JP2001073065A - 耐焼戻脆性に優れた高強度低Ｃｒフェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】焼戻脆化および長時間使用時のクリープ脆化が
抑制され、４００℃〜６２５℃といった高温でのクリー
プ強度が安定して高く、既存低Ｃｒ耐熱鋼と同等以上の
良好な靱性、溶接性および耐食性を有するする低Ｃｒフ
ェライト耐熱鋼の提供。 【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
ｒ：０．５〜３％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：
０．０５〜２．５％、Ｎ：０．０１％以下、Ｔｉ：０〜
０．５％、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０１５％
以下を含み、焼きならし、焼入後の組織が、下部ベイナ
イト単相組織であるか、または２０体積％以上の下部ベ
イナイト組織を含み、残りがマルテンサイト組織または
上部ベイナイト組織の１方または双方を含む混合組織で
ある耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、化学工業、原子
力などの分野で使用される熱交換器や配管用鋼管、耐熱
バルブおよび接続継手などに好適な焼戻脆化および４０
０℃以上の高温における長時間使用時のクリープ脆化を
抑制した低Ｃｒフェライト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】４００℃以上の高温で使用される耐熱鋼
は“オーステナイト系耐熱鋼”と“フェライト系耐熱
鋼”に大別され、温度、圧力等の使用環境と経済性を考
慮してどちらかの鋼種を適宜選択して使用される。

【０００３】後者のフェライト系耐熱鋼は、一般に数％
のＣｒを含んでおり、必要に応じてＷ、Ｍｏ、Ｎｉおよ
びＣｏ等の合金元素を含有させた鋼で、組織はδ-フェ
ライト、焼戻マルテンサイトまたは焼戻ベイナイト組織
である。

【０００４】フェライト系耐熱鋼のなかで低Ｃｒフェラ
イト鋼は、Ｃｒを含有しているため炭素鋼に比べて耐酸
化性、高温耐食性および高温強度に優れている。また、
熱膨張係数が小さいく、靱性、溶接性および熱伝導性に
も優れている。さらに、低Ｃｒ耐熱鋼は、オーステナイ
ト系ステンレス鋼や高Ｃｒフェライト鋼に比べて安価で
るあるという利点がある。

【０００５】このような多くの利点を備えた低Ｃｒフェ
ライト耐熱鋼の代表例としては、ＪＩＳで規格化されて
いるＳＴＢＡ２０（0.5Cr-0.5Mo)、ＳＴＢＡ２２（1.0C
r-0.5Mo)、ＳＴＢＡ２３（1.25Cr-0.5Mo)、ＳＴＢＡ２
４(2.25Cr-1.0Mo)、ＳＴＢＡ２５（5.0Cr-0.5Mo)等があ
る。

【０００６】しかし、低Ｃｒフェライト鋼はオーステナ
イト系耐熱鋼や高Ｃｒフェライト系耐熱鋼に比べて高温
強度に劣っている。

【０００７】高温強度を向上させる目的で、析出強化元
素であるＶ、Ｎｂ、ＴｉおよびＴａを添加した低Ｃｒフ
ェライト鋼が、特開昭55-6458号公報、特開昭57-131349
号公報、特公昭61-16419号公報、特公昭61-34501号公報
等により数多く提案されている。

【０００８】さらに、析出強化型の低Ｃｒフェライト鋼
として、タービン用材料である1Cr-1Mo-0.25V鋼や高速
増殖炉用構造材料である2.25Cr-1Mo-Nb鋼等がよく知ら
れている。

【０００９】しかし、このような析出強化元素による低
Ｃｒフェライト系耐熱鋼の高強度化には以下のような問
題が生ずる場合がある。

【００１０】Ｖ、ＮｂおよびＴｉ等の析出強化元素の大
半は、焼きならし時にはマトリックス中に固溶している
が、焼ならし後の所定の温度での焼戻しにより微細な炭
窒化物が析出して、強化される。しかし、炭窒化物は粒
内に高密度に析出するため、粒内のみが強化されて旧オ
ーステナイト粒界が相対的に弱くなる。そのため、焼戻
後や長時間の使用中に衝撃破面遷移温度が５０℃以上も
上昇する、いわゆる焼戻脆化が生じる。

【００１１】一般に、焼戻し脆化は粒界偏析し易いＰ、
Ｓ、ＳｂおよびＳｎ等の不純物量を低減することにより
抑えられると考えられている。しかしながら、Ｖ、Ｎｂ
およびＴｉ等により粒内が析出強化されている場合に
は、たとえ粒界偏析元素を低減しても、粒内強度が粒界
強度を上回っている。さらに、析出物を微細分散させる
と、焼戻し時の残留応力の緩和が起こりにくくなるた
め、残留応力の不均一分布が生じ、脆化領域である粒界
で割れが生じやすくなる。

【００１２】低Ｃｒフェライト系耐熱鋼の高温強度を、
焼戻し脆化を発生させることなく高めることができれ
ば、下記のような利点が得られる。

【００１３】１）従来、高温腐食がそれほど厳しくない
使用環境で、高温強度が必要とされる用途にはオーステ
ナイト系ステンレス鋼あるいは高Ｃｒフェライト系鋼が
使用されていたが、そのような用途にも安価な低Ｃｒフ
ェライト系鋼の使用が可能となり、低Ｃｒフェライト系
鋼の特性、例えば優れた溶接性を生かすことができる。

【００１４】２）高強度化により、部材の肉厚を薄くす
ることが可能となり、それにより熱伝導性が向上し、プ
ラントの熱効率が改善されるとともに、プラントの起
動、停止に伴う熱疲労負荷を軽減することができる。

【００１５】３）部材の薄肉化によりプラントのコンパ
クト化と製造コストの低減ができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、焼戻
脆化および長時間使用時のクリープ脆化が抑制され、か
つ実用ボイラの使用温度である４００℃〜６２５℃とい
った高温でのクリープ強度が安定して高く、既存低Ｃｒ
耐熱鋼と同等以上の良好な靱性、溶接性および耐食性を
有するするＣｒ含有量が３％以下の析出硬化型の低Ｃｒ
フェライト系耐熱鋼を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明例の要旨は下記の
通りである。

【００１８】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
ｒ：０．５〜３％、Ｖ：０．０２〜０．５％、Ｍｏ：
０．０１〜２．５％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎ：０．
０１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０１５
％以下を含み、金属組織が、下部ベイナイト単相組織で
あるか、または２０体積％以上の下部ベイナイト組織を
含み、残りがマルテンサイト組織または上部ベイナイト
組織の１方または双方を含む混合組織である耐焼戻脆性
に優れた高強度低Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

【００１９】本発明者は、Ｃｒ含有量が３％以下の析出
強化型の低Ｃｒフェライト耐熱鋼について、焼戻脆化お
よび長時間使用時のクリープ脆化を防止するため、化学
組成と組織について種々実験、検討した。特に、透過電
子顕微鏡の観察により炭窒化物の析出形態、下部組織中
のマルテンサイト組織と上部または下部ベイナイト組織
の体積比を求め、焼戻脆化感受性およびクリープ強度と
の関係を系統的に調査した。その結果、次のような知見
を得た。

【００２０】ａ）フェライト組織を含む場合には、焼戻
し前および焼戻し後ともに、靱性は最も不芳となるので
フェライトを含む組織は避けなければならない。

【００２１】ｂ）一方、マルテンサイト組織または上部
ベイナイト単相組織の場合にも、靱性が不芳となる。

【００２２】ｃ）下部ベイナイト単相組織、または体積
比で２０％以上の下部ベイナイト組織を含み、残りがマ
ルテンサイト組織または上部ベイナイト組織の一方また
は双方を含む混合組織である場合に、焼戻後の靱性値が
最も良好であり、且つ高温で長時間に渡って安定な組織
となる。

【００２３】ｄ）焼戻し後に認められる粒内析出物は、
Ｖ、ＮｂおよびＴｉを主成分とする炭化物及び窒化物で
ある。これらの析出物は、焼入後の組織が下部ベイナイ
ト単相組織、または体積比で２０％以上の下部ベイナイ
トを含み、残りがマルテンサイト組織または上部ベイナ
イト組織の一方または双方を含む混合組織である場合に
は、均一に分布するので、焼戻し脆性が生じにくくな
る。

【００２４】ｅ）上部ベイナイトの比率が高くなると、
焼戻後これらの析出物がラス界面に沿って列状に配列
し、高強度化への寄与が小さくなる。一方、マルテンサ
イトの比率が高くなると、これらの析出物が微細化し、
かつ高密度に析出するため、焼戻後も、残留応力が十分
に緩和されない。その結果、焼戻脆化感受性が高くな
る。

【００２５】ｆ）Ｍｏ添加により焼戻脆性は飛躍的に改
善される。しかしながら、Ｍｏが析出すると、その効果
は消滅するため、Ｍｏを固溶状態で維持する必要があ
る。Ｖを含まない鋼の場合には、ＭｏはＭｏ₂Ｃ炭化物
として析出してしまい、固溶Ｍｏ量は確保できない。一
方、Ｖを添加すると、ＶＣが優先析出するためＭｏ₂Ｃ
は析出しなくなる。その結果、固溶状態のＭｏが多く残
り、焼戻脆化感受性が低下する。

【００２６】ｇ）固溶Ｎ低減により、焼戻脆化感受性は
低下する。ただし、Ｎ量が０．００４％を超える場合に
は、微量のＴｉを添加してＴｉＮとして固溶Ｎ量を低減
することにより焼戻脆化が抑えられる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、本発明において金属組織お
よび化学組成を限定した理由を詳しく説明する。なお、
以下に示す化学組成の％はすべて重量％を意味する。

【００２８】下部ベイナイト単相組織：ベイナイト変態
は、せん断変形によって、オーステナイト組織からフェ
ライト結晶構造に変化する合金元素の拡散を伴わない無
拡散変態の一種である。ただし、ベイナイト変態ではＣ
原子の拡散が生ずるため、変態と同時にセメンタイトが
析出し、ベイナイト組織はフェライトとセメンタイトの
混合組織となっている。

【００２９】ベイナイト組織はセメンタイトの析出形態
の差異から、下部ベイナイトと上部ベイナイトに分けら
れる。このうち、下部ベイナイト組織はベイナイト粒内
に比較的細かいセメンタイトが均一分散した組織であ
る。

【００３０】Ａｃ₃点以上の温度からの焼入時の組織
中、下部ベイナイト組織が２０体積％以上を占める場合
に、焼入れ後の破面遷移温度と焼戻し後の破面遷移温度
の差（△Ｔ）は最大でも４０℃以下に抑えられる。一
方、下部ベイナイト組織が２０％未満になると△Ｔは４
０℃を超える場合があるので、焼入後の下部ベイナイト
組織は２０体積％以上とした。したがって、下部ベイナ
イトが１００％の単層組織でもよく、混合組織でもよ
い。混合組織にする場合は、下記のような組織にする必
要がある。 混合組織：混合組織にする場合は、２０体積％以上の下
部ベイナイトを含み、残りがマルテンサイト組織または
上部ベイナイト組織の１方または双方を含む混合組織と
することにより、焼戻し脆性の発生を防止することがで
きる。

【００３１】上部ベイナイト組織は、ベイナイト粒の界
面に比較的粗大なセメンタイトが板状に存在する。この
上部ベイナイトが、８０体積％未満の場合は△Ｔが最大
でも４０℃以下に抑えられるが、８０％以上になると△
Ｔは４０℃を超える場合がある。従って、下部ベイナイ
ト組織と上部ベイナイト組織が混合した場合でも、上部
ベイナイト組織の体積率を８０％未満とする必要があ
る。

【００３２】マルテンサイト組織は、典型的な無拡散変
態によって生じた組織であり、ベイナイト変態のような
Ｃの拡散は伴わない。したがって、焼入後の組織は、高
密度の転位を含んだラス状の組織、または自己焼戻によ
りマルテンサイト粒内に微細なセメンタイトが分布した
組織となる。このマルテンサイトが、８０体積％未満の
場合はΔＴが最大でも４０℃以下に抑えられるが、８０
％以上になると△Ｔは４０℃を超える場合がある。従っ
て、下部ベイナイト組織とマルテンサイト組織が混合し
た場合でも、マルテンサイト組織の体積率を８０％未満
とする必要がある。

【００３３】また、下部ベイナイト組織、上部ベイナイ
ト組織およびマルテンサイトの混合組織にする場合で
も、△Ｔを最大でも４０℃以下に抑えるためには、上部
ベイナイトとマルテンサイトの合計量を８０体積％未満
にする必要がある。

【００３４】各組織の体積は、焼戻し前の焼入れ材およ
び焼戻材から薄膜試料を作成し、透過電子顕微鏡で１０
０００倍で観察して各組織の体積を下記の方法で求め、
１０視野の平均値とする。

【００３５】すなわち、焼入れ材または焼入れ後焼戻し
た材料で、各組織の面積比を求め、それをそのまま体積
比とする。面積比はそのまま体積比になるからである。
なお、面積比はミクロ写真で面積を直接測定することが
できる。一般的には体積比を求めるには焼入れ材を用い
るが、焼戻し材を用いてもよい。すなわち、多数の材料
の観察を重ねた結果、焼戻し材でも各組織の判別が可能
であり、焼入れ材および焼戻し材から求められる体積比
はほとんど一致することを確認した。

【００３６】また、各組織の識別は以下の基準によりお
こなう。

【００３７】１）焼入れ材の場合 下部ベイナイト組織：板状のセメンタイトがベイナイト
粒内に特定の方向に並んで析出している領域 上部ベイナイト組織：板状のセメンタイトがベイナイト
粒界面や旧オーステナイト粒界に沿って板状に析出して
いる領域 マルテンサイト組織：転位が高密度に含まれたラス状組
織または紡錘状のセメンタイトがマルテンサイト粒内に
均一分散している領域 ２）焼戻し材の場合 焼戻し下部ベイナイト組織： 透過電子顕微鏡を用いて１００００倍で観察した場合、
直径０．５μm以 上の析出物が粒内のラス内部と粒界に析出している領域 焼戻し上部ベイナイト組織：直径０．５μm以上の析出
物が粒内のラス界面と粒界に析出している領域 焼戻しマルテンサイト組織：直径０．５μm以上の析出
物が粒界ののみ析出している領域 なお、上記直径０．５μm以上の析出物とは、Ｍ₂₃Ｃ
₆型、Ｍ₇Ｃ₃型およびＭ₆Ｃ型の炭化物の中で特に粗大化
したもののことである。

【００３８】なお、フェライト組織は、焼入性が不十分
である場合に、旧オーステナイト粒界を核にして析出す
る。フェライト組織の析出は、焼戻後のみならず焼入ま
まの靱性にも悪影響を与えるため、フェライト組織の析
出は押さえなければならない。フェライト組織は、透過
電子顕微鏡で観察すれば、焼入れ材、焼戻し材共に極め
て転位密度の低い領域として確認できる。

【００３９】上記のような金属組織を得るには鋼成分に
応じて以下に示す熱処理を施せばよい。

【００４０】下部ベイナイト単相組織にするには、各鋼
の連続冷却変態線図に示されるフェライトノーズにかか
らず、ベイナイトノーズを経由するような冷却速度を選
べばよい。また、ベイナイトノーズの位置によって混合
組織化が可能となる。例えば、マルテンサイトとの混合
組織とするためには、ベイナイトノーズの先端を経由す
るような冷却速度を選べばよい。一方、上部ベイナイト
の混合組織とするには、フェライトノーズにわずかに接
するような冷却速度を選ぶ。下部ベイナイト＋上部ベイ
ナイト＋マルテンサイトの混合組織とするには、Ｍ_S点
直上で数分保持した後Ｍ_S点以下に焼入れすればよい。

【００４１】以下、化学組成について説明する。

【００４２】Ｃ：０．０１〜０．２５％ Ｃは、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ等と炭化物を形成し、高温強度に
寄与するとともに、それ自体がオーステナイト安定化元
素として組織を安定化する。また、組成にに応じてマル
テンサイト、下部ベイナイト、上部ベイナイトのバラン
ス制御のためにも重要となる。

【００４３】Ｃ含有量が０．０１％未満では炭化物の析
出量が不十分である上に、焼入性が低下して強度と靱性
を損なう。一方、０．２５％を超えると炭化物が過剰に
析出し、鋼が著しく硬化して加工性と溶接性を損なう。
したがって、Ｃ含有量の範囲は０．０１〜０．２５％と
した。望ましくは、０．０５〜０．１５％である。

【００４４】Ｃｒ：０．５〜３％ Ｃｒは、耐酸化性と高温耐食性の改善のために不可欠な
元素である。Ｃｒ含有量が０．５％未満ではこれらの効
果が得られない。一方、３％以上では、経済性が低下し
て低Ｃｒフェライト鋼の利点が少なくなる。したがっ
て、Ｃｒ含有量の範囲は０．５％以上、３％以下とし
た。

【００４５】Ｖ：０．０２〜０．５％ Ｖは、ＭＸ型微細析出物を形成する重要な元素である。
すなわち、ＶはＣと結合して微細なＶＣを形成して高強
度化に大きく寄与する。さらに、フリーＣを固定するた
め、耐焼戻脆性に効果のあるＭｏは炭化物として析出せ
ず、固溶Ｍｏ量が確保される。

【００４６】しかしながら、０．０２％未満ではＶＣの
析出量が少なく、上記の効果が得られない。一方、０．
５％を超え過剰に含有させると、ＶＣが粗大化して、か
えって強度と靱性を損なう。したがって、Ｖ含有量は
０．０２〜０．５％とした。望ましくは０．０５〜０．
２５％である。

【００４７】Ｍｏ：０．０１〜２．５％ Ｍｏは、固溶強化の作用を有する。さらに、固溶Ｍｏは
耐焼戻脆性を著しく改善する。しかし、Ｍｏ含有量が
０．０１％未満ではこの効果は得られない。一方、２．
５％を超えるとその効果が飽和するとともに、かえって
溶接性と靱性を損なう。したがって、Ｍｏ含有量の範囲
は、０．０１〜２．５％とした。望ましくは０．０５〜
１．５％で、さらに望ましくは０．１〜１％である。

【００４８】Ｔｉ：０〜０．０５％ Ｔｉは、必要により含有させる元素で、Ｎ含有量が多い
場合、例えば０．００６％を超える場合に含有させるの
がよく、固溶Ｎを固定し焼戻脆化の抑制に有効である。
含有させる場合は０．００２％以上がよい。さらに、溶
接部など局部的に加熱されて結晶粒の粗大化が問題とな
る場合には、Ｔｉを含有させることで粗大化が防止でき
る。しかし、０．０５％を超えて含有させると、かえっ
て靱性を劣化させるため、Ｔｉ含有量の上限は０．０５
％とするのが好ましい。望ましくは０．０３％以下で、
さらに望ましくは０．０２％以下である。

【００４９】Ｎ：０．０１％以下 Ｎは、Ｖ、ＮｂおよびＴｉと結合して微細な炭窒化物を
形成し、クリープ強度の向上、結晶粒微細化による靱性
改善に寄与する。しかしながら、固溶Ｎは焼戻脆化を助
長するので、Ｎ含有量が０．０１％を超えて多量になる
と靱性が著しく劣化する。望ましくは０．００６％以下
である。

【００５０】Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以
下 Ｐ、Ｓは不可避不純物元素であり、いずれも焼戻脆化を
助長する。このため、可能な限り低くすることが望まし
い。Ｐの許容上限は０．０３％、Ｓの許容上限は０．０
１５％である。望ましいＰの上限は０．０１５％、Ｓの
上限は０．００５％である。

【００５１】本発明鋼は、少なくとも上記の化学組成に
する必要があるが、さらに、次に述べるような合金元素
を選択的に含有させることができる。

【００５２】Ｎｂ：０．００２〜０．２％ Ｎｂは、Ｖと同様にＣと結合してＭＸ型析出物を形成
し、クリープ強度の向上に寄与する。時に、ＭＸ中でＶ
とＮｂが相互固溶すると、ＭＸが微細になるとともに、
粗大化が抑制されて長時間クリープ強度の低下を防止す
る。さらに、結晶粒を微細化し、靱性の改善にも有効で
ある。しかし、Ｎｂ含有量が０．００２％未満では上記
効果が得られない。一方、０．２％を超えると鋼を著し
く硬化させて靱性、溶接性および加工性を損なう。した
がって、Ｎｂ含有量の範囲は０．００２〜０．２％とす
るのがよい。望ましくは０．００５〜０．１％である。

【００５３】Ｔａ：０．００２〜０．２％ Ｔａは、Ｔｉと同様に固溶Ｎを固定し、耐焼戻脆化の改
善に有効である。しかし、Ｔａ含有量が０．００２％未
満では上記効果が得られない。一方、０．２％を超える
と鋼を著しく硬化させて靱性、溶接性および加工性を損
なう。したがって、Ｔａ含有量の範囲は０．００２〜
０．２％とするのがよい。望ましくは０．００５〜０．
０３％である。

【００５４】Ｗ：０．０２〜５％ Ｗは、Ｍｏと同様に固溶強化作用を有する。さらに、耐
焼戻脆化改善効果も有する。しかし、Ｗ含有量が０．０
２％未満ではこの効果は得られない。一方、５％を超え
るとその効果が飽和するとともに、粗大な析出物が析出
して溶接性と靱性を損なう。したがって、Ｗ含有量の範
囲は０．０２〜５％とするのがよい。望ましくは、２．
５％以下である。

【００５５】Ｂ：０．０００１〜０．０１％ Ｂは、高温でも長時間にわたり安定した強度の確保に有
効な元素である。しかし、Ｂ含有量が０．０００１％以
下ではこの効果が得られない。一方、０．０１％を超え
ると、旧オーステナイト粒界上への粗大炭化物の析出を
促進するため、強度や靱性低下の原因となる。したがっ
て、Ｂ含有量の範囲は０．０００１〜０．０１％とする
のがよい。

【００５６】Ｃｏ：０．０１〜０．５％ Ｃｏは、オーステナイト安定化元素であり、かつ固溶強
化作用を有する。しかし、Ｃｏ含有量が０．０１％未満
ではこの効果が得られない。一方、０．５％を超えると
高温クリープ強度を低下させる。また、経済性の点から
も過剰添加は好ましくない。したがって、Ｃｏ含有量は
０．０１〜０．５％とするのがよい。望ましくは０．２
％以下である。

【００５７】Ｎｉ：０．０１〜０．５％ Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、かつ靱性改
善に寄与する。しかし、Ｎｉ含有量が０．０１％未満で
はこの効果が得られない。一方、０．５％を超えると高
温クリープ強度や靱性を劣化させる。また、経済性の点
からも過剰添加は好ましくない。したがって、Ｎｉ含有
量は０．０１〜０．５％とするのがよい。望ましくは
０．２％以下である。

【００５８】Ｃｕ：０．０１〜０．５％ Ｃｕは、オーステナイト安定化元素であり、かつ熱伝導
性の向上に寄与する。しかし、Ｃｕ含有量が０．０１％
未満ではこの効果は得られない。一方、０．５％を超え
ると高温クリープ強度や靱性を劣化させる。したがっ
て、Ｃｕ含有量は０．０１〜０．５％とするのがよい。
望ましくは０．２％以下である。

【００５９】Ａｌ：０．００１〜０．０５％ Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として有効な元素である。しか
し、Ａｌ含有量が０．００１％未満では脱酸効果が得ら
れない。一方、０．０５％を超えるとクリープ強度と加
工性を損なう。したがって、Ａｌ含有量の範囲は０．０
０１〜０．０５％とするのがよい。望ましくは０．０１
５％以下である。

【００６０】Ｓｉ：０．５％以下 Ｓｉは、鋼の耐水蒸気酸化特性を向上させる元素であ
る。しかし、Ｓｉは焼戻脆化を助長し、Ｓｉ含有量が
０．５％を超えると、焼戻後の靱性が著しく劣化する。
したがって、Ｓｉ含有量の上限は０．５％とするのがよ
い。望ましくは０．３％以下である。

【００６１】Ｍｎ：１％以下 Ｍｎは、溶製時の脱硫おび脱酸効果によって熱間加工性
を向上させる。さらには、焼入性を向上させる。しか
し、１％を超えて含有させると、焼入後の靱性を著しく
劣化させる。したがって、Ｍｎ含有量の上限は１％とす
るのがよい。望ましくは０．８％以下である。

【００６２】熱処理については、鋳造のまま、または熱
間加工後の鋼をＡｃ３点以上で焼きならしをおこなった
後、水冷または空冷による焼入れが望ましい。これをＡ
ｃ１点以下で焼戻をしてもよく、また焼入材をそのまま
焼戻なしで製品に供してもよい。さらに、溶接ＨＡＺ部
についても、本発明例で規定する組織を有していれば、
母材に匹敵する強度および耐焼戻脆化特性を有する。

【００６３】なお、本発明の耐熱鋼は、溶接後等でおこ
なわれる応力緩和熱処理（ＳＲ）時のＳＲ脆化感受性を
も低減する効果もあり、溶接が必要な部材としても好適
である。

【００６４】

【実施例】表１および表２に示す化学成分の各鋼を１５
０ｋｇ真空溶解炉で溶解し、鍛造して得たインゴットを
１２００〜１０００℃で鍛造、圧延して厚さ２０ｍｍの
鋼板とした。これら鋼板に、Ａｃ₃温度以上で焼きなら
しを施した後、焼入れ後の組織を変化させるため、焼入
れ温度および冷却速度を下記の範囲内で種々変化させて
焼入を施した。なお、冷却速度は、炉冷、空冷、油冷お
よび水冷等により変化させた。

【００６５】焼入れ温度：１１００〜９５０℃、冷却速
度：０．０２〜２℃／秒

【００６６】

【表１】

【００６７】

【表２】

【００６８】焼入した各鋼板から電解研磨により透過電
子顕微鏡観察用の薄膜試料を作製し、透過電子顕微鏡観
察を用いて鋼中のマルテンサイト、下部ベイナイト、上
部ベイナイト、およびフェライトの体積率を測定した。
体積率は、透過電子顕微鏡１００００倍の倍率で１０視
野の観察をおこない、それらの平均値を求めた。

【００６９】焼入れした各鋼板の一部から、シャルピー
衝撃試験片を作製した。

【００７０】また、残りの鋼板は、６００℃〜Ａｃ１温
度以下の温度範囲内で温度と保持時間を種々変化させて
焼戻し処理をおこない、シャルピー衝撃試験片を作成し
た。

【００７１】シャルピー衝撃試験片は、１０×１０×５
５（ｍｍ）、２ｍｍノッチのＪＩＳ４号試験片とした。

【００７２】これらの試験片を用いてシャルピー衝撃試
験をおこない、延性−脆性破面遷移温度ｖＴｓを求め、
焼入れ材の破面遷移温度ｖＴｓと焼戻し材の破面遷移温
度ｖＴｓとの差△Ｔを求め、焼戻し脆化感受性の評価指
標とした。なお、焼戻し材の破面遷移温度は、靱性劣化
が最も著しい（ｖＴｓが最大値となる）焼戻し条件で焼
戻した材料（焼戻し脆化材）のものである。

【００７３】その結果を表３および４に示す。

【００７４】

【表３】

【００７５】

【表４】

【００７６】焼戻脆化感受性の評価指標△Ｔが、≦４０
℃の場合は焼戻脆性が良好、△Ｔ＞４０℃の場合は耐焼
戻脆性が不芳と評価した。

【００７７】高温強度を測定するため、焼入れした各鋼
板を、７５０または７７０℃の範囲の温度で焼戻処理を
実施し、常温引張強度を所定の値に揃えたのち、クリー
プ試験をおこなった。クリープ試験は直径６ｍｍ、ＧＬ
が３０ｍｍの試験片を用い、５００℃で最長１００００
ｈの試験をおこない、回帰計算により５００℃×８００
０ｈの平均クリープ破断強度を求めた。

【００７８】表３および表４に評価結果を示す。１〜１
４鋼が本発明鋼である。また、Ａ〜Ｐ鋼および１´〜５
´鋼が比較鋼である。比較鋼の１´〜５´鋼は化学組成
は本発明例で規定する範囲内にあるが下部ベイナイトの
体積率が本発明で規定する範囲外にある比較鋼である。

【００７９】表３および表４から明らかなように、下部
ベイナイトを２０〜１００％含む組織の本発明鋼におい
ては、全て△Ｔはいずれも４０℃以下に抑えられてい
る。このため、焼戻後の靱性値も良好である。さらに、
５００℃×８０００ｈ時間のクリープ強度は２４５ＭＰ
ａ以上と、高温強度も良好である。

【００８０】図１は、表３および表４に基づき。下部ベ
イナイト量と焼戻脆化感受性の指標ΔＴとの関係を図に
示したものである。図１から明らかなように下部ベイナ
イト比率と△Ｔには一義的な関係があり、下部ベイナイ
ト比率２０％以上の場合には、△Ｔは４０℃以下であ
り、耐焼戻脆性が良好である。

【００８１】一方、本発明で規定する組織になっていな
い比較鋼においては、耐焼戻脆性、焼戻後の靱性、高温
強度のいずれかが不芳であることが分かる。

【００８２】

【発明の効果】本発明の耐熱鋼は、耐焼戻し脆化および
耐クリープ脆化に優れ、４００℃以上の高温でのクリー
プ強度が高く、高温で長時間曝される構造材、さらには
溶接や加工後の残留応力除去熱処理が必要な構造材、ま
たは構造部材に好適で、優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼戻脆化感受性と下部ベイナイトの関係を示す
図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２５％、Ｃ
   ｒ：０．５〜３％、Ｖ：０．０２〜０．５％、Ｍｏ：
   ０．０１〜２．５％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎ：０．
   ０１％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０１５
   ％以下を含み、金属組織が、下部ベイナイト単相組織で
   あるか、または２０体積％以上の下部ベイナイト組織を
   含み、残りがマルテンサイト組織または上部ベイナイト
   組織の１方または双方を含む混合組織であることを特徴
   とする耐焼戻脆性に優れた高強度低Ｃｒフェライト系耐
   熱鋼。