JPH0885820A - 高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】優れた耐食性が要求される高窒素含有ステンレ
ス鋼の鋼管、鋼板、棒鋼等に適用される熱処理方法を提
供する。 【構成】(1) 雰囲気ガスとして、N₂ガスが１〜30容量
％、残部がH₂ガスからなり、その露点が−10℃未満であ
る混合ガスを用いて、1030〜1250℃の温度範囲に加熱し
たのち、 500℃までの平均冷却速度を 100℃／分以上と
する高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法。 (2) 同様に、雰囲気ガスとして、N₂ガスが 0.5〜50容量
％、残部がH₂ガスからなり、その露点が−10℃以上であ
る混合ガスを用いる高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方
法。 上記の高窒素含有ステンレス鋼として、重量％で、Cr：
16〜30％、Mo＋ 0.5Ｗ：２〜８％、Ｎ： 0.1〜 0.9％を
含有する二相ステンレス鋼、さらにNi：10％以上を含有
するオーステナイト系ステンレス鋼であって、かつ下記
(1)式で表されるPREWが35以上であることが望ましい。 PREW＝Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６Ｎ ・・・ (1)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐食性が要求さ
れる高窒素含有ステンレス鋼の鋼管、鋼板、棒鋼等に適
用される熱処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼の用途として、オーステナ
イト系ステンレス鋼（SUS 304 、316等）、フェライト
系ステンレス鋼（SUS 430 等）が、それぞれ特徴ある材
料として広く用いられており、さらに、この両者の特徴
を兼ね備え、弱点を相補完しうるフェライト・オーステ
ナイト二相ステンレス鋼（SUS 329 等）が注目されてい
る。

【０００３】最近、耐食性金属材料一般について、海水
環境での使用など使用環境が過酷になるに従い、要求さ
れる耐食性能が高度になってきており、この要求に対応
した耐食性ステンレス鋼の開発が多くなされている。

【０００４】ステンレス鋼の耐食性、特に局部腐食であ
る孔食や隙間腐食に対する抵抗力を高める方法として、
合金成分であるCr、Mo、Ｗ、さらにＮを高めることが有
効であり、これらの孔食に対する抵抗力を、Cr１％と等
価な値に換算して定量的に表現するパラメータとして、
下記 (1)式で示すPREW（Pitting Resistance Equivalen
t with Tungsten ）が知られている。

【０００５】 PREW＝Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６Ｎ ・・・ (1) 一般に、海水環境での使用などを想定する場合には、こ
のPREWが35以上になるようにCr、Mo、Ｗ、さらにＮの含
有量が調整される。

【０００６】(1)式から明らかなように、これらの合金
成分のうちのＮは優れた耐食性改善元素であるととも
に、強力なオーステナイト生成元素である。また、フェ
ライト生成元素であるCr、Moも有効な耐食性改善成分で
あるから、通常、耐食性ステンレス鋼にはCr、Moが多量
に添加されることになる。この場合には、Ｎはオーステ
ナイトの熱的安定性を図るため、比較的高濃度に添加さ
れるので、高耐食性ステンレス鋼として高窒素含有ステ
ンレス鋼になるのが特徴である。

【０００７】上記の高窒素含有ステンレス鋼を、耐食性
材料として鋼管、鋼板、棒鋼等に熱間加工または冷間加
工する場合、加工により硬化した材料を軟化するため、
および最終製品としての要求に合致した組織、強度を得
るために熱処理を施す必要がある。この熱処理として、
燃焼排ガス雰囲気中で行う方法と制御された雰囲気中で
行う光輝熱処理法とがある。

【０００８】燃焼排ガス雰囲気中で行う方法は、ステン
レス鋼の熱処理として汎用されている方法ではあるが、
表面に酸化スケールが発生するため、熱処理後に表面の
脱スケールが必要になる。脱スケール法には、例えば、
ショットブラスト法、砥石研削法等のメカニカル脱スケ
ール法があるが、これらは極めて非能率（特に、小径鋼
管の内面脱スケールは困難）であることから、酸洗によ
る脱スケールが多用される。しかし、酸洗脱スケールを
行う場合であっても、対象が高窒素含有ステンレス鋼で
あると、鋼自体が酸に対する高い耐食性をもつため、脱
スケールが困難となって、多大な工数および費用が掛か
ることになる。

【０００９】制御雰囲気中で行う方法を採用すれば、酸
化スケールの発生が防止できて脱スケールが省略でき
る、または薄い酸化スケールの生成に留まって脱スケー
ルが容易になることが期待できる。このような観点か
ら、特公昭61−8130号公報で開示されているように、雰
囲気ガスとしてH₂単味のガスとN₂単味のガスとを最適割
合に混合したガスを用いることを特徴とするステンレス
鋼の光輝焼鈍法の提案がある。

【００１０】しかしながら、この光輝熱処理法が対象と
する鋼種は、SUS 304 、SUS 202 およびSUS 430 に規定
される窒素含有量が低いオーステナイト系およびフェラ
イト系のステンレス鋼 (Ｎ＜0.1 ％) に限定されるもの
であり、高窒素含有ステンレス鋼の熱処理に関するもの
ではない。さらに高窒素含有ステンレス鋼に光輝熱処理
を適用すると、鋼表面に窒素吸収や脱窒素の現象が生
じ、極端に耐食性が劣化する事態も発生した。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐食
性金属材料として優れる高窒素含有ステンレス鋼の実用
化を一層進めるために、上記した従来技術の問題点を克
服して、光輝熱処理法を確立することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の (1)、
(2)の高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法を要旨とし
ている。

【００１３】(1) 高窒素含有ステンレス鋼を、N₂ガスが
１〜30容量％、残部がH₂ガスからなる混合ガスであっ
て、かつその露点が−10℃未満である混合ガスの雰囲気
で、1030〜1250℃の温度範囲に加熱したのち、 500℃ま
での平均冷却速度を 100℃／分以上として冷却すること
を特徴とする高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法。

【００１４】(2) 高窒素含有ステンレス鋼を、N₂ガスが
0.5〜50容量％、残部がH₂ガスからなる混合ガスであっ
て、かつその露点が−10℃以上である混合ガスの雰囲気
で、1030〜1250℃の温度範囲に加熱したのち、 500℃ま
での平均冷却速度を 100℃／分以上として冷却すること
を特徴とする高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法。

【００１５】上記の高窒素含有ステンレス鋼として、重
量％で、Cr：16〜30％、Mo＋ 0.5Ｗ：２〜８％、Ｎ：
0.1〜 0.9％を含有する二相ステンレス鋼、さらにNi：1
0％以上を含有するオーステナイト系ステンレス鋼であ
って、かつ下記 (1)式で表されるPREWが35以上であるこ
とが望ましい。

【００１６】 PREW＝Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６Ｎ ・・・ (1) ただし、 (1)式中の元素記号は各元素の含有量（重量
％）を示す。

【００１７】

【作用】本発明は、高窒素含有を特徴とする耐食性ステ
ンレス鋼の合理的な熱処理を実現するために、光輝熱処
理を前提として、鋼管、鋼板、棒鋼等の鋼表面に生じる
窒素吸収層や脱窒素層の形成による耐食性の劣化を防止
するため、熱処理雰囲気の露点とN₂ガス混合比率を規定
すること、さらに、炭窒化物あるいは金属間化合物の析
出による耐食性劣化を防止するため、加熱温度および冷
却速度を規定することを特徴としている。

【００１８】以下に、光輝熱処理の条件限定の理由と対
象となる高窒素含有ステンレス鋼の望ましい成分範囲を
説明する。

【００１９】１．光輝熱処理の条件限定の理由 熱処理温度：高窒素含有ステンレス鋼の加熱温度は、10
30〜1250℃の範囲とする。加熱温度が1030℃未満では、
昇温中に析出する金属間化合物（σ相等）が未固溶にな
るため、熱処理後も十分な機械的性質および耐食性が得
られない。一方、加熱温度が1250℃を超えると、二相ス
テンレス鋼の場合には、フェライト量が増加し、耐食性
および靱性が劣化し、オーステナイト系ステンレス鋼の
場合には、著しい粒成長を起こし、同様に耐食性が劣化
し、強度も低下する。ただし、昇温速度については、十
分に加熱温度が確保される限りにおいて、問題とならな
い。

【００２０】熱処理雰囲気：高窒素含有ステンレス鋼の
光輝熱処理においては、鋼表面の窒素吸収、脱窒素の現
象が重要である。前述の特公昭61−8130号公報では、N₂
ガスの多い雰囲気でSUS 304 、SUS 202 の鋼種を熱処理
すると、窒素吸収の現象が生じるが、吸収された窒素は
窒化物（CrＮ、 Cr₂Ｎ）としては存在せずに、すべて固
溶状態で存在すると開示している。しかし、発明者らの
実験結果によれば、光輝熱処理時に鋼表面に生じる窒素
吸収、脱窒素の現象は熱処理雰囲気の条件（露点）によ
って左右され、吸収された窒素の挙動も異なったものに
なる。

【００２１】熱処理雰囲気の露点が低い (−10℃未満)
場合には、N₂ガスとH₂ガスとの混合からなる雰囲気ガス
の割合がN₂ガスが30容量％を超えると、鋼表面では窒素
吸収の現象が生じる。このとき吸収された窒素の一部
は、ステンレス鋼中の金属元素と反応して窒化物を生成
し、析出する。このため、表面に脆化層が形成され、耐
食性が劣化する。また熱処理対象が二相ステンレス鋼で
あれば、その表層のみにオーステナイト化が起こり、二
相ステンレス鋼の基本的な性質が失われる。一方、N₂ガ
スの混合割合が１容量％未満になると、鋼表面では脱窒
素の現象が生じ、このため鋼表面の耐食性が劣化する。
さらに表面近傍では、フェライト単相組織となり、本来
の特徴がなくなり耐食性および靱性の劣化を招く。した
がって、高窒素含有ステンレス鋼の光輝熱処理におい
て、雰囲気ガスはN₂ガスが１〜30容量％である場合に
は、その露点が−10℃未満である混合ガスを使用しなけ
ればならない。

【００２２】熱処理雰囲気の露点が比較的高くなると
(−10℃以上) 、鋼表面に薄い酸化膜が生成する。この
酸化膜が鋼表面での窒素吸収、脱窒素の現象を防止する
ので、N₂ガスの割合が50容量％を超えるまで窒素吸収が
発生せず、N₂ガスの割合が 0.5容量％未満になるまで脱
窒素が生じない。したがって、高窒素含有ステンレス鋼
の光輝熱処理で使用する雰囲気ガスは、N₂ガスが 0.5〜
50容量％である場合には、その露点が−10℃以上の条件
を具備する必要がある。

【００２３】平均冷却速度：加熱後の冷却速度が 100℃
／分未満では、冷却中に炭窒化物および金属間化合物
（σ相等）が析出し、耐食性および靱性の劣化を招くこ
とになる。冷却速度が平均して 100℃／分以上であれ
ば、耐食性劣化の問題が生じない。

【００２４】２．高窒素含有ステンレス鋼の成分範囲
（含有量の％は全て重量％を意味する） Cr：Crは耐食性を維持するために有効な基本成分であ
る。その含有量が16％未満では、耐食性を確保するため
に、Mo、ＷおよびＮを高濃度に添加しなければならず、
熱間加工性が困難となり、また、窒化物、金属間化合物
の析出によって耐食性の劣化が顕著になる。一方、Cr含
有量が30％を超えると、金属間化合物（特にσ相）の析
出が顕著となって、靱性および耐食性の劣化を招く。

【００２５】MoおよびＷ：Moは耐食性を向上させるのに
非常に有効な成分である。特に、Ｎとの複合作用による
耐食性を高めるために、２％以上の含有が必須である。
一方、含有量が８％を超えると、Crと同様に、金属間化
合物の析出が顕著となるため、素材の靱性および耐食性
が劣化する。

【００２６】Ｗは、Moと同様に、耐食性を向上させる効
果を有し、また低温側での時効熱処理に際し、Crあるい
はMoに比べ金属間化合物の析出を抑制することができる
ので、添加するのが有効である。しかし、高価な元素で
あるため経済性から含有量を５％以下とする。さらに、
上記の効果を得るために積極的に添加する場合は、 0.1
％以上含有させるのが望ましい。

【００２７】一般にＷは合金成分としてMoと同等の作用
効果を有するものとされ、Moとその1/2 量のＷが均等物
として取り扱われることが多い。このため、本発明では
Mo＋0.5Ｗの含有量を、２〜８％とする。

【００２８】Ｎ：前述の通り、Ｎは強力なオーステナイ
ト生成元素であるから、Cr、Moが多量に添加される場合
には、 0.1％以上の含有が必要となる。また、含有量が
通常のステンレス鋼のレベルである 0.1％未満では耐食
性が不十分である。一方、Ｎの含有量が 0.9％を超える
と、窒化物の生成にともなう靱性、耐食性の劣化を招く
とともに、凝固時または溶接時にブローホールが生成し
易くなる。そのため、Ｎの含有量は 0.1〜 0.9％とす
る。

【００２９】Ni：Niはオーステナイトを安定化するため
に必須の成分であり、熱処理対象がオーステナイト系ス
テンレス鋼の場合には、オーステナイト単相組織とする
ために、含有量は10％以上とする。Ni含有量の上限は、
経済性を考慮して40％とするのが望ましい。

【００３０】対象が二相ステンレス鋼である場合には、
その含有量が10％を超えるとフェライト量の減少によっ
て二相ステンレス鋼の基本的な性質が確保しにくくな
り、一方、含有量が４％より少ないとフェライト量が多
くなりすぎて二相ステンレス鋼の特徴が失われるので、
Niの含有量は４〜10％とするのが望ましい。

【００３１】Mn：Mnも高窒素含有オーステナイト系ステ
ンレス鋼に多量に添加されるが、その含有量は特に限定
されない。

【００３２】PREW（Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６
Ｎ）：PREW値の増大にともなって、耐食性、特に耐孔食
性が向上するので、海水環境での使用であっても耐孔食
性を確保するため35以上とする。現在、使用環境の過酷
化に対応して、PREW値が46を超える耐食性ステンレス鋼
の開発がなされているが、勿論これらも本発明の対象と
される。

【００３３】

【実施例】20kgの真空溶解炉で表１に示す高窒素ステン
レス鋼（二相ステンレス鋼としてＡ、ＤおよびＥ鋼の３
鋼種、オーステナイト系ステンレス鋼としてＢおよびＣ
鋼の２鋼種）を溶製してインゴットとし、これを1200℃
に加熱して厚さ15mmの板材に鍛造した。

【００３４】

【表１】

【００３５】これらの板材を下記の条件で光輝熱処理し
た後、幅10mm×厚さ３mm×長さ40mmの試験片を切り出し
て、耐孔食性の調査を行った。

【００３６】１．熱処理温度：加熱温度1140℃で、均熱
時間10分。

【００３７】２．熱処理雰囲気：露点は−45℃、−15℃
および−10℃の３条件。

【００３８】N₂ガスの割合を０から55容量％に変化させ
る（残部はH₂ガスを使用）。

【００３９】３．平均冷却速度： 150℃／分、 100℃／
分および90℃／分の３条件。

【００４０】耐孔食性の調査は、各温度（50℃、55℃、
60℃、65℃、70℃、75℃および80℃）の６％FeCl₃ 溶液
に試験片をそれぞれ24時間浸漬した後、孔食が発生しな
い限界の温度 (ＣＰＴ) を求めた。孔食発生の判定は、
24時間浸漬後10mg以上の減量がある場合を孔食発生と判
定した。各鋼種の判定結果を表２〜表４に示す。表中の
耐孔食性の判定は、ＣＰＴが70℃以上の場合を○とし、
80℃以上の場合を◎とした。

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】表２〜表４から明らかなように、N₂ガスの
割合や冷却速度が本発明で規定する条件から外れる条件
で光輝熱処理を行った比較例では、ＣＰＴは70℃未満と
なっているのに対して、本発明例ではいずれもＣＰＴが
70℃以上となって、優れた耐孔食性を示している。

【００４５】

【発明の効果】本発明方法によれば、最近使用が増加し
ている高窒素含有ステンレス鋼の鋼管、鋼板、棒鋼製品
における表面の窒素吸収、脱窒素による耐食性の劣化が
防止でき、さらに不完全な酸洗脱スケールに起因する表
面付着物を防いで、清浄な耐食性ステンレス鋼製品の提
供することが可能となる。しかも、酸洗脱スケール工程
を省略あるいは簡略化できるので製造コストの低減、な
らびに弗酸、硝酸等の薬品の使用量の削減が可能となり
環境改善にも貢献することができる。

【００４６】

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｃ２２Ｃ 38/22 38/44

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高窒素含有ステンレス鋼を、N₂ガスが１〜
   30容量％、残部がH₂ガスからなる混合ガスであって、か
   つその露点が−10℃未満である混合ガスの雰囲気で、10
   30〜1250℃の温度範囲に加熱したのち、 500℃までの平
   均冷却速度を 100℃／分以上として冷却することを特徴
   とする高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法。
2. 【請求項２】高窒素含有ステンレス鋼を、N₂ガスが 0.5
   〜50容量％、残部がH₂ガスからなる混合ガスであって、
   かつその露点が−10℃以上である混合ガスの雰囲気で、
   1030〜1250℃の温度範囲に加熱したのち、 500℃までの
   平均冷却速度を 100℃／分以上として冷却することを特
   徴とする高窒素含有ステンレス鋼の熱処理方法。
3. 【請求項３】高窒素含有ステンレス鋼が、重量％で、C
   r：16〜30％、Mo＋ 0.5Ｗ：２〜８％、Ｎ： 0.1〜 0.9
   ％を含有し、かつ下記 (1)式で表されるPREWが35以上で
   ある二相ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１
   または請求項２記載の高窒素含有ステンレス鋼の熱処理
   方法。 PREW＝Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６Ｎ ・・・ (1) ただし、 (1)式中の元素記号は各元素の含有量（重量
   ％）を示す。
4. 【請求項４】高窒素含有ステンレス鋼が、重量％で、C
   r：16〜30％、Mo＋ 0.5Ｗ：２〜８％、Ｎ： 0.1〜 0.9
   ％、Ni：10％以上を含有し、かつ下記 (1)式で表される
   PREWが35以上であるオーステナイト系ステンレス鋼であ
   ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高窒
   素含有ステンレス鋼の熱処理方法。 PREW＝Cr＋ 3.3（Mo＋ 0.5Ｗ）＋１６Ｎ ・・・ (1) ただし、 (1)式中の元素記号は各元素の含有量（重量
   ％）を示す。