JP5782753B2 - 高Cr高Ni合金管の製造方法および高Cr高Ni合金 - Google Patents
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「%」:対象物に含まれる各成分の質量百分率(質量%)を表す。
「高Cr高Ni合金」:Niを主成分とし、その含有量がステンレス鋼よりも多く、Ni基合金よりは少なく、CrをNiに次いで多く含む合金をいう。概念的には、ステンレス鋼とNi基合金の中間に位置する合金である。管、板、その他定形もしくは不定形の部材、またはそれらの加工品であって、前記成分範囲内の合金はいずれもここでいう高Cr高Ni合金である。なお、「高Cr高Ni合金管」とは、高Cr高Ni合金製の管である。
本発明の他の目的は、良好な靱性を備えた高Cr高Ni合金を提供することである。
ΔT×Δt/2≦100 ・・・(i)
ただし、ΔT:均熱温度と均熱後の急冷開始温度との差(℃)
Δt:均熱後、急冷開始までの時間(min)
(a)調査に用いた高Cr高Ni合金管では、溶体化熱処理の際にCr炭化物が粒界に析出して靭性が低下する。
(b)炭化物の周囲(粒界近傍)にはCr濃度の低い領域(以下、「Cr欠乏領域」という)が形成されると推定される。材料中のCr濃度が25%以下の材料ではCr欠乏領域の形成により、酸洗処理の際に粒界近傍の酸による腐食が促進され、酸荒れや粒界に沿った割れが生じることがある。母材のCr含有量が29.8%と高い場合には酸荒れはみられない。
そこで、溶体化熱処理後の結晶粒界への炭化物の析出を抑制するために、具体的にどのような熱処理が必要であるかを検討した。
表1および表2の「20℃衝撃値」欄の記号の意味は次のとおりである。
○:良好。20℃衝撃値が150J/cm2以上であることを示す。
×:不良。20℃衝撃値が150J/cm2未満であることを示す。
C:0.05〜0.09%
Cは炭化物を形成して高Cr高Ni合金として必要な高温引張強さ、高温クリープ強度を確保する上で必要な成分であり、0.05%以上含有させることが必要である。しかし、その含有量が0.09%を超えると、Crの炭化物が増えて高Cr高Ni合金の靱性に悪影響を及ぼすおそれがあるので上限は0.09%とした。望ましいC含有量は0.055〜0.085%である。
Siは、溶製時の脱酸剤として必要な元素であり、最低でも0.05%含有させることが必要である。しかし、その含有量が過剰になると当該合金の加工性が低下する。Si含有量は0.1〜0.3%である。
Mnは、当該合金中に含まれる不純物のSと結合してMnSを形成し、熱間加工性を向上させるが、その含有量が0.05%未満ではこの効果が十分ではない。一方、その含有量が過剰になると合金が硬くなり、加工性や溶接性が損なわれるので上限は1.3%とした。望ましいMn含有量は0.7〜1.1%であり、さらに望ましくは0.9〜1.1%である。
Pは不純物として不可避的に混入する。過剰なPは溶接性および加工性を害するので、上限は0.015%とする。望ましい上限は0.012%である。
SもPと同様に不純物として不可避的に混入する。過剰なSは溶接性および加工性を害するので、上限は0.005%とする。望ましい上限は0.0015%である。
Niは、本発明の高Cr高Ni合金の主成分であり、オーステナイト組織を安定にする元素である。高温耐食性を確保する上からも重要な合金元素である。Ni量はCr量とのバランスから決定されるため一概に上下限を定めることは難しいが、Crの下限が22%の場合でも44%以上は必要である。一方、Crの上限が32%の場合にNiの含有量が過剰になるとコスト上昇を招くので、上限は52%とした。
Crは、高温耐酸化性・耐食性を確保するための重要な合金元素である。高温下での十分な耐食性を確保するためには22%以上含有させることが必要である。Cr含有量が多いほど高温耐食性は向上する。さらにCrを27%以上含有する場合、高温での使用中にCr主体の微細な析出物が析出して高温強度に寄与する。そのため、高温強度を高めたい場合、27%以上のCrを含有させる。一方、その含有量が32%を超えるとオーステナイト組織を安定にするためにNi含有量を高めなければならず、コスト上昇を招くので、上限は32%とした。
Tiは、高温域での使用中における炭化物の析出による高温強度の向上効果がある。本発明合金では高温強度を確保する目的で0.05%以上含有させる。一方、その含有量が過剰になると不均一なクリープ変形や延性低下の原因となるのでその上限は1.0%とした。
NbおよびZrは、炭化物の析出によるクリープ強度の向上効果がある。しかし、それぞれの含有量がNb 0.005%、Zr 0.001%未満ではこれらの効果が十分に発揮されない。一方、その含有量が過剰になると溶接性が損なわれることから、それぞれの上限をNb 0.25%、Zr 0.05%とした。
Alは、Siと同様に脱酸作用を有する元素であり、十分な脱酸効果を得るには0.005%以上含有させることが必要である。一方、その含有量が過剰になると組織安定性が悪くなるのでその上限は0.2%とした。望ましいsol.Al含有量は0.008〜0.13%である。
Bは、クリープ抑制作用を有する元素であるが、その含有量が0.001%未満ではこの効果が得られない。一方、その含有量が過剰になると溶接性が損なわれるのでその上限は0.008%とした。望ましいB含有量は0.001〜0.003%である。
Wは、固溶強化作用によりクリープ抑制作用を有する元素であるが、その含有量が4%未満ではこの効果が得られない。一方、その含有量が過剰になると当該合金を著しく硬化させ、加工性および溶接性を劣化させるのでその上限は10%とした。望ましいW含有量は4.5〜9%である。
本発明の高Cr高Ni合金管の製造方法においては、上記の化学組成を有する合金を溶製する。次いで、得られた合金塊を均熱し、分塊(鍛造)、熱間加工(圧延または押出し)の順に処理した後、必要に応じて冷間加工を実施する。冷間加工では引き抜きまたは圧延による加工を行う。その後、熱処理(すなわち、均熱後、急冷する溶体化熱処理)を実施する。その後必要に応じて、酸洗または機械的処理(工具による内外削やショットブラストなど)を施し、高Cr高Ni合金管とする。
ΔT×Δt/2≦100 ・・・(i)
ただし、ΔT:均熱温度と均熱後の急冷開始温度との差(℃)
Δt:均熱後、急冷開始までの時間(min)
Cr析出量とは、先に述べたように、熱処理を行った後の合金管を電解して得られた抽出残渣の定量分析により求められるCr析出量である。本発明の高Cr高Ni合金管の製造方法においては、さらに、製造する高Cr高Ni合金管のCr析出量を0.3%以下とする実施形態を採用することが望ましい。Cr析出量が0.3%以下という規定を構成要件に加えることにより、製造する高Cr高Ni合金管のCr析出量を管理し、安定して良好な靱性を備えた高Cr高Ni合金管を製造することができるからである。
表4および表5の「20℃衝撃試験」欄の記号の意味は、前記表1および表2の場合と同様で、次のとおりである。
○:良好。20℃衝撃値が150J/cm2以上であることを示す。
×:不良。20℃衝撃値が150J/cm2未満であることを示す。
Claims (2)
- 質量%でC:0.05〜0.09%、Si:0.1〜0.3%、Mn:0.05〜1.3%、P:0.015%以下、S:0.005%以下、Ni:44〜52%、Cr:27〜32%、Ti:0.05〜1.0%、sol.Al:0.005〜0.2%、B:0.001〜0.008%およびW:4〜10%、並びにNb:0.005〜0.25%およびZr:0.001〜0.05%のうちの1種または2種を含有し、残部がFeおよび不純物からなる高Cr高Ni合金管の製造方法であって、
熱間加工後の連続熱処理炉またはバッチ炉を用いた熱処理において、当該高Cr高Ni合金管を1180℃以上に加熱する均熱処理を行った後、放冷過程に続き、水冷過程で下記(i)式を満たす条件で冷却することを特徴とする高Cr高Ni合金管の製造方法。
ΔT×Δt/2≦100 ・・・(i)
ただし、ΔT:均熱温度と均熱後の急冷開始温度との差(℃)
Δt:均熱後、急冷開始までの時間(min) - 前記熱処理を、熱間加工に加えて冷間加工を行った後に行うことを特徴とする請求項1に記載の高Cr高Ni合金管の製造方法。
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