KR20070103081A - Ferritic heat-resistant steel - Google Patents

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KR20070103081A
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미츠루 요시자와
마사아키 이가라시
미츠오 미야하라
야스타카 노구치
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수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
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Abstract

Disclosed is a heat-resistant steel which is excellent in high-temperature long-term creep strength and creep-fatigue strength. Specifically disclosed is a heat-resistant steel having a composition consisting of, in mass%, 0.01-0.13% of C, 0.15-0.50% of Si, 0.2-0.5% of Mn, not more than 0.02% of P, not more than 0.005% of S, more than 8.0% but less than 12.0% of Cr, 0.1-1.5% of Mo, 1.0-3.0% of W, 0.1-0.5% of V, 0.02-0.10% of Nb, not more than 0.015% of sol. Al, 0.005-0.070% of N, 0. 005-0.050% of Nd, 0.002-0.015% of B, and the balance of Fe and impurities. As some of the impurities, less than 0.3% of Ni, less than 0.3% of Co and less than 0.1% of Cu are contained in the heat-resistant steel. This ferritic heat-resistant steel contains Nd inclusions at a density of not less than 10,000 inclusions/mm^3. This steel may further contain one or more elements selected from Ta, Hf, Ti, Ca and Mg in addition to the above-described components.

Description

페라이트계 내열강{FERRITIC HEAT-RESISTANT STEEL}Ferritic Heat Resistant Steel {FERRITIC HEAT-RESISTANT STEEL}

본 발명은, 페라이트계 내열강에 관한 것이다. 더욱 상세한 것은 고온 장시간 크리프 강도와 크리프 피로 강도가 뛰어난 페라이트계 내열강에 관한 것이다. 본 발명의 내열강은, 보일러, 원자력 발전 설비 및 화학 공업 설비 등의 고온, 고압 환경하에서 사용되는 열교환용 강관, 압력 용기용 강판, 터빈 재료 등에 적합한 것이다.The present invention relates to a ferritic heat resistant steel. More particularly, the present invention relates to a ferritic heat resistant steel having excellent high temperature long time creep strength and creep fatigue strength. The heat resistant steel of the present invention is suitable for heat exchange steel pipes, steel plates for pressure vessels, turbine materials and the like used in high temperature and high pressure environments such as boilers, nuclear power plants and chemical industrial facilities.

보일러, 원자력 발전 설비 및 화학 공업 설비 등의 고온, 고압 환경에서 사용되는 내열강으로서는, 일반적으로 고온 크리프 강도, 크리프 피로 강도, 내식성 및 내산화성 등이 요구된다.As heat resistant steel used in high temperature, high pressure environments, such as a boiler, nuclear power plant, and a chemical industrial facility, high temperature creep strength, creep fatigue strength, corrosion resistance, oxidation resistance, etc. are generally calculated | required.

고Cr 페라이트강은, 500~650℃의 온도에 대하여, 강도 및 내식성의 점에서 저합금강보다 우수하다. 또, 고Cr 페라이트강은, 열전도율이 높고, 또한, 열팽창율이 작기 때문에, 오스테나이트계 스텐레스강과 비교하여 내열 피로 특성이 뛰어나고, 또한 저렴한 가격인 특징이 있다. 또한, 스케일 박리가 일어나기 어려운 것, 응력 부식 분열을 일으키지 않는 것 등 수많은 장점이 있다.High Cr ferritic steel is superior to low alloy steel in terms of strength and corrosion resistance at a temperature of 500 to 650 ° C. In addition, the high Cr ferritic steel has a high thermal conductivity and a low thermal expansion rate, and thus has excellent heat fatigue fatigue characteristics and low price as compared with the austenitic stainless steel. In addition, there are numerous advantages, such as difficulty in scale peeling and no stress corrosion cracking.

1980년대 후반부터 1990년대에 걸쳐 고강도의 페라이트계 내열강으로서 ASME P91강이 실용화되어, 증기 온도 566℃이상의 초임계압 보일러에 사용되어 왔다. 또 한 근년, 크리프 강도를 높인 ASME P92의 강이 실용화되어, 이 강을 이용하여 증기 온도 600℃정도의 초초임계압 보일러가 실용화되었다.From the late 1980s to the 1990s, ASME P91 steel has been put into practical use as a high-strength ferritic heat-resistant steel, and has been used in supercritical pressure boilers having a steam temperature of 566 ° C or higher. In recent years, steel of ASME P92, which has increased creep strength, has been put into practical use, and an ultra-supercritical pressure boiler having a steam temperature of about 600 ° C has been put into practical use.

현재, 환경 보호를 위하여 CO2 배출량의 삭감이 요구되고 있다. 그 때문에 화력 발전 보일러에 대해서도, 한층 더 고온 고압화가 요구되고 있다. 현재 실용화되어 있는 ASME P92의 강도, 더욱 고온 영역, 예를 들면 약 630℃, 그리고 사용하기 위해서는, 두께가 두꺼운 부재를 사용해야 한다.Currently, reduction of CO 2 emissions is required for environmental protection. Therefore, the high temperature high pressure is also demanded also about a thermal power boiler. The strength of ASME P92, which is currently in practical use, in a higher temperature range, for example about 630 ° C., and in order to use it, a thick member must be used.

화력 발전 플랜트에서는, 기동과 정지가 빈번히 행해지기 때문에, 특히 두꺼운 부재로서는, 크리프 피로 강도가 중요하게 된다. ASME P92의 강은, ASME P91의 강과 비교하여 크리프 강도를 대폭 높였지만, 크리프 피로 강도는 동등하다. 보다 한층 더 고온 고압 보일러의 실용화를 하기 위해서는, ASME P92의 강에 있어서 크리프 피로 강도의 개선이 불가결하다.In a thermal power plant, since start and stop are frequently performed, creep fatigue strength becomes important especially as a thick member. The steel of the ASME P92 significantly increased the creep strength compared with the steel of the ASME P91, but the creep fatigue strength was the same. In order to make practical use of a high temperature high pressure boiler further, improvement of the creep fatigue strength is indispensable in the steel of ASME P92.

특허 문헌 1 및 2에서는, 8~14%의 Cr을 포함한 내열동(銅)의 발명이 개시되어 있다. 또, 특허 문헌 3에는 8~13%의 Cr을 포함한 내열강의 발명이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 문헌에 개시된 발명은, 내열강의 크리프 피로 강도의 개선을 목적을 위하여 이루어진 것이 아니다. 이러한 발명의 강은, Nd를 함유해도 괜찮은 것이지만, 후술하는 Nd개재물의 유효한 작용을 활용한 강이 아니다.In patent documents 1 and 2, invention of the heat-resistant copper containing 8-14% Cr is disclosed. In addition, Patent Document 3 discloses an invention of a heat resistant steel containing 8 to 13% of Cr. However, the invention disclosed in this document is not made for the purpose of improving the creep fatigue strength of heat resistant steel. Although the steel of this invention may contain Nd, it is not steel which utilized the effective effect | action of the Nd inclusion mentioned later.

[특허 문헌 1:일본국 특허 공개 2001-192781호 공보][Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2001-192781]

[특허 문헌 2:일본국 특허 공개 2002-224798호 공보][Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 2002-224798]

[특허 문헌 3:일본국 특허 공개 2002-235154호 공보][Patent Document 3: Japanese Patent Laid-Open No. 2002-235154]

[발명이 해결하려고 하는 과제][Problems that the invention tries to solve]

본 발명의 목적은, 고온 장시간 크리프 강도가 뛰어나고, 한편 크리프 피로 강도도 뛰어난 폐라이트계 내열강을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a waste light-based heat resistant steel having excellent high temperature long time creep strength and excellent creep fatigue strength.

[과제를 해결하기 위한 수단][Means for solving the problem]

도 1은, 크리프 피로 시험의 변형 파형의 한 예를 나타낸 도면이다. 같은 도면의 (a)에 나타낸 것은, PP파형으로서, 이는 인장 측, 압축 측 모두 크리프 변형이 생기지 않도록 고속으로 변형을 준 파형이다. (b)에 나타낸 것은, CP파형이다. 이는 인장 크리프 변형을 도입하기 위하여, 인장 측을 저속, 압축 측을 고속으로서 변형을 준 파형이다.1 is a diagram illustrating an example of a strain waveform of a creep fatigue test. As shown in (a) of the same drawing, a PP waveform is a waveform which was deformed at high speed so that creep deformation did not occur on both the tension side and the compression side. Shown in (b) are CP waveforms. This is a waveform in which the tension side is deformed at low speed and the compression side at high speed in order to introduce tensile creep deformation.

상기 PP파형하의 수명과 CP파형하의 수명을 비교하면, 크리프 손상을 받는 CP파형하 쪽이, 수명은 짧다. 일반적으로 보일러, 원자력 발전 설비 및 화학 공업 설비의 고온 고압 환경에서 사용되는 내열강의 수명은, 0.4~1.5%의 전변형 범위에서 크리프 피로 시험을 실시하여 평가한다.When the life under the PP waveform is compared with the life under the CP waveform, the life under the CP waveform that is creep damaged is shorter. Generally, the service life of the heat resistant steel used in the high temperature, high pressure environment of a boiler, a nuclear power plant, and a chemical industry is evaluated by carrying out a creep fatigue test in 0.4-1.5% of total deformation range.

상기 보일러 등의 설비는, 고온 고압하에서 장시간 사용되기 위하여, 각 부재에서는 크리프 변형이 생기고, CP형의 부하를 받는다. 또, 통상적으로, 실제 기기에서는 고온 고압하에서 사용되는 부재의 크리프 피로 수명을 확보하기 위하여, 발생 변형을 저감하는 구조가 선택된다. 따라서, 이러한 설비에 사용되는 고Cr 페라이트강에서는 CP파형하에서 상기 크리프 피로 시험의 전변형 범위, 즉, 0.4~1.5%내의 저변형(低變形)의 영역인 0.5%정도의 전변형으로 크리프 피로 수명을 확보할 필요가 있다.In order to use a facility such as a boiler for a long time under high temperature and high pressure, creep deformation occurs in each member, and a CP-type load is applied. Moreover, in order to ensure the creep fatigue life of the member used under high temperature, high pressure, in a real apparatus, the structure which reduces a generation distortion is selected normally. Therefore, in the high Cr ferritic steel used in such a facility, the creep fatigue life under the CP waveform is about 0.5% of total deformation of the creep fatigue test, that is, the area of low deformation within 0.4 to 1.5%. It is necessary to secure.

상기 ASME P91와 P92의 강의 600℃에 있어서의 10만 시간 크리프 강도는, 각각 약 98 ㎫ 및 128 ㎫이며, P92 강쪽이 고강도이다. 그렇지만, 600℃에 있어서, 도 1의 CP파형으로 전변형 범위 0.5%의 크리프 피로 시험을 실시했는데, 수명은 모두 약 3000 사이클과 큰 차이 없는 것으로 밝혀졌다. 즉, P92 강은, P91 강보다 크리프 강도가 향상되었는 데에도 불구하고, 크리프 피로 강도는 향상되지 않은 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과로부터, P92 강은, 크리프 피로 강도가 향상되지 않는 어떤 원인, 바꾸어 말하면, 크리프 피로 강도가 저하하는 원인을 내포되어 있다고 생각된다. 여기에서, 본 발명자들은, P92 강의 크리프 피로 강도를 향상시킬 수 있도록 열심히 검토했다.The 100,000-hour creep strength at 600 ° C of the steels of ASME P91 and P92 is about 98 MPa and 128 MPa, respectively, and the P92 steel is high strength. However, at 600 ° C., a creep fatigue test of 0.5% of the total strain range was conducted with the CP waveform of FIG. 1, and all of the service life was found to be not significantly different from about 3000 cycles. In other words, although the creep strength of the P92 steel was improved than that of the P91 steel, the creep fatigue strength was not improved. From this result, it is thought that P92 steel has some cause which creep fatigue strength does not improve, in other words, the cause which a creep fatigue strength falls. Here, the inventors studied diligently so as to improve the creep fatigue strength of the P92 steel.

우선, 크리프 피로 강도가 향상되지 않는 원인으로서 생각되는 합금원소의 편석에 기인하는 미량의 δ페라이트 영향에 대하여, 아래와 같이 (a)의 검토를 실시했다.First, the following (a) was examined about the influence of the trace amount (delta) ferrite resulting from segregation of the alloying element which is considered as a cause which does not improve creep fatigue strength.

(a) δ 페라이트의 영향의 조사 (a) Investigation of the influence of δ ferrite

P92 강은, 종래의 9 Cr페라이트계 내열강에 포함되는 성분에 더하고, 페라이트 형성 원소(Mo, W, Nb, V 등)가 많이 함유되어 있다. 따라서, 입계부에서 극미량의 δ페라이트를 잔존할 가능성이 있다. δ 페라이트를 완전하게 소거하는 목적으로, P92 강에 미량의 Cu, Ni 또는 Co(이들은 오스테나이트 형성 원소이다)를 각각 함유시킨 소재를 준비하여, 크리프 피로 강도를 비교했다. 시험 온도는 600℃, 전변형 범위는 0.5%로 했다. 그 결과, 수명은 약 1600~2100 사이클과, P92 강과 비교하여, 오히려 저하하는 경향이 관찰되었다.In addition to the component contained in the conventional 9 Cr ferritic heat resistant steel, P92 steel contains many ferrite formation elements (Mo, W, Nb, V, etc.). Therefore, there is a possibility that an extremely small amount of δ ferrite remains at the grain boundary. For the purpose of completely erasing δ ferrite, a material containing a small amount of Cu, Ni, or Co (these are austenite forming elements) in P92 steel was prepared, and creep fatigue strengths were compared. The test temperature was 600 degreeC and the total deformation range was 0.5%. As a result, the tendency of the service life to fall rather than about 1600-2100 cycle and P92 steel was observed.

상기 결과로부터, P92 강의 크리프 피로 강도가 향상되지 않는 것은, δ페라이트로 기인하는 것이 아니라, 오히려 과잉한 오스테나이트 형성 원소를 함유시키면, 크리프 피로 강도는 저하하는 것으로 밝혀졌다.From the above results, it was found that the creep fatigue strength of the P92 steel did not improve due to δ ferrite, but rather, when the excessive austenite forming element was contained, the creep fatigue strength was lowered.

다음으로, 크리프 피로 강도에 대한 입계에 대한 기여를 명확하게 하는 목적으로, 아래와 같이 (b)의 조사를 실시했다.Next, the following investigation (b) was carried out for the purpose of clarifying the contribution to the grain boundary to the creep fatigue strength.

(b) P92 강의 크리프 피로 강도로 미치는 구(舊)오스테나이트 입경의 영향의조사(b) Investigation of the Effect of Old Austenitic Particle Size on the Creep Fatigue Strength of P92 Steel

소둔 온도를 1050℃ 및 1200℃로 P92의 강을 처리하여, 구오스테나이트 입경을 약 25㎛와 125㎛에 변화시켰다. 그 다음으로, 템퍼링에 의하여 인장 강도가 약 710 ㎫이 되도록 조질한 후, 크리프 피로 시험을 실시했다. 시험 온도는 600℃, 전변형 범위는 0.5%로 했다.The annealing temperature was treated with steel of P92 at 1050 ° C and 1200 ° C to change the former austenite grain size to about 25 µm and 125 µm. Next, after tempering by tempering so that tensile strength might be about 710 Mpa, the creep fatigue test was done. The test temperature was 600 degreeC and the total deformation range was 0.5%.

상기 시험 결과, 통상적인 입경 25㎛에서의 수명이 약 3000 사이클인 것에 대하여, 입경 125㎛의 조립(粗粒) 강의 수명은 약 2300 사이클이었다. 이것으로 조립강의 경우는, 강도가 세립(細粒)강과 동등이라도, 크리프 피로 수명이 저하되는 것이 밝혀졌다.As a result of the above test, the life of the granulated steel having a particle size of 125 m was about 2300 cycles while the life at a normal particle size of 25 m was about 3000 cycles. As a result, in the case of granulated steel, it has been found that the creep fatigue life decreases even if the strength is equivalent to that of the fine grain steel.

(c) 세립강 쪽이 크리프 피로 강도가 높은 이유의 해명(c) Elucidation of why the fine-grained steel has a high creep fatigue strength.

상기(b)의 시험 결과에서 본 바와 같이, 세립강 쪽이 크리프 피로 강도가 높은 이유에 대하여 고찰했다.As seen from the test results of the above (b), the reason why the fine-grained steel had a high creep fatigue strength was considered.

일반적으로, 고온에 있어서의 크리프 특성은 조립의 경우가 뛰어난 경향이 있다. 여기에서, (b)의 시험에서 이용한 샘플의 600℃, 160 ㎫에 있어서의 크리프 강도를 조사했다. 그 결과, 입경 25㎛의 시료의 파단 시간은 약 6000 시간에 대하여, 입경 125㎛의 시료의 파단 시간은 약 9000 시간이고, 앞서 서술하고 있듯이, 조립일 경우가 크리프 강도는 높다. 이 결과로부터, 세립강에 있어서의 크리프 피로 강도의 향상은, 인장 강도 및 크리프 강도에서는 설명할 수 없는 것이 판명되었다.Generally, the creep characteristic at high temperature tends to be excellent in the case of granulation. Here, the creep strength in 600 degreeC and 160 Mpa of the sample used by the test of (b) was investigated. As a result, the breaking time of the sample having a particle size of 25 μm is about 6000 hours, and the breaking time of the sample having a particle size of 125 μm is about 9000 hours. As described above, creep strength is high in the case of granulation. From this result, it turned out that the improvement of the creep fatigue strength in a fine grained steel cannot be demonstrated with tensile strength and creep strength.

세립강에서는, 입계의 면적이 증가한다. 입계의 면적이 증가하면, P, S, As, Sn 등의 불순물 원소, 특히 S의 편석이 억제되는 것으로 생각된다. 여기에서, 입계로의 S의 편석에 대하여 고찰했다.In the fine grained steel, the area of the grain boundary increases. When the area of the grain boundary increases, it is considered that segregation of impurity elements such as P, S, As and Sn, in particular S, is suppressed. Here, the segregation of S at the grain boundary was considered.

통상적으로, 페라이트계 내열강은, 불순물로서 0.001%정도의 S를 함유한다. 실제품 레벨에서는, S를 0.001%보다 낮은 정도까지 저하시키는 것은 어렵다. 실험실에서의 제조에 대해서도, 합금 원소로부터의 S의 혼입을 피할 수 없기 때문에, 통상적인 용제 방법에서는 S의 저감에 의하여 편석을 해소하는 것이 어렵다.Usually, a ferritic heat resistant steel contains about 0.001% of S as an impurity. At the actual product level, it is difficult to reduce S to a degree lower than 0.001%. Even in the manufacture of a laboratory, since incorporation of S from an alloying element cannot be avoided, segregation is difficult to be eliminated by reduction of S in a conventional solvent method.

일반적으로, S 등의 편석이 원인이 되는 현상에는, 템퍼링 취성이 알려져 있다. 템퍼링 취성은 600℃ 전후에서 어떤 일정한 온도 영역에서 마르텐사이트를 템퍼링했을 경우에 생기지만, 그를 저감시키기 위해서는 미량 Mo이 유효한 것으로 알려져 있다.Generally, temper brittleness is known in the phenomenon which causes segregation, such as S. Tempering brittleness occurs when the martensite is tempered at a certain temperature range around 600 ° C., but a small amount of Mo is known to be effective to reduce it.

크리프 피로 현상이 S의 편석과 상관된다면, Mo함유량과 크리프 피로 특성이 어떤 상관을 가지는 것으로 생각된다. 여기에서, Mo함유량을 0.01%, 0.07%, 0.13%, 0.33%및 1.83%로 변화시켰을 경우의 크리프 피로 강도(시험 온도는 600℃, 전변형 범위는 0.5%)를 조사했다. 그 결과, Mo함유량이 0.13%와 0.33%의 경우에는, 수명은 약 3000 사이클이었지만, Mo함유량이 적을 경우(0.01%및 0.07%)는, 약 2000 사이클 전후가 되어 크리프 피로 강도가 저하했다. 이것으로부터, Mo는 크리프 피로 강도에 대하여, 일정한 기여를 하는 것으로 밝혀졌다. Mo함유량을 더욱 증가시키고, 1.83%로 했을 경우, 크리프 피로 수명은 약 2500 사이클이 되어, 피로 특성은 오히려 저하하는 경향이 관찰되었다.If creep fatigue phenomena correlate with segregation of S, it is thought that Mo content and creep fatigue characteristics have some correlation. Here, creep fatigue strength (test temperature is 600 ° C., total strain range is 0.5%) when the Mo content is changed to 0.01%, 0.07%, 0.13%, 0.33%, and 1.83% was investigated. As a result, when Mo content was 0.13% and 0.33%, the lifetime was about 3000 cycles, but when Mo content was small (0.01% and 0.07%), it became about 2000 cycles, and creep fatigue strength fell. From this, Mo was found to make a constant contribution to creep fatigue strength. When the Mo content was further increased to 1.83%, the creep fatigue life became about 2500 cycles, and the tendency for the fatigue characteristic to decrease was observed.

다음으로, 강 중에 있어서의 S의 존재 상태에 대하여 조사했다. 그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, S는 MnS의 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌다. 고온에 있어서의 크리프 피로 시험의 실시 중에, MnS로서 트랩 되어 있던 S가 자유가 되어 입계에 편석하면, 이 S가 크리프 피로 특성에 악영향을 미친다고 생각된다.Next, the presence state of S in steel was investigated. As a result, as shown in Fig. 2, S was found to exist in the form of MnS. If S trapped as MnS becomes free and segregates at grain boundaries during the creep fatigue test at a high temperature, it is considered that this S adversely affects the creep fatigue characteristics.

(d) S의 고정(d) fixing of S

상기와 같이 자유가 된 S의 편석이 크리프 피로 특성에 악영향을 미친다고 하면, Mn에 더하고, S를 더욱 강고하게 트랩 하는 원소를 함유시킴으로써, 크리프 피로 강도를 높이는 것이 가능하다고 생각된다.If the segregation of free S as described above adversely affects the creep fatigue characteristics, it is considered that it is possible to increase the creep fatigue strength by adding an element that traps S more firmly in addition to Mn.

여기에서, 황화물을 형성할 가능성이 있는 Ca, Mg, Nd, La 및 Ce의 크리프 피로 강도에 미치는 영향에 대하여 검토를 실시했다.Here, the influence on the creep fatigue strength of Ca, Mg, Nd, La, and Ce, which may form sulfides, was examined.

그 결과, Nd를 0.025% 함유시켰을 경우, MnS에 더하고, Nd개재물이 S를 고정하는 것으로 밝혀졌다. 이 Nd개재물이라는 것은, 「Nd의 산화물」 및 「Nd의 산화물과 황화물과의 복합 개재물」을 의미한다.「Nd의 산화물과 황화물과의 복합 개재물」은, 서술하자면 직접적으로 S를 고정한다. 한편, 「Nd의 산화물」도 그 주위에 S가 편석함으로써, 간접적으로 S를 고정한다. Nd개재물의 일례로서 Nd함유강에서 관찰되는 「Nd의 산화물과 황화물과의 복합 개재물」을 도 3에 나타낸다.As a result, when 0.025% of Nd was contained, it was found that in addition to MnS, the Nd inclusions fixed S. This Nd inclusion means "oxide of Nd" and "composite inclusion of Nd oxide and sulfide". "Composite inclusion of oxide and sulfide of Nd", as described, directly fixes S. On the other hand, "Nd oxide" also indirectly fixes S by segregating around it. 3 shows "composite inclusions of oxides and sulfides of Nd" observed in Nd-containing steels as an example of Nd inclusions.

상기와 같이, 직접적 및 간접적으로 S를 고정하는 Nd를 함유한 강을, 전술의 조건, 즉, 시험 온도 600℃, 전변형 범위 0.5%로 크리프 피로 시험했을 때, 피로 수명은 약 7000 사이클로 비약적으로 향상된 것이 밝혀졌다.As described above, when a steel containing Nd that directly or indirectly fixes S is creep fatigue tested under the above-described conditions, that is, a test temperature of 600 ° C. and a total deformation range of 0.5%, the fatigue life is dramatically increased to about 7000 cycles. Improvements were found.

또, Ca, Mg, La 및 Ce를 각각 단독으로 함유하는 강의 크리프 피로 수명(시험 온도는 600℃, 전변형 범위 0.5%)은, 약 3000~4000 사이클이지만, 상기 성분을 Nd와 함께 함유하는 강에서는 6000~7000 사이클의 수명이 되어, 크리프 피로 수명이 비약적으로 향상된 것으로 밝혀졌다.In addition, the creep fatigue life (test temperature is 600 ° C., 0.5% of total strain range) of the steel containing Ca, Mg, La, and Ce alone, respectively, is about 3000 to 4000 cycles, but the steel contains Nd as the component. In Esau, a lifespan of 6000 to 7000 cycles was found, resulting in a dramatic improvement in creep fatigue life.

(e) Nd와 Cu, Ni 또는 Co와의 복합 첨가(e) Complex addition of Nd with Cu, Ni or Co

전술의 (a)에 서술한 바와 같이, 오스테나이트 형성 원소인 Cu, Ni 또는 Co를 미량 함유한 강에서는, 크리프 피로 강도는 저하하는 경향을 보였다. 이 현상을 또한 명확하게 하기 위하여, 미량의 Nd를 함유하는 강에, Cu, Ni 또는 Co를 미량 함유시킨 강의 크리프 피로 수명을 평가했다.As described in the above (a), the creep fatigue strength tended to decrease in steel containing trace amounts of Cu, Ni, or Co, which are austenite forming elements. In order to further clarify this phenomenon, the creep fatigue life of the steel which contained trace amount of Cu, Ni, or Co in the steel containing trace amount Nd was evaluated.

그 결과, Nd와 함께 미량의 Cu, Ni 또는 Co를 함유한 강의 크리프 피로 수명은, 약 4000 사이클로, Nd를 함유시키지 않은 강과 비교하면 크리프 피로 특성은 향상되었지만, Nd를 단독으로 함유시킨 강과 비교하면, 크리프 피로 수명은 대폭 떨어지는 것이 판명되었다.As a result, the creep fatigue life of steels containing trace amounts of Cu, Ni, or Co together with Nd was about 4000 cycles, while the creep fatigue characteristics were improved compared to steels containing no Nd, but compared with steels containing Nd alone. The creep fatigue life was found to drop significantly.

이상 검토에서, 아래와 같이 (1)로부터 (4)까지의 결론을 얻을 수 있다.In the above examination, the conclusion from (1) to (4) can be obtained as follows.

(1) 0.1%이상의 Mo은, 크리프 피로 특성에 기여한다.(1) 0.1% or more of Mo contributes to creep fatigue characteristics.

(2) S의 대부분은 MnS로서 고정되어 있지만, 고온에서의 피로 시험 중에 일부의 S가 자유가 되어 입계에서 편석하여, 크리프 피로 강도를 저하시킨다.(2) Although most of S is fixed as MnS, a part of S becomes free during the fatigue test at high temperature and segregates at grain boundaries, thereby reducing the creep fatigue strength.

(3) Nd를 함유시키고, S를 Nd의 산화물에 의하여, 또는 산화물과 황화물과의 복합 개재물로서 고정하여, 일부를 MnS로서 고정함으로써, 크리프 피로 강도는 대폭 개선된다. 그 효과는, Nd개재물의 밀도가 10000개/㎣ 이상일 때 현저하다. 또한, 「Nd개재물」이라는 것은, 상기의 「Nd의 산화물」과「Nd의 산화물과 황화물의 복합 개재물」의 총칭이다.(3) By containing Nd, fixing S as an oxide of Nd or as a composite inclusion of an oxide and a sulfide, and fixing a portion as MnS, creep fatigue strength is greatly improved. This effect is remarkable when the density of Nd inclusions is 10000 pieces / Pa or more. In addition, "Nd inclusion" is a generic term for said "oxide of Nd" and "composite inclusion of Nd oxide and sulfide".

(4) 오스테나이트 형성 원소인 Cu, Ni 및 Co는, 크리프 피로 강도를 저하시킨다. 이 경향은, 미량의 Nd를 함유시킨 강에 대해서도 인정된다. 이러한 현상이 생기는 것은, MnS로서 고정되어 있는 S가 크리프 피로 시험 중에 자유가 되는 현상을 Cu, Ni 및 Co가 촉진하기 때문이라고 생각된다.(4) Cu, Ni, and Co which are austenite forming elements reduce creep fatigue strength. This tendency is also recognized for steels containing a small amount of Nd. This phenomenon is considered to be because Cu, Ni, and Co promote the phenomenon that S fixed as MnS becomes free during the creep fatigue test.

상기 검토 결과를 기본으로 하여 이루어진 본 발명은, 아래와 같은 내열강을 요지로 한다. 이하, 성분 함유량에 관한 %은, 질량%을 의미한다.This invention made based on the said examination result makes the following heat resistant steel the summary. Hereinafter,% regarding component content means the mass%.

(1) C:0.01~0.13%, Si:0.15~0.50%, Mn:0.2~0.5%, P:0.02%이하, S:0.005%이하, Cr:8.0% 초과 12.0%미만, Mo:0.1~1.5%, W:1.0~3.0%, V:0.1~0.5%, Nb:0.02~0.10%, sol.Al:0.015%이하, N:0.005~0.070%, Nd:0.005~0.050%, B:0.002~0.015%를 함유하여, 잔부가 Fe 및 불순물로부터 이루d어지고, 불순물 중 Ni가 0.3%미만, Co가 0.3%미만, Cu가 0.1%미만인 강으로서, Nd개재물을 포함하고, 그 Nd개재물의 밀도가 10000개/㎣이상인 페라이트계 내열강.(1) C: 0.01 to 0.13%, Si: 0.15 to 0.50%, Mn: 0.2 to 0.5%, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, Cr: more than 8.0% and less than 12.0%, Mo: 0.1 to 1.5 %, W: 1.0 to 3.0%, V: 0.1 to 0.5%, Nb: 0.02 to 0.10%, sol.Al: 0.015% or less, N: 0.005 to 0.070%, Nd: 0.005 to 0.050%, B: 0.002 to 0.015 %, The balance of which is made up of Fe and impurities, wherein Ni is less than 0.3%, Co is less than 0.3%, and Cu is less than 0.1%, containing Nd inclusions, and the density of the Nd inclusions Ferritic heat-resistant steel of 10000 pieces / ㎣ or more.

(2) Fe의 일부를 대신하여, Ta:0.04%이하, Hf:0.04%이하 및 Ti:0.04%이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기(1)의 페라이트계 내열강.(2) The ferritic heat-resistant steel according to the above (1), which contains one or more of Ta: 0.04% or less, Hf: 0.04% or less, and Ti: 0.04% or less instead of a part of Fe.

(3) Fe의 일부를 대신하여, Ca:0.005%이하 및 Mg:0.005%이하 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기(1) 또는 (2)의 페라이트계 내열강.(3) The ferritic heat-resistant steel according to the above (1) or (2), which contains one or two of Ca: 0.005% or less and Mg: 0.005% or less instead of a part of Fe.

(4) 불순물 중의 Nd를 제외한 희토류 원소의 총량이 0.04%이하인 것을 특징으로 한다. 상기(1)로부터 (3)까지의 몇개의 페라이트계 내열강.(4) The total amount of rare earth elements other than Nd in the impurity is 0.04% or less. Some ferritic heat-resistant steels from (1) to (3).

(5) 변형 속도가 인장 측에서 0.01%/sec, 압축 측에서 0.8%/sec이며, 전변형 범위가 0.5%의 조건하 600℃에서의 CP파형에 있어서, 크리프 피로 수명이 5000 사이클 이상인 것을 특징으로 하는 상기(1)로부터 (4)까지의 어느 한 개의 페라이트계 내열강.(5) The strain rate is 0.01% / sec on the tension side and 0.8% / sec on the compression side, and the creep fatigue life is 5000 cycles or more in the CP waveform at 600 ° C under a condition of 0.5% of the total strain range. The ferritic heat resistant steel according to any of (1) to (4) above.

도 1은, 크리프 피로 시험의 변형 파형의 일례를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating an example of a strain waveform of a creep fatigue test.

도 2는, ASME P92 강에 관찰되는 황화물을 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing sulfides observed in ASME P92 steel.

도 3은, Nd함유강에서 관찰되는 「Nd의 산화물과 황화물의 복합 개재물」을 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view showing a "composite inclusion of an oxide and a sulfide of Nd" observed in an Nd-containing steel. FIG.

[1. 화학 조성][One. Chemical composition]

우선, 본 발명의 내열강을 구성하는 성분의 작용 효과와 함유량의 한정 이유를 설명한다. First, the effect of the component which comprises the heat resistant steel of this invention, and the reason for limitation of content are demonstrated.

[C:0.01~0.13%][C: 0.01% to 0.13%]

C는, 오스테나이트 안정화 원소로서 강의 조직을 안정화시킨다. 또, MC탄화물 또는 M(C, N) 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. MC 및 M(C, N)의 M는 합금 원소이다. 그러나, 0.01%미만의 C에서는 상기 효과를 충분히 얻을 수 없는데다가, δ페라이트 량이 많아지고, 강도를 저하시키는 경우가 있다. 한편, C의 함유량이 0.13%을 넘으면, 가공성이나 용접성이 열화될 뿐만 아니라, 사용 초기부터 탄화물의 응집 조대화가 일어나고, 장시간 크리프 강도의 저하를 일으킨다. 따라서, C함유량은 0.13%이하로 제한할 필요가 있다. 더욱 바람직한 하한과 상한은, 각각 0.08% 및 0.11%이다.C stabilizes the structure of the steel as an austenite stabilizing element. Moreover, MC carbide or M (C, N) carbonitride is formed and contributes to the improvement of creep strength. M of MC and M (C, N) is an alloying element. However, at less than 0.01% of C, the above effects cannot be sufficiently obtained, and the amount of δ ferrite increases, which may lower the strength. On the other hand, when the content of C exceeds 0.13%, not only workability and weldability deteriorate, but also coagulation coarsening of carbides occurs from the beginning of use, which causes a decrease in creep strength for a long time. Therefore, C content needs to be limited to 0.13% or less. More preferable minimum and upper limits are 0.08% and 0.11%, respectively.

[Si : 0.15~0.50%][Si: 0.15 to 0.50%]

Si는, 강의 탈산 원소로서 함유되어, 또는 내수 증기 산화 성능을 높이기 위해서도 필요한 원소이다. 하한은, 내수증기 산화 성능을 해치지 않는 0.15%로 한다. 한편, Si의 함유량이 0.50%를 넘으면 크리프 강도의 저하가 현저하기 때문에, 상한을 0.50%로 한다. 특히, 내수증기 산화를 중시할 경우에는 Si량의 하한을 0.25%로 하는 것이 바람직하다.Si is contained as a deoxidation element of steel, or is an element necessary in order to improve the water vapor oxidation performance. The lower limit is made 0.15% which does not impair the water vapor oxidation performance. On the other hand, since the fall of creep strength is remarkable when content of Si exceeds 0.50%, an upper limit shall be 0.50%. In particular, when water vapor oxidation is important, the lower limit of the amount of Si is preferably 0.25%.

[Mn : 0.2~0.5%][Mn: 0.2-0.5%]

Mn는, 탈산 원소 및 오스테나이트 안정화 원소로서 기여한다. 또, MnS를 형성하여 S를 고정한다. 그러한 효과를 얻기 위해서는 0.2%이상의 함유가 필요하다. 한편, 0.5%를 넘으면 크리프 강도의 저하를 일으킨다. 따라서, Mn의 적정 함유량은 0.2~0.5%이다. 또한 바람직한 하한은 0.3%이다.Mn contributes as a deoxidation element and an austenite stabilization element. Moreover, MnS is formed and S is fixed. In order to acquire such an effect, 0.2% or more of containing is required. On the other hand, when it exceeds 0.5%, a creep strength will fall. Therefore, appropriate content of Mn is 0.2 to 0.5%. Moreover, a preferable minimum is 0.3%.

[P:0.02%이하, S:0.005%이하][P: 0.02% or less, S: 0.005% or less]

불순물인 P 및 S는, 강의 열간 가공성, 용접성, 크리프 강도, 크리프 피로 강도 등을 악화시키기 때문에, 함유량은 낮을수록 바람직하다. 다만, 현저한 강의 청정화는 대폭적인 비용 증대를 일으키기 때문에, 허용 상한을 P에서는 0.02%, S에서는 0.005%로 한다.P and S, which are impurities, deteriorate hot workability, weldability, creep strength, creep fatigue strength, and the like of steel, so the lower the content, the more preferable. However, the remarkable cleanliness of steel causes a significant cost increase, so the allowable upper limit is made 0.02% in P and 0.005% in S.

[Cr:8.0% 초과 12.0%미만][Cr: more than 8.0% and less than 12.0%]

Cr은, 본 발명강의 고온에 있어서의 내식성이나 내산화성, 특히 내수증기 산화 특성을 확보하기 위하여 불가결한 원소이다. 또한, Cr은 탄화물을 형성하여 크리프 강도를 향상시킨다. 그러한 효과를 얻기 위해서는, 그 함유량이 8.0%을 넘을 필요가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 과다하게 되면, 장시간 크리프 강도의 저하를 일으키기 때문에, 12.0%미만으로 했다. 더욱 바람직한 하한은 8.5%이며, 또, 더욱 바람직한 상한은 10.0%미만이다.Cr is an indispensable element in order to ensure corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures of the steel of the present invention, particularly water vapor oxidation characteristics. In addition, Cr forms carbide to improve creep strength. In order to acquire such an effect, the content needs to exceed 8.0%. However, when Cr content becomes excessive, since creep strength will fall for a long time, it was made into less than 12.0%. More preferable minimum is 8.5%, and further more preferable upper limit is less than 10.0%.

[Mo:0.1~1.5%][Mo: 0.1% to 1.5%]

Mo는, 고용강화 원소로서 크리프 강도의 향상에 기여한다. 또한, Mo함유량과 크리프 피로 강도와의 상관을 상세하게 검토한 결과, 0.1%이상의 Mo가 크리프 피로 특성의 개선에 기여하는 것, 및 함유량이 1.5%를 넘으면 장시간 크리프 강도의 저하를 일으키는 것이 판명되었다. 따라서, Mo의 함유량은 0.1~1.5%가 적정이다. 더욱 바람직한 하한과 상한은, 각각 0.3%및 0.5%이다.Mo contributes to the improvement of creep strength as a solid solution strengthening element. In addition, as a result of examining the correlation between Mo content and creep fatigue strength in detail, it has been found that 0.1% or more of Mo contributes to the improvement of creep fatigue properties, and when the content exceeds 1.5%, the creep strength decreases for a long time. . Therefore, 0.1-1.5% of content of Mo is suitable. More preferable minimum and upper limits are 0.3% and 0.5%, respectively.

[W:1.0~3.0%][W: 1.0-3.0%]

W는, 고용강화 원소로서 크리프 강도의 향상에 기여한다. 또한, 일부가 Cr탄화물 중에 고용되고, 탄화물의 응집 조대화를 억제하여 크리프 강도에 기여한다. 그렇지만 1.0%미만에서는 그러한 효과는 작다. 한편, Mo함유량이 3.0%을 넘으면 δ페라이트의 생성이 촉진되어 크리프 강도의 저하를 일으킨다. 따라서, W함유량의 적정 범위는 1.0~3.0%이다. 더욱 바람직한 하한은 1.5%를 넘는 양이며, 또, 더욱 바람직한 상한은 2.0%이다.W contributes to the improvement of creep strength as a solid solution strengthening element. In addition, a part is solid-dissolved in Cr carbide, which suppresses coarsening of carbide and contributes to creep strength. However, at less than 1.0%, such an effect is small. On the other hand, when the Mo content exceeds 3.0%, the production of δ ferrite is promoted, resulting in a decrease in creep strength. Therefore, the appropriate range of W content is 1.0 to 3.0%. The minimum with more preferable amount is over 1.5%, and a further more preferable upper limit is 2.0%.

[V:0.1~0.5%][V: 0.1 to 0.5%]

V는, 고용강화 작용에 의하여, 또 미세한 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는, 그 함유량을 0.1%이상으로 할 필요가 있다. 한편, V함유량이 0.5%를 넘으면 δ페라이트의 생성을 촉진하여, 크리프 강도의 저하를 일으키기 때문에, 0.5%를 상한으로 해야 하는 것이다. 더욱 바람직한 하한과 상한은, 각각 0.15%및 0.25%이다.V forms a fine carbonitride further by a solid solution strengthening action, and contributes to the improvement of creep strength. In order to exhibit the effect, it is necessary to make the content 0.1% or more. On the other hand, if the V content exceeds 0.5%, the production of δ ferrite is accelerated and the creep strength is lowered. Therefore, 0.5% should be the upper limit. More preferable minimum and upper limits are 0.15% and 0.25%, respectively.

[Nb:0.02~0.10%][Nb: 0.02 to 0.10%]

Nb는, 미세한 탄질화물을 형성하여 장시간 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.02%이상의 함유가 필요하다. 그러나, 그 함유량이 너무 많으면 δ페라이트의 생성을 촉진하여, 장시간 크리프 강도의 저하를 일으킨다. 따라서, Nb의 적정 함유량은 0.02~0.10%이다. 더욱 바람직한 하한과 상한은, 각각 0.04%및 0.08%이다.Nb forms fine carbonitrides and contributes to improvement of creep strength for a long time. In order to exert the effect, it is required to contain 0.02% or more. However, if the content is too large, the production of δ ferrite is promoted, causing a decrease in creep strength for a long time. Therefore, appropriate content of Nb is 0.02 to 0.10%. More preferable minimum and upper limits are 0.04% and 0.08%, respectively.

[A1:0.015%이하][A1: 0.015% or less]

A1은, 용강의 탈산제로서 이용하지만, 그 함유량이 0.015%를 넘으면 크리프 강도의 저하를 일으키기 때문에, 상한을 0.015%이하에 억제해야 한다. 더욱 바람직한 상한은 0.010%이다.Although A1 is used as a deoxidizer of molten steel, when the content exceeds 0.015%, creep strength will be lowered, and therefore an upper limit should be suppressed to 0.015% or less. More preferably, the upper limit is 0.010%.

[N:0.005~O.070%][N : 0.005-0.070%]

N는, C와 같게 오스테나이트 안정화 원소로서 유효하다. 또, N는 질화물 또는 탄질화물을 석출시키고, 강의 고온 강도를 높인다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는 0.005%이상의 함유가 필요하다. 한편, N의 함유량이 과다하게 되면, 용해시에 블로홀을 생성시키거나, 용접 결함의 원인이 될 뿐만 아니라, 질화물 및 탄질화물의 조대화에 의한 크리프 강도 저하를 일으킨다. 따라서, N함유량의 상한은 0.070%로 해야 한다. 더욱 바람직한 N의 함유량의 하한은 0.020%이다.N is effective as an austenite stabilizing element like C. In addition, N precipitates nitride or carbonitride and increases the high temperature strength of the steel. In order to exert the effect, it is required to contain 0.005% or more. On the other hand, when N content becomes excessive, it will not only produce a blowhole at the time of melt | dissolution, or cause a welding defect, but will also cause the creep strength fall by coarsening of nitride and carbonitride. Therefore, the upper limit of N content should be 0.070%. Furthermore, the minimum of content of N is 0.020%.

[Nd:0.005~0.050%][Nd : 0.005-0.050%]

Nd는, 전술과 같이, 크리프 피로 강도를 대폭 향상시킨다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.005%이상의 함유가 필요하다. 그러나, 0.050%을 넘으면 조대한 질화물을 형성하여, 크리프 강도의 저하를 일으키게 되므로 상한을 0.050%로 해야 하는 것이다. 더욱 바람직한 함유량의 상한은 0.040%이다.Nd greatly improves the creep fatigue strength as described above. In order to exhibit the effect, 0.005% or more of containing is required. However, if it exceeds 0.050%, coarse nitride will be formed and creep strength will be lowered, so the upper limit should be 0.050%. The upper limit of more preferable content is 0.040%.

[B:0.002~0.015%][B: 0.002-0.015%]

B는, 담금질성을 높이고 고온 강도 확보에 중요한 역할을 한다. 그 효과는 0.002%이상이 되면 현저하게 되지만 0.015%를 넘으면 용접성 및 장시간 크리프 강도를 저하시킨다.B plays an important role in improving hardenability and securing high temperature strength. The effect becomes remarkable when it becomes 0.002% or more, but when it exceeds 0.015%, weldability and creep strength for a long time will fall.

[Ni:0.3%미만, Co : 0.3%미만, Cu : 0.1%미만][Ni: less than 0.3%, Co: less than 0.3%, Cu: less than 0.1%]

이러한 오스테나이트 안정화 원소는, 전술과 같이, 미량 함유량에서도 크리프 피로 강도를 저하시킨다. 그러나, 미량의 Ni, Co 및 Cu는 용해 원료로부터의 혼입을 피할 수 없는 경우가 있다. 여기에서, 본 발명에서는, Ni 및 Co는 각각 0.3% 미만, Cu는 0.1%미만으로 억제하는 것으로 했다. 상기 범위라면, 크리프 피로 강도에서의 악영향은 작다.Such austenite stabilizing elements lower the creep fatigue strength even in a trace amount as described above. However, there are cases where trace amounts of Ni, Co, and Cu cannot be mixed from the melting raw materials. Herein, in the present invention, Ni and Co are each less than 0.3%, and Cu is less than 0.1%. If it is the said range, the bad influence in creep fatigue strength is small.

[제1군의 성분:Ta, Hf 및 Ti][Components of First Group: Ta, Hf and Ti]

이들은 필요에 따라 1종 또는 2종 이상 첨가되는 성분이다. 첨가되는 경우의 각각 적절한 함유량은 아래와 같이 된다.These are components added with 1 type, or 2 or more types as needed. Appropriate content in the case of adding is as follows.

[Ta:0.04%이하, Hf:0.04%이하, Ti:0.04%이하][Ta: 0.04% or less, Hf: 0.04% or less, Ti: 0.04% or less]

Ta, Hf 및 Ti는, 미세한 탄질화물을 형성하여 크리프 강도의 향상에 기여하기 때문에 필요에 따라 함유시킨다. 그 효과를 충분히 발휘시키기 때문에, 각각 0.005%이상의 함유가 바람직하다. 그러나, 각각의 함유량이 0.04%를 넘으면 그 효과는 포화되고, 오히려 크리프 강도를 열화 시킨다. 따라서, 각각의 함유량의 상한은 0.04%로 하는 것이 좋다.Ta, Hf, and Ti are included as needed because they form fine carbonitrides and contribute to the improvement of creep strength. In order to fully exhibit the effect, the content of 0.005% or more is preferable, respectively. However, when the respective content exceeds 0.04%, the effect is saturated, but rather, the creep strength is degraded. Therefore, the upper limit of each content is good to set it as 0.04%.

[제2군의 성분:Ca 및 Mg][Components of Second Group: Ca and Mg]

이들도 필요에 따라, 1종 또는 2종 첨가되는 성분이다. 첨가되는 경우의 각각 적절한 함유량은, 아래와 같이 된다.These are also the components added 1 type or 2 types as needed. Appropriate content in the case of adding is as follows.

[Ca:0.005%이하, Mg:0.005%이하][Ca: 0.005% or less, Mg: 0.005% or less]

이러한 원소는, 모두 강의 열간 가공성을 향상시킨다. 따라서, 강의 열간 가공을 특히 개선하고 싶을 경우에, 어느 쪽이든 한편을 단독으로 또는 양쪽 모두를 복합하여 함유시킨다. 그 효과는 각각 0.0005%이상에서 현저하기 때문에, 함유량의 하한은 각각 0.0005%로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 모두 함유량이 0.005%를 넘으면, 크리프 강도가 저하하기 때문에 0.005%를 상한으로 해야 한다.All of these elements improve the hot workability of steel. Therefore, in the case where it is particularly desired to improve the hot working of the steel, either one or both of them are contained in combination. Since the effect is remarkable at 0.0005% or more, respectively, the lower limit of the content is preferably 0.0005%. However, if the content exceeds 0.005% in both cases, the creep strength is lowered, so the upper limit should be 0.005%.

[Nd를 제외한 희토류 원소:0.04%이하][Rare earth elements other than Nd: 0.04% or less]

La, Ce 등의 희토류 원소는, Nd를 첨가할 때에, 불순물로서 혼입하는 경우가 있다. 그러나, Nd를 제외한 희토류 원소의 함유량의 합계가 0.04%이하라면, 크리프 강도, 크리프 연성 등의 특성에 큰 영향을 미치지 않기 때문에, 0.04%까지의 함유가 허용된다.Rare earth elements such as La and Ce may be mixed as impurities when Nd is added. However, if the total content of rare earth elements other than Nd is 0.04% or less, the content of up to 0.04% is allowed because it does not significantly affect the characteristics such as creep strength and creep ductility.

[2. Nd개재물][2. Nd inclusions]

본 발명 강의 특징의 하나는, Nd개재물이 10000개/㎣ 이상의 밀도로 포함하되는 것이다.One of the characteristics of the steel of the present invention is that the Nd inclusion is contained at a density of 10000 particles / cc or more.

본 발명 강 중에서 관찰되는 Nd개재물은, 전술과 같이, 「Nd의 산화물」 및 「Nd의 산화물과 황화물의 복합 개재물」이다. 구체적으로는, Nd2O3, Nd2O2S4, Nd2O2SO4, Nd2O2S 등이다.The Nd inclusions observed in the steel of the present invention are "oxides of Nd" and "composite inclusions of oxides and sulfides of Nd" as described above. Specifically, the Nd 2 O 3, Nd 2 O 2 S 4, Nd 2 O 2 SO 4, Nd 2 O 2 S or the like.

Nd개재물의 직경은, 약 0.3㎛~1㎛정도로 다양하지만, 미량의 Nd를 포함한 강에서는, 통상적으로 Nd개재물이 관찰된다. 그러나, Co, Ni 및 Cu를 많이 포함한 강에서는 MnS가 많아지고, Nd개재물이 현저하게 감소한다. 그리고, Nd개재물의 밀도가 10000개/㎣ 미만이 되면, 크리프 피로 강도의 개선은 보이지 못하게 된다. 따라서, Nd개재물의 양은 10000개/㎣이상이 되어야 한다.Although the diameter of an Nd inclusion varies about 0.3 micrometer-about 1 micrometer, Nd inclusion is normally observed in the steel containing trace amount Nd. However, in steels containing much Co, Ni, and Cu, MnS increases, and Nd inclusions decrease markedly. And when the density of an Nd inclusion becomes less than 10000 piece / Pa, the improvement of creep fatigue strength will not be seen. Therefore, the amount of Nd inclusions should be 10000 pieces / cc or more.

[3. 제조방법][3. Manufacturing method]

본 발명 강은, 공업적으로 통상 이용되고 있는 제조 설비에 의하여 제조할 수 있다. 즉, 본 발명으로 규정하는 화학 조성의 강을 얻으려면 , 전기로, 전로 등 의 노에 의하여 정련하고, 탈산 및 합금 원소의 함유에 의하여 성분을 조정하면 된다. 특히, 엄밀한 성분 조정을 필요로 할 경우에는, 합금 원소를 첨가하기 전에 용강에 진공 처리 등이 적당한 처리를 하는 방법을 채택해도 좋다.The steel of the present invention can be produced by production facilities that are usually used industrially. That is, in order to obtain the steel of the chemical composition prescribed | regulated by this invention, what is necessary is to refine | purify by furnaces, such as an electric furnace and a converter, and to adjust a component by deoxidation and containing of alloying elements. In particular, when strict component adjustment is required, a method in which molten steel is subjected to a suitable treatment such as vacuum treatment may be adopted before adding an alloying element.

10000개/㎣ 이상의 Nd개재물 중에 도입되는 방법은, 이하와 같다. 즉, 미리, 제선으로부터 제강까지의 단계에서 C, Si, Mn, Al 등에서 충분한 탈산을 행한다. 용강 중의 산소 함유량이 많으면 Nd첨가의 수율이 나빠지기 때문이다. 이후, 조괴법(造塊法)의 경우에는, 잉곳으로 주입하기 전에 Nd 이외의 조성을 조정하여, 주입하기 직전에 Nd를 첨가함으로써, Nd개재물을 생성시킨다. 또, 연속 주조법의 경우에는, 턴디시에 용강을 도입하기 전까지, Nd 이외의 조성을 조정하여, 그 후에 턴디시에 Nd를 첨가함으로써, Nd개재물을 생성시킨다. Nd만을 최종 조정함으로써, 적절한 양의 Nd개재물을 생성시킬 수 있다. 주조된 슬래브, 비렛트 또는 강괴(鋼塊)는 또한 강관이나 강판 등으로 가공된다.The method introduce | transduced in 10000 piece / Pa or more Nd inclusions is as follows. That is, in advance, sufficient deoxidation is performed by C, Si, Mn, Al, etc. in the step from steelmaking to steelmaking. It is because the yield of Nd addition will worsen when there is much oxygen content in molten steel. Then, in the case of the ingot method, a composition other than Nd is adjusted before injecting into an ingot, and Nd is added by adding Nd immediately before injecting. In the continuous casting method, the composition other than Nd is adjusted until the molten steel is introduced at the time of tundish, and then Nd is added by adding Nd at the time of tundish. By final adjustment of only Nd, an appropriate amount of Nd inclusions can be produced. The cast slabs, beads or ingots are also processed into steel pipes or steel sheets or the like.

이음매가 없는 강관을 제조할 경우에는, 예를 들면, 비렛트를 압출 제관하거나 경사 롤 식의 피아사로 압연 제관하거나 에르하르트(Ehrhardt) 제관법에 의하여 대경의 단조관으로 하면 된다. 강관의 제조에 대해서는, 필요에 따라 냉간 가공을 하고 치수를 균일하게 할 수도 있다. 제관된 강관은, 적절히 열처리한 후, 필요에 따라, 숏피닝, 산세척 등의 표면 처리를 한다.When producing a seamless steel pipe, for example, a vitret may be extruded, rolled, rolled, or inclined roll type, or a large diameter forged tube by an Ehrhardt production method. About manufacture of a steel pipe, you may cold-process as needed and can make a dimension uniform. The steel pipe manufactured is heat-processed suitably, and, as needed, surface-treats, such as shot peening and pickling.

강판으로서는 열연 강판과 냉연 강판이 있다. 슬래브를 열간 압연함으로써 열연 강판을 얻을 수 있고, 이 열연 강판을 냉간 압연하면 냉연 강판을 얻을 수 있다Examples of the steel sheet include hot rolled steel sheets and cold rolled steel sheets. A hot rolled steel sheet can be obtained by hot rolling a slab, and a cold rolled steel sheet can be obtained by cold rolling this hot rolled steel sheet.

[실시예]EXAMPLE

진공 유도 용해로를 이용하고, 표 1에 나타낸 화학 조성을 가지는 강을 용제하여, 직경 144㎜의 50 ㎏ 잉곳으로 했다. 부호 A~M이 본 발명의 강, 부호 1~22가 비교 강이다. 부호 A~M의 강 및 부호 15~20의 강에 대해서는, C, Si, Mn 및 Al에 의한 탈산을 충분히 행한 후, 주입하기 직전에 Nd를 첨가했다. 부호 21의 강에는 용해 개시시부터 Nd를 첨가하여, 부호 22의 강에서는 탄소(C)에 의한 탈산만을 실시한 후에 Nd를 첨가했다.Using a vacuum induction melting furnace, steel having a chemical composition shown in Table 1 was dissolved to obtain a 50 kg ingot having a diameter of 144 mm. Codes A to M are steels of the present invention and codes 1 to 22 are comparative steels. About the steel of code | symbol A-M, and the steel of code | symbol 15-20, after deoxidation by C, Si, Mn, and Al was fully performed, Nd was added just before injecting. Nd was added to the steel of code | symbol 21 from the start of melt | dissolution, and after carrying out only the deoxidation by carbon (C) in the steel of code | symbol 22, Nd was added.

이러한 잉곳을 열간 단조하여, 열간 압연하고 20 ㎜ 두께의 판으로 했다. 그 다음에 1050℃의 온도로 1시간 유지한 후, 공냉(AC)했다. 또한 760℃~780℃로 3시간 유지하여 공냉(AC)하는 템퍼링 처리를 실시했다. 이러한 판으로부터 시험편의 길이 방향이 압연 방향이 되도록 시험편을 채취하여, 아래와 같은 조건으로 크리프 파단 시험, 크리프 피로 시험 및 Nd개재물의 분포의 조사를 실시했다.Such an ingot was hot forged, hot rolled to obtain a 20 mm thick plate. Then, after hold | maintaining at the temperature of 1050 degreeC for 1 hour, it air-cooled (AC). Furthermore, the tempering process which hold | maintained at 760 degreeC-780 degreeC for 3 hours, and air-cooled (AC) was performed. The test piece was extract | collected from such a board so that the longitudinal direction of a test piece might become a rolling direction, and the creep rupture test, the creep fatigue test, and the distribution of Nd inclusion were investigated on condition of the following.

(1) 크리프 파단 시험(1) creep rupture test

시험편:직경 6.0 ㎜, 표점간거리:30 ㎜, 시험 온도 : 600℃, 부하 응력:160 ㎫, 시험 항목:파단 시간(h).Test piece: Diameter 6.0mm, distance between gages: 30mm, Test temperature: 600 degreeC, Load stress: 160 Mpa, Test item: Break time (h).

(2) 크리프 피로 시험(2) creep fatigue test

시험편:직경 10 ㎜, 표점간거리 : 125 ㎜, 시험 온도:600℃ (대기중) Test piece: Diameter 10mm, mark distance: 125mm, test temperature: 600 degrees Celsius (in air)

변형 파형:CP파형, 전변형 범위Δεt=0.5%,Strain waveform: CP waveform, full strain range Δε t = 0.5%,

변형 속도:인장측;0.01%/sec, 압축측;0.8%/secStrain rate: tensile side; 0.01% / sec, compression side; 0.8% / sec

시험 항목:크리프 피로 수명 Nf(cycle)Test Item: Creep Fatigue Life N f (cycle)

(3) Nd개재물의 분포 조사(3) Survey of distribution of Nd inclusions

열간 가공인 채의 소재로부터 시험편을 잘라, 연마, 부식 후, C 증착에 의한 추출 레플리카를 제작하여, 2000배로 전자현미경 관찰을 함과 동시에, EDX 분석(Energy Dispersive X-Ray Analysis)에 의하여, 개재물의 분류를 실시하여, Nd개재물의 개수(개/㎟)를 정량하여, 그 값을 3/2승 함으로써, 석출 밀도(개/㎣)로 환산했다. 또한, 10 시야에서 관찰하고, 그 평균치를 석출 밀도로 했다.The specimen was cut out from the raw material while hot, polished, and corroded to produce an extraction replica by C deposition, followed by electron microscope observation at 2000 times, and by inclusion of EDX analysis (Energy Dispersive X-Ray Analysis). Was classified, and the number of Nd inclusions (pieces / mm 2) was quantified, and the value was converted to the power by a third power to convert the precipitate density (pieces / kV). Moreover, it observed in 10 views and made the average value the precipitation density.

표 2에 본 발명 강 및 비교 강의 크리프 파단 시험 결과, 크리프 피로 시험 결과 및 Nd개재물의 분포 조사 결과를 나타낸다.Table 2 shows the creep rupture test results, creep fatigue test results, and Nd inclusion distribution test results of the inventive steel and the comparative steel.

[표 1]TABLE 1

Figure 112007067449449-PCT00001
Figure 112007067449449-PCT00001

[표 2]TABLE 2

Figure 112007067449449-PCT00002
Figure 112007067449449-PCT00002

표 2에 나타낸 바와 같이, 부호 1의 ASME P91의 강과 비교하고, 부호 2, 부호 6의 ASME P92의 강은, 크리프 파단 시간이 길고, 분명하게 고크리프 강도이다. 그러나, 크리프 피로 수명은, 거의 동등하다. 즉, ASME P92의 강에는 크리프 피로 수명의 현저한 개선은 볼 수 없다.As shown in Table 2, compared with the steel of ASME P91 of code | symbol 1, the steel of ASME P92 of code | symbol 2 and code | symbol 6 has long creep rupture time, and is clearly high creep strength. However, the creep fatigue life is almost equal. That is, no significant improvement in creep fatigue life is seen in the steel of ASME P92.

미량의 Cu, Ni 또는 Co를 함유시킨 부호 3에서 5까지의 강은, 크리프 강도는 부호 2의 강과 같은 정도이지만, 크리프 피로 수명에는 분명한 저하가 관찰된다.Although the steel of the code | symbols 3 to 5 which contained trace amount Cu, Ni, or Co has the creep strength about the same as the steel of code | symbol 2, a clear fall is observed in creep fatigue life.

부호 2, 6, 7, 8 및 9의 강으로 크리프 파단 강도 및 크리프 피로 강도에 미 치는 Mo의 영향에 대하여 조사했는데, Mo함유량의 적은 부호 7과 부호 8의 강에서는, 부호 2 및 부호 6의 강과 비교하여 크리프 피로 강도가 떨어진다. 또, Mo함유량이 많은 부호 9의 강도 크리프 피로 강도가 뒤떨어진다.The influences of Mo on creep rupture strength and creep fatigue strength with steels 2, 6, 7, 8, and 9 were investigated.In the steels of code 7 and 8 with a small Mo content, code 2 and 6 Creep fatigue strength is lower than steel. Moreover, the strength creep fatigue strength of code | symbol 9 with many Mo content is inferior.

미량의 La, Ce, Ca 또는 Mg를 함유시킨 부호 10으로부터 부호 13까지의 강에서는, 크리프 강도 및 크리프 피로 강도와도, 부호 2의 강과 같은 정도로서, 특성의 개선은 인정을 받지 못한다.In the steel from 10 to 13 containing a small amount of La, Ce, Ca or Mg, the improvement of the characteristics is not recognized as the degree of the steel of 2 as well as the creep strength and the creep fatigue strength.

한편, 본 발명에서 규정되는 조건을 채우는 부호 A로부터 부호 M까지의 강은, 크리프 파단 시간은 부호 2의 강과 같은 정도이지만, 크리프 피로 수명이 현저하게 향상되어 있다.On the other hand, the steel from Code A to Code M satisfying the conditions specified in the present invention has a creep rupture time approximately equal to that of Code 2, but the creep fatigue life is remarkably improved.

Nd함유량이 본 발명에서 규정되는 범위를 밑으로 벗어난 부호 14의 강은, 크리프 피로 강도의 개선이 불충분하다. 한편, Nd를 과잉 함유시킨 부호 15의 강은 크리프 강도가 낮다.The steel of code | symbol 14 whose Nd content is out of the range prescribed | regulated by this invention is insufficient in improvement of creep fatigue strength. On the other hand, the steel of code | symbol 15 which contained Nd excessively has low creep strength.

Nd와 오스테나이트 형성 원소의 Cu, Ni 또는 Co를 미량 함유시킨 부호 16에서 18까지의 강은, 크리프 강도는 부호 2의 강과 동일한 정도로서, 크리프 피로 강도도 부호 2의 강과 비교하면 약간 개선되었다. 그러나, Cu, Ni 또는 Co를 포함하지 않거나, 또는 이러한 함유량을 낮게 한 부호 A로부터 M까지의 강과 비교하면, 크리프 피로 강도는 분명하게 뒤떨어진다.Steels 16 to 18 containing a small amount of Nd and austenite forming elements of Cu, Ni, or Co had a creep strength similar to that of code 2, and the creep fatigue strength was slightly improved compared to the steel of code 2. However, the creep fatigue strength is clearly inferior in comparison with steels containing no Cu, Ni, or Co, or having a lower content of these, from A to M.

Nd를 본 발명에서 규정하는 범위 내로 함유하지만, Mo가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 부호 19 및 부호 20의 강은, Nd를 함유하지 않는 것과 비교하면, 크리프 피로 수명이 높다. 그러나, Mo함유량이 본 발명에서 규정하는 범위 내 인 부호 A로부터 M까지의 강과 비교하면, 크리프 피로 강도가 분명하게 뒤떨어진다.Although Nd is contained in the range prescribed | regulated by this invention, the steel of code | symbol 19 and code | symbol 20 whose Mo is out of the range prescribed | regulated by this invention has a high creep fatigue life compared with the thing which does not contain Nd. However, the creep fatigue strength is clearly inferior compared to the steel from the symbols A to M having a Mo content in the range defined by the present invention.

부호 21 및 부호 22의 강은, 화학 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있지만, Nd개재물의 분포 밀도가 본 발명에서 규정하는 범위를 만족하지 않는다. 이들에서는, 충분히 탈산을 실시하지 않고 , Nd를 첨가했기 때문에, 상당한 조대한 Nd산화물이 형성되어 Nd개재물의 밀도가 현저하게 저하하여, 크리프 피로 수명은 낮다.In steels 21 and 22, the chemical composition is within the range defined by the present invention, but the distribution density of the Nd inclusion does not satisfy the range defined by the present invention. In these, since deoxidation is not performed sufficiently and Nd is added, considerable coarse Nd oxide is formed, the density of Nd inclusions falls remarkably, and creep fatigue life is low.

본 발명 강은, 600~650℃의 고온하에 있어서의 장시간 크리프 강도와 크리프 피로 강도가 뛰어난 내열강이다. 이 강은, 화력 발전, 원자력 발전이나 화학 공업 등의 분야에서 이용되는 열교환용 강관, 압력 용기용 강판, 터빈용 재료로서 뛰어난 효과를 발휘하여, 산업상 지극히 유익하다.The steel of the present invention is a heat resistant steel excellent in long-term creep strength and creep fatigue strength at a high temperature of 600 to 650 ° C. This steel exhibits excellent effects as a heat exchanger steel pipe, a pressure vessel steel plate, and a turbine material used in fields such as thermal power generation, nuclear power generation, and chemical industry, and is extremely advantageous in industry.

Claims (5)

질량%로, C:0.01~0.13%, Si:O.15~0.50%, Mn:0.2~O.5%, P:0.02%이하, S : 0.005%이하, Cr:8.0%을 넘어 12.0%미만, Mo:0.1~1.5%, W:1.0~3.0%, V:0.1~0.5%, Nb:0.02~0.10%, sol.Al:0.015%이하, N:0.005~0.070%, Nd=0.005~O.050%, B:0.002~0.015%를 함유하여, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중 Ni가 0.3%미만, Co가 0.3%미만, Cu가 0.1%미만인 강으로서, Nd개재물을 포함하고, 그 Nd개재물의 밀도가 10000개/㎣ 이상인, 페라이트계 내열강.In mass%, C: 0.01 to 0.13%, Si: 0.1 to 0.50%, Mn: 0.2 to 0.5%, P: 0.02% or less, S: 0.005% or less, Cr: 8.0% or more and less than 12.0% , Mo: 0.1 to 1.5%, W: 1.0 to 3.0%, V: 0.1 to 0.5%, Nb: 0.02 to 0.10%, sol.Al: 0.015% or less, N: 0.005 to 0.070%, Nd = 0.005 to O. 050%, B: 0.002-0.015%, remainder consists of Fe and an impurity, Ni is less than 0.3%, less than 0.3% of Co, less than 0.1% of Cu, and contains Nd inclusions, The ferritic heat-resistant steel whose density of the said Nd inclusion is 10000 piece / Pa or more. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Ta:0.04%이하, Hf:0.04%이하 및 Ti:0.04%이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 내열강.A ferritic heat resistant steel containing at least one of Ta: 0.04% or less, Hf: 0.04% or less, and Ti: 0.04% or less by mass% instead of a part of Fe. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Ca:0.005%이하 및 Mg:0.005%이하 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 내열강.A ferritic heat-resistant steel containing, in place of a part of Fe, one or two of Ca: 0.005% or less and Mg: 0.005% or less. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 불순물 중의 Nd를 제외한 희토류 원소의 총량이 0.04 질량%이하인 것을 특징으로 하는 페라이트계 내열강.A ferritic heat-resistant steel, wherein the total amount of rare earth elements other than Nd in impurities is 0.04 mass% or less. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서The method according to any one of claims 1 to 4 변형 속도가 인장 측에서 0.01%/sec, 압축 측에서 0.8%/sec이며, 전변형 범위가 0.5%의 조건하에서 600℃에서의 CP파형에 있어서의 크리프 피로 수명이 5000 사이클 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트계 내열강.The strain rate is 0.01% / sec on the tension side and 0.8% / sec on the compression side, and the creep fatigue life in the CP waveform at 600 ° C is 5000 cycles or more under the condition that the total strain range is 0.5%. System heat resistant steel.
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