JPH0841599A - 溶接部の耐食性が優れたマルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents
溶接部の耐食性が優れたマルテンサイト系ステンレス鋼Info
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- JPH0841599A JPH0841599A JP19475594A JP19475594A JPH0841599A JP H0841599 A JPH0841599 A JP H0841599A JP 19475594 A JP19475594 A JP 19475594A JP 19475594 A JP19475594 A JP 19475594A JP H0841599 A JPH0841599 A JP H0841599A
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Abstract
度上昇を抑制して、優れた強度、靭性および耐応力腐食
割れ性を付与する。 【構成】 C:0.009%以下、Si:1.0%以
下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:
0.005%以下、Cr:9.0〜15.0%、Mo:
1.5〜7.0%、Ni:4.0〜8.0%、Al:
0.001〜0.1%、N:0.1%以下を含有し、か
つ、 Cr(%)+Mo(%)≧11.0(%) 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1
Mo(%)≧−10.5(%) を同時に満たし、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる鋼。
Description
れたマルテンサイト系ステンレス鋼に関し、主として油
田、ガス田から採取した原油あるいは天然ガスの輸送に
使用されるラインパイプ用のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼に関するもので、特に炭酸ガス、硫化水素、塩素イ
オンなどの腐食性不純物を含む原油あるいは天然ガスの
ラインパイプとしての使用に適したマルテンサイト系ス
テンレス鋼に関する。
の高騰や近い将来に予想される石油資源の枯渇化を目前
にして、従来は顧みられなかったような深層油田や、一
旦は開発が放棄されていたサワーガス田などが世界的規
模で盛んに行われている。このような油井、ガス井は、
一般に深度が極めて深く、また炭酸ガス、硫化水素、塩
素イオンを含む原油あるいは天然ガスが増加しており、
それにつれて原油あるいは天然ガス輸送用のラインパイ
プに対しても、高強度でしかも耐食性と耐応力腐食割れ
性を兼ね備えた材質が要求される。
合金鋼を使用するのが一般的であったが、使用する環境
が苛酷になるにつれて、合金元素を増加させた鋼が使用
されるようになってきている。例えば、炭酸ガスを多く
含有する環境では、Crの添加が耐食性を著しく向上さ
せるので、油井用鋼管として広く使用されているCrを
13%添加したSUS 420マルテンサイト系ステン
レス鋼をラインパイプ用に使用した例もあるが、SUS
420マルテンサイト系ステンレス鋼は、周溶接によ
って溶接部が著しく硬化するため、溶接後の熱処理が必
要となり、コストの上昇が著しく、かつ耐硫化物応力腐
食割れ性が芳しくなく、その使用が制限されているのが
実情である。このような炭酸ガスと硫化水素を同時に含
む環境下においては、現状ではさらに合金元素を高めた
二相ステンレス鋼やスーパー二相ステンレス鋼を用いざ
るを得ないが、合金元素の添加が多くなるのでコストの
上昇が著しい。
割れ性を兼ね備えた材質としては、C:0.02%以
下、Si:0.50%以下、Mn:0.50〜1.50
%、S:0.005%以下、Cr:12〜15%、N
i:3.5〜6%、Mo:0.5〜3%を含有し、残部
がFeおよび不可避的不純物からなるマルテンサイト系
ステンレス鋼(特開昭60−174859号公報)、
C:0.05%以下、Si:1.0%以下、Mn:0.
1〜3.0%、P:0.04%以下、S:0.005%
以下、Cr:15〜19%、Ni:3.5〜8.0%、
Al:0.001〜0.1%、N:0.1%以下、M
o:0.1〜4.0%、残部はFeおよび不可避的不純
物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼(特開平2−
243739号公報)、C:0.05%以下、Si:
1.0%以下、Mn:0.5〜3.0%、P:0.04
%以下、S:0.005%以下、Cr:9.0〜15
%、Mo:0.1〜7.0%、Ni:2〜8%、Al:
0.001〜0.1%、N:0.1%以下、さらに、T
i:0.5%以下、Nb:0.5%以下、V:0.5%
以下およびZr:0.5%以下のうちの1種または2種
以上、残部はFeおよび不可避的不純物よりなり、か
つ、 30Cr(%)+36Mo(%)+14Si(%)−2
8Ni(%)≦455(%) 21Cr(%)+25Mo(%)+17Si(%)+3
5Ni(%)≦731(%) である鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼
(特開平2−243740号公報)、C:0.05%以
下、Si:1.0%以下、Mn:0.5%未満、P:
0.04%以下、S:0.002%以下、Cr:8〜1
5%、Mo:1.5〜7%、Ni:2〜8%、Al:
0.001〜0.1%、N:0.1%以下、かつ、Cr
+Mo≧11.0(%)、 30Cr(%)+36Mo(%)+14Si(%)−2
8Ni(%)≦455(%) 21Cr(%)+25Mo(%)+17Si(%)+3
5Ni(%)≦731(%) を同時に満足し、残部はFeおよび不可避的不純物から
なる鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼(特
開平3−120337号公報)、C:0.05%超0.
2%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、P:0.
04%以下、S:0.01%以下、Cr:8%以上17
%以下、Ni:2.5超8%以下、Al:0.001%
以上0.1%以下、N:0.1%以下、ただし、 30Cr(%)+14Si(%)−28Ni(%)−7
90[C(%)+N(%)]≦455(%) 21Cr(%)+17Si(%)+35Ni(%)+9
10[C(%)+N(%)]≦731(%) 残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼組成を有する
マルテンサイト系ステンレス鋼(特開平4−12024
9号公報)等多くの提案が行われている。
4859号公報に開示のマルテンサイト系ステンレス鋼
は、炭酸ガスのみを含む環境下では確かにCr、Moの
添加によって耐食性が若干向上するが、炭酸ガス、硫化
水素および塩素イオンなど腐食性不純物を多量に含有す
る極めて腐食性の高い環境では、十分な腐食性を有して
いないか、また、特にラインパイプに使用しようとする
と、溶接部の硬度上昇が著しく十分な耐食性を有するこ
とはできない。また、特開平2−243739号公報、
特開平2−243740号公報、特開平3−12033
7号公報および特開平4−120249号公報に開示の
マルテンサイト系ステンレス鋼は、炭酸ガス、硫化水素
および塩素イオンなど腐食性不純物を多量に含有する極
めて腐食性の高い環境での腐食性を改善でき、熱処理と
しては800〜1000℃程度の焼入れままでも良好な
耐食性を有するとなっている。しかしながら、これらの
マルテンサイト系ステンレス鋼は、油井管用途として使
用するならば何ら問題ないが、ラインパイプ用途として
使用するには、周溶接が不可欠であり、溶接部近傍が1
000〜1400℃の高温となるため、著しく硬度が上
昇し、応力腐食割れが発生してしまい、そのままではラ
インパイプには使用できないという問題点を有してい
る。
施工を実施して使用する部材において、溶接部の硬度上
昇を抑制して、優れた強度、靭性および硫化水素、炭酸
ガス、塩素イオンを含有する腐食環境下での耐応力腐食
割れ性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を提供す
ることにある。
を達成すべく炭酸ガス、硫化水素および塩素イオンを含
む環境下での耐応力腐食割れ性を中心とする耐食性に及
ぼす合金元素の影響を調べるべく、各種の実験、検討を
重ねた結果、Niを適正量添加した鋼では、上記環境下
での耐食性が、(Cr+Mo)%量で整理でき、炭化物
や窒化物になっていない有効Cr、Mo量を増加するた
めには、CおよびNの上限を規定すればよいこと、溶接
部の硬度上昇を防止するには、Cの絶対量を著しく低下
させることが絶対に不可欠であること、さらに工業的に
安定した強度を得るためには、C、N量にみあうTi、
Nb、Zrの添加が有効であること、溶接熱影響部の硬
度上昇を抑えるためには、Ti、Nb、Zrの添加が有
効であるとの知見を得た。さらに研究を重ねた結果、C
量を従来レベルより極めて著しく低減させ、そのうえで
Ti、Nb、Zr等の炭窒化物安定元素を微量添加する
ことによって、溶接熱影響のような高温(1000〜1
400℃)からの焼入れでさえも強度が安定化でき、今
まで常識であったマルテンサイトの焼入れ、焼戻し処理
を経ずして焼入れのままでも、適切な強度、靭性、耐食
性が得られることを究明し、この発明に到達した。
下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:
0.04%以下、S:0.005%以下、Cr:9.0
〜15.0%、Mo:1.5〜7.0%、Ni:4.0
〜8.0%、Al:0.001〜0.1%、N:0.1
%以下を含有し、かつ、 Cr(%)+Mo(%)≧11.0(%) 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1
Mo(%)≧−10.5(%) を同時に満たし、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる鋼組成を有することを特徴とする溶接部の耐食性が
優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である。
下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:
0.04%以下、S:0.005%以下、Cr:9.0
〜15.0%、Mo:1.5〜7.0%、Ni:4.0
〜8.0%、Al:0.001〜0.1%、N:0.1
%以下、さらに、Ti:0.2%以下、Nb:0.2%
以下、Zr:0.2%以下のうちの1種または2種以上
を含有し、かつ、 Cr(%)+Mo(%)≧11.0(%) 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1
Mo(%)≧−10.5(%) C(%)−12{Ti(%)/48+Zr(%)/91
+Nb(%)/93−N(%)/14}≦0(%) を同時に満たし、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる鋼組成を有することを特徴とするラインパイプ用マ
ルテンサイト系ステンレス鋼である。
従来マルテンサイト系ステンレス鋼の常識である焼入
れ、焼戻し処理をせず、圧延ままあるいは焼入れままで
も強度バラツキが小さく、強度、靭性、耐食性に優れて
いる。また、この発明のマルテンサイト系ステンレス鋼
は、焼入れ時の強度バラツキが小さいことから、焼戻し
処理後の強度コントロールも容易である。さらに、この
発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、極低Cとする
ことによって溶接のような高い熱影響を受けても硬度上
昇がなく、適切な強度、靭性、耐食性を得ることができ
る。
レス鋼は、従来マルテンサイト系ステンレス鋼の常識で
ある焼入れ、焼戻し処理をせず、圧延ままあるいは焼入
れままでも強度バラツキが小さく、強度、靭性、耐食性
に優れている。また、この発明のマルテンサイト系ステ
ンレス鋼は、焼入れ時の強度バラツキが小さいことか
ら、焼戻し処理後の強度コントロールも容易である。さ
らに、この発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、極
低Cとすることによって溶接のような高い熱影響を受け
ても硬度上昇がなく、さらに、Ti、Nb、Zrの添加
によって低温熱影響部でも硬度上昇が抑制され、より適
切な強度、靭性、耐食性を得ることができる。
した理由を詳述する。Cはこの発明の重要な元素であっ
て、図1に示すとおり、0.009%を超えるとライン
パイプとして使用する際必須となる溶接施工時にその熱
影響部が著しく硬くなり、靭性、耐食性を劣化させるた
め、0.009%以下とした。Siは通常の製鋼過程で
脱酸剤として必要であるが、1.0%を超えると靭性が
低下するので、1.0%以下とした。Mnは強度を上昇
させる元素であるが、靭性を低下させる作用を有するの
で、靭性向上のためには少ない方が望ましく、強度と靭
性とを共に適切なレベルに保持させるため、1.0%以
下とした。Pは低ければ低いほど靭性が向上するが、
0.04%を超えると著しく靭性が低下するため、0.
04%以下とした。Sは熱間加工性の観点からすれば少
なければ少ないほど好ましいが、脱硫コストとの兼ね合
いから、0.005%以下とした。
0%以上の添加が必要であるが、15%を超えるとMo
との相乗効果によってフェライトが生成し易くなり、強
度が低下するため、9.0〜15%とした。Moは硫化
水素に対する耐食性向上に著しい効果を有するが、1.
5%未満では十分な効果が得られず、7%を超えるとC
rとの相乗効果によってフェライトが生成し易くなり、
強度が低下するため、1.5〜7.0%とした。特にM
oは溶接熱影響部の耐食性の改善効果が著しく、2.0
%以上の添加が好ましい。Niは必要な強度、耐食性、
熱間加工性を得るために添加するが、4.0%未満では
Cr、Moとのバランス上その効果が十分でないばかり
か逆に低下し、8.0%を超えるとその効果が飽和する
ばかりでなく、コスト上昇を招くため、4.0〜8.0
%とした。Alは通常の製鋼過程で脱酸剤として必要で
あるが、0.001%未満ではその効果が得られず、
0.1%を超えると鋼中介在物が多くなり、耐食性を劣
化させるので、0.001〜0.1%とした。Nは0.
1%を超えると強度が上昇し過ぎて硫化物応力腐食割れ
感受性が高くなり、耐食性の面からも少ない方が好まし
く、望ましくは0.02%以下である。
元素であって、高温の熱間加工時や溶体化時にCやNと
化合物を生成し、鋼中のフリーなC、N量をコントロー
ルする作用があり、溶接施工時の熱影響を受けても硬度
上昇を抑制することができるが、CとNとの兼ね合いで
0.2%を超えるとその効果が飽和するばかりでなく、
逆にNi等の元素と化合物を生成して硬くなるので、
0.2%以下とした。Cr(%)+Mo(%)が11.
0%未満では耐応力腐食割れ性が十分ではなく、11.
0%以上必要で、好ましくは14.0%以上で多ければ
多いほど耐応力腐食割れ性が向上するが、添加し過ぎる
とフェライトが生成し易くなり、強度が低下するばかり
でなく、コスト上昇を招くため、22.0%を超えるこ
とはない。
式(1)、式(2)を満足しなければならない。 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1Mo(%)≧−1 0.5(%)………………式(1) C(%)−12{Ti(%)/48+Zr(%)/91+Nb(%)/9 3−N(%)/14}≦0(%)…… 式(2) この発明の対象鋼を容易に熱間成形するためには、高温
でオーステナイト単相であることが望ましく、通常の加
熱温度である900〜1250℃でオーステナイト単相
となり、冷却すればマルテンサイト鋼に変態することが
必要である。高温でδフェライトが生成せずにオーステ
ナイト単相状態で熱間成形するためには、上記式(1)
を満足する必要がある。また、この発明の対象鋼種は、
ラインパイプ用等溶接施工が必要であるので優れた強
度、靭性、耐食性を確保するうえで、溶接部の安定した
硬度が必要であり、溶接部の熱影響部は極低Cとするこ
とにより達成し、さらに、熱間加工時および溶体化時に
フリーなCを安定化させる元素として、Ti、Nb、Z
rを添加することにより安定した硬度を達成するために
は、上記式(2)を満足することが必須である。
ぞれ熱間圧延して板厚8mmの板材とした。次いで所定
の温度で熱処理を行ったのち、各板材にV開先加工を施
し、全層TIG溶接を実施し、溶接部の降伏強度、微小
硬度、靭性、硫化物応力腐食割れ性について試験を行っ
た。引張試験は、厚さ4mm、平行部の長さ34mmの
引張試験片を板材から切出し、JIS Z2241金属
材料引張試験方法の規定に準じて降伏強度を測定した。
微小硬度試験は、JIS B7734の微小硬さ試験機
を用い、図2に示すとおり、試験片1の肉厚方向の中央
部を、JIS Z2244ビッカース硬さ試験方法の規
定に準じ、試験荷重9.807Nでビッカース硬さを
0.5mmピッチで測定し、その最大値で評価した。な
お、2は溶接部、3は測定点を示す。靭性は、寸法が1
0mm×5mm×55mmである2mmVノッチのシャ
ルピー試験片を切出し、JIS B7722に規定のシ
ャルピー衝撃試験機を用い、JIS Z2242金属材
料衝撃試験方法に準じて測定したシャルピー衝撃値で評
価した。硫化物応力腐食割れ性は、図3に示すとおり、
厚さT=2mm、幅W=10mm、長さL=75mmの
4点曲げ試験片11を2個作製し、次いで図4(a)に
示すように試験片11を曲げ治具12の上面の二支点
(間隔60mm)と曲げ機構13の下面二支点(間隔1
0mm)によって、σ=Ety{2/3L1 2+L1L2+
1/4L2 2}-1によって表される応力が1σy(σy:
0.2%耐力)になるように曲げ応力を付した状態で行
った。なお、式中のEはヤング率を示す。この時の試験
片11の曲げ形状は、図3(b)に示すとおりであっ
た。試験環境は、5%NaCl+0.01atmH2S
+30atmCO2、25℃とし、試験片を366時間
浸漬したのち取出し、肉眼による外観観察および光学顕
微鏡観察によって割れの有無を調査した。これらの試験
結果は、表2にまとめて示す。なお、表2中の硫化物応
力腐食割れ欄において「○○」とあるのは2個共に割れ
なし、「××」とあるのは2個共に割れ発生を示す。
組成範囲以外の鋼No.13〜18の比較鋼において
は、いずれも硫化水素0.01atmの環境下において
も応力腐食割れを生じている。比較鋼の鋼No.13、
14、15は、Mo含有量が未添加もしくは不足してお
り、応力腐食割れを生じている。また、比較鋼の鋼N
o.17、18は、従来低Cと呼ばれていたレベルであ
るが、溶接熱影響による硬度上昇を考えるとまだまだC
含有率が高く、応力腐食割れが発生している。比較鋼の
鋼No.16は、Ti、Nb、Zrの添加量が多すぎる
ため、Ni等との化合物が生成して硬化し、応力腐食割
れが発生している。これに対しこの発明鋼の鋼No.1
〜12は、いずれも溶接部の硬度上昇が抑制され、耐応
力腐食割れ性が改善されて応力腐食割れが発生しておら
ず、しかも、強度、靭性に優れている。
サイト系ステンレス鋼は、ラインパイプ等として使用す
る際に必須となる溶接部の熱影響による硬度上昇を防止
でき、硫化水素、炭酸ガス、塩素イオンを含有する苛酷
な環境下においても満足できる耐食性を具備し、かつ、
強度、靭性共に優れており、溶接をして使用するマルテ
ンサイト系ステンレス鋼部材として十分に使用できる。
変化させた場合の溶接部の最大硬度と応力腐食割れの発
生状況を示すグラフである。
明図である。
視図である。
もので、(a)図は試験片を曲げ治具にセットした状態
図、(b)図は応力付加状態の試験片の説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 C:0.009%以下、Si:1.0%
以下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:
0.005%以下、Cr:9.0〜15.0%、Mo:
1.5〜7.0%、Ni:4.0〜8.0%、Al:
0.001〜0.1%、N:0.1%以下を含有し、か
つ、 Cr(%)+Mo(%)≧11.0(%) 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1
Mo(%)≧−10.5(%) を同時に満たし、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる鋼組成を有することを特徴とする溶接部の耐食性が
優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。 - 【請求項2】 C:0.009%以下、Si:1.0%
以下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:
0.005%以下、Cr:9.0〜15.0%、Mo:
1.5〜7.0%、Ni:4.0〜8.0%、Al:
0.001〜0.1%、N:0.1%以下、さらに、T
i:0.2%以下、Nb:0.2%以下、Zr:0.2
%以下のうちの1種または2種以上を含有し、かつ、 Cr(%)+Mo(%)≧11.0(%) 30C(%)+Ni(%)−1.1Cr(%)−1.1
Mo(%)≧−10.5(%) C(%)−12{Ti(%)/48+Zr(%)/91
+Nb(%)/93−N(%)/14}≦0(%) を同時に満たし、残部がFeおよび不可避的不純物から
なる鋼組成を有することを特徴とする溶接部の耐食性が
優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
Priority Applications (1)
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JP19475594A JP3156170B2 (ja) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | ラインパイプ用マルテンサイト系ステンレス鋼 |
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JP3156170B2 JP3156170B2 (ja) | 2001-04-16 |
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ID=16329701
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JP19475594A Expired - Lifetime JP3156170B2 (ja) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | ラインパイプ用マルテンサイト系ステンレス鋼 |
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