JP3997178B2 - ＣｒＭｏＶ鋼材の非破壊的なクリープ損傷評価法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電設備や加熱炉等の、高温下で長期間使用される鋼材のクリープ損傷の進行度合いを非破壊的に且つ高精度に評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所のボイラ等に用いられるＣｒＭｏＶ鋼材は長期にわたる使用によりクリープ損傷を受けるため、使用の過程において非破壊的にクリープ損傷を調査して、管理する必要がある。従来の非破壊的なクリープ損傷評価法としては、顕微鏡によりクリープボイドの数を計測し、その数によりクリープ損傷の進行度合いを評価する「クリープボイド観察法」、鋼材の硬さの低下度合いにより評価する「硬さ法」、及び鋼材の電気抵抗の変化により評価する「電気抵抗法」等がある。
【０００３】
しかしながら、従来の非破壊的なクリープ損傷の評価方法のうち、「クリープボイド観察法」はクリープボイドを目視により直接観察できる反面、クリープボイドの判別に個人差が生じやすいという欠点があった。また、「硬さ法」及び「電気抵抗法」はいずれも実機での計測が比較的容易であるという利点があるが、「硬さ法」ではクリープ損傷後期以降における評価精度が低下し、また「電気抵抗法」ではクリープ損傷中期以降の評価ができないという問題点があった。
【０００４】
一方、ＣｒＭｏＶ鋼材は炭化物が微細に析出していることによりクリープ強度が保たれているが、クリープ損傷を受けるとその炭化物が凝集粗大化するとともに、炭化物の形態が変化することが知られている。例えば、ＣｒＭｏＶ鍛鋼材の場合、初期の鍛鋼材に含有されているＦｅ3Ｃがクリープ損傷の進行に伴って徐々にＭ23Ｃ6（Ｍは主にＣｒである）型炭化物に変化することを利用し、鍛鋼材中のＭ23Ｃ6型炭化物のＦｅ3Ｃに対する含有量比を計測することによりクリープ損傷の進行度合いを評価する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法は、抽出レプリカ法により非破壊的に炭化物をＣｒＭｏＶ鍛鋼材から採取し、得られた炭化物をＸ線回折分析により調査するものであり、簡便で人為的な判断が入らない評価手法である。
【０００５】
しかしながら、ＣｒＭｏＶ鋼材のうち、実用機のＣｒＭｏＶ鋳鋼材など、クリープ損傷の評価に上記のＭ23Ｃ6型炭化物の析出量を指標とする方法が適用できない部材があり、このようなＣｒＭｏＶ鋼材において、簡便且つ高精度にクリープ損傷の進行度合いを評価できる方法が求められていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２５７７８８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、鋳造品などのＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを簡便且つ高精度に評価できる方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が、火力発電設備の車室やバルブなど、ＣｒＭｏＶ鋼材製の経年劣化した部材の析出物を分析したところ、同一の使用条件にも関わらず、Ｍ23Ｃ6型炭化物の析出量が多いものとＭ6Ｃ型炭化物の多いものとがあることが分かった。このように、同じＣｒＭｏＶ鋼材でも炭化物の析出の挙動に違いが生じるのは、部材の製造時（加工時）における熱処理条件の違い、並びにＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度及び引張強さなどの初期の物理的性質の違いに起因することを、本発明者等は見出した。そして、このようなＭ6Ｃ型炭化物の析出が顕著となるようなＣｒＭｏＶ鋼材を特定すべく、本発明者等が更に検討を進めた結果、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下であるＣｒＭｏＶ鋼材において、クリープ損傷の進行に伴ってＭ6Ｃ型炭化物の析出が顕著となり、このＭ6Ｃ型炭化物の析出量を、クリープ損傷の進行度合いの指標とすることができることを知見した。
【０００９】
ＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度及び引張強さは、ＣｒＭｏＶ鋼材の製造時（加工時）における熱処理条件によって変化する。例えば、製造時の熱処理温度が比較的低い鍛造品では、初期の鍛造品に析出する炭化物がＦｅ3Ｃを主とするものであるに対し、製造時の熱処理温度の高い鋳造品においては、初期の鋳造品に析出する炭化物がＭ7Ｃ3型を主とするものとなっている。このような熱処理条件の差及びそれに伴う初期析出物（炭化物）の違いは、ＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬さ及び／又は引張強さの違いに現れ、本発明の評価方法の対象である初期のビッカース硬度又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材は、後者の製造時の熱処理温度が高く、初期の析出物がＭ7Ｃ3型炭化物を主とするものである。そして、このＭ7Ｃ3型炭化物は、クリープ損傷の進行に伴って徐々にＭ6Ｃ3型炭化物に変化する。よって、ＣｒＭｏＶ鋼材中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を測定することによって、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行の度合い、即ち余寿命を評価することができる。
【００１０】
このように、本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材では、クリープ損傷の進行に伴って増加するＭ6Ｃ型炭化物の含有量を指標とすることにより、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
即ち、本発明は、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷を非破壊的に評価する方法であって、前記ＣｒＭｏＶ鋼材表面に析出した炭化物を採取し、該炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定し、該測定結果より前記ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価する、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法に関する。
【００１２】
上記本発明のクリープ損傷評価法は、ＣｒＭｏＶ鋼材が鋳造品である場合に好適に用いることができる。
【００１３】
また、上記本発明のクリープ損傷評価法では、Ｘ線回折分析により得られるチャートにおけるＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物のそれぞれのピーク強度より、前記Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、初期のビッカース硬さが２００以下のＣｒＭｏＶ鋼材、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷を非破壊的に評価する方法であって、ＣｒＭｏＶ鋼材表面に析出した炭化物を採取し、該炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定し、該測定結果より前記ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価する、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法である。
【００１５】
即ち、本発明の評価方法を用いることにより、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の評価において、従来のＭ23Ｃ6型炭化物の析出量を指標とする方法が適用できなかった部材についても、簡便に且つ高精度な非破壊評価を行うことができる。
【００１６】
本発明のクリープ損傷評価法の評価対象となるＣｒＭｏＶ鋼材は、初期のビッカース硬度が２００以下のＣｒＭｏＶ鋼材又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材である。本発明の評価対象となるＣｒＭｏＶ鋼材は、必須成分としてＣｒ、Ｍｏ及びＶを必須成分とする鋼材である。鋼材中におけるこれら必須成分の含有量としては、例えば、Ｃｒが１．００〜１．５０％、Ｍｏが０．９０〜１．２０％、Ｖが０．１５〜０．２５％である。ＣｒＭｏＶ鋼材は、他の成分として、Ｃを０．２０％以下、Ｓｉを０．６０％以下、Ｍｎを０．５０〜０．８０％、Ｐを０．０２５％以下、Ｓを０．０１５％以下、Ｎｉを０．７５％以下、更に他の不純物を含んでいてもよく、これら各成分の含有量は上記のみに限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明の評価方法が適用できるＣｒＭｏＶ鋼材は、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のものである。本発明におけるＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度は２００〜１７６であることが好ましい。また、初期の引張強さは、６４０〜５５０Ｎ／ｍｍ2であることが好ましい。
【００１８】
本発明において「初期のビッカース硬さ」又は「初期の引張強さ」とは、新材、即ち部材の製造（又は加工）直後のＣｒＭｏＶ鋼材のビッカース硬さ又は引張強さを示す。一般に、クリープ損傷は長期にわたって使用された部材について評価するので、その性質上、新材のビッカース硬さや引張強さなどの物性値を得ることが困難なこともある。本発明においては、新材でなくとも評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材においてクリープ損傷を受けていない部分のビッカース硬さ又は引張強さを、初期の値と見なす。
【００１９】
なお、本発明において、ビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ビッカース硬さ試験で測定した硬さである。また、ＪＩＳ Ｚ ２２４３ブリネル硬さ試験、ＪＩＳ Ｚ ２２４５ロックウェル硬さ試験等の方法より得られた硬さ、或いはエコーチップやシェア硬さ計などで計測した硬さを、硬さ換算表や換算式などを用いてビッカース硬さに換算して求めることもできる。
【００２０】
また、本発明における引張強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２０１金属材料引張試験片或いはその他の規格に準拠した試験片を用いて、例えばＪＩＳ Ｚ ２２４１金属材料引張試験方法或いはその他の規格に準拠した方法で試験を行い、測定された引張強さである。また、引張強さは、硬さの値から硬さ換算表などを用いて算出することもできる。
【００２１】
上述したように、本発明の評価対象である初期のビッカース硬さ又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材は、鋳造品などの製造時の熱処理温度が高いものである。従って、本発明の評価方法は、鋳造によって成形されたもの（鋳造品）に好適に用いることができる。
【００２２】
このように、初期のビッカース硬さ及び／又は引張強さを基準として本発明の評価方法を適用する以外に、ＣｒＭｏＶ鋼材が鋳造により製造されたもの（鋳造品）であることに基づいて、本発明の評価方法を適用することも好ましい。
【００２３】
また、本発明の評価方法の対象とされるＣｒＭｏＶ鋼材は、クリープ損傷を受ける程度の熱にさらされたＣｒＭｏＶ鋼材である。具体的には、火力発電設備のタービン車室などの５００℃以上の高温下で使用されるＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いの評価に、本発明の方法を好適に使用できる。
【００２４】
本発明の評価方法において、ＣｒＭｏＶ鋼材の表面に析出した炭化物を採取する方法としては、任意の方法を用いることができ、特に限定されないが、このような析出物の採取法として従来より一般に用いられている抽出レプリカ法を好ましく用いることができる。これは、薄膜を評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材表面に付着した後に剥離することにより、鋼材表面の炭化物（以下、「析出炭化物」ということがある）を該薄膜に転写させ、転写された炭化物を薄膜から分離する方法である。
【００２５】
薄膜としては、予め用意されたもの（レプリカフィルム）を用いてもよいし、プラスティック液をＣｒＭｏＶ鋼材表面に塗布し、これを乾燥させることにより溶媒を揮発させて薄膜を形成するものであってもよい。また、薄膜をＣｒＭｏＶ鋼材表面に付着させるに際し、鋼材表面を機械的に研磨し、鏡面処理を施した後に、適当な腐食液を用いて該鋼材表面を腐食させる必要がある。
【００２６】
このようにＣｒＭｏＶ鋼材表面から採取された炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物の同定及び定量方法としては、Ｘ線回折や、電子顕微鏡写真とＸＭＡ解析により得られるマッピング画像とを対照させる方法など、種々の方法を用いることができ、特に限定されないが、簡便に且つ高精度に同定及び定量することができるという点から、Ｘ線回折による分析を行うことが好ましい。
【００２７】
Ｘ線回折を用いた析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物の同定及び定量は、以下の方法により行うことができる。Ｘ線回折（ＣｕＫα）によりＭ7Ｃ3型炭化物を分析すると、チャート上で２θ＝５０．５ｄｅｇ、５２．７ｄｅｇの位置にピークが認められる。同様に、Ｍ6Ｃ型炭化物に関しては、２θ＝３２．４ｄｅｇ、３５．２ｄｅｇ、４６．５ｄｅｇの位置にピークが認められる。析出炭化物をＸ線回折により分析し、これらＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物のそれぞれのピーク強度を測定する。Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度に対するＭ6Ｃ型炭化物のピーク強度の強度比（Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク強度／Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度）を求め、これを析出炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比とすることができる。
【００２８】
析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比より、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを好ましく測定できる方法を以下に述べる。クリープ損傷の度合いを示す指標の一つとして、クリープ寿命消費率を用いることができる。まず、このクリープ寿命消費率を上記析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比と対応づけるために、検量曲線を作成する。検量曲線の作成に際して、新材及び既知のクリープ寿命消費率を有する種々のＣｒＭｏＶ鋼材を検量曲線作成用のサンプルとして用意する。これらのＣｒＭｏＶ鋼材サンプルについて、上述したＸ線回折分析により析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物／Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量比を測定する。この結果よりクリープ寿命消費率と上記含有量比との関係（検量曲線）が得られる。そして、評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材について析出炭化物を採取し、この中のＭ6Ｃ型炭化物／Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量比を測定し、測定結果を上記検量曲線に当てはめることにより、該鋼材のクリープ寿命消費率を得ることができる。
【００２９】
上記のクリープ寿命消費率と析出炭化物の含有量比との関係を求める際の、検量曲線作成用サンプルとしてのＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率を求める方法として、以下の方法が挙げられる。まず、ＣｒＭｏＶ鋼材の析出炭化物を採取した部位と同一の部位からクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行い、得られたクリープ破断曲線を新材のそれと比較して、クリープ寿命消費率を求める方法を用いることができる。他の方法として、新材（又はクリープ損傷を受けていない鋼材）を用いてクリープ破断試験を行い、所定時間経過後に試験を中断して炭化物の抽出、分析を行う。この時の試験中断までの経過時間と同一試験条件における破断時間との比から、クリープ寿命消費率を求めるというクリープ途中止め試験を用いてもよい。更に他の方法によりクリープ寿命消費率を求めてもよく、特に限定されない。
【００３０】
上述したような方法を用いて得られた、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率と析出炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係を表すグラフ（検量曲線）の一例を図４に示す。本発明の評価方法によれば、評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材について析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を上記Ｘ線回折分析により測定し、得られた含有量比をこの図４の曲線に当てはめることによりクリープ寿命消費率を求めることができ、これより該ＣｒＭｏＶ鋼材の余寿命を評価することができる。
【００３１】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００３２】
火力発電設備で使用されていたタービン車室より、表１に示す組成を有する１〜４の試料を採取した。試料１〜３は、車室の高温部（５６６℃）から採取した損傷材である。試料４は、車室の低温部（１００℃）から採取したものであり、使用前と同等の金属組織、特性を有する新材相当材である。なお、試料４のビッカース硬さ及び引張強さを発明の実施の形態で述べた方法により測定したところ、ビッカース硬さが１８９であり、引張強さは６０５Ｎ／ｍｍ2であった。また、試料１〜４に用いられたタービン車室は、鋳造により成形されたものである。
【００３３】
【表１】
【００３４】
図１は、本発明で用いる析出炭化物の抽出及び分析の手順を示す図である。試料１〜４より析出炭化物を以下の方法により採取した。まず、試料表面をダイヤモンドペーストを用いて研磨した。次に上記研磨面を３０％硝酸アルコール溶液を用いてエッチングした。エッチングされた試料表面に、酢酸メチルに浸したアセチルセルロース製のレプリカフィルムを、気泡が入らないように付着させ、１〜２分間放置した。試料からレプリカフィルムを剥離し、これをアセトンに浸してレプリカフィルムから析出炭化物を分離した。分離された析出炭化物を含む溶液を吸引濾過し、目的の炭化物をフィルター上に採取した。
【００３５】
得られたフィルターを良く乾燥させた後に、試料１〜４に関して、Ｘ線回折装置による測定を行った。試料１（損傷材）のＸ線回折チャートを図２に、試料４（新材相当材）のＸ線回折チャートを図３に、それぞれ示す。試料１（損傷材）のチャートから、Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク及びＭ7Ｃ3型炭化物のピークが検出された。一方、試料４（新材相当材）のチャートにおける主たるピークはＭ7Ｃ3型炭化物のものであり、Ｍ6Ｃ型炭化物のピークはほとんど検出されなかった。即ち、損傷材でＭ6Ｃ型炭化物が生成していたことが分かった。各試料１〜４について、それぞれのＸ線回折チャートのＭ7Ｃ3型炭化物のピーク強度に対するＭ6Ｃ型炭化物のピーク強度の比（Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク強度／Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度）を測定し、これをＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比とした。
【００３６】
試料１〜３のクリープ寿命消費率は、以下のように測定した。各試料において、析出炭化物を採取した部位と同一の部位からクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行い、得られたクリープ破断曲線を新材のそれと比較することによりクリープ寿命消費率を求めた。
【００３７】
一方、試料４については、まず上記試料１〜３と同様にクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行った。クリープ破断試験開始後、所定時間経過後に試験を中断して上記と同様の方法により析出炭化物を抽出し、Ｘ線回折分析し、Ｍ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を求めた。また、試料４のクリープ破断試験を別途実施し、得られたクリープ破断時間より上記試験中断試料のクリープ寿命消費率を求めた。即ち、試験中断までの時間とクリープ破断時間の比より、中断時におけるクリープ寿命消費率を求めた。このようなクリープ途中止め試験を繰り返して行うことにより、異なるクリープ寿命消費率における析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比をそれぞれ求めた。
【００３８】
試料１〜４について得られた、クリープ寿命消費率と、析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係を図４に示す。図４より、本実施例で用いられたＣｒＭｏＶ鋳鋼材は、クリープ寿命消費率が大きくなるに従って、Ｍ6Ｃ型炭化物の含有量比が増加していることが分かる。この結果より、特定のビッカース硬さ及び／又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材の析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を用いることにより、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率を評価できることが示された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、鋳造品などの特定の物性を有するＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを、簡便に且つ高精度に評価できる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるＣｒＭｏＶ鋼材からの析出炭化物の抽出及び分析方法の手順を示す図
【図２】実施例の試料１（損傷材）の析出炭化物のＸ線回折チャート
【図３】実施例の試料４（新材相当材）の析出炭化物のＸ線回折チャート
【図４】本発明におけるクリープ寿命消費率と析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係の一例を示すグラフ
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電設備や加熱炉等の、高温下で長期間使用される鋼材のクリープ損傷の進行度合いを非破壊的に且つ高精度に評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所のボイラ等に用いられるＣｒＭｏＶ鋼材は長期にわたる使用によりクリープ損傷を受けるため、使用の過程において非破壊的にクリープ損傷を調査して、管理する必要がある。従来の非破壊的なクリープ損傷評価法としては、顕微鏡によりクリープボイドの数を計測し、その数によりクリープ損傷の進行度合いを評価する「クリープボイド観察法」、鋼材の硬さの低下度合いにより評価する「硬さ法」、及び鋼材の電気抵抗の変化により評価する「電気抵抗法」等がある。
【０００３】
しかしながら、従来の非破壊的なクリープ損傷の評価方法のうち、「クリープボイド観察法」はクリープボイドを目視により直接観察できる反面、クリープボイドの判別に個人差が生じやすいという欠点があった。また、「硬さ法」及び「電気抵抗法」はいずれも実機での計測が比較的容易であるという利点があるが、「硬さ法」ではクリープ損傷後期以降における評価精度が低下し、また「電気抵抗法」ではクリープ損傷中期以降の評価ができないという問題点があった。
【０００４】
一方、ＣｒＭｏＶ鋼材は炭化物が微細に析出していることによりクリープ強度が保たれているが、クリープ損傷を受けるとその炭化物が凝集粗大化するとともに、炭化物の形態が変化することが知られている。例えば、ＣｒＭｏＶ鍛鋼材の場合、初期の鍛鋼材に含有されているＦｅ3Ｃがクリープ損傷の進行に伴って徐々にＭ23Ｃ6（Ｍは主にＣｒである）型炭化物に変化することを利用し、鍛鋼材中のＭ23Ｃ6型炭化物のＦｅ3Ｃに対する含有量比を計測することによりクリープ損傷の進行度合いを評価する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法は、抽出レプリカ法により非破壊的に炭化物をＣｒＭｏＶ鍛鋼材から採取し、得られた炭化物をＸ線回折分析により調査するものであり、簡便で人為的な判断が入らない評価手法である。
【０００５】
しかしながら、ＣｒＭｏＶ鋼材のうち、実用機のＣｒＭｏＶ鋳鋼材など、クリープ損傷の評価に上記のＭ23Ｃ6型炭化物の析出量を指標とする方法が適用できない部材があり、このようなＣｒＭｏＶ鋼材において、簡便且つ高精度にクリープ損傷の進行度合いを評価できる方法が求められていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２５７７８８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、鋳造品などのＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを簡便且つ高精度に評価できる方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が、火力発電設備の車室やバルブなど、ＣｒＭｏＶ鋼材製の経年劣化した部材の析出物を分析したところ、同一の使用条件にも関わらず、Ｍ23Ｃ6型炭化物の析出量が多いものとＭ6Ｃ型炭化物の多いものとがあることが分かった。このように、同じＣｒＭｏＶ鋼材でも炭化物の析出の挙動に違いが生じるのは、部材の製造時（加工時）における熱処理条件の違い、並びにＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度及び引張強さなどの初期の物理的性質の違いに起因することを、本発明者等は見出した。そして、このようなＭ6Ｃ型炭化物の析出が顕著となるようなＣｒＭｏＶ鋼材を特定すべく、本発明者等が更に検討を進めた結果、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下であるＣｒＭｏＶ鋼材において、クリープ損傷の進行に伴ってＭ6Ｃ型炭化物の析出が顕著となり、このＭ6Ｃ型炭化物の析出量を、クリープ損傷の進行度合いの指標とすることができることを知見した。
【０００９】
ＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度及び引張強さは、ＣｒＭｏＶ鋼材の製造時（加工時）における熱処理条件によって変化する。例えば、製造時の熱処理温度が比較的低い鍛造品では、初期の鍛造品に析出する炭化物がＦｅ3Ｃを主とするものであるに対し、製造時の熱処理温度の高い鋳造品においては、初期の鋳造品に析出する炭化物がＭ7Ｃ3型を主とするものとなっている。このような熱処理条件の差及びそれに伴う初期析出物（炭化物）の違いは、ＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬さ及び／又は引張強さの違いに現れ、本発明の評価方法の対象である初期のビッカース硬度又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材は、後者の製造時の熱処理温度が高く、初期の析出物がＭ7Ｃ3型炭化物を主とするものである。そして、このＭ7Ｃ3型炭化物は、クリープ損傷の進行に伴って徐々にＭ6Ｃ3型炭化物に変化する。よって、ＣｒＭｏＶ鋼材中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を測定することによって、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行の度合い、即ち余寿命を評価することができる。
【００１０】
このように、本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材では、クリープ損傷の進行に伴って増加するＭ6Ｃ型炭化物の含有量を指標とすることにより、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
即ち、本発明は、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷を非破壊的に評価する方法であって、前記ＣｒＭｏＶ鋼材表面に析出した炭化物を採取し、該炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定し、該測定結果より前記ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価する、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法に関する。
【００１２】
上記本発明のクリープ損傷評価法は、ＣｒＭｏＶ鋼材が鋳造品である場合に好適に用いることができる。
【００１３】
また、上記本発明のクリープ損傷評価法では、Ｘ線回折分析により得られるチャートにおけるＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物のそれぞれのピーク強度より、前記Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、初期のビッカース硬さが２００以下のＣｒＭｏＶ鋼材、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷を非破壊的に評価する方法であって、ＣｒＭｏＶ鋼材表面に析出した炭化物を採取し、該炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定し、該測定結果より前記ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価する、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法である。
【００１５】
即ち、本発明の評価方法を用いることにより、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の評価において、従来のＭ23Ｃ6型炭化物の析出量を指標とする方法が適用できなかった部材についても、簡便に且つ高精度な非破壊評価を行うことができる。
【００１６】
本発明のクリープ損傷評価法の評価対象となるＣｒＭｏＶ鋼材は、初期のビッカース硬度が２００以下のＣｒＭｏＶ鋼材又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材である。本発明の評価対象となるＣｒＭｏＶ鋼材は、必須成分としてＣｒ、Ｍｏ及びＶを必須成分とする鋼材である。鋼材中におけるこれら必須成分の含有量としては、例えば、Ｃｒが１．００〜１．５０％、Ｍｏが０．９０〜１．２０％、Ｖが０．１５〜０．２５％である。ＣｒＭｏＶ鋼材は、他の成分として、Ｃを０．２０％以下、Ｓｉを０．６０％以下、Ｍｎを０．５０〜０．８０％、Ｐを０．０２５％以下、Ｓを０．０１５％以下、Ｎｉを０．７５％以下、更に他の不純物を含んでいてもよく、これら各成分の含有量は上記のみに限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明の評価方法が適用できるＣｒＭｏＶ鋼材は、初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のものである。本発明におけるＣｒＭｏＶ鋼材の初期のビッカース硬度は２００〜１７６であることが好ましい。また、初期の引張強さは、６４０〜５５０Ｎ／ｍｍ2であることが好ましい。
【００１８】
本発明において「初期のビッカース硬さ」又は「初期の引張強さ」とは、新材、即ち部材の製造（又は加工）直後のＣｒＭｏＶ鋼材のビッカース硬さ又は引張強さを示す。一般に、クリープ損傷は長期にわたって使用された部材について評価するので、その性質上、新材のビッカース硬さや引張強さなどの物性値を得ることが困難なこともある。本発明においては、新材でなくとも評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材においてクリープ損傷を受けていない部分のビッカース硬さ又は引張強さを、初期の値と見なす。
【００１９】
なお、本発明において、ビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ビッカース硬さ試験で測定した硬さである。また、ＪＩＳ Ｚ ２２４３ブリネル硬さ試験、ＪＩＳ Ｚ ２２４５ロックウェル硬さ試験等の方法より得られた硬さ、或いはエコーチップやシェア硬さ計などで計測した硬さを、硬さ換算表や換算式などを用いてビッカース硬さに換算して求めることもできる。
【００２０】
また、本発明における引張強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２０１金属材料引張試験片或いはその他の規格に準拠した試験片を用いて、例えばＪＩＳ Ｚ ２２４１金属材料引張試験方法或いはその他の規格に準拠した方法で試験を行い、測定された引張強さである。また、引張強さは、硬さの値から硬さ換算表などを用いて算出することもできる。
【００２１】
上述したように、本発明の評価対象である初期のビッカース硬さ又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材は、鋳造品などの製造時の熱処理温度が高いものである。従って、本発明の評価方法は、鋳造によって成形されたもの（鋳造品）に好適に用いることができる。
【００２２】
このように、初期のビッカース硬さ及び／又は引張強さを基準として本発明の評価方法を適用する以外に、ＣｒＭｏＶ鋼材が鋳造により製造されたもの（鋳造品）であることに基づいて、本発明の評価方法を適用することも好ましい。
【００２３】
また、本発明の評価方法の対象とされるＣｒＭｏＶ鋼材は、クリープ損傷を受ける程度の熱にさらされたＣｒＭｏＶ鋼材である。具体的には、火力発電設備のタービン車室などの５００℃以上の高温下で使用されるＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いの評価に、本発明の方法を好適に使用できる。
【００２４】
本発明の評価方法において、ＣｒＭｏＶ鋼材の表面に析出した炭化物を採取する方法としては、任意の方法を用いることができ、特に限定されないが、このような析出物の採取法として従来より一般に用いられている抽出レプリカ法を好ましく用いることができる。これは、薄膜を評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材表面に付着した後に剥離することにより、鋼材表面の炭化物（以下、「析出炭化物」ということがある）を該薄膜に転写させ、転写された炭化物を薄膜から分離する方法である。
【００２５】
薄膜としては、予め用意されたもの（レプリカフィルム）を用いてもよいし、プラスティック液をＣｒＭｏＶ鋼材表面に塗布し、これを乾燥させることにより溶媒を揮発させて薄膜を形成するものであってもよい。また、薄膜をＣｒＭｏＶ鋼材表面に付着させるに際し、鋼材表面を機械的に研磨し、鏡面処理を施した後に、適当な腐食液を用いて該鋼材表面を腐食させる必要がある。
【００２６】
このようにＣｒＭｏＶ鋼材表面から採取された炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物の同定及び定量方法としては、Ｘ線回折や、電子顕微鏡写真とＸＭＡ解析により得られるマッピング画像とを対照させる方法など、種々の方法を用いることができ、特に限定されないが、簡便に且つ高精度に同定及び定量することができるという点から、Ｘ線回折による分析を行うことが好ましい。
【００２７】
Ｘ線回折を用いた析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物の同定及び定量は、以下の方法により行うことができる。Ｘ線回折（ＣｕＫα）によりＭ7Ｃ3型炭化物を分析すると、チャート上で２θ＝５０．５ｄｅｇ、５２．７ｄｅｇの位置にピークが認められる。同様に、Ｍ6Ｃ型炭化物に関しては、２θ＝３２．４ｄｅｇ、３５．２ｄｅｇ、４６．５ｄｅｇの位置にピークが認められる。析出炭化物をＸ線回折により分析し、これらＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物のそれぞれのピーク強度を測定する。Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度に対するＭ6Ｃ型炭化物のピーク強度の強度比（Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク強度／Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度）を求め、これを析出炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比とすることができる。
【００２８】
析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比より、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを好ましく測定できる方法を以下に述べる。クリープ損傷の度合いを示す指標の一つとして、クリープ寿命消費率を用いることができる。まず、このクリープ寿命消費率を上記析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比と対応づけるために、検量曲線を作成する。検量曲線の作成に際して、新材及び既知のクリープ寿命消費率を有する種々のＣｒＭｏＶ鋼材を検量曲線作成用のサンプルとして用意する。これらのＣｒＭｏＶ鋼材サンプルについて、上述したＸ線回折分析により析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物／Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量比を測定する。この結果よりクリープ寿命消費率と上記含有量比との関係（検量曲線）が得られる。そして、評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材について析出炭化物を採取し、この中のＭ6Ｃ型炭化物／Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量比を測定し、測定結果を上記検量曲線に当てはめることにより、該鋼材のクリープ寿命消費率を得ることができる。
【００２９】
上記のクリープ寿命消費率と析出炭化物の含有量比との関係を求める際の、検量曲線作成用サンプルとしてのＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率を求める方法として、以下の方法が挙げられる。まず、ＣｒＭｏＶ鋼材の析出炭化物を採取した部位と同一の部位からクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行い、得られたクリープ破断曲線を新材のそれと比較して、クリープ寿命消費率を求める方法を用いることができる。他の方法として、新材（又はクリープ損傷を受けていない鋼材）を用いてクリープ破断試験を行い、所定時間経過後に試験を中断して炭化物の抽出、分析を行う。この時の試験中断までの経過時間と同一試験条件における破断時間との比から、クリープ寿命消費率を求めるというクリープ途中止め試験を用いてもよい。更に他の方法によりクリープ寿命消費率を求めてもよく、特に限定されない。
【００３０】
上述したような方法を用いて得られた、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率と析出炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係を表すグラフ（検量曲線）の一例を図４に示す。本発明の評価方法によれば、評価対象のＣｒＭｏＶ鋼材について析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を上記Ｘ線回折分析により測定し、得られた含有量比をこの図４の曲線に当てはめることによりクリープ寿命消費率を求めることができ、これより該ＣｒＭｏＶ鋼材の余寿命を評価することができる。
【００３１】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００３２】
火力発電設備で使用されていたタービン車室より、表１に示す組成を有する１〜４の試料を採取した。試料１〜３は、車室の高温部（５６６℃）から採取した損傷材である。試料４は、車室の低温部（１００℃）から採取したものであり、使用前と同等の金属組織、特性を有する新材相当材である。なお、試料４のビッカース硬さ及び引張強さを発明の実施の形態で述べた方法により測定したところ、ビッカース硬さが１８９であり、引張強さは６０５Ｎ／ｍｍ2であった。また、試料１〜４に用いられたタービン車室は、鋳造により成形されたものである。
【００３３】
【表１】
図１は、本発明で用いる析出炭化物の抽出及び分析の手順を示す図である。試料１〜４より析出炭化物を以下の方法により採取した。まず、試料表面をダイヤモンドペーストを用いて研磨した。次に上記研磨面を３０％硝酸アルコール溶液を用いてエッチングした。エッチングされた試料表面に、酢酸メチルに浸したアセチルセルロース製のレプリカフィルムを、気泡が入らないように付着させ、１〜２分間放置した。試料からレプリカフィルムを剥離し、これをアセトンに浸してレプリカフィルムから析出炭化物を分離した。分離された析出炭化物を含む溶液を吸引濾過し、目的の炭化物をフィルター上に採取した。
【００３５】
得られたフィルターを良く乾燥させた後に、試料１〜４に関して、Ｘ線回折装置による測定を行った。試料１（損傷材）のＸ線回折チャートを図２に、試料４（新材相当材）のＸ線回折チャートを図３に、それぞれ示す。試料１（損傷材）のチャートから、Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク及びＭ7Ｃ3型炭化物のピークが検出された。一方、試料４（新材相当材）のチャートにおける主たるピークはＭ7Ｃ3型炭化物のものであり、Ｍ6Ｃ型炭化物のピークはほとんど検出されなかった。即ち、損傷材でＭ6Ｃ型炭化物が生成していたことが分かった。各試料１〜４について、それぞれのＸ線回折チャートのＭ7Ｃ3型炭化物のピーク強度に対するＭ6Ｃ型炭化物のピーク強度の比（Ｍ6Ｃ型炭化物のピーク強度／Ｍ7Ｃ3型炭化物のピーク強度）を測定し、これをＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比とした。
【００３６】
試料１〜３のクリープ寿命消費率は、以下のように測定した。各試料において、析出炭化物を採取した部位と同一の部位からクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行い、得られたクリープ破断曲線を新材のそれと比較することによりクリープ寿命消費率を求めた。
【００３７】
一方、試料４については、まず上記試料１〜３と同様にクリープ試験片を採取してクリープ破断試験を行った。クリープ破断試験開始後、所定時間経過後に試験を中断して上記と同様の方法により析出炭化物を抽出し、Ｘ線回折分析し、Ｍ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を求めた。また、試料４のクリープ破断試験を別途実施し、得られたクリープ破断時間より上記試験中断試料のクリープ寿命消費率を求めた。即ち、試験中断までの時間とクリープ破断時間の比より、中断時におけるクリープ寿命消費率を求めた。このようなクリープ途中止め試験を繰り返して行うことにより、異なるクリープ寿命消費率における析出炭化物中のＭ6Ｃ型炭化物の含有量比をそれぞれ求めた。
【００３８】
試料１〜４について得られた、クリープ寿命消費率と、析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係を図４に示す。図４より、本実施例で用いられたＣｒＭｏＶ鋳鋼材は、クリープ寿命消費率が大きくなるに従って、Ｍ6Ｃ型炭化物の含有量比が増加していることが分かる。この結果より、特定のビッカース硬さ及び／又は引張強さを有するＣｒＭｏＶ鋼材の析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比を用いることにより、該ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ寿命消費率を評価できることが示された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、鋳造品などの特定の物性を有するＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを、簡便に且つ高精度に評価できる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるＣｒＭｏＶ鋼材からの析出炭化物の抽出及び分析方法の手順を示す図
【図２】実施例の試料１（損傷材）の析出炭化物のＸ線回折チャート
【図３】実施例の試料４（新材相当材）の析出炭化物のＸ線回折チャート
【図４】本発明におけるクリープ寿命消費率と析出炭化物中のＭ7Ｃ3型炭化物に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量比との関係の一例を示すグラフ
Claims (3)
- 初期のビッカース硬さが２００以下、又は初期の引張強さが６４０Ｎ／ｍｍ2以下のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷を非破壊的に評価する方法であって、
前記ＣｒＭｏＶ鋼材表面に析出した炭化物を採取し、該炭化物中におけるＭ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定し、該測定結果より前記ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷の進行度合いを評価する、ＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法。 - 前記ＣｒＭｏＶ鋼材が鋳造品である、請求項１記載のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法。
- Ｘ線回折分析により得られるチャートにおけるＭ7Ｃ3型炭化物及びＭ6Ｃ型炭化物のそれぞれのピーク強度より、前記Ｍ7Ｃ3型炭化物の含有量に対するＭ6Ｃ型炭化物の含有量の比を測定する、請求項１又は２記載のＣｒＭｏＶ鋼材のクリープ損傷評価法。
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