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JP2010138465A - Heat resistant steel having excellent creep strength, and method for producing the same - Google Patents

Heat resistant steel having excellent creep strength, and method for producing the same Download PDF

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JP2010138465A
JP2010138465A JP2008317624A JP2008317624A JP2010138465A JP 2010138465 A JP2010138465 A JP 2010138465A JP 2008317624 A JP2008317624 A JP 2008317624A JP 2008317624 A JP2008317624 A JP 2008317624A JP 2010138465 A JP2010138465 A JP 2010138465A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new heat resistant steel having excellent high temperature properties, durability or the like for a long time, having no remarkable reduction in creep strength even if being used at 650°C for a long time, and suitable to the material for a turbine. <P>SOLUTION: The heat resistant steel comprises, by mass, 0.06 to 0.13% C, 8.5 to 9.8% Cr, 0.10 to 0.25% V, 0.03 to 0.08% Nb, 0.2 to 5.0% W, 1.0 to 5.0% Co, 0.002 to 0.015% B, 0.015 to 0.025% N and 0.010 to 2.0% Ru, if required, comprises 0.01 to 1.5% Re or/and 0 to 1.5% Mo or/and 0 to 0.2% Si, and, if required, further comprises one or two selected from 0 to 0.2% Mn and 0 to 0.25% Ni. Its long time creep strength is improved, and, by applying the steel to a turbine rotor or a turbine member, the increase of steam temperature is made possible, and it contributes to the improvement of power generating efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高温での長時間クリープ強度を要求される耐熱鋼に関するものであり、発電用タービンロータ軸、タービンディスク、タービンブレード、ボルト、ボイラ用配管、化学プラント用圧力容器などの高温機器に適するものである。   The present invention relates to a heat-resistant steel that requires long-term creep strength at high temperatures, and is used in high-temperature equipment such as a turbine rotor shaft for power generation, a turbine disk, a turbine blade, bolts, piping for boilers, and pressure vessels for chemical plants. It is suitable.

火力発電システムでは発電効率を一層高効率化させるために、蒸気タービンの蒸気温度をますます上昇させる傾向にあり、その結果、タービン用材料に要求される高温特性も一層厳しいものとなっている。従来からこの用途に使用できる材料として数多くの耐熱鋼が提案されている。その中でも、特許文献1、特許文献2で提案されている開発耐熱鋼は、比較的高温強度に優れていることが知られている。
また600℃近傍における長時間側では、金属組織の劣化によってクリープ強度が極端に低下することが問題となっており、長時間クリープ強度の低下を抑制するため、種々の耐熱鋼が提案されている。特許文献3で提案されている開発耐熱鋼は、主にCr含有量を規定することによってクリープ強度低下を抑制していることが特徴である。また特許文献4、特許文献5、特許文献6などで提案されている耐熱鋼はクリープ強度だけではなく優れた靭性、耐水蒸気酸化性、耐高温酸化特性を兼ね備えていることを特徴としている。
特開平4−147948号公報 特開平8−3697号公報 特開2002−256396号公報 特開平11−217655号公報 特開2000−248341号公報 特開2000−119820号公報
Thermal power generation systems tend to raise the steam temperature of steam turbines in order to further increase power generation efficiency, and as a result, the high temperature characteristics required for turbine materials are becoming more severe. Many heat-resistant steels have been proposed as materials that can be used for this purpose. Among them, it is known that the developed heat-resistant steel proposed in Patent Document 1 and Patent Document 2 is relatively excellent in high-temperature strength.
Moreover, on the long time side in the vicinity of 600 ° C., there is a problem that the creep strength is extremely lowered due to deterioration of the metal structure, and various heat resistant steels have been proposed in order to suppress the long time creep strength from being lowered. . The developed heat-resistant steel proposed in Patent Document 3 is characterized in that it suppresses the decrease in creep strength mainly by defining the Cr content. Further, the heat resistant steels proposed in Patent Document 4, Patent Document 5, Patent Document 6 and the like are characterized by having not only creep strength but also excellent toughness, steam oxidation resistance, and high temperature oxidation resistance.
JP-A-4-147948 JP-A-8-3697 JP 2002-256396 A JP-A-11-217655 JP 2000-248341 A Japanese Patent Laid-Open No. 2000-19820

しかし、高Crフェライト系耐熱鋼は650℃で長時間使用すると、Cr含有量に大きく影響を受けその程度は異なるが、一般的にはクリープ強度が著しく低下する。そこで、使用上限温度をクリープ強度の著しい低下が認められない620℃程度に制限しているのが現状である。そのため、Cr含有量を最適化した上で、650℃で長時間使用しても、クリープ強度の著しい低下を生じないタービン用材料の開発が望まれている。   However, when high Cr ferritic heat resistant steel is used at 650 ° C. for a long time, the Cr content is greatly affected by the Cr content, but the degree of creep is generally significantly reduced. Therefore, the current upper limit temperature is limited to about 620 ° C. at which no significant decrease in creep strength is observed. Therefore, it is desired to develop a turbine material that optimizes the Cr content and does not cause a significant decrease in creep strength even when used for a long time at 650 ° C.

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、650℃付近での長時間使用に伴う高温クリープ強度の著しい低下を抑制する事によって、長時間にわたって優れた高温特性、耐久性等が期待される新規な耐熱鋼を提供することを目的とする。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and is expected to have excellent high-temperature characteristics, durability, etc. over a long period of time by suppressing a significant decrease in high-temperature creep strength associated with long-term use at around 650 ° C. An object of the present invention is to provide a new heat resistant steel.

上記課題を解決するため、本発明では、焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト系耐熱鋼において、長時間におけるクリープ強度に最も影響を与えるCr含有量を最適化した上で、Ruを含有する微細な析出相をラス内およびラス、ブロック、パケットなどの境界に析出させることにより、長時間側でクリープ強度の著しい低下現象を生じず、高い高温長時間クリープ強度を有する耐熱鋼を提供する。   In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, in a ferritic heat resistant steel having a tempered martensite structure, the Cr content that most affects the creep strength over a long period of time is optimized, and then a fine precipitate containing Ru is contained. By precipitating the phase within the lath and at the boundaries of the lath, block, packet, etc., a heat resistant steel having a high high temperature long time creep strength without causing a significant decrease in creep strength on the long time side is provided.

上記課題を解決するため、第1の発明の耐熱鋼は、質量%で、炭素(C):0.06〜0.13%、クロム(Cr):8.5〜9.8%、バナジウム(V)0.10〜0.25%、ニオブ(Nb):0.03〜0.08%、タングステン(W):0.2〜5.0%、コバルト(Co):1.0〜5.0%、硼素(B):0.002〜0.015%、窒素(N):0.015〜0.025%、ルテニウム(Ru):0.01〜2.0%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the heat-resisting steel of the first invention is, in mass%, carbon (C): 0.06-0.13%, chromium (Cr): 8.5-9.8%, vanadium ( V) 0.10 to 0.25%, niobium (Nb): 0.03 to 0.08%, tungsten (W): 0.2 to 5.0%, cobalt (Co): 1.0 to 5. 0%, boron (B): 0.002-0.015%, nitrogen (N): 0.015-0.025%, ruthenium (Ru): 0.01-2.0%, the balance being iron It consists of (Fe) and inevitable impurities.

第2の発明の耐熱鋼は、質量%で、炭素(C):0.06〜0.13%、クロム(Cr):8.5〜9.8%、バナジウム(V)0.10〜0.25%、ニオブ(Nb):0.03〜0.08%、タングステン(W):0.2〜5.0%、コバルト(Co):1.0〜5.0%、硼素(B):0.002〜0.015%、窒素(N):0.015〜0.025%、ルテニウム(Ru):0.01〜2.0%、レニウム(Re):0.01〜1.5%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする。   The heat-resisting steel of the second invention is in mass%, carbon (C): 0.06-0.13%, chromium (Cr): 8.5-9.8%, vanadium (V) 0.10-0. .25%, niobium (Nb): 0.03-0.08%, tungsten (W): 0.2-5.0%, cobalt (Co): 1.0-5.0%, boron (B) : 0.002-0.015%, Nitrogen (N): 0.015-0.025%, Ruthenium (Ru): 0.01-2.0%, Rhenium (Re): 0.01-1.5 %, The balance being iron (Fe) and inevitable impurities.

第3の発明の耐熱鋼は、上記第1または第2の発明において、さらに質量%で、モリブデン(Mo):0〜1.5%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする。   The heat-resisting steel according to a third aspect of the present invention is the heat-resisting steel according to the first or second aspect of the present invention. It is characterized by that.

第4の発明の耐熱鋼は、上記第1〜3のいずれかの発明において、さらに質量%で、珪素(Si):0〜0.2%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする。   The heat-resisting steel according to a fourth aspect of the present invention is the heat-resistant steel according to any one of the first to third aspects, further comprising mass (%), silicon (Si): 0 to 0.2%, with the balance being iron (Fe) and inevitable impurities It is characterized by comprising.

第5の発明の耐熱鋼は、上記第1〜4のいずれかの発明において、さらに質量%で、マンガン(Mn):0〜0.2%、ニッケル(Ni):0〜0.25%の1種または2種を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする。   The heat-resisting steel according to a fifth aspect of the present invention is the heat-resisting steel according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, further comprising, by mass, One or two types are included, and the balance consists of iron (Fe) and inevitable impurities.

第6の発明の耐熱鋼は、上記第1〜5のいずれかの発明に記載の耐熱鋼組成を有し、かつ成分含有量の関係において、{6[%Mo]+16[%W]+38[%Ru]+14[%Re]−59[%Cr]}×0.1+49で表される長時間クリープ強化パラメータ([%]は元素の質量%を示す )が0以上であることを特徴とする。   The heat resistant steel of the sixth invention has the heat resistant steel composition described in any one of the first to fifth inventions, and in terms of the component content, {6 [% Mo] +16 [% W] +38 [ % Ru] +14 [% Re] −59 [% Cr]} × 0.1 + 49 The long-time creep strengthening parameter ([%] indicates element mass%) is 0 or more. .

第7の発明の耐熱鋼の製造方法は、上記第1〜6のいずれかの発明の耐熱鋼組成を有する鋼塊を熱間鍛造し、次いで1050〜1150℃に加熱して焼入れを施した後、500℃〜740℃で一回以上の焼戻し処理を施し、焼戻し処理でCrRuW相を析出させることを特徴とする。   The heat-resistant steel manufacturing method of the seventh invention is a method of hot forging a steel ingot having the heat-resistant steel composition of any one of the first to sixth inventions, followed by heating to 1050 to 1150 ° C. and quenching. The tempering process is performed at least once at 500 ° C. to 740 ° C., and the CrRuW phase is precipitated by the tempering process.

第8の発明の耐熱鋼の製造方法は、上記第1〜6のいずれかの発明の耐熱鋼組成を有する鋼塊を熱間鍛造し、次いで1060〜1120℃に加熱して焼入れを施した後、500℃〜620℃で1回目の焼戻し処理を施し、660℃〜740℃で2回目の焼戻し処理を施し、これら焼戻し処理でCrRuW相を析出させることを特徴とする。   The method for producing a heat-resistant steel according to an eighth aspect of the present invention comprises hot forging a steel ingot having the heat-resistant steel composition according to any one of the first to sixth aspects, and then heating to 1060 to 1120 ° C. to quench the steel ingot. The first tempering treatment is performed at 500 ° C. to 620 ° C., the second tempering treatment is performed at 660 ° C. to 740 ° C., and the CrRuW phase is precipitated by these tempering treatments.

以上説明したように、本発明の耐熱鋼によれば、炭素(C):0.06〜0.13%、クロム(Cr):8.5〜9.8%、バナジウム(V)0.10〜0.25%、ニオブ(Nb):0.03〜0.08%、タングステン(W):0.2〜5.0%、コバルト(Co):1.0〜5.0%、硼素(B):0.002〜0.015%、窒素(N):0.015〜0.025%、ルテニウム(Ru):0.010〜2.0%を含み、所望により、レニウム(Re):0.01〜1.5%または/およびモリブデン(Mo):0〜1.5%または/および珪素(Si):0〜0.2%を含み、さらに所望により、マンガン(Mn):0〜0.2%、ニッケル(Ni):0〜0.25%の1種または2種を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなるので、長時間クリープ強度が向上し、タービンロータやタービン部材に使用する材料に適用することにより、蒸気温度の高温化が可能となり、発電効率向上に寄与する。また、タービン部材以外の用途に対しても、高温特性に優れ、かつ耐久性に優れた材料として提供することができる。   As described above, according to the heat resistant steel of the present invention, carbon (C): 0.06 to 0.13%, chromium (Cr): 8.5 to 9.8%, vanadium (V) 0.10. -0.25%, niobium (Nb): 0.03-0.08%, tungsten (W): 0.2-5.0%, cobalt (Co): 1.0-5.0%, boron ( B): 0.002-0.015%, Nitrogen (N): 0.015-0.025%, Ruthenium (Ru): 0.010-2.0%, optionally rhenium (Re): 0.01-1.5% or / and molybdenum (Mo): 0-1.5% or / and silicon (Si): 0-0.2%, further optionally manganese (Mn): 0 0.2%, nickel (Ni): 0 to 0.25% 1 or 2 types, the balance is iron (Fe) and inevitable Since from the object, a long time is improved creep strength, by applying the material used for the turbine rotor and turbine member, enables high temperature steam temperature, which contributes to the power generation efficiency. Moreover, it can provide as a material excellent in the high temperature characteristic and durability also for uses other than a turbine member.

また、上記成分範囲において、{6[%Mo]+16[%W]+38[%Ru]+14[%Re]−59[%Cr]}×0.1+49 で表される長時間クリープ強化パラメータを0以上にすることによって、より長時間側まで高いクリープ強度を維持することができる。   In the above component range, the long-time creep strengthening parameter represented by {6 [% Mo] +16 [% W] +38 [% Ru] +14 [% Re] −59 [% Cr]} × 0.1 + 49 is set to 0. By doing so, a high creep strength can be maintained for a longer time.

−−−作用、限定理由−−−
以下に、本発明耐熱鋼の成分元素の作用、およびその限定理由について説明する。なお、各成分の含有量はいずれも質量%で示される。
-Action, reason for limitation ---
Below, an effect | action of the component element of this invention heat-resistant steel and its limitation reason are demonstrated. In addition, all content of each component is shown by the mass%.

C:0.06〜0.13%
Cは焼入れ性向上元素であり、マルテンサイト組織に変態させるために必須の元素であるとともに、合金中のFe、Cr、Mo、W、V、Nb、などと結合して炭化物や炭窒化物を形成し、室温および高温強度を高める。C量が少ないとデルタフェライトや初析フェライトが析出し、強度と靭性を低下させるとともに、炭化物の析出量が減少して金属間化合物(Fe,Cr)(Mo,W)型Laves相の粗大化が促進されるため、長時間クリープ強度も低下する。そのため最低0.06%のC含有を必要とする。一方、0.13%を超えて過剰に含有させると炭化物の粗大化を促進してクリープ強度が低下するため、その含有量を0.06〜0.13%に限定した。好ましくはCの下限が0.08%、より好ましくは0.09〜0.12%である。
C: 0.06-0.13%
C is an element for improving hardenability, and is an essential element for transforming into a martensite structure, and combines with Fe, Cr, Mo, W, V, Nb, etc. in the alloy to form carbides and carbonitrides. To increase room temperature and high temperature strength. When the amount of C is small, delta ferrite and pro-eutectoid ferrite are precipitated, reducing strength and toughness, and reducing the amount of carbides precipitated, resulting in coarse intermetallic (Fe, Cr) 2 (Mo, W) type Laves phase. Since the crystallization is promoted, the long-term creep strength also decreases. Therefore, a C content of at least 0.06% is required. On the other hand, if the content exceeds 0.13%, the coarsening of the carbide is promoted and the creep strength decreases, so the content is limited to 0.06 to 0.13%. Preferably, the lower limit of C is 0.08%, more preferably 0.09 to 0.12%.

Cr:8.5〜9.8%
Crは本発明では後述するRu、Reとともに最も重要な元素の一つである。本発明者らは、650℃で認められる長時間クリープ強度の著しい低下現象とその機構の解明を行い、さらに長時間クリープ強度の低下を抑制する方策について研究を実施した。その研究の結果、長時間クリープ強度の低下を抑制する重要な要素として、その詳細を後述する長時間クリープ強化パラメータ値を提案しており、望ましい形態として該パラメータ値が0以上であることを明らかにしている。
その加速クリープ抑制パラメータ式を構成する元素の係数の絶対値が最も大きいのがCrであり、二番目に大きいのがRuである。該Crの添加量を厳しく制限することによって、本発明鋼の特徴である長時間クリープ強度の低下を抑制し、高いクリープ強度を長時間に渡って維持することが可能となる。一般的には8〜12%Crのフェライト系耐熱鋼においては、従来はCr%が高くなるに従い、室温引張強度や600℃以上の温度における高応力・短時間(100〜2000時間前後)のクリープ強度が高くなるため、デルタフェライトの発生しない範囲において、高Cr側にする方が好ましいとの考え方であった。ところが今回650℃近傍での長時間クリープ試験を詳細に実施した結果から、Cr含有量が9.8%を越えるとクリープ強度保持のため必要なマルテンサイト鋼の微細組織がクリープ試験条件の高温と応力により著しく変化し、ミクロ組織観察からマルテンサイトの微細組織が回復し等軸なサブグレイン化しているのが認められた。また、微細析出ラーベス相が消失し、析出物の凝集粗大化の著しい進行が観察され、転位密度も著しく減少していた。
Crは、マルテンサイト組織に変態させるために必須の元素である。またCrはM23炭化物や金属間化合物(Fe,Cr)(Mo,W)型Laves相を形成し、これらをラス、ブロック、パケットなどの境界や結晶粒界に析出させることにより、クリープ強度を向上させる元素であるため、最低8.5%以上必要である。Cr含有量は特にV炭窒化物やNb炭窒化物の挙動に影響する。Cr量が多いほどZ相が早期に析出するとともに、微細なNb炭窒化物やMX炭窒化物が時効中やクリープ中に消失するため、長時間クリープ強度が著しく低下する。一方、Cr量が低い場合、これらの微細な炭窒化物が時効やクリープ中にも長時間安定に存在するとともに、微細なV炭窒化物の析出が起こり、長時間クリープ強度の低下を軽減することができる。さらにCr含有量が8.5%未満では室温および高温強度が低くなり、9.8%を超えるとM23炭化物やLaves相および後述のCrRuW相の粗大化を促進して長時間クリープ強度を著しく低下させ、11%を超えるとデルタフェライトが析出して室温および高温強度と靭性を低下させる。そのため、Cr含有量を8.5%〜9.8%に限定する。なお、前記と同様の理由で上限を9.5%未満とするのが望ましく、さらに、長時間クリープ強度を向上させるためには、8.7〜9.3%が望ましい。Ruを添加した場合もCrの影響の方が大きいため、その含有量を9.5%未満とするのが望ましい。
Cr: 8.5 to 9.8%
In the present invention, Cr is one of the most important elements together with Ru and Re described later. The present inventors have clarified the phenomenon of the remarkable decrease in long-term creep strength observed at 650 ° C. and the mechanism thereof, and further conducted research on measures for suppressing the decrease in long-term creep strength. As a result of the research, as an important factor to suppress the decrease in long-term creep strength, a long-term creep strengthening parameter value, which will be described later in detail, has been proposed, and it is clear that the parameter value is 0 or more as a desirable form. I have to.
Cr has the largest absolute value of the coefficient of the elements constituting the accelerated creep suppression parameter equation, and Ru has the second largest value. By severely limiting the amount of Cr added, it is possible to suppress a decrease in long-term creep strength, which is a feature of the steel of the present invention, and to maintain a high creep strength for a long time. Generally in 8-12% Cr ferritic heat-resistant steels, conventionally, as Cr% increases, room temperature tensile strength and creep at high stress and short time (around 100-2000 hours) at a temperature of 600 ° C or higher. Since the strength is increased, the idea is that the higher Cr side is preferable in the range where delta ferrite is not generated. However, based on the results of detailed long-term creep tests at around 650 ° C. this time, when the Cr content exceeds 9.8%, the microstructure of the martensitic steel necessary for maintaining the creep strength is the high temperature of the creep test conditions. It was remarkably changed by the stress, and it was recognized from the microstructure observation that the martensite microstructure was recovered and formed into equiaxed subgrains. In addition, the finely precipitated Laves phase disappeared, a marked progress of agglomeration and coarsening of the precipitate was observed, and the dislocation density was also significantly reduced.
Cr is an essential element for transforming into a martensite structure. Further, Cr forms M 23 C 6 carbide and intermetallic compound (Fe, Cr) 2 (Mo, W) type Laves phase, and precipitates these at the boundaries and grain boundaries of laths, blocks, packets, etc. Since it is an element that improves the creep strength, it needs to be at least 8.5%. The Cr content particularly affects the behavior of V carbonitride and Nb carbonitride. With Z phase as Cr amount is large is precipitated early, fine Nb carbonitrides and M 2 X carbonitride to disappear during or creep aging, long-term creep strength decreases significantly. On the other hand, when the amount of Cr is low, these fine carbonitrides exist stably for a long time during aging and creep, and fine V carbonitrides precipitate, reducing the reduction in long-term creep strength. be able to. Furthermore, when the Cr content is less than 8.5%, the room temperature and high temperature strength are low, and when it exceeds 9.8%, the M 23 C 6 carbide, the Laves phase and the CrRuW phase described later are promoted to increase the long-term creep strength. When the content exceeds 11%, delta ferrite precipitates and lowers the room temperature and high temperature strength and toughness. Therefore, the Cr content is limited to 8.5% to 9.8%. For the same reason as described above, the upper limit is desirably less than 9.5%. Further, in order to improve the creep strength for a long time, 8.7 to 9.3% is desirable. Even when Ru is added, the effect of Cr is greater, so the content is preferably less than 9.5%.

V:0.10〜0.25%
Vは、Nb、Cr、Mo、W、Ruなどとともに微細炭化物、炭窒化物を形成して、クリープ強度を向上させるのに有効であり、最低0.10%を必要とする。一方、0.25%を越えると炭素を過度に固定し、炭化物の析出量が増加して高温強度を低下させるので、0.10〜0.25%に限定する。より好ましくは下限0.14%、上限0.22%である。
V: 0.10 to 0.25%
V is effective for improving the creep strength by forming fine carbides and carbonitrides together with Nb, Cr, Mo, W, Ru and the like, and requires at least 0.10%. On the other hand, if it exceeds 0.25%, the carbon is excessively fixed, the amount of precipitation of carbides increases, and the high temperature strength is lowered, so it is limited to 0.10 to 0.25%. More preferably, the lower limit is 0.14% and the upper limit is 0.22%.

Nb:0.03〜0.08%
Nbは、微細炭化物、炭窒加物を形成し、クリープ強度を向上させるとともに、結晶粒の微細化を促進し低温靱性を向上させる元素であり、最低0.03%必要である。しかし、0.08%を越えて含有させると、粗大な炭化物および炭窒加物が析出し延靱性を低下させるため、0.03〜0.08%に、より好ましくは下限0.04%、上限0.07%に限定する。
Nb: 0.03 to 0.08%
Nb is an element that forms fine carbides and carbonitrides, improves creep strength, promotes refinement of crystal grains and improves low temperature toughness, and needs to be at least 0.03%. However, if the content exceeds 0.08%, coarse carbides and carbonitrides precipitate and lower the ductility, so 0.03 to 0.08%, more preferably the lower limit is 0.04%, The upper limit is limited to 0.07%.

W:0.2〜5.0%
Wは、合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させたり、炭化物の凝集粗大化を抑制することにより、強度とクリープ強度を向上させる元素であるため、最低0.2%必要である。またWは、Fe、Cr、Mo、Re、RuなどとともにLaves相を形成し、Laves相をマルテンサイトラスなどの境界に塊状に析出させて強度とクリープ強度を向上させる。また2.5%以上のW添加により、ラス内にも微細板状に析出してクリープ強度が向上する。一方、5.0%を越えてWを過剰に添加するとデルタフェライトを形成したり、強度の過度の上昇やLaves相の凝集粗大化を促進することにより延靭性が低下するため、0.2%〜5.0%に限定する。なお、同様の理由で、好ましくは下限を1.0%、上限を4.0%に限定する。より好ましくは下限を3.5%に限定する。
W: 0.2-5.0%
W is an element that improves the strength and creep strength by solid-solution strengthening in the alloy and strengthening the matrix, or suppressing the agglomeration and coarsening of carbides, so it needs to be at least 0.2%. W forms a Laves phase together with Fe, Cr, Mo, Re, Ru, and the like, and deposits the Laves phase in the form of a lump on a boundary such as martensite to improve strength and creep strength. Moreover, addition of 2.5% or more of W improves the creep strength by precipitating in a fine plate shape in the lath. On the other hand, if W is added in excess of 5.0%, delta ferrite is formed, or excessive increase in strength or aggregation of Laves phase is promoted to reduce ductility, so 0.2% Limited to ~ 5.0%. For the same reason, the lower limit is preferably limited to 1.0% and the upper limit is limited to 4.0%. More preferably, the lower limit is limited to 3.5%.

Co:1.0〜5.0%
Coは、デルタフェライトの生成を抑制し、また固溶強化作用を有するとともに、炭化物やLaves相の析出量を増加させることで強度とクリープ強度を向上させる。デルタフェライトの生成を防止し、クリープ強度を有効に向上させるためには1.0%以上の含有が必要である。一方、5.0%を越えて含有すると延性、および高温クリープ強さが低下し、さらにコストが上昇するとともに炭化物やLaves相の粗大化を促進してクリープ強度が低下するので、1.0〜5.0%に限定する。なお、同様の理由で、好ましくは下限を2.0%、上限を4.0%に限定する。
Co: 1.0-5.0%
Co suppresses the formation of delta ferrite, has a solid solution strengthening effect, and improves the strength and creep strength by increasing the amount of precipitation of carbides and the Laves phase. In order to prevent the formation of delta ferrite and to effectively improve the creep strength, it is necessary to contain 1.0% or more. On the other hand, if the content exceeds 5.0%, ductility and high-temperature creep strength are reduced, and further, the cost is increased and the coarsening of carbides and Laves phases is promoted to reduce the creep strength. Limited to 5.0%. For the same reason, the lower limit is preferably limited to 2.0% and the upper limit is limited to 4.0%.

B:0.002〜0.015%
Bは、旧オーステナイト粒界、マルテンサイトパケット、マルテンサイトブロック、およびマルテンサイトラス内の析出炭化物、析出炭窒化物および析出Laves相の凝集粗大化を高温長時間にわたって抑制する効果を有する元素である。またBは、NbやVの炭窒化物を高温まで安定に存在させるため、焼入れ温度を高めることができ、これによっても強度とクリープ強度を高めることができる。これらの効果を得るために、最低0.002%必要である。一方、Bを0.015%を越えて含有すると窒素と結合してBN(窒化ホウ素)が析出し、延靭性が低下したり、有効なB量が減少することによってクリープ強度が低下するため、その含有量を0.002〜0.015%に限定する。なお、同様の理由で下限を0.005%、上限を0.010%とするのが望ましい。
B: 0.002 to 0.015%
B is an element that has an effect of suppressing aggregation and coarsening of the prior austenite grain boundaries, martensite packets, martensite blocks, and precipitated carbides, precipitated carbonitrides, and precipitated Laves phases in the martensite lath over a high temperature for a long time. In addition, since B makes Nb and V carbonitrides stably present up to a high temperature, the quenching temperature can be increased, and the strength and the creep strength can also be increased. In order to obtain these effects, a minimum of 0.002% is necessary. On the other hand, when B exceeds 0.015%, BN (boron nitride) is bonded to nitrogen and precipitates, and the toughness is reduced, or the creep strength is reduced by reducing the effective amount of B. The content is limited to 0.002 to 0.015%. For the same reason, it is desirable that the lower limit is 0.005% and the upper limit is 0.010%.

N:0.015〜0.025%
Nはマトリックスに固溶すること、および、NbやV、W、Mo、Ruなどとともに炭窒化物を形成し、強度とクリープ強度を向上させる。またNはデルタフェライトの生成を抑制する元素でもあり、これらの効果を発揮するには、少なくとも0.015%の含有量が必要である。一方、Nを過剰に添加すると、BN(窒化ホウ素)の形成によってクリープ延性や靭性が低下するとともに、クリープ強化に有効なB量およびN量が減少する。そのため、その含有量を0.015〜0.025%に限定する。より好ましくは0.015〜0.020%に限定する。
N: 0.015-0.025%
N dissolves in the matrix, and forms carbonitride with Nb, V, W, Mo, Ru, etc., and improves strength and creep strength. N is also an element that suppresses the formation of delta ferrite, and a content of at least 0.015% is necessary to exert these effects. On the other hand, when N is added excessively, creep ductility and toughness are reduced due to the formation of BN (boron nitride), and the B content and N content effective for creep strengthening are reduced. Therefore, the content is limited to 0.015 to 0.025%. More preferably, it is limited to 0.015 to 0.020%.

Ru:0.01〜2.0%
Ruは本特許出願において、最も重要な元素である。Ruはニッケル基超合金において、相安定性を高め、クリープ強度を高める元素として知られている。今回これをフェライト鋼に添加した場合の効果について実験研究により長時間クリープ試験、クリープ歪み計測試験を実施することにより確認できたので、本特許出願に至ったものである。
Ruはマトリックスを固溶強化させることにより、クリープ強度を向上させる。また靭性を向上させる効果もあるため、少なくとも0.01%以上必要であり、0.1%以上が望ましい。Ruを1%前後添加しても高Cr耐熱鋼の変態点を大きく変えないため、焼戻しマルテンサイト組織の安定性を低下させることがない。RuはCr、W、Mo、V、Re等とともに微細で長時間安定な微細析出相(後述のCrRuW相)を形成する。この析出相がマルテンサイトラス内や、ラス、ブロック、パケットなどの境界に析出することによって、長時間クリープ強度を向上させる。またRuはFe、Cr、Mo、W、Re等とともに金属間化合物(Fe,Cr,Ru,Re)(Mo,W)型Laves相やM23炭化物を形成し、長時間クリープ強度を向上させる。このような微細析出相の分散は、成分の調整とともに後述する製造方法の採用により実現することができる。一方、Ruを過剰に添加すると、これらの析出物の粗大化が促進されてクリープ強度が低下するとともに、Ruは高価な金属でもあるため、上限を2.0%に限定する。また1%以上のRuを単独添加だけでなく、RuとReとの複合添加においても効果的にクリープ強度を向上させることができるため、望ましくは上限が1.5%である。さらに望ましくはRu含有量の下限0.15%、上限1.0%である。
Ru: 0.01 to 2.0%
Ru is the most important element in this patent application. Ru is known as an element that enhances phase stability and creep strength in nickel-base superalloys. The effect of adding this to ferritic steel has been confirmed by conducting a long-term creep test and a creep strain measurement test through experimental research.
Ru improves the creep strength by solid solution strengthening of the matrix. Moreover, since there exists an effect which improves toughness, at least 0.01% or more is required and 0.1% or more is desirable. Even if about 1% of Ru is added, the transformation point of the high Cr heat-resisting steel is not significantly changed, so that the stability of the tempered martensite structure is not lowered. Ru together with Cr, W, Mo, V, Re, etc. forms a fine precipitate phase (CrRuW phase described later) that is stable for a long time. This precipitated phase precipitates in the martensite lath and at the boundaries of laths, blocks, packets, etc., thereby improving the long-term creep strength. Ru forms an intermetallic compound (Fe, Cr, Ru, Re) 2 (Mo, W) type Laves phase and M 23 C 6 carbide together with Fe, Cr, Mo, W, Re, etc., and provides long-term creep strength. Improve. Such dispersion of the finely precipitated phase can be realized by adopting a production method described later together with adjustment of the components. On the other hand, when Ru is added excessively, the coarsening of these precipitates is promoted and the creep strength is lowered. Since Ru is also an expensive metal, the upper limit is limited to 2.0%. Further, not only the addition of 1% or more of Ru alone but also the combined addition of Ru and Re can effectively improve the creep strength, so the upper limit is desirably 1.5%. More desirably, the lower limit is 0.15% and the upper limit is 1.0% of the Ru content.

Re:0.01〜1.5%
Reは本発明では前述したCrとともに重要な元素の一つである。Reは、ごく微量(0.01%以上)の添加で固溶強化に著しく寄与し、マトリックスの高温長時間の組織安定性を高めて、高温クリープ強度を向上させる効果を有し、同時に靱性をも向上させる効果を有する。さらにReはLaves相にも含まれ、微細なLaves相の消失やLaves相の粗大化を抑制する。これらにより650℃近傍での長時間クリープ強度の著しい低下を抑制するので所望により含有させる。この効果を十分に発揮するためには0.1%以上の含有が望ましい。一方、Reは高価な金属であり、また過剰に含有すると加工性を低下させるとともに、Reを過剰に添加してもクリープ強度の増加効果は小さいため、その含有量を0〜1.5%とした。また好ましくはReの上限が1.0%であり、さらに好ましくは下限0.15%、上限0.6%である。
Re: 0.01 to 1.5%
Re is one of the important elements together with Cr described above in the present invention. Re contributes significantly to solid solution strengthening with the addition of a very small amount (0.01% or more), has the effect of improving the high-temperature creep strength by increasing the high-temperature long-term structural stability of the matrix, and at the same time toughness Also has the effect of improving. Furthermore, Re is also included in the Laves phase, and suppresses the disappearance of the fine Laves phase and the coarsening of the Laves phase. Since these suppress the remarkable fall of long-term creep strength in the vicinity of 650 ° C., they are contained as desired. In order to fully exhibit this effect, the content of 0.1% or more is desirable. On the other hand, Re is an expensive metal, and if it is contained excessively, the workability is lowered, and even if Re is added excessively, the effect of increasing the creep strength is small, so its content is 0-1.5%. did. Preferably, the upper limit of Re is 1.0%, more preferably the lower limit is 0.15% and the upper limit is 0.6%.

Mo:0〜1.5%
Moは炭化物の凝集粗大化を抑制し、また合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させる。さらにMoは、マトリックスにLaves相として微細分散析出して高温強さ、および高温クリープ強度を向上させるのに有効に働く元素であり、所望により含有させる。一方、Moを過剰に含有させるとデルタフェライトを生成しやすくなるとともに、Laves相の凝集粗大化も促進し、クリープ強度が低下するため、1.5%以下とした。なお、この効果を十分に発揮させるためには、Moの上限を1.2%、より好ましくは0.5%とするのがさらに望ましい。
Mo: 0 to 1.5%
Mo suppresses the agglomeration and coarsening of carbides, and solid dissolves in the alloy to strengthen the matrix. Furthermore, Mo is an element that works effectively to improve the high-temperature strength and the high-temperature creep strength by finely dispersing and precipitating as a Laves phase in the matrix, and is contained if desired. On the other hand, when Mo is excessively contained, delta ferrite is likely to be generated and cohesive coarsening of the Laves phase is promoted, and the creep strength is lowered. In order to sufficiently exhibit this effect, it is further desirable that the upper limit of Mo be 1.2%, more preferably 0.5%.

Si:0〜0.2%
Siは、脱酸材として通常使用されるとともに、水蒸気酸化特性を向上させる元素であり、所望により含有させる。一方、Siを過剰に添加すると、鋼塊内部の偏析や焼戻し脆化感受性が増加する。また、炭化物の粗大化を助長し、高温クリープ強度が低下するため、その含有量を0.2%以下に限定した。この効果を十分に発揮させるため、望ましくはSiの上限が0.10%、より好ましくは上限が0.02%である。
Si: 0 to 0.2%
Si is an element that is usually used as a deoxidizing material and improves steam oxidation characteristics, and is contained as desired. On the other hand, when Si is excessively added, segregation inside the steel ingot and susceptibility to temper embrittlement increase. Moreover, since the coarsening of a carbide | carbonized_material is promoted and high temperature creep strength falls, the content was limited to 0.2% or less. In order to fully exhibit this effect, the upper limit of Si is desirably 0.10%, and more preferably 0.02%.

Mn:0〜0.2%
Mnは、安価なオーステナイト安定化元素であり、かつ靱性向上に寄与するので所望により含有させる。しかしMnを0.2%を越えて添加すると炭化物やLaves相の凝集粗大化を助長し、高温クリープ強度が低下するとともに、焼戻し脆化感受性も増加する。従って、Mn含有量を0.2%以下に限定する。なお、同様の理由で、好ましくは0.1%以下が望ましい。
Mn: 0 to 0.2%
Mn is an inexpensive austenite stabilizing element and contributes to the improvement of toughness. However, when Mn is added in excess of 0.2%, the coarsening of carbides and Laves phases is promoted, high-temperature creep strength is lowered, and temper embrittlement susceptibility is also increased. Therefore, the Mn content is limited to 0.2% or less. For the same reason, 0.1% or less is desirable.

Ni:0〜0.25%
Niは、Mnと同様にオーステナイト安定化元素であり、デルタフェライトの生成を抑制するとともに、靱性を向上させるので所望により含有させる。Niを過剰に添加すると、炭化物やLaves相の凝集粗大化を助長し、高温クリープ強度が低下する。従って、Niの許容含有量を0.25%以下に限定する。なお、好ましくは0.15%以下に限定する。
Ni: 0 to 0.25%
Ni is an austenite stabilizing element like Mn, and suppresses the formation of delta ferrite and improves toughness, so Ni is included as desired. When Ni is added excessively, the coarsening and coarsening of carbides and Laves phases are promoted, and the high temperature creep strength is lowered. Therefore, the allowable content of Ni is limited to 0.25% or less. In addition, Preferably it limits to 0.15% or less.

Cu:0.1〜1.3%
Cuは、Mn、Niと同様にオーステナイト安定化元素であり、かつ靭性向上に寄与するので所望により含有させる。ただし0.1%未満では上記の効果が十分でなく、一方、1.3%を越えて含有させると高温クリープ強さを低下させるとともに、熱間加工性を低下させる。従って、その含有量を0.1〜1.3%に限定する。この範囲の中でも、下限を0.3%%、上限を0.8%とするのが望ましい。
Cu: 0.1 to 1.3%
Cu is an austenite stabilizing element like Mn and Ni, and contributes to the improvement of toughness, so is contained as desired. However, if the content is less than 0.1%, the above effect is not sufficient. On the other hand, if the content exceeds 1.3%, the high temperature creep strength is lowered and the hot workability is lowered. Therefore, the content is limited to 0.1 to 1.3%. Among these ranges, it is desirable that the lower limit is 0.3% and the upper limit is 0.8%.

クリープ強化パラメータ
本発明鋼は、650℃近傍でのクリープ試験を行った場合、そのクリープ歪み−時間曲線において加速クリープの開始が長時間側に移動することで、長時間クリープ強度の著しい低下を抑制できることに特徴がある。その結果として得られる低応力クリープ試験における破断時間は材料の成分に大きく依存しており、その指標として各成分の含有量に基づいて算出される上記の計算式を用いることができる。この計算値が0未満の場合、炭化物やLaves相の粗大化が促進されて加速クリープが早期に開始するため、破断時間が短くなる。この計算値が0以上の場合、炭化物やLaves相の粗大化を抑制できるとともに、Cr、Ru、W、V等を含有する安定な析出相の微細分散によって、加速クリープの開始を遅延させ、破断時間を増大させることができる。
クリープ強化パラメータ式
{6[%Mo]+16[%W]+38[%Ru]+14[%Re]−59[%Cr]}×0.1+49
Creep Strengthening Parameters When the steel of the present invention is subjected to a creep test near 650 ° C., the start of accelerated creep moves to the long time side in the creep strain-time curve, thereby suppressing a significant decrease in long-term creep strength. It is characterized by being able to do it. The resulting rupture time in the low-stress creep test greatly depends on the components of the material, and the above-described calculation formula calculated based on the content of each component can be used as the index. When this calculated value is less than 0, the coarsening of the carbide and the Laves phase is promoted and accelerated creep starts early, so that the fracture time is shortened. When this calculated value is 0 or more, coarsening of carbides and Laves phases can be suppressed, and the start of accelerated creep is delayed by fine dispersion of stable precipitated phases containing Cr, Ru, W, V, etc. Time can be increased.
Creep strengthening parameter formula {6 [% Mo] +16 [% W] +38 [% Ru] +14 [% Re] −59 [% Cr]} × 0.1 + 49

第6〜7の発明に示された耐熱鋼の製造方法は、第1〜5の発明の耐熱鋼を用いて高温クリープ強度を顕著に向上させるために好適な製造方法であり、本製造方法によればマルテンサイト組織に微細CrRuW相を分散析出させることができ、著しく良好な高温クリープ強度を得ることができる。以下にこの耐熱鋼の製造方法の限定理由について説明する。   The heat-resistant steel manufacturing method shown in the sixth to seventh inventions is a manufacturing method suitable for remarkably improving the high-temperature creep strength using the heat-resistant steel of the first to fifth inventions. Therefore, a fine CrRuW phase can be dispersed and precipitated in the martensite structure, and a remarkably good high temperature creep strength can be obtained. The reasons for limiting the method for producing this heat-resistant steel will be described below.

本発明の耐熱鋼は、前記成分を得るべく、常法に従って溶製することができ、その溶製方法が特に限定されるものではない。得られた耐熱鋼には、鍛造等の加工処理や所望の条件で熱処理が施される。   The heat-resistant steel of the present invention can be melted in accordance with a conventional method so as to obtain the above components, and the melting method is not particularly limited. The obtained heat-resistant steel is subjected to a heat treatment under a processing condition such as forging or a desired condition.

焼入れ加熱温度:1050〜1150℃
本発明鋼は、焼入れ加熱によって析出炭窒化物およびCrRuW相を固溶させ、その後の焼戻しで炭窒化物およびCrRuW相を均一微細分散析出させることで高温クリープ強度を向上させる。この耐熱鋼では、Bの含有により析出炭化物、炭窒化物の固溶温度が高温側にシフトするため、1050℃未満の焼入れ加熱温度では析出物の固溶が不十分で良好な高温クリープ強度が得られにくく、一方、1150℃を越えると、結晶粒が粗大化して靭性が低下し、さらにクリープ延性が低下するため、1050〜1150℃の温度範囲での焼入れ加熱に限定した。さらに、1060〜1120℃の温度範囲での焼入れ加熱が望ましい。なお焼入れ時の冷却は、空冷以上の冷却速度で行なえばよく、適宜の冷却速度および冷却媒を選定することができる。
Quenching heating temperature: 1050-1150 ° C
The steel according to the present invention improves the high-temperature creep strength by solid-dissolving the precipitated carbonitride and CrRuW phase by quenching heating and then uniformly finely dispersing and precipitating the carbonitride and CrRuW phase by subsequent tempering. In this heat-resistant steel, the solid solution temperature of precipitated carbides and carbonitrides shifts to the high temperature side due to the inclusion of B, so that the solid solution of precipitates is insufficient at a quenching heating temperature of less than 1050 ° C. and good high temperature creep strength is obtained. On the other hand, when the temperature exceeds 1150 ° C., the crystal grains become coarse and the toughness decreases, and the creep ductility also decreases. Therefore, it is limited to quenching heating in the temperature range of 1050 to 1150 ° C. Furthermore, quenching heating in a temperature range of 1060 to 1120 ° C. is desirable. The cooling at the time of quenching may be performed at a cooling rate equal to or higher than air cooling, and an appropriate cooling rate and cooling medium can be selected.

焼戻し温度:500℃〜740℃
焼戻しでは、上記焼入れ時に生成した残留オーステナイトを分解して焼戻しマルテンサイト単相組織とし、炭化物、炭窒化物、CrRuW相、Laves相をマトリックスに均一微細分散析出させ、転位を回復させることで所望の室温および高温強度、靭性を得、高温クリープ強度を向上させる。焼戻しは1回でもよいが、2回以上で行なうのが望ましく、1回目の焼戻しで、残留オーステナイトを分解するために、M温度以上の温度に加熱する必要がある。この焼戻し温度が500℃未満であると十分に残留オーステナイトが分解せず、一方、620℃を越える温度では、炭化物、炭窒化物、CrRuW相およびLaves相の析出がマルテンサイト組織部において優先的に進行するため、残留オーステナイト部での炭化物、炭窒化物、CrRuW相およびLaves相の析出が不均一となり、高温クリープ強度が低下する。このため、1回目の焼戻し温度を500℃〜620℃の範囲とするのが望ましい。さらに2回目の焼戻しで良好な延性、靭性を得、さらに析出物を安定化させ高温長時間クリープ強度を確保する。このためには、660℃以上の温度で焼戻しを行なうのが望ましく、一方、740℃を越える温度で焼戻しを行なうと所望の室温強さ、高温強度を得ることができないので、2回目の焼戻し温度を660℃〜740℃にするのが望ましい。なお所望により、鍛造と焼入れの間に焼準などの予備熱処理を施すこともできる。
Tempering temperature: 500 ° C to 740 ° C
In tempering, the retained austenite generated during the quenching is decomposed into a tempered martensite single phase structure, and carbide, carbonitride, CrRuW phase, and Laves phase are uniformly finely dispersed and precipitated in the matrix, and the desired dislocation is recovered. Obtains room temperature and high temperature strength and toughness, and improves high temperature creep strength. Tempering may be performed once, but is preferably performed twice or more. In order to decompose the retained austenite in the first tempering, it is necessary to heat to a temperature equal to or higher than the Ms temperature. When the tempering temperature is less than 500 ° C., the retained austenite is not sufficiently decomposed. On the other hand, when the temperature exceeds 620 ° C., precipitation of carbide, carbonitride, CrRuW phase and Laves phase is preferentially performed in the martensitic structure. Since it progresses, the precipitation of carbide, carbonitride, CrRuW phase and Laves phase in the retained austenite part becomes non-uniform, and the high temperature creep strength decreases. For this reason, it is desirable that the first tempering temperature be in the range of 500 ° C to 620 ° C. Furthermore, good ductility and toughness are obtained by the second tempering, and the precipitates are further stabilized to ensure high temperature and long-term creep strength. For this purpose, it is desirable to perform tempering at a temperature of 660 ° C. or higher. On the other hand, if tempering is performed at a temperature exceeding 740 ° C., the desired room temperature strength and high temperature strength cannot be obtained. It is desirable to set 660 to 740 ° C. If desired, preliminary heat treatment such as normalization can be performed between forging and quenching.

以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。実施例に供する試験材として、表1および表2(本発明鋼、比較鋼)に示す組成(残部Fe及び不可避的不純物)を有する合金を用意した。これらの合金は50kg試験鋼塊として真空誘導溶解炉で溶製し、鍛造した後、所定の熱処理を施した。熱処理は、1070℃から油冷相当の焼き入れ処理を行った後、570℃で1回目の焼戻しを行い、さらに680℃で2回目の焼戻しを行なって各供試材を得た。   Examples of the present invention will be described below in comparison with comparative examples. As test materials used in the examples, alloys having the compositions (remainder Fe and inevitable impurities) shown in Table 1 and Table 2 (invention steel, comparative steel) were prepared. These alloys were melted in a vacuum induction melting furnace as a 50 kg test steel ingot, forged, and then subjected to a predetermined heat treatment. In the heat treatment, after quenching treatment corresponding to oil cooling from 1070 ° C., the first tempering was performed at 570 ° C., and the second tempering was further performed at 680 ° C. to obtain each specimen.

上記により得られた供試材に対して、試験温度:650℃でクリープ試験およびクリープ破断試験を行い、クリープ強度を評価した。
表1に示す発明鋼1と比較鋼2における、650℃、137MPaでのクリープ曲線を図1に示す。発明鋼1のクリープ曲線は、比較鋼2のそれに比べて加速クリープの開始が長時間側に移行し、そのため破断時間が大幅に増大している。この傾向は低応力ほど顕著であり、同様に開発鋼の長時間側のクリープ強度も向上させる。
The specimens obtained as described above were subjected to a creep test and a creep rupture test at a test temperature of 650 ° C. to evaluate the creep strength.
The creep curves at 650 ° C. and 137 MPa for the inventive steel 1 and the comparative steel 2 shown in Table 1 are shown in FIG. The creep curve of Invention Steel 1 shows that the start of accelerated creep shifts to a longer time side than that of Comparative Steel 2, and therefore the rupture time is greatly increased. This tendency is more prominent as the stress is lower, and the creep strength on the long-time side of the developed steel is also improved.

本発明鋼No.1について、クリープ強度の向上効果を調べるために透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて析出相の観察を行なった。調質まま材の抽出レプリカによる析出物観察写真を図2に示す。種々の析出物(M23炭化物、Laves相、炭窒化物)が観察された。さらに図2中に矢印で示すように、マルテンサイトラス境界と考えられる部分には、より微細な析出相が並んでいるのが確認された。これらのエネルギー分散型X線分析(EDX)で得られたスペクトルを図3に示す。これよりCr主体で、(Cr+Ru):(W+V)≒8:2の組成を有する析出相(以後、CrRuW相と記述する)であることが判明した。またマルテンサイトラス内と考えられる位置にも微細に分散するこのCrRuW相が認められた。このように、Ruを含有する微細な析出相をラス内およびラス境界に析出させてマルテンサイトラス境界の移動を抑制することにより、組織回復を抑制し、特に長時間側のクリープ強度を向上させることができる。
上記のように、本発明で提案するパラメータにおいて、Ruとともに炭窒化物を形成する元素であるCr、W、Ruおよび類似の性質を有するMo、Reの制御が特に重要である。そのため加速クリープの開始を遅延させ、長時間まで高いクリープ強度を維持することのできる鋼種を規定する新しいパラメータを提案した。表2に示す発明鋼と比較鋼について650℃、118MPaのクリープ破断試験における破断時間と本パラメータとの関係を図4に示す。このパラメータを0以上に制御することにより、高いクリープ強度を得ることができる。
Invention Steel No. In order to investigate the effect of improving the creep strength of No. 1, the deposited phase was observed using a transmission electron microscope (TEM). FIG. 2 shows a photograph of precipitates observed with an extracted replica of the tempered material. Various precipitates (M 23 C 6 carbide, Laves phase, carbonitride) were observed. Further, as indicated by arrows in FIG. 2, it was confirmed that finer precipitated phases were arranged in a portion considered to be a martensitic lath boundary. The spectra obtained by these energy dispersive X-ray analyzes (EDX) are shown in FIG. From this, it was found that this was a precipitated phase (hereinafter referred to as CrRuW phase) mainly composed of Cr and having a composition of (Cr + Ru) :( W + V) ≈8: 2. Further, this CrRuW phase that was finely dispersed was also observed at a position considered to be in the martensite lath. In this way, by suppressing the movement of the martensite lath boundary by precipitating a fine precipitation phase containing Ru in the lath and the lath boundary, the structure recovery is suppressed, and in particular, the creep strength on the long time side is improved. Can do.
As described above, in the parameters proposed in the present invention, control of Cr, W, Ru, which are elements that form carbonitride with Ru, and Mo and Re having similar properties are particularly important. Therefore, a new parameter was proposed to define the steel grade that could delay the start of accelerated creep and maintain high creep strength for a long time. FIG. 4 shows the relationship between the rupture time and this parameter in the creep rupture test at 650 ° C. and 118 MPa for the inventive steel and the comparative steel shown in Table 2. By controlling this parameter to 0 or more, a high creep strength can be obtained.

本発明の実施例における、発明鋼1と比較鋼2の650℃−137MPaでのクリープ歪み−時間曲線である。It is a creep distortion-time curve in 650 degreeC-137MPa of the invention steel 1 and the comparative steel 2 in the Example of this invention. 本発明鋼No.1の調質処理材について、CrRuW相の分布を示す抽出レプリカによる透過電子顕微鏡写真である。Invention Steel No. It is a transmission electron micrograph by the extraction replica which shows distribution of CrRuW phase about the tempering processing material of 1. FIG. 本発明鋼No.1の調質処理材について、CrRuW相のEDX分析で得られたX線プロファイルである。なお、Cuはレプリカ膜を支持する銅メッシュであり、析出相の組成とは無関係である。Invention Steel No. 1 is an X-ray profile obtained by EDX analysis of a CrRuW phase for one tempered material. Cu is a copper mesh that supports the replica film and is independent of the composition of the precipitated phase. 本発明の実施例における供試材について、パラメータと650℃−118MPaでのクリープ破断時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a parameter and the creep rupture time in 650 degreeC-118 MPa about the test material in the Example of this invention.

Claims (8)

質量%で、炭素(C):0.06〜0.13%、クロム(Cr):8.5〜9.8%、バナジウム(V)0.10〜0.25%、ニオブ(Nb):0.03〜0.08%、タングステン(W):0.2〜5.0%、コバルト(Co):1.0〜5.0%、硼素(B):0.002〜0.015%、窒素(N):0.015〜0.025%、ルテニウム(Ru):0.01〜2.0%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼。   In mass%, carbon (C): 0.06 to 0.13%, chromium (Cr): 8.5 to 9.8%, vanadium (V) 0.10 to 0.25%, niobium (Nb): 0.03-0.08%, tungsten (W): 0.2-5.0%, cobalt (Co): 1.0-5.0%, boron (B): 0.002-0.015% , Nitrogen (N): 0.015 to 0.025%, ruthenium (Ru): 0.01 to 2.0%, the balance being iron (Fe) and inevitable impurities, high Cr Ferritic heat resistant steel. 質量%で、炭素(C):0.06〜0.13%、クロム(Cr):8.5〜9.8%、バナジウム(V)0.10〜0.25%、ニオブ(Nb):0.03〜0.08%、タングステン(W):0.2〜5.0%、コバルト(Co):1.0〜5.0%、硼素(B):0.002〜0.015%、窒素(N):0.015〜0.025%、ルテニウム(Ru):0.01〜2.0%、レニウム(Re):0.01〜1.5%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼。   In mass%, carbon (C): 0.06 to 0.13%, chromium (Cr): 8.5 to 9.8%, vanadium (V) 0.10 to 0.25%, niobium (Nb): 0.03-0.08%, tungsten (W): 0.2-5.0%, cobalt (Co): 1.0-5.0%, boron (B): 0.002-0.015% , Nitrogen (N): 0.015 to 0.025%, ruthenium (Ru): 0.01 to 2.0%, rhenium (Re): 0.01 to 1.5%, the balance being iron (Fe ) And unavoidable impurities. High Cr ferritic heat resistant steel. 含有成分として、さらに質量%で、モリブデン(Mo):0〜1.5%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1または2に記載の高Crフェライト系耐熱鋼。   The high Cr content according to claim 1 or 2, further comprising, by mass%, molybdenum (Mo): 0 to 1.5% as a component, the balance being iron (Fe) and inevitable impurities. Ferritic heat resistant steel. 含有成分として、さらに質量%で、珪素(Si):0〜0.2%を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高Crフェライト系耐熱鋼。   The content component further includes, in mass%, silicon (Si): 0 to 0.2%, and the balance is composed of iron (Fe) and inevitable impurities. High Cr ferritic heat resistant steel. 含有成分として、さらに質量%で、マンガン(Mn):0〜0.2%、ニッケル(Ni):0〜0.25%の1種または2種を含み、残部が鉄(Fe)および不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高Crフェライト系耐熱鋼。   As a contained component, it further contains, by mass%, one or two of manganese (Mn): 0 to 0.2%, nickel (Ni): 0 to 0.25%, the balance being iron (Fe) and inevitable The high Cr ferritic heat resistant steel according to claim 1, comprising impurities. 成分含有量の関係において、{6[%Mo]+16[%W]+38[%Ru]+14[%Re]−59[%Cr]}×0.1+49で表される長時間クリープ強化パラメータ([%]は元素の質量%を示す )が0以上であることを特徴とする、請求項1〜5に記載の高Crフェライト系耐熱鋼。   In the relationship of the component content, the long-time creep strengthening parameter represented by {6 [% Mo] +16 [% W] +38 [% Ru] +14 [% Re] −59 [% Cr]} × 0.1 + 49 ([[ %] Indicates mass% of the element) is 0 or more, and the high Cr ferritic heat resistant steel according to claim 1, wherein: 請求項1〜6のいずれかに記載の組成を有する鋼塊を熱間鍛造し、次いで1050〜1150℃に加熱して焼入れを施した後、500℃〜740℃で一回以上の焼戻し処理を施し、焼戻し処理でCrRuW相を析出させることを特徴とするフェライト系耐熱鋼の製造方法。   A steel ingot having the composition according to any one of claims 1 to 6 is hot forged, then heated to 1050 to 1150 ° C and quenched, and then tempered at least once at 500 ° C to 740 ° C. A method for producing a ferritic heat resistant steel, characterized in that a CrRuW phase is precipitated by tempering. 請求項1〜6のいずれかに記載の組成を有する鋼塊を熱間鍛造し、次いで1060〜1120℃に加熱して焼入れを施した後、500℃〜620℃で1回目の焼戻し処理を施し、660℃〜740℃で2回目の焼戻し処理を施し、これら焼戻し処理でCrRuW相を析出させることを特徴とするフェライト系耐熱鋼の製造方法。   A steel ingot having the composition according to any one of claims 1 to 6 is hot forged, then heated to 1060 to 1120 ° C and quenched, and then subjected to a first tempering process at 500 to 620 ° C. And a second tempering treatment at 660 ° C. to 740 ° C., and a CrRuW phase is precipitated by the tempering treatment.
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