(57)【要約】      （修正有）【課題】高温環境において使用される高ＣでかつＮｉを含有する高Ｃｒ系耐熱鋼において、炭化物の粒界被覆率が靭性に影響を与えることを考慮した、Ｎｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、およびＦｅ並びに不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以上、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４であるＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、およびＦｅ並びに不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４であることを特徴とするＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を含有し、さらに、Ｍｏ：≦１．００％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．３０％、Ｎｂ≦０．５０％、Ｗ：≦１．００％、Ｂ：≦０．０２００％のいずれか１種または２種以上を含有し、さらにＦｅおよび不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４、さらにＡ値の［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］：≦１．０、およびＢ値の５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］：≦１．５であることを特徴とする請求項１に記載のＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、さらに、Ｍｏ：≦１．００％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．３０％、Ｎｂ≦０．５０％、Ｗ：≦１．００％、Ｂ：≦０．０２００％のいずれか１種または２種以上を含有し、さらに、Ｓ：０より大きく０．１５０％以下であり、さらにＦｅおよび不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４、さらにＡ値の［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］：≦１．０、およびＢ値の５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］：≦１．５であることを特徴とする請求項１または２に記載のＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、高温環境において使用されるＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マルテンサイト系耐熱鋼は、高温において使用されるが、冷間加工性が劣るため、通常は、熱間鍛造により、各部材が製造されている。そのため加工時の材料組織および硬さについては、それほど重要視されていなかった。しかしながら、熱間鍛造による製造では、生産性やコストの面で冷間鍛造に比べて劣るという問題があり、近年、これらマルテンサイト系耐熱鋼の冷鍛化の開発が求められている。この場合、冷間鍛造機などの使用により、素材が加工されるため、加工前の素材硬さが少しでも低いことが求められている。
【０００３】
一方、マルテンサイト系耐熱鋼であって冷鍛性に優れた耐熱鋼の製造方法に関する発明として、Ｎｉ含有の高Ｃ系マルテンサイト系耐熱鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この提案の発明は、Ｃの範囲が十分でなく、またＣｒ含有量が低い成分系であり、炭化物の粒界被覆率が靭性に与える影響および耐酸化性に関する記述がない。
【０００４】
さらに、高温使用時に硬さの低減などの特性変化を起こし難いマルテンサイト系耐熱鋼に関する発明が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この発明は、Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．１％以上１．５％未満、およびＣｒ：７．５〜１３．０％に加えて、請求項１では、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５〜３．０％を加え、請求項２では、さらにＮｂ＋Ｔａを加え、請求項３では、さらにＶを添加したマルテンサイト系耐熱鋼である。しかし、この提案の発明は、本願の発明とは成分系が異なり、また炭化物の粒界被覆率が靭性に与える影響に関する記述がない。
【０００５】
上記のように、従来技術では０．８％程度のＣおよび２％程度のＮｉを含有しているが、高Ｃｒ系である耐熱鋼に関する記述がない上に、靭性が低く製造性が低いことも問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２５６７３５号公報
【特許文献２】特開平１１−３２３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高ＣでかつＮｉを含有する高Ｃｒ系の耐熱鋼に係る発明であり、炭化物の粒界被覆率が靭性に影響を与えることを発見したことから着想を得たものであり、さらに、使用環境を考慮して耐酸化性に関しても検討したＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するための手段では、開発鋼１の手段は、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、およびＦｅ並びに不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４であることを特徴とするＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼である。
【０００９】
開発鋼２の手段は、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、さらに、Ｍｏ：≦１．００％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．３０％、Ｎｂ≦０．５０％、Ｗ：≦１．００％、Ｂ：≦０．０２００％のいずれか１種または２種以上を含有し、さらにＦｅおよび不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４、さらにＡ値の［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］：≦１．０、およびＢ値の５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］：≦１．５であることを特徴とする開発鋼１の手段のＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼である。
【００１０】
開発鋼３の手段は、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８５％、Ｓｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％、Ｏ：≦０．００８０％、Ｎ：≦０．０６００％を有し、さらに、Ｍｏ：≦１．００％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．３０％、Ｎｂ≦０．５０％、Ｗ：≦１．００％、Ｂ：≦０．０２００％のいずれか１種または２種以上を含有し、さらに、Ｓ：０より大きく０．１５０％以下であり、さらにＦｅおよび不可避不純物を有し、シャルピー衝撃値による靱性：５．０Ｊ／ｃｍ2以下、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］：≦１０４、さらにＡ値の［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］：≦１．０、およびＢ値の５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］：≦１．５であることを特徴とする開発鋼１または２の手段のＮｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼である。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明は、Ｎｉ含有高Ｃマルテンサイト系耐熱鋼であり、Ｃの範囲が０．４０〜０．８５％と広く、Ｃｒ含有量も１６．００〜２３．５０％と高いものの、炭化物の粒界被覆率が５０％以下と低いので、靱性が高く確保される等の効果を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明を実施するための形態の記載に先立って、本願発明の鋼の化学成分の限定理由を記載する。
【００１３】
Ｃ：０．４０〜０．８５％
Ｃは、強度や耐摩耗性を確保するために必要な元素であり、十分な強度や耐摩耗性を得るためには０．４０％添加する必要がある。しかし、０．４０％より少ないと鋼の焼入焼戻し硬さを低下し、一方、０．８５％より多いと鋼の焼なまし硬さを大きくして熱間加工性を悪化する。そこで、Ｃは０．４０〜０．８５％とする。好ましくは、０．５５〜０．８０％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．５０〜２．００％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、Ｓｉは０．５０％より少ないと鋼の酸化減量を大きくし、一方、２．００％より多いと鋼の靱性を悪化し、冷鍛性が得られない。そこで、Ｓｉは０．５０〜２．００％とし、好ましくは、１．００〜２．００％とする。
【００１５】
Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、脱酸剤、脱硫剤として必要な元素である。しかし、Ｍｎは０．１０％より少ないと鋼の靱性を悪化する。一方、Ｍｎは２．００％より多いと鋼の熱間加工性を悪化する。そこで、Ｍｎは０．１０〜２．００％とし、好ましくは、０．３０〜１．００％とする。
【００１６】
Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは、不可避不純物元素であるが、０．０３０％より多いと鋼の熱間加工性を悪化する。そこで、Ｐ≦０．０３０％とし、好ましくは、０．０２０％以下とする。
【００１７】
Ｎｉ：０．１０〜２．００％
Ｎｉは、焼入性の向上、強度の向上に有効である。しかし、Ｎｉは０．１０％より少ないと鋼の酸化減量を大きくする。一方、Ｎｉは２．００％より多いと鋼の焼なまし硬さを大きくし、かつコストアップも招く。そこで、Ｎｉは０．１０〜２．００％とし、好ましくは、０．５０〜１．７０％とする。
【００１８】
Ｃｒ：１６．００〜２３．５０％
Ｃｒは、耐酸化性の向上に有効である。しかし、Ｃｒは１６．００％より少ないと鋼の酸化減量を大きくし、一方、２３．５０％より多いと鋼の焼入焼戻し硬さが低下し、かつ靱性が悪化する。そこで、Ｃｒは１６．００〜２３．５０％とし、好ましくは、１８．００〜２１．５０％とする。
【００１９】
Ｏ：≦０．００８０％
Ｏは、不可避不純物元素であるが、０．００８０％より多くなると、耐酸化性に有効なＳｉやＣｒを奪うため、酸化減量が増大する。そこで、Ｏ≦０．００８０％とし、好ましくは、０．００５５％以下とする。
【００２０】
Ｎ：≦０．０６００％
Ｎは、不可避不純物元素であるが、０．０６００％より多くなると、熱間加工性を悪化し、粒界被覆率指数のＷ値の増大に伴う靱性を悪化する。そこで、Ｎ：≦０．０６００％とし、好ましくは、０．０５００％以下とする。
【００２１】
Ｍｏ：≦１．００％
Ｍｏは、焼入性を高める他に、焼戻し軟化抵抗を向上させ、Ａ1点を高くする元素であり、焼戻し時にＭ7Ｃ3やＭ2Ｃなどの炭化物を形成して、高温強度を増大させる。Ｍｏは多量に添加すると焼なまし硬さを大とし、靱性を劣化し、その上にＭｏは高価な元素である。そこで、Ｍｏ≦１．００％とし、好ましくは、０．８５％以下とする。
【００２２】
Ｔｉ：≦０．２０％
Ｔｉは、Ｂに比べてＮとの親和力が極めて強い元素である。ＴｉＮの形成によってＢＮ
の析出を抑制し、炭化物の粗大化を抑制するＢの効果を高めるために、Ｔｉを０．００５％以上添加することが好ましい。一方Ｔｉを過剰に添加すると、粗大なＴｉＣが析出または晶出し、靱性を低下するため、Ｔｉを０．２０％以下とし、好ましくは、０．１５％以下とする。
【００２３】
Ｖ：≦０．３０％
Ｖは、過剰に添加すると粗大なＶＣを析出または晶出して靱性を悪化するため、また、Ｖは高価な元素であるので、Ｖは０．３０％以下とし、好ましくは、０．２０％以下する。
【００２４】
Ｎｂ：≦０．５０％
Ｎｂは、過剰に添加すると粗大なＮｂＣを析出または晶出して靱性を悪化し、焼入れ硬さを低下させる。そこで、Ｎｂは０．５０％以下とし、好ましくは、０．３０％以下とする。
【００２５】
Ｗ：≦１．００％
Ｗは、過剰に添加すると粗大な炭化物を析出して靱性を悪化し、焼入れ硬さを低下させかつＷは高価な元素である。そこで、Ｗは１．００％以下とし、好ましくは、０．５０％以下とする。
【００２６】
Ｓ：≦０．１５０％
Ｓは、不可避不純物元素であるが、０．１５０％より多いと鋼の熱間加工性を悪化する。そこで、Ｓ≦０．１５０％とし、好ましくは、０．１００％以下とする。
【００２７】
靱性としてのシャルピー衝撃値：５．０Ｊ／ｃｍ2以上
シャルピー衝撃値が、５．０Ｊ／ｃｍ2未満であると靱性が低く製造性が低下する。そこで、靱性としてのシャルピー衝撃値は５．０Ｊ／ｃｍ2以上とする。
【００２８】
粒界被覆率指数Ｗ値：１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］≦１０４
粒界被覆率指数Ｗ値は、１０４より大きくなると、炭化物の粒界被覆率が増加し、靱性が確保できなくなる。そこで、粒界被覆率指数Ｗ値の１６．３［％Ｃ］＋１５．４×［％Ｎｉ］＋３．３×［％Ｃｒ］は、１０４以下とする。
【００２９】
Ａ値：［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］
Ａ値は、１.０より大きくなると本願開発鋼の請求項２の靱性を悪化する。そこで、Ａ値の［％Ｍｏ］＋１／２×［％Ｗ］は、１．０以下とする。
【００３０】
Ｂ値：５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］
Ｂ値は、１.５より大きくなると本願開発鋼の請求項２の靱性を悪化する。そこで、Ｂ
値の５×［％Ｔｉ］＋２×［％Ｎｂ］は、１．５以下とする。
【００３１】
ここで、本願の発明を実施するための形態について説明する。表１に示す本願発明の開発鋼の各成分の各Ｎｏ．の鋼、および表２に示す各比較鋼の各成分の各Ｎｏ．の鋼のそれぞれを、１００ｋｇＶＩＭにて溶解してインゴットに鋳造した。
【００３２】
【表１】
2018009214.tif 000002
【００３３】
【表２】
2018009214.tif 000003
【００３４】
これらのインゴットを、第１グループでは径６５ｍｍ丸棒の鍛伸材に鍛伸し、第２グループでは４５ｍｍＨ×９５ｍｍＷに鍛伸し、これらグループのそれぞれを８５０〜９５０℃にて焼なまして素材とした。それぞれのサイズに調整した素材から、以下の試験をそれぞれ実施した。試験結果は、表３に本願発明の開発鋼の値を示し、表４に比較項の値を示した。また、熱間加工性に関しては鍛伸時の割れ発生状況から判断し、割れが発生しないものを○、割れが発生したものを×として評価した。
【００３５】
【表３】
2018009214.tif 000004
【００３６】
【表４】
2018009214.tif 000005
【００３７】
第１グループの評価は、径６５ｍｍの丸棒の鍛伸材を径６０ｍｍに調整した後、焼なまし硬さの測定、焼入焼戻し硬さの測定、炭化物の粒界被覆率の測定を実施し、表３に本願発明鋼の値を示し、表４に比較鋼の値を示した。
【００３８】
焼なまし硬さ（表３および表４でＡ硬さと表示）は、供試材の長手方向と垂直な面の中周にて、ＨＲＣスケールでの硬さを測定して実施した。表３の本願発明鋼および表４の比較鋼には、それぞれ５点平均の値を示した。
【００３９】
焼入焼戻し硬さ（表３および表４でＱＴ硬さと表示）は、供試材に１０００〜１１５０℃で焼入、その後５５０〜６５０℃で焼戻しを実施した。焼なまし硬さと同様に測定して、それぞれ５点平均の値を示した。
【００４０】
粒界被覆率は、大角（度）粒界上の析出物長さの総和を大角（度）粒界長さの総和で除した値であり、完全に被覆されている場合は１００％となり、全く被覆していない場合を０％と判断するパラメータである。
炭化物の粒界被覆率は、焼なましの状態で、供試材の長手方向にて組織観察を実施し、粒界被覆率を測定した。粒界被覆率は、まず１万倍の電子顕微鏡観察により、大角（度）粒界上に析出した粒子を、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）または同じく１万倍の薄膜透過型電子顕微鏡解析における透過型電子回折パターン解析によってＭ23Ｃ6型炭化物またはＭ7Ｃ3型炭化物と判断できる析出物を特定する。その粒子が大角（度）粒界を被覆する長さを測定し、当該測定を少なくとも１試料あたり５視野、１合金あたり５個以上の試験片を採取して行ない、合計２５試料以上のその場観察、または電子顕微鏡の解析によって求めることができる。
【００４１】
第２グループの評価は、上記で作製した４５ｍｍＨ×９５ｍｍＷの素材を連続酸化試験し、焼入焼戻し状態のシャルピー衝撃試験を実施し、表３に本願発明鋼の結果を示し、表４に比較鋼の結果を示した。
【００４２】
すなわち、連続酸化試験は、上記で作製した４５ｍｍ高さ×９５ｍｍ幅の素材を径１２ｍｍ長さ２１ｍｍに調整した後、１１００℃で１００ｈｒの連続酸化実験を実施した。さらに、ショットブラストにて脱スケールを施し、酸化減量の値を測定した。
【００４３】
シャルピー衝撃試験は、供試材を１０００〜１１５０℃で焼入れし、その後５５０〜６５０℃で焼戻しを実施し、角１０×５５ｍｍの標準試験片に調整した後、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に則って２ｍｍＵノッチのシャルピー衝撃試験を実施し、３回平均の値を、それぞれ表３に本願開発鋼の靱性をシャルピー衝撃値で示し、表４に比較鋼の靱性をシャルピー衝撃値で示した。