JPH01287249A - オーステナイトステンレス鋼管およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオーステナイトステンレス鋼管およびその製造
法に係り、優れた耐水蒸気酸化性と高温強度とを兼備し
たオーステナイトステンレス鋼管およびその好ましい製
造法を提供しようとするものである。

Ｎｂを添加したＳＵＳ　３４７ステンレス鋼管は従来か
らその結晶粒度が微細な場合においてもかなりの高温強
度を有しているので耐水蒸気酸化性の優れた高温用鋼管
とされて来たが、ボイラなどの熱効率向上のため鋼管の
使用温度、圧力はそれぞれ上昇ないし増加傾向にあるの
でより高強度の材料が要求されている。然して前記５Ｕ
Ｓ３４７鋼においてはその結晶粒度をある程度粗大化す
ることにより相当の強度増加が期待できるが、この場合
においてはその粗粒化によって耐水蒸気酸化性が低下す
る。即ちこのようなステンレス鋼管においては高温強度
特性と耐水蒸気酸化性とを共に向上することができない
技術的関係にある。

本発明は上記したような実情番こ鑑み検討を重ねて創案
されたものであって、高温強度において向上せしめられ
、しかも耐高温水蒸気酸化性においても改善されだＮｂ
添加ステンレス網管及びその製造法を得ることに成功し
た。即ち本発明によるものは上記のような高温強度の向
上を図るために組成上特にＣ，Ｎｂ、Ｓ量の如きについ
て調整をなし、又斯かる組成をもった鋼管肉厚の大部分
（内面細粒層以外の部分）を比較的粗い結晶粒度に調整
し、しかも高温水蒸気に曝される内面側にその耐水蒸気
酸化性を良好に保つための細粒化層を特定された範囲内
に形成したものであって、内面細粒子ｉ添加ステンレス
鋼の如きとは異った総合的な高性能化を図ったものであ
る。

上記したような本発明について更に説明すると、先ずク
リープ破断強度の確保については、Ｎｂ添加オーステナ
イトステンレス鋼として一般に知られているＳＵＳ　３
４７ｆｉの粗粒化されたものと同等以上とすることを本
発明の目標とするものであって、より具体的には６５０
℃で１０万時間におけるクリープ破断強度を少なくとも
９ｋｇ／ｍｕ２以上とするものである。斯かる関係につ
いて第１図には１８％Ｃｒ−１２％Ｎｉ−０，０１％Ｓ
のヘースにおいてＣ量、Ｎｂ量とクリープ破断強度との
関係を示すが、結晶粒度番号は１１７０°Ｃ以上で溶体
化処理して陽４〜６に調整しており、前記クリープ破断
強度が９ｋｇ／ａｍ２以上となる範囲はノ＼・ノチング
の施された曲線の内側となる。又第２図には結晶粒度Ｎ
Ｑ４と陽８．５のものについて同しくクリープ破断強度
に及ぼすＳ量の影響を示すが、この第２図によれば細粒
となるに従ってＳによる悪影響が顕著に示されることは
明らかである。

更に第３図には前記したような鋼について、上部横軸に
示した溶体化温度に各１０分間保持し調整した場合の結
晶粒度の影響を前記破断強度について示したが、これら
第１〜第３図の結果から前記した９ｋｇ／ｉｎ２以上の
クリープ破断強度を得るためには粒度番号をＮｏ、６よ
り粗粒とし、又組成的にはＣを０．０５〜０．１％、Ｎ
ｂを０．１％以上、Ｓを０．０２％以下とすることが必
要条件であることが理解され、このことが鋼管肉厚の大
部分を占めるＳＵＳ　３４７ｗＡについて満すべき条件
であることを知った。

一方鋼管の内表面近傍については細粒にすることが必要
で、この細粒にするためには利用し得る析出物がＮｂ　
（Ｃ，Ｎ）であるため、これらのＮｂ。

Ｃ，Ｎの量も規制されてくる。然してこれらの中で、Ｎ
ｂ量、Ｃ量については通常鋼の溶解時に調整されて定ま
るものであるが、Ｎ量は溶解時に調整するだけでなしに
、本発明では固体状態でガス中より拡散侵入させるもの
とした。即ぢ既述した第３図のように高温強度上の制限
より溶体化処理温度は１１７０°Ｃ以上にすることが必
要であり、このような温度でも鋼管内表面近傍には結晶
粒の成長を抑制するに充分なＮｂ　（Ｃ，Ｎ）力ｑ斤出
していなければ上記溶体化処理後に該内表面近傍におい
て必要とされる細粒層が得られない。従って必要とされ
るＮｂ量やＣ量と共に上記のように侵入させるＮ量を決
定する必要がある。即ち第４図に前記したＳＵＳ　３４
７鋼における　（Ｃ＋Ｎ）量と１１７０°Ｃでの溶体化
処理後に得られる粒度の関係を示すが、本発明者等は上
記したような平均結晶粒度Ｍが７またはそれ以上の細粒
層が管内表面から５０Ｎ以上、好ましくは１００μ以上
で、３００μ以下程度存在すると耐高温水蒸気酸化性が
改善されることを実験的に確認しており、粒度番号がこ
の寛７又はそれ以」二とするためには上記のように必要
とされる細粒層の範囲において、その（Ｃ＋Ｎ）量が少
なくとも０．１５％を必要とすることを前記第４図から
読みとれる。本発明においては既述したごとく、Ｎｂの
炭窒化物によって高温強度確保のために必要となる高温
溶体化処理時の管内表面層において結晶粒の成長を防ぐ
ことにより該部分を細粒に維持するものである。従って
若しこれら析出物の形成に必要なＣ，Ｎ量に鋼の溶解状
態でそれらの量を調整したのでは溶体化処理後、管の全
肉厚に亘って−様な粒度の鋼管しか得られず、本発明の
目的を達し得ないことになる。そこで本発明では細粒層
を形成すべき管内表面の前記したような厚さ（深さ）範
囲内に鋼に対して侵入しゃずいＮを上記のように固体状
態において侵入させるものであり、結晶粒度を前記範囲
の細粒にするために必要なＮは粒度番号が漱７以上の細
粒状態で侵入させることが基本である。粗粒材に侵入し
たＮは粒内の析出物となるだけであって、その後に加工
工程（１１，７０℃未満）とそれに伴う再結晶工程がな
い限り細粒化作用はない。

平均結晶粒度来が７またはそれ以上の細粒層を管内表面
から５０Ｎ以上３００μ以下としたのは下記の理由によ
る。

鋼管の使用期間は通常１０〜３０万時間で、この間に粒
度陽７以上の場合、鋼管内面は水萎気により４０Ｎ程度
の酸化が進行すると考えられるので細粒層は最低５０μ
とする。

また細粒層の上限を３００μとしたのは、３００μを超
えてもそれに伴う酸化スケール厚の低減効果の増大は殆
どなく、更にクリープ破断強度に対して悪影響を与える
ので３００μを上限とする。

（Ｃ＋Ｎ）量は少なくとも０．１５％とする必要がある
が、（Ｃ＋Ｎ）量が大きくなると延性が低下するので上
限は０．５％が望ましい。

第５図にはベース成分を］　８Ｃｒ　−１２Ｎｉ　　０
．０１Ｎとし、これにＣ，Ｎｂを変化させて成る鋼管内
面に、１．０５０〜１．１００°ＣＴ：Ｎ２ガス又はＡ
ｒ　　Ｎ２混合ガス（Ｎ２：２０〜５０％）を１０〜２
０分間流入させつつ侵入窒素処理をなし、その後１１７
０°Ｃで溶体化処理を行った際に得られた管内表面近傍
の平均結晶粒度を示したが、この図によれば優れた耐高
温水蒸気酸化性を得るための結晶粒度肖を７またはそれ
以上とするためには、Ｃが０．０４％以上、Ｎｂが０．
４％以上とする必要があることを理解し得る。

上記したような第１図および第５図から高温強度を上記
した程度以上に保持し且つ耐高温水蒸気酸化性を適切に
得るためにはＮｂ添添加オーステビイ１ステンレス鋼の
Ｃ量は０．０５〜０．１０％でなければならず、Ｎｂの
下限は０．４％となる。またＮｂ量が１．１％を超える
と高温強度が劣化しはじめると共に溶接性も悪化するの
で、１．１％を上限とする。

Ｃｒは耐水萎気酸化性確保のため少なくとも１５％は必
要であるが、２６％を超えて含有させるとオーステナイ
トが不安定となるので１５〜２６％とする。又Ｎｉは１
０％未満ではオーステナイトが不安定となり、このＮｉ
量増大に従ってオーステナイトは安定となるが３５％を
超えて含有させてもその効果が飽和し価格的に不利とな
るだけであるがら１０〜３５％とする。

本発明のオーステナイトステンレス鋼の成分組成のうち
、Ｃ，Ｃｒ、、Ｎｉ、　Ｓ及びＮｂの含有範囲と数値限
定の理由について前述したが、他の成分については以下
に記載する。

Ｓｉ：脱酸および耐酸化性から添加されるが、１％を超
えるとシグマ相等の脆化相の析出を助長するため、その
含有量を１％以下にする。

Ｍｎ：脱酸、脱硫、オーステナイト相の安定に有効であ
るが、２％を超えるとその効果は顕著でないためその含
有量を２％以下にする。

Ｎ：細粒層の形成には有効であるが、過剰の添加は肉厚
中央部も細粒にしクリープ強度を損なうため、その含有
量を０゜０５％以下にする。

Ｐ：不純物とりて含有されるが、その量が多い場合、熱
間加工性、溶接性等を低下させるため、その含有量を０
．０４％以下にする。

更にＭｏ、　Ｗ、　Ｃｕ、■、Ａｆｆ、Ｔｉ及びＺｒに
ついては１種又は２種以上を添加する。

Ｍｏ、Ｗ：高温クリープ強度に有効な元素であるが、シ
グマ相の析出を促進するため、何れもその含有量を３％
以下にする。

Ｃｕ、■＝クリープ強度の向上に有効な元素であるが、
過剰の含有は熱間加工性を著しく低下させるためその含
有量を何れも３％以下にする。

Ａｌ：脱酸剤として有効であるが、フェライト相形成元
素であるため過剰添加はオーステナイト相の安定を損な
うため、その含有量を０．５％以下にする。

Ｔｉ、　Ｚｒ　：炭化物を形成しクリープ破断強度を高
めるが、過剰添加はＬａｖｅｓ相等の脆化相が析出する
ため、その含有量も何れも０．１５％以下にする。

第６図には鋼管内表面側に５０μおよび１００μの厚さ
をもった岬粒層を得るための代表的な処理条件を示した
。試験片は０．０６％Ｃ−０，０１％Ｎ　−０，７％Ｎ
ｂ−１７％Ｃｒ−１２％Ｎｉ−０，０１％Ｓの組成を有
し、結晶粒度陽が８．５のものであり、細粒層の深さは
侵窒素処理後、１１７０℃以上で溶体化処理（即ち侵窒
素部分以外の粗粒化処理）を行ったものについて測定し
た。侵窒素処理にはＮ２ガスを使用し、所定の侵窒素保
持温度までの冊 温度上昇時間は約２分であり、侵窒素ガス中のＮ２分が
減少すると処理時間はこの第６図に示すところより若干
長くなり、又該ガス中の酸素量が多い場合も同様に必要
時間が多少長くなる。

なおこの第６図に示した侵窒素処理時間について耐雷す
ると、該図に示されたように処理温度と時間の関係はＮ
２ガスおよび不純物０□の割合が、０□　：５％以下の
場合はＮ２：２５％以上のガスを使用した場合であり、
０□　：１％以下の場合はＮ、：５％以上のガス謡つい
て成立する。例えば０２が０．１％以下のような大幅な
酸素の低減およびＮＨ３分解ガスの混合などにより還元
性雰囲気にすることにより、この図の結果は図示上若干
左方に移動する。この効果は長時間処理が必要とされる
低温側においてより著しいことは言うまでもない。又９
００℃以下のような低温で侵窒素を行うと、表面近傍の
Ｎ　濃度は高くなるが、必要深さまでＮが拡散するのに
時間を必要とするので低温法窒素処理後に高温（１１７
０°Ｃ未満）で熱処理し拡散させることが好ましい。こ
の拡散時間は図示した高温での保持時間（例えば１１０
０℃であれば５分）だけ行えばよい。

処理前の結晶粒度番号は前述したように階７以上にする
必要があり、一方予め冷間加工されている場合又は１１
７０℃未満の温度で加工されている場合は、加工層が侵
窒素処理温度に達するまでに再結晶するため、細粒材、
粗粒材の別なく使用し傅る。この場合に必要とされる冷
間加工度は１０％以上であり、冷間加工度が１０％以下
では再結晶が生じないため、１０％以上の冷間加工度を
必要とする。また冷間加工度は冷間圧延等の場合は肉厚
減少率であり、ショット加工のような内面近傍のみに対
して冷間加工を加える場合においては微少硬度測定によ
り換算する。

冷間加工度の上限規定については、 （１）　　工業的に行いうる加工であれば特に限定する
必要はない。鋼管の加工（伸管、圧延）においては通常
は６０％程度が上限であるが、更に高い加工度も与え得
る。

（２）　　ショット加工、グラインダ加工等の表面近傍
に対する加工においては、表面は硬度から換算すると１
００％（外挿）を超える。但し、平均の加工度差は５０
％程度、またはそれ以下になる。

又その深さは５０１！以上あればよく、全肉厚でもよい
。侵窒素処理温度が１１７０　′ｃを超える場合は昇温
速度が問題となり、一応の目安は５００’Ｃ／ｍｉｎで
あって、それ以」二の速度で昇温する場合は細粒層は浅
くなり必要な細粒層厚５０μが得られない。又直接通電
加熱などの方法により１０００°Ｃ／ｍｉｎ以上の急速
加熱を行う場合の加熱温度は１１７０℃以下に制限され
ることば言うまでもない。

」二記したような侵窒素処理温度が１】７０°Ｃを超え
る場合の昇温速度制限、超急加熱の際の加熱温度制限は
処理管の平均結晶粒度がＮｏ、　７またはそれ以」−の
細粒である場合および加工を加える場合の何れの場合に
おいても遵守されねばならないところである。

前記第６図の結果は、結晶粒度番号が陽７以」ニの侵窒
素処理と溶体化処理によって得られたものであるが、本
発明によるものばこの場合に限られるものでなく、以下
のような工程によっても同様に粗粒−細粒の二相ＭＩ織
を有する鋼管として製造することができる。

１）［有］　１０％以上の加工（加工温度は１１７゜°
Ｃ以下）−〇　第６図に示したような侵窒素処理−■　
１１７０℃以上の溶体化処理（■　■は昇温速度を適当
に選ぶことにより同一過程で処理できる。即ち溶体化処
理温度まで昇温する過程で侵窒素処理することができる
） ２）前記した■　−・■　−■ ３）」二記１．）、２）の中の■　の処理過程を侵窒素
処理と拡散処理に分離したもの。

なお念のため耐雷すれば、３）の工程により処理する場
合において、拡散処理後に１１００　’ｃ以下で加工す
る過程が入るときには拡散処理はその温度に限定を設け
る必要ないが、拡散処理過程後にこのような加工過程が
入らぬ場合は拡散処理も結晶粒が粗大化しない温度域（
即ち１１７０　’ｃ未満）で行わねばならない。父上記
のような基本パターンの外に、上記１）〜３）の組合わ
せも可能である。例えば、１）においてその■　と■　
の間に再び■　過程を装入してもよい。

上記したような本発明の製造法を要約すると、以下が基
本的である ■　最終熱処理（溶体化処理）は１１７０°Ｃ以上であ
ること。

■　」二記溶体化処理の温度に材料が曝される以前の段
階で（溶体化処理温度に鋼管が昇温する途中であっても
よいし、全く別の工程であってもよいが）少なくとも鋼
管内表面から５０〜３００μの厚さ範囲の結晶粒度番号
がＮｏ、７又はそれ以上の細粒状態（又は該細粒状態を
呈するとき）でその細粒状態を溶体化処理温度において
も保持するのに充分なＮ（即ちＣ−１−Ｎ２０．１５％
）が前記厚さ範囲に侵入していること。

然して前記最終熱処理以前に冷間加工、熱処理、酸洗な
どの諸工程を自由に挿入してよく、又当然のことなから
最終熱処理後の再度の熱処理も溶体化処理温度を著しく
超えない限り、耐高温水蒸気酸化性および高温強度につ
いては問題がない。

なお侵窒素処理は管内にガスを封入することによっても
行い得られ、ガスの条件は単位面積当り常温常圧換算で
０．１　ｃｃ　／　ｃｎｔ以上のＮ、ガス（分解するガ
スは分解したものとして計算し、ＮＨ３であれば０，２
ｃｃＺｃＩｌ）、１ｃｃ以下の０２ガス（０２分で計算
）を含むガスが一応の目安となる。

本発明によるものの具体的な製造例およびその比較例と
それらの製造方法について、それらの組成および性能を
要約して示すと、次表の通りである。なお代表のものに
おいてＳは何れも０．０２％以下であり、又何れも酸洗
材である。

］　８ 以上説明したような本発明によるときはＮｂを添加した
ステンレス鋼管においてその高温強度をより向上せしめ
ると共にその耐高温水蒸気酸化性を適切に高く維持せし
めることができるものであって工業的にその効果の大き
い発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであって、第１図
は１８％Ｃｒ−１，２％Ｎｉ−０，０１％Ｎ−０，０１
％Ｓ鋼の６５０°Ｃ１１０万時間のクリープ破断強度に
及ぼすＣ，Ｎｂの１１７０℃以上の溶体化処理での影響
を示した図表、第２図は上記の鋼についてのクリープ破
断強度に及ぼすＳの影響について示した図表、第３図は
上記鋼のクリープ破断強度に対する粒度の影響の関係を
示した図表、第４図はＣ＋Ｎ量と１１７０℃結晶粒度の
関係を示した図表、第５図は上記鋼において１０５０　
’Ｃ１１０分の侵窒素処理後、１１７０°Ｃで溶体化処
理を行った後の鋼管内表面近傍の平均結晶粒度を示した
図表、第６図は５０μ以上の細粒層深さを得るために必
要とされる熱処理時間と温度との関係を示した図表であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ
   ≦２．０％、Ｃｒ：１５〜２６％、Ｎｉ：１０〜３５％
   、Ｓ≦０．０２％、Ｎ≦０．０５％、Ｐ≦０．０４％、
   Ｎｂ：０．４〜１．１％を含有し、更にＭｏ≦３．０％
   、Ｗ≦３．０％、Ｃｕ≦３．０％、Ｖ≦３．０％、Ａ１
   ≦０．５％、Ｔｉ≦０．１５％、Ｚｒ≦０．１５％の１
   種又は２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物か
   らなるオーステナイトステンレス鋼による鋼管の平均結
   晶粒度番号がＮｏ．６またはそれ以下の粗粒組織とその
   内面側における厚さが５０〜３００μで平均結晶粒度番
   号がＮｏ．７またはそれ以上の細粒層とを有し、該細粒
   層部のＣ＋Ｎが０．１５％以上であることを特徴とする
   オーステナイトステンレス鋼管。 ２、Ｃ：０．０５〜０．１０％、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ
   ≦２．０％、Ｃｒ：１５〜２６％、Ｎｉ：１０〜３５％
   、５≦０．０２％、Ｎ≦０．０５％、Ｐ≦０．０４％、
   Ｎｂ：０．４〜１．１％を含有し、更にＭｏ≦３．０％
   、Ｗ≦３．０％、Ｃｕ≦３．０％、Ｖ≦３．０％、Ａｌ
   ≦０．５％、Ｔｉ≦０．１５％、Ｚｒ≦０．１５％の１
   種又は２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物か
   らなるオーステナイトステンレス鋼による鋼管を１１７
   ０℃以上で粗粒組織を形成するように溶体化処理するに
   当って少なくとも該鋼管の内面側５０〜３００μの厚さ
   範囲内における平均結晶粒度番号がＮｏ．７またはそれ
   以上の細粒状態で前記厚さ範囲内のＣ＋Ｎが０．１５％
   以上となる如くＮを侵入させることにより前記溶体化処
   理時においても前記内面側５０〜３００μの厚さ範囲内
   における平均結晶粒度番号がＮｏ．７またはそれ以上の
   細粒状態を維持させることを特徴とするオーステナイト
   ステンレス鋼管の製造法。 ３、平均結晶粒度番号がＮｏ．７またはそれ以上の細粒
   オーステナイト鋼管にその結晶粒度を変化させるような
   加工を加えることなく、その平均結晶粒度番号がＮｏ．
   ７またはそれ以上の細粒状態を呈する条件下で前記鋼管
   の内面側５０〜３００μの範囲内におけるＣ＋Ｎが０．
   １５％以上となる如く侵窒素処理を行うことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載のオーステナイトステン
   レス鋼管の製造法。 ４、少なくとも内面側５０〜３００μの厚さ範囲内に対
   し１１７０℃以下の温度条件で１０％以上の加工を行う
   工程と、侵窒素処理工程とを有し、前記厚さ範囲の平均
   結晶粒度がＮｏ．７またはそれ以上の細粒状態のもとで
   Ｃ＋Ｎを０．１５％以上とする特許請求の範囲第２項に
   記載のオーステナイトステンレス鋼管の製造法。