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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-22
(45)【発行日】2023-03-03
(54)【発明の名称】クリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20230224BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20230224BHJP
C21D 8/02 20060101ALI20230224BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301A
C22C38/54
C21D8/02 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021530277
(86)(22)【出願日】2019-11-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-25
(86)【国際出願番号】 KR2019016694
(87)【国際公開番号】W WO2020111857
(87)【国際公開日】2020-06-04
【審査請求日】2021-07-16
(31)【優先権主張番号】10-2018-0150819
(32)【優先日】2018-11-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】522492576
【氏名又は名称】ポスコ カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ソン，ヒョン－ジェ
(72)【発明者】
【氏名】キム，デ－ウ
【審査官】岡田 眞理
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－２８６５４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－２１７４３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２６２２６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０９７６１９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０
Ｃ２１Ｄ ８／００－ ８／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
重量％で、Ｃ：０．１１～０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％は除く）、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｓ：０．０１０％以下（０％は除く）、Ｐ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ｃｒ：２．０～２．５％、Ｍｏ：０．９～１．１％、Ｖ：０．６５～１．０％、Ｎｉ：０．２５％以下（０％は除く）、Ｃｕ：０．２０％以下（０％は除く）、Ｎｂ：０．０７％以下（０％は除く）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％は除く）、Ｎ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ａｌ：０．０２５％以下（０％は除く）、Ｂ：０．００２％以下（０％は除く）、残部はＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とするクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板。
【請求項2】
前記鋼板は、焼戻しマルテンサイトを含む微細組織を有することを特徴とする、請求項１に記載のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板。
【請求項3】
前記鋼板の微細組織には、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６を含む直径２００ｎｍ以上の析出物が１個／μｍ２以下の個数範囲で存在することを特徴とする、請求項２に記載のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板。
【請求項4】
前記鋼板の微細組織には、（Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）を含む直径２０ｎｍ以下の析出物が存在することを特徴とする、請求項２に記載のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板。
【請求項5】
重量％で、Ｃ：０．１１～０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％は除く）、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｓ：０．０１０％以下（０％は除く）、Ｐ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ｃｒ：２．０～２．５％、Ｍｏ：０．９～１．１％、Ｖ：０．６５～１．０％、Ｎｉ：０．２５％以下（０％は除く）、Ｃｕ：０．２０％以下（０％は除く）、Ｎｂ：０．０７％以下（０％は除く）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％は除く）、Ｎ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ａｌ：０．０２５％以下（０％は除く）、Ｂ：０．００２％以下（０％は除く）、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを仕上圧延温度がＡｒ３以上になるように熱間圧延して熱延鋼板を製造した後、冷却する工程と、前記冷却された熱延鋼板を、９００℃～１２００℃の温度範囲で１ｔ～３ｔ分［ｔ（ｍｍ）は、熱延鋼板の厚さである］間再加熱してオーステナイト化する工程と、
前記オーステナイト化された熱延鋼板を常温に焼入れする工程と、
前記焼入された熱延鋼板を、６７５～８００℃の温度範囲で３０分～１２０分間焼戻しする工程と、を含んでなることを特徴とするクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板の製造方法。
【請求項6】
前記鋼板は、焼戻しマルテンサイトを含む微細組織を有し、その鋼板の微細組織には、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６を含む直径２００ｎｍ以上の析出物が１個／μｍ２以下の個数範囲で存在することを特徴とする、請求項５に記載のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板の製造方法。
【請求項7】
前記鋼板は、焼戻しマルテンサイトを含む微細組織を有し、その鋼板の微細組織には、（Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）を含む直径２０ｎｍ以下の析出物が存在することを特徴とする、請求項５に記載のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板の製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、クリープ特性に優れたクロムモリブデン鋼板の製造に関し、より詳細には、鋼材の構成相であるマルテンサイト基地の内部と結晶粒界に微細な炭窒化物のみを形成させることで、高温での転位移動を妨げ、亜結晶粒の安定性を確保することにより、優れたクリープ強度を有することができるクロムモリブデン鋼板、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
発電及び精油／精製産業において考慮すべき事項は、環境にやさしい設備の建設とエネルギー利用の高効率化である。
【0003】
先ず、発電効率を上げるためには、タービンに供給される蒸気の温度及び圧力の増加が必要であるが、そのためには、より高い温度で蒸気を生産することができるボイラー素材の耐熱性を向上させることが不可欠である。
【0004】
また、精油／精製産業においても、近年、環境規制の強化に伴い、高効率化のために増加した温度及び圧力において優れた特性を有する鋼材が開発されている。
【0005】
オーステナイトステンレス鋼は、高価の合金元素を多量含有しているため価格が高く、低い熱伝導度と高い熱膨張係数の物理的性質を有し、大型部品の製造が困難であるため、その使用が制限的である。これに対し、クロム鋼は、優れたクリープ強度、溶接性、耐腐食性、及び耐酸化性などにより、多用されている。
【0006】
耐熱クロム鋼の高温クリープ強度を長時間維持させるために、固溶強化及び析出強化方法が適用されている。そのために、モリブデン、及びＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物（Ｍ＝金属原素、Ｃ＝炭素、Ｎ＝窒素）の形成元素であるバナジウム、ニオブ、チタンが主に合金される。同時に、炭素の含量を０．００２重量％に極端に減少させることにより、熱力学的に不安定で、かつ粗大化しやすくてクリープ特性を低下させる（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を抑え、微細な炭窒化物を析出させてクリープ特性を大きく向上させた耐熱鋼も提案されている。しかし、炭素の含量を減少させた耐熱鋼を商業的に大量生産することはほとんど不可能な状況である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、合金設計及び熱処理を用いて、前述の従来技術とは異なって、炭素の含量を極端に減少させなくても（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物のような粗大析出物の形成を完全に抑え、微細な炭窒化物のみを形成させることで、優れたクリープ特性を有するクロムモリブデン鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によるクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板は、重量％で、Ｃ：０．１１～０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％は除く）、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｓ：０．０１０％以下（０％は除く）、Ｐ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ｃｒ：２．０～２．５％、Ｍｏ：０．９～１．１％、Ｖ：０．６５～１．０％、Ｎｉ：０．２５％以下（０％は除く）、Ｃｕ：０．２０％以下（０％は除く）、Ｎｂ：０．０７％以下（０％は除く）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％は除く）、Ｎ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ａｌ：０．０２５％以下（０％は除く）、Ｂ：０．００２％以下（０％は除く）、残部はＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【0009】
前記鋼板は、焼戻しマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）を含む微細組織を有することを特徴とする。
【0010】
前記鋼板の微細組織には、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６を含む直径２００ｎｍ以上の析出物が１個／μｍ２以下の個数範囲で存在することを特徴とする。
【0011】
前記鋼板の微細組織には、直径２０ｎｍ以下の析出物が２０個／μｍ２以上の個数範囲で存在することを特徴とする。
【0012】
前記直径２０ｎｍ以下の析出物は、（Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）であることを特徴とする。
【0013】
本発明によるクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板の製造方法は、上述の組成の鋼スラブを仕上圧延温度がＡｒ３以上になるように熱間圧延して熱延鋼板を製造した後、冷却する工程と、前記冷却された熱延鋼板を、９００～１２００℃の温度範囲で１ｔ～３ｔ分［ｔ（ｍｍ）は、熱延鋼板の厚さである］間再加熱してオーステナイト化する工程と、前記オーステナイト化された熱延鋼板を常温に焼入れする工程と、前記焼入された熱延鋼板を、６７５～８００℃の温度範囲で３０分～１２０分間焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）する工程と、を含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明のクリープ特性に優れたクロムモリブデン鋼板によれば、焼入れと焼戻しによる高温での優れたクリープ寿命により、９重量％の多量のクロムを含有するＡＳＴＭ Ａ３８７ Ｇｒａｄｅ ９１鋼よりも長いクリープ寿命を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の実験に用いられた鋼種１－４と従来材に対するクリープ試験結果を比較して示した図である。
【図2】本発明の実験に用いられた鋼種１において、オーステナイト化後における冷却速度による相変態を示す、ディラトメーター（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）試験結果を示したグラフである。
【図3】本発明の実験に用いられた鋼種 ２ において、オーステナイト化後における冷却速度による相変態を示す、ディラトメーター（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）試験結果を示したグラフである。
【図4】本発明の実験に用いられた鋼種 ３ において、オーステナイト化後における冷却速度による相変態を示す、ディラトメーター（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）試験結果を示したグラフである。
【図5】本発明の実験に用いられた鋼種 ４ において、オーステナイト化後における冷却速度による相変態を示す、ディラトメーター（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）試験結果を示したグラフである。
【図6】クロムモリブデン鋼板中のバナジウムの含量による、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物形成のギブス自由エネルギーの変化を示したグラフである。
【図7】本発明の実験に用いられた鋼種１－４に対する走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳しく説明する。
【0017】
前述のように、従来の耐熱クロム鋼は、合金成分として、モリブデン、及びＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物（Ｍ＝金属原素、Ｃ＝炭素、Ｎ＝窒素）の形成元素であるバナジウム、ニオブ、チタンが主に用いられていたが、このような耐熱クロム鋼は、熱力学的に不安定であり、粗大化しやすいため、クリープ特性を低下させる（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を避けることができず、優れたクリープ特性を確保することが困難であった。
【0018】
このような従来技術の問題を解消するための実験を重ねた結果、２．０～２．５％のＣｒを含有する耐熱クロム鋼の合金におけるバナジウムの添加量を最適化するとともに、焼戻しの温度を適宜制御することで、優れたクリープ特性を有する耐熱クロム鋼が得られることを確認した。
【0019】
本発明のクリープ強度に優れたクロムモリブデン鋼板は、重量％で、Ｃ：０．１１～０．１５％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％は除く）、Ｍｎ：０．３～０．６％、Ｓ：０．０１０％以下（０％は除く）、Ｐ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ｃｒ：２．０～２．５％、Ｍｏ：０．９～１．１％、Ｖ：０．６５～１．０％、Ｎｉ：０．２５％以下（０％は除く）、Ｃｕ：０．２０％以下（０％は除く）、Ｎｂ：０．０７％以下（０％は除く）、Ｔｉ：０．０３％以下（０％は除く）、Ｎ：０．０１５％以下（０％は除く）、Ａｌ：０．０２５％以下（０％は除く）、Ｂ：０．００２％以下（０％は除く）、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。
【0020】
以下、クリープ特性に優れたクロムモリブデン鋼板の成分を限定する理由を説明する。ここで、「％」は「重量％」である。
【0021】
炭素（Ｃ）：０．１１～０．１５％
炭素はオーステナイト安定化元素であり、その含量によって、Ａｅ３温度とマルテンサイト形成開始温度を調節可能な元素である。また、侵入型元素であって、マルテンサイト相の格子構造に非対称的な歪みを加え、強力な強度の確保に非常に効果的な元素である。しかし、鋼中の炭素の含量が０．１５％を超える場合には、炭化物が過度に形成され、溶接性が著しく低下するという欠点がある。
炭素はオーステナイト安定化元素であり、その含量によって、Ａｅ３温度とマルテンサイト形成開始温度を調節可能な元素である。また、侵入型元素であって、マルテンサイト相の格子構造に非対称的な歪みを加え、強力な強度の確保に非常に効果的な元素である。しかし、鋼中の炭素の含量が０．１５％を超える場合には、炭化物が過度に形成され、溶接性が著しく低下するという欠点がある。
【0022】
したがって、本発明では、炭素の含量を０．１１～０．１５％の範囲に制限することが好ましく、より好ましくは０．１１～０．１４％の範囲に制限する。
【0023】
シリコン（Ｓｉ）：０．１０％以下（０％を除く）
シリコンは、固溶強化だけでなく、鋳造時に脱酸剤として添加される。但し、本発明の一実施形態によるクリープ特性に優れたクロムモリブデン鋼板は、微細な炭化物のような有益な炭化物の形成が必須であるが、シリコンは炭化物の形成を抑制する役割をする。
シリコンは、固溶強化だけでなく、鋳造時に脱酸剤として添加される。但し、本発明の一実施形態によるクリープ特性に優れたクロムモリブデン鋼板は、微細な炭化物のような有益な炭化物の形成が必須であるが、シリコンは炭化物の形成を抑制する役割をする。
【0024】
したがって、本発明では、シリコンの含量を０．１０％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．０８％の範囲に制限する。
【0025】
マンガン（Ｍｎ）：０．３～０．６％
マンガンはオーステナイト安定化元素であり、鋼の硬化能を大きく増加させ、マルテンサイトのような硬質相が形成されるようにする。また、硫黄と反応してＭｎＳを析出させるが、これは、硫黄の偏析による高温割れを防止するのに有利である。これに対し、マンガンの含量が増加するほど、オーステナイト安定度が過度に増加するという問題がある。
マンガンはオーステナイト安定化元素であり、鋼の硬化能を大きく増加させ、マルテンサイトのような硬質相が形成されるようにする。また、硫黄と反応してＭｎＳを析出させるが、これは、硫黄の偏析による高温割れを防止するのに有利である。これに対し、マンガンの含量が増加するほど、オーステナイト安定度が過度に増加するという問題がある。
【0026】
したがって、本発明では、マンガンの含量を０．３～０．６％の範囲に制限することが好ましく、より好ましくは０．３５～０．５５％の範囲に制限する。
【0027】
硫黄（Ｓ）：０．０１０％以下（０％は除く）
硫黄は不純物元素であり、その含量が０．０１０％を超える場合には、鋼の軟性と溶接性が低下する。
硫黄は不純物元素であり、その含量が０．０１０％を超える場合には、鋼の軟性と溶接性が低下する。
【0028】
したがって、硫黄の含量を０．０１０％以下に制限することが好ましい。
【0029】
リン（Ｐ）：０．０１５％以下（０％を除く）
リンは、固溶強化の効果を奏する元素であるが、硫黄と同様に不純物元素である。その含量が０．０１５％を超える場合には、鋼に脆性が発生し、溶接性が低下する。
リンは、固溶強化の効果を奏する元素であるが、硫黄と同様に不純物元素である。その含量が０．０１５％を超える場合には、鋼に脆性が発生し、溶接性が低下する。
【0030】
したがって、リンの含量を０．０１５％以下に制限することが好ましい。
【0031】
クロム（Ｃｒ）：２．０～２．５％
クロムはフェライト安定化元素であり、硬化能を増加させる元素であって、その量によって、Ａｅ３温度及びデルタフェライト形成領域温度を調節する。また、クロムは酸素と反応し、Ｃｒ２Ｏ３の緻密かつ安定な保護被膜を形成して、高温耐酸化性及び耐腐食性を増大させるが、デルタフェライト形成温度領域を広げる。高いクロム含量を有する鋼の鋳造過程でデルタフェライトが形成される可能性があり、熱処理後にも残留して鋼材の特性に悪影響を与える。
クロムはフェライト安定化元素であり、硬化能を増加させる元素であって、その量によって、Ａｅ３温度及びデルタフェライト形成領域温度を調節する。また、クロムは酸素と反応し、Ｃｒ２Ｏ３の緻密かつ安定な保護被膜を形成して、高温耐酸化性及び耐腐食性を増大させるが、デルタフェライト形成温度領域を広げる。高いクロム含量を有する鋼の鋳造過程でデルタフェライトが形成される可能性があり、熱処理後にも残留して鋼材の特性に悪影響を与える。
【0032】
したがって、本発明では、クロムの含量を２．０～２．５％の範囲に制限することが好ましく、より好ましくは２．１～２．４％の範囲に制限する。
【0033】
モリブデン（Ｍｏ）：０．９～１．１％
モリブデンは、硬化能を増加させ、フェライト安定化元素であると知られている。強力な固溶強化により高温クリープ寿命を増加させ、モリブデンがＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成金属元素として関与して炭窒化物を安定化させ、粗大化速度を著しく減少させる。これに対し、モリブデンの含量が増加すると、デルタフェライト形成温度領域を広げる可能性があり、鋼の鋳造過程でデルタフェライトが形成及び残留する恐れがある。残留したデルタフェライトは鋼材の特性に悪影響を与える。
モリブデンは、硬化能を増加させ、フェライト安定化元素であると知られている。強力な固溶強化により高温クリープ寿命を増加させ、モリブデンがＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成金属元素として関与して炭窒化物を安定化させ、粗大化速度を著しく減少させる。これに対し、モリブデンの含量が増加すると、デルタフェライト形成温度領域を広げる可能性があり、鋼の鋳造過程でデルタフェライトが形成及び残留する恐れがある。残留したデルタフェライトは鋼材の特性に悪影響を与える。
【0034】
したがって、モリブデンの含量を０．９～１．１％の範囲に制限することが好ましく、より好ましくは０．９５～１．０５％の範囲に制限する。
【0035】
バナジウム（Ｖ）：０．６５～１．０％
バナジウムはＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成元素の１つであるが、バナジウムの含量が増加するにつれて（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物形成の駆動力が小さくなり、結果として、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を完全に抑えることができる。クロムの含量が２．０～２．５％であるクロム鋼において（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を抑えるためには、０．６５％以上のバナジウム合金が必要である。しかし、バナジウムの含量が１．０％を超える場合には、材料の生産工程に困難をきたすという問題がある。
バナジウムはＭ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成元素の１つであるが、バナジウムの含量が増加するにつれて（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物形成の駆動力が小さくなり、結果として、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を完全に抑えることができる。クロムの含量が２．０～２．５％であるクロム鋼において（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を抑えるためには、０．６５％以上のバナジウム合金が必要である。しかし、バナジウムの含量が１．０％を超える場合には、材料の生産工程に困難をきたすという問題がある。
【0036】
したがって、バナジウムの含量を０．６５～１．０％の範囲に制限することが好ましく、より好ましくは０．６７～０．９８％の範囲に制限する。
【0037】
ニッケル（Ｎｉ）：０．２５％以下（０％は除く）
ニッケルは、鋼の靭性を向上させる元素であり、低温靭性を劣化させることなく鋼の強度を増加させるために添加する。その含量を、０．２５％を超えて添加する場合には、ニッケルの添加によるコスト上昇をもたらす。
ニッケルは、鋼の靭性を向上させる元素であり、低温靭性を劣化させることなく鋼の強度を増加させるために添加する。その含量を、０．２５％を超えて添加する場合には、ニッケルの添加によるコスト上昇をもたらす。
【0038】
したがって、ニッケルの含量を０．２５％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．２４％の範囲に制限する。
【0039】
銅（Ｃｕ）：０．２０以下（０％は除く）
銅は、材料の硬化能を向上させる元素であり、熱処理後に鋼板が均質組織を有するようにするために添加する。しかし、その添加量が０．２０％を超える場合には、鋼板に割れが発生する可能性が高くなる。
銅は、材料の硬化能を向上させる元素であり、熱処理後に鋼板が均質組織を有するようにするために添加する。しかし、その添加量が０．２０％を超える場合には、鋼板に割れが発生する可能性が高くなる。
【0040】
したがって、銅の含量を０．２０％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．１８％の範囲に制限する。
【0041】
ニオブ（Ｎｂ）：０．０７％以下（０％は除く）
ニオブは、Ｍ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成元素の１つである。また、スラブの再加熱時に固溶されていて、熱間圧延中にオーステナイト結晶粒の成長を抑え、後で析出されて鋼の強度を向上させる役割を果たす。しかし、ニオブを０．０７％を超えて過多添加する場合には、溶接性が低下する恐れがあり、結晶粒が必要以上に微細化する恐れがある。
ニオブは、Ｍ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物の形成元素の１つである。また、スラブの再加熱時に固溶されていて、熱間圧延中にオーステナイト結晶粒の成長を抑え、後で析出されて鋼の強度を向上させる役割を果たす。しかし、ニオブを０．０７％を超えて過多添加する場合には、溶接性が低下する恐れがあり、結晶粒が必要以上に微細化する恐れがある。
【0042】
したがって、ニオブの含量を０．０７％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．０６％の範囲に制限する。
【0043】
チタン（Ｔｉ）：０．０３％以下（０％は除く）
チタンも、ＴｉＮの形態となってオーステナイト結晶粒の成長を抑えるのに効果的な元素である。しかし、チタンを、０．０３％を超えて添加する場合には、粗大なＴｉ系析出物が形成され、材料の溶接に困難をきたす。
チタンも、ＴｉＮの形態となってオーステナイト結晶粒の成長を抑えるのに効果的な元素である。しかし、チタンを、０．０３％を超えて添加する場合には、粗大なＴｉ系析出物が形成され、材料の溶接に困難をきたす。
【0044】
したがって、チタンの含量を０．０３％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．０２５％の範囲に制限する。
【0045】
窒素（Ｎ）：０．０１５％以下（０％は除く）
窒素は、鋼中から工業的に完全に除去することが困難であるため、製造工程で許容可能な範囲である０．０１５％を上限にする。窒素は、オーステナイト安定化元素であると知られており、単なるＭＣ炭化物よりは、Ｍ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物が形成された時に高温安定度が大きく向上し、鋼材のクリープ強度を効果的に増大させる役割を果たす。しかし、０．０１５％を超える場合には、ボロンと結合してＢＮを形成させ、欠陥の発生危険を増加させる。
窒素は、鋼中から工業的に完全に除去することが困難であるため、製造工程で許容可能な範囲である０．０１５％を上限にする。窒素は、オーステナイト安定化元素であると知られており、単なるＭＣ炭化物よりは、Ｍ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物が形成された時に高温安定度が大きく向上し、鋼材のクリープ強度を効果的に増大させる役割を果たす。しかし、０．０１５％を超える場合には、ボロンと結合してＢＮを形成させ、欠陥の発生危険を増加させる。
【0046】
したがって、窒素の含量を０．０１５％以下に制限することが好ましい。
【0047】
アルミニウム（Ａｌ）：０．０２５％以下（０％は除く）
アルミニウムはフェライト領域を拡大し、鋳造時に脱酸剤として添加される。クロム鋼は、他のフェライト安定化元素が多く合金されているため、アルミニウムの含量が増加する場合、Ａｅ３温度が過度に上昇する恐れがある。また、その添加量が０．０２５％を超える場合には、酸化物系介在物が多量形成され、素材の物性を低下させる。
アルミニウムはフェライト領域を拡大し、鋳造時に脱酸剤として添加される。クロム鋼は、他のフェライト安定化元素が多く合金されているため、アルミニウムの含量が増加する場合、Ａｅ３温度が過度に上昇する恐れがある。また、その添加量が０．０２５％を超える場合には、酸化物系介在物が多量形成され、素材の物性を低下させる。
【0048】
したがって、アルミニウムの含量を０．０２５％以下に制限することが好ましく、より好ましくは０．００５～０．０２５％の範囲に制限する。
【0049】
ボロン（Ｂ）：０．００２％以下（０％は除く）
ボロンはフェライト安定化元素であり、極少量でも硬化能の増加に大きく寄与する。また、結晶粒界に容易に偏析され、結晶粒界の強化効果を与える。しかし、０．００２％を超えて添加する場合には、ＢＮが形成される可能性があり、これは、材料の機械的特性に悪影響を与える恐れがある。
ボロンはフェライト安定化元素であり、極少量でも硬化能の増加に大きく寄与する。また、結晶粒界に容易に偏析され、結晶粒界の強化効果を与える。しかし、０．００２％を超えて添加する場合には、ＢＮが形成される可能性があり、これは、材料の機械的特性に悪影響を与える恐れがある。
【0050】
したがって、ボロンの含量を０．００２％以下に制限することが好ましい。
【0051】
他に、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。通常の製造過程では、原料または周辺環境から意図しない不純物が不可避に混入されるため、これを排除することはできない。
【0052】
以下、クリープ特性に優れた本発明のクロムモリブデン鋼板の微細組織及び析出物について詳細に説明する。
【0053】
先ず、本発明の鋼板は、その素地の微細組織として、焼戻しマルテンサイト組織を含む。しかし、熱処理条件の如何によって、一部焼戻しベイナイト組織を含んでもよい。
【0054】
本発明の鋼板の微細組織には、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６を含む直径２００ｎｍ以上の析出物が１個／μｍ２以下の個数範囲で存在することが好ましい。直径２００ｎｍ以上の析出物の個数が１個／μｍ２を超える場合には、粗大な炭化物によるクリープ特性の低下をもたらす恐れがある。
【0055】
これに対し、本発明の鋼板の微細組織には、直径２０ｎｍ以下の析出物が２０個／μｍ２以上の個数範囲で存在することが好ましい。直径２０ｎｍ以下の析出物の個数が２０個／μｍ２未満である場合には、微細な炭窒化物間の距離が非常に大きくなる。したがって、高温での転位移動と亜結晶粒の移動を効果的に防ぐことができず、クリープ特性の向上効果が大きくない。
【0056】
本発明において、直径２０ｎｍ以下の析出物は、（Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ）を含むことができる。
【0057】
次に、本発明の一実施形態によるクリープ強度に優れた析出硬化型クロムモリブデン鋼板の製造方法について説明する。
【0058】
本発明の一クリープ強度に優れた析出硬化型クロムモリブデン鋼板の製造方法は、上述の組成の鋼スラブを仕上圧延温度がＡｒ３以上になるように熱間圧延して熱延鋼板を製造した後、冷却する工程と、冷却された熱延鋼板を、９００～１２００℃の温度範囲で１ｔ～３ｔ分［ｔ（ｍｍ）は、熱延鋼板の厚さである］間再加熱してオーステナイト化する工程と、オーステナイト化された熱延鋼板を常温に焼入れする工程と、焼入された熱延鋼板を６７５～８００℃の温度範囲で３０分～１２０分間焼戻しする工程と、を含む。
【0059】
先ず、本発明では、前述の組成成分を有する鋼スラブを仕上圧延温度がＡｒ３以上になるように熱間圧延して熱延鋼板を得る。このように、オーステナイト単相域で熱間圧延を行う理由は、組織の均一性を増加させるためである。
【0060】
そして、本発明では、製造された熱延鋼板を常温に冷却する。
【0061】
次いで、本発明では、冷却された熱延鋼板を再加熱してオーステナイト化する。この際、再加熱の温度範囲は９００～１２００℃であり、再加熱の時間は、熱延鋼板の厚さｔ（ｍｍ）に応じて１ｔ～３ｔ分の範囲で行うことが好ましい。
【0062】
再加熱の温度が９００℃未満である場合には、熱間圧延後の冷却過程中に形成された不所望の炭化物を正しく再溶解することが困難である。これに対し、再加熱の温度が１２００℃を超える場合には、結晶粒の粗大化により特性が劣化する恐れがある。
【0063】
再加熱の時間は、熱延鋼板の厚さをｔ（ｍｍ）としたときに、１ｔ～３ｔ分の範囲で行うことが好ましい。例えば、２０ｍｍの厚さを有する熱延鋼板を再加熱してオーステナイト化する場合、２０～６０分間行うことができる。再加熱の時間が１ｔ分未満である場合には、熱間圧延後の冷却過程中に形成された不所望の炭化物を正しく再溶解することが困難であるのに対し、３ｔ分を超える場合には、結晶粒の粗大化により特性が劣化する恐れがある。
【0064】
そして、本発明では、再加熱によりオーステナイト化された熱延鋼板を焼入れし、常温まで冷却させてマルテンサイト組織を得る。この際、基地組織の冷却時に、フェライト及びパーライト組織が形成されて基地の強度が大きく減少しないように注意する必要がある。
【0065】
続いて、本発明では、焼入れされた熱延鋼板を焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）する。この際、焼戻しの温度は６７５～８００℃、焼戻しの時間は３０分～１２０分として行った後、空冷することが好ましい。
【0066】
焼戻しの温度が６７５℃未満である場合には、低い温度により、微細な炭窒化物の析出を時間内に誘導できない恐れがある。これに対し、焼戻しの温度が８００℃を超える場合には、焼戻しが材料の軟化を起こし、クリープ寿命を著しく低下させる恐れがある。
【0067】
より好ましくは、焼戻しの温度を７００～７８０℃の範囲に制御する。
【0068】
一方、焼戻しの時間が３０分未満である場合には、形成させようとする析出物が形成されない恐れがある。これに対し、焼戻しの時間が１２０分を超える場合には、析出物の粗大化及び材料の軟化を起こし、クリープ寿命を著しく低下させる恐れがある。
【0069】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【0070】
表１の合金組成及び２０ｍｍの厚さを有する熱延鋼板を用意した。次いで、熱延鋼板を１０００℃で１時間再加熱し、焼入れ処理して常温まで冷却した。続いて、冷却された鋼板を７３０℃で１時間焼戻しした後、常温まで空冷してＣｒ－Ｍｏ合金鋼を製造した。一方、表１において、鋼種１はＡＳＴＭ Ａ５４２Ｄの鋼組成であり、鋼種２－４は本発明の鋼組成成分を満たす鋼種である。
【0071】
このように製造されたＣｒ－Ｍｏ合金鋼に対して、熱間圧延方向に、ＡＳＴＭ Ｅ１３９標準を活用してゲージ長１５ｍｍ、ゲージ径６ｍｍを有するクリープ試験片をそれぞれ製作した。米国ＡＴＳ社の２３２０クリープ試験装置を用いて、これらの試験片の高温クリープ寿命を評価し、その結果を図１に示した。また、比較のために、日本物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）から提供されたＡＳＴＭ Ａ５４２鋼材とＡＳＴＭ Ａ３８７ Ｇｒａｄｅ ９１鋼材のクリープ結果も図１に示した。
【0072】
また、ディラトメーターを用いて、オーステナイト化後における冷却速度による相変態を確認し、その結果を図２－図５に示した。なお、バナジウムの含量による（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物形成のギブス自由エネルギーの変化を、鋼種１に基づいてＴｈｅｒｍｏ－ＣａｌｃプログラムとＴＣＦＥ６データベースを用いて計算し、その結果を図６に示した。
【0073】
そして、製造された合金鋼試験片に対して走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＥＭ）を活用して微細組織を観察し、その結果を図７に示した。
【0074】
【表1】
【0075】
図１に示すように、本発明のクロムモリブデン鋼板は、Ｃｒを９重量％含むＡＳＴＭ Ａ３８７ Ｇｒａｄｅ ９１鋼材よりも優れたクリープ寿命を有することが分かる。また、本発明の鋼組成成分を満たす鋼種２－４が、そうではない鋼種１に比べてより優れたクリープ特性を有することが確認できる。
【0076】
【0077】
一方、図６は、バナジウムの含量が増加するにつれて（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物形成の駆動力が小さくなり、結果として、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を完全に抑制可能であるを示す。具体的に、クロムの含量が２．０～２．５重量％のクロム鋼において（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を抑えるためには、本発明で言及された焼戻しの温度範囲６７５～８００℃及びクリープ温度を考慮すると、０．６５重量％以上のバナジウム合金が必要であることが分かる。すなわち、本発明の鋼種２～４は、鋼種１と異なって何れも０．６５重量％以上のバナジウムを含んでいるため、（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物の形成を完全に抑制できることが分かる。
【0078】
図７は、１０００℃で１時間再加熱した後、焼入れ処理して常温まで冷却してから７３０℃で１時間焼戻しした鋼板の微細組織の観察結果を示した走査型電子顕微鏡写真であり、鋼種２～４は何れも、亜結晶粒界に沿って微細な炭窒化物が析出されたことが示されている。かかる炭窒化物が、高温での転位移動を効果的に妨げるだけでなく、亜結晶粒の移動も効果的に防ぎ、その安定性を確保することで、従来のクロム鋼に比べてクリープ特性が大きく改善されることが分かる。これに対し、鋼種１は、粗大な（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃ６炭化物が形成され、クリープ特性が鋼種２－４に比べて良くないことが分かる。
【0079】
本発明は、上述の実施例に限定されるものではない。また、実施例は例示的なものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
