JPH0360905B2

JPH0360905B2 -

Info

Publication number: JPH0360905B2
Application number: JP59189640A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Otoguro; Katsukuni Hashimoto; Toshio Fujita
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-09-12
Filing date: 1984-09-12
Publication date: 1991-09-18
Also published as: JPS6169948A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は高クリープ強度フエライト系耐熱鋼に
関するものであり、さらに詳しくは高温における
クリープ特性を改良した溶接性、靭性のすぐれた
フエライト系Cr含有耐熱鋼に係わるものである。（従来の技術及び発明が解決しようとする問題
点）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
からフエライト系の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℃が上限となつている。したがつてボイラの
効率を高めるためには圧力を高めた超臨界圧ボイ
ラ使用されている。ところで２ 1/4Cr−1Mo鋼とオーステナイト
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Cr量が中間の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 1/4Cr−1Mo鋼とオー
ステナイトステンレス鋼の中間を埋めるクリープ
強度を有する経済的鋼の出現が待ち望れまれてい
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
来材を大幅に上廻る新しい鋼種を開発し、(イ)特公
56−34628号公報、(ロ)特願昭58−25436号、或いは
(ハ)特願昭59−68377号により提案を行なつている。
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つた
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つた鋼である。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つ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。（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つて、
しかもそれはMo量に依存するとの知見をえて、
MoとＷ量の関係及び（Mo＋Ｗ）とNb量の関係
を夫々明らかにすることによつて著しくクリープ
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。（発明の構成・作用）本発明の成分範囲を示せば第１表の如くであ
る。

【表】

【表】以下に本発明について詳細に説明する。先ず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0.15％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。従つ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0.15％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いうるので上限を0.15％
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つて、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
うので上限を2.3％とし、一方Ｗとの共存におい
てもクリープ破断強度の向上に効果のあるのは
0.5％以上からであるので下限を0.5％と定めた。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上限を2.0％
とし、一方Moとの共存において効果を発揮する
のは0.2％以上からであるので下限を0.2％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としての他の
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SUS304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％を超すと却つ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）の析出によつて高温強度を高め
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％を超すとかえつ
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
つ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はマトリツ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、0.02％未満では急激に強度が低下す
ること、また0.05％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0.05％、下限を0.02％とした。 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、0.2％以
下に抑えると靭性が向上することが分つた。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つて高温長
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つた。すな
わち直線ABはW0.2％の線であり、これ未満では
クリープ強度を向上させる効果が極めて弱い。直
線CDはMoが0.5％の線であり、これ末満では同
様にクリープ強度向上の効果が期待できない。直
線ADはMo＋Ｗ＝2.5％の線であつてこれを超え
ると溶接性、靭性、耐酸化性等に悪影響が現われ
る。直線BCはクリープ破断強度の観点からの下
限界線であつて（Mo＋1/2Ｗ）％＝0.8％の線で
ある。Ｗはその効果がMoの約半分であるので
Mo＋1/2Ｗで整理できる。次に（Mo＋Ｗ）とNbの関係を第２図について
述べる。本発明鋼においては微量Nbの効果が顕
著であつて必須の元素であるが、この必要Nb擁
は（Mo＋Ｗ）量と密接な関係がある。すなわち
第２図EFGHの範囲内にあると最高の強度がえら
れる。直線EHは（Mo＋Ｗ）量が2.5％の線、FG
は0.9％の線であり、第１図の最大値（AD線上）
と最小値（Ｂ線）に対応している。一方、Nb量
の最適範囲は（Mo＋Ｗ）量と関係しており、
（Mo＋Ｗ）量の高いほどその範囲は低濃度側に、
（Mo＋Ｗ）量の低いほど高濃度側に移行する。
これを実験的に求めたものが直線HG，EFであ
り、直線HGは（Mo＋Ｗ）量との関係できまる
Nb量の上限界線であり、EFは同様に下限界線で
ある。すなわちEF線の左側はNb量が不足してク
リープ破断強度が不充分であり、HG線の右側は
Nb量が過剰となつてクリープ破断強度が却つて
低下してしまう領域である。以下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
生成元素であつて多量に発生すると靭性の点で好
ましくないδフエ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
つて前記組識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、600℃，20Kg／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℃，1000時間時効後の衝撃値、
常温のの引張り特性を示す。

【表】

【表】 ○印：比較鋼
第２表に示すもののうちNo.６，８，９，12，
14，16，19，22，24，25鋼は本発明鋼であり、そ
の他は比較鋼である。 No.３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
温腐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のでこれを改
良するために開発された鋼管がNo.２鋼である。し
かしながら、いずれにしても本発明鋼にくらべ、
著しくクリープ破断強度が低い。 No.４鋼は現在ドイツを中心にヨーロツパで石炭
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著しく
高いので溶接性、加工性に難点がある。 No.５鋼はＷ量がその下限を切るものであつて十
分なクリープ破断強度が確保できない。No.７，
10，18，20，21鋼は第２図Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの外部
に位置するものであつて、（Mo＋Ｗ）量に対す
るNb量の値が少なすぎたり適正ではなく、高い
クリープ破断強度が得られない。 No.11，13鋼は第１図AD線の上部に位置し、
Mo＋Ｗ量が多すぎるため、時効による脆化が大
きいという問題がある。 No.15鋼はMo量がその下限を切るものであつて
十分なクリープ破断強度が確保できない。 No.17鋼は第１図BC線の下方に位置するもので
あつてMo，Ｗ量が少なく、クリープ破断強度が
十分でない。No.23鋼はＣ量がその上限を超すもの
であつて溶接性も衝撃値も低下している。これに対して本発明鋼は既存のフエライト系耐
熱鋼である比較鋼No.４鋼と比較して相当にすぐれ
ており、市販の２ 1/4Cr−1Mo鋼である比較鋼
No.３鋼、市販の9Cr−1Mo鋼である比較鋼No.１鋼
より、はるかに高い強度を有して、同一応力レベ
ルではかなり高い温度で使用できる。なお靭性としては既存の２ 1/4Cr−1Mo鋼よ
り同等乃至は高いレベルにあつて事実上全く問題
はない。とくにNo.24，25鋼はNo.22鋼にそれぞれ
0.65％Ni，0.47％Ni＋0.20％Coを添加した鋼であ
るが強度が同等であつて靭性が改善されている。また、本発明鋼は溶接性の点からも２ 1/4Cr
−1Mo鋼とほぼ同等であつて極めて使い易い鋼
である。（発明の効果）以上の如く本発明鋼は従来のフエライト系耐熱
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＋Ｗとの関係を示
す図、第２図は本発明における（Mo＋Ｗ）とNb
との関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量でＣ：0.03〜0.15％、Mn：0.1〜1.5％、
Cr：8.0〜13.0％、Mo：0.5〜2.3％、Ｗ：0.2〜2.0
％、Ｖ：0.05〜0.30％、Nb：0.02〜0.12％、Ｂ：
0.001〜0.008％、Ｎ：0.02〜0.05％を含有し、Si：
0.2％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、また（Mo＋Ｗ）とNb量の関係が下記の座標
点を占める第２図EFGH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
とする高クリープ強度フエライト系耐熱鋼。 Mo％，Ｗ％ (Mo+W)％，Nb％Ａ(2.3,0.2) Ｅ(2.5,0.02) Ｂ(0.7,0.2) Ｆ(0.9,0.05) Ｃ(0.5,0.6) Ｇ(0.9,0.12) Ｄ(0.5,2.0) Ｈ(2.5,0.09) ２重量でＣ：0.03〜0.15％、Mn：0.1〜1.5％、
Cr：8.0〜13.0％、Mo：0.5〜2.3％、Ｗ：0.2〜2.0
％、Ｖ：0.05〜0.30％、Nb：0.02〜0.12％、Ｂ：
0.001〜0.008％、Ｎ：0.02〜0.05％、Ni，Coの１
種又は２種合計で0.1〜1.0％を含有し、Si：0.2％
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、
また（Mo＋Ｗ）とNb量の関係が下記の座標点を
占める第２図EFGH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
る高クリープ強度フエライト系耐熱鋼。 Mo％，Ｗ％ (Mo+W)％，Nb％Ａ(2.3,0.2) Ｅ(2.5,0.02) Ｂ(0.7,0.2) Ｆ(0.9,0.05) Ｃ(0.5,0.6) Ｇ(0.9,0.12) Ｄ(0.5,2.0) Ｈ(2.5,0.09)