JP3787212B2

JP3787212B2 - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP3787212B2
Application number: JP06842197A
Authority: JP
Inventors: 正浩大神; 泰士長谷川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JPH10259452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高Cr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−プ破断特性および高温酸化特性の優れたフェライト系Cr含有ボイラ鋼管用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電においては熱効率を向上させる観点から６２０℃以上の蒸気条件における高温高圧化が進められ、現行の超臨界圧条件から中間ステップを経て超々臨界圧条件に引き上げる計画が推進されている。このような発電条件の動向に伴い、ボイラ管等の材料選択において、耐酸化性と高温強度の観点から現在使用されている２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼では適用が難かしい。一方、オーステナイト系耐熱鋼の適用が考えられるが、コストアップ等の問題がある。したがって、この二者の間に位置する高強度高靭性のフェライト系耐熱鋼の開発が望まれている。
【０００３】
このような事情に鑑みクリ−プ破断強度が従来材を大幅に上回る新しい鋼種が開発され提案が行なわれている。これまで 9Cr-1Mo鋼および 9Cr-2Mo鋼などの高Crフェライト系耐熱鋼が提案されているが、これらは何れも上記の超々臨界圧蒸気条件ではクリープ破断強度の点から適用が難しい。
これらの要求特性を向上させた鋼が開発され、(Mo+W) と Nb 量の関係を定めてクリ−プ特性と靭性の向上を図り、また、クリ−プ強度の向上に最適範囲の W、Nb 添加が有効なことが知られている。
【０００４】
しかしながら、従来の高Crフェライト鋼においてはCr含有量が9%〜12% 程度であり、クリープ破断強度は高いが、620 ℃以上の蒸気条件においては高温酸化が課題となる。
特公昭62-297436 号公報においてクリープ破断強度に優れた高強度フェライト系耐熱鋼管用鋼が開示されている。しかし、Crの含有量が8%〜13% であるため、高温での酸化が懸念される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来の欠点を改良して、超々臨界圧ボイラなどで使用できるよう金属組織の構成比を制御するとともにCr量を増加させることにより、クリープ破断強度および耐高温酸化性を向上させた高Crフェライト系耐熱鋼を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の目的を達成するために、合金成分の最適化をはかり、ＭｏとＷ量の添加量を適正化すると同時に、フェライトの含有量を制御し、高温強度と耐高温酸化性のすぐれたフェライト系耐熱鋼を提供するものである。
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．０１％〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１％〜０．８０％、Ｍｎ：０．０５％〜１．５０％、Ｃｒ：１５．２３％〜１８．００％、Ｍｏ：０．０５％〜１．５０％、Ｗ：０．０５％〜４．００％、Ｖ：０．０５％〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２％〜０．１５％、Ａｌ：０．００２％〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０％〜０．１１０％を含有し、Ｐ、Ｓ、Ｏを、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１５％以下に制限し、必要に応じて、更に、Ｎｉ：０．０１％〜０．５０％、Ｃｏ：０．０１％〜５．００％の１種または２種を含有し、あるいは更に必要に応じて、Ｂ：０．００１％〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなる鋼であって、次式
フェライト量（％）＝１０Ｃｒ％＋９Ｍｏ％＋２０Ｗ％＋１１Ｓｉ％＋１９Ｖ％＋８０Ｎｂ％−２３０Ｃ％−２２０Ｎ％−８Ｍｎ％−２３Ｎｉ％−９Ｃｏ％−１３７％
で計算されるフェライト量が１０％〜５０％であり、さらに次式
２．８≦２Ｍｏ％＋Ｗ％≦４．０
を満足し、フェライト−マルテンサイト２相組織を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明はCr量を増加させ、フェライト含有量を制御することにより、耐高温酸化性に優れた高クリープ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼を提供するものである。
本発明者らは化学成分を変化させフェライト量との関係を実験・解析した結果、フェライト量の推定が次式

で可能なことを見いだし、そのフェライト量を10% 〜50% に規定した。
【０００８】
また、クリープ破断強度の改善のため、ＭｏおよびＷ量の適正バランスが規定されるが、本発明者らは上記成分範囲内のＭｏおよびＷが
２．８≦２Ｍｏ％＋Ｗ％≦４．０
を満足すればクリープ強度を改善できることを見いだした。２Ｍｏ％＋Ｗ％が２．８未満だとクリープ破断強度の改善が小さく、４．０を超えると粗大なＬａｖｅｓ相の生成および凝集粗大化が促進するため長時間側でのクリープ破断強度が急激に低下する。このため２Ｍｏ％＋Ｗ％を２．８〜４．０とした。
【０００９】
本発明において金属組織を規定するフェライト量を前記のごとく限定した理由を下記に述べる。
前記成分の高Cr鋼は、良好なクリープ破断特性、耐高温酸化性、靱性および加工性に優れているが、計算値のフェライト量が10% 未満の場合はマルテンサイト量が多くなり常温強度が高くなり加工性が損なわれる。また、計算値のフェライト量が50% を超えるとクリープ破断強度および靱性の低下が大きくなり、靱性の確保が困難となる。以上の理由により、計算値のフェライト量を10% 〜50% の範囲に規定した。
【００１０】
本発明において使用した鋼の各成分範囲を限定した理由を以下に述べる。
C は主に MC （M は合金元素を指す、以下も同じ）および M₂₃C₆型の炭化物として析出し、強度及び靭性に大きな影響を及ぼす。0.01% 未満では析出量が少なく、析出強化に不十分であり、0.15% 超では靭性が低下するともに、炭化物の凝集粗大化が促進され、高温長時間側のクリープ破断強度を低下させるので、0.01% 〜0.15% の範囲に限定する。
【００１１】
Siは脱酸効果，強度確保および耐酸化性のために添加されるが、靭性に悪影響を及ぼす元素である。したがって脱酸，強度，耐酸化性の点から下限を 0.01%とし、靭性の点から上限を 0.80%とした。
Mnは脱酸のためのみでなく強度の改善に必要な元素であり、最低 0.05%以上の添加が必要である。しかし、過剰な添加は高温強度および靭性を低下させるため上限を 1.50%とした。
【００１２】
Ｃｒは高温の耐酸化性を確保する上で必要不可欠な元素であり、フェライト中に固溶し耐高温酸化性を向上させる。また、マトリックス中へＭ_２３Ｃ_６型炭化物を析出させる効果を有し、高温強度を高めている。１５．２３％未満では高温での耐酸化性が不足となり、一方、１８．００％超ではフェライトの抑制が難しくなり、強度と靭性の低下が生じるので、Ｃｒ量を１５．２３％〜１８．００％の範囲に限定する。
【００１３】
Moは固溶強化をもたらすと同時に、 M₂₃C₆を安定化させ、高温強度を向上させる。0.05% 未満では効果が小さく、1.50% 超ではフェライトの生成を促進すると同時に、 M₆Cと Laves相の析出および凝集粗大化を促進させるので、0.05% 〜1.50% の範囲とした。
W は固溶強化と M₂₃C₆の微細析出に寄与すると同時に、炭化物の凝集粗大化を抑制し、高温長時間側のクリープ破断強度を著しく向上させる。最低 0.05%以上が必要であるが、4.00% を越えると、δフェライトと粗大な Laves相が生成しやすくなり、高温強度と靭性を低下させるため、0.05% 〜4.00% の範囲とした。
【００１４】
V は析出強化元素として微細な炭窒化物を析出し、高温強度を高める。0.05% 未満では効果が不十分であり、0.50% 超では V(C,N) の粗大化を招くだけではなく、 M₂₃C₆として析出しうる C量を減少させ、高温強度を低下させるので、0.05% 〜0.50% の範囲に限定する。
Nbは炭窒化物として析出し、高温強度を高めるとともに、組織微細化の作用により靭性を改善するため、最低 0.02%が必要である。しかし 0.15%を超えて過剰添加すると、焼きならし温度ではマトリックスに完全に固溶しきれず、十分な強化効果が得られないので、0.02% 〜0.15% の範囲に限定する。
【００１５】
Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、フェライトの生成を抑制する効果を有し、靭性の改善にも有効であるため、必要に応じて添加する。しかし、０．０１％未満では靭性改善の効果が小さく、０．５０％超では長時間での析出物の凝集粗大化をまねき、クリープ破断強度が低下するため、０．０１％〜０．５０％の範囲に限定する。Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、フェライトの生成を抑制すると同時に、析出物を安定化させ、高温強度を高めるため、必要に応じて添加する。しかし、０．０１％未満では析出物安定化の効果が小さく、５．００％超ではコストが高く、脆化も起こりやすくなるので、０．０１％〜５．００％の範囲に限定する。
【００１６】
Ｎは窒化物または炭窒化物を析出させ、高温強度を高める重要な元素の一つである。０．０１０％以上の添加により効果を発揮するが、０．１１０％を超えると、窒化物の粗大化と靭性の低下をもたらすだけではなく、製造上も困難となるため、０．０１０％〜０．１１０％の範囲に限定する。Ａｌは脱酸剤として使われるが、その量は結晶粒径や機械的性質に大きな影響を及ぼす。０．００２％未満では脱酸として不十分で、０．０５０％超ではクリープ破断強度が低下するので、０．００２％〜０．０５０％の範囲に限定する。
【００１７】
P は焼き戻し脆化および再熱割れ感受性に悪影響を及ぼすため上限を 0.030% とした。
S は靭性劣化，異方性および再熱割れ感受性の増大の原因となるので上限を 0.010% とした。
O は靭性に悪影響を及ぼす酸化物の生成の原因となるので上限を 0.015% とした。
【００１８】
Ｂは粒界強化およびＭ_２３（Ｃ，Ｂ）_６などの析出による析出強化をもたらし、高温強度を向上するため、必要に応じて添加する。添加量が０．００１％未満ではその効果が小さく、０．０３０％超では粗大なＢ含有相を生じさせる傾向にあり、また脆化が起こりやすくなるため、０．００１％〜０．０３０％の範囲に限定する。本発明鋼は金属組織の構成比、即ちマルテンサイト組織中にフェライトを１０％〜５０％含有させる金属組織を有するとともにＣｒ量を増加させることにより、クリープ破断強度および耐高温酸化性を向上させた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼である。
【００１９】
本発明鋼は鋼管のみならず、厚板および薄板の形で提供することも可能であり、熱処理を施した板を用いて種々の耐熱材料の形状で使用することが可能である。また、この発明鋼の熱間加工の例として圧延が挙げられるが、発明の効果は鍛造等でも変わらず、熱間加工の手法にはよらない。
【００２０】
【実施例】
表1 に供試鋼の化学成分を示す。これらの鋼を真空炉で溶解し、熱間圧延にて板厚15mmの板を製造し、その後1050〜1100℃で1 時間加熱後空冷して焼ならし、750 〜800 ℃で1 時間均熱保持後空冷して焼戻しを行った。
板材の板厚中心部より試験片を採取し、クリープ破断試験、衝撃試験および耐食性の試験を実施した。
【００２１】
表２は６５０℃×１万時間までのデータで直線外挿して求めた６５０℃×１０万時間クリ−プ破断推定強度、衝撃試験結果および耐食性試験結果を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【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比べ、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、靭性等実用上の特性も優れており、超々臨界圧火力発電、原子力発電など多くの分野への適用ができ、産業界に貢献するところが極めて大きい。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０１％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．０５％〜１．５０％、
Ｃｒ：１５．２３％〜１８．００％、
Ｍｏ：０．０５％〜１．５０％、
Ｗ：０．０５％〜４．００％、
Ｖ：０．０５％〜０．５０％、
Ｎｂ：０．０２％〜０．１５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０５０％、
Ｎ：０．０１０％〜０．１１０％
を含有し、Ｐ、Ｓ、Ｏを、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｏ：０．０１５％以下
に制限し、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなる鋼であって、次式
フェライト量（％）＝１０Ｃｒ％＋９Ｍｏ％＋２０Ｗ％＋１１Ｓｉ％＋１９Ｖ％＋８０Ｎｂ％−２３０Ｃ％−２２０Ｎ％−８Ｍｎ％−２３Ｎｉ％−９Ｃｏ％−１３７％
で計算されるフェライト量が１０％〜５０％であり、さらに次式
２．８≦２Ｍｏ％＋Ｗ％≦４．０
を満足し、フェライト−マルテンサイト２相組織を有することを特徴とする、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｃｏ：０．０１％〜５．００％
の１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
さらに、質量％で、
Ｂ：０．００１％〜０．０３０％
を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。