铁素体系耐热钢的制造方法技术

提供一种不按以前试行错误方法而是通过理论手段设计特性优良的铁素体系铁基合金的方法，以及对超超临界压发电设备也可使用的铁素体耐热钢，也就是关于体心立方晶的铁基合金中的各种合金元素，根据ＤＶ－Ｘα组群法求出ｄ电子轨道能级（Ｍｄ）以及与铁（Ｆｅ）的结合次数（Ｂｏ），按照使下述①式及②式分别表示的平均Ｂｏ值和平均Ｍｄ值，成为与合金要求的特性相应的规定值那样，确定应该添加的合金元素的种类及含量。平均Ｂｏ值＝∑Ｘｉ.（Ｂｏ）ｉ……①平均Ｍｄ值＝∑Ｘｉ.（Ｍｄ）ｉ……②但是，Ｘｉ是合金元素ｉ的摩尔分率，（Ｂｏ）ｉ及（Ｍｄ）ｉ分别是ｉ元素的Ｂｏ值及Ｍｄ值。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及不需要像以前那样重复庞大实验和试行错误，按照理论方法制造铁素体系铁基合金的方法，以及高强度铁素体系耐热钢。该铁素体系耐热钢，以高的高温强度为首，具有比先有铁素体系耐热钢更优良的特性，例如适合于作涡轮机材料，或锅炉材料。
技术介绍
耐热钢的用途极为广泛，但其中锅炉用及涡轮机用的材料是其代表性的用途。以下，以它们作为例子进行说明。作为锅炉材料及涡轮机材料，迄今开发的铁素体系耐热钢，绝大部分含有9～12％的Cr，而且在0.004～2.0％的范围内分别选择C、Si、Mn、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、B(硼)、N(氮)、Cu，使之组合含有。在本说明书中，有关合金元素的含有量，没有特殊规定的情况下都是指质量％(mass％)。附图说明图1及图2分别示出锅炉用和涡轮机用的主要耐热钢的组成(“耐热钢的组成、组织和蠕变特性”日本金属学会、日本铁钢协会九州支部、第78回讲演讨论会资料，平成4年9月25日…文献1…参照)。这些钢种是通过一点点地变化各合金元素的添加量进行庞大实验而研究出来的。通过这些实验得知的各合金的作用效果，可大致归纳如下。Cr是提高耐腐蚀性、耐氧化性的元素，随着钢材的使用温度上升，有必要增加其添加量。W、Mo通过固溶强化和析出强化，使高温强度增大。然而，一旦增加添加量，延性脆性转变温度(DBTT)上升。为了抑制脆化，必须使Mo当量〔Mo＋(1/2)W〕在1.5％以下。根据该方针， 以前许多合金的Mo当量在1.5％左右。V、Nb可以期待由碳·氮化物引起的析出强化。在1050℃下退火时的固溶限，V为0.2％，Nb为0.03％。如果增加的添加量在该限值以上，不能固溶的元素在退火时作为碳·氮化物析出。根据迄今的实验结果，由蠕变断裂强度判断V为0.2％，Nb为0.05％是最佳的。该Nb值超过固溶限，但不能固溶的Nb成为NbC，具有在退火时抑制奥氏体晶拉粗大化的效果。Cu是奥氏体稳定化元素，因此抑制δ铁素体相和碳化物的析出。而且使Ac1点降低的作用小，具有改善可淬性的效果。此外，还可抑制焊接热影响区(heat affected zone以下称HAZ)软化层的生成。然而，如果取1％以上，蠕变断裂拉深减少。C、N是影响钢组织及强度地元素。关于蠕变特性，通过V、Vb等的添加量，变化对蠕变断裂强度来说为最适宜的C含量、N含量。B添加0.005％左右会提高钢的可淬性。而且具有使组织细化，提高强度和韧性的效果。Si、P、S、Mn为了抑制钢的脆性，考虑所谓超净化，这些元素尽可能地少为好。但是，Si具有抑制水蒸汽氧化的效果，作为锅炉材料，确保某种程度的含量也是可行的。如上所述，按照以前的合金开发方法，在某种程度上搞清了各合金元素的效果。然而，为了开发新的钢种，必须进一步进行庞大实验。例如对由5种合金元素组成的钢中各元素的含量，各自变化其中的3种进行调查时，经过简单计算后熔炼35(＝243)种钢，由它们分别制作各种试验片后反复进行实验是必要的。如图1及图2所示，最近的耐热钢多半是由10多种合金元素组成的，如果用以前的方法开发这种新型的钢，需要许多的劳力、时间及费用。本专利技术者们研究出一种以分子轨道理论为基础的新的金属材料的设计方法。该方法的概要公开在“日本金属学会会报”第31卷、第7号(1992)599～603页(文献2)及“アルトピア”1991，9，23～31页(文献3)等中。而且，本专利技术者们，对使用上述方法制造镍基合金和奥氏体系铁合金的方法进行了专利申请〔参看特许第1831647号(特公平5-40806号公报)及美国专利第4,824,637号说明书)〕。如上述文献及专利公报等中所述，关于铝合金、钛合金、镍基合金等非铁金属合金、金属互化物合金、以及奥氏体系铁基合金，上述新的合金设计方法可以利用于实用合金的制造已经达到目的。然而，关于铁素体系的耐热钢，这种方法是否可用于实用材料的制造，迄今仍不能确认。本专利技术的课题是，不用上述那种重复试行错误的古典方法，高效地进行铁基合金，尤其是铁素体系耐热钢的合金设计，并使之实用化。本专利技术的一个目的在于提供一种通过理论预测高效率地制造高强度铁素体系铁基合金的方法。本专利技术的另一目的在于提供一种铁素体系耐热钢，这种耐热钢以耐热材料要求的高温强度为首的各种特性，都比从前的铁素体系耐热钢优良，适合于用作可在近年来严酷的使用条件，例如246～351kgf/cm2g的压力、538～649℃温度的严酷蒸汽条件下使用的涡轮机材料或锅炉材料。专利技术的公开本专利技术的要旨是下述(1)及(2)的铁素体系耐热钢的制造方法，以及(3)～(5)的铁素体系耐热钢。(1)铁素体系铁基合金的制造方法，其特征在于，关于体心立方晶的铁基合金中的各种合金元素，利用DV-Xα组群(クラス-タ)法求出d电子轨道能级(Md)以及与铁(Fe)的结合次数(Bo)，由下式①及式②分别表示的平均Bo值和平均Md值，决定应该添加的合金元素的种类及含量，使之成为相应于合金要求特性的所定值。平均Bo值＝∑Xi·(Bo)i……①平均Md值＝∑Xi·(Md)i……②但是，Xi是合金元素i的摩尔分率，(Bo)i及(Md)i分别是i元素的Bo值及Md值。(2)高强度铁素体系耐热钢的制造方法，其特征在于，按照上述的平均Bo值在1.805～1.817范围内，同样平均Md值在0.8520～0.8628范围内，决定其化学组成。(3)铁素体系耐热钢，其特征在于，铬(Cr)含量为9.0～13.5质量％、碳(C)含量为0.020～0.14质量％、钴(Co)含量为0.5～4.3质量％、钨(W)含量为0.5～2.6质量％；上述平均Bo值及平均Md值处于用直线将图9的点A和B，B和C，C和D，D和A连结而包围的领域(包括线上)中。(4)铁素体系耐热钢，其特征在于，它是按质量％含有，碳(C) 0.07～0.14％，氮(N) 0.01～0.10％，硅(Si)0.10％以下， 钒(V) 0.12～0.22％，铬(Cr)10.0～13.5％，锰(Mn)0.45％以下，钴(Co)0.5～4.3％， 铌(Nb)0.02～0.10％，钼(Mo)0.02～0.8％， 钨(W) 0.5～2.6％，硼(B) 0～0.02％， 铼(Re)0～3.0％，其余由铁(Fe)及不可避免的杂质组成的铁素体系耐热钢。(5)铁素体系耐热钢，其特征在于，它是按质量％含有，碳(C) 0.02～0.12％，氮(N) 0.01～0.10％，硅(Si)0.50％以下， 钒(V) 0.15～0.25％，铬(Cr)9.0～13.5％， 锰(Mn)0.45％以下，钴(Co)0.5～4.3％， 铌(Nb)0.02～0.10％，钼(Mo)0.02～0.8％， 钨(W) 0.5～2.6％，硼(B) 0～0.02％， 铼(Re)0～3.0％，其余由铁(Fe)及不可避免的杂质组成的铁素体系耐热钢。上述(4)的耐热钢，尤其适于作涡轮机材料；(5)的耐热钢适于用作锅炉材料。(3)～(5)的耐热钢中不可避免地混入的杂质元素中，尤其希望将Ni抑制在0.40质量％，此外，上述(4)的耐热钢中，希望P和S分别抑制在0.01质量％以下。附图的简单说明图1是表示以前的作为代表性的锅炉用9～12Cr钢的化学组成图；图2是表本文档来自技高网...

【技术保护点】
铁素体系铁基合金的制造方法，其特征在于，关于体心立方晶的铁基合金中的各种合金元素，根据ＤＶ－Ｘα组群法求出ｄ电子轨道能级（Ｍｄ）以及与铁（Ｆｅ）的结合次数（Ｂｏ），按照使下述①式及②式分别表示的平均Ｂｏ值和平均Ｍｄ值，成为与合金要求的特性相应的规定值那样，确定应该添加的合金元素的种类及含量， 平均Ｂｏ值＝ΣＸｉ.（Ｂｏ）ｉ……① 平均Ｍｄ值＝ΣＸｉ.（Ｍｄ）ｉ……② 但是，Ｘｉ是合金元素ｉ的摩尔分率，（Ｂｏ）ｉ及（Ｍｄ）ｉ分别是ｉ元素的Ｂｏ值及Ｍｄ值。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：森永正彦，村田纯教，桥诘良吉，
申请(专利权)人：关西电力株式会社，森永正彦，村田纯教，
类型：发明
国别省市：JP[日本]