JPH1036944A - マルテンサイト系耐熱鋼 - Google Patents

マルテンサイト系耐熱鋼

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JPH1036944A
JPH1036944A JP19124396A JP19124396A JPH1036944A JP H1036944 A JPH1036944 A JP H1036944A JP 19124396 A JP19124396 A JP 19124396A JP 19124396 A JP19124396 A JP 19124396A JP H1036944 A JPH1036944 A JP H1036944A
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JP
Japan
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temperature
creep rupture
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resistant steel
steel
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Withdrawn
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JP19124396A
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English (en)
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Ryutaro Umagoe
龍太郎 馬越
Hisataka Kawai
久孝 河合
Toshio Sakon
淑郎 佐近
Yoshikuni Kadoya
好邦 角屋
Yasuhiko Yasumoto
康彦 保元
Tomohiro Tsuchiyama
友博 土山
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Kobe Steel Ltd
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 600℃を越える高温下で優れた破断強度を有
すると共に、その高温強度を長時間維持し得るマルテン
サイト系耐熱鋼を提供する。 【解決手段】 化学組成が重量％で、Ｃ：0.05〜0.15
％、Si：0.01〜0.10％、Mn：0.50％以下、Ni：0.01〜0.
80％、Cr： 9.0〜11.0％、Mo：0.50〜1.50％、Ｗ：0.50
〜2.00％、Ｖ：0.10〜0.30％、Nb：0.01〜0.10％、Ｎ：
0.01〜0.05％、Co：2.00〜5.00％、Ｂ： 0.001〜0.01％
および残部がFeと不可避的不純物とからなり、かつ、
1.5％≦Mo％＋Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満たしてい
る。これにより、デルタフェライトの生成が抑制され、
優れたクリープ破断特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば発電プラン
トの高温高圧部材などに利用可能なマルテンサイト系耐
熱鋼に関するものであり、さらに詳しくは、蒸気タービ
ンロータ，ガスタービンディスク等に使用される高温ク
リープ特性の優れたマルテンサイト系耐熱鋼に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、蒸気タービンやガスタービンな
どの発電プラントに使用される高温高圧材は、種々の腐
食環境下に 500℃程度の高温で長時間曝されると共に、
高圧下で遠心力などの大きな負荷が加わる。このため、
高温高圧材としては、高温下で長時間にわたりその材質
の劣化が少なく、また、高負荷に耐え得る高温強度を備
えることが要求されている。
【０００３】従来、上記高温高圧材としては、８〜12重
量％（以下、単に％と記述する）のCrおよびMo，Ｖ，Nb
などの添加元素を含有する高Cr鋼に、焼入焼戻しを施し
た高Crマルテンサイト系耐熱鋼が知られている。この種
の耐熱鋼としては、例えば、12Cr−Mo−Ｖ−Nb−Ｎ−0.
15Ｃの化学組成を有するJIS SUH 600 が挙げられる。こ
の耐熱鋼では、基地組織の固溶強化および各元素の炭化
物による分散強化を図ることによって、高温強度や高温
クリープ特性を向上させ、上記のような高温高圧設備の
構成部材として使用されている。
【０００４】ところで、近年、発電プラントにおいて
は、熱効率向上の観点から蒸気温度の高温化および蒸気
圧力の高圧化が行われ、現在の蒸気タービンロータの最
高使用温度は 600℃に達している。このため、 600℃を
越える高温でも優れたクリープ特性を有する高温高圧材
へのニーズが新たに生じている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の高Crマルテンサイト系耐熱鋼の化学組成では、
組織中にデルタフェライトが析出し易く、このため、前
記耐熱鋼が 600℃程度の高温で長時間のクリープを受け
ると、金属組織の変化により、デルタフェライトに起因
する耐衝撃性や高温クリープ特性の劣化が生じる。
【０００６】したがって、このような従来の高Crマルテ
ンサイト系耐熱鋼を用いて例えば蒸気タービンロータを
形成し 600℃を越える蒸気環境下で運転した場合、発電
プラントの信頼性が損なわれるという問題を生じる。本
発明は、上記のような問題点に鑑みなされたもので、 6
00℃を越える高温においても優れた破断強度を有すると
共に、その高温強度を長時間維持し得るマルテンサイト
系耐熱鋼を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明者らは、マルテンサイト系耐熱鋼の高温クリープ
特性に及ぼす要因を鋭意研究した結果、特定の組成を有
する耐熱鋼中に含有されるMo量とＷ量との関係が高温ク
リープ破断特性に大きく影響していることを新たに知見
し、本発明をなすに至った。
【０００８】すなわち、本発明の請求項１に記載したマ
ルテンサイト系耐熱鋼は、化学組成が重量％で、 Ｃ： 0.05〜0.15％、 Si： 0.01〜0.10％、 Mn： 0.50％以下、 Ni： 0.01〜0.80％、 Cr： 9.0〜11.0％、 Mo： 0.50〜1.50％、 Ｗ： 0.50〜2.00％、 Ｖ： 0.10〜0.30％、 Nb： 0.01〜0.10％、 Ｎ： 0.01〜0.05％、 Co： 2.00〜5.00％、 Ｂ： 0.001〜0.01％、 残部：Feおよび不可避的不純物、 からなり、かつ、MoおよびＷの含有量が 1.5％≦Mo％＋
Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満たすことを特徴とするもの
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】以上のような本発明のマルテンサ
イト系耐熱鋼は、例えば次に示す方法により製造するこ
とが可能である。始めに、真空カーボン脱酸法などの脱
酸法を利用し、前記した組成に調整して鋼を溶解する。
そして、脱酸された溶鋼から適宜の鋳造法により鋼塊を
作製する。その後、この鋼塊が所定の形状になるよう熱
間鍛造を行う。さらに、この鍛造材をオーステナイト化
温度まで加熱した後に油冷するなどの条件で焼入れを行
い、ほぼ均一なマルテンサイト組織にする。これに続い
て、ダブルテンパー処理など焼戻しを行う。
【００１０】ところで、従来のマルテンサイト系耐熱鋼
では、その化学組成に起因してデルタフェライトが生成
され易く、鋼を鍛造するときに、熱間加工性を著しく低
下させるデルタフェライトが生成される。このデルタフ
ェライトを抑制するために、上記のように化学組成を設
定し、さらにMo量とＷ量との関係を特定することによ
り、高温下におけるクリープ破断強度やクリープ破断時
間などの高温クリープ破断特性が向上する。
【００１１】次に上記のように化学組成を設定した理由
について説明する。 Ｃ：0.05〜0.15％ Ｃは、Cr，Nb，Ｖ等と結合して高硬度な炭化物を形成す
ると共に、高温強度に大きな影響を与える元素である。
しかし、Ｃ含有量が0.05％未満では、充分な炭化物およ
び均一なマルテンサイト組織を得ることが困難である。
すなわち、組織にはマルテンサイトやデルタフェライト
などが混在して、高温強度や高温疲労強度が著しく低下
する。一方、0.15％を越える含有量では、 550〜630 ℃
付近において長時間使用すると炭化物の凝集粗大化が著
しくなり、長時間クリープ破断強度が著しく低下する。 Si：0.01〜0.10％ Siは、脱酸剤として使用すると共に、大型鋳塊でも偏析
を少なくし、かつ、長時間使用後における靱性を確保す
るものである。しかし、現在の製鋼法では、Si含有量を
0.01％未満に抑えることは困難であるため、含有量の下
限は0.01％とする。一方、0.10％を越える含有量では、
偏析が激しくなり、更に長時間使用後の靱性が低下す
る。 Mn：0.50％以下 Mnは、Siと同様に脱酸剤として使用し、溶解時の脱酸作
用を有する元素であり、0.50％以下においては、これら
の効果を充分に達成する。一方、Mnは脆化感受性を高め
る元素であるため、0.50％を越える含有量では、長時間
使用中に脆化し易くなる。 Ni：0.01〜0.80％ Niは、焼入性および常温における靱性を向上し得る元素
である。しかし、Ni含有量が0.01％未満では、このよう
な効果が少ない。一方、0.80％を越える含有量では、ク
リープ破断強度が著しく低下する。 Cr： 9.0〜11.0％ Crは、耐酸化性および耐食性を向上させる元素である。
しかし、Cr含有量が 9.0％未満では、充分な耐酸化性お
よび長時間クリープ破断強度が得られない。一方、11.0
％を越える含有量では、デルタフェライトが析出し、常
温靱性や高温疲労特性が低下する。 Mo：0.50〜1.50％ Moは、固溶体強化および析出強化の両作用によりクリー
プ破断強度を著しく向上させる元素である。しかし、Mo
含有量が0.50％未満では、これらの効果が小さくなる。
一方、含有量が1.50％を越えると、デルタフェライトを
生成して、クリープ破断強度を劣化させる恐れがある。 Ｗ：0.50〜2.00％ Ｗは、高温特性を著しく向上させる元素である。しか
し、Ｗ含有量が0.50％未満では、クリープ破断強度を向
上させる効果があまり大きくない。一方、含有量が2.00
％を越えると、高温特性に害を及ぼすデルタフェライト
が析出する恐れがある。 Ｖ：0.10〜0.30％ Ｖは、V4C3として炭化物を形成しマトリクスを強化する
と共に、焼戻し処理の際に析出する M23C6系炭化物（Ｍ
としては、例えばFe，Cr，Moが挙げられる）を微細に
し、長時間クリープ破断強度を著しく高める元素であ
る。しかし、Ｖ含有量が0.10％未満では、形成される炭
化物（V4C3）の効果が充分ではなく、クリープ破断強度
が低くなる。一方、0.30％を越える含有量では、長時間
使用中に炭化物が凝集粗大化してクリープ破断強度が低
下する。 Nb：0.01〜0.10％ Nbは、Ｖと同様に炭化物（NbＣ）を形成し、マトリクス
を強化すると共に、焼戻し処理の際に M23C6系炭化物
（Ｍとしては、例えばFe，Cr，Moが挙げられる）を微細
にし、長時間クリープ破断強度を著しく高める元素であ
る。しかし、Nb含有量が0.01％未満では、これらの効果
が少なくなり、充分なクリープ破断強度が得られない。
一方、0.10％を越える含有量では、1100℃の焼入温度で
も NbCがマトリクスへの固溶が充分ではなく、かつ、析
出した NbCがクリープ中に凝集粗大化して長時間のクリ
ープ破断強度が低下する。 Ｎ：0.01〜0.05％ Ｎは、クリープ破断強度の向上およびデルタフェライト
の生成を抑制する効果を示す元素である。しかし、Ｎ含
有量が0.01％未満では、これらの効果は充分に現れな
い。一方、0.05％を越えて含有されると、靱性が低下す
る。 Co：2.00〜5.00％ Coは、マトリクスへ固溶する炭化物の量を増大させると
共に、Co自身が固溶強化作用を示す極めて高温特性の改
善に効果のある元素である。しかし、Co含有量が2.00％
未満では、デルタフェライトが生成して鍛造性に悪影響
を及ぼす。一方、5.00％を越えて含有すると、常温靱性
およびクリープ破断強度に悪影響を与える。 Ｂ： 0.001〜0.01％ Ｂは、クリープ破断強度を高める元素である。しかし、
Ｂ含有量が 0.001％未満では、これらの効果があまり大
きくない。一方、0.01％を越えて含有すると、熱間加工
性に悪影響を及ぼす。
【００１２】また、上記の合金成分のうちMoおよびＷ
は、ともに高温下のクリープ破断特性を向上させる元素
である。ところが、これらの含有量の総計が多くなる
と、すなわち、（Mo％＋Ｗ％／２）が 2.0％を越える
と、デルタフェライトが析出し易くなり、靱性が低下す
る。一方、（Mo％＋Ｗ％／２）が 1.5％未満であると、
クリープ破断強度を向上させる効果が充分ではなくな
る。
【００１３】よって、MoおよびＷの含有量は、 1.5％≦
Mo％＋Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満足するように設定す
る。このように設定することにより、高温特性と常温靱
性のバランスが保たれ、なおかつ、高温特性および常温
靱性に悪影響を及ぼすデルタフェライトの生成が抑制さ
れる。そして、上記マルテンサイト系耐熱合金は、以上
の合金成分のほか、残部がFeおよび不可避的に混入した
不純物からなる。この不純物としては、Ｐ，Ｓなどが含
まれるものの、これらの元素は材質を脆くして衝撃特性
に悪影響を及ぼすため、その含有量は少ない程望まし
い。なお、前記不純物元素のうちＰは、脆化を助長する
ものの、含有量が0.01〜0.02％の場合、クリープ破断強
度は最大になり、かつ、衝撃特性にはあまり変化を与え
ない。したがって、Ｐ含有量は0.01〜0.02％にすると良
い。
【００１４】したがって、上記のように化学組成を設定
すると共に、特にMo％+W％/2＝1.50〜2.00％の関係を満
たすようMoおよびＷを含有させることにより、デルタフ
ェライトの生成が防止され得る。このため、十分な常温
靱性を維持しつつ 600℃を越える高温で長時間のクリー
プを受けても破断し難い。よって、例えば蒸気タービン
ロータやガスタービンディスクなどに使用される高温高
圧材として好適である。
【００１５】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 （１）供試材 まず、真空カーボン脱酸法によって１チャージ当たり50
〜90kgずつ鋼を溶解した後、鋳造して鋼塊にした。この
鋼塊を試料１〜３とし、これらの化学組成は表１に示す
通りである。その後、これらの試料を1200〜900 ℃の温
度範囲で鍛伸して、 110mm× 110mm× 400mmの鍛造材を
得て、この鍛造材に次の熱処理を施した。すなわち、熱
処理としては、1090〜1050℃で15時間加熱保持してオー
ステナイト化を行った後、直径が1200mmのロータを油焼
入したときのロータ中心部における冷却速度で焼入れを
行った。そして、焼戻しとして、 550℃で15時間保持を
行った後に 680〜750 ℃で23時間保持するダブルテンパ
ー処理を行った。このようにして得られた試料１〜３を
それぞれ実施例１〜３に係るマルテンサイト系耐熱鋼と
した。
【００１６】
【表１】
【００１７】また、上記実施例と同様の製造方法および
熱処理条件により、それぞれ化学組成の異なるマルテン
サイト系耐熱鋼を作製して、これらを比較例１〜７とし
た。これらの比較例を作製するときに得られる鋼塊をそ
れぞれ試料１〜７とし、これらの化学組成を表１に併せ
て示す。 （２）特性評価試験 （ａ）シャルピー衝撃試験 耐熱鋼の靱性は、吸収エネルギーおよび破面遷移温度を
もって評価した。まず、上記実施例および比較例から、
JIS4号２mmＶノッチシャルピー試験片を採取しておき、
これらを試験温度20℃においてシャルピー衝撃試験を行
い、室温吸収エネルギー（2VＥ20）を求めた。また、試
験片の温度を変えて衝撃試験を行い、実施例および比較
例の破面遷移温度（FATT：Fracture Appearance Transi
tion Temperature）を求めた。これらの試験結果は、表
２に示す通りである。
【００１８】（ｂ）クリープ破断試験 耐熱鋼のクリープ強度は、クリープ破断強度およびクリ
ープ破断時間をもって評価した。まず、上記実施例およ
び比較例から、直径６mmの試験片を採取し、この試験片
を用いてJIS Z 2272に準じてクリープ破断試験を行っ
た。このときの試験結果は表２および図１に示すとおり
である。なお、表２および図１のクリープ破断強度は、
前記破断試験の結果を元にラーソンミラー ( Larson-Mi
ller )パラメータを用いて求めたものである。
【００１９】
【表２】
【００２０】（３）特性評価結果 図１に示すように、実施例のデータバンドは、比較例の
データバンドよりも上に位置しており、 625℃-105時間
のクリープ破断強度が10〜12kg/mm2と推定され、良好な
値を示している。さらに、実施例は、比較例に比べデー
タバンドの傾きが緩やかであり、長時間になっても比較
例に比べクリープ破断強度が低下し難いことがわかる。
【００２１】表２に示すように、比較例１〜７のクリー
プ破断強度はいずれも 4.5〜7.0kg/mm2 である。これに
対し、実施例１〜３では、10〜12kg/mm2のクリープ破断
強度を有している。つまり、実施例は、比較例に比べ大
幅にクリープ破断強度が向上している。しかも、実施例
１〜３は、いずれも4070時間以上のクリープ破断時間を
示しており、 650℃の高温において、比較例１〜７に比
べ破断に至るまでの寿命が長くなっている。
【００２２】また、比較例５〜７より、Mo％+W％/2＝1.
50〜2.00％の関係が満たされることにより、常温靱性と
クリープ破断特性とのバランスが良くなることがわか
る。特に、Mo：1.45〜1.46％，Ｗ：0.75％（Mo％+W％/2
＝1.83〜1.84％）を含有する実施例１，２では、優れた
常温靱性とクリープ破断特性とを兼備している。ところ
が、比較例６，７と実施例１〜３とを比べると、Mo％+W
％/2＝1.50〜2.00％の関係が満たされていても、Crおよ
びCoがそれぞれ11.0％，5.00％を越えて含有されている
と、クリープ破断特性が低下する。
【００２３】以上の結果から、耐熱鋼の化学組成および
Mo含有量とＷ含有量との関係を特定することにより、ク
リープ破断強度が増加すると共に、クリープ破断時間が
長くなり、 600℃を越える高温においても良好なクリー
プ破断特性を備えるものとなっている。
【００２４】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明のマルテンサ
イト系耐熱鋼は、特にMoを0.50〜1.50％，Ｗを0.50％以
上2.00％未満を含有し、かつ、MoおよびＷの含有量が
1.5％≦Mo％＋Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満たすので、
材料特性を劣化させるデルタフェライトの生成が抑制さ
れ、クリープ破断強度が向上すると共にクリープ破断時
間が長くなり、優れた高温クリープ特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る耐熱鋼についてラーソン
ミラー法によりクリープ破断強度を示したグラフであ
る。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年１月３１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 マルテンサイト系耐熱鋼
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば発電プラン
トの高温高圧部材などに利用可能なマルテンサイト系耐
熱鋼に関するものであり、さらに詳しくは、蒸気タービ
ンロータ，ガスタービンディスク等に使用される高温ク
リープ特性の優れたマルテンサイト系耐熱鋼に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、蒸気タービンやガスタービンな
どの発電プラントに使用される高温高圧材は、種々の腐
食環境下に 500℃程度の高温で長時間曝されると共に、
高圧下で遠心力などの大きな負荷が加わる。このため、
高温高圧材としては、高温下で長時間にわたりその材質
の劣化が少なく、また、高負荷に耐え得る高温強度を備
えることが要求されている。
【０００３】従来、上記高温高圧材としては、８〜12重
量％（以下、単に％と記述する）のCrおよびMo，Ｖ，Nb
などの添加元素を含有する高Cr鋼に、焼入焼戻しを施し
た高Crマルテンサイト系耐熱鋼が知られている。この種
の耐熱鋼としては、例えば、12Cr−Mo−Ｖ−Nb−Ｎ−0.
15Ｃの化学組成を有するJIS SUH 600 が挙げられる。こ
の耐熱鋼では、基地組織の固溶強化および各元素の炭化
物による分散強化を図ることによって、高温強度や高温
クリープ特性を向上させ、上記のような高温高圧設備の
構成部材として使用されている。
【０００４】ところで、近年、発電プラントにおいて
は、熱効率向上の観点から蒸気温度の高温化および蒸気
圧力の高圧化が行われ、現在の蒸気タービンロータの最
高使用温度は 600℃に達している。このため、 600℃を
越える高温でも優れたクリープ特性を有する高温高圧材
へのニーズが新たに生じている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の高Crマルテンサイト系耐熱鋼の化学組成では、
組織中にデルタフェライトが析出し易く、このため、前
記耐熱鋼が 600℃程度の高温で長時間のクリープを受け
ると、金属組織の変化により、デルタフェライトに起因
する耐衝撃性や高温クリープ特性の劣化が生じる。
【０００６】したがって、このような従来の高Crマルテ
ンサイト系耐熱鋼を用いて例えば蒸気タービンロータを
形成し 600℃を越える蒸気環境下で運転した場合、発電
プラントの信頼性が損なわれるという問題を生じる。本
発明は、上記のような問題点に鑑みなされたもので、 6
00℃を越える高温においても優れた破断強度を有すると
共に、その高温強度を長時間維持し得るマルテンサイト
系耐熱鋼を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明者らは、マルテンサイト系耐熱鋼の高温クリープ
特性に及ぼす要因を鋭意研究した結果、特定の組成を有
する耐熱鋼中に含有されるMo量とＷ量との関係が高温ク
リープ破断特性に大きく影響していることを新たに知見
し、本発明をなすに至った。
【０００８】すなわち、本発明のマルテンサイト系耐熱
鋼は、化学組成が重量％で、 Ｃ： 0.05〜0.15％、 Si： 0.01〜0.10％、 Mn： 0.50％以下、 Ni： 0.01〜0.80％、 Cr： 9.0〜11.0％、 Mo： 0.50〜1.50％、 Ｗ： 0.50〜2.00％、 Ｖ： 0.10〜0.30％、 Nb： 0.01〜0.10％、 Ｎ： 0.01〜0.05％、 Co： 2.00〜5.00％、 Ｂ： 0.001〜0.01％、 残部：Feおよび不可避的不純物、 からなり、かつ、MoおよびＷの含有量が 1.5％≦Mo％＋
Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満たすことを特徴とするもの
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】以上のような本発明のマルテンサ
イト系耐熱鋼は、例えば次に示す方法により製造するこ
とが可能である。始めに、真空カーボン脱酸法などの脱
酸法を利用し、前記した組成に調整して鋼を溶解する。
そして、脱酸された溶鋼から適宜の鋳造法により鋼塊を
作製する。その後、この鋼塊が所定の形状になるよう熱
間鍛造を行う。さらに、この鍛造材をオーステナイト化
温度まで加熱した後に油冷するなどの条件で焼入れを行
い、ほぼ均一なマルテンサイト組織にする。これに続い
て、ダブルテンパー処理など焼戻しを行う。
【００１０】ところで、従来のマルテンサイト系耐熱鋼
では、その化学組成に起因してデルタフェライトが生成
され易く、鋼を鍛造するときに、熱間加工性を著しく低
下させるデルタフェライトが生成される。このデルタフ
ェライトを抑制するために、上記のように化学組成を設
定し、さらにMo量とＷ量との関係を特定することによ
り、高温下におけるクリープ破断強度やクリープ破断時
間などの高温クリープ破断特性が向上する。
【００１１】次に上記のように化学組成を設定した理由
について説明する。 Ｃ：0.05〜0.15％ Ｃは、Cr，Nb，Ｖ等と結合して高硬度な炭化物を形成す
ると共に、高温強度に大きな影響を与える元素である。
しかし、Ｃ含有量が0.05％未満では、充分な炭化物およ
び均一なマルテンサイト組織を得ることが困難である。
すなわち、組織にはマルテンサイトやデルタフェライト
などが混在して、高温強度や高温疲労強度が著しく低下
する。一方、0.15％を越える含有量では、 550〜630 ℃
付近において長時間使用すると炭化物の凝集粗大化が著
しくなり、長時間クリープ破断強度が著しく低下する。 Si：0.01〜0.10％ Siは、脱酸剤として使用すると共に、大型鋳塊でも偏析
を少なくし、かつ、長時間使用後における靱性を確保す
るものである。しかし、現在の製鋼法では、Si含有量を
0.01％未満に抑えることは困難であるため、含有量の下
限は0.01％とする。一方、0.10％を越える含有量では、
偏析が激しくなり、更に長時間使用後の靱性が低下す
る。 Mn：0.50％以下 Mnは、Siと同様に脱酸剤として使用し、溶解時の脱酸作
用を有する元素であり、0.50％以下においては、これら
の効果を充分に達成する。一方、Mnは脆化感受性を高め
る元素であるため、0.50％を越える含有量では、長時間
使用中に脆化し易くなる。 Ni：0.01〜0.80％ Niは、焼入性および常温における靱性を向上し得る元素
である。しかし、Ni含有量が0.01％未満では、このよう
な効果が少ない。一方、0.80％を越える含有量では、ク
リープ破断強度が著しく低下する。 Cr： 9.0〜11.0％ Crは、耐酸化性および耐食性を向上させる元素である。
しかし、Cr含有量が 9.0％未満では、充分な耐酸化性お
よび長時間クリープ破断強度が得られない。一方、11.0
％を越える含有量では、デルタフェライトが析出し、常
温靱性や高温疲労特性が低下する。 Mo：0.50〜1.50％ Moは、固溶体強化および析出強化の両作用によりクリー
プ破断強度を著しく向上させる元素である。しかし、Mo
含有量が0.50％未満では、これらの効果が小さくなる。
一方、含有量が1.50％を越えると、デルタフェライトを
生成して、クリープ破断強度を劣化させる恐れがある。 Ｗ：0.50〜2.00％ Ｗは、高温特性を著しく向上させる元素である。しか
し、Ｗ含有量が0.50％未満では、クリープ破断強度を向
上させる効果があまり大きくない。一方、含有量が2.00
％を越えると、高温特性に害を及ぼすデルタフェライト
が析出する恐れがある。 Ｖ：0.10〜0.30％ Ｖは、V4C3として炭化物を形成しマトリクスを強化する
と共に、焼戻し処理の際に析出する M23C6系炭化物（Ｍ
としては、例えばFe，Cr，Moが挙げられる）を微細に
し、長時間クリープ破断強度を著しく高める元素であ
る。しかし、Ｖ含有量が0.10％未満では、形成される炭
化物（V4C3）の効果が充分ではなく、クリープ破断強度
が低くなる。一方、0.30％を越える含有量では、長時間
使用中に炭化物が凝集粗大化してクリープ破断強度が低
下する。 Nb：0.01〜0.10％ Nbは、Ｖと同様に炭化物（NbＣ）を形成し、マトリクス
を強化すると共に、焼戻し処理の際に M23C6系炭化物
（Ｍとしては、例えばFe，Cr，Moが挙げられる）を微細
にし、長時間クリープ破断強度を著しく高める元素であ
る。しかし、Nb含有量が0.01％未満では、これらの効果
が少なくなり、充分なクリープ破断強度が得られない。
一方、0.10％を越える含有量では、1100℃の焼入温度で
も NbCのマトリクスへの固溶が充分ではなく、かつ、析
出した NbCがクリープ中に凝集粗大化して長時間のクリ
ープ破断強度が低下する。 Ｎ：0.01〜0.05％ Ｎは、クリープ破断強度の向上およびデルタフェライト
の生成を抑制する効果を示す元素である。しかし、Ｎ含
有量が0.01％未満では、これらの効果は充分に現れな
い。一方、0.05％を越えて含有されると、靱性が低下す
る。 Co：2.00〜5.00％ Coは、マトリクスへ固溶する炭化物の量を増大させると
共に、Co自身が固溶強化作用を示す極めて高温特性の改
善に効果のある元素である。しかし、Co含有量が2.00％
未満では、デルタフェライトが生成して鍛造性に悪影響
を及ぼす。一方、5.00％を越えて含有すると、常温靱性
およびクリープ破断強度に悪影響を与える。 Ｂ： 0.001〜0.01％ Ｂは、クリープ破断強度を高める元素である。しかし、
Ｂ含有量が 0.001％未満では、これらの効果があまり大
きくない。一方、0.01％を越えて含有すると、熱間加工
性に悪影響を及ぼす。
【００１２】また、上記の合金成分のうちMoおよびＷ
は、ともに高温下のクリープ破断特性を向上させる元素
である。ところが、これらの含有量の総計が多くなる
と、すなわち、（Mo％＋Ｗ％／２）が 2.0％を越える
と、デルタフェライトが析出し易くなり、靱性が低下す
る。一方、（Mo％＋Ｗ％／２）が 1.5％未満であると、
クリープ破断強度を向上させる効果が充分ではなくな
る。
【００１３】よって、MoおよびＷの含有量は、 1.5％≦
Mo％＋Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満足するように設定す
る。このように設定することにより、高温特性と常温靱
性のバランスが保たれ、なおかつ、高温特性および常温
靱性に悪影響を及ぼすデルタフェライトの生成が抑制さ
れる。そして、上記マルテンサイト系耐熱合金は、以上
の合金成分のほか、残部がFeおよび不可避的に混入した
不純物からなる。この不純物としては、Ｐ，Ｓなどが含
まれるものの、これらの元素は材質を脆くして衝撃特性
に悪影響を及ぼすため、その含有量は少ない程望まし
い。なお、前記不純物元素のうちＰは、脆化を助長する
ものの、含有量が0.01〜0.02％の場合、クリープ破断強
度は最大になり、かつ、衝撃特性にはあまり変化を与え
ない。したがって、Ｐ含有量は0.01〜0.02％にすると良
い。
【００１４】したがって、上記のように化学組成を設定
すると共に、特にMo％+W％/2＝ 1.5〜 2.0％の関係を満
たすようMoおよびＷを含有させることにより、デルタフ
ェライトの生成が防止され得る。このため、十分な常温
靱性を維持しつつ 600℃を越える高温で長時間のクリー
プを受けても破断し難い。よって、例えば蒸気タービン
ロータやガスタービンディスクなどに使用される高温高
圧材として好適である。
【００１５】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。 （１）供試材 まず、真空カーボン脱酸法によって１チャージ当たり50
〜90kgずつ鋼を溶解した後、鋳造して鋼塊にした。この
鋼塊を試料１〜４とし、これらの化学組成は表１に示す
通りである。その後、これらの試料を1200〜900 ℃の温
度範囲で鍛伸して、 110mm× 110mm× 400mmの鍛造材を
得て、この鍛造材に次の熱処理を施した。すなわち、熱
処理としては、1090〜1050℃で15時間加熱保持してオー
ステナイト化を行った後、直径が1200mmのロータを油焼
入したときのロータ中心部における冷却速度で焼入れを
行った。そして、焼戻しとして、 550℃で15時間保持を
行った後に 680〜750 ℃で23時間保持するダブルテンパ
ー処理を行った。このようにして得られた試料１〜４を
それぞれ実施例１〜４に係るマルテンサイト系耐熱鋼と
した。
【００１６】
【表１】
【００１７】また、上記実施例と同様の製造方法および
熱処理条件により、それぞれ化学組成の異なるマルテン
サイト系耐熱鋼を作製して、これらを比較例１〜８とし
た。これらの比較例を作製するときに得られる鋼塊をそ
れぞれ試料１〜８とし、これらの化学組成を表１に併せ
て示す。 （２）特性評価試験 （ａ）シャルピー衝撃試験 耐熱鋼の靱性は、吸収エネルギーおよび破面遷移温度を
もって評価した。まず、上記実施例および比較例から、
JIS4号２mmＶノッチシャルピー試験片を採取しておき、
これらを試験温度20℃においてシャルピー衝撃試験を行
い、室温吸収エネルギー（2VＥ20）を求めた。また、試
験片の温度を変えて衝撃試験を行い、実施例および比較
例の破面遷移温度（FATT：Fracture Appearance Transi
tion Temperature）を求めた。これらの試験結果は、表
２に示す通りである。
【００１８】（ｂ）クリープ破断試験 耐熱鋼のクリープ強度は、クリープ破断強度およびクリ
ープ破断時間をもって評価した。まず、上記実施例およ
び比較例から、直径６mmの試験片を採取し、この試験片
を用いてJIS Z 2272に準じてクリープ破断試験を行っ
た。このときの試験結果は表２および図１に示すとおり
である。なお、表２および図１のクリープ破断強度は、
前記破断試験の結果を元にラーソンミラー ( Larson-Mi
ller )パラメータを用いて求めたものである。
【００１９】
【表２】
【００２０】（３）特性評価結果 図１に示すように、実施例のデータバンドは、比較例の
データバンドよりも上に位置しており、 625℃-105時間
のクリープ破断強度が10〜12kg/mm2と推定され、良好な
値を示している。さらに、実施例は、比較例に比べデー
タバンドの傾きが緩やかであり、長時間になっても比較
例に比べクリープ破断強度が低下し難いことがわかる。
【００２１】表２に示すように、比較例１〜８のクリー
プ破断強度はいずれも 4.5〜7.9kg/mm2 である。これに
対し、実施例１〜４では、10〜12.5kg/mm2のクリープ破
断強度を有している。つまり、実施例は、比較例に比べ
大幅にクリープ破断強度が向上している。しかも、実施
例１〜４は、いずれも4070時間以上のクリープ破断時間
を示しており、 650℃の高温において、比較例１〜８に
比べ破断に至るまでの寿命が長くなっている。
【００２２】また、Mo％+W％/2＝ 1.5〜 2.0％の関係が
満たされることにより、常温靱性とクリープ破断特性と
のバランスが良くなることがわかる。特に、Mo：1.45〜
1.46％，Ｗ：0.75％（Mo％+W％/2＝1.83〜1.84％）を含
有する実施例１，２では、優れた常温靱性とクリープ破
断特性とを兼備している。ところが、比較例６，７と実
施例１〜４とを比べると、Mo％+W％/2＝ 1.5〜 2.0％の
関係が満たされていても、CrおよびCoがそれぞれ11.0
％，5.00％を越えて含有されていると、クリープ破断特
性が低下する。
【００２３】以上の結果から、耐熱鋼の化学組成および
Mo含有量とＷ含有量との関係を特定することにより、ク
リープ破断強度が増加すると共に、クリープ破断時間が
長くなり、 600℃を越える高温においても良好なクリー
プ破断特性を備えるものとなっている。
【００２４】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明のマルテンサ
イト系耐熱鋼は、特にMoを0.50〜1.50％，Ｗを0.50〜2.
00％含有し、かつ、MoおよびＷの含有量が 1.5％≦Mo％
＋Ｗ％／２≦ 2.0％の関係を満たすので、材料特性を劣
化させるデルタフェライトの生成が抑制され、クリープ
破断強度が向上すると共にクリープ破断時間が長くな
り、優れた高温クリープ特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る耐熱鋼についてラーソン
ミラー法によりクリープ破断強度を示したグラフであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐近 淑郎 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 角屋 好邦 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 保元 康彦 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 土山 友博 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 化学組成が重量％で、 Ｃ： 0.05〜0.15％、 Si： 0.01〜0.10％、 Mn： 0.50％以下、 Ni： 0.01〜0.80％、 Cr： 9.0〜11.0％、 Mo： 0.50〜1.50％、 Ｗ： 0.50〜2.00％、 Ｖ： 0.10〜0.30％、 Nb： 0.01〜0.10％、 Ｎ： 0.01〜0.05％、 Co： 2.00〜5.00％、 Ｂ： 0.001〜0.01％、 および残部がFeと不可避的不純物とからなり、かつ、Mo
    およびＷの含有量が、 1.5％≦Mo％＋Ｗ％／２≦ 2.0％ の関係を満たすことを特徴とするマルテンサイト系耐熱
    鋼。
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