JP6358411B1 - 二相ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 質量%で、
C:0.03%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:0.10〜1.5%、
P:0.030%以下、
S:0.005%以下、
Cr:20.0〜30.0%、
Ni:5.0〜10.0%、
Mo:2.0〜5.0%、
Cu:2.0〜6.0%、
N:0.07%未満
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
組織は、体積率で20〜70%のオーステナイト相と30〜80%のフェライト相を有する、
降伏強さYSが655MPa以上、試験温度:−10℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE−10が40J以上である二相ステンレス鋼。
[2] 前記組成に加えてさらに、質量%で、W:0.02〜1.5%を含有する[1]に記載の二相ステンレス鋼。
[3] 前記組成に加えてさらに、質量%で、V:0.02〜0.20%を含有する[1]または[2]に記載の二相ステンレス鋼。
[4] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Zr:0.50%以下、
B:0.0030%以下
のうちから選ばれた1種または2種を含有する[1]〜[3]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼。
[5] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
REM:0.005%以下、
Ca:0.005%以下、
Sn:0.20%以下、
Mg:0.0002〜0.01%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する[1]〜[4]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼。
[6] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Ta:0.01〜0.1%、
Co:0.01〜1.0%、
Sb:0.01〜1.0%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する[1]〜[5]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼。
[7] 前記組織は、さらに、肉厚方向に引いた線分の単位長さ(1mm)当たりに存在するフェライト‐オーステナイト粒界の数として定義されるGSI値が鋼材の肉厚中心部で176以上である[1]〜[6]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼。
[8] 質量%で、
C:0.03%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:0.10〜1.5%、
P:0.030%以下、
S:0.005%以下、
Cr:20.0〜30.0%、
Ni:5.0〜10.0%、
Mo:2.0〜5.0%、
Cu:2.0〜6.0%、
N:0.07%未満
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼を、
1000℃以上の加熱温度に加熱したのち、空冷以上の平均冷却速度で300℃以下の温度まで冷却する溶体化熱処理と、
350℃〜600℃の温度に加熱し冷却する時効熱処理とを施す、
降伏強さYSが655MPa以上かつ、試験温度:−10℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE−10が40J以上である二相ステンレス鋼の製造方法。
[9] 前記組成に加えてさらに、質量%で、W:0.02〜1.5%を含有する[8]に記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
[10] 前記組成に加えてさらに、質量%で、V:0.02〜0.20%を含有する[8]または[9]に記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
[11] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Zr:0.50%以下、
B:0.0030%以下
のうちから選ばれた1種または2種を含有する[8]〜[10]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
[12] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
REM:0.005%以下、
Ca:0.005%以下、
Sn:0.20%以下、
Mg:0.0002〜0.01%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する[8]〜[11]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
[13] 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Ta:0.01〜0.1%、
Co:0.01〜1.0%、
Sb:0.01〜1.0%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する[8]〜[12]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
[14] 前記ステンレス鋼は、前記組成を有する鋼素材を加熱し熱間加工を施して鋼管素材とし、該鋼管素材を加熱し、造管、成形し、空冷以上の冷却を施して継目無鋼管としたものであり、
前記熱間加工は、1200℃〜1000℃の温度域における合計圧下量が30%以上50%以下、である[8]〜[13]のいずれかに記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
Cは、オーステナイト相を安定させて強度・低温靭性を向上させる効果を有する元素である。降伏強さが95ksi以上(655MPa以上)の高強度、vE−10が40J以上の低温靭性を実現するためには、C含有量は0.002%以上とすることが好ましい。しかし、C含有量が0.03%を超えると、熱処理より炭化物の析出が過剰となる。耐食性に悪影響を及ぼす場合もある。そのため、C含有量の上限は0.03%とする。好ましくはC含有量は0.02%以下である。より好ましくはC含有量は0.012%以下とする。より好ましくはC含有量は0.005%以上とする。
Siは、脱酸剤として有効な元素であり、この効果を得るためには、0.05%以上の含有量が好ましい。より好ましくは、Si含有量は0.10%以上とする。しかしながら、Si含有量が1.0%を超えると熱処理により金属間化合物の析出が過剰となり、鋼の耐食性を劣化させる。このため、Si含有量は1.0%以下とする。好ましくはSi含有量は0.7%以下である。より好ましくはSi含有量は0.6%以下である。
Mnは、上述のSiと同様に、脱酸剤として有効な元素であるとともに、鋼中に不可避的に含有されるSを硫化物として固定し熱間加工性を改善する。これらの効果はMn含有量が0.10%以上で得られる。しかし、Mn含有量が1.5%を超えると熱間加工性が低下するだけでなく、耐食性に悪影響を及ぼす。このため、Mn含有量は0.10〜1.5%とする。好ましくはMn含有量は0.15〜1.0%である。より好ましくは0.2〜0.5%である。
Pは、耐炭酸ガス腐食性、耐孔食性および耐硫化物応力割れ性等の耐食性を低下させるため、本発明ではできるだけ低減することが好ましいが、P含有量は0.030%以下であれば許容できる。このようなことから、P含有量は0.030%以下とする。好ましくはP含有量は0.020%以下である。なお、製造コストの上昇を防止する観点より、好ましくはP含有量は0.005%以上とする。
Sは、熱間加工性を著しく低下させる、パイプ製造工程の安定操業を阻害する元素であり、できるだけ低減することが好ましいが、S含有量は0.005%以下であれば通常工程のパイプ製造が可能となる。このようなことから、S含有量は0.005%以下とする。好ましくは、S含有量は0.002%以下である。なお、製造コストの上昇を防止する観点より、好ましくはS含有量は0.0005%以上とする。
Crは、耐食性を維持し、強度を向上するために有効な基本成分である。これらの効果を得るためには、その含有量を20.0%以上とする必要がある。しかし、Crの含有量が30.0%を超えると、σ相が析出し易くなり耐食性と靭性がともに劣化する。従って、Crの含有量は20.0〜30.0%とする。より高強度を得るためには、好ましくはCr含有量は21.4%以上とする。より好ましくはCr含有量は23.0%以上である。また、靱性の観点からは、好ましくはCr含有量は28.0%以下である。
Niは、オーステナイト相を安定させ、二相組織を得るために含有される元素である。Ni含有量が5.0%未満の場合、フェライト相が主体となって二相組織が得られない。一方、Ni含有量が10.0%を超えると、オーステナイト主体となり二相組織が得られない。また、Niが高価な元素であるために経済性も損なわれる。従って、Ni含有量は5.0〜10.0%とする。好ましくは、Ni含有量は8.0%以下である。
Moは、Cl−や低pHによる耐孔食性を向上させ、耐硫化物応力割れ性および耐硫化物応力腐食割れ性を高める元素である。本発明では、Moは2.0%以上の含有を必要とする。一方、Moが5.0%を超える多量の含有は、σ相が析出し、靭性、耐食性が低下する。従って、Mo含有量は2.0〜5.0%とする。好ましくはMo含有量は2.5〜4.5%である。
Cuは、時効熱処理にて微細なε−Cuを析出し、強度を大幅に上昇させるうえ、保護皮膜を強固にして鋼中への水素侵入を抑制し、耐硫化物応力割れ性および耐硫化物応力腐食割れ性を高める。そのため、本発明において非常に重要な元素である。これらの効果を得るためには、Cuは2.0%以上の含有を必要とする。一方、Cuが6.0%を超える含有は、低温靭性値が低下する。このため、Cu含有量は6.0%以下とする。従って、Cu含有量は2.0〜6.0%とする。好ましくはCu含有量は2.5〜5.5%である。
Nは、通常の二相ステンレス鋼においては、耐孔食性を向上させ、また固溶強化に寄与する元素として知られ、0.10%以上が積極的に添加される。しかしながら、本発明者らは、時効熱処理を行う場合には、Nはむしろ種々の窒化物を形成し、低温靭性の低下、80℃以下の低温での耐硫化物応力腐食割れ性および耐硫化物応力割れ性を低下させる元素であり、このような作用はN含有量が0.07%以上で顕著であることを新たに明らかにした。このことから、N含有量は0.07%未満とする。好ましくはN含有量は0.03%以下、より好ましくはN含有量は0.015%以下である。製造コストの上昇を防止する観点より、好ましくはN含有量は0.005%以上とする。
Wは、耐硫化物応力腐食割れ性、耐硫化物応力割れ性を向上させる元素として有用である。このような効果を得るためには、W含有量は0.02%以上含有することが望ましい。一方、Wは1.5%を超えて多量に含有すると、低温靭性を低下させる場合がある。従って、Wを含有する場合には、0.02〜1.5%とする。好ましくはW含有量は0.8〜1.2%である。
Vは、析出強化により鋼の強度を向上させる元素として有用である。このような効果を得るためにはV含有量は0.02%以上含有することが望ましい。一方、Vは0.20%を超えて含有すると、低温靭性を低下させる場合がある。また、多量に含有すると、耐硫化物応力割れ性が低下する場合がある。このため、V含有量は0.20%以下が望ましい。従って、Vを含有する場合には、0.02〜0.20%とする。より好ましくはV含有量は0.04〜0.08%である。
Zr、Bは、いずれも、強度増加に寄与する元素として有用であり、必要に応じて選択して含有できる。
REM、Ca、Sn、Mgはいずれも、耐硫化物応力腐食割れ性の改善に寄与する元素として有用であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果を確保するためには、それぞれREM:0.001%以上、Ca:0.001%以上、Sn:0.05%以上、Mg:0.0002%以上を含有することが望ましい。より好ましくは、それぞれREM:0.0015%以上、Ca:0.0015%以上、Sn:0.09%以上、Mg:0.0005%以上とする。一方、REM:0.005%、Ca:0.005%、Sn:0.20%、Mg:0.01%をそれぞれ超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利となる場合がある。このため、含有する場合には、それぞれREM:0.005%以下、Ca:0.005%以下、Sn:0.20%以下、Mg:0.01%以下とする。より好ましくは、それぞれREM:0.004%以下、Ca:0.004%以下、Sn:0.15%以下、Mg:0.005%以下とする。
Ta、Co、Sbはいずれも耐CO2腐食性、耐硫化物応力割れ性および耐硫化物応力腐食割れ性の改善に寄与する元素として有用であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果を確保するためには、それぞれTa:0.01%以上、Co:0.01%以上、Sb:0.01%以上含有することが望ましい。一方、Ta:0.1%、Co:1.0%、Sb:1.0%を超えて含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなる場合がある。このため、含有する場合には、それぞれTa:0.01〜0.1%、Co:0.01〜1.0%、Sb:0.01〜1.0%とする。なお、Coは、上述の効果に加えて、Ms点を高め、強度増加にも寄与する。より好ましくは、それぞれTa:0.02〜0.05%、Co:0.02〜0.5%、Sb:0.02〜0.5%とする。
得られた鋼管の圧延方向に垂直な面かつ板厚中央位置の面より組織観察用試験片を採取した。この組織観察用試験片を、研磨、ビレラ液(ピクリン酸、塩酸およびエタノールをそれぞれ2g、10ml、および100mlの割合で混合した試薬)で腐食して、光学顕微鏡(倍率:400倍)で組織を観察した。得られた組織写真を用いて肉厚方向に単位長さ当たり(試験片における1mm相当)のフェライト−オーステナイト粒界の数(本/mm)を測定する事により求めた。
フェライト相の体積率は、圧延方向に垂直な面かつ板厚中央位置の面を走査型電子顕微鏡で観察することにより求めた。上述の組織観察用試験片をビレラ試薬で腐食して走査型電子顕微鏡(1000倍)で組織を撮像し、画像解析装置を用いて、フェライト相の面積率の平均値を算出し、これを体積率(体積%)とした。
γ(体積率)=100/(1+(IαRγ/IγRα))
ここで、Iα:αの積分強度
Rα:αの結晶額的理論計算値
Iγ:γの積分強度
Rγ:γの結晶額的理論計算値
を用いて換算した。
上述の熱処理を施された試験片素材から、API弧状引張試験片を採取し、APIの規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性(降伏強さYS、引張強さTS)を求めた。本発明では、降伏強度は、655MPa以上を合格と評価した。
上述の熱処理を施された試験片素材から、JIS Z 2242の規定に準拠して、Vノッチ試験片(10mm厚)を採取し、シャルピー衝撃試験を実施し、−10℃における吸収エネルギーを求め、靭性を評価した。本発明では、vE−10:40J以上を合格と評価した。また得られた結果をGSI値との関係で整理し、図1に示す。
上述の熱処理処理を施された試験片素材から、厚さ3mm×幅30mm×長さ40mmの腐食試験片を機械加工によって作製し、腐食試験を実施した。
上述の熱処理を施された試験片素材から、NACE TM0177 Method Aに準拠して、丸棒状の試験片(直径:6.4mmφ)を機械加工によって作製し、耐SSC試験を実施した。
また、上述の熱処理された試験片素材から、機械加工により、厚さ3mm×幅15mm×長さ115mmの4点曲げ試験片を採取し、耐SCC試験を実施した。
Claims (9)
- 質量%で、
C:0.03%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:0.10〜1.5%、
P:0.030%以下、
S:0.005%以下、
Cr:20.0〜30.0%、
Ni:5.0〜10.0%、
Mo:2.0〜5.0%、
Cu:2.0〜6.0%、
N:0.07%未満
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
組織は、体積率で20〜70%のオーステナイト相と30〜80%のフェライト相を有し、残部は合計で1%以下の析出物からなり、
降伏強さYSが655MPa以上、試験温度:−10℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE−10が40J以上である二相ステンレス鋼。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、W:0.02〜1.5%を含有する請求項1に記載の二相ステンレス鋼。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、V:0.02〜0.20%を含有する請求項1または2に記載の二相ステンレス鋼。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Zr:0.50%以下、
B:0.0030%以下
のうちから選ばれた1種または2種を含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の二相ステンレス鋼。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、
REM:0.005%以下、
Ca:0.005%以下、
Sn:0.20%以下、
Mg:0.0002〜0.01%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の二相ステンレス鋼。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、
Ta:0.01〜0.1%、
Co:0.01〜1.0%、
Sb:0.01〜1.0%
のうちから選らばれた1種または2種以上を含有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の二相ステンレス鋼。 - 前記組織は、さらに、肉厚方向に引いた線分の単位長さ(1mm)当たりに存在するフェライト‐オーステナイト粒界の数として定義されるGSI値が鋼材の肉厚中心部で176以上である請求項1〜6のいずれか1項に記載の二相ステンレス鋼。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の二相ステンレス鋼の製造方法であって、ステンレス鋼を、
1000℃以上の加熱温度に加熱したのち、空冷以上の平均冷却速度で300℃以下の温度まで冷却する溶体化熱処理と、
350℃〜600℃の温度に加熱し冷却する時効熱処理とを施す、
降伏強さYSが655MPa以上かつ、試験温度:−10℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE−10が40J以上である二相ステンレス鋼の製造方法。 - 前記ステンレス鋼は、前記組成を有する鋼素材を加熱し熱間加工を施して鋼管素材とし、該鋼管素材を加熱し、造管、成形し、空冷以上の冷却を施して継目無鋼管としたものであり、
前記熱間加工は、1200℃〜1000℃の温度域における合計圧下量が30%以上50%以下、である請求項8に記載の二相ステンレス鋼の製造方法。
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