JP3721896B2

JP3721896B2 - Ｃｒ−Ｍｏ鋼とその製造方法

Info

Publication number: JP3721896B2
Application number: JP32411899A
Authority: JP
Inventors: 研一別府; 寛伊藤; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: JP2001140015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Cr−Mo鋼とその製造方法、特に、火力発電プラント、石油化学プラント、機械構造等に用いられる、Ｖ、Nb、Ti等の炭化物生成元素を含んだCr−Mo鋼とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に石油化学プラントの設備や石炭液化・ガス化設備等におけるような高温・腐食環境下で使用される構造部材としてはCr−Mo鋼が使用されており、特に、Ｖ、Nb、Ti等の炭化物生成元素を含んだCr−Mo鋼は、高温強度に優れた鋼として、焼きならし−焼き戻し処理、もしくは等温焼なまし処理を実施して、棒鋼、継目無鋼管、溶接鋼管、鋼板などの形で用いられる。
【０００３】
ここに、焼ならし−焼き戻し処理は図３に示すように、Ac₃点以上の温度に加熱し、所定時間保持してから650 ℃以下に冷却し、次いで650 ℃〜Ac₃点の範囲内の温度で焼き戻しを行うのである。また、等温焼きまなしの場合には、図４に示すように、Ac₃点以上の温度に加熱し、所定時間保持してから650 ℃以上Ac₃点以下の温度においてさらに均熱を行ってから冷却するのである。
【０００４】
しかし、焼ならし−焼き戻し処理の場合、焼ならし時の温度のバラツキ、さらには熱間加工履歴等によっては、一部の結晶粒が0.1 mm以上の粗大な結晶粒に成長し、焼ならし後に均一なミクロ組織が得られないことがある。粗大な結晶粒が存在すると、その部分が選択的に腐食、酸化されることから高温腐食性および耐水蒸気酸化性の劣化を招く恐れがある。また、等温焼きなましの場合にも、熱処理温度のバラツキによって同様な粗大結晶粒の成長がみられることがあり、上述のような特性劣化は免れない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このため、Cr−Mo鋼の製造に当たっては、熱間加工履歴をコントロールし、焼ならし時の温度制御を正確に行う必要がある。しかし、熱間加工時の温度はその加工性に大きく影響を及ぼすことから、自由度が少なく、一方、意図した温度を常に確保することは難しい。また、焼ならし温度は炉温度のバラツキが避けられないことから、管理範囲を極力広く確保することが操業の安定につながる。したがって、従来にあっては粗大結晶粒の成長は不可避的と考えられてきた。
【０００６】
よって、本発明の課題は、温度管理が容易でかつ簡便な手段でもって確実に粗大結晶粒の成長を抑制した微細結晶粒からなるCr-Mo 鋼の製造方法と、微細結晶を安定して備えたCr-Mo 鋼を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決するため、焼ならしの条件と焼ならし前の熱処理に注目し、各種の条件について検討を行ったところ、Ｖ、Nb、Tiなどの炭化物形成元素を積極的に添加し、これを予め微細析出させておくことで、Cr−Mo鋼の焼ならし処理に際しても結晶粒の粗大化を効果的に防止できることを知り、本発明に至った。
【０００８】
ここに、本発明は次の通りである。
（１）Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：０．１５〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜１４．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％、Ｎ：０．１０％未満、ならびにＶ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０％、およびＴｉ：０．００５〜０．５０％からなる群から選んだ１種または２種以上、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物元素からなるＣｒ−Ｍｏ鋼から製管後、焼ならし、次いで焼き戻しを行って結晶粒の微細化を図るＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法であって、焼ならしを行うに先立って、６５０℃以上Ａｃ_３点以下の温度に５〜１２０分保持した後、冷却することを特徴とする、微細結晶を有するＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。
【０００９】
（２）Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：０．１５〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜１４．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％、Ｎ：０．１０％未満、ならびにＶ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０％、およびＴｉ：０．００５〜０．５０％からなる群から選んだ１種または２種以上、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物元素からなるＣｒ−Ｍｏ鋼から製管後、焼ならし、次いで焼き戻しを行って結晶粒の微細化を図るＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法であって、焼ならしを行うに先立って、６５０℃以上Ａｃ_３点以下の温度に５〜１２０分保持した後、冷却することなく、そのまま焼ならしを行うことを特徴とする、微細結晶を有するＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。
【００１０】
（３）Ｃｒ−Ｍｏ鋼の結晶粒度Ｎｏ．がＪＩＳＧ０５５２で８．０以上である上記（１）または（２）記載のＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、その特徴からも明らかなように、Cr−Mo鋼全てに適用できるものであって、具体的鋼組成によって制限はされない。換言すれば、本発明にしたがって製造することで結晶粒の粗大化が阻止できれば、特定の鋼組成には制限されない。
【００１２】
しかしながら、本発明の好適態様にあっては、次のような鋼組成を備えたCr−Mo鋼が好ましい。なお、本明細書において「％」は特にことわりがない限り「質量％」である。
【００１３】
すなわち、Ｃ：0.01〜0.20％、Si：1.0 ％未満、Mn：0.15〜2.0 ％、Cr：2.0 〜14.0％、Mo：0.05〜3.0 ％、Ｎ：0.10％未満で、その他の不可避的不純物元素を含有するCr−Mo鋼である。
【００１４】
Ｃは、所定の強度を確保しながら溶接性の劣化を防止するために、0.01〜0.20％とするのである。Siは鋼の強度を確保するとともに脱酸を確実にするために、1.0 ％未満とする。Mnは強度および靱性改善のために0.15〜2.0 ％に制限する。CrおよびMoは本発明が目的とするCr−Mo鋼としての高温耐食性、高温強度を確保するためにそれぞれCr：2.0 〜14.0％、Mo：0.05〜3.0 ％とするのである。Ｎ：0.10％未満とするのは、後述する炭化物形元素との窒化物生成を可及的少とするためである。
【００１５】
ここに、本発明によれば、かかる鋼組成を有するCr-Mo 鋼に対して、Ｖ：0.05〜0.50％、Nb：0.05〜0.50％、およびTi：0.005 〜0.50％の中から１種または２種以上を配合するのである。
【００１６】
すなわち、本発明にあっては、焼きならしに際しての結晶粒の成長を効果的に阻止するために予め微細炭化物を析出させておくのであって、そのために炭化物生成がある程度制御できる元素としてＶ、Nb、Tiの少なくとも１種を添加するのである。
【００１７】
Cr−Mo鋼に配合された炭化物生成元素であるＶ、Nbは、それぞれ0.05％からピンニングに有効に作用し、Tiは0.005 ％からピンニングに有効に作用する。また、Ｖ、Nb、Tiともに0.50％超添加してもコストに見合う性能向上が認められないことから、Ｖ、Nbの範囲はそれぞれ0.05〜0.50％、Tiの範囲は0.005 〜0.50％とした。好適態様ではNbとＶおよび／またはTiとを含有するものである。
【００１８】
既に述べたように、従来より、この鋼に焼ならし・焼き戻し処理を行う場合、焼ならし温度が高くなりすぎると、結晶粒が成長してしまい粗大化するという問題があった。粗大化した結晶粒が存在すると得られるCr-Mo 鋼の靱性はもちろん、高温耐食性および耐水蒸気酸化性の劣化は避けられない。
【００１９】
図１は、本発明にかかる製造方法のヒートパターンを示すグラフである。
図１に示すように、本発明では、焼ならし前に650 ℃以上、Ac₃点以下の温度に、例えば５〜120 分保持し、母相中に微細な炭化物を析出させることで、後の焼ならし時の結晶粒の成長の抑制が可能である。これは、微細かつ多量に析出した炭化物が粒界のピンニングを行い、粒界の移動を妨げるためである。
【００２０】
図２は、本発明の別の態様にかかる製造方法のヒートパターンを示すグラフである。
すなわち、炭化物の微細析出が目的であるので、図２に示すように、焼ならし前熱処理を行った後、冷却を行わずに、引き続いて焼ならしを行い、熱処理に必要な時間を短くした２段焼ならしを行ってもよい。
【００２１】
焼ならし前熱処理の温度および２段焼ならしの一段目の温度については、炭化物が析出し始める650 ℃以上の温度にする。また、温度が高すぎると析出した炭化物が凝集粗大化することから、Ac₃点が上限温度である。
【００２２】
また、均熱時間は必要量の微細炭化物が析出するかぎり特に制限はないが、好適態様にあっては、５〜120 分である。５分未満では効果が小さく、120 分超では炭化物の凝集粗大化が生じ、かえって結晶粒の成長を促進してしまうことがある。
【００２３】
かかる焼ならし前熱処理を行ってから、焼きならしを行うが、その場合の焼きならし条件は、従来のそれであってもよく、本発明にあっても特に制限はない。例えば、前述の図１に示すように、焼きならし、焼き戻しの場合、Ac₃点以上の温度に加熱し、所定時間保持してから650 ℃以下に冷却し、次いで650 ℃〜Ac₃点の範囲内の温度で焼き戻しを行ってもよく、また、図２に示す２段焼きならしの場合には、焼きならし前熱処理に引き続いて、そのままAc₃点以上の温度に加熱し、その後は、従来の焼きならし処理と同様にしてもよい。
【００２４】
かくして、本発明によれば、結晶粒度No.8以上の微細結晶粒を備えたCr−Mo鋼が製造でき、靱性の改善、耐食性そして耐水蒸気酸化性の改善は顕著である。
なお、結晶粒度No. はJIS Ｇ0552によるものであり、結晶粒度No.8以上の微細結晶粒は、平均断面積0.00049 mm² 以下の微細粒を言う。
次に、本発明の作用効果を実施例に関連させてさらに具体的に説明する。
【００２５】
【実施例】
表１に示す鋼組成をもったビレットから、マンネスマン−マンドレルミル方式により、直径65.0mm、肉厚8.0 mmの鋼管に製管し、「焼ならし」、「焼ならし前熱処理＋焼ならし」および「２段焼ならし」をそれぞれ実施した。
【００２６】
このときの製造条件および得られた鋼管の、焼ならし後のミクロ組織を観察した結果を表２にまとめて示す。
本来なら焼ならし後、焼き戻しを実施するところであるが、粗大粒は焼ならし後でも判断できることから、焼き戻しを行わずに評価を行った。
【００２７】
この材料は、高温特性を確保するために、焼ならし温度は規格により1040℃以上 (ASTMの場合) と定められている。焼ならしのみでは、焼ならし温度が1060℃になると、一部に粒径が0.1 mm以上の粗大な結晶粒が出現する (例No.1、2 ) ことから、JIS G 0552で8.0 以上の微細な整粒が得られる許容温度は1060℃未満である (例No.4、5)。このため、実際には1040〜1060℃で温度管理を行う必要がある。
【００２８】
しかし、650 ℃〜Ac₃点の焼ならし前熱処理を実施すると、焼ならし温度が1080℃までになっても粗大な結晶粒は現れず、焼ならし温度の許容範囲を大きくすることができる (例No.11 、12) 。
また、２段焼ならしの１段目の温度を700 ℃〜Ac₃点とすると、焼ならし前熱処理を行った時と同様の効果が得られる (例No.8、9 、13、14) 。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、結晶粒度No.8以上の微細結晶粒からなるCr-Mo 鋼が得られ、それも焼きならし前熱処理を行うだけでよく、炭化物形成元素として予め添加されたＶ、Nb、Tiの各元素も微細炭化物として均一に分散していることから、本発明により得られるCr-Mo 鋼は靱性に優れ、高温耐食性にも優れることが分かる。
したがって、本発明の実際上の意義は特に顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって、焼ならし前に650 ℃〜Ac₃点の温度に保持し、その後焼ならし、焼き戻しを行うヒートパターンを示すグラフである。
【図２】本発明の変更例を示すもので、焼ならし前に650 ℃〜Ac₃点の温度に保持し、その後、冷却せずに連続して焼ならし温度まで昇温し、焼き戻しを行うヒートパターンを示すグラフである。
【図３】従来の焼ならし、焼き戻しのヒートパターンを示すグラフである。
【図４】従来の等温焼なましのヒートパターンを示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：０．１５〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜１４．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％、Ｎ：０．１０％未満、ならびにＶ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０％、およびＴｉ：０．００５〜０．５０％からなる群から選んだ１種または２種以上、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物元素からなるＣｒ−Ｍｏ鋼から製管後、焼ならし、次いで焼き戻しを行って結晶粒の微細化を図るＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法であって、焼ならしを行うに先立って、６５０℃以上Ａｃ_３点以下の温度に５〜１２０分保持した後、冷却することを特徴とする、微細結晶を有するＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。
Ｃ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：１．０％未満、Ｍｎ：０．１５〜２．０％、Ｃｒ：２．０〜１４．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％、Ｎ：０．１０％未満、ならびにＶ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：０．０５〜０．５０％、およびＴｉ：０．００５〜０．５０％からなる群から選んだ１種または２種以上、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物元素からなるＣｒ−Ｍｏ鋼から製管後、焼ならし、次いで焼き戻しを行って結晶粒の微細化を図るＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法であって、焼ならしを行うに先立って、６５０℃以上Ａｃ_３点以下の温度に５〜１２０分保持した後、冷却することなく、そのまま焼ならしを行うことを特徴とする、微細結晶を有するＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。
Ｃｒ−Ｍｏ鋼の結晶粒度Ｎｏ．がＪＩＳＧ０５５２で８．０以上である請求項１または２記載のＣｒ−Ｍｏ鋼管の製造方法。