JP2559218B2

JP2559218B2 - 高強度フエライト系耐熱鋼管用鋼

Info

Publication number: JP2559218B2
Application number: JP61139036A
Authority: JP
Inventors: 勝邦橋本; 瑞夫 ▲榊▼原; 利夫藤田; 靖男乙黒; 弘毅桝本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-06-14
Filing date: 1986-06-14
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPS62297436A

Description

【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管用鋼に関するも
のであり、さらに詳しくは高温におけるクリープ特性を
改良した溶接性、靭性のすぐれたフェライト系Cr含有耐
熱鋼管用鋼に係わるものである。

（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 1/4Cr−1Mo鋼から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。

そして、これまでの高強度フェライト系鋼の研究は2
1/4Cr−1Mo鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の中間的
強度を有し、かつ溶接性の良い高クロム鋼の開発が主流
であった。

ところで、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイ
ト系ステンレス鋼に比べて、熱膨張係数が小さく温度変
動による発生熱応力が小さいことや、水蒸気酸化スケー
ルの耐剥離性がよいなど優れた点が多い。

今後ボイラの蒸気温度の一層の上昇と電力需要の変動
に対応したボイラの起動停止が頻繁におこなわれること
が予想され、オーステナイト系ステンレス鋼と同等ない
しはそれ以上のクリープ強度を有し、かつ経済的なフェ
ライト系鋼の開発は産業界の夢である。

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
上廻る新しい鋼種を開発し、（イ）特公昭56−34628号
公報、（ロ）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V,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、（ロ）の鋼はさらにSi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Si
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鋼であ
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頻繁に行われること
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。

一方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。

また、特開昭61−69948号公報には、本発明の第１図
に示した範囲より低Ｗ側に最適範囲を示した高強度フェ
ライト系耐熱鋼が記載されているが、常温での引張強度
のバラツキが10kgf/mm²以上と大きく、装置設計上問題
があった。

（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し、かつ装置
の安全性向上のため常温での引張強度のバラツキを小さ
くするためにMo,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。

次いで本発明鋼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、耐酸化性を損う。特に1.5％以上の高
Ｗ範囲では溶接性が著しく低下することから上限を1.0
％とした。一方Ｗとの共存においてクリープ破断強度の
向上に効果があるのは0.5％超からであるので下限を0.5
％超と定めた。

ＷもMo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
い、特に3.0％を超えると溶接性が著しく低下すること
から、上限を3.0％とした。一方Moとの共存においてク
リープ強度向上により効果があるのは1.5％超からであ
るので下限を1.5％と定めた。

Ｖ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V₄C₃としての他M₂₃C₆,M₆C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
℃前後でSUS 347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0.30
％を超すと却って強度低下を生ずるので上限を0.30％、
下限を0.05％とした。

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M₂₃C₆,M₆C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＋Nb量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0.001％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
0.005％とした。なお、好ましい範囲は0.02〜0.07％の
範囲である。

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。Mo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ABCD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および直線BCはクリープ破断強度の
観点からの下限界線であって、直線ABは（Mo＋Ｗ）＝2.
51％の線であり、直線BCはMoが0.50％の線である。これ
ら未満ではクリープ強度向上効果が大きくない。また、
直線CDおよび直線ADはいずれも溶接性、靭性、耐酸化性
等の観点からの上限界線であって、直線CDは（Mo＋1/2
W）＝2.0％の線であり、さらに直線ADはMoが1.0％の線
である。これらを超えると溶接性、靭性、耐酸化性のい
ずれかまたはすべての劣化が著しい。ここでMoとＷの関
係において、クリープ強度に関してはMoとＷはその効果
がほぼ等価であり、溶接性、靭性、耐酸化性等に関して
はＷはその悪影響がMoの約半分であることから、直線AB
はMo＋Ｗで、また直線CDはMo＋1/2Wで整理出来る。

以上が本発明の基本成分であるが、本発明においては
さらに靭性向上の目的でNiとCoの１種又は２種を合計0.
1〜1.0％含有させることができる。すなわちNiとCoはそ
れぞれオーステナイト生成元素であって多量に発生する
と靭性の点で好ましくないδフェライト量を抑制するた
めに１種又は２種添加される。またNi,Coの添加によっ
て前記組織的変化が期待される以外にも元素自体の添加
効果として靭性改善が期待される。その量は１種又は２
種の合計が0.1％未満では効果がなく、また１％を超す
と常温強度の上昇が顕著で加工性に悪影響があるので上
限を1.0％、下限を0.1％とした。

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表に供試鋼の化学組成、650℃、15kg/mm²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
℃、5000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No.9,10,11,12,13,15,16,17,
20,25,26,27,28,29鋼は本発明鋼であり、その他は比較
鋼である。

No.2鋼は通常低合金耐熱鋼として使用されている2 1/
4Cr−1Mo鋼であり、No.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、No.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量が本発明鋼にくらべ高く、溶
接性、加工性に難点がある。

No.4鋼はＷ量がその下限を切るものであって十分なク
リープ破断強度が確保できない。No.5,6,7鋼はMo量がそ
の下限を切るものであって十分なクリープ破断強度が確
保できない。

No.19鋼はＷ量がその上限を超えるもので、時効後の
衝撃値が低いうえに溶接性も低下している。No.21,22鋼
はMo量がその上限を超えるもので、時効後の衝撃値が低
いうえに溶接性も低下している。

No.8,14,18鋼はＷ量、Mo量ともそれぞれの上下限内に
入っているものの第１図のABCDの外部に位置するもので
あって、そのうちNo.8,14鋼は第１図AB線の上方に位置
するものであってW,Mo量が少なく、クリープ破断強度が
十分でなく、また、No.18鋼はCD線の上方に位置するも
のであってW,Mo量が多く時効後の衝撃値が低いうえに溶
接性も低下している。

No.23,24鋼はＣ量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No.23鋼はクリープ破断
強度が十分でなく、上限を超えるNo.24鋼は溶接性が著
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No.3鋼、市販の2 1/2Cr−1Mo鋼である比較
鋼No.2鋼および市販の9Cr−1Mo鋼である比較鋼のNo.1鋼
より、はるかに高い強度を有し、常温における引張強度
のバラツキも5kgf/mm²と、比較鋼のバラツキが25kgf/mm
²であるのに比べ激減し、特開昭61−69948号公報に記載
の耐熱鋼のバラツキである10kgf/mm²に比べても半減し
た。従って、本発明鋼は同一応力レベルではかなり高い
温度で使用できる。

なお、靭性は600℃、5000h時効後の衝撃値で既存のフ
ェライト系耐熱鋼である比較鋼のNo.3よりやや低いもの
もあるが、ボイラ鋼管として事実上全く問題ない。また
溶接性も既存のフェライト系耐熱鋼である比較鋼No.3鋼
より改善されており溶接加工性の点からも優れている。

（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
大を達成すると共に、常温での引張強度のバラツキを小
さくした鋼であり、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 38/54 Ｃ２２Ｃ 38/54 (72)発明者 ▲榊▼原瑞夫相模原市淵野辺５−10−１新日本製鐵株式會社第２技術研究所内 (72)発明者藤田利夫東京都文京区向丘１−14−４ (72)発明者乙黒靖男町田市玉川学園３−12−25 (72)発明者桝本弘毅相模原市淵野辺５−10−１新日本製鐵株式會社第２技術研究所内 (56)参考文献特開昭61−69948（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−155648（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、Cr
8.0〜13.0％、Mo0.5超〜1.0％、W1.5超〜3.0％、V0.05
〜0.30％、Nb0.02〜0.12％、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ABCD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650℃
×15kgf/mm²で8120〜9630hrなるクリープ強度を有し、
併せて靭性および溶接性に優れ、常温における引張強度
のバラツキが小さい高強度フェライト系耐熱鋼管用鋼。 Mo％Ｗ％Ａ（1.00,1.51）Ｂ（0.50,2.01）Ｃ（0.50,3.00）Ｄ（1.00,2.00）
【請求項２】重量でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、Cr
8.0〜13.0％、Mo0.5超〜1.0％、W1.5超〜3.0％、V0.05
〜0.30％、Nb0.02〜0.12％、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ABCD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650℃×15kgf/mm²で8120〜9630hrなるクリ
ープ強度を有し、併せて靭性および溶接性に優れ、常温
における引張強度のバラツキが小さい高強度フェライト
系耐熱鋼管用鋼。 Mo％Ｗ％Ａ（1.00,1.51）Ｂ（0.50,2.01）Ｃ（0.50,3.00）Ｄ（1.00,2.00）
【請求項３】重量でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、Cr
8.0〜13.0％、Mo0.5超〜1.0％、W1.5超〜3.0％、V0.05
〜0.30％、Nb0.02〜0.12％、N0.005〜0.10％、Ni,Coの
１種又は２種合計で0.1〜1.0％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ABCD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650℃×15kgf/mm²で
8120〜9630hrなるクリープ強度を有し、併せて靭性およ
び溶接性に優れ、常温における引張強度のバラツキが小
さい高強度フェライト系耐熱鋼管用鋼。 Mo％Ｗ％Ａ（1.00,1.51）Ｂ（0.50,2.01）Ｃ（0.50,3.00）Ｄ（1.00,2.00）
【請求項４】重量でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、Cr
8.0〜13.0％、Mo0.5超〜1.0％、W1.5超〜3.0％、V0.05
〜0.30％、Nb0.02〜0.12％、B0.001〜0.008％、N0.005
〜0.10％、Ni,Coの１種又は２種合計で0.1〜1.0％を含
有し、Si0.25％以下に制限し、さらにMoとＷ量の関係が
下記の座標を占める第１図ABCD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65
0℃×15kgf/mm²で8120〜9630hrなるクリープ強度を有
し、併せて靭性および溶接性に優れ、常温における引張
強度のバラツキが小さい高強度フェライト系耐熱鋼管用
鋼。 Mo％Ｗ％Ａ（1.00,1.51）Ｂ（0.50,2.01）Ｃ（0.50,3.00）Ｄ（1.00,2.00）