JPH0144768B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼管、特
に中炭素あるいは高炭素マルテンサイト系ステン
レス鋼管の熱間加工後の遅れ破壊、焼割れ等の低
温割れを防止する方法に関するものである。

従来、マルテンサイト系ステンレス鋼、例えば
マルテンサイト系のクロムステンレス鋼は、マル
テンサイト変態による自硬性を呈する故に、それ
を利用する目的で広く利用されてきている。また
最近では、その耐炭酸ガス腐食性能が注目され
て、特に中炭素の13Crステンレス鋼などは油井
管等、資源、エネルギー関連分野においても幅広
く使用されるようになつて来た。

しかしながら、このマルテンサイト系ステンレ
ス鋼は焼入性が大きいため、高温における熱間加
工後の放冷状態で十分に焼きの入つた組織、つま
りマルテンサイト組織となり、常温まで完全に冷
却した場合には、特にMs点が300℃以下のもので
は、焼割れが起るおそれがある。また、その冷却
後、次工程に移るまでの間に、置かれた環境によ
つては遅れ破壊を生じることもある。そしてこの
ような低温割れは、熱間加工の後工程における処
理を不能にしたり、あるいは手入れに多大の工数
を必要とするため、マルテンサイト系ステンレス
鋼製品製造の上で極めて大きな問題となつてい
る。

従来、このようなマルテンサイト系ステンレス
鋼管の低温割れを防止するために、高温における
熱間加工の後、マルテンサイト変態を起さないよ
うに処理したり、あるいは多量にパーライト変態
を生じさせる処理をするなどして、冷却後の硬度
を下げるようにする手段が講じられてきた。

例えば、その方法の１つは、高温に加熱して加
工したマルテンサイト系ステンレス鋼管をAr₁点
からMs点の間においてほぼ50℃／ｈ以下の極め
てゆつくりした冷却速度で徐冷することにより、
パーライト変態を起させて硬度を下げるというも
のである。しかしながら、この処理方法は徐冷時
間が極めて長いために置場の占有時間や工程期間
が長くなり、短時間大量生産には極めて不向きで
あつた。

他方、マルテンサイト系ステンレス鋼管の熱間
加工後の冷却過程及びそれに続く過程での低温割
れ防止法として、恒温変態を利用して軟化させる
方法がある。即ち、高温加熱して加工したマルテ
ンサイト系ステンレス鋼管を、その高温状態から
パーライト変態温度域、望ましくは恒温変態曲線
（以下T.T.T.曲線という）のノーズ部近傍の温度
まで降温させ、該温度に長時間保持して恒温パー
ライト変態を生じさせる方法である。

しかしながらこの方法も、高温状態のものを適
正温度まで直接冷却すること、つまり高温域冷却
途中の特定温度を最適温度として、冷却中の対象
物の温度をこの温度に収束せしめて恒温変態を行
なわしめることは、温度コントロールに高度の技
術を要するのみならず、実際には、特に中、高炭
素マルテンサイト系クロムステンレス鋼管におい
ては、T.T.T.曲線のノーズ部近傍の温度域に保
持しても、変態の終了までには少なくとも2.5〜
３時間以上を必要とし、軟化のためには長時間を
要して、短時間大量生産には不適当であると結論
せざるを得ないものであつた。

本発明者らは、上述の如き状況に鑑み、迅速に
して安定的、かつ確実に、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼管の熱間加工後の低温割れを防止し、マ
ルテンサイト系ステンレス鋼管製品を歩留り良く
量産し得る方法を見出すべく検討を行なつた。そ
の結果マルテンサイト系ステンレス鋼管は、熱間
加工後の高温状態にあるオーステナイトを過冷し
て、一旦Ms点＋150℃以下の低温度まで冷却して
所定時間保持した後に、パーライト変態温度域ま
で再昇温して保持した場合、過冷、低温域での保
持、その後の昇温中に発生、生長したカーバイド
を核として、通常の恒温変態処理よりも速やか
に、即ち高温状態から直接にパーライト変態温度
域まで降温させて該温度に保持してパーライト変
態を生じさせる方法よりも速やかにパーライト変
態が開始、終了し、また一部形成されたマルテン
サイトが焼戻されて、軟化が迅速に終了し、さら
にこのような過冷、保持、再昇温によつてある程
度のパーライト変態を生じさせれば、未変態オー
ステナイトは低炭素化し、Ms点が上がり、その
後の常温までの冷却過程で生成するマルテンサイ
トは、セルフテンパーされて軟化するために低温
割れの発生が抑えられるという知見を得るに至つ
たのである。

従つて、本発明はこのような知見に基づいてな
されたもので、熱間加工後のマルテンサイト系ス
テンレス鋼管を、その高温状態から、パーライト
変態を起こさせない20℃／min以上の冷却速度
で、上限がMs点＋150℃、下限がMf点か100℃か
のいずれか高い方の温度である温度域の温度Ｔま
で冷却した後、その温度に次式によつて規定され
る時間ｔ（分）： (i) Ｔ＞Msのとき ｔ≧１／10（Ｔ−Ms） (ii) Ｔ≦Msのとき ｔ＞０ （但し、ｔ：分、Ｔ：℃、Ms：℃） 保持し、次いで該ステンレス鋼管をAc₁点と
600℃との間の温度まで再昇温せしめてその温度
に少なくとも１分間以上保持し、変態生成したマ
ルテンサイトの焼き戻しおよび／または未変態オ
ーステナイトのパーライト化を行い、続いて該オ
ーステナイト鋼管を常温まで冷却することによ
り、低炭素化した未変態オーステナイトから変態
生成するMs点の高いマルテンサイトをセルフテ
ンパーせしめて軟化することにより、熱間加工後
のマルテンサイト系ステンレス鋼管を短時間に冷
却軟化して、低温での遅れ割れや、焼割れ等の低
温割れを防止することに特徴を有するものであ
る。

即ち、本発明の方法においては、まず迅速にマ
ルテンサイト系ステンレス鋼管製品を大量生産す
るために、熱間加工後の高温状態から、連続冷却
変態曲線におけるパーライト変態のノーズ部にか
からない冷却速度で冷却する工程を有するもの
で、かかる冷却の途中にマルテンサイト変態が起
つても良いことは勿論である。この冷却速度は一
般には20℃／min以上である。たとえマルテンサ
イト変態が生じても、Mf点かあるいは100℃のい
ずれか高い方の温度までで冷却をストツプし再昇
温させれば、高温状態のマルテンサイトは塑性変
形能を有するため焼割れを生じず、また再昇温し
てAc₁点と600℃との間の温度に少なくとも１分
間保持することにより、変態生成したマルテンサ
イトは焼戻し処理を受けることになり軟化する。

一方、冷却過程でマルテンサイト変態せずに残
つた部分、即ち未変態オーステナイト中には、冷
却、低温温度域での保持、再昇温中に発生、生長
したカーバイドを核として、Ac₁点と600℃との
間の温度に保持されることによりパーライト変態
が速やかに起る。なお、パーライト変態を完了さ
せることは必須の条件ではないが、ある程度のパ
ーライト変態を起して未変態オーステナイトを低
炭素化することは必要である。何故なら、次の常
温まで冷却する過程で、パーライト変態しないで
残つた未変態のオーステナイトはマルテンサイト
化するが、このマルテンサイト変態の開始点、即
ちMs点を十分に高温側に上げ、かくして十分高
温側で生成したマルテンサイトがさらに冷却され
る過程でセルフテンパーによつて軟化し得るよう
にするためには、低炭素化が必要であるからであ
る。

このように、本発明の方法における再昇温は、
600℃以上、好ましくはT.T.T.曲線のノーズ部近
傍の温度まで行なうのが良い。そしてこの場合、
ステンレス鋼管は、一旦冷却されているため、こ
れを再昇温してT.T.T.曲線のノーズ部近傍の温
度に保持することは極めて容易なことである。ま
た、Ms点＋150℃以下の温度まで冷却して所定時
間保持したのちの再昇温によつてパーライト変態
が大いに促進されるため、再昇温設定温度で少な
くとも１分間、好ましくは５分以上保持すれば十
分であつて、この処理によつて、熱間加工後の高
温状態からの冷却途中に生成したマルテンサイト
の焼戻しがなされ、または未変態オーステナイト
のパーライト化がなされ、あるいはこの両者が同
時に進行して軟化がすすむ。一方、残留せる未変
態オーステナイトは低炭素化される。従つて、再
昇温、保持後の常温までの冷却過程で変態するマ
ルテンサイトは、低炭素であるゆえに焼入れまま
の硬度が低く、加えてMs点が高いために変態後
の冷却過程でセルフテンパーされて十分軟化する
ものである。

さてここで、Ms点＋150℃以下の低温の温度で
のステンレス鋼管の保持は、かかる温度域での冷
却曲線の傾斜が緩やかであるため極めて容易であ
ることは明らかであり、温度Ｔまで冷却した後、
その温度に次式によつて規定される時間ｔ（分）： (i) Ｔ＞Msのとき ｔ≧１／10（Ｔ−Ms） (ii) Ｔ≦Msのとき ｔ＞０ （但し、ｔ：分、Ｔ：℃、Ms：℃） 保持することは次の再昇温後の保持によるパー
ライト変態の核となるカーバイドの発生・生長に
対して有効な処理であつて、この保持を行なうこ
とによつて次の再昇温設定温度での保持により、
パーライト変態が大いに促進されるものである。

かくして、上述の如く処理されたマルテンサイ
ト系ステンレス鋼管は、焼割れを生じることがな
く、またその後常温にもちきたらされて更に厳し
い環境に放置されても、十分に軟化しているがゆ
えに遅れ割れを生じることもない。

ところで、高温状態のマルテンサイト系ステン
レス鋼の鋼片をマルテンサイト変態割れを防止し
つつ常温まで冷却する方法が特公昭55−51497号
に開示されているが、この方法はマルテンサイト
変態割れの防止のみを目的としたものであり、ま
た特にマルテンサイト変態を全く発生させること
なく、完全にパーライト変態を起させてから冷却
するものであつて、前記した通常の恒温パーライ
ト変態を利用した方法における欠点の１つである
温度コントロールの制御に対しては効果を有する
が、短時間大量生産という目的に対しては効果が
十分ではない。すなわち、「高温状態の鋼片をマ
ルテンサイト変態割れ限界温度以上まで一旦冷却
してある程度パーライト変態を起させてから、こ
の鋼片をパーライト変態点からAc₁温度以下まで
の間の温度まで昇温し、この温度において鋼片を
少なくとも30分以上保持する。このように鋼片を
昇温処理すると、」（前記公報p.4、l.37〜l.43）「鋼
片の組織は完全にパーライトになる」（前記公報
p.5、l.1〜l.2）とあるように、また「鋼片を高温
状態から一旦冷却して一部でパーライト変態を起
させてから、再昇温して恒温変態させて完全にパ
ーライト変態を起させ」（前記公報p.5、l25〜
l.28）るために長時間を要することになる。すな
わち、鋼片を高温状態からの冷却途中で一部パー
ライト変態を起させるためにはゆつくりとした冷
却速度をとる必要があり、また再昇温後少なくと
も30分以上の保持を行なうために、迅速処理とい
う点で問題があるからである。

一方、本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼
管の熱間加工後の冷却過程での焼割れは勿論のこ
と、それに続く過程での遅れ破壊をも含めた、低
温割れを防止する処理であつて、迅速処理が可能
である。これは１つには熱間加工後の高温状態か
らパーライト変態を起させることなく、すなわち
一般には20℃／min以上の速い冷却速度で急速に
冷却させることができるからであり、加えてマル
テンサイトの焼戻しと、パーライト化による低炭
素の未変態オーステナイトから変態するMs点の
高い低炭素マルテンサイトのセルフテンパーを利
用した軟化処理であるために、完全にパーライト
化する必要がないからである。

Ms点＋150℃以下の低温域での温度Ｔ（℃）に
おける保持時間ｔ（分）は、Ｔ＝Ms＋150（℃）の
場合ですらｔ＝１／10（Ｔ−Ms）＝15（分）で十分で あり、又再昇温後の保持時間は少なくとも１分
間、好ましくは５分以上で十分であるため、極め
て短時間に大きく軟化させることができるので、
短時間大量生産に対して大きな効果を有する。

次に本発明の方法においてステンレス鋼管を高
温状態から急冷する温度域の限定理由及びその過
冷低温温度域及び再昇温温度での保持時間の限定
理由を再度まとめて説明する。

先ず、急冷の目標温度域の上限をMs点＋150℃
の温度としたのは、この温度を上まわると、パー
ライト変態の核発生に有効なそこでの保持時間が
極めて長くなり、また次の昇温保持におけるパー
ライト変態時間が長くなつて迅速な処理が出来な
くなるからであり、一方、下限をMf点か100℃か
のいずれか高い方の温度としたのは、この温度よ
り低くなると生成するマルテンサイトの塑性変形
能が著しく低下して焼割れを生ずるおそれがある
ためである。また、温度Ｔまで冷却した後、その
温度に次式によつて規定される時間ｔ（分）： (i) Ｔ＞Msのとき ｔ≧１／10（Ｔ−Ms） (ii) Ｔ≦Msのとき ｔ＞０ （但し、ｔ：分、Ｔ：℃、Ms：℃） 保持するのは、次の再昇温での保持によつてパ
ーライト変態が促進されるためである。一方、再
昇温温度域での保持時間を１分間以上と限定した
のは、その時間が１分間未満では未変態オーステ
ナイトを低炭素化するためのパーライト生成が所
望の効果を奏するほどの量に達せず、また生成さ
れたマルテンサイトの焼戻しによる軟化が十分に
行なわれないためである。

ついで本発明を実施例と比較例とによつて説明
する。

実施例 １ 0.24％Ｃ−0.42％Si−0.58％Mn−13.23％Cr
（“％”は重量％、以下同じ）のマルテンサイト系
ステンレス鋼の鋼片を1180℃に加熱して101.6mm
（直径）×20mm（肉厚）の鋼管に圧延し、圧延終了
後約950℃から330℃まで30℃／minの冷却速度で
冷却した。この温度に20分保持した後に、再加熱
炉に装入して700℃に昇温し、この温度で30分保
持してから抽出空冷した。常温まで冷却後、屋外
に10日間放置し、超音波探傷したが割れはなかつ
た。硬度はH_RC＝26.8であつた。因みにこのステ
ンレス鋼のMs点は約270℃、Mf点は約70℃であ
つた。

実施例 ２ 実施例１と同一組成で同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後、約950℃
から280℃まで30℃／minの冷却速度で冷却し、
この温度に５分保持してから再加熱炉に装入して
700℃に昇温し、その温度で15分間保持してから
抽出空冷した。

常温まで冷却後、水中に10日間放置し、超音波
探傷したが割れはなかつた。硬度はH_RC＝24.8で
あつた。

実施例 ３ 実施例１と同一組成で同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後、約950℃
から225℃まで30℃／minの冷却速度で冷却し、
この温度に１分間保持してから再加熱炉に装入し
て700℃に昇温し、この温度で５分間保持してか
ら抽出空冷した。常温まで冷却後10日間放置し、
超音波探傷したが割れはなかつた。硬度はH_RC＝
25.2であつた。

比較例 １ 実施例１と同一組成で同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後950℃から
30℃／minの冷却速度で450℃まで冷却して20分
保持し、その後再加熱炉に装入して700℃に昇温
し、この温度で30分保持してから抽出空冷した。
常温まで冷却後10日間屋外に放置し、次の熱処理
工程に移る前に超音波探傷したところ、割れが発
見された。そこで硬度を測定したところH_RC＝
50.4であつた。これは過冷温度域における450℃
という冷却温度が高く、従つて700℃で30分間の
恒温変態では十分にパーライト変態が起らず、マ
ルテンサイト変態による割れか、遅れ割れが発生
したものと考えられる。

比較例 ２ 実施例１と同一組成、同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後、約950℃
から水冷して常温まで冷却し、５時間水中に放置
した。その後再加熱炉に装入して700℃に昇温し、
この温度で30分間保持してから抽出空冷した。常
温まで冷却後硬度を測定したところH_RC＝26.2で
あつたが、超音波探傷で割れが発見された。組織
は焼戻しマルテンサイトであつたため、水冷時の
マルテンサイト変態による割れか、遅れ割れが生
じたものと考えられる。

比較例 ３ 実施例１と同一組成、同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を圧延後約900℃から炉に
装入し45℃／hrの冷却速度で制御冷却して、ほぼ
20時間かけて常温まで冷却後10日間放置した。こ
れを超音波探傷したが割れはなかつた。硬度は
H_RC＝20.8であり、十分にパーライト変態してい
た。

実施例 ４ 0.41％Ｃ−0.28％Si−0.25％Mn−14.22％Crの
マルテンサイト系ステンレス鋼の鋼片を1200℃に
加熱して60mm直径×6.0mm肉厚の鋼管に圧延し、
圧延終了後、約950℃から220℃まで大気中放冷
（冷却速度40℃／min）して10分間保持した後、
再加熱炉に装入し、720℃に昇温して、その温度
に30分間保持してから抽出し、空冷した。冷却
後、５日間水中に放置してから超音波探傷したが
割れはなかつた。また、この場合の硬度はH_RC＝
22.9であり、組織はパーライトであつた。ちなみ
にこのステンレス鋼のMs点は約160℃、Mf点は
常温以下であつた。

実施例 ５ 実施例４と同一組成、同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後、約900℃
から150℃まで大気中放冷（冷却速度40℃／min）
し、１分間保持してから再加熱炉に装入し710℃
に昇温後その温度に15分間保持してから抽出し空
冷した。冷却後直ちに超音波探傷したが、割れは
なかつた。なおこの場合の硬度はH_RC＝23.8であ
り、組織は焼戻しマルテンサイトとパーライトの
混合組織であつた。

比較例 ４ 実施例４と同一組成、同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を、圧延終了後、約920℃
から330℃まで大気中放冷（冷却速度40℃／min）
し、その後20分間保持してから700℃に昇温し45
分保持してから抽出し空冷した。冷却後５日間水
中に放置してから超音波探傷したところ割れが発
見された。硬度はH_RC＝49.7であつた。これは過
冷温度域における330℃という冷却温度が高く、
従つて700℃で45分の恒温変態では十分にパーラ
イト変態が起らず、そのためマルテンサイト変態
による割れか遅れ割れが発生したものと考えられ
る。

比較例 ５ 実施例４と同一組成、同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を圧延終了後、約930℃か
ら400℃まで大気中放冷し（冷却速度：40℃／
min）、その後10分間保持してから675℃に昇温
し、60分間保持してから空冷した。常温まで冷却
後、直ちに超音波探傷したところ割れはなかつ
た。一方、その後、６日間水中に放置してから超
音波探傷したところ割れが発見された。硬度は
H_RＣ＝40.6であり、又組織はマルテンサイトと
パーライトの混合組織であるため、この割れはパ
ーライト変態の進行が十分でなかつたことによる
遅れ割れと考えられる。

比較例 ６ 実施例４と同一組成・同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管について、比較例５と同一
条件で400℃まで大気中放冷し、10分間保持した
ものを、再加熱炉に装入し、675℃に昇温後その
温度に８時間保持してから抽出空冷し、常温まで
冷却して６日間放置した。これを超音波探傷した
が割れはなかつた。硬度はH_RＣ＝21.9であり十
分にパーライト変態していた。

比較例 ７ 実施例４と同一組成・同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を圧延終了後約920℃から
400℃まで４℃／minの冷却速度で冷却し、15分
間保持してから740℃に昇温し、その温度で10分
保持して抽出空冷した。常温まで冷却後、水中に
７日間放置し超音波探傷したところ割れが発見さ
れた。硬度を測定したところH_RＣ＝42.6であり、
又組織はマルテンサイトとパーライトの混合組織
であつた。これはパーライト変態が十分に起こら
ず、マルテンサイト変態による割れか、遅れ割れ
と考えられる。

比較例 ８ 実施例４と同一組成・同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を圧延終了後、約940℃か
ら常温まで６℃／minの冷却速度で冷却し、７日
間放置して超音波探傷したところ割れが発見され
た。硬度はH_RＣ＝43.2で組織はマルテンサイト
とパーライトの混合組織であつた。これもパーラ
イト変態が十分に起らず、マルテンサイト変態に
よる割れか、遅れ割れと考えれる。

比較例 ９ 実施例４と同一組成・同一サイズのマルテンサ
イト系ステンレス鋼管について、比較例７と同一
条件で400℃まで冷却し15分間保持したものを更
に710℃に昇温し、3.5時間保持してから抽出空冷
した。常温まで冷却後、水中に８日間放置し、超
音波探傷したが割れはなかつた。硬度はH_RＣ＝
21.4であり十分にパーライト変態していた。

以上の実施例及び比較例からも本発明方法によ
つてマルテンサイト系ステンレス鋼の熱間加工後
の低温割れが、迅速にして確実に防止できること
が判る。

上述の如く、本発明によれば、簡単な操作によ
つてマルテンサイト系ステンレス鋼の熱間加工後
の低温割れを防止でき、歩留り良く、安定確実
に、且つ迅速にマルテンサイト系ステンレス鋼製
品の大量生産が行なえ、工業上有用な効果がもた
らされるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間加工後のマルテンサイト系ステンレス鋼
   管を、その高温状態から、パーライト変態を起こ
   させない20℃／min以上の冷却速度で、上限が
   Ms点＋150℃、下限がMf点か100℃かのいずれか
   高い方の温度である温度域の温度Ｔまで冷却した
   後、その温度に次式によつて規定される時間ｔ
   （分）： (i) Ｔ＞Msのとき ｔ≧１／10（Ｔ−Ms） (ii) Ｔ≦Msのとき ｔ＞０ （但し、ｔ：分、Ｔ：℃、Ms：℃） 保持し、次いで該ステンレス鋼管をAc₁点と
   600℃との間の温度まで再昇温せしめてその温度
   に少なくとも１分間以上保持し、変態生成したマ
   ルテンサイトの焼き戻しおよび／または未変態オ
   ーステナイトのパーライト化を行い、続いて該オ
   ーステナイト鋼管を常温まで冷却することを特徴
   とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の熱間加
   工後の低温割れ防止法。