発電用ボイラに使用される炭素鋼・Mo鋼・Cr-Mo鋼の違いを解説

発電用ボイラには、炭素鋼、Mo鋼、Cr-Mo鋼などさまざまな鉄鋼材料が使用されています。

これらの材料は、いずれも鉄を主成分とする鋼ですが、添加されている合金元素や金属組織が異なります。

では、なぜボイラには複数の種類の鋼が必要なのでしょうか。

炭素鋼だけですべてのボイラ管を製造することはできないのでしょうか。

その理由は、ボイラの使用部位によって材料に要求される高温強度が異なるからです。

例えば、節炭器管や比較的温度の低い水管では炭素鋼が使用されます。

一方、温度の高い過熱器管や再熱器管では、Mo（モリブデン）やCr（クロム）を添加した低合金耐熱鋼が使用されることがあります。

MoやCrを添加するのは、単に材料の引張強さを高くするためではありません。

高温で長時間使用したときのクリープ強度や、酸化に対する抵抗性などを改善するためです。

今回は、ボイラ材料の基本となる、

炭素鋼・Mo鋼・Cr-Mo鋼

の違いを整理し、なぜ炭素鋼から低合金耐熱鋼へと材料の適用範囲が広がってきたのかを解説します。

炭素鋼・Mo鋼・Cr-Mo鋼の違い

まず、3種類の鋼の特徴を整理しましょう。

材料区分	主な合金元素	代表材料	材料技術の特徴
炭素鋼	C、Mn、Siなど	STB340、STB410、STB510	基本的な強度、加工性、溶接性
Mo鋼	Moを約0.5％添加	STBA12、STBA13	Mo添加による高温強度の改善
Cr-Mo鋼	CrとMoを添加	STBA20、STBA22、STBA23、STBA24	高温強度、クリープ特性、耐酸化性などの改善

炭素鋼は、鉄に炭素を加えた鋼を基本とし、MnやSiなどによって性質を調整した材料です。

Mo鋼は、炭素鋼を基本としてMoを添加した材料です。

Cr-Mo鋼は、さらにCrを添加し、高温での使用に適した性質を持たせた材料です。

ここで重要なのは、MoやCrを添加すると、鋼の金属組織や高温での変形・劣化の仕方が変わるということです。

ただし、合金元素の添加量だけで材料性能が決まるわけではありません。

炭素量や他の合金元素、熱処理によって形成される金属組織も重要になります。

炭素鋼｜ボイラ材料の基本となる鋼

① 炭素鋼とは

炭素鋼は、ボイラ材料の中でも基本となる材料です。

ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管として、JIS G 3461には次の鋼種が規定されています。

STB340
STB410
STB510

STBは、ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管を表す記号です。

末尾の340、410、510は、それぞれ室温における規定最小引張強さを表しています。

例えば、STB340では340MPa以上、STB410では410MPa以上の引張強さが規定されています。

ただし、これらは室温における材料の引張強さです。

STB410の引張強さがSTB340より高いからといって、すべての高温条件でSTB410の方が適しているとは限りません。

実際のボイラ設計では、使用温度における許容引張応力を確認する必要があります。

② 炭素鋼の金属組織

一般的なボイラ用炭素鋼の代表的な金属組織は、

フェライト＋パーライト

です。

フェライトは、鉄を主成分とする比較的軟らかい組織です。

一方、パーライトは、フェライトとセメンタイトが組み合わさった組織です。

炭素量や熱処理によって、これらの組織の割合や形態が変わり、鋼の強度や延性が変化します。

つまり、炭素鋼の機械的性質は、炭素量と金属組織によって大きく左右されます。

③ 炭素鋼のメリット

炭素鋼には、次のようなメリットがあります。

材料費が比較的安い

CrやMoを多く含む耐熱鋼と比較すると、一般に材料費を抑えることができます。

加工性や溶接性が比較的よい

鋼種や炭素量にもよりますが、一般に高合金の耐熱鋼に比べて製造・加工・溶接が容易です。

比較的温度の低い部位では十分な性能を確保できる

材料温度がそれほど高くない節炭器管や火炉壁管などでは、炭素鋼が合理的な選択になります。

④ 炭素鋼の限界は高温強度にある

しかし、炭素鋼には高温での使用に限界があります。

温度が高くなると、材料の降伏強さや引張強さが低下します。

さらに、高温で長時間応力を受け続けると、クリープ変形が問題になります。

炭素鋼では、長時間の高温使用によって、パーライト中のセメンタイトの形態変化や球状化などが進行する場合があります。

これに伴い、材料の強度が低下することがあります。

つまり、炭素鋼は比較的温度の低い部位では優れた材料ですが、より高温で使用する場合には、高温強度の確保が課題になるのです。

そこで登場するのがMo鋼です。

Mo鋼｜モリブデン添加によって高温強度を改善する

① Mo鋼とは

Mo鋼は、炭素鋼を基本としてMo（モリブデン）を添加した低合金耐熱鋼です。

代表的な材料には、

STBA12、STBA13

があります。

これらは、JIS G 3462に規定されたボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管です。

いずれも約0.5％のMoを含む鋼ですが、炭素量の規定などが異なります。

② なぜMoを添加するのか

Moを添加する主な目的は、高温強度、とりわけ長時間使用時のクリープ特性を改善することです。

Moは固溶強化に寄与する元素であるとともに、炭化物の形成にも関係する元素です。

Moの一部はフェライトなどの母相に固溶し、高温での転位の移動や変形に対する抵抗を高める働きをします。

一方、Moの一部は炭化物にも取り込まれます。これらの炭化物の種類や分布、長時間使用に伴う変化も、材料のクリープ強度に影響します。

つまり、Moによる高温強度の改善には、固溶強化だけでなく炭化物や金属組織の変化も関係しているのです。

ただし、高温で長時間使用すると、炭化物の粗大化や固溶Mo量の変化などが進行し、クリープ強度が変化する場合があります。

そのため、Mo鋼の高温特性を理解するには、合金元素の添加量だけでなく、長時間使用に伴う金属組織の変化も考える必要があります。

③ Mo鋼でも高温使用には限界がある

Moを添加すれば、どのような高温でも使用できるわけではありません。

温度が高くなれば、Mo鋼でも許容引張応力は低下します。

また、長時間使用に伴う炭化物の変化や組織変化によって、クリープ特性が変化する場合があります。

さらに、Moの添加だけでは、高温酸化に対する抵抗性を十分に改善できない場合があります。

そこで、より高温で使用する鋼として、CrとMoを組み合わせたCr-Mo鋼が重要になります。

Cr-Mo鋼｜クロムとモリブデンを組み合わせた耐熱鋼

① Cr-Mo鋼とは

Cr-Mo鋼は、Cr（クロム）とMo（モリブデン）を添加した低合金耐熱鋼です。

ボイラ材料としては、次のような鋼種が代表的です。

鋼種	代表的な合金系
STBA20	0.5Cr-0.5Mo鋼
STBA22	1Cr-0.5Mo鋼
STBA23	1.25Cr-0.5Mo-Si鋼
STBA24	2.25Cr-1Mo鋼

これらは、CrとMoの添加量などが異なる材料です。

② Crの役割

Crを添加する目的の一つは、高温酸化に対する抵抗性を改善することです。

鋼を高温の酸化性環境で使用すると、表面に酸化物が形成されます。

Crは酸化物の形成や性質に影響し、一般にCrの添加量を増やすことで耐酸化性の改善が期待できます。

しかしながら、

低合金Cr-Mo鋼は、Crを含んでいるからといってステンレス鋼と同等の耐酸化性を持つわけではありません。

Crの添加量や温度、雰囲気によって、形成される酸化スケールの性質は変化します。

特に高温の蒸気中では、Cr-Mo鋼であっても水蒸気酸化スケールの形成が問題になります。

また、Crは炭化物の形成や金属組織にも影響し、高温強度の確保に関係します。

③ CrとMoを組み合わせる理由

Cr-Mo鋼では、CrとMoがそれぞれ異なる役割を果たします。

Moは、固溶強化や炭化物の形成などを通じて高温強度の改善に寄与します。

Crは、炭化物の形成や高温酸化特性などに影響を与えます。

そして、両元素と炭素量、熱処理条件などを組み合わせることで、高温で使用できる材料特性を確保します。

つまり、Cr-Mo鋼は、

合金元素の組み合わせによって、高温強度と高温環境への適応性を改善した材料

と考えることができます。

炭素鋼・Cr-Mo鋼の金属組織

ここで、材料学の視点から整理してみましょう。

材料の強度は、化学成分だけで決まるわけではありません。

重要なのは、化学成分と熱処理によって、どのような金属組織が形成されるかです。

① 炭素鋼の代表組織

炭素鋼では、フェライトとパーライトが代表的な組織です。

フェライトは比較的軟らかく、パーライトは強度に寄与します。

ただし、高温で長時間使用すると、これらの組織やセメンタイトの形態が変化する場合があります。

② Mo鋼・Cr-Mo鋼の代表組織

Mo鋼やCr-Mo鋼では、合金元素の添加によって鋼の変態挙動が変わります。

例えば、冷却速度や熱処理条件によって、フェライト・パーライト組織に加え、ベイナイトなどの組織が形成される場合があります。

また、CrやMoを含む炭化物が形成され、これらが高温強度に影響します。

つまり、

同じ鉄鋼材料でも、合金元素と熱処理が変われば、強度を支える金属組織も変わる

ということです。

③ 高温強度を考えるときは組織安定性も重要

ボイラ材料では、使用開始時に十分な強度を持っているだけでは不十分です。

高温で長期間使用しても必要な強度を維持できなければなりません。

例えば、長時間使用によって炭化物が粗大化したり、金属組織が変化したりすると、クリープ強度が低下する場合があります。

そのため、耐熱鋼の性能を評価する際には、

初期強度だけでなく、長時間使用後の金属組織と強度の変化

を考える必要があります。

これは、後に説明する高Crフェライト系耐熱鋼のクリープ損傷や設備寿命評価にもつながる重要な考え方です。

炭素鋼・Mo鋼・Cr-Mo鋼の使い分け

ここまでの材料特性を、ボイラの使用部位と結びつけて考えてみましょう。

発電用ボイラでは、場所によって管壁のメタル温度や使用環境が異なります。

例えば、節炭器は比較的温度の低い部位ですが、過熱器や再熱器では蒸気温度が高くなります。

そして、高温伝熱管では、管壁のメタル温度が内部の蒸気温度より高くなる場合があります。

そのため、材料の使い分けが必要になります。

材料区分	代表材料	適用部位の例	選定の考え方
炭素鋼	STB340、STB410	節炭器管、比較的低温の火炉壁管	基本的な強度、経済性、加工性
Mo鋼	STBA12、STBA13	高温側の水管や比較的低温側の過熱器管など	炭素鋼より高温強度が必要な場合
Cr-Mo鋼	STBA20、STBA22、STBA23	過熱器管、再熱器管など	高温強度と使用環境への適応
Cr-Mo鋼	STBA24	より高温側の過熱器管、再熱器管など	高温での強度と長時間使用特性