JP2952929B2

JP2952929B2 - ２相ステンレス鋼およびその鋼材の製造方法

Info

Publication number: JP2952929B2
Application number: JP2491490A
Authority: JP
Inventors: 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH03229839A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、オーステナイト−フェライト系の２相ス
テンレス鋼であって、特に炭酸ガスや硫化水素に対して
優れた耐食性を有し、且つ高強度を備え、油井環境等で
使用するのに適した２相ステンレス鋼、およびその鋼を
素材とする鋼材の製造方法に関するものである。

（従来の技術）２相ステンレス鋼は、通常のオーステナイトステンレ
ス鋼やフェライトステンレス鋼に比べて溶体化のままで
も強度が高いという特徴があり、その優れた耐食性とあ
わせてラインパイプや油井管用としての用途が拡大しつ
つある。これらの２相ステンレス鋼材の通常の製造プレ
セスでは、熱間成形後、冷却の過程で生成した炭窒化
物、金属間化合物を溶体化する熱処理を行い、これらを
再固溶させることによって耐食性を確保している。高強
度が望まれる場合には、さらに冷間加工を行うのが普通
である。このように、通常の２相ステンレス鋼材の製造
方法では、溶体化熱処理や冷間加工の工程を必要とする
ため、その製造コストは著しく高い。

近年、溶体化熱処理を省略する製造方法として、高温
で十分析出物を固溶させた後に熱間成形を行い、直ちに
急冷するプロセス（直接溶体化）が提案されている。例
えば、特開昭59−182918号公報および特開昭60−89519
号公報には、高温で十分材料を加熱して、析出物を完全
に固溶させた後に熱間成形を行い、導入された熱間加工
歪が回復しないうちに急冷し、耐食性を低下させる炭窒
化物や金属間化合物を析出させない製造方法が提案され
ており、これらの方法によれば溶体化処理が省略できる
だけでなく、高い強度の鋼材が得られる。

（発明が解決しようとする課題）これまでに提案された前記の各製造方法では、熱間成
形後、800℃以上から急冷するプロセスが必須であり、
この方法を実施するためには、圧延ラインに近い場所に
水冷等の急冷設備が必要となる。従って、この技術は急
冷設備を備えた限られた特定のラインでしか実施できな
いという問題がある。

本発明の一つの目的は、鋼材製造後に別ラインでの特
別の溶体化熱処理を必要としないだけでなく、熱間加工
熱の急冷も必須とせずに、高強度と高耐食性を発現し得
る２相ステンレス鋼を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、上記の２相ステンレス鋼
を用いて、簡単なプロセスで高強度、高耐食性の鋼材を
製造する方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者は、熱間加工後、特に急冷を行わなくても、
例えば空冷程度の冷却速度でも良好な耐食性と強度を有
するに到る２相ステンレス鋼を、主にその化学組成の改
良によって得ようと志し、耐食性を低下させる炭窒化
物、σ相などの金属間化合物の析出に及ぼす２相ステン
レス鋼の添加元素の影響を詳細に調査した。その結果、
次のような結論が得られた。

Cr、Mo、Niの添加はσ相析出を著しく促進させるの
で、これらの含有量は必要最小限度の抑えるのが望まし
い。

ＣおよびＮの増加は炭窒化物の析出を促進させる。

炭酸ガスと微量硫化水素を含む環境での耐食性を保持
するためには、NiとMoは重要であり、あまり低減できな
い。

炭化物の析出は炭酸ガスと微量硫化水素を含む環境で
の耐食性を低下させるが、窒化物の析出はほとんど悪影
響を及ぼさない。

Ｎの添加は直接溶体化を行った後の強度を上昇させ
る。

以上の知見を総合してなされた本発明は、下記の２相
ステンレス鋼とこれを用いた鋼材の製造方法を要旨とす
る。

（ｉ）重量％で、C:0.03％以下、Si:2.0％以下、Mn:5.0
％以下、Cr:17.0〜20.0％未満、Ni:2.0〜7.0％、Mo:2.5
〜4.0％、Ａ:0.005〜0.05％、N:0.01〜0.2％を含み、
残部がFeおよび不可避不述物からなるオーステナイトと
フェライトの２相ステンレス鋼。

（ii）上記（１）に記載した成分に加えて、Ti、Nb、
Ｖ、CuおよびＷのうちの１種または２種以上の合計量で
3.0％以下、またはCa、MgおよびＢのうちの１種または
２種以上の合計量で0.001〜0.05％含有する２相ステン
レス鋼。

（iii）上記（１）に記載した成分に加えて、Ti、Nb、
Ｖ、CuおよびＷのうちの１種または２種以上の合計量で
3.0％以下、ならびにCa、MgおよびＢのうちの１種また
は２種以上の合計量で0.001〜0.05％含有する２相ステ
ンレス鋼。

（iv）上記（１）から（３）のいずれかの２相ステンレ
ス鋼を素材として、加熱温度1100℃以上、仕上がり温度
900〜1100℃の条件で熱間加工を行った後、放冷するこ
とを特徴とする高強度と高耐食性を備える２相ステンレ
ス鋼材の製造方法。

本発明の２相ステンレス鋼は、前記の各成分の総合的
な作用によって優れた特性を発現するのであるが、その
主要な特徴は下記のとおりである。

すなわち、σ相の析出を促進するCr、NiおよびMoのう
ち、微量硫化水素に対する耐食性を高めるNiとMoは通常
の２相ステンレス鋼と同等はまたはそれ以上添加し、Cr
はフェライト−オーステナイトの２相組織とするための
最小値の17％から20％未満の範囲とする。炭化物の析出
は耐食性を大きく低下させるので、空冷程度の直接溶体
化プロセスであっても炭化物を析出させないためにＣ量
を低く制限する。窒化物の析出は、前述のように耐食
性、特に、微量硫化水素に対する耐食性を低下させず、
直接溶体化した後の強度を大きく上昇させるので、Ｎを
特に低く抑えることはしない。

上記本発明の２相ステンレス鋼は、通常の熱間成形加
工、例えば、圧延、鍛造、押し出し、線引き等を行った
後に、水冷等に急冷プロセスを経ずに放冷するだけで必
要な強度と耐食性を備えるに到る。従って、この２相ス
テンレス鋼を素材として用いれば、オフラインでの溶体
化熱処理が不必要であるばかりでなく、熱間加工ライン
に急冷設備を付属させる必要もなく、経済的な方法で
板、棒、管その他の形状の鋼材を製造できる。

なお、この２相ステンレス鋼を素材とする鋼材の加工
方法としては、前記（iv）の方法が適当である。

（作用）まず、本発明の２相ステンレス鋼を構成する成分につ
いて説明する。なお、成分含有量に関する％は全て重量
％を意味する。

C: 第１図は、18％Cr−５％Ni−３％Mo−0.1％Ｎの基本
鋼において、Ｃ含有量を変えて腐食速度を調べた結果で
ある。

試験片は、溶製剤（厚さ60mm）を、加熱温度1200℃、
仕上温度1000℃で厚さ15mmまで熱間圧延し、空冷したも
のから切り出した第３図（ａ）に示す２×10×75（mm）
で中央に0.25mmRのノッチを有するものである。この試
験片１を、同図（ｂ）のように曲げ治具２によって同図
（Ｃ）に示す応力σが１σ_ｙ（σ_y:0.2％耐力）になる
ように曲げ応力を負荷した状態で、５％NaCl＋0.1atmH₂
S＋30atmCO₂の環境（120℃）に366時間浸漬して行っ
た。

第１図から、Ｃ含有量が少なくなるほど腐食速度が小
さくなることが明らかである。これは、Ｃが0.03％以下
というように低い場合は、熱間加工後に空冷程度の冷却
速度で冷却しても、耐食性を低下させる炭化物が析出し
ないからである。かかる理由から、本発明ではＣ含有量
を0.03％以下とした。

Si: Siはσ相の析出を促進し、靱性を低下させる。また、
耐食性の面からも好ましくない成分である。従って、本
発明では2.0％を許容上限値とした。さらに、Siは1.0％
以下に抑えるのが望ましい。

Mn: Mnはオーステナイトを安定化し、マルテンサイトの生
成を抑える。また、強度を高めるという利点もある。し
かし、Mnの含有量が5.0％を超えると熱間加工性が低下
するので、5.0％を含有量の上限とする。

Cr: σ相の析出にもっとも直接的に関係し、その含有量を
減らしていってσ相が析出しなくなるCr量は20.0％未満
である。

第２図は、0.01％Ｃ−５％Ni−３％Mo−0.15％Ｎを基
本組成としてCr含有量を変えた場合の、前記第１図と同
じ試験条件による腐食試験結果である。

第２図に示されるとおり、Crが20％未満になれば割れ
の発生がなく、腐食速度も急激に小さくなる。即ち、Cr
を低減しても炭酸ガスと微量硫化水素を含む環境での耐
食性は低下しないが、17.0％に満たないとマルテンサイ
トが生成して耐食性が低下する。従って、Cr含有量の範
囲は17.0％から20.0％未満とした。

Ni: 炭酸ガスと微量硫化水素を含む環境での耐食性を確保
するために重要な元素である。微量硫化水素に対する割
れ感受性を小さくするために、2.0％以上の含有量が必
要である。しかし7.0％を超えて含有させても耐食性の
改善効果は飽和し、σ相が析出しやすくなるから、Niの
適正含有量は2.0〜7.0％である。

Mo: Niと同様に炭酸ガスと微量硫化水素を含む環境での耐
食性の改善に大きく寄与する元素である。2.5％未満で
はその効果が期待できず、4.0％を超えるとσ相が析出
しやすくなり、直接溶体化プロセスに適さなくなる。

N: 直接溶体化プロセスで析出する窒化物は、炭酸ガスと
微量硫化水素を含む環境での耐食性を低下させない。従
って、従来の直接溶体化プロセスを適用する２相ステン
レス鋼のようにＮを極く低い含有量に抑える必要はな
い。むしろ、Ｎは直接溶体化後の強度を上昇させるとい
う効果が大きい。0.1％以下ではその効果がなく、0.2％
を超えると熱間加工性を低下させるので、Ｎの含有量は
0.01〜0.2％とした。

Ａ：脱酸のために添加されるもので、その効果を確かにす
るには、含有量として0.005％以上が必要である。しか
し、Ａの含有量が0.05％を超えるとＡＮが析出して
耐食性が低下する。

Ti、Nb、Ｖ、Cu、W: いずれも強度を高める効果があるので、１種または２
種以上、必要に応じて含有させることができる。１種の
場合はそれぞれの含有量が、また２種以上用いる場合は
合計含有量が3.0％を超えると熱間加工性が低下する。

Ca、Mg、B: 苛酷な加工が施される場合に熱間加工性を改善するた
めに添加してもよい。その目的のためには１種または２
種以上の合計で、0.001％以上含有させることが必要で
ある。また、１種または２種以上合計で0.05％を超える
と耐食性が低下する。

Ti、Nb、Ｖ、CuおよびＷのグループとCa、MgおよびＢ
のグループは、前記の範囲で両方を含有させてもよい。

なお、ＳとＰは、いずれも熱間加工性が低下させる好
ましくない不純物である。Ｓは0.002％以下に、Ｐは0.0
5％以下に、それぞれできるだけ少なくするのがよい。

次に、本発明の２相ステンレス鋼を使用して鋼材を製
造する望ましい方法について述べる。

この方法は、前記のとおり、加熱温度1100℃以上、仕
上がり温度900〜1100℃の条件で熱間加工を行い、加工
終了後は放冷することを特徴とするものである。

加熱温度：この加熱は、熱間加工を容易にするとともに、炭窒化
物およびσ相を完全に固溶させて、素材を均質化するた
めに行う。これらの目的を達成するには1100℃以上の加
熱温度が必要である。加熱温度の上限は1350℃程度とす
るのが望ましい。加熱時間は、素材のサイズと加熱温度
に依存するが、要するに素材の芯部まで完全に均質化す
るに足りる時間にすればよい。

仕上がり温度：この温度が低いほどが加工硬化しやすく、強度上昇が
大きいが、900℃よりも定温で加工すると炭化物とσ相
の析出が著しくなり耐食性が低下する。仕上がり温度が
1100℃を超えると再結晶回復により加工硬化しないので
強度上昇が得られない。

上記の条件で、圧延（マンネスマン穿孔圧延を含
む）、鍛造、押出し、引抜き等の加工を行った後、特別
な急冷をしなくてもよいことが本発明の２相ステンレス
鋼の大きな利点である。即ち、前述した合金成分の調整
によって、本発明の２相ステンレス鋼は、空冷程度の冷
却速度でも炭化物や金属間化合物が析出しにくい。従っ
て、熱間加工の後は、加工終了温度から大気中放冷（い
わゆる空冷）をすれば十分である。ただし、肉厚が50mm
を超えるような部材では、中心部の冷却速度が遅くな
り、十分な耐食性を有しなくなるおそれがあるから、水
冷のような強制冷却を行ってもよい。

（実施例）高周波誘導加熱真空溶解炉を用いて第１表に示す成分
の鋼を溶製して、それぞれ100kgの鋼塊とした。これら
の鋼塊を鍛造して分塊し、厚さ75mm×幅100mm×長さ200
mmのブロックを作製した。

次いで、第２表に示す加工条件で熱間圧延を行い、30
mm厚に仕上げた後、空冷直接溶体化または通常の再加熱
溶体化処理を行い、降伏強度と、微量硫化水素含有雰囲
気での応力腐食割れ性を調査した。

引張試験は直径4mm、平行部34mmの引張試験片を採取
して行った。腐食試験は、前記第１図および第２図の試
験の条件と同じであり、試験片は２個づつ作製した。腐
食試験の結果は366時間の浸漬試験、試料を取り出し、
肉眼による外観観察および試験片断面の光学顕微鏡観察
によって割れの有無および選択腐食の有無を調査して評
価した。

これらの試験結果を第２表に併せて示す。耐食性の評
価で○○は試験片２個ともに割れがなく、また選択腐食
もないもの、××は２個ともに割れまたは選択腐食が観
察されたことを示す。

第１表に鋼種Ａ、Ｂはそれぞれ通常よく用いられる22
％Cr、および25％Crの２相ステンレス鋼である。鋼種
Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦは本発明の18％Cr系の２相ステンレ
ス鋼である。

第２表に示す比較例１、２は、加工後に再加熱して溶
体化を行う従来のプロセスの例である。この方法で得ら
れた鋼材は、耐食性については問題ないが、強度が著し
く低くなっている。

比較例３、４は、圧延後に直接溶体化するプロセスで
あるが、その冷却を空冷として第１表の従来鋼Ａ、Ｂに
適用したものである。これらの鋼種はCr含有量が高いの
で、空冷途上にσ相が析出し、強度は高くなるものの耐
食性が甚だしく劣っている。

これらの比較例に対して、本発明例１〜６では、直接
溶体化の冷却を放冷で行ったにもかかわらず、優れた耐
食性が得られている。しかも、従来の再加熱溶体化材
（比較例１〜２）に比べて強度も高い。

（発明の効果）実施例に具体的に示したとおり、本発明の２相ステン
レス鋼は、熱間加工後に放冷するという簡単なプロセス
で処理しても高強度と高耐食性を備えた鋼材になる。従
って、本発明の２相ステンレス鋼を用いれば、急冷装置
のような特別の設備を要さず、低い製造コストで厳しい
環境で使用できる鋼材を製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】第１図は、２相ステンレス鋼の微量硫化水素含有雰囲気
での腐食速度と、Ｃ含有量との関係を示す図、第２図は、同じくCr含有量との関係を示す図、第３図（ａ）は、腐食試験に使用した試験片の形状を示
す図、第３図（ｂ）および（ｃ）は、試験片の応力を負
荷する方法を説明する図、である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 302 C22C 38/44 C21D 8/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、C:0.03％以下、Si:2.0％以下、
Mn:5.0％以下、Cr:17.0〜20.0％未満、Ni:2.0〜7.0％、
Mo:2.5〜4.0％、Ａ:0.005〜0.05％、N:0.01〜0.2％を
含み、残部がFeおよび不可避不純物からなるオーステナ
イトとフェライトの２相ステンレス鋼。
【請求項２】請求項（１）に記載した成分に加えて、T
i、Nb、Ｖ、CuおよびＷのうちの１種または２種以上の
合計量で3.0％以下含有する２相ステンレス鋼。
【請求項３】請求項（１）に記載した成分に加えて、C
a、MgおよびＢのうちの１種または２種以上の合計量で
0.001〜0.05％含有する２相ステンレス鋼。
【請求項４】請求項（１）に記載した成分に加えて、T
i、Nb、Ｖ、CuおよびＷのうちの１種または２種以上の
合計量で3.0％以下、さらにCa、MgおよびＢのうちの１
種または２種以上の合計量で0.001〜0.05％含有する２
相ステンレス鋼。
【請求項５】請求項（１）から（４）までのいずれかに
記載した２相ステンレス鋼を、加熱温度1100℃以上、仕
上がり温度900〜1100℃の条件で熱間加工し、この加工
の終了後、放冷することを特徴とする高強度と優れた耐
食性を備える２相ステンレス鋼材の製造方法。