JP3510105B2 - 耐圧壊性の優れた高強度ステンレス鋼管とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐圧壊性の優れた
高強度ステンレス鋼管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼管は、耐食性に優れている
ことから化学装置の配管や構造用材料など広範囲で使用
されている。特に構造用材料の場合、強度と同時に破壊
した時の靭性や圧壊時の脆性的な破壊の有無が問題にさ
れる。このような問題も、母材部分だけでなく溶接部も
含めて評価される。

【０００３】高強度のステンレス鋼には、ＳＵＳ３０４
鋼に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼とＳＵＳ
４２０鋼に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼が
ある。ＳＵＳ３０４鋼を代表とするオーステナイト系ス
テンレス鋼は、耐食性は十分であるがＮｉを含有するた
めに高価格とならざるを得ないことから、外観上の美麗
さを強調するような主として公共建造物に用いられてい
る。ＳＵＳ４２０鋼を代表とするマルテンサイト系ステ
ンレス鋼では強度面ではオーステナイト系ステンレス鋼
には勝るものの、延性が不十分なため刃物や工作機械の
部品に使用されているのみである。一方、ＳＵＳ４３０
鋼を代表とするフェライト系ステンレス鋼では強度面で
はオーステナイト系ステンレス鋼より劣るもののそれよ
り安価なことから家電部品の支持部品など小物の強度部
品に広く用いられてきたが、溶接部の靭性が十分ではな
いために建築用などの大型構造部材には適用されていな
かった。

【０００４】ところが、構造部材の多くは必ずしも外観
上の美麗さは要求されないため、構造用材料にはこれま
ではめっきや塗装を施した炭素鋼が使用されてきた。し
かしながら、構造物の長寿命化を強く求める社会的な動
きに応じて、構造材の耐食性の一層の向上が強く求めら
れることとなった。メッキや塗装の耐食性向上は、もち
ろんメッキ厚さやメッキ金属の高耐食化あるいは塗膜の
厚手化などの重防食塗装によって達成が可能であるが、
溶接を必要とする大型の構造物ではこの手段は溶接後の
処理を極めて困難にする。

【０００５】このような動きの中で、溶接構造用に開発
された低C 型の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼が
期待されることとなった。低C 型のマルテンサイト系ス
テンレス鋼は、適切に成分を設計すれば容易に常温の引
張強さで４００ＭＰａをこえる強度を付与でき溶接部の
靭性も良好とさせることが可能である。この特徴を生か
して、例えばトラックの荷台やステンレス車両の補強用
部材などに使用されてきた。

【０００６】しかし、低Ｃマルテンサイト系ステンレス
鋼を用いて製造した高強度鋼管は、低Ｃとは言えマルテ
ンサイト相を含むために耐圧壊性が他の構造用材料に比
べて必ずしも十分ではなかった。このため、これまで使
用されてきた用途においても、ほとんどが平板や丸棒の
ままか熱間鍛造や切削加工を施されるなどの状態で使用
されてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】大型の構造物として使
用する場合、平板状での使用は限定され、通常形鋼や鋼
管に加工されて使用される。鋼管の場合、曲げ応力で座
屈する懸念があるために、裂ける様な破壊は不都合とな
る。しかし、マルテンサイト相を含む組織の鋼の場合、
延性が不十分なことが多いために、特に曲げ加工の大き
な部分で裂けるような破壊が生じやすい。

【０００８】本発明は、従来のマルテンサイト系ステン
レス鋼の欠点である耐圧壊性を改善して、建築などの構
造用に供する溶接鋼管素材としての耐圧壊性の優れた高
強度高靭性の低C マルテンサイト系ステンレス鋼管を提
供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、重量％
で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．３５％、Ｍｎ：０．７
２％、Ｃｒ：１１．８％、Ｎｉ：０．１５％、Ｎ：０．
０１２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物から
なり、組織を実質的にフェライト相およびマルテンサイ
ト相の２相ないしマルテンサイト単相とした厚さ４mmの
低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼板からＴＩＧ溶接管
を製造した。裂けるような破壊の生じにくさは鋼管の耐
圧壊性と等しいことから、圧壊試験を実施した。圧壊試
験で亀裂を発生した破面を詳細に観察したところ、亀裂
面には圧延方向に伸びた介在物粒子が認められた。この
介在物粒子はＭｎＳ系介在物粒子であり、従来軟質の炭
素鋼やフェライト系ステンレス鋼の薄鋼板で認められて
いた曲げ性への影響と同一であった。耐圧壊性とＭｎＳ
系介在物粒子の形状との関係を調査したところＭｎＳ系
介在物粒子の管の長手方向の長さを３μｍ以下とし、か
つＭｎＳ系介在物粒子の管の長手方向の長さとその直角
方向の長さとの比、すなわち延伸比（ＭｎＳ粒子の圧延
方向長さ／ＭｎＳ粒子の直角方向長さ）を３倍以下にす
ることで、問題なく圧壊することなく曲ることが判明し
た。すなわち、従来曲げ性に及ぼすＭｎＳ系介在物粒子
の長さが影響することが認められていたが、長さだけで
なく延伸比が強く影響することが判明したのである。

【００１０】この知見を基に、ＭｎＳ系介在物粒子の長
さを小さくすると同時に延伸比を小さくする製造方法を
検討した。ＭｎＳ系介在物粒子は常温でも高温でも延伸
性が良好なために、圧延加工を行なうと圧延方向に延伸
するが、熱処理を行なうと球状化し延伸比は低下するこ
とは従来認められている。しかも、延伸比は圧延比が大
きくなるほど大きくなる。このため、ＭｎＳ系介在物粒
子の延伸比を小さくするためには圧延後高温での長時間
保定を含む熱処理を行なってきた。本発明者らは、Ｍｎ
Ｓ系介在物粒子の延伸比に及ぼす熱間ないし冷間加工の
影響を検討した結果、圧下比が大きくなるほど延伸比が
大きくなること、圧倒的に冷間加工での延伸比が大きい
こと、熱間加工でも熱間圧延時にフェライト単相である
と延伸比が大きくなることを見出した。

【００１１】この理由は鋭意研究中であるが、熱間加工
では熱処理と同様の球状化効果があること、高温でオー
ステナイト組織となるとＭｎＳが分解しやすいために一
旦固溶した状態となり、冷却時に再析出することとなっ
て、やはり球状化効果が大きくなるためであると推測し
ている。

【００１２】本発明は、この知見を基になされたもの
で、高温でのオーステナイト組織に由来するマルテンサ
イト相を含む組織の鋼において、ＭｎＳの管長手方向の
長さが短くかつ延伸比の小さいマルテンサイト系ステン
レス鋼管を発明したものである。

【００１３】すなわち、本発明の要旨とするところは、
以下の通りである。 （１） 重量％で、Ｃ：０．００５％以上０．０３％以
下、Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．０
５％以上２．０％以下、Ｃｒ：１０％以上１６％以下、
Ｎｉ：２．５％以下、Ｎ：０．００５％以上０．０３％
以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からな
り、組織を実質的にフェライト相とマルテンサイト相の
２相ないしマルテンサイト単相とし、さらに不可避的に
残留するＭｎＳ系介在物粒子の圧延方向長さを３μｍ
下、かつ前記ＭｎＳ系介在物粒子の圧延方向長さとその
直角方向の長さとの比を３．０以下としたことを特徴と
する耐圧壊性の優れた高強度高靭性ステンレス鋼管であ
る。

【００１４】また、要求される耐食性レベルに応じてＭ
ｏおよび／またはＣｕを添加することができる。すなわ
ち、（２） 重量％で、Ｍｏ：２％以下、Ｃｕ：２％以
下の１種又は２種をさらに含有することを特徴とする前
記（１）記載の耐圧壊性の優れた高強度高靭性ステンレ
ス鋼管である。

【００１５】一方、熱間加工でも熱間圧延時にフェライ
ト単相であると延伸比が大きくなることから、熱間加工
時にオーステナイト相を現出して圧延し、かつ冷間圧延
を行なわなければＭｎＳ系介在物の延伸比を小さく抑え
ることができる。すなわち、（３） 組織を実質的にフ
ェライト相およびマルテンサイト相の２相ないしマルテ
ンサイト単相の熱間加工組織または熱間加工後組織とし
たことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の耐圧壊
性の優れた高強度高靭性ステンレス鋼管である。

【００１６】また本発明の鋼管は、板への製造は熱間圧
延が最も効率が良い。前述したとおり、圧下率の高いほ
どＭｎＳ系介在物の延伸率は大きいが、熱間圧延は冷間
圧延に比べると延伸への効果は小さいことから熱間圧延
のまま鋼管に加工し使用することは可能であり、熱間圧
延の効率性を生かせる。すなわち、（４） 熱間圧延素
材を用いて製造することを特徴とする前記（１）、
（２）又は（３）記載の耐圧壊性の優れた高強度高靭性
ステンレス鋼管の製造方法である。

【００１７】本発明は、丸型鋼管でも角型鋼管でも、ま
た溶接方法によらず問題なく適用可能である。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の限定条件を示す。
Ｃｒは、１０％未満ではステンレス鋼管としての基本的
な耐食性が不足するため、下限とした。また１６％を超
えるとマルテンサイト組織とするためにNiやCが多量に
必要となるだけでなく、高温でのオーステナイト相が安
定化しマルテンサイト組織への変態が困難となるために
上限とした。

【００１９】Ｃは、高温でフェライト相をオーステナイ
ト相に変態させるのに有効であるので０．００５％以上
の添加が必要である。しかし、多量に添加すると、冷却
による変態後のマルテンサイト相が硬化して、ＭｎＳ系
の介在物にかかわらず耐圧壊性や靭性が劣化するため
に、０．０３％を上限とした。

【００２０】Ｓｉは、０．０５％未満では脱酸が不十分
となって非金属介在物が多量に残留する危険性がある。
他の方法で脱酸を確実に実施することは可能であるの
で、その場合には０．０５％未満にしても問題はない
が、そのレベルまで低減するコストが掛かることから、
下限とした。一方、１．０ ％を超えるとマルテンサイ
ト相が硬質化し、冷間での耐圧壊性や靭性が劣化するだ
けでなく、熱間加工性も劣化するため上限とした。

【００２１】Ｍｎは、０．０５％未満では不可避不純物
であるＳの固定が不十分となり表面疵の原因となるため
下限とした。一方、２．０％を超えるとγ相が安定化し
マルテンサイト変態が困難となるために上限とした。

【００２２】Ｎｉは、γ相を増加させマルテンサイト変
態を促進する元素であるが、多量に添加するとγ相が安
定化しマルテンサイト変態が困難となるために２．５％
を上限とした。

【００２３】Ｎは、高温でフェライト相をオーステナイ
ト相に変態させるのに有効であるので０．００５％以上
の添加が必要である。しかし、多量に添加すると、冷却
による変態後のマルテンサイト相が硬化して、ＭｎＳ系
の介在物にかかわらず耐圧壊性や靭性が劣化するため
に、０．０３％を上限とした。

【００２４】不可避的に残留するＭｎＳ系介在物粒子の
管の長手方向の長さは、３μｍを超えると曲げ性が劣化
するために上限とした。また、このＭｎＳ系介在物粒子
の管の長手方向の長さとその直角方向の長さの比、すな
わち延伸比（ＭｎＳ粒子の圧延方向長さ／ＭｎＳ粒子の
直角方向長さ）が３．０を超えると耐圧壊性が劣化しは
じめるために、これを上限とした。なお上記ＭｎＳの形
態は、通常管の長手方向と厚み方向を含む断面について
光学顕微鏡やＳＥＭによって観察する。

【００２５】また、本発明では耐食性を確保するために
Ｍｏ及び／又はＣｕを選択的に添加し得る。Ｍｏは高温
でのオーステナイト相を減少させる元素であるので、多
量に添加すると変態後にフェライト相が混在し強度を低
下せしめることから、２％を上限とした。Ｃｕは、Ｎｉ
と同様に高温でのオーステナイト相を増加させる元素で
あるが、多量に添加するとＮｉ同様の弊害が生ずるだけ
でなく、熱間でのいわゆるＣｕ脆性が生ずることから、
２％を上限とした。

【００２６】また、本発明鋼の組織は実質的にフェライ
ト相およびマルテンサイト相の２相ないしマルテンサイ
ト単相の熱間加工組織または熱間加工後熱処理組織とし
てもよい。熱間圧延時の組織がオーステナイト相である
と、ＭｎＳ系介在物の圧延方向とその直角方向の長さの
比が小さくなり耐圧壊性が良好となるためである。

【００２７】

【実施例】重量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．３５
％、Ｍｎ：０．７２％、Ｃｒ：１１．８％、Ｎｉ：０．
１５％、Ｎ：０．０１２％を含有し、残部がＦｅおよび
不可避不純物からなり、組織を実質的にマルテンサイト
単相とした４．０mm厚さの低Ｃマルテンサイト系ステン
レス鋼板を用いて角部分の曲率半径が２．０mmの角型鋼
管をＴＩＧ溶接法により製造した。圧壊試験は、角部分
を曲げる状態で密着状態まで実施した。

【００２８】鋼管の素材の製造履歴と圧壊試験の結果を
表１に示した。

【表１】

【００２９】その結果、冷間圧延の圧下率が５０％を超
えた素材では、その後の熱処理の有無にかかわらず、圧
着した角部分に割れが発生したが、冷間圧延を実施しな
い素材では熱延後の熱処理の有無にかかわらず割れの発
生がなかった。もちろん熱間圧延ままの素材でも割れの
発生はなかった。

【００３０】

【発明の効果】本発明の耐圧壊性の優れた高強度ステン
レス鋼管により、耐食性を必要とする部分で使用可能な
構造部材の提供が可能となった。たとえば、海浜地区な
どの土木建築分野での構造用材料として、ステンレス鋼
管の使用が可能となった。従来は、高強度炭素鋼にめっ
きや重防食を施していたが、溶接が困難な上に溶接部の
防食の補修が困難であったため、構造物の寿命が短くな
るという欠点があった。しかし、本願発明により溶接後
の補修の必要なくしかも長寿命が得られるなど社会的な
利益は大きい。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．０３％以下、 Ｓｉ：０．０５％以上１．０％以下、 Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、 Ｃｒ：１０％以上１６％以下、 Ｎｉ：２．５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０３％以下 を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、組
   織を実質的にフェライト相とマルテンサイト相の２相な
   いしマルテンサイト単相とし、さらに不可避的に残留す
   るＭｎＳ系介在物粒子の圧延方向長さを３μｍ以下、か
   つ前記ＭｎＳ系介在物粒子の圧延方向長さとその直角方
   向の長さとの比を３．０以下としたことを特徴とする耐
   圧壊性の優れた高強度高靭性ステンレス鋼管。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｍｏ：２％以下、 Ｃｕ：２％以下 の１種又は２種をさらに含有することを特徴とする請求
   項１記載の耐圧壊性の優れた高強度高靭性ステンレス鋼
   管。
3. 【請求項３】 組織を実質的にフェライト相およびマル
   テンサイト相の２相ないしマルテンサイト単相の熱間加
   工組織または熱間加工後組織としたことを特徴とする請
   求項１又は２記載の耐圧壊性の優れた高強度高靭性ステ
   ンレス鋼管。
4. 【請求項４】 熱間圧延素材を用いて製造することを特
   徴とする請求項１、２又は３記載の耐圧壊性の優れた高
   強度高靭性ステンレス鋼管の製造方法。