JP2012255198A - オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法及びオーステナイト系ステンレス鋼管 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によるオーステナイトステンレス鋼管の製造方法は、質量%で、C、Si、Mn、Ni、Cr、Nb、B及びNを所定量含有し、残部はFe及び不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼素材を準備する工程と、素材を1190℃以上に加熱する工程(S1)と、加熱された素材に対して熱間加工を実施して素管を製造する工程(S1)と、素管に対して、断面減少率が20%以上となる冷間加工を実施する工程(S3)と、冷間加工された素管を、1230〜1260℃まで加熱し、かつ、700〜1230℃までを1000秒以内で昇温する工程(S3)と、素管を1230℃〜1260℃で2分以上均熱してオーステナイト系ステンレス鋼管とする工程(S3)とを備える。
【選択図】図1
Description
断面減少率=100−(冷間加工後の素管の断面積/冷間加工前の素管の断面積)×100(%) (1)
ここで、[C(%)]には、C含有量(質量%)が代入される。
断面減少率=100−(冷間加工後の素管の断面積/冷間加工前の素管の断面積)×100(%) (1)
ここで、冷間加工前後の断面積の単位はmm2である。
本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼管は、以下の化学組成を有する。
炭素(C)は、オーステナイト系ステンレス鋼の高温引張強度及び高温クリープ強度を高める。Cはさらに、Nbと結合してNb炭化物及び/又はNb炭窒化物を生成し、結晶粒の過度の粗大化を抑制する。一方、Cが過剰に含有されれば、Nb炭化物及び/又はNb炭窒化物が過剰に生成されたり、粗大化する。そのため、結晶粒が過度に微細化したり、鋼組織が混粒になる。その結果、鋼の耐水蒸気酸化性が低下したり、高温クリープ強度が低下する。したがって、C含有量は、0.04〜0.08%である。好ましいC含有量の下限は、0.04%よりも高く、さらに好ましくは、0.05%以上であり、さらに好ましくは、0.06%以上である。好ましいC含有量の上限は、0.08%未満である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。一方、Siが過剰に含有されれば、鋼の加工性が低下する。したがって、Si含有量は、0.10〜0.90%である。好ましいSi含有量の下限は、0.10%よりも高く、さらに好ましくは、0.15%以上であり、さらに好ましくは、0.20%である。好ましいSi含有量の上限は、0.90%未満であり、さらに好ましくは、0.80%以下であり、さらに好ましくは0.75%以下である。
マンガン(Mn)は、鋼中の不純物である硫黄(S)と結合してMnSを形成し、鋼の熱間加工性を高める。一方、Mnが過剰に含有されれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Mn含有量は、1.10〜2.20%である。好ましいMn含有量の下限は、1.10%よりも高く、さらに好ましくは、1.10%以上であり、さらに好ましくは、1.20%以上である。好ましいMn含有量の上限は、2.20%未満であり、さらに好ましくは、2.00%以下であり、さらに好ましくは、1.70%以下である。
クロム(Cr)は、オーステナイト系ステンレス鋼の耐酸化性、耐水蒸気酸化性及び耐食性を高める。一方、Crはフェライトを安定化する元素である。そのため、Crが過剰に含有されれば、オーステナイト組織の安定性が低下する。Crが過剰に含有されれば、オーステナイト組織を安定化するために、高価なNiを多く含有しなければならない。したがって、Cr含有量は、15.00〜22.00%である。好ましいCr含有量は、15.00%よりも高く、さらに好ましくは、16.00%以上であり、さらに好ましくは、17.00%以上である。好ましいCr含有量の上限は、22.00%未満であり、さらに好ましくは、21.00%以下であり、さらに好ましくは、19.00%以下である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイト組織を安定化する。Niはさらに、鋼の耐食性を高める。しかしながら、Niが過剰に含有されれば、鋼の高温クリープ強度が低下する。したがって、Ni含有量は、8.00〜14.00%である。好ましいNi含有量の下限は、8.00%よりも高く、さらに好ましくは、8.25%以上であり、さらに好ましくは、8.50%以上である。好ましいNi含有量の上限は、14.00%未満であり、さらに好ましくは、13.50%以下であり、さらに好ましくは、13.00%以下である。
ニオブ(Nb)は、C及び/又はNと結合して、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物の1種以上(Nb炭化物等)を形成する。Nb炭化物等は、結晶粒の過度の粗大化を抑制し、鋼の耐水蒸気酸化性を高める。Nbはさらに、固溶強化により鋼の高温クリープ強度を高める。一方、Nbが過剰に含有されれば、微細なNb炭化物等が過剰に生成され、固溶したNbが少なくなる。そのため、高温クリープ強度が低下する。この場合、鋼組織が過度に微細化され、粒度番号が7.0以上になる。Nbが過剰に含有されれば、微細なNb炭化物等とともに、粗大なNb炭化物等が生成される場合もある。この場合、鋼組織が混粒になり、耐水蒸気酸化性が低下する場合がある。したがって、Nb含有量は、8×[C(%)]+0.03〜0.85%である。ここで、[C(%)]にはC含有量(質量%)が代入される。好ましいNb含有量の下限は、8×[C(%)]+0.05%以上である。好ましいNb含有量の上限は、0.85%未満であり、さらに好ましくは、0.80%以下であり、さらに好ましくは、0.60%以下である。
ボロン(B)は、鋼中の炭窒化物中のCと置換して炭窒化物中に含有されたり、B単体で粒界に配置される。このようなBは、粒界クリープを抑制する。したがって、Bは鋼の高温クリープ強度を高める。一方、Bが過剰に含有されれば、鋼の溶接性が低下する。したがって、B含有量は、0.0005〜0.0050%である。好ましいB含有量の下限は、0.0005%よりも高く、さらに好ましくは、0.0007%以上であり、さらに好ましくは、0.0010%以上である。好ましいB含有量の上限は、0.0050%未満であり、さらに好ましくは、0.0040%以下であり、さらに好ましくは、0.0030%以下である。
窒素(N)は、固溶強化により鋼の強度を高める。Nはさらに、Nbと結合して微細なNb炭窒化物及び/又はNb窒化物を形成し、鋼組織の過度の粗粒化を抑制する。さらに、Nb炭窒化物及び/又はNb窒化物は、鋼を析出強化する。一方、Nが過剰に含有されれば、粗大なNb炭窒化物及び/又はNb窒化物が形成され、鋼組織が粗粒化しやすくなる。鋼組織が過度に粗粒化されれば、鋼の耐水蒸気酸化性が低下する。したがって、N含有量は、0.0400〜0.1000%である。好ましいN含有量の下限は、0.0400%よりも高く、さらに好ましくは、0.0450%以上であり、さらに好ましくは、0.0500%以上である。好ましいN含有量の上限は、0.1000%未満であり、さらに好ましくは、0.0900%以下であり、さらに好ましくは、0.0800%以下である。
銅(Cu)は選択元素である。Cuは鋼に固溶して、鋼の高温クリープ強度を高める。一方、Cuが過剰に含有されれば、鋼の靭性、延性及び加工性が低下する。したがって、Cu含有量は、0.80%以下である。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。好ましいCu含有量の下限は、0.03%以上であり、さらに好ましくは、0.05%以上である。好ましいCu含有量の上限は、0.80%未満であり、さらに好ましくは、0.70%以下であり、さらに好ましくは、0.50%以下である。
モリブデン(Mo)は選択元素である。Moは鋼に固溶して、鋼の高温クリープ強度を高める。一方、Moが過剰に含有されれば、シグマ相等の金属間化合物が生成され、鋼の強度及び靭性が低下する。したがって、Mo含有量は、0.80%以下である。Moが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。好ましいMo含有量の下限は、0.03%以上であり、さらに好ましくは、0.05%以上である。好ましいMo含有量の上限は、0.80%未満であり、さらに好ましくは、0.70%以下であり、さらに好ましくは、0.50%以下である。
本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼管は、上述の化学組成とともに、次の鋼組織を有する。
本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法では、初めに、素材を準備する(準備工程)。次に、素材に対して熱間加工を実施して素管を製造する(熱間加工工程)。次に、熱間加工後の素管に対して冷間加工を実施する(冷間加工工程)。次に、冷間加工後の素管に対して熱処理を実施する(熱処理工程)。以上の工程により、オーステナイト系ステンレス鋼管を製造する。以下、各製造工程の詳細を説明する。
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼をアルゴン脱炭法(AOD)、真空酸素脱炭法(VOD)、又は他の精錬法により精錬してもよい。溶鋼から素材を製造する。素材は鋼塊又は鋼片である。鋼片はたとえば、スラブ、ブルーム、ビレット等である。たとえば、連続鋳造法により溶鋼を鋼片にする。又は、造塊法により溶鋼を鋼塊にする。スラブ、ブルーム又は鋼塊を熱間加工して、ビレットを製造してもよい。
準備された素材に対して熱間加工を実施し、素管を製造する。熱間加工工程では初めに、素材を加熱する。このとき、加熱温度は1190℃以上である。準備工程で製造された素材は、内部に粗大なNb炭化物等を含有する。素材を1190℃以上に加熱することにより、Nb炭化物等を固溶する。熱間加工工程での加熱により、Nb炭化物等が固溶されれば、熱処理工程の昇温過程において微細なNb炭化物等が適切量析出する。そのため、鋼組織が整粒になり、かつ、少なくともメイン領域の結晶粒度が4.0以上7.0未満になる。
熱間加工して製造された素管に対して、冷間加工を実施する。冷間加工はたとえば、冷間圧延や冷間引抜である。
断面減少率=100−(加工後の素管の断面積/加工前の素管の断面積)×100(%) (1)
冷間加工後の素管に対して、熱処理を実施する。熱処理では、初めに素管を熱処理温度まで加熱する(昇温工程)。次に、素管を熱処理温度で均熱する(均熱工程)。均熱後、素管を空冷よりも速い冷却速度で冷却して、オーステナイト系ステンレス鋼管とする。好ましくは、均熱後の素管を水冷する。以下、昇温工程及び均熱工程について詳述する。
昇温工程では初めに、素管を熱処理炉に装入する。次に、熱処理炉内で素管を熱処理温度まで加熱する。本発明における熱処理温度は1230〜1260℃である。熱処理温度が1230℃未満であれば、再結晶粒が成長しにくい。そのため、少なくともメイン領域の結晶粒度が7.0以上になる。一方、熱処理温度が1260℃を超えれば、再結晶粒が過度に成長して、少なくともメイン領域の結晶粒度が4.0未満になる。
昇温工程により熱処理温度(1230〜1260℃)に加熱された素管を、熱処理温度で2分以上均熱する。これにより、再結晶粒を適切なサイズに成長させることができ、結晶粒が過度に微細になるのを抑制できる。均熱時間が2分未満であれば、再結晶粒が大きく成長しにくい。そのため、メイン領域又は全領域の結晶粒度が7.0以上になる。
図1は、上述の製造工程中の鋼組織の模式図である。図1中のS1の鋼組織は、熱間加工工程での鋼組織を示す。S2は冷間加工工程での鋼組織を示す。S3は熱処理工程での鋼組織を示す。S4は製造されたオーステナイト系ステンレス鋼管の鋼組織を示す。
熱間加工工程S1の加熱温度が1190℃未満である場合、図2に示すとおり、熱間加工工程S1での素管中には、多くのNb炭化物等10が残存する。この場合、熱処理工程S3の昇温過程において、微細なNb炭化物10等が十分に析出しない。熱間加工工程S1から残存する粗大なNb炭化物等10の一部は、昇温過程において固溶するが、そのほとんどは残存する。粗大なNb炭化物等10はピンニング粒子として作用しない。そのため、熱処理工程S3で生成された再結晶粒12は過度に粗大化する。そのため、S4に示すとおり、オーステナイト系ステンレス鋼管の鋼組織は、4.0未満の結晶粒度を含む混粒になりやすい。そのため、鋼の耐水蒸気酸化性は低い。
図3を参照して、冷間加工工程S2での断面減少率が20%未満である場合、冷間加工工程S2で導入される歪み11の量が少なすぎる。そのため、熱処理工程S3で十分な量の再結晶粒12が生成しにくい。この場合、既存の結晶粒1が再結晶粒12と結合してさらに粗大化し、S4に示すように、鋼組織が混粒になりやすく、かつ、一部の結晶粒度が4.0未満になりやすい。そのため、鋼の耐水蒸気酸化性は低い。
図4を参照して、熱処理工程S3での昇温時間が1000秒を超える場合、加熱中に析出したNb炭化物等10の一部が凝集して粗大化する。そのため、鋼中に粗大なNb炭化物等10と微細なNb炭化物等10とが混在する。さらに、再結晶が進み、多くの再結晶粒12が生成、成長する。そのため、S4に示すとおり、鋼組織が混粒になりやすく、かつ、その一部の結晶粒度が4.0未満になりやすい。そのため、鋼の耐水蒸気酸化性は低い。
表1に示す化学組成を有する番号1〜18の鋼を電気炉により溶解した。溶鋼をアルゴン脱炭法(AOD)及び真空酸素脱炭法(VOD)により精錬した。精錬された溶鋼をインゴットに製造した。インゴットを熱間鍛造して、直径175mmの丸ビレットを製造した。
各番号のオーステナイト系ステンレス鋼管から顕微鏡観察用の試験片を採取した。採取された試験片を用いてJIS G0551(2005)に規定される結晶粒度の顕微鏡試験方法に基づいて、各試験番号の結晶粒度を求めた。具体的には、試験片の表面を、周知の腐食液を用いて腐食し、結晶粒界を現出させた。上述に記載のとおり、腐食された表面上の10視野において、JIS G0551の7.1.2に規定された結晶粒度標準図との比較による評価方法に基づいて、オーステナイト結晶粒度番号を評価した。鋼組織がメイン領域とサブ領域とを含む場合、上述の方法により、メイン領域の粒度番号と、サブ領域の粒度番号とをそれぞれ評価した。さらに、メイン領域の面積率(%)と、サブ領域の面積率(%)とを求めた。
各番号のオーステナイト系ステンレス鋼管を、650℃の水蒸気酸化雰囲気中に500時間曝した。水蒸気酸化雰囲気の溶存酸素濃度は100ppbであった。試験後の鋼管内面の腐食減量(mg/cm2)を求めた。
10 Nb炭化物等
11 歪み
12 再結晶粒
S1 熱間加工工程
S2 冷間加工工程
S3 熱処理工程
S4 オーステナイト系ステンレス鋼管
Claims (5)
- 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.10〜0.90%、Mn:1.10〜2.20%、Cr:15.00〜22.00%、Ni:8.00〜14.00%、Nb:8×[C(%)]+0.03〜0.85%、B:0.0005〜0.0050%、及び、N:0.0400〜0.1000%を含有し、残部はFe及び不純物からなる素材を準備する工程と、
前記素材を1190℃以上に加熱する工程と、
加熱された前記素材に対して熱間加工を実施して素管を製造する工程と、
前記素管に対して、式(1)で定義される断面減少率が20%以上となる冷間加工を実施する工程と、
冷間加工された前記素管を、1230〜1260℃まで加熱し、かつ、700〜1230℃までを1000秒以内で昇温する工程と、
前記素管を1230℃〜1260℃で2分以上均熱してオーステナイト系ステンレス鋼管とする工程とを備える、オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。
断面減少率=100−(冷間加工後の素管の断面積/冷間加工前の素管の断面積)×100(%) (1)
ここで、前記[C(%)]には、炭素含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法であって、
前記素材はさらに、前記Feの一部に代えて、Cu:0.80%以下、及び、Mo:0.80%以下の1種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。 - 請求項1又は2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法であって、
前記熱間加工を実施する工程では、前記素材を熱間押出して前記素管を製造し、
前記冷間加工を実施する工程では、前記素管を冷間圧延又は冷間抽伸する、オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。 - 質量%で、C:0.04〜0.08%、Si:0.10〜0.90%、Mn:1.10〜2.20%、Ni:8.00〜14.00%、Cr:15.00〜22.00%、Nb:8×[C(%)]+0.03〜0.85%、B:0.0005〜0.0050%、及び、N:0.0400〜0.1000%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
JIS G0551に規定される方法で測定されるオーステナイト結晶粒の粒度番号のうち、最大頻度を持つ粒度番号の結晶粒から3以上異なった粒度番号の結晶粒の面積率が20%以下であり、前記最大頻度の粒度番号が4.0以上7.0未満である、オーステナイト系ステンレス鋼管。 - 請求項4に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管であって、
前記Feの一部に代えて、Cu:0.80%以下、及び、Mo:0.80%以下の1種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼管。
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