(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ：０.０３〜０.２５％、
Ｓｉ：０.１０〜１.０％、
Ｍｎ：０.１０〜２.０％、
Ｃｒ：０.３％未満、
Ｗ：０.４〜４.０％、
Ｍｏ：０.０１〜０.３％、
Ｖ：０.０１〜０.４％、
Ｎｂ：０.０１〜０.１％、
Ｂ：０.００６０％以下、
Ｎ：０.００６０％以下、
を含み、残部は鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。
【請求項２】
請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼を９００〜１０２５℃で焼ならしもしくは焼入れした後、６００〜７００℃で焼もどし処理を施してなることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼の使用温度が２００〜５００℃の範囲であることを特徴とする高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフェライト系耐熱鋼に係わり、特に、火力プラントあるいは化学プラントにおいて、２００〜５００℃の温度範囲で高温高圧の耐圧部材として好適に用いられる高温強度に優れ、かつ靭性、加工性および溶接性が良好で、経済性に優れたフェライト系耐熱鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力プラントや化学プラント等の高温耐圧部材に使用されている耐熱鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と、フェライト系耐熱鋼であるＣｒ−Ｍｏ鋼、Ｍｏ鋼および炭素鋼とに大別することができる。これらの耐熱鋼の中から、高温耐圧部の温度、圧力、使用環境および経済性などの点から適切な材料が選択される。これらの耐熱鋼の中で、オーステナイト系ステンレス鋼は高温強度と耐食性の点で最も優れているが、線膨張係数が大きく、熱伝達率が小さく、また本質的に応力腐食割れ感受性を有している。さらに、Ｃｒ、Ｎｉ等の合金元素の添加量が多いことから高価であり、上述した高温耐圧部材には、使用温度が６００℃以上となる場合、あるいは著しい腐食環境となる場合を除いて、ほとんど使用されていない。
フェライト系耐熱鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べると、高温強度と耐食性においては劣るが、比較的安価で経済性に優れており、特に、Ｍｏ系のフェライト系耐熱鋼は経済性に優れていることから、火力プラントや化学プラント等の高温耐圧部材として多用されている。
しかしながら、近年、火力プラントや化学プラントでは、発電や操業の高効率化のために使用条件は、より高温高圧に設定される傾向にあり、高強度化されたＭｏ系のフェライト系耐熱鋼の要求が高まっているが、従来技術では、該Ｍｏ鋼の高強度化によって靭性や加工性等が損なわれるなどの問題があり、経済性に優れたＭｏ系のフェライト系耐熱鋼に代替できる高強度化されたフェライト系耐熱鋼の実現に対する要望が高くなってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フェライト系Ｍｏ鋼の高強度化による工業的な効果は極めて大きいが、従来技術では高強度化によって靭性や加工性が損なわれるという問題があった。例えば、ＪＩＳ規格のボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管のＳＴＢＡ  １２種や、  ＳＴＢＡ１３種に示されているフェライト系Ｍｏ鋼は、Ｍｏの固溶強化と、Ｆｅ、Ｍｏの微細炭化物の析出強化により高温強度を向上させているが、Ｍｏの添加だけでは炭化物の粗大化が速く、十分な長時間のクリープ強度は得られなかった。
また、特開昭６３−１８０３８号公報に開示されている材料は、クリープ特性および耐水素浸食性に優れた低合金鋼であるが、Ｃｒが２％以上含むことに加えて、実質的にＭｏが０．７５％以上、Ｗが０．６５％以上添加されているにもかかわらず、プラント製作上の重要な溶接性の点については全く考慮されていなかった。加えるに、特開昭６３−１８０３８号公報に示されている材料は、高強度化のために１０５０℃の温度から焼入れ処理を行う必要があるが、火力発電プラントの伝熱管等の現場施工における熱処理として、水冷焼入れを施すことは実際的に不可能な場合が多く、プラントにおける伝熱管等の組み立て加工において問題があった。
さらに、特公平６−２９２６号公報および特公平６−２９２７号公報は、５００℃以上の耐酸化性、高温耐食性、および５５０℃以上のクリープ強度を改善する高強度低合金鋼であるが、いずれも耐酸化性改善のために、Ｍｇの添加またはＣｕとＭｇの複合添加による相乗効果を期待している。しかしながら、本発明者らの詳細な調査結果から、火力プラント等において、使用温度を５００℃以下に限定するならば、あえてＭｇの添加またはＣｕとＭｇを複合添加しなくても十分に使用に耐え得ることを知見した。
【０００４】
本発明の目的は、Ｍｏ代わりにＷを適正量添加することにより、従来のＭｏ鋼系のフェライト系耐熱鋼の靭性や加工性ならびに溶接性を損ねることなく、
２００〜５００℃の温度範囲における高温高圧の耐圧部材として使用することができる優れた高温強度を有するフェライト系耐熱鋼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、重量％で、
Ｃ：０.０３〜０.２５％、
Ｓｉ：０.１０〜１.０％、
Ｍｎ：０.１０〜２.０％、
Ｃｒ：０.３％未満、
Ｗ：０.４〜４.０％、
Ｍｏ：０.０１〜０.３％、
Ｖ：０.０１〜０.４％、
Ｎｂ：０.０１〜０.１％、
Ｂ：０.００６０％以下、
Ｎ：０.００６０％以下、
を含み、残部は鉄および不可避的不純物よりなる高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼とするものである。
Ｍｏの代わりにＷを０.４〜４.０％の範囲で添加した請求項１に記載のような組成のフェライト系耐熱鋼とすることにより、例えば、２００〜５００℃の温度範囲でクリープ破断強度および引張強さに優れた高温強度を有し、靭性、加工性および溶接性が従来のＭｏ系フェライト系耐熱鋼と同等に良好であり、かつ経済性に優れたフェライト系耐熱鋼が得られる効果がある。
【０００６】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼において、該耐熱鋼を９００〜１０２５℃で焼ならしもしくは焼入れした後、６００〜７００℃で焼もどし処理を施してなるフェライト系耐熱鋼とするものである。
請求項２に記載のように、請求項１の組成のフェライト系耐熱鋼を、９００〜１０２５℃の温度で焼ならしまたは焼入れした後、６００〜７００℃で、例えば、１〜４時間加熱して、焼もどし処理を施すことにより、上記請求項１の効果に加え、品質が優れた靭性、曲げ加工性および溶接性の良好なクリープ破断強度に優れた高温強度のフェライト系耐熱鋼を歩留まり良く実現できる効果がある。
【０００７】
また、請求項３に記載のように、請求項１または請求項２に記載のフェライト系耐熱鋼において、該フェライト系耐熱鋼の使用温度が２００〜５００℃の範囲で優れた高温強度を有するフェライト系耐熱鋼とするものである。
請求項３に記載のように、請求項１の組成のフェライト系耐熱鋼の使用範囲を、各種プラントの２００〜５００℃の温度領域に限定することにより、上記請求項１の効果に加え、長期にわたり安全、かつ安定して使用することができ、信頼性を向上できる効果がある。
【０００８】
以下に、各元素の作用効果と含有率の限定理由について説明する。
Ｃは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂと結合して炭化物を形成し、高温強度に寄与すると共に、マルテンサイト、ベイナイト、パーライトおよびフェライト組織の生成割合に重要な関係がある。
Ｃが０.０３％未満では、炭化物の析出量が不足するために十分な強度が得られず、一方、Ｃ量が０.２５％を超えると、炭化物が過剰に析出して高温での強度、さらに溶接性と加工性をも損なうことになる。したがって、Ｃ量の適正範囲は０.０３〜０.２５％とした。
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として、また、耐酸化性を向上させるために添加する必要があり、０.１０％未満では上記効果は不十分であリ良好な特性が得られない。しかし、Ｓｉ量が１.０％以上になると靭性が低下するので適正範囲は
０.１０〜１.０％とした。
Ｍｎは、鋼の熱間加工性を改善し、高温強度の安定化にも寄与するものである。０.１０％未満では、その効果が著しく小さい。しかし、２.０％を超えると鋼が硬化して、溶接性と加工性が低下する。また、Ｓｉと同様に、焼もどしによる脆化を助長する元素であるで、適正範囲は０.１０〜２.０％とした。
Ｃｒは、鋼の耐酸化性を改善する元素であるが、本発明鋼は５００℃までの温度域で使用するものであることから、さらにＣｒを増加させると溶接性が低下するので、その上限を０.３％とした。Ｃｒ添加の下限は、使用温度が５００℃以下であるので０％であっても良い。
Ｗは、母地中に固溶してマトリックスを強化すると共に、一部、炭化物として析出するので、高温強度を向上させることができる。一般に、Ｃｒ−Ｍｏ系耐熱鋼には、１％を超えるＷを添加しているものもあるが、Ｖの存在下では１％未満のＷ量の添加でも高温強度、特にクリープ強度の向上が期待できることが分かった。詳細な実験の緒果、Ｖの存在下においても０.４％未満のＷ量では実質的効果がなく、また、４.０％を超えると、Ｗの添加量に対する効果の割合が小さくなってしまうので、その適正範囲は０.４〜４.０％とした。
ＭｏもＷと同様に、母地中に固溶してマトリックスを強化すると共に、一部、炭化物として析出するので高温強度を向上させる効果がある。０.０１％未満では実質的な効果は生じない。また、Ｗと同時に０.３％以上のＭｏ量を添加すると加工性、溶接性および耐酸化性が低下し、かつ材料コストが上昇するので、適正範囲は０.０１〜０.３０％とした。
Ｖは、主にＣと結合して炭化物を析出し、高温強度、特に、Ｗを同時に添加することによってクリープ強度の向上に著しい効果をもたらす。その添加量が
０.０１％未満では実質的な効果が生じない。また、０.４％を超えると焼きならし、あるいは焼入れ時に、未固溶のＶ炭化物が粗大化して、その添加効果を低減させる。したがって、適正範囲は０.０１〜０.４％とした。
Ｎｂは、微細な炭化物を均一に分散析出し、高温強度を向上させると共に、固溶化熱処理時に、未固溶のＮｂ炭窒化物が結晶粒の粗大化を抑制することにより靭性を向上させる効果がある。０.０１％未満では、その実質的な効果はなく、０.１０％を超えると未固溶のＮｂ炭窒化物が粗大化し、強度ならびに靭性とも低下する。このことから、適正範囲は０.０１〜０.１０％とした。
Ｂは、微量添加によリ焼入れ性を向上させる効果は一般的に知られているが、焼入れ性を促進する効果以外に、炭化物を分散、安定化して強度と靭性を改善する効果もある。また、オーステナイト粒界を清浄化し、高温強度、特に、クリープ強度の向上に寄与する。しかし、０.００６０％を超えると溶接性および加工性を低下させる他、熱間加工性を著しく阻害する。したがって、Ｂ添加の上限は０.００６０％とし、その下限は０％であっても良い。
Ｎは、強度と靭性を向上するのに有効であるが、多量添加はブローホールの発生や溶接性に悪影響を及ぼすため、その上限を０.００６０％とした。なお、Ｎ添加の下限は０％であっても良い。
本発明のフェライト系耐熱鋼は、上述した成分の他、残部はＦｅおよび不可避的に混入する不純物よりなる。鋼の不純物として代表的なものはＰ（リン）とＳ（イオウ）である。Ｐは０.０２０％以下、Ｓは０.０１０％以下が望ましい。さらに、脱酸剤として用いるＡｌは０.０３０％以下が望ましい。
本発明のフェライト系耐熱鋼の特性は、常温〜５００℃における許容応力が、ボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管ＪＩＳ Ｇ 3462(1973)ＳＴＢＡ １３種の約１.３倍以上で、常温における衝撃値が４０Ｊ以上である。これを達成するための熱処理条件は、焼きならしまたは焼入れした後に、焼もどし処理を施すものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を例示し、さらに詳細に説明する。
表１に示す化学組成を有する本発明鋼の試験片（板厚２５ｍｍ）を作製し、
９００〜１０２５℃の温度に加熱して焼ならし（または焼入れ）処理を行った後、焼もどし処理（および溶接後の応力除去焼鈍相当処理）として、６００〜７００℃の温度で約１〜４時間、加熱処理を施した。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表２に比較鋼として、ボイラ、熱交換器用合金鋼鋼管ＪＩＳ  Ｇ  ３４６２（１９７３）  ＳＴＢＡ  １３種に相当するフェライト系Ｍｏ鋼の化学組成を示す。
【００１２】
【表２】
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【００１３】
表３は本発明鋼、表４は比較鋼のそれぞれについて、高温（４００℃と５００℃）引張強さ、５００℃，１００００ｈ（時間）のクリープ破断強度および室温での衝撃値を示す。なお、高温引張強さ、クリープ破断強度の試験はφ６ｍｍ×ＧＬ（Ｇｒａｄｅ  Ｌｉｎｅ…勾配）３０ｍｍの試験片を用いて実施した。
【００１４】
【表３】
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【００１５】
【表４】
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【００１６】
図１に、本実施の形態で得られた上記の諸特性値のうち、５００℃で１万時間のクリープ破断強度〔Ｌａｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｍｉｌｌｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＬＭＰ法）による推定値〕とＷ含有量との関係をプロットした。
本発明鋼は比較鋼のクリープ破断強度（５００℃，１００００ｈ）の約１．３倍の強度を有しており、高温強度の向上を確認することができた。また、４００℃と５００℃の引張強さも比較鋼と比べて、４００℃においては約１．１７倍、５００℃においては約１．１９倍の引張強さを示しており、優れた高温強度を有している。また、常温の衝撃特性も１０９〜１５２Ｊの範囲で問題がないものと考えられる。
また、靭性、曲げ加工性および溶接性については、従来の  ＪＩＳ  ＳＴＢＡ  １３種と同等あるいはそれ以上であった。
なお、表１に示す試験片の中で、Ｎｏ．３の試料のＷ含有量３．３９％が最高であるが、この他、Ｗ含有量が４．０％未満（３．６％、３．９％等）含有する試料についても上記と同様の結果が得られることを確認している。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、２００〜５００℃の温度領域で使用できる高温強度に優れたフェライト系耐熱鋼を提供するものである。本発明鋼は高温強度が高く、しかも靭性、曲げ加工性および溶接性も従来のフェライト系耐熱鋼と同等あるいはそれ以上であり、この特性と経済性とによって火力プラントや化学プラントの耐圧部材に広く利用できるものであり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した５００℃，１万時間のクリープ破断強度
（ＭＰａ）とＷ添加量との関係を示すグラフ。
【図１】
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