JP2000026940A - 高Ｃｒフェライト系耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】６２５℃以上の高温蒸気下で使用に耐える高温
長時間クリープ強度と靭性に優れた高Ｃｒフェライト系
耐熱鋼を提供する。 【解決手段】Ｎｄ：０．００１〜０．２％を含有する８
〜１３％系のＣｒフェライト耐熱鋼であり、Ｎが０．０
２％未満と低い。

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
系耐熱鋼に係わり、さらに詳しくはボイラ、原子力発電
設備および化学工業設備などの高温、高圧環境下で使用
される熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービン用材料
等に適した高温長時間クリープ強度と靭性に優れた高Ｃ
ｒフェライト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、原子力発電設備および化学工業
設備等の高温、高圧環境で使用される耐熱鋼には、一般
に高温における強度、耐食性、耐酸化性および靭性等が
要求される。

【０００３】これらの用途には、従来ＪＩＳのＳＵＳ３
２１Ｈ、ＳＵＳ３４７Ｈ鋼などのオーステナイト系ステ
ンレス鋼、２・１／４Ｃｒ−１Ｍｏ鋼などの低合金鋼、
さらには９〜１２Ｃｒ系の高Ｃｒフェライト鋼が用いら
れてきた。なかでも、高Ｃｒフェライト鋼は５００℃〜
６５０℃の温度において、強度および耐食性の点で低合
金鋼よりも優れている。また、高Ｃｒフェライト鋼は、
オーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であるこ
と、熱伝導率が高く、かつ熱膨張率が小さいことから耐
熱疲労特性やスケール剥離が起こりにくいこと、さらに
は応力腐食割れを起こさないことなど数々の利点があ
る。

【０００４】近年、火力発電において熱効率の一層の向
上を図るため、ボイラーの蒸気条件の高温高圧化が進め
られている。すなわち、超臨界圧条件である５３８℃、
２４６気圧から、将来は６２５℃で３００気圧というよ
うな超々臨界圧条件での操業が計画されている。このよ
うな蒸気条件の変化に伴い、ボイラ用鋼管等に対する要
求性能は、ますます過酷化してきている。そのため、従
来の高Ｃｒフェライト鋼では、上記のような高温におけ
る長時間クリープ強度に対して十分に応えることができ
ない状況に至っている。

【０００５】オーステナイト系ステンレス鋼は上記のよ
うな過酷な条件に応えることのできる性能を備えている
が高価である。そのため、オーステナイト系ステンレス
鋼に比べて安価な高Ｃｒフェライト鋼を使用すべく、そ
の特性改善の試みがなされている。

【０００６】特開平８−８５８５０号、特開平９−７１
８４５号、特開平９−７１８４６号各公報には、超超臨
界圧条件用鋼として溶接継手部の高温長時間クリープ特
性改善の点からＮｄを添加した耐熱鋼が開示されてい
る。

【０００７】しかし、ＮｄはＮとの親和力が強い元素で
あり、Ｎｄの一部は粗大なＮｄＮ介在物として残存する
ため、高Ｎ鋼においてはＮｄのクリープ強度改善効果が
必ずしも充分発揮できていないという問題があった。

【０００８】火力発電ボイラ等の蒸気条件が前記した超
々臨界圧条件での高Ｃｒフェライト鋼の使用に対して
は、さらなるクリープ強度の向上が必要であり、そのた
めには焼戻し軟化抵抗を高めマルテンサイト組織の回復
軟化現象をできるだけ高温長時間側まで遅らせることが
重要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、６２
５℃以上の高温蒸気下の使用に耐える高温長時間クリー
プ強度と靭性に優れた高Ｃｒフェライト系耐熱鋼を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】高Ｃｒフェライト系耐熱
鋼に係わる本発明の要旨は、以下の通りである。

【００１１】（１）質量％で、 Ｃ：０．０２〜０．１５％、 Ｍｎ：０．０５〜１．５％、 Ｐ：０．０３％以下、 Ｓ：０．０１５％以下、 Ｃｒ：８〜１３％、 Ｗ：１．５〜４％、 Ｃｏ：２〜６％、 Ｖ：０．１〜０．５％、 Ｔａ：０．０１〜０．１５％、 Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、 Ｎｄ：０．００１〜０．２％、 Ｎ：０．０２％未満、 Ｂ：０．０００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．００１〜０．０５％、 Ｍｏ：０〜１％、 Ｓｉ：０〜１％、 Ｃａ：０〜０．０２％、 Ｌａ：０〜０．２％、 Ｃｅ：０〜０．２％、 Ｙ：０〜０．２％、 Ｈｆ：０〜０．２％ を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高温
長時間クリープ強度と靭性に優れた高Ｃｒフェライト系
耐熱鋼。

【００１２】（２）上記（１）記載の高Ｃｒフェライト
系耐熱鋼において、下記式を満足する高Ｃｒフェライト
系耐熱鋼。

【００１３】Ｎｄ(％)≦５×Ｎ(％)＋０.１ 本発明者らは、Ｎｄを含有する高Crフェライト系耐熱鋼
の高温長時間クリープ特性および靭性におよぼすＮの影
響について詳細に検討した。その結果、下記の知見を得
て本発明を完成させた。

【００１４】ａ）Ｎｄは、Ｎｄ酸化物として鋼中の酸素
を固定し、クリープ強度に寄与する微細な炭化物を析出
させる析出強化元素としてのＮｂやＶの一部が酸化物に
なるのを抑制する効果がある。また、ＮｄはＮｄＣ₂等
の炭化物を生成する作用があり、これらの炭化物は高温
長時間側まで微細かつ安定に析出するため高温長時間ク
リープ強度の向上に寄与する。ところが、Ｎ(窒素)との
親和力も大きく、Ｎを含有する鋼においては粗大なＮｄ
Ｎが介在物となるため、ＮｂやＶの酸化物の生成を抑制
する効果やＮｄＣ₂ 等の微細な炭化物を析出させること
による析出強化効果が不十分となり、クリープ強度改善
効果が十分に発揮できない。

【００１５】ｂ）Ｎｄを含有する高Ｃｒフェライト系耐
熱鋼においては、鋼中のＮ量を０．０２％未満に抑制す
ることにより、粗大なＮｄＮの生成を防止することがで
き、その結果ＮｂやＶの微細な炭化物やＮｄＣ₂ 等の微
細な炭化物が高温長時間側まで安定して析出し、その結
果、マルテンサイト組織の回復軟化現象が高温長時間側
まで抑制され、クリープ強度が大幅に向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の耐熱鋼の化学組成
を限定した理由について説明する（以下、％は質量％を
示す）。

【００１７】Ｃ：０．０２〜０．１５％ Ｃは炭化物ＭＣ（Ｍは合金元素）、Ｍ₇Ｃ₃およびＭ₂₃Ｃ
₆ 型炭化物を形成する［炭窒化物Ｍ（Ｃ、Ｎ）として形
成される場合もある］。この炭化物は、クリープ強度の
向上に寄与するとともに、Ｃ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。０．０２％未満では炭
化物の析出が不十分であり、かつ、δフェライト量も多
くなり充分なクリープ強度、靱性が得られない。しか
し、０．１５％を超えて多量に含有すると、使用時の初
期から炭化物の凝集粗大化が起こるので、逆に長時間ク
リープ強度の低下を招き、加工性や溶接性も劣化させる
ので上限は０．１５％とした。

【００１８】Ｍｎ：０．０５〜１．５％ Ｍｎは、脱酸およびＳを固定する元素として有効で、オ
ーステナイト安定化元素としても寄与する。それらの効
果を得るためには０．０５％以上必要であるが、１．５
％を超えると靭性を劣化させるので０．０５％〜１．５
％とした。

【００１９】Ｐ：０．００３％以下、Ｓ：０．０１５％
以下 不純物ＰおよびＳは、熱間加工性、溶接性および靭性の
観点からは低い方が望ましいが、それぞれ０．０３％、
０．０１５％までであれば本発明鋼の特性に直接影響し
ないため、上限をそれぞれ０．０３％および０．０１５
％とした。

【００２０】Ｃｒ：８〜１３％ Ｃｒは、本発明鋼の高温における耐食性や耐酸化性、特
に耐水蒸気酸化特性を確保するために不可欠な元素であ
る。さらには炭化物を形成してクリープ強度を向上させ
る。その他、Ｃｒ主体の緻密な酸化皮膜を形成して耐食
性および耐酸化性を向上させる作用があり、それらの効
果を得るためには８％以上とする必要がある。しかし多
量に含有させるとδ−フェライトの生成を促進して靭性
の劣化をもたらすため、上限を１３％とした。

【００２１】Ｗ：１．５〜４ Ｗは、本発明鋼の主要な強化元素の一つである。Ｗは高
温使用中にＦｅ₇Ｗ₆型の μ相やＦｅ₂Ｗ型のラーベス相
等の金属間化合物として微細に分散析出し、長時間クリ
ープ強度の向上に寄与する。さらには、Ｃｒ炭化物中に
も一部固溶して、炭化物の凝集、粗大化を抑制して強度
の維持に寄与する。しかしながら、多量に含有させると
δ−フェライトの生成を促進するため、含有量を１．５
％〜４％とした。

【００２２】Ｃｏ：２〜６％ Ｃｏは、オーステナイト安定化元素であり、Ｗを積極的
に添加する本発明鋼においては必須の元素である。Ｃｏ
は同じオーステナイト安定化元素のＮｉと異なり、クリ
ープ強度の低下をもたらすことなく、むしろクリープ強
度を向上させる効果がある。これらの効果を発揮させる
ためには２％以上の添加が必要であるが、６％を超えて
過剰添加すると鋼のＡｃ₁ 変態点の低下が著しくなり、
逆にクリープ強度が低下する。

【００２３】Ｖ：０．１〜０．５％ Ｖは、本発明鋼においては重要な元素で微細な炭窒化物
を形成して、クリープ強度の向上に寄与する。その効果
を発揮させるためには０．１％以上とする必要があり、
０．５％を超えて含有させてもその効果は飽和するの
で、０．１％〜０．５％とした。

【００２４】Ｔａ、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％ Ｔａ、Ｎｂは、Ｖと同様、微細な炭窒化物を形成して、
クリープ強度の向上に寄与する元素である。その効果を
発揮させるためには、それぞれ０．０１％以上必要であ
るが、０．１５％を超えて含有させてもその効果は飽和
するので０．０１％〜０．１５％とした。

【００２５】Ｎｄ：０．００１〜０．２％ Ｎｄは、ＮｄＣ₂ 等の炭化物が高温長時間側でも微細か
つ安定に析出するためマルテンサイト組織の回復軟化の
抑制に大きく寄与し、クリープ強度を大きく向上させ
る。その効果を発揮させるためには０．００１％以上を
含有させる必要があるが、０．２％を超えて過剰に含有
させると靱性が劣化するので０．００１％〜０．２％と
した。

【００２６】Ｎ：０．０２％未満 Ｎは、Ｃと同様オーステナイト安定化元素として有効で
あるが、Ｎｄを含有する鋼においては、Ｎ量が高くなる
と粗大なＮｄＮが介在物として鋼中に残存するため、ク
リープ強度の向上効果が十分に発揮されず、かつ靱性も
劣化する。したがって、Ｎｄの効果を充分に発揮させる
ためには、鋼中のＮ量の上限は０．０２％未満とする必
要がある。そして、特に靱性を重視する場合には、Ｎｄ
とＮ量とのバランスを下式を満足する範囲で調整するこ
とが望ましい。

【００２７】Ｎｄ(％)≦５×Ｎ(％)＋０.１０(％) Ｂ：０．０００５〜０．０２％ Ｂは、微量添加された場合にＭ₂₃Ｃ₆ 型炭化物を微細に
分散析出させる効果があり、高温長時間クリープ特性の
向上に寄与する。また、厚肉材などで熱処理後の冷却が
遅い場合には焼入れ性を高め、やはり高温強度の確保に
重要な役割を果たす。その効果は、０．０００５％以上
で顕著となるが、０．０２％を超えて含有させると粗大
な析出物を形成し靭性を劣化させる。したがって、Ｂ含
有量は０．０００５〜０．０２％とした。

【００２８】Ａｌ：０．００１〜０．０５％ Ａｌは、溶鋼の脱酸剤として０．００１％以上必要であ
る。一方、０．０５％を超えて多量に含有させるとクリ
ープ強度の低下を招くので０．００１〜０．０５％とし
た。

【００２９】Ｓｉ：０〜１％ Ｓｉは、必要により溶鋼の脱酸剤として用いる。Ｓｉ
は、高温における耐水蒸気酸化特性の向上に対して有効
であるが、１％を超えて多量に含有させると靭性の劣化
を引き起こすため、本発明では０〜１％とした。特に耐
水蒸気酸化を重視する場合にはＳｉ量の下限は０．１０
％とするのが望ましい。

【００３０】Ｍｏ：０〜１％ Ｍｏは、必要により含有させる元素で、固溶強化元素と
してクリープ強度の向上に寄与するが、１％を超えて含
有させると、ラーベス相等の金属間化合物が析出する。
Ｍｏ含有鋼では、このような金属間化合物は極めて粗大
に析出するためクリープ強度の向上には寄与せず、か
つ、時効後の靱性も低下させる。したがって、Ｍｏの含
有量は０〜１％とした。

【００３１】Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｈｆ：Ｃａは０〜
０．０２％、その他は０〜０．２％Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、
ＹおよびＨｆのうちの１種以上を必要により含有させ
る。これらの元素は、ごく微量の含有量でも結晶粒界を
強化させてクリープ強度を向上させるとともに、熱間加
工性の向上にも寄与する。しかし、過剰に添加すると熱
間加工性が低下するため、これら元素の上限はＣａは
０．０２％、Ｌａ、Ｃｅ、ＹおよびＨｆは０．２％とし
た。

【００３２】

【実施例】真空誘導溶解炉にて、表１および表２に示す
化学組成の直径１４４ｍｍの５０ｋｇインゴットを溶製
した。記号１〜２４が本発明鋼、記号Ａ〜Ｌが比較鋼で
ある。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】これらのインゴットを熱間鍛造後、熱間圧
延によって２０mm厚の鋼板とした。次いで、１０５０℃
で１時間保持した後空冷(ＡＣ)し、さらに７８０℃で１
時間保持して空冷(ＡＣ)する焼戻し処理をおこなった。
これらの鋼板から、クリープ破断試験片およびシャルピ
ー衝撃試験片を作製し、下記する条件でクリープ破断試
験およびシャルピー衝撃試験を実施した。

【００３６】 （１）クリープ破断試験 試験片 ： 直径 ６．０ｍｍ 標点間距離 ３０ｍｍ 保持温度： ６５０℃ 負荷応力： ９８ＭＰａ （２）シャルピー衝撃試験 試験片 ： １０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ ２ｍｍＶノッチ 試験温度： ０℃ これらの試験で測定したクリープ破断時間およびシャル
ピー衝撃値（Ｊ／ｍｍ²）を表３および表４に示す。

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】Ｎ量が０．０２％未満の本発明鋼の記号
１、２、３鋼および４、５、６鋼のクリープ破断時間
は、それぞれの比較鋼であるＮ含有量が本発明で規定す
る範囲を超える記号Ａ鋼および記号Ｂ鋼に比べて明らか
に改善されていることがわかる。Ｎ低減によるクリープ
破断寿命の改善効果は、本発明鋼の記号７〜１７鋼とそ
れぞれの比較鋼である記号Ｃ〜Ｍ鋼との比較においても
明瞭である。

【００４０】また、本発明鋼の記号７、１８、２０、２
２、２４鋼は、ＮｄとＮの含有量が下式を満足しない場
合である。この場合には下式を満足する本発明の記号１
７、１９、２１、２３鋼に比べてクリープ破断寿命の差
はほとんどないが、衝撃値が低めになることがわかる。
したがって、靱性を重視する場合には下式を満足する範
囲内でＮｄ、Ｎ含有量を調整することが望ましい。

【００４１】Ｎｄ(％)≦５ｘＮ(％)＋０.１０(％)

【００４２】

【発明の効果】本発明の高Ｃｒフェライト耐熱鋼は、６
２５℃以上の高温下で高温長時間クリープ強度と常温に
おける靭性に優れており、原子力発電や化学工業等の分
野で用いられる熱交換用鋼管、圧力容器用鋼板、タービ
ン用材料として使用して優れた効果を発揮し、産業上極
めて有益である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、 Ｃ：０．０２〜０．１５％、 Ｍｎ：０．０５〜１．５％、 Ｐ：０．０３％以下、 Ｓ：０．０１５％以下、 Ｃｒ：８〜１３％、 Ｗ：１．５〜４％、 Ｃｏ：２〜６％、 Ｖ：０．１〜０．５％、 Ｔａ：０．０１〜０．１５％、 Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、 Ｎｄ：０．００１〜０．２％、 Ｎ：０．０２％未満、 Ｂ：０．０００５〜０．０２％、 Ａｌ：０．００１〜０．０５％、 Ｍｏ：０〜１％、 Ｓｉ：０〜１％、 Ｃａ：０〜０．０２％、 Ｌａ：０〜０．２％、 Ｃｅ：０〜０．２％、 Ｙ：０〜０．２％、 Ｈｆ：０〜０．２％ を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなること
   を特徴とする高温長時間クリープ強度と靭性に優れた高
   Ｃｒフェライト系耐熱鋼。
2. 【請求項２】請求項１記載の高Ｃｒフェライト系耐熱鋼
   において、下記式を満足することを特徴とする高温長時
   間クリープ強度と靭性に優れた高Ｃｒフェライト系耐熱
   鋼。 Ｎｄ(％)≦５×Ｎ(％)＋０.１