JP6323634B1 - フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法及びフェライト系耐熱鋼溶接構造体 - Google Patents
フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法及びフェライト系耐熱鋼溶接構造体 Download PDFInfo
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Abstract
Description
(Log(t)+12)・(T+273)<13810 (1)
ここで、tは保持時間であり、Tは温度である。tの単位は時間であり、Tの単位は℃である。Logは常用対数である。
上述のとおり、Type IV損傷は、溶接の熱伝達によってAc3点直上に短時間加熱された炭化物が炭化物の周囲のみ部分的に固溶するとともに、微細(粒子径サイズが実質的に100nm以下)な炭化物の完全固溶によって母材中に炭素が供給され、その後の溶接後熱処理によって、残留した未固溶炭化物上に、これらの炭素と、炭化物鋼製遷移元素が再析出して炭化物が粗大化することによって生じる。本発明は、これを防止する目的で、溶接前に、Type IV損傷防止のための熱処理を実施する。具体的には、溶接継手の溶接熱影響部となる部位(HAZ部相当部位)に析出している炭化物を、溶接直前に、Ac3点以上の温度に加熱して、当該温度に2分以上保持して完全に再固溶しておき、未固溶炭化物を通じた炭化物の溶接熱影響による粗大化自体を抑制する。
続いて、本発明に係るフェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法の一環をなす、溶接後熱処理と、その結果生じる組織中の析出物形態について説明する。
(Log(t)+12)・(T+273)<13810 (1)
本発明の特徴の一つは、溶接前熱処理によって、HAZにおける炭化物の不完全固溶を防止することにある。
Cは、焼入れ性を高め、本発明で重要な析出物である炭化物M23C6を形成する元素である。本発明では、クリープ破断強度を向上させるために必要なマルテンサイト組織を形成するためにCを0.05%以上添加する。析出強化能を高めるには、0.07%以上のCを添加することが好ましい。一方、C量が多すぎると、析出物が粗大になり、粒界被覆率がかえって低下するため、C量を0.12%以下とする。また、C量が多いと粒界に生成した炭化物の粗大化が早くなり、クリープ破断強度を低下させることがあるため、C量を0.10%以下にすることがさらに好ましい。
Siは脱酸元素であり、0.02%以上を添加する。脱酸の効果を高めるためには、0.10%以上のSiを添加することが好ましい。また、Siは、耐酸化性の向上にも有効であり、0.20%以上を添加することがより好ましい。一方、0.45%を超えるSiを添加すると、Siを含む酸化物が脆性破壊の起点となって靭性を損なうことがある。また、過剰なSiの添加は、固溶しているMoあるいはWを置換してFe2MoあるいはFe2Wの析出を促進し、クリープ破断強度が低下する場合があるため、Si量は0.45%以下とする。靭性を高めるには、Si量は0.40%以下が好ましく、0.35%以下がより好ましい。
Mnは脱酸剤であり、本発明では0.40%以上を添加する。脱酸が不十分であると靱性が低下するため、0.45%以上のMnを添加することが好ましい。一方、Mnは、オーステナイト生成元素であり、転位の易動度を上げて局部的に組織回復を加速させるため、過剰に添加するとクリープ特性が劣化する。本発明では、クリープ強度を確保するために、Mnを0.80%以下とする。クリープ破断強度をさらに高めるには、Mn量を0.70%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.60%未満とする。
Crは、鋼材の焼入れ性を高め、炭化物として鋼材を析出強化させる重要な元素である。500℃以上の温度でクリープ破断強度を高めるためには、Crを主体としたM23C6型炭化物の量を確保し、早期に粒界被覆率を高めることが必要であり、本発明では、8.0%以上を添加する。耐水蒸気酸化特性を考慮すると、8.5%以上のCrを添加することが好ましい。一方、Crを過剰に添加すると、650℃の温度ではM23C6型炭化物の粗大化が加速し、クリープ特性が劣化するため、Cr量を12.0%以下とする。Cr量を10.5%以下とすることが好ましく、より好ましい添加量は9.50%以下である。
MoはFe2Moの形態で金属間化合物として主に大角粒界に析出する。大角粒界への析出はM23C6型炭化物の間隙を埋めるように析出することから、粒界上の析出物間隔(粒子間距離)はさらに小さくなり、長時間クリープ環境下では大角粒界が移動した後でも列状に残置され、この間を転位が突破するためには高い応力が必要となり、クリープ強度向上に寄与する。クリープ破断強度向上のために0.30%を添加し、粒界被覆率向上のためには0.80%以上を添加することが好ましい。一方、Moを過剰に添加すると、Fe2Mo型金属間化合物の粗大化が速くなるため、Mo量を1.10%以下とすることが好ましい。長時間クリープ強度をさらに向上させたい場合には1.05%以下の添加に厳格に制御することが必要で、より好ましい。
Nは、窒化物を形成する元素であり、VNを析出させて初期のクリープ強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を享受するために、最低限の量としてNを0.003%以上を含有させる。また、耐火物等から混入するAlがNと結合し、VN生成のためのN量を十分に確保できない場合がある。このような場合を考慮すると、N量は0.010%以上添加することが好ましい。しかし、N量が0.080%を超えると、VNがかえって粗大化するか、析出が促進されて長時間にわたってクリープ強度を向上させる効果が発現しない場合があるため、上限を0.080%とする。また、Nは、中性子の照射により放射化して鋼を脆化させる元素であることから、耐熱鋼を原子力発電のプラント等に使用する際には、N量を0.060%以下にすることが好ましい。
Nbは粒内にNbC型炭化物として析出して析出強化に寄与する。VNと複合析出すれば、転位の動きをさらに効果的に抑制することができる。0.005%添加により効果が顕現する。より安定なNbC炭化物を活用し、例えば高温強度を獲得するには0.010%以上添加することが好ましい。さらに好ましい添加下限は0.020%である。その添加上限値は早期粗大化によるクリープ強度低下防止の観点から0.10%とする。靭性を重視する石油化学プラント等ではNbCによる脆性きれつ伝播促進抑制の観点から添加量を0.08%以下に制限することが好ましい。また、NbCを微細かつ均一に分散させて前記VNとの複合析出効果を大きく期待する場合にはNb量を0.06%以下にすることがより好ましい。
VはNと結合して窒化物を生成する元素であり、粒内にVNの形態で析出して析出強化に寄与する。0.005%添加でVNの析出が600℃、1000時間より見られ、クリープ強度向上に寄与する。NbCとの複合析出強化をさらに効果的に得るためには0.010%以上の添加が好ましく、さらに好ましくは0.015%以上である。本発明が対象とするフェライト系耐熱鋼は大角粒界の析出強化が主体であり、粒内強化の効果はむしろ長時間側では大きくないが、少しでもクリープ強度向上を期待する場合には有効な強化元素である。ただし、0.50%を超えて添加すると長時間クリープ環境下では(V,Nb)2Nのような成長の早いZ相に変態し、クリープ強度をむしろ低下させる場合があることから、添加する場合の上限値を0.50%とする。また、VNは粗大化すると靱性低下をきたす。したがって靭性劣化防止の観点からは添加する場合において0.40%以下とすることが望ましい。より好ましいV量は0.35%以下である。
Niは、靭性の向上や、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、転位の易動度を高め、クリープ破断強度を著しく低下させることから、本発明ではその含有量を制限する。本発明では、長時間のクリープ破断強度の低下を抑制するため、Ni量を0.20%未満に制限する。クリープ特性を高めるには、Niの含有量は、0.15%以下に制限することがより好ましく、さらに好ましくは0.10%以下に制限する。
Cuは、オーステナイトの安定化に有効な元素であるが、本発明のように焼準し−焼戻しにて製造する場合は、鋼中にε−Cu(金属Cu)として単独で析出する。熱間加工時に1100℃以上に加熱されると、鉄が選択的に酸化され、Cuが粒界に集まった場合には局部的な低融点金属集積帯が形成され、粒界剥離割れを誘引する(赤熱脆性)ことがある。このように、本発明では、Cuは、オーステナイトの安定化には寄与するが、熱間加工性への影響が大きいことから、Cu量を0.20%未満に制限する。製造性を高めるには、Cuの含有量は、0.15%以下に制限することがより好ましく、さらに好ましくは0.10%以下に制限する。
Alは、本発明ではNと結合しAlNとして析出するが、AlNは粗大かつ針状で粒内に析出して強化には寄与しない。したがって、粗大であることから靭性の観点より0.025%未満に制限する。一方で脱酸材としての効果があり、鋼中酸素濃度を下げる働きがあるが、Vを添加する鋼を対象とする本発明ではVNの析出を抑制し、クリープ強度向上効果を減じることもあるため、より好ましくは0.020%以下に制限する。さらに靭性要求の厳しい環境用の圧力容器では0.015%以下とすることがさらに好ましい。
Bは通常、B含有鋼を製造した後に同一の製鋼工程を経て本発明の対象鋼種を製造する際に主に耐火物から混入することがある。B自体は鋼の焼入れ性を高めるものの、本発明のように比較的窒素濃度の高い鋼種ではBNを生成して靭性を劣化させる場合があることから、含有量を0.005%未満に制限する。B添加鋼は高Cr鋼の焼入れ性を過剰に高める場合があって、室温でも安定な残留γをラス境界に生成する現象を促進し、かつ残留γ中に濃化してこれを安定化するために、高温で焼戻しても残留γが容易には分解しない場合がある。残留γは鋼材の衝撃試験の際にクラック先端の応力集中場で歪み誘起変態して微細ではあるがマルテンサイト組織に変態し、当該部分の脆化をきたす可能性があることから、好ましくは0.004%以下とする。さらに靭性要求の厳しい環境では0.003%以下とすることがより好ましい。
Pは、粒界に偏析し、粒界破壊を助長して靱性を低下させるため、含有量を0.020%未満に制限する。
Sは、Mnと結合し、粗大なMnSの形成による靱性の低下を防止するため、含有量を0.010%未満に制限する。
Oは、脆性破壊の起点となる酸化物のクラスターを形成し、靭性を低下させるため、含有量を0.010%未満に制限する。
Zr:0〜0.15%
本発明では、必要に応じて粒内及び粒界にクリープ強度向上のための転位移動障害としての窒化物であるTiN、ZrNを析出させることを目的に、Ti及びZrの一種又は二種を単独であるいは併用して添加することができる。粒界析出の場合は粒界被覆率向上に寄与してクリープ強度向上効果を発揮し、粒内に析出した場合には直接転位の移動抵抗として作用し、見かけの転位の易動度を低下させることが可能である。これらの効果をより確実に得るためには、両元素ともに0.005%以上の添加が好ましく、0.15%を超えて添加するといずれも脱酸力が高いことから酸化物のクラスターを形成して靱性が低下する場合がある。そのため、添加量上限値を0.15%に制限する。靭性を重視する圧力容器では0.10%以下の添加が好ましい。より好ましくは0.08%以下である。
Re:0〜3.5%
同様に、Moの添加と同様な効果を有するW、Reも添加することが可能で、本発明には好適である。Wは鋼中でFe2W型Laves相として主に粒界析出し、粒界被覆率向上に寄与する。析出が遅く、600℃の高温であっても50時間以上しないと析出は開始しないため、Type IV損傷には影響しない。粒界析出が主体であり、かつ原子量が大きいことから1.5%以上の添加で効果が顕現する。一方、2.0%以上添加すると、今度は熱間加工性を低下させるχ相の形で析出し、特に熱間加工中の偏析部位に析出した場合は熱間割れを生じる可能性があることから、添加量を2.0%までに制限する。靭性要求の厳しい圧力容器では1.90%以下に制限することがより好ましい。Reも同様にLaves相を形成する。この場合はCrとの親和性が高いことからCR2Reの形態をとることが多い。0.5%の添加で早期に析出が始まり、3.5%まで添加することでクリープ強度を粒界被覆率の向上効果を高める。しかしながら粒界析出時の析出物サイズ自体が大きく、析出が半整合であることから靭性の低下が顕著であるため、靭性要求仕様の厳しい圧力容器への適用では3.0%以下とすることが好ましく、高価な元素であることも考慮するとコスト面からは2.0%以下の添加量とすることが好ましい。
Y、Ce、La:0〜0.0500%
Ca、Mg、Y、Ce、Laは、硫化物の形態制御に用いられる元素であり、MnSによる熱間加工性や靭性の低下を抑制するために、1種又は2種以上を添加することが好ましい。特に、板厚中心部において圧延方向に延伸したMnSの生成を防止するため、それぞれ、CaとMgは0.0003%以上、Y、Ce、Laは0.010%以上添加することが好ましい。一方、Ca、Mg、Y、Ce、Laは、強力な脱酸元素でもあり、過剰に添加すると酸化物のクラスターが生成し、靱性を低下させることがある。そのため、それぞれ、Ca、Mgについては0.0050%以下、Y、Ce、Laについては0.0500%以下とする。靭性を高めるためには好ましくは、Ca、Mgは0.0040%以下、Y、Ce、Laは0.0300%以下であり、Y、Ce、Laは、さら好ましくは0.0200%以下とする。
ΔCR=(母材のクリープ破断強度)−(溶接継手のクリープ破断強度) (3)
Claims (7)
- 母材、溶接熱影響部、及び溶接金属を含むフェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法であって、
化学組成が、質量%で、
C :0.05〜0.12%、
Si:0.02〜0.45%、
Mn:0.40〜0.80%、
Cr:8.0〜12.0%、
N :0.003〜0.080%、
Mo:0.30〜1.30%、
Nb:0.005〜0.10%、
V :0.005〜0.50%、
W :0〜2.0%、
Re:0〜3.5%、
Ti:0〜0.15%、
Zr:0〜0.15%、
Ca:0〜0.0050%、
Mg:0〜0.0050%、
Y :0〜0.0500%、
Ce:0〜0.0500%、及び
La:0〜0.0500%、
を含有し、
Ni:0.20%未満、
Cu:0.20%未満、
B :0.005%未満、
Al:0.025%未満、
P :0.020%未満、
S :0.010%未満、及び
O :0.010%未満、
に制限し、
残部はFe及び不純物である前記母材を準備する工程と、
前記母材に開先を形成する工程と、
前記開先の表面と、前記開先の表面から30〜100mmの溶接前熱処理深さだけ離れた位置との間の領域を、1050〜1200℃の温度に加熱し、当該温度に2〜30分保持する溶接前熱処理工程と、
前記溶接前熱処理工程後、前記開先を溶接して前記溶接金属を形成する溶接工程と、
前記溶接工程後、前記開先の表面と、前記開先の表面から前記溶接前熱処理深さ以上100mm以下の距離だけ離れた位置との間の領域を、720〜780℃の温度に加熱し、当該温度に30分以上かつ式(1)を満たす時間保持する溶接後熱処理工程とを備える、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。
(Log(t)+12)・(T+273)<13810 (1)
ここで、tは保持時間であり、Tは温度である。tの単位は時間であり、Tの単位は℃である。Logは常用対数である。 - 請求項1に記載の製造方法であって、
前記溶接前熱処理工程を、2回以上に分けて実施する、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の製造方法であって、
前記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6型炭化物の平均粒径が300nm以下であり、
前記大角粒界上の前記M23C6型炭化物の平均粒子表面間距離が200nm以下であり、
前記大角粒界の前記M23C6型炭化物による被覆率が40%以上である、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。
ただし、前記M23C6型炭化物のMは、Cr、Fe、Mo及びWの1種又は2種以上が合計で70原子%以上である。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記母材の化学組成が、質量%で、
W :1.5〜2.0%、及び
Re:0.5〜3.5%、
からなる群から選択される1種又は2種を含有する、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記母材の化学組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.15%、及び
Zr:0.005〜0.15%、
からなる群から選択される1種又は2種を含有する、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記母材の化学組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.0050%、
Mg:0.0003〜0.0050%、
Y :0.0100〜0.0500%、
Ce:0.0100〜0.0500%、及び
La:0.0100〜0.0500%、
からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、フェライト系耐熱鋼溶接構造体の製造方法。 - 母材、溶接熱影響部、及び溶接金属を含むフェライト系耐熱鋼溶接構造体であって、
母材の化学組成が、質量%で、
C :0.05〜0.12%、
Si:0.02〜0.45%、
Mn:0.40〜0.80%、
Cr:8.0〜12.0%、
N :0.003〜0.080%、
Mo:0.30〜1.30%、
Nb:0.005〜0.10%、
V :0.005〜0.50%、
W :0〜2.0%、
Re:0〜3.5%、
Ti:0〜0.15%、
Zr:0〜0.15%、
Ca:0〜0.0050%、
Mg:0〜0.0050%、
Y :0〜0.0500%、
Ce:0〜0.0500%、及び
La:0〜0.0500%、
を含有し、
Ni:0.20%未満、
Cu:0.20%未満、
B :0.005%未満、
Al:0.025%未満、
P :0.020%未満、
S :0.010%未満、及び
O :0.010%未満、
に制限し、
残部はFe及び不純物であり、
前記溶接熱影響部の大角粒界上に析出するM23C6型炭化物の平均粒径が300nm以下であり、
前記大角粒界上の前記M23C6型炭化物の平均粒子表面間距離が200nm以下であり、
前記大角粒界の前記M23C6型炭化物による被覆率が40%以上である、フェライト系耐熱鋼溶接構造体。
ただし、前記M23C6型炭化物のMは、Cr、Fe、Mo及びWの1種又は2種以上が合計で70原子%以上である。
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