JPS5817820B2

JPS5817820B2 - 高温用クロム鋼

Info

Publication number: JPS5817820B2
Application number: JP1931579A
Authority: JP
Inventors: 芳則矢野; 洋三早瀬; 州彦吉川; 洋志寺西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1979-02-20
Filing date: 1979-02-20
Publication date: 1983-04-09
Also published as: JPS55110758A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、高温強度、特に５５０℃をこえる温度域で
の長時間クリープ強度が著しく高い高クロム鋼に関する
。

この発明は、発電プラント、化学プラント等において、
耐食、耐酸化性と同時に高温強度にすぐれ、特に長時間
使用においても強度低下のないことを要求される部品に
使用できる鋼の提供を目的とする。

上記の如き用途に使用される鋼は２／４Ｃｒ−ｌＭｏ鋼
の如き低合金鋼からＣｒ、Ｎｉを多量に含むオーステナ
イト系ステンレス鋼まで多数の鋼種が市販されており、
又、これらの市販鋼に各種の合金元素を添加した改良鋼
種についての提案も多い。

しかし、既存の鋼は、たとえば酸化性において、高温強
度において、或いは加工性や溶接性において、更には鋼
の価格において、何らかの問題点を有するのが殆んどで
あり、実用面で理想的な高温用鋼は少ない。

前記のような用途のうち、代表的なもののひとつである
ボイラ熱交換器用管を例にとると、その製造および使用
条件から冷間加工性、溶接性、高温での耐酸化性と高強
度が必須の特性として要求され、これら諸性質のバラン
スがとれ、しかも安価な鋼が望まれる。

この発明は、耐酸化性において、低Ｃｒ耐熱鋼にまさり
、耐応力腐食割れ性および価格の面でオーステナイト系
ステンレス鋼にまさる中高Ｃｒ（Ｃｒ５〜１３％）鋼に
着目し、その機械的性質、特に高温強度の大巾な数差を
図ることによってなされたものである。

この発明は、下記のとおりの高温用鋼を要旨とする。

（１）Ｃ０，０２〜０．２２％、Ｓｉ１．０％以下
、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ５〜１３％、Ｍｏ０．５〜
２．５％、Ｖｏ、０１〜０．５％、ＮＯ，０１５〜０．
１０％、残部Ｆｅおよび不純物からなり、不純物中のＡ
ｌが０．０２％以下で、しかもこの人ｌとＮの含有量が
、Ｎ（％）−６，５Ａｎ（％）≧０．０１５（％）の条
件を満たす鋼。

（２）上記（１）の成分の外に更に、１．５％以下のＷ
ｌそれぞれ０，５％以下のＴｉ、Ｚｒ、０．０５％以下
のＢの少なくとも１種を含む鋼。

（３）上記（１）又は（２）の鋼に、更に１．５％以下
のＮｉを含有させた鋼。

上記この発明鋼においては、Ｃをはじめとする全ての成
分がそれぞれ特定範囲にあることが重要であるが、なか
でもＮの量と、不純物としてのＡｌの上限値を規制した
ことが大きな特徴である。

Ｎが鋼中における固溶強化成分であることは周知の事項
であり、又、低合金鋼においてはクリープ強度を上げる
ために固溶Ｎ量を増すこともすでに提案されている。

しかし、中高Ｃｒ鋼においては、Ｎは殆んど窒化物とし
て固定されるので、上記のようなＮの効果をそのまま期
待することができない。

たとえば１２Ｃｒ鋼にＮを添加した場合、５５０℃まで
の温度ではクリープ破断強度が上るが、６５０℃の高温
では長時間になるとむしろＮ無添加のものより破断強度
が落ちるという報告がある。

本発明者は、前記したとおりの特定組成の鋼をベースに
、Ｎ添加の影響を特に鋼中に残留するＡｌとの関係で詳
細に検討した結果、有効Ｎ即ち全Ｎ量から０．５Ａｌ
を差し引いた量のＮが、所定量以上含有されれば５５０
℃をこえる高温で、しかも１０４時間をこえる長時間に
おいても、高いクリープ強度が維持されることを確認し
た。

このように高温強度の向上に寄与するＮは、主にＣｒと
の化合物（ＣｒＮ又はＣｒ２Ｎ）となって鋼中に分散し
ているものである。

従って、鋼中に残留するＡ７が多くなり、ＮがＡｌＮと
して固定されてしまうと、上記Ｎの効果は失われる。

この発明において、Ｎの含有量およびＡ７の許容上限量
とともに、ＮとＡ７の相関関係を定めたのはかかる観点
からである。

第１図は、１２Ｃｒ−ＩＭｏ−０，５Ｎｉ −０，
３Ｖを対象としてＮ（％）−０，５Ａ＃（％）の童とク
リープ破断時間との関係を温度および負荷応力を変えて
試験した結果である。

○は５５０℃、２３ｋｇ／ｍＡ、△は６００℃、１５，
５ゆ／−１口は６５０℃、９ｋｇ／７ｎ７Ｎでの試験で
あるが、いずれにおいても、Ｎ（％）−０，５ＡＡ（％
）が０．０１５％を境にして、破断寿命の急激な上昇が
みられる。

この発明において、Ｎ（％）−０，５Ａｌ（％）≧０．
０１５（％）なる条件を設けたのは、上記の知見に基づ
くものである。

次に、各成分の含有量の限定理由養説明する。

Ｃは炭化物を形成することによって、クリープ強度を増
す。

しかし−〇が多くなりすぎると溶接性と冷間加工性を損
う。

適正範囲は０．０２〜０．２２％である。

Ｓｉは主に脱酸剤として添加される。

Ｓｉの残留量が１％をこえると靭性が低下し、クリープ
強度にも好ましくない影響を及ぼす。

Ｍｎは脱酸剤として働くとともに、熱間加工性の向上に
寄与する。

しかし、１％をこえると硬脆相を生じやすくなる。

Ｃｒは耐酸化性をはじめとする耐熱鋼に必須の性質を付
与する基本的な成分である。

耐酸化性はＣｒが多い程よくなるが、１３％をこえる量
になると鋼の組織がフェライト単相となりやすく、靭性
および高温強度が低下する。

１３％以下の範囲で、用途に応じてＣｒ量を加減できを
か、この発明鋼に予想される用途から、必要な耐酸化性
をもたせるには少なくとも５％の量が必要である。

ボイラ用管のような用途には９〜１３％と高めのＣｒに
するのが望ましい。

Ｍｏは主にクリープ強度の向上のために添加する。

０．５％未満では必要な強度が得にくく、３％をこえる
と組織が不安定になり、又鋼の価格が高くなりすぎる。

■は炭化物および一部は窒化物を形成して、クリープ強
度の向上に大きく寄与する。

０．０１％未満の微少量ではこの効果が少ない。

しかし、０．５％をこえて添加しても効果の増加は少な
い。

Ｎは高温強度、特に５５０℃をこえる高温で長時間のク
リープ強度の向上にきわめて有効である１すでに述べた
とおり、Ｎ量はＡｌとの相関関係で決める必要があるが
、その最低必要量は０．０１５％である。

一方、Ｎが０．１０％をこえると靭性、加工性および溶
接に悪影響を及ぼす。

この範囲内で、Ｎ（％）−０，５１？（％）≧０．０１
５（％）の条件を満たす必要がある。

これによって、ＡＩＮとして固定されないＮが、Ｃｒ窒
化物として焼もどし中に微細に析出し、クリープ強度を
高めるのである。

ｋｌは脱酸剤として用いられ、靭性の向上に寄与し、又
常温強度を下げて加工性を向上させる。

しかし、前記の有効Ｎ量を増すためには、Ａｌは少ない
方がよい。

Ａｌ量が多くなると、Ａ７Ｎとして消費されるＮ量が増
す。

かかる理由からこの発明では、Ａ、ｌの残留許容上限値
を０．０２％とした。

Ｗ、Ｔｉ、ＺｒおよびＢは、上記基本組成の鋼の。

強度を更に上げるために、必要に応じて添加される。

Ｔｉ、Ｚｒは炭窒化物を析出させることによって強度上
昇に寄与する。

これらの含有量はそれぞれ０．５％まででよい。

Ｂは鋼のクリープ抵抗性を高め特に長時間側のクリープ
破断強度を高める効果がある。

しかし含有量が０．０５％をこえると、逆に強度低下の
傾向を示す。

ＷはＭｏと同様フェライト基地に固溶して母相を強化す
るほか、炭窒化物を形成することにより、クリープ強度
を高める。

しかし、１．５％をこえると靭性を損い、かつ価格が高
くなりすぎる。

Ｎｉは１．５％まで含有させることによって、この発明
鋼の組織の安定化と靭性の向上に寄与する。

しかし、Ｎｉは高価な成分であるから、鋼の用途によっ
ては積極的に添加しなくてもよい場合がある。

その他製鋼技術上、必然的に混入する不純物があるが、
そのうちの代表的なものであるＰおよびＳはそれぞれ０
．０３５％以下に抑えるのが望ましい。

この発明鋼は、原則として、焼ならしおよび焼もどしの
熱処理を施して使用する。

この熱処理後の組織は焼もどしマルテンサイト又はフェ
ライトと焼もどしマルテンサイトの基地中に微細なりロ
ムの窒化物およびＭｏ、’Ｖの炭化物、或いは更にＷ。

ＴｉｙＺｒ、Ｎｂ、Ｔａの炭窒化物が析出分散したもの
となる。

このような組織の鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に
比して、耐応力腐食割れの点で、又、熱伝導性の点です
ぐれており、単に価格が安いというだけでなく、材料自
体の特性上きわめて有利である。

一方、フェライト単相の鋼種に比べては、衝撃靭性、特
に溶接熱影響部の靭性が格段に高い。

上記熱処理の好ましい条件としては、焼ならし温度９５
０〜１２５０℃、焼もどし温度６００〜８５０℃である
。

実施例第１表に供試材の組成を示す。

これらの鋼を対象に常温および６００℃での引張試験と
６００℃Ｘ１０’ ｈｒのクリープ破断試験を行った
。

その結果を第２表に示す。

第２表に示すごとく、マルテンサイト組織の本発明鋼Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅは有効チッ素量が所定値以上であるた
めにクリープ破断強度が高い。

一方、比較鋼Ｐは全チッ素量がり、Ｅ鋼と同程度である
にもかかわらずＡｌ量が高く有効チッ素でみると本発明
鋼にくらべて格段に少なくなっておりクリープ破断強度
も低くなっている。

Ｗを含む鋼についても本発明鋼Ｆ、Ｇと比較鋼Ｑにおい
てもクリープ破断強度が有効チッ素により支配されてい
るのが認められる。

第２図に本発明鋼Ａと比較鋼Ｐの組織（１００００倍電
子顕微鏡写真）を示す。

イはクリープ試験前（熱処理のまま）、唱ま６００°Ｃ
１ハは６５０℃におけるクリープ試験後の組織である。

本発明鋼Ａには熱処理時に析出した微細な析出物がみと
められ、クリープ試験中も安定に存在している。

しかし、比較鋼Ｐにはこのような析出物がなく、前掲第
２表に示したクリープ破断強度の相違（鋼Ａ・・・・・
・１２．２ｋｇ／ｍＡ１鋼Ｂ・・・・・・ｓ、６
ｋｇ／ｍｄ１いずれも６００℃ｘ１ｏ’ｈｒ）が、かか
る組織上の差異によるものであることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１２Ｃｒ鋼における有効窒素量とクリープ破断
時間との関係を示す図表、第２図は本発明鋼Ａと比較鋼
Ｐの組織変化を示す電子顕微鏡写真（Ｘ１０’ ′Ｆ
：ある。

Claims

【特許請求の範囲】ＩＣ０，０２〜０．２２％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍ
ｎ１．０％以下、Ｃｒ５〜１３％、Ｍｏ０．５〜２．
５％、Ｖｏ、０１〜０．５％、ＮＯ，０１５〜０．１０
％、残部Ｆｅおよび不純物からなり、不純物中のＡｌが
０．０２％以下で、かつＮとＡ４の含有量が下記の条件
を満たすことを特徴とする高温用クロム鋼。Ｎ（％）−０，，５Ａｌ（％）≧０．０１５（％）２
Ｃ０，０２〜０．２２％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１
．０％以下、Ｃｒ５〜１３％、Ｍｏ０．５〜２．５％
、Ｖｏ、０１〜０．５％、ＮＯ，０１５〜０．１０％、
および１．５％以下のＷと、それぞれ０．５％以下のＴ
ｉ。Ｚｒと０．０５％以下のＢのうちの少なくとも１種、残
部Ｆｅおよび不純物からなり、不純物中のＡｌが０．０
２％以下で、かつＮとＡｌの含有量が下記の条件を満た
すことを特徴とする高温用クロム鋼。Ｎ（％）−〇、５Ａｌ（％）≧０．０１−５−（％）３
Ｃ０，０２〜０．２２％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ
１．０％以下、Ｃｒ５〜１３％、Ｍｏ０．５〜２．５
％、Ｖｏ、０１〜０．５％、ＮＯ，Ｏ１５〜０．１０％
、Ｎｉ１．５％以下、残部Ｆｅおよび不純物からなり、
不純物中のＡＡが０．０２％以下で、かつＮとＡＡの含
有量が下記の条件を満たすことを特徴とする高温用クロ
ム鋼。Ｎ（％）−ｏ、５４４（％）≧０．０１５（％）４
Ｃ０，０２〜０．２２％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１．
０％以下、Ｃｒ５二１３％、Ｍｏ０．５〜２．５
％、Ｖｏ、０１〜０．５％、ＮＯ，０１５〜０．１０％
、Ｎｉ１．５％以下、および１．へ％以下のＷと、それ
ぞれ０．５％以下のＴｉ、Ｚｒと０゜０５％以下のＢの
うちの少なくとも１種、残部Ｆｅおよび不純物からなり
、不純物中のＡ７が０．０２％以下で、かつＮとｋｌの
含有量が下記の条件を満たすことを特徴とする高温用ク
ロム鋼。Ｎ（％）−０，５Ａ１．（％）≧０．０１５（％）