JP3463617B2 - 熱間加工性に優れる継目無鋼管用オーステナイト系耐熱鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラ、原子力、
化学工業などの広い産業分野において高温耐熱部材、耐
圧部材として使用して好適な高温強度、高温耐食性およ
び溶接性に優れたオーステナイト系耐熱鋼、中でも継目
無鋼管の製造時、特に傾斜ロール式の穿孔圧延機による
製管時における熱間加工性に優れた継目無鋼管用オース
テナイト系耐熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラや化学プラントの高温環境下で使
用される装置用材料としては、ＳＵＳ３０４Ｈ、ＳＵＳ
３１６Ｈ、ＳＵＳ３２１ＨおよびＳＵＳ３４７Ｈなどの
１８−８系に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼
が使用されてきた。

【０００３】しかし、近年、このような高温環境下にお
ける装置の操業条件が著しく苛酷化し、それに伴って使
用材料に対する要求性能が厳しくなり、従来用いられて
きた１８−８系に代表されるオーステナイト系ステンレ
ス鋼では高温強度が不十分となってきている。

【０００４】高価な元素を多量添加することなく高温強
度を改善したオーステナイト系鋼としては、特開昭６２
−１３３０４８号公報（特公平８−３０２４７号公報）
や特開平８−１３１０２号公報に示されるように、Ｃ
ｕ、ＮｂおよびＮを複合添加したものがある。しかし、
このようなＣｕ、Ｎｂ、Ｎの複合添加鋼は、従来の１８
−８系に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼と比
較して熱間加工性が不十分で、その早急な改善が望まれ
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎを複合
添加したオーステナイト系耐熱鋼を素材するボイラチュ
ーブのような小径の継目無鋼管は、一般に、熱間製管法
により製造される。そして、その製管法は、ユジーンセ
ジュルネ方式に代表される熱間押出製管法と、傾斜ロー
ル式の穿孔圧延機を用いるマンネスマン−プラグミル方
式やマンネスマン−マンドレルミル方式に代表される熱
間圧延製管法の２通りに大別される。

【０００６】一般的に、熱間加工性の悪い材料は、熱間
圧延製管法による製管が難しいためにその継目無鋼管
は、従来、熱間押出製管法で製造される場合が多く、こ
の場合には１０００℃以上の高温度域における熱間加工
性に優れる材料であれば製管が可能である。

【０００７】一方、製管能率やコストの点からは、熱間
圧延製管法の方が圧倒的に有利であるが、上記従来のＣ
ｕ、Ｎｂ、Ｎを複合添加したオーステナイト系耐熱鋼を
熱間圧延製管法で製管する場合には、製管終了温度域が
熱間押出製管法に比べて低下する。したがって、安定し
て製造するためには、８００℃程度以上の広い温度域に
おいて優れた熱間加工性を確保する必要がある。

【０００８】本発明の目的は、熱間圧延製管法による製
管を容易に行うことが可能な熱間加工性に優れた継目無
鋼管用オーステナイト系耐熱鋼を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の熱
間加工性に優れた継目無鋼管用オーステナイト系耐熱鋼
にある。

【００１０】重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓ
ｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：
０．０３０％以下、Ｓ：０．００１０％以下、Ｃｒ：１
５．０〜２５．０％、Ｎｉ：６．０〜２５．０％、Ｃ
ｕ：２．０〜６．０％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、
Ｎ：０．０５０％を超え０．２５％以下、Ｂ：０．００
０５〜０．０１０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
Ｏ（酸素）：０．００５０％以下、ならびにＣａ：０．
００１０〜０．０１０％およびＭｇ：０．００１０〜
０．０１０％のうちのいずれか一方または両方を含有
し、さらに残部は実質的にＦｅからなり、かつＣａ、Ｍ
ｇ、Ｏ（酸素）およびＳの関係が下記の(1) 式を満たす
熱間加工性に優れた継目無鋼管用オーステナイト系耐熱
鋼。

【００１１】 ３．０≦｛（Ｃａ＋Ｍｇ）−０．１×Ｏ｝／Ｓ≦１５．０ ・・・ (1) ここで、式中の元素記号は鋼中に含まれるそれぞれの元
素の含有量（重量％）を意味する。

【００１２】上記の本発明鋼には、必要に応じて、重量
％で、Ｍｏ：０．３〜２．０％およびＷ：０．５〜４．
０％のうちのいずれか一方または両方を添加することが
できる。

【００１３】本発明者は、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎ複合添加のオ
ーステナイト系耐熱鋼の熱間加工性を向上させるため
に、鋭意実験研究を行った。その結果、下記の３条件を
満たせば、その熱間加工性が飛躍的に向上し、熱間圧延
製管法での製管が可能なことを知見して本発明を完成さ
せた。

【００１４】鋼中の不純物元素であるＳとＯ（酸素）の
含有量は、それぞれ０．００１０％以下、０．００５０
％以下とする必要がある。

【００１５】ＣａとＭｇのいずれか一方まはた両方を添
加すれば熱間加工性は向上するものの、これだけでは不
十分で、Ｂとの複合添加が必須である。

【００１６】鋼中のＣａ、Ｍｇ、ＯおよびＳの含有量
は、それぞれ上記の範囲内において上記の(1) 式を満た
す量を含有させる必要がある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の鋼の化学組成を上
記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、
以下において「％」は「重量％」を意味する。

【００１８】Ｃ：０．０３〜０．１５％ Ｃは、高温環境下で使用される際に必要となる引張強さ
およびクリープ破断強度を確保するために有効な元素で
ある。しかし、０．１５％を超えて含有させても溶体化
状態における未固溶炭化物量が増加するだけで、高温強
度の向上に寄与しなくなるばかりでなく、靭性などの機
械的性質が劣化する。したがって、Ｃ含有量の上限は
０．１５％とする。本発明では、後述するようにＮも含
有させるためにＣ含有量は低めであってもよいが、上記
の効果を発揮させるために下限は０．０３％とする。さ
らに十分な効果を発揮させるための下限は０．０５％で
ある。

【００１９】Ｓｉ：１．０％以下 Ｓｉは脱酸剤として添加され、また、耐酸化性の向上に
有効な元素であるが、その含有量が多くなると溶接性や
熱間加工性が劣化する。また、本発明ではＮも含有させ
るため、Ｓｉを多量に添加すると高温での使用中に析出
する窒化物量が増加し、靭性や延性の低下を招く。した
がって、本発明では、特に、熱間加工性を重視している
ため、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。熱間加工性お
よび靭性や延性をさらに重視する場合には０．５％以下
とするのが望ましく、より望ましくは０．３％以下とす
るのがよい。また、その他の元素で脱酸が十分に行われ
ている場合には実質的に０としてもよい。

【００２０】Ｍｎ：０．１０〜２．０％ Ｍｎは、上記のＳｉと同様に、脱酸作用を有するととも
に、本発明においてはＣｕによって粒界偏析が助長され
たＳを固着し、熱間加工性を改善する重要な元素であ
る。その効果を十分得るためには０．１０％以上の含有
量が必要である。しかし、その含有量が２．０％を超え
るとσ相などの金属間化合物の析出を招き、高温強度、
機械的性質が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．
１０〜２．０％とする。好ましい範囲は０．１５〜１．
０％、より好ましい範囲は０．１５〜０．５０％であ
る。

【００２１】Ｐ：０．０３０％以下 Ｐは、不可避不純物として鋼中に含まれるが、過剰に含
まれると熱間加工性が劣化する。そのため、できるだけ
低くするのがよいが、脱Ｐコストとの兼ね合いで０．０
３０％以下とする。

【００２２】Ｓ：０．００１０％以下 Ｓは、上記のＰと同様に、不可避不純物として鋼中に含
まれるが、熱間加工性を著しく劣化させる。そのため、
熱間加工性の観点からはできるだけ低くするのがよく、
特にマンネスマン−マンドレルミル方式などの熱間圧延
製管法で製管を行う場合には、０．００１０％以下に制
限することが必須となる。好ましくは０．０００６％以
下がよい。

【００２３】Ｃｒ：１５．０〜２５．０％ Ｃｒは、高温での耐酸化性や耐食性を向上させるために
必要な元素であり、含有量の増加に伴いこれらの性能は
向上する。しかし、その含有量が１５．０％未満では十
分な効果が得られず、一方、２５．０％を超えるとオー
ステナイト組織が不安定になる。したがって、Ｃｒ含有
量は１５．０〜２５．０％とした。好ましい範囲は１
６．０〜２３．０％、より好ましい範囲は１７．０〜２
０．０％である。

【００２４】Ｎｉ：６．０〜２５．０％ Ｎｉは、安定なオーステナイト組織を確保するための必
須成分であり、その最適含有量は鋼中に含まれるＣｒ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂなどのフェライト生成元素やＣ、Ｎなど
のオーステナイト生成元素の含有量によって定まる。し
かし、その含有量が６．０％未満ではオーステナイト組
織の安定化が困難であり、一方、２５．０％を超えて含
有させることは経済的に不利である。このため、Ｎｉ含
有量は６．０〜２５．０％とした。好ましい範囲は７．
０〜１５．０％、より好ましい範囲は７．５〜１３．０
％である。

【００２５】Ｃｕ：２．０〜６．０％ Ｃｕは、高温での使用中に微細なＣｕ相としてオーステ
ナイト母相に整合析出し、クリープ破断強度の向上に大
きく寄与するが、その効果を発揮させるには２．０％以
上含有させることが必要である。しかし、６．０％を超
えて含有させるとクリープ破断延性や加工性が劣化す
る。したがって、Ｃｕ含有量は２．０〜６．０％とし
た。好ましい範囲は２．５〜５．０％、より好ましい範
囲は２．５〜４．０％である。

【００２６】Ｎｂ：０．１０〜０．８０％ Ｎｂは、微細な炭窒化物の分散析出強化によりクリープ
破断強度を向上させる元素である。しかし、その含有量
が０．１０％未満では十分な効果が得られず、一方、
０．８０％を超えて含有させると溶接性や熱間加工性が
劣化するとともに、本発明鋼のようなＮ添加鋼では未固
溶の炭窒化物量が増加し、機械的性質も劣化する。この
ため、Ｎｂ含有量は０．１０〜０．８０％とした。特
に、熱間加工性を重視する場合の好ましい上限は０．６
０％である。

【００２７】Ａｌ：０．００１〜０．１０％ Ａｌは、脱酸剤として添加される元素であり、０．００
１％以上含有させる必要がある。しかし、０．１０％を
超えて含有させると、高温条件下で長時間使用する際、
σ相などの金属間化合物の析出が促進され、靭性が劣化
する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．１０
％とする。好ましい範囲は０．００１〜０．０６％、よ
り好ましい範囲は０．００１〜０．０３％である。な
お、本発明にいうＡｌとは、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａ
ｌ）のことである。

【００２８】Ｎ：０．０５０％を超え２５％以下 Ｎは、前述のＣと同様に、引張強さやクリープ破断強度
の向上に有効な元素であるが、その含有量が０．０５０
％以下では十分な効果を発揮させることはできない。一
方、ＮはＣに比較して固溶限が大きいので、比較的多量
に含有させても溶体化状態で十分固溶し、時効中に生じ
る窒化物析出に伴う靭性低下も比較的少ない。しかし、
０．２５％を超えて含有させると時効後靭性が低下する
とともに熱間加工性も劣化し、特に、マンネスマン−マ
ンドレルミル方式などの熱間圧延製管法での製管に供し
た場合には、変形抵抗が増加するという問題が生じる。
したがって、Ｎ含有量は０．０５０％を超え０．２５％
以下とした。好ましい範囲は０．０５０％超〜０．１５
％、より好ましい範囲は０．０５０％超〜０．１３％で
ある。

【００２９】Ｂ：０．０００５〜０．０１０％ Ｂは、炭窒化物の微細分散析出強化および粒界強化によ
りクリープ破断強度の向上に寄与する重要な元素であ
る。また、Ｂは高温延性を改善する効果があり、本発明
の目的であるマンネスマン−マンドレルミル方式などの
熱間圧延製管法による製管時の熱間加工性向上には欠か
すことのできない元素である。その効果を発揮させるた
めには、０．０００５％以上が必要である。しかし、
０．０１０％を超えて含有させると溶接性が劣化する。
したがって、Ｂ含有量は０．０００５％〜０．０１０％
とした。好ましい範囲は０．００１５〜０．００８％、
より好ましい範囲は０．００２０〜０．００６％であ
る。

【００３０】Ｃａ、Ｍｇ：ＣａおよびＭｇは、鋼中の固
溶Ｓを低減させて熱間加工性を向上させるのに有効な元
素である。ただし、本発明の目的であるマンネスマン−
マンドレルミル方式などの熱間圧延製管法による製管時
においてその効果を十分に発揮させるためには、Ｏ（酸
素）量を０．００５０％以下にしたうえで、いずれか一
方または両方を０．００１０％以上含有させる必要があ
る。しかし、いずれの元素も０．０１０％を超えて含有
させると、熱間加工性を向上させる効果が飽和するのに
加え、介在物の量が増加して、特に、溶接性が著しく劣
化する。したがって、ＣａとＭｇの含有量は、各々、
０．００１０〜０．０１０％とした。

【００３１】Ｏ（酸素）：０．００５０％以下 Ｏ（酸素）は、不可避不純物として鋼中に含まれるが、
本発明の目的であるマンネスマン製管時の熱間加工性向
上のためには、少なくとも０．００５０％以下に低減す
る必要があり、好ましくは０．００４０％以下にするの
がよい。

【００３２】なお、Ｃａ、Ｍｇ、ＯおよびＳとの間に
は、式「３．０≦｛(Ｃａ＋Ｍｇ)−０.１×Ｏ｝／Ｓ≦
１５．０」を満足させる必要がある。これは、式
「｛(Ｃａ＋Ｍｇ)−０.１×Ｏ｝／Ｓ」で求められる値
が３．０未満、または１５．０超であると、所望の熱間
加工性が確保されなくなるためである。このことは、後
述する実施例の結果から明らかである。

【００３３】Ｍｏ：０．３〜２．０％、Ｗ：０．５〜
４．０％ これらの元素は添加しなくてもよい。しかし、これらの
元素は、いずれも高温強度を改善する作用を有してお
り、その効果を得たい場合にはいずれか一方または両方
を添加することができる。その効果は、Ｍｏの場合は
０．３％以上、Ｗの場合は０．５％以上で顕著になる。
しかし、Ｍｏについては２．０％、Ｗについては４．０
％を超えて含有させるとその効果は飽和傾向を示すとと
もに、組織安定性、熱間加工性が劣化する。このため、
添加する場合のＭｏ含有量は０．３〜２．０％、Ｗ含有
量は０．５〜４．０％とするのがよい。

【００３４】上記の化学組成を有する本発明のオーステ
ナイト系耐熱鋼は、電気炉などの製鋼炉を用いて溶製
し、必要に応じてその溶湯をＡＯＤ炉やＶＯＤ炉などの
製錬炉を用いて製錬し、次いで造塊法や連続鋳造法など
で所定の大きさの鋳片とすることで容易に製造すること
ができる。また、その継目無鋼管は、前記の鋳片が製管
用の丸ビレットの場合はそのまま、ブルームなどの場合
は熱間圧延や熱間鍛造で製管用の丸ビレットとした後、
マンネスマン−プラグミル方式やマンネスマン−マンド
レルミル方式に代表される熱間圧延製管法に供して所定
寸法の継目無鋼管に成形した後、所定の固溶化熱処理を
施すことで製造でき、その際、熱間加工性が優れるの
で、何らの問題も生じない。

【００３５】

【実施例】表１〜表３に示す化学組成を有する４７種類
の供試鋼を５０ｋｇの真空誘導溶解炉を用いて溶製し、
外径１４４ｍｍのインゴットとした後、熱間鍛造で厚さ
４０ｍｍの板材とした。

【００３６】なお、表１〜表３中、鋼No. １〜２２は本
発明鋼、鋼No. Ａ１〜Ａ７、Ｂ１〜Ｂ７、Ｃ１〜Ｃ２、
Ｄ１〜Ｄ２、Ｅ１〜Ｅ２、Ｆ１、Ｇ１、Ｈ１、Ｉ１およ
びＪ１は比較鋼である。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】各供試鋼の熱間加工性は、上記の各板材か
ら外径１０ｍｍ、長さ１３０ｍｍのグリーブル試験片を
採取して下記条件のグリーブル試験に供し、試験後の絞
り値を調べることで評価した。

【００４１】グリーブル試験条件； 試験片の加熱：１２５０℃に３分間均熱保持、 引張試験温度：８００℃、 付与歪み速度：１／Ｓ（ここで、Ｓは秒である）、 試験方法 ：高速引張試験。

【００４２】なお、上記の試験条件は、マンネスマン−
マンドレルミル方式による製管時の加熱条件と加工条件
を模擬し、引張試験温度を７５０〜１２００℃の範囲で
実施した予備実験の結果、本発明鋼では８００℃近傍に
おいて絞り値が最も小さくなることが確認されたこと
と、製管終了温度域が８００℃程度まで低下することを
考慮して決定した条件である。

【００４３】上記の試験結果を、表１〜表３に併せて示
すとともに、５種類の同一成分系（No. １〜６とＡ１〜
Ａ７、No. ７〜１１とＢ１〜Ｂ６、No. １２〜１３とＣ
１〜Ｃ２、No. １４〜１５とＤ１〜Ｄ２およびNo. １６
〜１７とＥ１〜Ｅ２）の本発明例鋼と比較例鋼の結果
を、図１に対比して示した。また、その他の成分系毎の
本発明例鋼と比較例鋼の結果を、図２に対比して示し
た。

【００４４】表１〜表３、図１および図２に示す結果か
らわかるように、本発明例の鋼はNo. １９の鋼を除け
ば、いずれも絞り値が８０％以上であり、熱間加工性が
極めて良好であった。

【００４５】これに対し、比較例の鋼の絞り値は、最も
高いもので、鋼No. Ａ７、Ｄ２およびＪ１の７４％であ
り、熱間加工性が悪かった。

【００４６】なお、データは省略するが、本発明例の鋼
のクリープ強度、耐食性、耐酸化性、靭性および溶接性
は、前述の各公報に示される従来鋼と同等以上であっ
た。また、実機のマンネスマン−マンドレルミル方式に
よる製造実験の結果も極めて良好で、小径のボイラーチ
ューブを何らの問題もなく製造できた。

【００４７】

【発明の効果】本発明の継目無鋼管用オーステナイト系
耐熱鋼は、熱間圧延製管法での熱間加工性が極めて高
い。このため、小径のボイラーチューブであっても、傾
斜ロール式の穿孔圧延機を用いる熱間圧延製管法によっ
て高能率かつ高歩留まりに製造することが可能で、安価
な製品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の結果の一部を対比して示す図である。

【図２】実施例の結果の他の一部を対比して示す図であ
る。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓ
   ｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：
   ０．０３０％以下、Ｓ：０．００１０％以下、Ｃｒ：１
   ５．０〜２５．０％、Ｎｉ：６．０〜２５．０％、Ｃ
   ｕ：２．０〜６．０％、Ｎｂ：０．１０〜０．８０％、
   Ｎ：０．０５０％を超え０．２５％以下、Ｂ：０．００
   ０５〜０．０１０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
   Ｏ（酸素）：０．００５０％以下、ならびにＣａ：０．
   ００１０〜０．０１０％およびＭｇ：０．００１０〜
   ０．０１０％のうちのいずれか一方または両方を含有
   し、残部は実質的にＦｅからなり、かつＣａ、Ｍｇ、Ｏ
   （酸素）およびＳの関係が下記の(1) 式を満たすことを
   特徴とする熱間加工性に優れた継目無鋼管用オーステナ
   イト系耐熱鋼。 ３．０≦｛（Ｃａ＋Ｍｇ）−０．１×Ｏ｝／Ｓ≦１５．０ ・・・ (1) ここで、式中の元素記号は鋼中に含まれるそれぞれの元
   素の含有量（重量％）を意味する。
2. 【請求項２】さらに、重量％で、Ｍｏ：０．３〜２．０
   ％およびＷ：０．５〜４．０％のうちのいずれか一方ま
   たは両方を含有することを特徴とする請求項１に記載の
   熱間加工性に優れた継目無鋼管用オーステナイト系耐熱
   鋼。