JPH09228003A - 溶接性に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents
溶接性に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼Info
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Abstract
を有するオーステナイト系耐熱鋼を提供する。 【解決手段】 C:0.05%未満、Si:5%以下、
Mn:2%未満、P:0.03%以下、S:0.005
%以下、Cr:15〜20%、Ni:6〜15%、W:
1.5%〜10%以下、Nb:0.1%超〜0.5%以
下、V:0.05〜1.5%、N:0.15%超〜0.
4%以下を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物と
する。
Description
強度を有するとともに、優れた溶接性および良好な耐粒
界腐食特性を兼ね備え、使用環境が過酷化しつつあるボ
イラに適用して優れた性能を発揮するオーステナイト系
耐熱鋼に係わるものである。
向上、あるいは近年の炭酸ガス排出抑制の点から、蒸気
条件を高温高圧化した超々臨界圧ボイラが計画されてい
る。従来のオーステナイト系耐熱鋼、例えばSUS34
7Hはクリープ破断強度が不足し、このような過酷な環
境下で使用できないことから、高クリープ強度の材料と
して、「鉄と鋼」第70年S1409頁、あるいは「火
力原子力発電」第38巻第75頁に示されているよう
に、Nb,Tiなどの炭窒化物による析出強化、Moに
よる固溶強化などを利用したオーステナイト系耐熱鋼が
開発されている。
鋼は多量の合金元素を含むために、従来のオーステナイ
ト系耐熱鋼で溶接が比較的困難とされるSUS310S
と比べても、溶接が必ずしも容易とはいえず、溶接作業
性の改善が課題となっていた。鋼の高純化、すなわち
P,S量の低減とともにC量の低減が溶接性を向上させ
るための有力な手段であることは周知の事実である。し
かし、上述のように耐熱鋼の多くは炭窒化物により強化
されており、C量の低減は高温強度の低下を招くという
問題がある。本発明は、溶接性が良好で、優れた高温強
度を有するオーステナイト系耐熱鋼を提供することを目
的とする。
善のためにC量を低減させた成分系で、C量低減による
高温強度の低下を他の元素の添加で補うべく、種々の実
験を行った結果、ついに、W,Nb,V,Nを同時にあ
る特定の成分範囲に限定して添加することにより、その
相乗効果によって、低Cの成分系においても高い高温強
度を維持できることを見いだした。さらに、この成分系
においても、耐高温腐食特性も、従来鋼と同等に確保で
きることを見いだした。
であり、その要旨とするところは、以下の特徴を有する
溶接性に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼である。
すなわち、(1)合金元素として、質量%で、 C :0.05%未満、 Si:5%以下、 Mn:2%未満、 P :0.03%以下、 S :0.005%以下、 Cr:15〜20%、 Ni:6〜15%、 W :1.5〜10%以下、 Nb:0.1%超〜0.5%以下、 V :0.05〜1.5%、 N :0.15%超〜0.4%以下 を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる。あ
るいは(2)合金元素として、上記(1)記載のものに
加えてさらに、Mo:2.0%以下を含有し、かつMo
+W≦10%を満足する。
範囲を上記のように定めた理由について説明する。 C:溶接時の高温割れや延性低下を防止するためにはC
量をできるかぎり下げる必要があるが、良好な溶接性を
確保するために、C量の上限値は次のような実験に基づ
いて設定した。図1に、C以外の主要な合金元素が本発
明の範囲内にある鋼(Cr:18%、Ni:13%、
W:4%)においてC量を変化させたもの(図中、◆
印)と、比較のためのSUS310STB(後述する実
施例の比較鋼Qに相当する。図中、□印)についての溶
接性を評価するバリストレイン(Varestraint)試験の結
果を示す。図2により、C添加量を0.05%未満に下
げることで、SUS310STBより良好な溶接性が得
られることがわかる。本試験結果から、良好な溶接性を
確保するためのC量の上限値を0.05%未満とした。
りでなく、耐酸化性や耐高温腐食特性をも向上させる元
素であるが、Si量が多過ぎると、クリープ破断強度、
靱性や溶接性を低下させる。従って、上限を5%とし
た。 Mn:Mnは脱酸作用を有し、溶接性や熱間加工性を向
上させる元素である。しかし、Mn量が多過ぎると、耐
酸化性の劣化を招くので、2%未満の添加量とした。
耐高温腐食特性に不可欠の元素である。従来のオーステ
ナイト系ステンレス鋼と同等以上の特性を確保するため
に、Cr量の下限を15%とした。しかし、Cr量の増
加はオーステナイトの安定性を確保するのに必要なNi
量を増大させ、経済性の面で不利となることから、上限
を20%とした。 Ni:Niはオーステナイトの安定性を高め、σ相の生
成を抑制するために必須の元素である。本発明鋼におけ
る、Crをはじめとするフェライト生成元素の含有量に
対してオーステナイトの安定化を図るためには、Ni量
を6%以上とする必要がある。一方、Ni量が増大する
と経済性の面で不利となることから、上限を15%とし
た。
化、Laves相析出などにより高温強度を高める元素
で、その効果は図2に示すように(Mo+W)%でほぼ
整理できる。図2より、MoとWの合計量が2%以上の
添加で、クリープ破断強度が大幅に向上するが、10%
を超えて添加してもさらなる向上は見られないことがわ
かる。W量またはWとMoの合計量が1.5〜2.0%
の場合には、C,Nbの添加量に応じてクリープ破断強
度は大きく変化するが、C,Nbがそれぞれ0.025
%および0.25%以上添加されていればWまたはW+
Moと、C+Nbとの複合効果で高いクリープ破断強度
が得られる。しかしながらW量またはWとMoの合計量
が1.5%未満では複合効果は消失する。また、Moと
Wの合計量を10%以上添加するとLaves相などの
金属間化合物の粗大化を生じ、クリープ破断延性を低下
させるという問題も生ずる。さらに、図3に示すよう
に、Moを単独で添加すると、Mo量が増加するにつれ
て耐高温腐食特性が劣化するが、一方、Wは単独の添加
の場合には耐高温腐食特性を劣化させない上に、Moと
複合添加すると、Mo単独添加鋼に比べ耐高温腐食特性
が改善できることが実験により明らかとなった。従っ
て、Wは必ず添加することとし、その範囲を1.5%以
上、10%以下とした。Moについては、2%を超えて
添加するとWを複合添加した場合でも耐高温腐食特性を
特に低下させることから、2.0%以下を必要に応じて
添加する。
時間クリープ破断強度を著しく向上させる。しかしなが
ら、図4に示すように、Nb量が0.1%以下では前記
効果が得られないので、Nb量の下限を0.1%とし
た。前記効果は、固溶化熱処理温度で固溶し得るNb量
が多いほど顕著であるが、固溶限を超えて添加すると、
未固溶の炭・窒化物が残存し、クリープ破断強度を低下
させる。従って、Nb量の上限を0.5%とした。 V:Vは微細な窒化物を形成し、長時間クリープ破断強
度を向上させる。しかしながら、図5に示すように、V
量が0.05%未満では効果が得られず、また、1.5
%を超えると添加による強度向上代は小さくなるので、
Vの添加量は0.05〜1.5%とした。
を向上させる効果がある。しかし添加量が多いと溶接性
を著しく劣化させるのに加えて、熱間加工性も損なうの
で上限を0.03%とした。 S:Sは粒界に偏析して、熱間加工性を劣化させ、また
クリープ中粒界脆化を促進させるので、上限を0.00
5%とした。 N:Nは固溶強化および窒化物の形成によってクリープ
破断強度を著しく向上させる元素である。Nが0.15
%以下では溶接性向上のために低C量としたための強度
低下分を補償できず、また0.4%を超えて添加しても
長時間のクリープ破断強度の増加は少なく、さらに靱性
を低下させる。従って、N量の範囲を0.15%超、
0.4%以下とした。
する。表1−1、表2−1に供試鋼の化学成分および材
料特性を示す。これらの鋼について、1250℃で溶体
化処理後、バリストレイン試験,700,750,80
0℃でクリープ破断試験を、また、650℃で高温腐食
試験を実施した。バリストレイン試験の条件は、試験片
厚み:4mm、溶接方法:GTAW、溶接電圧:10V、
溶接電流:80A、溶接速度:80mm/min、付加歪:4
%である。クリープ破断強度については、データをLa
rson−Miller法で整理し、650℃×10万
時間の破断強度を推定した。高温腐食試験については、
K2 SO4 :Na2 SO4 :Fe2 (SO4 )3=0.
28:0.2:0.5(質量比)の石炭焚き模擬燃焼灰
中に供試鋼を650℃で200h保持後、腐食減量を測
定した。試験結果を同じく表1−2、表2−2に示す。
り、表2に示した鋼R〜AIは比較鋼である。比較鋼の
うち、R,Sはそれぞれ、従来よく使用されているSU
S347H相当鋼、SUS310S相当鋼である。本発
明鋼はRのSUS347H鋼に比し、非常に優れた高温
強度と耐高温腐食特性を、またSUS310S鋼に比し
優れた溶接性を有する。比較鋼のうち、S〜VはCの添
加量が高いために、バリストレイン試験での溶接総割れ
長さが長く、溶接性が劣る例である。X〜ZはWの添加
量が少ないために、またAE,AF,AGはそれぞれN
b,V,Nの添加量が少ないために高温強度が低い例で
ある。また、AA〜ADはMoの添加量が多いために、
高温強度は高いものの、耐高温腐食特性が劣る例であ
る。
果を示す例であり、PはC,Nbがそれぞれ0.025
%および0.25%以上あるためWが下限近傍でも高温
強度が高いが、WはC,Nbが0.25以下のため、高
温強度が低く、AHはC,Nbがそれぞれ0.025%
および0.25%以上であるがWが本発明成分範囲以下
であるため高温強度が低い例である。AIはPの添加量
が多いために、高温強度は高いものの、溶接性が劣る例
である。
つ、従来よりも高温強度に優れたオーステナイト系耐熱
鋼を安価に提供することが可能となり、産業の発展に寄
与するところ極めて大なるものがある。
れた鋼とSUS310STBのバリストレイン試験の結
果を示すグラフである。
示すグラフである。
示すグラフである。
グラフである。
ラフである。
ラフである。
範囲を上記のように定めた理由について説明する。 C:溶接時の高温割れや延性低下を防止するためにはC
量をできるかぎり下げる必要があるが、良好な溶接性を
確保するために、C量の上限値は次のような実験に基づ
いて設定した。図1に、C以外の主要な合金元素が本発
明の範囲内にある鋼(Cr:18%、Ni:13%、
W:4%)においてC量を変化させたもの(図中、◆
印)と、比較のためのSUS310STB(後述する実
施例の比較鋼Qに相当する。図中、□印)についての溶
接性を評価するバリストレイン(Varestraint)試験の結
果を示す。図1により、C添加量を0.05%未満に下
げることで、SUS310STBより良好な溶接性が得
られることがわかる。本試験結果から、良好な溶接性を
確保するためのC量の上限値を0.05%未満とした。
Claims (2)
- 【請求項1】 合金元素として、質量%で、 C :0.05%未満、 Si:5%以下、 Mn:2%未満、 P :0.03%以下、 S :0.005%以下、 Cr:15〜20%、 Ni:6〜15%、 W :1.5%〜10%以下、 Nb:0.1%超〜0.5%以下、 V :0.05〜1.5%、 N :0.15%超〜0.4%以下を含有し、残部Fe
および不可避的不純物よりなることを特徴とする溶接性
に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼。 - 【請求項2】 請求項1記載の鋼に、合金元素としてさ
らに重量%で、Mo:2.0%以下を含有し、かつMo
+W≦10%を満足することを特徴とする請求項1記載
の溶接性に優れた高強度オーステナイト系耐熱鋼。
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