JPWO2011096592A1 - 高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
従って、このような溶解・凝固法によるステンレス鋼から欠陥のない健全な高窒素濃度のステンレス鋼管を得ることは更に難しいものとなる。
特に、その高い加工性が求められるステンレス鋼の管材へこのNの吸収・固相拡散処理法を適用するには、このような結晶粒粗大化による延性(伸び)の低下を防ぐことに加え、同方法によって製造したステンレス鋼管を例えば前記の燃料電池自動車(FVC)用高圧水素ガス容器向けの軽量化素材として用いるような場合は、その強度自体を一層上げることが極めて重要なものとなってくる。
本願発明は、基本的にはステンレス鋼管への窒素(N)の吸収・固相拡散処理を、結晶粒粗大化が活発になる臨界温度(発明の効果〔0029〕参照)以下の1050〜1100℃の付近の温度域で施して、この処理過程での結晶粒成長を極力抑制しながら、同鋼管自体に、その表面部付近の高濃度のNの固溶により、高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、N濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る傾斜組織(gradient structure)を形成させることにより、溶解・凝固法のような従来の技術では達成できなかった、より高強度で高延性かつ優れた耐食性・耐熱性を有する新規な高窒素ステンレス鋼管とその製造方法を提供することである。
すなわち、本願発明は下記構成の高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有するステンレス鋼管及び同ステンレス鋼管をもとにしてつくられる各種形状・寸法の中空材並びにそれらの製造方法である。
窒素が同鋼管の内面及び/又は外面の表面部から内部へ吸収・固相拡散されてなる窒素を0.25〜1.7%(質量)含有する高窒素ステンレス鋼管であり、しかも、同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変わる傾斜組織(gradient structure)が形成され、
かつ同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性物質、又は水素ガスなどの還元性ガスを含む雰囲気中での焼なましにより前記傾斜組織中の窒素の濃度勾配が漸減する処理が施されてなること、
又はさらに、同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工のような塑性加工による強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。
窒素が同鋼管の内面及び/又は外面の表面部から内部へ吸収・固相拡散されてなる窒素を0.25〜1.7%(質量)含有する高窒素ステンレス鋼管であり、しかも、同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る傾斜組織(gradient structure)が形成され、
かつ同鋼管の前記温度での真空あるいはアルゴンガスなど不活性物質、又は水素ガスなどの還元性ガスを含む雰囲気中での焼なましにより前記傾斜組織中の窒素の濃度勾配が漸減する処理が施され、
さらに、(a)同鋼管の加熱によるオーステナイト組織化の処理操作とそれの空冷のような連続的な冷却による同オーステナイト組織の微細なフェライト相と窒化物との混合組織への分解すなわち共析変態の処理操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理、
又は(b)同鋼管の再結晶温度以下の温度域での引抜加工、圧延加工又は押出加工のような塑性加工操作と同塑性加工後の再結晶温度以上の温度域への加熱保持操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理が施されてなること、
又はさらに、同鋼管に引抜加工、圧延加工又は押出加工などによる強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。
次いで、(1)こうした表面研摩された一方のオーステナイト系ステンレス鋼管にその外径より若干大きい内径をもつもう一方のオーステナイト系ステンレス鋼管を重ね合わせるような方式で、その用途又は強度などに応じた径、肉厚などの寸法をもつよう複数本の同ステンレス鋼管を重ね合わせたものに、
又は、(2)こうした表面研摩されたこれらのオーステナイト系ステンレス鋼管の間に、密着補助材として、上記と同様に表面研摩が施された(a)窒素(N)の吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理の両処理が施されていないもとのオーステナイト系ステンレス鋼管、(b)ニッケル(Ni)濃度の高い他のオーステナイト系ステンレス鋼管、(c)Ni又はNi合金管、(d)アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金管、又は(e)他の密着補助材から選ばれる1種又は1種以上のものをサンドイッチ状に入れて重ね合わせたものに、引抜、圧延、押出などの熱間加工ないし温間加工の技術を用いた密着加工による一体化処理が施されてなること、
又はさらに、こうして一体化処理された同鋼管に、引抜加工、圧延加工、押出加工などによる強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。
同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により、高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る、窒素が0.25〜1.7%(質量)含む傾斜組織(gradient structure)を形成させ、
次いで、同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性ガス、又はH2ガスなど還元性物質などの中での焼なましにより、前記傾斜組織における窒素の濃度勾配を管断面の中心付近に向けて漸減される処理を施して窒素を含むステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、前記焼なまし処理した窒素を含む同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工のような塑性加工による強化処理を施して、窒素を含む強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により、高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る、窒素が0.25〜1.7%(質量)含む傾斜組織(gradient structure)を形成させ、
次いで、同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性ガス、又はH2ガスなどの還元性物質などの中での焼なましにより、前記傾斜組織における窒素の濃度勾配を管断面の中心付近に向けて漸減させる処理を施した後、
さらに(a)の同鋼管の加熱によるオーステナイト組織となすための処理操作と引続くそれの空冷のような連続的な冷却による同オーステナイト組織の微細なフェライト相と窒化物との混合組織への分解すなわち共析変態の処理操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理、
又は(b)同鋼管の再結晶温度以下の温度域での引抜加工、圧延加工、押出加工などによる塑性加工操作と同塑性加工後の再結晶温度以上の温度域への加熱保持操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理を施して、窒素を含む微細結晶粒組織のステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、前記結晶粒微細化処理した同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工などの塑性加工による強化処理を施して窒素を含む微細結晶粒組織の強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
次いで、(1)こうした表面研摩された一方のオーステナイト系ステンレス鋼管にその外径より若干大きい内径をもつもう一方のオーステナイト系ステンレス鋼管を重ね合わせるような方式で、その用途又は強度などに応じた径、肉厚などの寸法をもつよう複数本の同ステンレス鋼管を重ね合わせたものを、
又は、(2)こうした表面研摩したこれらのオーステナイト系ステンレス鋼管の間に、密着補助材として、上記と同様に表面研摩を施した(a)窒素(N)の吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理の両処理を施していないもとのオーステナイト系ステンレス鋼管、(b)ニッケル(Ni)濃度の高い他のオーステナイト系ステンレス鋼管、(c)Ni又はNi合金管、(d)アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金管、又は(e)他の密着補助材から選ばれる1種又は1種以上のものをサンドイッチ状に入れて重ね合わせたものを、H2ガス又はH2ガス75%(体積)、N2ガス25%(体積)からなるAXガスを用いた無酸化加熱用雰囲気ガスの中で、上記(1)、(2)の重ね合せ材の絶対温度(K)表示による融解温度ないし融点より15〜40%低い温度にて加熱保持してから、引抜、圧延、押出などの熱間加工ないし温間加工の技術を用いた密着加工による一体化処理を施して窒素を含むステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、こうして一本化処理した同鋼管に引抜加工、圧延加工などによる強化処理を施して、窒素を含む強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。
すなわち、以上のことは、昇温過程で起こる金属結晶の成長は熱活性型であり、温度の上昇とともに顕著となり、その結晶粒径の大きさは、それぞれの金属が示す特有の温度付近から指数関数的に急激に増大する特性を持っていることを示すものである。
しかし、このような高Ni濃度のオーステナイト系ステンレス鋼でも、その強度面からみて十分な素材とは言えず、これにより高圧水素ガスの圧力に耐え得るその貯蔵容器をつくると、容器の壁厚(肉厚)の極端に厚い非常に重い重量のものとなるので、そのまま実用に適した材料とはなりにくい。
本発明によれば、前項に記載のように、例えば、SUS316L系の高Ni濃度のオーステナイト系ステンレス鋼(Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C〔質量%〕)の管材に窒素(N)の吸収・固相拡散処理、結晶粒の微細化処理等を施すと、同ステンレス鋼の管材に高強度でかつ高延性な極めて優れた特性を賦与することができる。
上記の出発材料に、例えば比較的Ni濃度の低い8質量%Ni組成のSUS304Lのようなオーステナイト系ステンレス鋼管を用いると、その重ね合加工材には、特に高圧水素ガスとの接触のもとでは、水素ガス脆化(HGE)が発生するので、これを高圧水素ガス貯蔵容器用に供することはできない。
ごく最近の研究結果(非特許文献2参照)から、こうした水素脆化の発生は、高圧水素ガスとの接触のもとでオーステナイト相内にマルテンサイトが生成することによるものと考えられている。
上記のように、高Ni濃度組成のオーステナイト系ステンレス鋼管を用いると、高圧H2ガスによる水素ガス脆化が起こらないのは、Niによりオーステナイト相が安定化するためである。
すなわち、オーステナイト相内で、そのNi濃度が増加すると、同相内の自由電子密度が増加し、オーステナイト相における原子間の空間的分布の均一化に導く短範囲規則化(short range ordering,SRO)の促進を通じて、構成原子間の結合に、一層強固な金属結合状態が醸成されるため、オーステナイト相がより安定化し、高圧水素ガスとの接触のもとでも、マルテンサイトなどの他相への変化(変態)が起こらなくなるものとみられている。
また、オーステナイト相に含有する窒素(N)は、Niの場合と同様、その含有する濃度とともにオーステナイト相内の自由電子密度を上げるため、オーステナイト相をさらに一層安定化させ、オーステナイト相へのマルテサイトの生成を抑制するのに有効に作用する。
図2は、本発明実施例で用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管の市販材及び同鋼管に窒素の吸収・固相拡散処理、焼なまし処理及び結晶粒微細化処理を施したものの室温から800℃までの温度での引張強さを示す図である。
次いで、同鋼管に室温にて20%*程度引抜加工(*外径の減少率、百分率)を施すと、耐力(σ0.2)が従来材の約3倍弱、引張強さ(σB)が従来材の約2倍弱、伸び約40%レベルの力学特性を有する高強度・高延性をを有する高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管を容易に製造することができる。
次いで、同鋼管に室温にて20%の引抜加工を施すと、耐力(σ0.2)が従来材の約3倍、引張強さ(σB)が従来材の約2倍、伸び(δ)が60%レベルの高強度・高延性ですぐれた耐食性・耐熱性を有する高窒素系ステンレス鋼管を容易に製造することができる。
また、例えばアルミニウム(Al)のような金属元素を当該鋼管の母材に0.02〜0.10%(質量)程度含有させると、その高温での処理過程での結晶粒成長の抑制作用が発現され、結晶粒の微細組織が保持されるので、これらの元素は結晶粒粗大化抑制元素として好適に用いることができる。
(a)Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C及び(b)Fe−20Cr−8Ni−0.03C(質量%)のステンレス試料鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)の表面を電解研摩し、両試料を0.1MPa(1気圧)の窒素ガス(N2ガス)中で、1075℃及び1200℃の各温度にて30h保持して、窒素(N)を同試料鋼管の表面から吸収させ、それを内部へ固相拡散させる処理(Nの吸収・固相拡散処理)を行った後、さらに試料(a)、(b)ともそれぞれのNの吸収・固相拡散処理温度と同温度にて24hアルゴンガス中で焼なまし処理(高濃度のNを含有する表面部から内部へ向けてのNの拡散促進処理)を施したものの金属顕微鏡観察により求めた平均結晶粒径(D)、耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表1の通りである。
なお、本表の下欄には市販材すなわち上記のNの吸収・固相拡散処理、焼なまし処理を施していない試料(a)、(b)の(D)、σ0.2、σBおよびδの値が示されている。
引張試験片:管材から切取ったままのもの/標点距離50mm/つかみ部、心金挿入
Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス試料鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)の表面を電解研摩し、同試料を0.1MPa(1気圧)のNH3ガス中で、520℃の温度にて60h保持し、窒素(N)をその試料鋼管の表面から吸収させ、それを内部へ固相拡散させる処理を行った後、さらに1075℃の温度にて24hアルゴンガス中で焼なまし処理を施したものを金属顕微鏡観察により求めた平均結晶粒径(D)、耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表2の通りである。
なお、本表の下欄には市販材すなわち上記のNの吸収・固相拡散処理、焼きなまし処理を施していないものの、D、σ0.2、σBおよびδの値が示されている。
引張試験片:実施例1のものと同じ。
Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)の市販材(試料c)、その表面を電解研摩してN2ガス中で1075℃の温度にて30h保持して、同試料鋼管への窒素(N)の吸収・固相拡散処理したもの(試料a)、これをさらに同温度にて24hアルゴンガス中で焼なまし処理したもの(試料b)、及び試料bと同一処理を施したものを室温にて引抜加工度*20%の引抜加工(空引)したもの(試料d)の耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は、表3の通りである。
*引抜加工度:(DO−DX/DO)×100
(DO:鋼管素材の外径、DX:引抜加工後の外径)
引張試験片:管材から切取ったままのもの/標点距離50mm/つかみ部、心金入り
また両処理を施したものに、さらに常温で20%の引抜加工を行うと、その試料dはσ0.2が市販材の約2.9倍、σBが市販材の約1.8倍、δも40%レベルのものとなることが解った。
図1では、Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス鋼管(外径26mm×長さ150mm肉厚3mm)の市販材(試料a)、その表面を電解してN2ガス中で1075℃の温度にて30h保持して、同試料鋼管への窒素(N)の吸収・固相拡散処理したもの(試料b)及びこれを更に同温度にて24hアルゴンガス中で焼なまし処理したもの(試料c)の各試料鋼管の断面の中心位置から内面及び外面の表面に向けての各位置(D)でのビッカース硬さ(Hv)すなわちHv対D曲線を示すものである。
ここで、Hv値は、N濃度に対応しており、試料bのHv値が約550を示す表面部のN濃度は、約0.9%(質量)であり、また試料cのそれが約400の値を示す表面のN濃度は約0.7%(質量)であった。
実施例4、図1よりビッカーズ硬さHvは試料b、cとも管断面の中心付近から表面部付近に向けて、表面部に近づくほど大きく上昇し、特に試料bではその表面部付近で急上昇する状態にあるが、これに焼なまし処理を施すと、高濃度の状態にある表面部付近のNの内部へ向けての拡散が促進され、試料cが示すように、表面部付近のHv値は大きく低下し、しかもHv対D曲線の勾配自体もゆるやかになることが解る。
これは、前記のNの吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理によって、当該試料鋼管において、表面部付近の高濃度のNの固溶により強化された高強度をもつ組織から、その断面の中心部付近に向けて徐々にN濃度が低くなって延性に富む組織に変わる傾斜組織(gradient structure)が形成されていることを示すものである。
Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス試料鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)を実施例1に記載と同様、その表面を電解研摩してから、N2ガス中で1075℃、30h保持の窒素(N)の吸収・固相拡散処理後、1075℃、24hのアルゴンガス中での焼なまし処理したもの(試料a)、次いでこうした両処理を施したものに下記の結晶粒微細化処理(1)を施したもの(試料b)及び結晶粒微細化処理(2)を施したもの(試料c)の金属顕微鏡観察により求めた平均結晶粒径(D)、耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表4の通りである。
上記試料aと同様のNの吸収・固相拡散及び焼なましの両処理を施した試料を、
[1]1200℃まで加熱し、オーステナイト(γ)組織とし、
[2]同温度の1200℃に5〜6分間保持してから、
[3]空冷し、オーステナイト組織(γ)を微細なフェライト相(α)と窒化物(Cr2N)との混合物(共析組織)に変態させ、
[4]引続いて、これを1200℃に再加熱して微細なオーステナイト組織(γ)として、
[5]この微細なオーステナイト組織(γ)を同温度(1200℃)で3〜4分間保持後、
[6]直ちに室温まで急冷(水冷)して、
[7]微細なオーステナイト組織(γ)試料となし、
さらに、この[7]の試料に上記[1]〜[6]の操作をもう一回繰り返して行い、より微細なオーステナイト組織を有する試料とする。
すなわち、以上の結晶粒微細化処理(1)は、オーステナイト相の共析変態温度域の700〜900℃付近で起こる次の〈1〉式による共析変態反応を利用して、
前記試料aと同様のNの吸収・固相拡散及び焼なましの両処理をした鋼管試料に、
[1]同試料の再結晶温度域以下の200〜250℃付近の温度で50%の引抜加工*すなわち空引加工処理(加工硬化処理)を施し、
[2]次いで同試料を1200℃に加熱して微細なオーステナイト組織(再結晶組織)を生成させ、同温度に3〜4分間保持後、
[3]直ちに急冷(水冷)して、
[4]微細なオーステナイト組織を有する試料とする。
*50%の引抜加工:
引抜加工前の試料鋼管の外径(DO)と引抜加工後の外径(DX)から次式により算出し
たものである。〔(DO−DX)/DO〕×100
Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス試料鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3.0mm)の表面を電解研摩してから、これに窒素ガス(N2ガス)中で、結晶粒粗大化臨界温度(発明の効果〔0029〕参照)を超える温度域の1130℃の温度で30h保持により窒素(N)の吸収・固相拡散処理を行った後、さらに1130℃、24hのアルゴンガス中での焼なまし処理を施し(試料a)、次いで実施例5の結晶粒微細化処理(1)すなわち、オーステナイト相の共析変態を利用した結晶粒微細化処理を施したもの(試料b)の金属顕微鏡観察により求めた平均結晶粒径(D)、耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表5の通りである。
(a)Fe−18.0Cr−0.07C(質量%)および(b)Fe−18.0Cr−0.06C−0.07Al(質量%)のフェライト系ステンレス鋼管試料(外径26mm×長さ20mm×肉厚4.0mm)の表面を電解研摩し、試料(b)には同鋼管の外周に肉厚0.2mmのニッケル管を重ね合わせて、その両端面を溶接することによって周囲の雰囲気と遮断できるようにしてから、これらの鋼管試料(a)および(b)を0.65MPaの窒素ガス(N2ガス)中で1075℃、30h保持の窒素(N)の吸収・固相拡散処理を施し、次いで0.65MPaの圧力のもとで加圧N2ガス冷却を行った後、両試料を0.1MPaのアルゴンガス中で24h焼なまし処理したものの金属顕微鏡観察により求めた内面の表面部及び外面の表面部の平均結晶粒径(D)並びに上記の両処理を施していない元のステンレス鋼管材の平均結晶粒径は表6のとおりである。
また、同表により、Alの粒成長抑制効果は、フェライト組織においても、オーステナイト組織の場合と同様にみられることが明らかである。
図2は、試料(a)及び試料(b)のオーステナイト系ステンレス鋼管を室温から800℃までの温度範囲で引張試験をして得た引張強さ(σB)と温度(T)の関係を示すものである。
ここで試料(a)は、Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.06C(質量%)のオーステナイト系ステンレス鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)であり、試料(b)は試料(a)と同組成同寸法の鋼管に例えば実施例1と同様、その表面を電解研摩した後、N2ガス中、1075℃、30h保持の窒素(N)の吸収・固相拡散処理とアルゴンガス中1075℃、24h保持の焼なまし処理を行ってから、同試料に実施例5に記載した結晶粒微細化処理(1)すなわちオーステナイト相の共析変態を利用した微細化処理を施したものである。
図2より、Nの吸収・固相拡散処理、焼なまし処理及び結晶粒微細化処理を施した試料(b)は、このような処理を施していない試料(a)(市販材)に比較して、その引張強さ(σB)が高温域まで一段と高い値を示しており、しかも軟化する温度も100℃近く高いところにあり、Nの固溶により、その耐熱性が大きく向上することが解る。
これは、オーステナイト相に形成される拡張転位の積層欠陥(stacking fault)が、固溶したN原子により固着され(Suzuki effectの発現)高温域まで安定化するため転位の運動抵抗(すなわち外力に対する変形抵抗)がより増大することを示すものである。
下記試料a、b及びcのオーステナイト系ステンレス鋼管(外径22mm×長さ130mm×肉厚3mm)に、実施例1と同様、その表面を電解研摩した後、窒素ガス(N2ガス)中、1075℃、30h保持の窒素(N)の吸収・固相拡散処理とアルゴンガス中、1075℃、24h保持の焼なまし処理を行ってから、実施例5に記載したオーステナイト相の共析変態を利用した結晶粒微細化処理を施し、更にこれらの鋼管試料に引抜加工度*20%の冷間引抜(空引)加工を施したもの及び各試料の市販材、試料A、BおよびCの耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表7の通りである。
ここで各ステンレス鋼管試料の組成は次に示す通りである。
試料a、試料A:Fe−18Cr−12Ni−2.5Mo−0.02C(質量%)…SUS316L系
試料b、試料B:Fe−20Cr−8Ni−0.03C(質量%)…SUS304L系
試料c、試料C:Fe−25Cr−20Ni−0.06C(質量%)…SUS310S系
*引抜加工度(%):〔(DO−DX)/DO〕×100
ここにDOは、引抜加工前の外径、DXは引抜加工後の外径である。
Fe−18Cr−12Ni−3.5Mo−0.02C(質量%)のオーステナイト系ステンレス鋼管(外径26mm×長さ150mm×肉厚3mm)の3種の鋼管試料(a)、(b)及び(c)に下記の窒素(N)の吸収・固相拡散処理と焼なまし処理を施した後、これらの3試料に実施例5に記載の結晶粒微細化処理(2)を行い、次いで前実施例9に記載のものと同様、20%の冷間引抜(空引)加工を施したものの耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表8の通りである。
ここで試料(a)、(b)および(c)のNの吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理の両処理は、次のように行われている。
試料(a):電解研摩した鋼管内に0.1MPa(1気圧)の窒素ガス(N2ガス)を流しながら、同鋼管の周囲をアルゴンガス雰囲気にして、1075℃にて30h保持することによるNの吸収・固相拡散処理を施し、次いで同鋼管のアルゴンガス中での1075℃、24hの焼なまし処理を施したもの(処理面:鋼管の内面)。
試料(b):電解研摩した鋼管内に0.1MPaのアルゴンガスを流しながら、同鋼管の周囲を0.1MPaのN2ガス雰囲気にして、1075℃にて30h保持することによるNの吸収・固相拡散処理を施し、次いで同鋼管のアルゴンガス中での1075℃、24hの焼なまし処理を施したもの(処理面:鋼管の外面)。
試料(c):電解研磨した鋼管に、0.1MPaのN2ガス中、1075℃、30h保持のNの吸収・固相拡散処理及びアルゴンガス中、1075℃、24h保持の焼きなまし処理を施したもの(処理面:鋼管の内面及び外面)。
窒素(N)の吸収・固相拡散処理、焼なまし処理などを施した径の異なる複数本のオーステナイト系ステンレス鋼管(Fe−18Cr−12Ni−3.5Mo−0.02C(質量%))から請求の範囲7に記載の方法によりつくられた重ね合せ鋼管試料(イ)、(イND)、(ロ)および(ハ)の耐力(σ0.2)、引張強さ(σB)および破断伸び(δ)は表9の通りである。
ここで、上記試料(イ)、(イND)、(ロ)および(ハ)の作製方法を以下に示す。
試料(イ):径の異なる上記オーステナイト系ステンレス鋼管の次のA、B、Cの3種すなわち
鋼管試料A(外径37mm×長さ250mm×肉厚3mm)、
鋼管試料B(外径47mm×長さ250mm×肉厚3mm)
および鋼管試料C(外径57mm×長さ250mm×肉厚3mm)
に電解研摩を施してから、
これらの鋼管試料に窒素ガス(N2ガス)中、1075℃、30h保持のNの吸収・固相拡散処理とアルゴンガス中、1075℃、24h保持の焼なまし処理を行い、
次いで、実施例5に記載のオーステナイト相の共析変態を利用した結晶粒微細化処理(1)を2回実施した後、
請求の範囲7に記載のようにこれらの3種の鋼管試料を、鋼管Aを最内側にしてA、B、Cの順に重ね合せ、水素ガス(H2ガス)中で加熱保持してから、これに1050℃の温度にて熱間引抜技術を用いた密着加工による一体化処理(熱間引抜加工度*:15%)を施し、
さらに、こうした一体化処理した同鋼管に冷間引抜加工(引抜加工度*:20%)による強化処理を行ったオーステナイト系重ね合せステンレス鋼管。
*引抜加工度は例えば実施例9に記載の方法により算出している。
また、試料(イND)の重ね合せ材は、強度レベルが市販材のほぼ2倍近くの値を示しながら、その伸び(δ)も市販材のそれにほぼ匹敵するものとなることが解った。
なお、試料(イ)、(イND)、(ロ)、(ハ)のいずれも、各重ね合せ鋼管の密着加工技術を用いた一体化処理鋼管であるが、引張試験の際、重ね合せ素材鋼管の間の剥離などは全く起こらず、通常の鋼管の単一材と同様の試験が実施できた。
このことは、本実施例に示すような従来材の2倍以上の強度レベルを有する高窒素ステンレス鋼管を、例えば燃料電池自動車(FCV)の高圧水素ガス貯蔵容器の軽量化素材として、これに適用すれば、容器の壁厚(厚さ)は従来材を用いた場合の1/2以下のものでよくなり、従って同貯蔵容器の重量は、1/2以下となるので、このような軽量化を通じてFCV自体の燃費性能の飛躍的向上に導くことが可能となり、その実用的意義は非常に大きい。
N2ガスなどの雰囲気中で、窒素(N)の吸収・固相拡散処理を施したオーステナイト系ステンレス鋼管では、Nが同鋼管の内面・外面の表面から吸収されて固相拡散し、その表面部付近の高濃度のNの固溶により強化された高強度を有する部分から、管断面の中心部付近に向けて徐々にN濃度の低い、延性に富む部分に変る傾斜組織(gradient structure)が形成され、これに更にオーステナイトの共析変態などを利用した結晶粒微細化処理を施すと、その延性が著しく向上するので、高強度かつ高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管を容易に製造することができる。
また、オーステナイト系ステンレス鋼管では、固溶Nがそのオーステナイト晶に生成している拡張転位の積層欠陥(stacking fault)を強く固着して、転位の運動抵抗すなわち外力に対する材料の変形抵抗を一層増大させ(Suzuki effectの発現)、その効果は少しぐらいの温度上昇でも消失しないため、同鋼管の高温強度・耐熱性を大きく向上させることができる(実施例8、図2参照)。
さらにまた、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管は、上記のような高強度・高延性に加え、特にニッケル(Ni)濃度の高いSUS316L、SUS310S相当組成のもの(たとえば、実施例9、表7に記載のもの)は、燃料電池自動車(FCV)など向けの高圧水素ガス貯蔵容器に用いた場合、その高圧水素ガスによる脆性の誘発を防ぐという優れた特性を有している。
従って、本発明による高窒素ステンレス鋼管は、以上のようなその特性から、上記の次世代環境対応車として本命視されている燃料電池自動車(FCV)用の高圧水素ガス貯蔵容器等のものをはじめ、例えば次のような石油精製・石油化学工業関係、電力・原子力工業関係、海洋関連機器関係等の重要な部材などとして好適に広く用いることができる。
化石燃料に頼らない次世代エネルギー社会への対応として、自動車業界においても、温暖化ガスの元凶とされる二酸化炭素(CO2)の排出をゼロ、又はその近くまで大幅に低減することを目標に、すでに実用化に進みつつある電気自動車(EV)に続き、究極の環境対応車として燃料電池自動車(FCV)の早期の開発が急がれている。その実現のためには、FCVのエネルギー源となる高圧水素ガスの貯蔵方法を確立する必要があるが、その貯蔵容器の部材の最有力候補には金属材料が挙げられている。
ところが、一般の金属材料においては高圧水素ガスに接触すると、その水素ガスに起因する水素ガス脆化(hydrogen gas emrittlement,HGE)の現象がみられることが最も重要な問題となっている。現在、こうした高圧水素ガス環境下での使用に(すなわちHGEに)耐えられる材料として認められているのはSUS316L材料を代表とする高ニッケル(Ni)系のオーステナイトステンレス鋼である。
しかし、こうしたSUS316L系の従来材では、上記の水素ガス脆化(HGE)に耐えられても、その強度レベルが低く、これを用いて製造される高圧水素ガス貯蔵容器は必然的に肉厚で非常に重量の重いものとなる。
本発明による高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管ないし同鋼管をもとにしてからつくられた中空材は、上記の水素ガス脆化(HGE)に耐えられるだけでなく、SUS316L材系の従来材に比べ、倍以上の強度レベルを有しているので、実施例9にて記載のように、これを燃料電池自動車(FCV)の高圧水素ガス貯蔵容器に用いると、その軽量化を通じてこうしたFCVの燃費性能を大幅に向上させることが可能である。
また、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管は、上記高圧水素ガス貯蔵容器の種々の付属品の配管部材への適用のほか、同鋼管はまた低温靭性にも優れているので、FCV向けの燃料として当面主流となる高圧水素ガスに続く次の段階でのエネルギー源としての液体水素(液体水素貯蔵は気化した水素をシステム外に排出するボイルオフガスの問題があるため、現段階では液体水素をFCVへ使用することは不可能)の貯蔵容器としても適用が可能である。
さらにまた、本発明の高窒素オーステナイト系鋼管は、上記のほか他の種々の機器向け燃料物質などの貯蔵容器用の軽量化部材としても活用できる。
石油精製・石油化学工業においては、その使用環境が多様であり、耐食性、耐熱性あるいは低温靭性などの高度の要求により、配管用部材としては、オーステナイト系ステンレス鋼管が広く用いられている。近年になって、特に石油精製分野では、こうした配管部材についても、石油の重質化などによる性状の悪化に伴い、耐食性はもとより、さらに高温高圧にも耐え得るより高度の性能を有するものが求められるようになっている。
一方また、火力発電、原子力発電用の重要な部分には、オーステナイト系ステンレス鋼管が広く使用されており、特にボイラーを構成する機器のうち、過熱器、再熱器では、近年の技術の進展とともに、その蒸気温度が上昇して管のメタル温度も600℃近くの温度に達するようになり、より高温域まで使用できるオーステナイト系ステンレス鋼管が求められるようになってきている。
本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管は、実施例8(図2)に記載のように、より高い温度域までその高温強度が大きく低下することが避けられるので、これを上記のような過熱器又は再熱器の配管材、さらにまた石油精製での原油蒸留系の加熱炉用配管などに用いると、その優れた特性を発揮できる。
海水はほとんど無限に存在しており、この海水を冷却水(冷媒)とする熱交換器の多くは、オーステナイト系ステンレス鋼管から構成され、こうした熱交換器は、石油精製、石油化学、船舶、発電所、海水淡水化装置などの数多くのプラントで使用されている。しかし、海水には、塩化物イオンなどの塩類等が大量に存在しているため、その使用に当たっては、特に海水による孔食、すきま腐食の発生を防ぐことが最も重要となっている。
窒素(N)は、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)とともに、海水中での耐孔食性、耐すきま腐食性を向上させる最も効果的な元素なので、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管を上記熱交換器などの海洋関連機器部材に用いると、その特性を大きく発揮できる。
Claims (13)
- ステンレス鋼管の内面及び/又は外面が、結晶粒粗大化臨界温度以下の温度域で、窒素(N)を含む物質と接触・保持され、
窒素が同鋼管の内面及び/又は外面の表面部から内部へ吸収・固相拡散されてなる窒素を0.25〜1.7%(質量)含有する高窒素ステンレス鋼管であり、しかも、同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変わる傾斜組織(gradient structure)が形成され、
かつ同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性物質、又は水素ガスなどの還元性ガスを含む雰囲気中での焼なましにより前記傾斜組織中の窒素の濃度勾配が漸減する処理が施されてなること、
又はさらに、同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工のような塑性加工による強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。 - ステンレス鋼管の内面及び/又は外面が、(1)結晶粒粗大化臨界温度以下の温度域、
又は(2)結晶粒粗大化臨界温度を超える温度域から選ばれるいずれか1種の温度域で、窒素(N)を含む物質と接触・保持され、
窒素が同鋼管の内面及び/又は外面の表面部から内部へ吸収・固相拡散されてなる窒素を0.25〜1.7%(質量)含有する高窒素ステンレス鋼管であり、しかも、同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る傾斜組織(gradient structure)が形成され、
かつ同鋼管の前記温度での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性物質、又は水素ガスなどの還元性ガスを含む雰囲気中での焼なましにより前記傾斜組織中の窒素の濃度勾配が漸減する処理が施され、
さらに、(a)同鋼管の加熱によるオーステナイト組織化の処理操作とそれの空冷のような連続的な冷却による同オーステナイト組織の微細なフェライト相と窒化物との混合組織への分解すなわち共析変態の処理操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理、
又は(b)同鋼管の再結晶温度以下の温度域での引抜加工、圧延加工又は押出加工のような塑性加工操作と同塑性加工後の再結晶温度以上の温度域への加熱保持操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理が施されてなること、
又はさらに、同鋼管に引抜加工、圧延加工又は押出加工などによる強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。 - 請求の範囲1〜2のいずれか1項に記載の塑性加工による強化処理が施される前の高窒素ステンレス鋼管の内面及び/又は外面の表面に表面研摩が施され、
次いで、(1)こうした表面研摩された一方のオーステナイト系ステンレス鋼管にその外径より若干大きい内径をもつもう一方のオーステナイト系ステンレス鋼管を重ね合わせるような方式で、その用途又は強度などに応じた径、肉厚などの寸法をもつよう複数本の同ステンレス鋼管を重ね合わせたものに、
又は、(2)こうした表面研摩されたこれらのオーステナイト系ステンレス鋼管の間に、
密着補助材として、上記と同様に表面研摩が施された(a)窒素(N)の吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理の両処理が施されていないもとのオーステナイト系ステンレス鋼管、(b)ニッケル(Ni)濃度の高い他のオーステナイト系ステンレス鋼管、(c)Ni又はNi合金管、(d)アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金管、又は(e)他の密着補助材から選ばれる1種又は1種以上のものをサンドイッチ状に入れて重ね合わせたものに、引抜、圧延、押出などの熱間加工ないし温間加工の技術を用いた密着加工による一体化処理が施されてなること、
又はさらに、こうして一体化処理された同鋼管に、引抜加工、圧延加工、押出加工などによる強化処理が施されてなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。 - 請求の範囲1〜3のいずれか1項に記載の高窒素ステンレス鋼管が、(1)オーステナイト系ステンレス鋼、(2)フェライト系ステンレス鋼、又は(3)フェライト・オーステナイト系2相ステンレス鋼から選ばれるいずれか1種の鋼種からなることを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管。
- ステンレス鋼管をその結晶粒粗大化臨界温度以下の800〜1100℃の温度域にて、
窒素(N)を含む物質の中で加熱保持し、窒素を同鋼管の内面及び/又は外面の表面から内部へ吸収・固相拡散させて、
同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により、高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る、窒素が0.25〜1.7%(質量)含む傾斜組織(gradient structure)を形成させ、
次いで、同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性ガス、又はH2ガスなど還元性物質などの中での焼なましにより、前記傾斜組織における窒素の濃度勾配を管断面の中心付近に向けて漸減される処理を施して窒素を含むステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、前記焼なまし処理した窒素を含む同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工のような塑性加工による強化処理を施して、窒素を含む強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。 - ステンレス鋼管を、(1)その結晶粒粗大化臨界温度以下の800〜1100℃の温度域、又は(2)結晶粒粗大化臨界温度以上の1100℃を超える温度域から選ばれるいずれか1種の温度域にて窒素(N)を含む物質の中で加熱保持し、窒素を同鋼管の内面及び/又は外面の表面から内部へ吸収・固相拡散させて、
同鋼管に、その表面部付近の高濃度の窒素の固溶により、高強度に強化された部分から管断面の中心部付近に向けて、窒素濃度の減少とともに徐々に延性に富む部分に変る、窒素が0.25〜1.7%(質量)含む傾斜組織(gradient structure)を形成させ、
次いで、同鋼管の前記温度域での真空あるいはアルゴンガスなどの不活性ガス、又はH2ガスなどの還元性物質などの中での焼なましにより、前記傾斜組織における窒素の濃度勾配を管断面の中心付近に向けて漸減させる処理を施した後、
さらに(a)の同鋼管の加熱によるオーステナイト組織となすための処理操作と引続くそれの空冷のような連続的な冷却による同オーステナイト組織の微細なフェライト相と窒化物との混合組織への分解すなわち共析変態の処理操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理、
又は(b)同鋼管の再結晶温度以下の温度域での引抜加工、圧延加工、押出加工などによる塑性加工操作と同塑性加工後の再結晶温度以上の温度域への加熱保持操作の両操作の1回以上の繰り返しによる結晶粒微細化処理を施して、窒素を含む微細結晶粒組織のステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、前記結晶粒微細化処理した同鋼管に引抜加工、圧延加工、押出加工などの塑性加工による強化処理を施して窒素を含む微細結晶粒組織の強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。 - 請求の範囲5〜6のいずれか1項に記載の塑性加工による強化処理を施す前の高窒素ステンレス鋼管の内面及び/又は外面の表面に表面研摩を施し、
次いで、(1)こうした表面研摩された一方のオーステナイト系ステンレス鋼管にその外径より若干大きい内径をもつもう一方のオーステナイト系ステンレス鋼管を重ね合わせるような方式で、その用途又は強度などに応じた径、肉厚などの寸法をもつよう複数本の同ステンレス鋼管を重ね合わせたものを、
又は、(2)こうした表面研摩したこれらのオーステナイト系ステンレス鋼管の間に、密着補助材として、上記と同様に表面研摩を施した(a)窒素(N)の吸収・固相拡散処理及び焼なまし処理の両処理を施していないもとのオーステナイト系ステンレス鋼管、(b)ニッケル(Ni)濃度の高い他のオーステナイト系ステンレス鋼管、(c)Ni又はNi合金管、(d)アルミニウム(Al)又はアルミニウム合金管、又は(e)他の密着補助材から選ばれる1種又は1種以上のものをサンドイッチ状に入れて重ね合わせたものを、
H2ガス又はH2ガス75%(体積)、N2ガス25%(体積)からなるAXガスを用いた無酸化加熱用雰囲気ガスの中で、上記(1)、(2)の重ね合せ材の絶対温度(K)表示による融解温度ないし融点より15〜40%低い温度にて加熱保持してから、引抜、圧延、押出などの熱間加工ないし温間加工の技術を用いた密着加工による一体化処理を施して窒素を含むステンレス鋼管となすこと、
又はさらに、こうして一本化処理した同鋼管に引抜加工、圧延加工などによる強化処理を施して、窒素を含む強化ステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管の製造方法。 - ステンレス鋼管の内面及び/又は外面に、その表面部からの窒素(N)の吸収・固相拡散処理を施した後、同処理に用いられるNを含む物質が、NH3ガス又はNH3ガスに若干H2ガス又はアルゴンガスを加えた混合物である場合以外は、請求の範囲5〜7のいずれか1項に記載の焼なまし処理を除く各処理を施して高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有するステンレス鋼管となすことを特徴とする高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
- 請求の範囲5〜8のいずれか1項に記載の高窒素ステンレス鋼管の製造方法において、窒素の吸収・固相拡散処理、焼なまし処理などの加熱過程での結晶粒粗大化抑制元素として、
(1)アルミニウム(Al)、チタン(Ti)などの元素を単独で0.02〜0.10%(質量)、又は(2)これらの元素を合せて0.03〜0.15%(質量)含有させて、
窒素を含むステンレス鋼管となすことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。 - 窒素(N)含有物質が、N2ガス、NH3ス、又はこれらのガスに一部、H2ガス又はアルゴンガスを加えたガス、窒化鉄、窒化クロム又は窒化マンガンから選択される1種又は2種以上の物質であることを特徴とする請求の範囲5〜9のいずれか1項に記載の高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
- ステンレス鋼管の内面及び/又は外面への窒素(N)の吸収・固相拡散処理前又はステンレス鋼管の重ね合せ密着加工前の当該鋼管又は密着補助材の表面に、(1)電解研摩、(2)化学研摩、又は(3)ワイヤブラッシングのような機械研摩のなかから選ばれる1種又は1種以上の研摩を施すことを特徴とする請求の範囲5〜10のいずれか1項に記載の高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
- 請求の範囲5〜11のいずれか1項に記載の高窒素ステンレス鋼管の製造方法において、さらに(1)焼なまし、(2)時効処理、又は(3)溶体化処理等の熱処理を施すことを特徴とする高強度・高延性で優れた耐食性・耐熱性を有する高窒素ステンレス鋼管の製造方法。
- 請求の範囲1〜4のいずれか1項に記載の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼管をもとにして製作される燃料電池自動車(FCV)用高圧水素ガス貯蔵容器、液体水素貯蔵容器等の各種形状・寸法の中空材。
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