JP3617786B2 - フェライト系耐熱鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はフェライト系耐熱鋼に係わり、特に、火力プラントあるいは化学プラントにおいて、200〜500℃の温度範囲で高温高圧の耐圧部材として好適に用いられる高温強度に優れ、かつ靭性、加工性および溶接性が良好で、経済性に優れたフェライト系耐熱鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】
火力プラントや化学プラント等の高温耐圧部材に使用されている耐熱鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と、フェライト系耐熱鋼であるCr−Mo鋼、Mo鋼および炭素鋼とに大別することができる。これらの耐熱鋼の中から、高温耐圧部の温度、圧力、使用環境および経済性などの点から適切な材料が選択される。これらの耐熱鋼の中で、オーステナイト系ステンレス鋼は高温強度と耐食性の点で最も優れているが、線膨張係数が大きく、熱伝達率が小さく、また本質的に応力腐食割れ感受性を有している。さらに、Cr、Ni等の合金元素の添加量が多いことから高価であり、上述した高温耐圧部材には、使用温度が600℃以上となる場合、あるいは著しい腐食環境となる場合を除いて、ほとんど使用されていない。
フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べると、高温強度と耐食性においては劣るが、比較的安価で経済性に優れており、特に、Mo系のフェライト系耐熱鋼は経済性に優れていることから、火力プラントや化学プラント等の高温耐圧部材として多用されている。
しかしながら、近年、火力プラントや化学プラントでは、発電や操業の高効率化のために使用条件は、より高温高圧に設定される傾向にあり、高強度化されたMo系のフェライト系耐熱鋼の要求が高まっているが、従来技術では、該Mo鋼の高強度化によって靭性や加工性等が損なわれるなどの問題があり、経済性に優れたMo系のフェライト系耐熱鋼に代替できる高強度化されたフェライト系耐熱鋼の実現に対する要望が高くなってきている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
フェライト系Mo鋼の高強度化による工業的な効果は極めて大きいが、従来技術では高強度化によって靭性や加工性が損なわれるという問題があった。例えば、JIS規格のボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管のSTBA 12種や、 STBA13種に示されているフェライト系Mo鋼は、Moの固溶強化と、Fe、Moの微細炭化物の析出強化により高温強度を向上させているが、Moの添加だけでは炭化物の粗大化が速く、十分な長時間のクリープ強度は得られなかった。
また、特開昭63−18038号公報に開示されている材料は、クリープ特性および耐水素浸食性に優れた低合金鋼であるが、Crが2%以上含むことに加えて、実質的にMoが0.75%以上、Wが0.65%以上添加されているにもかかわらず、プラント製作上の重要な溶接性の点については全く考慮されていなかった。加えるに、特開昭63−18038号公報に示されている材料は、高強度化のために1050℃の温度から焼入れ処理を行う必要があるが、火力発電プラントの伝熱管等の現場施工における熱処理として、水冷焼入れを施すことは実際的に不可能な場合が多く、プラントにおける伝熱管等の組み立て加工において問題があった。
さらに、特公平6−2926号公報および特公平6−2927号公報は、500℃以上の耐酸化性、高温耐食性、および550℃以上のクリープ強度を改善する高強度低合金鋼であるが、いずれも耐酸化性改善のために、Mgの添加またはCuとMgの複合添加による相乗効果を期待している。しかしながら、本発明者らの詳細な調査結果から、火力プラント等において、使用温度を500℃以下に限定するならば、あえてMgの添加またはCuとMgを複合添加しなくても十分に使用に耐え得ることを知見した。
【0004】
本発明の目的は、Mo代わりにWを適正量添加することにより、従来のMo鋼系のフェライト系耐熱鋼の靭性や加工性ならびに溶接性を損ねることなく、
200〜500℃の温度範囲における高温高圧の耐圧部材として使用することができる優れた高温強度を有するフェライト系耐熱鋼を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項1に記載のように、重量%で、
C:0.03〜0.25%、
Si:0.10〜1.0%、
Mn:0.10〜2.0%、
Cr:0 . 3%未満、
W:0.4〜4.0%、
Mo:0.01〜0.3%、
V:0.01〜0.4%、
Nb:0.01〜0.1%、
B:0.0060%以下、
N:0.0060%以下、
を含み、残部は鉄および不可避的不純物よりなる高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼とするものである。
Moの代わりにWを0.4〜4.0%の範囲で添加した請求項1に記載のような組成のフェライト系耐熱鋼とすることにより、例えば、200〜500℃の温度範囲でクリープ破断強度および引張強さに優れた高温強度を有し、靭性、加工性および溶接性が従来のMo系フェライト系耐熱鋼と同等に良好であり、かつ経済性に優れたフェライト系耐熱鋼が得られる効果がある。
【0006】
また、請求項2に記載のように、請求項1に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼を900〜1025℃で焼ならしもしくは焼入れした後、600〜700℃で焼もどし処理を施してなるフェライト系耐熱鋼とするものである。
請求項2に記載のように、請求項1の組成のフェライト系耐熱鋼を、900〜1025℃の温度で焼ならしまたは焼入れした後、600〜700℃で、例えば、1〜4時間加熱して、焼もどし処理を施すことにより、上記請求項1の効果に加え、品質が優れた靭性、曲げ加工性および溶接性の良好なクリープ破断強度に優れた高温強度のフェライト系耐熱鋼を歩留まり良く実現できる効果がある。
【0007】
また、請求項3に記載のように、請求項1または請求項2に記載のフェライト系耐熱鋼において、該フェライト系耐熱鋼の使用温度が200〜500℃の範囲で優れた高温強度を有するフェライト系耐熱鋼とするものである。
請求項3に記載のように、請求項1の組成のフェライト系耐熱鋼の使用範囲を、各種プラントの200〜500℃の温度領域に限定することにより、上記請求項1の効果に加え、長期にわたり安全、かつ安定して使用することができ、信頼性を向上できる効果がある。
【0008】
以下に、各元素の作用効果と含有率の限定理由について説明する。
Cは、Fe、Cr、W、Mo、V、Nbと結合して炭化物を形成し、高温強度に寄与すると共に、マルテンサイト、ベイナイト、パーライトおよびフェライト組織の生成割合に重要な関係がある。
Cが0.03%未満では、炭化物の析出量が不足するために十分な強度が得られず、一方、C量が0.25%を超えると、炭化物が過剰に析出して高温での強度、さらに溶接性と加工性をも損なうことになる。したがって、C量の適正範囲は0.03〜0.25%とした。
Siは、製鋼時の脱酸剤として、また、耐酸化性を向上させるために添加する必要があり、0.10%未満では上記効果は不十分であリ良好な特性が得られない。しかし、Si量が1.0%以上になると靭性が低下するので適正範囲は
0.10〜1.0%とした。
Mnは、鋼の熱間加工性を改善し、高温強度の安定化にも寄与するものである。0.10%未満では、その効果が著しく小さい。しかし、2.0%を超えると鋼が硬化して、溶接性と加工性が低下する。また、Siと同様に、焼もどしによる脆化を助長する元素であるで、適正範囲は0.10〜2.0%とした。
Crは、鋼の耐酸化性を改善する元素であるが、本発明鋼は500℃までの温度域で使用するものであることから、さらにCrを増加させると溶接性が低下するので、その上限を0 . 3%とした。Cr添加の下限は、使用温度が500℃以下であるので0%であっても良い。
Wは、母地中に固溶してマトリックスを強化すると共に、一部、炭化物として析出するので、高温強度を向上させることができる。一般に、Cr−Mo系耐熱鋼には、1%を超えるWを添加しているものもあるが、Vの存在下では1%未満のW量の添加でも高温強度、特にクリープ強度の向上が期待できることが分かった。詳細な実験の緒果、Vの存在下においても0.4%未満のW量では実質的効果がなく、また、4.0%を超えると、Wの添加量に対する効果の割合が小さくなってしまうので、その適正範囲は0.4〜4.0%とした。
MoもWと同様に、母地中に固溶してマトリックスを強化すると共に、一部、炭化物として析出するので高温強度を向上させる効果がある。0.01%未満では実質的な効果は生じない。また、Wと同時に0.3%以上のMo量を添加すると加工性、溶接性および耐酸化性が低下し、かつ材料コストが上昇するので、適正範囲は0.01〜0.30%とした。
Vは、主にCと結合して炭化物を析出し、高温強度、特に、Wを同時に添加することによってクリープ強度の向上に著しい効果をもたらす。その添加量が
0.01%未満では実質的な効果が生じない。また、0.4%を超えると焼きならし、あるいは焼入れ時に、未固溶のV炭化物が粗大化して、その添加効果を低減させる。したがって、適正範囲は0.01〜0.4%とした。
Nbは、微細な炭化物を均一に分散析出し、高温強度を向上させると共に、固溶化熱処理時に、未固溶のNb炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制することにより靭性を向上させる効果がある。0.01%未満では、その実質的な効果はなく、0.10%を超えると未固溶のNb炭窒化物が粗大化し、強度ならびに靭性とも低下する。このことから、適正範囲は0.01〜0.10%とした。
Bは、微量添加によリ焼入れ性を向上させる効果は一般的に知られているが、焼入れ性を促進する効果以外に、炭化物を分散、安定化して強度と靭性を改善する効果もある。また、オーステナイト粒界を清浄化し、高温強度、特に、クリープ強度の向上に寄与する。しかし、0.0060%を超えると溶接性および加工性を低下させる他、熱間加工性を著しく阻害する。したがって、B添加の上限は0.0060%とし、その下限は0%であっても良い。
Nは、強度と靭性を向上するのに有効であるが、多量添加はブローホールの発生や溶接性に悪影響を及ぼすため、その上限を0.0060%とした。なお、N添加の下限は0%であっても良い。
本発明のフェライト系耐熱鋼は、上述した成分の他、残部はFeおよび不可避的に混入する不純物よりなる。鋼の不純物として代表的なものはP(リン)とS(イオウ)である。Pは0.020%以下、Sは0.010%以下が望ましい。さらに、脱酸剤として用いるAlは0.030%以下が望ましい。
本発明のフェライト系耐熱鋼の特性は、常温〜500℃における許容応力が、ボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管JIS G 3462(1973)STBA 13種の約1.3倍以上で、常温における衝撃値が40J以上である。これを達成するための熱処理条件は、焼きならしまたは焼入れした後に、焼もどし処理を施すものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を例示し、さらに詳細に説明する。
表1に示す化学組成を有する本発明鋼の試験片(板厚25mm)を作製し、
900〜1025℃の温度に加熱して焼ならし(または焼入れ)処理を行った後、焼もどし処理(および溶接後の応力除去焼鈍相当処理)として、600〜700℃の温度で約1〜4時間、加熱処理を施した。
【0010】
【表1】
【0011】
表2に比較鋼として、ボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管JIS G 3462(1973) STBA 13種に相当するフェライト系Mo鋼の化学組成を示す。
【0012】
【表2】
【0013】
表3は本発明鋼、表4は比較鋼のそれぞれについて、高温(400℃と500℃)引張強さ、500℃,10000h(時間)のクリープ破断強度および室温での衝撃値を示す。なお、高温引張強さ、クリープ破断強度の試験はφ6mm×GL(Grade Line…勾配)30mmの試験片を用いて実施した。
【0014】
【表3】
【0015】
【表4】
【0016】
図1に、本実施の形態で得られた上記の諸特性値のうち、500℃で1万時間のクリープ破断強度〔Larson and Miller Process(LMP法)による推定値〕とW含有量との関係をプロットした。
本発明鋼は比較鋼のクリープ破断強度(500℃,10000h)の約1.3倍の強度を有しており、高温強度の向上を確認することができた。また、400℃と500℃の引張強さも比較鋼と比べて、400℃においては約1.17倍、500℃においては約1.19倍の引張強さを示しており、優れた高温強度を有している。また、常温の衝撃特性も109〜152Jの範囲で問題がないものと考えられる。
また、靭性、曲げ加工性および溶接性については、従来の JIS STBA 13種と同等あるいはそれ以上であった。
なお、表1に示す試験片の中で、No.3の試料のW含有量3.39%が最高であるが、この他、W含有量が4.0%未満(3.6%、3.9%等)含有する試料についても上記と同様の結果が得られることを確認している。
【0017】
【発明の効果】
本発明は、200〜500℃の温度領域で使用できる高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼を提供するものである。本発明鋼は高温強度が高く、しかも靭性、曲げ加工性および溶接性も従来のフェライト系耐熱鋼と同等あるいはそれ以上であり、この特性と経済性とによって火力プラントや化学プラントの耐圧部材に広く利用できるものであり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態で例示した500℃,1万時間のクリープ破断強度
(MPa)とW添加量との関係を示すグラフ。
Claims (3)
- 重量%で、
C:0.03〜0.25%、
Si:0.10〜1.0%、
Mn:0.10〜2.0%、
Cr:0 . 3%未満、
W:0.4〜4.0%、
Mo:0.01〜0.3%、
V:0.01〜0.4%、
Nb:0.01〜0.1%、
B:0.0060%以下、
N:0.0060%以下、
を含み、残部は鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。 - 請求項1に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼を900〜1025℃で焼ならしもしくは焼入れした後、600〜700℃で焼もどし処理を施してなることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。
- 請求項1または請求項2に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼の使用温度が200〜500℃の範囲であることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。
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