高クロム耐熱鋳鋼COST-CB2 の特性

技 術 報 告
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
Mechanical and Creep Rupture Properties of a High Cr Heat
Resistant Steel Casting COST-CB3
萩沢　武仁 *
博士（工学）
Dr. Takehito Hagisawa
田中　慎二 *
神成　純 **
Shinji Tanaka
Jun Kannari
沖野　美佐雄 **
福眞　吉直 **
Misao Okino
Yoshinao Fukuma
概　要
火力発電プラントの高効率化に向け、高温強度に優れた鋳鋼材料の開発が求められている。これまで、国内では Co、
W、B を含む 12Cr 鋳鋼（新 12Cr 鋳鋼）、欧州では COST（Co-operation in the field of Science and Technology）プ
ログラムにおいて Co、Mo、B を含む 12Cr 鋳鋼である COST-CB2 が開発された。本報告では実験室で溶製した 50kg 鋳
塊を用いて COST-CB2 の機械的特性及びクリープ破断特性を評価した結果を報告する。基礎調査結果に基づき、COSTCB2 製中圧内部車室の実機製品を製造し、十分な溶接性と機械的特性を有することが確認できた。また、同程度の室温
強度、室温衝撃特性で比較した場合、過去に東芝殿と共同開発した新 12Cr 鋳鋼の方が優れたクリープ破断強度を有す
ることが分かった。
Synopsis
Heat resistant steel castings with enhanced high temperature strength are required for improving the efficiency of
thermal power plants. In Japan, 12% Cr steel casting containing Co, W and B （new 12%Cr steel casting） has been
developed, while in Europe, COST- CB2, which is a high Cr heat resistant steel casting containing Co, Mo and B, has
been developed in COST（Co-operation in the field of Science and Technology）program. In this study, the mechanical
properties and creep rupture properties of COST-CB2 were examined using 50kg cast ingots. Based on these results, we
succeeded in the production of intermediate pressure inner casings with sufficient mechanical properties and weldability
from COST-CB2. Furthermore, it was confirmed that the new 12%Cr steel casting developed by Toshiba and JSW showed
higher creep rupture strength than COST- CB2 when compared on the similar level of mechanical properties at room
temperature.
*：室蘭研究所
Muroran Research Laboratory
（82）
**：室蘭製作所
Muroran Plant
日本製鋼所技報　No.65（2014.10）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
1.　緒　言
2.　小型試験鋳塊を用いた材料特性の評価
近年の地球温暖化問題を受けて、火力発電の高効率化
2.1.　試験方法
による CO2 排出量の削減が強く求められている。火力発
供試材は高周波真空誘導溶解炉で溶解し、Y ブロック
電プラントの発電効率は蒸気条件が高温、高圧になるほど
砂型に鋳造して作製した 50kg 鋳塊を使用した。COST-
高くなる。蒸気条件の高温、高圧化に伴い、発電プラント
CB2 の 50kg 試験材の化学組成を表 2 に、熱処理条件を
に使用する部材には優れた材料特性が求められる。そこ
表 3 に示す。過去に B の添加によって長時間クリープ破断
、改良 12Cr 鋼（W 含有） 、新
強度が向上することが報告されている 15-16）ことから COST-
12Cr 鋼（W、Co、B 含有）11-13）と高温強度の高い素材への
CB2 の試験材 1 と試験材 2 では B 量を変えている。試験
成分改良を実施し、積極的に実機ロータ、ケーシングなど
材 1 と試験 材 2 は焼ならしの温度を 1100℃、1130℃の 2
への適用が進められてきた。特に、新 12Cr 鋼は蒸気温度
条件とし、また、試験材 1 のみ補修溶接後の応力除去焼
が最高 630℃までの火力発電プラントへの適用を目指して
鈍を模擬した 730℃× 8h の熱処理を施した。熱処理後の
開発が行われてきた。
試験材から各種機械試験片を採取した。引張試験は JIS4
で、国内では 12Cr 鋼
1,2）
3-10）
一方、ヨーロッパでは国レベルの共同研究形式である
号試 験片（φ 14mm、標点間距離 50mm）を用いて、室
COST（Co-operation in the field of Science and Technology）
温で実施した。シャルピー衝撃試験は JIS4 号（2mmVノッ
プロジェクトを採用し、これまでに COST501（1983-1997年）
、
チ）試験片を用いて室温で実施した。
COST522（1998-2003 年）
、COST536（2004-2009 年）を実施
COST-CB2 のクリープ破断試験はシングル型およびマ
してきた。例えば、COST501 では鋳造部材の耐用温度の
ルチプル型レバー式クリープ試験機を使用し、625、650、
目標を 620℃に設定し、COST-CB2 の開発に成功した 14）。
680 及び 700℃で実施した。ミクロ組織および析出物の分
COST-CB2
14）
及び過去に当社で東芝殿と共同で開発した
13）
布状況は鏡面研磨後に 15％塩酸を加えた 1％ピクリン酸ア
の代表的な化学組成を表 1 に示す。COST-
ルコール溶液で腐食したサンプルを、光学顕微鏡及び電界
CB2 は Co、B を含有し、新 12Cr 鋳鋼と比較的近い成分系
放出型走査型電子顕微鏡（FE-SEM）を用いて観察した。調
ではあるが、W を使わず Mo のみを強化元素としている点
質後、クリープ破断後のネジ部、平行部から薄膜サンプルを
が大きく異なっている。本報では実験室で溶製した COST-
作製し、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて高倍率での組
CB2 相当の 50kg 小型鋳塊における機械的特性及びクリー
織観察を行った。薄膜は 100μm 以下まで機械研磨した後
プ破断特性を報告する。さらに、小型鋳塊を用いた基礎試
に、5 % 過塩素酸ブトキシエタノール溶液でツインジェット研
験結果に基づき COST-CB2 実機製品の製造を行っており、
磨を施して作製した。
新 12Cr 鋳鋼
その特性を過去に当社で東芝殿と共同で開発した新 12Cr
鋳鋼の試験結果 13）と比較して報告する。
表 1　COST-CB214）及び新 12Cr 鋳鋼 13）の代表的な化学組成（mass%）
表 2　COST-CB2 の 50kg 試験材の化学組成（mass%）
表 3　COST-CB2 50kg 試験材の熱処理条件
（83）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
また、COST-CB2 の車室や弁といった厚肉の実機製品
COST-CB2 の 50kg 試験材のクリープ破断試験結果を
を製造する上で、補修溶接や構造溶接が必要となるため、
過去の COST-CB2 の報告値 14）と比較して図 6 に示す。図
溶接性（低温割れおよび再熱割れ）も重要な評価項目であ
の横軸は定数を 25 としたラーソンミラーパラメータ（L.M.P
る。溶接性評価試験の概略図を図 1 に示す。板厚 30mm
= T（25+logt）
, T : K, t : h）で整理した。COST-CB2 の
の COST-CB2 試験材中央に V 開先を製作し、所定の条
試験材で比較すると、焼ならし温度が高いほどクリープ破
件で 2 層 3 パスのシールドメタルアーク溶 接を実施した。
断時間が高 L.M.P 側、すなわち長時間側へとシフトしてい
溶 接材料は COST-CB2 に適した耐クリープ特 性に優れ
た。また、同じ焼ならし温度（1130℃）で比較すると、B
る 9Cr 系溶接棒である Voestalpine Bohler Welding 社製
量の高い試験材１のクリープ破断寿命が長時間であり、過
MTS 5Co1（φ 4mm）を使用した。その後、脱水素熱処
去の COST-CB2 の報告値 14）と同程度の破断寿命を有する
理および 730℃で 8h の応力除去焼鈍を実施した後に、溶
ことが確認された。
接ビード方向に垂直な断面の浸透探傷試験（PT）を行い、
割れの有無を調査した。
図 1　溶接性評価試験の概略図
図 2　調質後の 50kg 試験材の光学顕微鏡組織
（a）試験材 1 焼ならし 1100℃
（b）試験材 1 焼ならし 1130℃
（c）試験材 2 焼ならし 1130℃
2.2.　試験結果
調質後の各試験材の光学顕微鏡によるミクロ組織を図 2
に示す。いずれの試験材も焼戻しマルテンサイト組織であ
り、素材間での差は認められなかった。また、いずれの試
験材においてもδフェライトは観察されなかった。
調質後の各試験材の FE-SEM 組織を図 3 に示す。試験
材 1 及び試験材 2 では旧オーステナイト粒界や粒内のラス
境界と推測される箇所に析出物が存在していた。また、い
ずれの試験材でも析出物の分布状況には大きな差は認め
られなかった。
調質後の各試験材の TEM 組織を図 4 に示す。全ての
試験材において微細なラス組織が観察された。試験材 1 及
び試験材 2 では B 量や焼ならし温度の違いはあるが、目
立った差は認められなかった。ラス内には多量の転位が存
在し、ラス境界には析出物が観察された。
COST-CB2 の 50kg 試験材の室温引張試験結果を図 5
図 3　調質後の 50kg 試験材の FE-SEM 組織
（a）試験材 1 焼ならし 1100℃
（b）試験材 1 焼ならし 1130℃
（c）試験材 2 焼ならし 1130℃
注）図中矢印は旧γ粒界を示す
に示す。試験材 1 と試験材 2 では 0.2％耐力引張強さ及び
伸び、絞りには大きな差が認められなかった。過去の報告
値
14）
である 0.2％耐力：547MPa と比較すると、若干低め
であったが、焼戻し温度の違いによるものと考えられる。
（84）
日本製鋼所技報　No.65（2014.10）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
クリープ破断試験後（625℃、145MPa）の試験片ネジ部
の FE-SEM 組織を図 7 に示す。図 3 の調質後と比較して、
明らかに析出物が粗大化していた。クリープ破断寿命が優
れていた 1130℃での焼ならしを施した試験材 1 の析出物が
その他の条件と比べ、粗大化しているようにも見受けられ
るが、破断時間には 2 倍程度の差があり、単純に比較は
できないと考えられる。
各試験材のクリープ破断後（625℃、145MPa）の試験
片平行部及びネジ部における TEM 組織を図 8 に示す。平
行部の組織はどれも転位が調質後と比較して大幅に減少
し、サブグレイン化が進んでいた。一方、変形を受けてい
ないネジ部の組織には多少違いが認められた。B 量が高い
試験材 1 は B 量が低い試験材 2 よりもラス幅が狭かった。
図 4　調質後の 50㎏試験材の TEM 組織
（a）試験材 1 焼ならし 1100℃
（b）試験材 1 焼ならし 1130℃
（c）試験材 2 焼ならし 1130℃
図 7　クリープ破断試験後（625℃、145MPa）の COST-CB2
50kg 試験材の FE-SEM 組織
（a）試験材 1 焼ならし 1100℃
（b）試験材 1 焼ならし 1130℃
（c）試験材 2 焼ならし 1100℃
図 5　COST-CB2 50kg 試験材の室温引張試験結果
図 6　COST-CB2 50kg 試験材のクリープ破断試験結果
図 8 クリープ破断試験後（625℃、145MPa）の COST-CB2 50kg
試験材の TEM 組織
（a）
（b）試験材 1 焼ならし 1100℃
（c）
（d）試験材 1 焼ならし 1130℃
（e）
（f）試験材 2 焼ならし 1130℃
（a）
（c）
（e）試験片平行部（b）
（d）
（f）試験片ネジ部
（85）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
高 B 量の試験材 1 において、クリープ破断寿命が長か
った原因は、B がクリープ変形時の組織の回復を抑制す
る効果を有するためと推測される。例えば、阿部ら 15）、東
ら 16）や堀内ら 17）は B が粒界近傍の M 23C6 の粗大化を抑制
し、粒界近傍での組織の回復を遅延させる働きを有してい
ると報告しており、今回の試験結果も同様の現象が生じて
いる可能性が高いと考えられる。一方、焼ならし温度の高
温化によって、析出物の固溶化の状況が変わる可能性があ
る。例えば、B や N を含む高 Cr 鋼において熱間加工中や
高温熱処理中に粗大な BN が生成し、固溶 B 量が減少す
ることが報告されている 18）。よって、BN のような B を含有
する析出物の析出、固溶の状況が焼ならしの保持温度の
違いによって変化し、焼戻し時またはクリープ試験時にお
ける組織の回復や析出物の成長を抑えるために必要な固溶
B 量も変化した可能性も考えらえる。今後、クリープ破断
試験途中での組織や析出物に関する調査を行い、クリープ
特性と成分、組織の関連性を評価していく予定である。
COST-CB2 の 50kg 試験材の室温での吸収エネルギーを
図 9 に示す。B 量の低い試験材 2 が若干吸収エネルギー
図 10　COST-CB2 の溶接性評価試験後の
外観写真と断面 PT 試験結果
が高い傾向にあったが、それほど大きな差は認められなか
3.　製品製造実績と別枠試験材の評価結果
った。
COST-CB2 の溶接性評価試験後の外観写真と断面 PT
試験結果の一例を図 10 に示す。適切な溶接条件であれば
以上の 50kg 小型試験材を用いた試験結果を元に、当社
PT 欠陥は観察されず、COST-CB2 は溶接施工上問題ない
では COST-CB2 相当の成分を有する車室の製造を進めて
ことが確認できた。
いる。COST-CB2 相当の成分を有する中圧内部車室の外
以上のように、COST-CB2 の機械的特性は過去の報告
観写真を図 11 に示す。実機製品を製造する際に 80㎜厚さ
14）
よりも強度レベルが若干低い傾向にはあったが、成分や
で 100kg 級の別枠試験材を鋳造し、機械的特性を評価し
熱処理条件を最適化すれば欧州で報告されているものと同
た。表 4 には別枠試験材の化学成分、表 5 には別枠試験
等の材料特性が得られることがわかった。
材の熱処理条件をそれぞれ示す。また、図 12 から図 14 に
は COST-CB2 の 50kg 試験材（試験材 1）、別枠試験材及
び新 12Cr 鋳鋼 13）の室温引張試験結果、クリープ破断試
験結果、室温衝撃特性をそれぞれ比較して示す。別枠試
験材では焼戻し温度を低下させたため、前述した 50kg 試
験材（試験材 1）と比較して室温強度が高く、また吸収エ
ネルギーが低下していたが、50kg 試験材と同程度のクリー
プ破断強度を有することが確認できた。一方、新 12Cr 鋳
鋼と COST-CB2 の別枠試験材は同程度の室温強度、吸収
エネルギーを有していたが、クリープ破断強度は新 12Cr
鋳鋼の方が高かった。よって、同等の室温強度、靱性レベ
ルになるよう熱処理条件を調整することで、COST-CB2 に
比べて、新 12Cr 鋳鋼の方が優れたクリープ破断強度が得
られることが確認された。
図 9　COST-CB2 50kg 試験材の室温衝撃特性
（86）
日本製鋼所技報　No.65（2014.10）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
図 11　COST-CB2 相当の成分を有する
中圧内部車室上下半の外観写真
図 13　COST-CB2 の 50kg 試験材、別枠試験材、
新 12Cr 鋳鋼 13）のクリープ破断試験結果の比較
図 12　COST-CB2 の 50kg 試験材、別枠試験材、
新 12Cr 鋳鋼 13）の室温引張試験結果
注）COST-CB2 の試験結果は全て焼ならし温度 1130℃の
結果を示す
図 14　COST-CB2 の 50kg 試験材、別枠試験材、
新 12Cr 鋳鋼 13）の室温衝撃特性
表 4　COST-CB2 の代表的成分 14）と別枠試験材の化学組成（mass%）
表 5　別枠試験材の熱処理条件
（87）
高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の特性
4.　結　言
欧州で開発された高クロム耐熱鋳鋼 COST-CB2 の性能
参　考　文　献
1）岩渕 , 村田 , 土原 : 日本製鋼所技報 , 43（1998）
，115
評価を 50㎏小型鋳塊を用いて行った。また、同結果を元
2）岩渕 , 村田 , 山畔 , 山田，渡辺 : 鉄と鋼 , 76（1990）
，1060
に実機中圧内車の製造を行い、その特性を新 12Cr 鋳鋼と
3）高橋，藤田：鉄と鋼，60（1974）
，1506
比較した。以下に、結果を纏める。
4）藤田 , 山田，高橋：鉄と鋼 , 61（1975）
，357
5）劉，藤田：鉄と鋼 , 73（1987）
, 1034
（1）COST-CB2 は従来報告されている成分範囲であれば焼戻
しマルテンサイト単一組織が得られることが分かった。
（2）COST-CB2 の機械的性質に及ぼす B 量と焼ならし温度
の影響を調査した結果、B 量の増量、焼ならし温度の高
温化により、クリープ破断寿命を長寿命化できることが分
かった。
（3）クリープ破断試験後の試験片平行部では調質後と比較
して転位が減少し、サブグレイン化が進んでいた。一方、
試験片ネジ部では低 B 量の試験材においてラス幅が広
がっていた。
（4）COST-CB2 は適切な溶接条件を選択すれば溶接施工上
問題ないことが確認できた。
（5）COST-CB2 の実機製品を製造し、製品として問題ないレ
ベルの機械的特性を有することが確認できた。
6）劉，藤田：鉄と鋼 , 74（1988）
, 513
7）藤田：鉄と鋼 , 76（1990）
, 1053
8）山田，渡辺 , 吉岡 , 宮崎：鉄と鋼 , 76（1990）
, 1084
9）志賀，福井，桐原，金子，伊藤，菅井：鉄と鋼 , 76
（199 0）
, 1092
10）沖野，宮本，山畔，津 村，津田，山田：鋳造 工学,
68（1996）
, 1119
11）金子，中村，渡辺，田中，藤田：火力原子力発電 , 46
（1995）
, 968
12）Y. Tsuda, M. Yamada, R. Ishii, Y. Tanaka, T.
Azuma, Y. Ikeda : Steel Forgings Second Volume,
ASTM, 1259（1997）, 267.
13）沖野 , 田中 , 宮本 , 福田 , 山畔 , 津村 : 日本製鋼所技報 ,
54（1998）
, 54
（6）同等の強度、室温衝撃特性で比較すると、過去に当社
14）K. H. Mayer, H. Cerjak, T. U. Kerm, M. Staubli, D. V.
が東芝殿と共同開発した新 12Cr 鋳鋼の方が COST-CB2
Thornton: Int. Workshop on the Innovation Structural
よりも優れたクリープ破断強度を有することが分かった。
Materials and Infrastructure in the 21 century, ULTRA
STEEL 2000, 11-14. Jan. 2000, Tsukuba, Japan.
以上のように、欧州で開発された COST-CB2 の製造条
15）F. Abe : Int. J. Mat. Research, 99（2008）,387.
件を最適化することにより、実機製品の製造に成功した。
16）東 , 三木，田中 , 石黒 : 鉄と鋼 , 88（2002）, 678.
今後も世の中からのニーズに応えながら、各種耐熱鋳造部
17）T. Horiuchi, M. Igarashi and F. Abe : ISIJ int., 42（2002）,
材の研究開発や製造を通じて、発電プラントの高効率化に
貢献していきたい。
（88）
67.
18）櫻谷，岡田，阿部 : 鉄と鋼 , 90（2004）, 819.
日本製鋼所技報　No.65（2014.10）