至０．３５％のバ
ナジウム、０．０２及至０．１０％のニオブ、０．０１
及至０．０８％の窒素、０．００１及至０．０１％のボ
ロン、１．０及至５．０％のコバルトを含有し、残部が
実質的に鉄であり、組織が焼もどしマルテンサイト基地
からなる耐熱鋼であって、次式によって求められるＣｒ
当量（Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１
１Ｖ＋５Ｎｂ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０
Ｎ）が２．０％以下であり、Ｂ＋０．５Ｎで表わされる
Ｂ当量が０．０３０％以下であり、Ｎｂ＋０．４Ｃで表
わされるＮｂ当量が０．１２％以下であり、Ｍｏ＋０．
５Ｗで表わされるＭｏ当量が１．４０〜２．４５％であ
り、かつ、不可避的不純物元素のうち、硫黄０．０１％
以下、リン０．０３％以下に抑えてなることを特徴とす
る。

【００１８】本発明の第３の高靭性フェライト系耐熱鋼
は、上述の耐熱鋼において、溶体化・焼入れ熱処理温度
が１０５０〜１１５０℃であり、焼入れ後少なくとも５
３０〜５７０℃の温度において第１段焼もどし熱処理し
た後、それより高い温度の５７０〜６８０℃の温度にお
いて第２段焼もどし熱処理を施したことを特徴とする耐
熱鋼より形成されることを特徴とする。本発明の第４の
高靭性フェライト系耐熱鋼は、上述の耐熱鋼において、
前記熱処理によりＭ₂₃Ｃ₆型炭化物および金属間化合物
を主として結晶粒界及びマルテンサイトラス境界に析出
させ、かつＭＸ型炭窒化物をマルテンサイトラス内部に
析出させ、これら析出する析出物の合計量が１．５〜
４．０重量％である耐熱鋼より形成されることを特徴と
する。また、前記焼入れ熱処理後のオーステナイト結晶
粒径が２０〜１５０μｍである耐熱鋼より形成されるこ
とを特徴とする。さらに、前記耐熱鋼を形成する鋼塊が
エレクトロスラグ再溶解法またはそれに準じる鋼塊製造
法、例えばエレクトロスラグ押湯保温法などを用いて得
られることを特徴とする。

【００１９】大型ロータやディスクを製造する場合、鋼
塊製造段階で、溶融状態から凝固する時に塊状のＮｂＣ
が生成（晶出）することがある。この粗大ＮｂＣは機械
的特性に有害であるため、鋼塊製造時にこのＮｂＣの生
成を回避することが不可欠である。そこで、本発明で
は、ニオブと０．４倍の炭素の和をＮｂ当量と定義し、
Ｎｂ＋０．４Ｃ≦０．１２％に制御してＮｂＣの生成を
回避する。次の手段として、鍛造段階で、９００℃〜１
２００℃に加熱保持する時に、共晶Ｆｅ₂ＢおよびＢＮ
が生成することがある。共晶Ｆｅ₂Ｂの生成は割れ発生
により鍛錬が不可となり、ＢＮの生成は機械的性質を低
下させる。したがって、鍛造時にこれらの共晶Ｆｅ₂Ｂ
およびＢＮの生成を回避することが不可欠である。そこ
で、本発明では、Ｂと０．５倍のＮの和をＢ当量と定義
し、Ｂ＋０．５Ｎ≦０．０３０％に制御してＦｅ₂Ｂ及
びＢＮの生成を回避する。さらに、熱処理段階で、１０
５０℃〜１１５０℃の溶体化熱処理する時に塊状のδ−
フェライトが生成することがある。この塊状のδ−フェ
ライトの生成は、鍛造割れ発生を起こすとともに、疲労
強度を著しく低下させる。したがって、熱処理時にこの
δ−フェライトの生成を回避することが不可欠である。
そこで、本発明では、従来から提案されているＣｒ当量
を２．０％以下に抑制してδ−フェライトの生成を回避
する。不可避的不純物元素のうちＳは０．０１％以下、
Ｐは０．０３％以下にそれぞれ抑える。

【００２０】また、従来、Ｃｏはシャルピー衝撃値を低
下させるため、特に延性が低下しがちなＷ含有鋼におい
ては、Ｃｏの多量添加は不適当と考えられていたが、実
施例で述べるようにＮｉの１〜３％添加領域ではＣｏを
１．０％以上添加すると、望ましくは２．５％程度添加
するとむしろ高温強度の向上に著しい効果があることが
わかったので、Ｃｏは１．０％以上含有させ、Ｍｏ、Ｗ
の十分な固溶と長時間使用中の組織安定性を図る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の高靭性フェライ
ト系耐熱鋼を形成する耐熱鋼の組成及びその含有量につ
いて、上記のように限定した理由を記す。なお、以下の
説明において、含有量を表す％は、重量比とする。炭素（Ｃ）についてＣは焼入性を確保し、焼もどし過程でＣｒ、Ｍｏ、Ｗな
どと結合してＭ₂₃Ｃ₆型炭化物を結晶粒界、マルテンサ
イトラス境界上に形成するとともに、Ｎｂ、Ｖなどと結
合してＭＸ型炭窒化物をマルテンサイトラス内に形成す
る。これより、両者の炭化物の析出強化により高温強度
を高めることができる。さらに、Ｃは耐力や靭性を確保
する以外にもδ−フェライトおよびＢＮの生成の抑制に
必要不可欠な元素であり、本発明ディスク材に必要な耐
力や靭性を得るためには、０．０８％以上必要である。
しかし、あまり多量に添加すると、かえって靭性を害す
るとともに、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物を過度に析出させ、マト
リックスの強度を低めてかえって長時間側の高温強度を
損なうので、炭素（Ｃ）の含有量を０．０８〜０．２５
％に限定する。望ましくは、０．０９〜０．１３％であ
る。さらに望ましくは、０．１０〜０．１２％である。けい素（Ｓｉ）についてＳｉは溶鋼の脱酸剤として有効な元素である。しかし、
Ｓｉは多く添加すると脱酸による生成物であるＳｉＯ₂
が鋼中に存在し、鋼の清浄度を害し、靭性を低下させ
る。また、Ｓｉは金属間化合物であるラーベス相（Ｆｅ
₂Ｍ）の生成を促し、また粒界偏析等によりクリープ破
断延性を低下させ、更に、高温使用中において、焼もど
し脆性を助長するので、有害元素としてその含有量を
０．５％以下とした。なお、近年、真空カーボン脱酸法
やエレクトロスラグ再溶解法が適用され、必ずしもＳｉ
脱酸を行なう必要がなくなって来ており、そのときの含
有量は０．１％以下でありＳｉ量は低減できる。

【００２２】マンガン（Ｍｎ）についてＭｎは溶鋼の脱酸、脱硫剤として有効であり、また、焼
入性を増大させて強度を高めるのに有効な元素である。
また、Ｍｎはδ−フェライトおよびＢＮの生成を抑制
し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出を促進する元素として有効
な元素であるが、Ｍｎ量増加とともにクリープ破断強度
を低下させるので、その含有量を最大１．０％に限定す
る。望ましくは、０．１〜０．５％である。ニッケル（Ｎｉ）についてＮｉは鋼の焼入性を増大させ、δ−フェライトおよびＢ
Ｎの生成を抑制し、室温における強度および靭性を高め
る有効な元素で、特に靭性確保のためには最低１．０％
必要である。また、これらの効果は、Ｎｉ及びＣｒ両元
素の含有量の多い場合にはその相乗効果により著しく増
加する。しかし、Ｎｉは３．０％を越えると、４００〜
４５０℃における高温強度（クリープ強度、クリープ破
断強度）を低下させ、また、焼もどし脆性を助長するの
で、その含有量を１．０％を越え３．０％以下とした。
望ましくは、１．５〜２．２５％である。

【００２３】クロム（Ｃｒ）についてＣｒは耐酸化性・耐食性を付与し、析出分散強化による
高温強度に寄与するＭ ₂₃Ｃ₆型炭化物の構成元素として
必要不可欠の元素である。上記の効果を得るためには本
発明鋼の場合、クロム（Ｃｒ）は最低９．０％必要であ
るが、１２．５％を越えるとδ−フェライトを生成し、
高温強度および靭性を低下させるのでクロム（Ｃｒ）の
含有量を９．０〜１２．５％に限定する。望ましくは、
１０．２〜１１．５％である。また、大型ディスクの製
造にあたっては、溶体化熱処理時にδ−フェライトの析
出を阻止することが不可欠である。本発明鋼におけるＣ
ｒ当量（Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５
Ｎｂ−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ）は
２．０％以下に限定するのが好ましい。これにより、δ
−フェライトの生成を回避できる。モリブデン（Ｍｏ）についてＭｏは、Ｃｒと同様にフェライト鋼の添加元素として重
要な元素である。Ｍｏを鋼に添加すると焼入性を増大
し、また、焼もどし時の焼もどし軟化抵抗を大きくし
て、常温の強度（引張強さ、耐力）および高温強度の増
大に有効である。そして、Ｍｏは固溶化強化元素として
作用するとともに、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の微細析出を促進
し、凝集を妨げる作用があり、又その他の炭化物を生成
して析出強化作用元素として、クリープ強度やクリープ
破断強度などの高温強度の向上に非常に有効な元素であ
る。更に、Ｍｏは０．３％程度以上添加すると、鋼の焼
もどし脆性を阻止する元素として非常に有効な元素であ
る。しかし、Ｍｏは、過剰添加するとδ−フェライトを
生成し、靭性を著しく低下させるとともに、金属間化合
物であるラーベス相（Ｆｅ₂Ｍ）の新たな析出を招く元
素のひとつであるが、本発明鋼の場合、ＮｉおよびＣｏ
との共存によりその傾向が抑制されている。従って、Ｍ
ｏ添加量の上限は１．５％まで高められる。そこで、Ｍ
ｏ量は０．３〜１．５％とした。

【００２４】タングステン（Ｗ）についてＷは、Ｍｏ以上にＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の凝集粗大化を抑制
する効果があり、さらに固溶体強化元素として、クリー
プ強度やクリープ破断強度などの高温強度の向上に有効
な元素であり、その効果はＭｏとの複合添加の場合に顕
著である。しかし、Ｗを多く添加するとδ−フェライト
や金属間化合物であるラーベス相（Ｆｅ ₂Ｍ）を生成し
やすくなり、延性、靭性が低下するとともに、クリープ
破断強度が低下する。また、Ｗの添加量はＭｏの添加量
の他に、Ｎｉおよび後述のＣｏの添加量に影響され、
１．０〜３．０％のＮｉ添加における１．０〜５．０％
のＣｏ添加量の範囲では、Ｗの３％を越える増量添加
は、凝固偏析等大型鍛造品として好ましくない現象もで
てくる。これらを考慮してＷの含有量は１．０〜３．０
％とした。なお、Ｗ添加はＭｏとの複合添加の場合顕著
であり、その添加量（Ｍｏ＋０．５Ｗ）は、１．４０〜
２．４５％が好ましい。この（Ｍｏ＋０．５Ｗ）をＭｏ
当量と定義する。バナジウム（Ｖ）についてＶは、Ｍｏと同様に常温における強度（引張強さ、耐
力）の向上に有効な元素である。さらに、Ｖは固溶体強
化元素として、また、Ｖの微細な炭窒化物をマルテンサ
イトラス内に生成させる。これらの微細な炭窒化物は、
クリープ中の転位の回復を制御してクリープ強度やクリ
ープ破断強度などの高温強度を増加させるため、Ｖは析
出強化元素として重要な元素である。更に、Ｖはある程
度の添加範囲（０．０３〜０．３５％）の添加量であれ
ば、結晶粒を微細化させて、靭性向上にも有効である。
しかし、あまりに多量に添加すると、靭性を害するとと
もに、炭素を過度に固定し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出量
を減じて逆に高温強度を低下させるので、その含有量は
０．１０〜０．３５％とした。望ましくは、０．１５〜
０．２５％である。

【００２５】ニオブ（Ｎｂ）についてＮｂは、Ｖと同様に引張強さや耐力などの常温強度、並
びにクリープ強度やクリープ破断強度などの高温強度の
増大に有効な元素であると同時に、微細なＮｂＣを生成
して結晶粒を微細化させ、靭性向上に非常に有効な元素
である。また、Ｎｂの一部は焼入れの際、固溶して焼も
どし過程で上記のＶ炭窒化物と複合したＭＸ型炭窒化物
を析出し、高温強度を高める作用があり、最低０．０２
％必要である。しかし、０．１０％を越えるとＶと同様
炭素を過度に固定してＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出量を減少
し、高温強度の低下を招くのでＮｂの含有量は０．０２
〜０．１０％に限定する。望ましくは、０．０２〜０．
０５％である。また、大型ディスクの製造にあたって
は、鋼塊凝固時に塊状のＮｂＣが晶出し、この塊状Ｎｂ
Ｃが機械的性質に悪影響を及ぼすことがある。そこで、
Ｎｂと０．４倍のＣの和をＮｂ＋０．４Ｃ≦０．１２％
に限定するのが好ましい。この（Ｎｂ＋０．４Ｃ）をＮ
ｂ当量と定義する。これにより、塊状ＮｂＣの晶出を回
避できる。ボロン（Ｂ）についてＢは、粒界強化作用とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物中に固溶し、Ｍ
₂₃Ｃ₆型炭化物の凝集粗大化を妨げる作用により高温強
度を高める効果があり、最低０．００１％添加すると有
効であるが、０．０１０％を越えると溶接性や鍛造性を
害するので、０．００１〜０．０１０％に限定する。望
ましくは、０．００３〜０．００８％である。また、大
型ディスクの製造にあたっては、９００〜１２００℃に
加熱した鍛造時に共晶Ｆｅ₂ＢおよびＢＮが生成し、鍛
造困難および機械的性質に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、Ｂと０．５倍のＮの和をＢ＋０．５Ｎ≦０．０
３０％に限定するのが好ましい。この（Ｂ＋０．５Ｎ）
をＢ当量と定義する。これにより、共晶Ｆｅ₂Ｂおよび
ＢＮの生成を回避できる。

【００２６】窒素（Ｎ）についてＮは、Ｖの窒化物を析出したり、また固溶した状態でＭ
ｏやＷと共同でＩＳ効果（侵入型固溶元素と置換型固溶
元素の相互作用）により高温強度を高める作用があり、
最低０．０１％は必要であるが、０．０８％を越えると
延性を低下させるので、Ｎの含有量を０．０１％〜０．
０８％に限定する。望ましくは、０．０２〜０．０４％
である。また、上記ボロン（Ｂ）との共存により共晶Ｆ
ｅ₂Ｂ及びＢＮの生成を助長することがある。従って、
上記の通りＢ当量を（Ｂ＋０．５Ｎ）≦０．０３０％に
限定するのが好ましい。コバルト（Ｃｏ）についてＣｏは、本発明を従来の発明から区別して特徴づける重
要な元素である。Ｃｏは固溶強化に寄与するとともにδ
−フェライトの析出抑制に効果があり、大型鍛造品の製
造に有用である。本発明においては、Ｎｉの添加により
Ａ_C1変態点は約７００℃に低下するが、Ｃｏの添加はＡ
_C1変態点（約７００℃を確保）をほとんど変えず、合金
元素の添加が可能となり、高温強度が著しく改善され
る。これはおそらく、Ｍｏ、Ｗとの相互作用によるもの
と考えられ、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋０．５Ｗ）を１．４０％
以上含む本発明鋼において特徴的な現象である。このよ
うなＮｉの１〜３％添加におけるＣｏの効果を明確に実
現するために、本発明鋼におけるＣｏの下限は１．０％
とするが、一方Ｃｏを過度に添加すると延性が低下し、
またコストが上昇するので、上限は５％に限定する。従
って、Ｃｏの含有量は１．０〜５．０％とする。望まし
くは２．０〜３．０％である。また、大型ディスクの製
造にあたっては、溶体化熱処理時にδ−フェライトの析
出を阻止することが不可欠である。Ｃｏはδ−フェライ
トの析出予想のパラメータであるＣｒ当量（Ｃｒ＋６Ｓ
ｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ−４０Ｃ−２Ｍ
ｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎ）を低下させる有効な元素
である。本発明鋼におけるＣｒ当量は、２．０以下に限
定するのが好ましい。これより、δ−フェライトの生成
を回避できる。

【００２７】その他Ｐ、Ｓ、Ｃｕなどは不純物元素として製鋼の原材料から
の混入が避けられないものであるが、これらの含有量は
できるだけ低い方が望ましい。しかし、原材料を厳選す
るとコスト高となるので、Ｐは０．０３％好ましくは
０．０１５％以下、Ｓは０．０１％好ましくは０．００
５％以下、Ｃｕは０．５０％以下が望ましく、その他の
不純物元素として、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｓなどがあ
る。次に、溶体化・焼入れ熱処理温度について説明す
る。本発明に係わる耐熱鋼はＭＸ型炭窒化物を析出させ
高温強度を高める効果からＮｂを０．０２〜０．１０％
添加している。この効果を発起させるためには、溶体化
熱処理時にＮｂを完全にオーステナイトに固溶させるこ
とが不可欠である。しかしながら、Ｎｂは、焼入温度を
１０５０℃未満にした場合、凝固時に析出した粗大な炭
窒化物が熱処理後も残存し、クリープ破断強度の増加に
対し、完全に有効には働き得ない。この粗大な炭窒化物
を一旦固溶させ、微細な炭窒化物として高密度に析出さ
せるためには、オーステナイト化がより進行する１０５
０℃以上のオーステナイト化温度からの焼入れが必要に
なる。一方、１１５０℃を越えると本発明に係わる耐熱
鋼の場合、δ−フェライトが析出する温度域に入り、か
つ結晶粒径の大幅な粗大化を生じ靭性を低下させるた
め、焼入れ温度範囲は１０５０〜１１５０℃が好まし
い。

【００２８】次に、焼もどし熱処理温度について説明す
る。本発明に係わる耐熱鋼の特徴は、焼入れ後の残留オ
ーステナイトを完全に除去するため、５３０〜５７０℃
の温度において第１段焼もどし熱処理を採用し、さら
に、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物および金属間化合物を主に結晶粒
界及びマルテンサイトラス境界に析出させ、かつＭＸ型
炭窒化物をマルテンサイトラス内へ析出させることがで
きる第２段の焼もどし熱処理温度範囲である５７０〜６
８０℃の熱処理方法を採用していることである。第１段
焼もどし熱処理温度が５３０℃未満であると、未変態オ
ーステナイトを完全にマルテンサイトにすることができ
ず、５７０℃を越えると、第２段焼もどし熱処理の効果
が十分に得られないため、第１段焼もどし熱処理は５３
０〜５７０℃の温度範囲とした。第２段焼もどし熱処理
温度が５７０℃未満であると、上記のＭ₂₃Ｃ₆型炭化物
およびＭＸ型炭窒化物の析出が十分に平衡値まで到達す
ることができず、析出物の体積率が相対的に低下する。
しかも、このような不安定な状態にあるこれらの析出物
は、その後の４５０℃を越える高温で長時間のクリープ
を受けると、さらに析出が進行するとともに凝集粗大化
が著しくなる。一方、第２段焼もどし熱処理温度が６８
０℃を越えると、マルテンサイトラス内のＭＸ型炭窒化
物の析出密度が低下するとともに焼もどしが過剰になり
所定の強度が得られず、かつオーステナイトへの変態点
Ａ_C1点（約７００℃）に接近するため、第２段焼もどし
熱処理の温度範囲は５７０〜６８０℃が好ましい。

【００２９】上述の熱処理を施すことにより、結晶粒界
及びマルテンサイトラス境界に析出させるＭ₂₃Ｃ₆型炭
化物の析出量を１．５〜２．５重量％の範囲、マルテン
サイトラス内部に析出させるＭＸ型炭窒化物の析出量を
０．１〜０．５重量％の範囲、結晶粒界及びマルテンサ
イトラス境界に析出させる金属間化合物の析出量を０〜
１．５重量％の範囲とし、上記の析出物の合計量を１．
５〜４．０重量％の範囲に調整すると高温クリープ破断
強度及びクリープ抵抗が大きく向上し、高温長時間後の
特性低下が少なくなる。とくに好ましい析出物の合計量
の範囲は２．５〜３．０重量％である。しかも、析出物
の合計量の内訳は、特に、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出量を
１．６〜２．０重量％およびＭＸ型炭窒化物の析出量を
０．１〜０．２重量％に調整することが好ましい。な
お、析出物の合計量の測定は、試料を１０％アセチルア
セトン−１％塩化テトラメチルアンモニウム−メタノー
ル混合液に入れ、電気分解にて母相を溶解する電解抽出
残渣法による。

【００３０】次に、本発明に係わる耐熱鋼の結晶粒径に
ついて説明する。従来の高Ｃｒ系耐熱鋼は、靭性確保、
クリープ破断延性の確保あるいは疲労強度向上等の観点
から結晶粒径の粗大化は抑制されている。結晶粒径が２
０μｍ未満の場合、クリープ破断強度の値は小さく、一
方、結晶粒径が１５０μｍを越えると靭性およびクリー
プ破断延性が大幅に低下するとともに焼入れ時に粒界割
れを生じ易くなるため、好ましい結晶粒径の範囲は２０
〜１５０μｍである。次に、本発明に係わる耐熱鋼の製
造方法について説明する。本発明に係わる耐熱鋼塊は、
エレクトロスラグ再溶解法またはそれに準じる鋼塊製造
法を用いて製造されることを特徴とする。ガスタービン
用ロータおよびディスクに代表される大型部品において
は、溶湯凝固時の添加元素の偏析や凝固組織の不均一性
が生じやすい。本発明に係わる耐熱鋼は、Ｃｏおよび微
量のＢを添加することを特徴としており、特にＢはＣな
どに比べて鋼塊中においてより偏析しやすい元素であ
る。大型鋼塊に対して、このＢの偏析を極力抑制する鋼
塊製造法を採用することが、本発明に係わる耐熱鋼の場
合には不可欠である。従って、これらのＢなどの偏析の
軽減化および大型鋼塊の健全性・均質性向上を狙い、エ
レクトロスラグ再溶解法またはそれに準じる鋼塊製造法
例えばエレクトロスラブ押湯保温法などを用いることが
好ましい。

【００３１】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。［実施例１］ (1) クリープと靭性の材料特性（その１）供試材として用いた１２種類の耐熱鋼の化学組成を表５
および表６に示す。

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】このうち、No. １からNo. ８は本発明に係
わる耐熱鋼の化学組成範囲の鋼であり、No. ９からNo.
１２は本発明に係わる耐熱鋼の化学組成範囲に当てはま
らない比較材である。このうち、No. ９およびNo. １０
はＣｏおよびＢの添加量が本発明の範囲に入らない鋼で
ある。No. １１は、例えば特願平７−８６６２９号公報
に開示されている鋼であり、高強度耐熱鋼として発明さ
れた蒸気タービン用ロータ材の例であり、Ｎｉの添加量
が本発明の範囲に入らない鋼である。さらに、No. １２
は、特開昭６０−１６５３６０号に開示されている鋼で
あり、高中圧蒸気タービンロータ材として使用されてい
る。この鋼は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂ及びＷの添加量が本発明
の範囲に入らない鋼である。これらの耐熱鋼を実験室的
規模の真空溶解炉にて溶解し、５０ｋｇ鋼塊を溶製し
た。これらの鋼塊を実機のディスク材を想定して均一加
熱と鍛造（据込１／２．８Ｕ、鍛伸３．７Ｓの鍛錬）を
行って、小型鍛造材を製作した。その後、この鍛造材を
結晶粒度調整を目的に予備熱処理（例えば、１０５０℃
空冷及び６５０℃空冷）を施した。この鍛造材を直径１
８００ｍｍ、厚さ２５０ｍｍの大型ディスクの中心部の
焼入冷却速度をシミュレートした熱処理を行なった。即
ち、１０５０℃で１５ｈｒ加熱して完全にオーステナイ
ト化した後、ディスク中心部の焼入冷却速度を約２５０
℃／ｈｒにして焼入れした後、５５０℃で５ｈｒの第１
段焼もどしと６４０℃で１０ｈｒの第２段焼もどしを行
なった。なお、焼もどし処理の条件は、圧縮機ディスク
材の設計に必要な強度すなわち室温における０．２％耐
力が８０ｋｇ／ｍｍ²以上となるように調整されたもの
である。

【００３５】本発明鋼No. １〜No. ８および比較鋼No.
９〜No. １２について室温（２０℃）において引張試験
及び衝撃試験を行なった。シャルピー衝撃試験結果より
衝撃値および５０％ＦＡＴＴ（破面遷移温度）を求め、
引張性質とともに表７に示す。また、本発明鋼No. １〜
No. ８および比較鋼No. ９〜No. １２を４５０℃および
５００℃の各温度でクリープ破断試験を実施し、その結
果から４５０℃および５００℃の１０⁵ｈｒにおけるク
リープ破断強度を外挿により推定した。結果を表７に合
わせて示す。

【００３６】

【表７】

【００３７】表７から明らかなように、いずれの本発明
鋼の場合も室温における０．２％耐力は８０ｋｇ／ｍｍ
²以上の強度レベルとなっており、圧縮機ディスク材と
して十分な強度を有している。また、伸び・絞りも一般
のディスク材で要求される伸び１６％以上、絞り４５％
以上を十分に満足している。一方、衝撃特性であるが、
圧縮機ディスク材の５０％ＦＡＴＴの目標値は＋２０℃
以下であるが、本発明鋼であるNo. １〜No. ８および比
較鋼No. ９〜No. １０はいずれの場合も目標値以下であ
り、充分な靭性を有していることがわかる。これに対し
て、No. １１〜No. １２の５０％ＦＡＴＴは８０℃およ
び４４℃と高く目標値を満足せず、圧縮機ディスク材と
して靭性が不十分であることがわかる。表７から、本発
明鋼No. １〜No. ８の４５０℃×１０⁵ｈｒクリープ破
断強度は、比較鋼No. ９〜No. １０のそれらを上回り、
いずれも圧縮機ディスク材として要求されるクリープ破
断強度（４０ｋｇｆ／ｍｍ²）以上を示し、クリープ破
断強度が改善されており、格段にクリープ破断寿命が長
いことがわかる。なお、比較鋼No１１及びNo１２は、上
述の通り靭性は目標値を満足しないものの、クリープ破
断強度は、本発明鋼No. １およびNo. ２のそれらと同等
とみなせる。

【００３８】［実施例２］ (2) クリープと靭性の材料特性（その２）実施例１において溶解及び鍛造によって製造した小型鍛
造材を用いて、異なる焼もどし熱処理を行ない実験に供
した。まず、小型鋳造材を直径１６００ｍｍ、厚さ４０
０ｍｍの大型ディスクの中心部の焼入冷却速度をシミュ
レートした熱処理を行なった。即ち、１０５０℃で１５
ｈｒ加熱して完全にオーステナイト化した後、ディスク
中心部の焼入冷却速度を約２００℃／ｈｒにして焼入れ
した後、５５０℃で５ｈｒの第１段焼もどしと５８０℃
で１０ｈｒの第２段焼もどしを行なった。なお、焼もど
し処理の条件は、高温タービンディスク材の設計に必要
な強度すなわち室温における０．２％耐力が９５ｋｇ／
ｍｍ²以上となるように調整されたものである。

【００３９】本発明鋼No. １〜No. ８および比較鋼No.
９〜No. １２について室温（２０℃）において引張試験
及び衝撃試験を行なった。シャルピー衝撃試験結果より
衝撃値および５０％ＦＡＴＴを求め、引張性質とともに
表８に示す。また、本発明鋼No. １〜No. ８および比較
鋼No. ９〜No. １２を４５０℃および５００℃の各温度
でクリープ破断試験を実施し、その結果から４５０℃お
よび５００℃の１０⁵ｈｒにおけるクリープ破断強度を
外挿により推定した。結果を表８に合わせて示す。

【００４０】

【表８】

【００４１】表８から明らかなように、いずれの本発明
鋼の場合も室温における０．２％耐力は９５ｋｇ／ｍｍ
²以上の強度レベルとなっており、高温タービンディス
ク材として十分な強度を有している。また、伸び・絞り
も一般のディスク材で要求される伸び１６％以上、絞り
４５％以上を十分に満足している。一方、衝撃特性であ
るが、高温タービンディスク材の５０％ＦＡＴＴの目標
値は＋２０℃以下であるが、本発明鋼であるNo１〜No８
および比較鋼No. ９〜No. １０はいずれの場合も目標値
以下であり、充分な靭性を有していることがわかる。こ
れに対して、No. １１〜No. １２の５０％ＦＡＴＴは１
１０℃および４８℃と高く目標値を満足せず、高温ター
ビンディスク材として靭性が不十分であることがわか
る。表８から本発明鋼No. １〜No. ８の４５０℃×１０
⁵ｈｒクリープ破断強度は、比較鋼No. ９〜No. １０の
それらを上回り、いずれも高温タービンディスク材とし
て要求されるクリープ破断強度（５０ｋｇｆ／ｍｍ²）
以上を示し、クリープ破断強度が改善されており、格段
にクリープ破断寿命が長いことがわかる。なお、比較鋼
No. １１及びNo. １２は、上述の通り靭性は目標値を満
足しないものの、クリープ破断強度は、本発明鋼No. １
およびNo. ２のそれらと同等とみなせる。

【００４２】［実施例３］ (3) Ｃｏ添加発明鋼におけるＮｉの脆化感受性に及ぼす
影響実施例３においては、本発明を従来の発明から区別して
特徴づけている重要な元素であるＣｏ添加発明鋼におけ
るＮｉに注目して、Ｃｏ添加下におけるＮｉの脆化感受
性に及ぼす影響、とくに約４００℃以上での長時間使用
にともなう脆化感受性について説明する。実施例１にお
いて溶解および鍛造によって製造した小型鍛造材を用い
て、焼もどしままの材料とさらに焼もどしまま材を５０
０℃で１０００時間の等温時効試験を行ない実験に供し
た。時効後、室温を含む−１００℃〜０℃の温度範囲に
おけるシャルピー衝撃試験により、各温度における衝撃
値および脆性破面率を求めた。これより、各試料の５０
％ＦＡＴＴ（破面遷移温度）を求めた。５０％ＦＡＴＴ
の値が低いほど靭性が優れていることを示すが、ここで
は焼もどしままの材料の５０％ＦＡＴＴ（ＦＡＴＴｏと
表示）の値と時効後の５０％ＦＡＴＴ（ＦＡＴＴｔと表
示）の値との差をΔＦＡＴＴと表示し、脆化感受性の指
標とした。このΔＦＡＴＴの値が低いほど脆化感受性は
低いこと、つまり、脆化が起こりにくいことを意味して
いる。第１図はＣｏ添加発明鋼におけるＮｉ量とＦＡＴ
Ｔ及びΔＦＡＴＴの関係を示すグラフである。この図に
示す如く、ΔＦＡＴＴはＮｉ量が約２．２５％まではほ
ぼ一定で低い値を示し、それ以上のＮｉ添加によりΔＦ
ＡＴＴは増加し、脆化感受性が高くなることが分る。本
発明におけるＮｉ含有量は、１．０％を越え、３．０％
以下としているが、Ｎｉ含有量の上限は脆化感受性抑制
の点からは２．２５％とするのが望ましい。

【００４３】［実施例４］ (4) 金属組織、析出物の種類および析出量実施例４においては、金属組織、とくに析出物の種類お
よび析出量について説明する。実施例１に示す本発明鋼
に係わる試料の抽出レプリカによる金属組織観察結果の
代表的な１００％焼きもどしマルテンサイト組織を模式
的に示して第２図に示す。この図においてわかるよう
に、１００％焼きもどしマルテンサイト組織は、マルテ
ンサイトラス内部１、マルテンサイトラス境界２、結晶
粒界（旧オーステナイト粒界）３より構成される。図に
は焼もどしままの試料およびクリープ破断後の試料に分
けて析出物の種類を分類したが、両者の間において析出
物の種類に特別な差はない。まず、結晶粒界３には、塊
状のＭ₂₃Ｃ₆型炭化物と粒状の金属間化合物（ラーベス
相）が析出している。Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物は、組成上はＭ
元素として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの元素との化合
物である。金属間化合物（ラーベス相）はＦｅ₂Ｍ型で
組成上はＭ元素として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの元素を含
む。マルテンサイトラス境界２にも上述のＭ₂₃Ｃ₆型炭
化物と金属間化合物（ラーベス相）が析出している。さ
らに、マルテンサイトラス内部１には、ＭＸ型炭窒化物
が微細に析出している。ＭＸ型炭窒化物は、組成上は、
Ｍ元素として、Ｎｂ、ＶがＸ元素のＣおよびＮと結合し
て微細炭窒化物を形成する。なお、実施例１、実施例２
および実施例３に示す試料の金属組織は、いずれも１０
０％焼きもどしマルテンサイト組織である。

【００４４】本発明の実施例１に係わる熱処理（第２段
焼もどし温度：６４０℃）を施した試料の本発明鋼の代
表的なものとして、試料No３の析出物の合計量は２．８
１重量％であり、その内訳は、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物が２．
５２重量％、ＭＸ型炭窒化物が０．１２重量％、ラーベ
ス相が０．１７重量％である。また、実施例２に係わる
熱処理（第２段焼もどし温度：５８０℃）の同じ試料No
３の析出物の合計量は１．９７重量％であり、その内訳
は、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物が１．６８重量％、ＭＸ型炭窒化
物が０．１１重量％、ラーベス相が０．１８重量％であ
る。これより、焼もどし温度が異なるとＭ₂₃Ｃ₆炭化物
の析出量が顕著に変化し、ＭＸ型炭窒化物およびラーベ
ス相の析出量はほとんど変化しないことが分かる。本発
明鋼では、これら析出する析出物の合計量を１．５〜
４．０重量％に調整することにより、最適な靭性及び高
温強度が確保される。

【００４５】

【発明の効果】請求項１乃至請求項２記載の化学組成範
囲に適合するマルテンサイト組織を有する耐熱鋼を使用
するので、従来のガスタービン用ロータおよびディスク
材の低合金金鋼および１２％Ｃｒ鋼に比較して、本発明
の高靭性フェライト系耐熱鋼は大幅に靭性向上と高温強
度が改善され、設計応力を十分満足することができる。
また、高温長時間における組織安定性に優れている。す
なわち、従来の同系統の１２％Ｃｒ鋼ではＣｏとＢが無
添加であるのに対し、本発明鋼ではＣｏを１．０〜５．
０％添加するとともに、Ｂを０．００１〜０．０１％添
加した。これにより、マルテンサイト組織の安定化と焼
もどし軟化抵抗の増加ならびに焼入れ性向上が図れる。
さらに、Ｎｉを１．０〜３．０％添加することによる高
温強度低下を補うため、高温強度向上を狙いＭｏとＷを
同時に添加するが、これによりＣｏが多く添加されてい
るため、Ｍｏ、Ｗの十分な固溶と長時間使用中の組織安
定性に優れたものにすることが出来る。また、本発明に
係る耐熱鋼には従来よりも多量のＭｏ当量（Ｍｏ＋０．
５Ｗ）を添加した。これにより、本発明の高靭性フェラ
イト系耐熱鋼は、室温強度、高温強度及び靭性に優れ、
従来のものよりも信頼性が高く、またより大型で高温の
ガスタービンに適したロータおよびディスク材などの鍛
鋼材を得ることができ、例えば、１５００℃級ガスター
ビンの使用条件下においても長時間にわたり高い信頼性
を発揮し、火力発電の効率向上に著しい効果がもたらさ
れる。なお、本発明による高靭性フェライト系耐熱鋼は
用途によっては蒸気タービン用の大型で靭性の要求され
るロータ材としても使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３のＣｏ添加発明鋼におけるＮｉ量とＦ
ＡＴＴ及びＮｉ量とΔＦＡＴＴの関係を示すグラフであ
る。

【図２】実施例４の発明鋼の金属組織を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１マルテンサイトラス内部２マルテンサイトラス境界３結晶粒界（旧オーステナイト粒界）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者馬越龍太郎兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、０．０８及至０．２５％の炭
素、０．５％以下のけい素、１．０％以下のマンガン、
１．０％を越え３．０％以下のニッケル、９．０及至１
２．５％のクロム、０．３及至１．５％のモリブデン、
１．０及至３．０％のタングステン、０．１０及至０．
３５％のバナジウム、０．０２及至０．１０％のニオ
ブ、０．０１及至０．０８％の窒素、０．００１及至
０．０１％のボロン、１．０及至５．０％のコバルトを
含有し、残部が実質的に鉄であり、組織が焼もどしマル
テンサイト基地からなる耐熱鋼より形成されることを特
徴とする高靭性フェライト系耐熱鋼。
【請求項２】重量比で、０．０８及至０．２５％の炭
素、０．５％以下のけい素、１．０％以下のマンガン、
１．０％を越え３．０％以下のニッケル、９．０及至１
２．５％のクロム、０．３及至１．５％のモリブデン、
１．０及至３．０％のタングステン、０．１０及至０．
３５％のバナジウム、０．０２及至０．１０％のニオ
ブ、０．０１及至０．０８％の窒素、０．００１及至
０．０１％のボロン、１．０及至５．０％のコバルトを
含有し、残部が実質的に鉄であり、組織が焼もどしマル
テンサイト基地からなる耐熱鋼であって、次式：Ｃｒ当
量＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ
−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−２Ｃｏ−３０Ｎによって求
められるＣｒ当量が２．０％以下であり、Ｂ＋０．５Ｎ
で表わされるＢ当量が０．０３０％以下であり、Ｎｂ＋
０．４Ｃで表わされるＮｂ当量が０．１２％以下であ
り、Ｍｏ＋０．５Ｗで表わされるＭｏ当量が１．４０〜
２．４５％であり、かつ、不可避的不純物元素のうち、
硫黄を０．０１％以下、リンを０．０３％以下、Ｃｕを
０．５％以下に抑えてなることを特徴とする請求項１に
記載の高温強度に優れた高靭性フェライト系耐熱鋼。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の高靭性フ
ェライト系耐熱鋼において、溶体化・焼入れ熱処理温度
が１０５０〜１１５０℃であり、焼入れ後少なくとも５
３０〜５７０℃の温度において第１段焼もどし熱処理を
した後、それより高い温度の５７０〜６８０℃の温度に
おいて第２段焼もどし熱処理を施した耐熱鋼より形成さ
れることを特徴とする高靭性フェライト系耐熱鋼。
【請求項４】請求項３に記載の高靭性フェライト系耐
熱鋼において、前記熱処理によりＭ₂₃Ｃ₆型炭化物およ
び金属間化合物を主として結晶粒界及びマルテンサイト
ラス境界に析出させ、かつＭＸ型炭窒化物をマルテンサ
イトラス内部に析出させ、これらの析出する析出物の合
計量が１．５〜４．０重量％である耐熱鋼より形成され
ることを特徴とする高靭性フェライト系耐熱鋼。
【請求項５】請求項４に記載の高靭性フェライト系耐
熱鋼において、前記焼入れ熱処理後のオーステナイト結
晶粒径が２０〜１５０μｍである耐熱鋼より形成される
ことを特徴とする高靭性フェライト系耐熱鋼。
【請求項６】請求項５に記載の高靭性フェライト系耐
熱鋼であって、前記耐熱鋼から成る鋼塊がエレクトロス
ラグ再溶解法またはそれに準じる鋼塊製造法を用いて得
られることを特徴とする高靭性フェライト系耐熱鋼。