JPH0115564B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はオーステナイトステンレス鋼管の耐高
温水蒸気酸化性を向上させる方法に係り、耐高温
水蒸気酸化性の適切に高められ且つ高温クリープ
破断強度の確保されたオーステナイトステンレス
鋼管を的確に製造することのできる方法を提供し
ようとするものである。 オーステナイトステンレス鋼管のような鉄系合
金管をボイラ用配管のように高温水蒸気に曝され
る条件下に使用された場合において著しいスケー
ル発生が認められることは一般に知られている通
りである。然してこのような高温水蒸気条件下で
のスケール発生を防止することに関し従来からそ
れなりの検討が重ねられており、本出願人におい
ても特願昭48−49659号（特開昭49−135822号）
や特願昭53−46657号、特願昭53−129061号（特
開昭55−58329号）のような提案をなした。即ち
550〜700℃のような高温水蒸気条件下においては
同じ温度の大気中における場合に比較して著しい
スケール発生が認められ、これを防止する方法と
しては冷間加工が有効であるが、この冷間加工に
よつて応力腐食割れの発生やクリープ破断強度の
低下を伴う不利があり、これを回避するために前
記した第１の先願では製造工程中の最終熱処理又
はそれに相当した熱間加工後にシヨツト加工のよ
うな冷間加工することが提案され、又第２の先願
では冷間加工後において特定の制限された昇温速
度による固溶化熱処理を行うことが提案され、更
に第３の提案においては管の内面に結晶粒度No.７
を超える厚さ30μ以上の細粒化層を形成したもの
に対し該細粒化層範囲において20％以上の冷間加
工をなし且つ再結晶化処理することが提案されて
いる。ところでシヨツト加工などの冷間加工は該
冷間加工層を再結晶させる高温熱履歴を与えた場
合においてもその後の耐水蒸気酸化性にそれなり
に有効であるが、再結晶処理を行う温度が高くな
るに従い冷間加工による効果は減少する傾向が認
められ必ずしも安定した製品を得ることができな
い。更に固溶化熱処理をなすに当りその処理温度
に達するまでの昇熱速度が2.9℃／secのように比
較的狭い範囲にしなければならない制限があつた
り、冷間加工する鋼管の結晶粒度が微細でなけれ
ばならないなどの制限があり、工業的に必ずしも
好ましいものとなし得ない。 本発明は上記したような実情に鑑み更に検討を
重ねて創案されたものであつて、冷間加工後のオ
ーステナイト鋼管における内表面近傍の状態を特
定することにより上記したような不利のない製品
を得ることに成功した。即ち上記したような冷間
加工工程の前工程は該鋼管が溶体化処理を受けて
いるか、或いは熱間圧延を受けている（場合によ
つては更に酸洗工程を径ている）ものであり、何
れにしても1000℃以上の高温処理を受けており、
斯様な高温処理を受けることによつてオーステナ
イトステンレス鋼管内表面およびその近傍は内部
とは異つた組成となるものであり、特に酸化性雰
囲気中で高温処理を受けると１段と異つた組成を
有することになる。本発明においては斯様な表面
層を除去若しくは極力低減した状態の下で耐高温
水蒸気酸化性を附与する溶体化処理を行うことを
特徴とするものである。又溶体化処理を行う直前
にはオーステナイトステンレス鋼管の内表面から
或る深さにわたつて所定の大きさの冷間加工を行
つておくものであり、斯くすることにより溶体化
処理によつて耐水蒸気酸化性を賦与するCr酸化
物被膜をその表面に形成させることが可能とな
る。 上記したような本発明について更に説明する
と、高温で使用されるステンレス鋼管はその高温
強度を保証するための溶体化処理を出荷時に行う
のが通常であり、その後に溶体化処理時のスケー
ルを除去して製品とする。この溶体化処理は同時
に鋼の表面に種々の変化をもたらすもので、例え
ば真空中で処理すればオーステナイトステンレス
鋼を構成する元素（金属）の蒸気圧大小により鋼
の表面で蒸気圧の大きい金属が揮発するため内部
とは異つた組成となるし、通常の雰囲気でもスケ
ールの生成や粒界析出等に起因した種々の濃度不
均一化が起る。然して斯様な種々の濃度不均一化
は溶体化処理時のみならず、1000℃以上の温度に
加熱する工程を経ることによりそれなりに生ずる
ものであるから熱間圧延工程に際しても当然に生
ずるものであり、又このような不均一化はそれら
の高温処理時に発生するスケールの下においても
生じているものであつて、酸洗を行つてもその表
面下数μの厚さに亘つて存在するものである。上
述した本発明者等の先行提案は冷間加工後に高温
溶体化処理を行うもので種々の合金が不均一な条
件下においても耐高温水蒸気酸化性をもつた被膜
を形成させるものであるが、この故に前記したよ
うな制限を伴うものである。 斯様な点を改善するように提案された本発明の
ものは、原則として鋼の表面は圧延、グラインダ
ー加工等の表面における合金元素濃度が内部と同
等若しくはそれに近づけるような加工方法を採用
することにより、上記したような狭い範囲たるべ
き制限を除去したものである。例えば通常のシヨ
ツト加工管は溶化処理―酸洗―シヨツト加工とい
う工程で製造されるが、この場合には表面はその
ままであり又その表面積も殆んど変化することが
ないので、その後再び溶体化処理を行うと本発明
のような効果が得られない。 この間の事情について更に説明すると、第１図
は18％Cr―11％Ni―0.08％Ｃ―0.4％Ti材のArガ
ス1150℃×10分の溶体化処理材を種々の押しつつ
け圧力によりグラインダー加工し表面の不均一化
層を取除くと共に新たに生れた表面より20μの位
置の硬度を変化させたものにおいて該位置の硬度
と１％O₂―Ar1150℃、10分間の再溶体化処理後
の高温水蒸気酸化スケールの関係を示したもので
ある。即ち前記グラインダー加工により表面近傍
はビツカース硬度で320以上のような極めて高い
硬度となるが、溶体化処理により耐高温水蒸気酸
化性を発揮するCr酸化物被膜を形成させるため
には単に不均一化層を取除くだけでなく、グライ
ンダーを充分な圧力で鋼管内面から充分な深さに
亘つて該硬度が得られるようにする必要がある。
このことについて仔細を説明すると、冷間加工―
溶体化処理によつて耐高温水蒸気酸化性を賦与す
るには溶体化処理時にオーステナイトステンレス
鋼管内表面にCrが拡散して表面にCr酸化物被膜
が形成されなければならない。このCrの拡散に
よる内表面への移動を生ぜしめるためには適度な
冷間加工が行われている必要があり、しかも該冷
間加工が十分な深さに亘つて行われていることが
必要である。本発明で内表面から20μの深さの位
置における硬度がビツカース硬度で320（Hv320）
以上と規定するのはこの拡散に必要な冷間加工度
を表面から20μの位置で確保する上に有効な手段
である。然して表面下に20μの位置での硬度を
Hv320以上とするためには15〜20％の冷間圧延率
で充分であるが、第２図に前記第１図におけると
同一材について1150℃×15分のArガス中で溶体
化処理後酸洗→冷間圧延し、１％O₂Arガス中
1150℃×10分の再溶体化処理した結果を示すよう
に高温処理後その表面層を除去せずに圧延して耐
高温水蒸気酸化性を発揮せしめるためには少くと
も40％の冷間加工が必要である。即ち冷間圧延前
の溶体化処理時又は熱間圧延工程などにおける高
温処理時にその内表面に生じた合金濃度不均一化
層が40％未満の圧延では十分に延伸しておらず、
圧延後に得られる表層近傍の合金濃度は内部のそ
れに充分近づいていないこと（本発明でいう高温
処理により化学的影響を受けた表面を極力低減し
た状態になつていない）を意味するものである。 又高温処理により化学的影響を受けた表面を極
力低減した状態とは必ずしもグラインダー加工等
の表層部を除去する方法やその内表面積を増加さ
せる冷間加工を行う場合に限るものでなく、特殊
な雰囲気（例えば水素）のもとで加熱が行われる
結果前記した合金濃度不均一化層が生じないよう
な場合も当然に包含するものである。 シヨツト加工については、その加工のしかたに
よつては十分な深さにわたり所定の冷間加工をえ
る作用を有るが、表面を除去する作用を有せず、
又表面積を増加させる作用も有しないから予めグ
ラインダー加工等で表面が内部と同等になつてい
る場合に限り有効である。 溶体化処理条件において処理ガスを管内に流入
せしめつつ処理する場合は酸素が著しく過剰でな
い限り、即ち酸素が５％以下ならば大気、アルゴ
ンガス、N₂ガスの何れを用いてもよい。又酸素
が極端に少い場合は良好な被膜が形成されないが
工業的には酸素の下限を定める必要がない。第３
図は第１図において示したところと同じ材料につ
いてグラインダー加工後に1150℃×10分のAr―
O₂ガスを５〜50c.c.／min程度のガス流速で、ガス
を管内に流入した場合の被膜形成（耐水蒸気酸化
性より判断）に対するガス中の酸素量の影響を示
したものであるが、この30mmφのようなパイプの
場合において上記の程度であると流入速度の影響
は少い。管内を大気状態（酸素20％）として処理
することも可能であり、この場合においては管端
より200mm程度までの内部では管内の大気中酸素
の消費（酸化）に伴い管外より新たに侵入するが
管端部で酸素が消費された後の気体がそれにより
内部に到るため良好な被膜が形成される。即ちこ
の場合は処理後に管の両端部200mm程度を切り取
り除去することにより耐高温水蒸気酸化性の優れ
たオーステナイトステンレス鋼管が得られる。勿
論この切断によつて切落すことに代え、ステンレ
スダミー管を処理管両端に溶接等の手段により仮
付けして処理後除去することも可能である。 昇温速度については第１図におけると同一材料
についてグラインダー加工後1150℃、１％O₂Ar
雰囲気で10分保持した結果を示した第４図に示す
ように制限が大幅に緩かになる。加熱温度につい
ては特に制限を要しないが、ボイラー用鋼管とし
ては1050℃以上が高温強度上から必要である。保
持時間としては１分以上であり、即ち１分未満で
は十分な被膜が形成されない。なお耐水蒸気酸化
性の良否判断は650℃、数年の使用を考慮し、
1000hr水蒸気酸化性時のスケール厚さを20μ以下
とする。 上記したような本発明によるものはＣ：0.3％
以下、Mn：２％以下、Si：２％以下、Cr：15〜
30％、Ni：８〜35％を基本組成とするオーステ
ナイト鋼及び更にTi：１％以下、Nb：３％以
下、Ｗ：５％以下、Mo：６％以下、Ｎ：0.3％以
下、Al：１％以下、Cu：３％以下の１種又は２
種以上を含有するオーステナイト鋼に適用するこ
とができる。 本発明によるものの具体的な実施例についてそ
の比較例と共に示すと以下の通りである。 即ち本発明者等が具体的に用いたオーステナイ
トステンレス鋼の成分組成、及び1100〜1150℃の
溶体化処理後酸洗されたものの結晶粒度は次の第
１表に示す通りであり、No.１〜14は本発明による
もの、比１〜比４は比較例である。

【表】 又上記のような各鋼についての冷間加工条件及
びそれによる硬度分布関係と、斯かる冷間加工後
の溶体化処理条件と斯くして得られたものについ
ての650℃、1000hrの水蒸気酸化後における平均
スケール量は次の第２表に示す通りである。なお
上記溶体化処理においてガスを流入させている場
合は何れも５c.c.／minで送入した。

【表】

【表】 本発明の実施例No.１〜14を冷間加工法別に区分
すると、圧延により表層近傍に所定の硬度を付与
し、研磨加工により高温処理で化学的影響を受け
た層を除去した例としてはNo.１、No.８〜12があ
り、研磨加工により化学的影響部を除去し、シヨ
ツト加工により表層に硬度を付与した例としてNo.
３、No.５〜６がある。又、グラインダーの押しつ
け研磨のみにより前述同様の双方の効果をあげた
例としてNo.４、No.７、No.14があり、化学的影響部
を除去することなく、高度の圧下率のみで表層に
硬度と耐食性を付与した例としてNo.２、No.13があ
る。これらのものに対して表に記載したような条
件による溶体化処理をなしたものである。これら
に対し、比１、比３のものはシヨツト加工、及び
軽度のグラインダー加工を施したものであり、又
比２、比４のものは溶体化処理されたままのもの
に対し表中記載の溶体化処理を行つたものであ
る。 上記したような各本発明によるものは何れも
650℃×1000hrの水蒸気酸化後生ずるスケールは
平均20μ以下で、耐高温水蒸気酸化性が得られ
る。これに対し比較法による「比１」のものは溶
体化処理前にオーステナイトステンレス鋼管はそ
の内表面近傍が充分な深さにわたつて十分な冷間
加工が行われてはいるが、内表面の合金濃度がそ
の内部に近づいていないため、又「比３」のもの
は内表面の濃度不均一化層は取除かれてはいるも
ののグラインダー加工度が軽度であるため所定の
耐高温水蒸気酸化性が発揮されていない。なお
「比４」のものは溶体化処理ままであるに拘わら
ず、650℃×1000時間の水蒸気酸化により生ずる
スケールは平均して10μと少いが、これは他のも
のに比してCr及びNi量が多いためであつて、若
しこのものに本発明法を適用すれば更にその耐水
蒸気酸化性が向上することは例えば本発明による
No.12の如くである。 以上説明したような本発明によるときは、この
種ボイラなどの配管に用いられるオーステナイト
ステンレス鋼の耐高温水蒸気酸化性を適切に高め
ることができ、しかも極端に制限されたような条
件もなく工業的有利に実施することができ、クリ
ープ破断強度の低下もないなどの作用効果を有し
ており、工業的にその効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであつ
て、第１図は内表面より20μの位置における硬度
と耐水蒸気酸化性の関係を示した図表、第２図は
冷間圧延率と耐水蒸気酸化性の関係を示した図
表、第３図は内径30mmφの管においてガス中の酸
素量（ガス流入速度）と耐水蒸気酸化性の関係を
示した図表、第４図は昇温速度と耐水蒸気酸化性
の関係を示した図表である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ オーステナイトステンレス鋼管の少くとも内
   表面近傍を内表面から20μの位置における硬度が
   Hv320以上となる如く冷間加工すると共に該冷間
   加工の前工程の高温処理により化学的影響を受け
   た表面を除去又は極力低減した状態とし、次いで
   溶体化処理を行うことを特徴とするオーステナイ
   トステンレス鋼管の耐高温水蒸気酸化性を向上さ
   せる方法。