JP2002294402A

JP2002294402A - 耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管

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Publication number: JP2002294402A
Application number: JP2001093462A
Authority: JP
Inventors: Taro Muraki; 太郎村木; Hitoshi Asahi; 均朝日; Hitoshi Hashimoto; 仁橋本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、Ｃｒ含有量が３．５％以下の低合
金鋼であって、かつボイラープラントなどの環境下で使
用する高温強度に優れ、さらに耐摩耗特性に優れた低合
金耐熱ボイラー用鋼管を提供することを目的とする。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％
を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以
下、Ｏ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅおよび
不可避不純物からなり、かつ鋼の金属組織中のフェライ
ト分率が２０％以下で、フェライト組織以外の部位のビ
ッカース硬さが２００Hv以上である耐摩耗特性に優れた
低合金耐熱ボイラー用鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低合金耐熱ボイラ
ー用鋼管に関するものであり、さらに詳しくはボイラー
プラントなどの環境下で使用する高温強度に優れ、かつ
耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ボイラー用、化学工業用、原子
力用等の高温耐熱耐圧部材にはオーステナイト系ステン
レス鋼、Ｃｒ含有量が９〜１２％（％は質量％を意味す
る。以下同じ。）の高Ｃｒフェライト鋼、Ｃｒ含有量が
２．２５％以下の低合金鋼あるいは炭素鋼等の材料が用
いられている。そして、これらは対象となる部材の使用
温度、圧力等の使用環境と経済性を考慮して適宜選択さ
れる。

【０００３】これら材料のうちのＣｒ含有量が２．２５
％以下の低合金鋼の特徴としては、Ｃｒを含有している
場合、炭素鋼に比べて耐酸化性、高温耐食性および高温
強度に優れることや、オーステナイト系ステンレス鋼に
比べて格段に安価で、かつ熱膨張係数が小さくて応力腐
食割れを起こさないこと、さらには高Ｃｒフェライト鋼
に比べても安価であって靭性、熱伝導性および溶接性に
優れることが挙げられる。

【０００４】このような低合金鋼の代表例として、ＪＩ
Ｓに規格されているＳＴＢＡ２０，ＳＴＢＡ２２，ＳＴ
ＢＡ２３，ＳＴＢＡ２４等が知られている。また、高温
強度を向上させる目的で析出強化元素であるＶ，Ｎｂ，
Ｔｉ，Ｔａ，Ｂを添加した低合金鋼が、特開昭５７−１
３１３４９号、特開昭５７−１３１３５０号、特開昭６
１−１６６９１６号、特開昭６２−５４０６２号、特開
昭６３−１８０３８号、特開昭６３−６２８４８号、特
開昭６４−６８４５１号、特開平１−２９８５３号、特
開平３−６４４２８号、特開平３−８７３３２号等の公
報で提案されている。

【０００５】さらに、析出強化型の低合金鋼として、タ
ービン用材料である１Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鋼や、
高速増殖炉用構造材料である２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎ
ｂ鋼等が良く知られている。しかし、これらの低合金鋼
は、高Ｃｒフェライト鋼やオーステナイト系ステンレス
鋼に比べると高温での耐酸化性、耐食性に劣り、また高
温強度も低いため、５５０℃以上での使用に問題があ
る。

【０００６】そこで、５５０℃以上の高温でのクリープ
強度を改善するため、特開平２−２１７４３８号公報、
特開平２−２１７４３９号公報には、Ｗの多量添加やＣ
ｕとＭｇの複合添加を行った低合金鋼が提案されてい
る。また、特開平４−２６８０４０号公報には、５５０
℃以上の高温でのクリープ強度を改善し、併せて高強度
化に伴う靭性低下を抑制するため、Ｎ量を制限した上で
Ｂを微量添加した低合金鋼が提案されている。

【０００７】これらの材料を石炭灰や石油燃焼灰や砂等
の微粉分散環境下で使用した場合、通常プロテクトチュ
ーブを用いてボイラー鋼管を保護し、定期的にプロテク
トチューブを交換することによってボイラー鋼管の材質
劣化を防ぐ。しかしながら、定期的にプロテクトチュー
ブを交換する時に生じるプラントの停止は、経済的にも
有用な手段とは言えない。また、ボイラーではかなり頻
繁に過熱器管のスートブローによる燃焼灰の除去作業や
高ガス流速によって微粒子が起因のエロージョンが生
じ、問題化している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した実情に鑑み、
本発明は、Ｃｒ含有量が３．５％以下の低合金鋼であっ
て、かつボイラープラントなどの環境下で使用する高温
強度に優れ、さらに耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイ
ラー用鋼管を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、５５０℃以上
の高温でも使用可能であり、かつ、従来規格鋼を石炭灰
や石油燃焼灰や砂等の微粉分散環境下で使用した場合の
プロテクトチューブの使用を省略でき、それによって定
期的にプロテクトチューブを交換する時に生じるプラン
トの停止が不要となり、経済的かつ高効率な耐摩耗特性
に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管に関するものであ
る。

【００１０】本発明者らは、一般ボイラー用鋼および低
合金系ボイラー用鋼において、耐摩耗性が良好で、高温
強度、クリープ破断強度、靭性等の特性が良好な鋼管を
得るために、鋭意検討を重ねた結果、ボイラー用鋼で
は、母材を構成している金属組織因子・分率および組織
の硬さが耐摩耗特性に大きく影響することがわかり、そ
れぞれの因子を調整することによって、耐摩耗特性に優
れた低合金耐熱鋼およびそれを用いた耐熱鋼管の製造が
可能であることが分かった。具体的には、鋼の金属組織
中のフェライト分率を２０％以下とし、かつフェライト
組織以外の部位のビッカース硬さを２００Hv以上とする
ことによって、高温強度、クリープ破断強度、靭性等の
特性を維持しながら耐摩耗特性に優れた材質特性を有す
ることを特徴とする。本発明は以下の構成を要旨とす
る。（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：
０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％を含有
し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可
避不純物からなり、かつ鋼の金属組織中のフェライト分
率が２０％以下で、フェライト組織以外の部位のビッカ
ース硬さが２００Hv以上であることを特徴とする耐摩耗
特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。（２）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：
０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｎ
ｂ：０．００１〜０．５％、Ｖ：０．０２〜１．０％、
Ｎ：０．００１〜０．０８％、Ｂ：０．０００１〜０．
０２％、Ａｌ：０．０１％以下を含有し、さらに、Ｍ
ｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜３．０％の１
種または２種を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：
０．０１０％以下、Ｏ：０．０２０％以下に制限し、残
部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ鋼の金属組
織中のフェライト分率が２０％以下で、フェライト組織
以外の部位のビッカース硬さが２００Hv以上であること
を特徴とする耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用
鋼管。（３）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：
０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｃ
ｒ：０．５〜３．５％を含有し、Ｐ：０．０３０％以
下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０２０％以下に制
限し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ鋼
の金属組織中のフェライト分率が２０％以下で、フェラ
イト組織以外の部位のビッカース硬さが２００Hv以上で
あることを特徴とする耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボ
イラー用鋼管。（４）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：
０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％Ｃｒ：０．５〜３．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．５
％、Ｖ：０．０２〜１．０％、Ｎ：０．００１〜０．０
８％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０１
％以下を含有し、さらに、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ：０．０１〜３．０％の１種または２種を含有し、
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：
０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避不
純物からなり、かつ鋼の金属組織中のフェライト分率が
２０％以下で、フェライト組織以外の部位のビッカース
硬さが２００Hv以上であることを特徴とする耐摩耗特性
に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。（５）質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００１〜０．１％
を含有することを特徴とする請求項２または４に記載の
耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。（６）質量％で、さらに、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎ
ｉ：０．１〜２．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種
または２種以上を含有することを特徴とする請求項２ま
たは４に記載の耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー
用鋼管。（７）質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００１〜０．１％
を含有し、かつＣｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１
〜２．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種または２種
以上を含有することを特徴とする請求項２または４に記
載の耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。（８）質量％で、さらに、Ｍｇ，Ｌａ，Ｃａ，Ｙ，Ｃ
ｅ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｓｂ
のうち１種または２種以上を０．００１〜０．２％含有
することを特徴とする請求項２，４，５，６または７の
いずれか１項に記載の耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボ
イラー用鋼管。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、一般ボイラー用鋼および低合金系ボイラ
ー用鋼において、耐摩耗性が良好で、高温強度、クリー
プ破断強度、靭性等の特性が良好な鋼管を得るために、
鋭意検討を重ねた結果、ボイラー用鋼では、母材を構成
している金属組織因子・分率および組織の硬さが耐摩耗
特性に大きく影響することがわかり、それぞれの因子を
調整することによって、耐摩耗特性に優れた低合金耐熱
ボイラー用鋼管の製造が可能であることが分かった。具
体的には、鋼の金属組織中のフェライト分率を２０％以
下とすることによって、フェライトが選択的に摩耗され
ることを低減し、またフェライト組織以外の部位のビッ
カース硬さを２００Hv以上とすることによって、金属組
織全体の耐摩耗特性を向上させ、材質劣化を防止するこ
とを特徴とするものである。

【００１２】本発明は、一般ボイラー用鋼および低合金
系ボイラー用鋼並びにこれらの鋼を用いた鋼管を対象と
するが、これらの成分組成を前記のように限定した理由
は次の通りである。Ｃは、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，
Ｎｂと炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与すると共
に、それ自体がオーステナイト安定化元素として組織を
安定化する。本発明による鋼管においては、焼きならし
・焼きもどしまたは焼入れ・焼きもどし処理によってフ
ェライトとマルテンサイト、ベイナイトおよびパーライ
トの混合した組織になるが、Ｃ含有量はこれらの組織の
バランス制御のためにも重要である。そして、Ｃ含有量
が０．０１％未満では炭化物の析出量が不十分となると
共に、δフェライト量が多くなりすぎて強度と靭性を損
なう。さらに、金属組織中の硬さが不十分となり、耐摩
耗特性が低減する。一方、０．２０％を超えると炭化物
が過剰に析出し、鋼が著しく硬化して加工性と溶接性を
損なう。従って、Ｃ含有量は０．０１％以上０．２０％
以下とした。

【００１３】Ｓｉは、脱酸剤として作用し、また鋼の耐
水蒸気酸化特性を高める元素である。Ｓｉ含有量が０．
０１％未満では不十分であり、１．０％を超えると靭性
が著しく低下し、クリープ破断強度に対しても有害であ
る。従って、Ｓｉ含有量は０．０１％以上１．０％以下
とした。Ｍｎは、脱酸のためのみでなく強度保持上も必
要な元素である。効果を十分得るためには０．１０％以
上の添加が必要であり、２．０％を超すとクリープ破断
強度が低下する場合がある。従って、Ｍｎ含有量は０．
１０％以上２．０％以下とした。

【００１４】Ｃｒは、低Ｃｒフェライト鋼の耐酸化性と
高温耐食性の改善のために不可欠な元素であり、Ｃｒ含
有量が０．５％未満ではこれらの効果が得られない。し
かし、Ｃｒ含有量が３．５％を超えると、靭性、溶接
性、熱伝導性が低くなって低Ｃｒフェライト鋼の利点が
少なくなる。従って、Ｃｒ含有量は０．５％以上３．５
％以下とした。

【００１５】Ｎｂは、Ｃ，Ｎと結合してＮｂ（Ｃ，Ｎ）
の微細炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の上に寄与
する。特に、６２５℃以下では安定な微細析出物を形成
してクリープ破断強度を著しく改善する効果がある。さ
らに、結晶粒を微細化し、靭性の改善にも有効である。
しかし、Ｎｂ含有量が０．００１％未満では上記効果が
得られない。一方、Ｎｂ含有量が０．５％を超えると鋼
が著しく硬化し、靭性、加工性、溶接性を損なうように
なる。従って、Ｎｂ含有量は０．００１％以上０．５％
以下とした。

【００１６】Ｖは、Ｎｂと同様にＣ，Ｎと結合してＮｂ
（Ｃ，Ｎ）の微細炭窒化物を形成し、高温長間側のクリ
ープ破断強度の向上に寄与するが、その含有量が０．０
２％未満ではその効果は十分ではない。しかし、１．０
％を超えてＶが添加されるとＶ（Ｃ，Ｎ）の析出量が過
剰となり、かえって強度と靭性を損なうようになる。従
って、Ｖ含有量は０．０２％以上１．０％以下とした。

【００１７】Ｎは、マトリックス中に固溶あるいは窒化
物、炭窒化物として析出し、主にＶＮ，ＮｂＮまたはそ
れぞれの炭窒化物の形態をとって固溶強化にも析出強化
にも寄与する。本発明では、Ｔｉと結合してＴｉＮ、さ
らにＢと結合してＢＮとして析出し、それぞれクリープ
破断強度向上に寄与する。０．００１％未満の添加では
強化への寄与がほとんどなく、また０．０８％を超えて
添加すると、母材靭性と強度の低下が著しい。従って、
Ｎ含有量は０．００１％以上０．０８％以下とした。

【００１８】Ｂは、次に示す効果を確保するために添加
される元素である。Ｃと共偏析することにより微細炭化
物（具体的にはＭ₂₃Ｃ₆ 炭化物）を安定化する。低Ｃｒ
フェライト鋼においては、高温で長時間加熱されるとＭ
₂₃Ｃ₆ 炭化物にＷやＭｏが濃化することによってこれが
粗大なＭ₆ Ｃ炭化物へと変化し、クリープ強度および靭
性の低下を招く。しかしながら、Ｂの添加によりＭ₂₃Ｃ
₆ が安定化するので粗大炭化物Ｍ₆ Ｃの析出が抑えら
れ、クリープ強度の低下が抑制される。しかし、Ｂ含有
量が０．０００１％未満では上記の効果が得られず、一
方、Ｂ含有量が０．０１％を超えるとＢが結晶粒界に過
剰に偏析し、Ｃとの共偏析によって炭化物が凝集粗大化
する場合があり、その結果として加工性、靭性および溶
接性を著しく損ねることになる。従って、Ｂ含有量は
０．０００１％以上０．０１％以下とした。

【００１９】Ａｌは、脱酸剤として有効であるが、特に
０．０１％を超えると高温強度が低下するので０．０１
％以下とした。Ｍｏは、固溶強化と微細炭化物析出によ
る強化の作用を有しクリープ破断強度の向上に有効な元
素であるので、必要に応じて含有できる。しかし、Ｍｏ
含有量が０．０１％未満では上記効果が得られず、一
方、２．０％を超えるとその効果が飽和するばかりか、
溶接性、靭性を損なうようになる。従って、Ｍｏを添加
する場合には０．０１％以上２．０％以下が好ましい。
なお、ＭｏとＷとを複合添加する場合には、単独添加の
場合に比べて鋼の強度が一段と向上し、特に高温クリー
プ破断強度が改善される。

【００２０】Ｗは、固溶による強化作用と微細炭化物の
析出による強化作用を発揮するので、クリープ破断強度
の向上に有効な元素であるが、Ｗ含有量が０．０１％未
満ではこれらの効果は得られない。一方、Ｗ含有量が
３．０％を超えると鋼が著しく硬化し、靭性、加工性、
溶接性を損なう。従って、Ｗ含有量は０．０１以上３．
０％以下とした。なお、ＷはＭｏと複合添加することに
よって鋼の強度向上効果が顕著化することは既に述べた
通りである。

【００２１】Ｐ，Ｓ，Ｏは、本発明鋼においては不純物
として混入してくるが、本発明の効果を発揮する上で、
Ｐ，Ｓは強度を低下させ、Ｏは酸化物として析出して靭
性を低下させるので、それぞれ上限値を０．０３０％、
０．０１０％、０．０２０％とした。さらにＴｉは、Ｃ
およびＮと結合してＴｉ（Ｃ，Ｎ）を形成する。特に、
Ｎとの結合力が強いため、固溶Ｎの固定に有効である。
もっとも、後述するようにＢも固溶Ｎを固定する作用を
有しているが、Ｃとの結合形態はＴｉとは大きく異な
る。即ち、ＢはＦｅ，Ｃｒ，Ｗを主要成分とする炭化物
中に偏析しやすく、過剰のＢが存在する場合にはこれら
炭化物の凝集粗大化を促進する場合がある。これに対
し、ＴｉはＣと単独に結合すると共にＴｉＮと複合析出
するが、それ以上凝集粗大化が進むことはない。従っ
て、Ｔｉは、Ｎを有効に固定し、同時に炭化物の相安定
性に影響しない点で好ましい。Ｔｉは、固溶Ｎ量を抑え
ることにより焼入れ性を向上させ、靭性、クリープ強度
を向上させる。しかし、Ｔｉ含有量が０．００１％未満
では前記の効果が得られず、一方、その含有量が０．１
％を超えるとＴｉ（Ｃ，Ｎ）の析出量が多くなって靭性
が著しく損なわれるようになる。従って、Ｔｉの含有量
は０．００１〜０．１％が好ましい。

【００２２】また、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏは、いずれも強力
なオーステナイト安定化元素であり、特に大量のフェラ
イト安定化元素、すなわちＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｓｉ
等を添加する場合において、焼入れ組織もしくは焼入れ
−焼きもどし組織を得るために必要であり、かつ有用で
ある。同時に、Ｃｕは高温耐食性の向上、Ｎｉは靭性の
向上、Ｃｏは強度の向上にそれぞれ効果がある。いずれ
も０．１％以下では効果が不十分であり、２．０％を超
えて添加する場合には、粗大な金属間化合物の析出もし
くは粒界への偏析に起因する脆化が避けられない。従っ
て、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ含有量はそれぞれ０．１％以上
２．０％以下とした。

【００２３】また、Ｍｇ，Ｌａ，Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｚ
ｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｓｂのよう
なこれらの元素は、不純物元素（Ｐ，Ｓ，Ｏ）とそれら
の析出物（介在物）の形態制御を目的として必要に応じ
て添加される。これらの元素のうち少なくとも一種を、
それぞれの元素について０．００１％以上添加すること
によって前記の不純物を安定で無害な析出物として固定
し、強度と靭性を向上させる。０．００１％未満ではそ
の効果が無く、０．２％を超えると介在物が増加し、か
えって靭性を損なうので、それぞれの含有量は０．００
１〜０．２％とする。

【００２４】図１は、一般ボイラー用鋼および低合金系
ボイラー用鋼における金属組織中のフェライト分率と摩
耗量の関係を、本発明鋼と従来鋼の場合で比較したもの
である。ここで、金属組織中のフェライト分率は、光学
顕微鏡を用いて金属組織を観察し、フェライトの割合を
測定したものである。また、摩耗量測定は、試験片サイ
ズφ１０mm×２５mm、試験温度５５０℃、試験時間２４
時間、回転速度１０００rpm 、大気中にて回転摩耗試験
を行い、試験前の表面積および試験前後の重量を測定す
ることによって算出した。フェライト分率が２０％を越
えた場合、摩耗量が０．３mm／年となってボイラー材料
の安全性が確保しにくい。また一般に、ボイラー用鋼お
よびボイラー用鋼管の肉厚は、３〜８mm程度が多く使用
されているため、減肉量が０．３mm／年を越えた場合、
材質に内圧が加わっているとトラブル発生が懸念され
る。そのために、鋼の金属組織中のフェライト分率を２
０％以下とした。

【００２５】図２は、一般ボイラー用鋼および低合金系
ボイラー用鋼における金属組織中のフェライト以外のビ
ッカース硬さと摩耗量の関係を、本発明鋼と従来鋼の場
合で比較したものである。ここで、金属組織中のフェラ
イト以外のビッカース硬さは、荷重９８Ｎで測定し、１
試料当たり１０カ所測定した平均値をその試料の硬さと
した。また、摩耗量測定は図１の手法と同様である。金
属組織中のフェライト以外のビッカース硬さが２００Hv
未満の場合、図１と同様摩耗量が０．３mm／年となって
ボイラー材料の安全性が確保しにくくなる。そのため、
鋼の金属組織中のフェライト組織以外の部位のビッカー
ス硬さを２００Hv以上とした。

【００２６】製造プロセスで重要な固溶化熱処理後の冷
却条件について補足する。鋼の金属組織中のフェライト
分率が２０％以下に抑制するためには、冷却速度を大き
くし、フェライト変態する時間を与えないようにしなけ
ればならない。本開発鋼の臨界冷却速度は約０．５℃／
秒であり、この冷却速度以上に制御することによって鋼
の金属組織中のフェライト分率が２０％以下に抑制が可
能となる。ボロンが添加された場合、ボロンは焼入れ性
を高める元素のため臨界冷却速度がやや小さくなる。本
開発鋼でボロンが添加されている場合の臨界冷却速度は
約０．１℃／秒であった。

【００２７】

【実施例】表１から表４に示す化学成分の各鋼を３００
kg真空溶解炉で溶解し、鋳造して得たインゴットを１０
５０〜１３００℃で加熱、圧延し、厚さ３，５，１０，
１５および２０mmの板とした。圧延終了温度は全て９０
０〜１０５０℃の間となるように制御した。次に熱処理
は、全て固溶化熱処理を施し、さらに７６０℃×１hr→
空冷の焼戻し処理をした。そして、熱処理後の各鋼の母
材特性を評価するために、母材金属組織の光学顕微鏡観
察、画像処理によるフェライト分率の測定、金属組織中
のフェライト以外の硬さ測定、および母材耐摩耗試験に
よって評価した。

【００２８】金属組織中のフェライト以外の硬さ測定
は、各サンプルから１０視野観察し、各視野から１０カ
所、合計１００カ所硬さ測定し、平均値を用いた。硬さ
測定にはビッカース硬さ測定機を用い、荷重は９８Ｎと
した。母材耐摩耗試験には、φ１０mm×Ｌ２５mmの円柱
形試料を用いた。試験温度は５５０℃、試験時間は２４
時間、回転速度は１０００rpm 、大気中にて回転摩耗試
験を行い、試験前の表面積および試験前後の重量を測定
することによって母材の摩耗速度を算出した。

【００２９】表１〜表４には本発明鋼の化学成分と評価
結果、また表５〜表６には比較鋼の化学成分と評価結果
を示す。本発明鋼（Ｎｏ．１〜６５）は比較鋼（Ｎｏ．
１０１〜１１２）に比べていずれの特性も優れているこ
とが判る。比較鋼の鋼番１０１の場合、Ｃ含有量が０．
０１％未満では鋼の焼入れ組織が不十分であり、耐摩耗
特性を考慮すると、材質劣化が生じる。比較鋼の鋼番１
０３の場合、Ｓｉ含有量が０．０１％未満では鋼の焼入
れ組織が不十分であり、耐摩耗特性を考慮すると、材質
劣化が生じる。比較鋼の鋼番１０６の場合、Ｍｎ含有量
が０．１０％未満では鋼の焼入れ組織が不十分であり、
耐摩耗特性を考慮すると、材質劣化が生じる。比較鋼の
鋼番１０５の場合、Ｃｒ含有量が０．５％未満では鋼の
焼入れ組織が不十分であり、耐摩耗特性を考慮すると、
材質劣化が生じる。比較鋼の鋼番１０７の場合、Ｍｏ含
有量が０．０１％未満では鋼の焼入れ組織が不十分であ
り、耐摩耗特性を考慮すると、材質劣化が生じる。比較
鋼の鋼番１０４の場合、Ｖ含有量が０．０２％未満では
鋼の焼入れ組織が不十分であり、耐摩耗特性を考慮する
と、材質劣化が生じる。比較鋼の鋼番１１１の場合、Ｃ
ｕ含有量が０．１％未満鋼の焼入れ組織が不十分であ
り、耐摩耗特性を考慮すると、材質劣化が生じる。比較
鋼の鋼番１０９の場合、Ｔｉ含有量が０．１％超ではＴ
ｉＣを優先的に生成し、固溶Ｃ量が低下することによっ
て組織の焼入れ性が低下することによって、母材組織の
一部で硬さが低下する。これによって、摩耗環境では母
材が局部的にアタックされ、摩耗速度が増加し、耐摩耗
特性が劣化する。比較鋼の鋼番１０２，１１０、および
１１２の場合、フェライト分率が２０％超では母材組織
が局部的にアタックされ、摩耗速度が増加し、耐摩耗特
性が劣化する。比較鋼の鋼番１０８の場合、ビッカース
硬さが２００Hv未満では、母材組織全体がアタックさ
れ、摩耗速度が増加し、耐摩耗特性が劣化する。

【００３０】鋼管の製造方法について実施例を記載す
る。代表例として表１に示す本開発鋼を製鉄所で溶解
し、スラブおよびビレットを作製した。スラブサイズは
板厚２４０mm×幅９００mm×長さ６ｍ、ビレットサイズ
は板厚１０２mm×幅１０２mm×長さ６ｍとした。まず最
初に、熱延工場ではスラブを圧延してホットコイルを製
造した。製造条件は、スラブを加熱炉内で１２００℃×
６時間加熱後、圧延終了温度９００℃、コイル巻き取り
温度７８０℃の高温巻き取り条件で巻き取り、その後空
冷した。仕上げ板厚は７．３mmとした。さらに後日ホッ
トコイルを酸洗した後、電縫鋼管工場で造管した。造管
サイズは、外径５０．８mm×板厚７．３mm×長さ４ｍと
した。造管後工場内の光輝焼鈍熱処理炉で熱処理した。
熱処理条件は、ノルマ９５０℃×１時間後Ｎ₂ブローに
よって強制冷却し、焼入れ組織に仕上げ、テンパーは７
５０℃×１時間程度とし、その後空冷処理した。

【００３１】次にシームレス鋼管工場でビレットを圧延
し、シームレス鋼管を製造した。製造条件はビレットを
加熱炉内で１２５０℃×３時間加熱後、シームレス圧延
し、その後空冷した。造管サイズは、外径４５．０mm×
板厚７．１mm×長さ４ｍとした。さらに後日工場内の光
輝焼鈍熱処理炉で熱処理した。熱処理条件は、ノルマ９
５０℃×１時間後水冷によって強制冷却し、焼入れ組織
に仕上げ、テンパーは７６０℃×１時間程度とし、その
後空冷処理した。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【表３】

【００３５】

【表４】

【００３６】

【表５】

【００３７】

【表６】

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｃｒ含有
量が３．５％以下の低合金鋼であって、かつボイラープ
ラントなどの環境下で使用する高温強度に優れ、さらに
耐摩耗特性に優れた低合金耐熱鋼およびそれを用いた耐
熱ボイラー用鋼管を提供でき、かつ石炭灰や石油燃焼灰
や砂等の微粉分散環境下で本発明鋼を使用することによ
って、プロテクトチューブの使用を省略でき、それによ
って定期的にプロテクトチューブを交換する時に生じる
プラントの停止が不要となり、経済的かつ高効率な操業
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般ボイラー用鋼および低合金系ボイラー用鋼
における金属組織中のフェライト分率と摩耗速度の関係
を示す図。

【図２】一般ボイラー用鋼および低合金系ボイラー用鋼
における金属組織中のフェライト以外のビッカース硬さ
と摩耗速度の関係を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本仁千葉県君津市君津１番地新日本製鐵株式会社君津製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％
を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以
下、Ｏ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅおよび
不可避不純物からなり、かつ鋼の金属組織中のフェライ
ト分率が２０％以下で、フェライト組織以外の部位のビ
ッカース硬さが２００Hv以上であることを特徴とする耐
摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。
【請求項２】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０
％、Ｎｂ：０．００１〜０．５％、Ｖ：０．０２〜１．
０％、Ｎ：０．００１〜０．０８％、Ｂ：０．０００１
〜０．０２％、Ａｌ：０．０１％以下を含有し、さら
に、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜３．０
％の１種または２種を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０２０％以下に制限
し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ鋼の
金属組織中のフェライト分率が２０％以下で、フェライ
ト組織以外の部位のビッカース硬さが２００Hv以上であ
ることを特徴とする耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイ
ラー用鋼管。
【請求項３】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％Ｃｒ：０．５〜３．５％を含有し、Ｐ：０．０３０％以
下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０２０％以下に制
限し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ鋼
の金属組織中のフェライト分率が２０％以下で、フェラ
イト組織以外の部位のビッカース硬さが２００Hv以上で
あることを特徴とする耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボ
イラー用鋼管。
【請求項４】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％
Ｃｒ：０．５〜３．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．５
％、Ｖ：０．０２〜１．０％、Ｎ：０．００１〜０．０
８％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ａｌ：０．０１
％以下を含有し、さらに、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ：０．０１〜３．０％の１種または２種を含有し、
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：
０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避不
純物からなり、かつ鋼の金属組織中のフェライト分率が
２０％以下で、フェライト組織以外の部位のビッカース
硬さが２００Hv以上であることを特徴とする耐摩耗特性
に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼管。
【請求項５】質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００１〜
０．１％を含有することを特徴とする請求項２または４
に記載の耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー用鋼
管。
【請求項６】質量％で、さらに、Ｃｕ：０．１〜２．
０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０
％、の１種または２種以上を含有することを特徴とする
請求項２または４に記載の耐摩耗特性に優れた低合金耐
熱ボイラー用鋼管。
【請求項７】質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００１〜
０．１％を含有し、かつ、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎ
ｉ：０．１〜２．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種
または２種以上を含有することを特徴とする請求項２ま
たは４に記載の耐摩耗特性に優れた低合金耐熱ボイラー
用鋼管。
【請求項８】質量％で、さらに、Ｍｇ，Ｌａ，Ｃａ，
Ｙ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐ
ｄ，Ｓｂのうち１種または２種以上を０．００１〜０．
２％含有することを特徴とする請求項２，４，５，６ま
たは７のいずれか１項に記載の耐摩耗特性に優れた低合
金耐熱ボイラー用鋼管。