JPH06330245A

JPH06330245A - フェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JPH06330245A
Application number: JP11747393A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Naoi; 久直井; Masahiro Ogami; 正浩大神; Tetsuo Ishizuka; 哲夫石塚; Toshio Fujita; 利夫藤田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】高温におけるクリープ特性、耐水蒸気酸化特
性、靱性および溶接性に優れた耐熱鋼を提供する。【構成】Ｃ０．０３〜０．１５％、Ｍｎ０．１〜１．
５％、Ｃｒ８．０〜１３．０％、Ｍｏ０．５〜２．３
％、Ｗ０．２〜２．０％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎ
ｂ０．０２〜０．１２％、Ｂ０．００１〜０．００８
％、Ｎ０．０２〜０．１０％を含有する鋼にＳｉ０．２
１〜０．５％を添加したフェライト系耐熱鋼。さらに前
記の成分にＮｉ、Ｃｏの１種または２種を合計で０．１
〜１．０％添加したフェライト系耐熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高強度フェライト系耐熱
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、耐酸化特性、靭性および溶接性の優れたフ
ェライト系Ｃｒ含有耐熱鋼に係わるものである。

【０００２】

【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
点からフェライト系２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼から１８−８
ステンレス鋼の如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。

【０００３】しかしながら低合金鋼、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
の蒸気温度が逆に制約されて現在では５６６℃が上限と
なっている。従って、ボイラの効率を高めるためには圧
力を高めた超臨界圧ボイラが使用されている。ところで
２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼とオーステナイトステンレス鋼の
中間を埋めるための鋼材は過去数十年模索されているが
Ｃｒ量が中間の５Ｃｒ、９Ｃｒ、１２Ｃｒ等のボイラ鋼
管は強度を高めると、その耐酸化特性、靭性および溶接
性が悪化する場合が多いため、研究はかなり行われた
が、ボイラの施行上、作業能率が著しく低下するために
実用化されにくいのが実状である。

【０００４】このような観点から２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼
とオーステナイトステンレス鋼の中間を埋めるクリープ
強度を有する経済的鋼の出現が待ち望まれていた。本発
明者らはこのような事情にかんが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廻る
新しい鋼種を開発し、（イ）特公昭５６−３４６２８号
公報、（ロ）特開昭５９−１５３８６５号公報、或いは
（ハ）特願昭５９−６８３７７号により提案を行ってい
る。これらの内、（イ）の鋼はＶ、Ｎｂの適正添加によ
り、クリープ破断強度を確保するとともにＣ量を低目に
して溶接性を向上した鋼であり、（ロ）の鋼はさらにＳ
ｉの制限により靭性の向上を図り、ＶとＳｉとの相関関
係を定めて強度と靭性のバランスを保った鋼であり、
（ハ）の鋼はＳｉの制限により靭性の向上を図るととも
にＢ、Ｎ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。

【０００５】これら（イ）〜（ハ）のいずれの鋼も６０
０℃においての長時間使用に耐える優れた鋼である。し
かしながら今後蒸気温度の一層の上昇と電力需要の変動
に対応してボイラの起動停止が頻繁に行われることが予
想されており、その際の熱応力を軽減するためにもいっ
そうの肉厚減少、即ちクリープ強度の向上が望まれてお
り、かつボイラ鋼管内部の水蒸気酸化スケール発生およ
びその剥離防止が必要となってきている。

【０００６】一方、特公平３−６０９０５号公報に、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｎｂ、ＶおよびＢの複合添加によりクリープ強
度の向上をはかり、Ｓｉ添加の制限によりクリープ強度
および靭性を確保することが開示されている。即ち、こ
の鋼においては高クリープ強度および高靭性を狙い、Ｓ
ｉを０．２％以下に抑え、好ましくは０．０９５％以下
に制限している。しかし、同公報では水蒸気酸化スケー
ルの発生抑制に及ぼすＳｉの影響については、特に言及
されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる現状に
鑑み、６００℃でのクリープ破断強度を高めると同時
に、その使用をより高温度域で可能にするＭｏ、Ｗ、Ｎ
ｂ、Ｖ、Ｂを複合添加した鋼において、Ｓｉの適正なる
添加により靭性、溶接性、耐水蒸気酸化特性および低コ
ストを確保しつつ、クリープ破断強度の優れた鋼を提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは下記のとおりである。（１）重量でＣ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．１
〜１．５％、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．５
〜２．３％、Ｗ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．０５〜
０．３０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１２％、Ｂ：０．０
０１〜０．００８％、Ｎ：０．０２〜０．１０％を含有
し、かつＭｏとＷ量の関係が下記の座標点を占める図１
のＡＢＣＤに囲まれた範囲、また（Ｍｏ＋Ｗ）とＮｂ量
の関係が下記の座標点を占める図２のＥＦＧＨに囲まれ
た範囲にあり、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなる鋼
において重量でＳｉを０．２１％以上、０．５％以下に
制限したことを特徴とするフェライト系耐熱鋼。

【０００９】（２）さらにＮｉ、Ｃｏの１種または２種合計で０．１
〜１．０％を含有する前項１記載のフェライト系耐熱
鋼。

【００１０】

【発明の構成・作用】本発明の成分範囲を表１に示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】以下に本発明について詳細に説明する。先
ず本発明の各成分の限定理由について述べる。Ｃは強度
の保持に必要であるが、溶接性の点から上限を０．１５
％とした。即ち後述するＣｒ量との関係で、この種の鋼
は非常に焼入性がよ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うた
めに、かなり高温の余熱を必要とし、ひいては溶接作業
性が著しく損われる。しかるにＣを０．１５％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
を容易に行い得るので上限を０．１５％とした。また下
限についてはＣ量を０．０３％未満にするとクリープ破
断強度の確保が困難になるので下限を０．０３％と定め
た。

【００１３】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１．５％としたのはこれを超
えると靭性の点から好ましくないからであり、下限は脱
酸に必要な最少量として０．１％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らず添加され
ており、Ｍ ₂₃Ｃ₆、Ｍ₆Ｃ（但しＭは金属元素を指す）
の微細析出により高温強度を高めているが下限は析出硬
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。

【００１４】Ｍｏは固溶体強化により、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２．３％とし、一方Ｗとの共存においてもクリープ
破断強度の向上に効果のあるのは０．５％以上からであ
るので下限を０．５％と定めた。ＷもＭｏと同様に固溶
体強化および炭化物中に固溶して析出物の粗大化を抑制
すること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。しか
し多量に添加すると溶接性、耐酸化性を損なうので上限
を２．０％とし、一方Ｍｏとの共存において効果を発揮
するのは０．２％以上からであるので下限を０．２％と
定めた。

【００１５】ＶはＭｏ同様素地に固溶しても、また析出
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としての他Ｍ
₂₃Ｃ₆、Ｍ ₆Ｃの一部に入り、析出物の粗大化の抑制に
顕著な効果を示す。しかしながら６００℃前後でＳＵＳ
３０４ステンレス鋼を超えるクリープ破断強度を出すた
めには０．０５％未満では不充分であり、また０．３０
％を超えるとかえって強度低下を生ずるので上限を０．
３０％、下限を０．０５％とした。

【００１６】ＮｂはＮｂ（ＣＮ）の析出によって高温強
度を高めるが、また微細な分散析出が後続するＭ
₂₃Ｃ₆、Ｍ₆Ｃ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強度にも貢献する。その量は０．
０２％未満では効果がなく、０．１２％を超えるとかえ
って凝集粗大化を生じて強度を下げるため、上限を０．
１２％、下限を０．０２％とした。

【００１７】なおＶ＋Ｎｂ量はクリープ強度の観点から
０．１５〜０．３５％の範囲が好ましい。Ｂは本来焼入
性を著しく高める元素としてよく知られているが、前述
の如く、Ｂの微量添加によって著しくクリープ強度が向
上する。その量は０．００１％未満ではほとんど効果が
なく、０．００８％を超えると熱間加工性、溶接性を損
うので上限を０．００８％、下限を０．００１％とし
た。

【００１８】Ｎはマトリックスに固溶するか或いは窒化
物、炭窒化物として析出し、クリープ破断強度を高める
元素であるが、０．０２％未満では急激に強度が低下す
ること、また０．１０％を超えると鋳造時にブローホー
ルを発生し健全な鋼塊ができにくい等の問題を生ずるの
で上限を０．１０％、下限を０．０２％とした。次にＭ
ｏとＷの関係は特開昭５９−１８９６４０号公報に開示
されている図１に示す関係とした。ＭｏとＷは複合して
添加することによって高温長時間側のクリープ破断強度
を著しく向上する。しかし強度、靭性、溶接性を考慮す
るとその添加量には最適な範囲があり、図１のＡＢＣＤ
で囲まれる範囲でなければならない。即ち、直線ＡＢは
Ｗ０．２％の線であり、これ未満ではクリープ強度を向
上させる効果が極めて弱い。直線ＣＤはＭｏが０．５％
の線であり、これ未満では同様にクリープ強度向上の効
果が期待できない。直線ＡＤはＭｏ＋Ｗ＝２．５％の線
であってこれを超えると溶接性、靭性、耐酸化性等に悪
影響が現われる。線ＢＣはクリープ破断強度の視点から
の下限界線であって（Ｍｏ＋１／２Ｗ）％＝０．８％の
線である。Ｗはそのクリープ強度向上への効果がＭｏの
約半分であるのでＭｏ＋１／２Ｗで整理できる。

【００１９】次に（Ｍｏ＋Ｗ）とＮｂの関係を図２につ
いて述べる。本発明においては微量Ｎｂの効果が顕著で
あって必須の元素であるが、この必要Ｎｂ量は（Ｍｏ＋
Ｗ）量と密接な関係がある。即ち、図２のＥＦＧＨの範
囲内にあると最高の強度が得られる。直線ＥＨは（Ｍｏ
＋Ｗ）量が２．５％の線、ＦＧは０．９％の線であり、
図１の最大値（ＡＤ線上）と最小値（Ｂ点）に対応して
いる。一方、Ｎｂ量の最適範囲は（Ｍｏ＋Ｗ）量と関係
しており、（Ｍｏ＋Ｗ）量が高いほどその範囲は低濃度
側に、（Ｍｏ＋Ｗ）量が低いほど高濃度側に移行する。
これを実験的に求めたものが直線ＨＧ、ＥＦであり、直
線ＨＧは（Ｍｏ＋Ｗ）量との関係できまるＮｂ量の上限
界線であり、ＥＦは同様に下限界線である。即ち、ＥＦ
線の左側はＮｂ量が不足してクリープ破断強度が不充分
であり、ＨＧ線の右側はＮｂ量が過剰となってクリープ
破断強度が却って低下してしまう領域である。

【００２０】Ｓｉはフェライト系耐熱鋼の脱酸に必要な
元素であり、０．２％以下にＳｉを低く抑えることはフ
ェライト系耐熱鋼の精錬コストが上昇し、０．２％を超
えてＳｉを高くすればその精錬コストが低減することが
明らかになったので、フェライト系耐熱鋼の使用性能の
観点から必要なＳｉの最小および最大量について検討し
た。ボイラの使用性能としてクリープ強度、靭性および
溶接性および耐水蒸気酸化特性に及ぼすＳｉの影響を詳
細に調べたところ、Ｓｉが０．２１％以上でかつ０．５
０％以下の範囲の成分を有するフェライト系耐熱鋼の使
用性能はＳｉが０．２％以下の範囲の成分を有するフェ
ライト系耐熱鋼の使用性能とほぼ同等であり、ボイラ鋼
管として必要な性能を確保できることが判った。

【００２１】以上が本発明の基本成分であるが、本発明
においてはさらに靭性向上の目的でＮｉとＣｏの１種ま
たは２種を合計０．１〜１．０％含有させることができ
る。即ち、ＮｉとＣｏはそれぞれオーステナイト生成元
素であって多量に発生すると靭性の点で好ましくないδ
フェライト量を抑制するために１種または２種添加され
る。またＮｉ、Ｃｏの添加によって前記組織的変化が期
待される以外にも元素自体の添加効果として靭性改善が
期待される。その量は１種または２種の合計が０．１％
未満では効果がなく、また１．０％を超えると常温強度
の上昇が顕著で加工性に悪影響があるので上限を１．０
％、下限を０．１％とした。

【００２２】次に本発明の効果を実施例についてさらに
具体的に述べる。実施例表２に供試鋼の化学組成、６００℃で２０ｋｇ／ｍｍ²
の応力でのクリープ破断時間と破断伸び、６００℃で１
０００時間時効後の衝撃値、常温の引張特性、溶接性お
よび６００℃で５００ｈの水蒸気酸化雰囲気における酸
化増量を示す。

【００２３】表２に示すもののうち No.１１、１３、１
４、１６、１７、１９、２１は本発明鋼であり、その他
は比較鋼である。No.１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０は特開昭５９−１８９６４０号公報記載の
Ｓｉ含有量を０．２％以下にした高強度フェライト系耐
熱鋼であるが、耐水蒸気酸化特性が不十分であることが
明らかになった。

【００２４】No.１２、１５、１８、２０、２２はＳｉ
含有量が０．５３％以上の、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂを
複合添加した耐熱鋼であるが、時効後靭性が劣ってお
り、かつクリープ強度も No.１、２、３、４、５、６、
７、８、９、１０鋼に比べてやや低いことが明らかとな
った。これに対して No.１１、１３、１４、１６、１
７、１９、２１の本発明鋼は比較鋼の No.１、２、３、
４、５、６、７、８、９、１０、１２、１５、１８、２
０、２２と比較して時効後靭性および耐水蒸気酸化特性
が相当に優れており、かつ高いクリープ強度を保持して
いることが明らかになった。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【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つつ、溶接性、靭性、耐水蒸気酸
化特性等実用上の特性が優れており、かつ製造コストが
相対的に安価であり、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】

【図１】本発明におけるＭｏとＷとの関係を示す図であ
る。

【図２】本発明における（Ｍｏ＋Ｗ）とＮｂとの関係を
示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田利夫東京都文京区向丘１丁目14の４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量でＣ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｍｏ：０．５〜２．３％、Ｗ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１２％、Ｂ：０．００１〜０．００８％、Ｎ：０．０２〜０．１０％を含有し、かつＭｏとＷ量の
関係が下記の座標点を占める図１のＡＢＣＤに囲まれた
範囲、また（Ｍｏ＋Ｗ）とＮｂ量の関係が下記の座標点
を占める図２のＥＦＧＨに囲まれた範囲にあり、残部Ｆ
ｅおよび不可避不純物よりなる鋼において重量でＳｉを
０．２１％以上、０．５％以下に制限したことを特徴と
するフェライト系耐熱鋼。
【請求項２】さらにＮｉ、Ｃｏの１種または２種合計
で０．１〜１．０％を含有する請求項１記載のフェライ
ト系耐熱鋼。