JP5137934B2 - フェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Description

本発明はフェライト系耐熱鋼に係り、特に超々臨界圧火力プラントに好適なボイラ鋼管用高強度鋼に関するものである。

近年、火力発電プラントではＣＯ_２排出量削減等、地球規模の環境問題を背景としてプラント効率向上のために蒸気条件の高温高圧化が進められており、現在得られる最高の蒸気温度である６００℃程度の蒸気温度から、さらに究極的には６５０℃程度の蒸気温度を達成できるプラントの開発研究が種々進められている。このような蒸気温度の上昇に伴い、ボイラ高温耐圧部の伝熱管には従来使用されてきたフェライト系耐熱鋼より耐食性と高温強度の優れたオーステナイト系耐熱鋼が多く使われるようになってきた。しかし、これらオーステナイト系耐熱鋼はフェライト系耐熱鋼に比べて線膨張係数が高く、熱伝達率が小さいことから、伝熱管の管寄せや配管等大径厚肉管の場合は大きな熱応力が発生して熱疲労による損傷を受けやすいという問題があり、また材料費や加工費の上昇による経済性の問題もあった。このため高温強度が高く、耐食性も良好な新しいフェライト系耐熱鋼の開発が望まれていた。

このようなフェライト系耐熱鋼の例としては、従来の９％Ｃｒ１％ＭｏＮｂＶ鋼をベースにＣｒを増加し、ＷとＣｏ等の合金元素を添加して高温強度の改善を図った特許第２５２８７６７号の発明がある。

特許第２５２８７６７号公報

しかしながら、６５０℃付近の蒸気温度となるボイラで使用することを考えた場合、フェライト系耐熱鋼は多くのＷを含有するため、長時間使用していると脆弱な金属間化合物を形成し、長時間クリープ破断強度を低下させる。そのため、前記提案された合金ではまだ不十分であり、さらに高温強度が高く、しかも高温長時間にわたって強度の安定したフェライト系耐熱鋼が必要である。

本発明の課題は、従来よりさらに長時間クリープ破断強度の優れた高強度フェライト系耐熱鋼を提供することにある。

本発明の上記課題は次の構成により解決される。
すなわち、一つの発明は、質量％で、炭素（Ｃ）0.05％以上、0.08％未満、ケイ素（Ｓ
ｉ）0.20〜1.0％、マンガン（Ｍｎ）0.05〜1.5％、ニッケル（Ｎｉ）0.02〜0.5％、クロ
ム（Ｃｒ）9.0〜13.0％、モリブデン（Ｍｏ）0.05〜0.5％、タングステン（Ｗ）0.5％〜3
.0％、バナジウム（Ｖ）0.10〜0.30％、ニオブ（Ｎｂ）0.04〜0.2％、コバルト（Ｃｏ）0
.5〜5.0％、窒素（Ｎ）0.01〜0.1％、ホウ素（Ｂ）0.001〜0.030％、銅（Ｃｕ）0.01％以
下及びアルミニウム（Ａｌ）0.002％以下に成分が制限され、調質熱処理により得られる
焼戻しマルテンサイト単相組織からなることを特徴とするフェライト系耐熱鋼である。

また、もう一つの発明は、質量％で、炭素（Ｃ）0.05％以上、0.08％未満、ケイ素（Ｓ
ｉ）0.20〜1.0％、マンガン（Ｍｎ）0.05〜1.5％、ニッケル（Ｎｉ）0.02〜0.5％、クロ
ム（Ｃｒ）9.0〜13.0％、モリブデン（Ｍｏ）0.05〜0.5％、タングステン（Ｗ）0.5％〜3
.0％、バナジウム（Ｖ）0.10〜0.30％、ニオブ（Ｎｂ）0.04〜0.2％、コバルト（Ｃｏ）0
.5〜5.0％、窒素（Ｎ）0.01〜0.1％、ホウ素（Ｂ）0.001〜0.030％、銅（Ｃｕ）0.01％以
下及びアルミニウム（Ａｌ）0.002％以下に成分が制限され、Ｃｒ＋6Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．
５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１２Ａｌ−４０Ｃ−30Ｎ−4Ｎｉ−2Ｍｎ−Ｃｕ−2Ｃｏで求めら
れるＣｒ当量が10％超14％以下になるように成分が調整された、焼戻しマルテンサイト組
織及び体積率で1〜15％のδフェライト組織からなる２相組織であることを特徴とするフ
ェライト系耐熱鋼である。

（作用）
以下、本発明におけるフェライト系耐熱鋼の各成分の含有率の限定理由について説明する。
Ａｌは本発明では最も重要なフェライト系耐熱鋼の構成元素であり、脱酸剤及び結晶粒微細化剤として添加される。しかし、Ａｌは強窒化物形成元素であり、余剰のＡｌはクリープ強度に有効に働く窒素を固着させることにより、フェライト系耐熱鋼の長時間クリープ強度を低下させる作用がある。特にＡｌの含有率が０．００２ｗｔ％を超えると６５０℃付近の高温域での１０４時間以上のフェライト系耐熱鋼の長時間クリープ強度を低下させる作用がある。また、Ａｌの含有率が高くなると、Ｗを主体とする脆弱な金属間化合物であるラーベス相の析出を促進し、結晶粒界への析出を招いてフェライト系耐熱鋼の長時間側のクリープ破断強度を低下させる。特に極度に結晶粒を微細化することにより粒界にラーベス相が連続的に析出する。

したがって、Ａｌの含有率の上限を０．００２ｗｔ％とする。Ａｌの含有率をこのように極低レベルに抑えることは脱酸材としての効果が不足して介在物生成の原因となりやすいため従来は避けられてきた。しかし本発明ではフェライト系耐熱鋼の耐食性向上のためＳｉを多めに添加することにより、Ｓｉの脱酸作用も利用できることから、前記介在物生成の懸念は回避できる。

ＳｉはＡｌと同様に脱酸材としての効果を有し、介在物の生成を回避し、耐水蒸気酸化性を確保するために最低０．２０ｗｔ％は必要であるが、Ｓｉを多量に添加するとラーベス相の生成が促され、また粒界偏析等によって延性を低下させるために、上限を１．０ｗｔ％とするが、望ましい含有率は０．２５〜０．５５ｗｔ％である。

Ｃｏは本発明のフェライト系耐熱鋼を特徴づける重要な構成元素である。Ｃｏはオーステナイト形成元素であって、δフェライトの生成を抑制するとともに、析出物を安定化させるので、本発明においては０．５ｗｔ％以上のＣｏを添加することで合金の高温強度が著しく改善される。これはＷとの相互作用によるものと考えられ、Ｗを０．５ｗｔ％以上含む本発明の合金において特徴的な現象である。一方、５．０ｗｔ％を超える過度のＣｏを添加すると、得られる合金の延性が低下する等の悪影響が生じるので０．５〜５．０ｗｔ％とするが、望ましくは０．５〜３．０ｗｔ％の含有率とする。

Ｃは焼入れ性を確保し、また焼戻し過程でＭ₂₃Ｃ₆型炭化物を過度に析出させて高温強度を高めるために不可欠の構成元素であり、最低０．０５ｗｔ％の含有率にする必要があるが、０．２０ｗｔ％を超えるとＭ₂₃Ｃ₆型炭化物を過度に析出させ、マトリックスの強度を低下させて、かえってフェライト系耐熱鋼の長時間側の高温強度を損なうので、実用上０．０５ｗｔ％以上、０．０８ｗｔ％未満に含有率を限定する。

Ｍｎはδフェライトの生成を抑制し、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を促進する構成元素であり、最低０．０５ｗｔ％の含有率にする必要があるが、１．５ｗｔ％を超えると耐酸化性を劣化させるので、０．０５〜１．５ｗｔ％に含有率を限定する。

Ｎｉはδフェライトの生成を抑制して靭性を付与する構成元素であり、最低０．０２ｗｔ％必要であるが、０．５ｗｔ％を超えて添加すると６００℃以上のクリープ破断強度を低下させるので、０．０２〜０．５ｗｔ％に含有率を限定する。

Ｃｒは耐酸化性を付与し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の構成元素であり、最低９．０ｗｔ％を必要とするが、１３．０ｗｔ％を超えるとδフェライトを生成し、高温強度および靭性を低下させるので９．０〜１３．０％に含有率を限定する。

ＭｏはＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の微細析出を促進して凝集を妨げる作用があり、このため高温強度を長時間保持するのに有効であり、最低０．０５ｗｔ％の添加を必要とするが、２．０ｗｔ％以上になるとδフェライトを生成しやすくするので０．０５〜２．０ｗｔ％に含有率を限定する。望ましい含有率は０．０５〜０．５ｗｔ％で、より好ましくは０．１〜０．３ｗｔ％である。

ＷはＭｏ以上にＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の凝集粗大化を抑制する作用が強く、またマトリックスを固溶強化するので高温強度の向上に有効であり、最低０．５ｗｔ％の添加を必要とするが、３．０ｗｔ％を超えるとδフェライトやラーベス相を生成しやすくなり、逆に高温強度を低下させるので、０．５〜３．０ｗｔ％の含有率で使用する。

Ｖは、Ｖの炭窒化物を析出して高温強度を高めるのに有効であり、最低０．０５ｗｔ％の添加を必要とするが、０．３ｗｔ％を超えると炭素を過度に固定し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出量を減じて逆に高温強度を低下させるので、実用上０．１〜０．３ｗｔ％に含有率を限定する。

Ｎｂは、ＮｂＣを生成して結晶粒の微細化に役立ち、また一部は焼入れの際に固溶して焼戻し過程でＮｂＣを析出し、高温強度を高める作用があり、最低０．０１ｗｔ％必要であるが、０．２０ｗｔ％を超えるとＶと同様に炭素を過度に固定してＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の析出量を減少させ、高温強度の低下を招くので、０．０４〜０．２０ｗｔ％の含有率で使用する。またＮｂは、実用上、望ましくは０．０４〜０．１３ｗｔ％の含有率で使用される。

ＮはＶの窒化物を析出したり、また固溶した状態でＭｏやＷと共同で侵入型固溶元素と置換型固溶元素の相互作用によって高温強度を高める作用があり、最低０．０１ｗｔ％は必要であるが、０．１ｗｔ％を超えると延性を低下させるので、０．０１〜０．１ｗｔ％に含有率を限定する。

ＣｕはＣｏと同様にδフェライトの生成を抑制する作用を有するが、６００℃以上で長時間クリープ破断強度を低下させる場合があるので、含有率を０．０１ｗｔ％以下に制限する。

Ｂは粒界強化作用とＭ₂₃Ｃ₆中に固溶し、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の凝集粗大化を妨ぐ作用により高温強度を高める効果があり、最低０．００１ｗｔ％添加すると有効であるが、０．０３０ｗｔ％を超えると溶接性や鍛造性を阻害するので、０．００１〜０．０３０ｗｔ％に含有率を限定する。

本発明のフェライト系耐熱鋼は溶解、鍛造後に１０３０〜１０５０℃の温度での焼きならし及び７８０〜８００℃での焼戻しを行い、焼戻しマルテンサイト組織として使用する。靱性確保の観点からは焼戻しマルテンサイト組織単相とすることが望ましいが、高温用ボイラ部材として用いる際にある程度の靱性低下が許容される場合は、ＣｒやＳｉ等のフェライト形成元素を上記制限範囲内で多めに設定してδフェライトを析出させてもよい。この場合、靱性とクリープ破断強度の点からもδフェライトは体積率で１５％以下になるようにその使用量を限定する。

本発明はクリープ破断強度の高いフェライト系耐熱鋼を提供するものであって、本発明の鋼の使用目的に応じて種々の製造方法を採ることが可能であり、鋼管のみならず鋼板としても使用できる。

本発明によるフェライト系耐熱鋼は従来のフェライト系耐熱鋼に比べて著しく高温強度を高め、かつ長時間の使用においても安定した強度を有することから、超々臨界圧ボイラの高温耐圧部に適用すれば蒸気温度を６５０℃前後に高めることが可能となって火力発電のプラント効率を向上でき、石炭焚火力発電プラントの石炭消費量低減及びＣＯ２排出量削減に顕著な効果が得られる。

本発明の実施の形態を説明する。表１に示す化学組成を有する本発明の実施の形態の鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、各々２０ｋｇのインゴットに鋳造した。熱間鋳造によって厚さ２０ｍｍの板とした後、１０５０℃×６０分の焼きならし及び８００℃×６０分の焼戻しを施し、クリープ破断試験を実施した。

クリープ破断試験の結果から推定した６５０℃における１０万時間クリープ破断強度を表２に示す。本発明の実施の形態のフェライト系耐熱鋼はＷ、Ｃｏ、Ｎｉほか合金元素の含有率の最適化に加え、Ａｌの含有率を極低レベルに制限している結果、既存のＷ及びＣｏ添加鋼（Ａｌ量４０ｐｐｍ以上）に比して著しくクリープ破断強度が改善されている。

本実施の形態におけるフェライト系耐熱鋼は、小径の伝熱管材のみならず厚肉大径管材としても用いることができ、特に蒸気温度が６５０℃前後の超々臨界圧ボイラの過熱器管寄せや主蒸気管材に好適である。

Claims (2)

1. 質量％で、炭素（Ｃ）0.05％以上、0.08％未満、ケイ素（Ｓｉ）0.20〜1.0％、マンガ
   ン（Ｍｎ）0.05〜1.5％、ニッケル（Ｎｉ）0.02〜0.5％、クロム（Ｃｒ）9.0〜13.0％、
   モリブデン（Ｍｏ）0.05〜0.5％、タングステン（Ｗ）0.5％〜3.0％、バナジウム（Ｖ）0
   .10〜0.30％、ニオブ（Ｎｂ）0.04〜0.2％、コバルト（Ｃｏ）0.5〜5.0％、窒素（Ｎ）0.
   01〜0.1％、ホウ素（Ｂ）0.001〜0.030％、銅（Ｃｕ）0.01％以下及びアルミニウム（Ａ
   ｌ）0.002％以下に成分が制限され、調質熱処理により得られる焼戻しマルテンサイト単
   相組織からなることを特徴とするフェライト系耐熱鋼。
2. 質量％で、炭素（Ｃ）0.05％以上、0.08％未満、ケイ素（Ｓｉ）0.20〜1.0％、マンガ
   ン（Ｍｎ）0.05〜1.5％、ニッケル（Ｎｉ）0.02〜0.5％、クロム（Ｃｒ）9.0〜13.0％、
   モリブデン（Ｍｏ）0.05〜0.5％、タングステン（Ｗ）0.5％〜3.0％、バナジウム（Ｖ）0
   .10〜0.30％、ニオブ（Ｎｂ）0.04〜0.2％、コバルト（Ｃｏ）0.5〜5.0％、窒素（Ｎ）0.
   01〜0.1％、ホウ素（Ｂ）0.001〜0.030％、銅（Ｃｕ）0.01％以下及びアルミニウム（Ａ
   ｌ）0.002％以下に成分が制限され、Ｃｒ＋6Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋
   １２Ａｌ−４０Ｃ−30Ｎ−4Ｎｉ−2Ｍｎ−Ｃｕ−2Ｃｏで求められるＣｒ当量が10％超14
   ％以下になるように成分が調整された、焼戻しマルテンサイト組織及び体積率で1〜15％
   のδフェライト組織からなる２相組織であることを特徴とするフェライト系耐熱鋼。