2018 Fiscal Year Research-status Report
析出制御による700℃超級フェライト耐熱鋼のクリープ強度向上
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17K06851
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
戸田 佳明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (60343878)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 炭化物 / 炭素 / 窒化物 / 窒素 / ラーベス相 / 粒界上析出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フェライト母相を炭化物や金属間化合物（ラーベス相）で析出強化した新しい耐熱鋼の高温クリープ強度を向上させるため、炭素・窒素無添加のFe-0.2Si-0.5Mn-15Cr-1Mo-6W-0.2V-0.05Nb-3Co (mass%)（0C-0N）鋼に、炭素のみを添加した0.02C-0N・0.05C-0N鋼、窒素のみを添加した0C-0.02N・0C-0.03N鋼、炭素と窒素の両方を添加した0.02C-0.02N・0.05C-0.03N・0.05C-0.05Nの、700℃でのクリープ強度（一部は高温引張強度）を測定した。供試鋼は高周波真空溶解にて溶製し、角棒に熱間鍛造・圧延し、1200℃で0.5h間の溶体化熱処理後、水冷した。
クリープ破断寿命が最も長かったのは0.05C-0.03N鋼であったが、0.05%炭素添加鋼はいずれも、粒界上に析出した炭化物と母相の界面にボイドが形成され、クリープ応力－破断時間曲線の傾きが著しく大きくなった。炭素無添加鋼はその傾きが小さく、低応力長時間域でのクリープ強度向上が期待できる。
0C-0Nと0.02C-0Nの窒素無添加鋼は、700℃の高温引張強度が60MPa程度しかなかった。ところが、0.02%以上の窒素添加で200MPa以上に向上し、窒素添加量の増加に伴いクリープ強度も上昇した。窒素添加鋼の粒界上にはCrVN型のZ相が形成されており、強度上昇の一因であると思われる。しかし、0.05C-0.05N鋼では窒素添加量に見合ったクリープ強度が得られなかった。高温熱処理時にフェライト母相中にオーステナイト相が混在したためと考えられ、炭素・窒素添加量には限界があることが示唆された。
これらの結果から、新しいフェライト耐熱鋼の700℃クリープ強度を向上させるための最適炭素・窒素添加量は、(0～0.02)C-(0.03～0.07)Nであることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
炭素と窒素の添加量を細かく変化させて、予定よりも多くの種類の供試鋼を用いることにより、高温クリープ強度を向上させるための最適炭素・窒素添加量を絞り込め、本研究の大きな目的を達成できた。提案した最適添加量の材料のクリープ強度は測定できていないが、炭素・窒素添加量を変化させたことによる組織変化とクリープ強度との関連に基づいて実験的に導いた結果なので、信頼性は高い。
さらに開発鋼では、既存フェライト耐熱鋼で強化因子として使われているM23C6炭化物と母相の界面でボイドが発生してクリープ強度向上を阻害し、逆に、既存鋼では有害相と考えられているZ相炭化物の粒界析出が開発鋼のクリープ強度向上の一因となっていた。既存フェライト耐熱鋼とは異なる強化機構により開発鋼のクリープ強度を向上できており、学術的にも大変興味深い成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最適炭素・窒素添加量で優れたクリープ強度が期待できる0C-0.07Nおよび0.02C-0.05N鋼の700℃で100～200MPaでのクリープ試験を行う。100MPaでは破断寿命が10 000 h以上（既存高クロムフェライト耐熱鋼は約40h）となることが予想され、事業年度内に試験が終わらない可能性があるため、750℃で50～80MPa程度の温度加速試験も並行して行う。そして、クリープ破断材の組織観察を行い、クリープ強度を左右する組織因子を見出す。特に、粒界上や粒内の炭化物・窒化物とラーベス相の析出形態や、クリープボイドの発生場所に着目したい。
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| Causes of Carryover |
主には物品費およびその他費用（役務費）の契約差額である。
当初計上できていなかったクリープ試験片加工費として使用する。
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