高温焼戻し脆性｜靭性低下招く鋼の劣化現象

高温焼戻し脆性

高温焼戻し脆性とは、合金鋼を約450℃から600℃の温度域で焼戻しした後、緩やかに冷却した際に生じる靭性低下現象である。第二段焼戻し脆性とも呼ばれ、200℃から350℃付近に生じる低温焼戻し脆性(いわゆる300℃脆性)とは発生機構が異なり、危険温度域より高い温度へ再加熱してから急冷すれば靭性を回復できる可逆的な性質を持つ。主にニッケルクロムモリブデン鋼などの特殊鋼を用いた大型鍛造品や圧力容器材で問題となり、衝撃値の低下や延性脆性遷移温度の上昇を招くため、発電設備や造船分野の重要部材設計において十分な注意が求められる。

発生機構

高温焼戻し脆性の発生機構は、粒界偏析という現象に起因する。鋼中に微量に含まれるリン、アンチモン、スズ、ヒ素といった不純物元素は、オーステナイト化時には固溶しているが、危険温度域で長時間保持されると拡散によって結晶粒界へと選択的に移動し、局所的な濃度を高める。この偏析層は粒界の結合力を低下させ、粒内破壊よりもエネルギーの小さい粒界破壊が優先的に進行する状態を作り出す。加えて、クロムやマンガンといった合金元素が不純物元素の偏析を助長する共偏析効果を示すことも知られており、単一元素の含有量だけでなく元素間の相互作用も脆化の程度に影響する。偏析した不純物元素は粒界の原子間結合エネルギーを弱め、粒界に沿ったき裂の発生と伝播を容易にするため、破面には粒内を貫く延性的な破面とは異なり、結晶粒の形状に沿った平滑な粒界破面が観察されることが多い。

発生温度域と冷却条件

高温焼戻し脆性は、焼戻し後の冷却速度に強く依存する現象である。同じ焼戻し温度であっても、油冷や水冷のように急冷した場合には不純物元素が粒界へ拡散する時間が確保されないため脆化はほとんど生じない。逆に、焼戻し後に炉内でそのまま徐冷したり、危険温度域で長時間の保持を伴う応力除去焼なましを重ねて行ったりすると、脆化が段階的に進行しやすくなる。一方、炉冷や空冷のように緩やかに温度が下降する場合、鋼材が危険温度域を通過する時間が長くなり、偏析が進行しやすくなる。特に肉厚の大きい大型鍛造品では、内部の冷却速度が表面に比べて遅くなるため、部材中心部において脆化が顕著に現れやすい。焼き戻しの工程設計では、危険温度域を短時間で通過させる急冷操作や、脆化後の再焼戻しを組み合わせることで抑制が図られている。

低温焼戻し脆性との比較

同じ焼戻し脆性という名称であっても、低温側と高温側では原因と性質が大きく異なる。次の表に主な相違点を整理する。

評価方法

高温焼戻し脆性の程度は、主にシャルピー衝撃試験によって評価される。衝撃試験で得られる吸収エネルギーと試験温度の関係を遷移曲線として描き、脆性域から延性域へ移行する境界となる延性脆性遷移温度(DBTT)を求める。脆化が進行した材料では、この遷移温度が高温側へ移動し、常温付近でも脆性的な破壊を起こしやすくなる。より簡便な指標として、遷移温度の上昇量をシャルピー試験の結果から算出する手法も実機部材の余寿命評価に活用されている。また、破面観察によって粒界破面の占める割合を定量化する方法も、脆化の進行度を判断する補助的な手段として用いられている。

影響を受けやすい鋼種

高温焼戻し脆性は、あらゆる鋼種に一様に現れるわけではなく、ニッケルやクロムを含む合金鋼で特に顕著となる。ニッケルは不純物元素の粒界偏析を助長する傾向があり、クロムモリブデン鋼やニッケルクロムモリブデン鋼といった特殊鋼を用いた大型ロータや圧力容器胴板で問題となる事例が報告されている。クロムバナジウム鋼のようにモリブデンを含まない鋼種では脆化感受性が比較的低いとされ、モリブデンの添加が偏析元素の粒界濃度を抑制する効果を持つことが知られている。一方、浸炭焼入れのように表層のみを対象とする熱処理では、危険温度域の通過時間が短いため脆化の影響は小さい。また、鋼材の製造段階における精錬技術の進歩により不純物元素の含有量そのものを極めて低い水準に抑えることが可能となり、近年製造される高清浄度鋼では脆化感受性が大きく低減している。

対策

高温焼戻し脆性への対策としては、次のような方法が挙げられる。

• 焼戻し後は危険温度域を短時間で通過させるよう油冷などで急冷する
• リン、アンチモン、スズ、ヒ素といった不純物元素の含有量を精錬段階で低減する
• モリブデンを添加し、粒界への不純物偏析を抑制する
• 脆化が進行した部材は、危険温度域より高い温度に再加熱したのち急冷し、靭性を回復させる

高温焼戻し脆性と他の欠陥との違い

高温焼戻し脆性は、粒界の化学的な脆化に起因する点で、加工や熱処理に伴う機械的・熱的な割れとは区別して扱う必要がある。急冷時の熱応力や組織変態応力によって生じる焼割れや、研削加工時の局所加熱が原因となる研削割れは、いずれも短時間の熱・応力集中によって発生する欠陥であり、拡散を伴う高温焼戻し脆性とは発生機構が根本的に異なる。また、鋼中のセメンタイトの析出形態が靭性に影響を及ぼす点は共通するものの、高温焼戻し脆性における脆化の主因はあくまで粒界における不純物元素の偏析である。

実用上の注意点

発電用蒸気タービンロータや原子炉圧力容器など、長時間高温環境下で使用される大型鍛鋼品では、使用中の緩慢な温度低下や長時間の高温保持によって高温焼戻し脆性が進行する場合がある。そのため、設計段階では不純物元素の許容含有量を厳しく規定するとともに、供用後には試験片を用いた破壊靭性評価を定期的に実施し、脆化の進行度合いを監視することが重要である。あわせて、実機部材の一部から採取した監視試験片を用いて経年変化を追跡する管理体制を整えておくことで、突発的な破損を未然に防ぎ、設備の安全な長期運用につなげることができる。