JP3891012B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法に関し、特に熱間圧延し、コイル状に巻取った後、靭性を向上させるため２回熱処理を行った場合でもコイル各部での特性の変動が少ない製造安定性に優れる鋼帯の製造方法に関する。本発明において鋼帯は熱間圧延後、コイル状としたものを指す。
【０００２】
【従来の技術】
近年、湿潤炭酸ガスを含む環境に用いられる石油、天然ガスの輸送用ラインパイプが増加し、優れた耐食性と現地溶接性を備えた鋼材として低Ｃ−１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼の使用が増加している。
【０００３】
マルテンサイト系ステンレス鋼は焼入れ性が高く、オーステナイト状態で熱間圧延後空冷した場合でもマルテンサイト組織となり、そのままでは強度が著しく高く塑性加工が困難なため、熱間圧延後焼戻し処理されるが、更に強度、靭性バランスを向上させるため、種々の熱処理が提案されている。
【０００４】
ラインパイプでは、降伏応力を超えた応力が付加された個所において変形が集中し局部的な変形による破壊が生じないよう降伏比が規定され、且つ安定してその特性が得られることが必要とされている。
【０００５】
特開平５−１１２８１８号公報は靭性の優れたマルテンサイト系ステンレス鋼の調質処理方法に関し、焼戻しの前に、Ａｃ１＋２０℃〜Ａｃ１＋１００℃の二相域に加熱し、低強度で且つ高靭性とするもので、マルテンサイト組織を二相域に加熱することにより粒界に析出したオーステナイトにＣをミクロ偏析させ、その後の焼戻しによりＣ濃度の高い結晶粒において炭化物を粗大化させることにより２次硬化を抑制し、マクロ的強度を低化させる方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−１１２８１８号公報記載の技術を熱間圧延後、コイル状とし熱処理を行うラインパイプ用鋼に適用した場合、コイル各部において強度などが安定せず、製造安定性の観点からは問題のあることが判明した。
【０００７】
そこで、本発明では、コイル状とした後に熱処理を行なった場合においても、コイル各部における特性の変動が少ない製造安定性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、コイル各部での特性変動に及ぼす鋼材成分組成、熱処理条件の影響について鋭意検討を行い、二相域加熱後Ｍｆ点以下まで冷却（Ｔ１熱処理）し、更に焼戻し（Ｔ２熱処理）を行う２回熱処理において、Ｔ１熱処理後の鋼中ｆｒｅｅＮ量（ｔｏｔａｌＮ−［Ｎ ａｓ Ｎｉｔｒｉｄｅ］）を適切に制御した場合、特に好ましくは５０ｐｐｍ以上に制御した場合、材料強度の変動が少ないことを見出した。
【０００９】
本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたものであり、すなわち、本発明は、
１．下記の工程を備えたマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法であって、Ｔ２工程後、コイル内における降伏強度の変動幅が８０ＭＰａ以内となるように、Ｔ１工程において二相域加熱温度、昇温速度、保持時間またはこれらの組み合わせを調整する際、当該加熱温度までの到達時間または当該加熱温度での保持時間のいずれか一つは１２０時間として加熱し、冷却後の鋼中ｆｒｅｅＮ量を５０ｐｐｍ以上とすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
（１）マルテンサイト系ステンレス鋼を溶製し、熱間加工後、コイル状としＭｆ点以下まで冷却する工程
（２）二相域加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する工程（Ｔ１工程）
（３）焼戻し後、室温まで冷却する工程（Ｔ２工程）
２．下記の工程を備えたことを特徴とするコイル内における降伏強度の変動幅が８０ＭＰａ以内であるマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
（１）質量％で、Ｃ：０．００６〜０．０３％、Ｃｒ：１１〜１５％、Ｎｉ：１〜７％、Ｎ：０．００６〜０．０３％、Ａｌ：０．０６％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延後、コイル状としＭｆ点以下まで冷却する工程。
（２）（Ａｃ１＋Ａｃ３）／２〜Ａｃ３−１０℃まで加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する際、当該加熱温度での到達時間または当該加熱温度での保持時間のいずれか一つを１２０時間として加熱し、冷却後の鋼中ｆｒｅｅＮ量を５０ｐｐｍ以上とする工程（Ｔ１工程）
（３）Ａｃ１−７０〜Ａｃ１＋７０℃で焼戻し後、室温まで冷却する工程（Ｔ２工程）
３．マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成として更にＣｕ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．３〜３％の一種または二種を含有する２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
【００１０】
４．マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成として更にＣａ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．００３〜０．０２％の一種または二種を含有する２または３のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
【００１１】
５．更に下記の工程を備えたことを特徴とする１ないし４のいずれかひとつに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
（１）熱間圧延し、コイル状とした後、Ｔ１工程の前に、Ａｃ３以上に加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する工程。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、熱間圧延後、コイル状としたものに、靭性を向上させるための２回熱処理（二相域温度に加熱しＭｆ点以下に冷却（Ｔ１工程）後、焼戻し（Ｔ２工程）する）を行う場合において、焼戻し温度を調整した際に、コイル軸心、外周部などの位置によらず安定して均一な強度、靭性を得るため、二相域温度に加熱冷却（Ｔ１工程）後の鋼中ｆｒｅｅＮ量を適切に制御することを特徴とする。
【００１３】
二相域加熱は熱間圧延後のマルテンサイト組織においてそのラス間、旧オーステナイト粒界にオーステナイトを析出させ、フェライト結晶粒径を微細化し、靭性を向上させるとともに焼戻し効果により強度を調節するために行い、（Ａｃ１＋Ａｃ３）／２〜Ａｃ３−１０℃が好ましい。
（Ａｃ１＋Ａｃ３）／２℃未満の温度では、析出オーステナイト量が少なく十分微細組織とできず、一方、Ａｃ３−１０℃を超えると析出オーステナイトからなる組織となりやはり微細組織とすることができない。 二相域加熱後は、マルテンサイト組織とするためＭｆ点以下まで冷却する。
【００１４】
焼戻し温度は、所望の強度、靭性が得られるように調整することが可能であるが、降伏比が高くなり加工が困難とならないようにＡｃ１−７０〜Ａｃ１＋７０℃とすることが好ましい。
【００１５】
Ａｃ１−７０℃未満では、焼戻しによる転位の回復が不足し、一方、Ａｃ１＋７０℃を超えると析出オーステナイト量が多量となりいずれも強度調整が十分行えない。
【００１６】
鋼中ｆｒｅｅＮ量はｔｏｔａｌＮ−［ＮａｓＮｉｔｒｉｄｅ］で定義され、二相域加熱温度、昇温速度、保持時間またはこれらの組み合わせにより焼戻し後の強度のバラツキが少なくなるように調整する。
【００１７】
尚、本発明では、その効果を更に安定にするためＴ１熱処理前の組織を完全マルテンサイト組織とするため、オーステナイト領域に加熱後冷却することができる。
【００１８】
本発明は、上述した製造条件とすることによりマルテンサイト系ステンレス鋼なら、その成分組成によらず十分その効果が得られるが、特に以下の成分組成とすることが好ましく、この場合上述した鋼中ｆｒｅｅＮ量は５０ｐｐｍ以上とする。
【００１９】
Ｃ
Ｃは、焼入れ性向上によりマルテンサイト組織とするため添加し、その作用効果が得られるように０．００６％以上とする。一方、０．０３％を超えると溶接熱影響部が硬化し靭性が低下するため０．００６〜０．０３％（０．００６％以上、０．０３％以下）とする。
【００２０】
Ｃｒ
Ｃｒは、耐食性を向上させるため１１％以上添加する。一方、１５％を超えるとマルテンサイト組織が得られないため、１１〜１５％とする。
【００２１】
Ｎｉ
Ｎｉはオーステナイト相を形成しマルテンサイト組織とするため１％以上添加する。一方、７％を超えるとその効果が飽和し、製品コストが上昇するため１〜７％とする。
【００２２】
Ａｌ
Ａｌは脱酸および組織微細化のため添加するが、０．０６％を超えるとアルミナ系介在物や窒化物により強度特性が不安定となるため、０．０６％以下とする。
【００２３】
Ｎ
Ｎは、マルテンサイト組織とし、強度を向上させるため０．００６％以上とする。一方、０．０３％を超えると溶接熱影響部が硬化し、靭性が低下し、強度が不安定となるため、０．００６〜０．０３％とする。
【００２４】
更に、特性を向上させるため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃａ，Ｔｉの一種または二種以上を添加することができ、その場合の限定理由について説明する。
【００２５】
Ｃｕ
Ｃｕは、オーステナイト相を安定化し、靭性向上させる。０．１％未満ではその効果が得られず、一方、３％を超えると靭性が低下するため０．１〜３％とする。
【００２６】
Ｍｏ
Ｍｏは、耐食性を向上させる。０．３％未満ではその効果が少なく、一方、３％を超えて添加してもその効果が飽和し、強度向上により冷間加工性が劣化するため０．３〜３％とする。
【００２７】
Ｃａ
Ｃａは、Ｓを固定し熱間割れを防止し、介在物の形態制御により鋼中窒化物の形成を制御する。０．０００５％未満ではその効果が得られず、０．００５％を超えると介在物が粗大化し靭性が低下するため０．０００５〜０．００５％とする。
【００２８】
Ｔｉ
Ｔｉは、ＴｉＮを形成し、オーステナイト粒粗大化を抑制し溶接熱影響部の靭性を向上させる。０．００３％未満ではその効果が得られず、０．０２％を超えると、粗大なＴｉＮ形成により靭性が低下するため０．００３〜０．０２％とする。
【００２９】
【実施例】
［実施例１］表１に示す成分組成の供試鋼を熱間圧延により板厚６ｍｍの熱延鋼板とし、二相域熱処理条件（Ｔ１工程）の制御により、鋼中ｆｒｅｅN量を種々変化させた。焼戻し（Ｔ２工程）後の強度（引張強度、降伏強度）を引張試験（試験法：ＪＩＳＺ２２４１準拠、試験片本数５本、試験片形状 ＪＩＳＺ２２０１準拠）により求めた。
表２にＴ１工程、表３にＴ２工程における熱処理条件の一覧を、また、表３には鋼中ｆｒｅｅＮ量と引張試験結果を示す。鋼中ｆｒｅｅＮ量が５０ｐｐｍ以上と多い場合、どの焼戻し温度においても強度特性の変化（ＹＳの最大値と最小値の差）が少なく製造安定性に優れていた。
【００３０】
図１に焼戻し後の強度（ＴＳ：引張強度、ＹＳ：降伏強度）に及ぼす二相域加熱冷却後の鋼中ｆｒｅｅＮ量の影響を示す。
【００３１】
図より、いずれの焼戻し温度の場合でも鋼中Ｎ量を、５０ｐｐｍ以上と制御した場合において強度変動が少なく且つ高強度となっている。５０ｐｐｍ以上の場合、窒化物、固溶Ｎの強度に及ぼす影響が飽和するためと考えられるが詳細は不明である。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
[実施例２]
種々の成分組成の鋼について、二相域加熱条件：７５０℃×１５時間保持、昇温速度５０℃／ｈｒとした場合の鋼中ｆｒｅｅＮ量を求め、上述の引張試験法により、強度特性を調査した。
【００３６】
表４に供試鋼の成分組成、表５に鋼中ｆｒｅｅＮ量と強度特性を示す。請求項２記載の本発明例では強度特性の変動が少ないのに対し、比較例では強度特性の変動が大きい。
【００３７】
【表４】

【００３８】
【表５】

【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、熱間圧延後のコイル各部における強度のバラツキが少ないマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法が得られ、産業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】二相域再加熱し、Ｍｆ点以下まで冷却後の鋼中Ｎ量と焼戻し処理後の引張強度、降伏強度の関係を示す図。

Claims (5)

1. 下記の工程を備えたマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法であって、Ｔ２工程後、コイル内における降伏強度の変動幅が８０ＭＰａ以内となるように、Ｔ１工程において二相域加熱温度、昇温速度、保持時間またはこれらの組み合わせを調整する際、当該加熱温度までの到達時間または当該加熱温度での保持時間のいずれか一つは１２０時間として加熱し、冷却後の鋼中ｆｒｅｅＮ量を５０ｐｐｍ以上とすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
   １．マルテンサイト系ステンレス鋼を溶製し、熱間加工後、コイル状としＭｆ点以下まで冷却する工程
   ２．二相域加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する工程（Ｔ１工程）
   ３．焼戻し後、室温まで冷却する工程（Ｔ２工程）
2. 下記の工程を備えたことを特徴とするコイル内における降伏強度の変動幅が８０ＭＰａ以内であるマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
   １．質量％で、Ｃ：０．００６〜０．０３％、Ｃｒ：１１〜１５％、Ｎｉ：１〜７％、Ｎ：０．００６〜０．０３％、Ａｌ：０．０６％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延後、コイル状としＭｆ点以下まで冷却する工程。
   ２．（Ａｃ１＋Ａｃ３）／２〜Ａｃ３−１０℃まで加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する際、当該加熱温度での到達時間または当該加熱温度での保持時間のいずれか一つを１２０時間として加熱し、冷却後の鋼中ｆｒｅｅＮ量を５０ｐｐｍ以上とする工程（Ｔ１工程）
   ３．Ａｃ１−７０〜Ａｃ１＋７０℃で焼戻し後、室温まで冷却する工程（Ｔ２工程）
3. マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成として更にＣｕ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．３〜３％の一種または二種を含有する請求項２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
4. マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成として更にＣａ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．００３〜０．０２％の一種または二種を含有する請求項２または３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
5. 更に下記の工程を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかひとつに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
   １．熱間圧延し、コイル状とした後、Ｔ１工程の前に、Ａｃ３以上に加熱後、Ｍｆ点以下まで冷却する工程。

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