JP7469636B2 - ステンレス鋼管および溶接継手 - Google Patents
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Images
Description
C:0.003~0.020%、
Si:0.02~0.35%、
Mn:0.30~1.00%、
P:0.030%以下、
S:0.0001~0.0012%、
Ni:17.0~19.0%、
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Co:0.05~1.00%、
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Mo:5.50~7.00%、
N:0.150~0.250%、
Al:0.005~0.060%、
O:0.0004~0.0150%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)を満足し、
下記(ii)式により算出されるSNiと、下記(iii)式により算出されるSCrとの比が、下記(iv)式を満足する、ステンレス鋼管。
0.0010≦S+2O≦0.0280 ・・・(i)
SNi=(Ni+Cu+Co)+30(C+N)+0.5Mn ・・・(ii)
SCr=(Cr+Mo)+1.5Si ・・・(iii)
0.90≦SNi/SCr≦1.10 ・・・(iv)
但し、上記式中の元素記号は、ステンレス鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Dw=DMAX-Dmin ・・・(v)
Dw/DMAX×100≦20 ・・・(vi)
Dw≦1.6 ・・・(vii)
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
DMAX(mm):最大肉厚
Dmin(mm):最小肉厚
Sn:0.030%以下を含有する、上記(1)または(2)に記載のステンレス鋼管。
W:1.00%以下、
Ti:0.40%以下、
V:0.40%以下、
Nb:0.40%以下、
Ta:0.40%以下、
Ca:0.0100%以下、
B:0.0100%以下、および
REM:0.0800%以下、
から選択される一種以上を含有する、上記(1)~(3)のいずれかに記載のステンレス鋼管。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト相の安定性を高める効果を有する。このため、C含有量は、0.003%以上とする。C含有量は、0.005%以上とするのが好ましく、0.008%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Cを、過剰に含有させると、溶接熱サイクルによりCrと結合して、溶接熱影響部において結晶粒界に炭化物を形成する。この結果、粒界近傍にCr欠乏層を生じさせ、耐食性を低下させる。このため、C含有量は、0.020%以下とする。C含有量は、0.018%以下とするのが好ましく、0.016%以下とするのがより好ましい。
Siは、製造時において脱酸効果を有する。このため、Si含有量は、0.02%以上とする。Si含有量は、0.05%以上とするのが好ましく、0.08%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Siを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させるとともに、液化割れ感受性を高める。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Si含有量は、0.35%以下とする。Si含有量は、0.30%以下とするのが好ましく、0.25%以下とするのがより好ましい。
Mnは、Siと同様、脱酸効果を有する。また、オーステナイト相の安定性を高める効果も有するとともに、安定的に内面側のビードを形成するのに少なからず寄与する。このため、Mn含有量は、0.30%以上とする。Mn含有量は、0.35%以上とするのが好ましく、0.40%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Mnを、過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。このため、Mn含有量は、1.00%以下とする。Mn含有量は、0.80%以下とするのが好ましく、0.60%以下とするのがより好ましい。
Pは、不純物として、鋼中に含まれ、溶接時に粒界に偏析し、内面側ビード近傍の溶接熱影響部に発生する液化割れの感受性を著しく高める。このため、P含有量は、0.030%以下とする。P含有量は、0.028%以下とするのが好ましく、0.026%以下とするのがより好ましい。P含有量は、可能な限り低減することが好ましいが、過度の低減により製造コストが増加する。このため、P含有量は、0.001%以上とするのが好ましく、0.002%以上とするのがより好ましい。
Sは、Pと同様、溶接時に粒界に偏析し、内面側ビード近傍の溶接熱影響部に発生する液化割れの感受性を著しく高める。このため、S含有量は、0.0012%以下とする。S含有量は、0.0010%以下とするのが好ましく、0.0008%以下とするのがより好ましい。S含有量は、低ければ低いほど好ましいが、S含有量の過度の低減により、製造コストが著しく増加する。加えて、本発明の合金管においては、SはOとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高めるのに寄与する。このため、S含有量は、0.0001%以上とする。S含有量は、0.0002%以上とするのが好ましく、0.0003%以上とするのがより好ましい。なお、Sは、後述のOとの間で(i)式を満足する必要がある。
Niは、オーステナイト相の安定性を高める効果を有する。また、海水中での耐食性、および塩化物環境下での耐応力腐食割れ性の向上に有効である。このため、Ni含有量は、17.0%以上とする。Ni含有量は、17.2%以上とするのが好ましく、17.5%以上とするのがより好ましい。しかしながら、高価な元素であるため、Niを、過剰に含有させると、製造コストが増加する。このため、Ni含有量は、19.0%以下とする。Ni含有量は18.8%以下とするのが好ましく、18.5%以下とするのがより好ましい。
Cuは、オーステナイト相の安定性を高めるとともに、海水中での耐食性を向上させる効果を有する。このため、Cu含有量は、0.50%以上とする。Cu含有量は、0.55%以上とするのが好ましく、0.60%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Cuを、過剰に含有させると、熱間加工性が低下する。このため、Cu含有量は、1.00%以下とする。Cu含有量は、0.95%以下とするのが好ましく、0.90%以下とするのがより好ましい。
Coは、オーステナイト相の安定性を高める効果を有する。このため、Co含有量は、0.05%以上とする。Co含有量は、0.08%以上とするのが好ましく、0.10%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Coは、非常に高価な元素であるため、過剰に含有させると、製造コストが著しく増加する。このため、Co含有量は、1.00%以下とする。Co含有量は、0.90%以下とするのが好ましく、0.80%以下とするのがより好ましい。
Crは、不動態皮膜を形成し耐食性を高めるとともに、耐孔食性の向上にも有効な元素である。このため、Cr含有量は、19.0%以上とする。Cr含有量は、19.2%以上とするのが好ましく、19.5%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Crを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。このため、Cr含有量は、21.0%以下とする。Cr含有量は、20.8%以下とするのが好ましく、20.5%以下とするのがより好ましい。
Moは、耐孔食性を高める効果を有する。このため、Mo含有量は、5.50%以上とする。Mo含有量は、5.70%以上とするのが好ましく、6.00%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Moを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。さらに、Moは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。このため、Mo含有量は、7.00%以下とする。Mo含有量は、6.80%以下とするのが好ましく、6.50%以下とするのがより好ましい。
Nは、オーステナイト相の安定性を高めるとともに、耐孔食性を高める効果を有する。このため、N含有量は、0.150%以上とする。N含有量は、0.160%以上とするのが好ましく、0.180%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Nを、過剰に含有させると、窒化物が析出し、延性が低下する。このため、N含有量は、0.250%以下とする。N含有量は、0.230%以下とするのが好ましく、0.220%以下とするのがより好ましい。
Alは、脱酸効果を有する。また、高温での耐酸化性の向上に寄与する。このため、Al含有量は、0.005%以上とする。Al含有量は、0.007%以上とするのが好ましく、0.010%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Alを、過剰に含有させると、Alが酸素と結合し、清浄性を低下させる。この結果、熱間加工性が低下する。また、安定的に内面側のビードが形成しにくくなる場合がある。このため、Al含有量は、0.060%以下とする。Al含有量は、0.050%以下とするのが好ましく、0.040%以下とするのがより好ましい。
Oは、一般に不純物として鋼中に含まれるが、本発明のステンレス鋼管においては、Sとともに、溶接時に内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、O含有量は、0.0004%以上とする。O含有量は、0.0006%以上とするのが好ましく、0.0008%以上とするのがより好ましい。しかしながら、Oを、過剰に含有させると、管の内面側ビードが垂れ下がって凸形状となりやすくなり、溶接熱影響部に発生する割れの感受性を高める。加えて、熱間加工性も低下する。このため、O含有量は、0.0150%以下とする。O含有量は、0.0120%以下とするのが好ましく、0.0100%以下とするのがより好ましい。
但し、上記式中の元素記号は、ステンレス鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Snは、溶け込み深さを増大させ、内面側ビードの形成能を高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Snを、過剰に含有させると、溶接熱影響部に発生する液化割れの感受性を高めるとともに、熱間加工性を低下させる。そのため、Sn含有量は、0.030%以下とする。Sn含有量は、0.020%以下とするのが好ましく、0.010%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Sn含有量は、0.001%以上とするのが好ましく、0.002%以上とするのがより好ましく、0.003%以上とするのがさらに好ましい。
Wは、耐孔食性を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Wを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。また、Wは、高価な元素であるため、製造コストが増加する。そのため、W含有量は、1.00%以下とする。W含有量は、0.80%以下とするのが好ましく、0.60%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、W含有量は、0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Tiは、炭素と結合して炭化物を形成し、Cr炭化物の生成を抑制し、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Tiを、過剰に含有させると、Tiの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。このため、Ti含有量は、0.40%以下とする。Ti含有量は、0.35%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ti含有量は、0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Vは、Tiと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、Cr炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Vを、過剰に含有させると、Vの炭化物および炭窒化物が、多量に析出し、延性が低下する。そのため、V含有量は、0.40%以下とする。V含有量は、0.35%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、V含有量は、0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Nbは、TiおよびVと同様、炭素と結合して炭化物を形成し、Cr炭化物の生成を抑制する。この結果、粒界において耐食性の劣化を低減する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Nbを、過剰に含有させると、Nbの炭化物および炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。そのため、Nb含有量は、0.40%以下とする。Nb含有量は、0.35%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Nb含有量は、0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Taは、Crの不動態化皮膜の生成を促進し、耐食性を向上させる効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Taを、過剰に含有させると、Taの炭化物が多量に析出し、延性が低下する。そのため、Ta含有量は、0.40%以下とする。Ta含有量は、0.35%以下とするのが好ましく、0.30%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ta含有量は、0.01%以上とするのが好ましく、0.02%以上とするのがより好ましい。
Caは、熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Caを、過剰に含有させると、Caが酸素と結合し、清浄性を著しく低下させる。この結果、却って熱間加工性が低下する。このため、Ca含有量は、0.0100%以下とする。Ca含有量は、0.0080%以下とするのが好ましく、0.0060%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ca含有量は、0.0010%以上とするのが好ましく、0.0020%以上とするのがより好ましい。
Bは、高温で粒界に偏析して、粒界を強化し、熱間加工性を高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Bを過剰に含有させると、溶接熱影響部に生じる液化割れの感受性が高まる。そのため、B含有量は、0.0100%以下とする。B含有量は、0.0080%以下とするのが好ましく、0.0060%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、B含有量は、0.0002%以上とするのが好ましく、0.0005%以上とするのがより好ましい。
REMは、Caと同様、製造時の熱間加工性を改善する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、REMを、過剰に含有させると、酸素と結合し、清浄性を著しく低下させる。この結果、却って熱間加工性が低下する。そのため、REM含有量は、0.0800%以下とする。REM含有量は、0.0600%以下とするのが好ましく、0.0500%以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、REM含有量は、0.0005%以上とするのが好ましく、0.0010%以上とするのがより好ましい。ここで、REMとは、Sc、Yおよびランタノイドを示し、REM含有量はこれらの元素の含有量の総量を示す。
SCr=(Cr+Mo)+1.5Si ・・・(iii)
0.90≦SNi/SCr≦1.10 ・・・(iv)
但し、上記式中の元素記号は、ステンレス鋼管中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表される。
本発明に係るステンレス鋼管では、例えば、後述のように丸形のビレットにマンドレル等を挿入し、熱間押出しして、中空素管を作製して、製造する。しかしながら、本方法に限らず、管を製造する場合、加工精度などの要因により、管の全ての部位で同一の肉厚とすることは難しく、肉厚のばらつきが生じやすい。したがって、一つの合金管においても部位によって、肉厚差が生じてしまう。
Dw/DMAX×100≦20 ・・・(vi)
Dw≦1.6 ・・・(vii)
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
DMAX(mm):最大肉厚
Dmin(mm):最小肉厚
上記のステンレス鋼管の管端を、所定の条件で溶接することで、ステンレス鋼管の溶接継手を得ることができる。なお、ステンレス鋼管の溶接継手は、溶融金属が凝固し、接合部となった溶接金属と、母材部とを、有する。なお、母材部には、溶接により入熱の影響を受ける溶接熱影響部を含む。溶接熱影響部を除いた母材部は、上記の項目1および2で記載したステンレス鋼管の化学組成、金属組織、その他特性を受け継ぐ。
本発明に係るステンレス鋼管の好ましい製造方法について説明する。本発明に係るステンレス鋼管は、製造方法によらず、上述の構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法により、安定して製造することができる。
最初に、ステンレス鋼管の素材となるステンレス鋼インゴットを製造する、または連続鋳造によりブルームを製造する。ステンレス鋼インゴットは、上述した化学組成を有する鋼を電気炉等で溶製し、不純物を精錬により取り除いた後、鋳造により製造されるのが好ましい。続いて、得られたインゴットを、熱間鍛造することで、円柱状のビレットとするのが好ましい。その後、得られたビレットを加工することで、管の形状に成形する。
本発明に係るステンレス鋼管を素材とし、合金管の端部を溶接することで、溶接継手を得ることができる。溶接方法は、特に、限定しないが、例えば、アーク溶接、により溶接すればよい。また、アーク溶接する場合の条件は、例えば、入熱量を、4~20kJ/cmの範囲とし、上記ステンレス鋼管の溶接継手を作製するのが好ましい。
Claims (5)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.003~0.020%、
Si:0.02~0.35%、
Mn:0.30~1.00%、
P:0.030%以下、
S:0.0001~0.0012%、
Ni:17.0~19.0%、
Cu:0.50~1.00%、
Co:0.05~1.00%、
Cr:19.0~21.0%、
Mo:5.50~7.00%、
N:0.150~0.250%、
Al:0.005~0.060%、
O:0.0004~0.0150%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)を満足し、
下記(ii)式により算出されるSNiと、下記(iii)式により算出されるSCrとの比が、下記(iv)式を満足する、ステンレス鋼管。
0.0010≦S+2O≦0.0280 ・・・(i)
SNi=(Ni+Cu+Co)+30(C+N)+0.5Mn ・・・(ii)
SCr=(Cr+Mo)+1.5Si ・・・(iii)
0.90≦SNi/SCr≦1.10 ・・・(iv)
但し、上記式中の元素記号は、ステンレス鋼中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記ステンレス鋼管の管端部から軸方向に50mmの位置までの領域において、下記(v)式で算出される最大肉厚差Dwが、下記(vi)および(vii)式を満足する、請求項1に記載のステンレス鋼管。
Dw=DMAX-Dmin ・・・(v)
Dw/DMAX×100≦20 ・・・(vi)
Dw≦1.6 ・・・(vii)
但し、上記式中の各記号は、以下のように定義される。
DMAX(mm):最大肉厚
Dmin(mm):最小肉厚 - 前記化学組成が、前記Feの一部に代えて、質量%で、
Sn:0.030%以下を含有する、請求項1または2に記載のステンレス鋼管。 - 前記化学組成が、前記Feの一部に代えて、質量%で、
W:1.00%以下、
Ti:0.40%以下、
V:0.40%以下、
Nb:0.40%以下、
Ta:0.40%以下、
Ca:0.0100%以下、
B:0.0100%以下、および
REM:0.0800%以下、
から選択される一種以上を含有する、請求項1~3のいずれかに記載のステンレス鋼管。 - 請求項1~4のいずれかに記載のステンレス鋼管を用いた溶接継手。
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