JP4739978B2 - 熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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ところで、これら材料のうちのCr含有量が2.25%以下の低Crフェライト鋼の特徴としては、Crを含有しているため炭素鋼に比べて耐酸化性、高温耐食性および高温強度に優れることや、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて格段に安価で、かつ熱膨張係数が小さくて応力腐食割れを起こさないこと、さらには高Crフェライト鋼に比べても安価であって靭性、熱伝導性および溶接性に優れることが挙げられる。
このような低Crフェライト鋼の代表例として、JISに規格されているSTBA20,STBA22,STBA23,STBA24等が知られており、通常Cr−Mo鋼と総称されている。また、高温強度を向上させる目的で析出強化元素であるV,Nb,Ti,Ta,Bを添加した低Crフェライト鋼が、特許文献1〜5等で提案されている。
そこで、550℃以上の高温でのクリ−プ強度を改善するため、特許文献6には、Wの多量添加やCuとMgの複合添加を行った低Crフェライト鋼が提案されている。
さらに、従来の焼戻し工程では焼きならし工程で析出した微細な炭窒化物が粗大化し、その後プラント内で高温に曝された時点でさらに粗大化するため、長時間クリープ特性を確保するためには不利である。
そこで、本発明は、焼戻し処理を行うことを必要とせず、しかも、長時間クリープ特性および高温強度特性に優れた熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管およびその製造方法を提供することを目的とする。
言い換えれば、本発明は、特定成分組成の鋼から鋼管を製造することによって、鋼管を製造後、焼入れ−焼戻し処理や焼きならし−焼戻し処理といった熱処理工程を簡略化することが可能であり、従来にはない焼戻し工程省略型熱処理によって、目的のクリープ特性および室温・高温強度特性を確保することが可能となるとの知見に基づいてなされたものである。
(1)質量%で、
C :0.03〜0.096%、
Si:0.10〜0.80%、
Mn:0.10〜1.41%、
P :0.030%以下、
S :0.010%以下、
O :0.020%以下、
N :0.007〜0.08%、
Al:0.01%以下、
Cr:0.51〜0.80%、
Mo:0.01%以上0.50%未満
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の成分組成からなり、さらに焼きならしままの金属組織であることを特徴とする熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(2)質量%で、
V:0.02〜0.50%、
B:0.0003〜0.0050%、
の1種または2種をさらに含有することを特徴とする(1)に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(3)質量%で、
Nb:0.005〜0.080%、
Ti:0.005〜0.050%
の1種または2種をさらに含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(4)質量%で、
Cu:0.05〜1.0%、
Ni:0.05〜1.0%、
Co:0.05〜1.0%
の1種または2種以上をさらに含有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(5)質量%で、
W:0.01〜3.0%
をさらに含有することを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(6)質量%で、
La,Ca,Y,Ce,Zr,Ta,Hf,Re,Pt,Ir,Pd,Sbの1種または2種以上を合計で0.001〜0.2%さらに含有することを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(7)さらにフェライト分率が10%以上90%以下の焼きならしままの金属組織を有することを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
(8) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の成分からなる鋼管を、Ac3変態点以上で加熱後、焼きならしままとすることを特徴とする熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管の製造方法。
まず、本発明に係る鋼管の成分組成およびフェライト分率を前記のように限定した理由は次の通りである。
Cは、Cr,Fe,W,Mo,V,Nb,Tiと炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。本発明鋼は、焼きならし工程でNb、VおよびTiの微細な炭窒化物をできるだけ多く析出させることを目的とすることから、C含有量は0.03%から0.15%としたが、0.03%未満では炭化物の析出量が不十分となり、さらに焼入性が低下するため十分な強度確保できなくなり、また0.15%超では粗大な炭化物が析出するため、析出強化に寄与する炭化物が減少する。従って、C含有量は0.03%以上0.15%以下とした。C含有量の上限は、実施例に基づいて、0.096%以下とする。
Siは、脱酸剤として作用し、また鋼の耐水蒸気酸化特性を高める元素である。Si含有量が0.10%未満では耐水蒸気酸化特性が著しく低下し、0.80%を超えると靭性が著しく低下し、クリープ破断強度に対しても有害である。従って、Si含有量は0.10%以上0.80%以下とした。
Mnは、脱酸のためのみでなく強度保持上も必要な元素である。Mn含有量が0.10%未満では目的の強度確保が困難となり、1.50%を超すとクリープ破断強度が低下する場合がある。従ってMn含有量は0.10%以上1.50%以下とした。Mn含有量の上限は、実施例に基づいて、1.41%以下とする。
P,S,Oは、本発明鋼においては不純物として混入してくるが、本発明の効果を発揮する上で、P,Sは強度を低下させ、Oは酸化物として析出して靭性を低下させるので、それぞれ上限値を0.030%、0.010%、0.020%とした。Nは、マトリックス中に固溶あるいは窒化物や炭窒化物として析出し、主にVN,NbN,TiNまたはそれぞれの炭窒化物の形態をとって固溶強化にも析出強化にも寄与する。本発明では、さらにBと結合してBNとして析出し、それぞれクリープ破断強度向上に寄与する。0.001%未満の添加では強化への寄与がほとんどなく、また0.08%を超えて添加すると、母材靭性と強度の低下が著しい。従って、N含有量は0.001%以上0.08%以下とした。N含有量の下限は、実施例に基づいて、0.007%以上とする。
Alは、脱酸剤として有効であるが、特に0.01%を超えると高温強度が低下するで、0.01%以下とした。0%の場合も本発明の効果を得ることができるので、下限は0%を含むものとする。
Crは、低合金鋼の耐酸化性と高温耐食性の改善のために不可欠な元素である。Cr含有量が0.30%未満では低合金鋼の耐酸化性と高温耐食性を確保することが困難となり、0.80%を超えると、靭性、溶接性、熱伝導性が低くなりかつコストアップにつながるため、低合金鋼の利点が少なくなる。従って、Cr含有量は0.30%以上0.80%以下とした。Cr含有量の下限は、実施例に基づいて、0.51%以上とする。
Moは、固溶強化と微細炭化物析出による強化の作用を有しており、0.01%以上含有することにより、クリープ破断強度の向上に有効な元素である。しかし、Mo含有量が0.50%以上となるとその効果が飽和するばかりか、溶接性、靭性を損ない、さらに合金コストが嵩むため経済性に著しく劣る。従って、上限は0.50%未満とする。なお、MoとWを複合添加する場合には、単独添加の場合に比べて鋼の強度が一段と向上し、特に高温クリープ破断強度が改善される。
Vは、後述のNbと同様にC,Nと結合してNb(C,N)の微細炭窒化物を形成し、高温長時間側のクリープ破断強度の向上に寄与するが、その含有量が0.02%未満ではその効果は十分ではない。しかし、0.50%を超えてVが添加されると粗大なV(C,N)の析出量が過剰となり、かえってクリープ強度や引張強度や靭性を損なうようになる。従って、V含有量は0.02%以上0.50%以下とすることが好ましい。
Bは、Cと共偏析することにより微細炭化物(具体的にはM23C6炭化物)を安定化する。低合金鋼においては、高温で長時間加熱されるとM23C6炭化物にWやMoが濃化することによってこれが粗大なM6C炭化物へと変化し、クリ−プ強度および靭性の低下を招く。しかしながら、Bの添加によりM23C6が安定化するので粗大炭化物M6Cの析出が抑えられ、クリ−プ強度の低下が抑制される。しかし、B含有量が0.0003%未満では上記の効果が得られず、さらに焼入性低下によって目的の金属組織および強度の確保が困難となり、一方、B含有量が0.0050%を超えるとBが結晶粒界に過剰に偏析し、Cとの共偏析によって炭化物が凝集粗大化する場合があり、その結果として加工性、靭性および溶接性を著しく損ねることになる。従って、B含有量は0.0003%以上0.0050%以下とすることが好ましい。
NbはC,Nと結合してNb(C,N)の微細炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に寄与する。特に、625℃以下では安定な微細析出物を形成してクリープ破断強度を著しく改善する効果がある。さらに、結晶粒を微細化し、靭性の改善にも有効である。しかし、Nb含有量が0.005%未満では上記効果が得られない。一方、Nb含有量が0.080%を超えると粗大なNb炭窒化物が生成し、この析出物を起点に鋼が著しく脆化し、靭性を損なうようになる。従って、Nb含有量は0.005%以上0.080%以下とすることが好ましい。
Tiは、CおよびNと結合してTi(C,N)を形成する。特に、Nとの結合力が強いため、固溶Nの固定に有効である。もっとも、前述のようにBも固溶Nを固定する作用を有しているが、Cとの結合形態はTiとは大きく異なる。即ち、BはFe,Cr,Wを主要成分とする炭化物中に偏析しやすく、過剰のBが存在する場合にはこれら炭化物の凝集粗大化を促進する場合がある。これに対し、TiはCと単独に結合すると共にTiNと複合析出するが、それ以上凝集粗大化が進むことはない。従って、Tiは、Nを有効に固定し、同時に炭化物の相安定性に影響しない点で好ましい。Tiは、炭窒化物を形成することによってクリ−プ強度を著しく向上させる。しかし、Ti含有量が0.005%未満では前記の効果が得られず、一方、その含有量が0.050%を超えるとTi(C,N)の析出量が多くなって靭性が著しく損なわれ、また粗大な析出物が出現することになる。従って、Tiの含有量は0.005〜0.050%が好ましい。
Cu,Ni,Coは、それぞれ高温耐食性の向上、靭性の向上、強度の向上にそれぞれ効果がある。いずれも0.05%未満では効果が不十分であり、1.0%を超えて添加する場合には、粗大な金属間化合物の析出もしくは粒界への偏析に起因する脆化が避けられない。従って、Cu,Ni,Co含有量はそれぞれ0.05%以上1.0%以下とすることが好ましい。
Wは、固溶による強化作用と微細炭化物の析出による強化作用を発揮するので、クリープ破断強度の向上に有効な元素であるが、W含有量が0.01%未満ではこれらの効果は得られない。一方、W含有量が3.0%を超えると鋼が著しく硬化し、靭性、加工性、溶接性を損なう。従って、W含有量は0.01以上3.0%以下とすることが好ましい。なお、WはMoと複合添加することによって鋼の強度向上効果が顕著化することは既に述べた通りである。
La,Ca,Y,Ce,Zr,Ta,Hf,Re,Pt,Ir,Pd,Sbのようなこれらの元素は、不純物元素(P、S、O)とそれらの析出物(介在物)の形態制御を目的として必要に応じて添加される。これらの元素のうち少なくとも一種を、それぞれの元素について0.001%以上添加することによって前記の不純物を安定で無害な析出物として固定し、強度と靭性を向上させる。0.001%未満ではその効果が無く、0.2%を超えると介在物が増加し、かえって靭性を損なうので、それぞれの含有量は0.001〜0.2%とすることが好ましい。
一般に製鉄所で製造する場合、真空溶解炉にて溶解および化学成分の調整の後、連続鋳造機または鋳型による鋳造を行う。ここで製造したスラブやインゴットは加熱後、熱延工程にて圧延後ホットコイルとなる。また鋳造によって製造したビレットやブルームは加熱後シームレス圧延または熱間押し出し工程によってシームレス鋼管となる。両工程とも加熱温度や保定時間、加熱温度までの昇温速度、圧延工程での冷却速度、粗圧延または仕上げ圧延開始温度および終了温度、累積圧下量、圧延後の冷却速度、冷却停止温度等様々な因子を調節しながら、より良好な特性が生じるプロセス条件を検討することとなる。
以上の条件にすることによって、従来のような焼戻し熱処理工程を省略しても長時間クリープ特性および高温強度特性に優れた熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管を製造することができる。
なお、評価試験の中、室温および高温引張試験にはφ6mm×GL60mmのツバ付き引張試験片を、クリープ破断試験にはφ6mm×GL30mmの引張試験片を用いた。また、500℃で最長40000hrの試験を行い、回帰式を用いることによって500℃×10万時間のクリープ破断強度を求めた。さらに光学顕微鏡観察では板厚中心部の金属組織をナイタールエッチング後、倍率500倍で撮影し、画像処理装置を用いてフェライト分率を算出した。
なお、本発明例No.1、2、5、6、9〜11、13〜16、20、22、24、26を、請求項1〜請求項6に係る発明と対応させると、No.1,2は請求項1に係る発明(本発明1という。請求項2〜6に係る発明についても、同様に、本発明2〜6という。)の実施例、No.5、6、9〜11は本発明3の実施例、No.13〜16、20は本発明4の実施例、No.22、24は本発明5の実施例、また、No.26は本発明6の実施例に相当する。
比較例の鋼番102の場合、Vが0.68%であって、本発明2で規定するV量より多いため析出物粗大化を促進し、クリープ特性を低下させている。クリープ強度を十分得るためには、0.50%以下のV添加が必要である。
比較例の鋼番103の場合、Mnが1.89%であって、本発明4で規定するMn量より多いため、析出強化によってクリープ特性向上に寄与する微細な析出物の粗大化を促進する。クリープ強度を十分得るためには、1.50%以下のMn添加が必要である。
比較例の鋼番104の場合、Moが0.89%であって、本発明4で規定するMo量より多いため、粗大なMo2Cが析出し、クリープ強度を低下させる。クリープ強度を十分得るためには、0.50%未満のMo添加が必要である。
比較例の鋼番105の場合、Cが0.285%であって、本発明4で規定するC量より多いため、粗大な炭化物の析出促進によってクリープ強度を低下させる。十分なクリープ特性を得るには0.15%以下のC添加が必要である。
比較例の鋼番106の場合、Tiが0.086%であって、本発明4で規定するTi量より多いため、粗大なTiの炭窒化物が生成し、その結果クリープ特性の低下を促進する。クリープ強度を十分得るためには、0.050%以下のTi添加が必要である。
比較例の鋼番107の場合、Mnが0.09%であって、本発明4で規定するMn量より少ないため、焼入性が不十分で、クリープ強度が劣る。
比較例の鋼番108の場合、Mnが2.29%であって、本発明4で規定するMn量より多いため、析出強化によってクリープ特性向上に寄与する微細な析出物の粗大化を促進する。
比較例の鋼番109の場合、Niが1.92%であって、本発明5で規定するNi量より多いため、微細な析出物の粗大化を助長し、クリープ強度を低下させる。さらに、フェライト分率が極端に低い場合、長時間試験後の金属組織が劣化し、極端にクリープ強度が低下する。従って、クリープ強度を十分得るためには、フェライト分率が10%以上となるよう成分設計する必要があり、さらに1.0%以下のNi添加が必要である。
比較例の鋼番110の場合、C量が0.008%であって、本発明5で規定するC量より少ないため、微細な炭化物生成が困難となり、その結果クリープ強度を十分得ることが不可能となる。さらに、フェライト分率が極端に高い場合、所定の高温強度を得ることができず、プラント設計に重要な許容引張応力値が低くなる。十分な特性を得るためにはフェライト分率が90%以下となるように成分設計し、さらに0.03%以上のC添加が必要である。
比較例の鋼番111の場合、Tiが0.094%であって、本発明5で規定するTi量より多いため、粗大なTiの炭窒化物が生成し、その結果クリープ特性の低下を促進する。さらに、フェライト分率が極端に高い場合、所定の高温強度を得ることができず、プラント設計に重要な許容引張応力値が低くなる。十分な特性を得るためにはフェライト分率が90%以下となるように成分設計し、さらに0.05%以下のTi添加が必要である。
比較例の鋼番112の場合、Niが2.62%であって、本発明4で規定するNi量より多いため、微細な析出物の粗大化を助長し、クリープ強度を低下させる。さらに、フェライト分率が極端に低い場合、長時間試験後の金属組織が劣化し、極端にクリープ強度が低下する。従って、クリープ強度を十分得るためには、フェライト分率が10%以上となるよう成分設計する必要があり、さらに1.0%以下のNi添加が必要である。
比較例の鋼番113および114の場合、焼戻し処理することによって、微細な析出物が粗大化し、さらにクリープ試験環境下でより一層析出物の粗大化が進行するため、クリープ強度の低下が避けられない。従って、クリープ強度低下を抑制するためには焼きならしままで用いる必要がある。
本発明例(No.32、33)は比較例(No.115,116)に比べていずれの特性も優れていることが判る。
なお、本発明例No.32、33は本発明5の実施例に相当する。
比較例の鋼番116の場合、Siが0.04%であり、本発明5で規定するSi量より少ないため、耐酸化特性が極端に低下し、鋼材の減肉の結果、十分なクリープ特性を得ることが困難となる。クリープ強度を十分得るためには、0.10%以上のSi添加が必要である。
Claims (8)
- 質量%で、
C :0.03〜0.096%、
Si:0.10〜0.80%、
Mn:0.10〜1.41%、
P :0.030%以下、
S :0.010%以下、
O :0.020%以下、
N :0.007〜0.08%、
Al:0.01%以下、
Cr:0.51〜0.80%、
Mo:0.01%以上0.50%未満
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の成分組成からなり、さらに焼きならしままの金属組織を有することを特徴とする熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - 質量%で、
V:0.02〜0.50%、
B:0.0003〜0.0050%、
の1種または2種をさらに含有することを特徴とする請求項1に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - 質量%で、
Nb:0.005〜0.080%、
Ti:0.005〜0.050%の1種または2種をさらに含有することを特徴とする請求項1または2に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - 質量%で、
Cu:0.05〜1.0%、
Ni:0.05〜1.0%、
Co:0.05〜1.0%の1種または2種以上をさらに含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - 質量%で、
W:0.01〜3.0%をさらに含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - 質量%で、
La,Ca,Y,Ce,Zr,Ta,Hf,Re,Pt,Ir,Pd,Sbの1種または2種以上を合計で0.001〜0.2%さらに含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。 - さらにフェライト分率が10%以上90%以下の焼きならしままの金属組織を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の成分組成からなる鋼管を、Ac3変態点以上で加熱後、焼きならしままとすることを特徴とする熱処理簡略型高強度低合金ボイラ用鋼管の製造方法。
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