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ネオジム含有先進フェライト系耐熱鋼のクリープ特性と微細組織

浜口, 友彰 HAMAGUCHI, Tomoaki ハマグチ, トモアキ 九州大学

2022.03.23

概要

2021 年10 月に発表された第6 次エネルギー基本計画，ならびに同年11 月に開催されたCOP26 により，2030 年度までの電源割合の目標が明確となった．石炭火力発電については，2030 年度においてもベースロード電源として電源全体の 19%を占め，その発電効率は既設の超々臨界圧火力発電の最高水準である 43%を目標としている．また，水素やアンモニアを活用した発電技術の発展も見込まれることから，今後も更なる高強度耐熱鋼の需要が予想される．本研究では，高強度耐熱鋼の1 つとして期待される9Cr-3Co-3W-Nd-B鋼の母材と溶接継手の優れたクリープ特性について金属組織学的観点からメカニズムを明らかにすること，および，結晶粒径とクリープ特性の関係を，特にラスマルテンサイト組織を有する材料について基礎的に評価することを目的に研究を行った．

第1 章では，地球温暖化の歴史と現状，さらにそれを受けて世界で発信されたカーボンニュートラルについて述べた．石炭火力発電ボイラ用の材料として活躍してきたオーステナイト系耐熱鋼やフェライト系耐熱鋼を網羅的に述べ，本研究の対象材の1 つであるネオジム含有先進フェライト系耐熱鋼（9Cr-3W-3Co-Nd-B鋼）の成分設計思想や基本的なクリープ特性を紹介した．さらに，必ずしも明らかとなっていない結晶粒径とクリープ特性の関係について過去知見をまとめた．

第2 章では，本研究で用いた実験方法をまとめた．

第3 章では，9Cr-3W-3Co-Nd-B 鋼溶接継手の長時間クリープ強度と金属組織の関係をまとめた．比較的高応力のクリープ試験において破断した溶接継手では，そのクリープ強度は母材の平均強度とほぼ同等であり，9Cr-3W-3Co-Nd-B 鋼では従来鋼でみられる溶接施工起因のクリープ強度低下を軽減することに成功した．低応力長時間のクリープ破断試験では，9Cr-3W-3Co-Nd-B 鋼の溶接継手であっても従来鋼と同様に HAZ にて破断しているものの，従来鋼の溶接継手に比較すると母材強度に対する大幅な強度低下は認められなかった．再現 HAZ 試験材のクリープ強度評価の結果，9Cr-3W-3Co-Nd-B 鋼の溶接継手では，従来鋼において最も低強度とされるAC3 変態点直上ではなく1050℃近傍に加熱される領域が最も低強度であり，それが長時間側でのHAZ 破断の要因であることが示唆された．一方，AC3 変態点直上で強度低下が軽減されるのは，オーステナイトメモリー効果による細粒化の抑制と，旧オーステナイト粒径が大きいことも影響した粒界析出物量の維持の重畳によると推察された．

第4 章では，9Cr-3Co-3W-Nd-B 鋼のクリープ特性を含む機械的性質や金属組織に与えるネオジム含有量の影響を述べた．ネオジムは0.056 mass%までの含有量においては，クリープ破断強度に与える影響は小さいことがわかった．これは，焼きならし，焼戻し熱処理後の金属組織やクリープ変形に対してネオジム化合物や固溶ネオジムの影響がほとんどないことと良く対応した．一方で，クリープ破断絞りはネオジムの含有量に関係なく破断絞りの向上に寄与し，ネオジムを含有しない鋼では，クラックが旧オーステナイト粒界で優先的に発生して連結することで，延性に乏しい破壊形態を示した．このことから，ネオジムによる旧オーステナイト粒界に偏析する硫黄の脱硫効果がクリープクラックの生成を抑制して破断延性を改善したと推察された．

第5 章では，マルテンサイト組織を有するフェライト系耐熱鋼について，クリープ特性や変形の素過程に与える結晶粒径の影響を明らかにすることを目的として検討を行った．フェライト鋼におけるクリープ変形挙動と結晶粒径（ここでは旧オーステナイト粒径）の関係を基礎的に評価するべく，9Cr-Fe をベース組成としてC 含有材，C+B 含有材，Co 含有材，およびNi 含有材の結晶粒径変化材を，焼入れ温度を変化させて作製した．600℃，50 MPa でのクリープ試験における破断時間は，いずれの材料においても結晶粒径の増大にともない単調に増加する傾向であった．C 含有材，C+B 含有材およびNi 含有材の破断伸びの結晶粒径依存性は小さいが，Co 含有材は結晶粒径によって値が大きく変化し，これはCo 含有材がマルテンサイト相とフェライト相の2 相組織のため，変形が不均一となったことが原因と推察された．

第6 章では，本論文で得られた知見を総括し，ネオジム含有先進フェライト系耐熱鋼（9Cr-3Co-3W-Nd-B鋼）の母材と溶接継手の優れたクリープ特性は，従来鋼に比較して粗大な結晶粒径と，ネオジムの添加によって発現すると結論付けられた．

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