JP2015206078A

JP2015206078A - フェライト系耐熱鋼管

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Publication number: JP2015206078A
Application number: JP2014087275A
Authority: JP
Inventors: 平田　弘征; Hiromasa Hirata; 弘征平田; 佳奈浄徳; Kana Jotoku; 吉澤　満; Mitsuru Yoshizawa; 満吉澤; 敏秀小野; Toshihide Ono; 崇中島; Takashi Nakajima; 健史三木; Takeshi Miki
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: JP6354281B2

Abstract

【課題】予熱および後熱なしで鋼管の外表面に被溶接物を溶接する場合でも、低温割れを防止するとともに、優れたクリープ強度を有するフェライト系耐熱鋼管を提供する。【解決手段】フェライト系耐熱鋼管は、質量％で、Ｃ:０．００５〜０．０８％、Ｓｉ:１％以下、Ｍｎ:２％以下、Ｐ:０．０４％以下、Ｓ:０．０２％以下、Ｃｒ:１〜１３％、Ｍｏおよび／またはＷ：０．５〜４％、Ｂ:０．００２〜０．０４％、Ａｌ:０．０５％以下、Ｎ:０．０８％以下、Ｏ:０．０１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、かつ、鋼管の外表面の最大粗さが５０μｍ以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、フェライト系耐熱鋼管に関し、より詳しくは、発電用ボイラの火炉壁管などに用いられるフェライト系耐熱鋼管に関する。

近年、環境負荷軽減の観点から、発電用ボイラ等では運転条件の高温化および高圧化が世界的規模で進められている。蒸気の高温化および高圧化により、蒸気を輸送する鋼管、例えば、過熱器管および再過熱器管のような伝熱管ならびに主蒸気管などの温度が稼動時に上昇する。このような過酷な環境において、長期間使用される材料は、高温強度および高温耐食性のみならず、長期にわたる金属組織の安定性および良好なクリープ特性が要求される。

この背景のもと、過熱器管および再過熱器管のような、伝熱管ならびに主蒸気管などに使用するために強度を高めた様々な耐熱鋼が提案されている。

特許文献１および特許文献２には、フェライト系耐熱鋼に関して、Ｗ、ＭｏならびにＴａを適正添加するとともに、希土類元素を含有させることにより、クリープ強度および耐水蒸気酸化特性の両立を図ったフェライト系耐熱鋼が開示されている。

特許文献３には、Ｎｂ、Ｖを添加するとともに、Ｔｉ、Ｎを最適化することにより、クリープ強度と靭性に優れるフェライト系耐熱鋼が開示されている。

特許文献４には、Ｃ量を低減するとともに、存在する炭化物の寸法と密度を規定し、溶接部のクリープ強度をも確保するフェライト系耐熱鋼が開示されている。

特許文献５には、フェライト系耐熱鋼中にＢ：０．００１〜０．０１５質量％を含有させることにより、クリープ強度に優れた溶接継手が得られることが開示されている。

特許文献６には、ＣとＢ量を最適化することにより、溶接部のクリープ強度と耐液化割れ性を両立するフェライト系耐熱鋼が開示されている。

特許文献７には、予熱および後熱を省略しても低温割れを生じないフェライト系耐熱鋼用溶接材料が開示されている。

：特開平０８−０８５８４９号公報：特開平０８−０８５８５０号公報：特開平０４−２６８０４０号公報：特開２００２−３３２５４７号公報：特開２００４−３０７９１０号公報：国際公開２００８／１４９７０３号公報：特開２００２−００１５７９号公報

ところで、ボイラの燃焼部は、一般的に火炉壁とよばれる管をフィンと呼ばれる板にすみ肉溶接して作製したパネルから構成されている。火炉壁に使用される、いわゆる火炉壁管は、従来から炭素鋼や１．２５％Ｃｒ−０．５％Ｍｏ鋼が広く用いられている。しかしながら、蒸気の高温化および高圧化により、火炉壁管においても、より優れた高温強度および高温耐食性が求められるようになっている。そのため、上述のようなクリープ強度を高めたフェライト系耐熱鋼が使用される動きがある。

しかしながら、火炉壁管は、すみ肉溶接により大型のパネルとするため、溶接時に予熱および後熱を実施することは、コスト面から工業的に現実的ではない。また、多数の吊り下げ金具などを管表面にすみ肉溶接する場合にも、コストを考慮して、予熱および後熱の実施を省略することが望まれる。

ここで、クリープ強度を高めたフェライト系耐熱鋼を予熱、後熱を実施することなく溶接した場合、低温割れが問題となる。

例えば、特許文献７のように、ＴＩＧ溶接の適用を前提とした突き合わせ溶接では、予熱および後熱を省略しても、低温割れを防止できる場合がある。しかしながら、例えば、火炉壁管にすみ肉溶接を行う場合はサブマージアーク溶接やＭＡＧ溶接が適用され、金具を溶接する場合は被覆アーク溶接が適用される。さらに、鋼管の外表面にすみ肉溶接される。このため、火炉壁管にすみ肉溶接を行う場合は、突き合わせ溶接に比べて、複雑かつ高い拘束条件となる。その結果、火炉壁管にすみ肉溶接を行う場合、安定して低温割れを回避することが難しいという問題がある。

本発明は、予熱および後熱なしで鋼管の外表面に被溶接物を溶接する場合でも、低温割れを防止するとともに、優れたクリープ強度を有するフェライト系耐熱鋼管を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によるフェライト系耐熱鋼管は、質量％で、Ｃ:０．００５〜０．０８％、Ｓｉ:１％以下、Ｍｎ:２％以下、Ｐ:０．０４％以下、Ｓ:０．０２％以下、Ｃｒ:１〜１３％、Ｍｏおよび／またはＷ：０．５〜４％、Ｂ:０．００２〜０．０４％、Ａｌ:０．０５％以下、Ｎ:０．０８％以下、Ｏ:０．０１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、かつ、鋼管の外表面の最大粗さが５０μｍ以下である。

本発明によれば、予熱および後熱なしで鋼管の外表面に被溶接物を溶接する場合でも、低温割れを防止するとともに、優れたクリープ強度を有するフェライト系耐熱鋼管を提供することができる。

以下、本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管を説明する。ここで、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

本発明者らは、まず、フェライト系耐熱鋼管と板のすみ肉溶接性を予熱および後熱なしで評価し、溶接中の割れ発生挙動について詳細な調査を行った。その結果、下記（１）〜（３）を確認した。（１）溶接熱影響部に発生した割れは、溶融境界に近い部分で粗大化し、かつ、硬化した領域に発生した。（２）割れは、サブマージアーク溶接によるすみ肉溶接時に顕著に発生した。破面は、擬へき破面を呈していた。この現象から、発生した割れは、拡散性水素に起因した低温割れであると判断される。サブマージアーク溶接を適用した際に割れが顕著となる理由は、溶接時に大気やフラックスの水分が溶接金属に混入し、溶接熱影響部へ拡散する拡散性水素量が多くなるためであると推察される。（３）さらに、割れは溶接部の止端部の形状に影響し、その角度が大きいほど割れが発生しやすい傾向になった。

本発明者らは、この割れを防止するため、種々の検討を行った。すなわち、上記（１）については、溶接熱影響部の硬化をできる限り抑制する。上記（２）については、溶接時に混入する水素量を極力低減する。上記（３）については、止端部の形状をできる限り滑らかにし、低温割れが発生する熱影響部への応力集中を小さくする。

上記（１）については、クリープ強度を阻害しない範囲で、フェライト系耐熱鋼管中のＣ含有量を可能な限り低減させる。より具体的には、本発明のＣｒ、ＭｏおよびＷ含有範囲において、Ｃ含有量を０．００５〜０．０８％の範囲にすることが有効であることを見出した。

上記（２）については、ＴＩＧ溶接の適用により混入する拡散性水素量を低減することは可能である。しかしながら、火炉壁管のすみ肉溶接に多用されるサブマージアーク溶接では、拡散性水素量を低減させることが難しい。そこで、合金元素の最適化による拡散性水素量の低減について検討した結果、Ｂを積極的に添加することによって、割れに有害な水素量を低減し、低温割れ感受性を低減することが可能であることを見出した。より具体的には、Ｂ含有量を０．００２％〜０．０４％の範囲にすることが有効であることを見出した。

ここで、Ｂ添加により低温割れ感受性が低くなった理由は、以下の通りである。すなわち、溶接熱影響部の低温割れは溶接時に大気やフラックスの水分が分解して溶接金属に混入し、トラップサイトである転位に吸収される。このうち、低温で移動できる拡散性水素が溶接熱影響部の応力集中部に拡散、集積し、脆化を招いて割れが生じると考えられる。Ｂは格子欠陥に偏析しやすい元素である。このため、Ｂは、格子欠陥の一つである転位に集積し、拡散性水素の供給サイトを減少させる効果を有する。その結果、間接的に拡散性水素量が減少し、低温割れ感受性が低くなったと考えられる。

上記（３）については、鋼管の外表面が粗い場合、溶融金属のなじみが悪く、止端角が大きくなることを明らかにし、鋼管の表面性状を管理することで止端部の形状を滑らかにでき、低温割れ感受性の低減が可能であることを見出した。より具体的には、鋼管の外表面の最大粗さＲｚを５０μm以下とすることが有効であることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づいて完成されたものである。

本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管の化学組成は、次の元素を含有する。

（Ａ）鋼管の化学組成
［Ｃ:０．００５〜０．０８％］
Ｃは、焼入れ性を高め、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を安定して得るのに有効な元素である。また、Ｃは、炭化物を形成し、高温でのクリープ強度の確保に寄与する。このため、Ｃは必須の元素である。本発明の実施形態によるＣｒおよびＢの含有範囲において、高温でのクリープ強度を得るため、Ｃ含有量の下限は０．００５％とする。しかしながら、Ｃ含有量が０．０８％を超えると、溶接熱影響部の著しい硬化を招き、多量のＢを含有させ、かつ、鋼管の外表面の粗さを管理しても予熱および後熱なしで低温割れを防止することが困難になる。そのため、Ｃ含有量の上限は０．０８％とする。Ｃ含有量の好ましい下限は、０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０７％であり、さらに好ましくは０．０６％である。

［Ｓｉ：１％以下］
Ｓｉは、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性、耐酸化性に有効な元素である。しかしながら、過剰に含有するとクリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量は１％以下である。Ｓｉ含有量は０．８％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．６％以下である。なお、Ｓｉの含有量については、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ｓｉ含有量の極端な低減は、脱酸効果を十分に得られず、合金の清浄度が大きくなり、清浄性が劣化するとともに、高温での耐食性および耐酸化性が向上する効果も得られなくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．１％以上である。

［Ｍｎ：２％以下］
Ｍｎは、Ｓｉと同様、脱酸剤として添加されるが、焼入れ性を高め、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を安定して得る効果も有する。しかしながら、過剰にＭｎを含有する場合、クリープ脆化および靭性の低下を招く。そのため、Ｍｎ含有量は２％以下である。Ｍｎ含有量は１．８％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは１．６％以下である。なお、Ｍｎの含有量についても、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ｍｎ含有量の極端な低減は、脱酸効果を十分に得られず、合金の清浄性を劣化させるとともに、焼き入れ性を高める効果も得られなくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．１％以上である。

［Ｐ:０．０４％以下］
Ｐは、不純物として含まれるが、Ｓとともにクリープ延性を低下させる元素である。そのため、Ｐ含有量は０．０４％以下である。Ｐ含有量は０．０３５％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０３％以下である。Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００２％以上である．
［Ｓ：０．０２％以下］
Ｓは、Ｐと同様、不純物として含まれ、クリープ延性を低下させる。そのため、Ｓ含有量は０．０２％以下である。Ｓ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００５％以下である。Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０００２％以上である。

［Ｃｒ:１〜１３％］
Ｃｒは、耐熱鋼において耐酸化性および耐高温腐食性を確保するとともに、マトリックスのマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を安定して得るために必須の元素である。その効果を得るため、本発明の実施形態によるＣおよびＢの含有範囲において、Ｃｒ含有量の下限は１％とする。しかしながら、Ｃｒの過剰の含有は、多量のＣｒ炭化物の生成により、炭化物の安定性を低下させ、クリープ強度の低下を招くとともに、靭性も劣化する。そのため、Ｃｒ含有量の上限を１３％とする。Ｃｒ含有量の好ましい下限は２％であり、さらに好ましくは２．５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１２％であり、さらに好ましくは９．５％である。

［Ｍｏおよび／またはＷ：０．５〜４％］
ＭｏおよびＷは、マトリックスを固溶強化し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を得るため、ＭｏおよびＷの含有量の下限を０．５％とする。しかしながら、ＭｏおよびＷの含有量が４％を超えると、粗大な金属間化合物や炭化物を生成し、靭性の低下を招く。そのため、ＭｏおよびＷの含有量の上限を４％とする。ＭｏおよびＷの含有量の好ましい下限は、０．８％であり、さらに好ましくは１％である。ＭｏおよびＷの含有量の好ましい上限は３．５％であり、さらに好ましくは３％である。ここで、Ｍｏのみを含有する場合、Ｍｏの含有量は０．５〜４％である。Ｍｏの含有量の好ましい下限は、０．８％であり、さらに好ましくは１％である。Ｍｏの含有量の好ましい上限は３．５％であり、さらに好ましくは３％である。また、Ｗのみを含有する場合、Ｗの含有量は０．５〜４％である。Ｗの含有量の好ましい下限は、０．８％であり、さらに好ましくは１％である。Ｗの含有量の好ましい上限は３．５％であり、さらに好ましくは３％である。

［Ｂ:０．００２〜０．０４％］
Ｂは、低温割れ感受性を低減させる効果を得るために重要な元素の一つである。Ｂは、格子欠陥に偏析しやすい元素である。Ｂは、格子欠陥の一つである転位に集積し、拡散性水素の供給サイトとしての転位を減少させる効果を有する。その結果、Ｂは、間接的に拡散性水素量を減少させ、低温割れ感受性を低減させる。さらに、Ｂは、微量の添加により、鋼の焼入れ性を高め、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を安定化し、高温強度に寄与する。本発明の実施形態によるＣおよびＣｒの含有範囲において、これらの効果を得るため、Ｂ含有量の下限を０．００２％とする。しかしながら、Ｂを多量に含有した場合、溶接熱影響部において、粒界に偏析し、液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂ含有量の上限を０．０４％とする。Ｂ含有量の好ましい下限は、０．００４％であり、さらに好ましくは０．００８％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０３％である。

［Ａｌ:０．０５％以下］
Ａｌは、脱酸剤として添加されるが、過剰に含有するとクリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．０５％以下である。Ａｌ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０４％以下である。なお、Ａｌの含有量については、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ａｌ含有量の極端な低減は、脱酸効果を十分に得られず、合金の清浄性を劣化させるとともに、製造コストの上昇を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。Ａｌの脱酸効果を安定させて、合金に良好な清浄性を確保させるために、Ａｌ含有量を０．００１％以上とするのがより好ましい。

［Ｎ:０．０８％以下］
Ｎは、ＶやＮｂ、Ｔｉと結合して微細な窒化物を形成し、クリープ強度の確保に有効な元素である。しかしながら、Ｎの過剰の含有はマトリックスの脆化を招くとともに、粗大な窒化物の析出を招き、靭性を低下させる。そのため、Ｎ含有量は０．０８％以下である。Ｎ含有量は０．０６％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０４％以下である。なお、Ｎの含有量については、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ｎの極端な低減は微細窒化物の形成によるクリープ強度向上の効果が得難くなるとともに、製造コストも大きく上昇する。そのため、Ｎ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００１％以上である。

［Ｏ:０．０１％以下］
Ｏ（酸素）は、不純物として合金中に含まれ、その含有量が過剰になると熱間加工性が低下し、さらに靱性および延性の劣化を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０１％以下である。Ｏ含有量は０．００８％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００５％以下である。なお、Ｏの含有量については、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ｏの極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０００８％以上である。

本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管は、上述の各元素を含み、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する。なお、不純物とは、フェライト系耐熱合金部材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップまたは製造環境などから混入するものを指す。

本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記の第１群〜第３群から選択される１種以上の元素を含有してもよい。

第１群Ｃｏ：７％以下、Ｎｉ：３％以下
第２群Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｔａ：０．１％以下
第３群Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下、ＲＥＭ：０．１％以下

［Ｃｏ:７％以下］
Ｃｏは、焼入れ性を高め、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を得るのに有効な元素である。したがって、Ｃｏを含有させても良い。しかしながら、Ｃｏ含有量が７％を越えると、クリープ延性の低下を招くとともに、Ｃｏは高価な元素であるため、大幅なコスト上昇を招く。そのため、Ｃｏ含有量は７％以下とする。また、Ｃｏ含有量は６％以下であるのが好ましい。一方、Ｃｏの効果を安定して得るため、Ｃｏ含有量は０．５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは１％以上である。

［Ｎｉ:３％以下］
Ｎｉは、Ｃｏと同様、焼入れ性を高め、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織を得るのに有効な元素である。したがって、Ｎｉを含有させても良い。しかしながら、Ｎｉ含有量が３％を越えると、クリープ延性の低下を招くとともに、Ｎｉは高価な元素であるため、コスト上昇を招く。そのため、Ｎｉ含有量は３％以下とする。また、Ｎｉ含有量は２％以下であるのが好ましい。一方、Ｎｉの効果を安定して得るため、Ｎｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．５％以上である。

［Ｖ:０．５％以下］
Ｖは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｖを含有させても良い。しかしながら、Ｖの含有量が過剰になると炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は０．５％以下とする。また、Ｖ含有量は０．４％以下であるのが好ましい。一方、Ｖの効果を安定して得るため、Ｖ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．１％以上である。

［Ｎｂ:０．１％以下］
Ｎｂは、Ｖと同様、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｎｂを含有させても良い。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｎｂ含有量は０．１％以下とする。また、Ｎｂ含有量は０．０８％以下であるのが好ましい。一方、Ｎｂの効果を安定して得るため、Ｎｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０３％以上である。

［Ｔｉ:０．１％以下］
Ｔｉは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。さらに、Ｔｉは、高温まで安定な微細窒化物を形成し、ピン止め効果により、溶接熱影響部での結晶粒の粗大化を抑制し、間接的に低温割れを防止する。したがって、Ｔｉを含有させても良い。しかしながら、Ｔｉの含有量が過剰になると、ＶやＮｂと同様、炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｔｉ含有量は０．１％以下とする。また、Ｔｉ含有量は０．０８％以下であるのが好ましい。一方、Ｎｂの効果を安定して得るため、Ｎｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０２％以上である。

［Ｔａ:０．１％以下］
Ｔａは、微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。したがって、Ｔａを含有させても良い。しかしながら、Ｔａの含有量が過剰になると、炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靱性の低下を招く。そのため、Ｔａ含有量は０．１％以下とする。また、Ｔａ含有量は０．０８％以下であるのが好ましい。一方、Ｔａの効果を安定して得るため、Ｔａ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．０２％以上である。

［Ｃａ:０．０５％以下］
Ｃａは、鋼の熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｃａの過剰の含有は酸素と結合し、清浄を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｃａ含有量は０．０５％以下とする。また、Ｃａ含有量は０．０３％以下であるのが好ましい。一方、Ｃａを添加する場合、Ｃａ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００１％以上である。

［Ｍｇ:０．０５％以下］
Ｍｇは、Ｃａと同様、鋼の熱間加工性を改善するため、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Ｍｇの過剰の含有は、酸素と結合し、清浄を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、Ｍｇ含有量は０．０５％以下とする。また、Ｍｇ含有量は０．０３％以下であるのが好ましい。一方、Ｍｇを添加する場合、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、さらに好ましくは０．００１％以上である。

［ＲＥＭ:０．１％以下］
希土類元素（ＲＥＭ：ＲａｒｅＥａｒｔｈＭｅｔａｌ）は、Ｓとの親和力が強く、熱間加工性の向上に有効である。このため、ＲＥＭを必要に応じて含有しても良い。しかし、ＲＥＭを過剰に含有すると、酸素と結合し、清浄を著しく低下させ、却って熱間加工性を劣化させる。そのため、ＲＥＭ含有量は０．１％以下とする。また、ＲＥＭ含有量は０．０５％以下であるのが好ましい。一方、ＲＥＭを添加する場合、ＲＥＭ含有量は０．００２％以上であり、好ましくは０．００５％以上である。ここで、ＲＥＭとは、Ｓｃ、Ｙ、および、ランタノイド（周期律表中の原子番号５７番のＬａ〜７１番のＬｕ）の合計１７元素の総称である。ＲＥＭの含有量は、ＲＥＭのうちの１種または２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては、一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。

（Ｂ）鋼管の外表面の粗さ
本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管において、その外表面の最大粗さＲｚは５０μｍ以下である。より具体的には、本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管は、その鋼管の外表面に形成される凹凸に起因する最大粗さＲｚが５０μｍ以下を満たす。このため、本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管は、予熱および後熱なしで鋼管の外表面に被溶接物を溶接する場合でも、低温割れを防止するとともに、優れたクリープ強度を有する。なお、最大粗さＲｚは、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に規定される最大高さであり、接触式または非接触式の表面粗さ測定装置により測定した値である。

鋼管の外表面の最大粗さＲｚが５０μｍを超える場合、溶融金属のなじみが悪くなり、溶接ビードの止端部の角度が大きくなり、溶接熱影響部への応力集中が大きくなる。そのため、鋼管の化学組成が前述の（Ａ）を満足しても、予熱および後熱なしで低温割れを防止できない。鋼管の外表面の最大粗さＲｚは、好ましくは４０μｍ以下であり、さらに好ましくは３０μｍ以下である。すなわち、鋼管の外表面の最大粗さＲｚは、小さければ小さいほど好ましい。

［製造方法］
上述のフェライト系耐熱鋼管の製造方法の一例を説明する。本発明の実施形態による製造方法は、鋼管を準備する工程（準備工程）と、鋼管の外表面の表面粗さを調整する工程（表面粗さの調整工程）と、を備える。以下、各工程について説明する。

［準備工程］
上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は、連続鋳造法（ラウンドＣＣを含む）により製造された鋳片であってもよい。また、造塊法により製造されたインゴットを熱間加工して製造された鋼片でもよい。鋳片から製造された鋼片でもよい。

準備された素材を加熱炉又は均熱炉に装入し、加熱する。続いて、加熱した素材を熱間加工してフェライト系耐熱鋼材を製造する。フェライト系耐熱鋼管を製造する場合、たとえば、熱間加工としてマンネスマン法を実施する。具体的には、素材を穿孔機により穿孔圧延して素管にする。

続いて、マンドレルミルやサイジングミルにより、素管をさらに圧延する。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。必要に応じて、熱間加工された素管に対して軟化熱処理を行った後、冷間加工してもよい。冷間加工はたとえば、冷間圧延や、冷間引抜等である。なお、フェライト系耐熱鋼管の製造方法は、上述の方法に限るものではない。

［表面粗さの調整工程］
上述の準備工程により得られたフェライト系耐熱鋼管の外表面に対して、表面粗さの調整を行う。より具体的には、鋼管の外表面の最大粗さが５０μｍ以下となるように、鋼管の外表面の表面粗さを調整する。表面粗さの調整は、上述の準備工程における熱間加工や冷間加工における加工度を調整することにより行われる。または、上述の準備工程により得られた鋼管の外表面に対して、ショットブラスト、ショットピーニング、切削などの機械加工を施すことによっても、表面粗さを調整することができる。このようにして得られた鋼管であれば、予熱なしで鋼管の外表面にすみ肉溶接を行っても、低温割れの発生を抑制することができる。なお、表面粗さの調整方法は、上述の方法に限るものではない。

以上より、本発明の実施形態によるフェライト系耐熱鋼管が製造される。

なお、フェライト系耐熱鋼管の外表面に行うすみ肉溶接は、鋼管の全長もしくはその一部であっても良い。すみ肉溶接は、消耗電極式アーク溶接方法により行われるのが好ましい。消耗電極式アーク溶接方法により、鋼管の外表面にすみ肉溶接部が形成される。

鋼管の外表面に溶接する際の溶接材料は、オーステナイト系ステンレス溶接材料またはＮｉ基溶接材料を用いるのが好ましい。より具体的には、Ｃｒを１５〜３０％、Ｎｉを６〜７５％含有するオーステナイト系ステンレス溶接材料またはＮｉ基溶接材料であるのが好ましい。

すみ肉溶接により鋼管の外表面に溶接される被溶接物は、必要な機能に応じて選定すればよい。例えば、被溶接物は、炭素鋼、フェライト系耐熱鋼ならびにオーステナイト系耐熱鋼などからなるものが好ましい。

［その他の実施形態］
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

表１に示す化学組成を有する外径４５ｍｍ、肉厚１０ｍｍのフェライト系耐熱鋼管を用いて、拘束溶接割れ試験およびクリープ破断試験を行った。

表１に示す鋼管番号Ａ〜Ｊの外表面に機械加工を行い、鋼管の外表面の粗さを変化させ、得られた鋼管の外表面の最大粗さＲｚを接触式粗さ計により測定した。その後、これらの鋼管を２００ｍｍ長さに切断し、同じ長さに切断した厚さ６ｍｍ、幅１５ｍｍの炭素鋼製フィンバーを用いて、火炉壁管のすみ肉溶接を模擬した拘束溶接試験体を作製し、鋼管とフィンバーとの接合部分にすみ肉溶接を４箇所行った。溶接は、市販の溶接ワイヤ（ＪＩＳＺ３３５１−２０１２ＹＳ−Ｍ４相当）およびフラックス（ＪＩＳＺ３３５２−２０１０ＳＦＣＳ１相当）を使用し、予熱および後熱なしで、入熱８ｋＪ／ｃｍにて実施した。

［拘束溶接割れ試験］
得られた溶接継手を溶接後４８時間放置した後、溶接部から横断面を５断面現出し、鏡面研磨、腐食した後、光学顕微鏡により検鏡した。計２０箇所の溶接部断面につき、溶接熱影響部における低温割れの発生有無を調査した。その結果、割れがなかったサンプルを「合格」とした。

［クリープ破断試験］
また、鋼管から丸棒クリープ破断試験片を採取し、火炉壁管として使用するために少なくとも必要とされている２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の５５０℃における目標破断時間が約１０００時間となる１５７ＭＰａの条件でクリープ破断試験を行った。その結果、１０００時間を超えたサンプルを「合格」とした。

拘束溶接割れ試験およびクリープ破断試験の結果を表２に示す。試料番号Ａ−１、Ｂ−１〜Ｂ−４、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｅ−１〜Ｅ−４、Ｆ−１およびＧ−１は本発明の実施例のサンプルであり、試料番号Ｂ−５、Ｅ−５、Ｈ−１、Ｉ−１、およびＪ−１は比較例のサンプルである。なお、表２における「クリープ破断試験」欄の「−」は、溶接試験で低温割れが発生したため、評価を行わなかったことを示す。

試料番号Ａ−１、Ｂ−１〜Ｂ−４、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｅ−１〜Ｅ−４、Ｆ−１およびＧ−１は、本発明の化学組成を満たす鋼管番号Ａ〜Ｇを使用し、かつ、鋼管の外表面の粗さＲｚが５０μｍ以下であった。このため、試料番号Ａ−１、Ｂ−１〜Ｂ−４、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｅ−１〜Ｅ−４、Ｆ−１およびＧ−１では、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生しなかった。さらに、試料番号Ａ−１、Ｂ−１〜Ｂ−４、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｅ−１〜Ｅ−４、Ｆ−１およびＧ−１は、必要なクリープ強度を満たした。

一方、試料番号Ｂ−５は、本発明の化学組成を満たす鋼管番号Ｂからなるサンプルである。しかしながら、試料番号Ｂ−５は、鋼管の外表面の最大粗さＲｚが５０μｍを超えていた。このため、試料番号Ｂ−５では、鋼管の外表面に対する溶融金属のなじみが悪く、溶接ビードの止端角が大きくなった。その結果、試料番号Ｂ−５では、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生した。

同様に、試料番号Ｅ−５は、本発明の化学組成を満たす鋼管番号Ｅからなるサンプルである。しかしながら、試料番号Ｅ−５は、鋼管の外表面の最大粗さＲｚが５０μｍを超えていた。このため、試料番号Ｅ−５では、鋼管の外表面に対する溶融金属のなじみが悪く、溶接ビードの止端角が大きくなった。その結果、試料番号Ｅ−５についても、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生した。

試料番号Ｈ−１は、本発明のＢ含有量の下限である０．００２％を下回るＢ含有量を有する鋼管番号Ｈからなるサンプルである。このため、試料番号Ｈ−１は、Ｂ添加による拡散性水素量の低減効果を十分に得ることができなかったと推測される。その結果、試料番号Ｈ−１では、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生した。

試料番号Ｉ−１は、本発明のＣ含有量の上限である０．０８％を上回るＣ含有量を有する鋼管番号Ｉからなるサンプルである。このため、試料番号Ｉ−１は、溶接熱影響部の硬化が顕著に見られた。その結果、試料番号Ｉ−１では、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生した。

試料番号Ｊ−１は、本発明のＣ含有量の下限である０．００５％を下回るＣ含有量を有する鋼管番号Ｊからなるサンプルである。このため、試料番号Ｊ−１では、拘束溶接割れ試験において、低温割れが発生しなかったが、必要なクリープ強度を満たさなかった。

以上のように、本発明の化学組成を満たす鋼管番号Ａ〜Ｇを使用し、かつ、鋼管の外表面の粗さＲｚが５０μｍ以下であるフェライト系耐熱鋼管は、その外表面を予熱および後熱なしで溶接する場合でも、十分な耐低温割れ性を有するとともに、必要なクリープ強度も満たすことがわかった。

本発明は、発電用ボイラの火炉壁管などに用いられるフェライト系耐熱鋼管として産業上の利用が可能である。

Claims

フェライト系耐熱鋼管であって、
質量％で、Ｃ:０．００５〜０．０８％、Ｓｉ:１％以下、Ｍｎ:２％以下、Ｐ:０．０４％以下、Ｓ:０．０２％以下、Ｃｒ:１〜１３％、Ｍｏおよび／またはＷ：０．５〜４％、Ｂ:０．００２〜０．０４％、Ａｌ:０．０５％以下、Ｎ:０．０８％以下、Ｏ:０．０１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、かつ、前記鋼管の外表面の最大粗さが５０μｍ以下である、フェライト系耐熱鋼管。
請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼管であって、
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、下記の第１群〜第３群から選択される１種以上の元素を含有する、フェライト系耐熱鋼管。
第１群Ｃｏ：７％以下、Ｎｉ：３％以下
第２群Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｔａ：０．１％以下
第３群Ｃａ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下、ＲＥＭ：０．１％以下
請求項１または２に記載のフェライト系耐熱鋼管であって、
消耗電極式アーク溶接により前記鋼管の外表面に形成されたすみ肉溶接部を有する、フェライト系耐熱鋼管。