JPH09263888A - 圧力容器用鋳鋼材及び圧力容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣｒＭｏＶ鋳鋼の優れたクリープ破断強度を
現状もしくはそれ以上に高くし、さらに靱性を改善した
圧力容器用鋳鋼材及びそれを用いた圧力容器の製造方法
を提供すること。 【解決手段】 （１）重量％で炭素：０．０２〜０．０
５％、シリコン：０．０５〜０．１５％、マンガン：
０．５〜０．８％、クロム：０．５〜１．８％、モリブ
デン：０．１〜０．８％、バナジウム：０．１〜０．２
％、タングステン：０．５〜３％、コバルト：０．５〜
３％、ニオブ及び／又はタンタルの合計：０．００１〜
０．０４％、不純物としてのリンを０．００８％以下、
不純物としてのイオウを０．００３％以下、不可避的不
純物及び残部鉄からなることを特徴とする圧力容器用鋳
鋼材、（２）前記鋳鋼材を用いた圧力容器の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力発電用蒸気ター
ビン車室材などのような圧力容器用鋳鋼材及び該鋳鋼材
を用いて圧力容器を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用蒸気タービンプラントに用い
られる車室材や各種圧力容器用材料としては、複雑な形
状に対応するため鋳物材料が多く使われているが、これ
らの材料としては主にＣｒＭｏＶ鋳鋼、２．２５％Ｃｒ
Ｍｏ鋳鋼、ＣｒＭｏ鋳鋼などが挙げられる。これらの材
料は高温強度を確保し、さらに鋳鋼品であるために優れ
た溶接性が必要である。このうち、２．２５％ＣｒＭｏ
鋳鋼やＣｒＭｏ鋳鋼は、常温の衝撃特性が優れており、
その結果溶接性も良好である。しかし、Ｖを添加してい
ないためクリープ破断強度が必ずしも十分でなく、年々
高温化する蒸気タービンの車室材に対するニーズに対応
できないものとなっている。一方、ＣｒＭｏＶ鋳鋼はク
リープ破断強度に優れているが、衝撃特性が劣るために
溶接性が悪く、製造時の溶接補修が行いにくい問題点が
ある。

【０００３】

【発明が解決する課題】本発明は上記技術水準に鑑み、
ＣｒＭｏＶ鋳鋼の優れたクリープ破断強度を現状もしく
はそれ以上に高くし、さらに靱性を改善した、溶接性の
良好な圧力容器用鋳鋼材及び該鋳鋼材を用いた圧力容器
の製造方法を提供しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは低合金鋳鋼
材について鋭意研究を重ねた結果、成分組成を厳選した
鋳鋼材を使用し、特定条件で加工処理を行うことにより
前記課題が解決できることを見出した。すなわち、本発
明の圧力容器用鋳鋼材は（１）重量％で炭素：０．０２
〜０．０５％、シリコン：０．０５〜０．１５％、マン
ガン：０．５〜０．８％、クロム：０．５〜１．８％、
モリブデン：０．１〜０．８％、バナジウム：０．１〜
０．２％、タングステン：０．５〜３％、コバルト：
０．５〜３％、ニオブ及び／又はタンタルの合計：０．
０１〜０．０４％、不純物としてのリンを０．００８％
以下、不純物としてのイオウを０．００３％以下、不可
避的不純物及び残部鉄からなることを特徴とする圧力容
器用鋳鋼材である。

【０００５】また、本発明の圧力容器の製造方法は
（２）前記（１）の鋳鋼材を用いて目的形状に鋳造し、
該鋳造品を焼準温度：１０５０〜１１５０℃で１０〜４
０時間保持したのち２００℃まで冷却し、次いで焼入れ
温度：９２０〜９８０℃で５〜２０時間保持したのち冷
却し、さらに焼もどし温度：６８０〜７３０℃で５〜２
０時間保持することを特徴とする圧力容器の製造方法及
び（３）焼入れ温度：９２０〜９８０℃で５〜２０時間
保持したのち冷却するにあたって、素材各部位の６００
℃までの冷却を２００℃／ｈｒ以上の冷却速度で行うこ
とを特徴とする前記（２）の圧力容器の製造方法であ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の圧力容器用鋳鋼材
（以下、単に鋳鋼材という）における成分限定理由を述
べる。なお、以下の説明において、％は重量％を意味す
る。 Ｃ：Ｃは焼入れ性を向上させるとともにＣｒやＭｏの炭
化物を形成し高温強度の向上に寄与する。しかし、０．
０２％未満では十分な耐力、クリープ破断強度が得られ
ず、また０．０５％を越えると耐溶接割れ性が低下し、
予熱温度を高くする必要が生ずる。また高い靱性を確保
するためにはＣは少ない方が望ましい。このため、０．
０２〜０．０５％とする。

【０００７】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸材として有用な元素であ
るとともに湯流れを良くして十分に鋳物の先端まで溶湯
を入れることに寄与する。しかし、Ｓｉは偏析を助長
し、靱性を低下させる。０．０５％未満ではその機能が
十分に働かず、また０．１５％を越える量を添加する
と、長期使用時において十分な靱性が確保できない。こ
のため、０．０５〜０．１５％に限定する。

【０００８】Ｍｎ：Ｍｎは焼入れ性を高める元素として
有用であり、靱性改善に効果がある。０．５％未満では
その効果は十分ではなく、また０．８％を越えるとクリ
ープ破断強さが低下するため、０．５〜０．８％とす
る。

【０００９】Ｃｒ：Ｃｒは耐酸化性を改善すると共に炭
化物を形成して高温強度を改善することに大きく寄与す
る。特に高温強度の面では１％を越えるところに最も高
い強度を示す添加量があるが、後述するＣｏの添加効果
により最適添加量の範囲を広げることができる。０．５
％未満であるとＣｒの添加による高温強度改善の効果は
十分ではなく、またＣ量が低いことを考慮して１．８％
を越えるとクリープ破断強さが逆に低下してしまうので
０．５〜１．８％とする。

【００１０】Ｍｏ：Ｍｏは炭化物を形成し、高温のクリ
ープ破断強さを向上させることに効果がある。また、焼
入れ性を改善して靱性向上にも効果がある。特に本発明
材においてはＷとともに高温強度改善に寄与する。その
Ｗ量とのバランスが重要であり、本発明鋳鋼材の場合
は、後述するＷの添加量との関係から、０．１未満では
十分な効果は得られず、また０．８％を越えると使用中
の脆化をもたらすので、０．１〜０．８％とする。

【００１１】Ｖ：Ｖは微細な炭化物を形成しクリープ破
断強度の向上に強く寄与するが、本発明鋳鋼材成分の場
合では、０．１％未満では十分な効果は得られず、また
０．２％を越えると溶接性及び靱性を低下させるので、
０．１〜０．２％とする。

【００１２】Ｗ：Ｗは本発明材の最も重要な元素の一つ
であり、また特徴でもある。Ｗは鉄を基調としたマトリ
ックス中に溶け込み固溶体強化に寄与するとともに、Ｃ
ｒ等の他の合金元素が形成する炭化物の凝集・粗大化を
抑制する働きがあり、高温強度改善に大きく寄与する。
０．５％未満であると高温強度改善の効果が少なく、ま
た３％を越える量を添加すると常温の延性、靱性が低下
し、溶接性を損なうことになるため、０．５〜３％とす
る。

【００１３】Ｃｏ：Ｃｏはマトリックス中に溶け込んで
靱性を改善する。この作用はＮｉと似ているが、Ｎｉの
場合は高温強度を低下させるのに対し、Ｃｏの場合には
その作用はなく、むしろクリープ破断強さを向上させ
る。すなわち、長時間高温に保持された場合でも製造時
に導入されたマトリックス中の転位が整理されて強度が
低下すること、これを回復というが、Ｃｏはこの転位の
整理である回復を遅らせることにより長時間高い強さを
マトリックスに持ち続けさせることができる。その結
果、長時間クリープ破断強さの向上に大きく寄与する。
０．５％未満ではこのＣｏの効果は十分に得ることがで
きない。また、３％を越える量を添加すると靱性の低下
につながる。このため、Ｃｏは０．５〜３％とする。

【００１４】Ｎｂ及び／又はＴａ：Ｎｂ及びＴａは炭化
物となって高温強度改善に寄与する。しかし、これらの
炭化物は微細に析出することが必要であり、多量に添加
すると初析の粗大な炭化物が生成して高温強度を改善し
ないだけでなく延性、靱性を大幅に低下させる。このた
め、その添加量は制限される。Ｎｂ及びＴａを加えた量
が０．０１％未満である場合、その効果は十分でなく、
また０．０４％を越える量を添加すると初析の炭化物が
形成される。したがって、０．０１〜０．０４％とす
る。

【００１５】Ｐ：Ｐは不純物であり、溶解段階で十分に
精錬して低く押さえることが必要である。特にＰは焼も
どし脆化を起こして使用中に材料の靱性を低下させる。
このため、０．００８％以下にすることが望ましい。 Ｓ：ＳもＰと同様に不純物であり、凝固時に偏析し、濃
化した部分は材料の結合強度が弱いため欠陥となる。こ
のため、低く押さえることが必要であり、０．００３％
以下であることが望まれる。

【００１６】また、以下には熱処理条件の限定理由につ
いて説明する。本発明材料は高温環境下で使用する圧力
容器用の鋳鋼材であり、高温強度、とりわけクリープ破
断強さと、鋳物材であることから溶接補修性を確保する
上で良好な靱性を有することが必要である。このため、
熱処理を行う上でもこの要求される特性を十分に出すた
めの処理を行うことが必要である。

【００１７】焼準温度：焼入れを行う前に予備熱処理と
して焼準処理を行う。この焼準処理は鋳造された素材に
おいて成分が片寄る現象、いわゆる偏析を軽減し均一な
素材を得るために行うものであり、できるだけ高い温度
に保持することによって原子のマトリックス中の拡散を
促進し、凝固時に発生した偏析を少なくするという効果
がある。また、本発明鋳鋼材にはＮｂ又はＴａが含まれ
るが、成分限定理由でも説明したように、これらは炭化
物となって高温強度を改善する。この場合、微細な炭化
物であることが必要である。鋳造されたままの素材の場
合、前述の偏析にともなって粗大な初析炭化物が形成さ
れており、このままでは全く高温強度改善に寄与しない
だけでなく、延性、靱性を低下させてしまう。このた
め、一度Ｎｂ及びＴａをマトリックス中に固溶させ再度
析出させることにより、微細な炭化物を得る工程が必要
となる。この工程を次工程の焼入れで行う場合、結晶粒
が粗大化して後述するように延性、靱性を低下させてし
まう。このため、焼入れ工程の前の焼準工程で行うこと
が必要となる。１０５０℃未満の焼準処理では十分な拡
散が行えないことと、Ｎｂ及びＴａのマトリックス中へ
の固溶量が少なくなることから十分な焼準処理は達成さ
れない。また、１１５０℃を越える温度に加熱しても、
１０５０〜１１５０℃の加熱条件を上回る効果が得られ
ない。したがって、焼準温度を１０５０〜１１５０℃に
限定する。なお、本処理を行った後、２００℃以下まで
冷却することにより、高温相のオーステナイトから低温
相（常温相）のベーナイト相の変態が完了するので、次
工程の焼入れ処理の際、焼準時にできてしまった粗い結
晶粒は消えてしまい、後述するようような焼入れ時に適
度な結晶粒サイズにすることができるため、結晶粒が粗
くなるというような不具合は生じない。

【００１８】焼準時間：焼準時間は上述した二つの効果
（合金元素を十分に拡散すること及びＮｂ及びＴａを十
分に固溶させること）を得る上で十分な時間が必要であ
る。１０時間未満である場合、十分な拡散及び固溶が行
えない。また、４０時間を越える時間熱処理を行っても
拡散現象及び固溶現象が飽和状態に達するため、それ以
上の効果は得られない。したがって、１０〜４０時間と
するのが好ましい。

【００１９】焼入れ温度：焼入れ温度（溶体化温度）
は、材料の結晶粒度に大きく影響を与えるものであり、
焼入れ温度が高いと結晶粒が粗くなり、靱性や延性が低
下する。一方焼入れ温度が低すぎると、結晶粒が細かく
なりすぎるためクリープ破断強さが低下してしまう。こ
のため、最適な温度管理が必要となる。本発明鋳鋼材の
場合、焼入れ処理（溶体化処理）を９８０℃を越える温
度で行うと結晶粒が粗くなってしまい、十分な靱性、延
性が得られない。また、９２０℃未満の低い温度で熱処
理を行うと、十分なクリープ破断強さが得られない。こ
のため、焼入れ温度としては、９２０〜９８０℃に限定
する。そして後述する焼入れ保持時間を経過させたの
ち、ベーナイト変態が完了する２００℃以下まで冷却し
て焼入れを完了する。

【００２０】焼入れ保持時間：焼入れ保持時間は上述し
た焼入れの効果を十分に発揮できるだけの時間によって
決められる。５時間未満である場合、材料の中に含まれ
る合金元素が十分に鉄の母相に溶けることはできないこ
とや合金元素の濃度偏析が十分に解消されないことの問
題が生じる。一方、２０時間を越える時間保持した場
合、２０時間以内の処理と比較して、焼入れの効果に差
はなく、逆に必要以上に結晶粒が粗大化してしまうた
め、延性、靱性の低下につながる。このため、焼入れ保
持時間としては５〜２０時間が好ましい。

【００２１】焼もどし温度、焼もどし時間：焼もどしは
焼入れの際に導入された欠陥をなくし、靱性のある材料
にするために行うものであり、この熱処理温度及び保持
時間によって材料の機械的強度や延性、靱性が変化す
る。焼もどし処理において、温度が高く、保持時間が長
いほど焼もどし処理は進み材料強度が低くなり、その代
わり延性や靱性が向上する。一方、焼もどし温度が低く
しかもその保持時間が短い場合、材料強度は高くなるが
延性や靱性が低いものとなってしまう。このため、焼も
どしの温度と時間を厳密に管理する必要がある。７３０
℃を越える温度で焼もどしを行うと、延性や靱性は十分
に高いものになるが機械的強度が十分でない。また、６
８０℃未満の低い温度で焼き戻すと十分に高い機械的強
度は得られるが、延性や靱性が十分ではない。このた
め、焼もどし温度は６８０〜７３０℃とする。

【００２２】また、焼もどし時間が５時間未満の場合、
十分な合金元素の固溶や拡散が起こらず、クリープ破断
強度や延性、靱性が得られない。また、２０時間を越え
る時間焼もどし処理を行ったとしても、２０時間程度の
焼もどし時間と大差ない固溶及び拡散しか起こらない。
加えて必要以上に長い時間時効処理を行うと機械的強度
が低下してしまう。このため、焼もどし時間は５〜２０
時間とする。

【００２３】焼入れ速度：焼入れ速度が遅い場合、焼入
れ時にフェライト＋パーライト組織ができてしまうため
に十分な機械的強度が得られない。このため、焼入れ速
度を速くすることが必要である。実際に大型の素材を焼
入れする場合は焼入れ速度に限界があり、極端に速くす
ることはできないが、２００℃／時間以上の冷却速度で
焼入れ温度から６００℃までの間を冷却することによ
り、安定した機械的強度を得ることができる。このた
め、焼入れの際の６００℃までの冷却速度は２００℃／
時間以上であることが望ましい。

【００２４】本発明の鋳鋼材は溶接の際の予熱温度を低
くできる利点がある。すなわち、溶接割れを防止するた
めには、溶接直後において焼入れマルテンサイトが生じ
ている熱影響部の固さが高くないこととある程度の靱性
が必要である。本発明の鋳鋼材では溶接直前に溶接開先
周辺を１５０℃以上に加熱しておくと焼入れマルテンサ
イトが多少焼き戻されるため、硬さが下がると共に靱性
が回復する。このため本発明の鋳鋼材の溶接を行う場合
には、予熱温度を１５０℃以上にするが、従来の高強度
鋳鋼は２５０℃以上の予熱をしなければ溶接割れを防ぐ
ことができなかった。

【００２５】

【実施例】以下に実施例に基づいて本発明をさらに具体
的に説明する。試験は５０ｋｇ真空溶解炉を用いて表１
に示す組成（表１には鉄を除く成分を示す）の試験材を
溶解し、砂型の鋳型を用いて造塊した。このようにして
製造した試験材に対して種々の熱処理を行い試験材とし
た。このように得られた試験材に対して常温引張試験、
衝撃試験並びにクリープ破断試験を行い、材料特性の評
価を実施した。

【００２６】表２は、各試験材の機械的性質を示すもの
であるが、本発明材料は、良好な機械的強度及び引張延
性、衝撃特性（５０％ＦＡＴＴは衝撃遷移温度を示すも
のであり、この温度が低いものほど衝撃特性が良好であ
ると言える）並びにクリープ破断強さ（クリープ破断試
験では試験条件として温度と応力が一定であるので、破
断時間が長いものがクリープ破断強さが強いものである
と言える）を示すことがわかる。

【００２７】また、表３は熱処理の機械的特性に及ぼす
影響についてまとめたものであるが、本発明の熱処理は
高い延性、靱性並びに高いクリープ破断強さをバランス
良く有していることがわかる。さらに、表４は斜めＹ型
拘束溶接割れ試験（ＪＩＳ Ｚ３１５８）の結果である
が、本発明材は溶接割れ停止温度が１５０℃以下で、良
好な溶接性を有していることがわかる。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】

【発明の効果】本発明の低合金鋳鋼材からなる圧力容器
用鋳鋼材は、従来の低合金鋳鋼材の優れた高温強度、特
にクリープ破断強度をさらに高めると同時に、良好な延
性、靱性をも具備したものであり、特に溶接補修性が改
善されており、従来の材料よりも製造しやすいことが特
徴となっており、肉厚を低減することや溶接の工数の低
減などにより従来材よりも安価に製造することができる
ようになった。また、本発明の圧力容器用鋳鋼材を用い
て、本発明の製造方法により処理することにより、高い
延性、靱性並びに高いクリープ破断強さをバランスよく
備えた圧力容器を容易に製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鎌田 政智 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 北川 幾次郎 福岡県北九州市八幡西区泉ケ浦二丁目３− ９ (72)発明者 田代 康則 福岡県北九州市戸畑区大字中原先の浜46番 59 日本鋳鍛鋼株式会社内 (72)発明者 守中 康治 福岡県北九州市戸畑区大字中原先の浜46番 59 日本鋳鍛鋼株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で炭素：０．０２〜０．０５％、
   シリコン：０．０５〜０．１５％、マンガン：０．５〜
   ０．８％、クロム：０．５〜１．８％、モリブデン：
   ０．１〜０．８％、バナジウム：０．１〜０．２％、タ
   ングステン：０．５〜３％、コバルト：０．５〜３％、
   ニオブ及び／又はタンタルの合計：０．０１〜０．０４
   ％、不純物としてのリンを０．００８％以下、不純物と
   してのイオウを０．００３％以下、不可避的不純物及び
   残部鉄からなることを特徴とする圧力容器用鋳鋼材。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の鋳鋼材を用いて目的形
   状に鋳造し、該鋳造品を焼準温度：１０５０〜１１５０
   ℃で１０〜４０時間保持したのち２００℃まで冷却し、
   次いで焼入れ温度：９２０〜９８０℃で５〜２０時間保
   持したのち冷却し、さらに焼もどし温度：６８０〜７３
   ０℃で５〜２０時間保持することを特徴とする圧力容器
   の製造方法。
3. 【請求項３】 焼入れ温度：９２０〜９８０℃で５〜２
   ０時間保持したのち冷却するにあたって、素材各部位の
   ６００℃までの冷却を２００℃／ｈｒ以上の冷却速度で
   行うことを特徴とする請求項２記載の圧力容器の製造方
   法。