JP2004285432A - 高強度9Cr鋼管の軟化熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重量%にてC:0.05〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:8〜10%、Mo:0.5〜1.5%、V:0.1〜0.5%、Nb:0.02〜0.10%、N:0.05〜0.10%を含有する鋼に対して、熱間圧延後、(Ac1変態温度+Ac3変態温度)/2以上で(Ac3変態温度+50℃)以下の温度で加熱し、700℃以上800℃以下の温度で30分以上保持した後、冷却することを特徴とする高強度9Cr鋼管の軟化熱処理方法。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油プラント、火力発電プラント等に用いられる、高強度9Cr鋼の軟化熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
石油プラントや火力発電プラントにおいては、種々のCrMo鋼管が広く用いられており、その中でも特に高温・高圧下で使用される配管や反応管、熱交換器用鋼管には高強度の9Cr鋼管が用いられている。高強度9Cr鋼管は、一般にマンネスマン穿孔マンドレルミル圧延により継目無管に製管後、さらに冷間もしくは温間で小径のサイズヘ伸管・圧延され最終の熱処理を施された後、使用される。その伸管・圧延の際には、良好な冷間加工性が要求される。
【0003】
しかし製管したままの鋼管は非常に硬いため、軟化熱処理が必要となる。特に高強度の9Cr鋼では他の9Cr鋼や、5Cr鋼等と異なり軟化が難しく、所定のサイズヘ伸管するためには軟化熱処理+伸管を複数回繰り返さねばならなかった。
【0004】
軟化するための熱処理方法として、特開昭57−110617号公報には、Cr:0.74〜10.10%、Mo:0.40〜1.15%を含有し、かつC:0.17%以下としたCrMo鋼を、熱間圧延後にAc1変態点〜Ac3変態点の温度範囲に加熱して、その温度域から10℃/分以下の冷却速度で徐冷する方法が開示されている。
【0005】
また、特開平08−190837には、C:0.20%以下、Cr:8〜10%を含有し、さらにMo:1.5%以下、W:2.0%以下の1種または2種を含有するCrMo鋼を、熱間圧延後、Ac1変態点〜Ac3変態点の温度範囲に所定の時間加熱し、冷却途中で所定の温度・時間で等温保持する軟化熱処理方法が開示されている。
【0006】
しかしながら、特開昭57−110617号公報で開示されている技術を、V、NbおよびNを多量に含有する高強度の9Cr鋼に適用した場合、このような高強度の9Cr鋼は通常の9Cr鋼や5Cr鋼よりも著しく軟化しにくいため、冷間伸管に十分耐え得る程度にまで軟化するためには、非常に長時間の熱処理が必要であり、生産性およびコスト面で問題がある。
【0007】
また、特開平08−190837号公報で開示されている技術も、V、NbおよびNを多量に含有する高強度の9Cr鋼においては、必ずしも十分に軟化した鋼管が得られなかった。
【0008】
通常の9Cr鋼や5Cr鋼では、主にM23C6型炭化物の微細析出により強度が上昇する。前記の2件の技術はいずれも、析出するM23C6型炭化物を粗大化させることを主眼においた熱処理方法である。それに対して、V、NbおよびNを多量に含有する高強度の9Cr鋼は、強化の主要因がM23C6型炭化物よりも粗大化しにくいM(C,N)型の炭窒化物となる。従って十分に軟化させるためには、析出するM23C6型炭化物を粗大化させる熱処理だけでは不十分で、M(C,N)型炭窒化物を粗大化させることをも目的とした熱処理が必要となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高強度9Cr鋼を短時間で十分に軟化させることが可能な軟化熱処理方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、V、NbおよびNを多量に含有する高強度の9Cr鋼管を軟化するための熱処理方法を種々検討した結果、この鋼に対して以下のような適切な条件下で熱処理を施す事により、冷間・温間で伸管もしくは圧延するために十分に軟質な素管を短時間で得られることを見出した。
【0011】
すなわち、本発明は、重量%にてC:0.05〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:8〜10%、Mo:0.5〜1.5%、V:0.1〜0.5%、Nb:0.02〜0.10%、N:0.05〜0.10%を含有する鋼に対して、熱間圧延後、(Ac1変態温度+Ac3変態温度)/2以上で(Ac3変態温度+50℃)以下の温度で加熱した後、700℃〜800℃の温度で30分以上保持し、冷却することを特徴とする高強度9Cr鋼管の軟化熱処理方法である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における鋼の各成分の限定理由について述べる。
【0013】
C:Cは焼戻し時に炭化物、炭窒化物として析出し、高温強度を確保する上で重要な元素である。0.05%未満では十分な高温強度が得られない。一方、0.15%を超える添加は溶接性を低下させる。従ってC量は0.05〜0.15%の範囲に限定した。
【0014】
Si:Siは、脱酸剤として添加されるが、その含有量が0.05%未満では脱酸が十分ではなく、靭性を低下させる。また、Siは耐酸化性の観点からも有効であるが、0.7%を超えると炭化物の凝集、粗大化や脆化相の析出を促進し、クリープ破断強度を低下させ、焼戻し後の靭性も低下させる。従って、Si量は0.05〜0.7%の範囲に限定した。
【0015】
Mn:Mnは脱酸、脱硫剤として添加されるが、0.1%未満ではその効果は不十分で、1.0%を超えるとSiと同様に靭性を低下させる。従ってMn量は0.1〜1.0%の範囲に限定した。
【0016】
Cr:Crは優れた耐酸化特性を得るためには必須の元素であると同時に炭化物を形成して高温強度を向上させる元素でもある。十分な耐酸化性を確保するためには少なくとも8%は必要である。一方、10%を超える添加は、高温でのδフェライトの生成を促し、熱間加工性を劣化させる。従ってCr量は8〜10%の範囲に限定した。
【0017】
Mo:Moは固溶強化元素、炭化物形成元素として高温強度に有効な元素であるが、高価な元素であるため過剰な添加は経済性を損なう。また、Moは凝固時に偏析しやすい元素であるため、過剰な添加は材質の不均質さを生じ靭性等を低下させる。従ってMo量は0.5〜1.5%の範囲に限定した。
【0018】
V:Vは炭窒化物を形成し、高温強度、特に高温側のクリープ破断強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.1%未満では析出量が少ないため十分なクリープ破断強度が得られない。一方0.5%を超えると熱処理時に粗大な炭化物がとなりクリープ破断強度の低下を招く。従ってV量は0.1〜0.5%の範囲に限定した。
【0019】
Nb:NbもVと同様に炭窒化物を形成し、クリープ破断強度の向上に有効な元素である。添加量が少ないとその効果が不十分で、過剰添加は靭性を低下させるため、Nb量を0.02〜0.10%の範囲に限定した。
【0020】
N:NはVおよびNbと炭窒化物を形成し、クリープ破断強度を向上させる。添加量が少ないとその効果が不十分で、過剰添加は靭性を低下させるため、N量を0.05〜0.10%の範囲に限定した。
【0021】
次に、本発明における熱処理の限定理由について述べる。
【0022】
V、NbおよびNを多量に含有する高強度の9Cr鋼で、冷間・温間での伸管もしくは圧延が十分に可能なHV200以下の硬さにまで軟化させるためには、できる限り炭化物および炭窒化物を粗大化させること、および母相の組織をマルテンサイトやベイナイトのような硬質なものにしないことが重要である。
【0023】
そのためには、熱間圧延後の1段目の加熱(温度T1)で母相をオーステナイト化し、粗大な炭化物、炭窒化物としてできる限り析出させる。その際、変態させるオーステナイトの量が50%以上となるように、すなわち(Ac1変態温度+Ac3変態温度)/2以上の温度にすれば、粗大な炭化物、炭窒化物となる。しかしT1の温度を高くし過ぎると炭化物、炭窒化物は逆に徐々に固溶し、特に(Ac3変態温度+50℃)を超える加熱では、引き続き行なう2段目の熱処理を施しても十分に軟質化することはできなくなる。なお1段目の加熱時間は、たとえば10〜30分である。
【0024】
この1段目の熱処理の後、オーステナイト中に固溶したC、Nを炭化物、炭窒化物として十分に粗大析出させるための2段目の熱処理(温度T2)を施す。2段目の熱処理は、主にオーステナイト中に固溶したC、Nを十分に粗大析出させる目的であり、700℃未満でも800℃を超えても、オーステナイト中に固溶したC、Nが炭化物もしくは炭窒化物として粗大に析出するのに長時間を要する。2段目の熱処理温度が700〜800℃であっても、その保持時間が30分未満では炭化物、炭窒化物の粗大析出が不十分となり、軟化しない。なお2段目の保持時間の上限は、たとえば
120分である。
【0025】
以上のことから、1段目の熱処理温度T1を(Ac1温度+Ac3温度)/2以上で(Ac3温度+50℃)以下、2段目の熱処理温度T2を700〜800℃、2段目の保持時間を30分以上とした。このような熱処理条件によって、高強度の9Cr鋼管を短時間で十分に軟化することができる。
【0026】
【実施例】
(実施例1〜5)
下表1に示す本発明の組成を有する鋼Aを50kg真空溶解炉で溶製、造塊し、1250℃に加熱し、厚さ60mmまで分塊圧延後、再度1250℃に加熱、圧延して厚さ12mmの板とした。この板から小片を切り出し、下表2に示す種々の熱処理を施した後、硬度を測定した。硬度の測定結果も表2に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
鋼AのAc1温度は820℃、Ac3温度は880℃であった。従って表2に示すように、鋼Aの場合、本発明のT1の温度範囲は850〜930℃となる。また、熱処理前の鋼Aの硬さはHV475であった。
【0030】
表2から明らかなように、全ての実施例1〜5において、鋼Aの硬さはHV200以下となり、冷間・温間で伸管や圧延するのに十分な硬さにまで短時間で軟化していることが分かる。こうして実施例において本発明の効果が確認された。
【0031】
(比較例6〜11)
実施例と同様に上表1に示す組成の鋼Aの小片を用いて、上表2に示す種々の熱処理を施し、その後、硬度を測定した。測定結果を表2に示す。
【0032】
比較例6では、1段目だけの熱処理を行ない、その熱処理温度も本発明の温度範囲よりも高かった。比較例7では、1段目の熱処理温度が本発明の温度範囲よりも高く、2段目の熱処理温度および保持時間がそれぞれ本発明の規定範囲を下回っていた。比較例9では、2段目の熱処理温度および保持時間がそれぞれ本発明の規定範囲を下回っていた。その結果、これらの比較例では、オーステナイト中のCおよびNが十分に析出しないまま冷却されたため、マルテンサイトやベイナイト組織になり、硬度がHV200を超えていた。
【0033】
比較例8では、1段目の熱処理温度が本発明の温度範囲よりも低く、2段目の保持時間が本発明の範囲を下回っていた。その結果、炭化物、炭窒化物の析出しているが十分に粗大化していないため、硬度がHV200を超え、軟化は不十分であった。
【0034】
比較例10では、1段目の温度が本発明の温度範囲よりも低かった。その結果、炭化物、炭窒化物の粗大化が不十分となり、硬度がHV200を超えていた。
【0035】
比較例11では、2段目の熱処理温度が本発明の温度範囲よりも高く、保持時間が本発明の範囲を下回っていた。その結果、オーステナイトが残ったまま冷却されてマルテンサイトもしくはベイナイト組織となったため、硬度がHV200を超え、十分に軟化されなかった。
【0036】
以上のように比較例6〜11ではすべて、熱処理後の硬度がHV200を超えており、軟化が不十分であった。
【0037】
【発明の効果】
本発明により、V、NbおよびNを多量に含有する高強度9Cr鋼管の素管に対して、冷間・温間で伸管もしくは圧延するために十分な硬さにまで軟化させることが可能となった。従来、中間熱処理+冷間・温間での伸管もしくは圧延を繰り返し行ない、所定の寸法にしていたが、その繰り返しの工程を省略できるため、製造時間の短縮および製造コストの削減に対して大きな効果がある。
Claims (1)
- 重量%にてC:0.05〜0.15%、Si:0.05〜0.7%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:8〜10%、Mo:0.5〜1.5%、V:0.1〜0.5%、Nb:0.02〜0.10%、N:0.05〜0.10%を含有する鋼に対して、熱間圧延後、(Ac1変態温度+Ac3変態温度)/2以上で(Ac3変態温度+50℃)以下の温度で加熱した後、700℃〜800℃の温度で30分以上保持し、冷却することを特徴とする高強度9Cr鋼管の軟化熱処理方法。
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