JPH02121783A - 高Ｎｉ合金クラッド鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高耐食性を必要とする化学装置用材料、油井
管等に使用される高Ｎｉ合金クラッド鋼及びその製造法
に関する。

〔従来の技術〕

優れた機能を有する材料を安価に提供すること、強度と
耐食性といった複数機能の合体を目的として開発された
クラッド鋼のなかでも、高Ｎｉ合金クラッド鋼は特に大
きな意味を持つ材料と言える。

それは、高Ｎ１合金が他の耐食性材料、例えばオーステ
ナイトステンレス鋼と比べて、耐食性に優れるにかかわ
らず、極めて高価で、且つ高強度を得ることが難しく、
単体での使用が困難なためである。

すなわち、インコネル等の高Ｎｉ合金は、厳しい腐食環
境においても優れた耐食性を発揮することが知られてい
るが、炭素鋼と比べた場合は勿論のこと、オーステナイ
トステンレス鋼等の汎用耐食性材料と比べても極めて高
価であり、その上、高強度を得ることが難しく、従って
、相対的に安価でしかも強度化の容易な炭素鋼や低合金
鋼等のいわゆる鋼材とクラッドされることによって始め
て化学装置用材料や油井管等の工業材料としての使用が
可能になるのである。

一方、クランド鋼は工業的には熱間圧延で製造されるこ
とが多い、熱間圧延によるクラッド鋼製造方法の代表例
を第１図を参照して説明する。先ず、母材となる第１の
材料１，１の間に、該材料より狭い合せ材となる第２の
材料２．２を該材料間に剥離剤４を介在させて挟む０次
に、第１の材料Ｌ　ｉ間の第２の材料２．２周囲に、第
１の材料１．１と実質同一の第３の材料３．３を溶接す
る。得られた組立スラブ５は、内部を真空に脱気した状
態で加熱を受け、所定条件で材料重合方向に熱間圧延さ
れる。熱間圧延後、剥離剤４のところで材料を２分し、
２枚のクラフト鋼板が得られる。

ところで、クラッド鋼の接合界面は異材境界であること
から、クラッド鋼をこのような熱間圧延で製造した場合
、接合界面で材質変化を起こすことが懸念される。特開
昭５９−１８９０８６号公報には、オーステナイトステ
ンレス鋼を合せ材としたクラッド鋼を熱間圧延で製造し
た場合の問題と対策が示されている。

すなわち、オーステナイトステンレス鋼を合せ材とする
クラッド鋼を熱間圧延で製造する場合は、母材の炭素鋼
からステンレス鋼に浸炭が生じ、粒界にクロム炭化物の
析出が生じて耐食性を低下させる。その対策としては接
合前に合せ材となる第２の材料と接触する予定の炭素鋼
表面を、炭素を含まない材料で被覆するのが有効であり
、炭素を含まない材料として純Ｎｉ、純鉄が示されてい
る。

炭素鋼表面をこのような材料で覆っておくと、熱間圧延
時に接合界面で炭化物の浸炭による炭化物生成を生じる
のが防止される。

【発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、高Ｎ１合金を合せ材とするクラッド鋼を
熱間圧延で製造した時に生じる問題は、ステンレス鋼を
合せ材としたクラッド鋼で生じる問題とは異質であり、
純Ｎｉや純鉄による被覆は有効な解決策にはなり得ない
ことが判明した。

すなわち、合せ材に高Ｎｉ合金を用いたクラッド鋼を熱
間圧延で製造する場合には、接合界面でＮｉの大きな濃
度勾配が存在し、高温下では合せ材となる高Ｎｉ合金材
料の側から母材となる炭素鋼材料の側にＮｉが拡散する
。

この拡散により数％のＮｉを含むこととなった接合界面
近傍の炭素鋼層では、オーステナイト化温度域が拡大す
る。オーステナイト化した炭素鋼層はフェライトの部分
と比べて炭素の活量（ａＣｔｉｖｉｔｙ）が小さいため
、炭素はフェライトの部分からオーステナイト化した層
に集まる。炭素が集まり富化したオーステナイト層は、
冷却によりマルテンサイト化して硬化層となる。

この硬化層は、接合界面の延性を消失させるだけでなく
、硫化水素環境等の水素が侵入し得る環境においては脆
化を生じ、接合界面を剥離させる。

炭素鋼材料を純Ｎｉで被覆して高Ｎｉ合金材料と接合し
た場合は、むしろＮｉの拡散が顕著となり、硬化層の生
成が促進される。また、炭素鋼材料を純鉄で被覆しても
純鉄内にＮｉが拡散し、この部分でオーステナイト化に
よる炭素集中が生じることは避けられず、冷却後にマル
テンサイト化による硬化が生じる。

以上は熱間圧延で製造される場合の問題であるが、製造
後のクラッド鋼が熱処理や溶接等において加熱された場
合にも同様に、接合界面に硬化におよびこれに起因する
剥離の問題が生じる。

本発明は接合界面での硬化およびこれに起因する剥離に
対して強い抵抗性を持つ高Ｎｉ合金グランド鋼及びその
製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

高Ｎｉ合金クラッド鋼で問題となる接合界面の硬化に対
して、特開昭５９−１８９０８６号公報に示された純Ｎ
ｉや純鉄からなる中間層の介在が有効に機能しないこと
は、前述したとおりである。

本発明者らは、高Ｎｉ合金クラッド鋼においては接合界
面でのＮｉ拡散が避けられないことを前提に、Ｎｉ拡散
が生じてもオーステナイト化を生じ難いこと、またオー
ステナイト化が生じても炭素の集中を生じ難いことの２
観点から、接合界面の硬化に対する有効材料の実験研究
を続けた。

すなわち、高Ｎｉ合金クラッド鋼における硬化層の生成
メカニズムは、前述したように次のプロセスを経ること
が本発明者らの調査から明らかとなっている。高温下で
のＮｉ拡散→オーステナイト化温度域の拡大→オーステ
ナイト化→炭素活量の増大→オーステナイト化部分への
炭素集中→炭素集中部分のマルテンサイト化による硬化
。合せ材としての高Ｎｉ合金を用いる以上、Ｎｉ拡散は
避けられないことであるが、オーステナイト化、炭素集
中が回避されれば、Ｎｉ拡散が生じても硬化に至ること
はない０本発明者らはこのような観点から実験研究を続
けた結果、低炭素でＳｉを含存する中間層が有効なこと
を知見した。

本発明は、斯かる知見に基づきなされたもので、高Ｎｉ
合金材からなる合せ材と、Ｆｅを主成分とする鋼材から
なる母材との間に、Ｃ＜０．０１　ｗ　ｔ％、０．１＜
Ｓｌ＜３ｗｔ％を含む中間層を有することを特徴とする
高Ｎｉ合金クラッド鋼を第１発明の要旨とし、また第２
の発明は高Ｎｉ合金材からなる合せ材用の材料と、Ｆｅ
を主成分とする鋼板からなる母材用の材料との間に、Ｃ
＜０．０１ｗｔ％、０゜１＜Ｓ　ｉ＜３ｗｔ％を含む中
間層用の材料を介在させ、その後、熱間圧延することを
特徴とする高Ｎｉ合金クラフト鋼の製造法を要旨とする
。

〔作　　用〕

中間層材料中のＣ量を制限し、中間層自体の硬化を抑え
た状態で、中間層材料中にＳｔが存在していると、高温
下で高Ｎｉ合金材の側から中間層材料中にＮｉが拡散し
てきても、中間層材料のオーステナイト化が抑制される
。その理由は、Ｓｉがフェライト安定化元素であること
にある。

また、中間層材料がオーステナイト化した場合でも、Ｃ
の活量が上がることになり、Ｓｉが低いオーステナイト
に比べてＣの活量が高いフェライトからのＣの拡散駆動
力が小さくなる。オーステナイト下でＣの活量が上昇す
るのは、前述のようにＳｔが固溶していることに起因す
る。

中間層材料の硬化を抑えるためには、Ｃは０．０１ｗｔ
％未満に抑える必要があり、少ないほど望ましい。

中間層材料のオーステナイト化抑制およびオーステナイ
ト化部分のＣの活量増大を図るには、Ｓｉは０．１　ｗ
　ｔ％を超えることが必要である。しかし、Ｓｉ量が過
多になると、中間層が脆くなるため、３ｗｔ％未溝に制
限する。

このような中間層を有する本発明の高Ｎｉ合金クラッド
鋼は、熱間圧延で製造されても接合界面に硬化層を生じ
ることがないのは勿論のこと、熱処理や溶接で加熱され
ても硬化層を生じない。従って、硫化水素環境等の水素
が侵入し得る環境で使用されても、硬化層の脆化に起因
する界面剥離は生じない。

本発明の製造方法は、このような高Ｎｉ合金クラッド鋼
を熱間圧延により経済性よく製造する。

〔実施例〕

本発明の実施の態様を母材、合せ材、中間層、製造方法
の順で詳述する。

○　母材 母材に用いる鋼板とは、高Ｎｉ合金の弱点である高価、
機械的強度の不足等を補い得るＦｅ主体の材料のことで
あり、炭素鋼、低合金鋼等の汎用鋼材から適宜選択され
る。

Ｏ合せ材 合せ材に用いる高Ｎｉ合金とは、Ｎｉを３５ｗｔ％以上
含有する合金のことである。

Ｎｉは合せ材の耐食性確保のための主要元素である。Ｎ
ｉ＜３５ｗｔ％ではＮｉ拡散による硬化層が問題になら
ないので、Ｎｉ＜３５ｗｔ％の材料は対象外とする。

他の元素については、適宜選択され、通常は１５≦Ｃｒ
≦３５ｗｔ％、ＭＯ≦１７ｗｔ％を含み、更に必要に応
じて３．５　ｗ　ｔ％以下のＴｉ、Ｎｂ、４、５　ｗ　
Ｌ％以下のＣｕ、Ｃｏ、Ｗ等を含み、残部Ｆｅおよび不
可避的不純物からなる。

Ｃｒは耐食性確保に重要な元素であるが、過多の場合は
熱間加工性を低下させる。従って、１５≦Ｃｒ≦３５ｗ
ｔ％である。

Ｍｏは耐孔食性向上に有効な元素であるが、使用環境に
よっては添加する必要はない、添加する場合は熱間加工
性確保の点から１７ｗｔ％を上限とする。

Ｃｕ、Ｃｏ、Ｗは耐食性向上に有効であり、添加する場
合は熱間加工性確保の点からいずれも４゜５ｗｔ％を上
限とする。

Ｔｉ５Ｎｂは合せ材の粒界炭化物析出を抑制する効果が
あり、添加する場合は熱間加工性確保の点から共に３．
５　ｗ　ｔ％を上限とする。

○　中間層 前述した理由によりＣ＜０．０１ｗｔ％、０．ｌ〈Ｓｉ
＜３％を含む、残部は実質的にＦｅを基本とするが、硬
化層形成防止に悪影響に与えないＰ、Ｓや少量のＭｎ　
（２，０ｗｔ％以下）等を含むことを阻げるものではな
い。

これらの成分は、厳密には素材段階の成分である。熱間
圧延等を受けた場合は、合せ材からのＮｉ等の合金元素
の拡散を生じるが、これらは中間層の極く表層に限られ
るので、素材段階の成分を製品段階の成分と見做して支
障はない。

熱間圧延で製造される場合、厚みは圧延前の段階で０．
１〜２ｍが好ましい。この厚みが０．１間未満の場合は
高温下でＮｉが中間層を貫通して鋼材の側に拡散し、中
間層の有効性が活用されないこともあり得る。厚い場合
はＮｉ拡散の点からは支障ない、しかし、不必要に厚く
する必要性も存在しない、製造上の取り扱い性等を考慮
すると、２麺以下に抑えるのが望まれる。

クラッド鋼における厚みは、通常は圧下比２〜４で圧延
されるため素材の１７４〜１／２となる。

Ｏ製造方法 熱間圧延で製造するのを基本とするが、他の固相接合法
等で製造されてもよい。熱間圧延で板材を製造する場合
は、第１図に示す組立スラブ５を製作する際に、母材と
なる第１の材料１と、合せ材となる第２の材料２との間
に、中間層となる材料６を予め介在させる。これには材
料６を板状で介在させる他に材料６を粉末の状態で第１
の材料１、第２の材料２の少なくとも一方の表面に溶射
することも可能である。製作された組立スラブ５は、通
常のクラッド条件で熱間圧延される０代表的なりラッド
条件は、加熱温度１１５０〜１２５０°Ｃ１圧下比２以
上である。

熱間圧延で管材を製造する場合も、これとほぼ同様の条
件である。

次に、本発明の実施結果を比較例による結果と対比させ
て説明する。

母材となる材料および合せ材となる材料の化学成分を第
１表に示し、中間層となる材料の化学成分を第２表に示
した第１図構造の複合スラブを下記手順で製作した。

先ず、２枚の母材となる第１の材料１．１の間に２枚の
合せ材となる第２の材料２．２を、第２の材料２，２間
に剥離材（アルミナ粉）４を介在させ第１の材料と第２
の材料２との間に中間層となる材料６を介在させた状態
で挟む、中間層となる材料６は板状、第２の材料２への
溶射の２種類で介在させた。

次に、高真空（１０−”Ｔｏ　ｒ　ｒ）中で周囲に第１
の材料１と同一成分の第３の材料３を電子ビーム溶接で
接合し、内部の脱気と密封を行った後、溶接部を被覆ア
ーク溶接にて補強して複合スラブ５を得た。

複合スラブ５の幅は１５０ａｍ、長さは２００ｍｍ、高
さは約１５０ｍである。高さの内訳は、第１の材料ｌの
厚み６０ｍｍ、第２の材料２の厚み１５胴、中間層とな
る材料４の厚み０．１〜２圓、剥離剤の厚み０．１　ｗ
ｔａである。

得られた複合スラブを１２００　’Ｃに加熱し、高さが
４０閣になるまで熱間圧延した後、１１００’ＣＸ　３
０分＋６５０°Ｃ×１０分の条件で熱処理した。この熱
処理の目的は、残留応力低減とクラッド鋼母材の焼もど
し処理である。

熱処理後、熱間圧延材料を剥離剤のところで分離し、２
枚のクラッド鋼板を得た。

得られたクラッド鋼板から第２図に示す試験材を切り出
し、これを５％ＮａＣｊｌ！　（２５°Ｃ）水溶液に浸
漬してポテンショスタットにより−１，５ＶｖｓＳＣＥ
になる電位に保持し、水素をチャージした。この状態で
１００Ｈｒ保持した後の接合界面での剥離の発生の有無
を調査した結果を第３表に示す。第２図において、１１
は母材、１２は合せ材、１６は中間層を表わしている。

□本発明範囲外 第 表（ｗｔ％） 本発明範囲外 第３表から明らかなように、高Ｎｉ合金を合せ材とする
クラッド鋼では、母材と合せ材との間に中間層が存在し
ない場合（ＴＢＩ）は１、水素浸食環境下で剥離が生じ
る。これは前述したように合せ材の側から母材の側への
Ｎｉ拡散による硬化層の生成が原因である。また、中間
層があっても中間層のＳｉ層が過多の場合（ＴＢ２）、
過少の場合（ＴＢ４．５Ｌ　Ｃ量が過多の場合（ＴＢ３
）は同様に剥離が生じる。これは硬化層の生成が十分に
抑えれていないためである。

これに対し、適正な組成（Ｃ＜０．０１ｗｔ％、０．１
＜Ｓｉ＜３ｗｔ％）の中間層を有するクラッド鋼（ＴＡ
Ｏ〜９）では、剥離が一切生じていない。これは、Ｎｉ
拡散によるオーステナイト化およびオーステナイト化に
ともなうＣの活量低下が効果的に抑制され、接合界面に
硬化層を生じなかったためである。

熱間圧延前に使用した中間層用材料の成分と、圧延後の
中間層の成分を調査した結果、中間層成分が圧延の前後
で実質的に変化しないことも確認した。

を発明の効果〕 本発明の高Ｎ１合金クラッド鋼は、熱間圧延で製造され
ても、また製造後に熱処理や溶接等の加熱を受けても、
接合界面に硬化層を生じることがなく、硫化水素環境等
の水素浸食環境下で使用された場合にも界面剥離に対し
て強い抵抗性を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱間圧延でクラッド鋼を製造する際に用いる複
合スラブの断面図、第２図は本発明の実施効果確認に使
用した試験片の斜視図である。 図中、ｌ：母材となる材料、２：合せ材となる材料、６
：中間層となる材料、ｌｌ：母材、１２：合せ材、１６
：中間層。 （ｍｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高Ｎｉ合金材からなる合せ材と、Ｆｅを主成分とす
   る鋼材からなる母材との間に、Ｃ＜０．０１ｗｔ％、０
   ．１＜Ｓｉ＜３ｗｔ％を含む中間層を有することを特徴
   とする高Ｎｉ合金クラッド鋼。 ２、高Ｎｉ合金材からなる合せ材用の材料と、Ｆｅを主
   成分とする鋼材からなる母材用の材料との間に、Ｃ＜０
   ．０１ｗｔ％、０．１＜Ｓｉ＜３ｗｔ％を含む中間層用
   の材料を介在させ、その後、熱間圧延することを特徴と
   する高Ｎｉ合金クラッド鋼の製造方法。