JPS61250152A - 高強度高靭性焼きならし型低炭素ボイラ・圧力容器用鋼板 - 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・圧力容器用低炭素鋼板に関し、詳し
くは、焼ならし後の組織におけるベイナイトの割合が２
０〜８５％であって、すぐれた耐溶接割れ性、耐エロー
ジヨン性及び耐クリープ特性を有する高強度高靭性焼な
らし型低炭素ボイラ・圧力容器用鋼板に関する。

（従来の技術） 従来より、発電プラントや化学プラント等におけるボイ
ラ・圧力容器用構造材料として、ＪＩＳ　５８４９Ｍ（
＾ＳＴＭ　Ａ２０４　Ｇｒ、Ｂ）等の圧延鋼材が用いら
れている。これらの圧延鋼材は、フェライトを主体とし
たフェライト・ベイナイト組織又はフェライト・パーラ
イト組織を有し、その室温及び約３００〜４５０℃の高
温での強度を確保するために、Ｃ量を０．１５〜０．３
０％と比較的多量に添加して、ベイナイトやパーライト
の割合を高めている。しかし、このように、Ｃ量を高め
た圧延鋼材においては、溶接割れ感受性組成ＰＣＭが高
く、その溶接施工にあたっては、低温割れ防止のために
、通常、１５０〜３００℃程度での高温の予熱を必要と
し、製造期間の長期化や熱エネルギーの大量消費等、製
造コスト上昇の一因となっている。

他方において、低温割れ感受性を低めて溶接性を改善す
るためには、ＰＣＭを低減すること、特にＣ量を下げる
ことが有効であることは既によく知られている。しかし
ながら、Ｃ量を低減すれば、強度の低下、耐エロージヨ
ン性の低下、高温クリープ強度の低下等の問題を生じる
ことが懸念される。

一方、Ｂは、従来、焼入れ焼戻しを行なう調質鋼につい
ては広く利用されているが、一般に、焼ならし鋼或いは
焼ならし焼戻し鋼には、従来、殆ど添加されていないと
ころ、最近に至って、焼ならし鋼或いは焼ならし焼戻し
鋼にも微量のＢを添加し、鋼の焼入れ性の増加を図って
、強度を増加させる方法が実用化されるに至っている。

最近になって、ボイラ・圧力容器用鋼板の分野において
も、低炭素鋼にＢを添加することによって、すぐれた耐
溶接割れ性と高強度とを兼ね備えさせ得ることが報告さ
れている。しかし、このようにして得られる鋼板は、焼
ならしままでの靭性が低く、ボイラや圧力容器の製造時
、冷間曲げ加工によれば、脆性破壊の発生が懸念される
ので、従来、加工に際しては熱間曲げ加工を余儀なくさ
れており、従って、この含Ｂ鋼を用いる場合も、製造期
間の長期化や製造コストの上昇が避けられない。特に、
近年、冷間加工技術の進歩に伴って、冷間曲げ加工が多
用される傾向にあるので、焼ならしままで高靭性を有す
るボイラ・圧力容器用鋼板への要望が極めて高くなって
きている。

（発明の目的） 本発明者らは、かかる要望に応えるぺ（鋭意研究した結
果、耐溶接割れ性を改善するためにＣ量を著しく低減し
たにもかかわらず、Ｂの焼入れ性向上効果を最大限に活
用すると同時に、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒを複合添加するこ
とによって、低炭素台Ｂ鋼における焼ならしままの靭性
を格段に改善し、更に、Ｃ量０．１５〜０．３５％の従
来のボイラ・圧力容器用鋼板と同等又はそれ以上にまで
、強度、耐エロージヨン性、耐クリープ特性を改善し得
て、従来にない新規なボイラ・圧力容器用鋼板を得るこ
とができることを見出して、本発明に至ったものである
。

従って、本発明は、焼ならしままですぐれた耐溶接割れ
性、耐エロージヨン性及び耐クリープ特性を有する新規
な高強度高靭性低炭素ボイラ・圧力容器用鋼板を提供す
ることを目的とする。

（発明の構成） 本発明によるすぐれた耐溶接割れ性、耐エロージヨン性
及び耐クリープ特性を有する高強度高靭性焼ならし型低
炭素ボイラ・圧力容器用鋼板は、第１には、 重量％で Ｃ０００１〜０．１２％、 Ｓｉ０．０５〜１．０％、 Ｍｎ　　０．２０〜１．５０％、 Ｃｕ　　０．０５〜０．１９％、 Ｎｉ０．０５〜０．４０％、 Ｃｒ　　　０．０５〜０．３９％、 Ｍｏ０．４５％を越える量であって、１．０％以下、 ｓｏｌ　Ａ１０．００５〜０．１０％、ＢＯ００００３
〜０．　ＯＯ２０％、 Ｎ　　　０．００５％以下、 残部鉄及び不可避的不純物よりなり、 Ｃ＋０．１７Ｍｎ≦０．２８（％） を満足すると共に、 で定義されるＰｌ、Ｍが０．２３％以下であり、且つ、
焼ならし後の組織におけるベイナイトの割合が２０〜８
５％であることを特徴とする。

また、本発明による第２の鋼板は、上記した化学成分に
加えて、 Ｔｉ　　０．００５〜０．０８％、 Ｎｂ　　　０．００５〜０．０８％、 ｖ　　　ｏ、ｏｏｓ　〜ｏ、ｉｏ％及びＣａ　　　０．
０Ｏ０５〜０．０１０％よりなる群から選ばれる少なく
とも１種の元素を含有することを特徴とする。

以下に本発明について詳細に説明する。

本発明によるボイラ・圧力容器用鋼板において、Ｂは、
オーステナイト中に固溶し、結晶粒界に偏析して、フェ
ライト変態を抑制するため、鋼の焼入れ性を向上させる
。しかし、他方において、Ｂは、鋼中のＮと結合しゃ（
、ＢがＢＮを生成すると、鋼中におけるＢの有効量が減
少し、焼入れ性を低下させる。従って、本発明において
は、鋼の焼入れ性を向上させるべく、Ｂの有効量を確保
するために、鋼中のＮ量を低減すると共に、ＡＪ＋によ
ってＮを固定する。しかし、Ｂを過多に添加するときは
、オーステナイト粒界にＢ化合物が析出し、却って焼入
れ性を低下させるので、本発明においては、Ｂ及び５ｏ
ｌＡｊ！の添加量を後述するように所定の範囲に限定す
ると共に、Ｎ量を規制する。

しかし、本発明鋼板のように、低Ｃ鋼においては、Ｂの
焼入れ性向上効果を利用するだけでは、強度、靭性ほか
目的とする望ましい特性を得ることは困難である。ここ
において、本発明者らは、研究を重ねた結果、低Ｃ鋼に
おいて、Ｂを所定量添加して、その焼入性向上効果を利
用すると共に、Ｃｕ　ＳＮ　ｉ及びＣｒを複合添加する
ことにより、鯛の焼入れ性を一層向上させると同時に、
Ｂの焼入れ性向上効果との相乗効果によって、鋼組織に
おけるベイナイトの割合を大幅に上昇させることができ
、ここに、ベイナイトは、フェライトと比較して、各元
素の固溶限が高いために、結晶粒界に析出物を生じ難い
性質を有しているので、耐エロージヨン性及び耐クリー
プ特性をも従来鋼と同等以上に改善できることを見出し
たのである。

次に、本発明によるボイラ・圧力容器用鋼板に−おける
化学成分の限定理由について説明する。

Ｃは、鋼の強度及び耐エロージヨン性を確保するために
、本発明鋼においては、０．０１％以上を添加すること
が必要であるが、反面、Ｃ量の増加と共に耐溶接割れ性
及び靭性が低下するので、添加量の上限は０．１２％と
する。

Ｓｉは、強度の確保及び耐酸化性の向上のために有効で
あり、少なくとも０．０５％を含有させることが必要で
あるが、しかし、過多に含有させるときは、靭性が低下
するので、本発明においては、含有量の上限は１．０％
とする。

Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効であり、本発明
においては、ＰＣＭが０．２３％以下であり、且つ、後
述するように、Ｃ＋０．１７Ｍｎが０．２８％以下の範
囲で所定の鋼強度を確保するために、０．２０％以上を
添加することが必要である。しかし、１．５０％を越え
て過多に添加するときは、靭性及び耐溶接割れ性が低下
するので、添加量は０゜２０％〜１．５０％の範囲とす
る。

Ｃｕは、固溶強化及び析出強化に有効な元素であり、且
つ、耐エロージヨン性の向上にも効果がある。かかる効
果を有効に発揮させるためには、少なくとも０．０５％
を添加する必要がある。一方、０．１９％を越えて過多
に添加すると、耐溶接割れ性が低下するので、Ｃｕの添
加量は０．０５〜００１９％の範囲とする。

Ｎｉは、鋼の焼入れ性を増し、また、耐エロージヨン性
の向上に効果があり、更に、高温におけるオーステナイ
ト粒界へのＣｕの析出による亀甲割れを防止するのに有
効である。かかる効果を有効に発現させるためには、０
．０５％以上を添加する必要がある。しかし、Ｎｉは高
価な元素であるので、実用的な観点から、その添加量は
０．０５〜０．４０％の範囲とする。

Ｃｒは、高温における耐食性と強度を確保するために、
少なくとも０．０５％を添加することが必要である。し
かし、過度に添加すると靭性が劣化するので、その添加
量の上限は０．３９％とする。

ＭＯは、鋼の焼入れ性、特にＢと共存した場合の焼なら
し時の焼入れ性を高めるために、本発明鋼において不可
欠の元素であって、通常、４５０℃程度の高温度での使
用に耐えるように、本発明鋼においては、０．４５％を
越えて添加することが必要である。しかし、ＭＯは高価
な元素であるので、その添加量の上限は、実用的な見地
から１．０％とする。

Ｂは、前記したように、焼ならし時の焼入れ性を高め、
強度上昇の効果を有効に得るために、本発明鋼において
は、０．０００３％以上を添加することが必要である。

しかし、０．００２０％を越えて過剰に添加するときは
、焼ならし時にＢ化合物を生成し、焼入れ性を低下させ
ると同時に靭性をも劣化させる。従って、添加量の上限
は０．００２０％とする。

５ｏｌＡｌは、前記したように、Ｎを固定し、また、組
織を微細化して、靭性を高める効果を有するが、その含
有量が０．００５％よりも少ないときは、上記の効果が
なく、一方、含有量が０．１θ％を越えると、鋼塊表面
割れの原因となることから、その含有量は０．００５〜
０．１０％の範囲とする。

Ｎは、その含有量が０．００５％を越えるときは、ＢＮ
を生成しやすくなり、その結果、焼入れ性に有効なり量
が減少し、鋼板の焼入れ性が低下するので、含有量は０
．００５％以下とする。

前記ＰＣＭは、よく知られているように、溶接時の低温
割れ感受性を示す指標であり、溶接施工時の予熱温度を
より低くするためには、この値を極力低（抑える必要が
ある。予熱温度を約１００℃以下にしても割れを生じな
いようにするため、本発明による鋼板においては、ＰＣ
Ｍを０．２３％以下とする。

本発明による第２のボイラ・圧力容器用鋼板は、前記し
た元素に加えて、Ｔｉ、Ｎｂ５Ｖ及びＣａよりなる群か
ら選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有する。

Ｔｉは、１２００℃以上の高温域までＮの固定に有効で
あるが、その添加量がｏ、ｏｏｓ％よりも少ないときは
、かかる効果に乏しく、一方、０．０８％を越えて過多
に添加するときは、靭性を著しく損なう。従って、添加
量はｏ、　ｏ　ｏ　ｓ〜０．０８％の範囲とする。

Ｎｂ、Ｖは共に、結晶粒を微細化して強度を向上させる
のに有効であるが、それぞれ０．００５％未満ではその
効果が乏しく、一方、添加量がＮｂについて０．０８％
、■について０．１０％をそれぞれ越えるときは、靭性
及び溶接性を劣化させるのみならず、経済性の点からも
好ましくない、従って、その添加量は、Ｎｂについては
ｏ、ｏｏｓ〜０゜０８％、■については０．００５〜０
．１０％の範囲とする。

Ｃａは、靭性を改善し、また、溶接継手、ボンド部の靭
性を向上させ、更に、板厚方向の特性を改善する。かか
る効果を有効に発揮させるには、少なくとも０．０００
５％を添加することが必要である。しかし、０．０１０
％を越えて過多に添加するときは、非金属介在物の量が
増して、延性を低下させる。従って、本発明鋼において
は、その添加量を０．０００５〜０．０１０％の範囲と
すし、好ましくはｏ、ｏｏｏｓ〜０．００７０％の範囲
とする。

上記Ｔｉ、Ｎｂ５Ｖ及びＣａは、必要に応じて、単独に
て又は複合して添加されるが、第２の発明に従って、■
を添加する場合も、ＰｅＭを０．２３％以下に抑える必
要がある。

次に、本発明鋼においては、前記したように、Ｂと共に
Ｃｕ、Ｎｔ及びＣｒを複合添加することにより、焼なら
し後の鋼組織として一層ペイナイトを有しているが、本
発明鋼は、この焼ならし後の鋼組織に占めるベイナイト
の割合が２０〜８５％の範囲にあることが必要である。

このベイナイト量が２０％よりも少ない場合は、ベイナ
イトに基づく強度上昇の効果が殆どなく、実質的にＣ量
に応じた強度しか得ることができない。一方、ベイナイ
ト量が８５％を越える場合は、焼ならしままで高強度を
得ることはできるが、靭性が非常に低い、従って、焼な
らしままにて高強度高靭性を得るには、焼ならし後の組
織をベイナイト・フェライト又はベイナイト・フェライ
ト・パーライトとし、且つ、ベイナイトの割合を上記範
囲とする必要がある。

このように、焼ならし後の組織に占めるベイナイトの割
合を前記所定の範囲とするためには、Ｃｕ　ｓ　Ｎ　１
及びＣｒの添加量を前記したように規制すると共に、焼
入れ性を高めるＣ及びＭｎ量を規制することが必要であ
り、本発明においては、Ｃ＋０．１７Ｍｎ（但し、元素
記号は当該元素の重量％を示す。）を０．２８％以下と
する必要がある。

Ｃ＋０．１７Ｍｎが０．２８％を越えると、ｖＥｏが急
激に低下し、ｖＴｒｓも大幅に上昇する。後述するよう
に、Ｃ＋０．１７Ｍｎを０．２８％以下とすることによ
って、ｖＥｏを１０．０ｋｇｆ−ｍ以上、ｖＴｒｓを一
５℃以下とすることができ、従って、本発明においては
、Ｃ＋０．１７Ｍｎを０．２８％□以下とする。

本発明による鋼板を製造するには、常法に従い、本発明
による化学成分を有する鋼片を熱間圧延し、引続いて熱
処理を行なえばよい。尚、焼ならし時に加速冷却を実施
することにより、本発明鋼の特性を一層改善することが
できる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、鋼におけるＣ量を著し
く低減して、耐溶接割れ性を改善するのみならず、Ｂと
共にＣｕ、Ｎｉ及びＣｒを複合添加することによって、
低炭素含Ｂ鋼における焼ならしままの靭性を格段に改善
し、かくして、従来の比較的Ｃ量の多い鋼板と同等又は
それ以上にまで、強度、耐エロージヨン性、耐クリープ
特性を改善することができ、このようにして、従来にな
い新規なボイラ・圧力容器用鋼板を得ることができる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を挙げる。

実施例 第１表に本発明鋼Ａ−Ｄ及び比較鋼Ｅ−Ｈの化学成分、
Ｐｏ及びＣ＋０．１７Ｍｎを、また、第２表にこれらの
鋼板の熱処理条件、その引張特性、衝撃特性、溶接性及
び焼ならし後の組織におけるベイナイトの割合をそれぞ
れ示す。

本発明鋼はいずれも、比較鋼Ｅ及びＦに比べてＣ量を大
幅に低減しているために、ＰＣＸが著しく低く、そのた
めに、本発明鋼の斜めＹ形溶接割れ試験におけるルート
割れ防止予熱温度は、比較鋼Ｅ及びＦに比べて１００℃
以上も低くなっている。

また、本発明鋼では、焼ならしまま、又はＳＲ後のいず
れであっても、５０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上の引張強さが
得られると同時に、衝撃特性においても、０℃における
吸収エネルギーｖＥｏは１０．Ｏｋｇｆ・ｍ以上である
。

比較鋼Ｇ及びＨは低Ｃ含Ｂ鋼である。比較鋼Ｇは、引張
特性及び耐溶接割れ性の点ではすぐれるが、Ｃ＋０．１
７Ｍｎが０．２８％を越え、その結果として、焼ならし
後の組織におけるベイナイト量が８５％を越えるので、
高強度が得られるものの焼ならしままの状態におけるｖ
Ｅｏが１．９ｋｇｆ・ｍと極めて低い。

他方、比較鋼Ｈは、Ｎ量が高いためにＢの焼入れ性向上
効果が十分に発揮されず、強度が著しく劣る。

第１図にＣｕ０．０５〜０．１９％、Ｎｉ０．０５〜０
．４０％、Ｃｒ０．０５〜０．３９％、Ｃｒ　０．０５
〜０．３９％及び８３〜２０ｐｐｍを含有する板厚４０
〜８０ｍｍの鋼板のＣ＋０゜１７Ｍｎ及び焼ならし後の
組織に占めるベイナイトの割合と焼ならしままの衝撃特
性との関係を示す。Ｃ＋０．１７Ｍｎが０゜２８％を越
えるとき、ｖＥｏが急激に低下すると共に、ｖＴｒｓも
大幅に上昇することが認められるのに対して、本発明に
従って、Ｃ＋０．１７Ｍｎを０゜２８％以下とするとき
、ｖＥｏは１０．Ｏｋｇｆ−ｍ以上、ｖＴｒｓは０℃以
下である。

また、第２図に本発明鋼及び比較鋼の耐エロージヨン性
を示す。Ｂ　ｓ　Ｃｕ　−、Ｎ　を及びＣｒを含有しな
い比較鋼Ｈ（従来鋼）である高Ｃ鋼（Ｃ０，２７％）に
比較して、低Ｃ含Ｂ鋼であっても、Ｃｕ　−。

Ｎｉ及びＣｒを含有しない比較鋼は、耐エロージヨン性
が低下しているが、本発明鋼は、上記従来鋼Ｈよりすぐ
れた耐エロージヨン性を有している。

これは、本発明鋼においては、Ｃｕ％　Ｎ　１及びＣｒ
の複合添加によって、鋼目体の耐食性が向上しているこ
と、また、極低Ｃ化すると共に、組織の一部をベイナイ
ト化したので、結晶粒界での析出物が少なく、また、析
出する炭化物も結晶粒内に微細に生じているために、ミ
クロ的硬度が均一となって、局部的な腐食が起こり難い
ことによる。

更に、本発明鋼においては、Ｂ及び上記Ｃｕ。

Ｎｉ及びＣｒの複合添加による焼入れ性の向上のために
、全体として硬度が上昇していることも、耐エロージヨ
ン性の向上に寄与している。

尚、耐エロージヨン性試験は、それぞれ表面を研摩した
直径１０鶴の試験片の中心部に高圧で１、　　５０℃の
水を流速５ｍ／秒で５００時間衝突させた後、試験片の
腐食減電量を測定することにより行なった。

第３図に本発明鋼及び前記従来鋼の高温クリープ破断強
度を示す。横軸（Ｐ）はＬａｒｓｏｎ−Ｍｉｌ　ｌｅｒ
゛１ パラメータを示し、Ｔは試験温度（Ｋ）　、ｔは破断時
間（ｈ）である。本発明鋼の破断強度は、比較鋼のそれ
と比較して同等以上である。これは、本発明鋼によれば
、クリープ温度域において、ボイド発生の核となる結晶
粒界の炭化物の析出が少ないうえに、粒界と粒内の強度
差も小さいため、粒界に歪の集中が起こり難いことによ
るものである。

また、本発明鋼は、第２表に示したように、溶接施工後
に実施されるＳＲ後でも、高強度高靭性を有している。

このように、本発明鋼は、耐溶接割れ性、耐エロージヨ
ン性及び耐クリープ特性にすぐれ且つ、高強度高靭性を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼板のＣ＋０．１７Ｍｎ及び焼ならし後の組織
におけるベイナイトの割合と焼ならしままの衝撃特性と
の関係を示すグラフ、第２図は本発明鋼及び比較鋼の耐
エロージヨン性を示すグラフ、第３図は本発明鋼及び比
較鋼の高温クリープ破断強度を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で Ｃ０．０１〜０．１２％、 Ｓｉ０．０５〜１．０％、 Ｍｎ０．２０〜１．５０％、 Ｃｕ０．０５〜０．１９％、 Ｎｉ０．０５〜０．４０％、 Ｃｒ０．０５〜０．３９％、 Ｍｏ０．４５％を越える量であって、１．０％以下、 ｓｏｌＡｌ０．００５〜０．１０％、 Ｂ０．０００３〜０．００２．０％、 Ｎ０．００５％以下、 残部鉄及び不可避的不純物よりなり、 Ｃ＋０．１７Ｍｎ≦０．２８（％） を満足すると共に、 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／
   ２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ（％） で定義されるＰ＿Ｃ＿Ｍが０．２３％以下であり、且つ
   、焼ならし後の組織におけるベイナイトの割合が２０〜
   ８５％であることを特徴とするすぐれた耐溶接割れ性、
   耐エロージョン性及び耐クリープ特性を有する高強度高
   靭性焼ならし型低炭素ボイラ・圧力容器用鋼板。
2. （２）重量％で （ａ）Ｃ０．０１〜０．１２％、 Ｓｉ０．０５〜１．０％、 Ｍｎ０．２０〜１．５０％、 Ｃｕ０．０５〜０．１９％、 Ｎｉ０．０５〜０．４０％、 Ｃｒ０．０５〜０．３９％、 Ｍｏ０．４５％を越える量であって、１．０％以下、 ｓｏｌＡｌ０．００５〜０．１０％、 Ｂ０．０００３〜０．００２０％、 Ｎ０．００５％以下を含有すると共に、 （ｂ）Ｔｉ０．００５〜０．０８％、 Ｎｂ０．００５〜０．０８％、 Ｖ０．００５〜０．１０％及び Ｃａ０．０００５〜０．０１０％ よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有し
   、 残部鉄及び不可避的不純物よりなり、 Ｃ＋０．１７Ｍｎ≦０．２８（％） を満足すると共に、 Ｐ＿Ｃ＿Ｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／
   ２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ（％） で定義されるＰ＿Ｃ＿Ｍが０．２３％以下であり、且つ
   、焼ならし後の組織におけるベイナイトの割合が２０〜
   ８５％であることを特徴とするすぐれた耐溶接割れ性、
   耐エロージョン性及び耐クリープ特性を有する高強度高
   靭性焼ならし型低炭素ボイラ・圧力容器用鋼板。