JP2005023378A

JP2005023378A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP2005023378A
Application number: JP2003190757A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fujita; 利夫藤田; Koji Tamura; 広治田村; Yasushi Sato; 恭佐藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP4615196B2

Abstract

【課題】従来材に比べてさらに長時間クリープ破断強度の優れた高強度フェライト系耐熱鋼を提供することにある。
【解決手段】Ｃ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ０．２０〜１．０％、Ｍｎ０．０５〜１．５％、Ｎｉ０．０１〜０．５％、Ｃｒ８．０〜１２．０％、Ｍｏ０．０５〜０．５％、Ｗ０．５〜３．０、Ｖ０．１０〜０．３０％、Ｎｂ０．０１〜０．１％、Ｃｏ０．５〜５．０％、Ｎ０．００５〜０．１％、Ｂ０．００１〜０．０１％、Ｃｕ０．０１％以下及びＡｌ０．００２％以下、さらにＭｏ％＋１／２Ｗ％の量を１．３以上に制限した成分で、調質熱処理により得られる焼戻しマルテンサイト単相組織又はＣｒ当量が１０％超１３％以下になるように成分が調整された焼戻しマルテンサイト組織及び体積率で１５％以下のδフェライト組織を含む２相組織からなる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフェライト系耐熱鋼に係り、特に発電効率を向上させた超々臨界圧火力プラントに好適なボイラ鋼管用高強度鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電プラントでは二酸化炭素の排出量削減等、地球規模の環境問題を背景としてプラント効率向上のために蒸気条件の高温高圧化が進められており、現在得られる最高の蒸気温度である６００℃程度の蒸気温度から、さらに究極的には６５０℃程度の蒸気温度を達成できるプラントの開発研究が種々進められている。このような蒸気温度の上昇に伴い、ボイラ高温耐圧部の伝熱管には従来使用されてきたフェライト系耐熱鋼に比較して、耐食性と高温強度の優れたオーステナイト系耐熱鋼が多く使われるようになってきた。しかし、これらオーステナイト系耐熱鋼はフェライト系耐熱鋼に比べて線膨張係数が高く、熱伝達率が小さいことから、管寄せや配管のような大径厚肉管に使用すると大きな熱応力が発生して熱疲労による損傷を受けやすいという問題があり、また材料費や加工費の上昇による経済的な問題もあった。このため高温強度が高く、耐食性も良好な新しいフェライト系耐熱鋼の開発が望まれていた。このようなフェライト系耐熱鋼の例としては、従来の９％Ｃｒ１％ＭｏＮｂＶ鋼をベースにクロム（Ｃｒ）を増加し、タングステン（Ｗ）とコバルト（Ｃｏ）等の合金元素を添加して高温強度の改善を図った特許第２５２８７６７号の発明がある。
また、本発明者らは、先に長時間クリープ破断強度の優れた高強度フェライト系耐熱鋼を発明して特許出願した（特開２００２−１８０２０８号公報）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２５２８７６７号
【０００４】
【特許文献２】
特開２００２−１８０２０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、６５０℃付近の蒸気温度となるボイラで使用することを考えた場合、フェライト系耐熱鋼は多くのＷを含有するため、長時間使用していると脆弱な金属間化合物を形成し、長時間クリープ破断強度を低下させる。そのため、前記提案された合金では、まだ不十分であり、さらに高温強度が高く、しかも高温長時間にわたって強度の安定したフェライト系耐熱鋼が必要である。
【０００６】
また、先に特許出願した本発明者の耐熱鋼は、９．０〜１３．０％Ｃｒのフェライト系耐熱鋼であるが、そのクリープ破断強度から６３０℃が使用上限温度であり、６５０℃まで使用可能なフェライト系耐熱鋼に改良することが求められている。
【０００７】
本発明の課題は、従来材に比べてさらに長時間クリープ破断強度の優れた高強度フェライト系耐熱鋼を提供することにある。
また、本発明の課題は、先に特許出願した本発明者の耐熱鋼と同等又はそれ以上の性能を発揮する高強度フェライト系耐熱鋼を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の構成により解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、重量％で、炭素（Ｃ）０．０１〜０．１０％、ケイ素（Ｓｉ）０．２０〜１．０％、マンガン（Ｍｎ）０．０５〜１．５％、ニッケル（Ｎｉ）０．０１〜０．５％、クロム（Ｃｒ）８．０〜１２．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．０５〜０．５％、タングステン（Ｗ）０．５〜３．０、バナジウム（Ｖ）０．１０〜０．３０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０１〜０．１％、コバルト（Ｃｏ）０．５〜５．０％、窒素（Ｎ）０．００５〜０．１％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０１％、銅（Ｃｕ）０．０１％以下及びアルミニウム（Ａｌ）０．００２％以下、さらにＭｏ％＋１／２Ｗ％の量を１．３以上、かつ以下の式

により計算されたＣｒ当量が１０％以下に制限された成分で、調質熱処理により得られる焼戻しマルテンサイト単相組織からなる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、重量％で、炭素（Ｃ）０．０１〜０．１０％、ケイ素（Ｓｉ）０．２０〜１．０％、マンガン（Ｍｎ）０．０５〜１．５％、ニッケル（Ｎｉ）０．０１〜０．５％、クロム（Ｃｒ）８．０〜１２．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．０５〜０．５％、タングステン（Ｗ）０．５〜３．０、バナジウム（Ｖ）０．１０〜０．３０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０１〜０．１％、コバルト（Ｃｏ）０．５〜５．０％、窒素（Ｎ）０．００５〜０．１％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０１％、銅（Ｃｕ）０．０１％以下及びアルミニウム（Ａｌ）０．００２％以下、さらにＭｏ％＋１／２Ｗ％の量を１．３以上で、Ｃｒ当量が１０％超１３％以下になるように成分が制限された焼戻しマルテンサイト組織及び体積率で１５％以下のδフェライト組織を含む２相組織からなる高Ｃｒフェライト系耐熱鋼である。
【００１０】
【作用】
以下、本発明におけるフェライト系耐熱鋼の各成分の含有率の限定理由について説明する。
Ａｌは本発明では最も重要なフェライト系耐熱鋼の添加元素であり、脱酸剤及び結晶粒微細化剤として添加される。しかし、Ａｌは強窒化物形成元素であり、余剰のＡｌはクリープ強度に有効に働く窒素を固着させることにより、フェライト系耐熱鋼の長時間クリープ強度を低下させる作用がある。また、ＡｌはＷを主体とする脆弱な金属間化合物であるラーベス相の析出を促進し、結晶粒界への析出を招いてフェライト系耐熱鋼の長時間側のクリープ破断強度を低下させる。特にＡｌの含有率が０．００２ｗｔ％を超えると６５０℃付近の高温域での１万時間以上のフェライト系耐熱鋼のクリープ強度及びクリープ破断延性を著しく低下させることが判明した。
【００１１】
したがって、Ａｌの含有率の上限を０．００２％とする。Ａｌの含有率をこのように極低レベルに抑えることは非常に困難であったが、近年真空炭素脱酸法で極低Ａｌの鋼を製造することが可能になった。
【００１２】
ＳｉはＡｌと同様に脱酸材としての効果を有し、介在物の生成を回避し、さらにボイラ材として必要な耐水蒸気酸化性を確保するために最低０．２０％は必要であるが、Ｓｉを多量に添加するとラーベス相の生成が促され、また粒界偏析等によって延性を低下させるために、上限を１．０ｗｔ％とするが、望ましい含有率は０．２５〜０．６％である。
【００１３】
Ｃｏは本発明のフェライト系耐熱鋼を特徴づける重要な添加元素である。Ｃｏはオーステナイト形成元素であって、δフェライトの生成を抑制するとともに、析出物を安定化させるので、本発明においては０．５％以上のＣｏを添加することで合金の高温強度が著しく改善される。これはＷとの相互作用によるものと考えられ、Ｗを０．５％以上含む本発明の合金において特徴的な現象である。一方、５．０％を超える過度のＣｏを添加すると、析出物の凝集粗大化を促進し、得られる鋼の延性が低下する等の悪影響が生じるので０．５〜５．０％とするが、望ましくは０．５〜３．０％の含有率とする。
【００１４】
Ｃは焼入れ性を確保し、また焼戻し過程でＭ_２３Ｃ_６型炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の添加元素とされていたが、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼においてＣを多く添加するとＭ_２３Ｃ_６型炭化物を過度に析出させてマトリックスの強度を低下させて、特に６５０℃でのクリープ破断強度を低下させることが分かった。図１に温度６５０℃で１０００時間のクリープ破断強度（内挿値）に及ぼす炭素（Ｃ）含有量の影響を調べた結果を示すが、Ｃ量を０．１０％以下にすると６５０℃でのクリープ破断強度は高くなる。このため、Ｃの含有率の上限は０．１０％とする。しかし、焼ならし熱処理においてオーステナイト相を安定化させて焼入れ性を確保するためには、０．０１％の含有量が必要であり、実用上０．０１〜０．０８％に含有率を限定する。
【００１５】
Ｍｎはδフェライトの生成を抑制し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の析出を促進する構成元素であり、最低０．０５％の含有率にする必要があるが、１．５％を超えると耐酸化性を劣化させるので、０．０５〜１．５％に含有率を限定する。
【００１６】
Ｎｉはδフェライトの生成を抑制して靭性を付与する添加元素であり、最低０．０１％必要であるが、０．５％を超えて添加すると６００℃以上のクリープ破断強度を低下させるので、０．０１〜０．５％に含有率を限定する。
【００１７】
Ｃｒは耐酸化性を付与し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の添加元素であり、最低８．５％を必要とするが、１３．０％を超えると、他の添加元素の量によっては、δフェライト相の生成量が多くなり、高温強度および靭性を低下させるので８．５〜１３．０％に含有率を限定する。
【００１８】
ＭｏはＭ_２３Ｃ_６型炭化物の微細析出を促進して凝集を妨げる作用があり、このため高温強度を長時間保持するのに有効で、最低０．０５％の添加を必要とするが、１．０ｗｔ％以上になるとδフェライトを生成しやすくするので０．０５〜１．０％に含有率を限定する。望ましい含有率は０．０５〜０．５％で、より好ましくは０．１〜０．３％である。
【００１９】
ＷはＭｏ以上にＭ_２３Ｃ_６型炭化物の凝集粗大化を抑制する作用が強く、またマトリックスを固溶強化するので高温強度の向上に有効であり、最低０．５％の添加を必要とするが、３．０％を超えるとδフェライトやラーベス相を生成しやすくなり、逆に高温強度を低下させるので、０．５〜３．０％の含有率で使用する。ＷとＭｏは複合してクリープ破断強度に影響することから、単独の含有率とともに、Ｍｏ％＋１／２Ｗ％の値を制限する。Ｍｏ％＋１／２Ｗ％の値を１．３以上にすると、クリープ破断強度の向上に有効であることから、Ｍｏ％＋１／２Ｗ％の値は１．３以上とする。
【００２０】
Ｖは、Ｖの炭窒化物を析出して高温強度を高めるのに有効であり、最低０．１ｗｔ％の添加を必要とするが、０．３％を超えると炭素を過度に固定し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の析出量を減じて逆に高温強度を低下させるので、実用上０．１〜０．３％に含有率を限定する。
【００２１】
Ｎｂは、ＮｂＣを生成して結晶粒の微細化に役立ち、また一部は焼入れの際に固溶して焼戻し過程でＮｂＣを析出し、高温強度を高める作用があり、最低０．０１％必要であるが、０．１％を超えるとＶと同様に炭素を過度に固定してＭ_２３Ｃ_６型炭化物の析出量を減少させ、高温強度の低下を招くので、０．０１〜０．１％の含有率に制限する。
【００２２】
ＮはＶの窒化物を析出させたり、また固溶した状態でＭｏやＷと共同で侵入型固溶元素と置換型固溶元素の相互作用によって高温強度を高める作用があり、最低０．００５％は必要であるが、０．１％を超えると延性を低下させるので、０．００５〜０．１％に含有率を限定する。
【００２３】
ＣｕはＣｏと同様にδフェライトの生成を抑制する作用を有するが、６００℃以上で長時間クリープ破断強度を低下させる場合があるので、含有率を０．０１％以下に制限する。
【００２４】
Ｂは粒界強化作用とＭ_２３Ｃ_６中に固溶し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の凝集粗大化を抑制する作用により高温強度を高める効果があり、最低０．００１％添加すると有効であるが、０．０１０％を超えると溶接性や鍛造性を阻害するので、０．００１〜０．０１０％に含有率を限定する。
【００２５】
本発明のフェライト系耐熱鋼は溶解、鍛造後に１０３０〜１０８０℃の温度での焼きならし及び７５０〜８００℃での焼戻しを行い、焼戻しマルテンサイト組織として使用する。靱性確保の観点からは請求項１記載の発明の耐熱鋼である焼戻しマルテンサイト組織単相とすることが望ましいが、高温用ボイラ部材として用いる際にある程度の靱性低下が許容される場合は、請求項２記載の発明の耐熱鋼であるＣｒやＳｉ等のフェライト形成元素を上記制限範囲内で多めに設定してδフェライトを析出させてもよい。この場合、靱性とクリープ破断強度の点からもδフェライトは体積率で１５％以下になるように限定する。
【００２６】
本発明はクリープ破断強度の高いフェライト系耐熱鋼を提供するものであって、本発明の鋼の使用目的に応じて種々の製造方法を採ることが可能であり、鋼管のみならず鋼板としても使用できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する。表１に示す化学組成を有する本発明になるフェライト形耐熱鋼と比較鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、各々５０ｋｇのインゴットに鋳造した。熱間鋳造によって厚さ２０ｍｍの板とした後、１０５０℃×６０分の焼きならし及び７８０℃×６０分の焼戻しを施し、クリープ破断試験を実施した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
クリープ破断試験の結果から推定した６５０℃における１０万時間クリープ破断強度を表２に示す。本発明になるフェライト系耐熱鋼（ａ鋼、ｂ鋼）はＣ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ他の合金元素含有率の最適化に加え、Ａｌの含有率を極低レベルに制限している結果、比較鋼（ｃ鋼、ｄ鋼）および既存フェライト系耐熱鋼（ｅ鋼）に比べて著しくクリープ破断強度が改善されている。
【００３０】
なお、ａ鋼については１０８０℃×６０分の焼きならし及び７８０℃×６０分の焼戻しを施し、クリープ破断試験を実施したが、その結果６５０℃１０万時間のクリープ破断強度の外挿値は１０５ＭＰａであり、焼ならし温度の上昇によって更に高いクリープ破断強度を得られる。
【００３１】
【表２】

【００３２】
以上のように、本実施の形態におけるフェライト系耐熱鋼は、厚肉大径管材のみならず小径の伝熱管材としても用いることができ、特に蒸気温度が６５０℃前後の超々臨界圧ボイラの過熱器管寄せや主蒸気管材に好適である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によるフェライト系耐熱鋼は従来のフェライト系耐熱鋼に比べて著しく高温強度を高め、かつ長時間の使用においても安定した強度を有することから、超々臨界圧ボイラの高温耐圧部に適用すれば蒸気温度を６５０℃前後に高めることが可能となって火力発電のプラント効率を向上でき、石炭焚火力発電プラントの石炭消費量低減及びＣＯ_２排出量削減に顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェライト系耐熱鋼における温度６５０℃で１０００時間のクリープ破断強度（内挿値）に及ぼす炭素（Ｃ）含有量の影響を調べた結果を示す。

Claims

重量％で、炭素（Ｃ）０．０１〜０．１０％、ケイ素（Ｓｉ）０．２０〜１．０％、マンガン（Ｍｎ）０．０５〜１．５％、ニッケル（Ｎｉ）０．０１〜０．５％、クロム（Ｃｒ）８．０〜１２．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．０５〜０．５％、タングステン（Ｗ）０．５〜３．０、バナジウム（Ｖ）０．１０〜０．３０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０１〜０．１％、コバルト（Ｃｏ）０．５〜５．０％、窒素（Ｎ）０．００５〜０．１％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０１％、銅（Ｃｕ）０．０１％以下及びアルミニウム（Ａｌ）０．００２％以下、さらにＭｏ％＋１／２Ｗ％の量を１．３以上、かつ以下の式

により計算されたＣｒ当量が１０％以下に制限された成分で、調質熱処理により得られる焼戻しマルテンサイト単相組織からなることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
重量％で、炭素（Ｃ）０．０１〜０．１０％、ケイ素（Ｓｉ）０．２０〜１．０％、マンガン（Ｍｎ）０．０５〜１．５％、ニッケル（Ｎｉ）０．０１〜０．５％、クロム（Ｃｒ）８．０〜１２．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．０５〜０．５％、タングステン（Ｗ）０．５〜３．０、バナジウム（Ｖ）０．１０〜０．３０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０１〜０．１％、コバルト（Ｃｏ）０．５〜５．０％、窒素（Ｎ）０．００５〜０．１％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０１％、銅（Ｃｕ）０．０１％以下及びアルミニウム（Ａｌ）０．００２％以下、さらにＭｏ％＋１／２Ｗ％の量を１．３以上で、Ｃｒ当量が１０％超１３％以下になるように成分が制限された焼戻しマルテンサイト組織及び体積率で１５％以下のδフェライト組織を含む２相組織からなることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。