JP4674421B2 - 高耐食クラッド鋼板の製造方法 - Google Patents
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高耐食クラッド鋼板の製造方法、特に、耐食性に優れたステンレス鋼、高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基合金を合せ材とし、靭性に優れた炭素鋼を母材とするクラッド鋼板を能率的で且つ安価に製造することができる、高耐食クラッド鋼板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラント設備の使用環境激化とメンテナンスフリー指向が高まるのに応じて、厳しい腐食環境下での構造用材料として、ステンレスクラッド鋼板が適用される傾向が強くなっている。中でも圧延によるクラッド鋼板の製造は、量産化、大型商品への対応、経済性等の観点から注目されており、例えば、１８Ｃｒ−８Ｎｉステンレス鋼に代表されるＣｒ−Ｎｉ系、および、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系を主とするオーステナイト系ステンレス鋼は、クラッド化して主に化学プラントや圧力容器等への使用に提供できる技術が確立されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
圧延法により製造したクラッド鋼板は、圧延ままもしくは焼準、溶体化処理の状態で使用されるが、高耐食が要求される用途においては、圧延後の焼準および溶体化処理が合せ材の耐食性向上の観点から欠かせないプロセスとなる。
【０００４】
ところが、クラッド鋼板に対してこれらの高温加熱処理を適用すると、母材金属組織の結晶粒粗大化を引き起こして、靭性を低下させるなどの機械的性質の著しい劣化を招く結果となる。即ち、合せ材の耐食性の向上と母材の機械的性質の向上とは両立し難いことが問題であった。
【０００５】
従って、この発明の目的は、上記問題を克服し、合せ材が優れた耐食性を示し、且つ、母材の機械的性質の良好なクラッド鋼板を高能率に製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、クラッド鋼板の熱処理方法について鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
【０００７】
高周波誘導加熱により鋼板を加熱する場合、板厚および板幅に応じて誘導加熱コイルの出力を選択することにより、板厚方向に２５０℃以上の大きな温度差をつけることが可能となる。これは、鋼板(母材)表面での電流密度の減衰に起因し、母材表面は、電流密度の減衰により鋼板内部に比べて発熱量が大きくなるからである。これによって、鋼板表面と鋼板内部とに間に温度差が生じるようになる。この温度差は、誘導加熱コイルの出力の増加に伴い増大するため、板厚方向に大きな温度差をつけるためには、誘導加熱コイルの出力を上げれば良い。また、裏面に非磁性の合せ材をもつクラッド鋼板の場合においても、母材表面からの伝熱により合せ材を高温に加熱させることができる。
【０００８】
この知見に基づいて、ステンレスクラッド鋼板の合せ材の耐食性ならびに母材靭性に及ぼす加熱条件の影響を検討した。この結果、熱間圧延終了後、高周波誘導加熱によりクラッド鋼板を加熱すれば、合せ材が存在する表(裏)層近傍について９００℃以上で溶体化処理することができ、しかも、板内部については７００℃以下の低温に留まるような、板厚方向に不均一な温度分布を有する加熱を行うことができる。従って、合せ材の耐食性を母材の靭性を損なわずに向上させることができるといった新たな知見を得た。
【０００９】
母材温度が７００℃以下であるということは、鋼のオーステナイト変態点を超えない範囲に保つことによりフェライト粒の粗大化を防止し、しかも、後続の冷却中に、アッパーベイナイトの析出を防ぐことができ、総じて優れた母材靭性を得ることができることを意味する。
【００１０】
この発明は、以上のような知見に基いてなされたもので、合せ材の耐食性の向上と母材の機械的性質の向上との両立を達成することができるクラッド鋼板の高生産性製造技術を提供するものであり、下記を特徴とするものである。
【００１１】
請求項１記載の発明は、炭素鋼を母材とし、非磁性である合せ材がステンレス鋼、高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基合金からなるクラッド鋼板の製造方法において、前記母材および前記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、前記クラッドスラブを熱間圧延してクラッド鋼板を調製し、そして、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により母材表面の温度上昇率５℃／ｓｅｃ以上で加熱して、表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように熱処理することに特徴を有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明におけるクラッド鋼板の母材は、基本的には、炭素鋼であれば良く、成分は特に限定しない。
【００１３】
合せ材としては、非磁性であることが必要であり、Ｃｒ−Ｎｉ系、および、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系を主とするオーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ量２５％以上の高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基ベースのＮｉ基合金等が使用できる。合せ材の成分元素は、特に規定されないが、耐食性の観点からＣ量は、低い方が良く、０．０３％以下が好ましい。
【００１４】
この発明は、上記母材および上記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、熱間圧延によりクラッド鋼板を調製し、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように加熱することによって高耐食クラッド鋼板を製造するものである。
【００１５】
クラッドスラブを１０５０℃以上の温度に加熱するのは、高温強圧下圧延により母材と合せ材との接合性を確保し、更に、合せ材の組織の均質化を図るためである。圧延終了後の加熱時のクラッド鋼板の表面温度を９００℃以上とするのは、圧延後、合せ材に析出したＣｒ炭窒化物等の析出物を固溶させて、合せ材を溶体化処理するためである。そして、板厚中央部が７００℃以下となるように加熱するのは、炭素鋼からなる母材の金属組織の粗大化を抑制するためである。
【００１６】
上述のように、表面温度が９００℃以上、板厚中央部が７００℃以下となるようにクラッド鋼板を加熱するには、クラッド鋼板の平均密度ρ（ｋｇ／ｍ3）、クラッド鋼板の平均比熱Ｃｐ（Ｊ／Ｋ・ｇ）、クラッド鋼板の厚さＨ（ｍ）、クラッド鋼板の幅Ｗ（ｍ）、加熱用コイルの長さＬ（ｍ）として、ρ・Ｃｐ・Ｈ・Ｗ・Ｌ・５（Ｗ：ワット）以上の出力を有する高周波誘導加熱コイルを用い、このコイルに１ｋＨｚ以上の交流電流を、表面温度上昇率が５℃／ｓｅｃ以上となるように通電すれば良い。
【００１７】
３ｋＨｚ以上の交流電流で高周波加熱することにより、非磁性体である合せ材の表面と、母材の合せ材のない側の表面が加熱されて、表面が主に高温になる。３ｋＨｚ未満の場合、非磁性体である合せ材の発熱が少なくなるが、１ｋＨｚ以上であれば、母材の表面が主に加熱されることによって、合せ材も接合界面の母材表層の温度まで伝熱によって高温化する。このとき、母材板厚中心温度の上昇を抑制するためには、母材表面の温度上昇率を５℃／ｓｅｃ以上とする必要がある。これを実現するためには、ρ・Ｃｐ・Ｈ・Ｗ・Ｌ・５（Ｗ：ワット）以上の出力を有する高周波誘導加熱コイルを使用する必要がある。
【００１８】
加熱後の冷却速度については、特に規定しないが、更に卓越した耐食性を付与したい場合は、冷却速度は早い方が好ましく、２℃／秒以上であることが望ましい。
【００１９】
この高周波誘導加熱装置の設置場所は、特に限定されるものではないが、ライン上に設置し、圧延完了後、オンラインで処理すれば、製造工期短縮のメリットは非常に大きくなる。
【００２０】
【実施例】
次に、この発明を実施例により更に説明する。
【００２１】
炭素鋼からなる母材と、表１に示す化学成分からなる合せ材Ａ、Ｂを使用して、表２に示す熱間圧延条件に従って本発明クラッド鋼板Ｎｏ．１から５および比較クラッド鋼板Ｎｏ．６から１０をそれぞれ製造した。そして、各クラッド鋼板から試験片を切り出し、各試験片に対して、合せ材の耐食性試験および母材の靭性試験を行なった。これらの結果を表２に併せて示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
各クラッド鋼板の厚さは２０から５０ｍｍで、クラッド比は、１：４から１：８の範囲内であった。圧延後の熱処理には、４０００から１６０００ｋＷの出力を有する高周波誘導加熱コイルを使用し、所定の熱履歴をクラッド鋼板に付与した。
【００２５】
合せ材の耐食性試験は、ＪＩＳ Ｇ０５７１に規定する、１０％シュウ酸エッチ試験方法により評価した。粒界腐食が全く認められない段状組織を○印、結晶粒界に一部粒界腐食が認められる混合組織を△印、結晶粒が完全に粒界腐食により囲まれたみぞ状組織を×印で示した。
【００２６】
母材の靭性については、板厚中央部よりＶノッチシャルピー試験片を切り出し、試験温度−４０℃における３本平均の吸収エネルギーで評価した。試験温度−４０℃以上で５０Ｊ以上の吸収エネルギーを示す場合を良好と判定した。
【００２７】
表２から明らかなように、本発明クラッド鋼板１から５は、本発明範囲内の条件で製造したクラッド鋼板であり、優れた合せ材の耐食性と母材の高靭性が得られていた。
【００２８】
一方、比較クラッド鋼板６は、高周波誘導加熱による加熱を行なわなかったので、合せ材の耐食性が劣っていた。
【００２９】
比較クラッド鋼板７は、合せ材の加熱温度が本発明範囲を外れて若干低いので、合せ材の耐食性が若干劣っていた。
【００３０】
比較クラッド鋼板８は、母材の加熱温度が本発明範囲を外れて高いので、合せ材の耐食性は優れているものの、母材の靭性が劣っていた。
【００３１】
比較クラッド鋼板９は、合せ材の加熱温度が本発明範囲を外れて大幅に低いので、合せ材の耐食性が劣っていた。
【００３２】
比較クラッド鋼板１０は、母材の加熱温度が本発明範囲を外れて高いので、合せ材の耐食性は優れているものの、母材の靭性が劣っていた。
【００３３】
以上のように、比較クラッド鋼板６から１０は、本発明範囲外の条件で製造したクラッド鋼板であるので、何れも合せ材の耐食性、あるいは母材の靭性において性能が十分でないことが分かった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、母材および前記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、熱間圧延によりクラッド鋼板を調製し、そして、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により母材表面の温度上昇率５℃／ｓｅｃ以上で加熱して、表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように再加熱することによって、耐食性が極めて高いステンレス鋼を合せ材とし、靭性の優れた炭素鋼を母材とするクラッド鋼板を能率的で且つ安価に製造することができる。そして、この発明により製造したクラッド鋼板をプラント等に使用すれば、耐久性に優れ、維持補修が軽度でひいてはライフサイクルコストの最小化要望に適合するので、極めて好ましいといった有用な効果がもたらされる。
【発明の属する技術分野】
この発明は、高耐食クラッド鋼板の製造方法、特に、耐食性に優れたステンレス鋼、高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基合金を合せ材とし、靭性に優れた炭素鋼を母材とするクラッド鋼板を能率的で且つ安価に製造することができる、高耐食クラッド鋼板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラント設備の使用環境激化とメンテナンスフリー指向が高まるのに応じて、厳しい腐食環境下での構造用材料として、ステンレスクラッド鋼板が適用される傾向が強くなっている。中でも圧延によるクラッド鋼板の製造は、量産化、大型商品への対応、経済性等の観点から注目されており、例えば、１８Ｃｒ−８Ｎｉステンレス鋼に代表されるＣｒ−Ｎｉ系、および、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系を主とするオーステナイト系ステンレス鋼は、クラッド化して主に化学プラントや圧力容器等への使用に提供できる技術が確立されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
圧延法により製造したクラッド鋼板は、圧延ままもしくは焼準、溶体化処理の状態で使用されるが、高耐食が要求される用途においては、圧延後の焼準および溶体化処理が合せ材の耐食性向上の観点から欠かせないプロセスとなる。
【０００４】
ところが、クラッド鋼板に対してこれらの高温加熱処理を適用すると、母材金属組織の結晶粒粗大化を引き起こして、靭性を低下させるなどの機械的性質の著しい劣化を招く結果となる。即ち、合せ材の耐食性の向上と母材の機械的性質の向上とは両立し難いことが問題であった。
【０００５】
従って、この発明の目的は、上記問題を克服し、合せ材が優れた耐食性を示し、且つ、母材の機械的性質の良好なクラッド鋼板を高能率に製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、クラッド鋼板の熱処理方法について鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
【０００７】
高周波誘導加熱により鋼板を加熱する場合、板厚および板幅に応じて誘導加熱コイルの出力を選択することにより、板厚方向に２５０℃以上の大きな温度差をつけることが可能となる。これは、鋼板(母材)表面での電流密度の減衰に起因し、母材表面は、電流密度の減衰により鋼板内部に比べて発熱量が大きくなるからである。これによって、鋼板表面と鋼板内部とに間に温度差が生じるようになる。この温度差は、誘導加熱コイルの出力の増加に伴い増大するため、板厚方向に大きな温度差をつけるためには、誘導加熱コイルの出力を上げれば良い。また、裏面に非磁性の合せ材をもつクラッド鋼板の場合においても、母材表面からの伝熱により合せ材を高温に加熱させることができる。
【０００８】
この知見に基づいて、ステンレスクラッド鋼板の合せ材の耐食性ならびに母材靭性に及ぼす加熱条件の影響を検討した。この結果、熱間圧延終了後、高周波誘導加熱によりクラッド鋼板を加熱すれば、合せ材が存在する表(裏)層近傍について９００℃以上で溶体化処理することができ、しかも、板内部については７００℃以下の低温に留まるような、板厚方向に不均一な温度分布を有する加熱を行うことができる。従って、合せ材の耐食性を母材の靭性を損なわずに向上させることができるといった新たな知見を得た。
【０００９】
母材温度が７００℃以下であるということは、鋼のオーステナイト変態点を超えない範囲に保つことによりフェライト粒の粗大化を防止し、しかも、後続の冷却中に、アッパーベイナイトの析出を防ぐことができ、総じて優れた母材靭性を得ることができることを意味する。
【００１０】
この発明は、以上のような知見に基いてなされたもので、合せ材の耐食性の向上と母材の機械的性質の向上との両立を達成することができるクラッド鋼板の高生産性製造技術を提供するものであり、下記を特徴とするものである。
【００１１】
請求項１記載の発明は、炭素鋼を母材とし、非磁性である合せ材がステンレス鋼、高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基合金からなるクラッド鋼板の製造方法において、前記母材および前記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、前記クラッドスラブを熱間圧延してクラッド鋼板を調製し、そして、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により母材表面の温度上昇率５℃／ｓｅｃ以上で加熱して、表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように熱処理することに特徴を有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明におけるクラッド鋼板の母材は、基本的には、炭素鋼であれば良く、成分は特に限定しない。
【００１３】
合せ材としては、非磁性であることが必要であり、Ｃｒ−Ｎｉ系、および、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ系を主とするオーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ量２５％以上の高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基ベースのＮｉ基合金等が使用できる。合せ材の成分元素は、特に規定されないが、耐食性の観点からＣ量は、低い方が良く、０．０３％以下が好ましい。
【００１４】
この発明は、上記母材および上記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、熱間圧延によりクラッド鋼板を調製し、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように加熱することによって高耐食クラッド鋼板を製造するものである。
【００１５】
クラッドスラブを１０５０℃以上の温度に加熱するのは、高温強圧下圧延により母材と合せ材との接合性を確保し、更に、合せ材の組織の均質化を図るためである。圧延終了後の加熱時のクラッド鋼板の表面温度を９００℃以上とするのは、圧延後、合せ材に析出したＣｒ炭窒化物等の析出物を固溶させて、合せ材を溶体化処理するためである。そして、板厚中央部が７００℃以下となるように加熱するのは、炭素鋼からなる母材の金属組織の粗大化を抑制するためである。
【００１６】
上述のように、表面温度が９００℃以上、板厚中央部が７００℃以下となるようにクラッド鋼板を加熱するには、クラッド鋼板の平均密度ρ（ｋｇ／ｍ3）、クラッド鋼板の平均比熱Ｃｐ（Ｊ／Ｋ・ｇ）、クラッド鋼板の厚さＨ（ｍ）、クラッド鋼板の幅Ｗ（ｍ）、加熱用コイルの長さＬ（ｍ）として、ρ・Ｃｐ・Ｈ・Ｗ・Ｌ・５（Ｗ：ワット）以上の出力を有する高周波誘導加熱コイルを用い、このコイルに１ｋＨｚ以上の交流電流を、表面温度上昇率が５℃／ｓｅｃ以上となるように通電すれば良い。
【００１７】
３ｋＨｚ以上の交流電流で高周波加熱することにより、非磁性体である合せ材の表面と、母材の合せ材のない側の表面が加熱されて、表面が主に高温になる。３ｋＨｚ未満の場合、非磁性体である合せ材の発熱が少なくなるが、１ｋＨｚ以上であれば、母材の表面が主に加熱されることによって、合せ材も接合界面の母材表層の温度まで伝熱によって高温化する。このとき、母材板厚中心温度の上昇を抑制するためには、母材表面の温度上昇率を５℃／ｓｅｃ以上とする必要がある。これを実現するためには、ρ・Ｃｐ・Ｈ・Ｗ・Ｌ・５（Ｗ：ワット）以上の出力を有する高周波誘導加熱コイルを使用する必要がある。
【００１８】
加熱後の冷却速度については、特に規定しないが、更に卓越した耐食性を付与したい場合は、冷却速度は早い方が好ましく、２℃／秒以上であることが望ましい。
【００１９】
この高周波誘導加熱装置の設置場所は、特に限定されるものではないが、ライン上に設置し、圧延完了後、オンラインで処理すれば、製造工期短縮のメリットは非常に大きくなる。
【００２０】
【実施例】
次に、この発明を実施例により更に説明する。
【００２１】
炭素鋼からなる母材と、表１に示す化学成分からなる合せ材Ａ、Ｂを使用して、表２に示す熱間圧延条件に従って本発明クラッド鋼板Ｎｏ．１から５および比較クラッド鋼板Ｎｏ．６から１０をそれぞれ製造した。そして、各クラッド鋼板から試験片を切り出し、各試験片に対して、合せ材の耐食性試験および母材の靭性試験を行なった。これらの結果を表２に併せて示す。
【００２２】
【表１】
【表２】
各クラッド鋼板の厚さは２０から５０ｍｍで、クラッド比は、１：４から１：８の範囲内であった。圧延後の熱処理には、４０００から１６０００ｋＷの出力を有する高周波誘導加熱コイルを使用し、所定の熱履歴をクラッド鋼板に付与した。
【００２５】
合せ材の耐食性試験は、ＪＩＳ Ｇ０５７１に規定する、１０％シュウ酸エッチ試験方法により評価した。粒界腐食が全く認められない段状組織を○印、結晶粒界に一部粒界腐食が認められる混合組織を△印、結晶粒が完全に粒界腐食により囲まれたみぞ状組織を×印で示した。
【００２６】
母材の靭性については、板厚中央部よりＶノッチシャルピー試験片を切り出し、試験温度−４０℃における３本平均の吸収エネルギーで評価した。試験温度−４０℃以上で５０Ｊ以上の吸収エネルギーを示す場合を良好と判定した。
【００２７】
表２から明らかなように、本発明クラッド鋼板１から５は、本発明範囲内の条件で製造したクラッド鋼板であり、優れた合せ材の耐食性と母材の高靭性が得られていた。
【００２８】
一方、比較クラッド鋼板６は、高周波誘導加熱による加熱を行なわなかったので、合せ材の耐食性が劣っていた。
【００２９】
比較クラッド鋼板７は、合せ材の加熱温度が本発明範囲を外れて若干低いので、合せ材の耐食性が若干劣っていた。
【００３０】
比較クラッド鋼板８は、母材の加熱温度が本発明範囲を外れて高いので、合せ材の耐食性は優れているものの、母材の靭性が劣っていた。
【００３１】
比較クラッド鋼板９は、合せ材の加熱温度が本発明範囲を外れて大幅に低いので、合せ材の耐食性が劣っていた。
【００３２】
比較クラッド鋼板１０は、母材の加熱温度が本発明範囲を外れて高いので、合せ材の耐食性は優れているものの、母材の靭性が劣っていた。
【００３３】
以上のように、比較クラッド鋼板６から１０は、本発明範囲外の条件で製造したクラッド鋼板であるので、何れも合せ材の耐食性、あるいは母材の靭性において性能が十分でないことが分かった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、母材および前記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、熱間圧延によりクラッド鋼板を調製し、そして、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により母材表面の温度上昇率５℃／ｓｅｃ以上で加熱して、表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように再加熱することによって、耐食性が極めて高いステンレス鋼を合せ材とし、靭性の優れた炭素鋼を母材とするクラッド鋼板を能率的で且つ安価に製造することができる。そして、この発明により製造したクラッド鋼板をプラント等に使用すれば、耐久性に優れ、維持補修が軽度でひいてはライフサイクルコストの最小化要望に適合するので、極めて好ましいといった有用な効果がもたらされる。
Claims (1)
- 炭素鋼を母材とし、非磁性である合せ材がステンレス鋼、高Ｎｉ合金あるいはＮｉ基合金からなるクラッド鋼板の製造方法において、
前記母材および前記合せ材からなるクラッドスラブを１０５０℃以上に加熱し、次いで、前記クラッドスラブを熱間圧延してクラッド鋼板を調製し、そして、前記クラッド鋼板を高周波誘導加熱により母材表面の温度上昇率５℃／ｓｅｃ以上で加熱して、表面温度が９００℃以上、母材板厚中央部が７００℃以下となるように熱処理することを特徴とする、高耐食クラッド鋼板の製造方法。
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Families Citing this family (6)
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2001
- 2001-07-13 JP JP2001213136A patent/JP4674421B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPS6043433A (ja) * | 1983-08-19 | 1985-03-08 | Nippon Kokan Kk <Nkk> | 耐食性および靭性に優れたクラツド鋼板の製造方法 |
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| JP2003027140A (ja) | 2003-01-29 |
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