JP7058601B2

JP7058601B2 - オーステナイトステンレス鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP7058601B2
Application number: JP2018534663A
Authority: JP
Inventors: エーリククェーンベリ，; ダニエルスヴェードベリ，
Original assignee: サンドビックインテレクチュアルプロパティーアクティエボラーグ
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: KR102583353B1; CN108474053B; EP3397783A1; KR20180097575A; US11313006B2; JP2019507016A; WO2017114849A1; US20190017134A1; CN108474053A

Description

本開示は、オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法に関する。

本明細書で定義される組成を有するステンレス鋼管は、かなりの機械的負荷だけでなく腐食環境の下に置かれる多様な用途に使用される。このようなステンレス鋼管の製造中には、様々なプロセスパラメータが、望まれる耐力（ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する鋼管を得るために、正しく設定されなければならない。管の材料の最終的な耐力に重要な影響を及ぼすことが知られているプロセスパラメータは、次のものである：熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び熱間押出管がその最終寸法に冷間圧延されるプロセス中の管径と管壁圧下（ｔｕｂｅｗａｌｌｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）の間の比。これらのプロセスパラメータは、オーステナイトステンレス鋼の特定の組成、及びステンレス鋼管に望まれる耐力を考慮して設定されなければならない。

今まで、先行技術は、オーステナイトステンレス鋼管の目標とする耐力を結果的に達成するプロセスパラメータの値を見出すために、広範囲に渡る試験を行うことに頼ってきた。このような試験は、労力を要し、費用がかかる。それゆえに、耐力にとって極めて重要なプロセスパラメータを決定するための、より費用効率の高い方法が望ましい。

ＥＰ２３８８３４１は、特定の化学組成を有する二相ステンレス鋼管を製造するための方法を示唆し、この方法では、最終の冷間圧延工程における面積圧下に関する加工度（％）が、加工度と目標耐力との間の関係への特定の合金元素の影響もまた含む与えられた式によって、管の予め決められた目標耐力に対して決定される。しかし、式には、さらなるプロセスパラメータは含まれていない。さらに、熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び管径と管肉圧下の間の比のようなプロセスパラメータを如何に設定するかについての教示がない。

それゆえに、本開示は、オーステナイトステンレス鋼の特定の目標耐力に関して、熱間変形の度合い、冷間変形の度合い、及び管径と管肉圧下の間の比を設定することによって、オーステナイトステンレス鋼管を製造し、それによって全体としての製造効率を向上させるための方法を示すことを目標とする。

このゆえに、本開示は、オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法であって、前記鋼は、次の組成（重量％で）、
Ｃ０～０．３；
Ｃｒ２６～２８；
Ｃｕ０．６～１．４；
Ｍｎ０～２．５；
Ｍｏ３～４．４；
Ｎ０～０．１；
Ｎｉ２９．５～３４；
Ｓｉ０～１．０；
残部Ｆｅ及び不可避又は許容不純物；
を有し、
ａ）オーステナイトステンレス鋼のインゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程；
ｂ）工程ａ）で得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出する工程；
ｃ）工程ｂ）で得られた管を、その最終寸法へと冷間圧延する工程；
を含み、
ここで、冷間圧延された管の外径Ｄは、７０～２５０ｍｍであり、その肉厚ｔは、６～２５ｍｍであり、
冷間圧延工程は、次の式：
（２．５×Ｒｃ＋１．８５×Ｒｈ－１７．７×Ｑ）＝（Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔ＋４９．３－１０７３×Ｃ－２１Ｃｒ－７．１７×Ｍｏ－８３３．３×Ｎ）±Ｚ（１）
を満たすように行われ、
式中、
－Ｒｃは、冷間圧下の度合いであり、

として定義され、式中、Ａ１は、冷間変形前の管横断面積であり、Ａ０は、冷間変形後の管横断面積であり、
－Ｒｈは、熱間圧下の度合いであり、

として定義され、式中、ａ１は、熱間変形前の１塊の鋼の横断面であり、ａ０は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積であり、
－Ｑは、（Ｗ０－Ｗ１）×（ＯＤ０－Ｗ０）／Ｗ０（（ＯＤ０－Ｗ０）－（ＯＤ１－Ｗ１））（４）
であり、式中、Ｗ１は、圧下前の管肉厚であり、Ｗ０は、圧下後の管肉厚であり、ＯＤ１は、圧下前の管の外径であり、ＯＤ０は、圧下後の管の外径であり、
－Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔは、目標耐力であり、７５０≦Ｒ_{ｐ０．２ｔａｒｇｅｔ}≦１０００ＭＰａであり、
－３０≦Ｒｃ≦７５％、
－５０％≦Ｒｈ≦９０％、
－１≦Ｑ≦３．６であり、
－Ｚは６５である、
方法に関する。

式（１）によって示される関係は、オーステナイトステンレス鋼の組成、すなわち、元素Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮの含有量に基づいて、Ｒｃ、Ｒｈ及びＱに対するプロセスパラメータの値を決めることを可能にするであろう。

式（１）は、次のように書くこともできる：
（Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔ＋４９．３－１０７３×Ｃ－２１Ｃｒ－７．１７×Ｍｏ－８３３．３×Ｎ）－Ｚ≦（２．５×Ｒｃ＋１．８５×Ｒｈ－１７．７×Ｑ）≦（Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔ＋４９．３－１０７３×Ｃ－２１Ｃｒ－７．１７×Ｍｏ－８３３．３×Ｎ）＋Ｚ

Ｒｃは、

として定義され、式中、Ａ１は、冷間変形前の管横断面積であり、Ａ０は、冷間変形後の管横断面積である。

Ｒｈは、

として定義され、式中、ａ１は、熱間変形前の１塊の鋼の横断面であり、ａ０は、熱間変形、すなわち熱間押出後の管横断面積である。

一実施態様によれば、Ｚ＝５０である。別の実施態様によれば、Ｚ＝２０である。さらに別の実施態様によれば、Ｚ＝０である。

Ｑ値は、肉厚圧下と外径の圧下との間の関係であり、次のように定義され、
Ｑ＝（Ｗ０－Ｗ１）×（ＯＤ０－Ｗ０）／Ｗ０（（ＯＤ０－Ｗ０）－（ＯＤ１－Ｗ１））（４）
式中、Ｗ１は、圧下前の管肉厚であり、Ｗ０は、圧下後の管肉厚であり、ＯＤ１は、圧下前の管の外径であり、ＯＤ０は、圧下後の管の外径である。

オーステナイトステンレス鋼の組成及び製造される管の目標耐力に基づいて、Ｒｃ、Ｒｈ及びＱの値は、式（１）を満たす、Ｒｃ、Ｒｈ及びＱの値を見出すことを目指す繰返し計算手法によって設定され得る。

オーステナイトステンレス鋼の組成について、次のことが、その中の個々の合金元素に関して注目されるべきである。

炭素、Ｃは、オーステナイト相を安定化させるための代表的元素であり、機械的強度を保持するための重要な元素である。しかし、炭素が大きな含有量で用いられると、炭素は、炭化物として析出し、このため耐腐食性が低下するであろう。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の炭素含有量は、０から０．３ｗｔ％である。別の実施態様によれば、炭素含有量は、０．００６から０．０１９ｗｔ％である。

クロム、Ｃｒは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に、特に孔食に強い影響を及ぼす。Ｃｒは、耐力を向上させ、オーステナイトステンレス鋼の変形時の、マルテンサイト構造へのオーステナイト構造の変態を妨げる。しかし、Ｃｒの含有量を増加させると、結果として、安定な好ましくない窒化クロム及びシグマ相の生成に向かい、より迅速にシグマ相を生成する。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のクロム含有量は、２６から２８ｗｔ％、例えば２６．４から２７．２ｗｔ％である。

銅、Ｃｕは、耐腐食性に好ましい影響を及ぼす。Ｃｕは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼に、意図をもって添加されるか、又は、鋼の生産に使用されるスクラップ材にすでに存在しており、その中にそのまま残されるかの何れかである。余りに高いレベルのＣｕは、結果として、熱間加工性及び靭性を低下させるであろうから、これらの理由で避けられるべきである。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の銅含有量は、０．６から１．４ｗｔ％、例えば０．８３から１．１９ｗｔ％である。

マンガン、Ｍｎは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼に、変形硬化作用を有する。Ｍｎは、また、鋼に存在する硫黄と一緒に硫化マンガンを生成し、それによって熱間加工性を向上させることが知られている。しかし、余りに高いレベルでは、Ｍｎは、耐腐食性と熱間加工性の両方に悪影響を及ぼす傾向がある。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のマンガン含有量は、０から２．５ｗｔ％である。一実施態様によれば、マンガン含有量は、１．５１から１．９７ｗｔ％である。

モリブデン、Ｍｏは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に強い影響を及ぼし、それは、耐孔食指数、ＰＲＥに大きく影響する。Ｍｏは、また、耐力に好ましい影響を及ぼし、また、好ましくないシグマ相が安定であり、その生成速度を高める温度を上昇させる。さらに、Ｍｏは、フェライト安定化作用を有する。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のモリブデン含有量は、３から５．０ｗｔ％、３から４．４ｗｔ％、例えば３．２７から４．４ｗｔ％である。

ニッケル、Ｎｉは、全面腐食に対する耐性に好ましい影響を及ぼす。Ｎｉは、また、強いオーステナイト安定化作用を有し、その結果、オーステナイトステンレス鋼において決定的な役割を果たす。一実施態様によれば、上及び下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のニッケル含有量は、２９．５から３４ｗｔ％、例えば３０．３から３１．３ｗｔ％である。

窒素、Ｎは、上又は下で定義されているオーステナイトステンレス鋼の耐腐食性に好ましい影響を及ぼし、また変形硬化にも寄与する。それは、耐孔食指数ＰＲＥ（ＰＲＥ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ）に強い影響を及ぼす。それは、また、強いオーステナイト安定化作用も有し、オーステナイトステンレス鋼の塑性変形での、マルテンサイト構造へのオーステナイト構造の変態を妨げる。一実施態様によれば、上又は下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼の窒素含有量は、０から０．１ｗｔ％である。別の実施態様によれば、Ｎは、０．０３ｗｔ％以上の量で添加される。余りに高いレベルでは、Ｎは、窒化クロムを増す傾向があり、これは、延性及び耐腐食性への、その悪影響のせいで、避けられるべきである。こうして、一実施態様によれば、Ｎの含有量は、結果として、０．０９ｗｔ％以下である。

ケイ素、Ｓｉは、オーステナイトステンレス鋼の製造の初期に脱酸のために使用されていることもあるので、多くの場合、オーステナイトステンレス鋼に存在する。余りに高いＳｉのレベルは、オーステナイトステンレス鋼のその後の熱処理又は溶接に付随して、金属間化合物の析出を生じ得る。このような析出は、耐腐食性と加工性の両方に悪影響を及ぼすであろう。一実施態様によれば、上又は下で開示されている方法で使用されるオーステナイトステンレス鋼のケイ素含有量は、０から１．０ｗｔ％である。一実施態様によれば、ケイ素含有量は、０．３から０．５ｗｔ％である。

リン、Ｐは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、余りに高いレベルだと、結果として鋼の加工性が低下するであろうから、Ｐ≦０．０４ｗｔ％である。

硫黄、Ｓは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、余りに高いレベルだと、結果として鋼の加工性が低下するであろうから、Ｓ≦０．０３ｗｔ％である。

酸素、Ｏは、上又は下で開示されている方法で使用されるステンレス鋼に、不純物として存在し得るが、ここでは、Ｏ≦０．０１０ｗｔ％である。

任意選択的に、少量の他の合金元素が、例えば、機械加工性又は熱間加工特性、例えば熱間延性を向上させるために、上又は下で定義されている二相ステンレス鋼に添加され得る。このような元素の例は、限定ではないが、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｐｂ及びＣｅである。一又は複数のこれらの元素の量は、最大で０．５ｗｔ％である。一実施態様によれば、上又は下で定義されている二相ステンレス鋼は、また、プロセス中に添加されたものであり得る少量の他の合金元素、例えば、Ｃａ（≦０．０１ｗｔ％）、Ｍｇ（≦０．０１ｗｔ％）、及び希土類金属ＲＥＭ（≦０．２ｗｔ％）を含み得る。

用語「最大で」又は「以下」が使用されている場合、当業者は、別の数値が明確に述べられていなければ、範囲の下限が０ｗｔ％であることを知っている。上又は下で定義されている二相ステンレス鋼の残部の元素は、鉄（Ｆｅ）及び通常存在する不純物である。

不純物の例は、目的をもって添加されなかったが、それらは、例えば、原材料、又はマルテンサイトステンレス鋼の製造に使用される付加合金元素に、不純物として通常存在するので、完全には避けることができない元素及び化合物である。

一実施態様によれば、二相ステンレス鋼は、上又は下で開示されている範囲の、上又は下で開示されている合金元素から構成される。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、オーステナイト鋼は、
Ｃ０．００６～０．０１９；
Ｃｒ２６．４～２７．２；
Ｃｕ０．８３～１．１９；
Ｍｎ１．５１～１．９７；
Ｍｏ３．２７～４．４０；
Ｎ０．０３～０．０９；
Ｎｉ３０．３～３１．３；
Ｓｉ０．３～０．５；
残部Ｆｅ及び不可避又は許容不純物；
を含む。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、５０％≦Ｒｃである。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Ｒｃ≦６８％である。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、６０％≦Ｒｈである。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Ｒｈ≦８０％である。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、１．５≦Ｑである。

上又は下で定義されている方法の一実施態様によれば、Ｑ≦３．２である。

一実施態様によれば、冷間圧延工程は、次の式：
（２．５×Ｒｃ＋１．８５×Ｒｈ－１７．７×Ｑ）＝（Ｒ_{ｐ０．２ｔａｒｇｅｔ}＋４９．３－１０７３×Ｃ－２１Ｃｒ－７．１７×Ｍｏ－８３３．３×Ｎ）
を満たすように行われる。このように、Ｚ＝０である式（１）が用いられる。

本開示は、以下の非限定的実施例によって、さらに例示される。

様々な化学組成のオーステナイトステンレス鋼のメルトを、電気アーク炉で準備した。ＡＯＤ炉を用い、その中で、脱炭及び脱硫処理を行った。次いで、メルトを、インゴット（１１０ｍｍより大きい外径を有する管の製造のため）、又は連続鋳造によってビレット（１１０ｍｍより小さい径を有する管の製造のため）の何れかに鋳造した。様々なメルトから鋳造されたオーステナイトステンレス鋼を、化学組成に関して分析した。結果は表１に記載されている。

製造されたインゴット又はビレットに、熱変形プロセスを行い、それらを複数の管へと押し出した。これらの管に冷間変形を行い、それらのそれぞれの最終寸法に、ピルガーミルで冷間圧延した。こうして、表１に記載された試験番号のそれぞれに対して、１０～４０本の管を、Ｒｃ、Ｒｈ及びＱに対して同じ値を用いて製造した。目標耐力が、個々の試験番号に対して設定され、上で与えられた式１を満たすように目標耐力を考慮に入れて、Ｒｃ、Ｒｈ及びＱを決定した。冷間圧延は、１回の冷間圧延工程で行った。

それぞれの管で、耐力を、ＩＳＯ６８９２に従って、２つの試験試料について測定し、こうして、各試験番号に対して多数の耐力測定値を得た。各試験番号に対して、平均の耐力を、前記測定に基づいて計算した。平均の耐力は、目標耐力と比較した。結果は表２に記載されている。目標耐力からの個々の測定値の偏差もまた記録された。偏差は、目標耐力から、±６５ＭＰａ未満であった。

表中、
「ＯＤｉｎ」は、冷間変形前の管の外径であり、
「Ｗｔｉｎ」は、冷間変形前の肉厚であり、
「ＯＤｏｕｔ」は、冷間変形後の管の外径であり、また
「Ｗｔｏｕｔ」は、冷間変形後の肉厚である。

こうして、式（１）は、ステンレス鋼の化学組成及び選ばれた目標耐力に基づいて、Ｒｈ、Ｒｃ及びＱを決定するための良好な手段として使えると結論できる。予め決められた最終外径及び予め決められた最終肉厚を有し、予め決まった形状、特に予め決まった横断面のビレットから出ていく特定の管に対する、式（１）の使用は、当業者が、実験の必要なしに、適切な熱間圧下、さらには冷間圧下及びＱ値を選択することを可能にするであろう。繰返し計算が、式（１）を満たす場合に達するために使用され得る。式（１）が満たされ、ステンレス鋼が上で定義された組成を有するという条件で、１つの同じインゴット又はビレットからの個々の管試料の耐力は、目標耐力の値から、約±６５ＭＰａを超える差を有さないであろう。

Claims

オーステナイトステンレス鋼管を製造する方法であって、前記鋼は、次の組成（重量％で）、
Ｃ０～０．３；
Ｃｒ２６～２８；
Ｃｕ０．６～１．４；
Ｍｎ０～２．５；
Ｍｏ３～４．４；
Ｎ０～０．１；
Ｎｉ２９．５～３４；
Ｓｉ０～１．０；
残部Ｆｅ及び不可避不純物；
を有し、
ａ）オーステナイトステンレス鋼のインゴット又は連続鋳造ビレットを製造する工程；
ｂ）工程ａ）で得られたインゴット又はビレットを、管へと熱間押出する工程；
ｃ）工程ｂ）で得られた管を、その最終寸法へと冷間圧延する工程；
を含み、
ここで、冷間圧延された管の外径Ｄは、７０～２５０ｍｍであり、その肉厚ｔは、６～２５ｍｍであり、
冷間圧延工程は、次の式：
（２．５×Ｒｃ＋１．８５×Ｒｈ－１７．７×Ｑ）＝（Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔ＋４９．３－１０７３×［Ｃ］－２１［Ｃｒ］－７．１７×［Ｍｏ］－８３３．３×［Ｎ］）±Ｚ（１）
を満たすように行われ、
式中、
－Ｒｃは、冷間圧下の度合いであり、

として定義され、式中、Ａ１は、冷間変形後の管横断面積であり、Ａ０は、冷間変形前の管横断面積であり、
－Ｒｈは、熱間圧下の度合いであり、

として定義され、式中、ａ１は、熱間変形後の管横断面であり、ａ０は、熱間変形、すなわち熱間押出前の管横断面積であり、
－Ｑは、（Ｗ０－Ｗ１）×（ＯＤ０－Ｗ０）／Ｗ０（（ＯＤ０－Ｗ０）－（ＯＤ１－Ｗ１））（４）
であり、式中、Ｗ１は、圧下後の管肉厚であり、Ｗ０は、圧下前の管肉厚であり、ＯＤ１は、圧下後の管の外径であり、ＯＤ０は、圧下前の管の外径であり、
－Ｒｐ０．２ｔａｒｇｅｔは、目標耐力であり、７５０≦Ｒ_{ｐ０．２ｔａｒｇｅｔ}≦１０００ＭＰａであり、
－３０≦Ｒｃ≦７５％、
－５０％≦Ｒｈ≦９０％、
－１≦Ｑ≦３．６であり、
－Ｚは６５である、
方法。
５０％≦Ｒｃである、請求項１に記載の方法。
Ｒｃ≦６８％である、請求項１又は２に記載の方法。
６０％≦Ｒｈである、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
Ｒｈ≦８０％である、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
１．５≦Ｑである、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
Ｑ≦３．２である、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
オーステナイトステンレス鋼が、次の組成、
Ｃ０．００６～０．０１９；
Ｃｒ２６．４～２７．２；
Ｃｕ０．８３～１．１９；
Ｍｎ１．５１～１．９７；
Ｍｏ３．２７～４．４０；
Ｎ０．０３～０．０９；
Ｎｉ３０．３～３１．３；
Ｓｉ０．３～０．５；
残部Ｆｅ及び不可避不純物；
を有する、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。