JPH0735548B2

JPH0735548B2 - 高クリープ破断強度を有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼管の製造方法

Info

Publication number: JPH0735548B2
Application number: JP1156341A
Authority: JP
Inventors: 敏荒木; 常利高橋; 瑞夫榊原; 岳雄野口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPH0320410A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ボイラ用鋼管等400℃以上の高温で高クリー
プ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼管の製造方
法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
定着してきており、その過熱器管材料もオーステナイト
系ステンレス鋼のみならず、高温強度および溶接性の良
好な改良型フェライト系耐熱鋼管が使用されている。

例えば、本発明者の一部らが発明し出願した特開昭61−
69948号公報，特開昭61−231139号公報，特開昭62−297
435号公報および特開昭62−297436号公報記載のＷ含有
の８〜13Cr鋼はその代表といえる。

これらのフェライト系耐熱鋼管はオーステナイト系ステ
ンレス鋼に比較して、熱膨張率が小さく、管内表面の水
蒸気酸化スケールの耐剥離性が良好である。このことか
ら、ボイラの昼夜の出力変動および定期修理時の稼働停
止にともなうスケール剥離とその剥離スケールの管内へ
の堆積を回避しうる材料である。

通常、フェライト系耐熱鋼管は熱間押出等の熱間加工、
軟化焼鈍、冷牽、焼準熱処理、焼戻熱処理工程により継
目無鋼管に製造されている。しかし、冷牽工程を通すた
めに、軟化焼鈍と焼準熱処理を必要とし、高価なものに
なっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記フェライト系耐熱鋼管の製造方法から軟
化焼鈍、冷牽あるいはさらに焼準熱処理工程を省略し、
低コストで、従来工程材と同等あるいはそれ以上のクリ
ープ破断強度を有する鋼管の製造方法を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段・作用〕

第１発明は、重量％にて、C:0.03〜0.15％、Si:0.01〜
0.50％,Mn:0.1〜1.5％,Cr:8.0〜13.0％、Mo:0.1〜3.0
％,W:0.1〜3.0％,B:0.0003〜0.010％およびN:0.005〜0.
10％を含有し、さらに、V:0.05〜0.35％,Nb:0.01〜0.12
％の１種又は２種を含有し、残部Feおよび不可避不純物
よりなるフェライト系耐熱鋼を1100℃以上1300℃以下の
温度に加熱して管に熱間加工し、その後730℃以上830℃
以下の温度で焼戻熱処理を行うことを特徴とする高クリ
ープ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼管の製造
方法である。

第２発明は、第１発明における成分に加えて、さらに、
Ni,Coの１種又は２種合計で1.0％以下を含有したフェラ
イト系耐熱鋼を第１発明と同じ条件で熱間加工および焼
戻熱処理を行うことを特徴とする高クリープ破断強度を
有する高Crフェライト系耐熱鋼管の製造方法である。

第３発明は、第１発明と同成分のフェライト系耐熱鋼
を、1100℃以上1300℃以下の温度に加熱して管に熱間加
工し、その後、950℃以上でかつ前記加熱温度より50℃
低い温度以下で焼準熱処理を行い、その後、730℃以上8
30℃以下の温度で焼戻熱処理を行うことを特徴とする高
クリープ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼管の
製造方法である。

第４発明は、第２発明と同成分のフェライト系耐熱鋼を
第３発明と同じ条件で熱間加工、焼準熱処理および焼戻
熱処理を行うことを特徴とする高クリープ破断強度を有
する高Crフェライト系耐熱鋼管の製造方法である。

本発明は、従来のフェライト系耐熱鋼管の製造方法か
ら、第１発明および第２発明では軟化焼鈍、冷牽および
焼準熱処理工程を省略し、第３発明および第４発明では
軟化焼鈍と冷牽工程を省略して、低コストで、従来の冷
牽を有する工程を経て製造した材料と同等あるいはそれ
以上のクリープ破断強度を有する鋼管の製造方法であ
る。

本発明は高クリープ破断強度を発揮しうる材料を対象
に、前記新工程を施すことを特徴とするが、以下に先
ず、成分の限定理由について説明する。

C;Cは焼戻熱処理でのM₂₃C₆（ただしＭは金属元素を指
す）の微細析出によるクリープ破断強度の高位安定化に
不可欠であり、下限を0.03％とする。しかし、過剰添加
は溶接性を劣化させるので上限を0.15％とする。

Si;Siは本来脱酸のために添加される元素であるが、材
質的には靱性に悪影響のある元素である。そこで脱酸に
必要な最少量として下限を0.01％に、靱性確保の点から
上限を0.50％にそれぞれ規定した。

Mn;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。下限を脱酸に必要な最少量として0.1％とし
た。上限を1.5％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る。

Cr;Crは耐水蒸気酸化性および耐高温腐食性に不可欠の
元素であって、耐熱鋼には必ず添加されており、M
₂₃C₆，M₆Cの微細析出により高温強度を高める。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
接性および靱性の点から13.0％とした。

Mo;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。その効果のみられる最少量として下限を0.1％と
した。また、多量に添加すると溶接性を損なうので上限
を3.0％とした。

W;WはMoと同様に固溶強化および炭化物中に固溶して析
出強化により高温強度を顕著に高める元素である。その
効果のみられる最少量として下限を0.1％とした。ま
た、多量に添加すると溶接性を損なうので上限を3.0％
とした。

B;Bは微量添加によってクリープ破断強度を著しく向上
させる。その効果のみられる最少量として下限を0.0003
％とした。しかし、0.010％を超えての添加は熱間加工
性および溶接性を損なうので上限を0.010％とした。

N;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、クリープ破断強度を高める元素である。0.
005％未満では強度への効果が小さいこと、また0.10％
を超すと鋳造時にブローホールを生ずるので下限を0.00
5％、上限を0.10％とした。

以上の各成分の他、次の成分の１種又は２種を添加す
る。

V;Vは析出強化により鋼の高温強度を著しく高める元素
である。下限は600℃前後でのクリープ破断強度を確保
するための最少量である0.05％とする。また、0.35％を
超すとかえって強度低下を生じるので上限を0.35％とし
た。

Nb;NbはNb（C,N）の析出によって高温強度を高めるが、
また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破断強度にも貢献する。この効果
のみられる最少量として下限を0.01％とした。しかし、
0.12％を超すとかえって凝集粗大化を生じて強度を下げ
るので、上限を0.12％とした。

以上が本発明の基本成分であるが、この基本成分におい
て、δフェライトにより靱性劣化のおそれがある場合に
は、NiとCoの１種又は２種を合計で1.0％以下含有させ
ることができる。すなわちNiおよびCoは共にオーステナ
イト生成元素であって、δフェライトの量を抑制するた
めに１種又は２種添加される。1.0％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とともに、長時間
クリープ破断強度の低下度合いが大きくなるので、上限
を1.0％とした。

次に本発明の製造方法について説明する。

第１発明〜第４発明いずれも、先ず、鋼片を1100℃以上
1300℃以下の温度に加熱して管に熱間加工する。加熱温
度が1100℃より低温では、材料の変形抵抗が高くなりす
ぎて製造が困難な場合がある。また、Nb添加鋼の場合、
加熱温度が1100℃より低温ではNb（C,N）の十分な固溶
が得られず、後の焼戻熱処理において、Nb（C,N）、M₂₃
C₆およびM₆Cの微細析出効果が抑制され、クリープ破断
強度への寄与が小さくなる。一方、加熱温度が1300℃を
超えると表面の酸化が激しくなり、良好な表面肌が得ら
れなくなる。よって、熱間加工前の加熱温度の下限を11
00℃、上限を1300℃に設定した。

第１発明、第２発明共に、熱間加工後、730℃以上830℃
以下の温度で焼戻熱処理を行う。焼戻熱処理は730℃よ
り低温で行うと熱戻効果が十分でなく、常温および高温
引張強さが過度に高く、靱性が低下すること、長時間側
のクリープ破断強度の低下度合いが大きくなること等の
不具合を生じる。又、830℃より高温で行うとオーステ
ナイト相が生じ、急激に硬化する。よって、焼戻熱処理
温度として、下限を730℃、上限を830℃に設定した。

一方第３発明、第４発明は、熱間加工後、950℃以上で
かつ熱間加工前の加熱温度より50℃低い温度以下で焼準
熱処理を行い、その後焼戻熱処理を第１発明、第２発明
と同じ条件で行う。焼準熱処理を950℃より低温で行う
と、Nb（C,N）、Ｖ（C,N）およびM₂₃C₆の析出および粗
大化が生じ、次の焼戻熱処理においてNb（C,N）及びＶ
（C,N）を核としたM₂₃C₆の微細析出が期待できないのみ
ならず、M₂₃C₆が粗大化し、機械的性質を損なう。ま
た、熱間加工前の加熱温度より50℃低い温度を超えての
焼準熱処理を行うと、オーステナイト結晶粒が過度に粗
大化し、靱性を損なう。よって、第３発明、第４発明に
おける焼準熱処理温度の下限を950℃、上限を熱間加工
前の加熱温度より50℃低い温度とした。

なお本発明における熱間加工とは、熱間押出、圧延、鍛
造あるいはその他の製管方法を意味する。

第１発明、第２発明は、第３発明、第４発明に対し、焼
準熱処理を熱間加工時の加熱で代用した形式の工程であ
る。熱間加工での加工終了温度が高温に維持できる場
合、焼準熱処理を省略しても、Nb,Vの炭窒化物が十分固
溶して、クリープ破断強度の一層の高強度化を実現する
と共に、加工再結晶により結晶粒の微細化が行われ、高
靱性の材料の製造を可能とする。例えば、熱間押出工程
は瞬時の加工が可能であり、加工終了温度が熱間押出前
のビレット加熱温度とほぼ同等に維持できる利点を有し
ている。

一方、熱間加工時の仕上げ温度が950℃より低温になる
場合、Nb（C,N）、Ｖ（C,N）およびM₂₃C₆の析出および
粗大化が生じ好ましくない。従って、第３発明、第４発
明では、次の焼準熱処理においてこれらの析出物を十分
に固溶することが必要である。

〔実施例〕

次に本発明の効果を実施例について具体的に述べる。

第１表に供試鋼の化学組成を示す。

第１表に示すもののうちＡ〜Ｅは鋼は本発明の成分範囲
内の鋼あり、Ｆ鋼は成分範囲外の比較鋼である。

比較鋼Ｆ鋼はASTM A213 T91に相当する9Cr−1Mo鋼であ
りＡ鋼およびＢ鋼はこれにＷおよびＢを添加し、δフェ
ライト量適正化のため、Moを約0.5％に低減した成分系
であり、クリープ破断強度を向上させた成分系である。
Ｃ鋼,D鋼およびＥ鋼はCr量を12％まで増加し、耐高温腐
食性および耐水蒸気酸化性を向上させた成分系である。

Ａ鋼およびＣ鋼は、Ni,Coを含有しない第1,第３発明例
であり、Ｂ鋼,D鋼およびＥ鋼はNi,Coの１種または２種
を含有する第2,第４発明の成分範囲内にある。

第２表に供試材の製造方法と材質特性を示す。

Ａ鋼,C鋼およびＥ鋼は150kg真空溶解による丸鋼塊を用
い、Ｂ鋼およびＤ鋼は10t真空溶解、連続鋳造による丸
ブルームを用い、また、Ｆ鋼は60t電気炉溶解、AOD精
錬、連続鋳造による丸ブルームを用いて、第２表に示す
製造条件で管とした。なお、第２表中の熱間加工はいず
れも熱間押出である。

A1は第１発明例、B1,B2およびD1は第２発明例、A2およ
びC1は第３発明例、B3,D2およびE1は第４発明例であ
る。

A3,B4,C2,D3およびE2は本発明範囲内の成分系のものに
熱間押出後の軟化焼鈍および冷牽を施した従来例であ
る。また、B5は軟化焼鈍および冷牽を行わない工程であ
るが、焼準熱処理温度が1150℃と高く、本発明範囲の熱
間押出温度（1190℃）より50℃低い温度以下の条件を満
たさない比較例、また、B6は焼戻熱処理温度が720℃と
低く、本発明範囲の730℃以上の条件を満たさない比較
例である。さらにＦ鋼は本発明範囲の成分系に属さない
供試鋼である。

本発明鋼はいずれも、同一成分の供試鋼に軟化焼鈍およ
び冷牽を施した従来例（A3,B4,C2,D3およびE2）と同等
あるいはそれ以上の600℃、10⁴ｈクリープ破断強度およ
び20℃シャルピー衝撃値を有する。特に、熱間押出後の
焼準熱処理を行わない第１発明例あるいは第２発明例の
A1,B1,B2およびD1のクリープ破断強度はそれぞれ従来例
のA3,B4,およびD3より高いクリープ破断強度を有する。

次に、高温焼準の比較例B5および低温焼戻の比較例B6は
従来例B4と同等あるいはそれ以上のクリープ破断強度を
示すものの、シャルピー衝撃値が低い。また、本発明範
囲の成分系に属さない供試鋼を用いたF1,F2およびF3は
いずれもクリープ破断強度が低い。

なお、Ｂ鋼について、第２表に示す熱間押出以外の熱間
加工法として、シームレス圧延による加工を1200℃加熱
で実施し、その後、B3と同様に1050℃で焼準熱処理、78
0℃で焼戻熱処理を行った。その結果、600℃，10⁴ｈク
リープ破断強度は19.6kgf/mm²,20℃シャルピー衝撃値は
23.1kgf-m/cm²で、B3とほぼ同等の特性が得られた。

〔発明の効果〕以上の如く本発明は従来のフェライト系耐熱鋼管の製造
方法から軟化焼鈍、冷牽あるいはさらに焼準熱処理を省
略し、低コストで、従来工程材と同等あるいはそれ以上
のクリープ破断強度およびシャルピー衝撃値を有する鋼
の製造を可能としたものであり、産業界に貢献するとこ
ろが極めて大きい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野口岳雄山口県光市大字島田3434番地新日本製鐵株式會社光製鐵所内 (56)参考文献特開平２−138417（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％にて、C:0.03〜0.15％,Si:0.01〜0.
50％,Mn:0.1〜1.5％,Cr:8.0〜13.0％,Mo:0.1〜3.0％,W:
0.1〜3.0％,B:0.0003〜0.010％およびN:0.005〜0.10％
を含有し、さらに、V:0.05〜0.35％,Nb:0.01〜0.12％の
１種又は２種を含有し、残部Feおよび不可避不純物より
なるフェライト系耐熱鋼を1100℃以上1300℃以下の温度
に加熱して管に熱間加工し、その後730℃以上830℃以下
の温度で焼戻熱処理を行うことを特徴とする高クリープ
破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼管の製造方
法。
【請求項２】重量％にて、C:0.03〜0.15％,Si:0.01〜0.
50％,Mn:0.1〜1.5％,Cr:8.0〜13.0％,Mo:0.1〜3.0％,W:
0.1〜3.0％,B:0.0003〜0.010％およびN:0.005〜0.10％
を含有し、さらにNi,Coの１種又は２種合計で1.0％以下
と、V:0.05〜0.35％,Nb:0.01〜0.12％の１種又は２種を
含有し、残部Feおよび不可避不純物よりなるフェライト
系耐熱鋼を1100℃以上1300℃以下の温度に加熱して管に
熱間加工し、その後730℃以上830℃以下の温度で焼戻熱
処理を行うことを特徴とする高クリープ破断強度を有す
る高Crフェライト系耐熱鋼管の製造方法。
【請求項３】重量％にて、C:0.03〜0.15％,Si:0.01〜0.
50％,Mn:0.1〜1.5％,Cr:8.0〜13.0％,Mo:0.1〜3.0％,W:
0.1〜3.0％,B:0.0003〜0.010％およびN:0.005〜0.10％
を含有し、さらに、V:0.05〜0.35％,Nb:0.01〜0.12％の
１種又は２種を含有し、残部Feおよび不可避不純物より
なるフェライト系耐熱鋼を1100℃以上1300℃以下の温度
に加熱して管に熱間加工し、その後950℃以上でかつ前
記加熱温度より50℃低い温度以下で焼準熱処理を行い、
その後730℃以上830℃以下の温度で焼戻熱処理を行うこ
とを特徴とする高クリープ破断強度を有する高Crフェラ
イト系耐熱鋼管の製造方法。
【請求項４】重量％にて、C:0.03〜0.15％,Si:0.01〜0.
50％,Mn:0.1〜1.5％,Cr:8.0〜13.0％,Mo:0.1〜3.0％,W:
0.1〜3.0％,B:0.0003〜0.010％およびN:0.005〜0.10％
を含有し、さらにNi,Coの１種又は２種合計で1.0％以下
と、V:0.05〜0.35％,Nb:0.01〜0.12％の１種又は２種を
含有し、残部Feおよび不可避不純物よりなるフェライト
系耐熱鋼を1100℃以上1300℃以下の温度に加熱して管に
熱間加工し、その後950℃以上でかつ前記加熱温度より5
0℃低い温度以下で焼準熱処理を行い、その後730℃以上
830℃以下の温度で焼戻熱処理を行うことを特徴とする
高クリープ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼管
の製造方法。