JPH0454737B2

JPH0454737B2 -

Info

Publication number: JPH0454737B2
Application number: JP61235998A
Authority: JP
Inventors: Katsukuni Hashimoto; Koki Masumoto; Mizuo Sakakibara; Toshio Fujita
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-10-03
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 1992-09-01
Also published as: JPS6389644A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は高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、靱性のすぐれたフエライ
ト系Cr含有ボイラ鋼管用鋼に係わるものである。（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
らボイラの効率を高めるためには圧力を高めた超
臨界圧ボイラが使用されている。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鋼の出現
が待ち望まれていた。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
昭56−34628号公報、(ロ)特開昭59−153865号公報、
或いは(ハ)は特願昭59−68377号公報により提案を
行つている。これらの内(イ)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の制限により靱性の向上を図
り、ＶとSi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
プ強度の向上が望まれている。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。（発明が解決しようとする問題点）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
するために融点が高く、拡散速度の遅いＷを1.8
％以上と多量に添加することが有効であり、また
Ｗの一部をごく少ない範囲のMo量でおきかえて
も有効であるとの知見を得、之にもとづいて著し
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。（問題点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、本発明の鋼は重量％でC0.03〜0.12％、
Mn0.1〜1.5％、Cr8.0〜13.0％、W2.0〜3.0％、
V0.05〜0.30％、Nb0.02〜0.12％、N0.02〜0.10
％、Mo0.02％以上0.1％未満を含有し、Si0.01〜
0.25％に制限し、必要によりB0.001％超0.008％
以下を含有することを特徴とする高強度フエライ
ト系ボイラ鋼管用鋼である。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0.12％以下とした。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
が著しく損なわれる。しかるにＣを0.12％以下に
保てば溶接熱影響部の最高硬さが低下し、溶接割
れの防止を容易に行ないうるので上限を0.12％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1.5％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8.0％とし、上限は溶接性及び靭性の
点から13.0％とした。Ｗは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。その量は1.8％を境にして効果
が急激に増大する傾向があるが、効果が安定的に
大きい2.0％を下限値とした。また３％を超えて
添加すると溶接性、耐酸化性を損うので上限を
3.0％と定めた。ＶはＷ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M₂₃C₆、
M₆Cの一部に置換し、析出物の粗大化の抑制に
顕著な効果を示す。しかし600℃前後でSUS347
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％未満では不十分であり、また0.30％を
超すと知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、また初期の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
と却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。Ｎはマトリツクスに固溶しあるいは窒化物、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0.10％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0.10％、下限を0.02％とした。一方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、
0.25％以下に抑えると加熱脆化の少ないことが分
かつた。そこでSiの含有量を0.25％以下に制限す
るものである。なお好ましい範囲は0.10％以下で
ある。また、下限を0.01％としたのは、脱酸等が不充
分でこれ未満では健全な内質の製品を得ることが
出来ないことからこの値に決めた。 MoはＷと同様な効果があり、高温強度を高め
る効果はあるが、Ｗにくらべ炭化物の微細化およ
び粗大化抑制効果が弱い。しかし、W2.0％以上
の範囲において、（Ｗ＋Mo）の相乗効果が大き
くなるので、同時添加する。第１図は、Ｗ含有量が異なる場合のクリープ破
断寿命に及ぼすMo含有量の影響を示すが、特に
Ｗ含有量の高い場合の微量Mo添加の強度向上効
果が大きいことが分かる。しかし、その量が多す
ぎると、溶接性、耐酸化性に悪影響が出る。従つ
て、Moの含有量の上限は、Ｗ含有量が高い場合
に溶接性に実質的な影響の現われはじめる0.1％
未満とした。また、下限はＷ含有量が高い場合に
クリープ破断寿命に効果が現われる0.02％とし
た。また本発明においては、さらにクリープ強度増
大の目的でＢを含有することができる。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％以下
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％超とした。なお、溶解の履歴によつて鋼中に不純物として
0.3％以下のNi、Coが含有される場合があるが、
本発明鋼の特性を何ら損うものではない。（実施例）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。第１表に供試鋼の化学組成、650℃、18Kgｆ／
mm²の条件でのクリープ破断時間、破断伸び、また
溶接性を表わす斜めＹ形溶接割れ試験における割
れ停止温度、さらには600℃、1000時間時効後の
衝撃値、および常温引張特性を示す。第１表に示すもののうち、No.８、No.10〜11およ
びNo.16〜19鋼は本発明鋼であり、その他は比較鋼
である。比較鋼のうち、No.１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.
２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。No.３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て著し
く高いので溶接性、加工性に難点がある。No.４〜
６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、No.９鋼
はＷ量は適性範囲内にあるものの、Mo量が適性
範囲の下限を切るものであつて、やはり十分なク
リープ破断強度が確保できない。No.12鋼は、その
Mo量がその適性範囲の上限を超すものであつ
て、溶接性が悪い。No.13鋼は、そのＷ量がその適
性範囲の上限を超すものであつて、高温長時間使
用後の靭性が著しく低下する。No.14、No.15鋼はそ
れぞれＣ量の下限および上限を超すものであつ
て、クリープ破断強度が低いか、溶接性が悪い。これに対して、本発明鋼は既存のフエライト系
ボイラ鋼管用鋼である比較鋼No.１〜３鋼と比較し
て相当にすぐれており、同一応力レベルではかな
り高い温度まで使用できる。また靭性としては既
存のX20CrMoV121鋼（比較鋼No.３）と比較して
同等であつて実質的に全く問題はない。なお、No.
16〜18鋼は不純物としてそれぞれ0.25％Ni、0.26
％Coおよび0.15％Ni＋0.14％Coを含有している
が、他の発明鋼と比べて特性上遜色はない。また、本発明鋼は溶接性の点からは２ 1/4Cr
−1Mo鋼に準じたもので極めて使い易い鋼であ
る。

【表】

【表】 (注) ○印：比較鋼
（発明の効果）以上の如く本発明鋼は従来のフエライト系ボイ
ラ鋼管用鋼にくらべ、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650℃、18Kgｆ／mm²のクリープ破断寿
命に及ぼすMo含有量の影響を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、
Cr8.0〜13.0％、W2.0〜3.0％、V0.05〜0.30％、
Nb0.02〜0.12％、N0.02〜0.10％、Mo0.02％以上
0.1％未満を含有し、Si0.01〜0.25％に制限し、残
部Fe及び不可避不純物よりなることを特徴とす
る高強度フエライト系ボイラ鋼管用鋼。２重量％でC0.03〜0.12％、Mn0.1〜1.5％、
Cr8.0〜13.0％、W2.0〜3.0％、V0.05〜0.30％、
Nb0.02〜0.12％、N0.02〜0.10％、B0.001％超
0.008％以下、Mo0.02％以上0.1％未満を含有し、
Si0.01〜0.25％に制限し、残部Fe及び不可避不純
物よりなることを特徴とする高強度フエライト系
ボイラ鋼管用鋼。