JP2824698B2

JP2824698B2 - 溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼の製造方法

Info

Publication number: JP2824698B2
Application number: JP29045590A
Authority: JP
Inventors: 勝邦橋本; 豊土田; 幸夫津田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JPH04165044A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高温機器用の構造材料としての鋼材に関す
るものであり、特に350〜530℃程度の中高温域で稼働さ
れるボイラ、金属溶解炉、加熱炉、塔および槽類等の高
温機器用鋼材料である。

（従来の技術）前記の高温機器には高温強度の観点、特に高温におけ
る引張強さ、耐力およびクリープ強度の観点からＣ−Mo
鋼（ASTM規格A204Bに相当する鋼）やMo−Mo鋼（同A302B
鋼に相当する鋼）が多く使用されている。

しかし、これらの鋼は溶接性および靭性の点で必ずし
も十分でないという技術的問題があった。

即ち、溶接性にあっては、Ｃ量が高い（多くの場合0.
22〜0.25％）のに加えて、Moを0.5％含有することか
ら、溶接熱影響部の硬化性を示すＣ当量Ceq＝Ｃ＋Si/24
＋Mn/6＋Cr/5＋Mo/4＋Ni/40＋V/14で算出される値は通
常0.45以上となり、また溶接割れ感受性を示す組成パラ
メーターPcm＝Ｃ＋Si/30＋Mn/20＋Cu/20＋Ni/60＋Cr/20
＋Mo/15＋V/15＋5Bで算出される値は通常0.30以上とな
り、溶接構造物として極めて高い値になっている。従っ
て、溶接割れ感受性が極めて高く、溶接施工時の予熱温
度を高くせざるを得ず、省エネルギーおよび溶接作業性
の点から好ましくなく、改善の必要がある。

また、靭性にあっては、高温使用の鋼材であることか
ら高温特性、特にクリープ特性を重視するあまり、粗粒
鋼を指向しているため初期靭性そのものが極めて低い状
態にある。これに加えて、さらに機器稼働に伴う熱履歴
によるMoの炭化物の析出・凝集が、より悪い状態にして
いる。このような低初期靭性に加えて稼働中の劣化は、
なんらかの割れが存在した場合に脆性破壊につながる危
険性を常にもち、機器の安全操業の観点から好ましくな
く、改善の必要がある。

このような状況から前記中高温で稼働される機器用鋼
材として、溶接性ならびに使用中脆化を含めた低温靭性
を改善した低合金耐熱鋼の開発が昨今要望されている。

従来この種の鋼の溶接性の改善はＣ量あるいはMo等の
合金元素を低減し、これによる強度低下をNbないしはＶ
などの析出強化元素を添加したり、Cu,Niなどの比較的
溶接性を損なわない元素およびAl−Ｂ添加により焼入れ
性の向上効果で補うことがなされてきた。

特開昭58−91151号公報や特開昭61−250152号公報等
に記載の発明がこれに相当する。しかし、これらの発明
においても溶接性ならびに靭性ともに十分な改善がなさ
れたとは言いがたい。

また、常温ないし低温で使用される鋼材においては、
溶接性ならびに靭性の改善を目的として、制御圧延およ
び強制冷却の組み合わせにより低炭素当量化をはかった
ものが存在するが、高温強度が考慮されておらず、この
点で不十分である。

さらに、特開昭61−87818号公報や特開昭61−136622
号公報にみられるごとく、Cr−Mo系低合金鋼の強度改善
を目的として、V,Nbを添加した鋼を圧延後急冷する方法
が存在するが、ベイナイト主体の組織における強化技術
であり、溶接性の点で十分とは言いがたい。

（発明が解決しようとする課題）以上のように従来の低合金耐熱鋼は、高温強度を維持
しつつ溶接性および靭性を改善することは困難、かつ経
済性に難点があった。そこで、本発明は従来鋼と同等な
いしそれ以上の高温強度を有し、かつ、溶接性ならびに
靭性を向上した安価な鋼材を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段）本発明は以上のような実状に鑑み、低合金耐熱鋼の高
温強度、溶接性および靭性についての研究を重ね、総合
的な検討を行った結果なされたものである。

その骨子とするところは下記のとおりである。

（１）溶接性改善の観点から、溶接熱影響部硬化性
ならびに低温割れ性に悪影響のあるＣをはじめとする合
金元素を低く抑える。

（２）初期靭性改善の観点から、Alの微量添加と必
要に応じてNbを添加し、細粒化による靭性の向上をはか
る。また、使用中劣化を考慮してSiを極力低く抑える。

（３）（１）（２）による強度低下、特に高温強度
の低下を補うために、高温加工（圧延を含む）後直接急
冷、焼もどし処理を施す。また、必要に応じてV,Nbを微
量添加し、析出強化による強度向上をはかる。

第１図は0.25％Ｃ、0.25％Si、0.60％Mn鋼（Ａ鋼）、
0.10％Ｃ、0.05％Si,1.2％Mn、0.4％Mo鋼（Ｂ鋼）の常
温および高温強度に及ぼす圧延後の冷却速度の影響を調
べた実験結果を示すものである。横軸の圧延後の冷却速
度は、圧延後の800℃から500℃までの平均冷却速度で示
した。

図から明らかなように、Moを含有するＢ鋼はMoを含ま
ないＡ鋼に比べて圧延後の焼入れ冷却速度が遅い側まで
高強度が保たれ、かつ常温強度に対する高温強度（500
℃）の落ち代が少ない。即ち、従来、耐熱鋼は高温での
安定性が重視され、焼ならし＋焼もどしないしは焼なま
し処理が主流であったが、今回の実験で低Ｃ含Mo鋼の急
冷材では耐焼もどし軟化抵抗と高温に対する組織安定性
に優れていることが分かった。

この新しい知見をもとに、それぞれの成分を制限し、
さらに高温加工（圧延を含む）後の冷却速度を制限する
事によって、高温強度、溶接性および靭性のバランスの
とれた低合金耐熱鋼を開発したものである。

即ち、本発明の要旨とするところは下記のとおりであ
る。

（１）重量％でC:0.03〜0.12％、Si:0.01〜0.15
％、Mn:0.40〜1.60％、Mo:0.15〜0.45％、Al:0.005〜0.
05％、N:0.0010〜0.0100％を含有し、残部は実質的にFe
と不可避的不純物である鋼を、1000〜1200℃の温度域に
加熱し、加工終了を850〜970℃の温度域とし、かつ前記
温度域での加工を５％以上とし、その後Ar₁点以上の温
度域から冷却速度２〜50℃/sec.の平均冷却速度で300℃
以下まで冷却した後、さらに焼もどし処理として600〜7
20℃で温度域に再加熱して冷却することを特徴とする溶
接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼の製造方法。

（２）重量％でC:0.03〜0.12％、Si:0.01〜0.15
％、Mn:0.40〜1.60％、Mo:0.15〜0.45％、Al:0.005〜0.
05％、N:0.0010〜0.0100％を含有し、さらにV:0.02〜0.
12％、Nb:0.005〜0.04％、B:0.0003〜0.0050％の少なく
とも１種以上を含有し、残部は実質的にFeと不可避的不
純物である鋼を、1000〜1200℃の温度域に加熱し、加工
終了を850〜970℃の温度域とし、かつ前記温度域での加
工を５％以上とし、その後Ar₁点以上の温度域から冷却
速度２〜50℃/sec.の平均冷却速度で300℃以下まで冷却
した後、さらに焼もどし処理として600〜720℃の温度域
に再加熱して冷却することを特徴とする溶接性ならびに
靭性を改善した低合金耐熱鋼の製造方法。

（作用）以下、本発明を詳細に説明する。

まず、本発明における鋼の成分を限定する理由は以下
のとおりである。

Ｃは強度を確保するために少なくとも0.03％以上を必
要とするが、溶接性ならびに靭性を考慮すると低Ｃが有
利であり、その上限については好ましくは0.10％以下で
あるが、実用上それほどの悪影響の現れない0.12％を上
限した。

Siは脱酸剤として添加され靭性を改善するが、脱酸が
Al等の元素で十分なされた場合においては却って靭性に
悪影響があり、特に使用中熱履歴のごとき長時間の加熱
に対しての脆化に悪影響を及ぼすことから、経済的に低
減できる下限値として0.01％とし、上限値については好
ましくは0.1％以下であるが、靭性に悪影響が少ない範
囲として0.15％とした。

Mnは強度ならびに靭性を高める元素であり、同時にそ
の量が増大すると溶接性を悪くする元素である。強度、
靭性および溶接性のバランスから好ましい範囲は0.6〜
1.35％であるが、下限値は強度向上効果がやや顕著にな
る0.40％とし、上限値は靭性改善効果が少なくならず、
加えて溶接性の劣化が著しくならない上限として1.60％
とした。

Moは本発明における重要な成分であり、強度、特に高
温強度を高める元素として必須の元素である。本発明に
おけるMoの役割は、高温加工（圧延を含む）後直接焼入
によって得られた組織を、焼もどし、応力除去焼なまし
および使用中の熱履歴においても安定に維持し、高強度
を保証するものである。その効果はMo量が多いほど顕著
であるが、その量が増大すると溶接性および靭性、特に
使用中脆化特性に悪影響が認められ、好ましい範囲は0.
20〜0.35％であるが、下限値は高温強度改善効果がやや
顕著になる0.15％とし、上限値は溶接性および使用中脆
化が問題とならない上限値の0.45％とした。

Alは強力な脱酸効果を持つ元素であり、本発明のよう
にSiを極力低く抑えた鋼では必須の添加元素であり、か
つ細粒化効果により靭性を改善するが、その量が多くな
ると介在物が生じ却って靭性を低下させる。好ましい範
囲は0.015〜0.035％であるが、下限値は脱酸が十分なさ
れ靭性改善効果が現れる下限値の0.005％とし、上限値
は靭性が問題とならない上限値の0.05％とした。また、
Alは本発明において必要に応じて添加する元素の１つで
あるＢを含む場合、Ｎを固定しＢの効果を高める効果が
ある。

Ｎは量が増大すると強度を向上させると同時に靭性を
低下させる元素である。また、適量のＮは鋼中のAlとAl
Nを形成し、細粒化をとおして靭性向上に効果がある。
好ましい範囲は0.0030〜0.0060％であるが、下限値は細
粒化による靭性改善が期待できる必要量の下限値である
0.0010％とし、上限値は強度上昇に伴う靭性低下および
Ｂ添加の場合にBNを形成することによるＢの効果を損な
わない上限値である0.0100とした。

Ｖは必要に応じて添加する元素の１つであり、高温加
工（圧延を含む）後直接焼入れ、焼もどし処理すること
により、極く微量添加で高温強度を顕著に改善する効果
があり、同時に靭性を低下させる傾向が認められ、添加
する場合の好ましい範囲は0.03〜0.08％であるが、下限
値は強度向上効果が顕著となる0.02％とし、上限値は靭
性が問題となならない上限値の0.12％とした。

Nbまた必要に応じて添加する元素の１つであり、Ｖと
同様、高温加工（圧延を含む）後直接焼入れ、焼もどし
処理することにより、極く微量添加で高温強度を顕著に
改善する効果があると同時に、細粒化効果により靭性も
改善する。しかし、その量が増大すると、却って強度。
靭性を低下させる。添加する場合の好ましい範囲は0.01
5〜0.030％であるが、下限値は強度向上効果が現われる
0.005％とし、上限値は添加することによって却って強
度ならびに靭性が低下しない範囲の上限である0.04％と
した。

Ｂは本発明において必要に応じて添加する元素の１つ
である。その効果としては、従来高張力鋼のごときマル
テンサイトまたはベイナイト主体の組織を持つ鋼の焼入
れ性向上のために添加されていた元素であるが、最近焼
ならしを施す高温用鋼にも適用され、その効果が確認さ
れている。添加する場合の好ましい範囲は0.0005〜0.00
15％であるが、上限値は焼入性効果が現れる下限値の0.
0003％とし、上限値はＢ化合物が生成することによる焼
入性が低下しない上限値である0.0050％とした。

次に、本発明における高温加工（圧延を含む）および
それに続く処理条件を限定する理由は以下のとおりであ
る。

加熱温度はオーステナイト中に各合金元素が十分固溶
し、かつ良好な加工性が得られる下限温度の1000℃を下
限値に定め、上限温度はオーステナイト粒の粗大化が顕
著とならない上限として1200℃と定めた。

圧延の加工終了温度域の850〜970℃は、850℃未満の
温度域での加工は強度を低減するため、また970℃を超
えた温度域での加工は靭性を低下させるためにこのよう
に限定した。

加工終了温度域以上で加工することは妨げないが、上
記温度範囲における加工率は５％以上が必要である。加
工率（（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の
断面積）は、５％未満では最終製品の結晶粒が粗大化し
靭性が悪くなるためである。

冷却速度（急冷開始から300℃までの平均冷却速度）
は焼もどしおよび応力除去焼鈍後の引張強さの低下が顕
著とならない２℃/sec.を下限とし、上限については10m
m厚の鋼板の水冷相当の冷却速度として50℃/sec.とし
た。

焼もどし温度は、靭性が改善される下限温度の600℃
を下限値とし、引張強さの低減が顕著にならない上限温
度の720℃を上限値とした。

なお、本発明鋼を構造物に加工する場合、通常冷間加
工ないしは温間加工および溶接加工が施されるが、適当
な応力除去焼なましを施しても構わない。

（実施例）第１表に供試鋼の化学成分、機械的性質および溶接性
試験結果を示す。機械的性質は常温ならびに500℃の引
張特性、初期靭性ならびに500℃で3000時間加熱後の靭
性を示した。また、溶接性は斜めＹ型拘束割れ試験結果
を示した。

No.4,5,6,7,14,15,16,17,は本発明鋼であり、No.1,2,
3,8,9,10,11,12,13,18,19,20,21,22,23,24,25は比較鋼
である。なお、No.1,2鋼は圧延後焼ならし工程により製
造したもので、それ以外の供試鋼は圧延後直接焼入れ、
焼もどしの開発工程により製造したもので、その条件は
加熱温度:1050℃，加工終了温度:900℃,970〜900℃での
加工率:50％とし、その後850℃から急冷したが、800℃
から500℃までの平均冷却速度は約３℃/sec.で100℃以
下まで冷却した。また焼もどし条件は670℃で１時間、
応力除去焼なまし相当処理条件は650℃で３時間であ
る。

No.1,2鋼は斜めＹ型拘束割れ試験の割れ停止温度が高
く、溶接性が悪く、衝撃特性も低い。

No.3はＣ量が本発明の下限を下回る成分の鋼である
が、常温および高温強度が低い。

No.4,5,6,7は請求項１の対象鋼であるが、強度、靭性
および溶接性のすべての点で優れ、バランスのとれた鋼
材である。

No.8はＣおよびSiが本発明の上限を越え、No.9,10はM
nが本発明の上下限をはずれ、No.11,12はMoが本発明の
上下限をはずれる鋼であり、No.8,10は靭性ならびに溶
接性が悪く、No9,11は常温および高温強度が低く、No.1
2は溶接性が悪い。

No.13はＣ量が本発明の下限を下回る成分の鋼である
が、常温および高温強度が低い。

No.14,15,16,17は請求項２の対象鋼であるが、強度、
靭性および溶接性のすべての点で優れ、バランスのとれ
た鋼である。

No.18はＣおよびSiが本発明の上限を越える鋼である
が、溶接性ならびに靭性が悪い。

No.19はMnが、No.20,21はMoが、No.22,23はＶが、No.
24はNbが、またNo.25はＢがそれぞれ本発明の上限ない
し下限をはずれる鋼であり、No.18,19は溶接性が悪く、
No.20,22,25は常温および高温強度が低く、No.21,23,24
は靭性が悪い。

（発明の効果）以上述べたように、本発明はMoを含む低合金耐熱鋼の
Ｃをはじめとする合金元素を低く抑え、Alの微量添加、
また必要に応じてV,Nbを添加し、この鋼を高温加工（圧
延を含む）後直接急冷、焼もどし処理することによっ
て、強度、靭性および溶接性が同時に優れた耐熱鋼を提
供せんとするもので、工業的価値は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は試験材の圧延後の冷却速度と焼もどし＋応力除
去焼なまし相当の熱処理後の常温および高温引張強さの
関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21D 8/00,8/02 C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C :0.03〜0.12％ Si:0.01〜0.15％ Mn:0.40〜1.60％ Mo:0.15〜0.45％ Al:0.005〜0.05％ N :0.0010〜0.0100％を含有し、残部は実質的にFeと不可避的不純物である鋼
を、1000〜1200℃の温度域に加熱し、加工終了を850〜9
70℃の温度域とし、かつ前記温度域での加工を５％以上
とし、その後Ar₁点以上の温度域から冷却速度２〜50℃/
sec.の平均冷却速度で300℃以下まで冷却した後、さら
に焼もどし処理として600〜720℃の温度域に再加熱して
冷却することを特徴とする溶接性ならびに靭性を改善し
た低合金耐熱鋼の製造方法。
【請求項２】重量％で、 V :0.02〜0.12％ Nb:0.005〜0.04％ B :0.0003〜0.0050％の少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求
項１記載の溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼
の製造方法。