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いわゆる Cr-Mo 耐熱鋼が用いられるようになった．そのはじめに後，発電プラントの高効率化のためには，操業条件の高温・高圧化を実現しうる高強度材料が必要となり，9-耐熱鋼は火力および原子力発電プラントや石油精製プ

12%Cr 系鋼を中心にクリープ強度に及ぼす合金元素の影

ラントなど様々な用途の高温・高圧環境で使用される鋼響ならびに作用機構について基礎的な検討が行われてき材の総称であり，その種類は炭素鋼から超合金まで多岐た．その結果，V および Nb による析出強化を図ったにわたる．本稿では，代表的な適用先である発電プラン

9%Cr-1%Mo-V, Nb 鋼 2)（火 STBA／STPA28）が開発さ

ト用鋼管材料として広く使用されているフェライト系耐れ，現在でも広く使用されている．さらに近年では，Mo熱鋼ならびにオーステナイト系ステンレス耐熱鋼を取りに代えて W の固溶強化を活用し，更なる高強度化を図っ上げ，その開発動向を紹介するとともにそれぞれの溶接た 11%Cr-0.4%Mo-2%W-Cu-V, Nb 鋼3)（火 SUS410J3TB／上の留意点，特に，溶接施工上問題になる溶接割れならTP）や 9%Cr-0.5%Mo-2%W-V, NB 鋼 4) （火 STBA／びに最も重要な使用性能である溶接継手のクリープ強度STPA29）が実用化されている．また，低 Cr 鋼においてについて概説する．

も W による固溶強化と V および Nb による析出強化により 9%Cr-1%Mo-V, Nb 鋼と同等にまで強度を高めた耐熱鋼の種類と開発動向

2.25%Cr-1.6%W-V, Nb 鋼5)（火 STBA／STPA24J1）が開発・実用化されている．

2.1

フェライト系耐熱鋼

2.2オーステナイト系耐熱鋼

フェライト系耐熱鋼はオーステナイト系ステンレス耐オーステナイト系耐熱鋼は面心立方構造を有し，かつ熱鋼に比べ，熱膨張係数が小さく，熱伝導度が高いとい

多量の Cr を含有するため，フェライト系耐熱鋼に比べてう利点を有する．そのため，火力発電プラントにおいて高温強度が高く，耐水蒸気酸化性や耐食性に優れるとい

は水壁管や熱応力が問題となる主蒸気配管などの鋼管用う長所を有する．そのため，火力発電プラント用ボイラ材料として多く使用されている．

においては高温・高圧かつ苛酷な腐食環境に曝される過図１は発電プラント鋼管用フェライト系耐熱鋼の開発
系統図を示す ．フェライト系耐熱鋼としては，古くは炭1)

熱器管や再熱器管などの鋼管用材料として使用されている．

素鋼が用いられてきたが，高温強度・耐食性向上の観点

図２は発電プラント用鋼管用オーステナイト系耐熱鋼から，マルテンサイトもしくはベイナイト変態による転の開発系統図を示す 1)．オーステナイト系耐熱鋼として位 強 化 を 活 用 し た 2.25%Cr-1%Mo 鋼 （ STBA／

は，18%Cr-8%Ni 鋼（SUS304HTB）をベースに Mo やSTPA24）や 9%Cr-1%Mo 鋼（STBA／STPA26）などのNb 添 加 に よ り 高 強 度 化 を 図 っ た SUS316HTB やSUS347HTB，高 Cr 化により耐食性の向上を図った
SUS310TB 等が古くから使用されてきた．そして，フェライト系耐熱鋼と同様，火力発電プラントの高能率化に関する技術開発が進められるとともに，オーステナイト系耐熱鋼についても高強度化，高耐食化を図った材料開溶接学会誌 第 78 巻（2009）第 8 号

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図１

図２発電プラント鋼管用フェライト系耐熱鋼の開発系統図1)（（火）記号は火力技術基準に登録された材料規格）

発電プラント鋼管用オーステナイト系耐熱鋼の開発系統図1)（（火）記号は火力技術基準に登録された材料規格）

発が積極的に進められた．結果，18%Cr 系鋼では，特殊な加工熱処理を施すことにより，SUS347HTB と同等のフェライト系耐熱鋼の溶接上の課題強度を有したまま耐水蒸気酸化性を向上させた細粒
18%Cr-12%Ni-Nb 鋼（火 SUSTP347HTB）6) ，Cu と3.1

Nb，N による析出強化を図った 18%Cr-9%Ni-3%Cu-Nb,3.1.1

N 鋼（火 SUS304J1HTB）7)が開発され，世界的に広く使フェライト系耐熱鋼はマルテンサイトもしくはベイナ用されている．また，これら以外にも 18%Cr-10%Ni-イト変態による転位強化を活用した材料であり，溶接金

3%Cu-Nb, Ti（火 SUS321J2HTB）8)，18%Cr-10%Ni-2W-属や溶接熱影響部（以下 HAZ：Heat Affected Zone）でNb, V, N（火 SUS347J1HTB）が開発されている．ま硬化が生じるため，溶接施工時には低温割れに留意し，た，20〜25%Cr 系鋼では，Nb，N による析出強化を活その防止対策をとることが重要である．低温割れは水素用した 25%Cr-20%Ni-Nb, N 鋼（火 SUS310J1TB）10)が開による脆化に起因した，いわゆる遅れ割れ（水素脆化割発され，耐高温腐食性を要求される部位に使用されていれ）が良く知られているが，水素が存在しなくても硬化る ． 他 に も 20%Cr-25%Ni-Mo, Nb, Ti 鋼 （ 火し，脆化した溶接部に熱応力が生じただけでも割れ（脆11)

SUS310J2TB） ， 22%Cr-15%Ni-Nb, N 鋼 （ 火化割れ）が生じるので注意が必要である．これらの割れ

SUS309J4HTB）12)が開発されている．

は，いずれも溶接部の硬さが重要な感受性支配要因の一

9)

溶接割れ
低温割れつである．一般に溶接部の最高硬さは C 量の増加ととも
40

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

平田：耐熱鋼およびその溶接

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図３

高 Cr フェライト系耐熱鋼の低温割れ感受性に及ぼす C 量の影響13)

図４

フェライト系耐熱鋼の低温割れ感受性と予熱温度の関係5)図５図６に高くなることから，溶接部の硬化を抑制し，低温割れ

2.25%-1%Mo 鋼溶接金属の再熱割れ
感受性に及ぼす不純物元素の影響15)

9%Cr-1%Mo-V, Nb 鋼および 12%Cr-1%Mo-V
鋼母材および溶接継手のクリープ強度18)を防止するためには，材料面からは C 量の低減による硬化の抑制，溶接施工面からは適正温度での予熱の実施が有効である．

接構造物は使用中に再加熱される．フェライト系耐熱鋼

図３は高 Cr フェライト系耐熱鋼の y 型溶接割れ試験

溶接構造物では，この再加熱の過程で HAZ や溶接金属に例を示す13)．HAZ の低温割れ感受性は C 量の増加による割れが生じる場合があり，その再加熱の目的により SR硬さの増大とともに大きくなり，割れ防止のためには高割れや溶接後熱処理割れなどの用語が使われるが，一般温での予熱の実施が必要となることがわかる．図４は同的に再熱割れと呼ばれている．再熱割れはフェライト系

様に 2.25%Cr-0.5%Mo 鋼，9%Cr-1%Mo-V, Nb 鋼および耐熱鋼の中でも Cr 量が 2.25% までの，いわゆる低合金耐2.25%Cr-1.6%W-V, Nb 鋼の y 型溶接割れ試験例を示す

熱鋼で問題となりやすいので留意が必要である．

．C 含有量が少なくなる 2.25%Cr-0.5%Mo 鋼，9%Cr-

再熱割れは高温に加熱された HAZ や溶接金属の旧オ−1%Mo-V, Nb 鋼，2.25%Cr-1.6%W-V, Nb 鋼の順に HAZ

ステナイト粒界に発生することが特徴であり，冶金的に5)の硬化が抑制され，低温割れ感受性が低下し，割れ防止は化学成分の影響を受ける．再熱割れ感受性は，Cr，のための予熱温度が低くなる．

Mo，V や Nb といった合金元素の増加により増大するこ

また，溶接施工面では予熱以外にも直後熱の実施や溶とが報告されている14)が，これらはクリープ強度や耐食性

接手順ならびに継手形状の適正化による熱応力の軽減ななど鋼材の他の性能を確保する上で重要である．そのたどが低温割れ防止の観点からは有効である．

め，材料面からは不純物元素の低減により耐再熱割れ性

3.1.2

再熱割れの改善が図られている．

前節でも述べたように，フェライト系耐熱鋼はマルテ

図５は 2.25%Cr-1%Mo 鋼溶接金属の再熱割れ感受性にンサイトもしくはベイナイト組織を有する材料であり，及ぼす不純物元素の影響を曲げ拘束応力緩和試験におけ

溶接施工時には HAZ の硬化に起因した低温割れや性能低る開口変位量で評価した結果を示す15)．再熱割れ感受性は下が生じる．そのため，溶接部の延性や靭性の改善，残P，Sb，Sn などの不純物元素の低減により低下すること留応力の除去などを目的とし，溶接後に熱処理が実施さがわかる．また，同様に S の低減も再熱割れ感受性の低れる場合が多い．また，熱処理が実施されなくとも，溶減に有効である16)ことが示されている．
溶接学会誌 第 78 巻（2009）第 8 号

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図７

高 Cr フェライト系耐熱鋼の溶接継手のクリープ破断強さに及ぼす溶接方法の影響21)

図９

高 Cr フェライト系耐熱鋼の母材および溶接継手のクリープ破断強さに及ぼす B の影響23)

よび HAZ 幅の低減がクリープ強度低下の抑制に有効であることを示唆している．
一方，材料面からは図８に示すように C 量の低減がHAZ のクリープ強度の低下の抑制に有効であることが示されている22)．また，最近では図９に示すように多量の Bを添加した材料では，HAZ のクリープ強度低下が生じないことが報告されている23)．
しかしながら，これら数多くの検討にもかかわらず，
HAZ のクリープ強度低下を完全に解決する対策は未だ確立されておらず，実用上は溶接継手では母材の強度に低下係数を乗じた強度評価がなされている 24)のが現状であ
図８

高 Cr フェライト系耐熱鋼の母材および再現 HAZ 材のクリープ破断強さに及ぼす C 量の影響22)

一方では，再熱割れ感受性は結晶粒の粗大化により増り，使用に際しては注意が必要である．

オーステナイト系耐熱鋼の溶接上の課題
4.1

高温割れ大することも報告されており ，溶接施工面からは結晶粒

オーステナイト系耐熱鋼は一般にフェライト系耐熱鋼の粗大化を抑制する適正な溶接条件の選定，テンパービに比べ，高温割れ感受性が高く，溶接施工時には十分なード法の適用が再熱割れ防止には有効である．

対策をとる必要がある．高温割れは結晶粒界に存在する

17)

3.2

溶接継手性能（高温強度）

液膜が関与する割れと固相状態で発生する延性低下割れ

耐熱鋼において高温強度は最も重要な性能の一つであに大別される．さらに，液膜が関与する割れは溶接金属るため，溶接継手にも十分な高温強度を有することが求に発生する凝固割れと溶接金属，HAZ のいずれにおいてめられる．一般的にフェライト系耐熱鋼溶接継手では図も発生する液化割れに分類される．

６ に示すように低応力側で HAZ のクリープ強度が母材

このうち凝固割れおよび液化割れはオーステナイト系に対して低下することに留意が必要である．HAZ でのク耐熱鋼の溶接において最も生じやすい問題での一つであリープ強度低下については，溶接継手の 1073-1273 K 付

り，融点降下元素である S や P などの不純物元素ならび18)

近に加熱された細粒 HAZ で生じる 現象であることではに Ti や Nb などの低融点相を形成する元素増加により感見解が一致するものの，その発生機構について諸説が提受性が増大する．そのため，耐凝固割れおよび液化割れ

19)

案 されており，定説は得られていない．また，HAZ の性の観点からはこれらの元素の低減が有効である．しかクリープ強度低下の抑制手法についても溶接施工面ならしながら，Ti や Nb は強度や耐食性など鋼材の他の性能びに材料面から種々検討がなされている．

を確保する上でも重要な元素であるため，材料面からは20)

図７は溶接継手のクリープ破断時間に及ぼす溶接方法の影響を示す21)．電子ビーム溶接継手ではティグ溶接継手

不純物元素の制限により割れ感受性の低減が図られている場合が多い．と同様に細粒 HAZ で破断するものの，破断寿命が長くな

図10は 25%Cr-20%Ni-Nb, N 鋼溶接金属の凝固割れ感る．この理由については HAZ の幅が狭いことおよび開先受性に及ぼす P 量の影響を示す 13)．溶接金属の凝固割れ角度が小さいことによると理解されており，開先角度お感受性の低減には P の低減が有効であり，0.015％ 以下に

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溶接接合教室−基礎を学ぶ−

平田：耐熱鋼およびその溶接713

図10 25%Cr-20%Ni-Nb, N 鋼 溶 接 金 属 の凝固割れ感受性に及ぼす P 量の影響13)

管理することにより，実用上問題のない耐凝固割れ性が得られている．

図11

23%Cr-20％Ni-3%Cu-1.5%W-Nb, N 系溶接
金属のクリープ強度に及ぼす合金元素の影響28)

図11は 23%Cr-20％Ni-3%Cu-1.5%W-Nb, N 系溶接金属のクリープ強度に及ぼす合金元素の影響を示す28)．引張強ところで，凝固割れ感受性の低減には室温で数％以上度の向上を意図して Mo を添加した場合，低応力で長時のデルタフェライトを含む組織とすることも実用上有効間試験後にはシグマ相の生成に起因し，クリープ強度がな手段の一つであることは良く知られている．しかしな低下することがわかる．

がら，δフェライトは高温での長時間加熱によりシグマ

このため，オーステナイト系耐熱鋼溶接金属において相と呼ばれる金属間化合物に変態し，溶接金属のクリーは短時間ならびに長時間クリープ強度の両立の観点からプ強度の低下を招く場合がある25)ため，高温で使用される成分設計が必要であり，例えば，23%Cr-20％Ni-3%Cu-

オーステナイト系耐熱鋼においては有効な凝固割れ対策

1.5%W-Nb, N 系溶接金属や 18%Cr-9%Ni-3%Cu-Nb, Nとはならないので注意が必要である．

系溶接金属では Mo, W の適正化とともに N, Ni の添加に

尚，最近では，炭化物などとの共晶反応を活用した凝固割れ感受性低減手法26)も提案されており，これまで凝固よる相安定性の向上により母材と同等のクリープ強度が得られている28，29)．

割れに有害であると考えられていた Si などの元素の活用を可能にする技術として注目される．

おわりに延性低下割れは S や P などの不純物元素の偏析に起因した粒界脆化がその支配要因の一つであるため，一般的本稿では発電プラント用鋼管材料などに使用されていにはこれらの元素の低減が有効な対策とされているが，るフェライト系耐熱鋼ならびにオーステナイト系ステン

近年，共晶炭化物を活用した粒界形状の複雑化に粒界すレス耐熱鋼を取り上げ，その溶接性について概説した．

べりの抑制ならびに偏析の分散が延性低下割れ感受性の筆者の力不足により必ずしも内容が十分ではない点をご低減に有効であるとの報告もなされている27)．

容赦願うとともに，本著が耐熱鋼の溶接に係わる読者のまた，溶接施工面からは，入熱の制限や層間温度の管方々にとって聊かでも参考となれば幸いである．

理により冷却速度を速めるとともに，熱応力を軽減することが高温割れの防止には有効であるとされている．
4.2

溶接継手性能（高温強度）

オーステナイト耐熱鋼溶接継手ではフェライト系耐熱鋼とは異なり，HAZ の高温強度が問題となる場合は少な
く，むしろ溶接金属のクリープ強度の確保が課題となる．溶接金属は粗大な凝固ままの組織であるため，母材に比べて引張強度が低くなりやすく，これに起因し，高応力側で溶接金属のクリープ強度が低下する場合がある．さらに，オーステナイト系耐熱鋼溶接金属では凝固偏析が生じやすく，完全オーステナイト組織を有する場
合でもシグマ相の生成に起因し，破断時間が長くなる低応力側でもクリープ強度の低下が生じる場合がある．特に，引張強さを高めるために母材に比べて Mo や W などの合金元素を高めた場合にその傾向が強くなるため,留意が必要である．

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平田：耐熱鋼およびその溶接