JPH04354856A - 靱性ならびにクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼とその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フェライト系耐熱鋼に
関するものであり、さらに詳しくは靱性を改良した高温
におけるクリープ特性の優れたフェライト系Ｃｒ含有ボ
イラ鋼管用鋼に関するものである。

【０００２】

【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
材料を選択するにあたり、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。しかし、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。

【０００３】そこで２　１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼とオーオ
ーステナイト系ステンレス鋼の中間を埋めるための鋼材
の研究が過去数十年間行われているが、Ｃｒ量が中間の
９Ｃｒ、１２Ｃｒ等のボイラ鋼管は強度を高めるとその
溶接性が悪化し、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
ような事情に鑑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回る新しい鋼種が開発
され提案が行われている。

【０００４】しかしながら、ボイラの使用部位によって
は肉厚材を必要とする箇所があり製造工程の中でもとり
わけ熱間加工後焼ならしにより製造するものはオーステ
ナイト域からの冷却速度が小さくなり、特に板厚中心部
では充分な強度、靱性を維持することが困難となる。そ
のため、強度、靱性に優れた鋼の開発が望まれていた。

【０００５】これらの要求特性を向上させた鋼が開発さ
れ、（Ｍｏ＋Ｗ）とＮｂ量の関係を定めてクリープ特性
と靱性の向上を図ることが、特開昭６１−６９９４８号
公報、特開昭６１−２３１１３９号公報、特開昭６２−
２９７４３５号公報、特開昭６２−２９７４３６号公報
において開示されている。また、クリープ強度の向上に
最適範囲のＷ、Ｎｂ添加が有効なことが特開昭６３−８
９６４４号公報において開示されている。

【０００６】これらの鋼は従来の耐熱鋼にＷを添加し、
固溶強化、析出強化によりクリープ強度を飛躍的に高め
た鋼であるが、時効後靱性についての配慮に欠けていた
。これに対し本発明者らは、これまで開発したフェライ
ト系耐熱鋼の靱性について再検討した結果、Ａｌの添加
が靱性の改善に有効であることを見出した。Ａｌを０．
０５％以下添加した高Ｃｒ鋼が特公昭５７−３６３４１
号公報、固溶Ａｌを０．００１〜０．５％含有するフェ
ライト鋼が特開昭６０−１５５６４９号公報に開示され
ているが、Ｎに関する制限および冷却速度の制限がない
ため本発明鋼のごとき高いクリープ強度を達成すること
は不可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来の欠点を改良し、靱性としてはシャルピー衝撃試
験における０℃の衝撃吸収エネルギーを向上させるとと
もに、５００〜６５０℃でのクリープ破断強度を高める
ことを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決すべく、その要旨とするところは下記のとおりであ
る。 （１）　　質量％で Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．８０
％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：８．００〜１
３．００％、Ｗ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０
０５〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：
０．０２〜０．１５％、Ｂ：０．０００３〜０．００８
％、Ｎ：０．０３〜０．１１％、Ａｌ：０．００１〜０
．１０％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０
１０％以下、Ｏ：０．０１５％以下に制限し、かつＮ（
ｍａｓｓ％）＞１４／２７×Ａｌ（ｍａｓｓ％）＋０．
０２５の関係を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純
物よりなることを特徴とする靱性ならびにクリープ強度
に優れたフェライト系耐熱鋼。

【０００９】（２）　　前項１記載の鋼の熱間加工後の
冷却、あるいは焼ならしまたは焼入れの冷却は、オース
テナイト領域からマルテンサイト領域である５００℃ま
で５℃／ｍｉｎ　以上の冷却速度で行うことを特徴とす
る靱性ならびにクリープ強度に優れたフェライト系耐熱
鋼の製造方法。以下本発明を詳細に説明する。

【００１０】

【作用】最初に本発明において各成分範囲および冷却速
度を前記のごとく限定した理由を以下に述べる。Ｃは強
度の保持に必要であり、０．０１％未満では強度の確保
に不十分である。また溶接性の点から上限を０．３０％
とした。即ち、後述するＣｒ量との関係で、この鋼は非
常に焼入れ性がよく、溶接熱影響部が著しく硬化し、こ
れが溶接時低温割れの原因となる、従って溶接を完全に
行うためには、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なわれる。しかし、Ｃを０．３０
％以下に保てば溶接熱影響部の最高硬さが低下し、溶接
割れの防止が容易に行われ得るので、上限を０．３０％
とした。

【００１１】Ｓｉは脱酸効果、強度確保および耐酸化性
付与のために添加されるが、靱性に悪影響を及ぼす元素
である。脱酸効果、強度確保、耐酸化性付与の点から下
限を０．０１％とし、靱性の点から上限を０．８０％と
した。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１．５０％としたのは、これを超
すと靱性の点から好ましくないからであり、下限は脱酸
に必要な最小量として０．１０％と定めた。

【００１２】Ｃｒは耐酸化性に不可欠の元素であって、
耐熱鋼には必ず添加されており、Ｍ２３Ｃ６　、Ｍ６　
Ｃ（但しＭは金属元素を指す）のマトリックス中への微
細析出により高温強度を高めている。下限はその析出効
果が顕著に認められて、耐酸化性にも寄与する８．００
％とし、上限は溶接性および靱性の点から１３．００％
とした。

【００１３】Ｗは固溶強化および炭化物として析出する
ことによる析出強化により高温強度を顕著に高める元素
であり、特に６００℃を超えて長時間側の強化に有効で
ある。３．００％を超えて添加すると溶接性、耐酸化性
を損なうため上限を３．００％とした。また、Ｍｏとの
共存において効果を発揮させるため下限を０．２０％と
した。

【００１４】Ｍｏは固溶強化により、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、耐酸化性を損なうので上限
を１．００％とした。また、Ｗとの共存においてクリー
プ強度の向上に効果を発揮させるために下限を０．００
５％とした。ＶはＷと同様にマトリックスに固溶しても
、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Ｖ４　Ｃ３　あるいは
ＶＮとして他のＭ２３Ｃ６　、Ｍ６　Ｃ、Ｍ２　Ｃの析
出核となり、析出物の微細分散に顕著な効果を示す。ク
リープ強度の向上に効果を発揮させるために下限を０．
０５％とした。また、０．５０％を超えると強度低下を
生ずるために上限を０．５０％とした。

【００１５】ＮｂはＮｂ（Ｃ，Ｎ）の析出によって高温
強度を高め、また初期の微細な分散析出が、後続するＭ
２３Ｃ６　、Ｍ６　Ｃ、Ｍ２　Ｃ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。Ｎｂの効果を発揮させるため下限を０．０２％とし
、また０．１５％を超すと析出物の凝集粗大化を生じて
強度を低下させるため上限を０．１５％とした。

【００１６】Ｂは本来焼入れ性を著しく高める元素とし
てよく知られているが、Ｂの微量添加によりクリープ強
度が向上する。Ｂの効果を発揮させるため下限を０．０
００３％とし、また熱間加工性、溶接性を損なわないよ
うに上限を０．００８％とした。Ｎはマトリックスに固
溶するかあるいは窒化物、炭窒化物として析出し、クリ
ープ強度を高める元素である。しかし、後述のＡｌと窒
化物を形成するため、ＡｌＮとして使用されるＮは１４
／２７×Ａｌであり、またＮｂおよびＶ等の窒化物の形
成等のために必要なＮ量は０．０２５％であるから、添
加する必要なＮをＮ＞１４／２７×Ａｌ＋０．０２５と
した。さらにクリープ強度の確保の点から下限を０．０
３％とし、また鋳造時ブローホールの発生を避け健全な
鋼塊を得るために上限を０．１１％とした。

【００１７】Ａｌはこの発明の主要な成分であり、Ｎと
結びつきＡｌＮとなり、焼ならし処理におけるオーステ
ナイト域加熱時に、このＡｌＮがピン止め効果の役目を
果たし、結晶粒の粗大化を阻止し、微細な結晶粒を形成
する役目を担う。また、固溶窒素の固定によりＢの焼入
れ性を高める効果があるが、一方では過剰な添加は粗大
窒化物を生成し、靱性を阻害するため０．００１〜０．
１０％とした。

【００１８】Ｐは焼き戻し脆化および再熱割れ感受性に
悪影響を及ぼすため上限を０．０３０％とした。Ｓは靱
性劣化、異方性および再熱割れ感受性の増大の原因とな
るので上限を０．０１０％とした。Ｏは靱性に悪影響を
及ぼす酸化物の生成の原因となるので上限を０．０１５
％とした。

【００１９】また、熱間加工後の冷却、あるいは焼きな
らしあるいは焼入れの冷却に際しての冷却速度の限定は
本発明の主要な構成要件であり、オーステナイト域から
５００℃以下までの冷却中にＡｌＮが粗大化し、靱性お
よびクリープ強度に悪影響を及ぼすのを防止するため冷
却速度を５℃／ｍｉｎ　以上とした。以上が本発明鋼の
基本成分および冷却速度の限定理由である。

【００２０】尚、本発明は靱性の優れた高クリープ破断
強度を有する耐熱鋼を提供するものであるので、本発明
鋼には使用目的に応じて種々の製造方法、および熱処理
を施すことが可能であり、本発明の効果を何等妨げるも
のではない。本発明鋼は鋼管のみならず、厚板および薄
板の形で提供することも可能であり、熱間圧延まま、も
しくは必要とされる熱処理を施した板を用いて種々の耐
熱材料の形状で使用することが可能であって、本発明の
効果に何等影響を与えない。

【００２１】以上の鋼管、板、各種形状の耐熱部材には
それぞれ目的、用途に応じて各種熱処理を施すことが可
能であって、また本発明の効果を十分に発揮する上で重
要である。通常は焼ならし＋焼戻し工程を経て製品とす
る場合が多いが、これに加えて焼入れ、焼戻し、焼なら
し工程を単独で、あるいは併用して施すことが可能であ
り、また有用である。材料特性の十分な発現に必要な範
囲で、以上の工程はおのおのの工程を複数回繰り返して
適用することもまた可能であって、本発明の効果に何等
影響を与えるものではない。

【００２２】以上の工程を適宜選択して、本発明鋼の製
造プロセスに適用が可能である。

【００２３】

【実施例】表１、２に示した組成を有する鋼を５０ｋｇ
真空炉で溶解し、熱間にて板厚１５ｍｍに圧延し、５℃
／ｍｉｎ　以上で冷却して板を製造した。各試験材とも
１０５０℃で１時間の保定、５℃／ｍｉｎ　以上で冷却
する焼きならしを行った後、７８０℃で１時間の焼戻し
を行った。

【００２４】クリープ特性は圧延鋼板の圧延方向と平行
に板厚中心部より６ｍｍφ×ＧＬ３０ｍｍのクリープ試
験片を切り出し、６００℃で２万時間までのクリープ破
断試験を行い、６００℃×１０万時間の破断応力を直線
外挿し、評価を行った。また、シャルピー衝撃特性は圧
延鋼板を６００℃で３０００時間時効後、圧延方向と平
行に板厚中心部よりＪＩＳ４号２ｍｍＶノッチシャルピ
ー衝撃試験片を切り出し、０℃で試験を行い、評価を行
った。

【００２５】比較のために表３、４に示すように本発明
鋼に該当しない成分を有する鋼を同様の方法で溶製、製
造し、評価を行った。図１にＡｌ添加の６００℃×３０
００時間時効後の０℃靱性に与える影響を示す。尚、図
中の靱性試験結果は０℃におけるシャルピー試験３点の
平均値である。Ａｌが０．００５％以上の場合に靱性の
向上が著しく認められ、０．１０％を超えると靱性の低
下が認められる。また、Ｎ＞１４／２７×Ａｌ＋０．０
２５の関係を満足せず、かつ冷却速度が５℃／ｍｉｎ　
未満の鋼は靱性の低下が認められる。

【００２６】図２はＡｌ添加の６００℃×１０万時間の
クリープ破断強度に与える影響を示す。Ａｌの添加によ
ってもクリープ破断強度が低下することはなく、目標値
の１６０ＭＰａを上回っている。また、Ｎ＞１４／２７
×Ａｌ＋０．０２５の関係を満足せず、かつ冷却速度が
５℃／ｍｉｎ　未満の鋼はクリープ破断強度の低下が認
められる。

【００２７】表３、４に示す比較例のＡ鋼、Ｂ鋼および
Ｃ鋼はＡｌが無添加であるため、クリープ強度は１６０
ＭＰａを確保できているが、時効後靱性は低くなってい
る例、Ｄ鋼、Ｅ鋼およびＦ鋼はＡｌの添加量が多すぎた
ためにＡｌＮの粗大化が生じ時効後靱性が劣化した例、
Ｇ鋼、Ｈ鋼およびＩ鋼は、Ｎ＞１４／２７×Ａｌ＋０．
０２５の関係を満足せず、かつ冷却速度が遅いためにＡ
ｌＮの粗大化が生じ時効後靱性が劣化した例である。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】

【発明の効果】以上の如く本発明鋼は従来のフェライト
系耐熱鋼に比べ、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、靱性等実用上の特性
も優れており、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】

【図１】Ａｌ添加の６００℃×３０００時間時効後靱性
に与える影響を示す図である。

【図２】Ａｌ添加の６００℃×１０万時間クリープ破断
強度に与える影響を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　質量％でＣ：０．０１〜０．３０％、
   Ｓｉ：０．０１〜０．８０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５
   ０％、Ｃｒ：８．００〜１３．００％、Ｗ：０．２０〜
   ３．００％、Ｍｏ：０．００５〜１．００％、Ｖ：０．
   ０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１５％、Ｂ：
   ０．０００３〜０．００８％、Ｎ：０．０３〜０．１１
   ％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％を含有し、Ｐ：０．
   ０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１５
   ％以下に制限し、かつＮ（ｍａｓｓ％）＞１４／２７×
   Ａｌ（ｍａｓｓ％）＋０．０２５の関係を満足し、残部
   がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする
   靱性ならびにクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼
   。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の鋼の熱間加工後の冷却
   、あるいは焼ならしまたは焼入れの冷却は、オーステナ
   イト領域からマルテンサイト領域である５００℃まで５
   ℃／ｍｉｎ　以上の冷却速度で行うことを特徴とする靱
   性ならびにクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼の
   製造方法。