JPH02217438A - 高温クリープ強度の高い耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、５５０℃以上の高温でのクリープ強度が高
く、ボイラ、化学工業、原子力用などの分野で熱交換器
管、配管用管、耐熱バルブ、接続継手等の鋳鍛鋼品とし
て使用される低Ｃｒ−Ｎｏ−Ｗ系耐熱鋼に関する。

（従来の技術） ボイラ、化学工業、原子力用の高温耐熱耐圧部材として
は、オーステナイトステンレス鋼、９〜１ＺＣｒ系高Ｃ
ｒフエライト鋼、Ｃｒ重量、５％以下のＣｒ　−Ｍｏ系
低合金鋼と炭素鋼が用いられている。これらは対象とな
る部品の使用温度、圧力などの使用環境と経済性を考慮
して適宜選択されている。

上記のような材料の中、Ｃｒ含有量３．５％（本明細書
において、合金成分についての％は全て重量％を意味す
る）以下の低合金鋼の特徴は、炭素鋼に比べＣｒ含有に
よる耐酸化性、高温耐食性および高温強度に優れること
、オーステナイトステンレス鋼に比べ格段に安価でかつ
熱膨張係数が小さく、応力腐食割れをおこさないこと、
高Ｃｒフェライト鋼に比べても安価で靭性、熱伝導性、
溶接性に優れることにある。低合金鋼の代表鋼として、
２・１／４Ｃｒ−Ｉ　Ｍｏ１１（ＳＴＢＡ２４）、ＳＴ
Ｂ＾２２．５ＴＢＡ２０などが規格化され、通常Ｃｒ　
−Ｍｏ鋼と総称されている。

一方、高温強度を向上させる目的で析出強化元素■、Ｎ
ｂ、　ＴＩ、Ｔａ−ＦＢを添加した材料が、特開昭５７
−１３１３４９号、特開昭５７−１３１３５０号、特開
昭６２−５４０６２号、特開昭６３−６２８４８号など
の各公報に提藁されている。

また、タービンロータやケーシング材料では、Ｉ　Ｃｒ
−１１ｉｏ−０，２５Ｖ鋼がよく知られており、高速増
殖炉用構造材料では、２　・１／４　Ｃｒ　−Ｉ　Ｈａ
’−Ｎｂ鋼などが開発されている。

しかしながらこれらの低合金鋼は、５５０℃以上の高温
での使用に関して、２つの点で問題がある。

第１点は、耐酸化性、高温耐食性に関して、高Ｃｒフェ
ライト鋼やオーステナイトステンレス鋼に劣ること、第
２点は、５５０″Ｃ以上の高温強度がＶ。

Ｎｂ析出強化型の高Ｃ「フェライト鋼やオーステナイト
ステンレス鋼に比べ、著しく低いことである。

鯛の耐酸化性、高温耐食性は、主としてＣｒ含有量に依
存するから、その含有量を高めるのが改良法の一つであ
るが、低合金鋼としての高い熱伝導性、良好な溶接性、
経済性を生かすには、既存の低Ｃｒ鋼の範晴での成分改
良が望ましい。また、特に耐酸化性、耐食性が問題にな
らない環境で使用するのであれば、第１点はそれほど重
要とは言えなくなる。

一方、高温強度は、耐圧部材の設計上極めて重要であり
、使用温度の如何を問わず高強度であることが望ましい
、特に、ボイラ、化学工業、原子力用などの耐熱耐圧鋼
管では、高温強度により管の肉厚が決定される。このよ
うな背景を考慮して、低合金鋼を高強度化した場合の利
点を挙げれば、次のとおりである。

■　従来、高温腐食のそれほど厳しくなかった使用環境
でも、高温強度の確保のためにオーステナイトステンレ
ス鋼、高Ｃｒフェライト鋼を使用していた分野、言い換
えれば低合金鋼の使用が制限されていた部材に低合金鋼
が使えるようになり、経済性が向上するとともに低合金
鋼の特性、例えば優れた溶接性、を生かすことができる
。

■　部材の肉厚そのものを薄（できることになり、熱伝
達性が向上し、プラントの熱効率そのものを改善できる
とともに、プラントの起動・停止による熱疲労負荷を軽
減できる。

■　部材の軽量化による低コスト化とプラントのコンパ
クト化が可能である。

前掲の特開昭６３−６２８４８号公報には高強度低合金
鋼が開示されているが、そこに開示されている綱は、高
温強度が向上する反面、靭性が低くなることにおいて改
善の余地がある。特に、肉厚配管材料では、プラントの
起動・停止による熱応力が大きく、靭性と高温強度の両
方にすぐれた材料が必要である。

従来の低合金鋼において、高強度化と高靭性化が両立し
ないのは次のような理由による。すなわち、既存規格鋼
ＳＴＢ＾２４、ＳＴＢ＾２２等のＣｒ　−Ｍｏ系材料で
は主にＭｏの固溶強化と微細なＣｒ、　Ｆｅ％　ＭＯの
炭化物による強化を利用している。その場合、靭性には
優れる反面、特に５５０　’Ｃ以上の高温では、炭化物
の成長粗大化が著しいことから高温強度が低くなる。一
方、高温強度改善に対しては固溶強化元素であるＭｏの
増量が考えられるが、その効果はそれほど大きくはなく
、かえって靭性、加工性の劣化が著しく実用的でない、
また、析出強化元素としてＶ、　Ｎｂ、、Ｂ、　Ｔｉの
添加が有効であるが、これらは強度を改善する反面、材
料を硬化させ、特にフェライト地に析出した場合、靭性
低下が大きい。

更に、良好な溶接性を確保するために、これらの元素の
添加が制限される場合が多い。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、Ｃｒが３．５％以下の低合金鋼の先に述べた
ような利点を生かしつつ、その高温（実用温度範囲とし
ては、およそ５５０〜６２５°Ｃ）での高温クリープ強
度を大幅に改善することを課題としてなされたものであ
る。即ち、靭性、加工性、溶接性においては既存の低合
金鋼と同等以上の性能を持ちながら高温強度が高く、こ
れまで強度の点から低合金鋼の使用が制限されていた分
野において、高Ｃｒフェライト鋼、オーステナイトステ
ンレス鋼に代替して使用できる新しい耐熱鋼を提供する
のが、本発明の目的である。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、低合金鋼の高温強度、特に５５０°Ｃ以
上でのクリープ強度を向上させるために、ＶとＮｂ　（
必要に応じてさらにＴ１、Ｂ等）による析出強化と、Ｍ
ｏとＷによる固溶強化および微細炭化物析出強化とを利
用することを考え多数の試験を繰り返した結果、次のよ
うな知見を得た。即ち、Ｍ。

とＷは複合添加するのが効果的であるが、Ｍｏに較べて
原子半径が大きく拡散係数の小さいＷを多量に使用する
ことにより格段の固溶強化が図れるのに加えて、クリー
プ強度に寄与する微細炭化物を高温でも長時間安定に保
持できること、および上記の諸成分の添加による靭性、
加工性、溶接性の低下は、微量のＭｇの添加によって防
止できること、である、かかる知見を基礎とする本発明
は、下記の組成を持つ高温クリープ強度の高い耐熱鋼を
要旨とする。

（１）　　Ｃ二〇、０３〜０．１４％、　　Ｓｉ：０．
７％以下、Ｍｎ：　０．１−１．５％、　　Ｎｉ；　０
．８％以下、Ｃｒ：　１．５〜３．５％、　　ＭＯ：　
０．０１〜０．４％、Ｗ：１〜３％（但し、ＭｏとＷの
重量比Ｗ／Ｍｏ≧６）、Ｖ：０．０５〜０．３％、　　
Ｎｂ：　０．０１〜０．１％、Ｎ：　０．００５〜０．
０５％、ＡＩｏ、００５〜０．０５％、Ｍｇ：　０．０
００５〜０．５％ 残部：鉄および不可避的不純物。

（２）　　上記（１）の成分に加えて、Ｂ：　０．００
０１〜０．０２％を含有する高温クリープ強度の高い耐
熱鋼。

（３）上記（１）の成分に加えて、それぞれ０．０１〜
０．２％のＬａ５Ｃｏ％Ｙ、　Ｃａ５Ｔｉｓ　Ｚｒｓ　
Ｔａのうちの１種以上を含有する高温クリープ強度の高
い耐熱鋼。

（４）上記（１）の成分に加えて、Ｂ：　０．０００１
〜０．０２％と、それぞれ０．０１〜０．２％のＬａ、
　Ｃｏ、　Ｙ、　Ｃａ、　Ｔｉ。

ｚｒｓ　Ｔａのうちの１種以上を含有する高温クリープ
強度の高い耐熱鋼。

上記の本発明の耐熱鋼は、それを構成する各成分の相互
作用によって、後述するような総合的に優れた特性を持
つに到るのあるが、以下に各成分の作用効果とその含有
量の選定理由を説明する。

（作用） Ｃ： Ｃは、Ｃｒ、　ＦｅＳＭｏ、　Ｗ、　Ｖ、Ｎｂ、　Ｔｉ
等と結合して炭化物を形成し高温強度に寄与するととも
に、それ自身がオーステナイト安定化元素としてＭｌｗ
ｉを安定化する０本発明鋼は、焼ならし一焼戻し処理に
よってフェライトとマルテンサイト、ベイナイトおよび
パーライトの混合した組織になるが、Ｃ含有量はこれら
の組織のバランス制御のためにも重要である。

Ｃ含有量が０．０３％未満では、炭化物の析出量が不足
し充分な強度が得らず、またフェライト量が多くなり過
ぎて靭性を損なう、一方、０．１４％を超Ｃｒ； 低合金鋼の耐酸化性および高温耐食性の改善のために不
可欠な元素である１本発明鋼は、特に、５５０〜６２５
℃の高温クリープ強度の高い耐熱鋼であるが、耐酸化性
や耐食性の点から用途が制約されないように、Ｃ「を添
加してこれらの改善を行う。

Ｃｒの含有量は、１．５％未満では上記の目的が達成で
きない、一方、本発明は低合金鋼の特性を最大限に利用
することも目的としており、その点から、Ｃｒ含有量の
上限は３，５％に抑える。３，５％を超えるＣｒ含有量
になると、靭性、溶接性、熱伝導性が悪くなる。

Ｓｉ　： Ｓｉは脱酸刑として添加され、綱の耐水蒸気酸化性を高
める元素でもある。ただし、その含有量が０．７％を超
えると綱の靭性および加工性が低下し、Ｍｎは鋼の熱間
加工性を改善し、＆ＩＩｍの安定化にも寄与する。この
効果は０．１％未満では期待できない、しかし、Ｍｎの
含有量が１．５％を超えると鋼の硬化を招き加工性、溶
接性を損なう、また、Ｓｉと同様に焼戻し脆化感受性を
高める元素でもあるから、上限を１．５％とする。

Ｎｉ： Ｎｌはオーステナイト安定化元素であり、かつ靭性改善
に寄与するが、０．８％を超えて含存させると高温クリ
ープ強度を損なう、また経済性の点からも多量添加は好
ましくない、従って、Ｎｉ含有量は０．８％以下とする
。

ＭＯ： ＭｏはＷと複合添加されて固溶強化および微細炭化物析
出強化の働きをする元素としてクリープ強度の向上に有
効である。しかし、その含有量が０゜０１％未満では十
分な効果が得られず、一方、０．４％を超える場合、も
はや強度向上効果は飽和するとともに、靭性、加工性を
損なう、そこで、後述するＷと複合添加することを前提
としてＮｏ含有量は０．０１〜０．４％とした。

Ｗ： Ｗは、上記のＭｏと複合添加されて固溶強化および微細
炭化物析出強化元素としてクリープ強度の向上に寄与す
る。Ｗは１％未満では十分な効果が得られず、３％を超
えると鋼を著しく硬化させ靭性、溶接性、加工性を損な
う、Ｗ量はＭＯとの複合添加を前提として１〜３％とし
た。

さらに、ＭｏとＷの含有量に関しては、Ｗ／Ｍｏの重量
比で６以上とすることが重要で、この点が本発明鋼の特
徴の一つである。即ち、従来の類似の鋼に比較して、本
発明鋼はＷの多量添加を特徴とする。

第１図が、本発明鋼におけるＭｏとＷの含有量の範囲を
図示したものである。

ＭｏとＷの複合添加は高Ｃｒフェライト鋼によくみられ
るが、低合金鋼においてはその例が少ない。

その理由は、同じ強化元素でもＷはｉｏに比べ重量比で
２倍添加する必要があるといわれているため、同じ効果
であればＭｏ単独添加とする方が経済的に有利と考えら
れてきたからである。しかし本発明者らは、５５０　’
Ｃ以上の高温で使用される綱では、Ｍｏを微量とし、か
つＷ量を増量することによって著しい強度改善効果があ
ることを初めて確認した。

この効果を利用すれば、高温強度を持たせるための材料
重量（設計肉厚）を軽減できるから、必ずしもＷ添加に
よる不利は生じない、さらに、従来、強度の点で低合金
鋼の使用が制限され、高価な高Ｃｒフェライト鋼やオー
ステナイトステンレス鋼の使用を余儀なくされていた部
材に代替することを考えれば、Ｗ添加によるわずかなコ
ストアップがあったとしても、本発明鋼を使用する経済
上の利益は大きい。

更に、本発明者らの多数の試験結果によれば、上記Ｍｏ
、　Ｗの含有量の範囲内でＷ／Ｍｏ比を６以上とするこ
とによって、ＭＯｌＷのそれぞれの単独添加以上の相乗
効果により、クリープ強度が改善する。その相乗効果は
ＷｚＱｌｏ比６未満では、十分に得られない、好ましく
はＷ／　？Ｉｏ比は７〜１２である。

Ｖ： ■はＣ，Ｎと結合して炭窒化物Ｖ（Ｃ，Ｎ）の微細析出
物を形成する。この析出物は高温長時間クリープ強度の
向上に寄与する。■含有量０．０５％以上でその効果が
現れ、０．３％を超える場合には、かえってクリープ強
度を損なうとともに、靭性、溶接性も低下する。よって
■の適正含有量は０．０５〜０．３％である。

Ｎｂ： Ｎｂも■と同様にＣＳＮと結合してＮｂ（Ｃ，Ｎ）を形
成し、クリープ強度向上に寄与する。特に６２５°Ｃ以
下では安定な微細析出物を形成してクリープ強度を著し
く改善する効果がある。　０．０１％未満では上記の効
果が得られず、０．１％を超えると鋼を著しく硬化させ
靭性、加工性、溶接性を損なう。

Ｎｂの適正含有量は０．０１〜０．１％である。

ＡＩ！： ｉは鋼の脱酸剤として必須であり、０．００５％未満で
は効果がなく、０．０５％を超える場合はクリープ強度
と加工性を１員なう、よって＾ｌの含有量はｏ、ｏｏｓ
〜０．０５％とする。

Ｎ　（窒素）： ＮはＶ、Ｎｂとの炭窒化物形成に必要であるが、０．０
０５％未満ではその効果がない、しかしＮの含有量が０
．０５％を超えると鋼の＆ｌ職が著しく細粒化するとと
もに、窒化物が粗大化し強度、靭性、溶接性、加工性を
損なう。よってＮの含有量は０．００５〜０．０５％、
好ましくはｏ、ｏｏｓ〜０．０１５％の低めがよい。

ｈｇ： Ｍｇを含有することも本発明鋼の大きな特徴の一つであ
る０本発明者らの試験結果によれば、Ｍｇは微量添加で
靭性、加工性、溶接性を顕著に改善する。この効果は従
来知られていたＳ等の形態制御による不純物清浄化作用
だけではなく、材質そのものに作用すると考えられる。

特にＷを多く含み、■、Ｎｂを添加した本発明鋼におい
て、この効果が著しい。

上記のＭ、の効果は、その含有量が０．０００５％未満
では不十分で、一方、０．５％を超えるをその効果は飽
和し、かえって加工性の低下を招＜、シたがってＭｇの
含有量は０．０００５〜０．５％の範囲とする。

本発明鋼の一つは、上記の各成分の外、残部は鉄（Ｆｅ
）と不可避不純物からなるものである。その鋼に対して
、更に下記の合金成分を含有させることができる。

Ｂ： Ｂは極微量の添加により炭化物を分散、安定化させる効
果がある。　０．０００１％未満ではその効果が小さく
　、０．０２％を超えると溶接性と加工性を損なうこと
からＢを添加する場合、その含有量の適正範囲は０．０
００１〜０．０２％である。

Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｙ、　Ｃａ、　Ｔｉ５ＺｒＳＴａ：こ
れらの元素は不純物元素（ｐ、ｓ、０）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０．０１％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。０．０１％未満ではその効果がな
く、０．２％を超えると介在物が増加し、かえって靭性
を損なうので各々の含有量は０．０１〜０．２％とする
。

不可避不純物の中では、ＰとＳの上限を抑えることが大
切である。これらはいずれも鋼の靭性、加工性、溶接性
を損なう有害元素であり、特にＷを多量に含有する本発
明鋼においては、靭性改善のためにもこれらを少なくし
て清浄化してお（のが望ましい、Ｐは０．０２５％以下
、Ｓは０．０１５％以下にそれぞれ抑えるべきである。

（実施例） 第１表に示す化学組成の名調を５０ｋｇ真空溶解炉で溶
解し、インゴットを１１５０〜９５０°Ｃで鍛造して厚
さ２０ｍの板とした。

Ａ鋼は５ＴＢＡ２２、Ｂ鋼はＳＴＢ＾２４でいずれも代
表的な既存低合金鋼である。Ｃ鋼は２・１／４　ＣｒＬ
ＩＭ。

を基本成分とし、ｖ、Ｎｂを添加した析出強化鋼（比較
鋼）である、Ｄ鋼〜Ｇ鋼は、従来の２・１／４Ｃｒ−Ｉ
Ｍｏを基本成分とし、Ｗを複合添加したもの、Ｈ鋼はＷ
単独添加１ｌ（Ｎｏを含まない）である。

■鋼〜２鋼が本発明鋼で、いずれも前述の合金成分を規
定量だけ含有している。

熱処理は、Ａｗ４、Ｂ綱が規格どおりに９２０°Ｃ×１
時間、空冷の後、７２０’ＣＸ１時間、空冷とした。

一方、Ｃ鋼〜ｚｍは析出強化元素として■、Ｎｂを含む
ため１０５０’ＣＸ　を時間、空冷の後、７５０’ｃｘ
１時間、空冷とした。

引張試験は、φ６　＋＊ａ＋　Ｘ　ＧＬ３０鴫の試験片
を用い、常温および６００°Ｃにおいて行った。クリー
プ破断試験は、同じφ５　＊ｓ　Ｘ　ＧＬ３０−試験片
を用い、６００℃にて最長ｉｏ、ｏｏｏ時間程度実施し
た後、６００°ＣＸｌ０’時間クリープ破断強度を求め
た。

シャルピー衝撃試験はＪＩＳ　４号試験片を用い、熱処
理まま材および６００°ＣＸ３０００時間加熱処理材に
ついて延性−脆性破断遷移温度を求めた。更に、溶接性
試験として、斜めｙ半拘束溶接割れ試験（ＪＴＳ　ｚ３
１５８）を実施し、割れを防止できる予熱温度を求めた
。

これらの試験結果を第２表にまとめて示す。

第２図は、６００°ＣＸｌ０’時間クリープ破断強度を
第１表の鋼種側に示したものである。この図から、本発
明鋼の高い強度が明らかで、既存のＳＴＢ＾２４鋼に較
べるとその著しい向上がわかる。更に、高Ｃｒ７エライ
ト鋼の代表鋼Ｘ　２０ＣｒＭｏＷ　Ｖ　１２１鋼（１２
Ｃｒ　−ｌＭｏ−０，５Ｗ−０，３Ｖ−Ｎ）以上である
。

Ｗを多量添加したＥ鋼〜Ｇ鋼も高い強度を示すが、次に
述べるように靭性、溶接性が著しく低いのが欠点である
。

第３図は、長時間加熱試験（６００’ＣＸ３０００時間
）後のシャルピー試験遷移温度を示す、既存のＡ鋼、Ｂ
鋼に比べ、Ｗを添加した比較鋼Ｅ綱〜Ｈ鋼は靭性がきわ
めて悪くなる。一方、本発明鋼はすべて既存鋼と同等以
上の靭性を示している。これは、前述の微量ｎｇによる
効果と考えられる。

次に、第２表に示した溶接割れ防止の予熱温度をみれば
、析出強化とＷ添加を行った比ｉ鋼のＥ鋼〜Ｈ綱では、
予熱を１７５〜２５０℃以上としなければ溶接割れを防
止できないことがわかる。これに対して、本発明鋼では
、いずれも７５〜１２５°Ｃの予熱で溶接割れが防止で
き、高強度でありながら優れた溶接性も備えていること
が明らかである。この特徴も微量Ｍｇの含有と、他の合
金成分の適正なバランスの結果である。特に比較鋼のＷ
単独添加のＨ鋼は、強度は高いが靭性、溶接性が不十分
で、総合性能では本発明鋼に劣る。第２表に示ず引張試
験結果でも、本発明鋼は、比較鋼Ｅ　−Ｈに比べて伸び
が高く、加工性、延性に優れているといえる。

以上の試験結果によって、本発明鋼がきわめて高い高温
クリープ強度をもつだけでなく、加工性、溶接性、靭性
においても従来の低合金鋼と同等以上であることが実証
されている。

（発明の効果） 本発明は、５５０〜６２５°Ｃ程度の高温でのクリープ
強度が著しく高い低合金耐熱鋼を提供する。この鋼は、
高強度材でありながら靭性、延性、溶接性でも既存の低
合金鋼と同等以上であり、その経済性と相俟つて、先に
述べた多方面の用途に、耐熱耐圧鋼管その他の製品とし
て広く利用できるものである。

（以下、余白）

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明鋼のＭｏとＷの適正含有量の範囲を示
す図、 第２図は、本発明ｍ（・）と従来鋼および比較鋼（０）
の６００°ＣＸ　１０’時間クリープ破断強度を比較し
た図、 第３図は、本発明鋼（・）と従来鋼および比較鋼（０）
の６００℃Ｘ　３０００時間加熱後のシャルピー衝撃試
験による延性−脆性遷移温度を比較した図、である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１４％、Ｓｉ：０
   ．７％以下、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：０．８％
   以下、Ｃｒ：１．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０１〜０．
   ４％、Ｗ：１〜３％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：
   ０．０１〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０５％、Ａ
   ｌ：０．００５〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０
   ．５％を含み残部は鉄および不可避的不純物からなり、
   ＷのＭｏに対する重量比（Ｗ／Ｍｏ）が６以上である高
   温クリープ強度の高い耐熱鋼。
2. （２）請求項（１）の成分に加えて、Ｂ：０．０００１
   〜０．０２重量％を含有する高温クリープ強度の高い耐
   熱鋼。
3. （３）請求項（１）の成分に加えて、それぞれ０．０１
   〜０．２重量％のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、
   Ｔａのうちの１種以上を含有する高温クリープ強度の高
   い耐熱鋼。
4. （４）請求項（１）の成分に加えて、Ｂ：０．０００１
   〜０．０２重量％と、それぞれ０．０１〜０．２重量％
   のＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａのうちの１
   種以上を含有する高温クリープ強度の高い耐熱鋼。