JPH10140280A - 高温強度に優れた低Ｃｒフェライト鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温強度に優れ、優れた溶接特性を有する低
Ｃｒフェライト鋼に関する。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜１％、
Ｐ：０．００２〜０．０２５％、Ｓ：０．００２〜０．
０１５％、Ｃｒ：０．８〜３％、Ｎｉ：０．０１〜１
％、Ｍｏ：０．１〜１％、Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｗ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．０１〜０．１６％、Ｔ
ａ：０．０１〜０．１６％、Ａｌ：０．００３〜０．０
５％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．００３
〜０．０３％を含み残部は鉄および不可避的不純物から
なり、かつＮｂおよびＴａの添加量が０．０２％≦Ｎｂ
＋Ｔａ≦０．１７％の条件を満たす高温強度に優れた低
Ｃｒフェライト鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温高圧下で使用さ
れる蒸気発生器、ボイラ等の熱交換器など、特に５００
℃以上の高温環境下で使用される部材として好適な低Ｃ
ｒフェライト鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、化学工業、原子力用などの高温
耐熱耐圧部材としては、オーステナイト系ステンレス
鋼、Ｃｒ含有量が９〜１２％の高Ｃｒフェライト鋼、２
・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼に代表される低Ｃｒフェライト
鋼、炭素鋼などがある（本明細書において、合金成分の
含有量はすべて重量％である）。これらは対象部材の使
用温度、圧力、使用環境などに応じ、かつ経済性を考慮
して選択されている。近年では蒸気条件がより高温高圧
化しており、耐腐食性よりも、むしろ高温強度特性要求
されることから、高強度高Ｃｒフェライト鋼がコスト的
に不利であった場合でも使用されている。低Ｃｒフェラ
イト鋼は高Ｃｒフェライト鋼に比べ、Ｃｒ含有量が少な
いため安価であり、高温強度が高Ｃｒフェライト鋼と同
等以上であれば、耐食性が問題とならない箇所での使用
が期待される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は５０
０℃以上の温度における高温クリープ強度を大幅に改善
すると共に、靱性、加工性、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し、高Ｃｒフェライト鋼に
代替できる低Ｃｒフェライト鋼を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は（１）重量％
で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：０．０５〜０．
７％、Ｍｎ：０．０５〜１％、Ｐ：０．００２〜０．０
２５％、Ｓ：０．００２〜０．０１５％、Ｃｒ：０．８
〜３％、Ｎｉ：０．０１〜１％、Ｍｏ：０．１〜１％、
Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．１〜３％、Ｎｂ：
０．０１〜０．１６％、Ｔａ：０．０１〜０．１６％、
Ａｌ：０．００３〜０．０５％、Ｂ：０．０００１〜
０．０１％、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含み残部は
鉄および不可避的不純物からなり、かつＮｂおよびＴａ
の添加量が下記（ａ）式の条件を満たす高温強度に優れ
たことを特徴とする低Ｃｒフェライト鋼及び（２）さら
に上記の成分に加えて更に、重量％で０．０１〜０．２
％のＬａ、Ｃｅ、ＹおよびＣａのうち、１種もしくは２
種以上を含有した高温強度に優れたことを特徴とする低
Ｃｒフェライト鋼を提供するものである。以下に各成分
の作用とその含有量の選定理由を説明する。

【化２】 ０．０２％≦Ｎｂ＋Ｔａ≦０．１７％・・・・・（ａ）

【０００５】

【発明の実施の形態】ＣはＣｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ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として組織を
安定化する。０．０３％未満では炭化物析出が不十分
で、また、０．１２％を越える場合は炭化物が過剰析出
して鋼が著しく硬化し加工性が悪くなる。すなわち、Ｃ
の適正含有量は０．０３〜０．１２％である。

【０００６】Ｓｉは脱酸剤として働き、また耐水蒸気酸
化特性を高める元素であるが、０．７％を越えると靱性
が著しく低下し、強度に対しても有害である。とくに大
型鍛鋼品では焼戻し脆化を助長するので、Ｓｉの含有量
は０．０５〜０．７％とする。

【０００７】Ｍｎは鋼の熱間加工性を改善し組織の安定
化に有効であるが、０．０５％未満では十分な効果が得
られず、１％を越えると鋼を硬化させ加工性を損なうと
ともに、Ｓｉと同様に焼戻し脆化感受性を高める。よっ
てＭｎの含有量は０．０５〜１％とする。

【０００８】Ｐ、Ｓはいずれも靱性、加工性に有害な元
素で、Ｓが極微量であっても粒界やＣｒ₂ Ｏ₃ スケール
皮膜を不安定にし、強度、靱性、加工性劣化の原因とな
るから、上記の許容範囲内でもできるだけ少ないほうが
よい。不可避な含有量として、Ｐは０．００２〜０．０
２５％、Ｓは０．００２〜０．０１５％とした。

【０００９】Ｃｒは低合金鋼の耐酸化性、高温腐食性の
点から不可欠な元素であり、その含有量が０．８％未満
では十分な耐酸化性、高温腐食性が得られない。一方、
３％を越えて添加すると強度と靱性を損なう。従って、
Ｃｒの含有量は０．８〜３％とする。

【００１０】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、その含有量が１％を越える
と高温クリープ強度を損なう。また経済性を鑑みても大
量添加は不利である。従ってＮｉの含有量は０．０１〜
１％とする。

【００１１】Ｍｏはクリープ強度の向上に有効である
が、０．１％未満では十分な効果が得られず、１％を越
えると靱性が低下するだけでなく強度に対しても効果が
なくなる。従って０．１〜１％とする。

【００１２】ＶはＣ、Ｎと結合してＶ（Ｃ、Ｎ）等の微
細析出物を形成する。この析出物は高温での長時間クリ
ープ強度の向上に大きく寄与するが、０．０５％未満で
は十分な効果が得られず、０．５％を越える場合にはか
えってクリープ強度を損なう。よってＶの適正含有量は
０．０５〜０．５％である。

【００１３】Ｗは固溶強化および微細炭化物析出強化元
素としてクリープ強度の向上に有効であり、０．１％未
満では効果がなく、３％を越えると鋼を硬化させて加工
性を損なうため０．１〜３％の範囲とする。

【００１４】ＮｂおよびＴａはＶと同様Ｃ、Ｎと結合し
てＮｂ（Ｃ、Ｎ）およびＴａ（Ｃ、Ｎ）を形成しクリー
プ強度に寄与する。特に６００℃以下の比較的低温では
著しい強度改善効果を示す。本発明ではＶおよびＮｂを
単独添加した場合のクリープ強度に与える影響を種々検
討した結果、ＮｂおよびＴａを同時添加（以下複合添加
と称す）した場合に著しい強度改善がなされることを見
いだした。しかし、過剰に添加した場合、クリープ強度
が低下するだけではなく靱性が著しく低下する。それぞ
れ０．０１％未満では上記の効果が得られず、また０．
１７％を越える場合は未固溶ＮｂＣおよびＴａＣが増
え、クリープ強度と靱性を損なう。したがってＮｂおよ
びＴａ添加量はそれぞれ０．０１％〜０．１６％とし、
かつ０．０２％≦Ｎｂ＋Ｔａ≦０．１７％とする。

【００１５】Ａｌは脱酸素元素として必須であり、含有
量として０．００３％未満では効果がなく、０．０５％
を越える場合はクリープ強度と加工性を損なうため、Ａ
ｌの含有量は０．００３〜０．０５％とする。

【００１６】Ｂは極微量の添加により炭化物の分散、安
定化させる効果がある。０．０００１％未満ではその効
果が小さく、０．０１％を越えると加工性を損なうか
ら、Ｂの添加はその含有量を０．０００１〜０．０１％
の範囲にするのがよい。

【００１７】ＮはＶ、Ｎｂとの炭窒化物形成に必要で、
０．００３％未満ではその効果がない。しかしながら
０．０３％を越える場合は組織が微細化するとともに窒
化物が粗大化し、強度と靱性、加工性を損なう。よって
Ｎの含有量は０．０３％以下とし、０．００３〜０．０
３％とする

【００１８】Ｌａ、Ｃｅ、ＹおよびＣａは不純物である
Ｐ、Ｓ、Ｏとそれらの析出物（介在物）の形態制御を目
的として必要に応じて添加する。これらの元素を１種あ
るいは２種以上をそれぞれ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。これらの含有量は０．０１％未満
では効果がなく、０．２％を越えて添加すると介在物が
増加し、かえって靱性、強度を損なう。よって、これら
の元素を添加する場合はそれぞれ０．０１〜０．２％と
する。

【００１９】

【実施例】第１表に示す化学成分の鋼を５０ｋｇ真空溶
解炉で溶解し、インゴットを１１５０℃〜９５０℃で鍛
造して厚さ２０ｍｍの板とした。

【００２０】Ｎｏ．１鋼およびＮｏ．２鋼は既存の代表
的な低Ｃｒフェライト鋼の成分であり、それぞれＪＩＳ
のＳＴＢＡ２２およびＳＴＢＡ２４に相当する成分であ
る。Ｎｏ．３鋼〜Ｎｏ．１７鋼はＮｏ．１鋼、Ｎｏ．２
鋼にＶおよびＮｂまたはＴａを単独添加した比較鋼であ
る。Ａ〜Ｍ鋼が本発明鋼であり、ＮｂおよびＴａを複合
添加したものである。Ｎｏ．１鋼およびＮｏ．２鋼は通
常の熱処理として９２０℃×１ｈ・ＡＣの焼きならし
後、７４０℃×１ｈ・ＡＣの焼き戻しを行った。Ｎｏ．
３鋼〜Ｎｏ．１７鋼およびＡ鋼〜Ｍ鋼は１０５０℃×１
ｈ・ＡＣの焼きならし後、７７０℃×１ｈ・ＡＣの焼き
戻しを行った。

【００２１】

【表１】

【００２２】機械的性質を比較するため、比較鋼および
本発明鋼に対して、引張試験、シャルピー衝撃試験、ク
リープ破断試験を行った。引張試験およびクリープ試験
は板の長手方向に直径６ｍｍ×標点間距離３０ｍｍの試
験片を採取した。引張試験は常温と６００℃にて、クリ
ープ試験は５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃に
おいて最長１００００ｈ程度の長時間破断試験を行い６
００℃×１０⁵ ｈクリープ破断強度を求めた。シャルピ
ー衝撃試験はＪＩＳ Ｚ２２０２に準拠して、４号試験
片を板の長手方向に採取し、延性−脆化破面遷移温度を
求めた。また、溶接性について評価するため、試験板の
厚さを２０ｍｍ、予熱温度を２０℃、５０℃、１００
℃、１５０℃、２００℃として、ＪＩＳ Ｚ３１５８の
ｙ型溶接割れ試験を行った。断面割れ率が０％となる温
度を割れ防止温度とした。

【００２３】第２表に試験結果を示す。本発明鋼は引張
強さおよび０．２％耐力において、比較鋼と比べ、同等
以上の強さを示しており、６００℃の高温引張試験結果
においても同様の傾向である。図１にＮｂおよびＴａの
添加量とクリープ破断強度の関係を示す。６００℃での
クリープ破断強度はＮｂおよびＴａを複合添加した場
合、既存鋼を大きく上回る強度を有しており、Ｎｂおよ
びＴａを単独添加したものに比べ著しく高いクリープ強
度を有することがわかる。本発明鋼はＮｂおよびＴａを
複合添加することが必須であり、複合添加により単独添
加ではなし得なかった著しいクリープ強度の向上が可能
であることがわかる。ｙ型溶接割れ試験から、比較鋼は
すべて１５０℃以上の予熱を要するのに対し、本発明鋼
は２０〜１００℃の予熱により割れが防止できることが
わかる。以上、具体的に示したように、本発明鋼は従来
鋼を大幅に上回る高温強度と優れた溶接性を有している
ことから、耐熱部の薄肉化と溶接に伴う予熱を低減でき
る材料である。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】本発明は従来の低合金鋼の高温強度を大
幅に改善し、高Ｃｒフェライト鋼と同等以上の高温強度
と優れた溶接特性を有する低Ｃｒフェライト鋼を提供す
るものである。この鋼は高温強度に優れていることか
ら、高Ｃｒフェライト鋼の代替材として、また、溶接性
に優れていることから、溶接時の予熱を省略できる可能
性があり、フェライト鋼の長所である靱性、加工性、経
済性を兼ね備えた材料として、ボイラ、化学工業、原子
力などの産業分野で使用される耐熱耐圧部材として管、
板、その他さまざまな形状の鍛造品などに広く適用でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＮｂおよびＴａ添加量とクリープ破断強度の関
係を示す図表。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜１％、
   Ｐ：０．００２〜０．０２５％、Ｓ：０．００２〜０．
   ０１５％、Ｃｒ：０．８〜３％、Ｎｉ：０．０１〜１
   ％、Ｍｏ：０．１〜１％、Ｖ：０．０５〜０．５％、
   Ｗ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．０１〜０．１６％、Ｔ
   ａ：０．０１〜０．１６％、Ａｌ：０．００３〜０．０
   ５％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎ：０．００３
   〜０．０３％を含み残部は鉄および不可避的不純物から
   なり、かつＮｂおよびＴａの添加量が下記（ａ）式の条
   件を満たす高温強度に優れたことを特徴とする低Ｃｒフ
   ェライト鋼。 【化１】 ０．０２％≦Ｎｂ＋Ｔａ≦０．１７％・・・・・（ａ）
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成分に加えて更に、重
   量％で０．０１〜０．２％のＬａ、Ｃｅ、ＹおよびＣａ
   のうち、１種もしくは２種以上を含有した高温強度に優
   れたことを特徴とする低Ｃｒフェライト鋼。