JPS59211526A - マルテンサイト・フエライト２相鋼の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高温用厚肉部材として使用するのに好適な
、高靭性を有するマルテンサイト・フェライト２相鋼の
製造方法に関するものである。

一般に、高速増殖炉等の原子力利用設備、火力発電設備
、或いは一般のボイラ設備等におけるような高温・高圧
の環境下で使用される熱交換チューブ、配管、継手又は
パルプ等の各種部材には、高い高温強度（クリープ強度
）や優れた耐高温酸化性が要求されることはもちろんの
ことであるが、同時に、溶接性に優れていることや、熱
応力に起因する律故を誘発することのない十分に小さな
熱膨張係数であること等も重要な要件とされていた。

ところで、従来、このような５００〜６’００℃の高温
で使用される高温用材料として、Ｃｒを７〜１５％（以
下、成分割合を表わす係は重量係とする）含有するマル
テンサイト・フェライト２相鋼が知られており、高温耐
酸化性に優れていること、オーステナイト系ステンレス
鋼に比べて熱伝導性が良好で、クリープ強度も高く、更
に、熱膨張係数や応力腐食割れ感受性が低い上、価格が
比較的低降であること等の理由から各方面で広く使用さ
れるようになってきた。

そして、これらの材料は、通常、熱間加工の後、９５０
〜１０５０℃程度に一定時間加熱保持して空冷するとい
う極く一般的な規準処理と、７００〜８００℃に加熱後
空冷するという焼戻し処理とによって所定の強度及び靭
性を確保した上で使用に供されるのが普通であった。

しかしながら、このようにして得られたマルテンサイト
・フェライト２相鋼部材は、薄肉管等のように、冷却速
度が速く、かつ強加工を施されているものの場合には確
かに良好な特性を備えていたが、”←厚肉管や鍛鋼品等
の厚肉材として使用した場合には、熱処理によっては焼
戻し後の強度が低下する場合があり、さらに厚肉材とし
て溶接後長時間の応力除去焼鈍が実施される場合もあり
、一層高い靭性な有する材料が必要であることが次第に
明らかとなってきだのである。

本発明者等は、上述のような観点から、まず、高温用マ
ルテンサイト・フェライト２相鋼厚肉材料にみられる前
記問題の゛発生原因を究明すべく、数多くの実験・研究
を行ったところ、 ■　鋼材の肉厚が大きくなると規準処理後の冷却速度が
小さくなシ、このためフェライトの量が増加して２０容
量係以上となり、従ってマルテンサイト量の減少が生じ
、場合によっては炭化物が多量に析出し、鋼材の強度及
び靭性が共に低下することとなる、 ■　フェライト量が多くなると、熱間加工によって厚肉
材等を製造するに際し、硬いマルテンサイト相中に存在
する軟質の大きなフェライト相が薄く押し延ばされ、第
１図の顕微鏡写真図における白地部分で示されるように
、熱間加工方向に粗大なフェライトが延びた組織を形成
することとなって材料に異方性を生じ、これが加工方向
による靭性の差を助長する、 （ｌｉ世　　鋼材の肉厚が大きくなると必然的に熱間加
工率が少さいものとなシ、熱間加工率が小さくなるとマ
ルテンサイト（旧オーステナイト粒）が粗大べなって靭
性低下にらながる、 との新しい事実を見出したのである。

そこで、本発明者等は、高Ｏｒのマルテンサイト・フェ
ライト２相鋼において、焼戻し後、或いは応力除去焼鈍
後や長時間の使用後の靭性低下を最小限に止めるために
は、 Ｏマルテンサイトを微細化する、 Ｏ冷却途中に生成するフェライト量を制限する、 ○　熱間加工方向に長く延びたフェライト（フェライト
バンド）をできるだけ減少するか、或いは何らかの手段
によってフェライトを細かく分散させ、該フェライトバ
ンドを消滅させる、 ことが必要であるとの結論に達し、高温強度や而」高温
酸化性に優れるとともに、良好な靭性をも兼備したマル
テンサイト・フェライト２相鋼をコスト安く実現すべく
、更に研究を重ねだ結果、■　規準後のフェライト量を
少なくするためには、合金成分を所定の割合に調整する
ことに加えて規準前のミクロ組織を調整することが重要
であり、特に熱間加工後の冷却速度を大きくしてマルテ
ンサイドの増加を図る必要があること、■　熱間加工後
の冷却速度を大きくすることによって、規準後のマルテ
ンサイトの微細化もが図れること、 ■　焼型のだめの加熱の際、そ・□の外温途中の所定温
度域に均熱して〔フェライト＋オｉステナイト〕の２相
組織の状態を長時間保持すると、圧延方向に長く延びた
フェライトが均一に分散してしまうこと、 ■　このように、規準前のミクロ組織の調整と規準加熱
途中の均熱とに加えて、規準温度、規準時間、焼型後の
冷却速度、焼戻し温度及び時間を調整することによシ、
冷却中に生成するフェライト量が２０％以下と少な゛く
、しかも微細なマルテンサイト中にフェライトが均一に
分散した、靭性の良好な２相鋼が得られること、 以上■〜■に示される如き知見を得るに至ったのである
。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであシ、 Ｃ：０．１５チ以下、Ｓｉ：０５０２〜０６０％。

Ｍｎ：３．０％以下、　　　Ｃｒ：　’ｉ’、ｏ　〜１
５．０％。

ｓｏｔ、Ｍ　：　０．０３　％以下、　　Ｍｏ：３．０
％以下。

を含有するとともに、必要に応じて、更に、Ｎｉ：２．
０％以下、　　　Ｃｕ二１．０％以下。

Ｎｂ：　０．１５％以下、　　　Ｖ：０．２０条以下。

Ｎ：０．１０チ以下。

のうちの１種以上をも含み、 及び不可避的不純物：残シ。

からなる鋼を熱間加工後、８００〜５００℃の温度域を
１℃／ＩＩＩＩＩＩＬ以上の冷却速度で急冷して室温に
まで降温し、次いで、 昇温の途中で、一旦、（Ａｃ１点−５０℃〕〜（’Ａｃ
ｔ点＋３０℃〕の温度域に２〜１０時間保持し、引き続
いて（Ａｃ３点−４０℃〕〜［Ａｃ３点＋５０℃〕の温
度域にまで昇温しで該温度域に１０分〜３時間保持した
後、８００〜５００℃の温度域を１０℃／ｍｉａ以上の
冷却速度で急冷して降温する規準処理、 並びに、 ７００〜［Ａｃ１点−５０℃〕の温度域に３０分〜５時
間加熱保持する焼戻し処理、 を施すことによシ、焼型のままでフェライト量が２０容
量チ以下の、靭性に優れたマルテンサイト・フェライト
２相鋼を製造することに特徴を有するものである。

次に、この発明の方法において、鋼の化学成分組成、並
びに熱処理条件を前記の如くに数値限定した理由を説明
する。

Ａ、鋼の成分組成 ■　Ｃ Ｃには、フェライト量を低減するとともに常温並びに高
温強度を上昇させる作用があるが、その含有量がＯ，１
５％を越えると、応力除去焼鈍或いは高温での使用中に
炭化物の析出量が多くなって靭性な著しく低下させる上
、溶接時の高温割れ感受性をも極端に高くすることから
、Ｃ含有量を０．１５係以下と定めだ。

■　５Ｉ Ｓｌは、鋼の脱酸剤及び固溶強化元素として有効なもの
であるが、その含有量が０．６０　％を越えるとフェラ
イト量が増加して熱間加工方向に延びたフェライトを多
く存在せしめることとなり、鋼の靭性低下を招くことと
なる。一方、Ｓｌ量を低減することはフェライト量の抑
制や靭性の向上に有効ではあるが、Ｓｉ含有量をｏ、　
０２４未満に低減する・と鋼の製造コストの大幅上昇を
もたらすほかに、フェライト量減少効果が極端に低下し
、靭性向上効果も飽和する上、強度低下にもつながるこ
とがら、Ｓｉ含有量を０．０２〜０．６０％と定めた。

■　Ｍｎ Ｍｎ成分はオーステナイト生成元素としてフェライト量
を減少させるのに有効なものであるが、３０％を越えて
含有させると、逆にマルテンサイト部の靭性が劣化する
ので、Ｍｎ含有量を３．０　％以下と定めた。

■　Ｃｒ Ｃｒ成分には、鋼の耐酸化性を改善する作用があるが、
その含有量が７．０４未満では酸化減量が大幅に増加す
る上に、高温域における強度も十分でない。一方、その
含有量が１５．０％を越えるとフェライト量が増加し、
規準後のフェライト量が２０容量係を越えることとなっ
て靭性の劣化をもたらす。従って、Ｃｒ含有量を’７．
０−１５．０％と定めた。

■　５ｏｂ−ＡＱ ｓｏ４　Ａｌ！は、脱酸剤として、特に高Ｃｒ合金では
有効な添加剤であるが、その含有量が０．０３　％を越
えるとクリープ強度を低下するようになることが・　ら
、ｓｏｂ８Ｍ’含有量を○−０３％以下と定めた。

■　　Ｍ。

ｉＡｏ成分は鋼の強度及び靭性の向上に有効な元素であ
るが、ＭＯもＣｒと同様にフェライト生成元素であシ、
３０％を越えて含有させると多量にフェライトが生成し
て靭性低下を招くことから、ＭＯ金含有　　量を３０係
以下と定めた。

■　Ｎｉ、及びＣｕ Ｎｉ及びＣμ酸成分オーステナイト生成元素であシ、フ
ェライトの生成を抑制する作用があるので、特に規準処
理における冷却速度が遅くなってフェライトを生成する
恐れのある厚肉材に添加含有せしめて、フェライト生成
を抑制し、靭性並びに強度を確保するのに有効なもので
ある。しかしなから、Ｎｉが２．０％を、Ｃｕが１０係
をそれぞれ越えて含有されると〔マルテンサイト＋フェ
ライト〕の２相組織を得るのが困難となるほか、高温水
環境における応力腐食割れが生じゃすくなシ、特にＣｕ
は熱間加工性を劣化するようになるので、Ｎ１含有量を
２０％以下、　Ｃｕ含有量を１．ｏ％以下とそれぞれ定
めた。

■　Ｎｂ、及びＶ これらの成分は、焼戻し時、或いは高温で長時間使用さ
れる場合の軟化防止のために添加されるものであるが、
特にＮｂは、マルテンサイトの微細化に顕著な効果があ
シ、靭性向上に有効な元素である。しかし、Ｎｂ含有量
が０．１５　％を、■含有量が０．２０％をそれぞれ越
えると、規準の丑まにおけるフェン・イト量が２０容量
係を越える上、過剰添加による靭性低下が生ずることか
ら、Ｎｂ：○１５チ以下、Ｖ：０．２０％以下とそれぞ
れ定めた。

■　　Ｎ Ｎも、ＮｉやＣＵと同様にフェライト量を減少させる作
用があり、しがもＣと同様、鋼の強度を上昇させる元素
であるが、０．１０％を越えて含有させると、高温での
使用中に窒化物となって析出して靭性な劣化させること
となるので、Ｎ含有量を０．１０％以下と定めた。

Ｂ、熱処理条件 ■　熱間加工後の８ｏ○〜５００℃間の冷却速度 規準後のマルテンサイトを微細にし、しかもフェライト
ｆｆｌを２０係以下に制限して靭性を確保するためには
、熱間加工後、８００〜５００’Ｃ％間の冷却速度を１
℃／　ｍｉａ＋以上にすることが必要である。

上記温度域の冷却速度がこれより遅くなるとフェライト
量が急増し、しかも粗大な炭化物が生成することとなっ
て、規準及び焼戻し処理後の靭性低下を来たすこととな
る。

■　規準加熱途中の均熱 この均熱処理は、この発明の方法において極めて重要な
ものの１つであるが、規準加熱途中の（Ａｃ１点−５０
℃〕〜〔ＡＣ１点＋３０℃〕の温度域で２〜１０時間均
熱することにより、マルテンサイトが再結晶して微細ｊ
なフェライトを生成することとなる。そして、この部分
は、この後規準温度に加熱されることによって微細オー
ステナイトとなシ、これを焼入れすることによって微細
１なマルテンサイトに変わるのである。

均熱温度が［Ａ、ｃ１点−５０℃）未満であったり、均
熱保持時間が２時間未満の場合に１はマルテンサイトの
再結晶が不十分となシ、他方、［Ａ、ｃ１点＋３０℃〕
を越える温度で均熱するとオーステナイト量が増加して
しまい、前記組織変化に伴うマルテンサイトの微細化を
達成することができない。

址た、１０時間を越える保持は、より以上のａ性向上効
果に結びつがず、経済的に不利であることから、規準加
熱途中の均熱温度及び均熱保持時間を上記のように定め
だ。

なお、この均熱処理において、熱間加工で加工方向に延
びたフェライトも再結晶し、しかも２〜１０時間の保持
によって組成的にもマルテンサイトの再結晶によシ生成
したフェライトと近いものになり、その後の規準時には
均一に分散したフェライトとなるのである。そして、こ
の結果、熱間加工方向に直角方向の靭性が改善されるこ
ととなる。

第１図及び第２図は、熱間加工後の高Ｃｒ系マルテンサ
イト・フェライト２相鋼厚肉材に、従来の熱処理とこの
発明の熱処理を施したものの顕微鏡組織を比較したもの
であシ、第１図は９５０℃に１時間加熱の焼準処理後、
’７５０℃に１時間加熱して焼戻すという従来の熱処理
によって得られた顕微鏡写真図、第２図は規準加熱の途
中において８２５℃にて５時間の均熱な行った後、その
まま昇温しで９５０℃に１時間加熱の焼準処理後、７５
０℃に１時間加熱して焼戻すというこの発明の熱処理に
よって得られた顕微鏡写真図である。

そして、第１図からも明らかなように、従来の熱処理で
は熱間加工方向に長く延びだフェライト（写真図中で白
地となっている部分：その他はマルテンサイトである）
が依然として認められる上、該フェライトバンドの輪郭
に沿って炭化物の析出していることが５００倍に拡大さ
れたものから明瞭に確認できる。これに対して、第２図
に示されるように、本発明の熱処理によると、フェライ
トバンドが消失して、均一微細に分散したフェライトと
マルテンサイトの良好な２相組織が得られることが明ら
かである。

■　焼型処理温度及びその時間 焼戻し後、鋼材に十分な強度を得るだめには焼準温度を
［Ａｃ３点−４０℃〕〜〔Ａｃ３点＋５０℃〕の温度と
し、この温度域に１０分〜３時間保持する必要があるが
、上記温度及び時間がその下限値を下回った場合には再
結晶フェライトが多くなり（フェライト量が２０容ｉ％
を越えてしまう）、十分な強度を得ることができず、他
方、焼準温度が上限値を越えた場合には、強度は十分で
あるが長時間使用後の靭性が著しく劣化する。そして、
保持時間が３時間を越えても強度に対してよシ一層の向
上は認められず、かえって靭性な低くさせる。また、経
済的不利にもつながる。

■　規準後の冷却速度 規準後の、８００〜５００℃間の冷却速度が１０℃／ｍ
１Ｉ１未満では、冷却途中でフェライト量が増加し、強
度及び靭性な低下することとなる。また、フェライト量
が増加すると炭化物がフェライトとマルテンサイトの界
面に析出し、この点からも鋼材の靭性が低下することと
なる。

■　焼戻し処理温度及びその時間 焼戻し温度及びその保持時間がそれぞれ７００℃未満及
び３０分未満では焼戻し効果が十分に得られず、強度は
満足できるものの靭性が低いという結果がもたらされ、
他方、それらが［Ａｃ１点−５０℃〕及び５時間を越え
ると、強度低下が大きくなる上、靭性も低下するこ゛と
となる。従って、焼戻し処理は７ｏｏ℃〜〔Ａｃ１点−
５０℃〕の温度域に３０分〜５時間加熱して行うことと
定めだ。

次いで、この発明を実施例により比較例と対比しながら
説明する。

実施例 まず、電気炉によって第１表に示されるような成分組成
の！ＪＡＡ’−Ｖを溶製した。次にこの鋼を使用し、板
厚：９０ｍｙｎの鋼管と、板厚：２０Ｂの鋼板とを製造
した。このうち、板厚が９０朋のものは熱間押出しによ
シ製造したところの外径：３５０朋の大径厚肉管であり
、その他のものは厚板ミルで熱間圧延して作成したもの
である。そして、この際の加工後の冷却速度、及びその
後の熱処理条件を第２表に示した。なお、鋼管として取
シ上げた鋼のＡｃ１点は８４０℃、　Ａｃ３点は９４０
℃であった。

得られた鋼管について、フェライト量を測定するととも
に、引張試験、シャルピー衝撃試験、並びに焼戻し処理
後に更に６００℃で１０００時間の時効処理を施した試
料についてのシャルピー衝撃試験をそれぞれ行い、これ
らの結果を第２表に併せて示した。

なお、シャルピー衝撃試験片はいずれも熱間加工方向と
直角に採取したものを使用し、また時効処理後の衝撃吸
収エネルギー値を測定したのは、熱履歴を受ける実際の
使用状況に即した値を求めるためである。

第２表に示される結果からも、本発明の方法によって製
造された鋼材は、焼戻しのまま、或いは時効後において
良好な靭性を示すのに対して、鋼の成分組成及び熱処理
条件のいずれかが本発明の範囲を外れると、焼戻しのま
まですでに靭性が劣化しているか或いは時効によって靭
性が著しく劣化し、場合によっては強度が大幅に低下す
ることが明らかである。

上述のように、この発明によれば、強度が高くかつ極め
て良好な靭性な有し、しかも耐高温酸化性にも優れたマ
ルテンサイト・フェライト２相鋼をコスト安く製造する
ことができ、高温用機器部材の性能を一層向上し得るな
ど、工業上極めて有用な効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱処理を施した鋼材の顕微鏡組織写真図
、第２図は本発明の熱処理を施した鋼材の顕微鏡写真図
である。 出願人　　三菱重工業株式会社 出願人　　住友金属工業株式会社 代理人　　富　　１）　和　　夫　Ｉ丘−／）八１名第
１頁の続き ０発　明　者　山本里己 尼崎市東向島西之町１番地住友 金属工業株式会社鋼管製造所内 ■出　願　人　住友金属工業株式会社 大阪市東区北浜５丁目１５番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量割合で、 Ｃ：０．１５％以下。 Ｓｉ：０．０２〜０．６０％。 Ｍｎ：３．０％以下。 Ｃｒ：　’ｉ’、　Ｏ〜１５．０　％。 ５ｏＬ−ＡＡ　：　Ｏ，０，３％以下。 Ｍｏ：３．０％以下。 を含有するとともに、必要に応じて、更に、Ｎｉ：２．
   ０％以下、　　Ｃｕ：１．０％以下。 、　　Ｎｂ’：　０．１５％以下、Ｖ：０．２０％以下
   。 Ｎ二〇、１．０％以下。 のうちの１種以上をも含み、 Ｆｅ及び不可避的不純物：残シ。 からなる鋼を熱間加工後、８００〜５００℃の温度域を
   １　℃／　１ｌｊｌＬ以上の冷却速度で急冷して室温に
   まで降温し、次いで、 （ａ）　　昇温の途中で、一旦、（Ａｃ１点−５０℃〕
   〜〔Ａｃ１点＋３０℃〕の温度域に２〜ｌＯ時間保持し
   、引き続いて（Ａｃ３点−４０℃〕〜（Ａｃ３点＋５０
   ℃〕の温度域にまで昇温して該温度域に１０分〜３時間
   保持した後、８００〜５００℃の温度域を１０℃／＋ｎ
   ｍ以上の冷却速度で急冷して降温する規準処理、 並びに、 （ｂ）７００℃〜〔Ａｃ１点−５０℃〕の温度域に３０
   分〜５時間加熱保持する焼戻し処理、を施すことを特徴
   とする、規準のままでフェライト量が２０容量チ以下の
   、優れた靭性を有するマルテンサイト・フェライト２相
   鋼の製造方法。