JPH0759740B2 - 靭性およびクリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （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
らに詳しくは高温におけるクリープ特性および溶製性を
改良した靱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。

（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、ステンレンス鋼、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効果を高める
ためには圧力を高めた超臨界圧のボイラが使用されてい
る。

２・1/4Cr−1Mo鋼と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は過去数十年間模索されている
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するため、研究はかなり行なわれ
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・1/4Cr−1Mo鋼とオーステナイト
系ステンレス鋼の中間を埋めるクリープ強度を有する鋼
の出現が待ち望まれていた。

また、ボイラを製造するための工程としては、溶接−溶
接後熱処理（Post Weld Heat Treatment:以下PWHTとい
う）もしくは熱間加工後溶接−PWHTを行なう方法が採ら
れている。従ってこのようなボイラ用鋼に要求される性
能としては、溶接性および熱間加工性に優れていること
は言うまでもなく、これらの熱履歴を受けた後において
も十分な強度と靱性を維持していることが重要である。

このような事情に鑑み、既に溶接性に向上させてなおか
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なわれている。特公昭56−34628号
公報の鋼はV,Nbの適性添加によりクリープ破断強度を確
保すると共に溶接性を改善した鋼であり、特開昭59−15
3865号公報の鋼は、ＶとSiの相関関係を定めて強度と靱
性のバランスを保った鋼である。また特開昭60−215746
号公報の鋼は、Siの制限による靱性の向上を図ると共に
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。さらに、特公昭58−17820号公報はＷ
の最適範囲を定め、Ｗ添加がクリープ強度向上に有効な
ことを示している。

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
工後焼準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る。

さらに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提案
が、特開昭61−69948号公報、特開昭61−231139号公
報、特公昭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63−89644号
公報において開示されている。

（発明が解決しようとする課題） これら鋼は従来のの耐熱鋼に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、Zrの添加が靱
性の改善に有効であることを見い出した。

Zrを1.0％以下添加した耐熱鋼が特公昭60−13060号公報
および特公昭57−30903号公報に公告されているが、こ
れらの鋼はＷ含有量が１％以下と低く、かつＮに関する
制限がないため本発明鋼のごとき高いクリープ強度を同
時に達成することは不可能である。

また、Zrを0.5％以下添加した耐熱鋼が特公昭58−17820
号公報に公告されているが、この鋼はＷの含有量が1.5
％以下であるため高いクリープ強度を達成することは不
可能であり、かつNbに関する制限が無いため靱性、強度
共に本発明鋼と同等にはなり得ない。

さらに、Zrを0.02％から0.1％添加した耐熱鋼が特開昭5
8−217661号公報に開示されているが、この鋼はＷの含
有量が１％以下であり、かつＢおよびＮの制限が無いた
め本発明鋼のごとき高いクリープ強度、靱性を達成する
ことは不可能である。

本発明は、上記のような従来の欠点を改良し500〜600℃
でのクリープ破断強度を高めると共に、靱性としてはシ
ャルピー試験における０℃の衝撃吸収エネルギーを向上
させることを目的としたものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、以上の問題点を解決するため、次のような鋼
を提供するものである。

即ち、C:0.01％〜0.30％、Si:0.01％〜0.08％、Mn:0.10
％〜1.50％、Cr:8.00％〜13.00％、Mo:0.005％〜1.00
％、W:0.20％〜3.00％、V:0.05％〜0.50％、Nb:0.02％
〜0.10％、B:0.0003％〜0.008％、Zr:0.0005％〜0.10
％、N:0.01％〜0.10％、Al:0.0005％〜0.050％、Co:0.0
1％〜1.00％を含有し、P:0.050％以下、S:0.010％以
下、O:0.020％以下に制限し、あるいはさらにNi:0.05％
〜1.00％、Ti:0.01％〜0.10％の１種また２種を含有し
たことを特徴とする靱性に優れたフェライト系耐熱鋼で
ある。

以下本発明を詳細に説明する。

（作用） 最初に本発明において各成分範囲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
性が良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なうためには、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。しかるに、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
行ないうるので、上限を0.30％とした。

Siは脱酸硬化、強度確保および耐酸化性のために添加さ
れるが、靱性に悪影響を及ぼす元素である。脱酸、強
度、耐酸化性の点から下限を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、下限に脱酸に必要な最小量と
して0.10％と定めた。

Crは耐酸化性に不可欠の元素であって、耐熱鋼には必ず
添加されており、M₂₃C₆,M₆C（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。

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。

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0.005％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V₄C₃として他のM₂₃C₆,M₆C,M₂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。

NbはNb（CN）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M₂₃C₆,M₆C,M₂C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0.12％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0.12％とした。

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0.0003％とし、
また熱間加工性、溶接性を損なわないように上限を0.00
8％とした。

Zrはこの発明の主要な成分であり、Ｎとの親和力が強く
ZrNを形成し、Ｂの窒化によるBN析出を抑制し、Ｂ添加
の効果が窒素の大量添加時に損なわれることを防止す
る。また、Zrは鋼中の脱酸平衡を支配し、酸素活量を著
しく下げることで酸化物の生成を抑制する。脱酸平衡支
配の効果を発揮させるために下限を0.0005％とし、また
粗大なZrN,ZrCが大量に析出し母材の靱性を著しく低下
させることを防止するため上限を0.10％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、クリープ強度を高める元素であるが、クリー
プ強度の確保の点から下限を0.01％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
0.10％とした。

Al結晶粒の微細化および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、一方では後述のTiと同様に
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.
0005％〜0.050％とした。

Coは炭化物として析出し、母材の高温強度を向上させる
とともに、δフェライトの生成を抑制する元素である。
したがってδフェライト生成による高温強度および靱性
の低下を抑制することが可能である。0.01％未満では効
果がなく、過剰に添加すると粗大な炭化物が析出し靱性
が低下する場合があるので、Coの添加範囲を0.01％〜1.
00％とした。

Ｐは焼戻し脆化および再熱割れ感受性に悪影響を及ぼす
ため条件を0.050％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0.020％とした。

以上が本発明鋼の基本成分であるが、本発明においては
この他にそれぞれの用途に応じてNi:0.05％〜1.00％、T
i:0.01％〜0.10％の１種また２種を含有させることがで
きる。

Niは焼入れ性を増すと共に靱性を改善するのに有効であ
るが、1.00％を超えて添加してもその効果の向上は望め
ないため0.05％〜1.00％とした。

Tiは炭化物として析出し、母材の高温強度を向上させる
元素である。0.01％未満では効果がなく、過剰に添加す
ると粗大な窒化物が析出するために靱性が低下する場合
があるので、0.01％〜0.10％とした。

上述の各合金成分はそれぞれ単独に添加しても、あるい
は併用して添加してもよい。

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、また本発明の効果を何等妨げるものではな
い。

まず、溶製プロセスとしてはVIM（真空誘導加熱炉）,EF
（電気炉）,LD（転炉）を用いることが可能で、また有
用である。続いて炉外製錬設備によって溶鋼を清浄化す
る方法としてESR（Electro Slag Remelting）,AOD（Arg
on Oxygen Decarbrization）,VAD（Vacum Argon Decarb
rization）,VOD（Vacum Oxygen Decarbrization），お
よびLF（Ladle Furnace）その他の真空脱ガスあるいは
粉体吹き込み製錬装置（例えばRH,DH,CAS等）を用いる
プロセスを、単独でもしくは併用して使用することが可
能で、かつ適している。

溶鋼は鋳型への鋳造と連続鋳造装置によるスラブ、ある
いはビレットへの鋳造によって鋼塊とした後、各種製造
工程へ適した形状に加工することができる。

製造工程としては、丸ビレットあるいは角ビレットへ加
工した後に、熱間押し出し、あるいは種々のシームレス
圧延法によってシームレスパイプおよびチューブに加工
する方法、薄板に熱間圧延、冷間圧延した後に電気抵抗
溶接によって電縫鋼管とする方法、およびTIG,MIG,SAW,
LASER,EB溶接によって（単独で、あるいは併用して）溶
接鋼管とする方法が適用できて、さらには以上の各方法
の後に熱間あるいは温間でSR（絞り圧延）ないしは定形
圧延を追加実施することも可能であり、本発明鋼の適用
寸法範囲を拡大することが可能である。

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。

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。

通常は焼準＋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、焼準工程を単独で、
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
は各々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。

以上の工程を適宜選択して、本発明鋼の製造プロセスに
適用すればよい。

（実 施 例） 第１表〜第２表に示す鋼を50kg真空炉で溶解し、熱間圧
延にて板厚15mmの板を製造した。各試験材とも1050℃で
１時間の焼準を行なった後、780℃で１時間の焼戻しを
行なった。

クリープ特性は第１図に示すように、圧延鋼板１の圧延
方向と平行に6mmφ×GL30mmのクリープ試験片２を切り
出し、600℃にて試験を行い600℃×10⁵時間の破断応力
を外挿し、評価を行った。

また、シャルピー特性は第２図に示すように圧延鋼板１
を600℃で10³時間時効後、圧延方向と平行にJIS4号2mmV
ノッチシャルピー衝撃試験片３を切り出し、０℃で試験
を行い評価を行った。

600℃×10⁵時間のクリープ破断応力と600℃×10³時間時
効後の０℃靱性を第１表と第２表に同時に示した。尚、
表中の靱性試験結果は０℃におけるシャルピー試験３点
の平均である。

比較のために第３表に示すように本発明の範囲に該当し
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。

第３図にZr添加の靱性に与える影響を示す。

Zr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。

第４図はZr添加のクリープ破断強度を与える影響を示
す。

Zrの添加によってもクリープ破断強度が低下することは
なく目標地の16kg f/mm²を上回っている。

第３表に示す比較例のＡ鋼およびＢ鋼はZrが無添加であ
るため、クリープ強度は16kg f/mm²を確保できている時
効後靱性は低くなっている例、Ｃ鋼はおよびＤ鋼はZrの
添加量が多すぎたためにZrNの粗大化が生じ時効後靱性
が劣化した例、Ｅ鋼,G鋼,I鋼,K鋼,M鋼,O鋼はZrが無添加
であるため時効後靱性が確保できなかった例、Ｆ鋼,H
鋼,J鋼,L鋼,N鋼,P鋼はZrの添加量が多すぎたためにZrN
の粗大化が生じ時効後靱性が劣化した例である。

（発明の効果） 以上の如く本発明鋼は従来のフェライト形耐熱鋼に比
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、溶接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】

第１図は圧延鋼板からのクリープ破断試験片採取要領を
示す斜視図、第２図は圧延鋼板からのシャルピー衝撃試
験片採取要領を示す斜視図、第３図はZr添加の靱性に与
える影響を示す図表、第４図はZr添加のクリープ破断強
度に与える影響を示す図表である。 １……圧延鋼板、２……クリープ試験片 ３……シャルピー衝撃試験片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 直井 久 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新日 本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−103345（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−110758（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で C :0.01％〜0.30％ Si:0.01％〜0.08％ Mn:0.10％〜1.50％ Cr:8.00％〜13.00％ W :0.20％〜3.00％ Mo:0.005％〜1.00％ V :0.05％〜0.50％ Nb:0.02％〜0.12％ B :0.0003％〜0.008％ Zr:0.0005％〜0.10％ N :0.01％〜0.10％ Al:0.0005％〜0.050％ Co:0.01％〜1.00％ を含有し、 P :0.050％以下 S :0.010％以下 O :0.020％以下 に制限し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなること
   を特徴とする靱性およびクリープ強度に優れたフェライ
   ト系耐熱鋼。
2. 【請求項２】重量％で Ni:0.05％〜1.00％ Ti:0.01％〜0.10％ の１種または２種を含有する請求項１記載の靱性および
   クリープ強度に優れたフェライト系耐熱鋼。