JP6171834B2 - 厚肉鋼材製造用装置列 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、13%Crマルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性を改善した、改良型マルテンサイト系ステンレス鋼(鋼板)の製造方法が記載されている。特許文献1に記載された技術では、重量%で10〜15%Crを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の組成で、Cを0.005〜0.05%と制限し、Ni:4.0%以上、Cu:0.5〜3%を複合添加し、さらにMoを1.0〜3%添加し、さらにNieqを−10以上に調整した組成を有する鋼を、熱間加工し室温まで自然放冷したのち、Ac1点以上でかつオーステナイト分率が80%になる温度以下で熱処理を施し、さらにオーステナイト分率が60%になる温度で熱処理を行い、組織が焼戻しマルテンサイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相からなり、焼戻しマルテンサイト相、マルテンサイト相の合計の分率が60〜90%である組織を有する、マルテンサイトステンレス鋼としている。これにより、湿潤炭酸ガス環境および湿潤硫化水素環境における耐食性と耐硫化物応力腐食割れ性が向上するとしている。
かかる従来技術の状況に鑑み、本発明は、肉厚中央部の低温靭性が優れた厚肉鋼材の製造が可能な、厚肉鋼材製造用装置列を提供することを目的とする。
そこで、更なる研究を行ない、厚肉ステンレス鋼材の組織微細化のためには、鋼素材に、600℃以上の温度域で、少なくとも50℃以上の温度範囲を、鋼材表面で、空冷以上の冷却速度である1.0℃/s以上の平均冷却速度で冷却を施しさらに熱間加工を施すことにより、組織が微細化し、肉厚:15mm超えの厚肉ステンレス鋼材の肉厚中心位置においても低温靭性が顕著に向上するという知見を得た。
質量%で、0.017%C−0.19%Si−0.26%Mn−0.01%P−0.002%S−16.6%Cr−3.5%Ni−1.6%Mo−0.047%V−0.047%N−0.01%Al−残部Feからなる組成のステンレス鋼板から試験材を採取した。採取した試験材(肉厚:20mm)を、加熱温度:1250℃に加熱し一定時間(60min)保持したのち、熱間加工温度である1200〜600℃の範囲の冷却停止温度までを種々の冷却速度で冷却した。冷却終了後、試験材を直ちに急冷して、組織を凍結した。
図2から、冷却停止温度によらず、加熱温度から冷却停止温度(熱間加工温度)までの温度範囲を、1.0℃/s以上の平均冷却速度で冷却することにより、フェライト相分率が、0.50℃/sで冷却した場合よりも、多くなることがわかる。なお、平均冷却速度:0.50℃/sの冷却は、空冷を模擬した冷却(空冷相当)であり、より平衡に近い状態での冷却であるといえる。
(1)鋼素材を加熱する加熱装置と、該加熱された鋼素材に熱間圧延を施し所定形状の厚肉鋼材とする熱間加工装置とをこの順に配設してなる厚肉鋼材製造用装置列において、前記加熱装置と前記熱間加工装置との間に、被冷却材の表面の平均冷却速度で1.0℃/s以上の冷却能を有する冷却装置を配設してなることを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
(2)(1)において、前記熱間加工装置の出側に、保温装置を配設することを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
(3)(1)または(2)において、前記熱間加工装置が複数基配設されている場合には、前記冷却装置は、前記複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも1基の入り側に配設することを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
(4)(3)において、前記厚肉鋼材が、厚肉継目無鋼管であり、前記複数基の熱間加工装置が、前記加熱された鋼素材に穿孔圧延を施し中空素材とする穿孔圧延装置と、該中空素材に加工を施し所定形状の継目無鋼管とする圧延装置であり、前記冷却装置が、前記加熱装置と前記穿孔圧延装置との間に、または前記穿孔圧延装置と前記圧延装置との間に、配設してなることを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
(5)(1)ないし(3)のいずれかに記載の厚肉鋼材製造用装置列を利用した厚肉鋼材の製造方法であって、鋼素材を前記加熱装置で加熱した後、前記冷却装置で前記鋼素材を冷却し、しかるのちに、該鋼素材に前記熱間加工装置で加工を施し、あるいはさらに該加工後に前記保温装置を通過させる処理を施して、所定寸法の厚肉鋼材とするにあたり、
前記鋼素材を、質量%で、
C :0.050%以下、 Si:0.50%以下、
Mn:0.20〜1.80%、 Cr:15.5〜18.0%、
Ni:1.5〜5.0%、 Mo:3.5%以下、
V :0.02〜0.20%、 N :0.01〜0.15%、
O :0.006%以下
を含み、
残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材とし、前記加熱を、加熱温度:Ac4変態点以上融点未満の範囲の温度に加熱する処理とし、前記冷却装置で冷却する前の前記鋼素材の表面温度を冷却開始温度として、前記冷却を、表面温度で、前記冷却開始温度からの温度差が少なくとも50℃以上で、かつ600℃以上となる冷却停止温度まで、前記鋼素材の表面温度で1.0℃/s以上の平均冷却速度で冷却する処理とすることを特徴とする低温靭性に優れた厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
(6)(5)において、前記加工後に前記保温装置内を通過させる処理が、平均冷却速度で20℃/s以下の冷却となるように調整する処理とすることを特徴とする厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
(7)(5)または(6)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、次A群〜D群
A群:Al:0.002〜0.050%、
B群:Cu:3.5%以下、
C群:Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、W:3.0%以下、B:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、
D群:Ca:0.01%以下、REM:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有することを特徴とする厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
本発明で使用する熱間加工装置2は、通常、鋼素材を所定寸法の厚肉鋼材とする場合に適用する熱間加工装置がいずれも適用できる。例えば、鋼材が鋼板である場合には、厚板圧延機等の各種の熱間圧延装置が、また鋼材が棒材である場合には穴型圧延装置または引抜き加工装置が、また鋼材が継目無鋼管である場合には、穿孔圧延装置、および縮径圧延や矯正圧延等の通常公知の圧延装置が例示できる。
熱間加工装置2の一つである穿孔圧延装置21は、加熱された鋼素材に穿孔圧延を施し中空素材とすることができる穿孔圧延装置であればよく、例えば、バレル形ロール、コーン型ロール等を用いるマンネスマン傾斜式穿孔機、熱間押出式穿孔機等の、通常公知の穿孔圧延装置がいずれも適用できる。また、熱間加工装置2の一つである圧延装置22は、中空素材に加工を施し所定形状の継目無鋼管とすることができる装置であればよく、目的に応じて、例えば、エロンゲータ221、穿孔された中空素管を薄く長く延ばすプラグミル222、素管内外表面を滑らかにするリーラ(図示せず)、所定寸法に整えるサイザー223の順で配置された圧延装置、あるいは中空素管を所定寸法の鋼管とするマンドレルミル(図示せず)、若干の圧下を行ない外径、肉厚を調整するレデューサ(図示せず)を配置した圧延装置等の、通常公知の熱間加工装置がいずれも適用できるが、加工量の大きいエロンゲータ221、マンドレルミルとすることが好ましい。
本発明では、鋼素材を、加熱装置で所定温度に加熱した後、冷却装置で冷却し、しかるのちに、鋼素材に熱間加工装置で加工を施し、あるいはさらに該加工後に保温装置を通過させる処理を施して、所定寸法の厚肉鋼材とすることが好ましい。
「質量%で、
C :0.050%以下、 Si:0.50%以下、
Mn:0.20〜1.80%、 Cr:15.5〜18.0%、
Ni:1.5〜5.0%、 Mo:3.5%以下、
V :0.02〜0.20%、 N :0.01〜0.15%、
O :0.006%以下
を含み、
あるいはさらに次A群〜D群
A群:Al:0.002〜0.050%、
B群:Cu:3.5%以下、
C群:Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、W:3.0%以下、B:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、
D群:Ca:0.01%以下、REM:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材」とすることが好ましい。
C:0.050%以下
Cは、マルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する重要な元素であり、本発明では所望の強度を確保するために0.005%以上含有することが望ましい。一方、0.050%を超えて含有すると、Ni含有による焼戻時の鋭敏化が増大する。耐食性の観点からはCは少ないほうが望ましい。このようなことから、Cは0.050%以下に限定した。なお、好ましくは0.030〜0.050%である。
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、0.05%以上含有することが望ましい。0.50%を超える含有は、耐食性を低下させ、さらに熱間加工性をも低下させる。このため、Siは0.50%以下に限定した。なお、好ましくは0.10〜0.30%である。
Mn:0.20〜1.80%
Mnは、強度を増加させる作用を有する元素であり、このような効果を得るためには0.20%以上の含有を必要とする。一方、1.80%を超えて含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは0.20〜1.80%に限定した。なお、好ましくは0.20〜1.00%である。
Crは、保護皮膜を形成し耐食性を向上させる作用を有し、さらに固溶して鋼の強度を増加させる元素である。このような効果を得るためには、15.5%以上の含有を必要とする。一方、18.0%を超えて多量に含有すると、熱間加工性が低下し、さらに強度が低下する。このため、Crは15.5〜18.0%に限定した。なお、好ましくは16.6〜18.0%である。
Niは、保護膜を強固にし、耐食性を高める作用を有する元素であり、さらに固溶して鋼の強度を増加させ、さらに靭性を向上させる元素でもある。このような効果は1.5%以上の含有で認められる。一方、5.0%を超えて含有すると、マルテンサイト相の安定性が低下し、強度が低下する。このため、Niは1.5〜5.0%に限定した。なお、好ましくは2.5〜4.5%である。
Moは、Cl−による孔食に対する抵抗性を増加させる元素である。このような効果を得るためには、1.0%以上含有することが望ましい。一方、3.5%を超える多量の含有は、強度が低下するとともに、材料コストが高騰する。このため、Moは3.5%以下に限定した。なお、好ましくは2.0〜3.5%である。
Vは、強度を増加させるとともに、耐食性を改善する元素である。このような効果を得るためには、0.02%以上の含有を必要とする。一方、0.20%を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、Vは0.02〜0.20%に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.08%である。
Nは、耐孔食性を著しく向上される元素であり、このような効果を得るためには0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.15%を超えて含有すると、種々の窒化物を形成し靭性を低下させる。なお、好ましくは0.02〜0.08%である。
O:0.006%以下
Oは、鋼中では酸化物として存在し、各種特性に悪影響を及ぼす。このため、できるだけ低減することが望ましい。とくに、Oが0.006%を超えて多量に含有すると、熱間加工性、靭性、耐食性の低下が著しくなる。このため、Oは0.006%以下に限定した。
A群:Al:0.002〜0.050%、
B群:Cu:3.5%以下、
C群:Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、W:3.0%以下、B:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種以上、
D群:Ca:0.01%以下、REM:0.01%以下のうちから選ばれた1種または2種
のうちから選ばれた1群または2群以上を含有することができる。
A群:Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.002%以上含有することが好ましいが、0.050%を超えて含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、含有する場合には、A群:Al:0.002〜0.050%に限定することが好ましい。なお、Al無添加の場合には、不可避的不純物として0.002%未満程度が許容される。
B群:Cuは、保護皮膜を強固し、鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を高める。このような効果は0.5%以上の含有で顕著となる。3.5%を超える含有は、CuSの粒界析出を招き、熱間加工性が低下する。このため、含有する場合には、B群:Cuは3.5%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.8〜1.2%である。
C群:Nb、Ti、Zr、W、Bはいずれも、強度を増加させる元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果は、Nb:0.03%以上、Ti:0.03%以上、Zr:0.03%以上、W:0.2%以上、B:0.01%以上の含有で認められる。一方、Nb:0.2%、Ti:0.3%、Zr:0.2%、W:3.0%、B:0.01%、をそれぞれ超える含有は、靭性を低下させる。このため、含有する場合は、Nb:0.2%以下、Ti:0.3%以下、Zr:0.2%以下、W:3.0%以下、B:0.01%以下に、それぞれ限定することが好ましい。
D群:Ca、REMは、硫化物系介在物の形状を球状化する作用を有し、介在物周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、介在物の水素トラップ能を低下させる効果を有し、必要に応じて1種または2種を含有できる。このような効果は、Ca:0.0005%以上、REM:0.001%以上の含有で顕著となるが、Ca:0.01%、REM:0.01%を超えて含有すると、耐食性が低下する。このため、含有する場合には、Ca:0.01%以下、REM:0.01%以下に限定することが好ましい。
上記した組成を有する鋼素材の製造方法はとくに限定する必要はない。転炉、電気炉等、常用の溶製炉を使用して、上記した組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法等の常用の鋳造方法で、鋳片(丸鋳片)としたものを鋼素材とすることが好ましい。なお、鋳片を熱間圧延して所定寸法の鋼片として鋼素材としてもよい。また、造塊−分塊圧延法で鋼片とし、鋼素材としてもなんら問題はない。
加熱温度:Ac4変態点以上融点未満
加熱温度がAc4変態点未満では、単相である変態を利用して組織の微細化を達成することができない。また、変形抵抗が高くなりすぎて、その後の熱間加工が困難となる。一方、融点以上では成形(加工)による歪の蓄積が困難となる。このため、鋼素材の加熱温度はAc4変態点以上融点未満の範囲の温度に限定した。なお、変形抵抗が小さく加工がしやすいことや、冷却時に温度差を大きくとれるという観点から好ましくは1000〜1300℃である。また、冷却後に、継目無鋼管の製造におけるように熱間加工として穿孔圧延を行う場合には、加熱温度は1200〜1300℃とすることがより好ましい。
冷却は、冷却開始温度からの温度差が少なくとも50℃以上で、かつ600℃以上となる冷却停止温度まで、鋼素材の表面で1.0℃/s以上の平均冷却速度で加速冷却する冷却処理とする。なお、冷却開始温度とは、冷却開始前の鋼素材の表面温度であり、本発明では600℃以上とすることが好ましい。冷却開始温度が600℃未満では、変形抵抗が高くなり、その後の加工(成形)が困難になる。
冷却の温度範囲、すなわち、冷却開始温度と冷却停止温度の温度差は、少なくとも50℃以上とする。冷却の温度範囲が50℃未満では、顕著な非平衡状態の相分率を確保できなくなり、その後の加工により所望の組織微細化を達成できない。このため、冷却の温度範囲は50℃以上に限定した。冷却の温度範囲は大きいほど、非平衡状態の相分率を確保できやすくなる。なお、好ましくは100℃以上である。
冷却停止温度は600℃以上とする。冷却停止温度が600℃未満では、元素の拡散が遅くなり、その後の加工による相変態(α→γ変態)が遅れ、所望の加工による組織微細効果が期待できなくなる。このため、冷却停止温度は600℃以上に限定した。なお、好ましくは700℃以上である。また、冷却後に、継目無鋼管の製造における穿孔圧延を行う場合には、冷却停止温度は1000℃以上とすることが好ましい。
冷却の平均冷却速度が表面で1.0℃/s未満では、非平衡状態の相分率を確保できなくなり、その後の加工により所望の組織微細化を達成できない。このため、冷却の平冷却速度は1.0℃/s以上に限定した。なお、冷却速度の上限は、冷却装置の能力により決定され、とくに限定する必要はないが、熱応力による割れや曲り防止という観点から、50℃/s以下とすることが好ましい。なお、好ましくは3〜10℃/sである。
冷却後の鋼素材に施される熱間加工は、所定寸法の厚肉鋼材とすることができればよく、常用の加工条件がいずれも適用でき、とくに限定する必要はない。本発明では、比較的低い加工量(圧下率)でも、所望の組織微細化が可能であるが、組織微細化の観点からは、少なくとも加工量を累積で15%以上とすることが好ましい。
(1)組織観察
得られた厚肉鋼板から、組織観察用試験片を採取し、圧延方向に直交する断面(C断面)を研磨、腐食(腐食液:ビエラ液)して、光学顕微鏡(倍率:100倍)または走査型電子顕微鏡(倍率:1000倍)で組織を観察し、撮像して、画像解析を用い、組織の種類およびその分率を測定した。なお、微細化の指標として、組織写真から、単位長さの直線と交差する相境界の数を測定した。なお、単位長さ当たりの相境界数は、得られた値を、鋼板No.1の値を基準(1.00)として、基準値に対する比率として示した。
(2)引張試験
得られた厚肉鋼板から、圧延方向が引張方向となるように、丸棒引張試験片(平行部6mmφ×GL20mm)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏強さYSを求めた。なお、降伏強さは0.2%伸びでの強度とした。
(3)衝撃試験
得られた厚肉鋼板の肉厚中央位置から、圧延方向と直交する方向(C方向)が試験片長手方向となるように、Vノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、試験温度:−40℃における吸収エネルギーを測定し、靭性を評価した。なお、試験片は各3本とし、それらの平均値を当該厚肉鋼板の吸収エネルギーとした。
2 熱間加工装置
3 冷却装置
4 保温装置
21 穿孔圧延装置
22 圧延装置
221 エロンゲータ
222 プラグミル
223 サイジングミル
Claims (3)
- 鋼素材を加熱する加熱装置と、該加熱された鋼素材に熱間圧延を施し所定形状の厚肉鋼材とする熱間加工装置とをこの順に配設してなる鋼材製造用装置列において、前記鋼素材がステンレス鋼組成を有する鋼素材であり、前記加熱装置が、前記鋼素材を加熱温度:Ac 4 変態点以上融点未満に加熱することができる加熱能を有する加熱装置であり、前記加熱装置と前記熱間加工装置との間で該加熱装置の出側でかつ該熱間加工装置の入り側に、冷却開始温度からの温度差が50℃以上で600℃以上となる冷却停止温度までの温度域を、被冷却材の表面の平均冷却速度で1.0℃/s以上が得られる冷却能を有し、被冷却材の組織を非平衡状態の相分布とすることができる冷却装置を配設してなることを特徴とする厚肉ステンレス鋼材製造用装置列。
- 前記熱間加工装置の出側に、保温装置を配設することを特徴とする請求項1に記載の厚肉ステンレス鋼材製造用装置列。
- 前記熱間加工装置が複数基配設されている場合には、前記冷却装置は、前記複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも1基の入り側に配設することを特徴とする請求項1または2に記載の厚肉ステンレス鋼材製造用装置列。
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