鐵素體系耐熱鋼及其制造方法技術

一種鐵素體系耐熱鋼，其中，作為其構成元素，至少含有以重量計１．０～１３％鉻，０．１～８．０％鈷，０．０１～０．２０％氮，３．０％以下鎳，０．０１～０．５０％的選自釩、鈮、鉭、鈦、鉿和鋯中至少１種或２種以上的元素作為ＭＸ型析出物形成元素和０．０１％以下的碳，剩余部分實質上由鐵和不可避免的雜質組成，在晶界上和晶內界面析出ＭＸ型析出物，在晶界上析出的Ｍ＜ｓｕｂ＞２３＜／ｓｕｂ＞Ｃ＜ｓｕｂ＞６＜／ｓｕｂ＞型析出物在晶界存在率在５０％以下，該耐熱鋼即使在超過６００℃的高溫下也有優良的蠕變特性。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及。更詳細地說，涉及在超過600℃的高溫下其蠕變特性也優良的。
技術介紹
以發電用的鍋爐及汽輪機為代表的，原子能發電設備、化學工業裝置等為了能在高溫高壓下長時間使用，在高溫用部件材料中應用奧氏體系耐熱鋼或鐵素體系耐熱鋼等。其中，鐵素體系耐熱鋼與奧氏體系耐熱鋼相比，因為價格便宜、熱膨脹率低、耐熱疲勞性好，所以多用于使用溫度達到600℃附近的高溫用部件材料中。另一方面，近年來對火力發電工廠為了提高效率進行了高溫高壓化的研究，目標是將蒸汽輪機的蒸汽溫度從現在最高的593℃提高到600℃、進一步，最終到650℃。迄今為止的鐵素體系耐熱鋼一般是如日本專利第2948324號公報中所述的那樣，由在馬氏體的晶界上析出的M23C6型碳化物、在晶內分散析出的MX型碳氮化物引起的析出強化和通過添加鎢、鉬、鈷等使鐵母相的強化組合而成的鋼材。但是這樣的鐵素體系耐熱鋼若受到在超過600℃的溫度，超過1萬小時的長時間蠕變，M23C6型碳化物粗大化，析出強化效果降低，同時，位錯的恢復活躍，高溫蠕變強度大大降低。作為防止長時間蠕變強度的降低的方法，例如特開昭62-180039號公報中所述的那樣，降低添加的碳量，因碳化物使在高溫下穩定的不易粗大的氮化物析出，維持析出強化的方法。然而，碳是確保鐵素體系耐熱鋼的淬火性所必要的，若單單減低碳，就不能充分地淬火，由于淬火時導入位錯所引起的強度提高效果降低。以上可知，至今還不能提供在超過600℃的高溫下長時間蠕變強度大的鐵素體系耐熱鋼。
技術實現思路
本專利技術的專利技術人為了提高高溫長時間蠕化強度，對鐵素體系耐熱鋼進行了強化機理的根本性的改變，立足于減少容易粗化的M23C6型碳化物積極地利用在高溫穩定的MX型氮化物，進一步同時確保淬火性這些想法進行了深入探討。結果發現，為了析出MX型氮化物，減少添加碳元素的量，添加氮元素和MX形成元素，進一步為了確保淬火性，通過積極地添加鈷，使晶界上析出的M23C6型析出物減少到50％以下，另一方面，在晶界上和晶內形成MX型析出物析出的金屬組織，具有該金屬組織的鐵素體系耐熱鋼顯示有非常高的高溫蠕化強度，以而完成本專利技術。也就是說，本專利技術提供一種鐵素體系耐熱鋼，作為其構成元素，至少含有以重量計的1.0～13％鉻，0.1～8.0％鈷，0.01～0.20％氮，3.0％以下鎳，0.01～0.50％的選自釩、鈮、鉭、鈦、鉿和鋯中至少1種或2種以上的元素作為MX型析出物形成元素和0.01％以下的碳，剩余部分實質上由鐵和不可避免的雜質組成，在晶界上和晶內的界面析出MX型析出物，在晶界上析出M23C6型析出物的晶界存在率在50％以下。另外，本專利技術還提供另一種形式的鐵素體系耐熱鋼，作為構成元素還含有，以重量計的0.001～0.030％的硼、或以重量計的0.1～3.0的鉬或0.1～4.0％的鎢中的1種或2種。進一步，本專利技術還提供一種鐵素體系耐熱鋼的制造方法，前述的任一種鐵素體系耐熱鋼的制造方法，其特征在于，在原料溶解后成型，然后在1000～1300℃的溫度固熔化處理。另外，關于上述鐵素體系耐熱鋼的制造方法是，提供一種固熔化處理后，在500～850℃的溫度進行回火處理的實施方式。以下，分別示出實施例，對本專利技術的作詳細的說明。附圖的簡單說明附圖說明圖1表示后述的No.2的鐵素體系耐熱鋼的金屬組織的透射型電子顯微鏡照片。圖2表示后述的No.6的耐熱鋼的透射型電子顯微鏡照片。圖3表示后述的No.2的鐵素體系耐熱鋼的位錯組織的透射型電子顯微鏡照片。專利技術的具體實施例方式本專利技術的中，為了實現高溫蠕變強度高的鐵素體系耐熱鋼，將在晶界上和晶內界面使微細的MX型析出物作為強化機理的根本。為了析出這樣的MX型析出物，在固熔化處理時使MX型析出物形成元素在奧氏體中固熔化是必要的，因此，固熔化處理溫度必須在1000℃以上。另一方面，固熔化處理溫度若超過1300℃，將析出δ-鐵素體，導致高溫強度降低。因此，本專利技術的鐵素體系耐熱鋼的制造方法中，將固熔化溫度設在1000～1300℃的范圍。另外，本專利技術的鐵素體系耐熱鋼的制造方法中，可以通過生成微細的碳氮化合物，謀求提高鐵素體系耐熱鋼的高溫強度。為了充分析出微細的碳氮化合物，可以在前述固熔化處理后在500℃以上進行回火處理。另一方面，回火處理溫度若超過850℃，碳氮化合物就粗大化，高溫強度降低，同時，顯著地產生位錯回復，造成室溫強度也降低，因此，回火處理溫度在500～850℃的范圍較適宜。本專利技術的鐵素體系耐熱鋼的制造方法中，如前所述使用含有特定量的特定構成元素的原料是必要的。規定各構成元素的特征和含量的理由如下。另外，以下，各構成元素的含量全部為重量％。鉻為了賦予鋼耐氧化性和耐腐蝕性，需要鉻在1.0％以上。但是，若超過13％，生成δ-鐵素體，高溫強度和韌性降低。因此，鉻的含量為1.0～13％。鈷鈷能大大地抑制δ-鐵素體的析出。為了提高淬火性，鈷必須在0.1％以上，但是若超過8.0％，會引起延展性降低和增大成本，因此，鈷的含量為0.1～8.0％。氮氮在提高淬火性的同時，形成MX型析出物，對提高蠕化強度有作用。因此，必須在0.01％以上，但若超過0.20％，鋼的延展性降低。因此，氮的含量為0.01～0.20％。鎳鎳超過3.0％時，會引起蠕變強度顯著降低。因此，鎳的含量在3.0％以下。MX型析出物形成元素釩釩能形成微細的碳氮化物，抑制蠕變中的位錯的回復，顯著提高蠕變斷裂強度。在添加其他MX型析出物形成元素強化鋼的情況下，也可以省略添加。但是，通過添加釩，可得到更高的強度。以上的釩的添加效果在0.01％以上時變得顯著，但若超過0.50％，韌性降低，同時生成粗大的氮化物，蠕變強度降低。因此，釩的含量在0.01～0.50％。鈮鈮與釩同樣能形成微細的碳氮化物，抑制蠕變中的位錯的回復，顯著提高蠕變斷裂強度。此外，通過在淬火時析出的其的微細的碳氮化物，使鋼的晶粒微細化，所以也提高韌性。為了得到這樣的效果，鈮必須在0.01％以上，但若超過0.50％，奧氏體中未固熔的鈮過多，蠕變斷裂強度就降低。因此，鈮的含量在0.01～0.50％。鉭鉭也與鈮同樣能形成微細的碳氮化物，抑制蠕變中的位錯的回復，顯著提高蠕變斷裂強度。另一方面，與釩同樣，在添加其他MX型析出物形成元素強化鋼的情況下，也可以省略添加。但是，通過添加鈦，能得到更高的強度。以上的鈦的添加效果在0.01％以上時變得顯著，但若超過0.50％，韌性降低，同時生成粗大的氮化物，蠕變強度降低。因此，鈦的含量在0.01～0.50％。鈦鈦也與鈮同樣能形成微細的碳氮化物，抑制蠕變中的位錯的回復，顯著提高蠕變斷裂強度。另一方面，與釩同樣，在添加其他MX型析出物形成元素強化鋼的情況下，也可以省略添加。但是，通過添加鈦，能得到更高的強度。以上的鈦的添加效果在0.01％以上時變得顯著，但若超過0.50％，韌性降低，同時生成粗大的氮化物，蠕變強度降低。因此，鈦的含量在0.01～0.50％。鉿鉿也與鈮同樣能形成微細的碳氮化物，抑制蠕變中的位錯的回復，顯著提高蠕變斷裂強度。另一方面，與鈦同樣，在添加其他MX型析出物形成元素強化鋼的情況下，也可以省略添加。但是，通過添加鉿，能得到更高的強度。以上的鉿的添加效果在0.01％以上時變得顯著，但若超過0.50本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵素體系耐熱鋼，其中，作為其構成元素，至少含有以重量計１．０～１３％鉻，０．１～８．０％鈷，０．０１～０．２０％氮，３．０％以下鎳，０．０１～０．５０％選自釩、鈮、鉭、鈦、鉿和鋯中至少一種或２種以上的元素作為ＭＸ型析出物形成元素和０．０１％以下的碳，剩余部分實質上由鐵和不可避免的雜質組成，在晶界上和晶內的界面析出ＭＸ型析出物，在晶界上析出的Ｍ↓［２３］Ｃ↓［６］型析出物的晶界存在率在５０％以下。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：種池正樹，阿部富士雄，
申請(專利權)人：獨立行政法人物質材料研究機構，三菱重工業株式會社，
類型：發明
國別省市：JP[日本]