(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．８％、Ｍｎ：≦０．３１％、Ｐ：≦０．０１５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｒ：２．０〜３．５％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｂ：０．０００３〜０．００３％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｎ：≦０．００６％、Ｏ：≦０．００５％を含有し、且つ
Ｗ（％）／Ｍｏ（％）≧１、及びＣｕ＋Ｎｉ≧０．３％を満足するとともに、残部は不可避的に混入する不純物及び鉄からなり焼戻しパラメータが２０．０×１０３以上の溶接後熱処理後における高温強度に優れた厚肉または大径厚肉管用高強度Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ鋼。
ただし、焼戻しパラメータ：Ｔ．Ｐ．＝（Ｔ＋２７３．１５）（log ｔ＋２０）
Ｔ：温度（℃）
ｔ：時間（ｈ）
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．８％、Ｍｎ：≦０．３１％、Ｐ：≦０．０１５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｒ：２．０〜３．５％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｂ：０．０００３〜０．００３％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｎ：≦０．００６％、Ｏ：≦０．００５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％を含有し、且つ
Ｗ（％）／Ｍｏ（％）≧１、及びＣｕ＋Ｎｉ≧０．３％を満足するとともに、残部は不可避的に混入する不純物及び鉄からなり、焼戻しパラメータが２０．０×１０３以上の溶接後熱処理後における高温強度に優れた厚肉または大径厚肉管用高強度Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ鋼。
ただし、焼戻しパラメータ：Ｔ．Ｐ．＝（Ｔ＋２７３．１５）（log ｔ＋２０）
Ｔ：温度（℃）
ｔ：時間（ｈ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石油化学、石油精製等の高温高圧水素環境下で使用される圧力容器等や、ボイラ等の発電プラント設備の高温高圧下で使用される大径厚肉管等の用途に好適な、高クリープ破断強度および靭性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力容器や大径厚肉管等用には、現在ＪＩＳ  ＳＣＭＶ４に代表される２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼が幅広く用いられている。ところが、近年、プラントの高効率化が指向される趨勢にあり、装置の大型化や操業条件の高温高圧化に伴い、材料の厚肉化や高強度化が要求される。
【０００３】
これまで、２ 1/4Ｃｒ−１Ｍｏ鋼に関しては、特公昭64-7127 号公報に開示されているように、Ｔｉ−Ｂ添加およびＮｂ、Ｖ添加により高クリープ強度化が図られ、Ｔｉ−Ｂ−ＮおよびＣ−Ｖバランスの適正化により靭性が確保され、高強度高靭性の材料が開発されており、この材料は、現在、他の開発鋼も含め、ＪＩＳ  ＳＣＭＱ４Ｖに規格化されている。
【０００４】
さらに、特公平6-6771号公報に開示されているように、ＶとＷを複合添加することによりクリープ強度および耐水素侵食特性の向上が図られることが示されている。
【０００５】
ところが、Ｔｉ−Ｂ添加、Ｎｂ、Ｖ添加、Ｗ添加はいずれも靭性をさせる傾向にあり、特に肉厚材で加速冷却を実施しない焼ならし（空冷）−焼戻し処理や、焼ならしを省略した熱間圧延（または熱間加工）−焼戻し時に直接焼入れを実施しない、熱間圧延（または熱間加工）後空冷−焼戻し処理により製造した鋼板での靭性確保は困難である。
【０００６】
実際、特公平6-6771号公報では焼入れを実施しており、また、実施例には靭性について全く記載されていない。
【０００７】
また、特公平6-2926号公報や特公平6-2927号公報においても、Ｗ添加により高クリープ強度化が図られているが、薄肉のシームレスチューブを対象に開発された材料と考えられ、実施例は板厚２０ｍｍの薄肉材であり、且つ、厚板（または大径管）としては必須のＰＷＨＴ処理を実施していない。クリープ強度および靭性は板厚や板厚による焼ならし後の冷却速度、さらにはＰＷＨＴ条件により大きく異なり、この成分系は厚肉材用の成分系とは言えない。成分系を見ても、厚肉材において十分な強度靭性を得るために不可欠な焼入性に関して考慮した成分系とは言えない。
【０００８】
また、特開平4-268040号公報や特開平5-345949号公報も同様にＷにより高クリープ強度化が図られているが、厚肉または大径厚肉管用に開発された成分系ではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，上記事情に鑑みてなされたもので，Ｃｒ−Ｍｏ鋼の厚肉材において、焼入れ（または直接焼入れ）や加速冷却を必要としない焼ならし−焼戻し処理あるいは熱間圧延（または熱間加工）後空冷−焼戻し処理により鋼板を製造し、且つ、厚板または大径厚肉管として必須の焼戻しパラメータ：Ｔ．Ｐ．≧２０．０×１０3 のＰＷＨＴ処理を実施した後においても十分なクリープ強度および靭性を、さらに、長時間時効後の靭性まで確保し得る成分系を提供することを目的とする。
【００１０】
Ｔ．Ｐ．＝（Ｔ＋２７３．１５）（log ｔ＋２０）
Ｔ：温度（℃）
ｔ：時間（ｈ）
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．８％、Ｍｎ：≦０．３１％、Ｐ：≦０．０１５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％、Ｃｒ：２．０〜３．５％、Ｍｏ＋１／２Ｗ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｂ：０．０００３〜０．００３％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｎ：≦０．００６％、Ｏ：≦０．００５％、さらに必要により、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％を含有し、且つ
Ｗ（％）／Ｍｏ（％）≧１、及びＣｕ＋Ｎｉ≧０．３％を満足するとともに、残部は不可避的に混入する不純物及び鉄からなり、焼戻しパラメータが２０．０×１０３以上の溶接後熱処理後における高温強度に優れた厚肉または大径厚肉管用高強度Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ鋼である。
ただし、焼戻しパラメータ：Ｔ．Ｐ．＝（Ｔ＋２７３．１５）（log ｔ＋２０）
Ｔ：温度（℃）
ｔ：時間（ｈ）
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳しく説明する。
【００１３】
本発明の基本的な構成は下記の通りである。
【００１４】
（１）高クリープ強度化を図るため、ＭｏおよびＷを適量添加するとともにＮｂ、Ｖを添加する。
【００１５】
（２）厚肉材の焼ならし後の空冷あるいは熱間圧延後の空冷後において、十分な強度靭性を確保するため、Ｃ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂを適量添加するとともに、Ｎ量を低く抑え、十分な焼入性を確保する。
【００１６】
（３）これらの高クリープ強度を得ることが可能な成分系において、十分なＰＷＨＴ後の靭性および長時間時効後の靭性を得るために、Ｍｎを低く制限する。
【００１７】
（４）酸素レベルを低く抑えるとともに、Ａｌを適量添加し、介在物を制御することにより、靭性および再熱割れ性を改善する。さらに低Ｓ化においてＣａを微量添加することにより、酸化物系介在物の制御により再熱割れ感受性をさらに改善する。
【００１８】
上記目的のため、本発明の化学成分を以下のように限定する。
【００１９】
Ｃ：Ｃは厚肉材における強度および靭性確保の点から０．０８％以上必要であるが、増加に伴い溶接低温割れ性は増大するため、上限を０．２％とした。
【００２０】
Ｓｉ：Ｓｉは強度の確保及び耐酸化性の向上に有効であるが、同時に靭性劣化及び焼戻し脆化感受性を増大させるため、０．０１％≦Ｓｉ≦０．８％とした。
【００２１】
Ｍｎ：Ｍｎは強度・靭性を上昇させるのに有効であるが、同時に焼戻し脆化感受性を増大させるためである。ここでは厚肉材のＰＷＨＴ後の靭性および長時間時効後の靭性の確保のため０．３５％以下に制限する。図１は、Ｍｎ含有量を変えた各種厚肉材について、○：ＰＷＨＴままと、●：５００℃×３０００ｈ時効後におけるｖＴｓ℃をプロットしたものである。いずれの場合においてもｖＴｓ℃を−３０以下にするためには、Ｍｎ≦０．３５％としなければならないことがわかる。
【００２２】
Ｐ：Ｐは焼戻し脆性を助長し靭性を損ねると共に再熱割れ感受性を高めるため、０．０１５％以下とした。
【００２３】
Ｓ：Ｓは再熱割れ感受性を高めるため、０．００３％以下とした。
【００２４】
Ｃｕ：Ｃｕは焼入性を高め、また、固溶強化元素として強度を高めるので０．０５％以上添加するが、過剰に添加すると再熱割れ性を高め、また、クリープ延性や熱間加工性を低下させるので、上限を１％とした。
【００２５】
Ｎｉ：Ｎｉは焼入性を向上させると共に靭性を改善に有効であるので０．０５％以上添加するが、過剰に添加すると再熱割れ感受性を高めるので、上限を１％とした。
【００２６】
さらに、本発明においては厚肉材での強度・靭性を確保するため、Ｃｕ＋Ｎｉ量を０．３％以上とした。
【００２７】
Ｃｒ：Ｃｒは高温用鋼にとって重要な性能である高温強度、耐水素アタック性、耐酸化性に対して有効であり、２．０％以上含有させることが必要であるが、一方、コスト及び溶接性の観点から３．５％を上限とした。
【００２８】
ＭｏおよびＷ：ＭｏおよびＷは安定的に炭化物を生成するためにＣｒと同様に高温強度、クリープ強度、耐水素アタック性に対して有効であるが、極端な添加は溶接性を害し経済性を損なうため、０．５％≦Ｍｏ＋Ｗ／２≦１．５％とした。ここでＷはＭｏの２倍の原子量を有することから、ＭｏとＷ／２は等価であると考えられる。Ｍｏ単独でもＷ単独でも、強度等に有効であるが、Ｗ／Ｍｏが１以上で特にクリープ強度を向上させることから、Ｗ／Ｍｏ≧１とした。
【００２９】
Ｖ：Ｖは炭化物生成元素であり常温および高温強度、クリープ破断強度を上昇させることができるが、過剰に添加した場合、靭性および再熱割れ感受性を高めるので、０．０５％≦Ｖ≦０．５％とした。
【００３０】
Ｎｂ：Ｎｂは安定な炭窒化物生成元素であり常温および高温強度、クリープ破断強度を上昇させることができるが、過剰に含有させると靭性や溶接性を損ねるとともに、再熱割れ感受性を高めるので、０．００５％≦Ｎｂ≦０．２％とした。
【００３１】
Ｔｉ：Ｔｉは強窒化物生成元素であり、Ｎを固定することによりＢの焼入性向上効果を高めるが、過剰に存在すると靭性を低下させるため０．００５％≦Ｔｉ≦０．２％とした。
【００３２】
Ｓ．Ａｌ：Ｓ．Ａｌは低く抑えることにより、再熱割れ感受性および高温強度を改善するが０．００５％未満にすると靭性を損なうとともに、Ｃａを添加した場合、Ｃａの再熱割れ性を改善する効果を小さくする。したがって、０．００５％≦Ｓ．Ａｌ≦０．０３５％とした。
【００３３】
Ｃａ：Ｃａは強硫化物生成元素であり、鋼中の固溶Ｓを固定し再熱割れ感受性を改善する。さらに、固溶Ｓを固定すること以外にＳ．Ａｌ量との適正化により、介在物を制御し、再熱割れ性を改善する効果が大きい。そこで添加する場合は、０．０００５％≦Ｃａ≦０．００５％とした。
【００３４】
Ｎ：ＮはＢと結び付きやすく固溶Ｂ量を減少させＢの焼入性向上効果を阻害するので０．００６％以下に低く抑える。
【００３５】
Ｏ：Ｏは酸化物系介在物の生成による延靭性や溶接性の低下を防止し、また、Ｃａの効果を最大限に引き出すため、０．００５％以下と低く抑える。
【００３６】
その他Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ等の不純物元素は再熱割れ感受性およびクリープ脆化感受性を増大させるため０．０１％以下と低くすることが好ましい。
【００３７】
本発明によるＣｒ−Ｍｏ鋼を製造するには、必要とする機械的性質に応じて熱間圧延および／あるいは熱間加工後焼ならしを行い焼戻しを行うか、あるいは熱間圧延または熱間加工後空冷し焼戻しを行えばいい。また焼ならしに代えて焼入れを行うか、また、焼ならし時加速冷却を行うか、また、熱間圧延または熱間加工後水冷（または直接焼入れ）を行っても同等以上の性能が得られる。
【００３８】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００３９】
供試鋼は板厚５０ｍｍを標準とし、１２５０℃に加熱し、仕上げ温度を約１０００℃とした熱間圧延で厚板を製造し、引き続き、９５０℃の焼ならし、７２０℃または７３０℃の焼戻しを実施した。発明鋼１０および１１についてはＮｂ、Ｖ添加量が多いため、焼ならし温度を１０５０℃にしている。尚、焼ならし時の冷却速度はいずれも板厚１５０ｍｍの１／２ｔの空冷速度になるように冷却速度をコントロールしている。
【００４０】
また、発明鋼１については板厚１５０ｍｍとし、高温焼ならし（１０５０℃）、焼入れ（９５０℃、水冷）および焼ならしを省略した圧延後空冷−焼戻しを実施している。
溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）は母材に対して、７００℃×２４ｈ実施した。下式によるＴ．Ｐ．（焼戻しパーパラメータ）では２０．８×１０3 相当する。
【００４１】
Ｔ．Ｐ．＝（Ｔ＋２７３．１５）（log ｔ＋２０）
クリープ破断試験は６φ×３０ＧＬの試験片を用い、５００℃において３００〜３０００ｈの試験を実施し、１００００ｈのクリープ破断強度を外挿により求めた。
靭性および時効後の靭性は、シャルピー衝撃試験によりフルカーブを求め、破面遷移温度（ｖＴｓ）で評価した。尚、試験は、１／２ｔ、Ｃ方向で行った。
【００４２】
低温割れ試験（ｙ形溶接割れ試験）
ＪＩＳ  Ｚ３１５８
試験片厚：５０ｍｍ
再熱割れ試験（ｙ割れタイプ）
試験片厚：５０ｍｍ
ｙ割れと同条件
試験ビード＋ＰＷＨＴ（７００℃×２４ｈ）
５断面の断面割れ率の平均値で評価
本発明鋼および比較鋼の組成を表１〜３に，試験条件，試験結果を表４〜表７に示す。
【表１】
0003757462.tif 000002
【００４３】
【表２】
0003757462.tif 000003
【００４４】
【表３】
0003757462.tif 000004
【００４５】
【表４】
0003757462.tif 000005
【００４６】
【表５】
0003757462.tif 000006
【００４７】
【表６】
0003757462.tif 000007
【００４８】
【表７】
0003757462.tif 000008
【００４９】
【発明の効果】
以上の結果から明らかなように，本発明によれば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼材において、焼入れ（または直接焼入れ）や加速冷却を必要としない焼ならし−焼戻し処理あるいは熱間圧延（または熱間加工）後空冷−焼戻し処理により鋼板を製造し、且つ、厚板または大径厚肉管として必須のＴ．Ｐ．≧２０．０×１０3 のＰＷＨＴ処理を実施した後においても十分なクリープ強度および靭性を、さらに、長時間時効後の靭性まで確保し得、石油化学、石油精製等の高温高圧水素環境下で使用される圧力容器等や、ボイラ等の発電プラント設備の高温高圧下で使用される大径厚肉管等の用途に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｍｎ含有量を変えた各種鋼材について、○：ＰＷＨＴままと、●：５００℃×３０００ｈ時効後におけるｖＴｓ℃をプロットした図。
【図１】
0003757462.tif 000009