JP3869908B2

JP3869908B2 - 高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP3869908B2
Application number: JP10156297A
Authority: JP
Inventors: 泰士長谷川; 正治大神; 久直井; 利夫藤田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10287960A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼に関し、さらに詳しくはボイラ用鋼管鋼等に好適な高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、熱効率を向上させる観点から、火力発電においては蒸気条件の高温高圧化が進められ、現行の５３８℃／２４．１ＭＰａ（２４６kgf/cm² ）から５９３℃／３１．０ＭＰａ（３１６kgf/cm² ）、さらには６５０℃／３４．３ＭＰａ（３５０kgf/cm² ）という所謂超々臨界圧条件に引き上げようとしている。このような動向に伴い、ボイラ管などの材料選択にあたっては耐酸化性と高温強度の観点から現在使われている２・１／４Ｃｒ−Ｍｏ鋼は適用できなくなる。一方、１８−８オーステナイト系耐熱鋼の適用が考えられるが、繰り返し熱応力による疲労やコストアップなどの問題がある。従って、この両者の特性を満足する高強度の高クロムフェライト鋼の開発が望まれている。
【０００３】
他方、このような用途にこれまで９Ｃｒ−Ｍｏ鋼及び２Ｍｏ鋼などの高クロムフェライト系耐熱鋼が用いられてきたが、これらは何れも上記の蒸気条件ではクリープ破断強度が不足するので適用できない。
【０００４】
また、その他関連技術として、特公平３−６０９０５号、特開昭６１−２３１１３９号、特開平４−３７１５５２号の各公報などに記載のものがあり、それぞれの従来技術を簡単に説明する。
特公平３−６０９０５号公報には８〜１３％Ｃｒ鋼に０．５〜２．３％Ｍｏと０．２〜２．０％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性が得られ、特開昭６１−２３１１３９号公報には８〜１３％Ｃｒ鋼に０．１〜０．４％Ｍｏと１．８〜３．０％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性が得られ、特開平４−３７１５５２号公報には８〜１３％Ｃｒ鋼に０．５％未満Ｍｏと２．０〜３．５％Ｗを添加して高クリープ強度と良好な靭性が得られているとの記載がある。
これらの公報の化学成分はＷと共にＭｏを添加して高クリープ強度を狙ったフェライト鋼である。また、これらの組織は靭性の向上とクリープ強度を確保するため、δフェライトを含まない焼戻しマルテンサイト単相を基本としており、Ｎｉ，Ｃｏ及びＣｕ等のγ （オーステナイト）生成元素を添加している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現在計画している超々臨界圧ボイラに用いるには、これらフェライト鋼では高温クリープ強度が不足しており、その向上が大きな課題であった。
本発明は、以上のような技術の状況に鑑みてなされたものであり、超々臨界圧ボイラなどの素材として使用できるような高温クリープ強度に優れた高クロム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】
上述の目的を達成するために本発明は、Ｗ及びＭｏの適正添加を行うと同時にＣ，Ｎ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｖ及びＮｂ等の合金成分の最適化をはかり、高温強度を低下させる元素であるＮｉ，Ｃｏ及びＣｕ等のγ（オーステナイト）生成元素を使用しないで、高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼を提供するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨とするところは、下記の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．０８％未満、Ｎ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｒ：８．００〜１３．００％、Ｗ：１．５０超〜３．５０％、
Ｍｏ：０．５０％以下、Ｖ：０．１０〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕを、不純物元素として、
Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：０．２０％以下、Ｃｕ：０．２０％以下
に制限し、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなることを特徴とする、高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。
（２）さらに質量％で、Ｂ：０．００１０〜０．０１００％を含有することを特徴とする、前記（１）項に記載の高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各成分の限定理由について説明する。Ｃは主にＭＣ（Ｍは合金元素を指す、以下も同じ）及び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有する。０．０１％未満では析出量が少なく、強化には不十分であり、０．０８％以上では炭化物の凝集粗大化が促進され、高温のクリープ破断強度を低下させるので、０．０１％以上０．０８％未満に限定した。
【０００９】
ＮはＮｂ，Ｖ及びＣｒなどと結合して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。最低０．０１％で有効であるが、０．１０％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、製造上でも困難であるため、０．０１〜０．１０％に限定した。
【００１０】
Ｓｉは強度への影響は少ないが、靭性を悪化させるので、０．５０％以下に限定する。Ｍｎは常温強度を向上させるので最低０．０５％が必要であるが、０．５０％を超えると高温強度を低下させるので上限は０．５０％とした。
【００１１】
Ｃｒは高温耐酸化性を確保する上で必要不可欠な元素であり、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物を析出する効果も有する。８．００％未満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、１３．００％超ではδフェライトの抑制が難しくなり、強度と靭性が損なわれるので、８．００〜１３．００％に限定した。
【００１２】
Ｗは固溶体強化とＭ₂₃Ｃ₆の微細析出の効果を奏すると同時に、炭化物の凝集粗大化を抑制し、高温クリープ破断強度の向上に極めて有効である。最低１．５０％超必要であるが、３．５０％を超えると粗大なＬａｖｅｓ相が生成しやすくなり、高温強度を低下させるため、１．５０超〜３．５０％に限定した。
【００１３】
Ｍｏは固溶体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。Ｗの添加量と関連して、０．５０％超ではＭ６ＣとＬａｖｅｓ相の析出及び凝集粗大化を促進して高温強度を低下させるので、０．５０％以下とした。
【００１４】
Ｖは微細な炭窒化物として析出し、高温強度を高める働きをする。０．１０％未満では効果が小さく、０．３０％超ではＶ（Ｃ，Ｎ）の粗大化を招くだけでなく、Ｍ₂₃Ｃ₆として析出し得るＣ量を減少させ、逆に高温強度を低下させるので、０．１０〜０．３０％に限定した。
【００１５】
Ｎｂは炭窒化物として析出し、強度を高めるのに有効である。最低０．０１％が必要であるが、０．１５％を超えて添加すると焼きならし温度ではマトリックスに完全に溶けきれず、十分な強化効果が得られないので、０．０１〜０．１５％に限定した。
【００１６】
Ｂは粒界強化及びＭ₂₃（Ｃ，Ｂ）₆などとして析出強化の効果があり、高温強度を向上する。０．００１０％未満では効果が小さく、０．０１００％超では粗大なＢ含有相を生じさせる傾向があり、また脆化が起こりやすくなるため、０．００１０〜０．０１００％に限定するのが好ましい。
【００１７】
Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、δフェライトの生成を抑制する効果を有し靭性を向上させる影響を及ぼすが、Ｎｉの添加は析出物の凝集粗大化をきたし、また、Ａ₁変態点を降下させる効果を有するため焼き戻しを十分行うことが困難となり長時間側のクリープ強度が低下する。従って、必要な靭性を確保できればＮｉの添加をしないことが望ましい。高クロムフェライト鋼の製造においてはＮｉは不可避的に混入してくるので、溶製上の管理限界とクリープ強度に対する影響の少ない範囲を考慮してＮｉは０．２０％以下とした。
【００１８】
Ｃｏはオーステナイト生成元素であり、Ｎｉと同様、δフェライトの生成を抑制する効果を有し靭性を向上させるが、Ｃｏの添加は金属管化合物σ相の凝集粗大化をきたし、Ａ₁変態点を降下させる効果を有するため焼き戻しを十分行うことが困難となり、長時間側のクリープ強度が低下する。従って、Ｎｉと同様、Ｃｏの添加をしないことが望ましい。高クロムフェライト鋼の製造においては、Ｎｉは不可避的に混入してくるので、溶製上の管理限界とクリープ強度に対する影響の少ない範囲を考慮してＣｏは０．２０％以下とした。
【００１９】
Ｃｕはオーステナイト生成元素であり、ＮｉやＣｏと同様、σフェライトの生成を抑制する効果を有し靭性を向上させるが、Ｃｕの添加は熱間加工性や溶接性を悪化させると共に、その粒界析出によりクリープ強度を低減する。従って、ＮｉやＣｏと同様、Ｃｕの添加をしないことが望ましい。高クロムフェライト鋼の製造においてはＣｕは不可避的に混入してくるので、溶製上の管理限界とクリープ強度に対する影響の少ない範囲を考慮してＣｕは０．２０％以下とした。
【００２０】
炭窒化物を形成し、かつ溶接性を確保するに必要な０．０１％以上０．０８％未満のＣ、０．０１〜０．１０％のＮ、０．５０％以下のＳｉ及び０．０５〜０．５０％のＭｎを含有する８〜１３％のＣｒ鋼に、１．５％超〜３．５％のＷ、０．５％以下のＭｏ、０．１０〜０．３０％のＶ、０．０１〜０．１５％のＮｂを複合添加することにより高温強度を有する高Ｃｒフェライト鋼が得られることを見出した。
【００２１】
上記で述べた化学成分を複合添加した高クロムフェライト鋼に、さらに０．００１０〜０．０１００％のＢを添加することにより高温強度を有する高クロムフェライト鋼が得られる。
【００２２】
上記で述べた化学成分を複合添加した高クロムフェライト鋼に、オーステナイト生成元素Ｎｉ，Ｃｏ及びＣｕを０．２０％以下にすることにより高温強度を有する高クロムフェライト鋼が得られる。
【００２３】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する本発明鋼（Ｎｏ．１〜８、１１、１２）と比較の９〜１３Ｃｒ鋼（Ｎｏ．１５〜１７）を真空誘導溶解炉にて各２０kg のインゴットに溶製し、熱間圧延によって厚さ１５ｍｍの板とした後、１０６０℃×６０min.の焼きならし、７６０℃×６０min.の焼戻しを施した。このように用意した試料を６００℃、２５４Ｎ／ｍｍ ² （２６kgf/mm² ）と、６５０℃、１５７Ｎ／ｍｍ ² （１６kgf/mm² ）の２条件においてクリープ破断試験を行い、また６００℃にて１０００時間時効後２０℃においてシャルピー衝撃試験を行った。その結果を表２に示す。
【００２４】
表２から明らかなように、６００℃、２５４Ｎ／ｍｍ ² （２６kgf/mm² ）及び６５０℃、１５７Ｎ／ｍｍ ² （１６kgf/mm² ）の２条件は、共に本発明鋼のクリープ破断時間が比較鋼に比べて長く、比較鋼Ｎｏ．１７に比較して６００℃、２５４Ｎ／ｍｍ ² （２６kgf/mm² ）の条件で２．４倍〜３．５倍、６５０℃、１５７Ｎ／ｍｍ ² （１６kgf/mm² ）の条件で２．３倍〜４．２倍の破断時間を示している。なお、本発明鋼は６００℃にて１０００時間時効後２０℃でのシャルピー吸収エネルギーは比較鋼と比較して低目ではあるが、ボイラ用鋼管として必要な靭性を確保している。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
以上の如く、本発明により優れたクリープ破断強度と必要な靭性を有する高クロムフェライト系耐熱鋼の供給が可能となり、火力発電の分野への適用が期待される。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０１％以上０．０８％未満、
Ｎ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、
Ｃｒ：８．００〜１３．００％、
Ｗ：１．５０超〜３．５０％、
Ｍｏ：０．５０％以下、
Ｖ：０．１０〜０．３０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕを、不純物元素として、
Ｎｉ：０．２０％以下、
Ｃｏ：０．２０％以下、
Ｃｕ：０．２０％以下
に制限し、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなることを特徴とする、高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。
さらに質量％で、Ｂ：０．００１０〜０．０１００％を含有することを特徴とする、請求項１に記載の高温クリープ強度に優れた高クロムフェライト系耐熱鋼。