JPH08333656A - ベローズ用フェライト系ステンレス鋼管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応力腐食割れ感受性を解消したベローズ用フ
ェライト系ステンレス鋼管を提供する。 【構成】 重量％で、 C≦0.02% 、Cr：10.0〜23.0% 、
N≦0.015%、さらに必要によりSi≦1.0%、Mn≦1.0%を含
み、さらに必要によりNb：C%とN%の和の７倍以上でかつ
0.6%以下、Ti：C%とN%の和の４倍以上でかつ0.6%以下の
１種もしくは２種を含み、さらに必要によりMo≦2.0%、
Ni≦1.0%、Cu≦0.8%の１種もしくは２種以上を含み、そ
の他不可避的不純物およびFeからなるフェライト系ステ
ンレス鋼管の溶接接合部において、鋼管外表面側のビー
ド湯盛り高さを無しまたは板厚の 20%以下、かつ鋼管内
表面側のビード湯盛り高さを無しまたは板厚の 30%以下
とし、かつ溶接金属部での結晶粒度番号が 3.0番以上で
あることを特徴とする、ベローズ用フェライト系ステン
レス鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車排気系、ガスの配
管、水道管に使用されるベローズ用フェライト系ステン
レス鋼管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ベローズ管は気体、液体等の配管とし
て、熱による歪や振動を吸収するのを目的として使用さ
れている。従来、このベローズには銅合金やオーステナ
イト系ステンレス鋼が用いられてきた。この理由は、ベ
ローズ構造への加工が他の金属では困難であったためで
ある。すなわち、銅合金やオーステナイト系ステンレス
鋼は、冷間での伸びが大きく、伸びによって成形される
バルジ加工を適用するベローズには最適の材料である。
これに対して、炭素鋼等のｂｃｃ結晶からなる金属は延
性が不足するためにバルジ加工ができなかった。

【０００３】一方、オーステナイト系ステンレス鋼製ベ
ローズは、製造は容易であるものの、内部を通る腐食性
の溶液によっては応力腐食割れが発生し易いという欠点
があった。これは、ベローズは管の凸部分の山と凹部分
の谷の曲げによって歪や振動を吸収するために、凸部分
と凹部分には必ず応力が掛かる。すなわち、応力の除去
は不可能な構造、部品である。それにもかかわらずオー
ステナイト系ステンレス鋼は、応力腐食割れ感受性の高
い合金である。このため、オーステナイト系ステンレス
鋼製のベローズは応力腐食割れが極めて発生し易いとい
う欠点があった。

【０００４】応力腐食割れを回避するためには、応力腐
食割れ感受性の低い材料を用いるか、または構造的に応
力腐食割れが起きにくい構造すなわち応力負荷が残らな
い構造とするかのどちらかである。オーステナイト系ス
テンレス鋼の応力腐食割れ感受性を低減する成分対策と
しては、例えば特開昭４９−１０７９１５号公報に、Ｎ
ｉ含有量を増加させ、Ｃｒ，Ｎ，Ｍｏ，Ｐを低減するこ
とが開示されている。しかし、このような鋼を用いても
応力腐食割れ発生までの時間がそれ相応に伸びるだけで
応力腐食割れの発生を防止するまでには至らなかった。

【０００５】一方、構造的対策としては、ベローズの凹
凸の数を増やしたり凹部や凸部の曲げ角度を小さくする
ことで、応力を分散してひとつひとつの凹部ないし凸部
に掛かる応力を低下させることが考えられている。しか
しこの方法は、ベローズが大きくなったり長くなるため
装置も大きくする必要があるなど、コストが高くなる欠
点があった。しかも、それでも応力腐食割れの感受性は
解消せず、環境によっては応力腐食割れに悩まされてき
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、フェライト系
ステンレス鋼管のベローズの加工に成功したとはいえ、
加工時に特にベローズの山部や加工部位の端部で素材の
延性不足によると推定される破断事故を生ずることが多
く、歩留まりはオーステナイト系ステンレス鋼管の加工
に比べて極めて劣位であった。そこで素材の延性を改善
するために、従来知見に基づいてＣやＮを極限まで低減
し素材の延性を向上させて試験を行った。ところが、素
材の引張試験による延性は向上したにもかかわらず、必
ずしもベローズの破断事故は減少しなかった。破断部を
観察すると、これらの割れ発生は溶接部の凹凸部に集中
して発生していた。

【０００７】従来では素材の延性割れが観測され、ベロ
ーズ用フェライト系ステンレス鋼管には高延性のみが要
求されると考えられてきた。しかし、素材が加工に十分
な延性を有していても、溶接部で割れが発生することが
明らかとなり、フェライト系ステンレス鋼のベローズ加
工割れ回避には、素材の高延性に加え鋼管の溶接の改善
が要求されることが明らかとなった。

【０００８】すなわち本発明は、鋼管の溶接を限定する
ことでフェライト系ステンレス鋼管のベローズ加工の歩
留まり生産性を向上させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、ベローズ
の破断部の観察により破断は溶接部の熱影響部で発生し
ていることを見出した。さらに、破断はこの熱影響部の
延性そのものが原因ではなく、加工時の熱影響部への応
力集中が原因であることが判明した。そこで、加工時の
熱影響部への応力集中を低減させるためにビードの立ち
上がり角度を小さくすることを考え、溶接諸条件を変化
させてビードの立ち上がり角度を以前より小さくした鋼
管を製造し、ベローズ加工試験を行った。数種の鋼管で
ベローズ加工試験を行った結果、鋼管により割れが全く
発生しないものと以前と同様に発生するものがあった。
割れが発生した鋼管と発生しなかった鋼管の溶接部形状
を詳細に観察し検討した結果、ビードの立ち上がり角度
よりもビードの湯盛り高さが加工割れに関係しているこ
とが判明した。すなわち、ビードの湯盛り高さが小さい
と加工割れが起きにくい傾向が見出された。

【００１０】本発明者等はビードの湯盛り高さを低くす
ることで、ベローズ加工時の溶接部への応力集中を低減
させ、加工割れが回避できるものと考えた。そこでビー
ドの湯盛り高さと加工割れとの関係を詳細に調査した。
調査は液圧バルジ試験で行った。液圧バルジ試験は平板
を液圧で膨らませる試験であり、液圧バルジ加工はベロ
ーズの加工にも用いられている。本発明者等は溶接諸条
件を変えて溶接した鋼板の液圧バルジ試験を行い、バル
ジ加工時のビード湯盛り高さと成形高さの関係を調査し
た。成形高さは破断時の高さである。その結果、ビード
の湯盛り高さが小さいと成形高さは高くなる傾向が見出
された。特に鋼管の外表面側のビード湯盛り高さが板厚
の２０％以下、かつ鋼管の内表面側のビード湯盛り高さ
が板厚の３０％以下になれば、成形高さは増大すること
が判明した。さらに、一旦ビード湯盛り高さを前記以上
に設けた後に、これを研削してビード湯盛り高さを前記
の範囲内にすることでも十分な成形高さが得られること
も分かった。しかし、ビード中央の厚みが板厚よりも小
さく凹状をなしているとベローズ加工時にビード中央に
応力が集中するので、鋼管の内外表面のビード湯盛り高
さは板厚表面以上にする必要があると考えた。

【００１１】さらに、溶接金属部では結晶粒の粗大化が
起こる。ビード部は延性を改善するためにＨall-Ｐetch
の関係に従って粗大化を図ったが、大きすぎると逆に粒
界から脆性的に破壊することが分かった。この理由は不
明であるが、粒の粗大化が進むと粒界面積が減少し、偏
析が進行するため粒界脆化が起きたものと考えられる。
このため、極力溶接金属部の結晶粒の粗大化を抑える必
要があると考えた。そこで、溶接金属部の結晶粒度の異
なる溶接鋼板でバルジ試験を行った結果、結晶粒度番号
が３．０以上であれば溶接金属部で破壊が起こらないこ
とが判明した。

【００１２】本発明は上記知見に基づくものであって、
本発明の第１の発明は重量％で、Ｃ ：０．０２％以
下、Ｃｒ：１０．０以上２３．０％以下、Ｎ ：０．０
１５％以下を含むフェライト系ステンレス鋼管の溶接接
合部において、鋼管外表面側のビード湯盛り高さが無し
または板厚の２０％以下、かつ鋼管内表面側のビード湯
盛り高さが無しまたは３０％以下であり、かつ溶接金属
部での結晶粒度番号が３．０番以上であることを特徴と
する、ベローズ用フェライト系ステンレス鋼管である。

【００１３】本発明の第２の発明は、第１の発明のフェ
ライト系ステンレス鋼管において、さらに重量％で、Ｓ
ｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、これ
に加えてＮｂ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の７倍以上でか
つ０．６％以下、Ｔｉ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の４倍
以上でかつ０．６％以下の１種もしくは２種を含み、残
部が不可避的不純物およびＦｅからなることを特徴とす
るベローズ用フェライト系ステンレス鋼管である。本鋼
管は、激しい振動、あるいは歪の吸収および溶融塩腐食
環境で使用されるベローズの場合に好適である。

【００１４】一方、内部を通過する気体、液体は腐食性
の高いものに適用する場合がある。このような用途のた
めに要求される耐食性レベルに対応してＭｏ，Ｃｕ，Ｎ
ｉを添加することは有効である。このような用途のため
に第１の発明鋼の実施態様として第３の発明を完成し
た。すなわち第３の発明は、第１の発明のフェライト系
ステンレス鋼管に、さらに重量％で、Ｓｉ：１．０％以
下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、これに加えてＭｏ：
２．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｕ：０．８％以
下の１種もしくは２種以上を含み、残部が不可避的不純
物およびＦｅからなることを特徴とするベローズ用フェ
ライト系ステンレス鋼管である。本鋼管は、ベローズ内
部を通過する、気体、液体が腐食性の高いものである場
合に好適である。

【００１５】本発明の第４の発明は、第３発明のフェラ
イト系ステンレス鋼管に、さらに重量％で、Ｎｂ：Ｃ含
有量とＮ含有量の和の７倍以上でかつ０．６％以下、Ｔ
ｉ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の４倍以上でかつ０．６％
以下の１種もしくは２種を含み、残部が不可避的不純物
およびＦｅからなることを特徴とするベローズ用フェラ
イト系ステンレス鋼管である。本鋼管は、さらに激しい
振動吸収と腐食環境で使用されるベローズに対して好適
である。

【００１６】

【作用】次に本発明の成分限定理由について説明する。
Ｃは侵入型に固溶し強度を増加させるが、延性を低下さ
せる元素である。それ故、十分な延性を確保するため
に、上限を重量％で０．０２％とした。これにより、ベ
ローズ加工で凸部と凹部の径の差を十分確保できる。Ｓ
ｉは、熱間加工性を劣化させる元素である。それ故、上
限を重量％で１．０％と限定した。

【００１７】Ｍｎは、熱間加工性を下げる有害な不純物
であるＳを固着させるために有効な元素である。しか
し、多量の添加は延性を低下させ、特に１．０％を超え
て添加するとベローズの加工が困難になる。そこで、添
加量を１．０％以下とした。Ｃｒはステンレス鋼の基本
成分であるが、多量の添加は延性を低下させる。そこで
上限を重量％で２３．０％とした。下限は、耐食性を確
保するため１０．０％とした。Ｎは、Ｃと同様の効果を
有する。それ故ベローズ加工に十分な延性を有するた
め、Ｎの場合にはその上限を重量％で０．０１５％とし
た。

【００１８】本発明鋼においては、ベローズが激しい振
動あるいは歪の吸収および溶融塩腐食環境で使用される
場合には、Ｔｉまたは／およびＮｂを添加する。Ｔｉお
よびＮｂは、強力なＣ，Ｎの固定元素であり、固溶Ｃ，
Ｎ量を減少させる。その結果、延性が向上する。添加量
は炭化物（ＴｉＣ，ＮｂＣ）および窒化物（ＴｉＮ，Ｎ
ｂＮ）としてＣおよびＮを化学量論的に完全に固着させ
る必要があるので、Ｔｉの場合はＣ量とＮ量の和の４倍
以上とし、Ｎｂの場合はその和の７倍以上とした。しか
し、ＴｉやＮｂの多量添加は固溶ＴｉおよびＮｂ単独に
よる延性低下が顕著となるので、重量％でＴｉの場合は
０．６％以下、Ｎｂの場合は重量％で１．０％以下と設
定した。

【００１９】ベローズ内部を通過する気体、液体が腐食
性の高いものである場合には、さらにＭｏ，Ｎｉ，Ｃｕ
の１種以上を添加するとよい。Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｕはとも
に耐食性を向上させるのに有効であるが、多量の添加は
延性を低下させる。特にＭｏの場合は２．０％、Ｎｉの
場合は１．０％、Ｃｕの場合は０．８％を超えて添加す
ると、延性が低下してベローズの加工が困難になる。そ
こで、添加量をＭｏでは２．０％以下、Ｎｉでは１．０
％以下、Ｃｕの場合には０．８％以下と限定した。

【００２０】以上のように組成を限定したフェライト系
ステンレス鋼管をベローズ用に溶接する際の溶接条件は
非常に重要である。本発明においては、上記したフェラ
イト系ステンレス鋼管の溶接接合部において、鋼管外表
面側のビード湯盛り高さを無し（鋼管外表面と同じレベ
ルでフラット状、凹み無し）とするか、板厚の２０％以
下の高さとし、かつ鋼管内表面側のビード湯盛り高さを
無し（鋼管内表面と同レベルでフラット状を無し、凹み
無し）とするか、板厚の３０％以下の高さとした。ビー
ド湯盛り高さを上記のように限定することによって、ベ
ローズ加工時に溶接部への応力集中が低減でき、加工割
れが回避できる。ビード湯盛り高さは、溶接ままで規定
内に調節するか、あるいは溶接後に研削等によって規定
内に調整してもよい。

【００２１】本発明では、さらに溶接金属部の結晶粒度
を３．０番以上に限定した。結晶粒度が３．０番未満に
粗大化すると溶接金属部が脆性的に破壊する。結晶粒度
を３．０番以上とするには、入熱量を少なくしたり、溶
接速度を速くすること等の手段を適用すればよい。

【００２２】

【実施例】表１には、種々の成分を有する鋼管のベロー
ズ加工試験結果を、ビード湯盛り高さを板厚で割った値
および溶接金属部の結晶粒度番号とともに示す。ビード
湯盛り高さは、溶接条件を変えることで任意に変化させ
た。No．１から１０までの本発明例では、ビードの湯盛
り高さと溶接金属部の結晶粒度を範囲内に限定している
ので、ベローズ加工時の割れが発生していない。一方、
比較例No．１１の鋼管では溶接金属部の結晶粒度番号が
３．０番より小さいために溶接金属部で割れが発生し
た。またNo．１２の鋼管では鋼管表面側のビード湯盛り
高さが板厚の３０％より大きく割れが発生した。No．８
の鋼管はＣの成分が０．０２％を超えているために延性
不足による加工割れが発生した。このように、高延性を
有し、ビードの湯盛り高さの形状を限定し、かつ溶接金
属の結晶粒度を限定することで初めて、ベローズ加工割
れが回避できる鋼管が提供できた。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】本発明では、高価なＮｉを含まない安価
なフェライト系ステンレス鋼管の溶接金属部において、
溶接ビード形状および溶接金属部の結晶粒度を限定する
ことによって、応力腐食割れを解消したベローズが製造
でき、ベローズの製造歩留まりが大きく向上した。ま
た、応力腐食割れや疲労破壊の亀裂発生に起因する有害
な液体や気体の漏洩が解消して環境面での汚染がなくな
るといった付帯効果も得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｌ 27/12 0334−3Ｅ Ｆ１６Ｌ 27/12 Ａ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｃｒ：１０．０以上２３．０％以下、 Ｎ ：０．０１５％以下 を含むフェライト系ステンレス鋼管の溶接接合部におい
   て、鋼管外表面側のビード湯盛り高さが無しまたは板厚
   の２０％以下、かつ鋼管内表面側のビード湯盛り高さが
   無しまたは板厚の３０％以下であり、かつ溶接金属部で
   の結晶粒度番号が３．０番以上であることを特徴とす
   る、ベローズ用フェライト系ステンレス鋼管。
2. 【請求項２】 請求項１記載のフェライト系ステンレス
   鋼管に、さらに重量％で、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：１．０％以下 を含有し、これに加えて Ｎｂ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の７倍以上でかつ０．６
   ％以下、 Ｔｉ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の４倍以上でかつ０．６
   ％以下 の１種もしくは２種を含み、残部が不可避的不純物およ
   びＦｅからなることを特徴とするベローズ用フェライト
   系ステンレス鋼管。
3. 【請求項３】 請求項１記載のフェライト系ステンレス
   鋼管に、さらに重量％で、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：１．０％以下 を含有し、これに加えて Ｍｏ：２．０％以下、 Ｎｉ：１．０％以下、 Ｃｕ：０．８％以下 の１種もしくは２種以上を含み、残部が不可避的不純物
   およびＦｅからなることを特徴とするベローズ用フェラ
   イト系ステンレス鋼管。
4. 【請求項４】 請求項３記載のフェライト系ステンレス
   鋼管に、さらに重量％で、 Ｎｂ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の７倍以上でかつ０．６
   ％以下、 Ｔｉ：Ｃ含有量とＮ含有量の和の４倍以上でかつ０．６
   ％以下 の１種もしくは２種を含み、残部が不可避的不純物およ
   びＦｅからなることを特徴とするベローズ用フェライト
   系ステンレス鋼管。