JP2001131682A

JP2001131682A - 高強度低合金耐熱鋼

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Publication number: JP2001131682A
Application number: JP2000226955A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Komai; 伸好駒井; Fujimitsu Masuyama; 不二光増山; Tomomitsu Yokoyama; 知充横山; Hiromasa Hirata; 弘征平田; Yoshiori Kono; 佳織河野; Takao Suga; 孝雄菅
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2001-05-15
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: ES2202017T3; KR20010021263A; JP3565331B2; EP1081244A1; US6379611B1; CN1286317A; ATE243779T1; DE60003501D1; KR100386134B1; EP1081244B1; CN1103380C; DE60003501T2

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐再熱割れ性を有する高強度Ｗ含有低合
金耐熱鋼を提供する。【解決手段】質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：1％以
下、Mn：2％以下、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、N
i：0.5％以下、Cu：0.5％以下、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：
0.1〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、
Ｗ：1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.05％、Ｂ：0〜0.02％、
Al：0.1％以下、Ｏ：0.1％以下を含み、Ｎ含有量が下記
の(1)式を満足し、残部が不可避的不純物からなり、か
つ、平均結晶粒径が110μｍ以下である溶接性に優れた
高強度低合金耐熱鋼。［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接後の熱処理の
際に発生する割れ感受性の低い、いわゆる耐再熱割れ性
に優れた高強度低合金耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、化学装置などの耐熱、耐圧配管
に用いられる高温材料としては、数％のCrを含有する低
合金耐熱鋼、9〜12％のCrを含有する高Crフェライト系
耐熱鋼、18％Cr−8％Ni鋼に代表されるオーステナイト
系ステンレス鋼などがよく知られている。中でも、2.25
％Cr−1％Mo鋼（いわゆる、2 1/4％Cr−1％Mo鋼）に代
表される低合金耐熱鋼は、安価であるため使用環境に応
じて多量に使用されている。

【０００３】数％のCrを含有する低合金耐熱鋼は、一般
に焼き戻しベイナイト、焼き戻しマルテンサイトなどの
いわゆるフェライト系の組織からなり、高Cr系耐熱鋼や
オーステナイト組織からなる鋼に比べて高温強度が低
い。このため、近年この低合金鋼をベースにMo、Ｗ、N
b、Ｖ量などを添加して高温強度を高めた低合金耐熱鋼
またはその製造方法が下記のごとく数多く提案されてい
る。

【０００４】(1) Cr：0.7〜3％、Mo：0.3〜1.5％、Ｖ：
0.05〜0.35％、Nb：0.01〜0.12％、Ｎ：0.01〜0.05％を
含有し、更にＷ：0.5〜2.4％、Ｂ：0.0005〜0.015％、A
l：0.1％以下、Ti：0.05〜0.2％に調整した鋼を、1100
℃以上の温度に加熱したのち常温までに冷却し、常温あ
るいは加工中または冷却途中において再結晶を生じない
温度域で塑性加工を施し、最後に1100℃よりも低い温度
で焼準及びA_C1温度以下での焼き戻し処理を行うことに
より、溶接熱影響部の軟化の程度を軽減し、さらに母材
の衝撃性質を改善した上で、約600℃までの温度で使用
できる鋼の製造方法（特許第2659813号公報、参照）。

【０００５】(2) 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％
を含有し、必要に応じてそれぞれ0.01〜0.2％のLa、C
e、Ｙ、Ca、ZrおよびTaならびに0.0005〜0.05％のMgの
うちの１種以上を含有し、さらにMo：0.01〜0.4％を含
有し、TiとＮの含有量が「0.080≧Ti(%)−(48/14)Ｎ(%)
≧0.003」を満足するクリープ強度と靱性に優れた低合
金耐熱鋼（特開平4-268040号公報、参照）。

【０００６】(3)Cr：1.5〜3.5％、Ｗ：1.0〜3.0％、
Ｖ：0.10〜0.35％、Nb：0.01〜0.10％、Ｂ：0.0001〜0.
02％、Ｎ：0.005％未満、Al：0.005％未満、Ti：0.001
％以上0.050％未満、Cu：0.10〜2.50％からなり、必要
に応じてMo：0.01〜0.40％、更に0.01〜0.20％のLa、C
e、Ｙ、Ca、ZrおよびTaならびに0.0005〜0.05％のMgの
うちの１種以上を含有し、不純物中のＰ：0.03％以下、
Ｓ：0.015％以下である靱性とクリープ強度に優れた低C
rフェライト系耐熱鋼（特開平5-345949号公報、参
照）。

【０００７】この鋼は、クリープ強度を高めるため、Ｎ
含有量およびAl含有量を0.005％未満に制限し、Tiを添
加してＮを固定した上でＢを添加したものである。ま
た、溶接部の靱性を改善するのため、Ti、CuおよびＷを
添加し、更に、耐酸化性および耐食性を改善するのため
にCuを、強度を改善するのためにＶ、NbおよびＷを添加
した鋼である。

【０００８】(4) Cr：0.8〜3.5％、Ｗ：0.01〜3.0％、
Ｖ：0.1〜0.5％、Nb：0.01〜0.20％、Al：0.001〜0.05
％、Mg：0.0005〜0.05％、Ｂ：0.0020〜0.02％、Ｎ：0.
005％未満、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.015％以下を含み、
必要に応じてMo：0.01〜1.5％、更に0.01〜0.2％のLa、
Ce、Ｙ、CaおよびTaのうちの１種以上を含有し、残部が
Feおよび不可避不純物からなり、Ｂ含有量が下記(a)式
を満たす高温強度に優れた極低Mn低Crフェライト耐熱鋼
（特開平8-325669号公報、参照）。 (14/11)B＞N−N(V/51)／{(C/12)＋(N/14)}−N(Nb/93)／{(C/12)＋(N/14)}・・・(a) この鋼は、Ｗを添加して高温クリープ強度を高め、長時
間使用後にＷによる効果が低減するのを抑えるためにMn
を0.1％未満に制限し、Ｂを添加して強度低下、靱性低
下を防ぎ、高温クリープ強度を高めたものである。Ｂの
効果を確実なものとするためＢ含有量が上記のＮ、Ｖ、
ＣおよびNbの関係式で規制されている。

【０００９】(5) Cr：0.3〜1.5％、Ｗ：0.1〜3％、Ｖ：
0.01〜0.5％、Nb：0.01〜0.2％、Al：0.001〜0.05％、
Ｂ：0.0001〜0.02％、Ｎ：0.001〜0.03％、Ｐ：0.025％
以下、Ｓ：0.015％以下を含み、必要に応じてMo：0.01
〜3％、さらにそれぞれ0.01〜0.2％のCa、Ti、Zr、Ｙ、
La、Ce、Taおよび0.0005〜0.05％のMgのうちの１種以上
を含有する溶接性及び高温強度に優れたフェライト鋼
（特開平10-8194号公報、参照）。

【００１０】この鋼は、450℃以上の温度における高温
クリープ強度が改善され、かつ靱性、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フェライト鋼である。

【００１１】上記のような低合金耐熱鋼を溶接施工する
場合には、溶接低温割れが発生するという問題がある。
そのため、溶接低温割れ防止を目的に溶接前に予熱した
り、溶接後に熱処理を施すのが一般的である。しかし、
これらの低合金耐熱鋼は「溶接後熱処理基準とその解
説」（日本高圧力技術協会、応力焼鈍委員会編、日刊工
業新聞社、1994.9.26発行）のp.10、22〜23、100、150
に示されているように溶接後の熱処理時に溶接熱影響部
で割れが発生する、いわゆる再熱割れ感受性が高いこと
が知られている。再熱割れは、溶接低温割れとは異なる
機構によって生じるため、予熱温度の管理では防止でき
ない。

【００１２】低合金耐熱鋼の再熱割れに関する報告は、
数多くなされている。例えば、溶接学会誌、第41巻（19
72）、第1号、p.59には再熱割れ感受性指数（Ｐ_SR）が
提案されており、1.5％以下のCr量の範囲で再熱割れ感
受性がCr、Cu、Mo、Ｖ、Nb、Tiの増加に伴って高くな
り、特に、Ｖ、Nb、Tiはその影響が大きいことが示され
ている。また、溶接学会誌、第49巻（1980）、第3号、
p.203には、再熱割れ感受性が鋼中の不純物元素である
P、Sb、SnおよびAsの増加により大きくなることが示さ
れている。また、特開昭59-80755号公報には、耐焼き戻
し脆性に優れた低合金耐熱鋼が提案されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記の再熱割れに関す
る報告または発明は、いずれもＷを含有しない鋼に関す
るものである。そして、本発明者らの調査によって、Ｗ
を含有する鋼の場合は高温での強度が高いために、再熱
割れ感受性が著しく高くなることが明らかになった。

【００１４】先にあげた先行文献には、特開平7-268040
号公報および同5-345949号公報を除いて、溶接割れに関
する記載がない。上記特開平7-268040号公報および同5-
345949号公報には予熱温度管理による溶接低温割れ防止
についての記載があるが、Ｗ添加鋼で大きな問題となる
再熱割れ性については触れられていない。即ち、現在の
ところＷを含有し、かつ十分な耐再熱割れ性を有する高
強度耐熱鋼は得られていない。

【００１５】本発明の目的は、Ｗを含有するCr−Mo系高
強度低合金耐熱鋼であって、優れた耐再熱割れ性を有す
る耐熱鋼を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、Ｗを含有す
る低合金耐熱鋼を溶接し、その後の熱処理（Post Weld
Heat Treatment、以下「溶接後熱処理」または「後熱処
理」という）によって発生した割れを詳細に調査した。
その結果、割れは後熱処理の途中に溶融線近傍の結晶粒
が粗大化した熱影響部に発生することが判明した。その
破面の形態を走査型電子顕微鏡で観察したところ、破面
には溶融痕（液相をともなった割れ）が認められず、ま
た、分析の結果では、破面上にはＮの顕著な濃化が認め
られた。さらに、電子顕微鏡による観察によって割れ近
傍の粒内に微細なＶ、Nbの炭化物が生成していることが
明らかとなった。

【００１７】これらの結果から、溶接再熱割れは、次の
ような要因の重畳効果によって割れが開口する現象であ
ると考えられた。溶接後熱処理によってＮの粒界偏析が加速され、粒界
固着力が低下すること、Ｖ、Nb炭化物による析出強化、Ｗによる固溶強化によ
り粒内が強化されること、溶接熱サイクルにより粗大化した平滑な粒界面に熱応
力による変形が集中すること。

【００１８】これらの結果から、溶接再熱割れを防止す
るには、Tiまたは／およびＢによってＮの含有形態を調
整すればよいことを見い出した。即ち、TiおよびＢは、
Ｎとの親和力が強く、安定な窒化物を形成して粒界固着
力を低下させる粒界のフリーＮを低減させる。

【００１９】Tiは、TiNとして鋼の製造時に主に粒界に
生成し、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる結
晶粒の粗大化を抑制する。そして、この効果を十分に発
揮させるためには、Tiは少なくとも0.001％以上含有さ
せる必要がある。

【００２０】Bは、偏析傾向が強いため、Ｎと結合しな
いＢはフリーＢとして粒界に存在して偏析サイトを占
め、Ｎ等の粒界弱化元素の偏析を抑制し、粒界固着力を
増大させる。その結果、溶接再熱割れの発生を防止する
ことができる。

【００２１】ただし、当然のことながら、TiおよびＢに
よる割れ防止の効果は、粒界脆化元素であるＮ量に強く
影響される。つまり、多量のＮが含まれる場合は割れ防
止に必要なTiおよびＢの量も多くなる。そして、後述す
る実施例のデータからＮ含有量を横軸とし「％Ti＋5×
％Ｂ＋0.004」を縦軸として、溶接再熱割れが認められ
ないものを○、割れが認められたものを●としてプロッ
トすると図５のようになる。この図からＮ含有量［％
Ｎ］と［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004との関係が下記(1)
式を満足すれば、溶接再熱割れを防止できることを確認
した。［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1) しかし、溶熱影響部の平均結晶粒径が150μｍを超える
と、上記(1)式を満足しても溶接再熱割れの発生を防止
できない。溶接熱影響部の平均結晶粒径を150μｍ以下
とするためには、母材の平均結晶粒径を110μｍ以下に
しなければならない。

【００２２】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たもので、その要旨は下記の低合金耐熱鋼にある。

【００２３】質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：1％以
下、Mn：2％以下、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％、Ni：
0.5％以下、Cu：0.5％以下、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：0.1
〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、Ｗ：
1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.05％、Ｂ：0〜0.02％、Al：
0.1％以下、Ｏ：0.1％以下を含み、Ｎ含有量が下記の
(1)式を満足し、残部が不可避的不純物からなり、か
つ、平均結晶粒径が110μｍ以下である溶接性に優れた
高強度低合金耐熱鋼。［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1) なお、上記の平均粒径とは、顕微鏡観察視野の写真等に
おいて基準長さ当たりの結晶粒の数をカウントし、その
数で基準長さを除して求めるものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、各化学成分の作用とその限
定理由を述べる。化学成分の％は、質量％を意味する。

【００２５】Ｃ：0.03〜0.15％Ｃは、炭化物を形成し、高温強度を高めるのに寄与する
元素である。また、オーステナイト形成元素として作用
し、δフェライトの生成を抑制する。そのためには少な
くとも0.03％以上の含有が必要である。しかし、過剰の
添加は、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、溶接低温割れ
感受性および溶接後の再熱割れ感受性を増大させる。ま
た、Ｃ含有量の高い鋼は、高温で長時間使用されると脆
化する。これらの理由から、Ｃ含有量の上限は0.15％と
する。さらに望ましい上限は0.12％である。

【００２６】Si：1％以下 Siは、製鋼時に脱酸元素として添加されるが、鋼の耐酸
化性、耐高温腐食性の改善にも有効な元素である。しか
し、高温での長時間使用時に靱性の低下を招く。そのた
め、Si含有量の上限は1％とする。望ましい上限は、0.8
％である。また、下限は不可避的不純物のレベルでもよ
いが、脱酸の効果を確保するためには、0.05％以上とす
るのが望ましい。

【００２７】Mn：2％以下 Mnは、Siと同様に製鋼時に脱酸元素として添加される。
しかし、過剰に含有すると高温、長時間使用での強度の
低下および靱性の低下を招く。そのため、Mn含有量は2
％以下とするが、望ましいのは1.5％以下であり、さら
に望ましいのは0.35％未満である。また、下限は不可避
的不純物のレベルでもよいが、脱酸の効果を確保するた
めには、0.05％以上とするのが望ましい。

【００２８】Ｐ：0.03％以下Ｐは、鋼中に残存する不可避的不純物元素であり、多量
に含有すると溶接再熱割れを発生させる。そのため、Ｐ
含有量は0.03％以下とする。Ｐは低いほど望ましいので
下限は特に設けないが、極度の低減はコスト増を招くた
め、0.0005％程度が下限となろう。

【００２９】Ｓ：0.03％以下Ｓは、Ｐと同様、鋼中に残存する不可避的不純物元素で
あり、多量に含まれると、溶接再熱割れを発生させる。
そのため、Ｓ含有量は0.03％以下とする。Ｓも低いほど
望ましいので下限は特に設けないが、Ｐと同様に精錬コ
ストの面から0.0005％程度が下限となろう。

【００３０】Ni：0.5％以下 Niは、オーステナイト生成元素であり、δフエライト相
の生成を抑え、組織の安定性を確保するため添加しても
良い。添加する場合は、その含有量を0.01％以上とする
のが望ましい。しかし、過剰の添加は高温での使用中に
延性を低下させるため、Ni含有量の上限は0.5％とす
る。

【００３１】Cu：0.5％以下 Cuは、Niと同様オーステナイト生成元素であり、δフェ
ライト相の生成を抑え、組織の安定性を確保するのに役
立つ元素であるから必要に応じて添加することができ
る。添加する場合は、その含有量は0.01％以上とするの
が望ましい。しかし、過剰の添加は高温、長時間での使
用中に延性を極端に低下させるため、Cu含有量は0.5％
以下とする。なお、0.1％未満とするのが望ましく、さ
らに0.05％未満とするのが一層望ましい。

【００３２】Cr：1.8〜2.8％ Crは、高温での耐酸化性、耐高温腐食性および高温強度
を確保するために必須の元素である。しかし、過剰の添
加は炭化物の粗大化を招き、かえって高温強度を低下さ
せるとともに、靱性の低下を招く。そのため、Cr含有量
は、1.8〜2.8％とする。

【００３３】Ｖ：0.1〜0.3％Ｖは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、ク
リープ強度を高めるのに寄与する元素である。しかし、
過剰の添加は、溶接後熱処理時に粒内炭化物の析出密度
を増大させ、再熱割れ感受性を高める。また、高温での
使用中には、急速な炭化物の凝集、粗大化を招き、かえ
ってクリープ強度の低下を招く。そのため、Ｖ含有量は
0.1〜0.3％とする。

【００３４】Nb：0.01〜0.08％ Nbは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成し、ク
リープ強度を高めるのに寄与する元素である。そのため
には、0.01％以上の添加が必要である。しかし、過剰の
添加は溶接後熱処理時の粒内炭化物の析出密度を増大さ
せ、再熱割れ感受性を高める。そのため、Nb含有量は、
0.01〜0.08％とする。

【００３５】Mo：0.05〜0.35％ Moは、鋼のマトリックスを固溶強化するとともに炭化物
となって析出し、クリープ強度を高めるのに寄与する元
素である。また、Ｐとの親和力が強く、粒界に偏析する
Ｐ量を低減させるため、溶接再熱割れ感受性の低減に寄
与する。これらの効果を得るためには少なくとも0.05％
以上の含有が必要である。しかし、過剰の添加は、長時
間の使用後には靱性を低下させるので、その上限は0.35
％とする。

【００３６】Ｗ：1.2〜1.8％Ｗは、Moと同様に鋼のマトリックスを固溶強化するとと
もに炭化物を生成し、クリープ強度を大きく高めるのに
寄与する元素である。その効果を得るためには、少なく
とも1.2％以上含有させる必要がある。その反面、マト
リックスが非常に強化されるため、Ｎが粒界に偏析した
とき、脆化した粒界とマトリックスとの強度差が大きく
なるため、再熱割れが発生しやすくなる。また、過剰の
添加は靱性の低下を招くため、その上限は1.8％とす
る。

【００３７】Al：0.1％以下 Alは、鋼の脱酸剤として添加される元素である。しか
し、過剰の添加は鋼の清浄度を低下させ、加工性を損な
うとともに、高温強度の低下を招く。そのため、Al含有
量は0.1％以下とする。また、特に下限は設けないが、
極度の低減は鋼の脱酸が不十分となるため、0.0005％以
上とするのが望ましい。

【００３８】Ｏ（酸素）：0.1％以下Ｏ（酸素）は、鋼中の不純物元素であり、主に酸化物と
して存在して加工性、母材の強度または靱性の低下を招
く。また、粒界に酸化物として存在すると、粒界固着力
の低下を招き、再熱割れ感受性を高める場合もある。そ
のため、Ｏ含有量は0.1％以下とするが、0.06％以下と
するのが望ましく、さらに0.03％以下とするのが一層望
ましい。酸素の含有量は低いほど望ましいので特に下限
は設けないが、極度の低減は精錬コストの上昇を招くの
で、実生産上の下限は0.0005％程度であろう。

【００３９】Ti：0.001〜0.05％ Tiは、溶接再熱割れ感受性を低減させるのに必須の元素
である。Tiは、Ｎと結合してTiNを形成し、溶接熱影響
部での粒界固着力を低下させるフリーN量を低減させ
る。また、ピニング効果によって溶接熱サイクルによる
溶接熱影響部での結晶粒粗大化を抑制し、再熱割れの発
生を防止する。その効果を得るためには、少なくとも0.
001％以上の含有が必要であるとともに、後述するＢ、
Ｎとの(1)式を満足する必要がある。しかし、過剰の添
加は、靱性の極端な低下を招くため、0.05％以下とす
る。さらに望ましいのは0.04％以下である。

【００４０】Ｂ：0〜0.02％Ｂは、Tiを含有していれば、特に添加しなくともよい
が、Ｎとの親和力が強いため、Tiと同様、窒化物を形成
して粒界のフリーＮ量を低減させる効果を有する。ま
た、Ｎと結合しない残りのＢは、フリーＢとして粒界に
存在して偏析サイトを占め、Ｎ等の粗界弱化元素の偏析
を抑制し、粒界固着力を増大させ、溶接再熱割れの発生
を防止する。その効果は、Tiと複合添加することにより
顕著となる。したがって、下記(1)式を満足する必要が
ある。しかし、過剰の添加は、高温で長時間使用した場
合、母材の脆化を招く。そのため、Ｂ含有量の上限は、
0.02％とする。添加する場合の望ましい含有量は0.002
〜0.006％である。

【００４１】Ｎ：下記(1)式を満たす範囲Ｎは、鋼の製造時、または溶接後熱処理時にフリーのＮ
として粒界に偏析し、粒界固着力を低下させて溶接再熱
割れ発生の原因となる。これを防止するには、Tiまたは
TiとＢを添加することによるＮの固定が有効である。こ
の効果を得るためには、鋼中のＮが下記の(1)式を満足
する必要がある。［％Ｎ］≦［％Ti」＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1) 本発明の耐熱鋼の溶接再熱割れの防止は、Ti、Ｂ添加
による粒界のフリーＮを低減させること、TiNのピニ
ング効果によって結晶粒が粗大化するのを防止するこ
と、およびフリーＢによって粒界の固着力を増大させ
ること、の重畳効果により達成できる。そして、その効
果を得るためには、Ti、ＢおよびＮが上記の(1)式を満
足する必要がある。

【００４２】なお、Ｎの過剰含有は多量の窒化物生成を
招き、靱性低下を惹起する一方、Ｎが少なすぎる場合は
上記TiＮによるピニング効果が充分に得られない。従っ
て、Nの望ましい含有量は0.005％を超えて0.01％までで
ある。

【００４３】平均結晶粒径：110μｍ以下溶接再熱割れは、前記、およびを満足しても完全
に防止できないことがある。これは、溶接熱サイクルに
よって粗大化した平滑な粒界面に熱応力による変形が集
中することによって溶接再熱割れが発生するためであ
る。これを防止するためには、溶接熱影響部を含む平均
結晶粒径を150μｍ以下にする必要がある。

【００４４】図４は、溶接入熱量と溶接熱影響部を含む
平均結晶粒径との関係を示す図である。この図は、平均
結晶粒径が109μｍの鋼板を母材として、サブマージア
ーク溶接法によって入熱量を変化させて拘束溶接試験を
行い、溶接熱影響部の平均結晶粒径を測定した結果を示
す図である。この図から明らかなように、溶接熱影響部
の平均結晶粒径を150μｍ以下とするためには、母材の
平均結晶粒径を110μｍ以下、溶接入熱量を70kJ/cm以下
とすればよい。なお、溶接熱影響部の平均結晶粒径は小
さいほどよいので、溶接入熱量は50kJ/cm以下に抑える
のがさらに望ましい。

【００４５】上記の母材の平均結晶粒径は、母材の製造
時の焼ならし処理において900〜1100℃で５時間以内の
熱処理を施すことによって得られる。なお、溶接熱影響
部の平均結晶粒径は小さいほどよく、この平均結晶粒径
は母材の平均結晶粒径が小さいほど小さくなるので、耐
再熱割れ性の一層の改善のためには母材の平均結晶粒径
を70μｍ以下とするのが望ましく、45μｍ以下にするの
がさらに望ましい。このような微細結晶粒の組織にする
には、720〜800℃での焼戻しと900〜1100℃での焼なら
しと720〜800℃での再度の焼戻しとからなる熱処理を施
すのが望ましい。

【００４６】また、本発明の効果は、上記合金元素成分
範囲を満足すれば得られるが、より一層の再熱割れ感受
性低減のため、不可避的不純物であるSn、As、Sb、Pbは
合計で0.04％以下であることが望ましい。また、熱間加
工性の改善、Ｓの固着によるより一層の再熱割れ感受性
低減のため、Ca：0.02％以下、Mg：0.02％以下、REM
（希土類元素）：0.02％以下を含有してもよい。

【００４７】

【実施例】表１〜３に示す化学組成に調整した鋼（不純
物としてのSn、As、SbおよびPbの合計で0.04％以下であ
る）を溶製し、熱間鍛造、熱間圧延、熱処理の工程を経
て、厚さ40mmの鋼板を製造した。それぞれの条件は、母
材の平均結晶粒径が約30〜109μｍとなるように選定し
た。ただし、鋼符号A7、A10、A18、A19、A23、A27〜2
9、B3、B4、B9およびB15については、熱処理時の焼き戻
し温度を調整することによって、平均結晶粒径を大きく
した。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【表３】

【００５１】得られた鋼板から図１に示すような厚さ40
mm、幅50mm、長さ100mmの平板1を切り出し、片方に開先
を設け、厚さ80mm、一辺の長さが200mmの基板2の表面に
図２に示すように四周を溶接3した拘束試験体4を作製し
た。得られた拘束試験体の開先部5に、表４に示す化学
組成を有する溶接材料を用いてTIG溶接法（GTAW、溶接
入熱約18kJ/cm）、被覆アーク溶接法（SMAW、溶接入熱
約25kJ/cm）およびサブマージアーク溶接法（SAW、溶接
入熱約50kJ/cm）により多層溶接を施した。

【００５２】

【表４】

【００５３】溶接材料は、いずれも溶製、熱間加工、線
引加工を施す通常のプロセスにより製造された直径1.2m
mの線材である。

【００５４】溶接後、715℃に加熱して5時間保持する溶
接後熱処理を行った後、溶接部の５箇所の横断面を検査
し、溶接熱影響部の割れの有無を調べた。そして、５箇
所の断面の全てに割れが認められなかったものを合格
（○）、一断面でも割れが認められたものを不合格
（×）とした。

【００５５】割れの評価で合格した試験体からクリープ
試験片と衝撃試験片を採取した。

【００５６】クリープ試験片は、図３に示すように溶接
部6が試験片平行部の中央となるように採取した。クリ
ープ試験は、応力を、温度を550℃として行った。応力
の196MPaは、母材の550℃でのクリープ破断寿命が約300
0時間となる応力である。そして破断するまでの時間が2
400時間以上となるものを合格とした。

【００５７】衝撃試験片は、JIS Z2202に定める４号衝
撃試験片とし、ノッチ部に溶接熱影響部を含むように採
取した。試験は0℃で行った。そして、吸収エネルギー
が40ジュール（Ｊ）以上を合格、それ以下を不合格とし
た。

【００５８】母材および溶接熱影響部の平均結晶粒径
は、光学顕微鏡の観察視野（100倍）内の単位長さ当た
りに占める結晶粒の個数から求めた。

【００５９】それらの結果を表５〜７に示す。

【００６０】

【表５】

【００６１】

【表６】

【００６２】

【表７】

【００６３】本発明例の符号（A1〜A31）の鋼は、Ti含
有量が0.001〜0.033％、［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004が
いずれもＮ含有量よりも多く、かつ平均結晶粒径が33〜
109μｍの範囲にある。このため、溶接再熱割れの試験
では、表５および表６から明らかなように、発明鋼によ
る継手（試験番号AJ1〜AJ35）は、溶接法に関係なく、
溶接熱影響部に割れが検出されなかった。また、クリー
プ破断強度は破断までの時間が2493〜2896時間の範囲に
あり、シャルピー衝撃値は41〜65ジュールの範囲にあり
良好である。

【００６４】これに対し、比較例の符号B1の鋼は、Ｎ含
有量が0.018％であり、［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004よ
りも多い。即ち、前記(1)式を満たしていない。このた
め、表７から明らかなように、試験番号BJ1の継手に
は、溶接熱影響部に割れが検出された。比較例の符号B2
の鋼は、母材の平均結晶粒径は38μｍである。しかし、
Tiを含有しないため継手とした場合、試験番号BJ2で示
すように溶接熱影響部の平均結晶粒径が152μｍとな
り、溶接熱影響部に割れが検出された。

【００６５】比較例の符号B3およびB4の鋼は、平均結晶
粒径が124μｍおよび140μｍと大きい。このため、試験
番号BJ3〜BJ7の継手は、溶接熱影響部の平均結晶粒径が
154〜173と大きく、溶接熱影響部に割れが検出された。

【００６６】比較例の符号B5の鋼は、Ｎ含有量が0.020
％で、「［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004は0.019％である
から、前記(1)式を満たさない。このため、試験番号BJ8
の継手には、溶接熱影響部に割れが検出された。

【００６７】比較例の鋼符号B6は、前記(1)式を満たす
ので、割れの発生はないが、Tiを0.053％と過剰に含有
するため、継手とした場合、試験番号BJ9で示すように
シャルピー衝撃値の吸収エネルギーが11ジュールと低
い。

【００６８】比較例の鋼符号B7は、TiおよびＢを含有し
ないためため、試験番号BJ10の継手では、溶接熱影響部
に割れが検出された。

【００６９】比較例の符号B8〜B14の鋼は、いずれもＮ
含有量が「％Ti＋5×％Ｂ＋0.004」よりも多く、(1)式
を満たさない。このため、試験番号BJ11〜17の継手に
は、いずれも溶接熱影響部に割れが検出された。

【００７０】比較例の符号B15およびB16の鋼は、いずれ
もＮ含有量が［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004よりも多く、
かつTiがピニング効果の発揮に必要な0.001よりも少な
い。従って、試験番号BJ18およびBJ19の継手にはいずれ
も割れが検出された。

【００７１】上記の試験結果から明らかなように、本発
明例の鋼板は、化学組成が適正に選定され、Ｎ含有量が
(1)式を満足し、さらに平均結晶粒径が小さいため溶接
再熱割れが発生せず、十分なクリープ強度と衝撃特性を
有する。

【００７２】

【発明の効果】本発明の耐熱鋼は、化学組成が最適範囲
に決定され、その中でＮ含有量を［％Ti］＋5［％Ｂ］
＋0.004よりも低くし、さらに平均結晶粒径を110μｍ以
下に調整されている。この耐熱鋼を溶接した継手部は、
後熱処理時の再熱割れ感受性が低く、かつ優れたクリー
プ強度と衝撃特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験材の溶接開先を示す断面図である。

【図２】拘束溶接試験体を示す図である。

【図３】クリープ試験片を示す図である。

【図４】溶接入熱量と溶接熱影響部を含む平均結晶粒径
との関係を示す図である。

【図５】Ｎ含有量と［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１．平板２．基板３．溶接部４．拘束試験体５．開先６．溶接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者増山不二光長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者横山知充東京都千代田区丸の内二丁目５番１号三菱重工業株式会社内 (72)発明者平田弘征大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者河野佳織大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者菅孝雄兵庫県尼崎市東向島西之町１番地住友金属工業株式会社関西製造所特殊管事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％でＣ：0.03〜0.15％、Si：1％以
下、Mn：2％以下、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下、N
i：0.5％以下、Cu：0.5％以下、Cr：1.8〜2.8％、Ｖ：
0.1〜0.3％、Nb：0.01〜0.08％、Mo：0.05〜0.35％、
Ｗ：1.2〜1.8％、Ti：0.001〜0.05％、Ｂ：0〜0.02％、
Al：0.1％以下、Ｏ：0.1％以下を含み、Ｎ含有量が下記
の(1)式を満足し、残部が不可避的不純物からなり、か
つ、平均結晶粒径が110μｍ以下であることを特徴とす
る高強度低合金耐熱鋼。［％Ｎ］≦［％Ti］＋5［％Ｂ］＋0.004 ・・・・(1)
【請求項２】Cuが0.1質量％未満、Mnが0.35質量％未満
である請求項１の高強度低合金耐熱鋼。
【請求項３】Cuが0.05質量％未満、Mnが0.30質量％未満
である請求項１の高強度低合金耐熱鋼。
【請求項４】Ｎが0.005質量％を超えて0.01質量％ま
で、Tiが0.001〜0.04質量％である請求項１から３まで
のいずれかの高強度低合金耐熱鋼。
【請求項５】Ｂが0.002〜0.006質量％である請求項１か
ら４までのいずれかの高強度低合金耐熱鋼。