(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．２０、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０６以下であることを特徴とする耐熱鋳鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０１〜０．０４であることを特徴とする耐熱鋳鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、火力発電設備における蒸気タービンや配管系などを構成する高温部品材料として使用可能な耐熱鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電設備における蒸気タービンや配管系の静止部品には、製造性や経済性に優れた低合金耐熱鋼が多量に使用されている。この低合金耐熱鋼として、例えば、ＪＩＳ ＳＴＰＡ２４やＪＩＳ ＳＣＭＶ４に代表される２.２５重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ鋼、ＡＳＴＭ Ａ３５６／Ａ３５６Ｍ９あるいはＤＩＮ ＧＳ１７ＣｒＭｏＶ５１１で規定される１重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−０.２５重量％Ｖ鋳鋼などが挙げられる（例えば、特許文献１−２参照。）。特に、１重量％Ｃｒ−１重量％Ｍｏ−０.２５重量％Ｖ鋳鋼は、主要元素であるＣ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶ以外の不純物元素量の制限値、脱酸元素の添加量や制限値によって、機械的性質や高温での経年的な特性変化傾向が異なる。このため、上記した汎用規格で規定される化学組成範囲内でさらに厳しい制限を設けたり、表記されない元素についても意図的に制限を設けて、品質や機械的性質をより向上させる努力が払われている。また、不純物元素の混入量の制御や微量の脱酸剤の残存量制御は、特に大型製品を製作する場合は、溶解炉や取鍋精錬炉などの設備能力に依存する面が強い。
【特許文献１】特許第３２８５７２９号公報
【特許文献２】特開平１０−２５９４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年において、火力発電設備に対して高効率とともに優れた経済性が要求されている。しかしながら、従来の不純物元素の混入量の制御や微量の脱酸剤の残存量制御などの設備を有しない溶解炉や取鍋精錬炉などで製造された製品において、品質、機械的性質あるいは経年特性を確保することは難しかった。また、近年、このような不純物元素の混入量の制御や微量の脱酸剤の残存量制御などの設備を有しない安価な溶解設備で製造された製品あっても、これらの設備を有している溶解設備で製造された製品と同等の品質、機械的特性あるいは経年特性を確保することが要求されている。
【０００４】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、優れた品質、機械的特性、経年特性を有し、かつ良好な経済性を発揮することができる耐熱鋳鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．２０、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０６以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０１〜０．０４であることを特徴とする。
【００１０】
これらの耐熱鋳鋼によれば、脱酸後に所定の残存量となるように脱酸剤が添加され、鋼中における残存酸素量が低減される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の耐熱鋳鋼によれば、優れた品質、機械的特性、経年特性を有し、かつ良好な経済性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１３】
本発明の耐熱鋳鋼は、以下に示す組成成分範囲の合金である。なお、以下の説明において組成成分を表す％は、特に明記しない限り重量％とする。
【００１４】
（Ｍ１）Ｃ：０．１２〜０．２０、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＰ、Ｓ、Ｃｕがそれぞれ、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下であり、脱酸剤として添加されるＡｌとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＡｌ：０．０２５以下、Ｔｉ：０．０６以下である耐熱鋳鋼。
【００１５】
（Ｍ２）Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌがそれぞれ、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＴｉ：０．０６以下である耐熱鋳鋼。
【００１６】
（Ｍ３）Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌがそれぞれ、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＴｉ：０．０１〜０．０４である耐熱鋳鋼。
【００１７】
（Ｍ４）Ｃ：０．１２〜０．２０、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌがそれぞれ、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０６以下である耐熱鋳鋼。
【００１８】
（Ｍ５）Ｃ：０．１２〜０．１８、Ｓｉ：０．２〜０．６、Ｍｎ：０．５〜０．９、Ｎｉ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１．０〜１．５、Ｍｏ：０．９〜１．２、Ｖ：０．２〜０．３５を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、この不可避的不純物のうちＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌがそれぞれ、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ：０．０１２以下、Ｃｕ：０．３５以下、Ａｌ：０．０１以下であり、脱酸剤として添加されるＣａとＴｉの脱酸後の鋼中残存量がＣａ：０．００１〜０．０１、Ｔｉ：０．０１〜０．０４である耐熱鋳鋼。
【００１９】
次に、上記した本発明に係る耐熱鋳鋼における各組成成分範囲の限定理由を説明する。
【００２０】
（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、厚肉素材における焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する炭化物の構成元素として不可欠である。上記した本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｃの含有率が０．１２％未満では、厚肉素材における焼入れ性の確保が難しく、また析出強化の効果が小さくなる。一方、Ｃの含有率が０．２％を超えると、溶接性が著しく低下する。そのため、Ｃの含有率を０．１２〜０．２０％とした。また、より好適なＣの含有率は、０．１２〜０．１８％である。
【００２１】
（２）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、耐水蒸気酸化性も向上させる。また、鋳造時の湯流れ性を向上させる作用も併せ持つ。しかし、その含有量が高い場合には、靭性の低下および経年的な脆化を促進するため、この観点からは含有量は可能な限り抑制されることが望ましい。本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｓｉの含有率が０．２％未満では、上記した効果が発揮できず、また、鋳造凝固時のフェライト生成を促進する。一方、Ｓｉの含有率が０．６％を超えると、上記した効果が著しく低下する。そのため、Ｓｉの含有率を０．２〜０．６％とした。また、より好適なＳｉの含有率は、０．２〜０.４％である。
【００２２】
（３）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であり、この観点からは０．５％以上の添加が必要である。一方、含有量が高くなると硫化物の生成量が増加するとともにクリープ強度を低下させる。そのため、Ｍｎの含有率を０．５〜０．９％とした。
【００２３】
（４）Ｎｉ（ニッケル）
Ｎｉは、焼入れ性および靭性の向上に寄与する。上記した本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｎｉの含有率が０．１％以上で、上記した効果を発揮するが、０．５％を超えると、高温クリープ強度が低下するとともに経済性が悪化する。そのため、Ｎｉの含有率を０．１〜０．５％とした。このＮｉの含有率の範囲であれば、機械的特性を低下させることなく、厚肉部品素材の焼入れ性を十分に確保することができる。
【００２４】
（５）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに、析出強化に寄与する炭化物の構成元素としても不可欠な元素である。Ｃｒの含有率が１.０％を下回ると、これらの効果が認められなくなる。一方、Ｃｒの含有率が１.５％を上回ると、他の添加元素量とのバランスによってフェライトの生成量が増加し、高温強度や靭性を低下させる。そのため、Ｃｒの含有率を１.０〜１．５％とした。
【００２５】
（６）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、固溶強化および炭化物の構成元素となり析出強化に寄与し、また、焼入れ性の向上にも寄与する。本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｍｏの含有率が０．９％以上で、上記した効果を発揮するが、１.２％を超えると、靭性が低下するとともに、特に鋳造時の成分偏析傾向が増大する。そのため、Ｍｏの含有率を０．９〜１．２％とした。
【００２６】
（７）Ｖ（バナジウム）
Ｖは、固溶強化および微細な炭窒化物の形成に寄与する。本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｖの含有率が０．２％以上で、微細析出物が十分に析出し母相の回復を抑制するが、０.３５％を超えると靭性および溶接性の低下を招く。そのため、Ｖの含有率を０．２〜０.３５％とした。
【００２７】
（８）Ｐ（リン）
Ｐは、代表的な不純物元素であり、本発明に係る耐熱鋳鋼においても、その鋼中残存量は少ないほど好ましい。また、本発明に係る耐熱鋳鋼におけるＰは、脆化を促進するとともに溶接性を低下させる。そのため、Ｐの残存含有率を０．０２％以下に抑制し、可能な限りＰの残存含有率を０％に近づけることが好ましい。
【００２８】
（９）Ｓ（硫黄）
Ｓは、代表的な不純物元素であり、本発明に係る耐熱鋳鋼においても、その鋼中残存量は少ないほど好ましい。また、本発明に係る耐熱鋳鋼は、高温で長期間使用されるため、Ｓの含有量が多い場合には、Ｓが経年的に結晶粒界に偏析して脆化する傾向がある。また、特に鋳造後には、補修溶接および他部品との構造溶接が不可欠な部品として製作されるが、Ｓの含有量が多い場合には、溶接時あるいは溶接後に割れが発生し易い。これらを回避するためには、Ｓの残存含有率を０．０１２％以下に抑制し、可能な限りＳの残存含有率を０％に近づけることが好ましい。
【００２９】
（１０）Ｃｕ（銅）
本発明に係る耐熱鋳鋼においてＣｕは不純物元素であり、その鋼中残存量は少ないほど好ましい。特に、Ｃｕの残存含有率が０.３５％を超えると、靭性低下が著しくなるため、Ｃｕの残存含有率を０．３５％以下に抑制し、可能な限りＣｕの残存含有率を０％に近づけることが好ましい。
【００３０】
（１１）Ａｌ（アルミニウム）
本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ａｌは、脱酸剤として添加され積極的に活用される場合と、不純物元素となる場合とがある。
【００３１】
脱酸剤として積極的に活用される場合には、特に製鋼工程の最終段階においてＡｌを添加することで、酸素含有量を低減するとともにＳの残存量も低減する効果を発揮させる。この結果、Ａｌは鋼中に残存するが、その残存含有率が０.０２５％を超えると靭性が低下する。そのため、脱酸剤として積極的に活用される場合には、Ａｌの残存含有率を０．０２５％以下とした。
【００３２】
一方、Ａｌが不純物元素となる場合には、その鋼中残存量は少ないほど好ましい。また、この場合には、脱酸および脱硫は他の元素で代替するため、Ａｌの残存含有率を０．０１％以下に抑制し、可能な限りＡｌの残存含有率を０％に近づけることが好ましい。
【００３３】
（１２）Ｔｉ（チタン）
本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｔｉは、脱酸剤として添加され積極的に活用される。鋼中に残存したＴｉは、わずかに常温強度を向上させる効果を有する。そのため、Ｔｉ以外に主要な脱酸剤を用いない場合あるいはＣａとＴｉを脱酸剤として併用する場合は、Ｔｉの残存含有率を０．０１〜０．０４％とし、若干高めの常温強度を要求する場合に、その上限を０.０６％とした。ここで、Ｔｉの残存含有率の上限を０.０６％としたのは、Ｔｉの残存含有率が０.０６％を超えると延性および靭性が著しく低下するからである。また、湯量が多い厚肉品のように、ＡｌとＴｉの双方を脱酸剤として活用する場合は、焼入れ不足による強度低下を解消するため、Ｔｉの残存含有率の上限を０.０６％とした。
【００３４】
（１３）Ｃａ（カルシウム）
本発明に係る耐熱鋳鋼において、Ｃａは、脱酸剤として有用であり、また、脱硫剤としての効果も併せ持つ。本発明の耐熱鋳鋼において、同様の効果を期待してＡｌあるいはＴｉを添加する場合があるが、これらに加えて０．００１％以上のＣａを添加することによってさらに脱酸および脱硫の効果が助長される。一方、Ｔｉの残存含有率が０．０１％以上となると非金属介在物の鋼中残存量が急激に増加するため、Ｔｉの残存含有率を０．００１〜０．０１％とした。
【００３５】
なお、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳鋼を用いて製作される厚肉部品として、例えば、定常運転時の最高温度が５３０℃を超え５７０℃未満になる蒸気タービン車室、蒸気タービン弁箱、ノズルダイヤフラム、ノズルボックス、フランジなどが挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００３６】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００３７】
（実施例１）
実施例１では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れた品質を有することを説明する。
【００３８】
約５０ｋｇの溶解原料を大気中で電気炉にて溶解し、製鋼工程でＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａによる脱酸、脱硫を併用して成分調整を行い、円筒形状に鋳造した。なお、溶解原料は各鋳塊とも同一である。
【００３９】
鋳造後の供試鋳塊（供試鋳塊１〜供試鋳塊１１、比較供試鋳塊１〜比較供試鋳塊５）の組成分析結果を表１に示す。なお、供試鋳塊の組成分析は、Ｃ、Ｓについては高周波燃焼−赤外線分析法、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉについては酸分解による湿式処理後、プラズマ誘導発光分光分析法により実施した。表１に示された供試鋳塊のうち供試鋳塊１〜供試鋳塊１１は、本発明に係る組成範囲にある耐熱鋳鋼である。一方、比較供試鋳塊１〜比較供試鋳塊５は、その組成が本発明の化学組成範囲にない耐熱鋳鋼であり、比較例である。なお、表１に示された数値の単位は、重量％である。
【００４０】
【表１】
0004846373.tif 000002
【００４１】
表１に示すように、本発明に係る組成範囲での脱酸剤および脱硫剤の添加により、鋳造後の供試鋳塊１〜供試鋳塊１１において、Ｓは最大でも０.００９％、Ｏは最大でも６５ｐｐｍに抑制されていた。このことから、供試鋳塊１〜供試鋳塊１１において、脱酸および脱硫の効果が得られていることがわかった。
【００４２】
一方、本発明に係る組成範囲での脱酸剤および脱硫剤の残存含有率の上限値を超えてＡｌを添加した比較供試鋳塊１では、酸化物の鋳塊中への巻き込み量が増加して、鋳塊に残存する酸素含有量が増加し、脱硫も効果的に働いていない。また、脱酸剤と脱硫剤を添加していない比較供試鋳塊２や、過剰にＴｉを添加した比較供試鋳塊３、過剰にＣａを添加した比較供試鋳塊４、過剰にＡｌを添加した比較供試鋳塊５においても、いずれも鋳塊に残存する酸素含有量が増加し、残存する硫黄含有量も供試鋳塊１〜供試鋳塊１１に比べ大幅に高く、効果的な脱酸、脱硫ができていなかった。
【００４３】
以上のことから、本発明に係る化学組成範囲内で成分調整された耐熱鋳鋼は、鋳塊中の不純物元素量を低減でき、かつガス成分の混入量を低減できることがわかった。また、酸化物や硫化物の鋳塊中への巻き込みも抑制でき、品質や清浄度が高い耐熱鋳鋼が得られることが明らかになった。
【００４４】
（実施例２）
実施例２では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳鋼が良好な溶接性を有することを説明する。
【００４５】
表１に示した各鋳塊を１０２５〜１０５０℃で焼ならし、空冷し、７００〜７２０℃で焼戻して、常温における引張強さを７００ＭＰａ程度に調整した。これらの鋳塊から平板を切り出し、Ｖ溝を加工した後、このＶ溝に対して初層を１７ｋＪ／ｃｍ程度の低入熱でバタリングし、２層目以降を２５ｋＪ／ｃｍ程度の高入熱で肉盛り溶接した。予熱層間温度は２５０〜３００℃である。溶接後、溶接の熱影響を受ける溶接部近傍における割れの発生の有無を確認した。表２には、各鋳塊における割れの発生の有無の結果を示している。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
表２に示すように、供試鋳塊１〜供試鋳塊１１においては、いずれも割れ発生が認められなかったが、残存する硫黄含有量と酸素量が高い比較供試鋳塊１〜比較供試鋳塊５では、全ての鋳塊で溶接部近傍における割れの発生を確認した。
【００４８】
以上のことから、本発明に係る化学組成範囲内で成分調整された耐熱鋳鋼は、良好な溶接性を有することが明らかになった。
【００４９】
（実施例３）
実施例３では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳鋼が良好な耐脆化特性を有することを説明する。
【００５０】
表１に示した各鋳塊を１０２５〜１０５０℃で焼ならし、空冷し、７００〜７２０℃で焼戻して、常温における引張強さを７００ＭＰａ程度に調整した。これらの鋳塊を５３８℃で１００００時間加熱し、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に基づいて２ｍｍＶノッチシャルピ衝撃試験片を作製した。そして、各鋳塊における試験片を用いて、２０℃の雰囲気温度下でシャルピ衝撃試験を実施した。表３には、加熱前におけるシャルピ衝撃値に対する加熱後におけるシャルピ衝撃値であるシャルピ衝撃比が示されている。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
表３に示すように、供試鋳塊１〜供試鋳塊１１におけるシャルピ衝撃比（加熱後におけるシャルピ衝撃値／加熱前におけるシャルピ衝撃値）は、０.９５もしくは１.０であった。このことから、供試鋳塊１〜供試鋳塊１１においては、ほとんど脆化していないことがわかった。一方、比較供試鋳塊１〜比較供試鋳塊５におけるシャルピ衝撃比は、０.５５から最大でも０.８５であった。このことから、比較供試鋳塊１〜比較供試鋳塊５においては、脆化が進行していることがわかった。
【００５３】
以上のことから、本発明に係る化学組成範囲内で成分調整された耐熱鋳鋼は、優れた耐高温脆化特性を有し、長期間にわたり安定な運用が可能なことが明らかになった。