JPH0585614B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、微細結晶組織を有して高温における
耐食性に優れかつ高温クリープ強度の高いオース
テナイト系ステンレス鋼管の製造方法に関するも
のである。 〔従来の技術〕 SUS321H及びSUS347H等のいわゆる安定化型
オーステナイトステンレス鋼は、一般に優れた高
温特性を有するため、火力発電用ボイラチユーブ
等の腐食環境で長時間使用する高温強度部材とし
て多用されている。これらの鋼の必要性能は、加
工性、溶接性等もさることながら、特に高温クリ
ープ強さ及び高温での耐食性の２点に集約され
る。ところが、一般に、この両特性を向上させる
手段は相反する場合が多い。 例えば、耐水蒸気酸化性は結晶粒径が小さいほ
ど向上するが、結晶粒径を小さくするとクリープ
強度は低下する。ボイラチユーブでは内面の耐水
蒸気酸化性が不充分で内面スケールが剥離しやす
いと、管が閉塞されその部分が高温となるため、
実質的な強度低下が生ずるのに加え、外面の高温
腐食による肉減りも助長されて、管の噴破等のト
ラブルが発生しやすくなる。耐水蒸気酸化性は、
ASTM結晶粒度番号７以上の細粒であれば問題
ないが、この程度の結晶粒径のものは高温強度が
設計基準に達しないことがある。 またCrの添加は高温での耐食性向上に有効で
はあるが、組織安定性を劣化させσ相などのクリ
ープ強度に対して有害な相形成を助長する。 さらに、こうした合金元素の調整あるいは特殊
成分の添加は、コストアツプに加え、加工性、溶
接性等他の性質に及ぼす影響を検討する必要があ
り、使用実績が重視されるボイラチユーブ材にと
つては有利な解決法とは言い難い。 そこで従来の成分範囲でこの問題の解決を計る
必要があり、その１つの手法としてボイラチユー
ブでは内表面にシヨツトピーニングなどによつて
冷間加工を加え表層部のみを細粒にする手法が例
えば特開昭58−39733号公報により提案されてい
る。しかし、この手法も、ボイラ組立時の溶接施
工後に行う焼鈍によつて成長を引き起し効果を消
失する可能性がある。 このように、高温強度と高温での耐食性を同時
に満足するオーステナイト系ステンレス鋼を得る
ことは技術的にかなり困難な要求である。しか
し、今後ボイラ等の熱機関の稼動条件は、高効率
化を目指して、高温高圧化する傾向にあり、材料
の使用環境はさらに厳しくなると考えられる。 また微細結晶粒組織でなおかつ高温強度の優れ
たステンレス鋼ボイラ管の製造方法としては、た
とえば特開昭58−87224号公報記載の方法が提案
されている。この方法はＣ：0.06〜0.09％、Si：
0.30〜0.90％、Mn：0.5〜2.0％、Ni：9.00〜13.00
％、Cr：17.00〜20.00％、Nb：８×Ｃ％＋0.03％
〜1.0％を含有し、必要に応じじてＮ：0.040〜
0.080％を含むオーステナイトステンレス鋼ビレ
ツトを1100〜1300℃で熱押後、10％以上の冷間加
工を行ない、しかるのちに1120〜1250℃で加熱−
急冷してボイラ管を製造するものである。 しかしこの方法は冷却速度が何ら規定されてい
ないため、場合によつては析出物が粗大化し、結
晶粒成長を抑制する効果が不十分な可能性もあ
る。さらに、最終溶体化温度が前工程の温度より
も高くなる場合には、析出物の再固溶が起り、結
晶粒は著しく成長しやすくなる。 さらに、特開昭58−167726号公報記載の方法も
提案されている。この方法は、Ti：0.15〜0.5wt
％、Nb：0.3〜1.5wt％の１種又は２種を含んだ
オーステナイト系ステンレス鋼の冷間加工工程に
おいて、最終軟化温度を1100〜1350℃に設定して
加熱し冷却した後、20％以上の冷間加工を加え、
さらにこれについて1070〜1300℃でかつ最終軟化
温度より30℃以上低い温度に加熱し、空冷以上の
冷却速度で冷却する最終熱処理を施すことにより
ボイラー管を製造するものである。この方法で
は、最低３回の冷間加工が必要であるため、工程
は複雑となり非常にコストの高い製造方法とな
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 耐水蒸気酸化性は、結晶粒径が小さい程向上す
るため、細粒鋼を得るためには、最終溶体化温度
が再結晶温度以上で低い程良い。一方、高温クリ
ープ強度を向上するためには、Nb，Ti等MC型
炭化物形成元素を出来るだけ多く素地に固溶した
方が良いため、最終溶体化温度は高い程良い。こ
のように、耐水蒸気酸化性を満足させるための手
段と高温クリープ強度を満足させるための手段と
は相反する。 本発明は、高温溶体化処理により高温クリープ
強度を十分確保し、尚且つ細粒鋼で耐水蒸気酸化
性をも具備した高温用オーステナイト系ステンレ
ス鋼管の製造方法を提供しようとするものであ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、重量％にてＣを0.04〜0.10％含有
し、NbとTiの１種または２種を（Nb＋Ti）で
Ｃ含有量の２倍以上1.0％以下含むオーステナイ
ト系ステンレス鋼の鋳片を、加熱して巨大炭化物
を固溶させたのち分塊圧延し、任意の冷却速度で
冷却し、1230℃以上で熱間押出加工し、熱間押出
加工後の冷却を、500℃までの平均冷却速度を0.2
℃／sec以上として行い、冷間加工し、1200℃以
上で固溶化熱処理することを特徴とする高温用オ
ーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。 本発明にいうオーステナイト系ステンレス鋼と
は、前述のごとくいわゆる安定化型のオーステナ
イトステンレス鋼を指し、SUS321H，SUS347H
等のJISに規定された成分範囲に準じたものであ
ればいずれも本発明の対象となりうる。 対象とするオーステナイト系ステンレス鋼の鋳
片は、巨大炭化物を固溶させる熱処理を行つたの
ち分塊圧延し、丸鋼にしたのち加熱して熱間押出
加工を行うので、造塊などにより製造した比較的
大断面の鋳片である。分塊圧延後の冷却は、大気
中での放冷すなわち空冷、ブロワーなどで風を吹
きつける強制空冷など、いかなる手段をいてもよ
い。 熱間押出加工後の冷却は、500℃までの平均冷
却速度を0.2℃／sec.以上で行う。 熱間押出加工され冷却された材料は、公知の手
段により脱スケール処理を行い、冷間加工を行
い、1200℃以上で固溶化熱処理を行つて製品とす
る。冷間加工は、最終製品サイズまで中間熱処理
なしに行うこともでき、また中間熱処理を行うこ
ともできる。冷間加工後の最終の固溶化熱処理は
1200℃以上で行い、炭化物が析出しない急速冷却
を行うのが望ましい。 〔作用〕 まず本発明においてＣならびにNb及びTiにつ
いて成分範囲を限定したのは製造工程中ならびに
最終成品でNbC及びTiCの少くとも１種を析出し
うるものとするためであり、Nb，Tiの複合添加
の場合は原子比でNb／Ti＝１が望ましい。 この場合Ｃは高温強度を確保するためになくて
はならない元素であり少くとも0.04％以上必要で
あるが、一方添加量が多いとCr炭化物を形成す
ることによりCrを消費して耐食性を低下させる
ので上限を0.10％とした。 Nb及びTiは高温強化元素であり、高温強度確
保のためには少くとも２×Ｃ％以上添加する必要
があるが多量の添加は溶接性、加工性を劣化させ
るおそれがある上コストをも上昇させるため上限
1.0％とした。 鋳片の加熱は、鋳造時に生成した網目状の巨大
炭窒化物を素地に固溶させるものであり、この処
理により高温強度に関与するNb，Ti，Ｃ量を増
加させ製品のクリープ強度を向上させる。しか
し、引き続いて行う分塊圧延が910〜1000℃で終
了するので、この間に比較的大きい炭化物が析出
するため、冷却後1230℃以上で熱間押出加工を行
うことによつて炭化物を再固溶させる。分塊圧延
終了時には、MC型炭化物の多くが析出している
ので、該圧延後の冷却条件は製品の材質にあまり
影響しない。 熱間押出加工後の冷却は、炭化物が析出しない
かまたは析出しても微細な炭化物となる条件で行
うが、このときの条件は500℃までの平均冷却速
度が0.2℃／sec.以上とする。冷却速度を規定した
温度範囲の下限値を500℃とするのは、製造工程
においては、これ未満の温度では事実上炭化物の
析出は起こらないと考えられるためである。 このようにして得られた熱間押出加工後の材料
を冷間加工し、しかるのち固溶化熱処理を施す
と、熱間押出加工後の冷却時にNb，Tiの炭化物
が殆んど析出しなかつた場合は、冷間加工後の固
溶化熱処理の昇温時にNb，Tiの微細な炭化物が
均一に析出するので再結晶が遅延し、1200℃以上
の高温の固溶化熱処理を行つても微細な再結晶粒
が得られる。また、熱間押出加工後の冷却時に
Nb，Tiの微細な炭化物が析出した場合は、冷間
加工後の固溶化熱処理の際この微細な炭化物の作
用によつて同様に微細な再結晶粒が得られる。 冷間加工後の固溶化熱処理において、冷間加工
を中間熱処理なしに１回の工程で行う場合、ある
いは中間熱処理をはさんで複数回の工程で行う場
合のいずれについても、最終の固溶化熱処理の温
度が高い程Nb，Ti，Ｃの固溶量が増加し、その
後炭化物が析出しない急速冷却を行うことによつ
て高温クリープ強度の高い製品が得られる。ここ
で、固溶化熱処理後の冷却速度が炭化物が析出す
る程度に遅い場合には、製品内のNb，Ti，Ｃの
固溶量が減少するのでクリープ強度が低下する。
なお、製品の結晶粒度は主に固溶化熱処理温度で
決まり、固溶化熱処理後の冷却速度には依存しな
いものの、上記Nb，Ti，Ｃの固溶量を確保し、
高クリープ強度化をはかるために急速冷却を行う
のである。 本発明法によると、前述のように冷間加工後の
固溶化熱処理の昇温の際に析出するか、あるいは
該熱処理前に存在する均一に分散した微細な炭化
物の作用によつて、再結晶が遅延するため、Nb，
Ti，Ｃの固溶量を増加させるような高温で最終
の固溶化熱処理を行つても、従来法のような結晶
粒の粗大化が起らず、微細な再結晶粒が得られ
る。したがつて、本発明法によれば高温クリープ
強度が高く、かつ結晶粒が微細で耐水蒸気酸化性
もすぐれたオーステナイト系ステンレス鋼管が得
られる。 〔実施例〕 供試材は第１表に示す化学成分のＳ，Ｔ，Ｕの
３鋼種でいずれも本発明の対象鋼である。Ｓ，Ｔ
はそれぞれJIS規格内の成分を有するSUS347H，
SUS321H、ＵはNbとTi複合添加鋼である。こ
れらの３鋼種について、第１図に示す製造工程に
より、外径50mmφ、肉厚８mmの鋼管を製造した。 第１図のａは従来例、ｂ，ｃが本発明例であ
る。造塊後の鋳片を1300℃に加熱し、網目状の巨
大炭窒化物を固溶させたのち、1200℃に加熱し、
分塊圧延し、空冷した。ついでビレツト加工し、
加熱し、図示各温度で熱間押出加工し、空冷
（500℃までの平均冷却速度２℃／sec.）し、脱ス
ケールし、30％冷間引抜を行い、1200℃で固溶化
熱処理し水冷（500℃までの平均冷却速度100℃／
sec.）した。ｃは、冷間引抜工程を中間熱処理を
入れて２回行つた。 最終固溶化熱処理後の各供試材S1〜S5，T1〜
T3，U2〜U3から切出し、製作した試験片を用
い、650℃および750℃にてクリープ破断試験を行
い、その結果の平均値より外挿して求めた10⁵hr
クリープ破断強度を、結晶粒度とともに第２表に
示す。第２表中S0およびT0は、ASMEの許容応
力値から換算したTp347HおよびTp321H鋼にお
ける基準値である。 本発明法により製造した鋼管は、いずれも結晶
粒度No.が７以上の微細粒組織を有し、耐水蒸気酸
化性が良好である。従来法により製造したたS1
およびT1は、クリープ強度はASMEの基準値を
満足するが、冷間引抜後の固溶化熱処理時に結晶
粒が粗大化し、耐水蒸気酸化性が不良である。本
発明法によつて製造した鋼管は、いずれも結晶粒
度No.７以上の細粒にもかかわらず、Ｓ鋼
（SUS347H）では、従来法による結晶粒度No.4.8
と同等またはそれ以上、Ｔ鋼（SUS321H）は従
来法による結晶粒度No.3.9と同等またはそれ以上
のクリープ破断強度を示し、ASMEの許容引張
応力値から換算した10⁵hr破断強さをもはるかに
凌いでいる。更に本発明法を適用したＵ鋼も結晶
粒度No.7.1〜7.5の微細結晶粒組織であるにもかか
わらず、従来法による結晶粒度No.4.8のSUS347H
と同等以上のクリープ破断強度を有し、ASME
の許容引張応力の換算値を上回つている。 なお、本発明法の第１図ｂ，ｃについて、熱間
押出後水冷した場合も、前記空冷の場合とほぼ同
様の結果が得られた。

【表】

【表】

〔発明の効果〕

本発明により、冷間引抜加工後従来法と同じ最
終固溶化熱処理で、MC炭化物を十分母地に固溶
化し、かつ微細粒組織を得ることが可能になつた
ため、クリープ破断強度は、従来法と同等もしく
はそれ以上であり、かつ、耐水蒸気酸化性の良好
なオーステナイト系ステンレス鋼管を製造出来る
ようになり、従つて本発明は産業上に裨益すると
ころが極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例を示すものであり、ａは従来
例、ｂ，ｃは本発明例である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量％にてＣを0.04〜0.10％含有し、Nbと
   Tiの１種または２種を（Nb＋Ti）でＣ含有量の
   ２倍以上1.0％以下含むオーステナイト系ステン
   レス鋼の鋳片を、加熱して巨大炭化物を固溶させ
   たのち分塊圧延し、任意の冷却速度で冷却し、
   1230℃以上で熱間押出加工し、熱間押出加工後の
   冷却を、500℃までの平均冷却速度を0.2℃／sec
   以上として行い、冷間加工し、1200℃以上で固溶
   化熱処理することを特徴とする高温用オーステナ
   イト系ステンレス鋼管の製造方法。