具有好的高温强度的铁素体耐热钢及其制造方法本发明涉及铁素体耐热钢。更具体地，涉及具有好的高温强度的铁
素体耐热钢，其可用作热电厂中400-550℃温度范围的耐高温高压材
料。更具体地说，本发明通过加入添加元素及热处理改进了碳化物的结
构，并提供了极好的高温强度，极好的机加工性及极好的焊接性。
在热电厂，化工厂，核电厂等用作耐高温及高压材料的耐热钢可粗
分为奥氏体不锈钢，和铁素体不锈钢，如铬-钼钢，钼钢和碳钢。从高
温高压部分的温度、环境和经济方面考虑，合适的材料从这些耐热钢中
选出。
在上述的耐热钢中，就高温强度及抗腐蚀性而言，奥氏体不锈钢是
最好的，但是它有大的线膨胀系数和低的导热率。另外，它们对应力腐
蚀裂纹是敏感的。而且它们比较贵，因为加入的合金元素 Cr，Ni等的
量较大。因此，作为铁素体耐热钢的Cr-Mo钢在大多数情形下用作上述
的耐高温高压元件，但是在温度不低于600℃或使用环境是显著的腐蚀
环境则是例外。在Cr-Mo钢中，铬含量为约1％的Cr-Mo钢很经济，但
是与铬含量至少为2％的Cr-Mo钢相比，其耐高温性及耐腐蚀性是差
的。另一方面，与钼钢及碳钢比，虽然其成本高，但高温强度及抗氧化
性能更高。
具有所述特点的铬含量为1％的铬钼钢材料的典型实例包括JIS标
准的STBA23(1.25Cr-0.5Mo)及STBA22(1Cr-0.5Mo)。由于它
们的铬含量，就抗氧化性而言，这些钢可用在温度高到约550℃。但是，
由于它们的蠕变断裂强度比铬含量至少为2％的Cr-Mo钢低。
因此，它们的应用范围限制在400-500℃范围内的耐压元件。换
言之，如果这种钢的高温强度可改善的话，铬含量为1％的Cr-Mo钢的
使用范围可大大地扩大。因此，作为热电厂等的耐高温高压材料的有1
％铬含量的Cr-Mo钢的强度的改进是必要的。
虽然Cr含量为约1％的Cr-Mo钢的强度的改进带来的工业效果如
上所述是大的，但是现有技术有在强度方面的改进会带来韧性及机加工
性差的问题。例如，如JIS标准的STBA23之类的Cr-Mo钢通过Mo的
固溶强化及如Cr，Fo，Mo之类的细碳化物的沉淀强化改进了高温强度。
但是，当这些添加元素单独使用，先共析铁素体超过50％，在中温范围
不能得到足够的拉伸强度，碳化物的粗化很快，并且不能得到足够的长
期蠕变强度。
另一方面，日本专利公告No.63-18038公开了一种有好的蠕变特点
及好的抗氢渗透性的低合金钢。但是，虽然除了Cr含量为至少2％外实
际上加了至少0.75％的Mo和至少0.65％的W，该现有技术总之没考
虑对使用及机加工很重要的钢的焊接性。另外，该对比文件的材料在1050
℃的温度进行退火处理以增加强度，但是在热电厂的导热管的情形下，
从热处理考虑经常不能进行水冷退火。因此，在加工时钢有问题。
本发明的目的是提供一种铁素体耐热钢，为使其有铬含量为约1％
的Cr-Mo钢的性能最佳，还加入了V、Nb和B，需要时加适当量的Ti
和W，和通过进行对其组元成分合适的热处理，其可用作400-550℃
宽范围的耐压材料。
通过在碳化物及基体金属的结构中加入添加元素而开发Cr-Mo钢
的优秀的特点，本发明有极好的高温强度、加工性及焊接性。为了可以
在更高的温度可以用Cr含量为1％的Cr-Mo钢，本发明加入V及Nb
作为沉淀强化元素来改善高温强度，加入B调节基体结构及如果需要，
再把W和Ti加到钢中。另外，本发明提供了对钢的成分合适的正火及
回火条件以使本发明的特点最佳。
换言之，本发明提供了一种铁素体耐热钢，其有极好的高温强度及
其以重量％计的成分如下：
C： 0.05-0.15％， Si： 0.10-0.80％，
Mn： 0.20-1.5％， Cr： 0.5-1.5％，
Mo： 0.10-1.15％， V： 0.005-0.30％，
Nb： 0.005-0.05％， B： 0.0002-0.0050％，
还包括下面成分之一或两者：
Ti： 0.005-0.05％， W： 0.4-1.0％和
有金属结构面积百分比不大于15％的先共析铁素体，其余为
贝氏体。
本发明还提供了一种制造具有极好的高温强度的铁素体耐热
钢的方法，包括熔化及塑性加工有上述成分的钢，在950-1010
℃温度对钢进行正火，并随后在一温度范围对钢进行回火，在该温
度范围考虑在钢的机械性能之间的合适的平衡，由下式表示为T.P.
值为18.50×103-20.90×103：
T.P.＝T(20+logt)
式中：T：回火速度(°k)，
t：回火时间(hr)。
图1是一曲线图，其中作为比较实例的钢的STBA23的允许应
力和本发明钢的数据按照“热动力装备的技术标准”作出曲线图。
图2是示出本发明钢及比较实例的钢的450℃下的高温强度及
冲击值之间的关系。
本发明通过添加合金元素及对钢进行热处理的结合而使钢中
的碳化物及基体金属的结构最佳化。为了在这种情形下使Cr-Mo
钢有极好的性能，也就是改善其高温强度，本发明加入V及Nb作为沉
淀强化元素，为了调节基体的结构，本发明加入B。另外当需要对本发
明加W与Ti。另外，为了使本发明的性能最佳，本发明提供了对钢的
成分合适的正火及回火条件。
下面说明各元素的作用及效果及对各含量限制的理由。
C形成与Fe，Cr，Mo，V，Nb，W和Ti结合的碳化物，其对高温强
度有贡献，并确定马氏体、贝氏体、珠光体和铁素体结构的结构比。如
果C含量小于0.05％，沉淀不充分，碳化物的量不够，因而不能得到足
够的强度。另一方面，当C含量超过0.15％，碳化物沉淀过份，焊接性
及加工性变差。因此C含量合适的范围定为0.05-0.15％。
Si必须作为脱氧剂加入。其是赋予钢抗氧化性的必要元素。特别，
为了改善抗蒸汽氧化，Si是必要的元素。在Cr含量为0.5-1.5％范围内
Si小于0.10％抗氧化性的改进较少。但是Si含量超过0.80％，韧性降
低。因此，合适的范围定为0.10-0.80％。
Mn改进了钢的热加工性，也稳定了高温强度，如果Mn含量低于
0.20％，这种作用比较小。但是如果Mn含量超过1.5％，钢是更硬，焊
接性及加工性变差。因此，合适的范围为0.20-1.5％。
Cr是改善钢的抗氧化性及抗高温腐蚀的必不可少的元素。按照本发
明的钢用在高到550℃的温度范围，但是从抗氧化及抗腐蚀性而言铬含
量小于0.5％是不实际的。增加铬含量，改善了抗腐蚀性，但是焊接性能
变差。因此，合适的范围为0.5-1.5％。
Mo为基体铁成固溶体，并强化了基体。由于钼的一部分作为碳化
物沉淀，高温强度增加。如果Mo含量低于0.10％，不能得到实质效果。
如果Mo含量太大，则加工性、焊接性及抗氧化性降低，而且材料成本
增加。因此合适的范围为0.10-1.15％。
V主要与C结合沉淀出碳化物，并对改进高温强度，特别是蠕变强
度有显著的作用。如果V的加入量小于0.005％，不能到实际效果。如
果V含量超过0.3％，在固溶热处理时不溶解的V被碳化，变粗并降低
V的作用。因此，合适的范围为0.005-0.30％。
Nb均匀地分散及沉淀出细碳化物，改进了高温强度并限制固溶热处
理时不溶解的Nb的碳化物的粗化。如果Nb含量小于0.005％，不能得
到实际的效果，而如果超过0.05％，则不溶解的Nb的碳化物变粗，强
度及韧性降低。因此，合适的范围为0.005-0.05％。
已公知加入微量的B可改进淬硬性。除了促进马氏体转化的作用
时，B还提供了促进弥散及稳定碳化物的作用及促进贝氏体转化，因此
改善强度及韧性。硼使奥氏体晶粒纯化及提高高温强度，特别是蠕变强
度。如果B含量低于0.0002％，不能得到实际的效果，而如果B含量超
过0.0050％，焊接性及加工性降低，同时明显地恶化了热加工性。因此
合适的范围为0.0002-0.0050％。
W与基体铁成固溶体，强化了基体，部分作为碳化物沉淀出，因此
改进了高温强度，如Nb一样。一般，至少1％的W加到Cr-Mo型耐热
钢中能起到其作用。但是已经发现有V的情形下，即使加入不大于1％
的W，也会有高温强度，特别是蠕变强度的改进。作为详细试验的结果，
如果W含量小于0.4％，即使有V的情形下，也不能得到W的实际效
果，如果W含量超过1.0％，其效果的增加变小。因此，合适的范围定
为0.4-1.0％。
Ti是脱氧元素，当脱氧元素(如Al，Si等)受限制时，加入钛。与
Nb的作用一样，Ti均匀地弥散及沉淀出细碳化物，改进高温强度并限
制了在固溶热处理时不溶解的碳氮化钛的晶粒的粗化，因此改善了韧
性。如果Ti含量低于0.005％，不能得到实际效果，如果超过0.050％，
不溶解的碳氮化钛粗化，固而强度及韧性降低。因此合适的范围限制在
0.005-0.05％。
除了上述成分外，本发明钢的其余成分为Fe及不可避免的杂质。
钢的杂质的典型的实例为P及S。最好，P含量不大于0.020％，S含
量不大于0.010％。另外，作为脱氧剂的铝最好不大于0.030％，N不大
于0.0060％，最好不大于0.0045％。
本发明铁素体Cr-Mo钢的结构就金属结构面积比而言包括不大于
15％的先共析铁素体和其余为贝氏体。这一限制的理由如下。常温及高
温强度随着先共析铁素体的量的增加而明显地降低，但是当先共析铁素
体的量超过15％，不能保证本发明规定的强度特点条件。因此，就金属
结构面积比而言，结构限定的条件定为不大于15％的先共析铁素体，其
余为贝氏体。
顺便提一下，本发明特征的目标限定在下面。
在550℃的正常温度下允许的应力：
至少为STBA23的允许的应力的1.25倍。
在常温下的冲击值为：
至少4kgf-m。
通过按下面进行正火和回火可达到实现这些值的热处理条件：
正火温度：950-1010℃，
回火的参数(T.P)：
18.50×103-20.90×103
[T.p＝T(20+logt)]
式中：T-热处理温度(k)；
t-热处理保持时间(hr)。
对热处理条件作上述限制是因为如果正火温度小于950℃，不能得
到在使用时加工时在后焊接热处理后(PWHT)的要求的强度，如果超
过1010℃，不能得到要求的韧性值。另外，如果回火的回火参数小于18.50
×103，在使用加工时，不进行后焊接热处理时不能得到要求的韧性，如
果超过20.90×103，在使用加工时，进行后焊接热处理不能得到要求的
强度。
下面，参照实例更详细地说明本发明。
实例
制造出具有表1或2的化学成分的样品钢(20mm厚)。在900-
1025℃下正火后，作为回火及使用加工时的后焊接热处理进行在650-
740℃下保温1-4hr的热处理。表1、2中的“o”表示的No.3-8，
14-16及20-23号钢为本发明的钢，而由x表示的其余的钢为比较实
例钢。在“备注”这项中说明钢的成分特点。顺便提一下，比较实例钢
No.1和2是JIS、STBA23和STBA22，是现有的Cr-Mo钢的典型实
例。
表1
(试样钢的成分：重量％)
No.
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
W
V
Nb
Ti
B
Ae
N
备注
1
×
0.14
0.29
0.43
0.014
0.009
1.05
0.51
-
-
-
-
-
0.005
0.0038
STBA 22
2
×
0.13
0.65
0.43
0.009
0.007
1.28
0.53
-
-
-
-
-
0.006
0.0039
STBA 23
3
○
0.06
0.75
1.32
0.009
0.005
1.40
0.64
-
0.17
0.019
-
0.0031
0.007
0.0035
C 下限
4
○
0.09
0.11
0.85
0.009
0.005
1.49
0.49
-
0.17
0.019
-
0.0031
0.007
0.0039
Si 下限
5
○
0.14
0.50
0.22
0.008
0.005
1.49
0.60
-
0.24
0.013
-
0.0026
0.010
0.0041
Mn 下限
6
○
0.14
0.75
1.50
0.009
0.006
0.52
0.59
-
0.18
0.014
-
0.0030
0.007
0.0045
Cr 下限
7
○
0.13
0.30
1.47
0.007
0.007
1.46
0.14
-
0.29
0.006
-
0.0006
0.030
0.0030
Mo，Nb，B 下限
8
○
0.12
0.30
1.00
0.009
0.006
1.32
0.62
-
0.006
0.006
-
0.0030
0.004
0.0028
V 下限
9
×
0.04
0.09
1.21
0.007
0.007
1.19
0.52
-
0.17
0.012
-
0.0030
0.010
0.0035
C，Si低于下限
10
×
0.09
0.25
0.18
0.007
0.009
1.10
0.52
-
0.15
0.015
-
0.0016
0.006
0.0035
Mn 低于下限
11
×
0.08
0.55
0.88
0.007
0.007
0.45
0.49
-
0.14
0.016
-
0.0022
0.006
0.0036
Cr 低于下限
12
×
0.11
0.30
1.05
0.007
0.005
1.23
0.09
-
0.003
0.016
-
0.0035
0.005
0.0039
Mo，V低于下限
13
×
0.08
0.55
0.80
0.007
0.005
1.00
0.25
-
0.17
-
-
0.0001
0.006
0.0043
Nb，B低于下限
14
○
0.14
0.75
1.49
0.009
0.005
0.52
0.52
-
0.17
0.012
-
0.0012
0.006
0.0045
C，Si，Mn上限
15
○
0.09
0.30
0.30
0.007
0.008
1.45
0.64
-
0.18
0.045
-
0.0015
0.008
0.0038
Cr，Nb，上限
○：本发明钢
×：比较实例钢
表2
-接表1- (试样钢的成分：重量％)
No.
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
W
V
Nb
Ti
B
Ae
N
备注
16
○
0.09
0.30
1.21
0.008
0.006
1.18
0.52
-
0.28
0.015
-
0.0048
0.007
0.0036
V，B上限
17
×
0.16
0.82
1.66
0.007
0.006
1.25
0.49
-
0.17
0.016
-
0.0029
0.006
0.0035
C，Si，Mn
高于上限
|
18
×
0.12
0.30
1.15
0.009
0.006
1.75
0.69
-
0.38
0.018
-
0.0029
0.007
0.039
Cr，V高于上限
19
×
0.12
0.31
1.15
0.009
0.005
1.25
0.55
-
0.17
0.017
-
0.0085
0.007
0.0035
B高于上限
20
○
0.10
0.32
1.02
0.009
0.006
1.25
0.55
-
0.14
0.006
0.025
0.0035
0.004
0.0029
加入Ti
21
○
0.10
0.32
1.00
0.008
0.005
1.25
0.35
0.42
0.17
0.012
-
0.0029
0.005
0.0045
加入W
22
○
0.07
0.29
0.82
0.005
0.004
1.15
0.12
0.85
0.17
0.007
0.015
0.0032
0.005
0.0035
加入W+Ti
23
○
0.09
0.75
0.45
0.006
0.005
0.75
0.15
0.42
0.19
0.008
0.025
0.0029
0.005
0.0029
同上
24
×
0.12
0.32
1.05
0.006
0.006
1.25
0.50
-
0.19
0.008
0.062
0.0015
0.005
0.0030
Ti高于上限
25
×
0.12
0.75
1.05
0.006
0.005
1.25
0.35
1.20
0.19
0.012
-
0.0015
0.005
0.0032
W高于上限
26
○
0.09
0.30
0.50
0.007
0.004
1.24
1.04
-
0.19
0.016
-
0.0030
0.005
0.0032
Mo上限
27
×
0.11
0.32
1.20
0.007
0.005
1.32
1.24
-
0.22
0.025
-
0.0030
0.005
0.0035
Mo高于上限
○：本发明钢
×：比较实例钢
表3和4表示热处理条件，高温拉伸强度，抗冲击性，蠕变断裂强
度，及防焊接低温裂纹的预热温度。顺便说一下，使用φ6mm×GL30mm
的试块进行高温拉伸试验及蠕变断裂试验，和使用斜的y型焊接裂纹试
块进行防焊接低温裂纹的预热温度的评价。
图1示出把特征值中高温拉伸强度和蠕变断裂强度转为按照JIS的
允许应力及对它们作图而示出这些强度。关于蠕变断裂强度，表3、4
中550℃×10,000hr和600℃×5,000hr转换成就Larson和Miller参
数而言的与105hr断裂相应的温度。这里用的Larson和Miller参数
(L.M.P)由下面的公式(1)表示，其转换公式由公式(2)表示。
在图中，比较实例钢的STBA23的允许应力值和作为本发明的钢的目标
低限可允许的应力值作为参考值由实线表示。
L.M.P.＝TT(20+log tr) (1)
式中：TT：试验温度(k)；
tr：试验时间。
T1＝T2(20+logt1)÷(20+logt1) (2)
式中：T1：105hr断裂相应的温度(k)，
t1：105，
T2和t2：已知温度(k)和时间(hr)。
在该实例中在550℃×10,000hr的情形下，T2是823，t2是
10,000，而在600℃×5,000hr的情形下，T2是873和t2是5,000。
有作为回火参数的同一形式的L.M.P.指出在蠕变断裂试验中温度
和时间的关系，而回火条件可由回火参数确定。
图2示出与室温吸收冲击的能量相反的在实例的特点中450℃下的
拉伸强度。在图中，本发明钢的目标低限值作为参考值由虚线示出。
在本发明钢的No.3-8号钢中，各组分C，Si，Mn，Cr，Mo，V，Nb
和B接近本发明范围的低限，这些钢中各钢的拉伸强度和蠕变断裂强度
高于比较实例钢No.1和2的值，它们的冲击值和防焊接低温裂纹预热温
度是可比的。在No.9-13钢中，各成分C，Si，Mn，Cr，Mo，V，Nb和B低
于本发明范围的下限，它们的拉伸强度和蠕变断裂强度比本发明钢的值
显著低。在No.14-16钢中，各成分C，Si，Mn，Cr，V，Nb和B接近本
发明的上限。但是，它们的拉伸强度和蠕变断裂强度高于本发明钢的No.3
-8钢的值。而冲击值及防焊接低温裂纹的预热温度与比较实例No.1和
2是可比较的。在No.17-19钢中，各成分C，Si，Mn，Cr，No，V，Nb和
B高于本发明的上限。虽然No.17和18钢的拉伸强度和蠕变断裂强度是
高的，但冲击值及抗焊接低温开裂预热温度比比较实例钢No.1和2差。
在No.19钢中，热加工性降低很显著使得在热轧时不能进行裂纹试验。
No.20-23号钢是单单加Ti或W或同时加入两者。但是，拉伸强度及蠕
变断裂强度是高的，而冲击值及抗焊接低温裂纹的预热温度也是可与比
较实例钢No.1和2的值相比较。在No.24，25号钢中，Ti和W超过本
发明的上限。虽然它们的拉伸强度和蠕变断裂强度是高的，但冲击值和
抗焊接低温裂纹的预热温度比比较实例钢No.1和2的差。
在N0.26钢中，Mo含量接近本发明的上限。而拉伸强度、蠕变断
裂强度和抗焊接低温裂纹的预热温度与比较实例钢No.14-16的值一
样。
在No.27号钢中，Mo含量高于本发明的上限。该抗低温裂纹的预
热温度比比较实例钢No.1和2差。
另外，No.8-1至8-4和No.15-1至16-1钢与No.8，15，
16钢相应，但热处理条件改变了。由于No.8-1钢的正火温度低于本发
明钢的低限，其拉伸强度及蠕变断裂强度是低的。由于No.8-4钢中正
火参数高于本发明钢的上限，蠕变断裂强度是低的。另一方面在No.15
-2号钢中，正火温度超过本发明钢的上限。因此，虽然拉伸强度及蠕
变断裂强度是高的，冲击值是低的，并且韧性降低。因此，机加工性有
问题。由于No.16-1钢的回火参数低于本发明钢的低限，冲击值低，
韧性也降低，尽管拉伸强度及蠕变断裂强度是高的。因此仍然有加工性
的问题。
表3
钢
No.
热处理条件
450℃下延伸特点
室温冲击值
(kgf-m)
550℃×
10,000hr
下蠕变断裂
应力
(kgf/mm2)
600℃×
5,000hr
下蠕变断裂
应力
(kgf/mm2)
防低温裂纹
预热温度
(℃)
正火温度
(℃)
回火参数
(×10-J)
TS
(kgf/mm2)
断裂时延伸率
(％)
1
×
910
20.05
47.2
32
13.0
10.5
6.6
200
2
×
46.6
33
15.5
11.2
6.5
200
3
○
980
20.42
54.2
31
12.0
17.5
10.0
150
4
○
57.5
28
8.0
19.5
10.5
175
5
○
61.6
27
14.5
22.5
12.0
200
6
○
60.2
26
12.5
20.0
11.0
200
7
○
61.2
24
5.4
21.5
12.0
175
8
○
56.7
32
14.5
15.0
8.5
175
9
×
44.8
34
1.9
13.5
7.4
125
10
×
50.3
33
8.0
13.9
8.0
150
11
×
50.7
29
9.0
14.5
8.0
150
12
×
43.0
31
16.3
＜5.0
-
125
13
×
50.5
28
1.8
11.0
-
175
14
○
63.5
25
6.0
21.0
10.6
200
15
○
66.4
22
9.0
21.5
11.0
200
16
○
63.8
22
5.2
22.5
12.5
200
17
×
67.2
19
1.9
21.5
11.0
250
○：本发明钢
×：比较实例钢
表4
(接表3)
钢
No.
热处理条件
450℃下延伸特点
室温冲击值
(kgf-m)
550℃×
10,000hr
下蠕变断裂
应力
(kgf/mm2)
600℃×
5,000hr
下蠕变断裂
应力
(kgf/mm2)
防低温裂纹
预热温度
(℃)
正火温度
(℃)
回火参数
(×10-J)
TS
(kgf/mm2)
断裂时延伸率
(I)
18
×
980
20.42
71.5
17
0.9
23.0
13.2
250
19
×
-
-
-
-
-
-
20
○
57.5
27
14.0
18.0
10.5
175
21
○
59.2
26
6.0
18.5
11.5
175
22
○
62.2
24
8.0
20.5
12.5
175
-
23
○
64.4
25
9.0
19.5
12.0
175
24
×
57.2
26
0.8
18.5
10.0
175
25
×
68.3
24
1.6
22.5
13.0
250
26
○
60.4
24
7.2
22.5
13.0
200
27
×
63.2
21
6.8
23.0
13.5
250
8-1
×
935
20.42
50.0
34
16.8
13.5
7.0
-
8-2
○
965
20.42
54.2
32
15.2
14.5
8.0
-
8-3
○
995
20.42
58.9
28
6.7
15.5
9.0
-
8-4
×
980
20.87
52.6
30
15.0
13.9
8.5
-
15-1
○
995
20.42
68.9
21
6.3
22.5
11.0
-
15-2
×
1025
20.42
70.6
19
1.3
23.5
11.0
-
16-1
×
980
18.46
78.8
16
0.8
24.5
12.5
-
○：本发明钢
×：比较实例钢
本发明提供了一种有极好的高温强度的铁素体耐热钢，可用在400
-550℃的温度范围。这种钢有极好的高温强度，另外，其焊接性及弯
曲加工性与普通的铁素体耐热钢相同。由于这些特点及成本，本发明的
钢可广泛用于热动力厂的耐压元件，本发明的工业效果相当大。