KR20240064053A - 페라이트계 내열강 - Google Patents

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KR20240064053A
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히로유키 히라타
미츠루 요시자와
준이치 히구치
가츠키 다나카
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

질량％로 C: 0.06 내지 0.11％, Si: 0.15 내지 0.35％, Mn: 0.35 내지 0.65％, P: 0 내지 0.02％, S: 0 내지 0.003％, Ni: 0.005 내지 0.25％, Cu: 0.005 내지 0.25％, Co: 2.7 내지 3.3％, Cr: 8.3 내지 9.7％, W: 2.5 내지 3.5％, V: 0.15 내지 0.25％, Nb: 0.03 내지 0.08％, Ta: 0.002 내지 0.04％, Nd: 0.01 내지 0.06％, B: 0.006 내지 0.016％, N: 0.005 내지 0.015％, Al: 0 내지 0.02％, O: 0 내지 0.02％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 또한 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양[％W]ER이 -10×[％B]+0.26≤[％W]ER≤10×[％B]+0.54를 만족시키는 페라이트계 내열강.

Description

페라이트계 내열강{FERRITIC HEATRESISTANT STEEL}
본 개시는, 페라이트계 내열강에 관한 것이다.
페라이트계 내열강은, 오스테나이트계 내열강 및 Ni기 내열강에 비하여 저렴할 뿐만 아니라, 열팽창 계수가 작다고 하는 고온에서 사용되는 내열강으로서의 이점을 갖기 때문에, 화력 발전 보일러 등, 고온에서 사용되는 기기에 널리 이용되고 있다.
근년, 석탄 화력 발전에 있어서는 열효율을 높이기 위하여 증기 조건의 고온 고압화가 진행되고 있고, 장래적으로는 650℃, 350 기압이라고 하는 초초 임계압 조건에서의 조업이 계획되고 있다. 이러한 증기 조건의 과혹화에 대응하기 위해, W 및 B를 적극적으로 활용하고, 크리프 강도를 높인 페라이트계 내열강 등이 수많이 제안되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 질량％로, C: 0.001 내지 0.15％, Cr: 8 내지 13％, V: 0.2 내지 0.5％, Nb: 0.002％ 내지 0.2％, W: 2 내지 5％, N: 0.001 내지 0.03％, B: 0.0001 내지 0.01％를 함유하고, 금속 조직이 템퍼링 마르텐사이트 기지로 이루어지고, 또한 마르텐사이트 라스 내부에 입경 0.6㎛ 이하의 M23C6 및 금속간 화합물이 합계로 0.4개/㎛3 이상 석출하고 있는, 고온 장시간 크리프 강도가 우수한 고Cr 페라이트계 내열 강재가 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 질량％로, C: 0.05 내지 0.15％, Cr: 8 내지 15％, V: 0.05 내지 0.5％, Nb: 0.002 내지 0.18％, W: 0.1 내지 5％, B: 0.0001 내지 0.02％, N: 0.0005 내지 0.1％를 포함하고, 또한 S, P, Ca 및 Mg 함유량으로부터 결정되는 Nd양을 함유하는, 고온에서의 크리프 강도와 크리프 연성이 우수한 고Cr 페라이트계 내열강이 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 질량％로, C: 0.01 내지 0.13％, Cr: 8.0 내지 12.0％, W: 1.0 내지 4.0％, Co: 1.0 내지 5.0％, V: 0.1 내지 0.5％, Nb: 0.01 내지 0.10％, B: 0.002 내지 0.02％, N: 0.005 내지 0.020％, Nd: 0.005 내지 0.050％를 함유하고, 결정립 내에 존재하는 MX 석출물 중, 입자경이 20nm 이상이지만 평균 입자간 거리 λ가 20nm 이상 100nm 이하인, 고온에서의 크리프 강도가 우수한 고Cr 페라이트계 내열강이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 중량％로, B: 0.003 내지 0.03％를 포함하고, 그 밖의 합금 원소가 C: 0.03 내지 0.15％, Cr: 8.0 내지 13.0％, Mo+W/2: 0.1 내지 2.0％, V: 0.05 내지 0.5％, N: 0.06％ 이하, Nb: 0.01 내지 0.2％, (Ta+Ti+Hf+Zr): 0.01 내지 0.2％ 중 어느 1종 또는 2종 이상을 함유하는 템퍼링 마르텐사이트계 내열강으로 이루어지는, 크리프 강도가 우수한 용접 조인트가 개시되어 있다.
게다가, 특허문헌 5에는, 질량％로, C: 0.01 내지 0.18％, Cr: 8 내지 14％, V: 0.05 내지 1.8％, Mo: 0.01 내지 2.5％, W: 0.02 내지 5％ 및 N: 0.001 내지 0.1％를 포함함과 함께, 매트릭스 중의 V의 고용량 Vs％를 Vs>0.01/(C+N)으로 함으로써, 장시간의 크리프 강도와 상온 인성의 양립을 도모한 고Cr 페라이트계 내열강과, 그것을 얻기 위하여 C와 V 함유량으로부터 결정되는 노멀라이징 및 템퍼링을 실시하는 고Cr 페라이트계 내열강의 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 6에는, 질량％로, C: 0.05 내지 0.12％, Cr: 8.0 내지 12％ 미만, V: 0.15 내지 0.25％, Nb: 0.03 내지 0.08％, N: 0.005 내지 0.07％, Mo: 0.1 내지 1.1％ 및 W: 1.5 내지 3.5％ 중 1종 또는 2종을 함유하고, 가공 공정에서의 조건을 규정한 고Cr 페라이트계 내열 강재의 제조 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 7에는, C: 0.05질량％ 미만, N: 0.055질량％ 이하, Si: 0.05질량％를 초과하고, 0.50질량％ 이하를 함유하고, 또한, Mn: 2.20질량％ 이하, Ni: 1.00질량％ 이하, Cr: 10.50질량％ 이하, Mo: 1.20질량％ 이하, V: 0.45질량％ 이하, Nb: 0.080질량％ 이하, W: 2.0질량％ 이하, Co: 3.0질량％ 이하 및 B: 0.005질량％ 이하의 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 용접 와이어와, CaF2: 2 내지 30질량％, CaO: 2 내지 20질량％, MgO: 20 내지 40질량％, Al2O3: 5 내지 25질량％, Si 및 SiO2의 합계: 5 내지 25질량％(SiO2 환산)를 함유하고, BaO: 25질량％ 이하, ZrO2: 10질량％ 이하, TiO2: 5질량％ 미만으로 규제한 용접 플럭스를 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고Cr계 CSEF(Creep Strength-Enhanced Ferritic: 크리프 강도 강화 페라이트)의 싱글 서브머지 아크 용접 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 8에는, 질량％로, C: 0.06 내지 0.10％, Si: 0.1 내지 0.4％, Mn: 0.3 내지 0.7％, P: 0.01％ 이하, S: 0.003％ 이하, Co: 2.6 내지 3.4％, Ni: 0.01 내지 1.10％, Cr: 8.5 내지 9.5％, W: 2.5 내지 3.5％, Mo: 0.01％ 미만, Nb: 0.02 내지 0.08％, V: 0.1 내지 0.3％, Ta: 0.02 내지 0.08％, B: 0.007 내지 0.015％, N: 0.005 내지 0.020％, Al: 0.03％ 이하, O: 0.02％ 이하, Cu: 0 내지 1％, Ti: 0 내지 0.3％, Ca: 0 내지 0.05％, Mg: 0 내지 0.05％ 및 희토류 원소: 0 내지 0.1％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족시키는 화학 조성을 갖는 페라이트계 내열강용 용접 재료가 개시되어 있다.
0.5≤Cr+6Si+1.5W+11V+5Nb+10B-40C-30N-4Ni-2Co-2Mn≤10.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량％)이 대입된다.
일본 특허 공개 제2002-241903호 공보 일본 특허 공개 제2002-363709호 공보 일본 특허 공개 제2016-216815호 공보 일본 특허 공개 제2004-300532호 공보 일본 특허 공개 제2001-192781호 공보 일본 특허 공개 제2009-293063호 공보 일본 특허 공개 제2016-22501호 공보 국제 공개 제2017/104815호
그런데, 페라이트계 내열강에는, 고온에서 사용되는 중(예를 들어 발전용 보일러에 사용된 페라이트계 내열강에 있어서의 해당 보일러의 운전 중 등)에서의 충분한 크리프 강도뿐만 아니라, 고온에서의 사용 전(예를 들어 상기 보일러의 운전 개시까지의 조립의 과정 등)에 있어서 구조물로서의 건전성을 확보하기 위해서, 기계적 성능, 즉, 충분한 인장 특성 및 충격 특성(인성)을 갖는 것이 요구된다. 전술한 페라이트계 내열강은, 우수한 크리프 강도를 갖지만, 이들 기계적 성능이 안정적으로 얻어지지 않는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 특히, 보다 높은 크리프 강도를 얻을 목적으로, 페라이트계 내열강에, W를 많이 함유함과 함께, 0.006％ 이상의 B를 함유하는 경우, 충분한 인장 강도 및 인성이 얻어지지 않는 경우가 있다.
본 개시는, 상기 현 상황을 감안하여 이루어진 것으로, W 및 B를 다량으로 함유하고, 높은 인장 강도 및 인성을 갖는 페라이트계 내열강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해서, W를 2.5％ 내지 3.5％ 함유하고, B를 0.006％ 내지 0.016％ 포함하는 페라이트계 내열강에 대하여 상세한 조사를 행하였다. 그 결과, 이하에 설명하는 지견이 밝혀졌다.
인장 강도 및 인성에 차가 있었던 강을 비교 조사한 결과, 해당 인장 강도 및 인성에 충분한 성능이 얻어진 강은, W를 포함하는 M23C6형 탄화물이, 입계 및 입자 내에 미세하게, 또한 밀하게 분산하고 있었다. 이에 비해, W를 포함하는 M23C6형 탄화물의 석출량이 적은 강, 혹은 반대로 탄화물이 다량으로 석출하고 있는 강, 또는, 석출물이 조대하여 소하게 석출하고 있었던 강에서는, 성능이 좋지 않았다.
이것으로부터, 이들 인장 강도, 인성 등의 기계적 성질이 안정되지 않는 것은, 이하의 (1) 및 (2)와 같이 추정되었다.
(1) 강 중의 W는, 강에 고용하거나, 또는 페라이트계 내열강의 제조 시의 템퍼링 열처리에 있어서 W를 포함하는 M23C6형 탄화물로서 미세하게 분산 석출하고, 인장 강도에 기여한다. 그러나, W를 포함하는 M23C6형 탄화물의 석출량이 적고 소하게 석출한 경우, 그 석출에 의한 강화 효과가 충분하지 않기 때문에, 요구되는 인장 강도가 얻어지지 않는다. 반대로, W를 포함하는 M23C6형 탄화물이 조대하게 석출하면, 인장 강도의 강화에 기여하지 않게 됨과 함께, W의 강에 대한 고용에 의한 강화 효과도 작아지기 때문에, 요구되는 인장 강도가 얻어지지 않는다.
(2) 또한, W가 템퍼링 열처리에 있어서 M23C6형 탄화물로서 석출함으로써, 조직의 회복 및 연화가 진행한다. 그러나, W를 포함하는 M23C6형 탄화물의 석출량이 적은 경우, 상기 회복 및 연화를 진행시키는 효과가 작기 때문에, 충분한 인성이 얻어지지 않는다. 반대로, W를 포함하는 M23C6형 탄화물이 조대하게 석출하면, 파괴의 기점이 증대하기 때문에, 요구되는 인성이 얻어지지 않는다.
그래서, 여러가지 검토를 거듭한 결과, 강에 포함되는 B양에 따라, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양을 소정의 범위로 관리함으로써, 인장 강도 및 인성에 대하여 안정된 성능이 얻어지는 것을 지견하였다.
그 이유는, 이하의 (3) 및 (4)로 생각된다.
(3) 전술한 바와 같이, W는 템퍼링 열처리에 있어서 M23C6형 탄화물로서 석출하고, 인장 강도의 향상에 기여한다. B는 M23C6형 탄화물의 C로 치환하여 상기 탄화물 중에 고용하고, 석출량에 영향을 끼치지 않고, 탄화물을 미세하게 또한 밀하게 분산시키는 효과를 갖는다. 그 때문에, 탄화물의 석출에 의한 강화 효과가 얻어지고, 탄화물이 적은 석출량으로도 요구되는 인장 강도가 얻어지기 쉽다. 또한, 반대로 탄화물이 다량으로 석출한 경우에도, 탄화물의 크기가 작아져, 탄화물의 석출에 의한 강화 효과가 유지되기 때문에, 충분한 인장 강도가 얻어지기 쉽다.
(4) 게다가, B에는, 탄화물의 석출량에 영향을 끼치지 않고, 석출물의 크기를 작게 하는 효과가 있다. 이에 의해, 조직의 회복 및 연화가 진행함과 함께, 파괴의 기점이 되기 어려워지기 때문에, 요구되는 인성이 얻어지기 쉽다.
또한, 본 발명자들은, 상기한 W 및 B를 함유하는 페라이트계 내열강에 대해서, 고온 강도, 즉, 크리프 강도에 미치는 Ta, Nb의 작용에 대하여 상세한 조사를 행하였다. 그 결과, 이하에 설명하는 (5) 및 (6)의 지견이 밝혀졌다.
(5) 고온에서의 사용 초기의 크리프 강도에 차가 있었던 강을 비교한 결과, 강도가 우수한 강에서는, Ta 및 Nb를 포함하는 미세 탄질화물량이 많고, 또한, 탄질화물 중에 포함되는 Ta의 비율이 적었다.
(6) 또한, 장시간 사용 시의 크리프 강도에 차가 있었던 강을 비교한 결과, 강도가 우수한 강에서는, Ta 및 Nb를 포함하는 미세 탄질화물이 미세, 또한 밀하게 이들의 석출물이 존재하였다. 또한, 그 탄질화물 중에 포함되는 Nb의 비율이 적었다.
이상의 결과로부터, 고온 강도(특히 사용 초기에 있어서의 고온 강도 및 장시간 사용 시에 있어서의 고온 강도)에 미치는 Ta, Nb의 작용 기구는, 이하의 (7) 및 (8)과 같이 추정되었다.
(7) Ta 및 Nb는 강의 제조 시의 열처리 공정, 그리고 사용 초기에 탄질화물로서, 미세하게 석출하고, 강도에 기여하지만, 확산 속도가 느린 Ta가 Nb에 비하여, 강 중에 많이 포함되는 경우, 그 석출 개시가 지연되어, 충분한 석출량이 얻어지지 않는다. 그 결과, 사용 초기의 고온 강도가 저하된다.
(8) 한편, 이들 Ta, Nb를 포함하는 탄질화물은, 장시간 사용 시의 크리프 강도에 기여하지만, 확산 속도가 빠른 Nb가 Ta에 비하여, 강 중에 많이 포함되면, 탄질화물의 성장이 빨라지고, 조기에 조대화한다. 그 결과, 이들 석출물의 강화 효과가 조기에 소실하기 때문에, 장시간 사용 시에 있어서의 고온에서의 크리프 강도가 저하된다고 추정된다.
그래서, 여러가지 검토를 거듭한 결과, 이하의 지견 (9)가 얻어졌다.
(9) 강에 포함되는 Ta와 Nb의 비를 적정한 범위로 관리함으로써, 사용 초기의 미세 탄질화물량을 확보함과 함께, 장시간 사용 시의 탄질화물 조대화를 지연시킬 수 있고, 고온에서의 사용 초기 및 장시간 사용 시의 고온 강도를, 보다 안정되게 얻을 수 있다.
본 개시는, 상기의 지견에 기초하여 완성된 것이고, 그 요지는, 하기에 나타내는 페라이트계 내열강에 있다.
<1>
질량％로
C: 0.06％ 내지 0.11％,
Si: 0.15％ 내지 0.35％,
Mn: 0.35％ 내지 0.65％,
P: 0.020％ 이하,
S: 0.0030％ 이하,
Ni: 0.005％ 내지 0.250％,
Cu: 0.005％ 내지 0.250％,
Co: 2.7％ 내지 3.3％,
Cr: 8.3％ 내지 9.7％,
W: 2.5％ 내지 3.5％,
V: 0.15％ 내지 0.25％,
Nb: 0.030％ 내지 0.080％,
Ta: 0.002％ 내지 0.040％,
Nd: 0.010％ 내지 0.060％,
B: 0.006％ 내지 0.016％,
N: 0.005％ 내지 0.015％,
Al: 0.020％ 이하 및
O: 0.020％ 이하를
포함하고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
또한 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이 하기 (1) 식을 만족시키는 페라이트계 내열강.
-10×[％B]+0.26≤[％W]ER≤10×[％B]+0.54 (1) 식
(1) 식에 있어서, [％W]ER이란 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양(질량％)을 나타내고, [％B]란 상기 페라이트계 내열강 중의 B의 함유량(질량％)을 나타낸다.
<2>
질량％로
상기 Ta 및 상기 Nb의 합계 함유량이 0.040％ 내지 0.110％이고,
상기 Ta의 함유량과 상기 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb가 0.10 내지 0.70인 <1>에 기재된 페라이트계 내열강.
<3>
상기 페라이트계 내열강이, 상기 Fe의 일부 대신에, 질량％로, 하기 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 <1> 또는 <2>에 기재된 페라이트계 내열강.
군 Mo: 0.50％ 이하
Ti: 0.20％ 이하
Ca: 0.015％ 이하
Mg: 0.015％ 이하
Sn: 0.005％ 이하
<4>
실온에서의 JIS Z2241: 2011에 규정되는 인장 강도가 620MPa 이상, 또한 20℃에서의 JIS Z2242: 2005에 규정되는 풀사이즈 샤르피 흡수 에너지가 27J 이상인 <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 기재된 페라이트계 내열강.
본 개시에 의하면, 다량의 W 및 B를 함유하는 페라이트계 내열강에 있어서, 안정적으로 우수한 인장 강도와 인성을 얻는 것이 가능하게 된다.
본 개시에 있어서, 페라이트계 내열강의 조성을 한정하는 이유는 다음과 같다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 각 원소의 함유량의 「％」 표시는 「질량％」를 의미한다. 또한, 본 개시에 있어서, 「내지」를 사용하여 표시되는 수치 범위는, 특별히 언급이 없는 한, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
본 개시에 있어서 단계적으로 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 어떤 단계적인 수치 범위의 상한값 또는 하한값은, 다른 단계적인 기재의 수치 범위의 상한값 또는 하한값으로 치환해도 되고, 또한, 실시예에 표시되어 있는 값으로 치환해도 된다.
본 개시에 있어서 「공정」이라는 용어는, 독립한 공정뿐만 아니라, 다른 공정과 명확하게 구별할 수 없는 경우라도 그 공정의 소기 목적이 달성되면, 본 용어에 포함된다.
C: 0.06％ 내지 0.11％
C는, 마르텐사이트 조직을 얻는데 유효함과 함께, 미세한 탄화물 또는 탄질화물을 생성하고, 인장 강도 및 크리프 강도의 향상에 기여한다. 본 개시에 있어서의 W 및 B의 함유량의 범위에 있어서, 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, C를 0.06％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, C를 과잉으로 함유하면, 오히려, 크리프 강도 및 인성의 저하를 초래하기 때문에, C의 함유량은 0.11％ 이하로 한다. C의 함유량의 바람직한 하한은 0.07％이고, 바람직한 상한은 0.10％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.08％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.09％이다.
Si: 0.15％ 내지 0.35％
Si는, 탈산제로서 함유되지만, 내수증기 산화 특성(즉 수증기에 의한 산화에 대한 내성)에 유효한 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Si를 0.15％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Si를 과잉으로 함유하면, 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Si의 함유량은 0.35％ 이하로 한다. Si의 함유량의 바람직한 하한은 0.18％이고, 바람직한 상한은 0.32％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.20％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.30％이다.
Mn: 0.35％ 내지 0.65％
Mn은, Si와 마찬가지로, 탈산제로서 함유되지만, 마르텐사이트 조직을 얻는데도 효과를 갖는다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mn을 0.35％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Mn을 과잉으로 함유하면, 크리프 취화를 초래하기 때문에, Mn의 함유량은 0.65％ 이하로 한다. Mn의 함유량의 바람직한 하한은 0.38％이고, 바람직한 상한은 0.62％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.40％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.60％이다.
P: 0.020％ 이하
P는, 과잉으로 함유하면 크리프 연성을 저하시킨다. 그 때문에, P의 함유량은 0.020％ 이하로 할 필요가 있다. P의 함유량은 0.018％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가 0.015％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, P의 함유량은 적으면 적을수록 좋다. 단, P의 함유량의 극도의 저감은 재료 비용을 극단적으로 증대시킨다. 그 때문에, P의 함유량의 바람직한 하한은 0.0005％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.001％이다.
S: 0.0030％ 이하
S는, P와 마찬가지로, 과잉으로 함유하면 크리프 연성을 저하시킨다. 그 때문에, S의 함유량은 0.0030％ 이하로 할 필요가 있다. S의 함유량은 0.0025％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가 0.0020％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, S의 함유량은 적으면 적을수록 좋다. 단, S의 함유량의 극도의 저감은 제조 비용을 극단적으로 증대시킨다. 그 때문에, S의 함유량의 바람직한 하한은 0.0002％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.0004％이다.
Ni: 0.005％ 내지 0.250％
Ni는, 마르텐사이트 조직을 얻는데 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, Ni를 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Co의 함유량이 하기 범위인 본 개시에 있어서는, Ni를 0.250％를 초과하여 함유해도, 그 효과가 포화함과 함께, 고가의 원소이기 때문에 비용 증대를 초래한다. 그 때문에, Ni의 함유량은 0.250％를 상한으로 한다. Ni의 함유량의 바람직한 하한은 0.020％이고, 바람직한 상한은 0.200％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.050％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.150％이다.
Cu: 0.005％ 내지 0.250％
Cu는, Ni와 마찬가지로, 마르텐사이트 조직을 얻는데 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, Cu를 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Co의 함유량이 하기 범위인 본 개시에 있어서는, Cu를 0.250％를 초과하여 함유해도, 그 효과는 포화하기 때문에, Cu의 함유량은 0.250％를 상한으로 한다. Cu의 함유량의 바람직한 하한은 0.020％이고, 바람직한 상한은 0.200％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.050％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.150％이다.
Co: 2.7％ 내지 3.3％
Co는, 마르텐사이트 조직을 얻고, 크리프 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Co를 2.7％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, 매우 고가의 원소이기 때문에, Co를 과잉으로 함유하면, 재료 비용을 증대 시킴과 함께, 크리프 강도 및 크리프 연성이 오히려 저하된다. 그 때문에, Co의 함유량은 3.3％ 이하로 한다. Co의 함유량의 바람직한 하한은 2.8％이고, 바람직한 상한은 3.2％이다. 더욱 바람직한 하한은 2.9％이고, 더욱 바람직한 상한은 3.1％이다.
Cr: 8.3％ 내지 9.7％
Cr은, 고온에서의 내수증기 산화 특성 및 내식성의 확보에 유효한 원소이다. 또한, 탄화물로서 석출하여, 크리프 강도의 향상에도 기여한다. 이들의 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cr을 8.3％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유하면, 탄화물의 안정성을 저하시켜서 오히려 크리프 강도가 저하된다. 그 때문에, Cr의 함유량은 9.7％ 이하로 한다. Cr의 함유량의 바람직한 하한은 8.5％이고, 바람직한 상한은 9.5％이다. 더욱 바람직한 하한은 8.7％이고, 더욱 바람직한 상한은 9.3％이다.
W: 2.5％ 내지 3.5％
W는, 매트릭스에 고용하거나 또는 M23C6형 탄화물로서 석출하고, 인장 강도의 확보에 기여함과 함께, 장시간 사용 중에는, 금속간 화합물로서 석출하고, 고온에서의 크리프 강도의 확보에 기여한다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, W를 2.5％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, W를 과잉으로 함유해도 크리프 강도 향상의 효과가 포화함과 함께, 고가의 원소이고, 재료 비용을 증대시킨다. 그 때문에, W의 함유량은 3.5％ 이하로 한다. W의 함유량의 바람직한 하한은 2.6％이고, 바람직한 상한은 3.3％이다. 더욱 바람직한 하한은 2.8％이고, 더욱 바람직한 상한은 3.1％이다.
또한, 여기서의 W의 함유량이란, 페라이트계 내열강에 포함되는 W의 총량을 의미한다. 즉, 매트릭스에 고용하고 있는 W의 양과, 석출물로서 존재하고 있는 W의 양의 합계를 의미한다.
또한, 본 개시에서는, 상기의 W의 함유량의 범위를 만족시키는 것에 더하여, 석출물로서 존재하고 있는 W의 양, 즉 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이, 후술하는대로, B의 양과의 관계를 만족시킬 필요가 있다.
V: 0.15％ 내지 0.25％
V는, 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, V를 0.15％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, V의 함유량이 과잉이 되면, 다량으로 또한 조대하게 석출하고, 오히려 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, V의 함유량은 0.25％ 이하로 한다. V의 함유량의 바람직한 하한은 0.16％이고, 바람직한 상한은 0.24％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.18％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.22％이다.
Nb: 0.030％ 내지 0.080％
Nb는, 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nb를 0.030％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Nb를 과잉으로 함유하면, 다량으로 또한 조대하게 석출하고, 오히려 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Nb의 함유량은 0.080％ 이하로 한다. Nb의 함유량의 바람직한 하한은 0.035％이고, 바람직한 상한은 0.075％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.040％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.070％이다.
Ta: 0.002％ 내지 0.040％
Ta는, Nb와 마찬가지로, 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 얻기 위해서는, Ta를 0.002％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Ta를 과잉으로 함유하면, 다량으로 또한 조대하게 석출하고, 오히려 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ta의 함유량은 0.040％ 이하로 한다. Ta의 함유량의 바람직한 하한은 0.003％이고, 바람직한 상한은 0.035％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.004％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.030％이다.
Nb 및 Ta의 합계 함유량: 0.040％ 내지 0.110％
Nb 및 Ta는, 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nb 및 Ta를 합계로 0.040％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, Nb 및 Ta를 과잉으로 함유하면, 다량으로 또한 조대하게 석출하고, 오히려 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Nb 및 Ta의 합계의 함유량은 0.110％를 상한으로 하는 것이 바람직하다. 합계의 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.050％이고, 보다 바람직한 상한은 0.100％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.060％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.090％이다.
Ta의 함유량과 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb: 0.10 내지 0.70
전술한 대로, Nb 및 Ta는, 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Ta와 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb가 작은 경우, 장시간 사용 중에 탄질화물의 성장이 빨라지고, 그 석출 강화 효과가 조기에 소실되고, 장시간 사용 시의 안정된 크리프 강도가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다. 한편, Ta와 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb가 큰 경우, 사용 초기에 탄질화물의 석출 개시가 지연되고, 충분한 고온 강도가 얻어지지 않는 경우가 있다. 그 때문에, Ta와 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb를 0.10 내지 0.70으로 하는 것이 바람직하다. Ta와 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb의 보다 바람직한 범위는 0.12 내지 0.68이고, 더욱 바람직한 범위는 0.15 내지 0.65이다.
Nd: 0.010％ 내지 0.060％
Nd는, S 및 P와 결합하여, 그 악영향을 제거하고, 크리프 연성을 향상시킨다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nd를 0.010％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Nd를 과잉으로 함유하면 산소와 결합하고, 청정성을 저하시켜서 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, Nd의 함유량은 0.060％ 이하로 한다. Nd 함유량의 바람직한 하한은 0.015％이고, 바람직한 상한은 0.055％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.020％이고, 바람직한 상한은 0.050％이다.
B: 0.006％ 내지 0.016％
B는, 마르텐사이트 조직을 얻는데 유효하다. 게다가, M23C6형 탄화물 중에 고용하고, 미세하게 분산시키는 효과를 갖고, 인장 강도 및 인성의 확보에 기여한다. 나아가, 크리프 강도의 향상에도 기여한다. 그 효과를 얻기 위해서는, B를0.006％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, B를 과잉으로 함유시키면, 용접 중에 용접 금속에 유입하고, 응고 균열 감수성을 높이기 때문에, B의 함유량의 상한을 0.016％로 한다. B의 함유량의 바람직한 하한은 0.007％이고, 바람직한 상한은 0.014％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.008％이고, 바람직한 상한은 0.012％이다.
또한, 본 개시에서는, 후술하는 대로, B의 함유량에 따라, 석출물로서 존재하고 있는 W의 양, 즉 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이 소정의 관계를 만족시킬 필요가 있다.
N: 0.005％ 내지 0.015％
N은, 고온에서의 사용 중에 Nb 및 Ta와 결합하여 미세한 탄질화물로서 입자 내에 미세하게 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 이 효과를 얻기 위해서는, N을 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, N을 과잉으로 함유하면, 탄질화물의 조대화를 초래하고, 오히려 크리프 연성의 저하를 초래하기 때문에, N의 함유량은 0.015％ 이하로 한다. N의 함유량의 바람직한 하한은 0.006％이고, 바람직한 상한은 0.014％이다. 더욱 바람직한 하한은 0.008％이고, 바람직한 상한은 0.012％이다.
Al: 0.020％ 이하
Al은, 탈산제로서 함유되지만, Al을 다량으로 함유하면 청정성을 현저하게 해치고, 가공성을 열화시킨다. 또한, Al을 다량으로 함유하는 것은, 크리프 강도의 관점에서도 바람직하지 않다. 그 때문에, Al의 함유량은 0.020％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.018％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.015％ 이하이다. 또한, Al의 함유량의 하한은 특별히 마련할 필요는 없다. 단, Al의 극도의 저감은 제조 비용을 증대시키기 때문에, Al의 함유량은 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
O: 0.020％ 이하
O는, 불순물로서 존재하지만, 다량으로 포함되는 경우에는, 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, O의 함유량은 0.020％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.015％ 이하고, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하이다. 또한, O의 함유량의 하한은 특별히 마련할 필요는 없다. 단, O의 극도의 저감은 제조 비용을 증대시키기 때문에, O의 함유량은 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
잔부: Fe 및 불순물로 이루어진다
본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 상술한 각 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.
또한, 「불순물」이란 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 광석 또는 스크랩 등의 원료를 비롯하여, 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는, 소위 불가피적으로 혼입되는 성분이고, 의도적으로 첨가한 것이 아닌 성분을 가리킨다.
또한, 본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 잔부에 있어서의 상기 Fe의 일부 대신에, 하기의 군에 속하는 적어도 1종의 원소를 함유해도 된다. 하기에 그 한정 이유를 설명한다.
군 Mo: 0.50％ 이하
Ti: 0.20％ 이하
Ca: 0.015％ 이하
Mg: 0.015％ 이하
Sn: 0.005％ 이하
Mo: 0.50％ 이하
Mo는, W와 마찬가지로, 매트릭스에 고용하고, 고온에서의 크리프 강도의 확보에 기여하기 때문에, 함유해도 된다. 그러나, Mo를 과잉으로 함유해도, 그 효과가 포화함과 함께, 고가의 원소이고, 재료 비용을 증대시키기 때문에, Mo의 함유량은 0.50％ 이하로 한다. 바람직한 상한은 0.40％이고, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이하이다. 또한, Mo를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은 0.01％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.02％이다.
Ti: 0.20％ 이하
Ti는, Nb 및 Ta와 마찬가지로, 고온에서의 사용 중에 미세한 탄질화물로서 입자 내에 석출하고, 크리프 강도의 향상에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Ti의 함유량이 과잉이 되면, 다량으로 또한 조대하게 석출하고, 크리프 강도 및 크리프 연성의 저하를 초래하기 때문에, Ti의 함유량은 0.20％ 이하로 한다. 바람직한 상한은 0.15％이고, 더욱 바람직하게는 0.10％ 이하이다. 또한, Ti를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은 0.01％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.02％이다.
Ca: 0.015％ 이하
Ca는, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, Ca의 과잉의 함유는 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 열화시키기 때문에, Ca의 함유량은 0.015％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.012％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하이다. 또한, Ca를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은 0.0005％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.001％이다.
Mg: 0.015％ 이하
Mg는, Ca와 마찬가지로, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, Mg의 과잉의 함유는 산소와 결합하여, 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 열화시키기 때문에, Mg의 함유량은 0.015％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.012％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하이다. 또한, Mg를 함유시키는 경우의 바람직한 하한은 0.0005％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.001％이다.
Sn: 0.005％ 이하
Sn은, 강의 표면 스케일 아래에 농화하고, 내식성의 향상에 효과가 있으므로 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, Sn의 과잉의 함유는, 인성의 저하를 초래하기 때문에, Sn의 함유량은 0.005％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.004％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.003％ 이하이다. 또한, Sn을 함유시키는 경우의 바람직한 하한은 0.0005％이고, 더욱 바람직한 하한은 0.0010％이다.
전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양([％W]ER):
-10×[％B]+0.26≤[％W]ER≤10×[％B]+0.54
페라이트계 내열강에 함유되는 W는, 제조 시의 템퍼링 열처리에 있어서 M23C6형 탄화물에 포함되는 형태로 석출한다. 이 탄화물은, 미세하게 석출하면, 인장 강도의 확보에 기여한다. 단, 한편으로 이 탄화물이 과잉으로 석출하면, 인성이 저하된다. 이 탄화물의 양은, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양으로서 어림잡을 수 있다.
W를 포함하는 M23C6형 탄화물이 적은 경우, 탄화물의 석출에 의한 강화 효과가 작고, 요구되는 인장 강도가 얻어지지 않는 것에 더하여, 조직의 회복 및 연화가 진행되지 않고, 인성도 저하된다. 한편, 이 탄화물이 과잉으로 또한 조대하게 석출하면, 인장 강도 등의 강화에 기여하지 않게 됨과 함께, 강의 매트릭스 중에 고용하는 W의 양이 적어지고 고용에 의한 강화 효과도 작아진다. 그 결과, 요구되는 인장 강도가 얻어지지 않음과 함께, 파괴의 기점이 되고, 인성도 저하된다.
또한, 강에 함유되는 B는 상기 탄화물의 석출량에 영향을 끼치지 않고, M23C6형 탄화물을 미세하게 석출시키는 효과가 있다. 그 때문에, 적은 석출량으로도 탄화물의 석출에 의한 강화 효과가 얻어지기 쉬워짐과 함께, 석출물을 작게(즉 미세하게) 해서, 석출에 의한 강화 효과의 소실을 억제하고, 또한 파괴의 기점이 되는 것에 의한 인성의 저하를 억제할 수 있다. 그 때문에, 요구되는 인장 강도와 인성을 얻기 위해서는, 석출물로서 존재하는 W의 양, 즉 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양[％W]ER의 하한 및 상한을, 강 중의 B의 함유량에 따라, 하기 (1) 식을 만족시키는 관계로 할 필요가 있다.
-10×[％B]+0.26≤[％W]ER≤10×[％B]+0.54 (1) 식
(1) 식에 있어서, [％W]ER이란 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양(질량％)을 나타내고, [％B]란 페라이트계 내열강 중의 B의 함유량(질량％)을 나타낸다.
전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양은, 강에 함유되는 W의 양 및 C의 양, 그리고 템퍼링 열처리의 조건 등에 의해 조정할 수 있다. 구체적으로는, 강에 함유되는 W의 양 및 C의 양이 높을수록, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양은 많아진다. 또한, 본 개시의 강에 적용되는 템퍼링 열처리에 있어서는, 온도가 높아질수록, 또한 시간이 길어질수록, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양은 많아진다. 또한, 템퍼링 처리 후의 냉각에 있어서, 냉각 속도를 작게 할수록, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양은 많아진다.
전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양은, 이하와 같이 측정한다.
페라이트계 내열강으로부터, 소정의 크기의 시험재를 채취한다. 10체적％ 아세틸아세톤-1질량％ 테트라메틸암모늄 클로라이드 메탄올 용액을 전해액으로서 사용한 정전류 전해법에 의해, 전류 밀도 20mA/㎠로 상기 시험재를 양극 용해하고, 탄화물을 잔사로서 추출한다. 추출한 잔사를 산 분해한 후, ICP(고주파 유도 결합 플라스마) 발광 분석을 행하여, 잔사 중의 W의 질량을 측정한다. 잔사 중의 W의 질량을 시험재의 용해량으로 제산하고, 탄화물로서 존재하고 있는 W의 양을 구한다. 즉, 이 W의 양은, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이다.
·페라이트계 내열강의 특성
(1) 인장 강도
본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 실온에서의 인장 강도가, 620MPa 이상인 것이 바람직하고, 670MPa 이상인 것이 보다 바람직하다.
인장 강도는, 평행부 직경 8mm, 평행부 길이 55mm의 14A호 환봉 시험편을 사용하여, JIS Z2241: 2011에 준거하여, 실온(10℃ 내지 35℃)에서 측정된다.
(2) 풀사이즈 샤르피 흡수 에너지
본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 20℃에서의 풀사이즈 샤르피 흡수 에너지가, 27J 이상인 것이 바람직하다.
풀사이즈 샤르피 흡수 에너지는, 2mm V 노치 풀사이즈 샤르비 충격 시험편을 사용하여, JIS Z2242: 2005에 준거하여, 20℃에서 측정된다.
(3) 크리프 성능
본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 모재의 목표 파단 시간이 1000시간이 되는 650℃×157MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행하고, 파단 시간이 목표 파단 시간을 초과하는 것이 바람직하다.
크리프 파단 시험은, 환봉 크리프 시험편을 사용하여, JIS Z2271: 2010에 준거하여 행하여진다.
이어서, 본 개시에 관한 페라이트계 내열강을 제조하는 방법에 대해서, 일례를 들어서 설명한다.
·성형 공정
본 개시에 관한 페라이트계 내열강의 제조에 있어서는, 먼저, 소재를 페라이트계 내열강의 최종적인 형상으로 성형한다. 성형 공정에는, 최종적인 형상으로 하기 위한 변형을 수반하는 모든 공정이 포함되고, 예를 들어 주조, 단조, 압연 가공 등의 공정이 포함된다.
성형 공정으로서는, 예를 들어 일례로서, 소재를 용해하여 주입한 잉곳에 대하여 열간 단조 및 열간 압연에 의해 성형하거나, 또는 열간 단조, 열간 압연 및 냉간 가공에 의해 성형하고, 페라이트계 내열강의 최종적인 형상으로 하는 공정을 들 수 있다.
·노멀라이징 열처리 공정
성형 공정 후에, 예를 들어 노멀라이징 열처리를 실시해도 된다. 예를 들어, 1130℃ 내지 1170℃에서 0.1시간 내지 1.5시간의 조건에서, 노멀라이징 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
·템퍼링 열처리 공정
또한, 노멀라이징 열처리 공정 후에, 예를 들어 템퍼링 열처리를 실시해도 된다. 예를 들어, 770℃ 내지 790℃에서 1시간 내지 5시간의 조건에서, 템퍼링 열처리를 행하는 것이 바람직하다.
·용도
본 개시에 관한 페라이트계 내열강은, 예를 들어 발전용 보일러 등, 고온에서 사용되는 기기에 사용된다.
고온에서 사용되는 기기의 예로서는, 예를 들어 석탄 화력 발전 플랜트, 석유 화력 발전 플랜트, 쓰레기 소각 발전 플랜트 및 바이오매스 발전 플랜트 등의 보일러용 배관; 석유 화학 플랜트에 있어서의 분해관; 등을 들 수 있다.
여기서, 본 개시에 있어서의 「고온에서의 사용」이란, 예를 들어 350℃ 이상 700℃ 이하(나아가 400℃ 이상 650℃ 이하)의 환경에서 사용되는 양태를 들 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 개시를 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 본 개시는 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
표 1-1 및 표 1-2에 나타내는 화학 조성을 갖는 A 내지 I의 소재를 실험실에서 용해하여 주입한 잉곳에 대하여 열간 단조 및 열간 압연을 이 순으로 행하고, 두께 15mm로 성형하였다. 이 소재로부터, 길이 150mm, 폭 150mm의 판재를 가공하였다. 표 1-1 및 표 1-2에 있어서 「비 Ta/Nb」를 제외하는 각 성분의 단위는 질량％이고, 잔부는 Fe 및 불순물이다. 또한, 하기의 표 중, 밑줄을 그은 값은 본 개시의 범위 외인 것을 나타낸다.
[표 1-1]
[표 1-2]
이 판재에, 표 2에 나타내는 대로 노멀라이징, 템퍼링 열처리를 행하여 시험재로 하였다.
[전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양의 측정]
얻어진 시험재로부터, 한 변이 8mm인 정사각형, 길이 40mm의 시험편을 채취하고, 상술한 실시 형태에서 설명한 방법, 즉 정전류 전해법에 의해, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W양을 측정하였다. 구체적으로는, 10체적％ 아세틸아세톤-1질량％ 테트라메틸암모늄 클로라이드 메탄올 용액을 전해액으로서 사용한 정전류 전해법에 의해, 전류 밀도 20mA/㎠로 시험재를 양극 용해하고, 탄화물을 잔사로서 추출하였다. 추출한 잔사를 산 분해한 후, ICP(고주파 유도 결합 플라스마) 발광 분석을 행하고, 잔사 중의 W의 질량을 측정하였다. 잔사 중의 W의 질량을 시험재의 용해량으로 제산하고, 탄화물로서 존재하고 있는 W양을 구하였다.
[표 2]
[인장 시험/인장 강도]
또한, 시험재로부터, 평행부 직경 8mm, 평행부 길이 55mm의 JIS Z2241: 2011에 표시되어 있는 14A호 환봉 시험편을 채취하고, JIS Z2241: 2011에 준거하여, 실온(10℃ 내지 35℃)에서의 인장 시험에 제공하였다. 그리고, 그 인장 강도가, 모재에 요구되는 인장 강도인 620MPa 이상으로 되는 것을 「합격」으로 하고, 그 중에서 670MPa 이상으로 되는 것을 「합격/우」로 하고, 그 이외를 「합격/가」로 하고, 한편, 620MPa를 하회하는 것을 「불합격」으로 하였다.
[샤르피 충격 시험/인성]
또한, 시험재의 판 두께 방향 중앙부로부터, 노치를 가공한 2mm V 노치 풀사이즈 샤르비 충격 시험편을 3개 채취하고, 샤르피 충격 시험에 제공하였다. 샤르피 충격 시험은, JIS Z2242: 2005에 준거하여 행하였다. 시험은, 20℃에서 실시하고, 3개의 시험편의 흡수 에너지의 평균값이 27J 이상으로 되는 것을 「합격」으로 하고, 그 중에서 3개의 시험편의 흡수 에너지의 개별 값이 모두 27J 이상으로 되는 것을 「합격/우」, 그 이외를 「합격/가」로 하고, 한편, 3개의 시험편의 흡수 에너지의 평균값이 27J를 하회하는 것을 「불합격」으로 하였다.
[크리프 파단 시험]
또한, 인장 시험 및 샤르피 충격 시험에 합격한 시험재로부터, 환봉 크리프 시험편을 채취하고, 크리프 파단 시험을 행하였다. 그리고, 장시간 사용 시에 있어서의 평가로서, 모재의 목표 파단 시간이, 1000시간으로 되는 650℃×157MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행하였다. 크리프 파단 시험은, JIS Z2271: 2010에 준거하여 행하였다. 그리고, 파단 시간이 목표 파단 시간을 초과하는 것을 「합격」으로 하고, 그것을 하회하는 것을 「불합격」으로 하였다.
[표 3]
표 3으로부터, 본 개시에서 규정하는 조건을 만족시키는 강은 안정되고 우수한 인장 강도와 높은 인성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 장시간 사용 시에 있어서의 높은 크리프 강도도 구비하는 것을 알 수 있었다.
이에 비해, 대표 부호 A8, B8, F1 및 H1은, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이 식 (1)에 규정된 범위를 하회한, 즉, 탄화물의 석출량이 충분하지 않고, 목표로 하는 인장 강도와 인성을 만족시키지 않았다.
대표 부호 A11, B11, G1 및 I1은, 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이 식 (1)에 규정된 범위를 초과한, 즉, 탄화물이 과잉으로 또한 조대하게 석출하고, 목표로 하는 인장 강도와 인성을 만족시키지 않았다.
<실시예 2>
표 4-1 예비표 4-2에 나타내는 화학 조성을 갖는 J 내지 O의 소재를 실험실에서 용해하여 주입한 잉곳에 대하여 열간 단조 및 열간 압연을 이 순으로 행하고, 두께 15mm로 성형하였다. 이 소재로부터, 길이 150mm, 폭 150mm의 판재를 가공하였다. 표 4-1 및 표 4-2에 있어서 「비 Ta/Nb」를 제외하는 각 성분의 단위는 질량％이고, 잔부는 Fe 및 불순물이다.
[표 4-1]
[표 4-2]
이 판재에, 1150℃에서 0.5시간 가열하고, 냉각하는 노멀라이징, 780℃에서 1시간 가열하고, 냉각하는 템퍼링의 열처리를 행하여 시험재로 하였다.
[전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양의 측정]
[인장 시험/인장 강도]
[샤르피 충격 시험/인성]
얻어진 시험재에 대하여 상기한 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양의 측정, 인장 시험 및 샤르피 충격 시험을 행하였다.
[크리프 파단 시험]
또한, 인장 시험 및 샤르피 충격 시험에 합격한 시험재로부터, 환봉 크리프 시험편을 채취하고, 크리프 파단 시험을 행하였다. 그리고, 사용 초기의 고온 강도의 평가로서, 모재의 목표 파단 시간이, 각각 50시간이 되는 650℃×206MPa의 조건에서, 또한, 장시간 사용 시에 있어서의 평가로서, 모재의 목표 파단 시간이, 1000시간으로 되는 650℃×157MPa의 조건에서, 각각 각 3개씩, 크리프 파단 시험을 행하였다. 또한, 크리프 파단 시험은, JIS Z2271: 2010에 준거하여 행하였다.
그리고, 파단 시간이 3개 모두 목표 파단 시간을 초과하는 것을 「합격(우)」로 하고, 3개 중 2개가 목표 파단 시간을 초과하고, 나머지의 1개는 목표 파단 시간을 하회하지만, 그 파단 시간이 목표 파단 시간의 90％ 이상으로 되는 것을 「합격(가)」, 그 이외를 「불합격」으로 하였다.
[표 5]
[표 6]
표 5 및 표 6으로부터, 강 J 내지 O는 본 발명에서 규정하는 조건을 만족시키기 때문에, 안정적으로 우수한 인장 강도와 높은 인성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 또한, Ta와 Nb가 소정의 범위를 만족시키는 경우, 사용 초기 및 장시간 사용 시에 있어서의 높은 크리프 강도가 안정되게 얻어지기 쉬운 것을 알 수 있었다.
이렇게 본 개시의 요건을 만족시키는 경우만, 안정적으로 우수한 인장 강도와 인성을 가짐과 함께, 장시간 사용 시에 있어서의 높은 크리프 강도도 함께 구비하는 페라이트계 내열강이 얻어지는 것을 알 수 있었다.
본 개시에 의하면, W 및 B를 다량으로 함유하고, 안정적으로 우수한 인장 강도와 인성을 갖는 페라이트계 내열강을 제공하는 것이 가능하게 된다.
2019년 4월 11일에 출원된 일본 특허 출원 2019-075661 그리고 2019년 3월 19일에 출원된 일본 특허 출원 2019-051751 및 일본 특허 출원 2019-051752의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허 출원 및 기술 규격이 구체적이고 또한 개별적으로 기재된 경우와 동일 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 포함된다.

Claims (3)

  1. 질량％로
    C: 0.06％ 내지 0.11％,
    Si: 0.15％ 내지 0.35％,
    Mn: 0.35％ 내지 0.65％,
    P: 0.020％ 이하,
    S: 0.0030％ 이하,
    Ni: 0.005％ 내지 0.250％,
    Cu: 0.005％ 내지 0.250％,
    Co: 2.7％ 내지 3.3％,
    Cr: 8.3％ 내지 9.7％,
    W: 2.5％ 내지 3.5％,
    V: 0.15％ 내지 0.25％,
    Nb: 0.030％ 내지 0.080％,
    Ta: 0.002％ 내지 0.040％,
    Nd: 0.010％ 내지 0.060％,
    B: 0.006％ 내지 0.016％,
    N: 0.005％ 내지 0.015％,
    Al: 0.020％ 이하, 및
    O: 0.020％ 이하를
    포함하고,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    질량％로 상기 Ta 및 상기 Nb의 합계 함유량이 0.040％ 내지 0.110％이고,
    상기 Ta의 함유량과 상기 Nb의 함유량의 비 Ta/Nb가 0.10 내지 0.70이고,
    또한 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양이 하기 (1) 식을 만족시키는 페라이트계 내열강.
    -10×[％B]+0.26≤[％W]ER≤10×[％B]+0.54 (1) 식
    (1) 식에 있어서, [％W]ER은 전해 추출 잔사로서 분석되는 W의 양(질량％)을 나타내고, [％B]는 상기 페라이트계 내열강 중의 B의 함유량(질량％)을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Fe의 일부 대신에, 질량％로, 하기 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 페라이트계 내열강.
    군 Mo: 0.50％ 이하
    Ti: 0.20％ 이하
    Ca: 0.015％ 이하
    Mg: 0.015％ 이하
    Sn: 0.005％ 이하
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실온에서의 JIS Z2241: 2011에 규정되는 인장 강도가 620MPa 이상, 또한 20℃에서의 JIS Z2242: 2005에 규정되는 풀사이즈 샤르피 흡수 에너지가 27J 이상인 페라이트계 내열강.
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