(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ  ：０．０５−０．１５％未満
Ｓｉ：０．５０％以下
Ｍｎ：０．０５−１．５０％
Ｃｒ：８．００−１３．００％
Ｎｉ：１．００％以下
Ｍｏ：０．５０％未満
Ｗ  ：４．６１−７．５０％
Ｖ  ：０．１０−０．３０％
Ｎｂ：０．０１−０．１５％
Ｃｏ：２．００超−７．００％
Ｎ  ：０．０１−０．１０％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなり、高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項２】
さらに、質量％で、Ｂ：０．００１０−０．０１００％を含有することを特徴とする、請求項１に記載の高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
【請求項３】
さらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下を含有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼に関し、さらに詳しくはボイラ用鋼管鋼等に好適な高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、熱効率を向上させる観点から、火力発電においては蒸気条件の高温高圧化が進められ、現行の５３８℃／２４．１ＭＰａ（２４６ｋｇｆ／ｃｍ２）から５９３℃／３１．０ＭＰａ（３１６ｋｇｆ／ｃｍ２）、さらには６５０℃／３４．３ＭＰａ（３５０ｋｇｆ／ｃｍ２）、といういわゆる超々臨界圧条件に引き上げようとしている。このような動向にともない、ボイラ管などの材料選択にあたっては耐酸化性と高温強度の観点から現在使われている２・１／４Ｃｒ−Ｍｏ鋼は適用できなくなる。一方、１８−８オーステナイト系耐熱鋼の適用が考えられるが、繰り返し熱応力による疲労やコストアップやなどの問題がある。したがって、この両者の特性を満足する高強度高靭性のフェライト系耐熱鋼の開発が望まれている。
【０００３】
他方、このような用途にこれまで９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼及び９Ｃｒ−２Ｍｏ鋼などの高クロムフェライト系耐熱鋼が用いられてきたが、これらは何れも上記の蒸気条件ではクリープ破断強度が不足するので適用できない。その他関連技術として、特公平３−６０９０５号、特開昭６１−２３１１３９号、特開平０４−３７１５５２号の各公報などに記載のものがある。特公平３−６０９０５号公報には８−１３％Ｃｒ鋼に０．５−２．３％Ｍｏと０．２−２．０％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性を示す鋼が開示され、特開昭６１−２３１１３９号公報には８−１３％Ｃｒ鋼に０．１−０．４％Ｍｏと１．８−３．０％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性を示す鋼が開示され、特開平０４−３７１５５２号公報には８−１３％Ｃｒ鋼に０．５％未満Ｍｏと２．０−３．５％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性を示す鋼が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鋼材は上記のような超々臨界条件の圧力ではクリープ破断強度が不足であった。以上のような事情を踏まえて、本発明は超々臨界圧ボイラなどの素材として使用できるような高強度、高靭性を有するフェライト系耐熱鋼を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の目的を達成するために、合金成分の最適化をはかり、Ｗの多量添加をはかると同時に、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＢ等の積極的な利用などにより、高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼を提供するものである。すなわち、本発明の要旨とするところは、下記のとおりである。
【０００６】
（１）質量％で、Ｃ：０．０５−０．１５％未満、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．０５−１．５０％、Ｃｒ：８．００−１３．００％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｍｏ：０．５０％未満、Ｗ：４．６１−７．５０％、Ｖ：０．１０−０．３０％、Ｎｂ：０．０１−０．１５％、Ｃｏ：２．００超−７．００％、Ｎ：０．０１−０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなり、高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
【０００７】
（２）さらに、質量％で、Ｂ：０．００１０−０．０１００％を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
（３）さらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の高温クリープ強度と常温靭性に優れた高強度フェライト系耐熱鋼。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各成分の限定理由について説明する。Ｃは主にＭＣ（Ｍは合金元素を指す、以下も同じ）及びＭ２３Ｃ６型の炭化物として析出し、強度及び靭性に大きな影響を有する。０．０５％未満では析出量が少なく、強化には不十分であり、０．１５％以上では靭性が低下するとともに、炭化物の凝集粗大化が促進され、高温長時間側のクリープ破断強度を低下させるので、０．０５−０．１５％未満に限定する。
【０００９】
Ｓｉは強度への影響は少ないが、靭性を悪化させるので、０．５０％以下に限定する。Ｍｎはδフェライトの生成を抑制し、相バランス上最低０．０５％が必要であるが、１．５０％を超えると高温強度を低下させるので、上限は１．５０％とした。Ｃｒは高温耐酸化性を確保する上で必要不可欠な元素であり、Ｍ２３Ｃ６型炭化物を析出する効果も有する。８．００％未満では高温での耐酸化性が不足となり、高温強度も低下する。一方、１３．００％超ではδフェライトの抑制が難しくなり、強度と靭性が損なわれるので、８．００−１３．００％に限定する。
【００１０】
Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、δフェライトを抑制する効果を有し、靭性にも有益な影響を及ぼす。しかし１．００％超では析出物の凝集粗大化をきたし、長時間側のクリープ強度が低下するので、１．００％以下とした。Ｍｏは固溶体強化をもたらすと同時に、Ｍ２３Ｃ６を安定化させ、高温強度を向上させる。Ｗの添加量と関連して、０．５０％以上ではδフェライトの生成を促進すると同時に、Ｍ６ＣとＬａｖｅｓ相の析出及び凝集粗大化を促進するので、０．５０％未満とした。
【００１１】
Ｗは固溶体強化とＭ２３Ｃ６の微細析出の効果を奏すると同時に、炭化物の凝集粗大化を抑制し、高温長時間側のクリープ破断強度の向上に極めて有効である。最低４．６１％必要であるが、７．５０％を超えると各種オーステナイト生成元素を添加しても、δフェライトの生成及び粗大なＬａｖｅｓ相が生成しやすくなり、高温強度と靭性を低下させるため、４．６１−７．５０％とした。
【００１２】
Ｖ  は微細な炭窒化物として析出し、高温強度を高める働きをする。０．１０％未満では効果が小さく、０．３０％超ではＶ（Ｃ，Ｎ）の粗大化を招くだけではなく、Ｍ２３Ｃ６として析出し得るＣ量を減少させ、逆に高温強度を低下させるので、０．１０−０．３０％に限定する。Ｎｂは炭窒化物として析出し、強度を高めるのに有効である。最低０．０１％が必要であるが、０．１５％を超えて添加すると焼きならし温度ではマトリックスに完全に溶けきれず、十分な強化効果が得られないので、０．０１−０．１５％に限定する。
【００１３】
ＮはＮｂ，ＶおよびＣｒなどと結合して窒化物または炭窒化物を析出させ、高温強度を高める重要な元素の一つである。最低０．０１％で有効であるが、０．１０％を超えると窒化物の粗大化と靭性の低下をもたらすだけではなく、製造上でも困難であるため、０．０１−０．１０％に限定する。Ｃｏの利用は本発明の特徴の一つである。Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、機械的性質を損なうδフェライトの生成を抑制する効果を有する。また、Ｃｏは鋼のＡ１変態点を降下させる効果が小さいため、靭性と延性の確保のための高い温度での焼き戻しができる。Ｃｏの添加量は、Ｗ添加量を３．５０超−７．５０％とした鋼のδフェライトの生成を抑制するためには、最低２．００％超必要であり、７．００％超えて添加しても効果は変わらず、かえってコストの面で不利となる。従って、Ｃｏは２．００超−７．００％とした。
【００１４】
Ｂは粒界強化およびＭ２３（Ｃ，Ｂ）６などとして析出強化の効果があり、高温強度を向上する。０．００１０％未満では効果が小さく、０．０１００％超では粗大なＢ含有相を生じさせる傾向があり、また脆化が起こりやすくなるため、０．００１０−０．０１００％と限定するのが好ましい。Ｃｕはオーステナイト生成元素であり、Ｃｏと同様にδフェライトの生成を抑制する効果を有する。またＣｕは鋼のＡ１変態点を降下させる効果が小さいため、靭性と延性の確保のための高い温度での焼き戻しができる。Ｃｕの添加量を１．００％超えとすると熱間加工性や溶接性を悪化させるとともに、その粒界析出によりクリープ強度を低減するため、Ｃｕは最大１．００％と限定するのが好ましい。
【００１５】
炭窒化物を形成し且つ溶接性を確保するに必要な０．０５−０．１５％のＣと０．０１−０．１０％のＮを含有する９−１３％のＣｒ鋼に０．５０％未満のＭｏ，０．０１−０．１５％のＮｂ，０．１０−０．３０％のＶを複合添加すると共に、４．６１−７．５０％の多量のＷと２．００−７．００％のＣｏを複合添加する事により高温強度と常温靭性を兼ね備えたフェライト系耐熱鋼が得られる。
【００１６】
上記のフェライト系耐熱鋼に０．００１０−０．０１００％のＢを添加することにより、高温強度がさらに向上したフェライト系耐熱鋼が得られる。
【００１７】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する本発明鋼（Ｎｏ．１−１２）と比較の９〜１２Ｃｒ鋼（Ｎｏ．１３，１４）を真空誘導溶解炉にて各２０ｋｇのインゴットに溶製し、熱間圧延によって厚さ１５ｍｍの板とした後、１０６０℃×６０ｍｉｎ．の焼きならし、７６０℃×６０ｍｉｎ．の焼き戻しを施した。このように用意した試料を６００℃、２９４Ｎ／ｍｍ２（３０ｋｇｆ／ｍｍ２）と６５０℃、１９６Ｎ／ｍｍ２（２０ｋｇｆ／ｍｍ２）の２条件においてクリープ破断試験を行い、また６００℃にて１０００時間時効後２０℃においてシャルピー衝撃試験を行った。その結果を表２に示す。表２から明らかなように、６００℃、２９４Ｎ／ｍｍ２（３０ｋｇｆ／ｍｍ２）および６５０℃、１９６Ｎ／ｍｍ２（２０ｋｇｆ／ｍｍ２）ともに、本発明鋼のクリープ破断時間が比較鋼に比べて著しく長く、比較鋼Ｎｏ．１３に比較して８倍〜２５倍、比較鋼Ｎｏ．１４に比較して１．５倍〜４倍の破断時間を示している。なお、本発明鋼は６００℃にて１０００時間時効後２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが比較鋼と同程度であり、すぐれた高温強度を有すると同時に、高い常温靭性が保たれている。
【００１８】
【表１】
0003866816.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003866816.tif 000003
【００２０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明によりすぐれたクリープ破断強度と良好な靭性を有する高強度フェライト系耐熱鋼の供給が可能となり、火力発電の分野への適用が期待される。