JP3854894B2 - 高温強度に優れた低合金耐熱鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にボイラ用鋼管などに使用される高温強度に優れた低合金耐熱鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ用鋼として、使用温度、圧力に応じて炭素鋼からオーステナイトステンレス鋼まで使用されているが、近年蒸気条件の高温、高圧化プラントが建設あるいは計画されてきており、より高強度の材料に対する要求が一段と高まっている。
【０００３】
現在稼動しているプラントの主流である蒸気圧力２４６ｋｇｆ／ｃｍ^２を３５０ｋｇｆ／ｃｍ^２まで高圧化する場合、同じ管肉厚で設計するためには、約１．５倍の強度が必要である。すなわち、現在汎用されている低合金鋼の１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼を例にとると、５７５℃の許容応力２．６ｋｇｆ／ｍｍ^２である強度を１．５倍の３．９ｋｇｆ／ｍｍ^２にまで高める必要がある。
【０００４】
低合金鋼のクリープ破断強度は、高温長時間側で急激に低下する傾向があるため、この許容応力を満たすためには、５７５℃、１万時間のクリープ破断強度として１５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上が要求される。
【０００５】
６００℃以下の温度においては、現在１〜２％ＣｒのＣｒ−Ｍｏ鋼が主に使用されている。同じ温度で蒸気圧力を高圧にする場合、現用のＣｒ−Ｍｏ鋼の管肉厚を厚くし対処することは可能であるが、プラントの重量が増すため大幅な設計変更を余儀なくされる。
【０００６】
より高強度の材料として、ＳＴＢＡ２８（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ）が火力基準に規格化されているが、この材料はＣｒを多量に添加するため高価になり経済性に難点がある。
【０００７】
上記の様な従来鋼種の欠点を改善するための高強度の低合金鋼として、クリープ破断強度に有効なＮｂの添加を特徴の一つとした特開平２−２１７４３８号公報、特開平３−８７３３３号公報、特開平２−２１７４３８号公報、特開平４−２６８０４０号公報、特開平５−３４５９４９号公報、特開平２−２１７４３９号公報などに開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したＮｂ添加を特徴の一つとした高強度の低合金鋼は、前記の蒸気条件の高温、高圧化に対応可能なクリープ破断強度を十分満たしていない。本発明の目的は、Ｃｒを多量に添加しないで蒸気条件の高温、高圧化に対応可能な高温強度に優れた低合金耐熱鋼を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し、目的を達成するために本発明に係る低合金耐熱鋼は以下の構成を備えている。
【００１０】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０５％，Ｓｉ：０．１〜０．６％，Ｍｎ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．５〜１．５％，Ｔｉ：０．０３〜０．１％，Ｂ：０．００１〜０．００５％，且つ、Ｍｏ：０．２〜０．７％及びＷ：０．４〜１．４％から選択された一種又は二種、残部Ｆｅからなる高温強度に優れた低合金耐熱鋼である。
【００１１】
本発明に係る低合金耐熱鋼によれば、Ｎｂを添加せず、かつ、Ｃｒを多量に添加しないので、低コストで、従来鋼種の欠点を改善し、かつＮｂ添加鋼では達成できなかったクリープ破断強度を十分満たすことができる。具体的に述べれば、５７５℃、１万時間で１５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上のクリープ破断強度を有する。このため、本発明に係る低合金耐熱鋼は、特に、圧力３５０ｋｇ／ｃｍ^２、温度５７５℃程度までの部位に適する鋼材として有効である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者は、クリープ破断強度に有効なＭｏ．Ｗとともに析出強化元素のＴｉを添加して、Ｎｂを添加せず、かつ、Ｃｒを多量に含有させることなく所望のクリープ破断強度を有し、蒸気条件の高温、高圧化に対応し得る鋼について研究した。その結果、ＭｏあるいはＷと微量のＴｉ、Ｂを添加することにより現用の１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼に比べて著しくクリープ破断強度が向上することを見出し、本発明を完成した。
【００１３】
以下に本発明の成分添加理由、成分範囲限定理由について説明する。以下％は質量％を示す。
【００１４】
Ｃ：Ｔｉ、Ｍｏ．Ｗと炭化物を形成しクリープ破断強度を向上させる元素である。その添加量が、０．０１％未満では炭化物の析出量が少なく十分な強度が得られない。０．０５％を超えると溶接後熱処理が必要となるため、０．０１〜０．０５％の範囲にする。
【００１５】
Ｓｉ：脱酸剤として添加されるが、０．１％未満では脱酸の効果が十分でなく、０．６％を超えるとクリープ破断強度を低下させることから、その範囲を０．１〜０．６％とする。
【００１６】
Ｍｎ：脱酸、脱硫剤として添加されるが、０．１％未満ではその効果が十分でなく、０．５％を越えるとＳｉと同様クリープ破断強度を低下させることから、その範囲を０．１〜０．５％とする。
【００１７】
Ｃｒ：耐酸化性に有効であり、Ｃｒ炭化物を形成し高温強度を向上させる元素であるが、０．５％未満では耐酸化性が十分でないこと、１．５％を超えるとＴｉ系の炭化物の生成量を低下させクリープ破断強度を低下させるため、その範囲を０．５〜１．５％にする。
【００１８】
Ｍｏ．Ｗ：固溶強化元素、炭化物形成元素として高温強度に有効であるが、高価な元素であるため過剰な添加は経済性を損なう。また、凝固時に偏析しやすい元素であり、材質の不均一さを助長するため、その添加量をそれぞれ０．２〜０．７％、０．４〜１．４％にする。
【００１９】
Ｔｉ：炭化物生成元素であり、微細析出物を形成してクリープ破断強度を向上させる。０．０３％未満ではその効果が現れず、０．１％を超えると粗大なＴｉＣを形成しクリープ破断強度を低下させるため、その範囲を０．０３〜０．１％にする。
【００２０】
Ｂ：クリープ破断強度の改善に有効な元素であるが、０．００１％未満ではその効果が認められず、０．００５％を超えると熱間加工性を低下させ製造時キズ等の発生原因になるため、その添加量を０．００１〜０．００５％の範囲にする。
【００２１】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、１２００〜１２５０℃で加熱し、熱間圧延で１２ｍｍｔの板にした。圧延ままおよび９５０℃、３０分の熱処理を施した素材からクリープ試験片を採取し、６００℃、６５０℃でクリープ破断試験を実施し、６００℃、１万時間の破断強度を求めた。比較鋼としての現用鋼１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼の平均破断強度と併せて表２に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
本発明鋼の圧延まま材の６００℃、１万時間クリープ破断強度は１５ｋｇ／ｍｍ^２以上であり、現用規格鋼である１Ｃｒ−０．５Ｍｏの６００℃、１万時間平均破断強度５ｋｇ／ｍｍ^２を大幅に上回る。９５０℃、３０分の熱処理材は、圧延まま材よりクリープ破断強度は低くなるが、６００℃、１万時間破断強度は約１１ｋｇ／ｍｍ^２であり、現用鋼より２倍の破断強度である。
【００２５】
本発明鋼１の圧延まま材の６００℃のクリープ破断試験結果を、現用鋼の１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼の６００℃の平均破断強度と比較して図１に示す。本発明鋼の破断強度が比較鋼にくらべ大幅に向上しているのが明らかである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、現用鋼より大幅にクリープ破断強度が高い耐熱鋼が得られ、火力発電設備の蒸気条件の高温、高圧化に十分資する材料の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る低合金耐熱鋼のクリープ破断試験結果を従来の１Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼と対比して示した図。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０５％，Ｓｉ：０．１〜０．６％，Ｍｎ：０．１〜０．５％，Ｃｒ：０．５〜１．５％，Ｔｉ：０．０３〜０．１％，Ｂ：０．００１〜０．００５％，且つ、Ｍｏ：０．２〜０．７％及びＷ：０．４〜１．４％から選択された一種又は二種、残部Ｆｅからなる高温強度に優れた低合金耐熱鋼。

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