JP2005076062A - 高温ボルト材 - Google Patents

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Abstract

【課題】５００℃以上の高温域においても使用することができる、耐応力緩和特性に優れたフェライト鋼高温ボルト材とその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃｒを８重量％以上含有し、焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト鋼であって、５００℃を超える高温域において使用可能である高温ボルト材を、１０００℃以上での焼入れ、または焼ならし、そして７３０℃以上での焼戻しの熱処理により製造する。
【選択図】図２

Description

この出願の発明は、高温での耐応力緩和特性に優れたフェライト系高温ボルト材に関するものであり、耐応力緩和特性を向上させるための熱処理方法とそれにより製作されたフェライト系高温ボルト材に関するものである。
火力発電用蒸気タービンプラントに用いられるボルト材としては、主に低温域（５００℃以下）で使用される１２Ｃｒ鋼や高温域で使用されるＮｉ基超合金がある。低温域用の１２Ｃｒ鋼は応力緩和が大きくなるため、５００℃以上の温度での使用は困難であり、５００℃を超える高温ではＮｉ基超合金が用いられている。
しかし、タービンケーシングはフェライト鋼で製作されるため、ケーシングとボルトの熱膨脹率が異なり、設計が複雑かつ困難である。高温で使用可能なフェライト系高温ボルト材を実用化することができれば、熱膨脹率の違いを考慮する必要が無くなり、蒸気タービンの設計を容易にするとともに、構造を簡素化することが可能となる。
また、Ｎｉ基超合金の場合にはどうしても高価となり、その製造、加工は必ずしも容易ではない。このため、５００℃以上の高温域でも使用可能な鋼材の実現が望まれている。
実際、フェライト鋼の価格はＮｉ基超合金の１０分の１以下である。しかも、たとえばフェライト鋼を高温ボルト材に採用することができれば、前記のようにタービンの設計が容易になり、構造も簡素化する。発電のエネルギー効率向上の観点から、蒸気温度は年々上昇する傾向にあり、高温で使用可能なボルト材の需要は高い。したがって、高温で使用可能フェライト系高温ボルト材の必要性は極高く、その経済的効果も多大である。
そこで、この出願の発明者らは、従来の１２Ｃｒ鋼のボルト材について詳細に検討を行ってきた。そして従来技術については以下のことが把握される。
１２Ｃｒ系高温ボルト材の規格（非特許文献１および２）では、焼戻し熱処理の条件として、最低温度（５９３℃あるいは６２０℃）のみが規定されている。しかし、耐力等の強度特性を維持する観点から、焼戻し熱処理は一般に７００℃以下の温度（非特許文献３）で行われている。
これに対して、火力発電ボイラー用材料は、長時間の組織安定性を考慮して、ボルト材よりも高い、７３０℃以上で焼戻し熱処理が行われる。７３０℃以上の高温で焼戻しを行うと、数十時間程度の短時間での応力緩和が大きく、従来の１２Ｃｒ高温ボルト材よりも残留応力は小さい。しかし、組織安定性が高いため、数百時間を超える長時間では応力緩和の程度が減少し、従来の１２Ｃｒ高温ボルト材よりも高い残留応力を長時間安定に示す。
また、Ｎｉ基超合金について改良の検討が加えられており、たとえばＣｒ１８〜２１％，Ｔｉ１．３〜１．８％、Ａｌ０．７〜１．３％を含有するＮｉ基超合金からなる高温ボルト材も提案されている（特許文献１）。しかし、このものは超合金であって、より安価に高温特性に優れた鋼を実現するものではない。
ASTMA 193/A 193M-98a,Grade B6,B6X ASTMA 437/A 437M-99,Grade B4B,B4C H.Schaff,Performance of Bolting Materials in High Temperature Plant Applications,p.410. 特許第３２８１６８５号公報
この出願の発明は、以上のような背景を踏まえてなされたものであって、５００℃以上の高温域においても使用することができる、耐応力緩和特性に優れたフエライト鋼高温ボルト材とその製造方法を提供することを課題としている。
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、Ｃｒを８重量％以上含有し、焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト鋼であって、５００℃を超える高温域において使用可能であることを特徴とする高温ボルト材を提供し、第２には、上記の高温ボルト材の製造方法であって、Ｃｒを８重量％以上含有する鋼材を１０００℃以上の温度にて焼入れ、または焼ならしを行い、次いで７３０℃以上の温度において焼戻しを行うことを特徴とする高温ボルト材の製造方法を提供する。
以上のとおりこの出願の発明の高温ボルト材は、５００℃を超える高温域においても使用可能をボルト材であるとの意味から「高温ボルト材」と称されているものである。
この出願の発明によって、従来の技術からは予見、予期することのできないボルト材として、５００℃以上の高温域においても使用することができる。耐応力緩和特性に優れたフェライト鋼高温ボルト材とその製造方法が提供される。
現状のフェライト系高温ボルト材は、高温での耐応力緩和特性ガ低く、５００℃以上の高温では使用できないため、５００℃以上の高温では、高温強度の高いＮｉ基超合金が使用されているが、タービンケーシングはフェライト鋼で製作されるため、ケーシングとボルトの熱膨脹率が異なり、設計が複雑かつ困難である。そこで、この出願の発明によって、高温で使用可能なフェライト系高温ボルト材を実用化することにより、熱膨脹率の違いを考慮する必要が無くなり、蒸気タービンの設計を容易にするとともに、構造を簡素化することが可能となる。
しかも、フェライト鋼であることによって、従来の高温ボルト材であるＮｉ基超合金の１／１０以下のコストとしてこの出願の発明の高温ボルト材が提供される。
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施形態について説明する。
この出願の発明の高温ボルト材は、化学組成において８重量％以上のＣｒ（クロム）を含有し、その組織として、焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト鋼である。このもののより好適な化学組成については、たとえば以下のような各成分の含有割合が考慮される。
Ｃ：炭化物あるいは炭窒化物を形成し、強度向上のために０．０４重量％以上の添加が有効であるが、０．２重量％を超えての添加は、長時間域での強度を低下させる。
Ｓｉ：耐酸化性の確保に重要な元素であって、０．０１重量％以上であることが望まし
いが、０．９％を超えると靱性を低下させ、クリープ破断強度を低下させることになる。
Ｍｎ：脱酸剤として機能する元素であって、０．３〜１．５重量％とするのが好ましい
。
Ｃｒ：耐酸化性の確保のため、８．０重量％以上の添加が必要であるが、１３．５重量％を超えての添加は、デルタフェライト相を生成させ、強度を低下させる。
Ｍｏ：固溶強化のため、添加は有効であるが、２．０重量％を超えての添加は脆化を促進する。
Ｗ：固溶強化のため、添加は有効であるが、４．０重量％を超えての添加は脆化を促進する。
Ｖ：炭窒化物を形成し、強度向上のために０．０２重量％以上の添加が有効であるが、未固溶析出物が増加するため、０．３５重量％を超えての添加は、強度向上に有効ではない。
Ｎｂ：炭窒化物を形成し、強度向上のために０．０１重量％以上の添加が有効であるが、未固溶析出物が増加するため、０．２重量％を超えての添加は、強度向上に有効ではない。
Ｃｏ：デルタフェライト相の生成を抑制するため、高強度確保に有効であるが、長時間強度を低下させるため、４．０重量％を超えての添加は有効ではない。
Ｎｉ：デルタフェライト相の生成を抑制するため、高強度確保に有効であるが、フェライトとオーステナイトの変態温度を下げるため、３．０重量％を超えての添加は有効ではない。
Ａｌ：脱酸剤として重要な元素であって、０．０１％以下で含有させることが望ましい。
Ｎ：窒化物あるいは炭窒化物を形成し、強度向上のために０．００２重量％以上の添加が有効であるが、０．１５重量％を超えての添加は製造上困難である。
Ｂ：析出物を微細化させ、高温での安定性を向上させるため、０．０２重量％程度までの添加は、強度向上に有効である。
そして、この出願の発明の前記の製造方法においては、次のことが留意される。
すなわち、焼入れ、あるいは焼ならしの温度は１０００℃以上とし、焼戻しは７３０℃以上の温度とする。焼入れ、あるいは焼ならしにおいては、オーステナイト単相とし、Ｖ，Ｎｂ等の合金添加元素を母相中に固溶させるために、１０００℃以上の温度に保持する必要がある。
また、焼戻しでは、焼戻しマルテンサイト組織の高温安定性を高めるためには、７３０℃以上の温度での焼戻し熱処理が必要である。なお、従来のフェライト系高温ボルト材の一般的な焼戻し温度は７００℃以下（前記非特許文献３）であり、組織の高温安定性を重視する火力発電ボイラー用の高Ｃｒフェライト耐熱鋼の一般的な焼戻し温度は７３０℃以上と規定されている（発電用火力設備規格、日本機械学会、（２００２）．）。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
表１に示す化学組成を有する供試材を作成した。供試材について、表２に示す条件の熱処理を行った。比較材の焼戻し温度は６４０℃であるのに対して、本発明鋼の焼戻し温度は８００℃であり、比較材よりも高温で焼戻し熱処理を行っていることが本発明高温ボルト材の特長である。図１は本発明鋼の組織を示した顕微鏡写真である。マルテンサイト相の粒径は約５０μｍである。
供試材の６５０℃におる応力緩和挙動を図２に示した。試験開始直後は、本発明鋼の残留応力は比較材に比べて小さい。しかし、保持時間が約１００時間を超えると、本発明鋼では残留応力の低下の程度が減少し、約４０ＭＰａのほぼ一定値を示す。これに対して比較材では、試験開始直後から数十時間までは、本発明鋼よりも高い残留応力を示すが、保持時間が１００時間を超えても残留応力は大きく低下する。そのため、保持時間が１００時間以上の長時間域では、比較材よりも本発明鋼の方が残留応力は高く、本発明鋼の方が耐応力緩和特性に優れていることがわかる。このように、１００時間以上の長時間域において耐応力緩和特性に優れていることが、本発明鋼の高温ボルト材の大きな特徴である。
この出願の発明の高温ボルト材によって、安価で、しかも高温特性に優れたフェライト系ボルト材が提供される。
実際、フェライト鋼の価格はＮｉ基超合金の１０分の１以下である。しかも、たとえばフェライト鋼を高温ボルト材に採用することで、タービンの設計が容易になり、構造も簡素化する。発電のエネルギー効率向上の観点から、蒸気温度は年々上昇する傾向にあり、高温で使用可能なボルト材の需要は高い。したがって、高温で使用可能なフェライト系高温ボルト材の必要性は極高く、その経済的効果も多大である。
本発明鋼の組織を例示した顕微鏡写真である。 発明の高温ボルト材と比較材との応力緩和特性を例示した図である。

Claims (2)

  1. Ｃｒを８重量％以上含有し、焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト鋼であって、５００℃を超える高温域において使用可能であることを特徴とする高温ボルト材。
  2. 請求項１の高温ボルト材の製造方法であって、Ｃｒを８重量％以上含有する鋼材を１０００℃以上の温度にて焼入れ、または焼ならしを行い、次いで７３０℃以上の温度において焼戻しを行うことを特徴とする高温ボルト材の製造方法。
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