JP2003268503A

JP2003268503A - 耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼管およびその製造方法

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Publication number: JP2003268503A
Application number: JP2002064395A
Authority: JP
Inventors: Atsuro Iseda; 敦朗伊勢田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: CN1443867A; DE60306226T2; US20030231976A1; CA2420796C; CN1220842C; EP1342807B1; KR20030074232A; EP1342807A2; CA2420796A1; US7014720B2; JP3632672B2; DE60306226D1; KR100519262B1; EP1342807A3

Abstract

(57)【要約】【課題】全体が均質な整粒の細粒組織で、この細粒組織
が溶接や高温曲げ加工による高温再加熱を受けても粗粒
化せず、良好な耐水蒸気酸化性が維持されるオーステナ
イト系ステンレス鋼管とその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃ：0.03〜0.12％、Si：0.1〜0.9％、Mn：
0.1〜2％、Cr：15〜22％、Ni：8〜15％、Ti：0.002〜0.
05％、Nb：0.3〜1.5％、sol.Al：0.0005〜0.03％、Ｎ：
0.005〜0.2％、およびＯ（酸素）：0.001〜0.008％、残
部：Feおよび不純物からなり、オーステナイト結晶粒度
番号が7以上、好ましくは混粒率が10％以下の細粒組織
のオーステナイト系ステンレス鋼管および工程1100〜
1350℃に加熱保持後、冷却速度0.25℃／秒以上で冷却、
工程500℃以下の温度域で断面減少率10％以上の塑性
加工、工程1050〜1300℃の範囲内の温度で、かつ工程
における加熱温度よりも10℃以上低い温度に加熱保持
後冷却、の工程を経るその製法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラの過熱器管
や再熱蒸気管、化学工業用の加熱炉管等に用いられる耐
水蒸気酸化性と高温強度に優れたオーステナイト系ステ
ンレス鋼管とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率化のために蒸気の温度と圧
力を高めた超々臨界圧ボイラの新設が世界中で進められ
ている。これは、省エネルギーと資源の有効活用、およ
び環境保全のためのＣＯ_２ガス排出量削減がエネルギ
ー問題の解決課題の一つとなっており、重要な産業政策
となっているからであり、化石燃料を燃焼させる発電用
ボイラや化学工業用の反応炉の場合、高効率な超々臨界
圧ボイラが有利なためである。

【０００３】蒸気の高温高圧化は、ボイラの熱交換器管
や、化学工業用の加熱炉管の実稼動時における管温度を
上昇させる。このため、これらの鋼管には、高温強度と
高温耐食性に加えて、管内面の耐水蒸気酸化性が良好な
ことが要求される。これは、剥離した水蒸気酸化スケー
ルがタービンブレードを損傷させたり、管の曲がり部等
に堆積した場合にはその部分が過熱され、最悪の場合、
噴破事故にもつながるからである。

【０００４】オーステナイト系ステンレス鋼管は、フェ
ライト系鋼管に比べて高温強度と高温耐食性が優れる。
このため、強度と耐食性の観点からフェライト系鋼管が
使えなくなる６５０℃以上の高温域では、オーステナイ
ト系ステンレス鋼管が使われる。しかし、オーステナイ
ト系ステンレス鋼管といえども、その管内面に水蒸気酸
化スケールが生成し、これが剥離する。これを防止する
ため、従来から様々な工夫がなされてきた。以下にその
代表的ものを示す。 (1)母材のＣｒ含有量を高めて耐食性を高める方法。 (2)表面に高耐食性のクロマイズ層を形成させる方法。 (3)表面にショトピーニングや冷間加工を施して表層部
分に加工ひずみ付与し、次いで熱処理を施して表層部を
細粒層にする方法（例えば、特公昭61-37335号公報、参
照）。 (4)表面に浸炭または窒化処理を施して表層部分に浸炭
層または窒化層を形成させた後、熱処理を施して表層部
を細粒層にする方法（例えば、特開昭57-29530号公報、
参照）。 (5)母材全体を細粒組織にする方法（例えば、特開昭58-
87224号、同58-167726号、同61-91326号、同61-238913
号、同61-91327号、同61-91328号の各公報、参照）。

【０００５】しかしながら、上記の各方法には次に述べ
るような欠点があった。すなわち、(1) の方法は、ボイ
ラや化学工業用の熱交換器管や加熱炉管に多用されてい
るＳＵＳ３４７ＨやＳＵＳ３０４Ｈ等の１８Ｃｒ−８Ｎ
ｉ系のオーステナイトステンレス鋼の場合、そのＣｒ含
有量を増加させることを意味する。しかし、この場合に
は組織の安定性を確保するためにＮｉ含有量も増加させ
る必要があるので、その鋼は１８Ｃｒ−８Ｎｉ系とは異
なるものとなる。このようなＣｒとＮｉの含有量を高め
た高耐食材料としては、２２Ｃｒ−１２Ｎｉ系のＳＵＳ
３０９、２５Ｃｒ−２０Ｎｉ系のＳＵＳ３１０等があ
る。しかし、これらの鋼は高価であり、溶接性および加
工性も悪い。また、高耐食性の高級材料を使うために
は、設計段階からの材料認可を受けることが必要である
ため、既設プラントの取り替え管には使用できない。
(2)の方法（クロマイジング処理）は、得られる鋼管が
非常に高価であり、製造可能な管寸法にも制約がある。
また、管を曲げるとクロマイズ層が破損することがあ
る。さらに、その処理は、１１００℃以上の高温での長
時間熱処理であるため、母材の性能を害する。また更
に、溶接するとクロマイズ層がない部分ができ、その部
位のみが選択的に腐食されることもある。(3)および(4)
の方法は、形成させた細粒層が、ボイラの組立施工中に
おける高温曲げ加工、加熱処理および溶接等により容易
に粗粒化し、細粒化の効果が消失する場合がある。細粒
層は、一旦粗粒化すると再び細粒化することはない。
(5)の方法は、Ｎｂまたは／およびＴｉの炭窒化物の析
出、冷間加工および最終熱処理の組合せにより母材全体
を細粒組織にする方法である。具体的には、Ｎｂおよび
Ｔｉのいずれか一方または両方を含み、その含有量をＣ
または／およびＮの含有量とバランスさせた１８Ｃｒ−
８Ｎｉ系のオーステナイトステンレス鋼を対象に、次の
加工熱処理を行う方法である。

【０００６】第１工程として、ＮｂやＴｉの炭窒化物を
固溶させるための前段熱処理を行う。第２工程として、
ひずみを蓄積させるための冷間加工を行う。第３工程と
して、第１工程の前段熱処理時の加熱温度よりも３０℃
以上低い温度に加熱保持した後冷却する最終熱処理を行
う。

【０００７】上記の第１から第３までの工程をとる場合
には、第３工程における再結晶化が第２工程において蓄
積させた加工ひずみの駆動力によって促進されるので、
母材全体が細粒組織となる。

【０００８】しかし、この従来技術の(5) の方法で利用
されているＮｂやＴｉの炭窒化物は、これを高温域にお
いて確実に固溶させた後に、これを再び微細に分散析出
させる際の核生成能が不十分である。また、第２工程に
おけるひずみも、これを均一に蓄積させることが難し
い。その結果、(5) の方法では、均質な整粒の細粒組織
が得にくく、最終製品がしばしば粗大粒を伴った混粒組
織になりやすい。この粗大粒を伴った混粒組織となった
ものの粗粒部分には、厚さが異常に厚い瘤状の水蒸気酸
化スケール層が生成し、この瘤状スケール層が剥離しや
すい。

【０００９】また、ＮｂやＴｉの炭窒化物は、高温での
安定性に欠け、ボイラの組立施工等に際して行われる溶
接や高温曲げ加工時に再固溶しやすく、再固溶した場合
はそのピン留め効果を失うため、異常な粒成長が起こ
り、細粒組織が消失する。つまり、(5) の方法では、均
質な整粒の細粒組織で、しかも細粒組織が施工中におい
ても安定なオーステナイト系ステンレス鋼管を得ること
はできない。

【００１０】ここで、組織を細粒にすると耐水蒸気酸化
性が向上するのは次のメカニズムによる。高温蒸気によ
る水蒸気酸化を抑制するためには、その表面にＣｒ濃度
が高くて安定な保護性の高い皮膜（Ｃｒ_２Ｏ_３からなる
皮膜）を生成させる必要があるが、この保護性の高い皮
膜は母材表層部のＣｒ濃度が十分に高くないと生成しな
い。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼では、５５
０〜７５０℃の高温域でも母材のＣｒの拡散が遅く、１
８Ｃｒ−８Ｎｉ系の鋼の場合、前記の保護性の高い皮膜
が生成しにくい。これに対し、その組織を細粒にした鋼
では、結晶粒界がＣｒの拡散経路となり、母材内部のＣ
ｒが表層部に容易に供給される。その結果、表面に前記
の保護性の高い皮膜が生成し、耐水蒸気酸化性が向上す
る。

【００１１】１８Ｃｒ−８Ｎｉ系のオーステナイト系ス
テンレス鋼の場合、結晶粒度と耐水蒸気酸化性との間に
は強い相関があり、細粒鋼ほど優れた耐水蒸気酸化性を
示し、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and M
aterial：アメリカ材料試験協会）に規定さているオー
ステナイト結晶粒度番号が７番以上の細粒であれば耐水
蒸気酸化性が向上することが当業者にはよく知られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の課題
は、全体が均質な整粒の細粒組織で、この細粒組織が施
工中の溶接や高温曲げ加工によっても変化することがな
い耐水蒸気酸化性に優れた安価なオーステナイト系ステ
ンレス鋼管を提供することにある。また、第２の課題
は、細粒組織が施工中の溶接や高温曲げ加工によっても
変化することがないだけでなく、クリープ強度をも高め
ることが可能な耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト
系ステンレス鋼管の製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のオーステナイト
系ステンレス鋼管は下記（１）、（２）および（３）の
鋼管である。また、本発明のオーステナイト系ステンレ
ス鋼管の製造方法は下記（４）および（５）の方法であ
る。

【００１４】（１）質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２
％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃ
ｒ：１５〜２２％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｔｉ：０．００
２〜０．０５％、Ｎｂ：０．３〜１．５％、ｓｏｌ．Ａ
ｌ：０．０００５〜０．０３％、Ｎ：０．００５〜０．
２％、およびＯ（酸素）：０．００１〜０．００８％を
含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、オーステナイ
ト結晶粒度番号が７以上の細粒組織であることを特徴と
する耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレ
ス鋼管。

【００１５】（２）上記（１）に記載の成分に加えて、
さらに下記の第１群および第２群のいずれか一方または
両方から選んだ少なくとも１種の成分を含み、残部がＦ
ｅおよび不純物からなり、オーステナイト結晶粒度番号
が７以上の細粒組織であることを特徴とする耐水蒸気酸
化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼管。第１群…質量％で、それぞれ０．０００１〜０．２％の
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂ、およびＲＥＭ。第２群…質量％で、それぞれ０．１〜５％のＣｕ、Ｍｏ
およびＷ。

【００１６】（３）オーステナイト結晶粒の混粒率が１
０％以下であることを特徴とする上記（１）または
（２）に記載の耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト
系ステンレス鋼管。

【００１７】（４）上記（１）または（２）に記載の化
学組成を有する鋼管を、下記の工程、およびで順
次処理することを特徴とする耐水蒸気酸化性に優れたオ
ーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法（第１の方
法）。

【００１８】工程：１１００〜１３５０℃に加熱保持
した後、冷却速度０．２５℃／秒以上で冷却する。

【００１９】工程：５００℃以下の温度域で断面減少
率１０％以上の塑性加工を行う。

【００２０】工程：１０５０〜１３００℃の範囲内の
温度で、かつ上記の工程における加熱温度よりも１０
℃以上低い温度に加熱保持した後冷却する。

【００２１】（５）上記（１）または（２）に記載の化
学組成を有する素材鋼を、下記の工程、、、お
よびで順次処理することを特徴とする耐水蒸気酸化性
に優れたオーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法
（第２の方法）。

【００２２】工程：素材鋼を１１００〜１３５０℃に
加熱する。

【００２３】工程：熱間加工により鋼管に成形する。

【００２４】工程：成形後の鋼管を、冷却速度０．２
５℃／秒以上で冷却する。

【００２５】工程：５００℃以下の温度域で断面減少
率１０％以上の塑性加工を行う。

【００２６】工程：１０５０〜１３００℃の範囲内の
温度で、かつ上記の工程における加熱温度よりも１０
℃以上低い温度に加熱保持した後冷却する。

【００２７】ここで、オーステナイト結晶粒度番号とは
前述のＡＳＴＭに規定される粒度番号のことである。

【００２８】また、オーステナイト結晶粒の混粒率
（％）とは、光学顕微鏡による上記オーステナイト結晶
粒度番号の判定に際して観察した視野数をＮ、１視野内
において、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３
以上異なった粒度番号の粒が偏在し、これらの粒が約２
０％以上の面積を占める状態にあり、混粒と判定される
視野数をｎとしたとき、式｛（ｎ／Ｎ）×１００｝で定
義される値のことである。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明者は、１８Ｃｒ−８Ｎｉ系
のオーステナイトステンレス鋼の細粒化技術について種
々の検討を行った結果、以下の新たな知見を得た。

【００３０】すなわち、母材全体を細粒組織にする従来
の技術は、ＮｂやＴｉの炭窒化物それ自体を利用したも
のである。しかし、この従来技術は、前述したように、
ＮｂやＴｉの炭窒化物が高温での安定性に欠け、均質な
整粒の細粒組織を安定して得ることが困難である。ま
た、ＮｂやＴｉの炭窒化物が施工中の溶接や高温曲げ加
工時に再固溶または凝集粗大化しやすく、せっかくでき
た細粒組織を維持させることが困難である。

【００３１】そこで、高温でも安定な物質であって、均
質な整粒の細粒組織を安定して形成させるのに寄与し、
しかも再加熱しても再固溶しにくい物質の発見に努めた
結果、以下のことが判明した。 (a)Ｔｉ_２Ｏ_３が均一に分散析出したＮｂ含有鋼では、
製品の熱処理時に、Ｔｉ _２Ｏ_３を核にしてその周りにＮ
ｂ炭窒化物が析出した複合析出物が均一に分散生成する
こと。 (b)上記の複合析出物は、ＮｂやＴｉの炭窒化物と同様
の細粒化作用を有する。したがって、これを利用すれ
ば、均質な整粒の細粒組織を安定して得ることができる
だけでなく、複合析出物が高温においても安定なため
に、施工中の溶接や高温曲げ加工時にも再固溶せず、細
粒組織が維持されること。 (c)上記のＴｉ_２Ｏ_３は、製鋼時に十分精錬を行ってＡ
ｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の介在物をできるだけ少なくした
溶鋼に適量のＮｂを添加した後、鋼の酸素含有量を適正
範囲（０．００１〜０．００８質量％）に調整し、しか
る後に適量（０．００２〜０．０５質量％）のＴｉを添
加含有させることによって生成させることが可能なこ
と。 (d)上記の複合析出物は、Ｔｉ添加によってＴｉ_２Ｏ_３
を均一に分散生成させ、Ｎｂ含有量を適正範囲（０．３
〜１．５質量％）とした鋼を熱処理すれば均一に分散生
成すること。 (e)瘤状の水蒸気酸化スケールが発生することがない耐
水蒸気酸化性は、最終熱処理により、ＡＳＴＭに規定さ
れるオーステナイト結晶粒度番が７以上の金属組織にす
れば確保され、その金属組織の混粒の程度が前述した混
粒率で１０％以下の場合には耐水蒸気酸化性が一段と向
上すること。 (f)上記(e)に記載の金属組織は、ＮｂやＴｉの炭窒化物
を利用する従来技術では最終熱処理温度をその前段階の
熱処理温度よりも３０℃以上低い温度にすることが必要
であったが、本発明が対象とする鋼の場合には、前段熱
処理温度よりも１０℃以上低い温度で最終熱処理すれば
得られ、従来技術で得られる製品よりもクリープ強度の
高い製品が得られること。

【００３２】以下、本発明のオーステナイト系ステンレ
ス鋼管に係る化学組成、結晶粒度および混粒率、ならび
に製造方法の諸条件を上記のように定めた理由について
詳細に説明する。なお、以下において「％」は特に断ら
ない限り「質量％」を意味する。

【００３３】Ｃ：０．０３〜０．１２％Ｃは、高温用オーステナイト系ステンレス鋼として必要
な高温引張強さ、高温クリープ強度を確保する上で必要
な成分であり、最低でも０．０３％以上の含有量が必要
である。しかし、その含有量が０．１２％を超えると、
Ｃｒの炭化物が増え、溶接性が低下するので上限は０．
１２％とした。望ましいＣ含有量は０．０５〜０．１％
である。

【００３４】Ｓｉ：０．１〜０．９％Ｓｉは、製鋼時に脱酸剤として添加されるが、鋼の耐水
蒸気酸化性を高めるためにも有効な元素である。微細な
Ｔｉ_２Ｏ_３を均一に析出させるには、製鋼時に適正な脱
酸を行って鋼を清浄にしなければならないので、そのた
めには最低でも０．１％以上の含有量が必要である。し
かし、その含有量が過剰になると鋼の加工性が悪くなる
ので上限は０．９％とした。好ましい範囲は０．１〜
０．７５％である。

【００３５】Ｍｎ：０．１〜２％Ｍｎは、鋼中に含まれる不純物のＳと結合してＭｎＳを
形成し、熱間加工性を向上させるが、その含有量が０．
１％未満では前記の効果が得られない。一方、その含有
量が過剰になると、鋼が硬く脆くなり、かえって加工性
や溶接性を損なうので上限は２％とした。望ましいＭｎ
含有量は０．２〜１．７％である。

【００３６】Ｃｒ：１５〜２２％Ｃｒは、耐酸化性、耐水蒸気酸化性および耐食性を確保
する重要元素である。オーステナイト系ステンレス鋼と
して最低限必要なＣｒ含有量は１５％である。Ｃｒ含有
量が多いほど前記の各耐食性は向上するが、組織の安定
性が低下し、オーステナイト組織を安定にするために高
価なＮｉ含有量の増加を余儀なくされるだけでなく、溶
接性も低下する。よって、Ｃｒ含有量は１５〜２２％と
する。好ましい範囲は１７〜２０％である。

【００３７】Ｎｉ：８〜１５％Ｎｉは、オーステナイト組織を安定にする元素であり、
耐食性の確保にも重要な合金元素である。上記Ｃｒ量と
のバランスからＮｉ含有量の下限は８％である。一方、
過剰なＮｉ含有量はコスト上昇を招くだけでなく、クリ
ープ強度の低下を招くので、その上限は１５％とする。
望ましいのは８．５〜１３％である。

【００３８】Ｔｉ：０．００２〜０．０５％Ｔｉは、後述するＯ（酸素）と同様に、本発明の鋼管の
大きな特徴の一つである前記の複合析出物の核となるＴ
ｉ_２Ｏ_３を均一に分散生成させるために欠くことのでき
ない元素である。その含有量が０．００２％未満では、
Ｔｉ_２Ｏ_３が生成せず、仮に生成しても均一に分散生成
する量が少なすぎ、効果が得られない。一方、その含有
量が０．０５％を超えると、粗大なＴｉＮが生成してＮ
ｂ炭窒化物の微細分散析出を阻害し、Ｔｉ_２Ｏ_３を核と
する微細分散した複合析出物が生成しなくなる。よっ
て、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．０５％とした。好ま
しいのは０．００２〜０．０３％である。

【００３９】Ｎｂ：０．３〜１．５％Ｎｂは、前記の複合析出物を生成させるために欠くこと
のできない元素であり、最低でも０．３％の含有量が必
要である。しかし、１．５％を超えて含有させると、著
しく粗大な析出物が生成し強度をそこなう。このため、
Ｎｂ含有量は０．３〜１．５％とした。好ましいのは
０．４〜１．３％である。

【００４０】ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５〜０．０３％Ａｌは、脱酸剤として添加させるが、多量に添加すると
Ｔｉの添加効果が失われるので、その含有量はｓｏｌ．
Ａｌ含有量で０．０３％以下とする。一方、十分な脱酸
効果を得るには０．０００５％以上のｓｏｌ．Ａｌ含有
量が必要である。好ましいのは０．００１〜０．０２％
である。

【００４１】Ｎ：０．００５〜０．２％Ｎは、固溶強化とＮｂ炭窒化物による析出強化の作用を
もつ成分である。その含有量が０．００５％未満では前
記の効果が得られない。一方、その含有量が０．２％を
超えると、塊状の窒化物が生成して鋼質を害するだけで
なく、前記複合酸化物の微細分散析出を阻害する。よっ
て、Ｎ含有量は０．００５〜０．２％とした。望ましい
のは０．０１〜０．１５％である。

【００４２】Ｏ（酸素）：０．００１〜０．００８％Ｏは、前述したＴｉと同様、前記複合析出物の核となる
Ｔｉ_２Ｏ_３を均一に分散生成させるために欠くことので
きない元素である。その含有量が０．００１％未満で
は、Ｔｉ_２Ｏ_３が生成しない。一方、その含有量が０．
００８％を超えると、Ｔｉ_２Ｏ_３以外の粗大な酸化物を
形成して鋼質を著しく害し、強度や靱性を損なう。この
ため、Ｏ含有量は０．００１〜０．００８％とした。好
ましいのは０．００１〜０．００５％である。

【００４３】上記Ｔｉ_２Ｏ_３の微細分散析出は、前述し
たように、製鋼時に十分精錬してＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２
等の不純物をできるだけ少なくするとともに、溶存酸素
量を０．００１〜０．００８％の範囲に調整した溶鋼
に、その含有量が０．００２〜０．０５％になるように
Ｔｉを添加することにより可能である。この際に用いる
のに好適な溶解法の例としては、真空溶解法（ＶＯ
Ｄ）、アルゴン雰囲気溶解法（ＡＯＤ）を挙げることが
できる。また、Ｔｉ添加前の溶鋼は純度が高いものほど
よいので、例えばＶＯＤ、ＡＯＤ等の二次精錬を行って
より一層の高純度溶鋼とし、これにＴｉを添加するのが
好ましい。

【００４４】本発明の耐水蒸気酸化性に優れたオーステ
ナイト系ステンレス鋼管の一つは、上記の成分の外、残
部がＦｅと不純物とからなり、かつオーステナイト結晶
粒の大きさ、さらには混粒の割合が前記のように調整さ
れているものである。

【００４５】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼管
のもう一つは、前記の第１群および第２群のいずれか一
方または両方の群の中から選んだ少なくとも１種の成分
を含む鋼管である。以下、これらの成分について説明す
る。

【００４６】第１群（Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、ＢおよびＲＥ
Ｍ）これらの元素は、いずれも、強度、加工性および耐水蒸
気酸化性を向上させる作用を有する。したがって、その
効果を得たい場合には１種以上を積極的に添加含有させ
てもよい。その効果は、それぞれ、０．０００１％以上
の含有量で顕著になる。しかし、それぞれの含有量が
０．２％を超えると、加工性および溶接性を損なう。こ
のため、添加する場合のこれら元素の含有量は、それぞ
れ０．０００１〜０．２％とするのがよい。さらに好ま
しいのは、それぞれ、０．０００１〜０．１％である。
なお、上記のＲＥＭとは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｐｄ、Ｎｄ
およびＨfのことである。

【００４７】第２群（Ｃｕ、ＭｏおよびＷ）これらの元素は、いずれも強度を向上させる作用を有す
る。従って、その効果を得たい場合には１種以上を積極
的に添加含有させてもよく、その場合、それぞれ、０．
１％以上の含有量で上記の効果が顕著になる。しかし、
それぞれの含有量が５％を超えると、靱性、延性、加工
性を損なう。従って、添加する場合のこれら元素の含有
量は、それぞれ０．１〜５％とするのがよい。一層好ま
しい範囲は０．０５〜４．５％である。

【００４８】なお、不純物中のＰおよびＳの含有量は、
少なければ少ないほどよいので、本発明ではその上限は
特に規定しない。しかし、過度な低減はコスト上昇を招
く。このため、その含有量の許容上限は、ＳＵＳ３０４
等と同様に、Ｐは０．０４０％、Ｓは０．０３０％とす
るのがよい。

【００４９】上記のＰ、Ｓ以外の不純物としては、スク
ラップから混入することがあるＣｏが挙げられる。しか
し、Ｃｏは、本発明の鋼管の特性に特別な悪影響を及さ
ない。従って、不純物として混入する場合のＣｏ含有量
は特に制限しない。ただし、Ｃｏは放射化元素でもある
から、混入する場合のＣｏ含有量は０．８％以下、望ま
しくは０．５％以下にするのがよい。

【００５０】次に、本発明の製造方法ついて説明する
が、第１の方法（請求項４に記載の方法）は、予め所定
の寸法に成形された鋼管に加工熱処理を施して所定寸法
の製品鋼管を得る方法であり、第２の方法（請求項５に
記載の方法）は、鋼管に成形する前の素材（丸鋼）の段
階の鋼に塑性加工と熱処理を施して所定寸法の製品鋼管
を得る方法である。

【００５１】ここで、第２の方法における工程と工程
は第１の方法における工程に相当し、以下これを前
段熱処理と称する。また、第２の方法における工程と
第１の方法における工程は同じであり、以下これを塑
性加工と称する。さらに、第２の方法における工程と
第１の方法における工程は同じであり、以下これを最
終熱処理と称する。

【００５２】前段熱処理：本発明方法においては、最終
熱処理前に行われる塑性加工の前に、鋼を加熱してＮｂ
炭窒化物を十分に固溶させておくのであるが、そのため
には１１００℃以上に加熱する必要がある。しかし、１
３５０℃を超える温度に加熱すると、高温粒界割れや延
性低下を引き起こす。

【００５３】なお、本発明の第２の方法では、この加熱
後、ユジーンセジュルネ法に代表される熱間押出製管法
や、マンネスマンプラグミル法やマンネスマンマンドレ
ルミル法等に代表されるロール圧延製管法によって素材
の鋼を所定寸法の鋼管に成形する。

【００５４】そして、第１の方法においては加熱後の鋼
管、第２の方法においては成形後の鋼管を冷却する。そ
の際の冷却速度、なかでも８００℃から５００℃までの
冷却速度が０．２５℃／秒を下回ると、冷却中に粗大な
Ｎｂ炭窒化物やＣｒ炭化物が析出し、本発明の目的であ
る微細に分散したＮｂの複合析出物ができず、所望の細
粒組織が得られなくなる。

【００５５】従って、前段熱処理の加熱温度は１１００
〜１３５０℃、冷却速度は０．２５℃／秒以上とした。
好ましい加熱温度は１１５０〜１２７０℃、好ましい冷
却速度は１℃／秒以上である。なお、冷却速度は速けれ
ば早いほどよいので、上限は限定しない。

【００５６】塑性加工：この塑性加工は、次の最終熱処
理において再結晶を促進させるためにひずみを付与する
目的で行うが、加工温度が５００℃を超えると、ひずみ
が十分に蓄積されない。また、断面減少率が１０％未満
では再結晶に必要なひずみを付与することができず、次
の最終熱処理を行っても所望の細粒組織は得られない。
このため、塑性加工は、５００℃以下の温度域で、かつ
断面減少率１０％以上で行うこととした。望ましい加工
温度の上限は３００℃、望ましい断面減少率の下限は２
０％である。なお、断面減少率は高ければ高いほどよい
ので上限は規定しないが、通常の加工での最大値は９０
％程度である。また、この加工工程は製品鋼管の寸法を
決定する工程でもある。

【００５７】最終熱処理：所望の細粒組織を得るための
熱処理である。この熱処理の加熱温度が１０５０℃より
も低いと、十分な再結晶が起こらず、所望の細粒組織が
得られないだけでなく、結晶粒が扁平な加工組織とな
り、クリープ強度を損なう。逆に、１３００℃を超える
と、前段熱処理の場合と同様に、高温粒界割れや延性低
下を引き起こす。また、最終熱処理の加熱温度を前段熱
処理の温度よりも１０℃以上低くしないと、本発明の効
果が得られず、粗大な結晶粒となる。このため、最終熱
処理は１０５０〜１３００℃の範囲内の温度で、かつ前
段熱処理の温度よりも１０℃以上低い温度で行うことと
した。好ましい加熱温度は１１４０〜１２４０℃の範囲
内の温度で、かつ前段熱処理の温度よりも１０℃以上低
い温度である。なお、加熱後の冷却速度は特に制限しな
いが、０．２５℃／秒以上とするのが望ましい。これ
は、前段熱処理の場合と同様に、０．２５℃／秒を下回
る冷却速度で冷却すると、粗大な析出物（Ｎｂ炭窒化物
およびＣｒ炭化物）が生成し、強度および耐食性が損な
われるからである。

【００５８】

【実施例】《実施例１》表１に示す化学組成を有する２
０種類の鋼を溶製した。なお、No. １〜１３およびNo.
１７〜２０の鋼は、容量５０ｋｇの真空溶解炉を用いて
溶製し、得られた鋼塊を下記の製造法Ａにより板材に仕
上げた。また、No. １４〜１６の鋼は、容量１５０ｋｇ
の真空溶解炉を用いて溶製し、得られた鋼塊を下記の製
造法Ｂにより鋼管に仕上げた。 (1)製造法Ａ（第２の方法に相当）工程１(工程に相当)：１２２０℃に加熱、工程２(工程に相当)：熱間鍛造にて厚さ１５ｍｍの板
材に成形、工程３(工程に相当)：８００℃から５００℃以下まで
０．５５℃／秒で冷却工程４(相当工程なし)：外面切削にて厚さ１２ｍｍの板
材に成形、工程５(工程に相当)：室温下にて断面減少率３０％の
ロール圧延、工程６(工程に相当)：１２００℃に１５分間保持後水
冷。 (2)製造法Ｂ（第１の方法に相当）工程１(相当工程なし)：熱間鍛造と外削にて外径１７５
ｍｍの丸鋼に成形、工程２(相当工程なし)：丸鋼を１２５０℃に加熱、工程３(相当工程なし)：加熱丸鋼を熱間押出し、外径６
４ｍｍ、肉厚１０ｍｍの鋼管に成形、工程４(工程に相当)：鋼管を１２００℃に１０分間加
熱後１℃／秒で冷却、工程５(工程に相当)：室温下にて断面減少率３３％の
引抜き加工、工程６(工程に相当)：１２００℃に１０分間保持後水
冷。

【００５９】

【表１】

【００６０】仕上げた板材と鋼管は、オーステナイト結
晶粒度番号と混粒率を調べた後、ボイラ組立施工時の熱
処理を模擬して１２００℃に３０分間保持後水冷する再
熱処理を施した。次いで、再度、オーステナイト結晶粒
度番号と混粒率を調べた後、下記条件の水蒸気酸化試験
に供し、その耐水蒸気酸化性を調べた。なお、オーステ
ナイト結晶粒度番号はＡＳＴＭに規定される方法に従っ
て測定し、混粒率は前述した方法により求めた。その
際、いずれの場合も２０視野観察した。

【００６１】水蒸気酸化試験条件と評価方法；試験条件；蒸気温度：７００℃ 暴露時間：１０００時間評価方法；試験後の供試材の断面を倍率１００の顕微鏡
で観察し、生成したスケールのうち、ポーラスで剥離し
やすい外層スケールを無視し、緻密な内層スケールのみ
の厚さを任意の１０視野について測定し、その平均値
を、供試材の水蒸気酸化スケール厚さとした。

【００６２】以上の結果を、再熱処理前後のオーステナ
イト結晶粒度番号と混粒率と併せて表２に示す。

【００６３】

【表２】

【００６４】表２からわかるように、鋼の化学組成およ
び製造条件が本発明で規定する条件を満たすNo. １〜１
６の鋼からなる供試材は、内層スケール厚さが最大のも
ので２８μｍと薄く、耐水蒸気酸化性が良好である。ま
た、粒度番号が同程度のものの場合、混粒率が小さいも
のの方が内層スケール厚さが薄く、耐水蒸気酸化性がよ
り良好である。さらに、そのスケールは、図１の（ａ）
に示すように、厚さが均一である。

【００６５】これに対し、製造条件は本発明で規定する
条件を満たすものの、鋼の化学組成が本発明で規定する
条件を満たさないNo. １７〜２０の鋼からなる供試材
は、内層スケール厚さが最も薄いものでも４３μｍと厚
く、耐水蒸気酸化性が劣る。また、混粒率が大きいNo.
１７〜１９の鋼からなる供試材のスケールは、図１の
（ｂ）に示すように、瘤状のスケールが生成していて厚
さが不均一である。

【００６６】《実施例２》実施例１における製造法Ａの
工程２を経た後の板材のうち、表１に示す鋼No.２の板
材を対象に、表３に示す種々条件の前段熱処理、塑性加
工および最終熱処理を施した。

【００６７】得られた各板材は、実施例１の場合と同様
に、オーステナイト結晶粒度番号と混粒率を調べた後、
実施例１と同じ条件の再熱処理を施し、次いで、オース
テナイト結晶粒度番号と混粒率を調べた。そして、実施
例１と同じ条件の水蒸気酸化試験に供し、その耐水蒸気
酸化性を調べ、その結果を表３に併記した。

【００６８】なお、オーステナイト結晶粒度番号、混粒
率および水蒸気酸化スケール厚さ等は、実施例１と同様
の方法により測定した。また、表３の最上段は前述の表
２のNo. ２と同じである。

【００６９】

【表３】

【００７０】表３からわかるように、前段熱処理、塑性
加工および最終熱処理の条件が本発明で規定する範囲を
外れる板材は、再熱処理後のオーステナイト結晶粒が著
しく粗大化しており、内層スケール厚さが最も薄いもの
でも４０μｍと厚く、耐水蒸気酸化性が劣り、しかも内
層スケールは瘤状スケールである。

【００７１】

【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
管は、高温に再加熱してもその細粒組織が維持され、耐
水蒸気酸化性が損なわれることがない。このため、この
鋼管を熱交換器管として用いた例えば６００℃以上の超
々臨界圧ボイラでは、その安全性および寿命が飛躍的に
向上する。また、ボイラ組立時の高温曲げ加工や溶接後
の後熱処理を何らの懸念もなく行うことができる。ま
た、本発明の方法によれば、従来法に比べてより高い温
度で最終熱処理を行うことができるので、従来の鋼管に
比べてクリープ強度が高い耐水蒸気酸化性が良好な鋼管
の製造が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼管の内面に生成する水蒸気酸化スケールの生
成状態の一例を示す図で、同図（ａ）は本発明の鋼管の
場合、同図（ｂ）は比較例の鋼管の場合である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓ
ｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：１
５〜２２％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｔｉ：０．００２〜
０．０５％、Ｎｂ：０．３〜１．５％、ｓｏｌ．Ａｌ：
０．０００５〜０．０３％、Ｎ：０．００５〜０．２
％、およびＯ（酸素）：０．００１〜０．００８％を含
み、残部がＦｅおよび不純物からなり、オーステナイト
結晶粒度番号が７以上の細粒組織であることを特徴とす
る耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス
鋼管。
【請求項２】質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓ
ｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：１
５〜２２％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｔｉ：０．００２〜
０．０５％、Ｎｂ：０．３〜１．５％、ｓｏｌ．Ａｌ：
０．０００５〜０．０３％、Ｎ：０．００５〜０．２
％、Ｏ（酸素）：０．００１〜０．００８％、および下
記の第１群および第２群のいずれか一方または両方から
選んだ少なくとも１種の成分を含み、残部がＦｅおよび
不純物からなり、オーステナイト結晶粒度番号が７以上
の細粒組織であることを特徴とする耐水蒸気酸化性に優
れたオーステナイト系ステンレス鋼管。第１群：質量％で、それぞれ０．０００１〜０．２％の
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、ＢおよびＲＥＭ。第２群：質量％で、それぞれ０．０１〜５％のＣｕ、Ｍ
ｏおよびＷ。
【請求項３】オーステナイト結晶粒の混粒率が１０％以
下であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐
水蒸気酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼
管。
【請求項４】請求項１または２に記載の化学組成を有す
る鋼管を、下記の工程、およびで順次処理するこ
とを特徴とする耐水蒸気酸化性に優れたオーステナイト
系ステンレス鋼管の製造方法。工程：１１００〜１３５０℃に加熱保持した後、冷却
速度０．２５℃／秒以上で冷却する。工程：５００℃以下の温度域で断面減少率１０％以上
の塑性加工を行う。工程：１０５０〜１３００℃の範囲内の温度で、かつ
上記の工程における加熱温度よりも１０℃以上低い温
度に加熱保持した後冷却する。
【請求項５】請求項１または２に記載の化学組成を有す
る素材鋼を、下記の工程、、、およびで順次
処理することを特徴とする耐水蒸気酸化性に優れたオー
ステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。工程：素材鋼を１１００〜１３５０℃に加熱する。工程：熱間加工により鋼管に成形する。工程：成形後の鋼管を、冷却速度０．２５℃／秒以上
で冷却する。工程：５００℃以下の温度域で断面減少率１０％以上
の塑性加工を行う。工程：１０５０〜１３００℃の範囲内の温度で、かつ
上記の工程における加熱温度よりも１０℃以上低い温
度に加熱保持した後冷却する。