JP6390677B2 - 低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
まず、使用する熱延鋼板の組成限定理由について説明する。なお、以下、特に断らない限り、成分の含有量を意味する%は質量%を意味する。
Cを多量に含有すると、HAZ(溶接熱影響部)を硬化させ、溶接割れを生じさせたり、溶接熱影響部靭性を低下させたりする。特に、HAZの硬化は耐硫化物応力腐食割れ性の低下を伴うため、本発明ではできるだけC含有量を低減することが望ましい。また、CがHAZにおいてCr炭化物として析出すると、周囲にCr欠乏層が形成され粒界応力腐食割れ発生の原因となる。この観点からもできるだけC含有量を低減することが望ましい。上記の観点から、本発明では、C含有量を0.0200%未満に限定した。なお、好ましくは0.0100%以下である。
多量のNの含有は、溶接部を硬化させ、溶接割れを生じさせたり、溶接部靭性を劣化させたりする。特に、HAZの硬化は耐硫化物応力腐食割れ性の低下を伴うため、本発明ではできるだけN含有量を低減することが望ましい。また、Nは、Ti、Nb、Zr、V、Hf、Ta等と結合し窒化物を形成する。これにより、炭化物を形成しCr炭化物の形成を防止できるTi、Nb、Zr、V、Hf、Ta量が実質的に低減し、これら元素によるCr欠乏層の形成抑制効果、すなわち粒界応力腐食割れ発生の抑制効果が低下する。この観点からも、本発明では、N含有量はできるだけ低減することが望ましい。上記したNの悪影響は、0.0200%未満であれば許容できるため、本発明では、N含有量は0.0200%未満に限定した。なお、好ましくは0.0100%以下である。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、固溶して強度増加に寄与する元素であり、本発明では0.05%以上含有することが望ましい。しかし、Siはフェライト生成元素でもあり、Si含有量が1.0%を超えると、母材およびHAZの靭性が低下する。このため、Si含有量は1.0%以下に限定した。なお、好ましくは0.1〜0.5%である。
Mnは、固溶して鋼の強度上昇に寄与するとともに、オーステナイト生成元素であり、フェライト生成を抑制して母材およびHAZの靭性を向上させる。このような効果を得るためにはMn含有量を0.1%以上にすることが望ましい。一方、Mn含有量が2.0%を超えても効果が飽和してさらに高まることはほとんどない。このため、Mn含有量は2.0%以下に限定した。なお、好ましくは0.2〜1.2%である。
Pは、粒界に偏析して粒界強度を低下させ、耐硫化物応力腐食割れ性や、耐粒界応力腐食割れ性に悪影響を及ぼす元素である。本発明では、できるだけP含有量を低減することが好ましい。本発明では、P含有量は0.03%までは許容できる。このため、P含有量は0.03%以下に限定した。なお、熱間加工性の観点からは、P含有量を0.02%以下とすることが好ましい。
Sは、MnS等の硫化物を形成し、熱間加工性を低下させる元素である。本発明ではできるだけS含有量を低減することが好ましい。本発明では、S含有量は0.010%までは許容できる。このため、S含有量は0.010%以下に限定した。なお、より安定した熱間加工性確保の観点からは、0.004%以下とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果は、Alを0.001%以上含有することにより認められる。Al含有量が0.10%を超えると靭性が低下する。このため、Al含有量は0.10%以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.04%である。
Crは、耐炭酸ガス腐食性、耐孔食性、耐硫化物応力腐食割れ性等の耐食性を向上させるための基本元素である。本発明ではCr含有量を10%以上にする必要がある。一方、Cr含有量が14%を超えると、フェライト相が形成しやすくなり、マルテンサイト組織を安定して確保するためには、多量の他の合金元素添加を必要とし、材料コストの上昇を招く。このため、本発明では、Cr含有量は10〜14%の範囲に限定した。
Niは、耐炭酸ガス腐食性を向上させるとともに、固溶して強度上昇に寄与し、また靭性を向上させる元素である。また、Niはオーステナイト形成元素であり、低炭素域でマルテンサイト組織を安定して確保するために有効に作用する。このような効果を得るためには、Ni含有量を3%以上とする。一方、Ni含有量が8%を超えると、変態点が低下しすぎて、所望の特性を確保するための焼戻し処理が長時間となる。また、Ni含有量が8%を超えると、材料コストの高騰を招く。このため、Ni含有量は3〜8%の範囲に限定した。なお、好ましくは4〜7%である。
Moは、耐応力腐食割れ性、さらには耐硫化物応力腐食割れ性、耐孔食性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、Mo含有量を1%以上にする。一方、Mo含有量が4%を超えると、フェライトが生成しやすくなるとともに、耐硫化物応力腐食割れ性向上効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となる。このため、Moは1〜4%に限定した。なお、好ましくは1.5〜3.0%である。
Vは、炭化物形成元素であり、Crに比べて炭化物形成能が強く、溶接熱で固溶したCが、Cr炭化物として旧オーステナイト粒界に再析出するのを抑制し、溶接部の耐応力腐食割れ性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、V含有量を0.02%以上にする。V含有量が0.10%を超えると、耐溶接割れ性、靭性が劣化する。このため、V含有量は0.10%以下に限定した。なお、好ましくは0.025〜0.075%である。
Caは、介在物の形態制御を介して、熱間加工性の向上に寄与する元素である。このような効果を得るために、Ca含有量を0.0005%以上とする。また、Ca含有量が0.010%を超えると、Caが粗大介在物として存在しやすくなるため、耐食性の劣化、靭性の低下が著しくなる。このため、Ca含有量は0.0005〜0.010%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.0005〜0.0030%である。
Ti、Nb、Zrはいずれも、Vと同様に炭化物形成元素であり、必要に応じて1種または2種以上を選択して含有できる。Ti、Nb、Zrはいずれも、Crに比べて炭化物形成能が強く、溶接熱で固溶したCが、Cr炭化物として旧オーステナイト粒界に再析出するのを抑制し、溶接部の耐粒界応力腐食割れ性を向上させる効果を有する。また、Ti、Nb、Zrの炭化物は、溶接熱で高温に加熱されても溶解しにくく固溶Cの発生が抑制され、このことを介してCr炭化物の形成を抑制し、溶接部の耐粒界応力腐食割れ性を向上させるという効果もある。このような効果を得るためには、Ti含有量については0.03%以上、Nb含有量については0.03%以上、Zr含有量については0.03%以上にすることが好ましい。一方、Ti含有量が0.15%超の場合、Nb含有量が0.10%超の場合、Zr含有量が0.10%超の場合には、耐溶接割れ性、靭性が劣化する。このため、Ti:0.15%以下、Nb:0.10%以下、Zr:0.10%以下にそれぞれ限定することが好ましい。なお、より好ましくはTi含有量が0.03〜0.12%、Nb含有量が0.03〜0.08%、Zr含有量が0.03〜0.08%である。
Cu、Wはいずれも、CO2を含有する天然ガスを輸送するラインパイプ用鋼管に要求される特性である耐炭酸ガス腐食性を向上させる元素であり、必要に応じて1種または2種を選択して含有できる。
巻取り後、室温まで冷却した上記熱延鋼板を、550℃以上Ac1変態点+20℃未満の温度に再加熱した後冷却する焼鈍処理を施す。なお、Ac1変態点の測定は、熱延鋼板から採取した円柱状試験片を用いた熱膨張/収縮試験により行ない、昇温過程において試料の膨張の勾配が変化する温度をAc1点、すなわちオーステナイト相が生成し始める温度として定義した。
造管は、例えば、図1に示す溶接管製造設備1を用いて行うことができる。アンコイラー10で連続的に払出された熱延鋼板2を、エッジミラー11で板端部切削し、ブレイクダウンロール12、ケージロール13、フィンパスロール14に順次通して管状にロール成形し、略円筒状断面のオープン管3とする。オープン管3をスクイズロール16で加圧しながら、オープン管3の両端面同士を突合せ、シーム部を溶接手段であるレーザー発振器15より発生させたレーザービームによって貫通溶融させて溶接接合して管体4としたものをサイジングロール17で定径圧延して溶接管5とする。その後、溶接管を切断機18で所定長さに切断する。なお、本発明の溶接管の製造に用いる設備は、レーザービームによって溶接接合する、常用の溶接管の製造設備であればよい。
本発明では、溶接管(鋼管)に対して、1回の全管焼鈍処理(鋼管全体を焼鈍する処理)を施す。この溶接管の焼鈍処理の目的は、溶接管に残留する造管ひずみを除去し、かつ好適な分率の残留オーステナイトを確保すること、さらにはシーム溶接部の耐粒界応力腐食割れ性の改善にある。
本発明の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管は、母材部の残留オーステナイト相の体積分率が5%以上20%未満である。残留オーステナイト相の体積分率がこの範囲にあることで、耐SSC性が改善される。残留オーステナイト相以外のほとんどが、マルテンサイト相(焼戻しされたマルテンサイト相)であり、マルテンサイト相の体積分率は80%超である。なお、本発明の効果を害さない範囲で、残留オーステナイト相及びマルテンサイト相以外の相を含んでもよい。
10 アンコイラー
11 エッジミラー
12 ブレイクダウンロール
13 ケージロール
14 フィンパスロール
15 レーザー発振器
16 スクイズロール
17 サイジングロール
18 切断機
2 熱延鋼板
3 オープン管
4 管体
5 溶接管
Claims (4)
- 質量%で、C:0.0200%未満、N:0.0200%未満、Si:1.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.03%以下、S:0.010%以下、Al:0.10%以下、Cr:10〜14%、Ni:3〜8%、Mo:1〜4%、V:0.02〜0.10%、Ca:0.0005〜0.010%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
母材部の残留オーステナイト相の体積分率が5%以上20%未満であり、
管軸方向の引張試験により得られる降伏応力YSLと、管円周方向の引張試験により得られる降伏応力YSTがいずれも700MPa未満であり、YST/YSLが0.81以上1.00未満であることを特徴とする、耐硫化物応力腐食割れ性および耐粒界応力腐食割れ性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管。 - 前記成分組成は、さらに、質量%で、Ti:0.15%以下、Nb:0.10%以下、Zr:0.10%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする、請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼溶接管。
- 前記成分組成は、さらに、質量%で、Cu:4.0%以下、W:4.0%以下のうちから選ばれた1種または2種を含有する組成とすることを特徴とする、請求項1又は2に記載の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管の製造方法であって、
請求項1〜3のいずれかに記載の成分組成を有する低炭素マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板を、550℃以上、Ac1変態点+20℃未満の温度で1回焼鈍した後、管状に成形し、相対する両エッジ部を突き合わせてレーザービームで溶接し、又は高周波電流印加による加熱あるいは電気抵抗法による加熱後、両エッジ部を突き合わせてレーザービームで溶接して造管する低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管の製造方法であって、
前記造管後の鋼管を、550℃以上、Ac1変態点+50℃未満の温度で鋼管全体を焼鈍する1回の熱処理を施すことにより、母材部の残留オーステナイト相の体積分率を5%以上20%未満に調整することを特徴とする、耐硫化物応力腐食割れ性および耐粒界応力腐食割れ性に優れた低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼溶接管の製造方法。
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