JPH04268040A - クリープ強度と靭性に優れた低合金耐熱鋼 - Google Patents

クリープ強度と靭性に優れた低合金耐熱鋼

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JPH04268040A
JPH04268040A JP3028233A JP2823391A JPH04268040A JP H04268040 A JPH04268040 A JP H04268040A JP 3028233 A JP3028233 A JP 3028233A JP 2823391 A JP2823391 A JP 2823391A JP H04268040 A JPH04268040 A JP H04268040A
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敦朗 伊勢田
Yoshiatsu Sawaragi
椹木 義淳
Fujimitsu Masuyama
不二光 増山
Tomomitsu Yokoyama
知充 横山
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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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】この発明は、 550℃以上の高
温でクリープ強度が高く、かつ常温以下での低温靱性に
優れ、ボイラ、化学工業、原子力用などの分野で熱交換
器管、配管用管、耐熱バルブ、接続継手等の鋳鍛鋼品と
して使用するに好適な低Cr−W系低合金耐熱鋼に関す
る。
【0002】
【従来の技術】ボイラ、化学工業、原子力用等の高温耐
熱耐圧部材としては、オーステナイトステンレス鋼、C
r含有量が9〜12%の高Crフェライト鋼、Cr含有
量が 3.5%以下(本明細書において合金成分の含有
量は全て重量%である)のCr−Mo系低合金鋼および
炭素鋼が用いられている。これらは対象となる部品の使
用温度、圧力などの使用環境と経済性を考慮として適宜
選択される。
【0003】上記の材料の中でCr含有量が 3.5%
以下のCr−Mo系低合金鋼の特徴は、Crを含有して
いるために炭素鋼に比べて耐酸化性、高温耐食性および
高温強度に優れること、オーステナイトステンレス鋼に
比べ格段に安価で、かつ熱膨張係数が小さく、応力腐食
割れをおこさないこと、さらに高Crフェライト鋼に比
べても安価で、靱性、熱伝導性および溶接性に優れるこ
と、にある。
【0004】低合金鋼の代表として、STBA24 (
2・1/4Cr −1Mo鋼) 、STBA22、ST
BA20などが JIS規格にあり、通常Cr−Mo鋼
と総称されている。また、高温強度を向上させる目的で
析出強化元素であるV、Nb、Ti、TaやBを添加し
た鋼が特開昭57−131349号、特開昭57−13
1350号、特開昭62−54062 号、特開昭63
−62848 号、特開昭64−68451 号などの
公報に提案されている。
【0005】タービン用材料では1Cr−1Mo−0.
25V鋼がよく知られており、一方、高速増殖炉用構造
材料では、2・1/4Cr −1Mo−Nb鋼などが開
発されている。
【0006】しかしながら、上記の低合金鋼は、高Cr
フェライト鋼やオーステナイトステンレス鋼に比較する
と、高温での耐酸化性、耐食性に劣り、高温強度も著し
く低いために、550 ℃以上での使用には問題がある
。そこで、本出願人の一人は、高温耐酸化性、耐食性お
よび高温強度が改善され、高Crフェライト鋼やオース
テナイトステンレス鋼に代替して使用できる低Cr耐熱
鋼を開発し、先に特許出願を行った (特開平2−21
7438、同217439号) 。
【0007】鋼の耐酸化性と高温耐食性は、主としてC
rに依存するのでCr含有量を増加するのが有効である
が、Crの増量は低合金鋼の特徴である良好な熱伝導性
、靱性、溶接性および経済性を損なう。もっとも、特に
耐酸化性や耐食性が問題とならない環境で使用するので
あれば、Crの増量は必ずしも必須ではなくなる。
【0008】一方、高温強度は耐圧部材の設計上極めて
重要であり、使用温度によらず高強度であることが望ま
しい。特に、ボイラ、化学工業、原子力用などの耐熱耐
圧鋼管では素材の高温強度に応じて管の肉厚が決定され
る。
【0009】以上の背景から、低合金鋼を高強度化する
ことの利点をまとめれば下記のとおである。  ■  
高温腐食がそれほど厳しくない使用環境でも、従来、高
温強度の確保のためにオーステナイトステンレス鋼ある
いは高Crフェライト鋼を使用していた分野、つまり低
合金鋼の使用が制限されていた分野で低合金鋼の特性、
例えば優れた溶接性、高靱性を生かして使用することが
できる。  ■  部材の肉厚を薄くすることが可能に
なり、それによって熱伝達性が向上し、プラントの熱効
率の改善、および起動、停止に伴う熱疲労の軽減ができ
る。  ■部材の軽量化によりプラントのコンパクト化
と製造コストの低減ができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】前述のとおり、低合金
鋼の高強度化によってもたらされる実益は極めて大きい
のであるが、従来の技術では高強度化によって靱性が損
なわれることが問題であった。例えば、JIS 規格の
STBA22、STBA24等のCr−Mo鋼は主にM
oの固溶強化とCr、Fe、Moの微細炭化物の析出強
化を利用しているのであるが、Moの固溶強化の寄与は
小さく、炭化物も粗大化が早く高温強度はあまり高くな
らない。強度を上げるためにMoを増量し固溶強化を高
める方法が考えられるが、その効果は小さく、かえって
靱性、加工性、溶接性を劣化させるので実用的でない。 一方、V、Nb、Ti、Bなどの析出強化元素は強度の
改善に有効であるが、材料を硬化させ、特にフェライト
地に析出した場合、靱性低下が大きい。 また、溶接性を著しく劣化させることから、これらの元
素は添加量が制限される場合が多い。
【0011】本発明の目的は、Cr含有量が 3.5%
以下の低合金鋼の利点を生かすことを前提として、実用
ボイラでの使用温度である 550〜625 ℃といっ
た高温でのクリープ強度が大幅に改善され、また、靱性
、加工性および溶接性においても既存の低合金鋼と同等
以上の性能を有する鋼であって、従来、低合金鋼の使用
が制限されていた分野でオーステナイトステンレス鋼あ
るいは高Crフェライト鋼に代えて使用できる低コスト
の耐熱鋼を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記の低合金
耐熱鋼をその要旨とする。
【0013】 (1) 重量%で、     C:0.03〜0.12%、      Si
:0.7 %以下、      Mn: 0.1〜 1
.5%、    Ni: 0.8%以下、      
  P:0.03%以下、      S:0.015
 %以下、    Cr: 1.5〜3.5 %、  
    W:1〜3%、        V: 0.1
〜0.35%、    Nb:0.01〜0.1 %、
      B:0.0001〜0.02%、  N:
 0.005%未満、    Al: 0.005%未
満、      Ti: 0.001〜 0.1%、で
あって、    残部はFeおよび不可避不純物からな
り、さらにTi、Nの含有量が下記■の式を満たすこと
を特徴とするクリープ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼
【0014】0.080 ≧  Ti(%) −(48
/14) ×N (%) ≧ 0.003  ・・・■ (2) 上記(1) の成分に加えて更に、それぞれ0
.01〜0.2 %のLa、Ce、Y、Ca、Zrおよ
びTa、ならびに0.0005〜0.05%のMgのう
ちの1種以上を含有するクリープ強度と靱性に優れた低
合金耐熱鋼。
【0015】(3) 上記(1) の成分に加えて更に
、Mo:0.01〜0.4 %を含有するクリープ強度
と靱性に優れた低合金耐熱鋼。
【0016】(4) 上記(1) の成分に加えて更に
Mo:0.01〜0.4 %と、それぞれ0.01〜0
.2 %のLa、Ce、Y、Ca、ZrおよびTaなら
びに0.0005〜0.05%のMgのうちの1種以上
を含有するクリープ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼。
【0017】上記(2) 〜 (4)の鋼においてもT
iとNの含有量は■の式を満足しなければならない。
【0018】
【作用】本発明の鋼は、上記の各合金成分の種類と含有
量の最適な組合せの総合的な効果として後述の優れた特
性を有するのであるが、特に大きな特徴を挙げれば次の
とおりである。
【0019】(イ) Nは長時間クリープ強度を低下さ
せるから、これを0.005%以下に制限し、かつ微量
Tiを添加してNをTiNとして固定し、その上に微量
B添加して、これらの相乗作用によってクリープ強度を
大きく向上させたこと。この作用はAl含有量を 0.
005%以下に制限した場合に確実になる。
【0020】(ロ) NとTiの含有量を前記■を満足
するように調整することによって靱性を改善したこと。
【0021】(ハ) 析出強化元素としてVとNbを使
用し、固溶強化元素としてはMoよりWの方が有効であ
るとの知見に基づいてWを必須成分としたこと。
【0022】以下、各合金元素の作用効果と含有量の限
定理由を説明する。
【0023】C: Cは、Cr、Fe、W、V、Nb、Ti、および必要に
応じて添加されるMoと結合して炭化物を形成し高温強
度に寄与するとともに、それ自身がオーステナイト安定
化元素であるから、マルテンサイト、ベイナイト、もし
くはパーライト組織を形成するのに重要である。C量が
0.03%未満では炭化物の析出量が不足し、十分な強
度が得られず、また、δ−フェライト量が多くなり靱性
を損なう。一方、C含有量が0.12%を超えると炭化
物が過剰に析出し、鋼が硬化して加工性、溶接性を損な
う。従って、Cの適正含有量は0.03〜0.12%で
ある。この範囲の中でも、特に0.05〜0.08%が
望ましい。
【0024】Cr: Crは、低合金鋼の耐酸化性および高温耐食性の改善の
ために不可欠な元素である。本発明の鋼は 550〜6
25 ℃のような高温でのクリープ強度が高い耐熱鋼で
あるが、耐酸化性や耐食性の点からはCrが 1.5%
未満では実用的でない。一方、前述の低合金鋼の特徴を
損なわないためにCrの上限は 3.5%とした。 3
.5%を超えるCr含有量では、靱性、溶接性および熱
伝導性が悪くなり、また材料コストも嵩む。
【0025】Si: Siは、脱酸剤として添加され、耐水蒸気酸化性を高め
る。しかし、Siの含有量が 0.7%を超えると、靱
性、加工性が低下し強度低下を招く。特に、厚肉部材で
は焼もどし脆化を助長するからSiの含有量は 0.7
%以下とした。
【0026】Mn: Mnは、鋼の熱間加工性を改善し、高温強度の安定化に
も寄与する。 0.1%未満では上記の効果は期待でき
ず、 1.5%を超えると鋼が硬化し加工性、溶接性が
損なわれる。また、Siと同様に焼きもどし脆化感受性
を高める元素でもあるから上限を 1.5%とする。
【0027】Ni: Niは、オーステナイト安定化元素であり、かつ靱性改
善に寄与するが、0.8%を超えて含有させると高温ク
リープ強度を損なう。また、経済性の観点からも多量添
加は好ましくない。従って、Ni含有量は 0.8%以
下とする。
【0028】W: Wは、鋼を固溶強化する作用があるだけでなく、微細炭
化物を形成して析出強化する作用も併せ持つ。かかる作
用効果により鋼のクリープ強度を大きく向上させる。従
来、Moを主体としたCr−Mo鋼が一般的であったが
、WはMoに比べ原子サイズが大きく拡散係数が小さい
ため、 550℃以上の高温で長時間側のクリープ強度
を高める効果がMoよりも大きい。従って、本発明では
1〜3%のWを必須成分とする。1%未満では所望の効
果が得られず、3%を超えると鋼を著しく硬化させ靱性
、加工性および溶接性を損なう。Wの好ましい含有量は
 1.4〜 1.8%である。
【0029】V: Vは、主にCと結合してVCの微細炭化物を形成し、ク
リープ強度の向上に寄与する。 0.1%未満ではこの
効果が十分でなく、0.35%を超える場合にはかえっ
てクリープ強度を損なうとともに、靱性、溶接性も低下
する。よって、Vの適正含有量は 0.1〜0.35%
である。
【0030】Nb: Vと同様に主にCと結合し、NbCを形成してクリープ
強度の向上に寄与する。
【0031】特に 625℃以下では安定な微細析出物
としてクリープ強度を著しく向上させる。
【0032】0.01%未満では上記の効果が十分でな
く、 0.1%を超えると鋼を硬化させ、靱性、加工性
、溶接性を損なう。よって、Nbの適正含有量は0.0
1〜 0.1%である。
【0033】Al: 脱酸剤として添加される。従来は、 0.005%を超
えるsol.Alを含有させ、十分な脱酸を行っていた
が、本発明鋼においては過剰のAlの添加はクリープ強
度および靱性を損なうことが判明した。これはAlがN
と結合し、後述するBおよびTiとの量的バランスが変
化して微細析出物が変化することが原因と考えられる。 従って、Alは0.0005%未満としなければならな
い。なお、脱酸は他の元素 (例えば、C、Si、Mn
および後述するLa、Ce、Y、Mg等) でなされる
から問題はない。
【0034】B: Bは、極微量の添加により炭化物を分散させ安定化させ
て高温、長時間クリープ強度の改善に寄与する。特にN
含有量を低く抑えたときにこの効果が大きい。
【0035】Nの含有量が高いとBがNと結合し、粗大
析出物を形成して強度改善に寄与しなくなる。前記のA
l含有量の抑制とともに後述するようにTiとNの含有
量をバランスさせ、Bの作用を最大限に活用することが
本発明の大きな特徴の一つである。
【0036】B含有量が0.0001%未満では上記の
効果が小さく、0.02%を超えると加工性、溶接性を
著しく損なうとともに上記効果も飽和する。従って、B
含有量は0.0001〜0.02%とする。
【0037】Ti: Tiは、CおよびNと結合してTi (C、N) を形
成する。 特に、Nとの結合力が強いから、本発明ではNの固定の
ために微量Tiの添加を行っている。TiによるNの固
定はB添加鋼のクリープ強度の改善と、固溶N低減によ
る靱性改善に大きく寄与する。Ti含有量が 0.00
1%未満では上記の効果が得られず、 0.1%を超え
る場合には粗大なTi (C、N) が形成され強度、
靱性が著しく損なわれる。即ち、Ti含有量の適正範囲
は0.01〜0.1 %である。
【0038】N: 上記のようにNは固溶状態で存在した場合、鋼の靱性お
よびクリープ強度を著しく損なう。また、NはV、Nb
およびTiと結合して粗大な析出物を形成し靱性を損な
う。 さらに、ベイナイト、マルテンサイトおよびパーライト
組織を高温で不安定にすることが判明した。従って、N
は 0.005%未満とした。さらに、上記のTiおよ
びNの含有量は次の■式の関係を満たすことが必要であ
る。       0.080 ≧  Ti(%) −(48/14) ×
N (%) ≧ 0.003  ・・・■ ■式は、N含有量に応じた適正Ti量を決める関係式で
ある。過剰のTiが靱性、強度を損なうこと、Ti量が
不足すると固溶Nが増え、同様に強度、靱性を損なうこ
とから、両者をバランスさせる関係式であり、本発明者
の多くの実験結果から得られたものである。
【0039】本発明の低合金耐熱鋼の一つは、上記の合
金元素の外、残部がFeと不可避の不純物からなるもの
である。不純物の中でPとSは、特に鋼の靱性およびク
リープ延性を損なうから可能な限り低くすることが望ま
しい。Pの許容上限は0.03%、Sのそれは 0.0
15%である。
【0040】本発明の低合金耐熱鋼は、前記の合金成分
の外にさらに、次に述べる合金元素を選択的に含有する
ことができる。
【0041】La、Ce、Y、Ca、Zr、Taおよび
Mg:これらの元素は不純物であるP、S、O (酸素
) と結合し、それらの析出物 (介在物) の形状を
好ましい形に変える、いわゆる形態制御の目的で添加さ
れる。
【0042】La、Ce、Y、Ca、ZrおよびTaは
、その少なくとも1種を、それぞれ0.01%以上含有
させると、上記の作用によって鋼の靱性、強度、加工性
および溶接性が改善される。いずれも0.01%未満で
は効果がなく、 0.2%を超えると介在物が増加し、
かえって靱性、強度などを損なう。
【0043】Mgも微量添加でO、Sと結合し、鋼の靱
性および加工性を改善する。また、クリープ延性の向上
にも有効で強度改善にも寄与する。0.0005%未満
の含有量では上記の効果が得られず、含有量が0.05
%を超えるとその効果が飽和し、かえって加工性の低下
を招く。従って、Mgを添加する場合は、その含有量を
0.0005〜0.05%とする。 なお、これらの元
素を2種以上用いる場合には、合計含有量を 0.2%
以下とするのがよい。
【0044】Mo: Wと同様に、固溶強化と析出強化の作用をもつ元素であ
るが、Wを多量添加する本発明鋼では必ずしも添加しな
くともよい。しかし、Wと複合添加された場合は強度向
上の効果があり、かつ少量であれば靱性改善にも有効で
ある。Moの含有量が0.01%未満では上記の効果は
なく、 0.4%を超える場合は強度改善効果は飽和し
、靱性および加工性を損なう。従って、Moを添加する
場合は、その含有量は0.01〜0.4 %とする。
【0045】
【実施例】表1の(1)と(2) に示す化学組成の各
鋼を 150kg真空溶解炉で溶解し、鋳造して得たイ
ンゴットを1150〜 950℃で鍛造して厚さ20m
mの板とした。
【0046】A鋼はSTBA22、B鋼はSTBA24
で、いずれも代表的な既存低合金鋼である。C鋼および
D鋼は2・1/4 Cr−1Moを基本組成とし、V、
Nbを添加した析出強化鋼の比較鋼で、D鋼〜I鋼はさ
らにB、N、Ti量を変化させた比較鋼、J鋼はMoの
代わりにWを添加した比較鋼である。K鋼〜Z鋼が本発
明鋼である。
【0047】熱処理は、A鋼およびB鋼は規格どおりに
 920℃×1h→空冷の後、 720℃×1h→空冷
とし、C鋼〜Z鋼は1050℃×0.5 h→空冷の後
、750 ℃×3 h→空冷の焼ならし焼もどし処理と
した。
【0048】評価試験の中、常温引張試験にはφ6mm
×GL30mmの引張り試験片を用いた。クリープ破断
試験でも同じ試験片を用い、 600℃にて最長 15
000hの試験を行い、内挿して 600℃×104h
のクリープ破断強度を求めた。    シャルピー衝撃
試験は10×10×55(mm)、2mmVノッチ試験
片(JIS 4号試験片)を用い、延性−脆性破面遷移
温度を求めた。さらに、溶接試験として斜めy字拘束溶
接割れ試験(JIS Z3158) を実施し、割れを
防止できる予熱温度を求めた。
【0049】試験結果を表2の(1)と(2) および
図1〜図4にまとめて示す。      図1は、常温
引張破断伸びとパラメータ:Ti− (48/14)N
 (%) との関係を示すグラフである。本発明鋼はい
ずれも25%以上の伸びを示し、延性に優れていること
が明らかである。
【0050】図2は、シャルピー試験試験の延性−脆性
破面遷移温度と上記パラメータとの関係を示すグラフで
ある。本発明鋼はいずれも遷移温度が−30℃以下で、
低温靱性は、既存のA鋼およびB鋼と同等以上であり、
比較鋼に比べて格段に優れていることがわかる。すなわ
ち、TiおよびNの含有量が前述の■式を満足させるよ
うに調整することの効果が実証された。  既存のA鋼
およびB鋼は、靱性は良好であるが、次に述べるクリー
プ破断強度が格段に低い。これは、Wが添加されておら
ず、また析出強化元素のV、Nb、Bなどを含まないた
めである。
【0051】図3に各鋼の 600℃×104hクリー
プ破断強度を比較して示す。本発明鋼はいずれも11k
gf/mm2 以上で、比較鋼の全てを上回る高い強度
を示している。  図4は、溶接割れ感受性の評価試験
結果である。C鋼〜J鋼にみられるように通常、V、N
b、Bを添加すると割れ感受性が高くなり、割れを防ぐ
には予熱温度を 175〜300 ℃としなければなら
なくなる。すなわち、従来鋼では単純にV、Nb、Bを
添加してクリープ強度を高めても溶接性が劣化してしま
う欠点が明らかである。しかし、本発明鋼では溶接性が
改善され、75〜125 ℃の予熱で溶接割れを防止で
きることがわかる。
【0052】以上、本発明鋼は既存鋼に比べクリープ強
度がはるかに高く、しかも靱性、溶接性および延性は既
存鋼と同等以上であるという画期的な性能を有すること
が明らかである。
【0053】
【表1(1)】
【0054】
【表1(2)】
【0055】
【表2(1)】
【0056】
【表2(2)】
【0057】
【発明の効果】本発明は 550〜 625℃というよ
うな高温でのクリープ破断強度が著しく高く、かつ靱性
、溶接性に優れた低合金耐熱鋼を提供する。本発明鋼は
、従来、高Crフェライト鋼やオーステナイトステンレ
ス鋼が使用されていた分野で、これらに代えて使用する
ことができるものであり、経済性その他多くの長所をも
つ低合金鋼の用途を拡大して産業上寄与するところが大
きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】常温引張伸びとパラメータ:Ti− (48/
14)N (%) との関係を示すグラフである。
【図2】シャルピー試験の延性−脆性破面遷移温度と上
記のパラメータとの関係を示すグラフである。
【図3】試験した各鋼の 600℃×104hクリープ
破断強度を示す図である。
【図4】同じく各鋼の斜めy字拘束溶接割れ試験による
溶接割れ停止予熱温度を示す図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、C:0.03〜0.12%、S
    i: 0.7%以下、Mn: 0.1〜 1.5%、N
    i: 0.8%以下、P:0.03%以下、S:0.0
    15 %以下、Cr: 1.5〜 3.5%、W:1〜
    3%、V: 0.1〜0.35%、Nb:0.01〜 
    0.1%、B:0.0001〜0.02%、N: 0.
    005%未満、Al: 0.005%未満、Ti: 0
    .001〜 0.1%であり、残部はFeおよび不可避
    不純物からなり、TiとNの含有量が下記の式を満たす
    ことを特徴とするクリープ強度と靱性に優れた低合金耐
    熱鋼。 0.080 ≧  Ti(%) −(48/14) ×
    N (%) ≧ 0.003
  2. 【請求項2】請求項1の成
    分に加えて更にそれぞれ0.01〜0.2 %のLa、
    Ce、Y、Ca、ZrおよびTaならびに0.0005
    〜0.05%のMgのうちの1種以上を含有するクリー
    プ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼。
  3. 【請求項3】請求項1の成分に加えて更にMo:0.0
    1〜0.4 %を含有するクリープ強度と靱性に優れた
    低合金耐熱鋼。
  4. 【請求項4】請求項1の成分に加えて更にMo:0.0
    1〜0.4 %と、それぞれ0.01〜0.2 %のL
    a、Ce、Y、Ca、ZrおよびTaならびに0.00
    05〜0.05%のMgのうちの1種以上を含有するク
    リープ強度と靱性に優れた低合金耐熱鋼。
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