JPS62297435A - 溶接性を改善せる高強度フエライト系ボイラ鋼管用鋼 - 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】 ３、発明の詳細な説明 （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および溶接
性を改良した靭性のすぐれたフェライト系Ｃｒ含有ボイ
ラ綱管用鋼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
定着してきたが、５５０℃を超すとその材料を選択する
に当たり、耐酸化性、高温強度の点からフェライト系の
２％Ｃｒ−ｌＭｏ１から１８−８ステンレス鋼のごとき
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。

（発明が解決しようとする問題点） 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。

したが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　％Ｃｒ　　Ｉ　Ｍｏｐ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Ｃｒｉが中間の５Ｃｒ、　　９Ｃｒ、　　
１２Ｃｒ等のボイラ鋼管は強度を高めるとその溶接性が
悪化するため、研究はかなり行われたが、ボイラの施工
上、作業能率を著しく低下させるために実用化されにく
いのが実情である。

このような観点から２’ＡＣｒ−ＩＭｏ鋼とオーステナ
イト鋼の中間の強度を有し、尚且つ溶接性が優れた経済
的鋼の出現が望まれていた。

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土
建る新しい鋼種を開発し、（イ）特公昭５６−３４６２
８号公報、（０）特開昭５９−１５３８６５号公報、或
いは（ハ）特開昭６０−２１５７４６号公報により提案
を行なっている。これらの内、（イ）の鋼は■。

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、（
０）の鋼はさらにＳ量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
保った鋼である。また（ハ）の鋼はＳ量の制限による靭
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
った綱である。

これら（イ）〜（ハ）のいずれの鋼も６００℃において
の長時間使用に耐えるすぐれた鋼である。

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顧繁に行われることが
予想されており、その際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のぞまれてい
る。

一層クリープ強度の向上にＷ添加が有効なことが特公昭
５８−１７８２０号公報において開示されている。

しかしこの鋼においてはＷの最適な範囲についての提案
が行われているものではない上にＮｂ添加についての配
慮もなされていない。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは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ためにＭ
ｏ、　Ｗ、　Ｎｂの複合添加が有効であり、且つＭｏ、
　Ｗ、　Ｎｂには最適添加量があって、ＭｏとＷ量の関
係及びＮｂ量を明らかにすることによって著しくクリー
プ破断強度のすぐれた鋼を開発することに成功したもの
である。

本発明の成分範囲を示せば第１表の如くである。

次いで本発明畑に含まれる各成分の限定理由について述
べるとＣは強度の保持に必要であるが、溶接性の点から
上限を０．１２％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、かなり高温の予熱を必要とし、ひ
いては溶接作業性が著しく損われる。しかるにＣを０．
１２％以下に保てば溶接熱影響部の最高硬さが低下し、
溶接割れの防止を行いうるので上限を０．１２％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。

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すと靭性の点
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、Ｍ２３Ｃ６，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、下限はその析出硬化が顕著に認められる８％とし、
上限は溶接性及び靭性の点から１３％とした。

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
れた場合溶接性を損なうので、溶接性の低下の少ない添
加範囲として０．４５％未満とした。

ＷもＭｏと同様に固溶体強化および炭化物中に固溶して
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、とくに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
損うので、溶接性の低下の少ない添加範囲として上限を
２．１％とした。

一方０．４５％未満のＭｏとの共存において効果を発揮
するのは１．０％以上からであるので下限を１．０％と
定めた。

■はＭｏ同様素地に固溶しても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Ｖ２Ｏ３としての他Ｍ　ｚｙ　Ｃ６
゜Ｍ、Ｃ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’ｌｌｌ：前後でＳＵ
Ｓ　３０４ステンレス鋼を超す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、３
０％を超すと却って強度低下を生ずるので上限を０．３
０％、下限を０．０５％とした。好ましい範囲は０．１
５〜０．２５％である。

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＊３Ｃｈ、ＭｈＣ
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％を超す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。

なおＶ＋Ｎｂｌ−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％を超すと熱間加工性
、溶接性を損うので上限を０．００８％、下限を０．０
０１％とした。

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が、０
．００５％未満では急激に強度が低下すること、また０
、１０％を超す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０．００８％とした。なお、０．０２〜０．
０７％の範囲が好ましい。

Ｓｉ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。そこで靭性におよ
ぼす影響を調べたところ、０．２５％以下に抑えると靭
性が向上することが分った。なお、好ましい範囲は０．
０９５％以下である。

次にＭｏとＷの関係を第１図について述べる。門〇と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、第１
図のＡＢＣＤＥＦで囲まれる範囲でなければならないこ
とが分った。すなわち直線ＡＢはクリープ破断強度の観
点からの下′　　限界線であって、Ｗが１．０％の線で
あり、これ未満ではクリープ強度向上効果が大きくない
。また直線ＥＦおよび直線ＡＦは溶接性、靭性等の観点
からの上限界線である。直線ＥＦは（Ｍｏ＋Ｗ）＝２．
４９％の線であり、直線ＡＦはＭｏが０．４５％の線で
あり、これを超えると溶接性、靭性いずれかまたはすべ
ての劣化が目立つ。さらに、直線ＣＤおよび直線ＤＥは
クリープ強度と溶接性、靭性の兼ね合いの観点からの制
限界線であり、直線ＣＤより右側でかつ直線ＤＢより下
方の位置では、クリープ強度の向上が少ない割りに溶接
性が低下する。即ち、直線ＣＤを境にクリープ強度は余
り変わらずに溶接性が劣化し、直線ＤＥを境に溶接性は
殆んど変らずにクリープ強度が低下する。この直線ＣＤ
はＷが１．７９％であり直線ＤＥは河０が０．４１％で
ある。

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 第２表に供試鋼の科学組成、６００℃、２０ｋｇ／　＋
ｎ　”の応力でのクリープ破断時間、破断伸び、溶接性
を表わすｙ型拘束割れ試験における割れ防止のための予
熱温度、６００℃、３０００時間時効後の衝撃値、常温
の引張り特性を示す。

第２表に示すもののうちｌｈ４，６，７．１０゜１１．
１７，１８，１９．２０＠は本発明鋼であり、その他は
比較鋼である。

阻２鋼は通常低合金耐熱鋼として使用されている２Ｉ／
４Ｃｒ−ＩＭｏ鋼であり、患１鋼は更に耐高温耐食性を
向上させたボイラ熱交換器用合金鋼鋼管であるが、クリ
ープ破断強度が低い。また、嵐３は現在ドイツを中心に
ヨーロッパで石炭専焼ボイラの過熱器管、再熱器管に使
用されている鋼種であるが、Ｃ量が本発明鋼に比べ高い
ので溶接性１、加工性に難点がある。

隘５鋼はｗｌがその下限を切るものであって十分なりリ
ープ破断強度が確保できない。阻９鋼はＷがその上限を
超えるものであって、溶接性が低下している。

ＮＣＬ８，１２Ｍはｗｌ、Ｍｏ１Ｊともそれぞれの上下
限内に入っているものの第１図のＡＢＣＤＥＦの外側に
位置するものであって、そのう装置１２鋼は第１図ＣＤ
線の上方に位置するものであって、溶接性が低下してい
る。また、黒８鋼は第１図ＣＤ線より右側でかつＤＥ線
の下方に位置するものであって、クリープ破断強度の割
には溶接性が悪い。

１ｈ１３．１４ｉはＭｏ量が上限を超えるものであって
、溶接性が低下している。さらに、隘１５゜１６鋼はＣ
ｉがその下限を切るかまたは上限を超えるものであって
、下限を切る障１５鋼はクリープ破断強度が余り高くな
いうえに時効後の衝撃値が著しく低い。上限を超えるｌ
ｋ１６ｍは溶接性が著しく悪い。

これに対して本発明鋼は、既存のフェライト系耐熱鋼で
ある比較鋼隘３鋼、市販の２％Ｃｒ　　ＩＭ。

鋼である比較鋼１Ｉｈ２鋼および市販の９　Ｃｒ　−Ｉ
　ＭＯＥのＮａ１１ｉｉｌより、はるかに高いクリープ
破断強度を有して、同一温度であれば高応力レベルとな
り、ボイラ鋼管の薄肉化が可能となり、溶接性も、既存
のフェライト系耐熱鋼である比較鋼１１ｈ３鋼より著し
く改善され、すぐれた溶接加工性を有する。

また、靭性は６００℃、３０００時間時効後時効後値で
、既存のフェライト系耐熱鋼の嵐３とほぼ同一レベルに
あり、ボイラ鋼管として実質的に全く問題ない。

なお、患１７，１８．１９鋼は、不純物としてそれぞれ
、０．２０％Ｎｉ、０．２１％Ｃｏ、０．１５％Ｎｔ＋
０．１５％Ｃｏを含有している鋼であるが、他の発明鋼
と比べて特性上遜色はない。

（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くら
べ、装置の高温化、高圧化に対応できる高温強度の増大
を達成した鋼であり、溶接性、靭性等実用上の特性もす
ぐれており、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】

第１図は本発明におけるＭｏとＷとの関係を示す図であ
る。 鴫　　　　　　　　　　　　（ ミ　　　　　　　も （ｏ／ａつ　　ＯシＶ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量でＣ０．０３〜０．１２％、Ｍｎ０．１〜１
   ．５％、Ｃｒ８．０〜１３．０％、Ｍｏ０．４５％未満
   、Ｗ１．０〜２．１％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ
   ０．０２〜０．１２％、Ｎ０．００５〜０．１０％を含
   有し、Ｓｉ０．２５％以下に制限し、さらにＭｏとＷ量
   の関係が下記の座標点を占める第１図ＡＢＣＤＥＦ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
   ることを特徴とする溶接性を改善せる高強度フェライト
   系ボイラ鋼管用鋼。 Ｍｏ％Ｗ％ Ａ（０．４５、１．００） Ｂ（０、１．００） Ｃ（０、１．７９） Ｄ（０．４１、１．７９） Ｅ（０．４１、２．０８） Ｆ（０．４５、２．０４）
2. （２）重量でＣ０．０３〜０．１２％、Ｍｎ０．１〜１
   ．５％、Ｃｒ８．０〜１３．０％、Ｍｏ０．４５％未満
   、Ｗ１．０〜２．１％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ
   ０．０２〜０．１２％、Ｂ０．００１〜０．００８％、
   Ｎ０．００５〜０．１０％を含有し、Ｓｉ０．２５％以
   下に制限し、さらにＭｏとＷ量の関係が下記の座標点を
   占める第１図ＡＢＣＤＥＦ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ことを特徴とする溶接
   性を改善せる高強度フェライト系ボイラ鋼管用鋼。 Ｍｏ％Ｗ％ Ａ（０．４５、１．００） Ｂ（０、１．００） Ｃ（０、１．７９） Ｄ（０．４１、１．７９） Ｅ（０．４１、２．０８） Ｆ（０．４５、２．０４）