JPH10287960A - 高クロムフェライト鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最近火力発電の熱効率を向上させるため、蒸
気条件の高温高圧化が計画され、いわゆる超々臨界圧条
件に引き上げようとしている。このボイラ管などの材料
選択にあたっては高強度の高クロムフェライト鋼の開発
が望まれている。 【解決手段】 すなわち本発明は、Ｃ：０．０１〜０．
０８％、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％、必要に応じてＢ：０．００１０
〜０．０１００％を含有する。さらに前述の鋼にＮｉ：
０．０２０％以下、Ｃｏ：０．２０％以下及びＣｕ：
０．２０％以下の不純物レベルのオーステナイト生成元
素からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温クリープ強度
の優れた高クロムフェライト鋼に関し、さらに詳しくは
ボイラ用鋼管鋼等に係わるものである。

【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℃／２４６kgf/cm² から５９３℃／３１６kg
f/cm²、さらには６５０℃／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・１／４
Ｃｒ−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３−６０９
０５号公報には８〜１３％Ｃｒ鋼に０．５〜２．３％Ｍ
ｏ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％Ｃ
ｒ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強度を有する高クロム
フェライト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Ｎ
ｉ，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、高温クリープ強度の優れた高クロムフェ
ライト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）重量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、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、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなる、
優れた高温強度を有する高クロムフェライト系耐熱鋼。 （２）さらに重量％で、Ｂ：０．００１０〜０．０１０
０％を添加したことを特徴とする前記（１）項に記載の
優れた高温強度を有する高クロムフェライト系耐熱鋼。 （３）さらに重量％で、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｏ：
０．２０％以下及びＣｕ：０．２０％以下の不純物元素
として含有することを特徴とする前記（１）または
（２）項に記載の優れた高温強度を有する高クロムフェ
ライト鋼。

【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、０．０
８％超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、０．０１〜０．０８％
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、
０．５％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、Ｍ
₂₃Ｃ₆ 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Ｍ₆ Ｃ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％
に限定した。

【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、Ａ_l 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、Ｎ
ｉ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、Ａ_l 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、Ｎ
ｉ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０．０１〜０．０８％のＣ、０．０１〜０．１
０％のＮ、０．５０％以下のＳｉ及び０．０５〜０．５
０％のＭｎを含有する８〜１３％のＣｒ鋼に、１．５〜
３．５％のＷ、０．５％以下のＭｏ、０．１０〜０．３
０％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０．００１０〜０．０１０
０％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，Ｃ
ｏ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．
１〜１４）と比較の９〜１３Ｃｒ鋼（No．１５〜１７）
を真空誘導溶解炉にて各２０kgf 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、１０６
０℃×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℃、２
６kgf/mm² と、６５０℃、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から明らかのように、６００℃、２６
kgf/mm² 及び６５０℃、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℃、２６kgf/mm² の条件
で２．４倍〜３．５倍、６５０℃、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 直井 久 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 藤田 利夫 東京都文京区向丘１丁目14の４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．０１〜０．０８％、 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、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなる、優
   れた高温強度を有する高クロムフェライト鋼。
2. 【請求項２】 さらに重量％で、Ｂ：０．００１０〜
   ０．０１００％を添加したことを特徴とする請求項１記
   載の優れた高温強度を有する高クロムフェライト鋼。
3. 【請求項３】 さらに重量％で、Ｎｉ：０．２０％以
   下、Ｃｏ：０．２０％以下及びＣｕ：０．２０％以下の
   不純物元素として含有することを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の優れた高温強度を有する高クロムフ
   ェライト鋼。