JPH10259452A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属組織の構成比を制御することにより、耐
高温酸化性およびクリープ破断強度を向上させた高Crフ
ェライト耐熱鋼を得る。 【解決手段】 合金成分の最適化をはかり、Moと W量の
添加量を適正化すると同時に、フェライトの含有量を抑
制することにより金属組織の構成比を制御し、高温強度
と高温酸化特性のすぐれた高Crフェライト系耐熱鋼を提
供する。

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Crフェライト系
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−プ破断特性および高温酸化特性の優れたフェラ
イト系Cr含有ボイラ鋼管用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電においては熱効率を向上
させる観点から620 ℃以上の蒸気条件における高温高圧
化が進められ、現行の超臨界圧条件から中間スッテプを
経て超々臨界圧条件に引き上げる計画が推進されてい
る。このような発電条件の動向に伴い、ボイラ管等の材
料選択において、耐酸化性と高温強度の観点から現在使
用されている 2.25Cr-1Mo 鋼では適用が難かしい。一
方、オーステナイト系耐熱鋼の適用が考えられるが、コ
ストアップ等の問題がある。したがって、この二者の間
に位置する高強度高靭性のフェライト系耐熱鋼の開発が
望まれている。

【０００３】このような事情に鑑みクリ−プ破断強度が
従来材を大幅に上回る新しい鋼種が開発され提案が行な
われている。これまで 9Cr-1Mo鋼および 9Cr-2Mo鋼など
の高Crフェライト系耐熱鋼が提案されているが、これら
は何れも上記の超々臨界圧蒸気条件ではクリープ破断強
度の点から適用が難しい。これらの要求特性を向上させ
た鋼が開発され、(Mo+W) と Nb 量の関係を定めてクリ
−プ特性と靭性の向上を図り、また、クリ−プ強度の向
上に最適範囲の W、Nb 添加が有効なことが知られてい
る。

【０００４】しかしながら、従来の高Crフェライト鋼に
おいてはCr含有量が9%〜12% 程度であり、クリープ破断
強度は高いが、620 ℃以上の蒸気条件においては高温酸
化が課題となる。特公昭62-297436 号公報においてクリ
ープ破断強度に優れた高強度フェライト系耐熱鋼管用鋼
が開示されている。しかし、Crの含有量が8%〜13% であ
るため、高温での酸化が懸念される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来の欠点を改良して、超々臨界圧ボイラなどで使用
できるよう金属組織の構成比を制御するとともにCr量を
増加させることにより、クリープ破断強度および耐高温
酸化性を向上させた高Crフェライト系耐熱鋼を提供する
ことを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成するために、合金成分の最適化をはかり、MoとW 量の
添加量を適正化すると同時に、フェライトの含有量を制
御し、高温強度と耐高温酸化性のすぐれたフェライト系
耐熱鋼を提供するものである。すなわち、本発明は重量
％で、C:0.01% 〜0.15%, Si:0.01% 〜0.80%, Mn:0.05%
〜1.50%, Cr:13.00%超〜18.00%, Mo:0.05%〜1.50%, W:
0.05%〜4.00%, V:0.05%〜0.50%, Nb:0.02% 〜0.15%, A
l:0.002%〜0.050%, Ni:0.01%〜0.50%,Co:0.01%〜5.00%,
N:0.010% 〜0.110% を含有し、P:0.030%以下，S:0.01
0%以下，O:0.015%以下に制限し、あるいは更に B:0.001
% 〜0.030%を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物よ
りなる鋼で、次式 フェライト量(%) ＝ 10Cr%＋9Mo%＋20W%＋11Si% ＋19V%
＋80Nb%−230C% −220N% −8Mn%−23Ni% −9Co%−137% で計算されるフェライト量が10% 〜50% であり、さらに
次式 2.8 ≦2Mo%＋W%≦4.0 を満足し、フェライト−マルテンサイト２相組織を有す
る高Crフェライト系耐熱鋼を特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明はCr量を増加させ、フェラ
イト含有量を制御することにより、耐高温酸化性に優れ
た高クリープ破断強度を有する高Crフェライト系耐熱鋼
を提供するものである。本発明者らは化学成分を変化さ
せフェライト量との関係を実験・解析した結果、フェラ
イト量の推定が次式 フェライト量(%) ＝ 10Cr%＋9Mo%＋20W%＋11Si% ＋19V%
＋80Nb%−230C% −220N% −8Mn%−23Ni% −9Co%−137% で可能なことを見いだし、そのフェライト量を10% 〜50
% に規定した。

【０００８】また、クリープ破断強度の改善のため、Mo
およびW 量の適正バランスが規定されるが、本発明者ら
は上記成分範囲内のMoおよびW が 2.8 ≦2Mo%＋W%≦4.0 を満足すればクリープ強度を改善できることを見いだし
た。2Mo%＋W%が2.8 未満だと大幅なクリープ破断強度の
改善が小さく、4.0 を超えると粗大なLaves 相の生成お
よび凝集粗大化が促進するため長時間側でのクリープ破
断強度が急激に低下する。このため2Mo%＋W%を2.8 〜4.
0 とした。

【０００９】本発明において金属組織を規定するフェラ
イト量を前記のごとく限定した理由を下記に述べる。前
記成分の高Cr鋼は、良好なクリープ破断特性、耐高温酸
化性、靱性および加工性に優れているが、計算値のフェ
ライト量が10% 未満の場合はマルテンサイト量が多くな
り常温強度が高くなり加工性が損なわれる。また、計算
値のフェライト量が50% を超えるとクリープ破断強度お
よび靱性の低下が大きくなり、靱性の確保が困難とな
る。以上の理由により、計算値のフェライト量を10% 〜
50% の範囲に規定した。

【００１０】本発明において使用した鋼の各成分範囲を
限定した理由を以下に述べる。C は主に MC （M は合金
元素を指す、以下も同じ）および M₂₃C₆型の炭化物とし
て析出し、強度及び靭性に大きな影響を及ぼす。0.01%
未満では析出量が少なく、析出強化に不十分であり、0.
15% 超では靭性が低下するともに、炭化物の凝集粗大化
が促進され、高温長時間側のクリープ破断強度を低下さ
せるので、0.01% 〜0.15% の範囲に限定する。

【００１１】Siは脱酸効果，強度確保および耐酸化性の
ために添加されるが、靭性に悪影響を及ぼす元素であ
る。したがって脱酸，強度，耐酸化性の点から下限を
0.01%とし、靭性の点から上限を 0.80%とした。Mnは脱
酸のためのみでなく強度の改善に必要な元素であり、最
低 0.05%以上の添加が必要である。しかし、過剰な添加
は高温強度および靭性を低下させるため上限を 1.50%と
した。

【００１２】Crは高温の耐酸化性を確保する上で必要不
可欠な元素であり、フェライト中に固溶し耐高温酸化性
を向上させる。また、マトリックス中へ M₂₃C₆型炭化物
を析出させる効果を有し、高温強度を高めている。13.0
0%以下では高温での耐酸化性が不足となり、高温強度も
低下する。一方、18.00%超ではフェライトの抑制が難し
くなり、強度と靭性の低下が生じるので、Cr量を13.00%
超〜18.00%の範囲に限定する。

【００１３】Moは固溶強化をもたらすと同時に、 M₂₃C₆
を安定化させ、高温強度を向上させる。0.05% 未満では
効果が小さく、1.50% 超ではフェライトの生成を促進す
ると同時に、 M₆Cと Laves相の析出および凝集粗大化を
促進させるので、0.05% 〜1.50% の範囲とした。W は固
溶強化と M₂₃C₆の微細析出に寄与すると同時に、炭化物
の凝集粗大化を抑制し、高温長時間側のクリープ破断強
度を著しく向上させる。最低 0.05%以上が必要である
が、4.00% を越えると、δフェライトと粗大な Laves相
が生成しやすくなり、高温強度と靭性を低下させるた
め、0.05% 〜4.00% の範囲とした。

【００１４】V は析出強化元素として微細な炭窒化物を
析出し、高温強度を高める。0.05%未満では効果が不十
分であり、0.50% 超では V(C,N) の粗大化を招くだけで
はなく、 M₂₃C₆として析出しうる C量を減少させ、高温
強度を低下させるので、0.05% 〜0.50% の範囲に限定す
る。Nbは炭窒化物として析出し、高温強度を高めるとと
もに、組織微細化の作用により靭性を改善するため、最
低 0.02%が必要である。しかし 0.15%を超えて過剰添加
すると、焼きならし温度ではマトリックスに完全に固溶
しきれず、十分な強化効果が得られないので、0.02% 〜
0.15% の範囲に限定する。

【００１５】Niはオーステナイト生成元素であり、フェ
ライトの生成を抑制する効果を有し、靭性の改善にも有
効である。しかし、0.01% 未満では靭性改善の効果が小
さく、0.50% 超では長時間での析出物の凝集粗大化をま
ねき、クリープ破断強度が低下するため、0.01% 〜0.50
% の範囲に限定する。Coはオーステナイト生成元素であ
り、フェライトの生成を抑制すると同時に、析出物を安
定化させ、高温強度を高める。しかし、0.01% 未満では
析出物安定化の効果が小さく、5.00% 超ではコストが高
く、脆化も起こりやすくなるので、0.01% 〜5.00% の範
囲に限定する。

【００１６】N は窒化物または炭窒化物を析出させ、高
温強度を高める重要な元素の一つである。0.010%以上の
添加により効果を発揮するが、0.110%を超えると、窒化
物の粗大化と靭性の低下をもたらすだけではなく、製造
上も困難となるため、0.010%〜0.110%の範囲に限定す
る。Alは脱酸材として使われるが、その量は結晶粒径や
機械的性質に大きな影響を及ぼす。 0.002%未満では脱酸
として不十分で、0.050%超ではクリープ破断強度が低下
するので、0.002%〜0.050%の範囲に限定する。

【００１７】P は焼き戻し脆化および再熱割れ感受性に
悪影響を及ぼすため上限を 0.030%とした。S は靭性劣
化，異方性および再熱割れ感受性の増大の原因となるの
で上限を 0.010% とした。O は靭性に悪影響を及ぼす酸
化物の生成の原因となるので上限を 0.015% とした。

【００１８】B は粒界強化およびM₂₃(C,B)₆ などの析出
による析出強化をもたらすため、高温強度を向上する。
添加量が0.001%未満ではその効果が小さく、0.030%超で
は粗大なＢ含有相を生じさせる傾向にあり、また脆化が
起こりやすくなるため、0.001%〜0.030%の範囲に限定す
る。本発明鋼は金属組織の構成比、即ちマルテンサイト
組織中にフェライトを10%〜50% 含有させる金属組織を
有するとともにCr量を増加させることにより、クリープ
破断強度および耐高温酸化性を向上させた高Crフェライ
ト系耐熱鋼である。

【００１９】本発明鋼は鋼管のみならず、厚板および薄
板の形で提供することも可能であり、熱処理を施した板
を用いて種々の耐熱材料の形状で使用することが可能で
ある。また、この発明鋼の熱間加工の例として圧延が挙
げられるが、発明の効果は鍛造等でも変わらず、熱間加
工の手法にはよらない。

【００２０】

【実施例】表1 に供試鋼の化学成分を示す。これらの鋼
を真空炉で溶解し、熱間圧延にて板厚15mmの板を製造
し、その後1050〜1100℃で1 時間加熱後空冷して焼なら
し、750 〜800 ℃で1 時間均熱保持後空冷して焼戻しを
行った。板材の板厚中心部より試験片を採取し、クリー
プ破断試験、衝撃試験および耐食性の試験を実施した。

【００２１】表2 は 600℃×1 万時間までのデータで直
線外挿して求めた600 ℃×10万時間クリ−プ破断推定強
度、衝撃試験結果および耐食性試験結果を示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】以上の如く本発明鋼は従来のフェライト
系耐熱鋼に比べ、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、靭性等実用上の特性
も優れており、超々臨界圧火力発電、原子力発電など多
くの分野への適用ができ、産業界に貢献するところが極
めて大きい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で C : 0.01%〜0.15% Si : 0.01%〜0.80% Mn : 0.05%〜1.50% Cr : 13.00% 超〜18.00% Mo : 0.05%〜1.50% W : 0.05%〜4.00% V : 0.05%〜0.50% Nb : 0.02%〜0.15% Al : 0.002% 〜0.050% Ni : 0.01%〜0.50% Co : 0.01%〜5.00% N : 0.010% 〜0.110% を含有し、 P : 0.030% 以下 S : 0.010% 以下 O : 0.015% 以下 に制限し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなる鋼
   で、次式 フェライト量(%) ＝ 10Cr%＋9Mo%＋20W%＋11Si% ＋19V%
   ＋80Nb%−230C% −220N% −8Mn%−23Ni% −9Co%−137% で計算されるフェライト量が10% 〜50% であり、さらに
   次式 2.8 ≦2Mo%＋W%≦4.0 を満足し、フェライト−マルテンサイト２相組織を有す
   ることを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼。
2. 【請求項２】 重量％で C : 0.01%〜0.15% Si : 0.01%〜0.80% Mn : 0.05%〜1.50% Cr : 13.00% 超〜18.00% Mo : 0.05%〜1.50% W : 0.05%〜4.00% V : 0.05%〜0.50% Nb : 0.02%〜0.15% Al : 0.002% 〜0.050% Ni : 0.01%〜0.50% Co : 0.01%〜5.00% N : 0.010% 〜0.110% B : 0.001% 〜0.030% を含有し、 P : 0.030% 以下 S : 0.010% 以下 O : 0.015% 以下 に制限し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなる鋼
   で、次式 フェライト量(%) ＝ 10Cr%＋9Mo%＋20W%＋11Si% ＋19V%
   ＋80Nb%−230C% −220N% −8Mn%−23Ni% −9Co%−137% で計算されるフェライト量が10% 〜50% であり、さらに
   次式 2.8 ≦2Mo%＋W%≦4.0 を満足し、フェライト−マルテンサイト２相組織を有す
   ることを特徴とする高Crフェライト系耐熱鋼。