JPH02310340A - 靭性およびクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼 - 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） 本発明は、フェライト系耐熱鋼に関するものであり、さ
らに詳しくは高温におけるクリープ特性および溶製性を
改良した靭性の優れたフェライト系Ｃｒ含有ボイラ綱管
用鋼に関するものである。

（従来の技術） 近年火力発電ボイラにおいては大型化と高温、高圧化が
定着してきたが、５５０℃を超すとその材料を選択する
にあたり、耐酸化性、高温強度の点からフェライト系の
２・１／４Ｃｒ　−Ｉ　Ｍｏ　ｎ４から１８−８ステン
レス鋼のごときオーステナイト系の高級鋼へと飛躍して
使用されているのが現状である。

しかし、低合金鋼、ステンレス鋼、超合金と材料が高級
になるに従い、コストが上昇し、ボイラ建造費が高価に
つくために、材料上の問題からボイラの効率を高めるた
めには圧力を高めた超臨界圧のボイラが使用されＣいる
。

２　ＱＩ／４Ｃｒ　−ＩＭｏ　ｆｆ４とオーステナイト
系ステンレス鋼の中間を埋めるための鋼材は過去数十年
間模索されているが、Ｃｒ量が中間の９Ｃｒ。

１２ｃｒ等のボイラ鋼管は強度を高めるとその溶接性が
悪化するため、研究はかなり行なわれたが、ボイラの施
工上、作業能率を著しく低下させるために実用化されに
くいのが実情である。

このような観点から２　・ｌ／４Ｃｒ　−ＩＭｏ　Ｍと
オーステナイト系ステンレス鋼の中間を埋めるクリープ
強度を有する鋼の出現が待ち望まれていた。

また、ボイラを製造するための工程としては、溶接−溶
接後熱処理（Ｐｏｓｔ　Ｗｅｌｄ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａ
ｔｍｅｎｔ　：以下ＰＷＨＴという）もしくは熱間加工
後溶接−ＰＷＨＴを行なう方法が採られている。従って
このようなボイラ用鋼に要求される性能としては、溶接
性および熱間加工性に優れていることは言うまでもな（
、これらの熱履歴を受けた後においても十分な強度と靭
性を維持していることが重要である。

このような事情に鑑み、既に溶接性を向上させてなおか
つクリープ破断強度も従来材を大幅に上回る新しい鋼種
が開発され提案が行なわれている。

特公昭５Ｂ　−３４６２８号公報の鋼はＶ、Ｎｂの適性
添加によりクリープ破断強度を確保すると共に溶接性を
改善した鋼であり、特開昭５９−１５３Ｈ５号公報の鋼
は、■と８１の相関関係を定めて強度と靭性のバランス
を保った鋼である。また特開昭ＧＯ−２１５７４１３号
公報の鋼は、Ｓｉの制限による靭性の向上を図ると共に
Ｂ、Ｈの添加と酸素量の制限によるクリープ強度の向上
を狙った鋼である。さらに、特公昭５８−１７８２０号
公報はＷの最適範囲を定め、Ｗ添加がクリープ強度向上
に有効なことを示している。

しかしながら、ボイラの使用部位によっては肉厚材を必
要とする箇所があり、製造工程の中でもとりわけ熱間加
工後規準により製造するものは、オーステナイト域から
の冷却速度が小さくなり、特に板厚中心部では充分な強
度、靭性を維持することが困難となる。そのため、強度
、靭性に優れた鋼の開発が望まれている。

さらに特性を向上させた鋼が開発され、（Ｍｏ＋Ｗ）と
Ｎｂｉの関係を定めてクリープ特性と靭性の向上を図る
提案が、特開昭８１−６９９４８号公報、特開昭８１−
２３１１３９号公報、特開昭６２−２９７４３５号公報
、特開昭８２−２９７４３８号公報において開示されて
いる。また、クリープ強度の向上に最適範囲のＷ、Ｎｂ
添加が有効なことが特開昭６３−１１９６４４号公報に
おいて開示されている。

（発明が解決しようとする課題） これらの鋼は従来の耐熱鋼にＷを添加し、固溶強化、析
出強化によりクリープ強度を飛躍的に高めた鋼であるが
、時効後靭性についての配慮に欠けていた。

これに対し本発明者らは、これまで開発したフェライト
系耐熱鋼の靭性について再検討した結果、Ｚｒの添加が
靭性の改善に有効であることを見い出した。

Ｚｒを１．０％以下添加した耐熱鋼が特公昭６０−１３
０６０号公報および特公昭５７−３０９０３号公報に公
告されているが、これらの鋼はＷ含有量が１％以下と低
く、かつＮに関する制限がないため本発明鋼のごとき高
いクリープ強度を同時に達成することは不可能である。

また、Ｚｒを０．５％以下添加した耐熱鋼が特公昭５８
−１７８２０号公報に公告されているが、この鋼はＷの
含有量が１，５％以下であるため高いクリープ強度を達
成することは不可能であり、かつＮｂに関する制限が無
いため靭性、強度共に本発明鋼と同等にはなり得ない。

さらに、Ｚｒを０．０２％から０．１％添加した耐熱鋼
が特開昭５８−２１７０８１号公報に開示されているが
、この鋼はＷの含を量が１％以下であり、かつＢおよび
Ｎの制限が無いため本発明鋼のごとき高いクリープ強度
、靭性を達成することは不可能である。

本発明は、上記のような従来の欠点を改良し５００〜６
００℃でのクリープ破断強度を高めると共に、靭性とし
てはシャルピー試験における０℃の衝撃吸収エネルギー
を向上させることを目的としたものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、以上の問題点を解決するため、次のような鋼
を提供するものである。

即ち、Ｃ：　０．０１％〜０．３０％、Ｓ　１　　：　
０．０１９６〜０．８０％、Ｍｎ：０．１０％〜１．５
０％、Ｃｒ：８．００％〜１３．００　　％、　Ｍｏ　
　　：　　　０．００５　％〜１．００　％、　Ｗ　　
二　０．２０％〜３．００％、Ｖ　：　０．０５％〜０
．５０％、Ｎｂ：０．０２％〜０．１０％、Ｂ　：　０
．０００３％〜０．００８％、Ｚｒ　：０．０００５％
〜０，１０％、Ｎ　：　０．０１％〜０．１０％、Ａβ
　二０．０００５％〜０．０５０％を含有し、Ｐ　：　
０．０５０％以下、ｓ　：　ｏ、ｏｔｏ％以下、０　：
　０．０２０％以下に制限し、あるいはざらにＮｉ　　
：０．０５％〜１．００％、および／またはＣｏ：０．
０１％〜１．００％、Ｔｌ　　：０．Ｏ１％〜０．１０
％の１種または２種を含有したことを特徴とする靭性に
優れたフェライト系耐熱鋼である。

以下本発明の詳細な説明する。

（作　　用） 最初に本発明において各成分範囲を前記のごとく限定し
た理由を以下に述べる。

Ｃは強度の保持に必要であり、０．０１％未満では強度
の確保に不十分である。また溶接性の点から上限を０．
３０％とした。

即ち、後述するＣｒｍとの関係で、この鋼は非常に焼入
れ性が良く溶接熱影響部が著しく硬化し、溶接時低温割
れの原因となる。従って溶接を完全に行なうためには、
かなり高温の予熱を必要とし、ひいては溶接作業性が著
しく損なわれる。しかるに、Ｃを０．３０％以下に保て
ば溶接熱影響部の最高硬さが低下し、溶接割れの防止が
容易に行ないつるので、上限を０．３０％とした。

Ｓｔは脱酸効果、強度確保および耐酸化性のために添加
されるが、靭性に悪影響を及ぼす元素である。脱酸、強
度、耐酸化性の点から下限を０．０１％とし、靭性の点
から上限を０．８０％とした。

Ｍｎは脱酸のためのみでなく強度保持上も必要な成分で
ある。上限を１．５０％としたのはこれを超すと靭性の
点から好ましくないからであり、下限は脱酸に必要な最
小量として０．１０％と定めた。

Ｃｒは耐酸化性に不可欠の元素であって、耐熱鋼には必
ず添加されており、Ｍ２３Ｃ６１Ｍ６Ｃ（但しＭは金属
元素を指す）のマトリックス中への微細析出により高温
強度を高めている。下限はその析出効果が顕著に認めら
れて、耐酸化性にも寄与する８、００％とし、上限は溶
接性および靭性の点から１３．００％とした。

Ｗは固溶強化および炭化物として析出することによる析
出強化により高温強度を顕著に高める元素であり、特に
６００℃を超えて長時間側の強化に有効である。３．０
０％を超えて添加すると溶接性、耐酸化性を損なうため
上限を３，００％とした。また、Ｍｏとの共存において
効果を発揮させるため下限を０．２０％とした。

Ｍｏは固溶強化により、高温強度を顕著に高める元素で
あるので通常耐熱鋼には添加されるが、多量に添加され
た場合溶接性、耐酸化性を損なうので上限を１．００％
とした。また、Ｗとの共存においてクリープ強度の向上
に効果を発揮させるために下限を０．００５％とした。

ＶはＷと同様にマトリックスに固溶しても、析出物とし
て析出しても鋼の高温強度を著しく高める元素である。

特に析出の場合にはＶ４Ｃ３として他のＭ２３Ｃ６１Ｍ
ｅ　Ｃ１Ｍ２　Ｃの析出核となり、析出物の微細分散に
顕著な効果を示す。クリープ強度の向上に効果を発揮さ
せるために下限を０．０５％とした。また、０．５０％
を超えると強度低下を生ずるために上限を０１５０％と
した。

ＮｂはＮｂ　　（ＣＮ）の析出によって高温強度を高め
、また初期の微細な分散析出が後続するＭＣＭＣ，Ｍ２
Ｃ等の析出状態を微細に２３６’６ コントロールするために長時間クリープ強度にも貢献す
る。Ｎｂの効果を発揮させるため下限を０．０２％とし
、また０、１２％を超すと析出物の凝集粗大化を生じて
強度を低下させるため上限を０．１２％とした。

Ｂは本来焼入れ性を著しく高める元素としてよく知られ
ているが、Ｂの微量添加によりクリープ強度が向上する
。Ｂの効果を発揮させるため、下限を０．０００３％と
し、また熱間加工性、溶接性を損なわないように上限を
ｏ、ｏｏｇ％とした。

Ｚｒはこの発明の主要な成分であり、Ｎとの親和力が強
（ＺｒＮを形成し、Ｂの窒化によるＢＮ析出を抑制し、
Ｂ添加の効果が窒素の大量添加時に損なわれることを防
止する。また、Ｚｒは鋼中の脱酸平衡を支配し、酸素活
量を著しく下げることで酸化物の生成を抑制する。脱酸
平衡支配の効果を発揮させるために下限を０　、０’０
０５％とし、また粗大なＺｒＮ、ＺｒＣが大量に析出し
母材の靭性を著しく低下させることを防止するため上限
を０．１０％とした。

Ｎはマトリックスに固溶あるいは窒化物、炭窒化物とし
て析出し、クリープ強度を高める元素であるが、クリー
プ強度の確保の点から下限を０．０１％とし、また鋳造
時ブローホールの発生を避は健全な鋼塊を得るために上
限を０．１０％とした。

Ａｊ結晶粒の微細化および固溶窒素の固定によりＢの焼
入れ性を高める効果があるが、一方では後述のＴ１と同
様に過剰な添加は粗大窒化物を生成し靭性を阻害するた
め０．０００５％〜０．０５０％とした。

Ｐは焼戻し脆化および再熱割れ感受性に悪影響を及ぼす
ため上限を０．０５０％とした。

Ｓは靭性劣化、異方性および再熱割れ感受性の増大の原
因となるので上限を０．０１０％とした。

Ｏは靭性に悪影響を及ぼす酸化物の生成の原因となるの
で上限を０．０２０％とした。

以上が本発明鋼の基本成分であるが、本発明においては
この他にそれぞれの用途に応じてく＾）ＮＩ　　：０．
０５％〜ｌ、００％、および／または（Ｂ）　Ｃｏ：０
．０１％〜１．００％、Ｔｌ　　：０．０１％〜０．１
０％の１種または２種を含有させることができる。

Ｎｌは焼入れ性を増すと共に靭性を改善するのに有効で
あるが、１．００％を超えて添加してもその効果の向上
は望めないため０．０５％〜１．００％とした。

Ｃｏ、ＴＩはそれぞれ炭化物として析出し、母材の高温
強度を向上させる元素である。いずれも０．０１％未満
では効果がなく、過剰に添加するとＣｏでは粗大な炭化
物が析出し、Ｔ１では粗大な窒化物が析出するために靭
性が低下する場合があるので、それぞれＣｏ：０．０１
％〜１．００％、Ｔ１　：０、Ｏ１％〜０．１０％とし
た。

上述の各合金成分はそれぞれ単独に添加しても、あるい
は併用して添加してもよい。

尚、本発明は靭性の優れた高クリープ破断強度を有する
耐熱鋼を提供するものであるので、本発明鋼は使用目的
に応じて種々の製造方法、および熱処理を施すことが可
能であり、また本発明の効果を何等妨げるものではない
。

まず、溶製プロセスとしてはＶＩＭ（真空誘導加熱炉）
、ＥＦ（電気炉）、ＬＤ（転炉）を用いることが可能で
、また有用である。続いて炉外製錬設備によって溶鋼を
清浄化する方法としてＥ　Ｓ　Ｒ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　ｓ
ｔａｇ　Ｒｅｍｅｌｔｌｎｇ）　、　Ａ　ＯＤ（Ａｒｇ
ｏｎ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｄｅｃａｒｂｒｌｚａｔｌｏｎ）
、　Ｖ　Ａ　Ｄ　（Ｖａｃｕｍ＾ｒｇｏｎ　Ｄｅｅａｒ
ｂｒｌｚａＬｉｏｎ）　、　ＶＯＤ　（Ｖａｅｕｍ　Ｏ
ｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｒ＋ｚａｔｌｏｎ）　＊および
Ｌ　Ｐ　（Ｌａｄｌｅ　Ｆｕｒｎａｃｅ）その他の真空
脱ガスあるいは粉体吹き込み製錬装置（例えばＲＩ（、
ＤＨ，ＣＡＳ等）を用いるプロセスを、単独でもしくは
併用して使用することが可能で、かつ適している。

溶鋼は鋳型うの鋳造と連続鋳造装置によるスラブ、ある
いはビレットへの鋳造によって鋼塊とした後、各梯製造
工程へ適した形状に加工することができる。

製造工程としては、丸ビレットあるいは角ビレットへ加
工した後に、熱間押し出し、あるいは種々のシームレス
圧延法によってシームレスバイブおよびチューブに加工
する方法、薄板に熱間圧延、冷間圧延した後に電気抵抗
溶接によって電縫鋼管とする方法、およびＴＩＧ、ＭＩ
Ｇ、ＳＡＷ。

ＬＡＳＥＲ，ＥＢ溶接によって（単独で、あるいは併用
して）溶接鋼管とする方法が適用できて、さらには以上
の各方法の後に熱間あるいは温間でＳＲ（絞り圧延）な
いしは定形圧延を追加実施することも可能であり、本発
明鋼の適用寸法範囲を拡大することが可能である。

本発明鋼は鋼管のみならず、厚板および薄板の形で提供
することも可能であり、熱間圧延まま、もしくは必要と
される熱処理を施した板を用いて、種々の耐熱材料の形
状で使用することが可能であって、本発明の効果に同等
影響を与えない。

以上の鋼管、板、各種形状の耐熱部材にはそれぞれ目的
、用途に応じて各種熱処理を施すことが可能であって、
また本発明の効果を十分に発揮する上で重要である。

通常は規準＋焼戻し工程を経て製品とする場合が多いが
、これに加えて焼入れ、焼戻し、規準工程を単独で、あ
るいは併用して施すことが可能であり、また有用である
。材料特性の十分な発現に必要な範囲で、以上の工程は
各々の工程を複数回繰り返して適用することもまた可能
であって、本発明の効果に同等影響を与えるものではな
い。

以上の工程を適宜選択して、本発明鋼の製造プロセスに
適用すればよい。

（実　施　例） 第１表〜第２表に示す鋼を５０ｋｇ真空炉で溶解し、熱
間圧延にて板厚１５ｍ＋ｓの板を製造した。各試験材と
も１０５０℃で１時間の規準を行なった後、７８０℃で
１時間の焼戻しを行なった。

クリープ特性は第１図に示すように、圧延鋼板１の圧延
方向と平行に６關φＸ　Ｇ　Ｌ　３０ｍｍのクリープ試
験片２を切り出し、６００℃にて試験を行い６００℃×
１０５時間の破断応力を外挿し、評価を行った。

また、シャルピー特性は第２図に示すように圧延鋼板１
を６００℃で１０３時間時効後、圧延方向と平行にＪＩ
Ｓ４号２ｍｍＶノツチシャルピー衝撃試験片３を切り出
し、０℃で試験を行い評価を行った。

６００℃×１０５時間のクリープ破断応力と６００℃×
１０３時間時効後の０℃靭性を第１表と第２表に同時に
示した。尚、表中の靭性試験結果は０℃におけるシャル
ピー試験３点の平均である。

比較のために第３表に示すように本発明の範囲に該当し
ない成分を有する鋼を同様の方法で溶製、製造し、評価
を行った。

第３図にＺｒ添加の靭性に与える影響を示す。

Ｚ「が０．００５％以上の場合に靭性の向上が著しく認
められ、０．１０％を超えると靭性の低下が認められる
。

第４図はＺｒ添加のクリープ破断強度に与える影響を示
す。

Ｚ「の添加によってもクリープ破断強度が低下すること
はなく目標値の１６ｋｇ　ｆ　／　ｍＪを上回っている
。

第３表に示す比較例のＡ鋼およびＢ鋼はＺｒが無添加で
あるため、クリープ強度はｌ（ｉｋｇ　ｆ　／　ｍｎｌ
を確保できているが時効後靭性は低くなっている例、Ｇ
鋼およびＤ鋼はＺｒの添加量が多すぎたためにＺｒＮの
粗大化が生じ時効後靭性が劣化した例、Ｅｙ４．Ｇ鋼、
■鋼、ＫＭ、Ｍ鋼、Ｏ鋼はＺｒが無添加であるため時効
後靭性が確保できなかった例、Ｆ鋼、Ｆ鋼２　Ｊ鋼、　
　ＬＩＦ４．　Ｎ鋼、Ｂ鋼はＺｒの添加量が多すぎたた
めにＺｒＮの粗大化が生じ時効後靭性が劣化した例であ
る。

（発明の効果） 以上の如く本発明鋼は従来のフェライト系耐熱鋼に比べ
、装置の高温化、高圧化に対応できる高温強度の増大を
達成した鋼であり、靭性、溶接性等実用上の特性も優れ
ており、産業界に貢献するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧延鋼板からのクリープ破断試験片採取要領を
示す斜視図、第２図は圧延鋼板からのシャルピー衝撃試
験片採取要領を示す斜視図、第３図はＺｒ添加の靭性に
与える影響を示す図表、第４図はＺｒ添加のクリープ破
断強度に与える影響を示す図表である。 １・・・圧延鋼板　　　　　　２・・・クリープ試験片
３・・・シャルピー衝撃試験片

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で Ｃ：０．０１％〜０．３０％ Ｓｉ：０．０１％〜０．８０％ Ｍｎ：０．１０％〜１．５０％ Ｃｒ：８．００％〜１３．００％ Ｗ：０．２０％〜３．００％ Ｍｏ：０．００５％〜１．００％ Ｖ：０．０５％〜０．５０％ Ｎｂ：０．０２％〜０．１２％ Ｂ：０．０００３％〜０．００８％ Ｚｒ：０．０００５％〜０．１０％ Ｎ：０．０１％〜０．１０％ Ａｌ：０．０００５％〜０．０５０％ Ｐ：０．０５０％以下 Ｓ：０．０１０％以下 Ｏ：０．０２０％以下 残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなることを特徴と
   する靭性に優れたフェライト系耐熱鋼。 ２、重量％で Ｎｉ：０．０５％〜１．００％ を含有する請求項１に記載する靭性に優れたフェライト
   系耐熱鋼。 ３、重量％で Ｃｏ：０．０１％〜１．００％ Ｔｉ：０．０１％〜０．１０％ の１種又は２種を含有する請求項１又は２に記載する靭
   性に優れたフェライト系耐熱鋼。