JP2020097776A - 二相ステンレス鋼の管を製造する方法 - Google Patents

二相ステンレス鋼の管を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二相ステンレス鋼の管の製造方法を提供する。【解決手段】重量%で以下の組成を有する二相ステンレス鋼の管の製造方法。C最大0.03、Si最大1.0、Mn最大1.5、P最大0.05、S最大0.03、Cr24〜26、Ni6〜8、Mo3.0〜4.0、N0.24〜0.32からなる鋼を以下の工程で製造する。二相ステンレス鋼の管を形成する工程(12)、管を形成する工程(12)から得られた管を冷間加工する工程(14)、及び、冷間加工工程(14)後、管を0.5〜5分という時間tにわたり、500〜750℃の範囲にある温度Tにさらすことによって、管を軟化焼鈍する工程(16)、を含む。【選択図】図2

Description

本開示は、二相ステンレス鋼の管を製造する方法に関する。
二相ステンレス鋼を製造する間、管は、所望の形状及び公差を達成するため冷間加工にさらされる。冷間加工は、管を規格最小降伏強度(specified minimum yield strength)へと加工硬化(deformation harden)するために使用されることもある。二相ステンレス鋼は冷間加工の間、絞りとともに迅速に加工硬化するため、1つの冷間加工作業において特定の形状と、規格最小降伏強度とをともに達成することは困難である。よって、特定の形状と最小降伏強度とを有する二相ステンレス鋼を提供するためには、二相ステンレス鋼を冷間加工し、その後、およそ1100℃で焼鈍するが、これによって二相ステンレス鋼の完全な再結晶につながってしまう。その後、二相ステンレス鋼を、限定された絞りで第二の冷間加工工程にかける。この限定された絞りは、規定の最小降伏強度が達成されるように選択される。
EP 2853614は、二相ステンレス鋼パイプ、及び当該パイプの製造を開示している。二相材料の冷間加工は、パイプに異方性をもたらす。低温熱処理が、350℃〜450℃の温度の熱処理で行われる。こうしてステンレス鋼パイプのパイプ軸方向及び周方向における降伏強度の異方性は、冷間加工後に減少する。
国際公開第2017/114847号は、二相ステンレス鋼の製造方法を開示している。この方法は、目標降伏強度をもたらすために、二相ステンレス鋼の構成成分と、冷間加工の間の絞りパラメータの双方を考慮した式に基づいている。
本開示の目的は、ステンレス鋼の管を効率的に製造する方法を提供することである。
本開示の態様によれば、重量%で以下の組成:
C 最大0.03、
Si 最大1.0、
Mn 最大1.5、
P 最大0.05、
S 最大0.03、
Cr 24〜26、
Ni 6〜8、
Mo 3.0〜4.0、
N 0.24〜0.32、並びに
残部のFe及び不可避不純物
を有する二相ステンレス鋼の管を製造する方法が提供され、
本方法は、以下の工程:
・二相ステンレス鋼の管を形成する工程、
・管を形成する工程から得られた管を冷間加工する工程、及び
・冷間加工工程後、管を0.5〜5分という時間tにわたり、500〜750℃の範囲にある温度Tにさらすことによって、管を軟化焼鈍する工程
を含むものである。
冷間加工されたステンレス鋼の管を、0.5〜5分という時間にわたり500〜750℃の範囲の温度にさらすことによって軟化焼鈍するので、冷間加工された管の再結晶が、実質的に回避される。本方法に従って製造された二相ステンレス鋼の管の降伏強度は、冷間加工工程以前の二相ステンレス鋼材料の降伏強度よりも改善しており、延性は同等の水準に保たれたまま、脆性になり過ぎない。その結果、前述の目的が達成される。
さらに、特定の最小降伏強度については、二相ステンレス鋼を完全な再結晶まで焼鈍せずに、また二相ステンレス鋼を第2の冷間加工工程にかけずに、目標とすることができる。よって本開示は、高度の絞りをもたらす冷間加工という1つの工程の後に、軟化焼鈍が続くことに基づく。
450〜1000℃の範囲の温度にさらされると、二相ステンレス鋼材料は、脆化しやすくなり、耐腐食性が低下しやすくなる。よって一般的にこの温度範囲は、二相ステンレス鋼の管を製造及び使用する間、回避される。
本発明者らは、二相ステンレス鋼の管を0.5〜5分という制御された短時間にわたり、500〜750℃の範囲の温度にさらすことによって、脆化又は耐腐食性の低下につながることなく、二相ステンレス鋼管の延性が改善することに気付いた。さらに本発明者らは、目標最小降伏強度を制御された形で達成可能なことを見出した。
目標最小降伏強度は、前述の温度範囲で前述の時間内に軟化焼鈍する工程によって、達成することができる。前述の従来技術による方法のいずれとも対照的に、目標最小降伏強度は、完全な再結晶をもたらす高温での焼鈍と、それに続く第2の冷間加工工程を必要とせずに、達成される。本開示では軟化焼鈍工程により、冷間加工工程で達成される降伏強度が部分的に低下して、目標最小降伏強度が達成されるが、これについては以下でさらに説明する。
前述の特定の二相ステンレス鋼材料はまた、Sandvik SAF2507(登録商標)という名称で呼ばれることもある。このようなステンレス鋼の管についてよく見られる用途は例えば、石油産業及びガス産業である。
二相ステンレス鋼の管を形成する工程により、冷間加工工程のために準備ができた管が得られる。管を形成する工程には、溶融物からインゴット又はビレットを製造することが含まれ得る。その後、このインゴット又はビレットを熱間押出加工して、管にする。或いは、管を成形する工程は、二相ステンレス鋼粉末を製造することを含むことができ、この粉末を成形し、熱間等方圧プレスして、管の形状にする。
管を冷間加工する工程は、既知のやり方で、例えば冷間圧延、冷間ピルガー、冷間引抜、又はこれらの組み合わせによって、行うことができる。冷間加工する工程は、二相ステンレス鋼の管を製造する方法において唯一の冷間加工工程であり得る。よって、冷間加工する工程は、管の最終的な寸法に、又は管の実質的に最終的な寸法に冷間加工する工程を含むことができる。冷間加工工程に続いて、ほんの僅かな直径調整のみが、例えばピーリング切削、グラインド加工及び/又は研磨の結果として、起こり得る。
複数の実施態様によれば、管を軟化焼鈍する工程において、二相ステンレス鋼の目標最小降伏強度(Rp0.2)が、以下の式:
Rp0.2=1642−0.96×T−10.75×t
[式中、Tは摂氏度であり、tは時間(分)である]
によって、目標最小降伏強度(Rp0.2)において10MPaの標準偏差で達成され得る。このようにして、特定の最小降伏強度は、軟化焼鈍工程において達成することができる。Rp0.2の単位は、MPaである。
より具体的には、適切な温度及び適切な時間を、上述の温度及び時間の範囲内で選択することにより、868.25〜1156.25MPaという範囲内の目標最小降伏強度(Rp0.2)が、先に既定した材料の二相ステンレス鋼(Sandvik SAF2507(登録商標))については10MPaの標準偏差で、達成することができる。よって、特定の最小降伏強度については、二相ステンレス鋼管を完全な再結晶まで焼鈍せずに、また二相ステンレス鋼管を第2の冷間加工工程にかけずに、容易に目標とすることができる。
複数の実施態様によれば、管を軟化焼鈍する工程の後に、
・管を焼入れする工程
が続いてよい。このようにして、軟化焼鈍工程が特定の時点で中断することを保証することができる。
さらなる特徴及び利点は、添付特許請求の範囲、及び以下の詳細な説明から明らかであろう。
様々な態様及び/又は実施態様(特定の特徴及び利点含む)は、以下で詳細に論じる実施例及び添付図面から直ちに理解されるであろう。
二相ステンレス鋼の管を示す。 二相ステンレス鋼の管を製造する方法を示す。 本方法に従って製造された二相ステンレス鋼の試験体についての降伏強度に関するダイアグラムを示す。
複数の態様及び/又は実施態様について、以下でより詳細に説明する。同様の番号は、全体を通じて同様の要素を表す。簡潔性及び/又は明確性を担保するために、よく知られた機能又は構成については、必ずしも説明を要しないであろう。
図1は、本実施態様による二相ステンレス鋼の管2を示す。二相ステンレス鋼の管2は、外径D及び壁厚wを有する。二相ステンレス鋼の管2は、ここに論じた態様及び/又は実施態様に従って二相ステンレス鋼の管を製造する方法により製造されたものである。
純粋に例示として言及するのだが、管2の外径Dは、50〜250mmの範囲にあり得る。管2の壁厚wは、5〜35mmの範囲にあり得る。
図2は、二相ステンレス鋼の管を製造する方法10を示す。この管は、図1との関連で論じた管2であり得る。この二相ステンレス鋼は、重量%で以下の組成を有する:
C 最大0.03、
Si 最大1.0、
Mn 最大1.5、
P 最大0.05、
S 最大0.03、
Cr 24〜26、
Ni 6〜8、
Mo 3.0〜4.0、
N 0.24〜0.32、並びに
残部のFe及び不可避不純物。
二相ステンレス鋼の組成については、内部に含まれる個々の合金元素に関して、以下のことに留意されたい:
炭素(C)は、オーステナイト相を安定化させる代表的な元素であり、機械的強度を維持するためにも重要な元素である。しかしながら大量の炭素を使用すると、炭素が炭化物として析出することになり、これによって耐腐食性が低下する。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼の炭素含有量は、0〜0.03重量%、例えば0〜0.02重量%である。
クロム(Cr)は、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼の耐腐食性、特にピッティングに著しい影響をもたらす。Crは降伏強度を改善し、二相ステンレス鋼の変形に際して、オーステナイト構造がマルテンサイト構造へと変わるのを防止する。しかしながら、Crの含有量が増加すると、不所望である安定な窒化クロム及びσ相の形成につながり、σ相がより迅速に生成する。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼のクロム含有量は、24〜26重量%である。
マンガン(Mn)は、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼に対して、加工硬化作用を有する。Mnは、鋼中に存在する硫黄とともに硫化マンガンを形成することでも知られ、これによって熱間加工性が改善される。しかしながらMnはその水準が高すぎると、耐腐食性と熱間加工性の双方に対して、不利な作用をもたらす傾向がある。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼のマンガン含有量は、0〜1.5重量%、例えば0〜1.2重量%である。
モリブデン(Mo)は、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼の耐腐食性に著しい影響をもたらし、耐孔食指数(PRE)に対して大きく影響する。Moはまた、降伏強度に対して肯定的な影響を与え、不所望なσ相が安定となる温度、さらにはσ相生成速度が促進される温度を上昇させる。Moはさらに、フェライト安定化作用を有する。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼のモリブデン含有量は、3.0〜4.5重量%、例えば3.5〜4.0重量%である。
ニッケル(Ni)は、耐腐食性全般に対して肯定的な作用をもたらす。Niは、オーステナイト安定化作用を強く有する。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼のニッケル含有量は、6〜8重量%、例えば6.5〜7.5重量%である。
窒素(N)は、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼の耐腐食性に肯定的な作用をもたらし、加工硬化にも貢献する。窒素は、耐孔食指数(PRE、PRE=Cr+3.3Mo+16N)に対して強い影響をもたらし、オーステナイト安定化作用が強く、二相ステンレス鋼の塑性変形に際しては、オーステナイト構造からマルテンサイト構造への変化を防止する。しかしながらNは、その水準が高すぎると、窒化クロムを促進させる傾向がある。これは、延性及び耐腐食性に対して否定的な影響があるため、回避すべきである。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼の窒素含有量は、0.24〜0.32重量%、例えば0.26〜0.30重量%である。
ケイ素(Si)はしばしば、二相ステンレス鋼に存在する。ケイ素は、二相ステンレス鋼の製造以前に、脱酸のために添加されていることがあるからである。Siの水準が高すぎると、二相ステンレス鋼について後に行われる熱処理又は溶接との関連で、金属間化合物の析出が生じ得る。このような析出は、耐腐食性と加工性の双方に対して、否定的な影響をもたらすことになる。1つの実施態様によれば、先に又は以下に開示された方法で使用する二相ステンレス鋼のケイ素含有量は、0〜1.0重量%、例えば0〜0.8重量%である。
リン(P)は、先に又は以下に開示された方法で使用されるステンレス鋼において不純物として存在することがあり、その水準が高すぎると鋼の加工性を低下させることになるため、その含有量は、P<0.05重量%、例えばP<0.03重量%である。
硫黄(S)は、先に又は以下に開示された方法で使用されるステンレス鋼において不純物として存在することがあり、その水準が高すぎると鋼の加工性を低下させることになるため、その含有量は、S<0.03重量%、例えばS<0.02重量%である。
酸素(O)は、先に又は以下に開示された方法で使用されるステンレス鋼において不純物として存在することがあり、その含有量は、O<0.010重量%である。
任意選択的に、その他の合金元素を少量、例えば機械加工性又は熱間加工特性(例えば熱間延性)を改善させるために、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼に添加することができる。このような元素は例えば、REM、Ca、Co、Cu、Ti、Nb、W、Sn、Ta、Mg、B、Pb及びCeであるが、これらに限られない。これらの元素1種又は複数種の量は、最大0.5重量%である。1つの実施態様によれば、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼は、本方法の間に添加されたその他の合金元素を少量、含有することができ、例えばCa(<0.01重量%)、Mg(<0.01重量%)、Cu(最大0.5重量%)、及び希土類金属REM(<0.2重量%)である。
「最大」という用語を用いた場合、当業者であれば、その他の数値が特に言及されていない限り、その範囲の下限が0重量%であることが分かる。不純物の例は、意図的に添加されていない元素及び化合物であるものの、例えば原料に不純物として通常存在するため完全には回避できないもの、又は二相ステンレス鋼を製造するために使用されるさらなる合金元素である。
本方法10は、以下の工程:
・二相ステンレス鋼の管を形成する工程12、
・管を形成する工程12から得られた管を冷間加工する工程14、
・冷間加工工程14後、管を0.5〜5分という時間tにわたり、500〜750℃の範囲にある温度Tにさらすことによって、管を軟化焼鈍する工程16
を含む。
幾つかの実施態様によれば、管を形成する工程12は、以下の工程:
・二相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20、及び
・インゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程20から得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出加工する工程22
を含み得る。
このようにして二相ステンレス鋼の管を、管を冷間加工する後続工程14のために準備することができる。
本方法10は、さらなる既知の中間工程及び後続の製造工程、例えば切断、ピーリング切削、深穴加工(deep boring)、矯正及び酸洗いを含み得る。
代替的な実施態様によれば、管を形成する工程12は、以下の工程:
・二相ステンレス鋼の溶融物を用意する工程24、
・二相ステンレス鋼の粉末を製造するために、二相ステンレス鋼の溶融物を噴霧する工程26、
・二相ステンレス鋼の粉末から管を形成する工程28
を含むことができ、管を形成する当該工程28は、
・二相ステンレス鋼の粉末を熱間等方圧プレスする工程30
を含むものである。
このようにして二相ステンレス鋼材料の粉末に基づく管を、管を冷間加工する後続工程14のために製造及び準備することができる。
本方法10は、さらなる既知の中間工程及び後続の製造工程、例えば切断、ピーリング切削、矯正及び酸洗いを含み得る。
管を軟化焼鈍する工程16は、例えば炉内で制御された温度条件のもと、行うことができる。さらなる代替的な手段を、管を特定の温度に誘導加熱するために行うことができる。
管を軟化焼鈍する工程16は、二相ステンレス鋼の管において特定の目標最小降伏強度(Rp0.2)を達成するために、特定の式に従って行うことができる。その式は、以下の通りである:
Rp0.2=1642−0.96×T−10.75×t
上記式において、Tは、摂氏度での温度を表し、tは、時間(分)を表し、これによって、目標最小降伏強度(Rp0.2)がMPa単位を有することになる。目標最小降伏強度(Rp0.2)において10MPaの標準偏差が、達成される。前述のように、Sandvik SAF2507(登録商標)という材料については、管を軟化焼鈍する工程16を上記式に従って行った場合、868.25〜1156.25MPaの範囲にある目標最小降伏強度(Rp0.2)を、10MPaの標準偏差で達成することができる。
適切には、管を軟化焼鈍する工程16の後に、
・管を焼入れする工程18
が続いてよい。これによって、軟化焼鈍する工程を終わらせることができ、脆化及び耐腐食性低下の回避を保証することができる。焼入れ18は、水で焼入れすることによって、行うことができる。
幾つかの実施態様によれば、管を軟化焼鈍する工程16が、管を1〜3分の時間にわたり、600〜750℃の範囲の温度にさらすことを含み得る。
以下では図3を参照しながら、これらの実施態様と関連する実施例について論じる。
複数の実施態様によれば、管を冷間加工する工程14は、25〜70%の範囲内にある管の絞りを含む。このようにして二相ステンレス鋼を、管を冷間加工する工程14においてひずみ硬化させることができる。
これは、冒頭の背景技術で論じた従来技術による方法で行われた第1の冷間加工工程の絞りの範囲と同等であるが、従来技術による第2の冷間加工工程による絞りよりもかなり大きい。
絞りは、管の断面積収縮率に関連する。冷間加工工程前後における断面積の違いは、冷間加工前の断面積によって区別される。材料が存在する管の面積のみが、面積収縮の計算において考慮される。すなわち管の内側の断面積は、除外される。
図3aを参照しながら、本方法に従って製造される二相ステンレス鋼管に関連する複数の実施例について、以下で論じる。特に、本方法10の軟化焼鈍工程16の様々な実施態様に従った軟化焼鈍を提示する。
先に既定した材料(Sandvik SAF2507(登録商標))の二相ステンレス鋼管は、外径Dが173.8mmであり、壁厚が29.7mmであり、管を形成する工程12(インゴット又は鋳造ビレットを製造することを含む)、及び管を冷間加工する工程14によって製造されたものである。冷間加工する工程14は、コールドピルガー圧延により30.7%の絞りで行った。
軟化焼鈍工程16は、異なる長さに切った管を様々な時間にわたり、異なる温度にさらすことによって行い、その後、水で焼入れした。より具体的には、長さの異なる管を、30kHzの周波数で40〜100kWの作用範囲により、異なる時間にわたり、異なる供給速度を用いて、誘導加熱装置により誘導加熱にかけた。
長さの異なる管を複数に切り分け、これらから引張試験のための試験体を製造した。図3には、異なる番号を付した試験体の降伏強度が、MPaで示されている。
同じ焼鈍温度及び時間にわたり処理された試験体では、降伏強度が限られた範囲内にあることが、図3のダイアグラムから明確に見て取れる。それぞれ丸で囲んだ8つの試料は、同じ温度及び時間にわたって処理したものである。
よって、それぞれ特定の軟化焼鈍温度及び特定の軟化焼鈍時間については、降伏強度において一貫した減少が達成可能という結論が導き出せる。さらに、二相ステンレス鋼(Sandvik SAF2507(登録商標))管の最小降伏強度減少に関する前述の式は、これらの試験体の降伏強度によって実証される。
より具体的には、図3において丸で囲んだ様々な試験体は、以下の軟化焼鈍温度及び軟化焼鈍時間にかけたものである。
40:750℃、3分間
42:750℃、1分間
44:700℃、3分間
46:700℃、1分間
48:650℃、3分間
50:650℃、1分間
52:600℃、1分間
54:冷間加工の後に、軟化焼鈍処理しなかった試験体。
軟化焼鈍した管のミクロ組織は再結晶しておらず、冷間加工した管のミクロ組織と同様、又はほぼ同様であった。軟化焼鈍した管の硬度については、冷間加工した減少率の低いSandvik SAF2507(登録商標)材料と同じ水準にある、すなわち、25%未満の絞りで第2の冷間加工をすることを含む従来技術に従って製造されたSandvik SAF2507(登録商標)製の管のものと同等の硬度であると、結論付けることができる。
前述のことは様々な実施例の形態の例示に過ぎず、権利範囲は、添付特許請求の範囲によってのみ規定されると理解されるべきである。当業者であれば、添付特許請求の範囲によって規定される権利範囲から外れない限りにおいて、実施例の形態が変更可能なこと、実施例の形態の異なる特徴をここに記載した特徴以外の実施態様を作成するために組み合わせ可能なことは、分かるであろう。

Claims (6)

  1. 重量%で以下の組成:
    C 最大0.03、
    Si 最大1.0、
    Mn 最大1.5、
    P 最大0.05、
    S 最大0.03、
    Cr 24〜26、
    Ni 6〜8、
    Mo 3.0〜4.0、
    N 0.24〜0.32、並びに
    残部のFe及び不可避不純物
    を有する、二相ステンレス鋼の管(2)を製造する方法(10)であって、
    該方法(10)は、以下の工程:
    ・二相ステンレス鋼の管(2)を形成する工程(12)、
    ・管(2)を形成する工程(12)から得られた管(2)を冷間加工する工程(14)、及び
    ・冷間加工工程(14)後、管(2)を0.5〜5分という時間tにわたり、500〜750℃の範囲にある温度Tにさらすことによって、管(2)を軟化焼鈍する工程(16)
    を含み、
    管(2)を軟化焼鈍する工程(16)において、二相ステンレス鋼の目標最小降伏強度(Rp0.2)が、以下の式:
    Rp0.2=1642−0.96×T−10.75×t
    [式中、Tは摂氏度であり、tは時間(分)である]
    によって、目標最小降伏強度(Rp0.2)において10MPaの標準偏差で達成される、方法(10)。
  2. 管(2)を軟化焼鈍する工程(16)が、管(2)を1〜3分の時間にわたり、600〜750℃の範囲の温度にさらすことを含む、請求項1に記載の方法(10)。
  3. 管(2)を軟化焼鈍する工程(16)の後に、
    ・管(2)を焼入れする工程(18)
    が続く、請求項1又は2に記載の方法(10)。
  4. 管(2)を冷間加工する工程(14)が、25〜70%の範囲内にある管(2)の絞りを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法(10)。
  5. 管(2)を形成する工程(12)が、以下の工程:
    ・二相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(20)、
    ・インゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程(20)から得られたインゴット又はビレットを、管(2)へと熱間押出加工する工程(22)
    を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法(10)。
  6. 管(2)を形成する工程(12)が、以下の工程:
    ・二相ステンレス鋼の溶融物を用意する工程(24)、
    ・二相ステンレス鋼の粉末を製造するために、二相ステンレス鋼の溶融物を噴霧する工程(26)、
    ・二相ステンレス鋼の粉末から管(2)を形成する工程(28)
    を含み、管(2)を形成する当該工程が、
    ・二相ステンレス鋼の粉末を熱間等方圧プレスする工程(30)
    を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
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