JP3565331B2 - 高強度低合金耐熱鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接後の熱処理の際に発生する割れ感受性の低い、いわゆる耐再熱割れ性に優れた高強度低合金耐熱鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ、化学装置などの耐熱、耐圧配管に用いられる高温材料としては、数％のＣｒを含有する低合金耐熱鋼、９〜１２％のＣｒを含有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼などがよく知られている。中でも、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼（いわゆる、２ １／４％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼）に代表される低合金耐熱鋼は、安価であるため使用環境に応じて多量に使用されている。
【０００３】
数％のＣｒを含有する低合金耐熱鋼は、一般に焼き戻しベイナイト、焼き戻しマルテンサイトなどのいわゆるフェライト系の組織からなり、高Ｃｒ系耐熱鋼やオーステナイト組織からなる鋼に比べて高温強度が低い。このため、近年この低合金鋼をベースにＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ量などを添加して高温強度を高めた低合金耐熱鋼またはその製造方法が下記のごとく数多く提案されている。
【０００４】
（１） Ｃｒ：０．７〜３％、Ｍｏ：０．３〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、更にＷ：０．５〜２．４％、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％、Ａｌ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２％に調整した鋼を、１１００℃以上の温度に加熱したのち常温までに冷却し、常温あるいは加工中または冷却途中において再結晶を生じない温度域で塑性加工を施し、最後に１１００℃よりも低い温度で焼準及びＡＣ１温度以下での焼き戻し処理を行うことにより、溶接熱影響部の軟化の程度を軽減し、さらに母材の衝撃性質を改善した上で、約６００℃までの温度で使用できる鋼の製造方法（特許第２６５９８１３号公報、参照）。
【０００５】
（２） Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｗ：１〜３％、Ｖ：０．１〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ａｌ：０．００５％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．１％を含有し、必要に応じてそれぞれ０．０１〜０．２％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、ＺｒおよびＴａならびに０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有し、さらにＭｏ：０．０１〜０．４％を含有し、ＴｉとＮの含有量が「０．０８０≧Ｔｉ（％）−（４８／１４）Ｎ（％）≧０．００３」を満足するクリープ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼（特開平４−２６８０４０号公報、参照）。
【０００６】
（３）Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ａｌ：０．００５％未満、Ｔｉ：０．００１％以上０．０５０％未満、Ｃｕ：０．１０〜２．５０％からなり、必要に応じてＭｏ：０．０１〜０．４０％、更に０．０１〜０．２０％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、ＺｒおよびＴａならびに０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有し、不純物中のＰ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以下である靱性とクリープ強度に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼（特開平５−３４５９４９号公報、参照）。
【０００７】
この鋼は、クリープ強度を高めるため、Ｎ含有量およびＡｌ含有量を０．００５％未満に制限し、Ｔｉを添加してＮを固定した上でＢを添加したものである。また、溶接部の靱性を改善するのため、Ｔｉ、ＣｕおよびＷを添加し、更に、耐酸化性および耐食性を改善するのためにＣｕを、強度を改善するのためにＶ、ＮｂおよびＷを添加した鋼である。
【０００８】
（４） Ｃｒ：０．８〜３．５％、Ｗ：０．０１〜３．０％、Ｖ：０．１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％、Ｂ：０．００２０〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以下を含み、必要に応じてＭｏ：０．０１〜１．５％、更に０．０１〜０．２％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、ＣａおよびＴａのうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、Ｂ含有量が下記（ａ）式を満たす高温強度に優れた極低Ｍｎ低Ｃｒフェライト耐熱鋼（特開平８−３２５６６９号公報、参照）。
（１４／１１）Ｂ＞Ｎ−Ｎ（Ｖ／５１）／｛（Ｃ／１２）＋（Ｎ／１４）｝−Ｎ（Ｎｂ／９３）／｛（Ｃ／１２）＋（Ｎ／１４）｝・・・（ａ）
この鋼は、Ｗを添加して高温クリープ強度を高め、長時間使用後にＷによる効果が低減するのを抑えるためにＭｎを０．１％未満に制限し、Ｂを添加して強度低下、靱性低下を防ぎ、高温クリープ強度を高めたものである。Ｂの効果を確実なものとするためＢ含有量が上記のＮ、Ｖ、ＣおよびＮｂの関係式で規制されている。
【０００９】
（５） Ｃｒ：０．３〜１．５％、Ｗ：０．１〜３％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１５％以下を含み、必要に応じてＭｏ：０．０１〜３％、さらにそれぞれ０．０１〜０．２％のＣａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｔａおよび０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有する溶接性及び高温強度に優れたフェライト鋼（特開平１０−８１９４号公報、参照）。
【００１０】
この鋼は、４５０℃以上の温度における高温クリープ強度が改善され、かつ靱性、加工性、溶接性においても既存の低合金鋼と同等以上の性能を有し、高Ｃｒフェライト鋼に代替できる低Ｃｒフェライト鋼である。
【００１１】
上記のような低合金耐熱鋼を溶接施工する場合には、溶接低温割れが発生するという問題がある。そのため、溶接低温割れ防止を目的に溶接前に予熱したり、溶接後に熱処理を施すのが一般的である。しかし、これらの低合金耐熱鋼は「溶接後熱処理基準とその解説」（日本高圧力技術協会、応力焼鈍委員会編、日刊工業新聞社、１９９４．９．２６発行）のｐ．１０、２２〜２３、１００、１５０に示されているように溶接後の熱処理時に溶接熱影響部で割れが発生する、いわゆる再熱割れ感受性が高いことが知られている。再熱割れは、溶接低温割れとは異なる機構によって生じるため、予熱温度の管理では防止できない。
【００１２】
低合金耐熱鋼の再熱割れに関する報告は、数多くなされている。例えば、溶接学会誌、第４１巻（１９７２）、第１号、ｐ．５９には再熱割れ感受性指数（ＰＳＲ）が提案されており、１．５％以下のＣｒ量の範囲で再熱割れ感受性がＣｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの増加に伴って高くなり、特に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉはその影響が大きいことが示されている。また、溶接学会誌、第４９巻（１９８０）、第３号、ｐ．２０３には、再熱割れ感受性が鋼中の不純物元素であるＰ、Ｓｂ、ＳｎおよびＡｓの増加により大きくなることが示されている。また、特開昭５９−８０７５５号公報には、耐焼き戻し脆性に優れた低合金耐熱鋼が提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の再熱割れに関する報告または発明は、いずれもＷを含有しない鋼に関するものである。そして、本発明者らの調査によって、Ｗを含有する鋼の場合は高温での強度が高いために、再熱割れ感受性が著しく高くなることが明らかになった。
【００１４】
先にあげた先行文献には、特開平７−２６８０４０号公報および同５−３４５９４９号公報を除いて、溶接割れに関する記載がない。上記特開平７−２６８０４０号公報および同５−３４５９４９号公報には予熱温度管理による溶接低温割れ防止についての記載があるが、Ｗ添加鋼で大きな問題となる再熱割れ性については触れられていない。即ち、現在のところＷを含有し、かつ十分な耐再熱割れ性を有する高強度耐熱鋼は得られていない。
【００１５】
本発明の目的は、Ｗを含有するＣｒ−Ｍｏ系高強度低合金耐熱鋼であって、優れた耐再熱割れ性を有する耐熱鋼を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ｗを含有する低合金耐熱鋼を溶接し、その後の熱処理（Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ、以下「溶接後熱処理」または「後熱処理」という）によって発生した割れを詳細に調査した。その結果、割れは後熱処理の途中に溶融線近傍の結晶粒が粗大化した熱影響部に発生することが判明した。その破面の形態を走査型電子顕微鏡で観察したところ、破面には溶融痕（液相をともなった割れ）が認められず、また、分析の結果では、破面上にはＮの顕著な濃化が認められた。さらに、電子顕微鏡による観察によって割れ近傍の粒内に微細なＶ、Ｎｂの炭化物が生成していることが明らかとなった。
【００１７】
これらの結果から、溶接再熱割れは、次のような要因の重畳効果によって割れが開口する現象であると考えられた。
▲１▼溶接後熱処理によってＮの粒界偏析が加速され、粒界固着力が低下すること、
▲２▼Ｖ、Ｎｂ炭化物による析出強化、Ｗによる固溶強化により粒内が強化されること、
▲３▼溶接熱サイクルにより粗大化した平滑な粒界面に熱応力による変形が集中すること。
【００１８】
これらの結果から、溶接再熱割れを防止するには、Ｔｉまたは／およびＢによってＮの含有形態を調整すればよいことを見い出した。即ち、ＴｉおよびＢは、Ｎとの親和力が強く、安定な窒化物を形成して粒界固着力を低下させる粒界のフリーＮを低減させる。
【００１９】
Ｔｉは、ＴｉＮとして鋼の製造時に主に粒界に生成し、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる結晶粒の粗大化を抑制する。そして、この効果を十分に発揮させるためには、Ｔｉは少なくとも０．００１％以上含有させる必要がある。
【００２０】
Ｂは、偏析傾向が強いため、Ｎと結合しないＢはフリーＢとして粒界に存在して偏析サイトを占め、Ｎ等の粒界弱化元素の偏析を抑制し、粒界固着力を増大させる。その結果、溶接再熱割れの発生を防止することができる。
【００２１】
ただし、当然のことながら、ＴｉおよびＢによる割れ防止の効果は、粒界脆化元素であるＮ量に強く影響される。つまり、多量のＮが含まれる場合は割れ防止に必要なＴｉおよびＢの量も多くなる。そして、後述する実施例のデータからＮ含有量を横軸とし「％Ｔｉ＋５×％Ｂ＋０．００４」を縦軸として、溶接再熱割れが認められないものを○、割れが認められたものを●としてプロットすると図５のようになる。この図からＮ含有量［％Ｎ］と［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４との関係が下記（１）式を満足すれば、溶接再熱割れを防止できることを確認した。
［％Ｎ］≦［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４ ・・・・（１）
しかし、溶熱影響部の平均結晶粒径が１５０μｍを超えると、上記（１）式を満足しても溶接再熱割れの発生を防止できない。溶接熱影響部の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とするためには、母材の平均結晶粒径を１１０μｍ以下にしなければならない。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたもので、その要旨は下記の低合金耐熱鋼にある。
【００２３】
質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：0.05〜1％、Mn：0.11〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：0.01〜0.5％、Cu：0.01〜0.5％、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：0.1〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、Ｗ：1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.04％、Ｂ：0〜0.02％、Al：0.0005〜0.1％、Ｏ：0.1％以下、Ｎ：0.005 ％を超えて 0.01 ％までを含み、Ｎ含有量が下記の(1)式を満足し、残部がFe および不可避的不純物からなり、かつ、平均結晶粒径が110μｍ以下であることを特徴とする高強度低合金耐熱鋼。
［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1)
なお、上記の平均粒径とは、顕微鏡観察視野の写真等において基準長さ当たりの結晶粒の数をカウントし、その数で基準長さを除して求めるものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、各化学成分の作用とその限定理由を述べる。化学成分の％は、質量％を意味する。
【００２５】
Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、炭化物を形成し、高温強度を高めるのに寄与する元素である。また、オーステナイト形成元素として作用し、δフェライトの生成を抑制する。そのためには少なくとも０．０３％以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、溶接低温割れ感受性および溶接後の再熱割れ感受性を増大させる。また、Ｃ含有量の高い鋼は、高温で長時間使用されると脆化する。これらの理由から、Ｃ含有量の上限は０．１５％とする。さらに望ましい上限は０．１２％である。
【００２６】
Ｓｉ：０．０５ 〜 １ ％
Ｓｉは、製鋼時に脱酸元素として添加されるが、鋼の耐酸化性、耐高温腐食性の改善にも有効な元素である。しかし、高温での長時間使用時に靱性の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は１％とする。望ましい上限は、０．８％である。また、下限は脱酸の効果を確保するためには、０．０５％以上とするのが望ましい。
【００２７】
Ｍｎ：０．１１ 〜 ２ ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に製鋼時に脱酸元素として添加される。しかし、過剰に含有すると高温、長時間使用での強度の低下および靱性の低下を招く。そのため、Ｍｎ含有量は２％以下とするが、望ましいのは１．５％以下であり、さらに望ましいのは０．３５％未満である。また、下限は不可避的不純物のレベルでもよいが、脱酸の効果を確保するためには、０．１１％以上とするのが望ましい。
【００２８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、鋼中に残存する不可避的不純物元素であり、多量に含有すると溶接再熱割れを発生させる。そのため、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。Ｐは低いほど望ましいので下限は特に設けないが、極度の低減はコスト増を招くため、０．０００５％程度が下限となろう。
【００２９】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に残存する不可避的不純物元素であり、多量に含まれると、溶接再熱割れを発生させる。そのため、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。Ｓも低いほど望ましいので下限は特に設けないが、Ｐと同様に精錬コストの面から０．０００５％程度が下限となろう。
【００３０】
Ｎｉ：０．０１ 〜 ０．５ ％
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、δフエライト相の生成を抑え、組織の安定性を確保するために、その含有量を０．０１％以上とするのが望ましい。しかし、過剰の添加は高温での使用中に延性を低下させるため、Ｎｉ含有量の上限は０．５％とする。
【００３１】
Ｃｕ：０．０１ 〜 ０．５ ％
Ｃｕは、Ｎｉと同様オーステナイト生成元素であり、δフェライト相の生成を抑え、組織の安定性を確保するのに役立つ元素であるから、その含有量は０．０１％以上とするのが望ましい。しかし、過剰の添加は高温、長時間での使用中に延性を極端に低下させるため、Ｃｕ含有量は０．５％以下とする。なお、０．１％未満とするのが望ましく、さらに０．０５％未満とするのが一層望ましい。
【００３２】
Ｃｒ：１．８〜２．８％
Ｃｒは、高温での耐酸化性、耐高温腐食性および高温強度を確保するために必須の元素である。しかし、過剰の添加は炭化物の粗大化を招き、かえって高温強度を低下させるとともに、靱性の低下を招く。そのため、Ｃｒ含有量は、１．８〜２．８％とする。
【００３３】
Ｖ：０．１〜０．３％
Ｖは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。しかし、過剰の添加は、溶接後熱処理時に粒内炭化物の析出密度を増大させ、再熱割れ感受性を高める。また、高温での使用中には、急速な炭化物の凝集、粗大化を招き、かえってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は０．１〜０．３％とする。
【００３４】
Ｎｂ：０．０１〜０．０８％
Ｎｂは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。そのためには、０．０１％以上の添加が必要である。しかし、過剰の添加は溶接後熱処理時の粒内炭化物の析出密度を増大させ、再熱割れ感受性を高める。そのため、Ｎｂ含有量は、０．０１〜０．０８％とする。
【００３５】
Ｍｏ：０．０５〜０．３５％
Ｍｏは、鋼のマトリックスを固溶強化するとともに炭化物となって析出し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。また、Ｐとの親和力が強く、粒界に偏析するＰ量を低減させるため、溶接再熱割れ感受性の低減に寄与する。これらの効果を得るためには少なくとも０．０５％以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は、長時間の使用後には靱性を低下させるので、その上限は０．３５％とする。
【００３６】
Ｗ：１．２〜１．８％
Ｗは、Ｍｏと同様に鋼のマトリックスを固溶強化するとともに炭化物を生成し、クリープ強度を大きく高めるのに寄与する元素である。その効果を得るためには、少なくとも１．２％以上含有させる必要がある。その反面、マトリックスが非常に強化されるため、Ｎが粒界に偏析したとき、脆化した粒界とマトリックスとの強度差が大きくなるため、再熱割れが発生しやすくなる。また、過剰の添加は靱性の低下を招くため、その上限は１．８％とする。
【００３７】
Ａｌ：０．０００５ 〜 ０．１ ％
Ａｌは、鋼の脱酸剤として添加される元素である。しかし、過剰の添加は鋼の清浄度を低下させ、加工性を損なうとともに、高温強度の低下を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．１％以下とする。また、極度の低減は鋼の脱酸が不十分となるため、０．０００５％以上とするのが望ましい。
【００３８】
Ｏ（酸素）：０．１％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中の不純物元素であり、主に酸化物として存在して加工性、母材の強度または靱性の低下を招く。また、粒界に酸化物として存在すると、粒界固着力の低下を招き、再熱割れ感受性を高める場合もある。そのため、Ｏ含有量は０．１％以下とするが、０．０６％以下とするのが望ましく、さらに０．０３％以下とするのが一層望ましい。酸素の含有量は低いほど望ましいので特に下限は設けないが、極度の低減は精錬コストの上昇を招くので、実生産上の下限は０．０００５％程度であろう。
【００３９】
Tiは、溶接再熱割れ感受性を低減させるのに必須の元素である。Tiは、Ｎと結合してTiＮを形成し、溶接熱影響部での粒界固着力を低下させるフリーＮ量を低減させる。また、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる溶接熱影響部での結晶粒粗大化を抑制し、再熱割れの発生を防止する。その効果を得るためには、少なくとも0.001％以上の含有が必要であるとともに、後述するＢ、Ｎとの(1)式を満足する必要がある。しかし、過剰の添加は、靱性に極端な低下を招くため、含有量の望ましい上限は、 0.04 ％である。
【００４０】
Ｂ：０〜０．０２％
Ｂは、Ｔｉを含有していれば、特に添加しなくともよいが、Ｎとの親和力が強いため、Ｔｉと同様、窒化物を形成して粒界のフリーＮ量を低減させる効果を有する。また、Ｎと結合しない残りのＢは、フリーＢとして粒界に存在して偏析サイトを占め、Ｎ等の粗界弱化元素の偏析を抑制し、粒界固着力を増大させ、溶接再熱割れの発生を防止する。その効果は、Ｔｉと複合添加することにより顕著となる。したがって、下記（１）式を満足する必要がある。しかし、過剰の添加は、高温で長時間使用した場合、母材の脆化を招く。そのため、Ｂ含有量の上限は、０．０２％とする。添加する場合の望ましい含有量は０．００２〜０．００６％である。
【００４１】
Ｎ：下記（１）式を満たす範囲
Ｎは、鋼の製造時、または溶接後熱処理時にフリーのＮとして粒界に偏析し、粒界固着力を低下させて溶接再熱割れ発生の原因となる。これを防止するには、ＴｉまたはＴｉとＢを添加することによるＮの固定が有効である。この効果を得るためには、鋼中のＮが下記の（１）式を満足する必要がある。
［％Ｎ］≦［％Ｔｉ」＋５［％Ｂ］＋０．００４ ・・・・（１）
本発明の耐熱鋼の溶接再熱割れの防止は、▲１▼Ｔｉ、Ｂ添加による粒界のフリーＮを低減させること、▲２▼ＴｉＮのピニング効果によって結晶粒が粗大化するのを防止すること、および▲３▼フリーＢによって粒界の固着力を増大させること、の重畳効果により達成できる。そして、その効果を得るためには、Ｔｉ、ＢおよびＮが上記の（１）式を満足する必要がある。
【００４２】
なお、Ｎの過剰含有は多量の窒化物生成を招き、靱性低下を惹起する一方、Ｎが少なすぎる場合は上記ＴｉＮによるピニング効果が充分に得られない。従って、Ｎの望ましい含有量は０．００５％を超えて０．０１％までである。
【００４３】
平均結晶粒径：１１０μｍ以下
溶接再熱割れは、前記▲１▼、▲２▼および▲３▼を満足しても完全に防止できないことがある。これは、溶接熱サイクルによって粗大化した平滑な粒界面に熱応力による変形が集中することによって溶接再熱割れが発生するためである。これを防止するためには、溶接熱影響部を含む平均結晶粒径を１５０μｍ以下にする必要がある。
【００４４】
図４は、溶接入熱量と溶接熱影響部を含む平均結晶粒径との関係を示す図である。この図は、平均結晶粒径が１０９μｍの鋼板を母材として、サブマージアーク溶接法によって入熱量を変化させて拘束溶接試験を行い、溶接熱影響部の平均結晶粒径を測定した結果を示す図である。この図から明らかなように、溶接熱影響部の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とするためには、母材の平均結晶粒径を１１０μｍ以下、溶接入熱量を７０ｋＪ／ｃｍ以下とすればよい。なお、溶接熱影響部の平均結晶粒径は小さいほどよいので、溶接入熱量は５０ｋＪ／ｃｍ以下に抑えるのがさらに望ましい。
【００４５】
上記の母材の平均結晶粒径は、母材の製造時の焼ならし処理において９００〜１１００℃で５時間以内の熱処理を施すことによって得られる。なお、溶接熱影響部の平均結晶粒径は小さいほどよく、この平均結晶粒径は母材の平均結晶粒径が小さいほど小さくなるので、耐再熱割れ性の一層の改善のためには母材の平均結晶粒径を７０μｍ以下とするのが望ましく、４５μｍ以下にするのがさらに望ましい。このような微細結晶粒の組織にするには、７２０〜８００℃での焼戻しと９００〜１１００℃での焼ならしと７２０〜８００℃での再度の焼戻しとからなる熱処理を施すのが望ましい。
【００４６】
また、本発明の効果は、上記合金元素成分範囲を満足すれば得られるが、より一層の再熱割れ感受性低減のため、不可避的不純物であるＳｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐｂは合計で０．０４％以下であることが望ましい。
【００４７】
【実施例】
表１〜３に示す化学組成に調整した鋼（不純物としてのＳｎ、Ａｓ、ＳｂおよびＰｂの合計で０．０４％以下である）を溶製し、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理の工程を経て、厚さ４０ｍｍの鋼板を製造した。それぞれの条件は、母材の平均結晶粒径が約３０〜１０９μｍとなるように選定した。ただし、鋼符号Ａ７、Ａ１０、Ａ１８、Ａ１９、Ａ２３、Ａ２７〜２９、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ９およびＢ１５については、熱処理時の焼き戻し温度を調整することによって、平均結晶粒径を大きくした。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
【表３】
【００５１】
得られた鋼板から図１に示すような厚さ４０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの平板１を切り出し、片方に開先を設け、厚さ８０ｍｍ、一辺の長さが２００ｍｍの基板２の表面に図２に示すように四周を溶接３した拘束試験体４を作製した。得られた拘束試験体の開先部５に、表４に示す化学組成を有する溶接材料を用いてＴＩＧ溶接法（ＧＴＡＷ、溶接入熱約１８ｋＪ／ｃｍ）、被覆アーク溶接法（ＳＭＡＷ、溶接入熱約２５ｋＪ／ｃｍ）およびサブマージアーク溶接法（ＳＡＷ、溶接入熱約５０ｋＪ／ｃｍ）により多層溶接を施した。
【００５２】
【表４】
【００５３】
溶接材料は、いずれも溶製、熱間加工、線引加工を施す通常のプロセスにより製造された直径１．２ｍｍの線材である。
【００５４】
溶接後、７１５℃に加熱して５時間保持する溶接後熱処理を行った後、溶接部の５箇所の横断面を検査し、溶接熱影響部の割れの有無を調べた。そして、５箇所の断面の全てに割れが認められなかったものを合格（○）、一断面でも割れが認められたものを不合格（×）とした。
【００５５】
割れの評価で合格した試験体からクリープ試験片と衝撃試験片を採取した。
【００５６】
クリープ試験片は、図３に示すように溶接部６が試験片平行部の中央となるように採取した。クリープ試験は、応力を、温度を５５０℃として行った。応力の１９６ＭＰａは、母材の５５０℃でのクリープ破断寿命が約３０００時間となる応力である。そして破断するまでの時間が２４００時間以上となるものを合格とした。
【００５７】
衝撃試験片は、ＪＩＳ Ｚ２２０２に定める４号衝撃試験片とし、ノッチ部に溶接熱影響部を含むように採取した。試験は０℃で行った。そして、吸収エネルギーが４０ジュール（Ｊ）以上を合格、それ以下を不合格とした。
【００５８】
母材および溶接熱影響部の平均結晶粒径は、光学顕微鏡の観察視野（１００倍）内の単位長さ当たりに占める結晶粒の個数から求めた。
【００５９】
それらの結果を表５〜７に示す。
【００６０】
【表５】
【００６１】
【表６】
【００６２】
【表７】
【００６３】
本発明例の符号（Ａ１〜Ａ３１）の鋼は、Ｔｉ含有量が０．００１〜０．０３３％、［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４がいずれもＮ含有量よりも多く、かつ平均結晶粒径が３３〜１０９μｍの範囲にある。このため、溶接再熱割れの試験では、表５および表６から明らかなように、発明鋼による継手（試験番号ＡＪ１〜ＡＪ３５）は、溶接法に関係なく、溶接熱影響部に割れが検出されなかった。また、クリープ破断強度は破断までの時間が２４９３〜２８９６時間の範囲にあり、シャルピー衝撃値は４１〜６５ジュールの範囲にあり良好である。
【００６４】
これに対し、比較例の符号Ｂ１の鋼は、Ｎ含有量が０．０１８％であり、［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも多い。即ち、前記（１）式を満たしていない。このため、表７から明らかなように、試験番号ＢＪ１の継手には、溶接熱影響部に割れが検出された。比較例の符号Ｂ２の鋼は、母材の平均結晶粒径は３８μｍである。しかし、Ｔｉを含有しないため継手とした場合、試験番号ＢＪ２で示すように溶接熱影響部の平均結晶粒径が１５２μｍとなり、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６５】
比較例の符号Ｂ３およびＢ４の鋼は、平均結晶粒径が１２４μｍおよび１４０μｍと大きい。このため、試験番号ＢＪ３〜ＢＪ７の継手は、溶接熱影響部の平均結晶粒径が１５４〜１７３と大きく、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６６】
比較例の符号Ｂ５の鋼は、Ｎ含有量が０．０２０％で、「［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４は０．０１９％であるから、前記（１）式を満たさない。このため、試験番号ＢＪ８の継手には、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６７】
比較例の鋼符号Ｂ６は、前記（１）式を満たすので、割れの発生はないが、Ｔｉを０．０５３％と過剰に含有するため、継手とした場合、試験番号ＢＪ９で示すようにシャルピー衝撃値の吸収エネルギーが１１ジュールと低い。
【００６８】
比較例の鋼符号Ｂ７は、ＴｉおよびＢを含有しないためため、試験番号ＢＪ１０の継手では、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６９】
比較例の符号Ｂ８〜Ｂ１４の鋼は、いずれもＮ含有量が「％Ｔｉ＋５×％Ｂ＋０．００４」よりも多く、（１）式を満たさない。このため、試験番号ＢＪ１１〜１７の継手には、いずれも溶接熱影響部に割れが検出された。
【００７０】
比較例の符号Ｂ１５およびＢ１６の鋼は、いずれもＮ含有量が［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも多く、かつＴｉがピニング効果の発揮に必要な０．００１よりも少ない。従って、試験番号ＢＪ１８およびＢＪ１９の継手にはいずれも割れが検出された。
【００７１】
上記の試験結果から明らかなように、本発明例の鋼板は、化学組成が適正に選定され、Ｎ含有量が（１）式を満足し、さらに平均結晶粒径が小さいため溶接再熱割れが発生せず、十分なクリープ強度と衝撃特性を有する。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の耐熱鋼は、化学組成が最適範囲に決定され、その中でＮ含有量を［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも低くし、さらに平均結晶粒径を１１０μｍ以下に調整されている。この耐熱鋼を溶接した継手部は、後熱処理時の再熱割れ感受性が低く、かつ優れたクリープ強度と衝撃特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験材の溶接開先を示す断面図である。
【図２】拘束溶接試験体を示す図である。
【図３】クリープ試験片を示す図である。
【図４】溶接入熱量と溶接熱影響部を含む平均結晶粒径との関係を示す図である。
【図５】Ｎ含有量と［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４との関係を示す図である。
【符号の説明】
１．平板 ２．基板 ３．溶接部
４．拘束試験体 ５．開先 ６．溶接部
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接後の熱処理の際に発生する割れ感受性の低い、いわゆる耐再熱割れ性に優れた高強度低合金耐熱鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ、化学装置などの耐熱、耐圧配管に用いられる高温材料としては、数％のＣｒを含有する低合金耐熱鋼、９〜１２％のＣｒを含有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ鋼に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼などがよく知られている。中でも、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼（いわゆる、２ １／４％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼）に代表される低合金耐熱鋼は、安価であるため使用環境に応じて多量に使用されている。
【０００３】
数％のＣｒを含有する低合金耐熱鋼は、一般に焼き戻しベイナイト、焼き戻しマルテンサイトなどのいわゆるフェライト系の組織からなり、高Ｃｒ系耐熱鋼やオーステナイト組織からなる鋼に比べて高温強度が低い。このため、近年この低合金鋼をベースにＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ量などを添加して高温強度を高めた低合金耐熱鋼またはその製造方法が下記のごとく数多く提案されている。
【０００４】
（１） Ｃｒ：０．７〜３％、Ｍｏ：０．３〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、更にＷ：０．５〜２．４％、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％、Ａｌ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０５〜０．２％に調整した鋼を、１１００℃以上の温度に加熱したのち常温までに冷却し、常温あるいは加工中または冷却途中において再結晶を生じない温度域で塑性加工を施し、最後に１１００℃よりも低い温度で焼準及びＡＣ１温度以下での焼き戻し処理を行うことにより、溶接熱影響部の軟化の程度を軽減し、さらに母材の衝撃性質を改善した上で、約６００℃までの温度で使用できる鋼の製造方法（特許第２６５９８１３号公報、参照）。
【０００５】
（２） Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｗ：１〜３％、Ｖ：０．１〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ａｌ：０．００５％未満、Ｔｉ：０．００１〜０．１％を含有し、必要に応じてそれぞれ０．０１〜０．２％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、ＺｒおよびＴａならびに０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有し、さらにＭｏ：０．０１〜０．４％を含有し、ＴｉとＮの含有量が「０．０８０≧Ｔｉ（％）−（４８／１４）Ｎ（％）≧０．００３」を満足するクリープ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼（特開平４−２６８０４０号公報、参照）。
【０００６】
（３）Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｗ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ａｌ：０．００５％未満、Ｔｉ：０．００１％以上０．０５０％未満、Ｃｕ：０．１０〜２．５０％からなり、必要に応じてＭｏ：０．０１〜０．４０％、更に０．０１〜０．２０％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、ＺｒおよびＴａならびに０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有し、不純物中のＰ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以下である靱性とクリープ強度に優れた低Ｃｒフェライト系耐熱鋼（特開平５−３４５９４９号公報、参照）。
【０００７】
この鋼は、クリープ強度を高めるため、Ｎ含有量およびＡｌ含有量を０．００５％未満に制限し、Ｔｉを添加してＮを固定した上でＢを添加したものである。また、溶接部の靱性を改善するのため、Ｔｉ、ＣｕおよびＷを添加し、更に、耐酸化性および耐食性を改善するのためにＣｕを、強度を改善するのためにＶ、ＮｂおよびＷを添加した鋼である。
【０００８】
（４） Ｃｒ：０．８〜３．５％、Ｗ：０．０１〜３．０％、Ｖ：０．１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０５％、Ｂ：０．００２０〜０．０２％、Ｎ：０．００５％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１５％以下を含み、必要に応じてＭｏ：０．０１〜１．５％、更に０．０１〜０．２％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、ＣａおよびＴａのうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、Ｂ含有量が下記（ａ）式を満たす高温強度に優れた極低Ｍｎ低Ｃｒフェライト耐熱鋼（特開平８−３２５６６９号公報、参照）。
（１４／１１）Ｂ＞Ｎ−Ｎ（Ｖ／５１）／｛（Ｃ／１２）＋（Ｎ／１４）｝−Ｎ（Ｎｂ／９３）／｛（Ｃ／１２）＋（Ｎ／１４）｝・・・（ａ）
この鋼は、Ｗを添加して高温クリープ強度を高め、長時間使用後にＷによる効果が低減するのを抑えるためにＭｎを０．１％未満に制限し、Ｂを添加して強度低下、靱性低下を防ぎ、高温クリープ強度を高めたものである。Ｂの効果を確実なものとするためＢ含有量が上記のＮ、Ｖ、ＣおよびＮｂの関係式で規制されている。
【０００９】
（５） Ｃｒ：０．３〜１．５％、Ｗ：０．１〜３％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｂ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１５％以下を含み、必要に応じてＭｏ：０．０１〜３％、さらにそれぞれ０．０１〜０．２％のＣａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｔａおよび０．０００５〜０．０５％のＭｇのうちの１種以上を含有する溶接性及び高温強度に優れたフェライト鋼（特開平１０−８１９４号公報、参照）。
【００１０】
この鋼は、４５０℃以上の温度における高温クリープ強度が改善され、かつ靱性、加工性、溶接性においても既存の低合金鋼と同等以上の性能を有し、高Ｃｒフェライト鋼に代替できる低Ｃｒフェライト鋼である。
【００１１】
上記のような低合金耐熱鋼を溶接施工する場合には、溶接低温割れが発生するという問題がある。そのため、溶接低温割れ防止を目的に溶接前に予熱したり、溶接後に熱処理を施すのが一般的である。しかし、これらの低合金耐熱鋼は「溶接後熱処理基準とその解説」（日本高圧力技術協会、応力焼鈍委員会編、日刊工業新聞社、１９９４．９．２６発行）のｐ．１０、２２〜２３、１００、１５０に示されているように溶接後の熱処理時に溶接熱影響部で割れが発生する、いわゆる再熱割れ感受性が高いことが知られている。再熱割れは、溶接低温割れとは異なる機構によって生じるため、予熱温度の管理では防止できない。
【００１２】
低合金耐熱鋼の再熱割れに関する報告は、数多くなされている。例えば、溶接学会誌、第４１巻（１９７２）、第１号、ｐ．５９には再熱割れ感受性指数（ＰＳＲ）が提案されており、１．５％以下のＣｒ量の範囲で再熱割れ感受性がＣｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの増加に伴って高くなり、特に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉはその影響が大きいことが示されている。また、溶接学会誌、第４９巻（１９８０）、第３号、ｐ．２０３には、再熱割れ感受性が鋼中の不純物元素であるＰ、Ｓｂ、ＳｎおよびＡｓの増加により大きくなることが示されている。また、特開昭５９−８０７５５号公報には、耐焼き戻し脆性に優れた低合金耐熱鋼が提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の再熱割れに関する報告または発明は、いずれもＷを含有しない鋼に関するものである。そして、本発明者らの調査によって、Ｗを含有する鋼の場合は高温での強度が高いために、再熱割れ感受性が著しく高くなることが明らかになった。
【００１４】
先にあげた先行文献には、特開平７−２６８０４０号公報および同５−３４５９４９号公報を除いて、溶接割れに関する記載がない。上記特開平７−２６８０４０号公報および同５−３４５９４９号公報には予熱温度管理による溶接低温割れ防止についての記載があるが、Ｗ添加鋼で大きな問題となる再熱割れ性については触れられていない。即ち、現在のところＷを含有し、かつ十分な耐再熱割れ性を有する高強度耐熱鋼は得られていない。
【００１５】
本発明の目的は、Ｗを含有するＣｒ−Ｍｏ系高強度低合金耐熱鋼であって、優れた耐再熱割れ性を有する耐熱鋼を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ｗを含有する低合金耐熱鋼を溶接し、その後の熱処理（Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ、以下「溶接後熱処理」または「後熱処理」という）によって発生した割れを詳細に調査した。その結果、割れは後熱処理の途中に溶融線近傍の結晶粒が粗大化した熱影響部に発生することが判明した。その破面の形態を走査型電子顕微鏡で観察したところ、破面には溶融痕（液相をともなった割れ）が認められず、また、分析の結果では、破面上にはＮの顕著な濃化が認められた。さらに、電子顕微鏡による観察によって割れ近傍の粒内に微細なＶ、Ｎｂの炭化物が生成していることが明らかとなった。
【００１７】
これらの結果から、溶接再熱割れは、次のような要因の重畳効果によって割れが開口する現象であると考えられた。
▲１▼溶接後熱処理によってＮの粒界偏析が加速され、粒界固着力が低下すること、
▲２▼Ｖ、Ｎｂ炭化物による析出強化、Ｗによる固溶強化により粒内が強化されること、
▲３▼溶接熱サイクルにより粗大化した平滑な粒界面に熱応力による変形が集中すること。
【００１８】
これらの結果から、溶接再熱割れを防止するには、Ｔｉまたは／およびＢによってＮの含有形態を調整すればよいことを見い出した。即ち、ＴｉおよびＢは、Ｎとの親和力が強く、安定な窒化物を形成して粒界固着力を低下させる粒界のフリーＮを低減させる。
【００１９】
Ｔｉは、ＴｉＮとして鋼の製造時に主に粒界に生成し、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる結晶粒の粗大化を抑制する。そして、この効果を十分に発揮させるためには、Ｔｉは少なくとも０．００１％以上含有させる必要がある。
【００２０】
Ｂは、偏析傾向が強いため、Ｎと結合しないＢはフリーＢとして粒界に存在して偏析サイトを占め、Ｎ等の粒界弱化元素の偏析を抑制し、粒界固着力を増大させる。その結果、溶接再熱割れの発生を防止することができる。
【００２１】
ただし、当然のことながら、ＴｉおよびＢによる割れ防止の効果は、粒界脆化元素であるＮ量に強く影響される。つまり、多量のＮが含まれる場合は割れ防止に必要なＴｉおよびＢの量も多くなる。そして、後述する実施例のデータからＮ含有量を横軸とし「％Ｔｉ＋５×％Ｂ＋０．００４」を縦軸として、溶接再熱割れが認められないものを○、割れが認められたものを●としてプロットすると図５のようになる。この図からＮ含有量［％Ｎ］と［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４との関係が下記（１）式を満足すれば、溶接再熱割れを防止できることを確認した。
［％Ｎ］≦［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４ ・・・・（１）
しかし、溶熱影響部の平均結晶粒径が１５０μｍを超えると、上記（１）式を満足しても溶接再熱割れの発生を防止できない。溶接熱影響部の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とするためには、母材の平均結晶粒径を１１０μｍ以下にしなければならない。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたもので、その要旨は下記の低合金耐熱鋼にある。
【００２３】
質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：0.05〜1％、Mn：0.11〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：0.01〜0.5％、Cu：0.01〜0.5％、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：0.1〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、Ｗ：1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.04％、Ｂ：0〜0.02％、Al：0.0005〜0.1％、Ｏ：0.1％以下、Ｎ：0.005 ％を超えて 0.01 ％までを含み、Ｎ含有量が下記の(1)式を満足し、残部がFe および不可避的不純物からなり、かつ、平均結晶粒径が110μｍ以下であることを特徴とする高強度低合金耐熱鋼。
［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1)
なお、上記の平均粒径とは、顕微鏡観察視野の写真等において基準長さ当たりの結晶粒の数をカウントし、その数で基準長さを除して求めるものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、各化学成分の作用とその限定理由を述べる。化学成分の％は、質量％を意味する。
【００２５】
Ｃ：０．０３〜０．１５％
Ｃは、炭化物を形成し、高温強度を高めるのに寄与する元素である。また、オーステナイト形成元素として作用し、δフェライトの生成を抑制する。そのためには少なくとも０．０３％以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、溶接低温割れ感受性および溶接後の再熱割れ感受性を増大させる。また、Ｃ含有量の高い鋼は、高温で長時間使用されると脆化する。これらの理由から、Ｃ含有量の上限は０．１５％とする。さらに望ましい上限は０．１２％である。
【００２６】
Ｓｉ：０．０５ 〜 １ ％
Ｓｉは、製鋼時に脱酸元素として添加されるが、鋼の耐酸化性、耐高温腐食性の改善にも有効な元素である。しかし、高温での長時間使用時に靱性の低下を招く。そのため、Ｓｉ含有量の上限は１％とする。望ましい上限は、０．８％である。また、下限は脱酸の効果を確保するためには、０．０５％以上とするのが望ましい。
【００２７】
Ｍｎ：０．１１ 〜 ２ ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に製鋼時に脱酸元素として添加される。しかし、過剰に含有すると高温、長時間使用での強度の低下および靱性の低下を招く。そのため、Ｍｎ含有量は２％以下とするが、望ましいのは１．５％以下であり、さらに望ましいのは０．３５％未満である。また、下限は不可避的不純物のレベルでもよいが、脱酸の効果を確保するためには、０．１１％以上とするのが望ましい。
【００２８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、鋼中に残存する不可避的不純物元素であり、多量に含有すると溶接再熱割れを発生させる。そのため、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。Ｐは低いほど望ましいので下限は特に設けないが、極度の低減はコスト増を招くため、０．０００５％程度が下限となろう。
【００２９】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に残存する不可避的不純物元素であり、多量に含まれると、溶接再熱割れを発生させる。そのため、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。Ｓも低いほど望ましいので下限は特に設けないが、Ｐと同様に精錬コストの面から０．０００５％程度が下限となろう。
【００３０】
Ｎｉ：０．０１ 〜 ０．５ ％
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、δフエライト相の生成を抑え、組織の安定性を確保するために、その含有量を０．０１％以上とするのが望ましい。しかし、過剰の添加は高温での使用中に延性を低下させるため、Ｎｉ含有量の上限は０．５％とする。
【００３１】
Ｃｕ：０．０１ 〜 ０．５ ％
Ｃｕは、Ｎｉと同様オーステナイト生成元素であり、δフェライト相の生成を抑え、組織の安定性を確保するのに役立つ元素であるから、その含有量は０．０１％以上とするのが望ましい。しかし、過剰の添加は高温、長時間での使用中に延性を極端に低下させるため、Ｃｕ含有量は０．５％以下とする。なお、０．１％未満とするのが望ましく、さらに０．０５％未満とするのが一層望ましい。
【００３２】
Ｃｒ：１．８〜２．８％
Ｃｒは、高温での耐酸化性、耐高温腐食性および高温強度を確保するために必須の元素である。しかし、過剰の添加は炭化物の粗大化を招き、かえって高温強度を低下させるとともに、靱性の低下を招く。そのため、Ｃｒ含有量は、１．８〜２．８％とする。
【００３３】
Ｖ：０．１〜０．３％
Ｖは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。しかし、過剰の添加は、溶接後熱処理時に粒内炭化物の析出密度を増大させ、再熱割れ感受性を高める。また、高温での使用中には、急速な炭化物の凝集、粗大化を招き、かえってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は０．１〜０．３％とする。
【００３４】
Ｎｂ：０．０１〜０．０８％
Ｎｂは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。そのためには、０．０１％以上の添加が必要である。しかし、過剰の添加は溶接後熱処理時の粒内炭化物の析出密度を増大させ、再熱割れ感受性を高める。そのため、Ｎｂ含有量は、０．０１〜０．０８％とする。
【００３５】
Ｍｏ：０．０５〜０．３５％
Ｍｏは、鋼のマトリックスを固溶強化するとともに炭化物となって析出し、クリープ強度を高めるのに寄与する元素である。また、Ｐとの親和力が強く、粒界に偏析するＰ量を低減させるため、溶接再熱割れ感受性の低減に寄与する。これらの効果を得るためには少なくとも０．０５％以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は、長時間の使用後には靱性を低下させるので、その上限は０．３５％とする。
【００３６】
Ｗ：１．２〜１．８％
Ｗは、Ｍｏと同様に鋼のマトリックスを固溶強化するとともに炭化物を生成し、クリープ強度を大きく高めるのに寄与する元素である。その効果を得るためには、少なくとも１．２％以上含有させる必要がある。その反面、マトリックスが非常に強化されるため、Ｎが粒界に偏析したとき、脆化した粒界とマトリックスとの強度差が大きくなるため、再熱割れが発生しやすくなる。また、過剰の添加は靱性の低下を招くため、その上限は１．８％とする。
【００３７】
Ａｌ：０．０００５ 〜 ０．１ ％
Ａｌは、鋼の脱酸剤として添加される元素である。しかし、過剰の添加は鋼の清浄度を低下させ、加工性を損なうとともに、高温強度の低下を招く。そのため、Ａｌ含有量は０．１％以下とする。また、極度の低減は鋼の脱酸が不十分となるため、０．０００５％以上とするのが望ましい。
【００３８】
Ｏ（酸素）：０．１％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中の不純物元素であり、主に酸化物として存在して加工性、母材の強度または靱性の低下を招く。また、粒界に酸化物として存在すると、粒界固着力の低下を招き、再熱割れ感受性を高める場合もある。そのため、Ｏ含有量は０．１％以下とするが、０．０６％以下とするのが望ましく、さらに０．０３％以下とするのが一層望ましい。酸素の含有量は低いほど望ましいので特に下限は設けないが、極度の低減は精錬コストの上昇を招くので、実生産上の下限は０．０００５％程度であろう。
【００３９】
Tiは、溶接再熱割れ感受性を低減させるのに必須の元素である。Tiは、Ｎと結合してTiＮを形成し、溶接熱影響部での粒界固着力を低下させるフリーＮ量を低減させる。また、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる溶接熱影響部での結晶粒粗大化を抑制し、再熱割れの発生を防止する。その効果を得るためには、少なくとも0.001％以上の含有が必要であるとともに、後述するＢ、Ｎとの(1)式を満足する必要がある。しかし、過剰の添加は、靱性に極端な低下を招くため、含有量の望ましい上限は、 0.04 ％である。
【００４０】
Ｂ：０〜０．０２％
Ｂは、Ｔｉを含有していれば、特に添加しなくともよいが、Ｎとの親和力が強いため、Ｔｉと同様、窒化物を形成して粒界のフリーＮ量を低減させる効果を有する。また、Ｎと結合しない残りのＢは、フリーＢとして粒界に存在して偏析サイトを占め、Ｎ等の粗界弱化元素の偏析を抑制し、粒界固着力を増大させ、溶接再熱割れの発生を防止する。その効果は、Ｔｉと複合添加することにより顕著となる。したがって、下記（１）式を満足する必要がある。しかし、過剰の添加は、高温で長時間使用した場合、母材の脆化を招く。そのため、Ｂ含有量の上限は、０．０２％とする。添加する場合の望ましい含有量は０．００２〜０．００６％である。
【００４１】
Ｎ：下記（１）式を満たす範囲
Ｎは、鋼の製造時、または溶接後熱処理時にフリーのＮとして粒界に偏析し、粒界固着力を低下させて溶接再熱割れ発生の原因となる。これを防止するには、ＴｉまたはＴｉとＢを添加することによるＮの固定が有効である。この効果を得るためには、鋼中のＮが下記の（１）式を満足する必要がある。
［％Ｎ］≦［％Ｔｉ」＋５［％Ｂ］＋０．００４ ・・・・（１）
本発明の耐熱鋼の溶接再熱割れの防止は、▲１▼Ｔｉ、Ｂ添加による粒界のフリーＮを低減させること、▲２▼ＴｉＮのピニング効果によって結晶粒が粗大化するのを防止すること、および▲３▼フリーＢによって粒界の固着力を増大させること、の重畳効果により達成できる。そして、その効果を得るためには、Ｔｉ、ＢおよびＮが上記の（１）式を満足する必要がある。
【００４２】
なお、Ｎの過剰含有は多量の窒化物生成を招き、靱性低下を惹起する一方、Ｎが少なすぎる場合は上記ＴｉＮによるピニング効果が充分に得られない。従って、Ｎの望ましい含有量は０．００５％を超えて０．０１％までである。
【００４３】
平均結晶粒径：１１０μｍ以下
溶接再熱割れは、前記▲１▼、▲２▼および▲３▼を満足しても完全に防止できないことがある。これは、溶接熱サイクルによって粗大化した平滑な粒界面に熱応力による変形が集中することによって溶接再熱割れが発生するためである。これを防止するためには、溶接熱影響部を含む平均結晶粒径を１５０μｍ以下にする必要がある。
【００４４】
図４は、溶接入熱量と溶接熱影響部を含む平均結晶粒径との関係を示す図である。この図は、平均結晶粒径が１０９μｍの鋼板を母材として、サブマージアーク溶接法によって入熱量を変化させて拘束溶接試験を行い、溶接熱影響部の平均結晶粒径を測定した結果を示す図である。この図から明らかなように、溶接熱影響部の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とするためには、母材の平均結晶粒径を１１０μｍ以下、溶接入熱量を７０ｋＪ／ｃｍ以下とすればよい。なお、溶接熱影響部の平均結晶粒径は小さいほどよいので、溶接入熱量は５０ｋＪ／ｃｍ以下に抑えるのがさらに望ましい。
【００４５】
上記の母材の平均結晶粒径は、母材の製造時の焼ならし処理において９００〜１１００℃で５時間以内の熱処理を施すことによって得られる。なお、溶接熱影響部の平均結晶粒径は小さいほどよく、この平均結晶粒径は母材の平均結晶粒径が小さいほど小さくなるので、耐再熱割れ性の一層の改善のためには母材の平均結晶粒径を７０μｍ以下とするのが望ましく、４５μｍ以下にするのがさらに望ましい。このような微細結晶粒の組織にするには、７２０〜８００℃での焼戻しと９００〜１１００℃での焼ならしと７２０〜８００℃での再度の焼戻しとからなる熱処理を施すのが望ましい。
【００４６】
また、本発明の効果は、上記合金元素成分範囲を満足すれば得られるが、より一層の再熱割れ感受性低減のため、不可避的不純物であるＳｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐｂは合計で０．０４％以下であることが望ましい。
【００４７】
【実施例】
表１〜３に示す化学組成に調整した鋼（不純物としてのＳｎ、Ａｓ、ＳｂおよびＰｂの合計で０．０４％以下である）を溶製し、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理の工程を経て、厚さ４０ｍｍの鋼板を製造した。それぞれの条件は、母材の平均結晶粒径が約３０〜１０９μｍとなるように選定した。ただし、鋼符号Ａ７、Ａ１０、Ａ１８、Ａ１９、Ａ２３、Ａ２７〜２９、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ９およびＢ１５については、熱処理時の焼き戻し温度を調整することによって、平均結晶粒径を大きくした。
【００４８】
【表１】
【表２】
【表３】
得られた鋼板から図１に示すような厚さ４０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの平板１を切り出し、片方に開先を設け、厚さ８０ｍｍ、一辺の長さが２００ｍｍの基板２の表面に図２に示すように四周を溶接３した拘束試験体４を作製した。得られた拘束試験体の開先部５に、表４に示す化学組成を有する溶接材料を用いてＴＩＧ溶接法（ＧＴＡＷ、溶接入熱約１８ｋＪ／ｃｍ）、被覆アーク溶接法（ＳＭＡＷ、溶接入熱約２５ｋＪ／ｃｍ）およびサブマージアーク溶接法（ＳＡＷ、溶接入熱約５０ｋＪ／ｃｍ）により多層溶接を施した。
【００５２】
【表４】
溶接材料は、いずれも溶製、熱間加工、線引加工を施す通常のプロセスにより製造された直径１．２ｍｍの線材である。
【００５４】
溶接後、７１５℃に加熱して５時間保持する溶接後熱処理を行った後、溶接部の５箇所の横断面を検査し、溶接熱影響部の割れの有無を調べた。そして、５箇所の断面の全てに割れが認められなかったものを合格（○）、一断面でも割れが認められたものを不合格（×）とした。
【００５５】
割れの評価で合格した試験体からクリープ試験片と衝撃試験片を採取した。
【００５６】
クリープ試験片は、図３に示すように溶接部６が試験片平行部の中央となるように採取した。クリープ試験は、応力を、温度を５５０℃として行った。応力の１９６ＭＰａは、母材の５５０℃でのクリープ破断寿命が約３０００時間となる応力である。そして破断するまでの時間が２４００時間以上となるものを合格とした。
【００５７】
衝撃試験片は、ＪＩＳ Ｚ２２０２に定める４号衝撃試験片とし、ノッチ部に溶接熱影響部を含むように採取した。試験は０℃で行った。そして、吸収エネルギーが４０ジュール（Ｊ）以上を合格、それ以下を不合格とした。
【００５８】
母材および溶接熱影響部の平均結晶粒径は、光学顕微鏡の観察視野（１００倍）内の単位長さ当たりに占める結晶粒の個数から求めた。
【００５９】
それらの結果を表５〜７に示す。
【００６０】
【表５】
【表６】
【表７】
本発明例の符号（Ａ１〜Ａ３１）の鋼は、Ｔｉ含有量が０．００１〜０．０３３％、［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４がいずれもＮ含有量よりも多く、かつ平均結晶粒径が３３〜１０９μｍの範囲にある。このため、溶接再熱割れの試験では、表５および表６から明らかなように、発明鋼による継手（試験番号ＡＪ１〜ＡＪ３５）は、溶接法に関係なく、溶接熱影響部に割れが検出されなかった。また、クリープ破断強度は破断までの時間が２４９３〜２８９６時間の範囲にあり、シャルピー衝撃値は４１〜６５ジュールの範囲にあり良好である。
【００６４】
これに対し、比較例の符号Ｂ１の鋼は、Ｎ含有量が０．０１８％であり、［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも多い。即ち、前記（１）式を満たしていない。このため、表７から明らかなように、試験番号ＢＪ１の継手には、溶接熱影響部に割れが検出された。比較例の符号Ｂ２の鋼は、母材の平均結晶粒径は３８μｍである。しかし、Ｔｉを含有しないため継手とした場合、試験番号ＢＪ２で示すように溶接熱影響部の平均結晶粒径が１５２μｍとなり、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６５】
比較例の符号Ｂ３およびＢ４の鋼は、平均結晶粒径が１２４μｍおよび１４０μｍと大きい。このため、試験番号ＢＪ３〜ＢＪ７の継手は、溶接熱影響部の平均結晶粒径が１５４〜１７３と大きく、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６６】
比較例の符号Ｂ５の鋼は、Ｎ含有量が０．０２０％で、「［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４は０．０１９％であるから、前記（１）式を満たさない。このため、試験番号ＢＪ８の継手には、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６７】
比較例の鋼符号Ｂ６は、前記（１）式を満たすので、割れの発生はないが、Ｔｉを０．０５３％と過剰に含有するため、継手とした場合、試験番号ＢＪ９で示すようにシャルピー衝撃値の吸収エネルギーが１１ジュールと低い。
【００６８】
比較例の鋼符号Ｂ７は、ＴｉおよびＢを含有しないためため、試験番号ＢＪ１０の継手では、溶接熱影響部に割れが検出された。
【００６９】
比較例の符号Ｂ８〜Ｂ１４の鋼は、いずれもＮ含有量が「％Ｔｉ＋５×％Ｂ＋０．００４」よりも多く、（１）式を満たさない。このため、試験番号ＢＪ１１〜１７の継手には、いずれも溶接熱影響部に割れが検出された。
【００７０】
比較例の符号Ｂ１５およびＢ１６の鋼は、いずれもＮ含有量が［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも多く、かつＴｉがピニング効果の発揮に必要な０．００１よりも少ない。従って、試験番号ＢＪ１８およびＢＪ１９の継手にはいずれも割れが検出された。
【００７１】
上記の試験結果から明らかなように、本発明例の鋼板は、化学組成が適正に選定され、Ｎ含有量が（１）式を満足し、さらに平均結晶粒径が小さいため溶接再熱割れが発生せず、十分なクリープ強度と衝撃特性を有する。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の耐熱鋼は、化学組成が最適範囲に決定され、その中でＮ含有量を［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４よりも低くし、さらに平均結晶粒径を１１０μｍ以下に調整されている。この耐熱鋼を溶接した継手部は、後熱処理時の再熱割れ感受性が低く、かつ優れたクリープ強度と衝撃特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験材の溶接開先を示す断面図である。
【図２】拘束溶接試験体を示す図である。
【図３】クリープ試験片を示す図である。
【図４】溶接入熱量と溶接熱影響部を含む平均結晶粒径との関係を示す図である。
【図５】Ｎ含有量と［％Ｔｉ］＋５［％Ｂ］＋０．００４との関係を示す図である。
【符号の説明】
１．平板 ２．基板 ３．溶接部
４．拘束試験体 ５．開先 ６．溶接部
Claims (4)
- 質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：0.05〜1％、Mn：0.11〜2％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、Ni：0.01〜0.5％、Cu：0.01〜0.5％、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：0.1〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、Ｗ：1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.04％、Ｂ：0〜0.02％、Al：0.0005〜0.1％、Ｏ：0.1％以下、Ｎ：0.005 ％を超えて 0.01 ％までを含み、Ｎ含有量が下記の(1)式を満足し、残部がFe および不可避的不純物からなり、かつ、平均結晶粒径が110μｍ以下であることを特徴とする高強度低合金耐熱鋼。
［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1) - Cuが0.01質量％以上、0.1質量％未満、Mnが0.11質量％以上、0.35質量％未満である請求項１の高強度低合金耐熱鋼。
- Cuが0.01質量％以上、0.05質量％未満、Mnが0.11質量％以上、0.30質量％未満である請求項１の高強度低合金耐熱鋼。
- Ｂが0.002〜0.006質量％である請求項１から３までのいずれかの高強度低合金耐熱鋼。
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