JPS582268B2 - 加工性および耐熱性に優れたステンレス鋼パイプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、排ガス装置用配管等に適用される加工性にす
ぐれた耐熱用ステンレス鋼パイプに関するものである。

近年の自動車排ガス規制の強化動向につれ、高温排ガス
浄化システム用耐熱鋼の開発が盛んとなり、各種のステ
ンレス鋼の適用が提案されている。

このような自動車排ガス浄化処理に限らず、一般に高温
排ガス処理システムにおけるサーマルリアクター、アフ
ターバーナーその他の周辺部材は、１０００〜１１００
℃、場合によっては１２００℃もの高温に加熱され、し
かもその加熱は断続的に行なわれるので、材質的には高
温強度、耐高温酸化性はもとより、耐スポーリング性（
スケールの耐剥離性）、熱疲労特性、高温疲労特性に優
れていることが重要となる。

この他にも常温での加工性が優れ、経済的な機材である
ことも当然ながら要求される。

このような用途に対して、素材面からは高Ｓｉ含有オー
ステナイト系ステンレス鋼の適用が最も注目されている
。

またこの高Ｓｉ含有オーステナイト系ステンレス鋼は、
耐応力腐食割れ性にも優れていることから、温水器用部
材、屋内配管用パイプ、化学プラントの配管用パイプな
どの用途に適用することも検討されている。

しかし、素材面である程度の満足な結果（試験結果）が
得られたとしても、これを実用に供するためには成形が
必要であり、特にパイプとしての使用が多いために、パ
イプとしての特性や価格が最も大きな問題となる。

従来からステンレス鋼パイプを造管するにはＴＩＧ溶接
によるのが最も一般的であったが、このＴＩＧ溶接によ
る造管法はコストが高くなるのが大きな欠点である。

この造管コストを大巾に低下させることができる造管法
として高周波誘導溶接法が注目されており、この高周波
誘導溶接造管を上記の如き高Ｓｉ含有オーステナイト系
ステンレス鋼の造管に適用できればその利益は極めて大
なるものである。

しかし、ここに大きな障害があり、単に高周波誘導溶接
造管を適用しても良好な成品を得ることができない。

すなわち、高Ｓｉ含有オーステナイト系ステンレス鋼に
対して高周波溶接造管を適用すると、ＴＩＧ溶接造管で
は問題とならなかったパイプの加工性不良が多発するの
である。

本発明者らのテスト経験によると、従来の高Ｓｉ含有オ
ーステナイト系ステンレス鋼を高周波誘導溶接造管した
場合には、溶接接合部近傍の熱影響部におイテハイプの
偏平加工または拡管加工のさいにミクロワレが多発する
ことがわかった。

この原因について鋭意研究を続けた結果、この種のワレ
は、高周波誘導溶接造管のさいには溶融部と同時に熱影
響部も高温に加熱されて一部の粒界で選択溶融がおこる
と共に大きな引張応力との相乗作用によって生ずること
が判明した。

すなわち、高周波誘導溶接造管においては、素材のスプ
リングバッグが作用するため、選択溶融した粒界の一部
が、粒界に直角の引張応力によってミクロワレを生じ、
これが常温での加工時にワレとして発見されたものであ
る。

この種のワレはＴＩＧ溶接で問題となる溶着金属のδフ
エライト量のコントロールなどでは解決されないもので
ある。

本発明は、上記のような問題を解決し、加工性および耐
熱性のすぐれた経済的な高周波誘導溶接造管ステンレス
鋼パイプを提供するもので、素材面において主にＮｉｔ
８ １ ｔ Ｎｂの含有量を相互に相関量をもった量
で厳しく規制し、さらには、Ｃａおよび希土類元素、Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆ，ならびにＣｕを適量
追添して、造管のままで十分な加工性を有しかつ耐熱性
も優れた経済的な高周波誘導溶接造管ステンレス鋼パイ
プを得ることに成功したものである。

すなわち、本発明は、Ｃ；０．２％以下、Ｓｌ ；１．
５〜４％、Ｍｎ；２％以下、Ｎｉ ；７〜２０％、Ｃｒ
；１５〜２５％、Ｎ；０．３％以下を基本組成とする鋼
にＣａを０．００１〜０．０５％および希土類元素の１
種または２種以上を０．００１〜０．２％添加して耐酸
化性を改善するとともに、２×（Ｎｉ％）＋５×（Ｓｉ
％）≦４８の関係式が満たされるように組成をコントロ
ールすることにより、耐高温酸化性および加工性にすぐ
れた高周波誘導溶接造管パイプを得たものである。

さらに本発明によれば、Ｃｕを０．０５〜２％追添する
ことによりＮｉの節減と素材の加工性改善をはかること
ができ、またＮｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆの１種
または２種以上を０．０１〜０．５％の範囲で追添し、
かつＮｂを用いた場合には、２×（Ｎｉ％）＋５×（Ｓ
ｉ％）＋３５×（Ｎｂ％）≦４８の関係式が満たされる
ように組成をコントロールすることにより高温強度特性
の一層の向上をはかることができることがわかった。

本発明ステンレス鋼パイプ素材の各合金元素の含有量を
上記のように限定しているのは次の理由による。

Ｃ；Ｃはオーステナイト生成元素であると同時に高温強
度を得るために重要な元素である。

しかし多すぎると熱間加工性および冷間加工性が悪くな
るので０．２％以下とした。

Ｓｉ：Ｓｉは耐高温酸化性および耐応力腐食割れ性の点
で最も重要な元素である。

これらの効果を十分に発揮できるには１．５％以上の含
有量が必要である。

しかし、４％を超えて含有してもこれらの諸特性はそれ
ほど改良されないし、また４％を超える多量のＳｉ量で
は高周波誘導溶接造管時のミクロワレを防止する意味か
らＮｉ含有量の上限を低く抑えることを余儀なくされ、
パイプ成品の高温使用中にシグマ相脆化の生成を加速す
る結果となるのでＳｉの上限を４％とする。

Ｍｎ；本発明パイプ素材の製造上必要とされる元素であ
り、またオーステナイト生成元素であるのでＮｉの節約
にも役立つが、多量に含有すると耐高温酸化性を悪くす
るので２％以下とする。

Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼パイプを性
格づける基本元素の一つであり、オーステナイト組織を
維持し本発明の目的を達成するには７％以上を必要とす
る。

ただし、あまり多く含有すると高周波誘導溶接造管パイ
プの加工性の点から、耐酸化性および耐応力腐食割れ性
にとって重要な元素であるＳｉの含有量を少量に抑えな
ければならなくなるので上限を２０％とする。

この高周波誘導溶接造管パイプの加工性改善のため（つ
まり加工時のワレ発生防止のため）に、このＮｉ量とＳ
ｉ量との関係を定めた点に本発明の一つの特徴がある。

すなわち、ＮｉおよびＳｉのそれぞれの添加効果を十分
に発揮させながら、パイプ成品の加工性の点から両者を
バランスさせることが重要となるのである。

これには、２×（Ｎｉ％）＋５×（Ｓｉ％）≦４８ の関係を満たさねばならないことが実験的に確められた
のである。

Ｃｒ；Ｃｒは耐酸化性、耐食性を維持するための基本成
分である。

１５％未満では耐酸化性が発揮されず、また２５％を超
えると本発明鋼のようにＳｉを多量に含有する場合には
、シグマー相が析出しやすくなり、高温で長時間使用後
に著しく脆化する。

このため上限を２５％とする。ＮＵＮはオーステナイト
生成元素でありＮｉの節減に有益であると共に高温強度
の改善にも有効な元素である。

しかし、０．３％以上含有すると熱間加工性や常温での
加工性に難点があり、０．３％を上限とする。

一方、高温強度特性の改善効果を十分に得るには少なく
とも０．０５％以上含有することが必要とされるが、耐
応力腐食割れ性が問題となる用途（例えば温水器部材）
に適用する場合には、Ｎは極力低いほうが望ましい。

Ｃａ：Ｃａは強力な脱酸作用と脱硫作用を有するので本
発明パイプ素材に添加すると、熱間加工性を改善する。

またＳｉの共存下でのＣａの添加により耐高温酸化性が
著しく改善される。

これらの効果を得るには、０．００１％以上の添加が必
要である。

しかし０．０５％以上含有させることは実操業上困難を
ともなうので、０．００１〜０．０５％を含有させるの
がよい。

希土類元素：Ｙ，Ｃｅ，Ｌａ等の希土類元素は、Ｃａと
同様に熱間加工性および耐高温酸化性の改善に著効を示
す。

特に断続的に加熱された場合のスケールの耐スポーリン
グ性の改善に有効である。

このような効果を得るには希土類元素の１種または２種
以上を０．００１〜０．２％の範囲で含有させるのがよ
い。

Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆ；これらはいづれも
安定な炭化物、窒化物を生成するので、高温強度向上に
有効であり、０．０１〜０．５％の範囲の含有量でその
効果を発揮する。

しかし、Ｎｂについては高周波誘導溶接造管時のミクロ
ワレの発生を助長するので、Ｎｉ量およびＳｉ量との相
関量を規制しなければならない。

このためには、２×（Ｎｉ％） ＋ ５ Ｘ （ Ｓ
ｉ％）＋３５×（Ｎｂ％）＜４８の関係を満足させる必
要がある。

Ｃｕ：Ｃｕはオーステナイト生成元素であって、Ｎｉの
節減に役立ち、特にＳｉの共存下において本発明パイプ
素材の伸び、延性を改善する。

このためには、０．０５％の含有量が必要であるが、多
すぎると熱間加工性を害するので、２．０％以下とし、
０．０５〜２．０％の範囲で含有させるのがよい。

以下に試験結果を述べ、本発明の効果を示す。

試験 １ 第１表に供試材として用いた本発明に従う鋼および比較
鋼または市販鋼の化学成分（重量％）を示す。

第１表に示した介供試材を、直接通電型の溶接熱サイク
ル再現試験装置により所定温度に急速加熱後、引張破断
させて絞りが急激に低下する加熱温度を調べた。

この試験は高周波誘導容接造管時に発生するミクロワレ
の発生しやすさを調べる上で非常に適した試験法である
。

第２表にその試験結果を示す。

第２表の結果からわかるように、ＮＤ値が４８を越える
鋼（比較鋼１〜４）はいづれも１２２５℃で絞りが著し
く低下し、１２５０℃では絞りがほとんどゼロを示して
いる。

これに対し、ＮＤ値が４８以下である鋼（比較鋼５およ
び本発明に従う鋼）はいづれも１２２５℃では高い絞り
値を示し、また１２５０゜Ｃでもかなりの絞り値を維持
している。

このような差は、オーステナイト結晶粒界の溶融のしや
すさに起因するものと認められる。

この絞り値の変化は高周波誘導溶接造管パイプの加工時
の割れ発生程度と対比すると非常に良く対応した。

試験 ２ 第１表における比較鋼１，２および５と、本発明に従う
鋼１および２を採り、これらを素材として高周波誘導溶
接で、厚み１．５ｍｍ×直径３３ｍｍのパイプを造管し
、それぞれ長さ５０ｍｍのパイプ試片を採り、これらの
パイプについて偏平試験と拡管試験の加工試験を行なっ
た。

偏平試験は外径の１／３まで偏平したときの溶接部近傍
のワレを観察し、拡管試験は拡管によって溶接部にワレ
が発生したときの外径（１）’）を測り、もとの外径（
Ｄ）との比Ｄ’／Ｄを求めた。

その結果を第３表に示す。第３表の結果から、ＮＤ値が
４８以下の鋼の高周波誘導潔接造管パイプはＮＤ値が４
８を越えるものに比し、厳しい加工に耐え、良好な加工
性を示すことがわかる。

また第２表の絞り値結果とも良く対応している。

添付の第１図は、加工時のワレのもとになる高周波誘導
溶接造管時のミクロワレの状況（比較鋼１について）を
示す顕微鏡写真（倍率ｘ２００）である。

この比較鋼１においては第１図のようなミクロワレが造
管時に溶接部近傍の熱影響部に多量に発生するので、高
周波誘導溶接によっては加工性の良好なパイプが得られ
ないことを実証するものである。

試験 ３ 第１表に示した比較鋼１，２および５、本発明に従う鋼
１および２、そしてＳＵＳ３１０Ｓ鋼を供試材として、
大気中での耐高温酸化性試験とクリープ破断強さ試験を
行ない、得られた結果を第４表および第５表に示す。

第４表の結果から、耐高温酸化性の点では、Ｃａおよび
希土類元素を含有し、かつＳｉ含有量の高いもの程すぐ
れており、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼以上の耐高温酸化性を示す
ものもあるのがわかる。

他方、第５表の結果から、クリープ破断強さには特にＮ
，Ｎｂの効果が大きく寄与することが明らかである。

すなわち、本発明に従う鋼は耐熱鋼としての特性を十分
に具備するものであり、従来の耐熱鋼に比し何ら遜色の
ないものである。

以上の試験結果から明らかなように、本発明によれば造
管ままでの加工性にすぐれかつ耐熱用途に好適に適用で
きる経済的な高周波誘導溶接造管パイプが得られ、排ガ
ス浄化システム等の部材用に汎用に供することが可能と
なり、高温機器分野の発展に大きく貢献するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は高周波誘導溶接造管時に発生するミクロワレ状
況を示す比較鋼１についての造管溶接部断面組織の顕微
鏡写真（倍率Ｘ２００）である。 １・・・・・・接合部、２・・・・・・ミクロワレ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＩＣ；０．２％以下、Ｓｉ；１，５〜４％、Ｍｎ：２％
   以下、Ｎｉ；７〜２０％、Ｃｒ；１５〜２５％、Ｎ；０
   ．３％以下、Ｃａ；０、００１ 〜０．０５’％、希土
   類元素の１種または２種以上；０．００１〜０．２％、
   を含み、そのさい ２Ｘ（Ｎｉ％）＋５Ｘ（Ｓｉ％）≦４８ の関係を満足し、残部がＦｅおよび製造上の不可避的不
   純物からなるステンレス鋼を、高周波誘導溶接造管して
   なる加工性および耐熱性にすぐれたステンレス鋼パイプ
   。 ２Ｃ；０．２％以下Ｓｉ；１．５〜４％、Ｍｎ；２％以
   下、Ｎｉ；７〜２０％、Ｃｒ；１５〜２５％、Ｎ；０．
   ３％以下、Ｃｕ；０．０５〜２％、Ｃａ：０．００１〜
   ０．０５％、希土類元素の１種または２種以上；０．０
   ０１〜０．２％、を含み、そのさい２Ｘ（Ｎｉ％）＋５
   Ｘ（Ｓｉ％）≦４８ の関係を満足し、残部がＦｅおよび製造上の不可避的不
   純物からなるステンレス鋼を、高周波誘導溶接造管して
   なる加工性および耐熱性にすぐれたステンレス鋼パイプ
   。 ３Ｃ；０．２％以下、Ｓｉ ： １．５〜４％、Ｍｎ；
   ２％以下、Ｎｉ；７〜２０％、Ｃｒ；１５〜２５％、Ｎ
   ； ０．０ １〜０．３％、Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ
   またはＨｆの１種または２種以上；０．０１〜０．５％
   、Ｃａ ： ０．０ ０ １〜０．０ ５％、希土類元
   素の１種または２種以上；０．００１〜０．２％、を含
   み、そのさい ２ｘ（Ｎｉ％）＋５Ｘ（Ｓｉ％）＋３５Ｘ（Ｎｂ％）≦
   ４８の関係を満足し、残部がＦｅおよび製造上の不可避
   的不純物からなるステンレス鋼を、高周波誘導溶接造管
   してなる加工性および耐熱性にすぐれたステンレス鋼パ
   イプ。 ４Ｃ；０．２％以下、Ｓｉ；１．５〜４％、Ｍｎ：２％
   以下、Ｎｉ；７〜２０％、Ｃｒ；１５〜２５％、Ｎ ；
   ０．０ １〜０．３％、Ｎｂ，ＴａｙＴｉ，Ｚｒまた
   はＨｆの１種または２種以上；０．０１〜０．５％、Ｃ
   ｕ ： ０．０ ５〜２％、Ｃａ ： ０．０ ０ １
   〜０．０ ５％、希土類元素の１種または企種以上；０
   ．００１〜０．２％を含み、そのさい ２Ｘ（Ｎｉ ％）＋５Ｘ（Ｓｉ ％）＋−３５Ｘ（Ｎｂ
   ％）く４８の関係を満足し、残部がＦｅおよび製造上の
   不可避的不純物からなるステンレス鋼を、高周波誘導溶
   接造管してなる加工性および耐熱性にすぐれたステンレ
   ス鋼パイプ。