專利名稱：：低合金鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高溫蠕變特性及韌性出色的低合金鋼。本發(fā)明的低合金鋼主要適于作為發(fā)電用鍋爐、葉輪機(jī)、原子能發(fā)電設(shè)備、化學(xué)工業(yè)用裝置等在高溫下使用的設(shè)備或機(jī)器的耐熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
背景技術(shù)：
：發(fā)電用鍋爐、葉輪機(jī)、原子能發(fā)電設(shè)備、化學(xué)工業(yè)用裝置等長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓下使用。因此，通常要求使用于這些裝置中的耐熱材料的在高溫下的強(qiáng)度、抗腐蝕性、抗氧化性以及在常溫下的韌性等出色。在上述用途中，以往，一直使用奧氏體系不銹鋼(例如，JIS的SUS321H、SUS347H的鋼)、低合金鋼(例如，JIS的STBA24的鋼，即，2.25Cr-lMo鋼)、還有9~12Cr系的高Cr鐵素體鋼(例如，JIS的STBA26的鋼，即，9Cr-lMo鋼；STBA28的鋼，即，改良9Cr-1Mo鋼)等。近年來，在火力發(fā)電設(shè)備中，為了防止地球變暖要減少C02等的排量。因此，必須提高熱效率，在鍋爐中建設(shè)使蒸汽條件高溫高壓化(例如，超過600。C的溫度、300個(gè)大氣壓)了的新型設(shè)備。另一方面，許多建設(shè)于高度發(fā)展期的原有設(shè)備相繼迎來了計(jì)劃壽命，是更新新型設(shè)備，還是通過局部修補(bǔ)以謀求延長(zhǎng)壽命，逐漸成為較大的社會(huì)問題。這也是涉及日本能源政策的問題。另一方面，受到來自國內(nèi)外的撤銷管制規(guī)定的請(qǐng)求，電力事業(yè)也進(jìn)一步自由化，可以從電力關(guān)系以外的企業(yè)進(jìn)出該領(lǐng)域。其結(jié)果是，導(dǎo)致價(jià)格竟?fàn)幖ち遥诎l(fā)電設(shè)備方面也逐漸較以往更重視經(jīng)濟(jì)性。在上述那樣的背景下，作為減少發(fā)電設(shè)備成本的一種方法，指向了通過使在設(shè)備中使用的耐熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)一步高強(qiáng)度化來減少鋼材使用量，符合上述要求的高強(qiáng)度材料正在開發(fā)中。在上限為5ocrc左右的較低溫范圍下，以往一直廣泛使用jis的STBA22的鋼(lCr—0.5Mo鋼)、STBA23的鋼(1.25Cr-0.5Mo鋼)以及上述STBA24的鋼(2.25Cr-lMo鋼)等Cr-Mo系低合金鋼。例如專利文獻(xiàn)l中也公開了為了進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度而以W置換了一部分Mo的鋼。此外，專利文獻(xiàn)2中公開了添加Co而提高了淬硬性的鋼。在上述那樣的新鋼中，利用W、Co改善了在高溫下的軟化抵抗，特別是在500。C以上的蠕變強(qiáng)度較以往的通用鋼有了飛躍性的提高。但是，由于高強(qiáng)度化了，因此出現(xiàn)了韌性變差以及長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性(伸長(zhǎng)、斷面收縮)顯著下降這樣的問題。作為防止韌性變差、并且提高了抗再熱斷裂性的鋼，專利文獻(xiàn)3及專利文獻(xiàn)4中公開了在Cr-Mo鋼中添加極微量的Ti、且將氮含量控制為極微量的鋼。在該鋼中，雖然改善了韌性，但是未能實(shí)現(xiàn)高蠕變強(qiáng)度和蠕變延展性的并存。并且，有時(shí)在焊接施工后反復(fù)進(jìn)行SR處理的部位處，由于再熱斷裂再加上再熱軟化而使蠕變強(qiáng)度顯著下降。專利文獻(xiàn)5中公開了特征為限制了特定大小的析出物的存在密度的低、中Cr系耐熱鋼。該鋼雖然其蠕變強(qiáng)度高，但是未必是考慮到了長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性、抗再熱軟化特性的成分設(shè)計(jì)。此外，專利文獻(xiàn)6中公開了0含量為0.401.50%的低合金鋼。但是，該鋼由于Cr含量過少，因此在超過500。C的溫度范圍下未必能充分抵抗高溫腐蝕，使用溫度受到限制。專利文獻(xiàn)l:日本特開平8-134584號(hào)公才艮專利文獻(xiàn)2:日本特開平9-268343號(hào)乂^才艮專利文獻(xiàn)3:日本特開平8-144010號(hào)公才艮專利文獻(xiàn)4:曰本4爭(zhēng)開2001—234276號(hào)7>才艮專利文獻(xiàn)5:曰本凈爭(zhēng)開2001—342549號(hào)7>凈艮專利文獻(xiàn)6:曰本凈爭(zhēng)開2004—107719號(hào)7>才艮
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)以往在發(fā)電設(shè)備等中、在上限為500。C左右的溫度范圍下使用的耐熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件用低合金鋼，提供大大提高了高溫長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性以及回火軟化抵抗、在上限為550。C左右的溫度范圍下也能使用的鋼。針對(duì)蠕變強(qiáng)度及蠕變延展性以及再熱軟化特性，詳細(xì)調(diào)查了材料的化學(xué)組成與金相組織(微觀組織)之間的關(guān)系。結(jié)果，得到了下述新的見解。(a)在Cr-Mo鋼中，當(dāng)用W置換了一部分Mo時(shí)，雖然更長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定了碳化物而提高了蠕變強(qiáng)度，但是韌性及蠕變延展性反而顯著下降。另外，碳化物例如是M3C、M7C3、M23C6、MsC的形式。M以Fe和Cr為主體，固溶了若千量的Mo和W等。隨著Cr量的增加而從M3C變?yōu)镸7C3、M23C6、M6C。(b)當(dāng)在Cr-Mo鋼中添加Co時(shí)，雖然淬硬性隨著Co量的增加而飛躍性地提高，但是大量添加Co也會(huì)和W—樣提高蠕變脆化敏感性。(c)另一方面，當(dāng)在Cr-Mo鋼中添加V、Nb等時(shí)，微細(xì)地分散析出MC碳化物(M以V、Nb為主體固溶了一部分Mo),與單獨(dú)添加Mo時(shí)相比，獲得了顯著的析出強(qiáng)化作用而提高了高溫蠕變強(qiáng)度。但是，蠕變脆化敏感性仍然顯著增加。(d)向Cr-Mo鋼中添加B會(huì)提高淬硬性而有效提高強(qiáng)度、韌性。雖然這一點(diǎn)是已知的，但是據(jù)本發(fā)明人調(diào)查得知，添加過量的B會(huì)使韌性顯著下降。(e)本發(fā)明人經(jīng)進(jìn)一步研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使B、N、S及O(氧)各自的含量適當(dāng)化，且使以后述式(l)表示的BSO值為0.00010.010，會(huì)飛躍性地提高蠕變延展性和再熱軟化抵抗。此外，還了解到也可以大量添加W、B。本發(fā)明是以上述見解為基礎(chǔ)作成的，其要旨在于下述低合金鋼。(1)一種低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，其成分為C:0.03~0.10%、Si:0.30。/o以下、Mn:1.0。/o以下、0:大于1.5%且小于等于2.5%、Mo:0.01%1.0%、V:0.040.30%、Nb:0.001~0.10%、Ti:0.0010.020%、B:0.0001~0.0200/0、Al:0.001~0.01%、Nd:0.0001-0.050%、其余成分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，雜質(zhì)中的P為0.020%以下、S為0.003。/。以下、N小于0.0050。/。、O(氧)為0.0050%以下，而且，以下述式(1)表示的BSO值為0.00010.010。BSO=B-(ll/14)N-(ll/32)S-(ll/16)0……(1)其中，式(1)的元素符號(hào)為各元素的含量(質(zhì)量％)。(2)上述(1)的低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還含有2.0質(zhì)量Q/。以下的W。(3)上述(1)或(2)的低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還分別含有0.50質(zhì)量％以下的Cu、Ni及Co中的一種以上。(4)上述(1)(3)中的任一種低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還含有0.005質(zhì)量％以下的Mg、0.005質(zhì)量％以下的Ca、0.02質(zhì)量Q/。以下的La、0.02質(zhì)量Q/。以下的Ce、0.05質(zhì)量。/。以下的Y、0.05質(zhì)量％以下的Sm以及0.05質(zhì)量％以下的Pr中的一種以上。具體實(shí)施方式以下，說明本發(fā)明低合金鋼的各成分的作用效果與含量的限定理由。另外，在以下記載中成分含量的"％"表示"質(zhì)量%，，。C:0.030.10%C為奧氏體穩(wěn)定化元素，可使作為Cr-Mo鋼基本母相組織的貝氏體組織(下部貝氏體組織)或者馬氏體組織穩(wěn)定化，并形成各種碳化物而有益于高強(qiáng)度化。若C含量小于0.03。/。，則析出的碳化物少，無法獲得足夠的強(qiáng)度。另一方面，若C含量超過0.10%,則鋼顯著硬化而降低焊接性、加工性。C含量更優(yōu)選的下限和上限分別為0.04%和0.08%。Si:0.30o/。以下Si在制鋼工序中被作為脫氧劑使用，不可避免地會(huì)殘留于鋼中。以往，作為確?？寡趸运枰某煞侄谀蜔峤Y(jié)構(gòu)構(gòu)件用的鋼中積極地添加Si。但是，據(jù)本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，若作為雜質(zhì)而含有的Si少，則不僅減小蠕變脆化，還能獲得減小再熱脆化及再熱斷裂敏感性的效果。若將Si含量控制為0.30%以下，則該效果顯著。此外，由于即使將Si含量控制為0.30o/o以下，也可以用Cr補(bǔ)氧，因此不會(huì)對(duì)抗氧化性造成負(fù)面影響。出于以上理由使Si含量為0.30%以下。更優(yōu)選為0.15%以下。Mn:1.0M以下Mn與C一樣為奧氏體穩(wěn)定化元素，對(duì)于貝氏體組織的穩(wěn)定化很重要。但是，大量添加Mn會(huì)降低鋼的Ad相變點(diǎn)，還會(huì)導(dǎo)致再熱脆化。因此，使]\111含量為1.0%以下。若為0.30%以下，則會(huì)進(jìn)一步提高蠕變延展性。另外，Mn含量的下限為通常雜質(zhì)的水平即可。0:大于1.5%且小于等于2.5%Cr對(duì)于低碳素系貝氏體母相組織的穩(wěn)定化是不可缺少的。為了獲得該效果，使Cr含量超過1.5。/。。更優(yōu)選的Cr含量下限為超過1.6%的量。另一方面，若0含量超過2.5%,則會(huì)使M7C3型、M23Ce型碳化物的析出顯著增加而降低蠕變強(qiáng)度。Mo:0.011.0%Mo為固溶強(qiáng)化元素，且有益于M3C型、M7C3型、M23C6型碳化物的穩(wěn)定化，此外，會(huì)形成Mo2C、且也有益于MC型碳化物的穩(wěn)定化而提高蠕變強(qiáng)度。為了獲得上述效果，使Mo含量為0.01%以上。但是若過量添加，則會(huì)使貝氏體母相或馬氏體母相不穩(wěn)定，因此使Mo含量上限為1.0%。V:0.04%0.30%由于V會(huì)與后述Nb—起形成MC型碳化物而顯著有益于提高蠕變強(qiáng)度，因此含有0.04%以上。但是，由于過量添加會(huì)顯著降低長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性，因此使V含量上限為0.30%。Nb:0.001%~0.10%Nb與V—樣會(huì)形成微細(xì)碳化物而有益于高強(qiáng)度化。為了獲得該效果而使Nb含量為0.00P/。以上。另一方面，若Nb含量超過0.10%,則會(huì)因生成過量的炭氮化物而損及韌性。更優(yōu)選的Nb含量的下限和上限分別為0.020。/o和0.060%。Ti:0.001~0.020%Ti會(huì)形成微細(xì)碳化物而有益于高強(qiáng)度化。因此，含有0.001%以上。特別是，由于具有提高蠕變延展性、抑制再熱時(shí)的脆化及斷裂的效果，因此優(yōu)選是含有0.010%以上。但是，過量添加會(huì)給韌性帶來負(fù)面影響，因此使其上限為0.020%。B:0.00010.020%B可有效提高淬硬性。使B含量為0.0001%以上才獲得該效果。另一方面，由于大量添加B會(huì)給韌性帶來負(fù)面影響，因此應(yīng)使B含量上限為0.020M。其上限優(yōu)選為0.015%,更優(yōu)選為0.012%。另外，B含量需要調(diào)整成使由上述式(1)表示的BS0值為0.0001~0.010。Nd:0.0001%0.050%Nd為提高長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性的元素。為了獲得該效果，需要使Nd含量為0.0001。/o以上。但是，由于過量的Nd會(huì)形成有損韌性的粗大夾雜物，因此使Nd含量上限為0.050Q/。。更優(yōu)選的Nd含量為大于0.010%且小于等于0.050%。Al:0.001~0.01%Al是作為鋼的脫氧劑的重要元素。為了獲得脫氧效果需要使Al含量為0.001。/。以上。另一方面，從本發(fā)明意圖的使強(qiáng)度與韌性并存方面考慮，A1含量不宜超過0.0"/0。本發(fā)明的低合金鋼的一種鋼，除了上述各成分以外，其余成分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成。但是，需要如下述這樣控制雜質(zhì)中的P、S、N及O(氧)。P:0.020。/o以下、S:0.003。/o以下、0:0.0050%以下這些元素為使鋼的韌性變差的不好的雜質(zhì)。使它們分別為上述上限值以下，優(yōu)選是使它們盡量少。N:小于0.00500/0N為固溶強(qiáng)化元素，且有時(shí)會(huì)形成炭氮化物而有益于高溫強(qiáng)度，但是在本發(fā)明中，特別是為了謀求使蠕變強(qiáng)度及韌性并存、并且提高蠕變延展性，而將N含量控制為小于0.00500/0。并且，N含量也需要調(diào)整成使由上述式(l)表示的BSO值為0.0001~0.010。BSO:0.00010.010如上所述，BSO以下述式(l)表示。為了提高蠕變延展性和再熱軟化抵抗需要使BSO值為0.0001-0.010。BSO=B-(ll/14)N-(ll/32)S-(11/16)0......(1)該BSO技術(shù)上的意義在于，確保B含量使得在高溫下使用本發(fā)明鋼時(shí)，有效防止炭氮化物粗大化、抑制粒界脆化。若BSO值小于0.0001，則不能確保有效的B量，另一方面，若大于0.010，則會(huì)形成有損韌性的粗大夾雜物。因此，使BSO值為0.0001~0.010。更伊C選的BSO下卩艮為0.001。本發(fā)明的低合金鋼的另一種鋼，在上述成分的基礎(chǔ)上，還含有從W、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、La、Ce、Y、Sm及Pr中選擇的l種以上成分。下面陳述這些成分的作用效果和含量的限定理由。W:2.0M以下在欲進(jìn)一步提高高溫長(zhǎng)時(shí)間蠕變強(qiáng)度時(shí)添加W。如上所述，以往，大量添加w會(huì)導(dǎo)致再熱脆化而提高斷裂敏感性，但是，在使BSO值為0.00010.010范圍內(nèi)的鋼中，即使含有達(dá)到2.0%的W也不會(huì)出現(xiàn)上述弊病。此外，W也有益于提高蠕變延展性。要使該效果可靠，優(yōu)選含有0.20%以上。Cu、Ni、Co:各0.50o/o以下這些元素均為奧氏體穩(wěn)定化元素，有益于貝氏體或馬氏體組織的穩(wěn)定化。要使該效果可靠，優(yōu)選各含有0.01%以上的含量。但是，若各超過0.50%,則有時(shí)由于鋼強(qiáng)度過高而需要進(jìn)行過度的軟化熱處理等。因此，當(dāng)添加這些成分時(shí)，各自的含量應(yīng)止于0.50%。Mg、Ca:各0.005。/。以下，La、Ce:各0.02Q/。以下，Y、Sm、Pr:各0.05Q/Q以下由于這些元素具有在鑄造鋼時(shí)防止凝固斷裂的效果，因此根據(jù)需要而含有。若這些元素超過上述上限值，則都會(huì)給韌性帶來負(fù)面影響。另外，要使添加效果可靠，優(yōu)選是使它們均為0.0001%以上的含量。本發(fā)明的鋼在加工成管、板等后，實(shí)施"正火一回火"熱處理而使用。該熱處理后的組織是以回火貝氏體或回火馬氏體為主體的組織。實(shí)施例以下，利用實(shí)施例具體說明本發(fā)明的效果。用真空感應(yīng)熔化爐熔煉表l所示化學(xué)組成的鋼各150kg,鑄錠、接著通過熱鍛制成厚25mmx寬100mm的板狀試樣。然后，作為正火處理，在950。C保持1小時(shí)后進(jìn)行水冷，使回火溫度在720~760。C的范圍內(nèi)變化而加熱保持l小時(shí)后進(jìn)行空冷。所有的鋼均變成了回火貝氏體組織或回火馬氏體組織。對(duì)上述熱處理后的一部分試樣，進(jìn)一步在730。C再加熱10小時(shí)以調(diào)查硬度的變化，評(píng)價(jià)了再熱軟化抵抗。從所得試樣上切取了直徑6mm、GL30mm的蠕變斷裂試樣、以及10mmx10mmx5mm的帶2V缺口的夏比沖擊試樣。在溫度550。C、負(fù)荷應(yīng)力200MPa的條件下實(shí)施了蠕變斷裂試驗(yàn)，在-60。C60。C的溫度范圍下實(shí)施了夏比沖擊試驗(yàn)。將上述試驗(yàn)結(jié)果示于表2中。在表2中，"韌性"欄中的O表示vTrs為低于-40。C的溫度，〇表示vTrs為-40°C~-20°C范圍，△表示vTrs為大于-2CTC且小于等于0。C的范圍，x表示vTrs為高于0。C的溫度。此外，在"抗再熱軟化抵抗"欄中，O表示經(jīng)上述再加熱(在730。C加熱10小時(shí))，維氏硬度(Hv)的下降小于20。/。，x表示維氏硬度(Hv)的下降大于等于20%。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>如表2所示，No.1~22的本發(fā)明鋼的蠕變斷裂時(shí)間均超過了10，000小時(shí)，勝過了現(xiàn)有鋼(N0.5154)。此外，在韋刃性方面，若vTrs為-20。C以下，則才及好。另一方面，No.3037的比較鋼或是偏離了本發(fā)明所定的組成范圍，或是以式(1)表示的BSO值為0.00010.010范圍外。它們的蠕變斷裂斷面收縮與抗再熱軟化抵抗性都比本發(fā)明鋼差，而且韋刃性也不好。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的鋼使用于上限為55CTC左右的高溫范圍，其長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性、再熱軟化抵抗性及韌性出色。該鋼作為指向高溫高壓運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電設(shè)備等的結(jié)構(gòu)材料有用。權(quán)利要求1.一種低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，其成分為C0.03～0.10％、Si0.30％以下、Mn1.0％以下、Cr大于1.5％且小于等于2.5％、Mo0.01％～1.0％、V0.04～0.30％、Nb0.001～0.10％、Ti0.001～0.020％、B0.0001～0.020％、Al0.001～0.01％、Nd0.0001～0.050％、其余成分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，雜質(zhì)中的P為0.020％以下、S為0.003％以下、N小于0.0050％、O(氧)為0.0050％以下，而且，以下述式(1)表示的BSO值為0.0001～0.010，BSO＝B-(11/14)N-(11/32)S-(11/16)O......(1)其中，式(1)的元素符號(hào)為各元素的含量(質(zhì)量％)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還含有2.0質(zhì)量。/。以下的W。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還分別含有0.50質(zhì)量。/o以下的Cu、Ni及Co中的一種以上。4.根據(jù)權(quán)利要求13中任一項(xiàng)所述的低合金鋼，其中，代替Fe的一部分，還含有0.005質(zhì)量％以下的Mg、0.005質(zhì)量％以下的Ca、0.02質(zhì)量。/。以下的La、0.02質(zhì)量％以下的Ce、0.05質(zhì)量％以下的Y、0.05質(zhì)量％以下的Sm以及0.05質(zhì)量％以下的Pr中的一種以上。全文摘要本發(fā)明提供一種提高了高溫長(zhǎng)時(shí)間蠕變延展性及回火軟化抵抗的耐熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件用低合金鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，其成分為C0.03～0.10％、Si0.30％以下、Mn1.0％以下、Cr大于1.5％且小于等于2.5％、Mo0.01％～1.0％、V0.04～0.30％、Nb0.001～0.10％、Ti0.001～0.020％、B0.0001～0.020％、Al0.001～0.01％、Nd0.0001～0.05％、其余成分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，雜質(zhì)中的P為0.020％以下、S為0.003％以下、N小于0.0050％、O(氧)為0.0050％以下，而且，以下述式(1)表示的BSO值為0.0001～0.010。其中，式(1)的元素符號(hào)為該元素的含量(質(zhì)量％)。BSO＝B-(11/14)N-(11/32)S-(11/16)O(1)，該鋼還可含有W、Cu、Ni、Co、Mg、Ca、La、Ce、Y、Sm及Pr中的1種以上。文檔編號(hào)C22C38/00GK101163808SQ20068001297公開日2008年4月16日申請(qǐng)日期2006年4月17日優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日發(fā)明者五十嵐正晃,河野佳織申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社