JP2019507016A - オーステナイトステンレス鋼管の製造方法 - Google Patents

オーステナイトステンレス鋼管の製造方法 Download PDF

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Abstract

本開示は、オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法であって、a)オーステナイトステンレス鋼のインゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程、b)工程a)で得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出する工程、c)工程b)で得られた管を、その最終寸法へと冷間圧延する工程、を含み、ここで、冷間圧延された管の外径Dは、70〜250mmであり、その肉厚tは、6〜25mmであり、冷間圧延工程は、次の式:(2.5×Rc+1.85×Rh−17.7×Q)=(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)±Z(1)を満たすように行われ、式中、Rcは、冷間圧下の度合いであり、として定義され、式中、A1は、冷間変形前の管横断面積であり、A0は、冷間変形後の管横断面積であり;Rhは、熱間圧下の度合いであり、として定義され、式中、a1は、熱間変形前の1塊の鋼の横断面であり、a0は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積であり;Qは、(W0−W1)×(OD0−W0)/W0((OD0−W0)−(OD1−W1))(4)であり、式中、W1は、圧下前の管肉厚であり、W0は、圧下後の管肉厚であり、OD1は、圧下前の管の外径であり、OD0は、圧下後の管の外径であり;Rp0.2targetは、目標耐力であり、750≦Rp0.2target≦1000MPaであり;30≦Rc≦75%;50%≦Rh≦90%;1≦Q≦3.6であり;Zは65である、方法に関する。【選択図】なし

Description

本開示は、オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法に関する。
本明細書で定義される組成を有するステンレス鋼管は、かなりの機械的負荷だけでなく腐食環境の下に置かれる多様な用途に使用される。このようなステンレス鋼管の製造中には、様々なプロセスパラメータが、望まれる耐力(yield strength)を有する鋼管を得るために、正しく設定されなければならない。管の材料の最終的な耐力に重要な影響を及ぼすことが知られているプロセスパラメータは、次のものである:熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び熱間押出管がその最終寸法に冷間圧延されるプロセス中の管径と管壁圧下(tube wall reduction)の間の比。これらのプロセスパラメータは、オーステナイトステンレス鋼の特定の組成、及びステンレス鋼管に望まれる耐力を考慮して設定されなければならない。
今まで、先行技術は、オーステナイトステンレス鋼管の目標とする耐力を結果的に達成するプロセスパラメータの値を見出すために、広範囲に渡る試験を行うことに頼ってきた。このような試験は、労力を要し、費用がかかる。それゆえに、耐力にとって極めて重要なプロセスパラメータを決定するための、より費用効率の高い方法が望ましい。
EP 2 388 341は、特定の化学組成を有する二相ステンレス鋼管を製造するための方法を示唆し、この方法では、最終の冷間圧延工程における面積圧下に関する加工度(%)が、加工度と目標耐力との間の関係への特定の合金元素の影響もまた含む与えられた式によって、管の予め決められた目標耐力に対して決定される。しかし、式には、さらなるプロセスパラメータは含まれていない。さらに、熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び管径と管肉圧下の間の比のようなプロセスパラメータを如何に設定するかについての教示がない。
それゆえに、本開示は、オーステナイトステンレス鋼の特定の目標耐力に関して、熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び管径と管肉圧下の間の比を設定することによって、オーステナイトステンレス鋼管を製造し、それによって全体としての製造効率を向上させるための方法を示すことを目標とする。
このゆえに、本開示は、オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法であって、前記鋼は、次の組成(重量%で)、
C 0〜0.3;
Cr 26〜28;
Cu 0.6〜1.4;
Mn 0〜2.5;
Mo 3〜4.4;
N 0〜0.1;
Ni 29.5〜34;
Si 0〜1.0;
残部Fe及び不可避又は許容不純物;
を有し、
a)オーステナイトステンレス鋼のインゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程;
b)工程a)で得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出する工程;
c)工程b)で得られた管を、その最終寸法へと冷間圧延する工程;
を含み、
ここで、冷間圧延された管の外径Dは、70〜250mmであり、その肉厚tは、6〜25mmであり、
冷間圧延工程は、次の式:
(2.5×Rc+1.85×Rh−17.7×Q)=(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)±Z (1)
を満たすように行われ、
式中、
− Rcは、冷間圧下の度合いであり、
Figure 2019507016
として定義され、式中、A1は、冷間変形前の管横断面積であり、A0は、冷間変形後の管横断面積であり、
− Rhは、熱間圧下の度合いであり、
Figure 2019507016
として定義され、式中、a1は、熱間変形前の1塊の鋼の横断面であり、a0は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積であり、
− Qは、(W0−W1)×(OD0−W0)/W0((OD0−W0)−(OD1−W1)) (4)
であり、式中、W1は、圧下前の管肉厚であり、W0は、圧下後の管肉厚であり、OD1は、圧下前の管の外径であり、OD0は、圧下後の管の外径であり、
− Rp0.2targetは、目標耐力であり、750≦Rp0.2target≦1000MPaであり、
− 30≦Rc≦75%、
− 50%≦Rh≦90%、
− 1≦Q≦3.6であり、
− Zは65である、
方法に関する。
式(1)によって示される関係は、オーステナイトステンレス鋼の組成、すなわち、元素C、Cr、Mo及びNの含有量に基づいて、Rc、Rh及びQに対するプロセスパラメータの値を決めることを可能にするであろう。
式(1)は、次のように書くこともできる:
(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)−Z≦(2.5×Rc+1.85×Rh−17.7×Q)≦(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)+Z
Rcは、
Figure 2019507016
として定義され、式中、A1は、冷間変形前の管横断面積であり、A0は、冷間変形後の管横断面積である。
Rhは、
Figure 2019507016
として定義され、式中、a1は、熱間変形前の1塊の鋼の横断面であり、a0は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積である。
一実施態様によれば、Z=50である。別の実施態様によれば、Z=20である。さらに別の実施態様によれば、Z=0である。
Q値は、肉厚圧下と外径の圧下との間の関係であり、次のように定義され、
Q=(W0−W1)×(OD0−W0)/W0((OD0−W0)−(OD1−W1)) (4)
式中、W1は、圧下前の管肉厚であり、W0は、圧下後の管肉厚であり、OD1は、圧下前の管の外径であり、OD0は、圧下後の管の外径である。
オーステナイトステンレス鋼の組成及び製造される管の目標耐力に基づいて、Rc、Rh及びQの値は、式(1)を満たす、Rc、Rh及びQの値を見出すことを目指す繰返し計算手法によって設定され得る。
オーステナイトステンレス鋼の組成について、次のことが、その中の個々の合金元素に関して注目されるべきである。
炭素、Cは、オーステナイト相を安定化させるための代表的元素であり、機械的強度を保持するための重要な元素である。しかし、炭素が大きな含有量で用いられると、炭素は、炭化物として析出し、このため耐腐食性が低下するであろう。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の炭素含有量は、0から0.3wt%である。別の実施態様によれば、炭素含有量は、0.006から0.019wt%である。
クロム、Crは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に、特に孔食に強い影響を及ぼす。Crは、耐力を向上させ、オーステナイトステンレス鋼の変形時の、マルテンサイト構造へのオーステナイト構造の変態を妨げる。しかし、Crの含有量を増加させると、結果として、安定な好ましくない窒化クロム及びシグマ相の生成に向かい、より迅速にシグマ相を生成する。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のクロム含有量は、26から28wt%、例えば26.4から27.2wt%である。
銅、Cuは、耐腐食性に好ましい影響を及ぼす。Cuは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼に、意図をもって添加されるか、又は、鋼の生産に使用されるスクラップ材にすでに存在しており、その中にそのまま残されるかの何れかである。余りに高いレベルのCuは、結果として、熱間加工性及び靭性を低下させるであろうから、これらの理由で避けられるべきである。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の銅含有量は、0.6から1.4wt%、例えば0.83から1.19wt%である。
マンガン、Mnは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼に、変形硬化作用を有する。Mnは、また、鋼に存在する硫黄と一緒に硫化マンガンを生成し、それによって熱間加工性を向上させることが知られている。しかし、余りに高いレベルでは、Mnは、耐腐食性と熱間加工性の両方に悪影響を及ぼす傾向がある。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のマンガン含有量は、0から2.5wt%である。一実施態様によれば、マンガン含有量は、1.51から1.97wt%である。
モリブデン、Moは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に強い影響を及ぼし、それは、耐孔食指数、PREに大きく影響する。Moは、また、耐力に好ましい影響を及ぼし、また、好ましくないシグマ相が安定であり、その生成速度を高める温度を上昇させる。さらに、Moは、フェライト安定化作用を有する。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のモリブデン含有量は、3から5.0wt%、3から4.4wt%、例えば3.27から4.4wt%である。
ニッケル、Niは、全面腐食に対する耐性に好ましい影響を及ぼす。Niは、また、強いオーステナイト安定化作用を有し、その結果、オーステナイトステンレス鋼において決定的な役割を果たす。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のニッケル含有量は、29.5から34wt%、例えば30.3から31.3wt%である。
窒素、Nは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に好ましい影響を及ぼし、また変形硬化にも寄与する。それは、耐孔食指数PRE(PRE=Cr+3.3Mo+16N)に強い影響を及ぼす。それは、また、強いオーステナイト安定化作用も有し、オーステナイトステンレス鋼の塑性変形での、マルテンサイト構造へのオーステナイト構造の変態を妨げる。一実施態様によれば、上又は下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の窒素含有量は、0から0.1wt%である。別の実施態様によれば、Nは、0.03wt%以上の量で添加される。余りに高いレベルでは、Nは、窒化クロムを増す傾向があり、これは、延性及び耐腐食性への、その悪影響のせいで、避けられるべきである。こうして、一実施態様によれば、Nの含有量は、結果として、0.09wt%以下である。
ケイ素、Siは、オーステナイトステンレス鋼の製造の初期に脱酸のために使用されていることもあるので、多くの場合、オーステナイトステンレス鋼に存在する。余りに高いSiのレベルは、オーステナイトステンレス鋼のその後の熱処理又は溶接に付随して、金属間化合物の析出を生じ得る。このような析出は、耐腐食性と加工性の両方に悪影響を及ぼすであろう。一実施態様によれば、上又は下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のケイ素含有量は、0から1.0wt%である。一実施態様によれば、ケイ素含有量は、0.3から0.5wt%である。
リン、Pは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、余りに高いレベルだと、結果として鋼の加工性が低下するであろうから、P≦0.04wt%である。
硫黄、Sは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、余りに高いレベルだと、結果として鋼の加工性が低下するであろうから、S≦0.03wt%である。
酸素、Oは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、ここでは、O≦0.010wt%である。
任意選択的に、少量の他の合金元素が、例えば、機械加工性又は熱間加工特性、例えば熱間延性を向上させるために、上又は下で定義されている二相ステンレス鋼に添加され得る。このような元素の例は、限定ではないが、REM、Ca、Co、Ti、Nb、W、Sn、Ta、Mg、B、Pb及びCeである。一又は複数のこれらの元素の量は、最大で0.5wt%である。一実施態様によれば、上又は下で定義されている二相ステンレス鋼は、また、プロセス中に添加されたものであり得る少量の他の合金元素、例えば、Ca(≦0.01wt%)、Mg(≦0.01wt%)、及び希土類金属REM(≦0.2wt%)を含み得る。
用語「最大で」又は「以下」が使用されている場合、当業者は、別の数値が明確に述べられていなければ、範囲の下限が0wt%であることを知っている。上又は下で定義されている二相ステンレス鋼の残部の元素は、鉄(Fe)及び通常存在する不純物である。
不純物の例は、目的をもって添加されなかったが、それらは、例えば、原材料、又はマルテンサイトステンレス鋼の製造に使用される付加合金元素に、不純物として通常存在するので、完全には避けることができない元素及び化合物である。
一実施態様によれば、二相ステンレス鋼は、上又は下で開示されている範囲の、上又は下で開示されている合金元素から構成される。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、オーステナイト鋼は、
C 0.006〜0.019;
Cr 26.4〜27.2;
Cu 0.83〜1.19;
Mn 1.51〜1.97;
Mo 3.27〜4.40;
N 0.03〜0.09;
Ni 30.3〜31.3;
Si 0.3〜0.5;
残部 Fe及び不可避又は許容不純物;
を含む。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、50%≦Rcである。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Rc≦68%である。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、60%≦Rhである。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Rh≦80%である。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、1.5≦Qである。
上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Q≦3.2である。
一実施態様によれば、冷間圧延工程は、次の式:
(2.5×Rc+1.85×Rh−17.7×Q)=(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)
を満たすように行われる。このように、Z=0である式(1)が用いられる。
本開示は、以下の非限定的実施例によって、さらに例示される。
様々な化学組成のオーステナイトステンレス鋼のメルトを、電気アーク炉で準備した。AOD炉を用い、その中で、脱炭及び脱硫処理を行った。次いで、メルトを、インゴット(110mmより大きい外径を有する管の製造のため)、又は連続鋳造によってビレット(110mmより小さい径を有する管の製造のため)の何れかに鋳造した。様々なメルトから鋳造されたオーステナイトステンレス鋼を、化学組成に関して分析した。結果は表1に記載されている。
Figure 2019507016
製造されたインゴット又はビレットに、熱変形プロセスを行い、それらを複数の管へと押し出した。これらの管に冷間変形を行い、それらのそれぞれの最終寸法に、ピルガーミルで冷間圧延した。こうして、表1に記載された試験番号のそれぞれに対して、10〜40本の管を、Rc、Rh及びQに対して同じ値を用いて製造した。目標耐力が、個々の試験番号に対して設定され、上で与えられた式1を満たすように目標耐力を考慮に入れて、Rc、Rh及びQを決定した。冷間圧延は、1回の冷間圧延工程で行った。
それぞれの管で、耐力を、ISO 6892に従って、2つの試験試料について測定し、こうして、各試験番号に対して多数の耐力測定値を得た。各試験番号に対して、平均の耐力を、前記測定に基づいて計算した。平均の耐力は、目標耐力と比較した。結果は表2に記載されている。目標耐力からの個々の測定値の偏差もまた記録された。偏差は、目標耐力から、±65MPa未満であった。
Figure 2019507016
表中、
「ODin」は、冷間変形前の管の外径であり、
「Wtin」は、冷間変形前の肉厚であり、
「ODout」は、冷間変形後の管の外径であり、また
「Wtout」は、冷間変形後の肉厚である。
こうして、式(1)は、ステンレス鋼の化学組成及び選ばれた目標耐力に基づいて、Rh、Rc及びQを決定するための良好な手段として使えると結論できる。予め決められた最終外径及び予め決められた最終肉厚を有し、予め決まった形状、特に予め決まった横断面のビレットから出ていく特定の管に対する、式(1)の使用は、当業者が、実験の必要なしに、適切な熱間圧下、さらには冷間圧下及びQ値を選択することを可能にするであろう。繰返し計算が、式(1)を満たす場合に達するために使用され得る。式(1)が満たされ、ステンレス鋼が上で定義された組成を有するという条件で、1つの同じインゴット又はビレットからの個々の管試料の耐力は、目標耐力の値から、約±65MPaを超える差を有さないであろう。

Claims (8)

  1. オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法であって、前記鋼は、次の組成(重量%で)、
    C 0〜0.3;
    Cr 26〜28;
    Cu 0.6〜1.4;
    Mn 0〜2.5;
    Mo 3〜4.4;
    N 0〜0.1;
    Ni 29.5〜34;
    Si 0〜1.0;
    残部Fe及び不可避又は許容不純物;
    を有し、
    a)オーステナイトステンレス鋼のインゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程;
    b)工程a)で得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出する工程;
    c)工程b)で得られた管を、その最終寸法へと冷間圧延する工程;
    を含み、
    ここで、冷間圧延された管の外径Dは、70〜250mmであり、その肉厚tは、6〜25mmであり、
    冷間圧延工程は、次の式:
    (2.5×Rc+1.85×Rh−17.7×Q)=(Rp0.2target+49.3−1073×C−21Cr−7.17×Mo−833.3×N)±Z (1)
    を満たすように行われ、
    式中、
    − Rcは、冷間圧下の度合いであり、
    Figure 2019507016
    として定義され、式中、A1は、冷間変形前の管横断面積であり、A0は、冷間変形後の管横断面積であり、
    − Rhは、熱間圧下の度合いであり、
    Figure 2019507016
    として定義され、式中、a1は、熱間変形前の1塊の鋼の横断面であり、a0は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積であり、
    − Qは、(W0−W1)×(OD0−W0)/W0((OD0−W0)−(OD1−W1)) (4)
    であり、式中、W1は、圧下前の管肉厚であり、W0は、圧下後の管肉厚であり、OD1は、圧下前の管の外径であり、OD0は、圧下後の管の外径であり、
    − Rp0.2targetは、目標耐力であり、750≦Rp0.2target≦1000MPaであり、
    − 30≦Rc≦75%、
    − 50%≦Rh≦90%、
    − 1≦Q≦3.6であり、
    − Zは65である、
    方法。
  2. 50%≦Rcである、請求項1に記載の方法。
  3. Rc≦68%である、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 60%≦Rhである、請求項1から3の何れか一項に記載の方法。
  5. Rh≦80%である、請求項1から4の何れか一項に記載の方法。
  6. 1.5≦Qである、請求項1から5の何れか一項に記載の方法。
  7. Q≦3.2である、請求項1から6の何れか一項に記載の方法。
  8. オーステナイトステンレス鋼が、次の組成、
    C 0.006〜0.019;
    Cr 26.4〜27.2;
    Cu 0.83〜1.19;
    Mn 1.51〜1.97;
    Mo 3.27〜4.40;
    N 0.03〜0.09;
    Ni 30.3〜31.3;
    Si 0.3〜0.5;
    残部Fe及び不可避又は許容不純物;
    を有する、請求項1から7の何れか一項に記載の方法。
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