シモダ技報 No.1

超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件確立
シモダ技報 No.1（2010.3）---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件確立†
雅充*，上谷 昌史**

木原
1.

緒言

2.

当社が，現在，製造している発電ボイラー用鍛対象材の選定と調達

2.1 対象鋼種

鋼部品のなかで，高温高圧下で使用されるものとEN10216-2 には，2.25%Cr- 1%Mo 系の改良

しては，主蒸気管用Ｙピース，ラテラル，Ｔピー

材として「7Cr MoVTiB10-10」が，9%Cr-1%Moス，および，特殊フランジ等の継手類がある．こ系の改良材として「X10Cr WMoVNb9-2」が登録

れらの部品の従来の設計温度範囲は，概ね，500℃されており，この２鋼種を対象材として選択した．

－600℃であり，比較的低温側には 2.25%Cr-

なお，以降の記述の煩雑を避けるため本稿の本

1%Mo 系の材料，高温側には 9%Cr-1%Mo 系の文に限り，前者を「7Cr 材」，後者を「X10 材」と材料が使用されている．

仮称する．

しかしながら，欧州では，上記の 2 種類の材料に対して，更に高温高圧の超々臨界圧ボイラーに2.2 鋼材の調達適用が可能な改良材が開発されており，ボイラー鋼材は，7Cr 材は国産材を，X10 材については，用高圧パイプ材用規格である EN10216-2 に規国産と欧州製を比較するため，ドイツ製と国産材格化されている．したがって，これらの鋼種が，の 2 鋼種を用いた．調達した素材の化学成分の規いずれ，鍛鋼品規格として EN 規格化されること定値と実績値を第 1 表に示す．素材は，いずれも，は間違いないと考えられる．そこで，来るべき鍛インゴット造塊後，φ500 に鍛伸したものである．

1)

鋼品の規格化を視野に入れて，超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件の確立に取り組んだので，以下に報告する．
第1表

調達材料の化学成分と形状---------------------------------------------------†原稿受付 2010 年 3 月*
取締役 品質保証部長**
品質保証部 生産技術課-----------

1

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3.

鍛鋼品試作の目的とプロセス

4.2 熱処理

７Cr 材には水焼き入れ焼き戻し処理を，X10 材
3.1 目的には油焼き入れ焼き戻し処理を施工した．熱処理

鍛鋼品の製造条件確立のため，下記の観点から条件は下記である．

検討を行った．
(1)(1)

鍛造難易度の評価と鍛造方法の確立(2)熱処理条件の確立(3)

切削性の評価と切削方法の確立

７Cr 材：1,040℃×3hr→水冷→730℃×4hr→空冷(2)

X10 材：1,040℃×3hr→油冷→730℃×4hr→空冷
3.2

試作プロセス

７Cr 国産材，X10 国産材と輸入材のそれぞれの4.3鋼材から，φ500×935L（1,450kg）の素材を各切削試験

熱処理後，機械加工試験を行い，被削性などを2 個切断して試作に供した．

調査した．加工形状は，過去に当社で製作実績の実製品を想定してブロック形状に鍛造し，鍛造ある「主蒸気リード管用 Y ピース」を選択した．の難易度を評価したのち，熱処理を施工し，各 2当該品の加工には，フライス加工，旋盤加工，ミ個のうち，1 個は性状調査用に，1 個は切削試験にーリング加工，穴明け加工等の機械加工要素がす供した．

べて含まれるためである．

4.

5.

試作工程

4.1

鍛造

評価結果

5.1

鍛造は，加熱鋼片を一旦据え込んだのち，再加鍛造難易度の評価

5.1.1

7Cr 材

熱後，鍛伸する方法で施工した．第 2 表に鍛造設

500 角×700L のブロック形状の鍛造までに要備と鍛造条件を，第 3 表に鍛練比等の条件を示ししたヒート回数は 4 回であり，量産鍛造実績のあており，合計鍛練比が，通常，鍛造品として必要る 2.25%Cr-1%Mo 材と同等であった．鍛造割れ最小限とされる 3S 相当になるように据え込み量などを生ずることもなく，鍛造性は特に問題ないを設定した．第 1 図に鍛造終了時の外観を示す．

結果が得られた．

第2表

鍛造条件等

第1図
第3表

鍛造プロセスと鍛造数

2

鍛造終了品の外観

超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件確立
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X10 材

5.2.1

引張試験とシャルピー試験

ヒート回数は，7Cr 材と同じく 4 回であった．

ブロック素材の第 2 図に示す位置から，L，W，7Cr 材と比較すると，やや変形抵抗が大きく所要T の 3 方向に引張試験片とシャルピー試験片を採加圧力が増加するため，若干の鍛造所要時間増が取した．試験の全結果を第 4 表に示す．

認められたが，鍛造割れなどの欠陥を生ずること

7Cr 材の結果は，すべて規定値に対し，余裕をもなく，鍛造作業性上，特に問題はないとの結論もって合格しており問題ないレベルである．

を得た．

X10 材については，すべて合格してはいるものの，伸びが下限値近傍である．逆に，引張強さは5.2

熱処理後特性調査

規格の上限側にあるため，焼き戻し温度を上げて，ブロック素材から試験片を採取して，下記の調靱性の向上を図ることが望ましい査を実施した．これらの項目のうち，EN 規格で規シャルピー吸収エネルギーに関しては，X10 材定値があるものは，引張試験での耐力，引張強さ，の調達先で明らかに差が認められ，国産材の方が，伸びのみである．

欧州材よりも大幅に高い値となっている．

(1)

引張試験

5.2.3

内部硬さ

(2)

シャルピー衝撃試験（0℃）

内部硬さ分布を調査するため，上述のミクロ組(3)内部のビッカース硬さ試験

織観察部位近傍で，ビッカース硬さを測定した．

(4)

ミクロ組織観察第 3 図は，各々の内部硬さの測定結果を示しており，いずれにおいても表面と内部の硬さはほぼ同等であり，全断面にわたって均一な硬さである．

第2図

試験片採取位置第3図
第4表

機械的性質調査結果

3

内部硬さ分布超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件確立
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5.2.4

ミクロ組織

切削試験

機械加工は，3 機種を用いて，3 段階で施工した．

ブロック形状の，表面部，1/4T 部（表面と中心第 5 表に，加工の手順と使用した機種を示していの中間），中心部において，ミクロ組織を観察した．

る．切削条件を，過去に製造実績のある 2.25Cr-第 4 図に，それぞれの組織を示す．

1Mo 系材料の切削条件などと同等に設定して試験全般的には，表面部はマルテンサイト組織，中加工を行った結果，両材ともに，チップの早期摩心部はベーナイト，フェライト，パーライトの混耗や欠損などのトラブルは生じず，良好に加工を合組織であり，1/4T 部は，その中間的組織である．

終えることができた．したがって，被削性につい

X10 材の国産材，欧州材での有意差は認められなては，特に問題はないとの結論を得た．

い．いずれの組織も，当該成分系のものとして正第 5 図の a)から c)に加工中の状況を，同図 d)常な組織である．に完成品の外観を示す．

第4図
第5表

ミクロ組織

機械加工手順と使用機種

4超々臨界圧ボイラー用次世代材質鍛鋼品の製造条件確立
シモダ技報 No.1（2010.3）---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------a) 荒加工b) 穴加工第5図

6.

c) 枝管内面加工

機械加工の状況と完成品の外観

結言

(2)

d) 完成品

熱処理後の機械的性質は，両材ともに，規格要求を全て満足できた．ただし，X10 材につい欧州規格において，既に，超々臨界圧ボイラーては，伸びが下限近傍である一方，強度には余裕用パイプ材料として規格化されている 7CrMoVがあるため，量産の熱処理では，焼き戻し温度をTiB10-10 材と X10CrWMoVNb9-2 材を用いて鍛上げて靱性の向上を図りたい．

造品を製造する場合の問題点を把握するため，一連の試作評価を行った結果，下記の知見を得た．

(3)

被削性については特に問題は認められず，良好な加工品質を得ることができた．
(1)

両材ともに，鍛造性に基本的な問題はなく，既存設備と技術での鍛造が可能である．鍛練比は，(4)3S 相当を確保すれば問題ない．

以上の結果，両材質の鍛鋼品の製造は，従来プロセスで十分可能であるとの見通しを得ることができた．

参(1)

考

文

EN 10216-2:2013 Seamless steel tubes forpressure purpose - Technical delivery
conditions - Non-alloy and alloy steel tubes
with specified elevated temperature properties,
Dec. 2013

5献