JPWO2008149703A1

JPWO2008149703A1 - フェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JPWO2008149703A1
Application number: JP2009517797A
Authority: JP
Inventors: 平田　弘征; 弘征平田; 吉澤　満; 満吉澤; 小川　和博; 和博小川; 五十嵐　正晃; 正晃五十嵐
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: US20100086430A1; KR20090130334A; EP2157202A4; WO2008149703A1; JP5206676B2; EP2157202B1; CN101680065A; CN101680065B; EP2157202A1

Abstract

ＨＡＺの耐溶接割れ性とクリープ強度に優れるフェライト系耐熱鋼を提供する。質量％で、Ｓｉ：０．１％を超えて１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｏ：１〜８％、Ｃｒ：７〜１３％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．０９％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で０．５〜４％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０３％以下およびＮ：０．００３〜０．０６％を含有し、Ｃを下記（１）式を満足する量で含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０２％以下であることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。０．００５≦Ｃ≦（−５／３）×Ｂ＋０．０８５・・・（１）ここで、ＣおよびＢは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。さらに、Ｎｄ、Ｔａ、ＣａおよびＭｇのうちの１種または２種以上を含んでもよい。

Description

本発明は、火力発電ボイラなどの高温で使用される部材に用いられる、溶接熱影響部の高温強度と耐溶接割れ性に優れるフェライト系耐熱鋼に関する。

近年、火力発電においては熱効率を高めるために蒸気条件の高温高圧化が進められており、将来的には６５０℃、３５０気圧という超々臨界圧条件での操業が計画されている。フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であり、かつ、熱膨張係数が小さいという耐熱鋼としての利点を有するため広く利用されている。

フェライト系耐熱鋼については、将来的な蒸気条件の過酷化に対応すべく高強度化が図られている。例えば、特許文献１と特許文献２には、ＷとＭｏの含有量を最適化するとともに、ＣｏおよびＢを含有させることが提案されている。また、特許文献３にはＷとＭｏを添加することによって微細な金属間化合物相による強化を活用した鋼が提案されている。そして、特許文献４にはマルテンサイトラス界面に析出するＭ_２３Ｃ_６系炭化物や金属間化合物相を活用して、高強度化を図った鋼が提案されている。

しかしながら、これらフェライト系耐熱鋼を溶接構造物として使用する場合、例えば、非特許文献１に示されているように、溶接による熱サイクルを受けた溶接熱影響部（以下、ＨＡＺ）ではクリープ強度が大きく低下することがある。そのため、高強度化を図った鋼の利点を十分に活用できないという問題がある。そこで、鋼のみならず，溶接熱サイクルを受けたＨＡＺのクリープ強度の向上を目的とした鋼についても提案がなされている。

例えば、特許文献５には溶接入熱に対して安定なＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ系の窒化物を生成させることにより、特許文献６にはＷを添加するとともに（Ｎｂ、Ｔａ）炭窒化物を微細に析出させることにより、また、特許文献７と特許文献８にはＣｒ炭化物の生成を抑制し、微細なＶ、Ｎｂ等の炭窒化物の長時間安定性を高める等により、それぞれ、継手部の長時間クリープ強度を改善した鋼が開示されている。このように、炭窒化物を活用したＨＡＺの強度改善手法が種々提案されているものの、実用面からはさらなるＨＡＺ強度の向上が望まれている。

さらに、特許文献９には、Ｂを０．００３〜０．０３％含有させることにより、ＨＡＺでの細粒化を抑え、ＨＡＺでのクリープ強度を改善するという方法が提案されている。しかしながら、Ｂはこのような効果を有する元素であることが知られている一方、溶接に際しては、溶接金属の凝固割れやＨＡＺの液化割れ感受性を高める元素であることが広く知られている。そのため、ボイラ用主蒸気管や圧力容器など厚肉部材として使用される場合には、十分な溶接性（耐溶接割れ性）が得られないといった問題がある。

特開平４−３７１５５１号公報特開平４−３７１５５２号公報特開２００１−１５２２９３号公報特開２００２−２４１９０３号公報特開平８−８５８４８号公報特開平９−７１８４５号公報特開２００１−２７９３９１号公報特開２００２−６９５８８号公報特開２００４−３００５３２号公報 Science and Technologyof Welding and Joining, 1996, Vol.1, No.1, p.36〜42

このように、フェライト系耐熱鋼は、安価であることに加えて熱膨張係数が小さいという利点を有するため、蒸気条件の高温高圧化が進められている火力発電ボイラなどで溶接構造物として使用されることが期待されている。

そして、上述のとおり、さらに高温高圧条件でも使用することができるように、さらなる高強度化とともに溶接継手のＨＡＺのクリープ強度を改善するために、種々の提案がなされている。しかし、ＨＡＺの高強度化は未だ不十分であるだけでなく、溶接時の十分な耐溶接割れ性が得られていないという問題がある。

本発明は、このような状況に鑑み、ＨＡＺの耐溶接割れ性に優れるとともに、クリープ強度にも優れるフェライト系耐熱鋼を提供することを目的とする。

ＨＡＺのクリープ強度を向上させるためには、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂを所定の範囲に規制するとともに、Ｂを添加することが有効であることが明らかとなった。しかしながら、ＨＡＺを高強度化するのに必要な量のＢを添加した場合、ＨＡＺおよび溶接金属の割れ感受性が増大し、耐溶接割れ性に問題があることが明らかとなった。

そこで、ＨＡＺでのクリープ強度を改善し、かつ優れた溶接性を両立させるためには、次のとおり、ＣおよびＢの含有量の最適化によって、問題解決を図ることができることを見出した。本発明に係るフェライト系耐熱鋼では、ＨＡＺにおけるクリープ強度が汎用鋼の破断時間の３倍以上の破断時間、好ましくは５倍以上の破断時間であることを目標値とする。

調査検討を行った結果、Ｃｒ：７〜１３％、Ｃｏ：１〜８％、Ｖ：０．０５〜０．４％およびＮｂ：０．０１〜０．０９％の組成範囲を有するフェライト系鋼において、Ｂを含有させた場合、ＨＡＺが高強度化されることが確認された。

ＨＡＺでのクリープ強度が母材に比べて低下するのは、溶接熱サイクルによりＡｃ_１変態点からＡｃ_３変態点の間の温度に加熱されることによる細粒化が一因である。細粒化は元の組織であるフェライト相（焼き戻しマルテンサイト相）がこの温度域に加熱された場合、粒界にオーステナイト相が新たに核生成し、成長することによって生じる。Ｂは粒界に偏析しやすい元素であり、この温度域に加熱された場合、元のフェライト相の粒界に偏析して粒界のエネルギーを低減し、オーステナイト相の核生成を抑制、遅延させることにより細粒化を抑制する。その結果、ＨＡＺでのクリープ強度を改善するものと考えられた。

しかしながら、クリープ強度を改善する効果が得られる必要量以上のＢを含有させた場合、溶接金属の凝固割れおよびＨＡＺの液化割れ感受性が増大することがわかった。

これは、Ｂは粒界に偏析しやすい元素であると同時に融点を大きく低下させる元素であることが一因である。加えて、ＳおよびＰも、Ｂと同様に粒界偏析しやすく、かつ融点を大きく低下させる元素である。そのため、溶融線直近のＨＡＺでは、Ｂの粒界偏析にＰおよびＳの粒界偏析が重畳し、粒界溶融が生じ、熱応力もしくは、外部応力により開口し、液化割れを生じるものと考えられた。

溶接金属の凝固割れは、溶接材料の成分を調整することで防止は可能である。一方、ＨＡＺの液化割れは、使用する鋼の組成に係わる課題であり、実用に際しては大きな制約となる。このような問題点を踏まえ、ＨＡＺの液化割れの防止を可能とし、かつＨＡＺを高強度化しうる要件を鋭意調査した。

検討を繰り返した結果、Ｃの含有量を所定の範囲に規定した場合にのみ、液化割れの防止が可能になるとの新たな知見が得られた。そして、この理由は、次のように考えられた。

すなわち、ＣはＢと同じく、融点低下元素として作用し、上述のＢによる融点低下作用に重畳し、ＨＡＺの液化割れ感受性を高める。そのため、Ｂの含有量に応じてＣの含有量を低減することにより、融点の低下を軽減することが可能となると考えられた。そして、本発明の基本合金成分であるＣｒ：７〜１３％、Ｃｏ：１〜８％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．０９％の範囲における凝固脆性温度範囲（BTR）を実用上液化割れを十分に防止しうる１００℃以下に縮小させるＣの含有量（％）の上限が、熱力学的理論計算から（−５／３）×[％Ｂ]＋０．０８５であると特定することができた。ここで、［％Ｂ］は鋼中のＢの含有量（質量％）を表す（以下同じ）。

加えて、Ｃはその相互作用により、硫化物や隣化物の生成自由エネルギーに影響を与える。すなわち、高温ではＣの含有量の増加とともにＣｒやＮｄ等の硫化物もしくは燐化物の溶解度が減少し、さらにＣの含有量が増加するとこれらの溶解度が再び増加する傾向を有する。硫化物や燐化物の溶解度が増加した場合、溶接等の熱影響により粒界に偏析するＳやＰの量が増え、液化割れの感受性が高まる。そのため、Ｃ量を減じた本発明範囲のＣ含有量の場合、硫化物や燐化物の溶解度が小さくなり安定な化合物が形成される。それに伴い粒界におけるＳおよびＰが減少し、融点低下抑制との相乗作用により、ＨＡＺの液化割れが防止されるものと考えられた。

さらに、Ｂを含有させた上でＣの含有量を低減させた場合には、液化割れ防止が可能となるばかりか、Ｂのみを含有させた場合に比べて、ＨＡＺのクリープ強度がより向上するとの新たな知見を得た。

これは、Ｃの含有量を所定の範囲に低減した場合、粒界に存在する炭化物が減少する。そのため、Ａｃ_１変態点からＡｃ_３変態点の間の温度に加熱されて、粒界にオーステナイト相が核生成した場合でもピニング効果が小さいため、結晶粒が容易に粗大化しやすい。その結果、Ｂ含有による核生成抑制との重畳効果により、ＨＡＺでの細粒化抑制効果が大きくなる。さらには、フェライト鋼の強化に寄与する粒内のＶやＮｂの微細炭窒化物の成長速度が抑えられることにより、Ｂのみを含有させた場合に比べ、クリープ強度の強化代が大きくなることによると考えられた。

しかしながら、極端にＣの含有量を低減した場合には、粒内強化に寄与するＶやＮｂの微細炭窒化物の生成量が少なく、十分にその強化効果が得られなくなるため強度改善効果が小さくなると考えられた。したがって、Ｃの含有量の下限は０．００５％以上とした。

これらの検討の結果から、ＨＡＺの液化割れの防止を可能とし、かつＨＡＺのクリープ強度を改善しうるためには、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、かつ、０．００５≦Ｃ≦（−５／３）×[％Ｂ]＋０．０８５の条件を満たすことが必要であることが判った。

本発明は、これらの新たな知見に基づいて完成したものであり、本発明に係るフェライト系耐熱鋼の要旨は、次の(1)〜(3)に示すとおりである。以下、それぞれ、本発明(1)〜(4)という。これらを総称して、本発明ということがある。

(1) 質量％で、Ｓｉ：０．１％を超えて１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｏ：１〜８％、Ｃｒ：７〜１３％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．０９％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で０．５〜４％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０３％以下およびＮ：０．００３〜０．０６％を含有し、Ｃを下記（１）式を満足する量で含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０２％以下であることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
０．００５≦Ｃ≦（−５／３）×Ｂ＋０．０８５・・・・・（１）
ここで、ＣおよびＢは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。

(2) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｄ：０．０８％以下を含むことを特徴とする、上記(1)の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

(3) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｔａ：０．０８％以下を含むことを特徴とする、上記(1)または(2)の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

(4) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下およびＭｇ：０．０２％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

本発明に係るフェライト系耐熱鋼は、ＨＡＺの耐溶接割れ性に優れるとともに、優れたＨＡＺのクリープ強度を有する。

次に、本発明鋼の限定理由について述べる。なお、％表示は、質量％を表す。

Ｃ：０．００５％以上、かつ、{（−５／３）×[％Ｂ]＋０．０８５}％以下
ＣはＢとともに本発明における重要な元素である。Ｃは炭化物を形成し、高温強度の確保に寄与するとともにマルテンサイト組織を得るのに有効な元素であるため、必須の元素である。しかしながら、粒界に偏析すると、ＢやＳ、Ｐと重畳して粒界の融点低下を促し、かつ粗粒ＨＡＺの硫化物や隣化物の生成に間接的に関与して液化割れ感受性に影響をあたえる。また、Ｃの含有量を低減すると、細粒ＨＡＺにおいて、変態時の結晶粒の粗大化促進および微細炭化物の成長抑制の効果によりクリープ強度改善効果を有する。Ｃそのものによる粒界の融点低下を抑制し、かつ粗粒ＨＡＺで安定した硫化物および燐化物を形成させ、Ｓ、Ｐの粒界偏析に起因した融点低下を軽減して液化割れを防止するとともに、細粒ＨＡＺのクリープ強度を改善するためには、後述するとおり、Ｂの含有量を特定の範囲に規定するとともに、Ｃを０．００５％以上、かつ、{（−５／３）×[％Ｂ]＋０．０８５}％以下とする必要がある。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０１０％である。

Ｓｉ：０．１％を超えて１．０％以下
Ｓｉは脱酸剤として０．１％超えで含有させるが、過剰に含有させるとクリープ延性および靭性の低下を招くため、上限を１．０％とする。望ましくは、０．８％以下である。より望ましくは、０．２％を超えて０．７％以下である。

Ｍｎ：２．０％以下
ＭｎはＳｉと同様に、脱酸剤として含有させるが、過剰に含有させた場合、クリープ脆化および靭性の低下を招く。そのため、２．０％以下とする。望ましくは、１．８％以下である。しかしながら、過度の低減は、十分な脱酸効果が得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの増大を招く。このため、特に下限は設けないが、Ｍｎは０．０１％以上含有させることが望ましい。

Ｃｏ：１〜８％
Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、マトリックスのマルテンサイト化に必要な元素である。その効果を得るためには１％以上含有させる必要がある。しかし、８％を超えて含有させるとクリープ延性の著しい低下を招く。なお、望ましくは２％を超えて７％以下である。

Ｃｒ：７〜１３％
Ｃｒは、耐熱鋼において耐酸化性および耐高温腐食性を確保するとともにマトリックスのマルテンサイト組織を安定して得るために、必須の元素である。その効果を得るためには、７％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させると、多量のＣｒ炭化物の生成により炭化物の安定性を低下させ、クリープ強度の低下を招くとともに、靭性も劣化する、そのため、Ｃｒの含有量は１３％以下とする必要がある。望ましくは、８〜１２％である。さらに望ましくは８〜１０％である。

Ｖ：０．０５〜０．４％
Ｖは、Ｎｂとともに粒内に微細な炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を得るためには、少なくとも０．０５％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させた場合、炭窒化物の成長速度の増大を招き、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、Ｖの含有量は０．４％以下とする必要がある。望ましくは、０．１０〜０．３５％である。

Ｎｂ：０．０１〜０．０９％
Ｎｂは、Ｖとともに粒内に高温まで安定な微細炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を得るためには、少なくとも０．０１％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させた場合、炭窒化物の成長速度の増大を招き、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、Ｎｂの含有量は０．０９％以下とする必要がある。

ＭｏおよびＷの一方又は両方：０．５〜４％（合計で）
ＭｏおよびＷはマトリックスを固溶強化し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を得るためには、ＭｏおよびＷの一方又は両方を、合計で０．５％以上含有させることが必要である。しかし、４％を超えて過剰に含有させると、粗大な金属間化合物を生成し、靭性の極端な低下を招く。なお、Ｗを単独で含有させる場合には、Ｗの含有量の下限は１％とすることが好ましい。

Ｂ：０．００５〜０．０２５％
Ｂは、Ｃとともに本発明における重要な元素である。Ｂは、ＨＡＺにおいて粒界に偏析して粒界エネルギーを下げることにより、オーステナイト相の核生成を遅延させ、細粒化を抑制する。その効果を十分に得るためには少なくとも、０．００５％以上含有させることが必要である。しかしながら、粗粒ＨＡＺにおいては、粒界偏析したＢは粒界の融点低下を促し、ＳおよびＰの偏析と重畳して、液化割れを発生させる。これを防止するためには、Ｃを前述の範囲に規定する必要がある。しかし、Ｂの含有量が０．０２５％を超えると、ＨＡＺのクリープ強度の改善効果が飽和するとともに、Ｃの含有量を前述の範囲に規定しても液化割れを防止することができない。なお、Ｂの含有量の下限は０．００７％以上が望ましい。さらに望ましい範囲は、０．０１％を超えて０．０２％以下である。

Ｎ：０．００３〜０．０６％
Ｎは、ＶやＮｂを含む微細な炭窒化物を形成し、クリープ強度の確保に有効な元素である。その効果を得るためには０．００３％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させると炭窒化物の析出量の増大を招き、脆化の原因となる。そのため、Ｎの含有量の上限を０．０６％とする。

Ａｌ：０．０３％以下
Ａｌは、脱酸剤として含有させるが、過剰に含有させるとクリープ延性および靭性の低下を招くため、上限を０．０３％とする。望ましくは、０．０２％以下である。しかしながら、過度の低減は、十分な脱酸効果が得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの増大を招く。このため、特に下限は設けないが、Ａｌは０．００１％以上含有させることが望ましい。

Ｏ：０．０２％以下
Ｏは不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、多量の酸化物を生成し、加工性や延性を劣化させる。そのため、Ｏの含有量を０．０２％以下とする必要がある。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物として含まれるが、ＳおよびＢとともに粗粒ＨＡＺにおいて粒界に偏析し、融点を低下させ液化割れを招く。それを防止するためには、Ｃ、Ｎｂ、ＳおよびＢを所定の範囲に規定するとともに、Ｐの含有量を０．０３％以下とする必要がある。

Ｓ：０．０２％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として含まれ、粗粒ＨＡＺにおいて粒界に偏析し、融点を低下させ液化割れを招く。それを防止するためには、Ｃ、Ｎｂ、ＳおよびＰを所定の範囲に規定するとともに、Ｓの含有量を０．０２％以下とする必要がある。

本発明鋼は、必要に応じて、次に示す元素を所定量だけ含有させることができる。

Ｎｄ：０．０８％以下
Ｎｄは、ＰやＳとの親和力が強く、粗粒ＨＡＺの粒界において、ＳやＰとの間で化合物を形成することにより、ＳやＰによる融点低下を抑制し、ＨＡＺの液化割れを防止するとともに、ＳやＰによる高温での使用中の粒界脆化を軽減してＨＡＺのクリープ延性を改善するのに有効であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、酸素との親和力が強いため、過剰に含有させた場合には、余分な酸化物を生成して、ＨＡＺの靭性低下を招くため、上限は０．０８％とする。望ましい上限は０．０６％である。なお、Ｎｄを含有させることによる上記の効果を確実に得るためには、Ｎｄを０．００５％以上含有させることが望ましい。より望ましくは０．０１５％以上含有させることである。

Ｔａ：０．０８％以下
Ｔａは、ＶやＮｂと同様に、高温まで安定な微細炭化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与するため、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、過剰に含有させた場合、炭化物の成長速度の増大を招くので、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、上限は０．０８％以下とする。なお、Ｔａ含有による上記の効果を得るためには、０．００５％以上含有させることが望ましい。

Ｃａ：０．０２％以下
Ｃａは、鋼の熱間加工性を向上させる元素であり、熱間加工性を向上させる必要がある場合には、含有させることができる。しかしながら、その含有量が０．０２％を超えると、介在物の粗大化を招いて逆に加工性や靭性を損なうことから、その上限は０．０２％とする。なお、Ｃａ含有による上記の効果を得るためには、０．０００３％以上含有させることが望ましい。なお、Ｃａの含有量のより望ましい範囲は、０．００１〜０．０１％である。

Ｍｇ：０．０２％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様に、鋼の熱間加工性を向上させる元素であり、熱間加工性を向上させる必要がある場合には、Ｃａとともに又はＭｇを単独で、含有させることができる。しかしながら、その含有量が０．０２％を超えると、介在物の粗大化を招いて逆に加工性や靭性を損なうことから、その上限は０．０２％とする。なお、Ｍｇ含有による上記の効果を得るためには、０．０００３％以上含有させることが望ましい。なお、Ｃａの含有量のより望ましい範囲は、０．００１〜０．０１％である。

表１に示す化学組成を有する１６種類の鋼を、真空溶解炉により溶製し、鋳造および圧延をした後、１１５０℃で１時間保持後に空冷の焼きならしと、７７０℃で１．５時間保持後に空冷の焼きもどしの熱処理を行った。なお、代符１３は汎用鋼である火ＳＵＳ４１０Ｊ３ＴＢに相当する鋼であり，クリープ強度に関する比較鋼として使用した。機械加工により、板厚１２mm、幅５０mmおよび長さ３００mmの鋼板ならびに板厚１０mm、幅１００〜１２０mmおよび長さ３００〜５００mmの鋼板を作製した。板厚１２mmの鋼板はロンジバレストレイン試験に供し、ＨＡＺの液化割れ感受性を評価した。

ロンジバレストレイン試験とは、図１に模式的に示すように、ＧＴＡ溶接により鋼板の長手方向にビードオンプレート溶接を行い、その溶接中に端部に力Ｆを負荷して曲げによる歪を付加し、強制的にＨＡＺに割れを発生させ、その合計長さを測定することによって、ＨＡＺの液化割れ感受性を評価する方法である。溶接条件は２００Ａ×１５Ｖ×１０cm／min、付加歪量は４％とし、ＨＡＺに液化割れが発生しなかったものを合格とした。

ＨＡＺに液化割れが生じなかった鋼種について、１０mm厚さの鋼板から、板厚１０mm、幅１０mmおよび長さ１００mmの試験材を採取し、ＨＡＺの強度低下の特に顕著な温度である１０００℃に５秒間加熱するＨＡＺ再現溶接熱サイクルを付与した。その後、試験材に７４０℃×３０分、空冷の溶接後熱処理を実施し、クリープ試験片を採取し、温度６５０℃、応力１１７．７MPaの条件にてクリープ試験を実施した。

表２に、ロンジバレストレイン試験における溶接割れ長さ(mm)およびクリープ試験における破断時間(hr)を示す。

表２より明らかなように、ＣおよびＢの含有量が本発明の規定範囲および（１）式を満足している代符３〜６、９〜１１、１４および１５の材料は、ロンジバレストレイン試験のような厳しい割れ試験においてもＨＡＺの液化割れが生じることがなく、また、ＨＡＺのクリープ破断時間が代符１３の破断時間の３倍以上となっていた。特に、代符３〜５、９、１１、１４および１５の材料は、ＨＡＺのクリープ破断時間が代符１３の破断時間の５倍以上となっていた。

しかしながら、Ｂの含有量は本発明の規定範囲内にあるが、Ｃの含有量が（１）式の上限を超える代符１、２および１６の材料では、粗粒ＨＡＺの粒界の融点低下が著しく、ロンジバレストレイン試験においてＨＡＺに液化割れが生じた。

これに対して、代符７、８および１２の材料は、ロンジバレストレイン試験においてＨＡＺに液化割れが生じなかったものの、いずれも、ＨＡＺのクリープ破断時間が目標値を満足しなかった。

すなわち、Ｂの含有量は本発明の規定範囲内にあるが、Ｃの含有量が（１）式の下限に満たない代符１２は、ＨＡＺのクリープ破断時間が目標値を満足しなかった。一方、Ｂの含有量が本発明の規定範囲に満たない代符８の材料は、Ｃの含有量は（１）式を満足しているものの、ＨＡＺのクリープ破断時間が目標値を満足しなかった。また、Ｂの含有量が本発明の範囲に満たないことに加えて、Ｃの含有量が（１）式の上限を超える代符７の材料は、ＨＡＺのクリープ破断時間が代符８に比べてさらに低かった。

以上の結果より、本発明範囲を満たす化学成分を有する材料は、ＨＡＺにおける優れた耐液化割れ性ならびにクリープ強度を有することがわかる。

本発明に係るフェライト系耐熱鋼は、ＨＡＺの耐溶接割れ性とクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼を提供するので、蒸気条件の高温高圧化が進められている火力発電ボイラなどで溶接構造物として使用することができる。

ロンジバレストレイン試験方法を示す。

(1) 質量％で、Ｓｉ：０．１％を超えて１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｏ：１〜８％、Ｃｒ：７〜１３％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．０９％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で０．５〜４％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｎ：０．００３〜０．０６％およびＮｄ：０．００５〜０．０８％を含有し、Ｃを下記（１）式を満足する量で含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０２％以下であることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
０．００５≦Ｃ≦（−５／３）×Ｂ＋０．０８５・・・・・（１）
ここで、ＣおよびＢは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。

(2) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｔａ：０．０８％以下を含むことを特徴とする、上記(1)の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

(3) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下およびＭｇ：０．０２％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。

Claims

質量％で、Ｓｉ：０．１％を超えて１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｏ：１〜８％、Ｃｒ：７〜１３％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．０９％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で０．５〜４％、Ｂ：０．００５〜０．０２５％、Ａｌ：０．０３％以下およびＮ：０．００３〜０．０６％を含有し、Ｃを下記（１）式を満足する量で含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０３％以下およびＳ：０．０２％以下であることを特徴とする高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
０．００５≦Ｃ≦（−５／３）×Ｂ＋０．０８５・・・・・（１）
ここで、ＣおよびＢは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｄ：０．０８％以下を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｔａ：０．０８％以下を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下およびＭｇ：０．０２％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼。