JPS6187821A - 高温用オ−ステナイト系ステンレス鋼管用素材の製造方法 - Google Patents

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】 〔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
ンレス鋼管集材の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

５ＵＳ３２１Ｈ及び５ＵＳ３４７Ｈ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、火力発電用ゲイラチュープ等の腐食環
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か小さいほど向上す
るが、結晶粒径を小さくするとクリープ強度は低下する
。デイラチュ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シも助長されて、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、コストアップに加え、加工性、溶接性等信の性質
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？イラチューブ材にとっ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ア
シ、その１つの手法としてボイラチー−プでは内弐面に
ショットピーニングなどによっ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
号公報によシ提案されている。しかし、この手法も、デ
イラ組立時の溶接施工後に行う焼鈍によって粒成長を引
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ヲ得ることは技術的に
かなシ困難な要求である。しかし、今後ボイラ等の熱機
関の稼動条件は、高効率化を自相して、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。

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％、Ｓｔ　：　０．３０〜
０．９０％、Ｍｎ　：　０．５〜２．０　％。

Ｎｉ　：　９．００−１３．００％、Ｃｒ　：　１７．
００〜２０．００％、Ｎｂ：８ＸＣ％＋０．０３％〜１
．０％を含有し、必要に応じてＮ：０．０４０〜ｏ、ｏ
ｓｏ％を含むオーステナイトステンレス鋼ビレットを１
１００〜１３００℃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か伺ら規定されていないため
、場合によっ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シも高くなる
場合には、析出物の再固溶が起が、結晶粒は著しく成長
しやすくなる。

さらに、％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：０．１５〜０．５
　　ｗｔチ、Ｎｂ：０．３〜ｌ、　５　ｗｔ％の１′＆
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’１１１００〜１３５
０℃に設定して加熱し冷却した後、２０％以上のめ間加
工を加え、さらにこれについで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ｚ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、工程は複雑となシ
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〕

オーステナイト系ステンレス鋼の耐水蒸気醇化性は、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　、　Ｔ
ｉ等の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
温りＩＪ−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
うる高温用オーステナイト系ステンレス鋼管用素材の製
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チ宮有し
、ＮｂとＴｉの１種または２桿を（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炭化物を固溶させ、その後
、５００℃までの平均冷却速度を０．３　Ｖｓｅｅ　、
未満として冷却し、１２３０℃以上で熱間押出加工し、
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
なる条件で冷却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用素材の製造方法を要旨とする。

本発明にいうオーステナイト系ステンレス鋼トは、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、５ＵＳ３２１Ｈ、５ＵＳ３４７Ｈ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
発明の対象となシうる。

対象とするオーステナイト系ステンレス鋼の鋳片は、前
記固溶化熱処理を行った後は、分塊圧延などの加工を行
わずに加熱して熱間押出加工を行うので、連続鋳造など
によシ製造した比較的小断面の鋳片である。

熱間押出加工後の冷却は、５００℃までの平均冷却速度
を０．２　Ｃ／ｓｅｅ、以上として行うことが好ましい
。

熱間押出加工され冷却された本発明による素材は、公知
の手段によシ脱スケール処理を行い、冷間加工を行い、
固溶化熱処理を行って製品とする。

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Ｎ
ｂＣ及びＴｉｃの少くとも１種を析出しうるものとする
ためで３５．　Ｎｂ　、　Ｔｊ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
い元素でちゃ少くとも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は高温強化元素でろシ、高温強度確保のた
めには少くとも２ＸＣ％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九め上限１．０％セした。

鋳片の加熱は、鋳造時に生成した網目状の巨大炭窒化物
＋Ｘ地に固溶させるものであり、この処理によシ高温強
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。

本発明においては、鋳片の加熱後の冷却を、５００℃ま
での平均冷却速度が０．３℃／５ｅｃ９未満の＋件で行
うため、比較的大きい炭化物が析出するので、引き続き
行う熱間押出加工を１２３０℃以上で行うことによって
炭化物を再固溶させ、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
で行なう。このときの好ましい条件は、材料が前記鋳片
の場合よりも小断面となるため、５００℃までの平均冷
却速度’（ｒ　０．２℃／Ｂ　＠　Ｃ−以上とする。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、高温の固溶化熱処理を行っても微細な再結晶
粒か得られる。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って
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イテ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　、　Ｔｌ
　、　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って高温クリープ強度の高い成
品が得られる。

本発明によって得られた素材の場合には、＠Ｇｌ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って再結晶が遅延するため、Ｎｂ　
、　Ｔｌ　、　Ｃの固溶量を増加でせるような高温で最
終の固溶化熱処理を行っても、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。したがっ
て、本発明によって得られた素材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ＪＩ
Ｓ規格内の成分を有する５ＵＳ３４７Ｈ。

５ＵＳ３２１Ｈ、ＵはＮｂとＴ１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ょフ、
外径５０■φ、肉厚８ｍの鋼管を製造した。

第１図の（ａ）は従来例、（ｂ）（ｅ）が本発明例であ
る。

連続鋳造した鋳片を１３００℃に加熱し、網目状の巨大
炭窒化物を固溶させたのち、炉冷（５００Ｃまでの平均
冷却速度０．０８　Ｖｓｅｅ、　）　した。ついで、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　′Ｃ／ｓｅａ、　）　Ｌ、脱スケ
ールし、３０％冷間引抜を行い、１０００℃で固溶化熱
処理し水冷（５００℃までの平均冷却速度１００　’Ｃ
／ｓｅｅ・）した。但しくｅ）は冷間引抜工程を、中間
熱処理を入れて２回行った。

最終固溶化熱処理後の各供試材５ｌｌ−８１５、Ｔ１１
〜Ｔ１３、Ｕ１２〜Ｕ１３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シ外挿して求めた７０５ｈ
ｒクリ一プ破断強度を、結晶粒度とともに第２表に示す
。第２表中ＳＯおよびＴＯはＡＳＭＥの許容応力値から
換算したＴｐ３４７ＨおよびＴｐ３２１Ｈ＠　Ｋおける
基準値である。

本発明によシ得られた素材よシ製造した鋼管は、いずれ
も結晶粒産屋が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。従来法によシ袈造したＳｌｌおよび
Ｔｌｌは、クリープ強度はＡＳＡのの基準値ｆ：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。本発明によシ得られた
素材よシ製造した鋼管はいずれも結晶粒度Ａ　７以上の
細粒にもかかわらず、Ｓ鋼（５ＵＳ３４７Ｈ）では、従
来法による結晶粒度Ａ４．７と同等ｔたはそれ以上Ｔ鋼
（５ＵＳ３２１Ｈ）は従来法による結晶粒置屋３．５と
同等またはそれ以上のクリープ破断強度を示し、ＡＳＭ
Ｅの許容引張応力値から換算した１０”ｈｒ破断強さを
もはるかに凌いでいる。更に本発明を適用したＵ鋼から
製造した鋼管も結晶粒度Ａ７．２〜７．３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置屋４
．７の５ＵＳ３４７Ｈ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っている
。

なお、本発明法の第１図（ｂ）　（ｃ）について、熱間
押出加工冷した場合、前記空冷の場合とほぼ同様の結果
が得られた。

〔発明の効果〕

本発明によって得られた素材によれば、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とな
るため、クリープ破断強度は、従来法と同等もしくはそ
れ以上であシ、かつ、配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しうるものであるから、
産業上稗益するところが極めて犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例を示すものであＬ（、）は従来例、（ｂ
）　、　（Ｃ）は本発明例である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％にてＣを０．０４〜０．１０％含有し、Ｎ
   ｂ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炭化物を固溶させ、５００℃まで
   の平均冷却速度を０．３℃／ｓｅｃ．未満として冷却し
   、１２３０℃以上で熱間押出加工し、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冷却す
   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
   鋼管用素材の製造方法。
2. （２）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．以上として行うことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の高温用オーステナイ
   ト系ステンレス鋼管素材の製造方法。