JP3800150B2

JP3800150B2 - 製造性に優れるマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯

Info

Publication number: JP3800150B2
Application number: JP2002251543A
Authority: JP
Inventors: 治郎仲道; 馨佐藤; 俊彦福井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004091812A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿潤炭酸ガスを含む環境下で用いられるラインパイプ等の構造物に適した耐食性、耐ＳＣＣ性、及び溶接性に優れたマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯に関し、特に製造時の温度条件等が変動し易い熱延鋼帯の製造においても安定した機械的特性が得られるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油、天然ガスの輸送用ラインパイプには、使用環境に応じた耐食性と現地溶接性に優れた鋼が要求されてきたが、近年、湿潤炭酸ガスやそれを含む環境が対象となることが多く、耐食性の観点から、ステンレス鋼の使用が検討されるようになっている。
【０００３】
しかしながら、既存のステンレス鋼は、ラインパイプ用として必ずしも十分な性能でなく、例えば、継目無管用０．２Ｃ−１３Ｃｒ系は、湿潤炭酸ガス、湿潤硫化水素を含む環境で良好な耐食性を示すが、低温割れ防止には、高い予、後熱温度を必要とするため、優れた現地溶接性が求められるラインパイプには用いられてこなかった。
【０００４】
２２Ｃｒ系等の二相ステンレス鋼は、予、後熱処理は必要としないが、高価であり、大量の鋼材を必要とするパイプラインに用いることは困難であった。
【０００５】
特開平６−１００９４３号公報、特開平４−２６８０１８号公報、特開平８−１００２６５号公報には、Ｃ量を低下させた１３Ｃｒ系が提案されているが、湿潤炭酸ガスと湿潤硫化水素の両者を含む環境での耐食性と現地溶接性の両者において優れているとは言い難い。
【０００６】
特に、鋼材の機械的性質が熱処理条件によって大きく変動しやすく、熱延鋼板では、鋼帯の部位によって材質変動が生じ易かった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、優れた耐食性、現地溶接性と共に、製造時の温度条件等が変動し易い熱延鋼帯においても材質の安定性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼帯を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため、１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼を対象に、材質、特に強度に及ぼす微細組織の影響について検討を行った。
【０００９】
その結果、最終熱処理によって鋼中に析出するγ相の形態が、強度に影響を及ぼすこと、湿潤炭酸ガス中での酸に対する耐食性の向上には、Ｃｒ添加が有効で，脱酸元素、脱硫元素の低減も有効なことを見出した。
【００１０】
本発明は、以上の知見を基に更に検討を加えてなされたものであり、
すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｃｒ：１１〜１５％、Ｎｉ：５〜８％、Ｍｏ：１．５〜３％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、熱処理時間、昇温速度、冷却速度および熱処理条件を調整することにより下記に定義されるＰ値を０．３以上１．０以下としたマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
【００１１】
但し、Ｐ値：（試料中のγ相中のＮｉ質量％）／（γ相の体積％）とする。
【００１２】
２．更に、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．０１〜０．１％の一種又は二種を含有する１記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
【００１３】
３．更に、質量％で、Ｃｕ：０．１〜１％、Ｗ：０．１〜１％の一種又は二種を含有する１または２記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
【００１４】
但し、Ｃｕ，Ｗの二種を含有する場合は、Ｃｕ＋Ｗ：０．１〜１％とする。
【００１５】
４．更に、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下、Ｚｒ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有する１乃至３の何れか一つに記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の成分組成の限定理由について以下、詳細に説明する。
【００１７】
（１）Ｃ：０．０２％以下
Ｃは、鋼中のＣｒと炭化物を形成するが、過剰な添加は耐食性に有効なＣｒ量が減少し、溶接熱影響部が硬化し、溶接後熱処理が必要となるため、０．０２％以下とする（通常は０．００５％以上とする）。
【００１８】
（２）Ｓｉ：０．１〜０．３％
Ｓｉは、脱酸のため添加し、その効果を得るため、０．１％以上とする。一方、０．３％を超えて過剰に添加されるとデルタフェライトが晶出するので、相バランスを保つためＮｉ量の増加が必要となるので、０．１〜０．３％とする。なお、組織はフェライトとオーステナイトの二相であることが好ましく、デルタフェライトは不要である。
【００１９】
（３）Ｍｎ：０．１〜０．３％
Ｍｎは、製鋼で脱硫剤として添加され、熱間加工性を改善する。その効果を得るため、０．１％以上添加する。一方、０．３％を超えると炭酸ガス、硫化水素環境下での耐食性が低下するため、０．１〜０．３％とする。
【００２０】
（４）Ｃｒ：１１〜１５％
Ｃｒは、湿潤炭酸ガスを含む環境下で耐食性を向上させる。その効果を得るため、１１％以上添加する。一方、１５％を超えるとマルテンサイト組織の生成が困難となるため、１１〜１５％とする。
【００２１】
（５）Ｎｉ：５〜８％
Ｎｉは、Ｃｒ量に応じて添加し、オーステナイト相を形成させマルテンサイト組織とする。５％未満では相安定性が不十分で、オーステナイト相が安定せずにすべてマルテンサイトになり、溶接部材質を損なうため、５％以上とする。一方、８％を超えるとその効果が飽和し、生産原価も上昇するため、５〜８％とする。
【００２２】
（６）Ｍｏ：１．５〜３％
Ｍｏは、耐食性を向上させるため、１．５％以上添加する。一方、３％を超えるとオーステナイト相を得るためＮｉ量の増加が必要となり、生産原価が上昇するため、１．５〜３％とする。
【００２３】
（７）Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは、脱酸および組織微細化に有効で添加する。しかし、０．１０％を超えるとアルミナ系介在物、窒化物の増加により製造性、靭性が低下するため、０．１０％以下とする。
【００２４】
（８）Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、耐食性に有効なＣｒ量と化合物を形成し、その量を減少させ、また、過剰になると窒化物が析出して製造性を悪化させ、溶接熱影響部を硬化させるため、０．０２０％以下とする。
【００２５】
（９）Ｐ値：０．３以上１．０以下
本発明では、熱延鋼帯のコイル間の変動、同一コイル内の部位間の変動（幅方向、長さ方向、それぞれ中央部と端部）、機械的特性の変動と熱処理条件に対する感受性、すなわち製造安定性の程度（以下製造性）を示す指標として、（試料中のγ相中のＮｉ質量％）／（γ相の体積％）と定義されるＰ値を用いる。
【００２６】
Ｐ値が０．３未満の場合、γ相は不安定で容易にマルテンサイト変態し、引張強度が不安定となる。一方、Ｐ値が１．０を超えると焼戻効果が十分得られず強度が不安定となるため、Ｐ値は０．３以上１．０以下とする。
【００２７】
図１は、γ相中のＮｉ質量％とγ相の体積％が、製造性に及ぼす影響を示すものである。製造性として、鋼帯より１０個の試験片を採取し、降伏強度を求め、７個の試験片がその平均値の±３０ＭＰａ以内となった場合、良好とした。
【００２８】
図より、Ｐ値が０．３以上１．０以下において、優れた製造性が得られている。詳細な理由は不明であるが、試料中のγ相中のＮｉ質量％やγ相の体積％により、焼戻しマルテンサイト強度および冷却時に形成されるフレッシュマルテンサイト量が支配されるためと考えられる。
【００２９】
尚、Ｐ値は、熱処理時間、昇温速度、冷却速度、および熱処理条件を調整して行う。また、その測定は、Ｘ線回折法でγ相の体積密度を求め、一方、素材から透過型電子顕微鏡用試料を作成し、γ相中のＮｉ質量％をエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）法により求めて行う。
【００３０】
そして、分析は、薄膜の薄い部分を選択し、母相の影響のない個所で５０箇所以上行い、平均組成をγ相中のＮｉ質量％とした。
【００３１】
以上が本発明鋼の基本成分組成であり、更に強度、耐食性を向上させる場合、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇの一種又は二種以上を添加する。
【００３２】
（10）Ｔｉ，Ｖ
Ｔｉ，Ｖは、いずれも鋼中のＣと炭化物を形成し、結晶粒を微細化し、強度と靭性を向上させる。０．０１％未満ではその効果が得られず、０．１％を超えるとその効果が飽和するため、０．０１〜０．１％とする。
【００３３】
（11）Ｃｕ，Ｗ
Ｃｕ，Ｗは、耐食性を向上させる効果があり、０．１％未満ではその効果が得られず、一方、１．０％を超えると熱間加工割れを生ずるため、０．１〜１．０％とする。
【００３４】
（12）Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ
Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇは、ＡｌＮの析出を抑制する効果があるが、多量の添加は酸化物系介在物が形成され靭性が劣化する場合があるため、０．００５％以下とする。
【００３５】
本発明鋼帯は所定の成分組成の溶鋼を転炉、電気炉またはそれらの合せ湯とし、連続鋳造機、鋳型により、ビレット、スラブとし、熱間圧延を行う常法の熱間圧延により、製造されるものであり、特に製造方法は限定しない。
【００３６】
熱処理もＰ値の規定を満足するように行えばよく、特にその条件を限定するものではない。
【００３７】
【実施例】
表１、２に示す鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、熱間圧延で１０ｍｍの鋼板とした後、耐力６００〜６５０ＭＰａを目標に焼ならし、焼戻しを行った。実操業を想定し、その条件は７８０±１０℃で焼ならし後、６３０±１０℃で焼戻しとした。本実施例において、Ｐ値は焼ならし保持時間の調整により行った。熱処理後、製造性、耐食性および溶接性について調査した。
【００３８】
製造性は、各供試鋼につき、１０個の鋼板を製造し、７割以上の試験片が耐力６００〜６５０ＭＰａ（ＪＩＳＺ２２０３による）となったとき良好とした。
【００３９】
湿潤炭酸ガス中の耐食性は、５％ＮａＣｌ−３０ａｔｍＣＯ2溶液に、１８０℃、９６時間浸漬し、腐食量０．３ｍｍ／ｙ以下を合格とした。
【００４０】
耐硫化物応力腐食割れ試験（耐ＳＳＣ）は、ＮＡＣＥＴＭＯ１７７試験法に準拠し、１ａｔｍのＨ２Ｓを飽和させた５％ＮａＣｌ＋０．５％酢酸水溶液中に耐力の６０％負荷し、７２０時間で破断無を合格とした。
【００４１】
現地溶接における予熱、後熱の必要性を判断するため、再現熱サイクル試験片で硬さ試験を行い、３５０Ｈｖ以下を合格とした。
【００４２】
表３に試験結果を示す。本発明鋼のＡ〜Ｌは、製造性、耐食性、耐硫化物応力腐食割れ性（耐ＳＳＣ性）、再現熱サイクル試験「硬さ」（溶接性）のいずれでも良好な結果が得られている。
【００４３】
一方、比較鋼Ｍは、Ｃｒ量が少なく、十分な耐食性が得られない。比較鋼Ｎは、脱酸剤のＳｉ量が多く、比較鋼Ｏは、脱硫剤のＭｎ量が多く、耐ＳＳＣ性が悪い。
【００４４】
比較鋼Ｐは、Ｎｉ量が少なく、デルタフェライトが析出し、耐食性が低下する。比較鋼Ｑは、Ｍｏ量が少なく耐ＳＳＣ性が劣る。比較鋼Ｒは、Ｃ量が高く再現熱サイクル試験での硬度が高く、溶接性に劣る。
【００４５】
比較鋼Ｓ，Ｔは、ＮおよびＡｌ量が高く、比較鋼Ｕ，Ｖは、Ｐ値が低いため製造性に劣っている。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
【表３】

【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、耐食性、溶接性、鋼帯の外内端や幅中央における機械的特性の変動程度（以下製造性）の小さい熱延鋼帯が安定して得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造性に及ぼすＰ値の影響を示す特性線図。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｃｒ：１１〜１５％、Ｎｉ：５〜８％、Ｍｏ：１．５〜３％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、熱処理時間、昇温速度、冷却速度および熱処理条件を調整することにより下記に定義されるＰ値を０．３以上１．０以下としたマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
但し、Ｐ値：（試料中のγ相中のＮｉ質量％）／（γ相の体積％）とする。
更に、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．０１〜０．１％の一種又は二種を含有する請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
更に、質量％で、Ｃｕ：０．１〜１％、Ｗ：０．１〜１％の一種又は二種を含有する請求項１または２記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。
但し、Ｃｕ，Ｗの二種を含有する場合は、Ｃｕ＋Ｗ：０．１〜１％とする。
更に、質量％で、Ｃａ：０．００５％以下、Ｚｒ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．００５％以下の一種または二種以上を含有する請求項１乃至３の何れか一つに記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼帯。