專利名稱：鐵素體系耐熱鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接熱影響部的軟化較小的鐵素體系耐熱鋼。
其中，高Cr鐵素體鋼與低Cr鐵素體鋼相比，在500～600℃溫度區(qū)域里的強度和耐腐蝕性更加優(yōu)越。其次，高Cr鐵素體鋼與奧式體系不銹鋼相比，價格便宜，而且屈服強度腐蝕裂紋性優(yōu)良。再次，由于高Cr鐵素體鋼熱膨脹系數(shù)小，所以伴隨溫度變化的變形較小。如上所述，高Cr鐵素體鋼作為高溫用材料具有很多優(yōu)點，所以正被廣泛利用。
近年來，隨著使用環(huán)境惡劣程度的加深，對于鐵素體系耐熱鋼的使用性能、特別是對于蠕變強度的要求更加嚴格了。為此，提出了很多以含有8％～13％Cr的鐵素體鋼為基礎(chǔ)，調(diào)整Mo、W、Nb、V，以及Co、Ta、Nd、Zr、B等的含有量，從而提高高溫強度的新型鐵素體系耐熱鋼及其熱處理方法(例如，請參照特開平2-310340號、同4-6213號、同4-350118號、同4-354856號、同5-263196號、同5-311342～311346號的各公報)。
在將鐵素體系耐熱鋼作為焊接構(gòu)造物使用時，例如“Science andTechnology of Welding and Joining，1996，Vol.1，No.1，p.36～42”所示，在焊接接頭的焊接熱影響部(HAZ)蠕變強度將降低20％以上，發(fā)生所謂的“HAZ軟化現(xiàn)象”。
但是，上述各公報所示的鐵素體系耐熱鋼，以提高母材的蠕變強度和韌性為主要目的，根本沒有考慮伴隨著HAZ軟化現(xiàn)象所產(chǎn)生的焊接接頭的蠕變強度的降低。
對于抑制HAZ軟化現(xiàn)象的鐵素體系耐熱鋼及其制造方法也提出了很多方案(例如，請參照特開平5-43986號、同6-65689號、同7-242935號、同8-85848號、同8-337813號、同9-13150號、同9-71845號及同11-106860號的各公報)。
但是，上述各公報所示的鐵素體鋼及其制造方法，例如特開平7-242935號公報和同8-337813號公報所示，因需要特殊的焊接方法和加工熱處理等，存在著制造成本上升、制造效率下降等問題。另外，特開平6-65689號公報、同8-85848號公報及同9-71845號公報所示的鋼，作為必要成分含有氧化Ta粒子及Ta、Nd、Hf等的高價元素，從而就會導致制造成本的上升等問題。
本發(fā)明的鐵素體系耐熱鋼以下述(A)及(B)為特征(A)化學組成按質(zhì)量％如下C不足0.05％、Si1.0％以下、Mn2.0％以下、P0.030％以下、S0.015％以下、Cr7～14％、V0.05～0.40％、Nb0.01～0.10％、N0.001％以上，且不足0.050％、sol.Al0.010％以下、O(氧)0.010％以下，其它為Fe及雜質(zhì)。
(B)含在鋼中的粒徑為0.3μm以上的碳化物及碳氮化物的析出密度為1×106個/mm2以下。
本發(fā)明的鐵素體系耐熱鋼也可以將上述(A)化學組成中的部分Fe替換成從下述第一群至第5群的至少一群中選出來的至少一種成分。
第一群按質(zhì)量％，合計0.1～5.0％的Mo及W。
第二群按質(zhì)量％，合計0.02～5.00％的Cu、Ni及Co。
第三群按質(zhì)量％，合計0.01～0.20％的Ta、Hf、Nd及Ti。
第四群按質(zhì)量％，合計0.0005～0.0100％的Ca及Mg。
第五群按質(zhì)量％，0.0005～0.0100％的B。
本發(fā)明人著眼于由焊接時的熱循環(huán)引起的組織變化經(jīng)反復的實驗、檢討，得出了以下新見解，從而完成了上述本發(fā)明。
首先，明確了在以下機構(gòu)中產(chǎn)生HAZ軟化現(xiàn)象。即，在制造母材時，會析出M23C6型碳化物(此時，M是Cr、Mo、W等金屬元素)或MX型碳氮化物(此時，M是V、Nb等金屬元素、X是C及N)。其中，可大量固溶Cr的M23C6型碳化物比MX型碳氮化物更粗大，而且，因焊接時的熱循環(huán)，其一部分分解并固溶到基塊里，在其后的熱處理(焊接后的熱處理)及蠕變的初期過程中，從固溶有一部分M23C6型碳化物的基塊領(lǐng)域中，再度微細地析出固溶到過飽和的Cr。因此，比起沒有接受焊接熱循環(huán)的母材(在該母材中不發(fā)生碳化物的部分固溶)、不發(fā)生HAZ軟化的部分(在該部分不發(fā)生碳化物的部分固溶，或碳化物完全分解、固溶)，在HAZ中以Cr為主體的M23C6型碳化物的析出密度及尺寸不均等。其后，在使用過程中完成了上述過飽和地固溶的Cr的析出，當母相的Cr濃度達到平衡濃度后，隨著微細粒子的減少，粒子就會粗大化。因此，以Cr為主體的微細M23C6型碳化物就會消失，Cr供給其周邊的M23C6型碳化物并促進其生長，或者以MX型碳氮化物為核心再析出并生長，所以M23C6型碳化物及MX型碳氮化物整體的生長速度就會加快。其結(jié)果，在強化方面有重大貢獻的MX型碳氮化物的微細分散強化效果在早期就會消失，導致強度的下降。
以上述見解為基礎(chǔ)，對于HAZ軟化的防止方法進行詳細的檢討后，發(fā)現(xiàn)在防止HAZ軟化方面下述對策非常有效。
(a)在焊接前減少鋼中存在的粗大的析出物(主要含Cr的M23C6型碳化物)的析出量，解除由于焊接熱循環(huán)的部分固溶所引起的析出物的尺寸不均勻。
(b)若要減少粗大的M23C6型碳化物的析出量，盡量減少降低Cr活度的C和N的含有量是非常有效的。
(c)C和N的含有量的減少，會提高母相的平衡Cr濃度。從而可以在使用中完成M23C6型碳化物的析出，在母相的Cr濃度達到平衡濃度后的析出物(M23C6型碳化物及MX型碳氮化物)的粗大化過程中延遲其成長速度。
具體地說，確認出使焊接前母材鋼中含有的粒徑(長徑)在0.3μm以上的M23C6型碳化物及MX型碳氮化物的析出密度為1×106個/mm2以下，而且把C和N的含有量均控制在0.05％以下，就可以防止HAZ中的強度下降問題。
還有，上述(a)、(b)及(c)的見解，與為確保蠕變強度，主張有必要積極添加C和N的前述特開平5-43986號及同8-85484號的各公報所示發(fā)明的技術(shù)性思想、還有主張有必要大量析出微細的M23C6型碳化物(具體為Cr23C6)的特開平7-242935號公報所示發(fā)明的技術(shù)思想完全不一致。
I.化學組成C不到0.05％C一直被稱為形成M23C6型碳化物，為確保高溫強度做貢獻的元素。但是，M23C6型碳化物如前所述，在焊接過程當中有一部分會發(fā)生固溶，在其后的熱處理及蠕變初期過程中還會再析出粗大的M23C6型碳化物而造成尺寸不均等問題，這些成了HAZ軟化的原因。因此，若要降低焊接前的M23C6型碳化物的析出量，確保HAZ的長時間強度，即防止HAZ軟化，必須盡量減少C的含有量。所以將C的含有量定在0.05％以下，最好是在0.045％以下。另外，沒有規(guī)定下限。但是，C亦為能形成MX型碳氮化物，以取得其微細分散強化效果的元素，其效果能在0.001％以上取得。因此，若要取得該效果也可以含0.001％以上。
Si1.0％以下Si是在制鋼時作為脫氧劑添加的元素。而且，Si亦為提高抗氧化性、耐高溫腐蝕性的元素。但是，過量的添加會導致蠕變脆化及韌性降低。為此，將Si含有量定在1.0％以下。最好是在0.8％以下。另外，根據(jù)后述的Mn及Al可以充分脫氧時，不用積極添加Si，所以沒有特別規(guī)定Si含有量的下限。但是，為切實取得由Si的脫氧效果，最好加入0.03％以上。
Mn2.0％以下Mn如同上述Si，是在制鋼時作為脫氧劑而添加的元素。而且，Mn為形成奧式體的元素，亦為取得馬丁體組織的有效元素。但是，過量含有會導致蠕變脆化及蠕變強度的下降。為此，Mn含有量應定在2.0％以下。最好是在1.8％以下。另外，根據(jù)上述的Si及后述的Al可以充分脫氧時，不用積極添加Mn，因此沒有特別規(guī)定下限。但是，為切實取得Mn的脫氧效果，最好含0.03％以上。
P0.030％以下P為包含在鋼中的雜質(zhì)元素，過量的含有將導致晶界脆化。為此，將其上限定為0.030％。P含有量越低越好。
S0.015％以下S如同上述P，是包含在鋼中的雜質(zhì)元素，過量的含有將導致晶界脆化。為此，將其上限定為0.015％。S含有量也是越低越好。
Cr7～14％Cr為用于確保高溫中的抗氧化性、耐高溫腐蝕性、高溫強度的有效元素。為了取得這些效果需7％以上的含有量。但是，過量的添加將會增加以Cr為主體的M23C6型碳化物的生成量，同時會促進碳化物的成長速度，致使降低在HAZ中的蠕變強度。因此，將Cr含有量的上限定為14％。最好在8％至13％之間。
V0.05-0.40％V為微細且在高溫中也可以形成穩(wěn)定的MX型碳氮化物，并可提高蠕變強度的元素。為了取得該效果需要0.05％以上的含有量。但是，其含有量若超過0.40％將會導致MX型碳氮化物的粗大化，致使其微細分散所帶來的提高強度的效果在早期就會喪失掉，同時引發(fā)韌性的降低。為此，將V含有量的上限定為0.40％。最好在0.10％至0.30％之間。
Nb0.01-0.10％如同上述V，Nb為微細且在高溫中也可以形成穩(wěn)定的MX型碳氮化物，并可提高蠕變強度的元素。為了取得該效果需要0.01％以上的含有量。但是，其含有量若超過0.10％將會導致MX型碳氮化物的粗大化，致使其微細分散所帶來的提高強度的效果在早期喪失掉，同時引發(fā)韌性的降低。因此，將Nb含有量的上限定為0.10％。最好在0.02％至0.08％之間。
N0.001％以上，不到0.050％如同上述C，N具有降低Cr活度的效果，可促進M23C6型碳化物的析出及HAZ軟化。因此，鑒于N可以盡可能地降低，將N含有量的上限定為0.050％。另一方面，N為形成固溶V及Nb的MX型碳氮化物并發(fā)揮其微細分散強化作用的元素。為了取得其效果需要0.001％以上的含有量。鑒于這些理由，將N含有量定為0.001％以上，且不到0.050％。最好在0.003％至0.045％之間。
sol.Al0.010％以下Al在制鋼時作為脫氧劑而被添加，但是過量的添加會降低純度。為此，將Al含有量定為以sol.Al含有量為0.010％以下。最好在0.008％以下。另外，根據(jù)上述的Si及Mn可以充分進行脫氧時，不需要積極地添加Al，因此，沒有特別規(guī)定Al含有量的下限。但是，為了確實取得由Al的脫氧效果，最好以sol.Al含有量在0.003％以上。
O(氧)0.010％以下O(氧)為包含在鋼中的雜質(zhì)元素，如果過量含有會降低純度，同時降低蠕變強度。因此，將O含有量定為0.010％以下。O含有量越低越好。
除上述合金元素及雜質(zhì)外，實質(zhì)上為Fe，但也可以根據(jù)需要代替部分Fe添加以下成分。
Mo、W這些元素不一定要積極地添加。如果添加的話，Mo及W中的任何一個元素均可固溶強化基塊，同時作為金屬互化物析出，提高蠕變強度。因此，為了取得其效果，也可以積極添加1種以上。其效果在合計含有0.1％以上時更為顯著。但是，合計含有量超過5.0％時，會導致粗大的金屬互化物的增加及韌性的降低。因此，添加這些元素的合計含有量在0.1至5.0％之間為宜。最好是在0.5至4.5％之間。
Cu、Ni、Co
這些元素不一定要積極地添加。任何元素均為奧式體的生成元素，因此，其添加都將作用于基塊的馬丁體化。為此，欲取得該效果也可以積極添加1種以上。其效果在合計含有0.02％以上時更為顯著。但是，當合計含有量超過5.00％時，會導致蠕變延性的顯著下降。因此，添加這些元素的合計含有量在0.02至5.00％之間為宜。最好是在0.05至4.50％之間。
Ta、Hf、Nd、Ti這些元素不一定要積極地添加。如果添加的話，任何一個元素都會像上述的V及Nb一樣，作用于MX型碳化物的生成及蠕變強度的提高。因此，若要取得其效果也可以積極添加1種以上，其效果在合計含有量為0.01％以上時顯著。但是，合計含有量超過0.20％時，會導致碳化物的粗大化及鋼的純度的劣化，且有損韌性。因此，添加這些元素的合計含有量在0.01至0.20％之間為宜。最好是在0.03至0.18％之間。
Ca、Mg這些元素不一定要積極地添加。如果添加的話，任何一個元素都能提高熱加工性。因此，若要取得其效果也可以積極添加1種以上，其效果在合計含有量為0.0005％以上時顯著。但是，合計含有量超過0.010％時，有損于鋼的純度。因此，添加這些元素的合計含有量在0.0005至0.0100％之間為宜。最好是在0.0010至0.0080％之間。
BB不一定要積極地添加。如果添加的話，可以分散且穩(wěn)定碳化物，提高母材的蠕變強度。而且，B亦為提高可淬性的元素，對母材組織進行馬丁體組織化具有有效作用。因此，若要取得其效果也可以積極添加，其效果在含有量為0.0005％以上時顯著。但是，含有量超過0.0100％時，有損于焊接時的耐高溫斷裂性。因此，添加B時其含有量在0.0005至0.0100％之間為宜。最好是在0.0010至0.0080％之間。
II、鋼中的M23C6型主體的碳化物及MX型碳氮化物的大小及量如上所述，HAZ中的蠕變強度下降的原因是在制造母材時所析出的、以粗大的M23C6型碳化物為主體的部分碳化物，由于焊接時的熱循環(huán)而分解、固溶，并且在其后的熱處理及蠕變初期過程中，部分碳化物會從固溶的區(qū)域再度微細地析出，使得與不受焊接熱循環(huán)的母材及不發(fā)生HAZ軟化的部分相比，以Cr為主體的碳化物的析出密度、尺寸都不均勻。
為防止上述情況的發(fā)生，如上所述，應控制焊接前的母材中存在的以上述M23C6型為主體的碳化物及MX型碳氮化物的量，以減少因焊接時的熱循環(huán)而部分固溶的碳化物的量。為了充分取得該效果，需要將焊接前的母材鋼中的粒徑(長徑)為0.3μm以上的M23C6型主體碳化物及MX型碳氮化物的析出密度定為1×106個/mm2以下。這可從后述的實施例中看出。
另外，粒徑(長徑)為0.3μm以上的M23C6型主體碳化物及MX型碳氮化物的析出密度為1×106個/mm2以下的組織，可以根據(jù)鋼的化學成分，以適當調(diào)整在制造母材時的“正火”或“正火+回火”的熱處理溫度和保持時間的方式達成。
屆時，對熱壓延后的板材表面進行目測并調(diào)查瑕疵發(fā)生情況后，對各供試鋼的熱加工性進行了評價。熱加工性的評價，是以每1m2的瑕疵發(fā)生數(shù)量為5個以下的視為優(yōu)良“◎”；6～20個視為無特別問題“○”；21個以上視為不良“×”進行的，并將其結(jié)果一并記錄在表2中。
表1

注)*標記表示超出本發(fā)明中所規(guī)定的范圍。
表2(表1的續(xù)表)

注)*標記表示超出本發(fā)明中所規(guī)定的范圍。
首先，從準備好的各鋼板中選出組織觀察用的試樣，用掃描型電子顯微鏡(SEM)，按5000倍的倍率觀察10視場后，測定了M23C6型主體的碳化物及MX型碳氮化物的尺寸及數(shù)量，對1mm2中粒徑(長徑)在0.3μm以上的碳化物及碳氮化物的析出密度進行了調(diào)查，并將其結(jié)果一并記錄在表2中。另外，從各鋼板中取出蠕變試驗片，供進行蠕變試驗。
其次，在鋼板1邊上實施了角度為30°、鈍邊厚度為1mm的坡口加工并進行了對接，之后，用化學組成相同于鋼板的填充金屬，根據(jù)TIG焊接法進行多層堆焊接后，在每個鋼板上制造了焊接接頭。將焊接線能量定為12-20kJ/cm，沒有特別進行預熱和焊道間溫度控制，但是，焊接后的焊接接頭中，均沒有發(fā)生高溫斷裂、低溫斷裂等的焊接缺陷。另外，上述填充金屬，是對準備好的各鋼板實施熱加工和機械加工后制作而成的。
對制造好的焊接接頭在740℃的溫度中實施了保持0.5小時的焊接后熱處理后，從焊接部取出蠕變試驗片，供進行蠕變試驗。對部分焊接接頭(記號1～9及14～30)，從焊接部取出JIS Z 2202中規(guī)定的V切口試驗片，供進行擺垂式?jīng)_擊試驗。另外，取蠕變試驗片時，使焊接線位于長度方向的中央部。取V切口試驗片時，使熔融界限位于切口底部。
蠕變試驗是在650℃進行，用直線外插法從所得數(shù)據(jù)中求出3000小時時的推定強度，之后比較母材與焊接接頭的強度，以焊接接頭的強度為母材的90％以上的視為合格，不到90％的視為不合格。
擺垂式?jīng)_擊試驗實在-20℃中進行，求出其吸收能，以吸收能為40J以上的視為合格。
上述結(jié)果一并記錄在表3中。
表3

注)*標記表示超出本發(fā)明中所規(guī)定的范圍。
由表3可見，利用符合本發(fā)明所規(guī)定條件的鋼板而取得的記號1～9及14～30的焊接接頭中，每個接頭推定強度均為母材推定強度的90％以上。另外，這些焊接接頭中，每個接頭在-20℃中的吸收能均為52J以上，具有充分的韌性。
與此相反，有些鋼板化學組成雖屬于本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)，但由于制造鋼板時的熱處理不適當，粒徑達0.3μm以上的M23C6型主體碳化物及MX型碳氮化物的析出密度不屬于本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)，利用這種鋼板取得的記號10～13的焊接接頭，其接頭的推定強度為母材強度的65-72％，因此，HAZ軟化比較明顯。
另外，利用C或/和N的含有量、以及粒徑為0.3μm以上的M23C6型主體的碳化物及MX型碳氮化物的析出密度不屬于本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)的鋼板而取得的記號31～34的焊接接頭，其接頭的推定強度為母材推定強度的65-80％，因此，HAZ軟化比較明顯。
本發(fā)明中的鐵素體系耐熱鋼在焊接熱影響部中的蠕變強度下降得較少。因此，適用于鍋爐等的焊接構(gòu)造物的構(gòu)成材料。
權(quán)利要求
1.一種鐵素體系耐熱鋼，其焊接熱影響部軟化較小，其特征在于按質(zhì)量％，含C不到0.05％、Si1.0％以下、Mn2.0％以下、P0.030％以下、S0.015％以下、Cr7～14％、V0.05～0.40％、Nb0.01～0.10％、N0.001％以上且不到0.050％、sol.Al0.010％以下、O0.010％以下，其余由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，且包含在鋼中的粒徑在0.3μm以上的碳化物及碳氮化物的析出密度為1×106個/mm2以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵素體系耐熱鋼，其中，代替Fe的一部分，按質(zhì)量％含合計0.1～5.0％的Mo及W中的1種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵素體系耐熱鋼，其中，代替Fe的一部分，按質(zhì)量％含合計0.02～5.00％的Cu、Ni及Co中的1種以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的鐵素體系耐熱鋼，其中，代替Fe的一部分，按質(zhì)量％含合計0.01～0.20％的Ta、Hf、Nd及Ti中的1種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的鐵素體系耐熱鋼，其中，代替Fe的一部分，按質(zhì)量％含合計0.0005～0.0100％的Ca及Mg中的1種以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的鐵素體系耐熱鋼，其中，代替Fe的一部分，按質(zhì)量％含0.0005～0.0100％的B。
全文摘要
一種鐵素體系耐熱鋼，其中焊接接頭的焊接熱影響部的蠕變強度下降得較少，按質(zhì)量％，含C不到0.05％、Si1.0％以下、Mn2.0％以下、P0.030％以下、S0.015％以下、Cr7～14％、V0.05～0.40％、Nb0.01～0.10％、N0.001％以上且不到0.050％、sol.Al0.010％以下、O0.010％以下，其余由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，且包含在鋼中的粒徑為0.3μm以上的碳化物及碳氮化物的析出密度為1×10
文檔編號C22C38/22GK1462316SQ02801587
公開日2003年12月17日 申請日期2002年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月9日
發(fā)明者平田弘征, 小川和博 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社