JPS622007B2 - - Google Patents

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で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を得る製造
法に係る。 （従来技術及び問題点） SUS321及びSUS347等のいわゆる安定化型オー
ステナイトステンレスは、一般に優れた高温特性
を有するため、火力発電用ボイラチユーブ等の腐
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が小さいほ
ど向上するが、クリープ強度は逆に低下する。ボ
イラチユ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りも
助長されて、管の噴破等のトラブルが発生しやす
くなる。逆に、耐水蒸気酸化性に問題がない程度
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相などの有害
相形成を助長させる。 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、コストアツプに加え、加工性、溶
接性等他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ボイラチユーブ材にと
つ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
必要があり、その１つの手法としてボイラチユー
ブでは内表面にシヨツトピーニングなどによつて
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号公報により提案されてい
る。しかし、この手法も、ボイラ組立時の溶接施
工後に行う焼鈍によつ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
に満足いくものとすることは技術的にかなり困難
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、高効率化を目指して、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。 所でオーステナイト系ステンレス鋼の高温強度
を向上させる１つの手段として微細な炭化物を素
地内に均一分散析出させることがあるのは周知の
とおりである。 一般にオーステナイト系ステンレスに析出する
炭化物はM₂₃C₆であるが、これにNbあるいはTi
等の強炭化物形成元素を添加するとM₂₃C₆に優先
して炭化物NbCあるいはTiCを析出する。 M₂₃C₆は粒界に最も析出しやすい。これに対し
て、NbC、TiCは素地中の積層欠陥上や転位上に
最も析出しやすいため、微細均一に分散析出する
傾向があり、これは高温での強化という点で、よ
り有利な析出形態となる。 さらに、M₂₃C₆は950℃以上の温度域ではほと
んど固溶しているのに対し、NbC及びTiC炭化物
は1100℃付近でも安定で、いわゆる安定化鋼中は
Ｃの大半は1000〜1100℃でNbCあるいはTiCとな
つて析出している。このような、高温側で析出す
るNbC及びTiCを予め微細均一に析出させておけ
ば、その後700℃付近の使用温度域では新たな
M₂₃C₆の析出が遅滞するのに加え、予め析出した
NbC及びTiC炭化物が粒内転位密度を増大させ、
M₂₃C₆の粒内析出サイトを与えるため、結果とし
て、M₂₃C₆は粒内にも微細析出する。 さらに、微細均一分散したMC型炭化物は再結
晶時の粒成長をも抑え微細結晶組織となることも
期待できる。 ところで、微細結晶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
％、Si：0.30〜0.90％、Mn：0.5〜2.0％、Ni：
9.00〜13.00％、Cr：17.00〜20.00％、Nb：８×
Ｃ％＋0.03％〜1.0％を含有し、必要に応じて
Ｎ：0.040〜0.080％を含むオーステナイトステン
レス鋼ビレツトを1100〜1300℃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が何ら規定されてい
ないため、場合によつては析出物が相大化し、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り
も高くなる場合には、析出物の再固溶が起り、結
晶粒は著しく成長すやすくなる。 これらの場合には、いずれも最終溶体化処理以
前に、結晶粒の細粒化を主目的として、例えば冷
間加工の加工率を通常より高くするなどの処置が
必要となる。 したがつて微細結晶組織でなおかつ高温強度を
向上させるには高温側で析出するNbC及びTiC炭
化物を最終溶体化処理以前にできるだけ析出密度
の高い状態に分散析出させればよいと考えられ
る。 以上のような思想に基づいて、本発明者らは、
適当な加工、熱処理によつて炭化物の析出形態を
制御することを試み、高温強度が設計基準を満す
オーステナイトステンレス鋼を得る手法について
検討した。 その結果、NbあるいはTiを含む安定化型オー
ステナイトステンレス鋼で、Ｃを高温で可能な限
り固溶せしめた後、ある冷却速度の範囲内で比較
的急冷すると、その後の冷間加工に続く最終溶体
化処理後の組織は微細結晶粒であるにもかかわら
ず、優れた高温クリープ破断強さを有することが
明らかとなつた。 （発明の構成） すなわち本発明は、Ｃ：0.04〜0.10％を含有
し、Nb、Tiの１種又は２種を（Nb＋Ti）で２×
Ｃ％〜1.0％を含むオーステナイトステンレス鋼
の製造工程において、鋳造より後の全工程中最高
温となる工程を、鋳造より後で冷間加工以前の高
温加熱あるいは高温加工工程のうちに少くとも１
回は含め、かつその工程を必ず含めた１回以上は
高温状態直後から500℃までを0.3℃／sec以上20
℃／sec以下の速度で冷却し、しかる後に少なく
とも10％の加工率で冷間加工し、さらに前記全工
程中の最高温度以下再結晶温度以上の温度範囲で
最終溶体化処理を施した後、水冷または空冷する
ことを特徴とする高温強度の優れたオーステナイ
トステンレス鋼の製造方法である。 次に本発明を詳細に説明する。 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NbC及びTiCの少くとも１種を析出し
うるものとするためであり、Nb、Ti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
はならない元素であり少くとも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化させる
もので上限を0.10％とした。 Nb及びTiは高温強化元素であり、高温強度確
保のためには少くとも２×Ｃ％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ため上限
1.0％とした。 また本発明にいうオーステナイトステンレス鋼
とは、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、SUS321 SUS347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りうるものである。 次に、本発明において、冷却速度を規定したの
は冷却過程におけるＣの過飽和度を大きくして、
冷却中における析出炭化物の微細均一化を促進す
るためであり、そのときの冷却速度は炭化物が析
出する範囲で可能な限り速い方が望ましいが、そ
の上限の冷却速度は20℃／secであり、また冷却
速度が遅すぎる場合には炭化物の析出が微細分散
しないので0.3℃／sec以上が必要である。 さらに、冷却速度を規定した温度範囲の下限値
を500℃としたのは、製造工程においては、これ
未満の温度では事実上炭化物の析出は起こらない
と考えられるためである。 また、冷却速度を規定した工程を、鋳造より後
の最高温となる工程を必ず含めた１回以上とした
のは、冷却速度による析出炭化物の微細均一化の
効果をその後の高温工程で消失させないためであ
り、１回のみの場合にはそれを冷間加工直前の工
程とすることが望ましい。さらに、鋳造より後で
冷間加工以前の全高温工程とするのが最適であ
る。 この場合、該工程を鋳造より後で冷間加工以前
としたのは、鋳造ままでは成分偏析が著しく、析
出炭化物の微細分散化が困難な上急冷すると割れ
が生じ易いこと及び、冷間加工以後では細結晶粒
組織とすることが困難なことによる。 なお、ここでいう冷間加工以前の高温加工ある
には高温加熱工程とは、均熱、分塊圧延、熱間圧
延、熱押、中間熱処理等通常のオーステナイトス
テンレス鋼の製造工程を指すものである。 冷間加工は、成形の他に結晶粒径の細粒化と炭
化物の微細分散化という意味をもつ。なお、この
冷間加工は10％未満の加工率では混粒となりやす
いため少なくとも10％とする必要があるが、より
均一な微細結晶粒組織とするには20％以上が望ま
しい。加工率の上限は所要製品板厚に応じた加工
率であつて、特に規定しないが工程能力との関係
で圧延可能な範囲迄とする。 最後に、最終溶体化処理は前段階までに微細分
散析出したMC型炭化物の再固溶をできるだけ抑
える意味から、規定した冷却速度で冷却する工程
のうち最高温のものよりも低温で行う必要があ
り、また下限温度は再結晶温度以上となる。ま
た、この場合の加熱時間は、不足すると再結晶組
織とならないおそれがあるため30秒以上が望まし
い。逆に、時間が長すぎると粗大粒の形成が起る
が、これはその時の温度によつて左右される。し
たがつて、粒度No.７以上の微細結晶粒組織とする
ための加熱時間と温度との関係を予め実験的に求
めておくことが望ましいが、通常行つている溶体
化処理条件ではNo.７以上の細粒組織となる。さら
に、このときの冷却は水冷又は空冷を行えるが冷
却速度の面からは水冷の方が望ましい。 なお、一例として、本発明法を熱押造管による
ボイラ用チユーブの製造に適用した場合について
述べると、連続鋳造鋳片から成品に至る工程のう
ち、冷却速度を0.3℃／sec以上とする可能性のあ
る工程は分塊圧延終了時及び熱押終了時に加え、
熱押と冷間引抜きの間で必要に応じて行う中間熱
処理終了時の３工程が考えられる。さらに、イン
ゴツト鋳片からの工程の場合には上記３工程に加
え、分塊圧延と熱押の中間で行う丸鋼圧延時の都
合４工程となる。従つて、これらの工程のうち少
くとも１工程を本発明法の条件で行うことによつ
て高温強度の優れたオーステナイトステンレスボ
イラチユーブの製造が可能となる。 次に、実施例により本発明の効果をさらに具体
的に述べる。 実施例 供試材はその成分組成を第１表に示すS1〜S4
の４鋼種であり、その内S1、S2はJIS規格内の成
分をもつSUS347系オーステナイトステンレス
鋼、S3はSUS321系オーステナイトステンレス鋼
である。 これらの４種の鋼を第１図に示す製造工程によ
つて熱押チユーブとした。 すなわち、S1鋼は、第１図はａに示す如く、
ブルームを1270℃の丸鋼圧延後、500℃までを2.5
℃／secで冷却した。その後1200℃で熱押し、そ
の直後から500℃までを５℃／secで冷却し、しか
る後に20％の冷間加工（C.W.）を加え、1150×
15minの溶体化処理を実施後水冷を施した。 またS2鋼、S3鋼及びS4鋼は、第１図ｂに示す
如く、ブルーム、ビレツト時の処理は通常方法と
し、1200℃熱押後空冷、しかる後に1270℃×
30minの中間焼鈍から500℃までを５℃／secで冷
却し25％の冷間加工（C.W.）を加え、1160℃×
20minの溶体化処理を実施後水冷を施した。 上記のようにして得たS1、S2、S3及びS4鋼の
熱押工程の長手方向より切出した試験片を用い
650及び750℃にてクリープ破断試験を行い、その
結果の平均値より外挿して求めたそれぞれの鋼の
10⁵hr破断強さと従来法で作成したSUS347及び
SUS21での値で、さらにASMEの許容応力値から
換算したTp347H及びTp321H鋼における基準値
を第２表に示した。なお、このときの結晶粒度No.
をも併記した。本発明ではいずれも粒度No.７以上
の微細結晶粒組織を有する。 第２表に示す如く本発明法によつて熱押チユー
ブに作成したS1、S2及びS3鋼はいずれも結晶粒
度No.７以上の細粒であるにもかかわらず、S1及
びS2は従来法による粒度No.4.7のSUS347鋼と、同
じくS3は従来法による粒度No.5.8のSUS321鋼と、
それぞれ同等、若しくはそれ以上のクリープ破断
強さを持ち、ASMEの許容応力値から換算した
10⁵hr破断強さをもはるかに凌いでいる。さら
に、本発明法を適用したS4も、粒度No.7.7の微細
結晶粒組織であるにもかかわらず従来法による粒
度No.4.7のSUS347とほぼ同等の強さを有し、
ASMEの許容応力の換算値を上回つている。

【表】

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は本発明製造方法の実施例における分塊
圧延以降の製造履歴を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｃ：0.04〜0.10％を含有し、Nb、Tiの１種又
   は２種を（Nb＋Ti）で２×Ｃ％〜1.0％を含むオ
   ーステナイトステンレス鋼の製造工程において、
   鋳造より後の全工程中最高温となる工程を、鋳造
   より後で冷間加工以前の高温加熱あるいは高温加
   工工程のうちに少くとも１回は含め、かつその工
   程を必ず含めた１回以上は高温状態直後から500
   ℃までを0.3℃／sec以上20℃／sec以下の速度で
   冷却し、しかる後に少なくとも10％の加工率で冷
   間加工し、さらに前記全工程中の最高温度以下再
   結晶温度以上の温度範囲で最終溶体化処理を施し
   た後、水冷または空冷することを特徴とする高温
   強度の優れたオーステナイトステンレス鋼の製造
   方法。