JP7372537B2 - オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents
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Landscapes
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
C:0.02~0.12%、
Si:0.01~0.40%、
Mn:0.10~1.50%、
P:0.040%以下、
S:0.020%以下、
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Mo:0.30%以下、
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Co:0~10.0%、
Mg:0~0.050%、
Ca:0~0.050%、
Zr:0~0.10%、
Hf:0~1.0%、
Ta:0~1.0%、
Re:0~5.0%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式および(ii)式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
8.50≦4V+2Nb+W+Cu+15N-6Si≦11.50 ・・・(i)
0.005+7×10-5×d≦15B+REM≦0.075 ・・・(ii)
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合は0を代入するものとする。また、dは平均結晶粒径(μm)を表す。
Mg:0.0005~0.050%、
Ca:0.0005~0.050%、
Zr:0.005~0.10%、
Hf:0.005~1.0%、
Ta:0.01~1.0%、および、
Re:0.01~5.0%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは炭化物を形成してオーステナイト系耐熱合金として必要な高温引張強さ、クリープ破断強度を保持する上で必須の元素である。しかし、その含有量が過剰であると、未固溶炭化物が生じるだけでなく、Crの炭化物が増えて延性、靭性などの機械的性質および耐溶接割れ性を劣化させる。したがって、C含有量は0.02~0.12%とする。C含有量は0.05%以上であるのが好ましく、0.10%以下であるのが好ましい。
Siは脱酸元素として含有される。また、Siは耐酸化性・耐水蒸気酸化性等を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、Laves相または炭窒化物などの析出量、析出形態に影響を及ぼし、クリープ破断強度の低下を招く。したがって、Si含有量は0.01~0.40%とする。Si含有量は0.35%以下であるのが好ましく、0.30%以下であるのがより好ましい。
MnはSiと同様に溶鋼の脱酸作用を有するとともに、鋼中に不可避的に含有されるSを硫化物として固着し高温での延性を改善する。しかし、その含有量が過剰であると、σ相等の金属間化合物相の析出を助長し、組織安定性、高温強度、機械的性質が劣化する。したがってMn含有量は0.10~1.50%とする。Mn含有量は0.20%以上であるのが好ましい。また、Mn含有量は1.20%以下であるのが好ましく、1.00%以下であるのがより好ましい。
Pは不可避的不純物として鋼中に含まれ、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、P含有量は0.040%以下とする。P含有量は極力低くすることが好ましく、0.030%以下であるのが好ましく、0.020%以下であるのがより好ましい。
SはPと同様に鋼中に不可避的不純物として含有され、耐溶接割れ性および高温での延性を著しく低下させる。したがって、S含有量は0.020%以下とする。熱間加工性を重視する場合は、S含有量は0.010%以下であるのが好ましく、0.003%以下であるのがより好ましい。
Crは耐酸化性、耐水蒸気酸化性、耐高温腐食性などの耐食性改善に優れた作用を発揮するとともに、Cr炭窒化物を形成しクリープ破断強度にも寄与する重要な元素である。しかし、その含有量が過剰であると、σ相の析出などによる組織の不安定化を招き、耐溶接割れ性も劣化する。したがって、Cr含有量は20.0~24.0%とする。Cr含有量は21.0%以上であるのが好ましく、23.5%以下であるのが好ましい。
Niはオーステナイト組織を安定にする元素であり、耐食性の確保にも有効な元素である。上記のCr含有量とのバランスから、Ni含有量が不足すると、σ相が高温長時間側で析出し、クリープ破断強度、クリープ破断延性および靭性が著しく低下する。しかし、その含有量が過剰であると、耐溶接割れ性および経済性を損なう。したがって、Ni含有量は22.0~28.0%以下とする。Ni含有量は23.5%以上であるのが好ましく、26.5%以下であるのが好ましい。また、Ni含有量はオーステナイト安定化元素であるNの含有量、およびW等のフェライト安定化元素の含有量も考慮して調整するのが好ましい。
Wは母相に固溶し、固溶強化元素としてクリープ強度向上に寄与するとともに、Fe2W型のLaves相などの金属間化合物相、さらには炭窒化物を析出させ析出強化によりクリープ強度を大幅に向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰であると、析出物が過剰となりクリープ破断延性および靭性の劣化が生じる。したがって、W含有量は2.00~6.00%とする。W含有量は3.00%以上であるのが好ましい。また、W含有量は5.00%以下であるのが好ましく、4.00%以下であるのがより好ましい。
Cuは高温での使用中に微細なCu相として析出しクリープ破断強度を向上させる。特に700℃以下の温度域のクリープ破断強度向上に有効である。その効果を発揮させるためには2.50%以上含有させることが必要である。しかし、3.50%を超えて含有させてもクリープ強度向上効果が飽和するばかりでなく、クリープ破断延性および熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は2.50~3.50%とする。Cu含有量は2.70%以上であるのが好ましく、3.40%以下であるのが好ましい。
NbはVとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。さらに、結晶粒界におけるCr炭窒化物の析出を抑制し、耐応力腐食割れ性の向上にも寄与する。しかし、その含有量が過剰であると、クリープ破断延性および靭性が低下し、耐溶接割れ性、熱間加工性も劣化する。したがって、Nb含有量は0.10~0.80%とする。Nb含有量は0.20%以上であるのが好ましく、0.40%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は0.70%以下であるのが好ましく、0.60%以下であるのがより好ましい。
VはNbとともに微細な炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に大きく寄与する元素である。しかし、その含有量が過剰であると、クリープ破断延性および靭性が低下し、さらに耐高温腐食性も劣化する。したがって、V含有量は0.02~0.80%とする。V含有量は0.05%以上であるのが好ましく、0.08%以上であるのがより好ましい。また、V含有量は0.70%以下であるのが好ましく、0.60%以下であるのがより好ましい。
REMは粒界のSを硫化物として固定し、特に高温長時間側のクリープ破断延性を向上させる元素である。さらにREMは鋼表面のCr2O3保護皮膜の密着性を改善し、特に、繰り返し酸化時の耐酸化性を改善する作用も有するため必要に応じて含有させてもよい。しかし、Cuを含有させる本発明鋼においてはREM含有量が過剰であるとクリープ破断延性が低下し、さらに耐溶接割れ性も損なわれるため、Cu含有量に応じて適切に含有させることが必要である。したがって、含有させる場合のREM含有量は0.004×Cu%以下とする。上記効果を得たい場合は、REM含有量は0.003%以上であるのが好ましい。
Bは炭化物中または母相に存在し、析出する炭窒化物およびLaves相などの微細化を促進するだけでなく、粒界を強化することでクリープ破断強度および破断延性を向上させる元素である。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下し融点も低下する。したがって、B含有量は0.0005~0.0050%とする。B含有量は0.0010%以上であるのが好ましく、0.0015%以上であるのがより好ましい。また、B含有量は0.0045%以下であるのが好ましい。
Alは溶鋼の脱酸剤として含有させる元素である。また、REMを含有させる場合には、REMの効果を最大限に発揮させる効果を有する。しかし、その含有量が過剰であると、非金属介在物が多量析出し、延性、靭性および加工性などが劣化する。したがって、Al含有量は0.10%以下とする。Al含有量は0.070%以下であるのが好ましく、0.050%以下であるのがより好ましい。
NはVまたはNbとともに炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる元素である。また、固溶強化で引張強度も向上させる効果もある。さらにオーステナイト組織を安定化する作用を有する元素でもある。しかし、その含有量が過剰であると、過剰の炭窒化物析出による延性および靭性の低下が生じるだけでなく、鋼中にブローホール欠陥を形成する。したがって、N含有量は0.180~0.300%とする。N含有量は0.190%以上であるのが好ましく、0.270%以下であるのが好ましい。
Moは従来、母相に固溶し、固溶強化元素としてクリープ強度向上に寄与する元素であり、Wと同等の作用を有すると考えられてきた。しかし、本発明においてはMoを含有させると長時間側でσ相が析出しクリープ破断強度、延性および靭性が低下することが判明した。特に、本発明においてはCr含有量が20.0%以上であるため、Mo含有量は極力低くする必要がある。したがって、Mo含有量は0.30%以下とする。Mo含有量は0.20%以下であるのが好ましい。
0.180%以上のNを含有する本発明鋼において、Tiはクリープ破断強度に寄与しない粗大なTi炭窒化物を形成しNを消費するため、N含有によるクリープ破断強度向上効果を低減させる。そのため、本発明においてTi含有量は0.100%以下に制限する。
CoはNiと同様オーステナイト組織を安定にし、クリープ強度向上にも寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、上記の効果も飽和し経済性が低下するだけである。したがって、含有させる場合のCo含有量は10.0%以下とする。Co含有量は8.0%以下であるのが好ましく、7.0%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Co含有量は0.5%以上であるのが好ましく、1.0%超であるのがより好ましい。
Mgは高温での延性を阻害するSを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のMg含有量は0.050%以下とする。Mg含有量は0.020%以下であるのが好ましく、0.010%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Mg含有量は0.0005%以上であるのが好ましく、0.0010%以上であるのがより好ましい。
Caは高温での延性を阻害するSを硫化物として固定して高温延性を改善する作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、清浄性が低下し、かえって高温延性が損なわれる。したがって、含有させる場合のCa含有量は0.050%以下とする。Ca含有量は0.020%以下であるのが好ましく、0.010%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ca含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.0010%以上とするのがより好ましい。
Zrは炭窒化物の微細化を促進するとともに、粒界強化元素としてクリープ破断強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、高温での延性が低下する。したがって、含有させる場合のZr含有量は0.10%以下とする。Zr含有量は0.06%以下であるのが好ましく、0.05%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Zr含有量は0.005%以上であるのが好ましく、0.010%以上であるのがより好ましい。
Hfは炭窒化物として析出強化に寄与し、クリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および耐溶接割れ性が損なわれる。したがって、含有させる場合のHf含有量は1.0%以下とする。Hf含有量は0.80%以下であるのが好ましく、0.50%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Hf含有量は0.005%以上であるのが好ましく、0.010%以上であるのがより好ましく、0.020%以上であるのがさらに好ましい。
Taは炭窒化物を形成するとともに固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のTa含有量は1.0%以下とする。Ta含有量は0.70%以下であるのが好ましく、0.60%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ta含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.05%以上であるのがより好ましく、0.10%以上であるのがさらに好ましい。
Reは主に固溶強化元素として高温強度およびクリープ破断強度を向上させる作用を有するため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、その含有量が過剰であると、加工性および機械的性質が損なわれる。したがって、含有させる場合のRe含有量は5.0%以下とする。Re含有量は4.0%以下であるのが好ましく、3.0%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合は、Re含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.10%以上であるのがより好ましく、0.50%以上であるのがさらに好ましい。
8.50≦4V+2Nb+W+Cu+15N-6Si≦11.50 ・・・(i)
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合は0を代入するものとする。
0.005+7×10-5×d≦15B+REM≦0.075 ・・・(ii)
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合は0を代入するものとする。また、dは平均結晶粒径(μm)を表す。平均結晶粒径は、(ii)式を満たす範囲であれば、制限はないが、50~200μmであることが好ましい。
本発明のオーステナイト系耐熱鋼の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。さらに、必要に応じて焼鈍を行った後、冷間加工を施してもよい。
Claims (2)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.02~0.12%、
Si:0.01~0.40%、
Mn:0.10~1.50%、
P:0.040%以下、
S:0.020%以下、
Cr:20.0~24.0%、
Ni:22.0~28.0%、
W:2.00~6.00%、
Cu:2.50~3.50%、
Nb:0.10~0.80%、
V:0.02~0.80%、
REM:0~0.004×Cu%、
B:0.0005~0.0050%、
Al:0.10%以下、
N:0.180~0.300%、
Mo:0.30%以下、
Ti:0.100%以下、
Co:0~10.0%、
Mg:0~0.050%、
Ca:0~0.050%、
Zr:0~0.10%、
Hf:0~1.0%、
Ta:0~1.0%、
Re:0~5.0%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式および(ii)式を満足する、
オーステナイト系耐熱鋼。
8.50≦4V+2Nb+W+Cu+15N-6Si≦11.50 ・・・(i)
0.005+7×10-5×d≦15B+REM≦0.075 ・・・(ii)
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合は0を代入するものとする。また、dは平均結晶粒径(μm)を表す。 - 前記化学組成が、質量%で、
Mg:0.0005~0.050%、
Ca:0.0005~0.050%、
Zr:0.005~0.10%、
Hf:0.005~1.0%、
Ta:0.01~1.0%、および、
Re:0.01~5.0%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載のオーステナイト系耐熱鋼。
Priority Applications (1)
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