JPH034619B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、とくに高温高圧純水環境下での耐
応力腐食割れ性に優れたフエライト系ステンレス
鋼に関する。 原子力工業や化学工業等の分野において高温純
水を使用環境とする機器は様々であるが、かかる
機器には、オーステナイト系ステンレス鋼の使用
が最も一般的である。 しかし、オーステナイト系ステンレス鋼はCl^-
イオンを含む環境では粒内型の応力腐食割れ
（IGSCC）を生じる危険が高く、このためとくに
高温水中に微量のCl^-イオンが含まれるような場
合には、Niの増量等高合金化対策が必要とされ
る。また機器の種類によつては、熱効率等の関係
でその材料に高い熱伝導度が要求されることがあ
るが、上記オーステナイト系ステンレス鋼はこの
熱伝導度の低い材料である。 こうしたことから近時、微量Cl^-イオンを含む
高温水環境に対しフエライト系ステンレス鋼を代
替使用した事例も割合見受けられるようになつ
た。フエライト系ステンレス鋼は一般に、塩化物
応力腐食割れに対し感受性がなく、熱伝導度もオ
ーステナイト系ステンレス鋼に較べ約50％方すぐ
れるというのがその理由である。ところがこのフ
エライト系ステンレス鋼も、実際には組立時の溶
接の如き熱処理や溶接後の低温熱処理（SR処理）
を受けて鋭敏化し、粒界からの応力腐食割れ
（SCC）を発生する恐れが多分にある。またCr16
％以上のいわゆる高Crフエライト系ステンレス
鋼では、フエライト系ステンレス鋼特有の475℃
脆性を生じ、したがつて使用温度に制限がありこ
れが大きな不利となる。 本発明は、475℃脆性を示さず、溶接時更には
溶接後の低温熱処理や高温水中（200〜300℃程
度）での長期に亘る継続使用による鋭敏化処理を
受けてもSCCに対し感受性を生じないフエライト
系ステンレス鋼を提供しようとするものである。 フエライト系ステンレス鋼において、Ｃ＋Ｎ量
を0.01％以下にすると、耐SCC性が向上すること
は一般によく知られたことであるが、鋼中Ｃ＋Ｎ
量を0.01％以下の低レベルに下げることは、製鋼
コストの著しい上昇をもたらし、不利である。こ
のようなことから通常、良好な耐SCC性が要求さ
れる場合には、Ｃ＋Ｎ量を極端に下げる代りに、
それらＣ、Ｎの安定化元素を添加する措置がとら
れる。 さて、この安定化元素としてTiを採用したフ
エライト系ステンレス鋼に、13％Cr−Ti系があ
る。これは、塩化物SCCに対し強く、低Crであ
るため475℃脆性を生じることがなく、更に熱伝
導度がオーステナイト系ステンレス鋼よりすぐれ
るという長所をもつている。ところがこの13％
Cr−Ti系に関する本発明者らの詳細な実験の結
果、 Ti％／（Ｃ％＋Ｎ％）≧15 ……(A) 上記の範囲のTi添加で、溶接時の粒界SCCに
対する鋭敏化は避けられるものの、その後500℃
×2h程度のSR処理を行なうと、IGSCCを発生す
ることが明らかとなつた。このIGSCC発生のメ
カニズムとしては次のとおりである。まずTiは、
溶接後優先的にＮを固定し、Ｃの方を効果的には
固定せず、このため未固定の自由Ｃが溶接後の低
温熱処理でCr炭化物を形成して粒界に析出する
こととなり、IGSCCに対する感受性を示すに至
るものである。 本発明者らは、フエライト系ステンレス鋼の
SCCを完全に防ぎきるには上記溶接後の低温熱処
理過程でのCr炭化物の析出を抑える必要がある
との考えから、その方法について、更に実験、検
討を行い、その結果、上記溶接後の過程で未固定
Ｃの固定にはNbが最適であり、上記(A)に基くTi
と同時にNbを、Nb％／Ｃ％≧８の範囲で添加す
ることにより、溶接→低温熱処理後のSCC発生を
防ぎ得ることを見い出したものである。 すなわち本発明の要旨とするところは、C0.015
％以下、Si1.0％以下、Mn1.0％以下、Cr11〜16
％未満、N0.015％以下と、TiとNbを、 15（Ｃ％＋Ｎ％）≦Ti≦0.8％ ……（） ８×Ｃ％≦Nb≦1.0％ ……（） 上記の範囲で含有し、残りはFeおよび不可避
的不純物からなる耐応力腐食割れ性に優れたフエ
ライト系ステンレス鋼、にある。 本発明における鋼の各成分限定の理由につい
て、以下に述べる。 Ｃ：フエライト系ステンレス鋼の高温水環境で
のSCC感受性を著しく高める元素であり、その量
は低いほど好ましい。 オーステナイト系ステンレス鋼ではＣ≦0.02％
でSCC感受性がなくなるが、フエライト系ステン
レス鋼の場合にはＣの固溶度が低い関係で、Ｃの
低減だけをもつてSCCの発生を防ぎきるのは現実
的に不可能で、安定化元素の添加を併用する必要
がある。Ｃは0.015％以下にしないと、例え安定
化元素としてのTi、Nbを前記（）（）を満
たす範囲で使用したとしても、SCCの発生が避け
られない。 Ｎ：Ｃと同様SCC感受性を高める元素で、Ｃと
同様の理由から0.015％以下にする必要がある。 Cr：ステンレス鋼の耐食性向上に不可欠な成
分である。高温純水環境では全面腐食に対し11％
あれば十分である。Cr量が16％以上になると、
475℃脆性が生じる恐れがあるため使用温度が制
約され、好ましくない。 Si：製鋼時の脱酸剤として必要な元素である
が、１％越えではσ相等の析出を加速して、加工
性に悪影響を及ぼす。 Mn：Si同様、脱酸剤として不可欠な元素であ
るが、一方ではオーステナイト形成元素でもあ
り、１％を越えるとフエライト組織の安定性を悪
くする。 Ti：ＣとＮの固定を通して溶接時の鋭敏化を
防止しIGSCCの発生を抑止する効果であるが、
15（Ｃ％＋Ｎ％）未満では十分な効果が得られな
い。一方0.8％を越える添加は、靭性の低下を来
たす。 Nb：とくに溶接後Tiから解放されたままのＣ
を固定して、〓後の低温鋭敏化に基因する
IGSCCの発生を防ぐ効果を発揮するもので、８
×Ｃ％以上の添加が必要であるが、これが１％を
越えると溶接性に弊害が出る。 次に、実施例を掲げ本発明の有効性について具
体的に説明する。 第１表に示す(1)〜(11)の各成分からなる５mm厚の
鋼板を、800℃×30分加熱し、水冷し、次いで
1350℃×１秒で空冷（800℃→500℃の間を７秒で
冷却）するという、溶接（TIG溶接）に相当する
熱サイクルを与える処理（以下、溶接相当処理と
いう）および更に500℃×100分加熱、空冷する溶
接後のSR処理相当の熱処理を行なつた。 上記処理済みの各鋼板から、75mm長×10mm巾×
２mm厚の試験片を採取し、ダブルＵベンド試験に
て、耐SCC性を調査した。試験は、上記２枚の試
験片を重ね合せてＵ字形に曲げこれをさらに５mm
拘束して、いわゆるダブルＵベンド試験片とな
し、これをCl^-イオンを5ppm含む240℃の高温水
中に14日間浸漬し、その後Ｕ字形の内側にあつた
試験片の背面側（引張応力作用側）について、最
大割れ深さを測定する方法で行なつた。 結果を第２表に示した。同表中、〇：SCC認め
られず、×：SCC発生ありを示し、×の場合同欄に
併記した数値がそのSCCの最大深さを表わしてい
る。

【表】

【表】

【表】 上表から、本発明鋼は、溶接後のみならず、溶
接＋低温熱処理後においても鋭敏化せずすぐれた
耐SCC性が維持できることが明らかである。また
比較例の結果からは、Ｃ、Ｎ＞0.015％（鋼(7)、
(10)、(11)）、或いはTi％／（Ｃ％＋Ｎ％）＜15（鋼
(8)）やTi％／（Ｃ％Ｎ％）≧15でもNb％／Ｃ％
＜８である（鋼(9)）場合は、耐SCC性が溶接やそ
の後の低温熱処理によつて劣化することが分か
る。 第１図は、第１表にあるような各種の11〜16％
Crフエライト系ステンレス鋼の前記溶接相当処
理（1350℃×１秒加熱後空冷）後における耐SCC
性をＣ％、Ti％／（Ｃ％＋Ｎ％）の値と対応さ
せて示したもの、第２図は同じく溶接相当処理＋
低温熱処理（500℃×100分加熱後空冷）後におけ
る耐SCC性をTi％／（Ｃ％＋Ｎ％）、Nb％／Ｃ
％の値と対応させて表わしたもの、である。第１
図はN0.015％以下のもの、第２図はＣ、Ｎとも
に0.015％以下のものについて、それぞれ示した
ものである。図中〇：SCC発生なし、●：SCC発
生、を表わす。 まず第１図から、Ｃは0.015％以下でないと
SCCが発生するが、C0.015以下（およびＮ≦
0.015％以下）でも、Ti％／（Ｃ％＋Ｎ％）が15
未満ではSCC発生があることが分かる。更に第２
図によると、Ｃ、Ｎ≦0.015％以下でかつTi％／
（Ｃ％＋Ｎ％）≧15を満たしていても、Nb％／Ｃ
％が８未満では、溶接後においては問題ないが、
溶接後低温熱処理を受けるとSCCの発生がみられ
る。 第３図イは溶接相当処理後に常温とした0.01％
Ｃ−13.2％Cr−0.009％Ｎ−0.55％Ti（Ti％／（Ｃ
％＋Ｎ％）≒29≧15）系フエライト系ステンレス
鋼を400℃、500℃、600℃、700℃の各加熱温度で
それぞれ１〜1000分保持した時の当該鋼の時々
刻々の鋭敏化すなわち応力腐食割れ（SCC）の発
生状況を、縦軸にその加熱温度、横軸にその保持
時間をとつて、曲線とプロツトで表わしたTTS
（Temperature（温度）−Time（時間）−
Sensitizesion（鋭敏化））曲線図を示し、同図ロ
は溶接相当処理後に常温とした0.01％Ｃ−13.1％
Cr−0.008％Ｎ−0.50％Ti−0.011％Nb系（Ti
％／（Ｃ％＋Ｎ％）≒28、Nb％／Ｃ％≒11）系
フエライト系ステンレス鋼の上記同様のTTS曲
線図を示す。図中、〇、●は前出第１図等と同意
である。 第３図イでは、曲線と●で示すように600〜500
℃の加熱温度で30〜1000分保持した場合にSCCが
発生している。このSCCの原因は粒界へのCr炭
化物の析出であつて、Cr窒化物ではない。すな
わち溶接相当処理の冷却過程においてTiは、ま
ずＮを優先的にTiNとして固定し、次いでこの
TiNがTi（CN）の形でＣを固定するのであるが、
この場合Ｎは先に有効に固定されるが、Ｃの固定
は不十分にしか起こらず、固定されないままのＣ
が残り、これがCr炭化物を析出させるものであ
る。しかるに、これにNbをNb％／Ｃ％≧８で添
加してやれば、そのNbがＣをNbCとして十分に
固定することとなり、その結果、第３図イに曲線
と●で示されているSCC発生領域が第３図ロでは
消え去るのである。 実施例 ２ 第３表に示す成分の本発明鋼Ａ及び比較鋼Ｂを
溶製、鍛造、熱間圧延して10mm厚の鋼板を製造
し、Ａ鋼については800℃×30分、Ｂ鋼について
は850℃×30分加熱後水冷する溶体化処理を施し
た。次いでこのＡ鋼、Ｂ鋼を常温とした後、大気
中にて475℃、400℃、350℃、300℃の各加熱温度
でそれぞれ１〜10000時間保持する加熱処理を施
した後、これらの鋼板から、２mmＶノツチを有す
る55mm長×10mm巾×５mm厚の衝撃試験片を作成し
た。

【表】 この試験片を80℃に加熱した後シヤルピー衝撃
試験を行つた。なお、試験温度80℃としたのは、
80℃でシヤルピー衝撃値15^kg-m／mm²以上の値を示
せば実用上問題がないとする判断基準とするため
である。 この結果を第４図に示す。同図より明らかなよ
うに加熱温度が350℃での試験ではＢ鋼は1000時
間（約41日）で、Ａ鋼は10000時間（約416日）で
シヤルピー衝撃値が15^kg-m／mm²以下となり、Ａ鋼
はＢ鋼に比べ脆化時間が極めて長くなつている。 また、加熱温度が280〜300℃の比較的低温での
脆化時間は相当長くなるため試験は行つていない
が300〜475℃の試験結果の各脆化点を結び直線で
表わし、それを延長した点線から判断すると、
280℃（実機での使用温度）での脆化時間はＢ鋼
は2154×10⁴時間（2.45年）Ａ鋼では3414×10⁵時
間（38.9年）になるものと推定できる。 以上の各種試験結果を総合すれば、13％Crフ
エライト系ステンレス鋼においてすぐれた耐SCC
性は、Ｃ、Ｎ≦0.015％およびTi％（Ｃ％＋Ｎ％）
≧15とNb％／Ｃ％≧８の条件を同時に満足させ
ることによつて実現できることが明らかである。 すなわち本発明のフエライト系ステンレス鋼
は、耐SCC性にすぐれ、溶接更には溶接後の低温
熱処理などによつてもSCCに対する鋭敏化を示さ
ず、しかもCr量が16％未満であることから475℃
脆性を発生しないものであり、したがつて本発明
鋼は微量Cl^-イオンを含む或いは含まない高温水
環境に晒される原子力や化学関係の機器に適用し
てその耐久性向上に高い効果を挙げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は11〜16％Crフエライト系ステンレス
鋼の溶接相当処理後における耐SCC性をＣ％、
Ti％／（Ｃ％＋Ｎ％）の値と対応させて示した
プロツト図、第２図は同上鋼の溶接相当処理＋低
温熱処理後における耐SCC性をTi％／（Ｃ％＋
Ｎ％）、Nb％／Ｃ％の値を対応させて表わしたプ
ロツト図、第３図イはNbを含まない以外は本発
明成分条件を満たすフエライト系ステンレス鋼の
加熱温度と保持時間と鋭敏化の関係を示すTTS
曲線図、同図ロは本発明成分条件を全て満足する
鋼のTTS曲線図、第４図は本発明鋼及び比較鋼
の加熱温度と保持時間とシヤルピー衝撃値の関係
を示すプロツト図をそれぞれ示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ C0.015％以下、Si1.0％以下、Mn1.0％以下、
   Cr11〜16％未満、N0.015％以下と、TiとNbを、 15（Ｃ％＋Ｎ％）≦Ti≦0.8％ ８×Ｃ％≦Nb≦1.0％ 上記の範囲で含有し、残りはFeおよび不可避
   的不純物からなる耐応力腐食割れ性に優れたフエ
   ライト系ステンレス鋼。