JP2687500B2

JP2687500B2 - 高温強度および溶接性に優れた高クロム合金鋼

Info

Publication number: JP2687500B2
Application number: JP28590288A
Authority: JP
Inventors: 均早川; 明英吉武; 学田村
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1988-11-14
Publication date: 1997-12-08
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JPH02133546A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の目的」（産業上の利用分野）この発明は高クロム合金鋼の組成に関するもので、特
に高温強度および溶接性に優れた高クロムフェライト合
金鋼に係るものである。

（従来の技術）高温用として用いられる鋼材は、凡そ550℃を境界と
して低温側ではSTBA24鋼（2 1/4 Cr−1Mo）が、高温側
ではSUS304鋼が使用されて来たが、両者間には性能およ
び価格（生産コスト）に大きな差があるため、その間隙
を埋めるものとして登場して来たのが高クロムフェライ
ト鋼である。

その代表鋼種として、ASTM A213 Ｔ−91鋼（9Cr−1
Mo−Ｖ−Nb）があげられる。然し鋼材の温度が600℃を
超えて使用する場合には、Cr含有量が９％では耐食性も
耐酸化性も不足してくるので、12％Cr鋼が研究され開発
されている。その代表例としては特公昭57−36341、特
開昭62−89842があげられる。然し、これらの先行技術
は、何れも600℃以上の高温環境下でも充分な強度が得
られるように、Mo、Ｗ等の強化元素を略2.0％も含有せ
しめたので、前述したSUS304オーステナイト鋼に比較し
て安価であると云う高クロムフェライト鋼の特徴が若干
失われていることは否めない。

（発明が解決しようとする課題）本発明者等は、先に、前述したような高クロムフェラ
イト鋼の本来の特徴を生かすべく、Mo、Ｗ、並びにNbを
低減せしめ、その代り低MnとＮの添加量に特徴を有する
高強度で耐食、耐酸化性に優れ且つ安価な12Cr鋼を開発
し、特許出願を行ない刊行物でも発表した（特開昭63−
103053号、「鉄と鋼」vol.（1988）−924）。然しなが
ら、この技術には高温構造材料として不可欠な溶接性の
解決が未完成のため、更に研究を重ね、高温度での使用
時における強度の改善、耐食、耐酸化性の向上、低コス
トの他に、溶接性の向上をも目的とした高クロムフェラ
イト鋼の組成を提供することを、本願発明の目的とする
ものである。

「発明の構成」（課題を解決するための手段）前述の目的を達成するために本発明者等は、重量％で、 C:0.06〜0.13％、Si:0.50％以下、 Mn:0.03〜0.20％未満、P:0.030％以下、 S:0.020％以下、Cr:10.0〜14.0％、 Mo:0.35〜0.85％、W:0.90％以下、 V:0.10〜0.30％、Nb:0.01〜0.10％、 Al:0.005〜0.050％、N:0.020〜0.080％、を含み、且つMo＋1/2 W:0.80〜1.3％を満足し、残部は
鉄および不可避的な不純物よりなることを特徴とする高
温強度および溶接性に優れた高クロム合金鋼を茲に提案
する。

本発明による合金鋼を使用する場合には、高温環境域
において高強度が維持でき耐食、耐酸化性に優れ、安価
で更に溶接性が一段と改善されたので、適用される鋼材
の大幅な用途開発が可能となる。

（作用）前述した多くの優れた特質を備えた本願発明の高クロ
ムフェライト鋼を得るためには、所定の構成元素および
それら構成元素の好適な添加範囲の規制が必要である。
下記にそれ等の元素名と、数値限定の理由を記載する。

C:0.06〜0.13％高温強度と靭性を付与するのに必要である。然し、0.
06％未満では高温強度が出ず、一方0.13％を超えて添加
すると溶接性を著しく悪化せしめるので、0.06〜0.13％
の範囲とする。

Si:0.50％以下耐酸化性、脱酸効果を期待し得る元素である。しか
し、0.50％を超える場合には、脆化相の析出を促進する
ことになり、且つ高温強度を低下せしめることとなるの
で、0.50％を上限とする。

Mn:0.03〜0.20％未満高温強度と溶接性を付与するのに有効な元素である。
しかし、0.03％未満では溶接性の改善効果がなく、むし
ろ製造コストを上昇せしめることになり、一方0.20％以
上では高温強度の低下を招くので、0.03〜0.20％未満の
範囲とした。

P:0.030％以下不可避的な不純物の１種である。0.030％を超えると
溶接性が損われ、且つ高温強度も低下する。

S:0.020％以下Ｐ同様不可避的な不純物である。0.020％を超えると
熱間加工性、靭性の低下を招くことになる。

Cr:10.0〜14.0％耐食性、耐酸化性を付与するのに有効な元素である。
しかし乍ら、10.0％未満では600℃以上での高温使用に
際しての耐食性、耐酸化性が不足することになり、一方
14.0％を超えて添加すると高温強度と靭性が低下してく
るので、10.0〜14.0％の範囲とした。

Mo:0.35〜0.85％固溶強化および析出強化に有効な元素であるが、0.35
％未満では高温強度が期待できず、0.85％を超えての添
加は脆化相の析出を促進し、且つコストの上昇をもたら
すので、0.35〜0.85％の範囲とする。

W:0.90％以下 Mo同様に固溶強化、析出強化に寄与する。しかし、0.
90％を超えての添加は脆化相の析出を促進し、且つコス
トの上昇にもつながるので、0.90％を上限とする。

Mo＋1/2 W:0.80〜1.3％ MoとＷの複合添加は、特に高温強度に大きな影響を与
える。しかしMoと1/2 Wの合量が0.80％未満では高温強
度が期待できず、一方1.3％を超えての複合添加は脆化
相の析出を促進することになり、且つコストも上昇せし
めることになるので、0.80〜1.3％の範囲とする。

V:0.10〜0.30％鋼中のＮと結合し、炭窒化物を形成し、高温強度の発
現に寄与する。しかし、0.10％未満では高温強度は期待
できず、一方0.30％を超えて添加することは、溶接性を
阻害し、且つ高温強度も低下せしめることになるので、
0.10〜0.30％の範囲とする。

Nb:0.01〜0.10％前述のＶと同様の働らきをする元素である。0.01％未
満では高温強度は期待できず、一方0.10％を超えて添加
することは、溶接性を損うことになると共に、高温域で
長時間使用する際に強度が低下するので、0.01〜0.10％
の範囲とする。

Al:0.005〜0.050％脱酸剤としての効果の大きな元素であり、溶接割れ、
熱間加工割れを低減させる効果もある。高温長時間の使
用に際し、高温強度を維持するのに有効である。しか
し、0.005％未満では溶接性、高温強度を向上せしめる
効果は期待できず、一方0.050％を超えると高温強度の
急激な低下を来すので、0.005〜0.050％の範囲とした。

N:0.020〜0.080％高温強度を向上せしめるのに有効な元素である。しか
し、0.20％未満では高温強度の向上効果は期待できず、
一方0.080％を超えて添加する場合には靭性と強度の低
下が著しいので、0.020〜0.080％の範囲とした。

総体的に云えることは、低MnとAl添加を必須としたこ
とに特徴があると云うことができる。

（実施例）第１表に本発明鋼18チャージ、比較鋼21チャージの合
計39チャージの供試材の化学組成と、夫々のクリープ破
断応力と所定の付加歪を与えた場合の全割れ長さを示
す。先ず、供試材は、各チャージ50kgを眞空溶解後、12
50℃に加熱し、13mm厚の鋼板に熱間仕上（圧下率93％）
を行なった。次いで、1050℃で30分焼準した後、780℃
で２時間焼戻した。クリープ試験は、各供試材から長さ
方向に試験片を採取し、650℃において応力を４〜５水
準振らし、10⁴時間破断応力を測定したものである。

溶接性の評価は、幅120mm、長さ140mm、厚さ8mmの板
材を、各供試材から３枚切り出し、予熱温度約100℃に
し、150A−15V−7cm/min（入熱約19.3KJ）の溶接条件で
板の表面を溶融し、ビードと直角に１％の曲げを加え、
この時凝固部に発生するマイクロクラックを実体顕微鏡
で測定し、そのトータル長さを測定した。この測定法
は、トランスバレストレイン試験法と称するもので、第
４図に原理を示す。（ａ）は側面図を、（ｂ）は斜視図
を示すものである。第１表に記載したクリープ試験値、
溶接性の評価値からも明らかなように、本発明の化学的
組成の高クロム鋼の場合には、何れも、650℃で10⁴時
間のクリープ破断応力がSUS304鋼の下限値に匹敵する8.
5kgf/mm²以上を有しており、且つ、実用的に問題のな
いとされるトランスバレストレイン試験における1.0％
付加歪下での全割れ長さが（３点平均値で）2.0mm以下
を示していることが判る。一方、供試材としての比較鋼
は、クリープ強度、もしくは溶接性の何れか、又はその
双方が前述の基本的な強度および溶接性の条件を充して
いないことが判る。

第１図は、第１表における全供試材の測定結果につ
き、クリープ破断応力とトランスバレストレイン試験に
おける１％付加歪における全割れ長さ（溶接性）との関
係を示したものであって、本発明鋼が、比較鋼とは別異
な特殊な分布（１％付加歪における全割れ長さ2.0mm以
下、クリープ破断応力8.5kgf/mm²以上に集中）を示して
いることを表示している。

第２表はクリープ破断強度、溶接性とMnの添加量との
関係を示すものであり、本願発明の規定の範囲外の場合
には、少量の場合でも大量添加の場合でも機械的特性が
本発明鋼より劣ることが明示されている。

第３図はクリープ破断強度、溶接性とAlの添加量との
関係を示したものである。これも前図同様、本願発明で
特定する範囲の、総合評価が比較鋼より優れていること
を示している。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、本願発明の高クロム鋼
は、従来の公知の高クロムフェライト鋼に比較して、高
価な強化元素の添加量はより少ないかもしくは同量程度
であるにも拘らず、各主要元素の適確な含有量の組合せ
および選択により、耐食性、耐酸化性は従来のものと同
一性能を維持、且つ高温強度と溶接性に優れているの
で、ボイラ、化学プラント、原子力設備等の鋼材として
最適である。特に、Mn量とAl量を適宜組合せることによ
り、高温強度を向上せしめ溶接割れ感受性を低下せしめ
ることが可能であるから、用途に応じた鋼材を自在に製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼および比較鋼における破断応力とトラ
ンスバレストレイン試験、1.0％付加歪を与えた場合に
おける全割れ長さとの関係を示す図表、第２図はクリー
プ破断強度、溶接性とMn添加量の関係を示す図表、第３
図はクリープ破断強度、溶接性とAl添加量の関係を示す
図表、第４図はトランスバレストレイン試験の原理を示
すもので（ａ）は概略側面図、（ｂ）は斜視図を示すも
のである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C:0.06〜0.13％、Si:0.50％以下、 Mn:0.03〜0.20％未満、P:0.030％以下、 S:0.020％以下、Cr:10.0〜14.0％、 Mo:0.35〜0.85％、W:0.90％以下、 V:0.10〜0.30％、Nb:0.01〜0.10％、 Al:0.005〜0.050％、N:0.020〜0.080％、を含み、且つMo＋1/2 W:0.80〜1.3％を満足し、残部は
鉄および不可避的な不純物よりなることを特徴とする高
温強度および溶接性に優れた高クロム合金鋼。