JPH0320410A - 高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法 - 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、ボイラ用鋼管等４　０　０　℃以上の高温で
高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼
管の製造方法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
定着してきており、その過熱器管材料もオーステナイト
系ステンレス鋼のみならず、高温強度および溶接性の良
好な改良型フェライト系耐熱鋼管が使用されている。

例えば、本発明者の一部らが発明し出願した特開昭６１
−６９９４８号公報．特開昭６１−２３１１３９号公報
，特開昭６２−２９７４３５号公報および特開昭６２−
２９７４３６号公報記載のＷ含有の８〜１３Ｃｒ鋼はそ
の代表といえる． これらのフェライト系耐熱鋼管はオーステナイト系ステ
ンレス鋼に比較して、熱膨張率が小さく、管内表面の水
蒸気酸化スケールの耐剥離性が良好である．このことか
ら、ボイラの昼夜の出力変動および定期修理時の稼働停
止にともなうスケール剥離とその剥離スケールの管内へ
の堆積を回避しうる材料である。

通常、フェライト系耐熱鋼管は熱間押出等の熱間加工、
軟化焼鈍、冷牽、焼準熱処理、焼戻熱処理工程により継
目無鋼管に製造されている。しかし、冷牽工程を通すた
めに、軟化焼鈍と焼準熱処理を必要とし、高価なものに
なっている．〔発明が解決しようとする課題〕 本発明は、上記フェライト系耐熱鋼管の製造方法から軟
化焼鈍、冷牽あるいはさらに焼準熱処理工程を省略し、
低コストで、従来工程材と同等あるいはそれ以上のクリ
ープ破断強度を有する鋼管の製造方法を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段・作用〕

第１発明は、重量％にて、Ｃ　：　０．　０　３〜０．
１５％，　Ｓｔ　：　０．０　１〜０．５　０％，　Ｍ
ｎ：　０．　１〜１．５％．Ｃｒ　：　８．　０　〜１
　３．　０％，Ｍｏ：０．１〜３．０％．Ｗ：０．　１
〜３．０％，Ｂ：０．０００３〜０．０１０％およびＮ
　：０．０　０　５　〜０．１　０％を含有し、さらに
、■：　０．　０　５〜０．３５％，Ｎｂ：０．０１．
〜０．１２％の１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび
不可避不純物よりなるフェライト系耐熱鋼を１１００℃
以上ｌ３００℃以下の温度に加熱して管に熱間加工し、
その後７３０℃以上８３０℃以下の温度で焼戻熱処理を
行うことを特徴とする高クリープ破断強度を有する高Ｃ
ｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法である。

第２発明は、第１発明における威分に加えて、さらに、
Ｎｉ，　Ｃｏの１種又は２種合計で１．０％以下を含有
したフェライト系耐熱鋼を第１発明と同じ条件で熱間加
工および焼戻熱処理を行うことを特徴とする高クリープ
破断強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方
法である。

第３発明は、第１発明と同戒分のフェライト系耐熱鋼を
、１１００℃以上１３００℃以下の温度に加熱して管に
熱間加工し、その後、９５０℃以上でかつ前記加熱温度
より５０℃低い温度以下で焼準熱処理を行い、その後、
７３０℃以上８３０゛Ｃ以下の温度で焼戻熱処理を行う
ことを特徴とする高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフ
ェライト系耐熱鋼管の製造方法である。

第４発明は、第２発明と同或分のフェライト系耐熱鋼を
第３発明と同じ条件で熱間加工、焼準熱処理および焼戻
熱処理を行うことを特徴とする高クリープ破断強度を有
する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法である。

本発明は、従来のフェライト系耐熱鋼管の製造方法から
、第１発明および第２発明では軟化焼鈍、冷牽および焼
準熱処理工程を省略し、第３発明および第４発明では軟
化焼鈍と冷牽工程を省略して、低コストで、従来の冷牽
を有する工程を経て製造した材料と同等あるいはそれ以
上のクリープ破断強度を有する鋼管の製造方法である。

本発明は高クリープ破断強度を発揮しうる材料を対象に
、前記新工程を施すことを特徴とするが、以下に先ず、
戒分の限定理由について説明する。

ＣＴＣは焼戻熱処理でのＭｚｓＣｂ　　（ただしＭは金
属元素を指す）の微細析出によるクリープ破断強度の高
位安定化に不可欠であり、下限を０．０３％とする。し
かし、過剰添加は溶接性を劣化させるので上限を０．１
５％とする。

Ｓｉ　；　Ｓｔは本来脱酸のために添加される元素であ
るが、材質的には靭性に悪影響のある元素である．そこ
で脱酸に必要な最少量として下限を０．０１％に、靭性
確保の点から上限を０．５０％にそれぞれ規定した。

Ｍｎ　；　Ｍｎは脱酸のためのみでなく強度保持上も必
要な戒分である。下限を脱酸に必要な最少量として０．
　１％とした。上限を１．５％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る。

Ｃｒ　；　Ｃｒは耐水蒸気酸化性および耐高温腐食性に
不可欠の元素であって、耐熱鋼には必ず添加されており
、Ｍ．．Ｃ．，Ｍ．Ｃの微細析出により高温強度を高め
る。下限はその析出硬化が顕著に認められる８．　０％
とし、上限は溶接性および靭性の点から１３．０％とし
た。

Ｎｏ　；　？１ｏは固溶強化により高温強度を顕著に高
める元素である。その効果のみられる最少量として下限
を０．　１％とした。また、多量に添加すると溶接性を
損なうので上限を３．０％とした。

Ｗ；ＷはＭｏと同様に固溶強化および炭化物中に固溶し
て析出強化により高温強度を顕著に高める元素である，
その効果のみられる最少量として下限をＯ．１％とした
。また、多量に添加すると溶接性を損なうので上限を３
．０％とした。

Ｂ．Ｂは微量添加によってクリープ破断強度を著しく向
上させる。その効果のみられる最少量として下限を０．
　０　０　０　３％とした。しかし、ｏ．ｏｔｏ％を超
えての添加は熱間加工性および溶接性を損なうので上限
を０．０１０％とした。

Ｎ．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、クリープ破断強度を高める元素である。

Ｏ．　Ｏ　Ｏ　５％未満では強度への効果が小さいこと
、また０。１０％を超すと鋳造時にブローホールを生ず
るので下限を０．　０　０　５％、上限をｏ．　ｉ　ｏ
％とした。

以上の各威分の他、次の戒分の１種又は２種を添加する
。

ｖ；ｖは析出強化により綱の高温強度を著しく高める元
素である．下限は６００℃前後でのクリ一ブ破断強度を
確保するための最少量である０．０５％とする。また、
０．３５％を超すとかえって強度低下を生じるので上限
を０．３５％とした。

Ｎｂ　；　ＮｂはＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出によって高温強
度を高めるが、またＭｚ３Ｃｂ　，Ｍｂ　Ｃ等の析出状
態を微細にコントロールするために長時間クリープ破断
強度にも貢献する。その効果のみられる最少量として下
限を０．０１％とした。しかし、０９１２％を超すとか
えって凝集粗大化を生じて強度を下げるので、上限を０
．１２％とした。

以上が本発明の基本戒分であるが、この基本成分におい
て、δフェライトにより靭性劣化のおそれがある場合に
は、ＮｉとＣｏの１種又は２種を合計で１．０％以下含
有させることができる。すなわちＮｉおよびＣｏは共に
オーステナイト生威元素であって、δフェライトの量を
抑制するために１種又は２種添加される。１．０％を超
すと常温強度の上昇が顕著で加工性に悪影響があるとと
もに、長時間クリープ破断強度の低下度合いが大きくな
るので、上限を１．０％とした。

次に本発明の製造方法について説明する．第１発明〜第
４発明いずれも、先ず、鋼片をｌ１００℃以上ｌ３００
℃以下の温度に加熱して管に熱間加工する。加熱温度が
１１００℃より低温では、材料の変形抵抗が高くなりす
ぎて製造が困難な場合がある。また、Ｎｂ添加鋼の場合
、加熱温度が１１００℃より低温ではＮｂ（Ｃ，Ｎ）の
十分な固溶が得られず、後の焼戻熱処理において、Ｎｂ
　（Ｃ，Ｎ）　、Ｍｌ３Ｃ＆およびＭ．Ｃの微細析出効
果が抑制され、クリープ破断強度への寄与が小さくなる
。一方、加熱温度がｌ３００℃を超えると表面の酸化が
激しくなり、良好な表面肌が得られなくなる。よって、
熱間加工前の加熱温度の下限を１１００℃、上限を１３
００℃に設定した。

第１発明、第２発明共に、熱間加工後、７３０℃以上８
３０℃以下の温度で焼戻熱処理を行う。

焼戻熱処理は７３０℃より低温で行うと焼戻効果が十分
でなく、常温および高温引張強さが過度に高く、靭性が
低下すること、長時間側のクリープ破断強度の低下度合
いが大きくなること等の不具合を生じる。又、８３０℃
より高温で行うとオーステナイト相が生じ、急激に硬化
する。よって、焼戻熱処理温度として、下限を７３０℃
、上限を８　３　０　℃に設定した。

一方第３発明、第４発明は、熱間加工後、９５０℃以上
でかつ熱間加工前の加熱温度より５０℃低い温度以下で
焼準熱処理を行い、その後焼戻熱処理を第１発明、第２
発明と同じ条件で行う。

焼準熱処理を９５０℃より低温で行うと、Ｎｂ　（Ｃ，
　Ｎ）　、Ｖ　（Ｃ，　Ｎ）およびＭｚｓＣｂ（７）析
出および粗大化が生じ、次の焼戻熱処理においてＮｂ（
Ｃ，　Ｎ）及びＶ　（Ｃ，　Ｎ）を核としたＭ　ｚ　ａ
　Ｃ　ｈの微細析出が期待できないのみならず、Ｍ＊ｓ
Ｃａが粗大化し、機械的性質を損なう。また、熱間加工
前の加熱温度より５０℃低い温度を超えての焼準熱処理
を行うと、オーステナイト結晶粒が過度に粗大化し、靭
性を損なう。よって、第３発明、第４発明における焼準
熱処理温度の下限を９５０℃、上限を熱間加工前の加熱
温度より５０℃低い温度とした． なお本発明における熱間加工とは、熱間押出、圧延、鍛
造あるいはその他の製管方法を意味する．第１発明、第
２発明は、第３発明、第４発明に対し、焼準熱処理を熱
間加工時の加熱で代用した形式の工程である。熱間加工
での加工終了温度が高温に維持できる場合、焼準熱処理
を省略しても、Ｎｂ，　　Ｖの炭窒化物が十分固溶して
、クリープ破断強度の一層の高強度化を実現すると共に
、加工再結晶により結晶粒の微細化が行われ、高靭性の
材料の製造を可能とする。例えば、熱間押出工程は瞬時
の加工が可能であり、加工終了温度が熱間押出前のビレ
ット加熱温度とほぼ同等に維持できる利点を有している
． 一方、熱間加工時の仕上げ温度が９５０℃より低温にな
る場合、Ｎｂ　（Ｃ，　Ｎ）　、Ｖ　（Ｃ，　Ｎ）およ
びＭ　ｔ　ｓ　Ｃ−の析出および粗大化が生じ好ましく
ない。従って、第３発明、第４発明では、次の焼準熱処
理においてこれらの析出物を十分に固溶することが必要
である。

〔実施例〕

次に本発明の効果を実施例について具体的に述べる． 第ｌ表に供試鋼の化学Ｕ威を示す。

第１表に示すもののうちＡ−Ｅ鋼は本発明の威分範囲内
の鋼あり、Ｆ鋼は威分範囲外の比較鋼である。

比較鋼Ｆｔｇ４はＡＳＴＭ　　Ａ２１３　　Ｔ９１に相
当する９　Ｃｒ　−　Ｉ　Ｍａｉｌであり、Ａ鋼および
Ｂｙ４はこれにＷおよびＢを添加し、δフェライト量適
正化のため、Ｍｏを約０．　５％に低減した戒分系であ
り、クリープ破断強度を向上させた成分系である。Ｃ鯛
，Ｄ綱およびＥｌｌはＣｒｉを１２％まで増加し、耐高
温腐食性および耐水蒸気酸化性を向上させた戒分系であ
る。

Ａ鋼およびＣ鋼は、Ｎｉ，　Ｃｏを含有しない第１．第
３発明例であり、Ｂ鋼．Ｄ鋼およびＥｆｉｌＩはＮｉ，
Ｃｏの１種または２種を含有する第２．第４発明の威分
範囲内にある。

第２表に供試材の製造方法と材質特性を示す。

Ａｍ，Ｃｍお，Ｊ；びＥｆ４は１５０ｋｇ真空溶解ニヨ
る丸鋼塊を用い、ＢａおよびＤ鋼は１０ｔ真空溶解、連
続鋳造による丸ブルームを用い、また、Ｆ鋼は６０ｔ電
気炉溶解、ＡＯＤ精錬、連続鋳造による丸ブルームを用
いて、第２表に示す製造条件で管とした．なお、第２表
中の熱間加工はいずれも熱間押出である． Ａ１は第１発明例、Ｂｌ，Ｂ２およびＤ１は第２発明例
、Ａ２およびＣ１は第３発明例、Ｂ３，Ｄ２およびＥｌ
は第４発明例である． Ａ３，Ｂ４．Ｃ２，Ｄ３およびＥ２は本発明範囲内の戒
分系のものに熱間押出後の軟化焼鈍および冷牽を施した
従来例である．また、Ｂ５は軟化焼鈍および冷牽を行わ
ない工程であるが、焼準熱処理温度が１１５０℃と高く
、本発明範囲の熱間押出温度（１１９０℃）より５０℃
低い温度以下の条件を満たさない比較例、また、Ｂ６は
焼戻熱処理温度が７２０℃と低く、本発明範囲の７３０
℃以上の条件を満たさない比較例である．さらにＦ鋼は
本発明範囲の威分系に属さない供試鋼である． 本発明鋼はいずれも、同一成分の供試調に軟化焼鈍およ
び冷牽を施した従来例（Ａ３，Ｂ４，Ｃ２，Ｄ３および
Ｅ２）と同等あるいはそれ以上の６００℃、１０４ｈク
リープ破断強度および２０℃シャルビー衝撃値を有する
．特に、熱間押出後の焼準熱処理を行わない第１発明例
あるいは第２発明例のＡＩ，Ｂｌ，Ｂ２およびＤ１のク
リープ破断強度はそれぞれ従来例のＡ３，Ｂ４，および
Ｄ３より高いクリープ破断強度を有する．次に、高温焼
準の比較例Ｂ５および低温焼戻の比較例Ｂ６は従来例Ｂ
４と同等あるいはそれ以上のクリープ破断強度を示すも
のの、シャルビー衝撃値が低い．また、本発明範囲の威
分系に属さない供試鋼を用いたＦｌ，Ｆ２およびＦ３は
いずれもクリープ破断強度が低い． なお、Ｂ鋼について、第２表に示す熱間押出以外の熱間
加工法として、シームレス圧延による加工を１２００℃
加熱で実施し、その後、Ｂ３と同様に１０５０℃で焼準
熱処理、７８０℃で焼戻熱処理を行った．その結果、６
００℃，１０’ｈクリーブ破断強度は１９．６ｋｇｆ／
閣３，２０℃シャルビー衝撃値は２　３．　１　ｋｇｆ
−ｓ／ｃｍ”で、Ｂ３とほぼ同等の特性が得られた。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明は従来のフェライト系耐熱鋼管の製造
方法から軟化焼鈍、冷牽あるいはさらに焼準熱処理を省
略し、低コストで、従来工程材と同等あるいはそれ以上
のクリープ破断強度およびシャルビー衝撃値を有する鋼
の製造を可能としたものであり、産業界に貢献するとこ
ろが極めて大きい。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％にて、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：
   ０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ
   ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：
   ０．１〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１０％お
   よびＮ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらに、Ｖ
   ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％
   の１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物
   よりなるフェライト系耐熱鋼を１１００℃以上１３００
   ℃以下の温度に加熱して管に熱間加工し、その後７３０
   ℃以上８３０℃以下の温度で焼戻熱処理を行うことを特
   徴とする高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフェライト
   系耐熱鋼管の製造方法。
2. （２）重量％にて、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：
   ０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ
   ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：
   ０．１〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１０％お
   よびＮ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらにＮｉ
   、Ｃｏの１種又は２種合計で１．０％以下と、Ｖ：０．
   ０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％の１種
   又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりな
   るフェライト系耐熱鋼を１１００℃以上１３００℃以下
   の温度に加熱して管に熱間加工し、その後７３０℃以上
   ８３０℃以下の温度で焼戻熱処理を行うことを特徴とす
   る高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱
   鋼管の製造方法。
3. （３）重量％にて、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：
   ０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ
   ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：
   ０．１〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１０％お
   よびＮ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらに、Ｖ
   ：０．０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％
   の１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物
   よりなるフェライト系耐熱鋼を１１００℃以上１３００
   ℃以下の温度に加熱して管に熱間加工し、その後９５０
   ℃以上でかつ前記加熱温度より５０℃低い温度以下で焼
   準熱処理を行い、その後７３０℃以上８３０℃以下の温
   度で焼戻熱処理を行うことを特徴とする高クリープ破断
   強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法。
4. （４）重量％にて、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：
   ０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ
   ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｗ：
   ０．１〜３．０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１０％お
   よびＮ：０．００５〜０．１０％を含有し、さらにＮｉ
   、Ｃｏの１種又は２種合計で１．０％以下と、Ｖ：０．
   ０５〜０．３５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１２％の１種
   又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりな
   るフェライト系耐熱鋼を１１００℃以上１３００℃以下
   の温度に加熱して管に熱間加工し、その後９５０℃以上
   でかつ前記加熱温度より５０℃低い温度以下で焼準熱処
   理を行い、その後７３０℃以上８３０℃以下の温度で焼
   戻熱処理を行うことを特徴とする高クリープ破断強度を
   有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法。