(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、Ｗ：0.01〜0.20％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにCu：0.01〜0.20％およびCo：0.01〜0.50％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにMg：0.0001〜0.0050％、Ca：0.0001〜0.0050％、La：0.0001〜0.020 ％、Ce：0.0001〜0.020 ％、Ｙ：0.0001〜0.040 ％、Sm：0.0001〜0.040 ％およびPr：0.0001〜0.040 ％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項５】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにCu：0.01〜0.20％およびCo：0.01〜0.50％のうちの１種以上、並びにMg：0.0001〜0.0050％、Ca：0.0001〜0.0050％、La：0.0001〜0.020 ％、Ce：0.0001〜0.020 ％、Ｙ：0.0001〜0.040 ％、Sm：0.0001〜0.040 ％およびPr：0.0001〜0.040 ％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項６】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、Ｗ：0.01〜0.20％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにCu：0.01〜0.20％およびCo：0.01〜0.50％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項７】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、Ｗ：0.01〜0.20％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにMg：0.0001〜0.0050％、Ca：0.0001〜0.0050％、La：0.0001〜0.020 ％、Ce：0.0001〜0.020 ％、Ｙ：0.0001〜0.040 ％、Sm：0.0001〜0.040 ％およびPr：0.0001〜0.040 ％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【請求項８】
質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、Ｗ：0.01〜0.20％、sol.Al：0.010 ％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下、さらにCu：0.01〜0.20％およびCo：0.01〜0.50％のうちの１種以上、並びにMg：0.0001〜0.0050％、Ca：0.0001〜0.0050％、La：0.0001〜0.020 ％、Ce：0.0001〜0.020 ％、Ｙ：0.0001〜0.040 ％、Sm：0.0001〜0.040 ％およびPr：0.0001〜0.040 ％のうちの１種以上を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用ボイラやタービン、原子力発電設備および化学工業装置などの耐熱構造部材として使用するのに好適な高温クリープ強度とクリープ延性および靱性に優れた低合金鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラやタービン、原子力発電設備、化学工業装置等は、高温、高圧下で長時間使用される。したがって、これらの装置に用いられる耐熱材料には、高温における強度、耐食性、耐酸化性および常温における靭性などが良好であることが要求される。これらの用途には、従来、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、JIS SUS321HおよびSUS347H鋼）、低合金鋼（例えば、JIS STBA24(2・1/4Cr-1Mo鋼)）、９〜12Cr系の高Crフェライト鋼（例えば、JIS STBA26(9Cr-1Mo鋼)、同STBA28(改良9Cr-1Mo鋼)）などが用いられてきた。
【０００３】
近年、火力発電プラントにおいては、地球温暖化防止の観点からCO２などの排出量削減を目的に熱効率の向上が必要となり、ボイラの蒸気条件を高温、高圧化（例えば600℃超、300気圧）した新規プラントが次々に建設されている。また、一方では、高度成長期に建設された多数の既設プラントが順次計画寿命を迎え、新規プラントへ更新するか、または部分補修等により延命を図るかが、我が国のエネルギー政策とも関連して、大きな社会問題となりつつある。
【０００４】
一方、国内外からの規制緩和の要請を受けて、電力事業についても自由化が進行し、電力会社以外の会社や商社の参入が可能となって、価格競争が激化した結果、発電プラントでも従来以上に経済性が重要視されるようになっている。
【０００５】
この様な社会的な背景の下、発電プラントのコスト削減の一つの方法として、プラントで使用される耐熱構造部材をより高強度化して鋼材使用量を削減し、コストを低減することが指向され、その様な要求に応えられる高強度材の開発が進められている。
【０００６】
なかでも550 ℃程度までの比較的低温域では、従来、JIS STBA22(1Cr-0.5Mo)、同STBA23(1.25Cr-0.5Mo)、または同STBA24(2.25Cr-1Mo)などのCr-Mo系低合金鋼が使用されていたが、さらに高温強度を高める目的で、Moの一部をＷで置き換えた鋼（例えば特許文献１に開示される鋼）、Co添加により焼入性を飛躍的に高めた鋼（例えば特許文献２に開示される鋼）などが開発されている。
【０００７】
これらの新しい鋼においては、ＷやCoによって高温での軟化抵抗が改善され、特に500 ℃以上でのクリープ強度は、従来の汎用鋼に比べて向上しているが、高強度化したために、逆に靱性の劣化や、長時間クリープ延性（伸びおよび絞り）の低下が顕著となることが明らかとなっている。
【０００８】
このような靱性劣化を防いだり、耐再熱割れ性を向上させるために、Cr-Mo鋼に極微量のTiを添加したり、Ｎ量を極微量に制限した鋼が提案されている（特許文献３、４および５参照）。これらの鋼は確かに靱性は改善されているが、クリープ強度とクリープ延性を両立させた鋼ではない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平8-134584号公報
【特許文献２】
特開平9-268343号公報
【特許文献３】
特開平8-144010号公報
【特許文献４】
特開2001-164332号公報
【特許文献５】
特開2001-234276号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発電プラントなどにおいて550 ℃程度までの温度域において使用される耐熱構造部材用の低合金鋼であって、従来鋼以上に高温強度と靱性が高く、さらに長時間クリープ延性にも優れた低合金鋼を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記の課題を達成するために、種々の耐熱用低合金鋼について、鋼の化学組成と金属組織（ミクロ組織）が長時間のクリープ変形特性（強度および延性）と靱性に及ぼす影響を詳細に検討した。その結果、次のような新しい知見を得た。
【００１２】
(a) Cr-Mo鋼にＶ、NbおよびTiを添加すると、ＭＣ炭化物（ＭはV、Nb、Tiが主体で一部Moを固溶する）が微細に分散析出して、Moの単独添加に比べると顕著な析出強化作用が得られ、高温クリープ強度が向上する。しかし、クリープ脆化感受性が大幅に増大し、クリープ延性が低下する。
【００１３】
(b) 上記Ｖ、NbおよびTiによるクリープ延性の低下は、希土類元素のうちのNdを微量添加すると、クリープ脆化感受性が改善されて防止でき、特にNdの含有量がＢ、TiおよびＮの含有量との関係において下記の(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060の範囲内になる量の場合にその効果が顕著で、クリープ延性が大幅に向上する。
【００１４】
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【００１５】
(c) Cr-Mo鋼にＢを添加すると、焼入性が向上し、強度および靱性を向上させるのに有効であるが、過剰なＢはかえって靱性を低下させるので、その含有量は0.0060％以下に制限する必要がある。
【００１６】
(d) Cr-Mo鋼では、Moの一部をＷに置換した場合、炭化物（例えば、▲１▼Ｍ３Ｃ、▲２▼Ｍ７Ｃ３および▲３▼Ｍ２３Ｃ６で、ＭはFe、Crが主体でMo、Ｗなどを若干固溶するが、Cr量の増加とともに▲１▼→▲２▼→▲３▼へと変化する）がより長時間安定となって、クリープ強度が向上する。しかし、靱性やクリープ延性が低下するので、Ｗの添加は避けるべきであるが、強度を重視して添加する場合、0.20％までであれば特に問題はない。
【００１７】
(e) Cr-Mo鋼にCoを添加すると、焼入性が向上し、クリープ強度が向上する。しかし、Coの添加も上記のＷの場合と同様に、クリープ脆化感受性を高め、クリープ延性が低下する。従って、Coも添加しない方がよいが、強度を重視して添加する場合、0.50％以下であれば許容できる。
【００１８】
以上の知見に基づいて完成させた本発明の低合金鋼は下記（１）および（２）の鋼である。
【００１９】
（１）質量％で、Ｃ：0.03〜0.10％、Si：0.10％以下、Mn：0.001 〜0.30％、Ｐ：0.020％以下、Ｓ：0.0080％以下、Cr：0.40〜1.50％、Mo：0.25〜1.00％、Ｖ：0.03〜0.15％、Nb：0.001〜0.070％、Ni：0.001 〜0.30％、Ti：0.001〜0.020％、Ｂ：0.0001〜0.0060％、Nd：0.0001〜0.030 ％、sol.Al：0.010％以下、Ｎ：0.0060％未満、Ｏ（酸素）：0.0050％以下を含み、残部はFeおよび不純物からなり、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が下記の(1) 式で表されるBeff値で0.0001〜0.0060の範囲内にあることを特徴とする低合金鋼。
【００２０】
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
ここで、式中の元素記号は、鋼中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【００２１】
（２）上記（１）に記載の成分に加えて、さらに下記の第１群から第３群までのうちの少なくとも１群の中から選んだ少なくとも１種の成分を含み、残部はFeおよび不純物で、Ti、Ｂ、ＮおよびNdの含有量が上記の(1) 式を満足することを特徴とする低合金鋼。
【００２２】
第１群…質量％で、0.01〜0.20％のＷ。
第２群…質量％で、0.01〜0.20％のCuおよび0.01〜0.50％のCo。
第３群…質量％で、0.0001〜0.0050％のMg、0.0001〜0.0050％のCa、0.0001〜0.020 ％のLa、0.0001〜0.020 ％のCe、0.0001〜0.040 ％のＹ、0.0001〜0.040 ％のSmおよび0.0001〜0.040 ％のPr。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の低合金鋼の化学組成を上記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下において「％」は特に断らない限り「質量％」を表す。
【００２４】
Ｃ：0.03〜0.10％
Ｃはオーステナイト安定化元素であり、Cr−Mo鋼の基本の母相組織であるベイナイト組織またはマルテンサイト組織を安定化させるとともに、種々の炭化物を形成して高強度化に寄与する。そのためには、最低でも0.03％の含有量が必要である。一方、0.10％を超えると鋼が著しく硬化し、溶接性や加工性が急激に低下する。このため、Ｃ含有量は0.03〜0.10％とした。好ましいのは0.04〜0.08％、より好ましいのは0.05〜0.07％である。
【００２５】
Si：0.10％以下
Siは従来から耐酸化性の確保に重要な元素として耐熱構造部材用の低合金鋼でも常識的に添加されてきた。また、製鋼段階での脱酸剤としても必須と考えられてきた。しかし、本発明者らの研究結果によれば、その含有量を0.10％以下に抑制すると、クリープ脆化のみならず、再熱脆化や割れ感受性が効果的に抑制でき、しかも耐酸化性への悪影響もないことが明らかとなった。このため、Siの含有量は0.10％以下とする。好ましい上限は0.08％、より好ましい上限は0.05％である。
【００２６】
Mn：0.001〜0.30％
Mnは、上記のＣと同様に、オーステナイト安定化元素であり、ベイナイトまたはマルテンサイト母相組織の安定化に重要であり、最低でも0.001 ％の含有量が必要である。一方、過剰なMnは鋼のＡＣ１変態点を低下させるだけでなく、クリープ延性にも悪影響を及ぼすので、0.30％以下とした。好ましいのは0.001〜0.25％、より好ましいのは0.001〜0.20％である。
【００２７】
Ｐ：0.020％以下
Ｐは不純物元素であり、過剰なＰは靭性などに悪影響及ぼす。しかし、本発明の鋼では0.020％までであれば特に問題ないので許容上限を0.020％とした。Ｐの含有量は少なければ少ないほどよい。
【００２８】
Ｓ：0.0080％以下
Ｓは上記のＰと同様に不純物元素であり、過剰なＳは靭性などに悪影響及ぼす。しかし、本発明の鋼では0.0080％までであれば特に問題ないので許容上限を0.0080％とした。Ｓの含有量も少なければ少ないほどよい。
【００２９】
Cr：0.40〜1.50％
Crは高温で安定な炭化物を析出して低Ｃ系のベイナイトまたはマルテンサイト母相組織の安定化に不可欠な元素であり、最低でも0.40％の含有量が必要である。一方、1.50％を超えると、Ｍ７Ｃ３型炭化物の析出が顕著となり、クリープ強度が低下する。このため、Cr含有量は0.40〜1.50％とした。好ましい範囲は0.80〜1.30％、より好ましい範囲は1.00〜1.30％である。
【００３０】
Mo：0.25〜1.00％
Moは固溶強化元素であるとともに、Ｍ３Ｃ、Ｍ７Ｃ３およびＭ２３Ｃ６型の炭化物の安定化、さらにはMo２Ｃ、またＭＣ型の炭化物の安定化に寄与し、クリープ強度の向上に寄与する。そのためには0.25％以上の含有量が必要であるが、過剰なMoはベイナイトまたはマルテンサイト母相組織を不安定にするので、上限は1.00％とした。好ましいのは0.30〜0.80％、より好ましいのは0.30〜0.70％である。
【００３１】
Ｖ：0.03〜0.15％
Ｖは次に述べるNbとともにＭＣ型炭化物を形成して、高強度化に寄与するが、そのためには0.03％以上の含有量が必要である。一方、0.15％を超えると長時間クリープ延性を低下させるので、その上限は0.15％とした。好ましい範囲は0.04〜0.12％、より好ましい範囲は0.05〜0.10％である。
【００３２】
Nb：0.001〜0.070％
Nbは上記のＶと同様に微細な炭化物を形成して高強度化に寄与するが、そのためには0.001 ％以上の含有量が必要である。一方、0.070 ％を超えると過剰な炭窒化物を形成し、靭性を損う。従って、Nb含有量は0.001〜0.070％とした。好ましいのは0.020〜0.050％、より好ましいのは0.025 〜0.040 ％である。
【００３３】
Ni：0.001〜0.30％
Niは上記のＣおよびMnと同様にオーステナイト安定化元素であり、ベイナイトまたはマルテンサイト母相組織の安定化に重要で、最低でも0.001 ％以上の含有量が必要であるが、過剰なNiは鋼のＡＣ１変態点を低下させる。このため、Ni含有量は0.001 〜0.30％とした。好ましい範囲は0.001 〜0.20％、より好ましい範囲は0.001 〜0.18％である。
【００３４】
Ti：0.001〜0.020％
Tiは微細な炭化物を形成して高強度化に寄与するが、そのためには0.001 ％以上の含有量が必要である。特に、その含有量が0.005 ％以上の場合、クリープ延性の向上および再熱時の脆化や割れ抑制の効果が大きい。一方、0.020 ％を超えると、靱性に悪影響を及ぼす。このため、Ti含有量は0.001 〜0.020 ％とする。好ましいのは0.005 〜0.020 ％、より好ましいのは0.008 〜0.018 ％である。ただし、Tiの含有量は後述する(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060の範囲内になる量でなければならない。
【００３５】
Ｂ：0.0001〜0.0060％
Ｂは焼入性の向上に有効な元素であり、この効果を得るためには0.0001％以上の含有量が必要である。一方、過剰なＢは靱性に悪影響を及ぼす。このため、Ｂ含有量は0.0001〜0.0060％とした。好ましい範囲は0.0010〜0.0050％、より好ましい範囲は0.0010〜0.0040％である。ただし、Ｂの含有量も後述する(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060の範囲内になる量でなければならない。
【００３６】
Nd：0.0001〜0.030％
Ndは本発明の鋼にとって長時間クリープ延性を向上させるうえで欠くことのできない最も重要な元素の一つであり、最低でも0.0001％の含有量が必要である。しかし、過剰なNdは靱性に好ましくない粗大な介在物を形成し、かえって靭性を低下させる。このため、Nd含有量は0.0001〜0.030 ％とした。ただし、Ndの含有量も上記のTiおよびＢと同様に、後述する(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060の範囲内になる量でなければならない。
【００３７】
sol.Al：0.010 ％以下
Alは脱酸剤として重要な元素であるが、強度と靱性を両立させるためにはsol.Alで0.010 ％以下に抑制する必要がある。好ましい上限は0.008 ％、より好ましい上限は0.005 ％である。
【００３８】
Ｎ：0.0060％未満
Ｎは固溶強化元素であるとともに炭窒化物を形成して高強度化に寄与する場合もあるが、本発明ではクリープ強度と靱性の両立、およびクリープ延性を向上させるうえで有害な不純物元素であるので、0.0060％未満とした。好ましいのは0.0030％以下である。ただし、Ｎの含有量は後述する(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060の範囲内になる量でなければならない。
【００３９】
Ｏ（酸素）：0.0050％以下
Ｏは不純物元素であり、過剰なＯは靭性などに悪影響及ぼす。しかし、本発明の鋼では0.0050％までであれば特に問題ないので0.0050％以下とした。Ｏ含有量は少ないほどよい。
【００４０】
Ｂ、Ｎ、TiおよびNdの含有量の関係：
これらの元素の含有量は上記の範囲内において、下記の(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060に範囲内になる量にする必要がある。
【００４１】
Beff＝Ｂ−(11／14)Ｎ＋(11／48)Ti＋(11／144)Nd  ・・・・・・(1)
即ち、Beff値が0.0001未満の場合は、クリープ強度の向上効果が得られず、逆にBeff値が0.0060を超えるとクリープ延性の向上効果が得られない。このことは、後述する実施例からも明らかである。
【００４２】
なお、上記の(1) 式は、鋼の焼入性を示しており、従来から知られている有効Ｂ量に加え、実験結果に基づいてNdの効果を明らかにして、本発明者らが始めて定めた関係式である。
【００４３】
Ｗ：
Ｗは添加しなくてもよい。添加すれば、炭化物を長時間安定にしてクリープ強度を向上させる作用を有する。従って、強度を重視し、高温長時間クリープ強度をより一層高めたい場合には積極的に添加してもよく、その効果は0.01％以上の含有量で顕著になる。しかし、前述したように、その含有量が0.20％を超えるとクリープ延性が低下するだけでなく、再熱脆化や割れ感受性を高める。このため、添加する場合のＷ含有量は0.01〜0.20％とするのがよい。さらに好ましいのは0.05〜0.20％である。
【００４４】
Cu、Co：
これらの元素も添加しなくてもよい。添加すれば、はいずれもオーステナイト生成元素で、母相のベイナイト組織またはマルテンサイト組織の安定化に寄与してクリープ強度を向上させる。また、Coは鋼の焼入性を高めてクリープ強度を向上させる。従って、強度を重視し、高温長時間クリープ強度をより一層高めたい場合にはいずれか一方または両方を積極的に添加してもよく、その効果はいずれの元素も0.01％以上の含有量で顕著になる。しかし、Cuは0.20％、Coは0.50％を超えるとクリープ延性が低下する。このため、添加する場合のCu含有量は0.01〜0.20％、Co含有量は0.01〜0.50％とするのがよい。一層好ましいのは、Cu：0.05〜0.15％、Co：0.05〜0.50％である。
【００４５】
Mg、Ca、La、Ce、Ｙ、Sm、Pr：
これらの元素も添加しなくてもよい。添加すれば、いずれも鋼の鋳造時、特に連続鋳造時における凝固割れを防止する作用がある。従って、その効果を得たい場合には１種以上を積極的に添加してよく、この場合、いずれの元素も0.0001％以上の含有量で上記の効果が顕著になる。しかし、MgとCaは0.0050％、LaとCeは0.020 ％、Ｙ、SmおよびPrは0.040 ％を超えると靱性が低下する。このため、添加する場合のこれら元素の含有量は、MgとCaはいずれも0.0001〜0.0050％、LaとCeはいずれも0.0001〜0.020 ％、Ｙ、SmおよびPrはいずれも0.0001〜0.040 ％とするのがよい。
【００４６】
本発明の低合金鋼は、上記成分の残部が実質的にFe、言い換えればFeと上記以外の不純物からなる鋼である。
【００４７】
なお、母相組織のベイナイト組織またはマルテンサイト組織は、所定の製品形状に成形された後の鋼を、Ａr3またはＡc3変態点（約860〜920℃）以上の温度域から急冷または空冷することで得られる。しかし、本発明の低合金鋼は、前記の急冷または空冷のままでは硬すぎるため、通常は表面の硬さがビッカース硬さHvで180〜200程度となるように、その化学組成に応じた適宜な温度と時間（例えば、後述する実施例に示す温度と時間）で焼戻し処理して使用される。
【００４８】
【実施例】
表１から表４までに示す化学組成を有する40種類の鋼を真空誘導溶解炉を用いて溶製し、150 kgの鋼塊を得た。
【００４９】
【表１】
0003775371.tif 000002
【００５０】
【表２】
0003775371.tif 000003
【００５１】
【表３】
0003775371.tif 000004
【００５２】
【表４】
0003775371.tif 000005
【００５３】
得られた鋼塊は、熱間鍛造を行って厚さ50mm、幅150 mmの板状とした。また、得られた板材には、950 ℃に１時間加熱保持してから空冷した後、鋼の硬さがビッカース硬さHvで180〜200程度となるように、720〜760℃に１時間加熱保持した後に空冷する焼戻し処理を施した。
【００５４】
熱処理後の板材は、組織を調べる一方、板材から、直径10mm、標点距離(GL)50mmのクリープ試験片およびJIS Z 2202に規定されるＶノッチ試験片を採取し、それぞれ下記条件のクリープ試験とシャルピー衝撃試験に供した。
【００５５】
1.クリープ試験
クリープ試験は、試験温度550℃、負荷応力200MPaで行い、破断時間(ｈ)を調べ、5000時間以上のものを良好と評価した。
【００５６】
2.シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、試験温度−60〜60℃で行って破面遷移温度vTrs(℃)を調べ、vTrsが−40℃以下のものを靭性が優良「◎」、−40℃を超え−20℃以下のものを良好「○」、−20℃を超え−０℃以下のものをやや不良「△」、−０℃を超えるものを不良「×」と評価した。
【００５７】
以上の結果を、焼戻し温度、表面硬さおよび調査した組織と合わせて表５に示した。
【００５８】
【表５】
0003775371.tif 000006
表５からわかるように、鋼No. １〜20の本発明の鋼は、温度550 ℃、負荷応力200MPaでのクリープ破断時間がいずれも10000 時間を超えており、鋼No. 21〜24の従来鋼の約10倍強と極めて長い。また、伸びが25％以上、絞りが51％以上で、長時間のクリープ延性も良好であり、vTrsがいずれも−20℃以下で靱性も良好である。
【００５９】
これに対し、鋼No. 25〜38の比較鋼は、成分のいずれかが本発明で規定する範囲を外れているか、成分範囲に加えて、(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060を外れているため、破断時間、伸びおよび絞りのうちのいずれか不良であり、靱性も悪い。また、鋼No. 39と40の比較鋼は、いずれの成分の含有量も本発明で規定する範囲内ではあるが、(1) 式で表されるBeff値が0.0001〜0.0060を外れているため、破断時間、伸びおよび絞りのうちのいずれか不良であり、靱性も悪い。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の低合金鋼は、クリープ強度およびクリープ延性ともに優れており、しかも靭性も良好である。従って、発電プラントなどで、550℃程度までの温度域において使用される耐熱構造部材用の材料として極めて有効である。