JP2016130339A - 高強度フェライト系耐熱鋼構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、現状、例えば、火力発電の効率は40〜50%で停滞しており、今後、二酸化炭素の排出増加を抑制するために、さらなる発電の高効率化が求められている。
クリーム特性を向上させた耐熱鋼としてこれまでに、600℃を使用温度の上限として、9%Crフェライト系耐熱鋼の研究開発が行われ、原子力保安院の定める火力発電設備の技術解釈では火STBA28や火STBA29などの高温用フェライト系耐熱鋼が開発され、実用化されている。これらフェライト系耐熱鋼は熱膨張率が低く、熱応力起因のクリープ疲労破壊や配管部材の変形に対する耐久性が有り、しかも溶接性施工性において、一般の鉄鋼材料と変わらない点が特徴である。また、これらフェライト系耐熱鋼の合金含有量は、より高温で使用されるオーステナイト系耐熱鋼と比較して少なく、その分経済性にも優れている点は工業的な観点から魅力的である。
これらのことから近年では、クリープ破断強度が高いフェライト系耐熱鋼の開発に対する期待が高まっており、オーステナイト系耐熱鋼を代替するフェライト系耐熱鋼の開発が進められている。
例えば先述の火STBA/STPA28や火STBA29/火STPA29等の9%Cr高強度フェライト系耐熱鋼の許容応力が規格に規定されているが、その許容応力は母材のクリープ特性と高温強度でほぼ決まっている。
図1に、溶接継手のHAZを含む各部位と、組織構成をこの分類に従って示す。図1に示すように、溶接金属1と母材5との間にHAZが形成され、このHAZは、溶接金属1側より順に、粗粒域HAZ2、細粒域HAZ3、二相域HAZ4の順で構成される。
最近では、この現象が従来材料(既に規格に登録されて許容応力が決定している材料)で生じることが必然である事が経験的に判明している。そのことから、溶接継手まで含めて安全に運用するための「溶接継ぎ手クリープ強度低減係数」と言われる、クリープ強度の安全係数が提案される状況にまでなっている。
溶接前における細粒HAZとなる領域は、元々母材と同じ組織を有しているフェライト系耐熱鋼であるが、この領域は溶接によって、変態点直上の温度に数秒間曝されるHAZの熱サイクルを受ける。また溶接による熱によって、母相そのものはα→γ変態を生じ、α相とγ相のCの固溶限度の差から、元々粗大に析出していた炭化物(フェライト系耐熱鋼では主にM23C6型炭化物)以外の炭化物はγ相に瞬時に再固溶する。しかし、特に細粒HAZにおいては、粗大に析出していた炭化物の数十パーセントは、縮小はするものの未固溶のまま残存する事がType IV損傷の最大の原因であると考えられている。
通常、溶接後の継手には、溶接後熱処理(応力除去焼鈍、SR処理とも称される)が施される。その熱処理温度が焼戻し温度と数十度しか違わない高温である場合には、前述の未固溶のまま残留した炭化物は固溶した炭素とともに、炭化物形成元素の新たな析出核となり、結果として熱サイクルにより粗大化すると同時に、微細炭化物の析出機会を減少させる。つまり、溶接前に析出していた粗大炭化物が未固溶のまま残存することは、いわゆる炭化物による「析出強化能」を喪失してしまうことによるものであることを、本発明者らは研究の結果知見した。
さらに、クリープ強度と結晶粒径の関係は、粒界のみが変形できるオーステナイト系耐熱鋼では逆比例することが実験的にも知られているが、組織が均一に変形できるフェライト系耐熱鋼では相関が無いことが知られている。したがって「細粒域」を生成しない溶接熱影響部の創出、または「細粒域」が生じがたいフェライト系耐熱鋼を仮に提示できたとしても、炭化物のHAZ熱サイクルによる粗大化が防止できなければ、Type IV損傷を完全に防止することは困難であるとの結論に至った。
当該技術は、溶接前の短時間焼準し処理によって残留γをマルテンサイトラスまたはベイナイト粒界に残存させて、溶接時の再加熱においてこれらの成長および合体を促し、溶接の前の母材において高温で生成していた旧γ粒を再現する「組織メモリー効果」を活用した技術である。
この技術では、細粒域の生成防止は完全に達成されるとともに、短時間焼準し処理によって前記炭化物を完全固溶してしまうことから、確かにType IV損傷を完全防止できる技術ではある。しかし、溶接前の開先を含む部材(ほとんどの場合長さ10m超の鋼管)全体に高温の熱処理を施すための炉が必要となるため、現地での施工が困難である。さらに、鋼管全体を加熱することによって製品である鋼管の変形が生じるリスク、さらには再加熱のための時間、工程負荷が大きいことが課題となり、現地施工に関しては現実的な解決策になっていない。
しかしながら、特許文献5及び6に記載の技術は、100ppmを超える高濃度のBを添加することで生じる剪断型α→γ変態式のメモリー効果を発揮させる技術で知られている。また、特許文献5及び6に記載の技術は、母材の旧γ粒を高温で再現する点は前記した特許文献1〜4に記載の技術と同一であり、細粒域を生じさせない技術であることから、Type IV損傷を生じないと考えられてきた。
前記母材の組成が、質量%で
C:0.01〜0.12、
Si:0.02〜0.45、
Mn:0.20〜0.60、
Cr:8.0〜12.0、
W:2.00〜7.50、
Nb:0.02〜0.10、
Ta:0.10〜1.00、
V:0.10〜0.50、
N:0.003〜0.015、
B:0.008〜0.050、
Co:0.50〜3.00、
Nd:0.005〜0.05
を含有し、
Mo≦0.030、
Ni≦0.10、
Cu<0.05、
Al≦0.005、
P≦0.020、
S≦0.010、
O≦0.010
に制限し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
溶接前熱処理の施行幅または長さが、前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下であり、
前記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6系炭化物(MはCr,Fe,Wを合計して、70%以上)およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下、前記大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なく溶接後熱処理後のHAZにおいて150nm以下で、前記M23C6系炭化物および前記TaCによる前記大角粒界の被覆率が40%以上であることを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
[2] さらに、前記母材の組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.15%、
Zr:0.005〜0.15%
の内、1種または2種を含有することを特徴とする上記[1]に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
[3] さらに、母材の組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.0050%、
Mg:0.0003〜0.0050%、
Y :0.0100〜0.0500%、
Ce:0.0100〜0.0500%、
La:0.0100〜0.0500%
の内、1種または2種以上を含有することを特徴とする上記[1]または[2]に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。
上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の組成の鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とし、
次いで、該鋼板を開先加工して、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以下の部位、かつ前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下である部位を1000℃以上、1100℃以下の温度で、下記の式(1)で決定される板厚対応熱処理時間Ts以上、かつ30分以上となるように局部加熱して保持し、放冷し、
次いで、前記開先を溶接した後、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以内の部位を、720℃以上760℃以下の温度帯に加熱して、該温度に1時間以上保持した後、放冷することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法。
Ts=30×(t/25)1.2 +26 ・・・・・・・・・・・・・(1)
ただし、tは母材の板厚(mm)、Tsは溶接前の開先の加熱設定温度(1000℃〜1100℃)における加熱時間の総和(分)である。なお、tは5mm以上とする。
なお、本発明のフェライト系耐熱鋼構造体とは、母材、溶接熱影響部、溶接金属から構成されるものであって、その形状は特に限定せず、管状や板状であって構わない。また、構造体の形状が管状である場合は長さが200mm以上のもの、板状である場合は、長さもしくは幅が200mm以上であるものに好適である。
まず実験室で、300kgの鋼材容量を有する高周波誘導加熱式真空溶解炉にて表1に示した化学成分(mass%)の鋼材を溶解して鋳造し、300kg重量の鋼塊とした。その後、この鋼塊を大気雰囲気の電気炉で1220℃に再加熱して後60分間炉中で保持し、その後熱間圧延実験装置で30mm厚みの鋼板試験片に熱間圧延した。熱間圧延は900℃以上の温度で終了して、その後放冷した。得られた鋼板試験片はその後、770℃で2時間焼戻し、この段階でラスマルテンサイト構造を有すること、M23C6型炭化物とTaを主体とする炭化物(TaC)が析出していることを、光学顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電解抽出残渣定量分析法にて確認した。析出物の種類は透過電子顕微鏡に付属したEDX分析装置(エネルギー分散型X線分析)、および電解抽出残渣のX線回折による反射ピークのパターン解析で実施した。
ここで、「M23C6型炭化物」におけるMは、Cr,Fe,Wを合計して70%以上であるものである。
「粒界被覆率」は、図2に示すように、大角粒界7上の析出物長さの総和(図2では、L1〜L9までの総和、)を大角粒界長さの総和(La+Lb)で除した値で有り、完全に被覆されている場合は100%となり、全く被覆していない場合を0%と判断するパラメータである。
「粒界被覆率」は、まず1万倍の電子顕微鏡観察により、大角粒界上に析出した粒子を、エネルギー分散型X線分光分析(EDX)または同じく1万倍の薄膜透過型電子顕微鏡解析における透過電子線回折パターン解析によってM23C6型炭化物またはTaCと判断出来る析出物を特定する。そして、その粒子が大角粒界を被覆する長さを測定し、当該測定を、少なくとも1試料あたり5視野、1合金あたり5個以上の試験片を採取して行い、合計25試料以上のその場観察、または電子顕微鏡写真の解析によって求めることができる。
本発明においては、炭化物の部分固溶による炭化物の粗大化を防止する目的で、溶接前に、溶接継手の溶接熱影響部となる部位(HAZ部相当部位)に析出している炭化物を、溶接直前に実施する、Type IV損傷防止のための熱処理で完全に再固溶しておき、炭化物の固溶、析出反応自体を抑制する。
これを目的とした溶接前の熱処理は、開先を1000〜1100℃の温度に、板厚中心が30分以上、目的とする温度となるように保持することである。保持時間は板厚との関数になるが、溶接部はかならずしも平坦な板どうしの接合になるとは限らないので、これを定式化することは難しい。よって、事前に同一形状の鋼板(化学組成は本発明の範囲である必要はない)においてその板厚中心部相当部位に熱電対を埋め込み、部材全体を加熱して、同部位が30分以上、目的とする温度となるような加熱装置の温度パターンを決定しておけば良い。
なお、以降ではこの溶接直前に実施する、Type IV損傷防止のための熱処理を「溶接前熱処理」ともいう。
なお、1000℃以下の温度帯ではM23C6型炭化物およびTaCが観察されるものの未固溶炭化物ではなく、高温まで分解固溶しない、熱力学的に安定な炭化物(平衡析出炭化物)であると考えられる。すなわち、今回の実験により、必要な時間に満たない熱処理では、母鋼板で焼戻し処理時に析出していたM23C6型炭化物およびTaCを、実質的には完全に再固溶できない事が分かった。
なお、溶接前熱処理における保持時間の延長については制限が無く、対象とする鋼材の板厚に応じて適宜決定して良いが、開先の高温酸化によるダメージ回避の観点から、実質的には最長5時間が限度である。
したがって、Bを0.008%以上添加した本発明範囲内の耐熱鋼では細粒組織も生じないことから、HAZにおいて母材と同等の組織構造を有する上に炭化物の熱サイクルによる粗大化を回避した析出状態が得られることになる。
前記溶接前熱処理は、本発明においては溶接開先の近傍部分にのみ付与することが重要である。図6に、溶接継手の溶接前突き合わせ状況と各部名称、および溶接前後の熱処理付与範囲を説明するための継手の概略斜視図を示す。
具体的には、溶接前熱処理は、図6に示したように溶接開先面12から片側20mm〜100mm以内の部位のみに付与する。
なお、溶接前熱処理を施すと残留γが生成する。当該残留γは、部材の変形や割れを誘引することから、その生成量が少なければ少ないほどよい。この観点から、溶接前熱処理の施工範囲は、構造体の長さまたは幅の50%以下の範囲内に留めることとする。
なお、図6中の符号14は、溶接前熱処理を付与すべき最低幅を示し、符号15は、当該熱処理を付与すべき最高幅を示す。
次に、本発明に係る高強度フェライト系耐熱鋼構造体の金属組織ならびに溶接後熱処理について説明する。
本発明の溶接後熱処理とは、開先を溶接した後に開先面から母材に向かって、20mm以上100mm以内、かつ構造体の長さまたは幅の50%以下の部位を720℃以上760℃以下に加熱して、該温度に1時間以上保持する処理である。
本発明者らは、溶接継手のクリープ破断強度を向上させるために、溶接熱影響部におけるM23C6型炭化物ならびにTaCの析出形態を検討した。その結果、M23C6型炭化物およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下であり、M23C6型炭化物およびTaCによる大角粒界の被覆率が40%以上であり、かつ大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なく溶接後熱処理後のHAZにおいて150nm以下とする必要である事を見いだした。
なお、本発明における「大角粒界」とは、隣接する結晶方位が<110>共通回転軸まわりで比較して、相対的に15°以上となる結晶の境界または粒界のことを示す。
図7のグラフに示す通り、溶接後熱処理温度(PWHT温度)が760℃超であると、溶接継手のクリープ破断強度が低下し、特に溶接金属破断(図中●)が頻発することが解る(PWHT温度が高すぎる例)。
図8から明らかなように、PWHT温度が760℃を超えると、M23C6型炭化物とTaCを合わせた平均粒径は300nmを超えて粗大化し、クリープ破断強度が低下してType IV損傷が発生することがわかる。なお、変態点以下での熱処理では、結晶組織、特に大角粒の大きさはほとんど変化しないことから、同時に粒界上の析出物による被覆率にも影響がある。
図9から明らかなように、M23C6型炭化物とTaCの種別を問わず、その平均粒径が300nm以下の場合に粒子表面間距離は150nm以下となる事がわかる。すなわち、溶接後熱処理温度が760℃以下の場合には、M23C6型炭化物とTaCを合わせた平均粒径は300nm以下となり、前記大角粒界上の粒子表面間距離は150nm以下となる事がわかる。しかしながら、平均粒径が300nmを超える場合は、粒子表面間距離は150nmを超え、このとき長時間におけるクリープ変形の際の溶接継手の粒界析出物による強化が期待出来なくなり、Type IV損傷が発生する。
図10には溶接継手の熱影響部における前記大角粒界上に析出した析出物(M23C6型炭化物とTaC)による粒界被覆率とPWHT温度の関係を示すグラフである。なお、PWHT温度での保持時間は図10に示すグラフでは1時間とした。
図10から明らかなように、PWHT温度が720℃未満の場合は、明らかに粒界被覆率が40%未満となる事がわかる。この場合、必然的にType IV損傷が継手に発生する。一方で、PWHT温度が760℃以上では、M23C6型炭化物とTaCの粗大化が加速されることによりかえって粒界被覆率は低下し、40%未満となり、Type IV損傷がが発生することもわかる。
TP≧(t/25+1)×60分、・・・・・・・・・・・・・(c)
にて概略決定される。
本発明もおおよそこの式に従うことが可能である。しかし、あまりに長時間の熱処理は施工コストの増大を招くことから、最長168時間(1週間)とすることが好ましい。
まず、溶接後熱処理を施した後の試験片の断面組織を走査型電子顕微鏡で観察し、次いで、フェライト組織を構成する粒界構造をより詳細にEBSP(電子線後方散乱回折パターン解析装置)にて観察した。その中で、隣接する結晶方位差が15°以上で、なおかつ隣接結晶方位間の<110>共通回転軸回りの角度が、マルテンサイト変態時に選択される、ブロック粒界特有の回折角、すなわち54°と60°、および16°のものを画像処理して「ブロック粒界(大角粒界)」と決定し、その大角粒界上に析出する、M23C6型炭化物およびTaCの結晶構造と同じ電子線回折パターンを有する析出物のみを特定した。そして、それら析出物の10000倍の電子顕微鏡写真を元に、断面上の粒子の直径を写真上で決定した。
10000倍の画像写真は一つの継手の熱影響部で5視野以上を観察し、その粒子全てについて析出物の断面積を測定し、これが全て円であると仮定して、面積から逆算して円相当直径とした。
「局部加熱」がクリープ強度において有利である理由を以下に詳述する。
このような大型部材ではどうしても製鋼一貫工程で製造した鋼材における材質不均一は完全には払拭できない。電炉製鋼法後に鍛造工程を適用する場合ではさらに顕著で、例えば、本発明で添加するWやV等の元素は、その濃度が高濃度となる偏析部分が存在する。
つまり、このような偏析部分を有する部材を全体加熱して残留γを生成した後に、溶接した継手での細粒域生成を防止し、かつM23C6型炭化物およびTaCの粗大化を防止できたとしても、その後のPWHTもまた、溶接後の部材全体に実施しなければ、溶接熱影響を受けていない母材は、母材中のB濃度が高いために、溶接後熱処理程度の低温短時間熱処理では残留γを完全に分解できず、残留γを残したままの組織となってしまうからである。
すなわち、「溶接部材の全体加熱」の場合は、溶接後熱処理も全体加熱となり、母材に残留γが残存する事を回避しようとすれば、極めて限定された高い焼戻し温度とPWHT温度を選択する必要がある。しかしながら、実際のPWHT施工装置の加熱能力は、温度の精度が±20℃であるのが実態であり、厳格な温度管理には必ずしも対応していない。
このことから、部材全体に対し溶接前熱処理を行う場合、現地施工性までを考慮すると、母材の残留γの存在可能性を完全には否定できない。すなわち残留γが少なからず存在するまま、このような鋼材を高温機器(例えばボイラ等)に適用すると、残留γ起因の変形や割れが生じるおそれがある。
一方、溶接線が管軸に対して平行な場合は発電用ボイラの配管等で見られるが、これは大直径の鋼管となり、350〜700mmの直径があるとすると周長さは1100〜2200mmと大きく、このうち片側100mm、最大で200mmの部位に熱膨張がおきたとしても、前述したように他の部位(例えば母材等)での膨張応力緩和が容易である。また、溶接前熱処理幅を実際の溶接熱影響部幅を考慮して狭くする場合は、さらに影響を減ずることが可能となる。
しかしながら、片側100mmを超えた広い領域を局部加熱しようとすると、本発明が想定している高周波誘導加熱やバンドヒーター等の簡易熱処理では多くの電力が必要となってコスト的に問題があること、また広い範囲を再加熱するがために、加熱プロセスの時間が長くなること等の点で不利である。さらに、実部材の大きさが200mm程度である場合、例えば直径200mmの鋼管を加熱するのであれば結局全体加熱と同意の溶接後熱処理を実施する事になる。その結果、本発明の簡便性が失われると共に、残留γが溶接熱影響部外で生じた場合には、使用中の変態進行による以上膨張もしくは変形や熱応力起因の破壊が懸念される事態となる。
すなちわ、溶接前熱処理を1000〜1100℃で実施した場合、その隣接部位は1000℃以下の温度帯に再加熱される。このような場合では、炭化物の不完全固溶が生じる可能性も考えられる。しかし、炭化物の不完全固溶は、溶接熱影響のような僅か数秒間だけ加熱されるような場合、つまり炭化物の分解再固溶に必要な時間が十分に与えられない場合にのみ生じるのであって、相変態さえ生じれば、本発明のように十分な分解固溶の時間が与えられるときは、γ相の炭素の固溶限がα相に比較して遙かに大きいことから、炭化物の分解固溶は完了することとなり、不完全固溶炭化物は生じないのである。したがって、本発明に係る溶接前熱処理は、中間温度域における炭化物の粗大化の懸念が無いことが特徴である。
「溶接前熱処理の施行幅または長さ」よりも「溶接後熱処理の施行幅または長さ」が小さい場合、得られた構造体には、M23C6型炭化物が析出していない領域が存在することになる。そのため、M23C6型炭化物が析出していない領域が存在する場合は、当該領域が、溶接前熱処理が施されたか否かの境界と判断できる。
一方、溶接前熱処理を施していない部位に溶接後熱処理を施しても、M23C6型炭化物による粒界被覆率を40%以上まで向上させることができない。したがって、「溶接前熱処理の施行幅または長さ」よりも「溶接後熱処理の施行幅または長さ」が大きい場合は、溶接前熱処理が施された否かの境界は、M23C6型炭化物による粒界被覆率が40%以上であるか否かで判断できる。
なお、M23C6型炭化物の有無やM23C6型炭化物による粒界被覆率は、上記のように、電子顕微鏡観察または薄膜透過型電子顕微鏡解析における透過電子線回折パターン解析によって確認できる。
Cは、炭化物を生成し、焼入れ性を高める元素である。本発明では、クリープ破断強度を向上させるために、C量を0.01%以上とする。析出強化能を高めるには、0.05%以上のCを添加することが好ましい。一方、C量が多すぎると、析出物が粗大になり、粒界の占有率が低下するため、C量を0.12%以下とする。また、C量が過剰であると、粒界に生成した炭化物が粗大化し、クリープ破断強度を低下させることがあるため、C量を0.10%以下にすることが好ましい。
Nは、窒化物を形成する元素であり、VNを析出させて初期のクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を享受するために、Nを0.003%以上を含有させる。また、耐火物等から混入するAlがNと結合し、VN生成のためのN量を十分に確保できない場合がある。このような場合を考慮すると、N量は0.005%以上が好ましい。しかし、N量が0.015%を超えると、BNが析出する場合があるため、上限を0.015%とする。また、Nは、中性子の照射により放射化して鋼を脆化させる元素であることから、耐熱鋼を原子力発電のプラント等に使用する際には、N量を0.010%以下にすることが好ましい。
Bは、固溶状態(粒界に偏析した状態を含む)では鋼材の焼入れ性を高めて、転位密度の高いマルテンサイト組織、下部ベイナイト組織を生成させる元素である。本発明では、Bは、炭化物、金属間化合物に固溶して熱的な安定性を高め、これら析出物の粗大化を遅延させるか、あるいは硼化物として析出し、析出強化能を高める極めて重要な元素である。クリープ破断強度の向上にはBを0.008%以上添加する必要があり、0.012%以上の添加が好ましい。一方、Bを過剰に添加すると、溶接性が劣化することから、B量は0.050%以下とすることが必要である。溶接入熱を大きくする必要がある場合は、B量を0.017%以下にすることが好ましい。より好ましいB量は0.015%以下である。
Vは、Nと結合して窒化物を生成する元素であり、粒内にNbCに整合して複合析出する。本発明では、クリープ破断強度を高めるために、0.10%以上のVを添加する。析出強化の効果を高めるには、0.15%以上のVの添加が好ましく、0.17%以上のVの添加がより好ましい。一方、0.50%を超えるVを添加すると、粗大なVCが析出して靱性に影響するため、V量を0.50%以下とする。靱性を高めるためには、V量を0.40%以下にすることが好ましく、より好ましいV量は0.35%以下である。
Siは脱酸元素であり、0.02%以上を添加する。脱酸の効果を高めるためには、0.10%以上のSiを添加することが好ましい。また、Siは、耐酸化性の向上にも有効であり、0.20%以上を添加することがより好ましい。一方、0.45%を超えるSiを添加すると、Siを含む酸化物が脆性破壊の起点となって靭性を損なうことがある。また、過剰なSiの添加は、固溶しているWのサイトに置換してFe2Wの析出を促進し、クリープ破断強度が低下する場合があるため、Si量は0.45%以下とする。靭性を高めるには、Si量は0.40%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましい。
Mnは脱酸剤であり、本発明では0.20%以上を添加する。脱酸が不十分であると靱性が低下するため、0.35%以上のMnを添加することが好ましい。一方、Mnは、オーステナイト生成元素であり、転位の易動度を上げて局部的に組織回復を加速させるため、過剰に添加するとクリープ特性が劣化する。本発明では、クリープ強度を確保するために、Mnを0.60%以下とする。クリープ破断強度を更に高めるには、Mn量を0.55%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.50%未満とする。
Crは、鋼材の焼入れ性を高め、炭化物として鋼材を析出強化させる重要な元素である。650℃以上の高温で高いクリープ破断強度を得るには、Crを主体としたM23C6型炭化物の量を確保し、粗大化を促進させ、かつ、過剰な粗大化を抑制することが必要であり、本発明では、8.0%以上を添加する。耐水蒸気酸化特性を考慮すると、8.5%以上のCrを添加することが好ましい。一方、Crを過剰に添加すると、650℃の温度ではM23C6型炭化物の粗大化が加速し、クリープ特性が劣化するため、Cr量を12.0%以下とする。Cr量を10.5%以下とすることが好ましく、より好ましいは9.20%以下である。
Wは、Feとの金属間化合物を形成し、クリープ特性の向上に寄与する元素である。2.00%以上のWを添加すると、長期間の使用中に金属間化合物が析出し、クリープ破断強度に大きく寄与する。また、粒界への析出密度を向上させるために2.5%以上のWの添加が好ましく、2.7%以上のWの添加がより好ましい。一方、Wを過剰に添加すると、Fe2W型金属間化合物(Laves相)の粗大化が速くなるため、W量を7.50%以下とする。Laves相の粗大化を抑制するには、W量を7.0%以下にすることが好ましく、6.5%以下がより好ましい。
Nbは炭化物を生成する元素であり、粒内に析出してクリープ破断強度の向上に寄与する。NbC型炭化物がVNと複合析出すれば、転位の動きを効果的に抑制することができるので、比較的短時間のクリープ強度を維持するためにはNb量を0.02%以上とする。また、NbCによる粒内析出強化能を向上させるには0.03%以上のNbの添加が好ましく、0.04%以上のNbの添加がより好ましい。一方、0.10%を超えてNbを添加すると粗大なNbCとして析出し、靱性を損なうことから、Nb量を0.10%以下とする。NbCを微細に析出させるには、Nb量を0.08%以下にすることが好ましく、0.07%以下がより好ましい。
TaはNbと同様に炭化物を生成する元素である。TaCは、NbCよりは熱力学的に不安定である事から、あまり高温では析出せず、主にフェライト域、すなわち変態点以下の温度で析出する。このため、Taの体拡散律速支配による析出が主体となり、析出位置はNbCとは異なり、粒界と粒内の双方になる。このうち、粒界に析出するTaCはM23C6型炭化物と同様に、Laves相と共に不連続析出して粒界被覆率を高める効果を有する。すなわち、本発明の中核となる添加元素である。従来の溶接継ぎ手における施工手順を取る限りにおいてはTaCの粒界析出によって、本発明範囲内の鋼はType IV損傷に対する抵抗は従来鋼よりも改善されているが、完全にこれを抑制できるほどには安定な析出物では無く、長時間のクリープ試験で他の炭化物同様粗大化する。
Taを炭化物として析出強化に活用するためには0.10%の添加が必要で有り、好ましくは0.15%を添加する。また、粒界析出強化を最大限に活用する長時間クリープ破断強度を、靱性等の特性を別の技術で向上させてでも発揮させたい場合には0.20%以上の添加が好ましい。
なお、Taの大量添加は熱間加工性の著しい低下を来す。これは粒界でのTaCの粗大析出が原因で有り、これを回避する目的から最大添加量を1.00%とする。材料の高温強度が比較的小さい場合は熱間加工時に加工割れを生じる可能性が有ることから、C添加量が低めの場合は、Ta量は0.70%以下が好ましく、さらに好ましくは0.50%以下である。
Coは、オーステナイト安定化元素であり、焼入れ性を向上させ、靱性を高める元素である。Coは変態点を変化させない唯一の元素であり、本発明者らは転位の易動度を低下させるというCoの効果も知見した。本発明では、クリープ破断強度を高め、フェライト相(δフェライト)の生成を抑制するために、0.50%以上のCoを添加する。Co量は、これら効果を高めるために、0.7%以上が好ましく、より好ましくは1.0%以上を添加する。一方、Coは、σ相の析出を促すことから、Co量を3.0%以下とする。Co量は2.5%以下が好ましく、より好ましくは2.3%以下である。また、原子力発電プラントなど、中性子が照射される環境では、Coが放射化するとともに、中性子照射脆化により靱性が損なわれることがあるため、このような場合は、Co量を1.50%以下にすることが好ましい。
NdはMnと結合して、例えば鋼中介在物として靱性に極めて有害な影響を及ぼすMnSの生成を防止する事の出来る元素である。また、粒界に集積しやすく、Sの粒界偏析を緩和して、粒界割れや再熱脆化の防止にも有効となる元素でもある。本発明では、Ndが粒界に集積すると共に、本発明が目的とする粒界被覆率の向上に際して、M23C6型炭化物の析出、Fe2W型Laves相の析出の際に不純物によってCrやFeが例えば硫化物や燐化物の形で消費されない、という効果を有する。この効果は粒界析出するTaについても同様に作用する。すなわち、Ndも本発明の効果を高める上で重要な元素である。
このような粒界の不純物偏析緩和効果は、Ndを0.005%以上添加することで発現する。粒界偏析しやすい元素であるSおよびPの濃度が比較的高い場合には、0.010%以上添加することが好ましい。更に好ましくは0.015%以上を添加する。
なお、Ndを高濃度で添加すると、NdSを形成して、かえって粒界脆化を助長する場合があるとこから、その添加上限を0.05%とする。また、NdOの生成によって靱性が低下するような高酸素濃度の場合には、0.045%以下の添加が好ましい。
Moは、Fe2Wや炭化物M23C6に一部固溶し、また同時にMo2C、Mo6C型の炭化物を生成させ、析出物の粗大化を促進し、長期のクリープ特性に悪影響を及ぼすため、含有量を0.05%以下に制限する。Moを主体とする硼化物は粗大化しやすく、クリープ破断強度を低下させるので、Mo量を0.03%以下と制限することが好ましい。また、Moは、中性子照射により放射化して鋼を脆化させる元素であることから、原子力発電プラント等に使用する際には、Mo量を0.01%以下に制限することがより好ましい。
Niは、靭性の向上や、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、転位の易動度を高め、クリープ破断強度を著しく低下させることから、本発明ではその含有量を制限する。本発明では、長時間のクリープ破断強度の低下を抑制するため、Ni量を0.10%以下に制限する。クリープ特性を高めるには、Niの含有量は、0.05%以下に制限することがより好ましく、更に好ましくは0.03%以下に制限する。
Cuは、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、本発明のように焼準し−焼戻しにて製造する場合は、鋼中にε−Cu(金属Cu)として単独で析出する。熱間加工時に1100℃以上に加熱されると、鉄が選択的に酸化され、Cuが粒界に集まった場合には局部的な低融点金属集積帯が形成され、粒界剥離割れを誘引する(赤熱脆性)ことがある。このように、本発明では、Cuは、オーステナイトの安定化への寄与が小さく、熱間加工性が低下することから、Cu量を0.05%未満に制限する。製造性を高めるには、Cuの含有量は、0.03%以下に制限することがより好ましく、更に好ましくは0.01%以下に制限する。
Alは、本発明ではNと結合し、VNによる析出強化を阻害し、粒内強化の効果を低下させるため、その含有量を0.005%以下と制限する。微量のAlによってクリープ破断強度が低下するため、Al量は、0.003%以下に制限することが好ましく、0.002%以下に制限することがより好ましい。
Pは、粒界に偏析し、粒界破壊を助長して靱性を低下させるため、含有量を0.020%未満に制限する。
Sは、Mnと結合し、粗大なMnSの形成による靱性の低下を防止するため、含有量を0.010%未満に制限する。
Oは、脆性破壊の起点となる酸化物のクラスターを形成し、靭性を低下させるため、含有量を0.010%未満に制限する。
Tiは、Bに比べてNとの親和力が極めて強い元素である。TiNの形成によってBNの析出を抑制し、炭化物の粗大化を抑制するBの効果を高めるために、Tiを0.005%以上添加することが好ましい。より好ましくは、Ti量を0.010%以上とする。一方、Tiを過剰に添加すると、粗大なTiCが析出し、靭性が低下することがあるため、添加量を0.15%以下とすることが好ましい。より好ましいTi量は0.10%以下であり、更に好ましい上限は0.08%以下である。
Zrは、Tiよりも更にNとの親和力が強く、Bの効果を高めるために、0.005%以上を添加することが好ましい。より好ましくは0.015%のZrを添加する。一方、Zrを過剰に添加すると、粗大な酸化物が生じて、靭性を損なうことがあるため、添加量を0.15%以下にすることが好ましい。靱性の安定という観点からは、より好ましいZr量は0.10%以下であり、更に好ましいZr量は0.08%以下である。
Y、Ce、La:0.0100〜0.0500%
Ca、Mg、Y、Ce、Laは、硫化物の形態制御に用いられる元素であり、MnSによる熱間加工性や靭性の低下を抑制するために、1種又は2種以上を添加することが好ましい。特に、板厚中心部において圧延方向に延伸したMnSの生成を防止するため、それぞれ、CaとMgは0.0003%以上、Y,Ce,Laは0.010%以上添加することが好ましい。一方、Ca、Mg、Y、Ce、Laは、強力な脱酸元素でもあり、過剰に添加すると酸化物のクラスターが生成し、靱性を低下させることがあるため、それぞれ、Ca,Mgについては0.0050%以下、Y,Ce,Laについては0.0500%以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ca,Mgは0.0040%以下、Y,Ce,Laは0.0300%以下であり、Y,Ce,Laは、更に好ましくは0.0200%以下とする。
具体的には、上述した化学組成を有する鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とする。その後は、上述したような条件にて、溶接前熱処理および溶接、そして溶接後熱処理を施すことで、本発明の構造体を製造できる。
従来、Taを添加することで熱間加工性が低下するという知見は全く得られていない。そこで、熱間加工性を確実に確保するために、熱間圧延前の最高加熱温度を1100℃以下に低下させて、TaNの粗大化を防止することとした。一方で熱間圧延前の加熱温度の低下は鋼材の圧延中の強度を上昇させて、圧延終了時のロール反力を高める。このため、熱間圧延そのものが困難になり、場合によっては熱間圧延が出来ない(ミル剛性が追従できず、圧下出来ない)という事態を生じる。従って、熱間圧延終了温度の管理も重要である。
熱間圧延時の温度は900℃から1100℃の場合に、鋼板表面に割れが発生せず、1100℃よりも高い場合に加工割れ(TaNの粒界析出脆化)が生じ、900℃よりも低い場合には圧延が出来ずに試験が中断に至ることがわかる。すなわち、熱間圧延で製造する際に、抽出温度を1100℃以下、圧延終了温度を900℃以上とする必要があることがわかる。この範囲を逸脱する温度となる場合は、鋼板を冷却するか(圧延を待機する)または加熱炉で再加熱する必要があることがわかる。
なお、図11は実験室規模の小型熱間圧延機で実施した結果で有り、ロール反力の絶対値は実機製造装置との関係を持たないが、ロール直径と板幅、板厚を実機に整合させ、同時にミル剛性との比を実機に合わせてあることから、圧延条件におけるロール反力は最大反力に対する比として、実機の熱間加工割れを再現できる機能を備えている。この比からは、高温圧延(1100℃以上)においては最大ロール反力の80%で鋼板が割れており、ミル剛性が原因では無いことと、低温では100%を超える場合がある事から、ミル能力を超える圧延負荷によって熱間圧延が出来なかったと解釈できる。
なお、以下に示す実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。また本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
その後に、溶接入熱量を約0.5〜5.0kJ/mmとし、GTAW(タングステン電極を用いたガスシールド方式被覆アーク溶接)またはSMAW(手棒式被覆アーク溶接),SAW(被覆アーク溶接)を用いて溶接した。
続けて表5に示した条件で溶接後熱処理を継手に実施した。なお、溶接金属にはインコロイ800(登録商標)Ni基合金を用いた。
なお、溶接継手の溶接熱影響部界面の靱性評価のために、母鋼と同様にJIS Z2242に記載の方法と試験片形状に従い、試験片を板厚中心位置より採取し、吸収エネルギーを室温で測定した。ノッチは、溶接継手金属と溶接熱影響部の界面が、板厚中心の線と交わる点(境界面を基準とした板厚中心位置)を目安とし、板厚方向と水平になる様に加工した。しきい値は、火力発電用部材の加工時の割れが発生しない最低吸収エネルギーとされる、20℃、27Jとした。結果を表6にWCH(J)として示す。
結果を表6にRAAとして示す。表中の「○」は良好、「×」は不良であったことを示す。
ここで、[ls]aveは平均粒子中心間距離(nm)、[ds]aveは粒子の平均直径(nm)である。λaveが平均粒子表面間距離(nm)となる。
なお、実際にはクリープ破断試験片の破面観察も同時に実施し、Type IV損傷発生有無も同時に確認したが、前記判定基準で合格となる、溶接継手のクリープ破断強度の温度促進クリープ試験における強度が母材のクリープ破断試験強度の5%以内である場合、Type IV損傷が発生していないことを確認した。すなわち、HAZ外縁に沿って、クリープボイドの連結した低延性破面が生成していないことを確認した。
また、表5に、溶接継手に施した溶接前熱処理の条件(施工した溶接開先中心からの片側の幅または長さ、熱処理温度、熱処理時間)および溶接後熱処理条件(溶接後熱処理温度、後熱処理時間)を記載した。さらに、熱間圧延条件(圧延前予加熱温度、熱間加工終了温度)についても記載した。
なお、表3、4に示した化学成分の本発明鋼の細粒HAZにおいて前記大角粒界上に観察されたM23C6系炭化物の化学組成の内、Mの構成は、実質的に70%以上がCr,Fe,Wからなっていることを、別途溶接継手の評価用クリープ試験片作成の際に透過電視顕微鏡観察用試験片も採取して、1万倍の倍率にてEDX分析(エネルギー分散型X線分析器)とあわせて確認した。この組成は本発明に係る溶接後熱処理条件を満たさない場合には逸脱する場合があって、特にMnを主体とするM23C6系炭化物を生成してしまうと、その粗大化が著しく早いことから、溶接継手のクリープ破断強度が低下してしまうため、留意すべき点である。
59は不純物としてのNi含有量が過多となり、母鋼のクリープ強度が低下した例である。
60は不純物としてのCu含有量が過多となり、母鋼の熱間加工時に赤熱脆性を生じ、靱性が低下した例である。
78、79はそれぞれCaおよびMgの添加量が過多となり、それぞれCaOあるいはMgOが生成して、何れも母鋼およびHAZの靱性が低下した例である。
80、81、82はそれぞれY,Ce,Laの添加量が過多となり、全て酸化物クラスターが生成して母鋼のおよびHAZ靱性が低下した例である。
87はクリープ強度向上に必要なBの添加量が少なく、母鋼のクリープ強度が低下した例、88はBが過多となり、溶接中に溶接金属が高温割れを生じたため、溶接そのものができなかった例である。
91は圧延前熱処理温度が本発明範囲ではあったが、圧延終了温度が本発明の下限値900℃を下回ったため、900℃以下の圧延で鋼板表面に割れが発生し、鋼板が作成できなかった例である。
96は溶接前熱処理の施工幅が片側290mmと大きく本発明を超えて、対象となる直径500mmの鋼管を結果的に全体加熱した例である。この時、母材部分も含めて全て溶接前熱処理されたことにより、部材の全組織は再度焼き入れられ、続く溶接後熱処理を実施はしたものの、残留オーステナイトが一部に残留し、母鋼の靱性が一部低下した例である。なお、96は管軸方向と平行なシーム溶接部を有する鋼管のシーム溶接における、溶接前熱処理の施工幅が広すぎて、結果鋼管全体を熱処理した場合と同等に扱うことができる例である。
2 粗粒域、または粗粒域HAZ
3 細粒域、または細粒域HAZ
4 二相域、または二相域HAZ
5 母材、または母材部あるいは母鋼
7 大角粒界
12 溶接開先面
13 溶接開先面と母材表面の交点(または線)
14 溶接前熱処理を付与すべき最低幅
15 溶接前熱処理を付与すべき最大幅
Claims (4)
- 板厚5mm以上の母材、溶接熱影響部、溶接金属から構成される高強度フェライト系耐熱鋼構造体であって、
前記母材の組成が、質量%で
C:0.01〜0.12、
Si:0.02〜0.45、
Mn:0.20〜0.60、
Cr:8.0〜12.0、
W:2.00〜7.50、
Nb:0.02〜0.10、
Ta:0.10〜1.00、
V:0.10〜0.50、
N:0.003〜0.015、
B:0.008〜0.050、
Co:0.50〜3.00、
Nd:0.005〜0.05
を含有し、
Mo≦0.030、
Ni≦0.10、
Cu<0.05、
Al≦0.005、
P≦0.020、
S≦0.010、
O≦0.010
に制限し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
溶接前熱処理の施行幅または長さが、前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下であり、
前記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6系炭化物(MはCr,Fe,Wを合計して、70%以上)およびTaCの円相当粒径の平均値が300nm以下、前記大角粒界上に析出したM23C6系炭化物およびTaCの表面間距離が、粒子種類に関係なく溶接後熱処理後のHAZにおいて150nm以下で、前記M23C6系炭化物および前記TaCによる前記大角粒界の被覆率が40%以上であることを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体。 - さらに、前記母材の組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.15%、
Zr:0.005〜0.15%
の内、1種または2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。 - さらに、母材の組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.0050%、
Mg:0.0003〜0.0050%、
Y :0.0100〜0.0500%、
Ce:0.0100〜0.0500%、
La:0.0100〜0.0500%
の内、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1または2に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体。 - 請求項1〜3の何れか一項に記載の高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法であって、
請求項1〜3の何れか一項に記載の組成の鋼片を900℃〜1100℃に加熱し、熱間圧延して板厚5mm以上の鋼板とし、
次いで、該鋼板を開先加工して、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以下の部位、かつ前記耐熱鋼構造体の幅または長さの50%以下である部位を1000℃以上、1100℃以下の温度で、下記の式(1)で決定される板厚対応熱処理時間Ts以上、かつ30分以上となるように局部加熱して保持し、放冷し、
次いで、前記開先を溶接した後、開先面が母材表面と接する位置から溶接線に直交する方向に向かって、20mm以上100mm以内の部位を、720℃以上760℃以下の温度帯に加熱して、該温度に1時間以上保持した後、放冷することを特徴とする高強度フェライト系耐熱鋼構造体の製造方法。
Ts=30×(t/25)1.2 +26 ・・・・・・・・・・・・・(1)
ただし、tは母材の板厚(mm)、Tsは溶接前の開先の加熱設定温度(1000℃〜1100℃)における加熱時間の総和(分)である。なお、tは5mm以上とする。
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