JP2559217B2 - 溶接性を改善せる高強度フエライト系ボイラ鋼管用鋼 - Google Patents

溶接性を改善せる高強度フエライト系ボイラ鋼管用鋼

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JP2559217B2 JP61139035A JP13903586A JP2559217B2 JP 2559217 B2 JP2559217 B2 JP 2559217B2 JP 61139035 A JP61139035 A JP 61139035A JP 13903586 A JP13903586 A JP 13903586A JP 2559217 B2 JP2559217 B2 JP 2559217B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は高強度フェライト系耐熱鋼に関するものであ
り、さらに詳しくは高温におけるクリープ特性および溶
接性を改良した靭性のすぐれたフェライト系Cr含有ボイ
ラ鋼管用鋼に関するものである。
(従来の技術) 近年火力発電ボイラにおいては大型化と高温、高圧化
が定着してきたが、550℃を超すとその材料を選択する
に当たり、耐酸化性、高温強度の点からフェライト系の
2 1/4Cr−1Mo鋼から18−8ステンレス鋼のごときオース
テナイト系の高級鋼へと飛躍して使用されているのが現
状である。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら低合金鋼、ステンレス鋼、超合金と材料
が高級になるに従い、コストが上昇し、ボイラ建造費が
高価につくために、材料上の問題からボイラの蒸気温度
が逆に制約されて現在では566℃が上限となっている。
したがってボイラの効率を高めるためには圧力を高めた
超臨界圧ボイラが使用されている。
ところで2 1/4Cr−1Mo鋼とオーステナイトステンレス
鋼の中間を埋めるための鋼材は過去数十年模索されてい
るがCr量が中間の5Cr,9Cr,12Cr等のボイラ鋼管は強度を
高めるとその溶接性が悪化するため、研究はかなり行わ
れたが、ボイラの施工上、作業能率を著しく低下させる
ために実用化されにくいのが実情である。
このような観点から2 1/4Cr−1Mo鋼とオーステナイト
鋼の中間の強度を有し、尚且つ溶接性が優れた経済的鋼
の出現が望まれていた。
本発明者らはこのような事情にかんがみ既に溶接性を
向上させてなおかつクリープ破断強度も従来材を大幅に
上廻る新しい鋼種を開発し、(イ)特公昭56−34628号
公報、(ロ)特開昭59−153865号公報、或いは(ハ)特
開昭60−215746号公報により提案を行なっている。これ
らの内、(イ)の鋼はV,Nbの適正添加により、クリープ
破断強度を確保するとともにC量を低目にして溶接性を
向上した鋼であり、(ロ)の鋼はさらにSiの制限により
靭性の向上を図り、VとSiとの相関関係を定めて強度と
靭性のバランスを保った鋼である。また(ハ)の鋼はSi
の制限による靭性の向上を図るとともにB,Nの添加と酸
素量の制限によるクリープ強度の向上を狙った鋼であ
る。
これら(イ)〜(ハ)のいずれの鋼も600℃において
の長時間使用に耐えるすぐれた鋼である。
しかしながら今後蒸気温度の一層の上昇と電力需要の
変動に対応してボイラの起動停止が頻繁に行われること
が予想されており、その際熱応力を軽減するためにもい
っそうの肉厚減少即ちクリープ強度の向上がのぞまれて
いる。
一方クリープ強度の向上にW添加が有効なことが特公
昭58−17820号公報において開示されている。しかしこ
の鋼においてはWの最適な範囲についての提案が行われ
ているものではない上にNb添加についての配慮もなされ
ていない。
(問題点を解決するための手段) 本発明者らは600℃でのクリープ破断強度を高めると
同時に、その使用をより高温度域で可能にするためにM
o,W,Nbの複合添加が有効であり、且つMo,W,Nbには最適
添加量があって、MoとW量の関係及びNb量を明らかにす
ることによって著しくクリープ破断強度のすぐれた鋼を
開発することに成功したものである。
本発明の成分範囲を示せば第1表の如くである。
次いで本発明鋼に含まれる各成分の限定理由について
述べるとCは強度の保持に必要であるが、溶接性の点か
ら上限を0.12%とした。即ち後述するCr量との関係で、
この種の鋼は非常に焼入性がよく溶接熱影響部が著しく
硬化し、溶接時低温割れの原因となる。従って溶接を完
全に行うために、かなり高温の予熱を必要とし、ひいて
は溶接作業性が著しく損われる。しかるにCを0.12%以
下に保てば溶接熱影響部の最高硬さが低下し、溶接割れ
の防止を行いうるので上限を0.12%とした。また下限に
ついてはC量を0.03%未満にするとクリープ破断強度の
確保が困難になるので下限を0.03%と定めた。
Mnは脱酸のためのみでなく強度保持上も必要な成分で
ある。上限を1.5%としたのはこれを超すと靭性の点か
ら好ましくないからであり、下限は脱酸に必要な最少量
として0.1%と定めた。
Crは耐酸化性に不可欠の元素であって、耐熱鋼には必
らず添加されており、M23C6,M6C(但しMは金属元素を
指す)の微細析出により高温強度を高めているが、下限
はその析出硬化が顕著に認められる8%とし、上限は溶
接性及び靭性の点から13%とした。
Moは固溶体強化により、高温強度を顕著に高める元素
であるので通常耐熱鋼には添加されるが、多量に添加さ
れた場合溶接性を損なうので、溶接性の低下の少ない添
加範囲として0.45%未満とした。
WもMoと同様に固溶体強化および炭化物中に固溶して
粗大化を抑制することにより高温強度を顕著に高める元
素であり、とくに600℃を超えて長時間側の強化に有効
である。しかし多量に添加すると溶接性、耐酸化性を損
うので、溶接性の低下の少ない添加範囲として上限を2.
1%とした。一方0.45%未満のMoとの共存において効果
を発揮するのは1.0%以上からであるので下限を1.0%と
定めた。
VはMo同様素地に固溶しても析出物として析出しても
鋼の高温強度を著しく高める元素である。特に析出の場
合にはV4C3としての他M23C6,M6Cの一部に入り、析出物
の粗大化の抑制に顕著な効果を示す。しかしながら600
℃前後でSUS 304ステンレス鋼を超すクリープ破断強度
を出すためには0.05%未満では不充分であり、また0.30
%を超すと却って強度低下を生ずるので上限を0.30%、
下限を0.05%とした。好ましい範囲は0.15〜0.25%であ
る。
NbはNb(CN)の析出によって高温強度を高めるが、ま
た微細な分散析出が後続するM23C6,M6C等の析出状態を
微細にコントロールするために長時間クリープ強度にも
貢献する。その量は0.02%未満では効果がなく0.12%を
超すとかえって凝集粗大化を生じて強度を下げるため、
上限を0.12%、下限を0.02%とした。
なおV+Nb量はクリープ強度の観点から0.15〜0.35%
の範囲が好ましい。
Bは本来焼入性を著しく高める元素としてよく知られ
ているが、前述の如く、Bの微量添加によって著しくク
リープ強度が向上する。その量は0.001%未満ではほと
んど効果がなく、0.008%を超すと熱間加工性、溶接性
を損うので上限を0.008%、下限を0.001%とした。
Nはマトリックスに固溶あるいは窒化物、炭窒化物と
して析出し、クリープ破断強度を高める元素であるが、
0.005%未満では急激に強度が低下すること、また0.10
%を超すと鋳造時にブローホールを発生し健全な鋼塊が
できにくい等の問題を生ずるので上限を0.10%、下限を
0.005%とした。なお、0.02〜0.07%の範囲が好まし
い。
Siは本来脱酸のために添加される元素であるが材質的
には靭性に悪影響のある元素である。そこで靭性におよ
ぼす影響を調べたところ、0.25%以下に抑えると靭性が
向上することが分った。なお、好ましい範囲は0.095%
以下である。
次にMoとWの関係を第1図について述べる。MoとWは
複合して添加することによって高温長時間側のクリープ
破断強度を著しく向上する。しかし強度、靭性、溶接性
を考慮するとその添加量には最適な範囲があり、第1図
のABCDEFで囲まれる範囲でなければならないことが分っ
た。すなわち直線ABはクリープ破断強度の観点からの下
限界線であって、Wが1.0%の線であり、これ未満では
クリープ強度向上効果が大きくない。また直線EFおよび
直線AFは溶接性、靭性等の観点からの上限界線である。
直線EFは(Mo+W)=2.49%の線であり、直線AFはMoが
0.45%の線であり、これを超えると溶接性、靭性いずれ
かまたはすべての劣化が目立つ。さらに、直線CDおよび
直線DEはクリープ強度と溶接性、靭性の兼ね合いの観点
からの制限界線であり、直線CDより右側でかつ直線DEよ
り下方の位置では、クリープ強度の向上が少ない割りに
溶接性が低下する。即ち、直線CDを境にクリープ強度は
余り変わらずに溶接性が劣化し、直線DEを境に溶接性は
殆んど変らずにクリープ強度が低下する。この直線CDは
Wが1.79%であり直線DEはMoが0.41%である。
次に本発明の効果を実施例についてさらに具体的に述
べる。
実施例 第2表に供試鋼の科学組成、600℃、20kg/mm2の応力
でのクリープ破断時間、破断伸び、溶接性を表わすy型
拘束割れ試験における割れ防止のための予熱温度、600
℃、3000時間時効後の衝撃値、常温の引張り特性を示
す。
第2表に示すもののうちNo.4,6,7,10,11,17,18,19,20
鋼は本発明鋼であり、その他は比較鋼である。
No.2鋼は通常低合金耐熱鋼として使用されている2 1/
4Cr−1Mo鋼であり、No.1鋼は更に耐高温耐食性を向上さ
せたボイラ熱交換器用合金鋼鋼管であるが、クリープ破
断強度が低い。また、No.3は現在ドイツを中心にヨーロ
ッパで石炭専焼ボイラの過熱器管に、再熱器管使用され
ている鋼種であるが、C量が本発明鋼に比べ高いので溶
接性、加工性に難点がある。
No.5鋼業はW量がその下限を切るものであって十分な
クリープ破断強度が確保できない。No.9鋼はWがその上
限を超えるものであって、溶接性が低下している。
No.8,12鋼はW量、Mo量ともそれぞれの上下限内に入
っているものの第1図のABCDEFの外側に位置するもので
あって、そのうちNo.12鋼は第1図EF線の上方に位置す
るものであって、溶接性が低下している。また、No.8鋼
は第1図CD線より右側でかつDE線の下方に位置するもの
であって、クリープ破断強度の割には溶接性が悪い。
No.13,14鋼はMo量が上限を超えるものであって、溶接
性が低下している。さらに、No.15,16鋼はC量がその下
限を切るかまたは上限を超えるものであって、下限を切
るNo.15鋼はクリープ破断強度が余り高くないうえに時
効後の衝撃値が著しく低い。上限を超えるNo.16鋼は溶
接性が著しく悪い。
これに対して本発明鋼は、既存のフェライト系耐熱鋼
である比較鋼No.3鋼、市販の2 1/4Cr−1Mo鋼である比較
鋼No.2鋼および市販の9Cr−1Mo鋼のNo.1鋼より、はるか
に高いクリープ破断強度を有して、同一温度であれば高
応力レベルとなり、ボイラ鋼管の薄肉化が可能となり、
溶接性も、既存のフェライト系耐熱鋼である比較鋼No.3
鋼より著しく改善され、すぐれた溶接加工性を有する。
また、靭性は600℃、3000時間時効後の衝撃値で、既存
のフェライト系耐熱鋼のNo.3とほぼ同一レベルにあり、
ボイラ鋼管として実質的に全く問題ない。
なお、No.17,18,19鋼は、不純物としてそれぞれ、0.2
0%Ni、0.21%Co、0.15%Ni+0.15%Coを含有している
鋼であるが、他の発明鋼と比べて特性上遜色はない。
(発明の効果) 以上の如く本発明鋼は従来のフェライト系耐熱鋼にく
らべ、装置の高温化、高圧化に対応できる高温強度の増
大を達成した鋼であり、溶接性、靭性等実用上の特性も
すぐれており、産業界に貢献するところが極めて大き
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明におけるMoとWとの関係を示す図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲榊▼原 瑞夫 相模原市淵野辺5−10−1 新日本製鐵 株式會社第2技術研究所内 (72)発明者 藤田 利夫 東京都文京区向丘1−14−4 (72)発明者 乙黒 靖男 町田市玉川学園3−12−25 (72)発明者 桝本 弘毅 相模原市淵野辺5−10−1 新日本製鐵 株式會社第2技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−69948(JP,A) 特開 昭60−155648(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量でC0.03〜0.12%、Mn0.1〜1.5%、Cr
    8.0〜13.0%、Mo0.45%未満、W1.0〜2.1%、V0.05〜0.3
    0%、Nb0.02〜0.12%、N0.005〜0.10%を含有し、Si0.2
    5%以下に制限し、さらにMoとW量の関係が下記の座標
    点を占める第1図ABCDEFに囲まれた範囲にあり、残部Fe
    および不可避不純物よりなることを特徴とするクリープ
    強度ならびに600℃,3×103hr加熱後の靭性に優れ、かつ
    溶接性を改善せる高強度フェライト系ボイラ鋼管用鋼。 Mo% W% A(0.45,1.00) B(0 ,1.00) C(0 ,1.79) D(0.41,1.79) E(0.41,2.08) F(0.45,2.04)
  2. 【請求項2】重量でC0.03〜0.12%、Mn0.1〜1.5%、Cr
    8.0〜13.0%、Mo0.45%未満、W1.0〜2.1%、V0.05〜0.3
    0%、Nb0.02〜0.12%、B0.001〜0.008%、N0.005〜0.10
    %を含有し、Si0.25%以下に制限し、さらにMoとW量の
    関係が下記の座標点を占める第1図ABCDEFに囲まれた範
    囲にあり、残部Feおよび不可避不純物よりなることを特
    徴とするクリープ強度ならびに600℃,3×103hr加熱後の
    靭性に優れ、かつ溶接性を改善せる高強度フェライト系
    ボイラ鋼管用鋼。 Mo% W% A(0.45,1.00) B(0 ,1.00) C(0 ,1.79) D(0.41,1.79) E(0.41,2.08) F(0.45,2.04)
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