JP5169532B2

JP5169532B2 - フェライト系耐熱鋼材

Info

Publication number: JP5169532B2
Application number: JP2008164243A
Authority: JP
Inventors: 弘征平田; 和博小川; 満吉澤; 正晃五十嵐
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: CN101613832A; JP2010007094A; CN101613832B

Description

本発明は、火力発電ボイラなど高温で使用される部材に用いられる溶接熱影響部の耐溶接割れ性に優れるとともに高温強度および靭性に優れるフェライト系耐熱鋼材に関する。

近年、火力発電においては熱効率を高めるため蒸気条件の高温高圧化が進められており、将来的には650℃、350気圧という超々臨界圧条件での操業が計画されている。フェライト系耐熱鋼材は、オーステナイト系ステンレス鋼材に比べて安価であり、かつ熱膨張係数が小さいという耐熱鋼材としての利点を有するため広く利用されている。

フェライト系耐熱鋼材については、将来的な蒸気条件の過酷化に対応すべく高強度化が図られている。例えば、特許文献１や特許文献２には、ＷとＭｏの含有量を最適化するとともにＣｏおよびＢを含有させることが提案されている。また、特許文献３にはＷおよびＭｏを含有させることによって、微細な金属間化合物相による強化を図った鋼材が提案されている。そして特許文献４にはマルテンサイトラス界面に析出するＭ_２３Ｃ_６炭化物や金属間化合物相を活用して高強度化を図った鋼材が提案されている。

しかしながら、これらフェライト系耐熱鋼材を溶接構造物として使用する場合、例えば、「Science and Technology of Welding and Joining、1996、Vol.1、No.1、p.36〜42」に示されているように、溶接による熱サイクルを受けた溶接熱影響部（以下、「ＨＡＺ」という。）ではクリープ強度が大きく低下することがある。そのため、高強度化を図った鋼材の利点を十分に活用できないという問題がある。そこで、母材だけでなくＨＡＺのクリープ強度の向上を目的とした鋼材についても提案がなされている。

例えば、特許文献５には、溶接入熱に対して安定なＴｉ、ＺｒまたはＨｆ系の窒化物を生成させることにより、特許文献６にはＷを含有させるとともに(Ｎｂ、Ｔａ)炭窒化物を微細に析出させることにより、そして、特許文献７と特許文献８にはＣｒ炭化物の生成を抑制し、微細なＶやＮｂ等の炭窒化物の長時間安定性を高めるにより、それぞれ溶接継手部の長時間クリープ強度を改善した鋼が開示されている。このように炭窒化物を活用したＨＡＺの強度改善手法が種々提案されているものの、実用面からはさらなるＨＡＺ強度の向上が望まれている。

さらに、特許文献９には、Ｂを0.003％〜0.03％含有させてＨＡＺでの細粒化を抑えることによって、ＨＡＺでのクリープ強度を改善するという方法が提案されている。

特開平4-371551号公報特開平4-371552号公報特開2001-152293号公報特開2002-241903号公報特開平8-85848号公報特開平9-71845号公報特開2001-279391号公報特開2002-69588号公報特開2004-300532号公報

フェライト系耐熱鋼材は安価であることに加えて熱膨張係数が小さいという利点を有するため、上記条件の高温高圧化がすすめられている火力発電ボイラなどで溶接構造物として使用されることが期待されている。

そして、上述のように、さらに高温高圧条件でも使用することができるように、更なる高強度化とともに溶接継手のＨＡＺのクリープ強度を改善するために、種々の提案がなされている。

しかしながら、たとえば、Ｂ含有鋼材については上記特許文献９にも開示されているように、ＢはＨＡＺでのクリープ強度を改善する効果を有する元素であることが知られている一方で、溶接に際しては、溶接金属の凝固割れやＨＡＺの液化割れ感受性を高める元素であることが広く知られている。そのため、ボイラ用主蒸気管や圧力容器など厚肉部材として使用される場合には、十分な溶接性（耐溶接割れ性）が得られないといった問題がある。加えて、フェライト系耐熱鋼材が厚肉部材として使用される場合には、実用上十分な靭性を有することも求められる。

このように、ＨＡＺの高強度化は未だ不十分であるだけでなく、溶接時の十分な耐溶接割れ性、靭性が得られていないという問題がある。

本発明は、この様な状況に鑑み、ＨＡＺの耐溶接割れ性に優れるとともにクリープ強度および靭性にも優れるフェライト系耐熱鋼材を提供することを目的とする。

上述したとおり、ＨＡＺのクリープ強度を向上させるためには、Ｃｒ、Ｃｏ、ＶおよびＮｂを所定の範囲に規制するとともに、Ｂを含有させることが有効であるが、ＨＡＺを高強度化するのに必要な量のＢを含有した場合、ＨＡＺおよび溶接金属の割れ感受性が増大し、溶接割れ性に問題があることが明らかとなった。さらに、溶接入熱の増大とともに、その感受性が高まることも明らかとなった。

本発明者らは、ＨＡＺにおけるクリープ強度が汎用鋼の破断時間の３倍以上の破断時間を有することを目標とし、フェライト系耐熱鋼材に関して種々に検討した結果、ＨＡＺでのクリープ強度低下を改善し、かつ優れた溶接性を両立するためには、ＣおよびＢの含有量を規定するとともに溶接入熱を最適化することによって、問題解決を図ることができることを見出した。

また、Ｃｒ：7〜13％、Ｃｏ：1〜8％、Ｖ：0.05〜0.40％およびＮｂ：0.01〜0.09％の組成範囲を有するフェライト系耐熱鋼材において、Ｂを含有させた場合、ＨＡＺが高強度化されることを確認した。

ＨＡＺでのクリープ強度が母材に比べて低下するのは、溶接熱サイクルによりAc₁変態点からAc₃変態点の間の温度に加熱されることによる細粒化が一因である。細粒化は元の組織であるフェライト相（焼き戻しマルテンサイト相）がこの温度域に加熱された場合、粒界にオーステナイト相が新たに核生成し、成長することによって生じる。Ｂは粒界に偏析しやすい元素であり、この温度域に加熱された場合、元のフェライト相の粒界に偏析して粒界のエネルギーを低減し、オーステナイト相の核生成を抑制・遅延させることにより細粒化を抑制する。その結果、ＨＡＺでのクリープ強度を改善するものと考えられる。

しかしながら、クリープ強度の低下を軽減する効果が得られる必要量以上のＢを含有した場合、溶接金属の凝固割れおよびＨＡＺの液化割れ感受性が増大することがわかった。

これは、Ｂは粒界に偏析しやすい元素であると同時に融点を大きく低下させる元素であることが一因である。加えて、ＳおよびＰもＢと同様に粒界偏析しやすく、かつ融点を大きく低下させる元素である。そのため、溶融線直近のＨＡＺでは、Ｂの粒界偏析にＰおよびＳの粒界偏析が重畳し、粒界溶融が生じ、熱応力もしくは外部応力により粒界が開口し、液化割れを生じるものと考えられる。特に、溶接入熱が大きい場合、高温に加熱される領域が広がるため、これら元素の粒界偏析に起因した粒界溶融がより広範囲で生じること、ならびに熱応力が生じやすくなることにより、液化割れがより発生しやすくなる。

溶接金属の凝固割れは、溶接材料の成分を調整することで防止は可能である。一方、ＨＡＺの液化割れは、使用する鋼の組成に係わる課題であり、実用化に際しては大きな制約となる。このような問題点を踏まえ、ＨＡＺの液化割れの防止を可能とし、かつＨＡＺのクリープ強度低下を抑制しうる要件を鋭意調査した。

検討を繰り返した結果、Ｃの含有量を所定の範囲に規定した場合にのみ、液化割れの防止が可能になるとの新たな知見が得られた。そして、この理由は、次の通り考えられる。

すなわち、ＣはＢと同様に、融点降下元素として作用し、上述のＢによる融点低下作用に重畳し、ＨＡＺの液化割れ感受性を高める。そのため、Ｃの含有量を低減することにより、融点の低下を軽減することが可能となる。さらに、実溶接を考慮した場合、液化割れを防止しうるＣの含有量の上限が溶接入熱量に依存することを見出した。

加えて、Ｃはその相互作用により、硫化物や隣化物の生成自由エネルギーに影響を与える。即ち、高温ではＣ含有量の増加とともにＣｒやＮｄ等の隣化物もしくは硫化物の溶解度が減少し、Ｃ量が特定の含有量を超えるとこれらの溶解度が再び増加する傾向を有する。硫化物や燐化物の溶解度が増加した場合、溶接等の熱影響により粒界に偏析するＳやＰの量が増え、液化割れ感受性が高まる。そのため、Ｃ含有量を減じた本発明範囲のＣ含有量の場合、硫化物や燐化物の溶解度が小さくなり安定な化合物が形成される。それに伴い、粒界におけるＳおよびＰが減少し融点低下抑制との相乗作用により、ＨＡＺの液化割れが防止できるものと考えられた。

しかしながら、Ｂの含有量を高めることに加えてＣの含有量を低減した場合、ＨＡＺの靭性が著しく損なわれることが明らかとなった。これは、Ｃ含有量の低減により、マルテンサイト変態点が上昇することに起因し、マルテンサイトラスが成長しやすく、粗大となることに起因すると考えられた。

これらの検討の結果から、ＨＡＺの液化割れの防止を可能とし、かつＨＡＺのクリープ強度低下の抑制と靭性確保を両立しうる必要要件は、Ｂ：0.005〜0.025％およびＣ：0.04〜0.16％であり、かつ溶接入熱量Ｑ（kJ/mm）により、Ｃの含有量の上限を下記の通り管理する必要があることが分かった。

Ｑ＜1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦-0.12×Ｑ+0.31 ・・・(1)
Ｑ≧1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦0.094 ・・・(2)
ここで、Ｑは溶接入熱量(kJ/mm)、ＣはＣ含有量（質量％）を示す。

本発明は、上記の知見を基礎としてなされたもので、その要旨は下記の(1)〜(4)に示すフェライト系耐熱鋼材にある。

(1) 質量％で、Ｃ：0.04〜0.16％、Ｓｉ：0.1％を超えて1.0％以下、Ｍｎ：2.0％以下、Ｃｏ：1〜8％、Ｃｒ：7〜13％、Ｖ：0.05〜0.40％、Ｎｂ：0.01〜0.09％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で0.5〜4％、Ｂ：0.007〜0.025％、Ａｌ：0.03％以下、Ｎ：0.003〜0.06％並びにＮｄ：0.015〜0.08％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：0.02％以下、Ｐ：0.03％以下およびＳ:0.02％以下のフェライト系耐熱鋼材であって、さらに前記Ｃ含有量が溶接入熱量Ｑに応じて下記(1)式または(2)式を満足することを特徴とするフェライト系耐熱鋼材。
Ｑ＜1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦-0.12×Ｑ+0.31 ・・・(1)
Ｑ≧1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦0.094 ・・・(2)
ここで、Ｑは溶接入熱量(kJ/mm)、ＣはＣ含有量（質量％）を示す。

(2) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｔａ：0.08％以下を含むことを特徴とする上記(1)のフェライト系耐熱鋼材。

(3) 質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：0.02％以下およびＭｇ：0.02％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする上記(1)または(2)のフェライト系耐熱鋼材。

本発明によれば、ＨＡＺの耐溶接割れ性に優れるとともにクリープ強度および靭性にも優れるフェライト系耐熱鋼材を提供することができる。

以下に、本発明に係るフェライト系耐熱鋼材材を構成する成分の作用効果と含有量の限定理由を説明する。なお、含有量に関する「％」は「質量％」を意味する。

Ｃ：0.04〜0.16％、かつ、
溶接入熱量Ｑが1.8kJ/mm未満の場合、Ｃ≦-0.12×Ｑ+0.31（％）
溶接入熱量Ｑが1.8kJ/mm以上の場合、Ｃ≦0.094％以下
Ｃは、Ｂとともに本発明における重要な元素である。Ｃは炭化物を形成し、高温強度の確保に寄与するとともにマルテンサイト組織を得るのに有効な元素であるため、必須の元素である。しかしながら、粒界に偏析するとＢやＰおよびＳと重畳して粒界の融点低下を促し、かつ粗粒ＨＡＺの硫化物や燐化物の生成に間接的に影響を及ぼし、液化割れ感受性に影響をあたえる。特に、粒界偏析による液化割れ感受性の増大は溶接時の入熱量が大きくなるほど顕著となる。Ｃそのものによる粒界の融点低下を抑制し、かつ粗粒ＨＡＺで安定した硫化物や燐化物を形成させ、ＳやＰの粒界偏析に起因した融点低下を抑制して液化割れを防止するためには、Ｂの含有量を後述の範囲に管理するとともに、Ｃ含有量を溶接入熱により規定される上限を満足する必要がある。しかし、0.16％を超える量を含有させると、ＨＡＺが極端に硬化し、延性の低下を招くため、入熱に係わらず。0.16％以下の範囲とする必要がある。一方、0.04％を下回る場合、マルテンサイト変態点が上昇することに起因し、マルテンサイトラスが成長しやすく、粗大となり靭性の低下を招くため0.04％以上含有させる必要がある。Ｃの望ましい下限は0.05％である。

Ｓｉ：0.1％を超えて1.0％以下
Ｓｉは脱酸剤として0.1％を超えて含有させるが、過剰に含有させるとクリープ延性および靭性の低下を招くため、上限を1.0％とする。望ましくは、0.8％以下である。より望ましくは0.2％を超えて0.7％以下である。

Ｍｎ：2.0％以下
ＭｎもＳｉと同様、脱酸剤として含有させるが、過剰に含有させた場合、クリープ脆化および靭性の低下を招く。そのため、2.0％以下とする。望ましくは1.8％以下である。しかしながら、過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの増大を招くため、特に下限は設けないが、0.01％以上であることが望ましい。

Ｃｏ：1〜8％
Ｃｏは、オーステナイト生成元素であり、マトリックスのマルテンサイト化に必要な元素である。その効果を得るためには1％以上含有させる必要がある。しかし、8％を越えて含有させるとクリープ延性の著しい低下を招く。望ましくは2％を超えて7％以下である。

Ｃｒ：7〜13％
Ｃｒは、高温用鋼において耐酸化性および耐高温腐食性を確保するとともにマトリックスのマルテンサイト組織を安定して得るために必須の元素である。その効果を得るためには、7％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させると、多量のＣｒ炭化物の生成により炭化物の安定性を低下させ、クリープ強度の低下を招くとともに、靭性も劣化する、そのため、13％以下とする必要がある。望ましくは、8〜12％である。さらに望ましくは8〜10％である。

Ｖ：0.05〜0.40％
ＶはＮｂとともに粒内に微細な炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を得るためには、0.05％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させた場合、炭窒化物の成長速度の増大を招き、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、0.40％以下とする必要がある。望ましくは0.10〜0.35％である。

Ｎｂ：0.01〜0.09％
ＮｂはＶとともに粒内に高温まで安定な微細炭窒化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与する元素である。その効果を得るためには、少なくとも0.01％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させた場合、炭窒化物の成長速度の増大を招き、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、0.09％以下とする必要がある。

ＭｏおよびＷの一方または両方：合計で0.5〜4％
ＭｏおよびＷはマトリックスを固溶強化し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を得るためにはＭoおよびＷの一方または両方を、合計で0.5％以上含有させることが必要である。しかし、4％を超えて含有させると粗大な金属間化合物を生成し、靭性の極端な低下を招く。望ましくは0.8〜3.5％である。なお、Ｗのみを単独で含有させる場合には、下限は1％とすることが望ましい。

Ｂ：0.005〜0.025％
ＢはＣとともに本発明における重要な元素である。ＢはＨＡＺにおいて粒界に偏析して粒界エネルギーを下げることにより、オーステナイト相の核生成を遅延させ、細粒化を抑制する。その効果を十分に得るためには少なくとも、0.005％以上含有させることが必要である。しかしながら、粗粒ＨＡＺにおいては、粒界偏析したＢは粒界の融点低下を促し、ＳおよびＰの偏析と重畳して、液化割れを発生させる。これを防止するためには、Ｃ含有量を溶接入熱量に応じて前述の範囲に規定する必要がある。一方、Ｂが0.025％を超えるとＨＡＺのクリープ強度低下軽減の効果が飽和するため上限とする。なお、Ｂ含有量の下限は0.007％以上が望ましい。さらに望ましい範囲は0.01％を超えて0.018％以下である。

Ａｌ：0.03％以下
Ａｌは脱酸剤として含有させるが、過剰に含有させるとクリープ延性および靭性の低下を招くため、上限を0.03％とする。望ましくは、0.02％以下である。しかしながら、過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄度を劣化させるとともに、製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌは0.001％以上含有させるのが望ましい。

Ｎ：0.003〜0.06％
ＮはＶやＮｂを含む微細な炭窒化物を形成し、クリープ強度の確保に有効な元素である。その効果を得るためには0.003％以上含有させることが必要である。しかし、過剰に含有させると、炭窒化物の析出量の増大を招き、脆化の原因となる。そのためＮ含有量の上限を0.06％とする。

本発明に係るフェライト系耐熱鋼材は、上記の成分のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。そして、不純物中のＯ、ＰおよびＳは、次に述べるようにそれらの含有量を抑制する必要がある。

Ｏ：0.02％以下
Ｏは不純物として存在するが、多量に含まれる場合には、多量の酸化物を生成し、加工性や延性を劣化させる。そのため、0.02％以下とする必要がある。

Ｐ：0.03％以下
Ｐは不純物として含まれるが、Ｓ、Ｂとともに粗粒ＨＡＺにおいて粒界に偏析し、融点を低下させ液化割れを招く。それを防止するためには、ＣおよびＳ、Ｂを所定の範囲に規定するとともに、Ｐは0.03％以下とする必要がある。

Ｓ：0.02％以下
ＳはＰと同様、不純物として含まれ、粗粒ＨＡＺにおいて粒界に偏析し、融点を低下させ液化割れを招く。それを防止するためには、ＣおよびＳ、Ｐを所定の範囲に規定するとともに、Ｓは0.02％以下とする必要がある。

本発明に係るフェライト系耐熱鋼材材は、必要に応じて、さらに、次に示す元素の所定量を含有させることができる。

Ｎｄ：0.08％以下
ＮｄはＳやＰとの親和力が強く、粗粒ＨＡＺの粒界において、ＳやＰと化合物を形成し、ＳやＰによる融点降下を抑制し、ＨＡＺの液化割れを防止する。さらには、ＳやＰによる高温での使用中の粒界脆化を軽減してＨＡＺのクリープ延性を改善するのに有効であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、酸素との親和力も強く、過剰に含有させた場合には、余分な酸化物を生成し、ＨＡＺの靭性低下を招くため、上限は0.08％とする。望ましい上限は0.07％であり、さらに望ましくは0.06％である。なお、Ｎｄを含有させることによる上記の効果を確実に得るためには0.005％以上含有させることが望ましい。より望ましくは0.015％以上含有させることが望ましい。

Ｔａ：0.08％以下
ＴａはＶやＮｂと同様に高温まで安定な微細炭化物を形成し、クリープ強度の向上に大きく寄与するため必要に応じて含有させてもよい。しかし、過剰に含有させた場合、炭化物の成長速度の増大を招き、その分散強化効果が早期に消失するとともに、靭性の低下を招くため、0.08％以下とする必要がある。なお、Ｔａによる効果を得るためには、0.005％以上含有させることが望ましい。

Ｃａ：0.02％以下
Ｃａは鋼の熱間加工性を向上させる元素であり、熱間加工性を向上させる必要がある場合には含有させることができる。しかしながら、その含有量が0.02％を超えると介在物の粗大化を招いて逆に加工性や靭性を損なう。なお、Ｃａによる効果を得るためには、0.0003％以上含有させることが望ましい。また、より望ましくは0.001〜0.01％である。

Ｍｇ：0.02％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様、鋼の熱間加工性を向上させる元素であり、熱間加工性を向上させる必要がある場合には含有させることができる。しかしながら、その含有量が0.02％を超えると介在物の粗大化を招いて逆に加工性や靭性を損なう。なお、Ｍｇによる効果を得るためには、0.0003％以上含有させることが望ましい。また、より望ましくは0.001〜0.01％である。

表１に示す化学組成を有する１０種類の鋼を真空溶解炉により溶製し、鍛造・圧延をした後、1150℃で１時間保持後に空冷の焼きならしと、770℃で1.5時間保持後に空冷の焼きもどしをおこなった。なお、代符10は汎用鋼である火SUS410J3TBに相当する鋼であり、クリープ強度に関する比較鋼として使用した。そして、機械加工により、板厚12mm、幅50mmおよび長さ300mmの鋼板ならびに板厚10mm、幅100〜120mmおよび長さ300〜500mmの鋼板を作製した。板厚12mmの鋼板はロンジバレストレイン試験に供し、ＨＡＺの液化割れ感受性を評価した。

ロンジバレストレイン試験とは図１に模式的に示すように、ＧＴＡ溶接により鋼板の長手方向にビードオンプレート溶接を行い、その溶接中に端部に力Ｆを付加して曲げによる歪を付与し、強制的にＨＡＺに割れを発生させ、その合計長さを測定し、ＨＡＺの液化割れ感受性を評価する方法である。溶接条件は表２に示す条件とし、付加歪量は4％とし、ＨＡＺに液化割れが発生しなかったものを合格とした。

また、10mm厚さの鋼板から、板厚10mm、幅10mmおよび長さ100mmの試験材を採取し、ＨＡＺの強度低下が顕著な温度である1000℃に5秒間加熱するＨＡＺ再現溶接熱サイクルを付与した。その後、試験材に740℃で30分保持後、空冷の溶接後熱処理を実施し、クリープ試験片を採取し、温度650℃および応力117.7MPaの条件にてクリープ試験を実施した。
さらに、板厚10mm、幅10mmおよび長さ100mmの試験材を採取し、ＨＡＺの靭性低下が顕著な温度である1350℃に5秒間加熱するＨＡＺ再現溶接熱サイクルを付与した。その後、740℃で30分保持後、空冷の溶接後熱処理を施し、JIS Z2240(2006)の規定にしたがって、幅5mmの2mm Ｖノッチサブサイズシャルピー試験片を採取し、常温でのシャルピー衝撃試験を行った。シャルピー衝撃試験では、衝撃値34J/cm²以上を目標値とした。

表３にロンジバレストレイン試験における割れ長さ、そして、表４にクリープ試験における破断時間およびシャルピー衝撃試験における衝撃値を示す。また、図２にはロンジバレストレイン試験における割れ発生有無と、Ｃ量と溶接入熱との関係を図示する。

表３および図２より明らかなように、代符1〜3および6〜8にみるとおり、Ｂの含有量とＣの含有量が本発明の規定範囲を満足し、そしてＣの含有量と溶接入熱量とからなる関係式を満足している場合のみ、ロンジバレストレイン試験のような厳しい割れ試験においてもＨＡＺの液化割れが生じず、目標とするＨＡＺのクリープ強度および靭性を満足した。しかしながら、Ｃ量が溶接入熱との関係式を満足しない場合には、粗粒ＨＡＺの粒界の融点低下が著しく、ロンジバレストレイン試験においてＨＡＺに液化割れが生じた。また、Ｂが本発明の規定範囲を下回る代符4および5は、ＨＡＺのクリープ強度が目標強度を満足しなかった。さらに、Ｃが本発明の規定範囲を下回る代符9は、ＨＡＺの衝撃値が目標値を満足しなかった。

以上の結果より、本発明範囲を満たす化学成分を有する材料のみがＨＡＺにおける優れた耐液化割れ性とクリープ強度の低下抑制とともに優れた靭性を両立することがわかる。

本発明によれば、ＨＡＺの液化割れの防止とクリープ強度低下の抑制とともに靭性確保を両立しうるフェライト系耐熱鋼材を提供するので、蒸気条件の高温高圧化が進められている火力発電ボイラなどで溶接構造物として使用することができる。

ロンジバレストレイン試験方法を示す。ロンジバレストレイン試験により得られたＨＡＺの液化割れ発生の有無を、Ｃ含有量と溶接入熱量との関係により整理したものである。

Claims

質量％で、Ｃ：0.04〜0.16％、Ｓｉ：0.1％を超えて1.0％以下、Ｍｎ：2.0％以下、Ｃｏ：1〜8％、Ｃｒ：7〜13％、Ｖ：0.05〜0.40％、Ｎｂ：0.01〜0.09％、ＭｏおよびＷの一方または両方を合計で0.5〜4％、Ｂ：0.007〜0.025％、Ａｌ：0.03％以下、Ｎ：0.003〜0.06％並びにＮｄ：0.015〜0.08％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯ、ＰおよびＳがそれぞれ、Ｏ：0.02％以下、Ｐ：0.03％以下およびＳ:0.02％以下のフェライト系耐熱鋼材であって、さらに前記Ｃ含有量が溶接入熱量Ｑに応じて下記(1)式または(2)式を満足することを特徴とするフェライト系耐熱鋼材。
Ｑ＜1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦-0.12×Ｑ+0.31 ・・・(1)
Ｑ≧1.8（kJ/mm）のとき、Ｃ≦0.094 ・・・(2)
ここで、Ｑは溶接入熱量(kJ/mm)、ＣはＣ含有量（質量％）を示す。
質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｔａ：0.08％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載のフェライト系耐熱鋼材。
質量％で、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：0.02％以下およびＭｇ：0.02％以下のうちの１種または２種を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のフェライト系耐熱鋼材。