JPH04165044A - 溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高温機器用の構造材料としての鋼材に関する
ものであり、特に３５０〜５３０”Ｃ程度の中高温域で
稼働されるボイラ、金属溶解炉、加熱炉、塔および種類
等の高温機器用銅材料である。

（従来の技術） 前記の高温機器には高温強度の観点、特に高温における
引張強さ、耐力およびクリープ強度の観点からＣ−Ｍｏ
鋼（ＡＳＴＭ規格Ａ２０４Ｂ　４：相当する鯛）やＭｎ
　−Ｍｏ鋼（同Ａ３０２Ｂ鯛に相当する鯛）が多く使用
されている。

しかし、これらの綱は溶接性および靭性の点で必ずしも
十分でないという技術的問題があった。

即ち、溶接性にあっては、Ｃ量が高い（多くの場合０．
２２〜０．２５％）のに加えて、Ｍｏを０．５％含有す
ることから、溶接熱影響部の硬化性を示すＣ当量Ｃｅｑ
＝　Ｃ＋Ｓｉ／２４−＋１１ｎ／　６　＋Ｃｒ／　５　
＋Ｍｏ／４　＋Ｎｉ／４０＋　Ｖ　／１４で算出される
値は通常０．４５以上となり、また溶接割れ感受性を示
す組成パラメーターＰ　ｃｍ＝　Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ
／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／
１５＋　Ｖ　／１５＋　５　Ｂで算出される値は通常０
．３０以上となり、溶接構造物として極めて高い値にな
っている。従って、溶接割れ感受性が極めて高く、溶接
施工時の予熱温度を高くせざるを得ず、省エネルギーお
よび溶接作業性の点から好ましくなく、改善の必要があ
る。

また、靭性にあっては、高温使用の鋼材であることから
高温特性、特にクリープ特性を重視するあまり、粗粒網
を指向しているため初期靭性そのものが極めて低い状態
にある。これに加えて、さらに機器稼働に伴う熱履歴に
よるＭｏの炭化物の析出・凝集が、より悪い状態にして
いる。このような低初期靭性に加えて稼働中の劣化は、
なんらかの割れが存在した場合に脆性破壊につながる危
険性を常にもち、機器の安全操業の観点から好ましくな
く、改善の必要がある。

このような状況から前記中高温で稼働される機器用鋼材
として、溶接性ならびに使用中脆化を含めた低温靭性を
改善した低合金耐熱鋼の開発が昨今要望されている。

従来この種の綱の溶接性の改善はＣ量あるいはＭｏ等の
合金元素を低減し、これによる強度低下をＮｂないしは
Ｖなどの析出強化元素を添加したり、Ｃｕ＋　Ｎｉなと
の比較的溶接性を損なわない元素およびＡＺ−Ｂ添加に
より焼入れ性の向上効果で補うことがなされてきた。

特開昭５８−９１１５１号公報や特開昭６１−２５０１
５２号公報等に記載の発明がこれに相当する。しかし、
これらの発明においても溶接性ならびに靭性ともに十分
な改善がなされ、たとは言いがたい。

また、常温ないし低温で使用される鋼材においては、溶
接性ならびに靭性の改善を目的として、制御圧延および
強制冷却の組み合わせにより低炭素当量化をはかったも
のが存在するが、高温強度が考直されておらず、この点
で不十分である。

さらに、特開昭６１−８７８１８号公報や特開昭６１−
１３６６２２号公報にみられるごとく、Ｃｒ　−ｎｏ系
低合金鋼の強度改善を目的として、■。

Ｎｂを添加した鋼を圧延後急冷する方法が存在するが、
ベイナイト主体の組織における強化技術であり、溶接性
の点で十分とは言いがたい。

（発明が解決しようとする課ａ） 以上のように従来の低合金耐熱鋼は、高温強度を維持し
つつ溶接性および靭性を改善することは困難、かつ経済
性に難点があった。そこで、本発明は従来鋼と同等ない
しそれ以上の高温強度を有し、かつ、溶接性ならびに靭
性を向上した安価な鋼材を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は以上のような実状に鑑み、低合金耐熱鋼の高温
強度、溶接性および靭性についての研究を重ね、総合的
な検討を行った結果なされたものである。

その骨子とするところは下記のとおりである。

（１）　　溶接性改善の観点から、溶接熱影響部硬化性
ならびに低温割れ性に悪影響のあるＣをはじめとする合
金元素を低く抑える。

（２）初期靭性改善の観点から、ＡＩの微量添加と必要
に応じてＮｂを添加し、細粒化による靭性の向上をはか
る。また、使用中劣化を考慮してＳｉを極力低く抑える
。

（３）　　（１）（２）による強度低下、特に高温強度
の低下を補うために、高温加工（圧延を含む）後直接急
冷、焼もどし処理を施す。また、必要に応じてＶ。

Ｎｂを微量添加し、析出強化による強度向上をはかる。

第１図は０．２５％Ｃ１０，２５％Ｓｉ、０．６０％Ｍ
ｎ鋼（Ａ鋼）、０．１０％Ｃ，０，０５％Ｓｉ％１．２
％Ｍｎ。

０、４％Ｍｏ鋼（Ｂ鯛）の常温および高温強度に及ぼす
圧延後の冷却速度の影響を調べた実験結果を示すもので
ある、横軸の圧延後の冷却速度は、圧延後の８００℃か
ら５００℃までの平均冷却速度で示した。

図から明らかなように、Ｍｏを含有するＢ鋼は？ｌ。

を含まないＡ鋼に比べて圧延後の焼入れ冷却速度が遅い
側まで高強度が保たれ、かつ常温強度に対する高温強度
（５００℃）の落ち代が少ない。

即ち、従来、耐熱鋼は高温での安定性が重視され、焼な
らし十焼もどしないしは焼なまし処理が主流であったが
、今回の実験で低Ｃ含Ｍｏ鯛の急冷材では耐焼もどじ軟
化抵抗と高温に対する組織安定性に優れていることが分
かった。

この新しい知見をもとに、それぞれの成分を制限し、さ
らに高温加工（圧延を含む）後の冷却速度を制限する事
によって、高温強度、溶接性および靭性のバランスのと
れた低合金耐熱鋼を開発したものである。

即ち、本発明の要旨とするところは下記のとおりである
。

（１）重量％でＣ：　０．０３〜０．１２％、Ｓｉ　：
　０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：　０．４０〜１．６０
％、Ｍｏ　：　０．１５〜０．４５％、ｕ　：　０．０
０５〜０．０５％、Ｎ　：　０．００１０〜０．０１０
０％を含有し、残部は実質的にＦｅと不可避的不純物で
ある鋼を、１０００〜１２００℃の温度域に加熱し、加
工終了を８５０〜９７０℃の温度域とし、かつ前記温度
域での加工を５％以上とし、その後Ａｒ、点以上の温度
域から冷却速度２〜５０℃／ｓｅｃ。

の平均冷却速度で３００℃以下まで冷却した後、さらに
焼もどし処理として６００〜７２０℃の温度域に再加熱
して冷却することを特徴とする溶接性ならびに靭性を改
善した低合金耐熱鋼の製造方法。

（２）重量％でＣ：　０．０３〜０．１２％、Ｓｉ　：
　０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：　０．４０〜１．６０
％、Ｍｏ　：　０．１５〜０．４５％、ｕ　：　ｏ、ｏ
ｏｓ〜０．０５％、Ｎ　：　０．００１０〜０．０１０
０％を含有し、さらにＶ　：　０．０２〜０．１２％、
Ｎｂ　：　０．００５〜０．０４％、Ｂ　：　０．００
０３〜０．００５０％の少なくとも１種以上を含有し、
残部は実質的にＦｅと不可避的不純物である鋼を、１０
００〜１２００℃の温度域に加熱し、加工終了を８５０
〜９７０℃の温度域とし、かつ前記温度域での加工を５
％以上とし、その後Ａｒ、点以上の温度域から冷却速度
２〜５０°（／ｓｅｃ、の平均冷却速度で３００　’Ｃ
以下まで冷却した後、さらに焼もどし処理として６００
〜７２０　”Ｃの温度域に再加熱して冷却することを特
徴とする溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼の
製造方法。

（作　用） 以下、本発明の詳細な説明する。

まず、本発明における綱の成分を限定する理由は以下の
とおりである。

Ｃは強度を確保するために少なくとも０．０３％以上を
必要とするが、溶接性ならびに靭性を考慮すると低Ｃが
有利であり、その上限については好ましくは０．１０％
以下であるが、実用上それはどの悪影響の現れない０．
１２％を上限とした。

Ｓｔは脱酸剤として添加され靭性を改善するが、脱酸が
ＡＩ等の元素で十分なされた場合においては却って靭性
に悪影響があり、特に使用中熱履歴のごとき長時間の加
熱に対しての脆化に悪影響を及ぼすことから、経済的に
低減できる下限値として０．０１％とし、上限値につい
ては好ましくは０．１％以下であるが、靭性に悪影響が
少ない範囲として０．１５％とした。

Ｍｎは強度ならびに靭性を高める元素であり、同時にそ
の量が増大すると溶接性を悪くする元素である０強度、
靭性および溶接性のバランスから好ましい範囲は０．６
〜１．３５％であるが、下限値は強度向上効果がやや顕
著になる０、４０％とし、上限値は靭性改善効果が少な
くならず、加えて溶接性の劣化が著しくならない上限と
して１．６０％とした。

Ｍｏは本発明における重要な成分であり、強度、特に高
温強度を高める元素として必須の元素である。本発明に
おける暦００役割は、高温加工（圧延を含む）後直接焼
入によって得られた組織を、焼もどし、応力除去焼なま
しおよび使用中の熱履歴においても安定に維持し、高強
度を保証するものである。その効果はＭｏ量が多いほど
顕著であるが、その量が増大すると溶接性および靭性、
特に使用中脆化特性に悪影響が認められ、好ましい範囲
は０．２０〜０．３５％であるが、下限値は高温強度改
善効果がやや顕著になる０、１５％とし、上限値は溶接
性および使用中脆化が問題とならない上限値の０．４５
％とした。

Ｍは強力な脱酸効果を持つ元素であり、本発明のように
Ｓｉを極力低く抑えた鯛では必須の添加元素であり、か
つ細粒化効果により靭性を改善するが、その量が多くな
ると介在物が生じ却って靭性を低下させる。好ましい範
囲は０．０１５〜０．０３５％であるが、下限値は脱酸
が十分なされ靭性改善効果が現れる下限値の０．００５
％とし、上限値は靭性が問題とならない上限値の０．０
５％とした。また、Ｍは本発明において必要に応じて添
加する元素の１つであるＢを含む場合、Ｎを固定しＢの
効果を高める効果がある。

Ｎは量が増大すると強度を向上させると同時に靭性を低
下させる元素である。また、適量のＮは鋼中のＡＩとＡ
ｆＮを形成し、細粒化をとおして靭性向上に効果がある
。好ましい範囲は０．００３０〜０．００６０％である
が、下限値は細粒化による靭性改善が期待できる必要量
の下限値である０、００１０％とし、上限値は強度上昇
に伴う靭性低下およびＢ添加の場合にＢＮを形成するこ
とによるＢの効果を損なわない上限値である０、０１０
０とした。

■は必要に応じて添加する元素の１つであり、高温加工
（圧延を含む）後直接焼入れ、焼もどし処理することに
より、掻く微量添加で高温強度を顕著に改善する効果が
あり、同時に靭性を低下させる傾向が認められ、添加す
る場合の好ましい範囲は０．０３〜０．０８％であるが
、下限値は強度向上効果が顕著となる０、０２％とし、
上Ｉｌｌ値は靭性が問題とならない上限値の０．１２％
とした。

Ｎｂもまた必要に応じて添加する元素の１つであり、■
と同様、高温加工（圧延を含む）後直接焼入れ、焼もど
し処理することにより、掻く微量添加で高温強度を顕著
に改善する効果があると同時に、細粒化効果により靭性
も改善する。しかし、その量が増大すると、却って強度
、靭性を低下させる。添加する場合の好ましい範囲は０
．０１５〜０、０３０％であるが、下限値は強度向上効
果が現れる０、００５％とし、上限値は添加することに
よって却って強度ならびに靭性が低下しない範囲の上限
である０、０４％とした。

Ｂは本発明において必要に応じて添加する元素の１つで
ある。その効果としては、従来高張力鋼のごときマルテ
ンサイトまたはベイナイト主体の組織を持つ鋼の焼入れ
性向上のために添加されていた元素であるが、最近焼な
らしを施す高温用鋼にも適用され、その効果が確認され
ている。添加する場合の好ましい範囲は０．０００５〜
０．００１５％であるが、上限値は焼入性効果が現れる
下限値の０．０００３％とし、上限値はＢ化合物が生成
することによる焼入性が低下しない上限値であるｏ、ｏ
ｏｓｏ％とした。

次に、本発明における高温加工（圧延を含む）およびそ
れに続く処理条件を限定する理由は以下のとおりである
。

加熱温度はオーステナイト中に各合金元素が十分固溶し
、かつ良好な加工性が得られる下限温度の１０００℃を
下限値に定め、上限温度はオーステナイト粒の粗大化が
顕著とならない上限として１２００℃と定めた。

圧延の加工終了温度域の８５０〜９７０℃は、８５０℃
未満の温度域での加工は強度を低減するため、また９７
０℃を超えた温度域での加工は靭性を低下させるために
このように限定した。

加工終了温度域以上で加工することは妨げないが、上記
温度範囲における加工率は５％以上が必要である。加工
率（（加工前の断面積−加工後の断面積）／加工前の断
面積）は、５％未満では最終製品の結晶粒が粗大化し靭
性が悪くなるためである。

冷却速度（急冷開始から３００℃までの平均冷却速度）
は焼もどしおよび応力除去焼鈍後の引張強さの低下が顕
著とならない２℃／ｓｅｃ、を下限とし、上限について
はｌＯ園厚の鋼板の水冷相当の冷却速度として５０℃／
ｓｅｃ、とじた。

焼もどし温度は、靭性が改善される下限温度の６００℃
を下限値とし、引張強さの低減が顕著にならない上限温
度の７２０℃を上限値とした。

なお、本発明鋼を構造物に加工する場合、通常冷間加工
ないしは温間加工および溶接加工が施されるが、適当な
応力除去焼なましを施しても構わない。

（実施例） 第１表に供試鋼の化学成分、機械的性質および溶接性試
験結果を示す。機械的性質は常温ならびに５００℃の引
張特性、初期靭性ならびに５００℃で３０００時間加熱
後の靭性を示した。また、溶接性は斜めＹ型拘束割れ試
験結果を示した。

Ｎｏ、４．５．６．７．１４．１５．１６．１７は本発
明鋼であり、Ｎα１，２，３，８．９．１０゜１１．１
２，１３．１Ｂ、１９．２０，２１゜２２．２３，２４
．２５は比較鋼である。なお、Ｎｏ、１．２鋼は圧延復
燐ならし工程により製造したもので、それ以外の供試鋼
は圧延後直接焼入れ、焼もどしの開発工程により製造し
たもので、その条件は加熱温度：　１０５０℃９加工終
了温度：９００’Ｃ，９７０〜９００℃での加工率＝５
０％とし、その後８５０℃から栄、冷したが、８００℃
から５００℃までの平均冷却速度は約３℃／ｓｅｃ、で
１００℃以下まで冷却した。また焼もどし条件は６７０
℃で１時間、応力除去焼なまし相当処理条件は６５０℃
で３時間である。

阻１．２鋼は斜めＹ型拘束割れ試験の割れ停止温度が高
く、溶接性が悪く、衝撃特性も低い。

Ｎ１１３はＣ量が本発明の下限を下回る成分の鋼である
が、常温および高温強度が低い。

Ｎａ４，５，６．７は請求項１の対象鋼であるが、強度
、靭性および溶接性のすべての点で優れ、バランスのと
れた鋼材である。

阻８はＣおよびＳｉが本発明の上限を越え、階９゜１０
はＭｎが本発明の上下限をはずれ、Ｎａ１ｌ、　１２は
Ｍｏが本発明の上下限をはずれる綱であり、ＮｃＬ８゜
１０は靭性ならびに溶接性が悪く、Ｎ１１９．１１は常
温および高温強度が低く、阻１２は溶接性が悪い。

Ｎ０１３はＣ量が本発明の下限を下回る成分の鋼である
が、常温および高温強度が低い。

Ｎα１４，１５，１６．１７は請求項２の対象鋼である
が、強度、靭性および溶接性のすべての点で優れ、バラ
ンスのとれた綱である。

階１８はＣおよびＳｉが本発明の上限を越える鋼である
が、溶接性ならびに靭性が悪い。

Ｎ（１１９はＭｎが、Ｎｏ、２０．２１はＭｏが、隘２
２゜２３は■が、ＮｃＬ２４はＮｂが、またＮ１１２５
はＢがそれぞれ本発明の上限ないし下限をはずれる鋼で
あり、Ｎｏ、１８．１９は溶接性が悪く、隘２０．２２
．２５は常温および高温強度が低く、ｋ２１．２３．２
４は靭性が悪い。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明はＭｏを含む低合金耐熱鋼の
Ｃをはじめとする合金元素を低く抑え、ＡＩの微量添加
、また必要に応じてＶ、Ｎｂを添加し、この鋼を高温加
工（圧延を含む）後直接急冷、焼もどし処理することに
よって、強度、靭性および溶接性が同時に優れた耐熱鋼
を提供せんとするもので、工業的価値は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は試験材の圧延後の冷却速度と焼もどし＋応力除
去焼なまし相当の熱処理後の常温および高温引張強さの
関係を示す図である。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．０３〜０．１２％ Ｓｉ：０．０１〜０．１５％ Ｍｎ：０．４０〜１．６０％ Ｍｏ：０．１５〜０．４５％ Ａｌ：０．００５〜０．０５％ Ｎ：０．００１０〜０．０１００％ を含有し、残部は実質的にＦｅと不可避的不純物である
   鋼を、１０００〜１２００℃の温度域に加熱し、加工終
   了を８５０〜９７０℃の温度域とし、かつ前記温度域で
   の加工を５％以上とし、その後Ａｒ＿１点以上の温度域
   から冷却速度２〜５０℃／ｓｅｃ．の平均冷却速度で３
   ００℃以下まで冷却した後、さらに焼もどし処理として
   ６００〜７２０℃の温度域に再加熱して冷却することを
   特徴とする溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼
   の製造方法。
2. （２）重量％で、 Ｖ：０．０２〜０．１２％ Ｎｂ：０．００５〜０．０４％ Ｂ：０．０００３〜０．００５０％ の少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求
   項１記載の溶接性ならびに靭性を改善した低合金耐熱鋼
   の製造方法。