JPS58181842A

JPS58181842A - 耐食性ニツケル−鉄合金

Info

Publication number: JPS58181842A
Application number: JP58055358A
Authority: JP
Inventors: アジズ・アイ・アスフアハニ; ユ−ジン・ダブリユ・ケリイ; ジユリ・コルツ
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1983-04-01
Publication date: 1983-10-24
Also published as: GB2117792A; US4489040A; FR2524492A1; GB8308050D0; IT1163218B; JPH0471991B2; GB2117792B; DE3312109A1; IT8320441A0; FR2524492B1; CA1213158A

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】本発明はニッケル、鉄、クロムを主体とし、その他の不
可欠の改良合金元素を含有する耐食合金に関する。本発
明の合金＃−ｉ特に、管材として深層のサワーがス（酸
性天然がス）弁用に使用するのに通している。

発明の背景高合金ステンレス鋼とニッケル基合金は深層。

高圧のサワーがス井中で管材としての用途が広い。

それぞれの用途における環境は変動するが１石油ならび
に天然がス工業において合金管が使用される条件範囲は
、圧力力１００−１４０　ＭＰＡ（１５，０００−２０
，０００ｐｓｉ　）　、温度が２３０００までで、硫化
水素（Ｈ２Ｓ　）の含有量は５０　ｐｐｍから４０％に
も達する。

深層がス井のほとんどには、塩分の多い水が存在して、
環境の浸食性を一層増大する。

深層がス井に使用される合金には、高度の耐食性が要求
される。ガス井中の環境条件の中、温度、圧力＊　”ａ
ｓＩ）ＡＵ時にＦｉＣｏ２濃度が上昇するＯＫ伴なって
、腐食条件も苛酷になる。このような条件下でＦｉ、炭
素鋼や低合金鋼は腐食度が高い丸めに使用に耐兄ない。

このようながス井中では、腐食抑制剤を使用しても遍切
な防食対策にはならない。ある場合には。

環境温度が抑制剤の有効温度範囲を超過し、また別のガ
ス井では、動的の流動条件によって抑制剤の皮膜を維持
できないようになる。最終的には。

腐食抑制剤を利用すれば多くの場合、沖合いプラント７
オームのスペースが余分に必要になったり。

所要労働時間の必要性が継続する結果、腐★に対抗する
に＃ｉ、合金管材を使用する方が一層経隘的な選択であ
るということになる。

このような極めて浸食性の高い環境では１合金管は高強
度を有することが必要になる。この強度の向上＃′ｉ、
使用間使用層高い圧力と、一層長くなる配管部の重量を
支持する丸めに要求される本のである。このような強度
水準を達成するため１合金管類Ｆｉ１例えば、ピルが一
製管法、冷関引抜き。

その他の適切な加工法にょシ冷関加工されるのが通常で
ある。

各用途によって、特定の仕様かめるにしても。

深層のがス井や油井に使用される管材に要求される機械
的性質は、降伏強さが７５８から１２４゜ＭＰＡ　（１
１０，０００から１８０，０００　ｐｓｌ）　ノ範囲で
ある。

先行技術深層の酸性天然がス井用の管材には、硫化物応力割れ（
ＳＳＣ）と応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対する高い抵抗［
を有することが必要である。３０４型や５１６型のステ
ンレス鋼では、塩化物による応力腐食割れに対する抵抗
性が十分でない。

アメリカ国特許３，５６７，４３４に記載され、登録商
標として”ＦＥＲＲＡＬＩＯＭ　”を付されている複合
ステンレス鋼は、比較的に厳しくない環境での使用に耐
えるが、苛酷でＨ２Ｂ含有量の多い環境での硫化物腐食
割れに対する抵抗性は十分でない。

ハステロイ［Ｆ］合金ａ−５や、同じくｃ−２７６は前
記のＳＳＣやＳＣＣに対しＰｆｒ望の抵抗ＩＩを有して
いる。

前記の合金ａ−５や合金Ｃ−２７６に匹敵する特性を有
し、しか奄低価格な新合金に対する費望が緊急の問題と
なっている。Ａｌｌ０Ｙ　２０は、深層のサワーガス（
酸性天然がス）環境に於て良好な耐食性を有する本のと
して知られている商用合金である。

アメリカ国特許３，２０３，７９２号はＣ−２７６につ
いて開示し、アメリカ国籍＃’Ｆ２，９５５，９３４と
３，３６６，４７３とは、この種合金中の頌似合金を開
示している。

第１表は、これらの先行技術の合金の公称成分を表示し
たものである。この種の合金を深い酸性天然ガス井内で
管材として最大限に使用するには。

これを制限する種々の欠点が認められる。

ある合金は１通癌な耐食性と共に要求される機械的物理
的特性の結合と１切な耐食性とを具備せず、ま九ある合
金線所望の特性を全て有していても、ニッケル、モリブ
デンその他の成分の含有量が高いために高価でめったり
する。

本発明の目的深層サワーがス井用構成部材として所望の緒特性を組み
合わせて有する合金を提供するのが本発明の主要な目的
である。

本発明の別の目的は、深層天然がス井用に使用できる合
金を低価格で提供することである。

本発明のさらに別の目的は、冷間圧減され九管材の形の
深層サワーガス用部材を提供することである。

当業者には明白なこれらの、ま九別の目的ならびに利点
が本発明の合金によって達成される。

発明の要約本発明は前記各項においてのべた全ての要求事項を組み
合わせて有する新合金を提供するものである。

本発明合金は、すぐれた耐食性、応力腐食割れに対する
抵抗性、ならびに硫化物応力割れ抵抗性を有する。

化学成分を慎重に選択することにより、この新合金は前
述の８ＣＣ−？８’８Ｃ４Ｉ性に愚影４１ｔ′及ばずこ
となく、高い残置レベルまで加工することが可能である
。

さらにまた、本合金は、＃！層のサワーがス用としての
特性を有しているＧ−３合金やＣ−２７６合金などの合
金と経済ベースで有利に競争ができる。

本発明合金の成分を第２表に表示した。本明細書本文な
らびに４Ｉ許請求の範囲中の成分９［は、特に別途の指
定がない限シ５重量パーセントで示めされている。

不純物と一緒に、鉄分Ｆｉ残部として示めされているが
１本発明合金においてはニッケルと鉄はほぼ等しい量だ
け存しなければならない。鉄はニッケル含有量の０．８
から１．２の範囲（Ｆｅ　＊　Ｎｌ　＝０．８〜１．２
　：　１　）だけ存在しなければならない。

クロムは主として、苛酷なサワーガス環境での耐食性と
安定な不動態とするために存在する。

モリブデンは、主として激しい浸食性環境下で耐孔食性
を与さるために存在する。タングステンはモリブデンと
共に、第２表に示めした限界値までは存在が許容できる
。モリブデンとタングステンが過剰になると加工性を低
下させる。タングステンは硫化物応力割れに対する抵抗
性を向上させ、合金組織に対して付加的な炭化物強化の
効果を生ずる。タングステンをモリブデンの代替物とし
てはならない。モリブデンは第２表に示す範囲内で必ら
ず存在すべきものである。

窒素は本発明で臨界的効果のある元素である。

窒素が０．０３％よシ少なければ、効果の点で不適当て
おるが、約０．３５％を超える窒素は好ましくない。過
剰の窒素は合金の脆化を招来し靭性を低下させる。

した。鋳造品、粉末製品などの製造に際しては。

任意的重加元素や不純物は第２表のＮ曲内で存在しても
よいが、展伸材製品の場合には、これらの元素（％にチ
タン）は艮結果を得るために、極力低減しなければなら
ない。

本発明の合金Ｆｉ、当該技術分野で周知の方法。

例えば大気中アーク溶解、大気中誘導溶解、真空アーク
再溶解（ＶＡＲ）、エレクトロスラグ再溶解などの他の
方法で溶解し処理することができる。

試料合金をピルガ−製管法により継目無し管として加工
し、冷間加工のｉ−の状態で試験した。

一連の加工処理中の最終のピルが一製管作業にｉシ管材
としての冷間加工が加えられる。冷−間加工の根［（断
面減小率％）が機械的性質の水準を支配し、冷間加工度
が大きくなれば、それに応じて降伏強さと引ｇｋｇ強さ
も上昇する。

しかし、各合金の成分によって硬化の上限がめシ、冷関
加工＆をさらに増しても、降伏強さや引張強さはめる限
界までしか上昇しない。このような現象は減面率（加工
率）が４０％から７０％までの範囲内で発生する。

さらに、６０％を長かに土建るような加工率は。

はとんどの生産工程では使用されない。冷間加工された
管材の所望の機械的性質を達成し制御する見地から、加
工率を２５から６Ｄ％の範囲とし所望の特性水準とする
ことが望ましい。この範囲よりはるかに低い加工率でピ
ルが一製管作業を行なうと、変形加工が不均一となり、
ま九この範囲よりも著るしく高い加工率では、加工の途
中で靭性の低下に起因する破断が発生する。

第４表は１本発明の合金を出発材料とし、ピルが一製管
機により製造した管材について、窒素含有量の変化に伴
なう機械的性質の変化を示す。窒素含有量が０．１１８
％の合金の降伏強度は、８２７−９６５　ＭＰａ　（１
２０”−１４０ｋｓｌ　）である。一方窒素含有量が上
記よりも低いと、比較の対象となる加工率によっても、
　８２７　ＭＰａ　（１２０に８１）の水準には達しな
い。

深層サワーガス用管材としての用途中の多くは。

降伏強度が８２７　ＭＰａ　（１２０ｋｓｌ）以上さら
に９６５　ＭＰａ　（１４０ｋ１３１）以上であること
が必要である。

第５表は、冷間加工率の関数としての展伸材の開帳り強
さを示めすものであり、試験は冷間圧延棒材について行
なった。

第５表はロンフラニルＣスケールの優ざを示す。

ロックウェルスケールで２０よりかなシ低い硬さの値は
１通常用いられない。表中の数字は同一の硬さスケール
によシ、直接比較が可能なように。

ロックウェルスケールでの僅から換算した値を含んでい
る。

第４表と第５表のデータは１本発明合金中での窒素含有
量が臨界的な重要性を有していることを示めしている。

合金１．２および４（窒素量がそれぞれ０．１１８．　
０．０５３％および０．２２８％、ただし合金４は第４
表のみに表示されている）は、特性上ノ冷関加工特性の
組み合わせが極めて良好である。一方合金６（窒素含有
量０．０１８％）は過当でないので本発明合金の範囲外
とした。

この樵の合金では１種々の異なった媒体中で耐食性を有
することが必要である。

合金１の２種の試料を当技術分野で使用している合金２
０と共に試験した。

合金１は加工率を３１％および４８％として冷間加工を
行なった。合金２０は最高強度を得るために５９％の加
工率とした。

腐食試験の結果を第６表に表示した。注目すべき点は１
本発明合金では最高の特性を得るには５９％までの加工
度を必要としないことである。

こｒらのデータから：（１）　　本発明の合金では、耐食性は全てのテストに
ついて合金２０よりもすぐれていること：（２）　　冷
間加工は本合金について行なった程度が望ましいこと；（３１冷間加工度は６１％と４８％の間では、耐食性に
ついて特に有意差はないことが判った。

硫化物応力割れ（ＳＳＣ）と応力腐食割れ（ＳＣＣ）に
対する抵抗性′Ｉｔ判定するために一連の試験を行なつ
九。

３１％と４８％の加工度で加工された２糧の試料を合金
２０と合金Ｇ−３と共に試験した。

この糧の合金には、硫化物応力割れと応力腐食割れの両
方に対する抵抗性が要求される。

ニッケル基合金系での耐硫化物応力割れ性は。

ＮＡＣＥ試験法ＴＭ　−０１−７７に規定されているＮ
ＡＣＥ　３３境中での割れ抵抗性によって測定する。

ニッケル基合金については、該合金を炭素鋼と結合して
試験することにより一層厳しい条件で行なわれる。

低温時効（例えば２０４℃で２００時間）を行なうと試
験条件は一層厳しくなる。最も苛酷な条件（炭素鋼との
結合＋低温時効）でも１本発明の合金は　Ｃ−ＩＪング
（Ｃ−ｒｉＢ　）として降伏強度の９５％の応力を負荷
されても硫化物応力腐食割れに耐えることができた。第
７表のデータがこの事実を証明している。応力腐食割れ
は、温度が高くなると発生が多くなり、塩化物量の上昇
、−の低減％　Ｈ２Ｓの上昇によって一層悪化される。

Ｔ３０４あるいは３１６ステンレス銅がＳＣＣ賦験で不
合格になると、合金鬼２０がＳＣＣ抵抗が大であるとの
理由から、それらの代シに使用されることが多い。第７
表は合金嵐２０と合金Ｇとを本発明の合金１と比較した
ものである。比較がよくできるように、試験室での環境
は多くの現場での条件よりも一層厳しいものとした。

第６欄および４４１１ｉでの試験は、それぞれの合金の
降伏強さの７５％および９５％の応力を負荷したＣ　−
１７ング試片について行なっ九。試験液の水溶縁と試験
片とをオートクレーブ中に入れ、密封して後、指定され
九ガス（Ｓ２Ｓまたは９０％ｃＯ２十１０％［（２８そ
の他）を用いて０．５２Ｍｐａ（７５１）８１　）に加
圧し九。それからオートクレーブを指定の温度に加熱し
た。予め定められた時間の経過後、オートクレーブを冷
却して開け、試料を検査した。

このようにして割れの発生し始める時間を決定した。表
から判るように１合金１の応力割れ特性は合金２０よす
は良いが合金Ｇ−３には及ばない。

この特性は合金のニッケル含有量に帰すべきものでろろ
う。

合金２０は、公称成分として２６％のニッケルを含み、
合金１は３６％のニッケルを含み５合金Ｇ−３は約４７
％のニッケル全含有する。従って。

公称成分としてニッケル６６％と鉄も約３６％とすれば
、コストの点を考慮しても、艮好な工学的特性と冷間加
工性とを最良にバランスさせることになる。

この理由から、ニッケルと鉄の含有量についての相関関
係は０．８から１．２の間に保たねばならない。

本合金の一つである合金５は、実質的に第２表に代表的
に示されている合金になるようにｖｊ４製した。この合
金は重量で、０．０２％の縦索と。

２２．１８％のクロムと３５．４５％の鉄と、０．９８
％のマンガンと、６．０％のモリブデンと、０．１５％
の窒素と、３６．８４％のニッケルと０．５６％のけい
素と残部がこの樵合金に通常含まれている程度の不純物
とを含むもので６つ九。

この合金を４３％の冷間加工により、外径７３ｍ（２，
８７５インチ）で肉厚７．０ＬＩＩＩ＋（０，２７６イ
ンテ）の管とした。合金５の３２本の管のそれぞれから
一本の引張試験片を機械加工して試験した。

６２個の試験での平均厘は１０１４Ｍｐａ（１４７，２
−一）の引張強さで、０．２％耐力での降伏強さは９２
０ＭＰａ　（ｉ　３３．６）ｃ６１）で伸びは１９．９
％でめった。これらの平均櫃データは、すでに述べた目
的と要求とに十分合致するものである。合金５は、すで
に述べた深部サワーガス用として最適の合金成分である
。

本発明の正確な学術的なメカニズムについては、完全に
は判明していないが、鉄−ニッケル比と主要元素である
モリブデン、窒素とクロムとに対する臨界的な成分値と
の間の関係が本発明合金の価櫃める特性を与える上で相
乗的効果を有するものと考えられる。

本発明の合金は、この種の超合金１例えばＣ−２７６合
金の製造に目下使用されている全ての方法により製造可
能である。

本合金は既知の粉末冶金法によシ粉末の形状で製造可能
である。本発明の合金は、容易に浴接されているので、
ｆ＃接用品、すなわち、ｆ＃接棒、溶接ワイヤなどに使
用されることも可能である。本合金の熱間および冷間加
工特性によシ１本合金を熱間および冷間圧延薄板、管そ
の他の市販形状の表品として生産することが可能である
。

本明細書の前述の記載で１本発明の好適実施態様につい
て述べたが１本発明Ｆｉ％１ｆｆ−精求の範囲内に？−
て上記以外のＪ！１様で実施しうろことも理解されよう
。

十 −Φ　０　口　ＨＨロ　０　Ω　Ｈ ○　Ｏ国　２２２　　の　−　≧　○　○　０　日第　
　２　　表本発明合金Ｃ，０６最大　、００５−．０５　　　．０３　　　．
０２Ｃｒ　　２０−２４　２１２５　　約２２２２．１
８Ｆｅ　　　残部　残部　約３６３５．４５Ｍｏ　　　
２−４−５　２−４　　約３．０　３．ＯＭｎ　　　　
　　、５　２．５　　　．５　１−５　　　約　　１　
　．９８Ｎ１　３４−３８　３４−３８　　約３６３６
．８４８ｉ　　　　　１まで　　、２５−１　　　約　
、６０　　．５６Ｗ　　　　　Ｏ−３，５０−３，５２
，５まで　　−Ｎ　　　、０３−０３５　．１０−０２
０　　約、１５　．１５０Ｃｕ　　　　　、　７５最高
　　、５０最高　　　、５０Ｊｌ高　　　−Ｃｏ　　　
　　　４最高　　　６最高　　　　６最高　　　−ｃｂ
＋’ｒａ　　ｕｐ　ｔｏ　ｉ　　　ｕｐ　ｔｏ　１１最
高　　　−Ｔｉ　　　　　、２５最高　　　、２最高　
　、０５ｊｌ高　　　−Ｆｅ　：　Ｎｌ　−８ｔｏ　ｉ
、２：　１．８　ｔＯＬ２　：　１約１：１１：１第　
　６　　表供試合金化学成分（重量％）Ｃ，０１６，０２，０３１，０４、Ｏ２Ｍｎ　　、９２
　　−９４　　．８５　　−８４　　　−９８Ｎｉ　　
３６．２　　３６．６　　３４．０　　３７−０　　３
６．８４ｓｉ　　　、５７−６１．５７　　−４１　　
　．５６Ｗ　　　、１６　　．０６　　　　　　．１１
　　　−Ｎ　　　、１１８　　．０５３　　．０１８　
　．２２８　　．１５斧本発明の合金

Claims

【特許請求の範囲】（１１実質的に重量で、０．００１〜０．０６％の炭素
と１２０〜２４％のクロムと；２から４．５％のモリブ
デンと、２．５％までのマンガンと、３４〜６８％のニ
ッケルと、１％までのケイ素と、３．５％までのタング
ステンと、０．０３〜０．６５％の窒素と、０．７５％
までの鋼と、４％までのコバルトと１合計量が１％まで
のコロンピウムにオプ）およびタンタルと、’０．２５
％までのチタンと残部が鉄と不可避的不純物とからなり
、鉄対二ンケル比が０．８〜１．２：１でるるニッケル
ー鉄合金。（２）特許請求の１ＩｉＦ！Ｒ第１項に記載の合金にお
いて：炭素が０．００５〜０，０５％、クロムが２１〜
２３％、モリブデンが２〜４％、マンガンが０５〜１．
５％、ケイ素が０．２５〜１％と、窒素が０．１０〜０
．２０％と、銅が０．５％までと、コバルトが３％まで
と、テタ／が０．２％まででるることを特徴とするニッ
ケルー鉄合金。（３）特許請求の範囲第１項に記載の合金において：約
０．０！１％の炭素と、約２２％のクロムと、約３％の
モリブデンと、約１％のマンガンと、約０．６％のケイ
素と、約３６％のニッケルと、約０．６％のケイ素と、
約０．１５％の窒素とを有し、Ｆｅ：Ｎ１比が約１：１
であるニッケルー鉄合金。（４）特許請求の範囲第１項に記載の合金において：約
０．Ｉ］１６％の炭素と、約２２．０％のクロムと。約３．１０％のモリプデ／と、約０．９０％のマンガン
ト、約６６％のニッケルと約０．５５％のケイ素と約０
．１２％の窒素とを有するニッケルー鉄合金。（５）特許請求の範囲第１項に記載の合金において：約
０．０２％の炭素と、約２２％のクロムと、約２．９％
のモリブデンと、約０．９％のマンガンと。約３６．５％のニッケルと、約０．６％のケイ素と、約
０．０５％の窒素と金有するニッケルー鉄合金。（６）特ｆｌｆ請求の範囲第１項に記載の合金において
：約０．０４％の炭素と、約２２％のクロムと、約２．
９５％のモリブデンと、約０．８％のマンガンと、約６
７％のニッケルと、約０．４％のケイ素と、約０．２２
８％の窒素とを有するニッケルー鉄合金。（７）％許請求の範囲第１項に記載の合金において；約
０．０２％の炭素と、約２２％のクロムと、約６５．５
％の鉄と、約１％のマンがンと、約６％のモリブデンと
、約０．１５％の窒素と、約６６．８％のニッケルと、
約０．５６％のケイ素とを有し！Ｉ！Ｓが不可避的不純
物であるニッケルー鉄合金。（８）％許請求の範囲第１項に記載の合金において：前
記合金が耐食性と、冷間加工状態での高９Ｉｉ度と。耐硫化物応力割れと耐応力腐食割れ特性とを組み合わせ
て有していることを特徴とするニッケルー鉄合金。（９）％許請求の範囲ｆｓｉ項に記載の合金において：
前記合金が深部サワーがス井用に通した冷間加工管材で
あるニッケルー鉄合金。 αＧ　　特許請求の範囲第１項に記載の合金において；
前記合金が、鋳造品、板材、薄板材、管材、金輌粉末体
、およびワイヤロンド材の少くともいづれか一つの形状
なっているニッケルー鉄合金。旧）　特許請求の範囲第１項に記載の合金において：前
記合金が溶接に通した形状に成形されていることを特徴
とするニッケルー鉄合金。