JP4900639B2 - 焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼とその製造方法 - Google Patents

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この出願の発明はボイラー、火力発電装置、原子力発電装置、化学工業装置等の高温構造部材として好適な焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼に関するものであり、特に従来のフェライト系耐熱鋼と比較して高温環境下で長時間使用してもクリープ強度の低下が少ないフェライト系耐熱鋼とその製造方法に関するものである。
最新の高効率火力発電プラントの1ユニットが一日に消費する石炭などの燃料費は20〜30年前に建設された効率の低い発電プラントに比べると一億円程度少ないと言われている。このように、燃料消費量が少ないということはそれに対応して二酸化炭素排出量をも低減されていることになる。
温暖化ガスである二酸化炭素の排出量削減が緊急の課題であり二酸化炭素の主要排出源である火力発電プラントのエネルギー効率向上が求められているが、その実現の鍵を握るのが高強度フェライト耐熱鋼の開発であるとも言われており、世界中で高Crフェライト耐熱鋼を改良するための研究開発が活発に行われている(特許文献1〜4)。高強度フェライト耐熱鋼のクリープ強度を向上させる方法として、鋼材中に炭化物などの第二相を析出分散させることの効果が大きいことはよく知られており、鋼材中に第二相を生成させる鋼材の強化方法は析出強化方法として実用耐熱鋼に数多く利用されている。たとえば、NbやVのMX炭窒化物は微細に析出して粗大化速度も小さいため高強度フェライト耐熱鋼の多くがNbやVのMX炭窒化物により析出強化する方法が開発されている。
特開平10−259452号公報 特開2003−253402号公報 特開平 9−291308号公報 特開平 8−337813号公報
従来のフェライト耐熱鋼の製造方法は、焼ならし熱処理後の焼戻し熱処理中にマルテンサイト組織の中にMX炭窒化物を析出させているためにマルテンサイト組織を構成するラスやブロックなどの境界上にMX炭窒化物が優先的に析出されていた。しかしながら析出強化の効果を高めるためには多量の微細な粒子を均一に分散させて粒子間隔を狭くすることが重要であるが、従来の方法では焼戻し熱処理中に析出するMX炭窒化物はラスやブロック境界上に優先して析出するためラス内部にMX炭窒化物を多く析出させることは困難であった。
そこで、この出願発明ではラスやブロック境界ではなくラス内部にMX炭窒化物を均一に析出させてMX炭窒化物による析出強化の効果を最適化させることにより、クリープ強度を向上させるとともにラスやブロック境界近傍で優先的に生じるZ相の析出および成長に起因した材質劣化を抑制して長時間クリープ強度特性に優れたフェライト耐熱鋼を提供することを課題としている。
この出願の発明は上記の課題を解決するものとして、第1には、鋼材の組成範囲がC:0.04〜0.2質量%、Cr:8.0〜13.5質量%、Mo:0〜2.0質量%、W:0〜4.0質量%、V:0.02〜0.35質量%、Nb:0.01〜0.2質量%、Co:0〜4.0質量%、Ni:0〜3.0質量%、N:0.002〜0.15質量%、B:0〜0.02質量%、Si:0〜0.5質量%、Mn:0〜1.0質量%、Al:0〜0.05質量%と不可避的不純物およびFeであるフェライト耐熱鋼を1000℃以上に保持した後、10時間以内に700℃未満の温度に冷却するとともに、その後400℃以上650℃未満の温度範囲の一定温度において少くとも10分以上保持した後で自然放冷し、次いで730℃以上で焼戻しすることを特徴とする焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼の製造方法を提供する。
第2には、650℃未満の温度から400℃までの冷却にかかる時間を1時間以上として、上記の焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼を製造する。
第3には、上記製造方法フェライト耐熱鋼を提供する。

上記第1の発明によれば、焼入れ又は焼ならし後の冷却条件を特定することにより、クリープ強度を向上するとともにラスやブロック境界近傍で優先的に生じるZ相の析出および成長に起因した材質劣化を抑制して長時間クリープ強度特性に優れたフェライト耐熱鋼を製造することができる。
上記第2の発明によれば、特定の組成範囲の鋼材を用いることにより長時間クリープ強度特性に優れたフェライト耐熱鋼をより実際的に効率的に製造することができる。
上記第3の発明によれば、さらに長時間クリープ強度特性に優れたフェライト耐熱鋼を効率的に製造することができる。
上記第4の発明によれば、上記製造方法により高温下で長時間使用してもクリープ強度の低下が少ないフェライト系耐熱鋼を得ることができる。
MX炭窒化物による析出強化の効果を利用する従来のフェライト耐熱鋼は焼ならし熱処理後の焼戻し熱処理中にマルテンサイト組織の中にMX炭窒化物を析出させているためMX炭窒化物はラスやブロックなどの境界上において優先的に析出されていた。そこで、マルテンサイトに変態する前にMX炭窒化物を析出させることができればMX炭窒化物はより微細にしかも均一に分散析出することができる。この出願の発明は焼ならし熱処理温度からの冷却の途中で、マルテンサイトに変態する温度よりも高い温度領域で一定時間保持することにより微細に、かつ均一に分散析出したMX炭窒化物の量を増大させクリープ強度を向上するものである。すなわち、この出願の発明による高強度フェライト耐熱鋼では、鋼材を1000℃以上の温度に保持した後、10時間以内に700℃未満の温度に冷却するとともに、その後400℃以上650℃未満の温度範囲の一定温度において、少なくとも10分以上保持した後で自然放冷することにより主要な強化因子であるMX炭窒化物の析出挙動を制御してMX炭窒化物による析出強化の効果を発現させるとともに高温での長時間使用に伴う材質劣化が抑制されたフェライト鋼としている。
従来に比べて、クリープ速度は1/2以下に、クリープ破断時間は2倍以上になることも可能とされる。
そして、この出願の発明においては、650℃未満の温度から400℃までの冷却に掛かる時間を1時間以上とすることが好適に考慮される。これにより従来に比べて、析出物の量は1.5倍以上に増加し、クリープ速度は1/2以下に減少することになる。
この出願の発明は、材料開発という実用面だけでなく、第二相の析出挙動や強化機構に関する基礎学問の領域においても重要な新知見を提供するものでありその技術的効果は多大である。なお、この出願の発明の効果は鋼材の組成範囲が厳密に限定されるものではないが、特定の組成範囲とすることにより、高温下での長時間使用に伴う材質劣化がさらに抑制されたフェライト耐熱鋼を製造することが可能となる。たとえば、組成範囲を特定の範囲にするに際しては、下記のようなことが考慮される。
C:炭化物あるいは炭窒化物を形成し、強度向上のために0.04質量%以上の添加が有効であるが、0.2質量%を超えての添加は、長時間域での強度を低下させる。
Cr:耐酸化性の確保のため、8.0質量%以上の添加が必要であるが、13.5質量%を超えての添加は、デルタフェライト相を生成させ、強度を低下させる。
Mo:固溶強化のために添加が考慮されるが、2.0質量%を超えての添加は脆化を促進する。
W:固溶強化のために添加が考慮されるが、4.0質量%を超えての添加は脆化を促進する。
V:炭窒化物を形成し、強度向上のために0.02質量%以上の添加が有効であるが、未固溶析出物が増加するため、0.35質量%を超えての添加は、強度向上に有効ではない。
Nb:炭窒化物を形成し、強度向上のために0.01質量%以上の添加が有効であるが、未固溶析出物が増加するため、0.2重量%を超えての添加は、強度向上に有効ではない。
Co:デルタフェライト相の生成を抑制して、高強度確保のために添加が考慮されるが、長時間強度を低下させるため、4.0質量%を超えての添加は有効ではない。
Ni:デルタフェライト相の生成を抑制して、高強度確保のために添加が考慮されるが、フェライトとオーステナイトの変態温度を下げるため、3.0質量%を超えての添加は有効ではない。
N:窒化物あるいは炭窒化物を形成し、強度向上のために0.002質量%以上の添加が有効であるが、0.15質量%を超えての添加は製造上困難である。
B:析出物を微細化させ、高温での安定性を向上させるため、0.02質量%程度までの
添加が強度向上のために考慮される。
Si:脱酸素成分等として考慮されるが、0.5質量%を超える場合には析出物の粗大化が進むことになる。
Mn:Siと同様に考慮されるが、1質量%を超える場合には析出物の粗大化が進み、延性が低下することになる。
Al:0.05質量%以下の添加が考慮される。
そこで、以下にこの出願の発明を実施例を用いてさらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
表1の組成を有する供試材について、表2に示す条件で熱処理を行った。
なお、いずれの場合も焼戻しは、765℃で30分間行い、その後自然空冷させた。

標準(No.1)は通常の焼ならし熱処理で行なわれている焼ならし温度の1050℃から空気中の自然放冷により室温まで冷却させたものである。この場合には、700℃以下になるまでの時間は15分以内である。また、比較例(No2)は焼ならし温度からの冷却の途中の765℃で24hr保持した後、空気中の自然放冷により室温まで冷却させたものである。一方、本願発明(No4〜No5)は、焼ならし温度からの冷却の途中、600℃および500℃の各温度でそれぞれ30分間保持した後、空気中の自然放冷により室温まで冷却させたものである。
焼ならし熱処理後、室温まで冷却した供試材から電解抽出残渣を採取して析出相の化学成分を分析した。図1は各供試材の析出相に含まれているVとNbの質量%を示したものである。焼ならし温度から直接室温まで冷却させた標準(No1)に比べて、冷却途中で特定の温度で保持した試料では、析出相に含まれるVとNbの量が増加している。焼ならし温度からの冷却途中で保持することにより、MX炭窒化物の析出が生じていることが分かる。
なお、供試材のマルテンサイト変態温度は約380℃であった。したがって、焼ならし温度からの冷却途中で保持した、500〜765℃の温度域ではオーステナイト相である。以上のことから、焼きならし温度からの冷却の途中で所定温度で保持した供試材では保持温度において、オーステナイト相中にMX炭窒化物が析出していることがわかる。
図2はそれぞれについて焼戻し熱処理を行なった後、試験温度600℃、応力120MPaでクリープ試験を実施して求めたクリープ速度と時間との関係を示したものである。
比較例(No.2)におけるクリープ速度の急激な変化は、765℃で24hの保持中にオーステナイト相が強度の低いフェライト相に変態してしまったためであると考えられる。このため、オーステナイト相のフェライト相への変態を避けるため焼ならし温度から700℃以下までの冷却に要する時間は10時間以下に制限する必要がある。一方、600℃および500℃の各温度で30分保持した本願発明(No4〜No5)では、標準熱処理の場合に比べて小さなクリープ速度であることが示されている。クリープ速度が1/2以下、クリープ破断時間が2倍以上となる。
この結果から、焼ならし温度からの冷却の途中で本発明の熱処理条件を適用することによりクリープ強度が向上することがわかる。
各供試材の焼ならし熱処理後の析出相に含まれるV、Nbの質量%を示した図である。 供試材の600℃での応力120MPaにおけるクリープ速度‐時間曲線を示した図である。

Claims (3)

  1. 鋼材の組成範囲がC:0.04〜0.2質量%、Cr:8.0〜13.5質量%、Mo:0〜2.0質量%、W:0〜4.0質量%、V:0.02〜0.35質量%、Nb:0.01〜0.2質量%、Co:0〜4.0質量%、Ni:0〜3.0質量%、N:0.002〜0.15質量%、B:0〜0.02質量%、Si:0〜0.5質量%、Mn:0〜1.0質量%、Al:0〜0.05質量%と不可避的不純物およびFeであるフェライト耐熱鋼を1000℃以上に保持した後、10時間以内に700℃未満の温度に冷却するとともに、その後400℃以上650℃未満の温度範囲の一定温度において少なくとも10分以上保持した後に自然放冷し、次いで730℃ 以上で焼戻しすることを特徴とする焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼の製造方法。
  2. 650℃未満の温度から400℃までの冷却にかかる時間を1時間以上とすることを特徴とする請求項1に記載された焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼の製造方法。
  3. 請求項1または2の方法で製造されたものであることを特徴とする焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼。
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