JPH0371504B2

JPH0371504B2 -

Info

Publication number: JPH0371504B2
Application number: JP60004612A
Authority: JP
Inventors: Atsuro Iseda; Kunihiko Yoshikawa; Hiroshi Teranishi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-01-14
Filing date: 1985-01-14
Publication date: 1991-11-13
Also published as: JPS61163243A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、靭性を改善した高クロム耐熱鋼、特
に高温での長時間使用後にあつてもすぐれた靭性
を示す高クロム耐熱鋼に関する。（従来の技術）従来より、ボイラの過熱器、再熱器あるいは化
学工業や原子力工業用の熱交換器には高クロム耐
熱鋼が使用されている。高クロム耐熱鋼で問題となつているのは、高温
長時間使用後の靭性の低下である。これまで高温クリープ強度を高めるために多量
のMoを添加した高クロム鋼を開発してきた（特
開昭55−110758号、特公昭59−14097号、特開昭
59−140352号）。また従来より、低クロム鋼では焼戻し脆化対策
としてSi量を低減することが有効であるとする報
告があり、一方、高クロム鋼の場合も低Si化によ
り靭性を改善できることがわかつたが、低Si化に
よりむしろ耐水蒸気酸化特性と高温強度を損なう
ことが問題であつた。つまり、必ずしもSi量を下
げるだけでは実用鋼として使用できない。（発明が解決しようとする問題点）しかし、本発明者らが得た新たな知見として、
多量のMo添加鋼は、高温長時間使用中にMoを
含む金属間化合物が析出し、著しく靭性劣化する
ことが判明した。また、Si低下による効果といわ
れているものも、耐熱鋼として高温で使用するに
あたつては、耐水蒸気酸化特性および高温強度が
損なわれるのであつて、かかる特性を確保するに
ある程度のSi量は存在しなければならないことを
知つた。かくして本発明の目的は、高温下での長時間の
使用後にもすぐれた靭性を示す高クロム耐熱鋼を
提供することである。本発明の別の目的は、Moを過度に加えること
もなく、Siを不必要に低くすることもなく、それ
による従来の諸欠点の解消を図つた高クロム耐熱
鋼を提供することである。（問題点を解決するための手段）本発明者らは、靭性を改良るためには、Mo量
をSi、Ｃとの関係により制限することが必要であ
ることを知り、その後一連の実験を通じて、高温
長時間使用しても靭性低下をおこさない鋼組成を
見い出して本発明を完成した。ここに、本発明の要旨とするところは、重量％で、Ｃ：0.03〜0.15％、Si：0.6％以下、 Mn：0.1〜1.0％、Cr：７〜13％ Mo：1.0％以下、Ｖ：0.1〜0.4％、 Nb：0.02〜0.10％、Al：0.02％以下、Ｎ：0.010％〜0.060％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.01％以下、残部は鉄および不可避不純物から成り、かつ上
記成分範囲のＣ、Si、Moが Mo−1.4C＋0.7Si≦0.8 の関係を満足することを特徴とする靭性に優れた
高クロム耐熱鋼である。このように、本発明の特徴とするのは、高温、
長時間使用後の靭性を改良するために、Mo、Si、
Ｃ量の各量をバランスさせ一定の関係式により制
限したことであり、これにより高温クリープ強度
のみならず耐水蒸気酸化特性をも損なうことのな
い高クロム耐熱鋼が得られる。（作用）以下、本発明にあつて成分元素の組成範囲を上
述の如く限定した。その添加量限定理由を述べ
る。Ｃ：高温強度を付与するためにはＣは0.03％以上
の添加が必要である。しかし、0.15％を超える
過剰添加は材料の溶接性と加工性を損なう。し
たがつて、Ｃ量は0.03％〜0.15％、好ましくは
0.07〜0.15％の範囲とした。 Si：Siは脱酸剤として添加されるが、過剰量存在
すると加熱中の脆化を促進するため、靭性改善
の点からできるだけ低くすることが望ましい。
したがつて、Si量はその上限を0.6％とした。
しかし、Siは耐水蒸気酸化特性改善には不可欠
であり、高温強度確保にも寄与する元素であ
る。そのため適正Si量は後述する関係式により
設定する。耐水蒸気酸化特性および高温強度改
善からは0.2％超だけ含有させるのが好ましい。 Mn：Mnは強度、靭性の改善に必要な元素で、
0.1％以上の添加が必要である。しかし、過剰
添加によりかえつて靭性を下げるため、本発明
ではMn量は1.0％以下とした。 Cr：高温中の耐酸化性を高める重要元素であり、
Cr7％以上の添加により効果を発揮するが、13
％を超える添加はδ−フエライトを生じやすく
靭性と強度低下がおこる。したがつて、本発明
にあつてCr量は７〜13％とした。 Mo：Moは高温材料に固溶強化元素として添加
されるが、多量添加によつて加熱中に析出物を
つくり、脆化の原因となる。したがつて、1.0
％以下とした。好ましくはその上限は固溶限以
下とする。一方、その下限としては好ましくは
クリープ強度の観点から0.1％以上添加すべき
である。より好ましくは0.5％以上、0.8％未満
である。なお、適正Mon量は後述の関係式に
より設定する。Ｖ：析出強化元素としてＶは0.1％以上の添加が
必要であるが、0.4％超の過剰添加は固溶Ｖを
増やし強度を損なう。したがつて、本発明にあ
つては0.1〜0.4％の範囲とした。 Nb：Nbは析出強化とともに組織微細化作用によ
り靭性を改善するため、本発明にあつてもNb
は0.02％以上添加する必要がある。しかし、
0.10％を超える過剰添加は、かえつて強度低下
を招く。したがつて、適正範囲として0.02〜
0.10％とした。 Al：Alは脱酸剤として添加されるが、過剰に存
在するとクリープ強度が低下する。したがつ
て、本発明にあつては、Al量は0.02％以下とし
た。Ｎ：Ｎは高温クリープ強度を改善する重要元素で
あつて、主にＶ、Nbと炭窒化物をつくり強度
を改善する。0.01％以上の添加によりその効果
を発揮するが、多量に添加した場合は、凝固中
にブローホールを形成して材料欠陥の原因とな
る。したがつて、添加量を0.01〜0.06％とし
た。望ましくは0.045〜0.055％の量だけ添加す
る。Ｐ、Ｓ：これらはともに靭性に著しく悪影響を与
える元素で、できる限り低くする方がよい。し
たがつて、それぞれ上限を定めＰ≦0.03％、Ｓ
≦0.01％とした。さらに、本発明によれば、長時間加熱後の靭性
を改善するために、Ｃ、Si、Mo量の適正バラン
スが規定される。すでに述べたように、本発明者らが検討した結
果、高クロム耐熱鋼の長時間過熱後の靭性低下
は、主に加熱中に析出量の増加するMo、Siを含
む金属間化合物が原因であること知見した。した
がつて、Mo、Si量の制限により脆化抑制できる
ことがわかつた。しかるに、強度の点からは、で
きるだけMoを高くする必要があり、またSiも適
正量は確保することが必要である。一方、Ｃは炭
化物を形成し、一部Moを固定して脆化原因であ
る析出物の増加を抑制できることが明らかになつ
た。そこで本発明者らは、以上の知見を数式化
し、上記成分範囲内のＣ、Si、Moが Mo−1.4C＋0.7Si≦0.8 の関係を満足すれば、加熱中の脆化を抑制して靭
性改善できることを見い出した。Mo含有量を低
下させたことによる強度低下は比較的多量のＮを
存在させるとともにＶなどの窒化物形成元素を添
加して析出強化を図ることにより、むしろ相乗的
に効果的に改善される。かくして、本発明によれば、高温長時間加熱に
伴う靭性低下が抑制可能であるとともに、従来鋼
とは異なり、耐水蒸気酸化特性、高温クリープ強
度を損なうことはない。そのため、本発明に係る
高クロム耐熱鋼は、ボイラ用鋼管、原子力用材
料、核融合炉第一炉壁材料等への利用が期待でき
る。次に実施例によつて本発明をさらに説明する。実施例第１表に本例で使用する本発明鋼と比較鋼の化
学成分をまとめて示す。供試鋼No.１〜No.３は950
℃で焼ならし後、750℃で焼戻し処理した
STBA26鋼である。同No.４は、強度改善のため
にさらにＶ、Nbを添加したASTM A213−T91
鋼であつて、これは1050℃焼ならし後、780℃で
焼戻し処理した。本発明鋼である供試鋼No.５〜No.８、No.11は、
950℃で焼ならし、さらに750℃で焼戻し処理し
た。また、同No.９、No.10は、12Cr鋼に本発明を
適用したもので、1050℃で焼ならし、780℃で焼
戻し処理した材料である。これらの材料からJIS ４号シヤルピー衝撃試験
片を採取し、０℃の衝撃値を求めた。さらに長時
間加熱試験として脆化の最も顕著な550℃×
3000h時効を行つてから同様の試験に供した。これらの結果を第２表にまとめて示す。第２表に示す結果からも明らかなように、本発
明鋼である供試鋼No.５〜No.８、No.11は加熱試験後
の靭性が高く、10Kgｆ−ｍ／cm²以上である。比較
鋼に比べ靭性低下が著しく低減される。同じく本発明鋼である供試鋼No.９、No.10は
12Cr鋼を高温焼ならし処理した場合で、熱処理
後の靭性は若干低いが加熱処理による靭性低下が
小さいのが特徴である。以上の結果からも、本発明の主眼とするＣ、
Si、Moの適正化により、長時間加熱後の靭性改
善効果が実証できた。さらに強度特性を把握する目的で比較鋼である
供試鋼No.１、No.４と本発明鋼である供試鋼No.７の
600℃クリープ破断試験を行つた。結果を添付図
面にグラフにまとめて示す。同図に示すようにベ
ースのSTBA26鋼（比較鋼の供試鋼No.１）に比
べて、高い硬度を有し、改良型の9Cr−1Mo鋼
（比較鋼の供試鋼No.４）と比較しても、強度低下
はほとんどない。（効果）以上、本発明により、高温長時間加熱後の靭性
を改善し、かつ強度に優れた高クロム耐熱鋼が得
られ、開発できたのであり、本発明の斯界に寄与
するところ大なることが分かる。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明の実施例の応力−クリープ
破断時間曲線を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で、Ｃ：0.03〜0.15％、Si：0.6％以下、 Mn：0.1〜1.0％、Cr：７〜13％、 Mo：1.0％以下、Ｖ：0.1〜0.4％、 Nb：0.02〜0.10％、Al：0.02％以下、Ｎ：0.010％〜0.060％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.01％以下、残部は鉄および不可避不純物から成り、かつ上
記成分範囲のＣ、Si、Moが Mo−1.4C＋0.7Si≦0.8 の関係を満足することを特徴とする靭性に優れた
高クロム耐熱鋼。