JPS592740B2

JPS592740B2 - 耐食・耐高温使用中脆化特性に優れた化学容器

Info

Publication number: JPS592740B2
Application number: JP55002906A
Authority: JP
Inventors: 基戸倉; 等佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-01-14
Filing date: 1980-01-14
Publication date: 1984-01-20
Also published as: JPS56102561A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は金属組成的に２属以上の多層構造を有する化学
容器に関するものであつて、特に高温高圧の水および水
素雰囲気、また、塩素イオンやボ３０リチオン酸の発生
するような環境においても脆化が少なく、かつ、応力腐
食割れを起こし難い内層材を有する化学容器に係るもの
である。

一般に、炭素鋼および低合金鋼などで製造される種々の
圧力容器や化学反応容器の内面は耐食性３５の観点から
主としてオーステナイト係のステンレス鋼によるライニ
ングがなされている。

これらのクラッド鋼による圧力容器において、クラッド
部は高温高圧水および水素による脆化（主として延性、
靭性の低下）と熱応力および腐食環境との複合によつて
生じる応力腐食割れの危険に曝されるため、より一層信
頼性の高い内層材の出現が望まれている。この問題点を
解決すべく、本発明者らはステンレス鋼内層材の合金成
分系について検討を行つた。

その際、容器の製造は操作条件が苛酷になるにつれ外層
材の板厚が厚くなり、クラツド法としては肉盛溶接法が
主として用いられるため、クラツド鋼の製作工程上、ク
ラツド部について固溶化熱処理が自由に行い得ないばか
りでなく、６００〜７５０℃で２０〜５０時間に及ぶ炭
素鋼または低合金鋼側の応力除去熱処理の影響を受け炭
化物の析出やσ相の生成が促進される。また、内層材と
外層材との境界部においては、炭素鋼または低合金鋼側
からステンレス鋼側への炭素の拡散が行われ硬化層がで
きるなど、これらは耐食性および機械的性質にとつて好
ましくないことを念頭においたまず、一般のオーステナ
イト系ステンレス鋼の溶接に対しては熱間割れを防止す
るため数％のフエライト量を含む組織とすることが通常
であるが本発明者らはＭｎおよびＮを適当に調整するこ
とにより完全なオーステナイト組織においても熱間割れ
に対して鈍感になることを見い出した。

したがつて、容器製造時に使用するクラツド部材質をＭ
ｎおよびＮを高めた完全オーステナイト系ステンレス鋼
にすることにより、まず、クラツド部となる素材の圧延
性がよくなり素材の製造を容易とした。また、容器製造
時に行われる応力除去熱処理に際してフエライト相を含
まないことからσ相による脆化の心配がなく、かつまた
、フエライト相を含まない内層材でなることから容器稼
動中における水素吸収によるクラツド部の延性低下に対
しても好ましい結果が得られた。しかし、完全オーステ
ナイト系ステンレス鋼では粒界腐食について問題がある
。これに対してＢを添加することによりフエライト相を
有するオーステナイト系ステンレス鋼の場合より耐粒界
腐食性を改善することができた。本発明は上記知見に基
づいてなされたものであつて、その要旨とするところは
、炭素鋼または低合金鋼を外層材とし、オーステナイト
系ステンレス鋼を内層材とする金属組織的に２層以上の
多層構造を有する化学容器において該ステンレス鋼部の
化学成分が重量％でＭｎが３〜８％，Ｎが０．０８〜０
．４％，Ｂが０．００２〜０．０８％であり、さらにＣ
Ｏ．ｌ５Ｏ！）以丁、Ｓｉｌ，Ｏ％以下、Ｎｉ８，Ｏ〜
２８．０％，Ｃｒｌ８．Ｏ〜２８．０％を含み、又はさ
らにＭＯ４．Ｏ％以下、又はこれにさらにＮｂｌ．Ｏ％
以下を含み、残部は鉄および不可避不純物からなり、か
つ、その化学成分のＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０Ｃ＋０．５Ｍ
ｎ＋３０ＮＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ−
１−ＭＯから計算した値がデイロングの状態図において
完全オーステナイト域にある組成を有することを特徴と
する耐食、耐高温使用中脆化特性に優れた化学容器にあ
る〇以下に本発明を詳細に説明する。

まず、本発明化学容器内層のステンレス鋼クラツド部に
ついて、各化学成分範囲を前記のごとく定めた理由につ
いて記述する。

Ｍｎはクラツド部素材製造に際し、熱問加工性を向上さ
せ、クラツド部の強度を増加させるばかりでなく、クラ
ツド部の接合溶接に際して溶接金属中のＳと結合して溶
接時の熱間割れ感受性を低めるうえで３％以上含有する
と効果があるが、これを多量に含有することは応力腐食
割れ感受性を高め、かつクラツド部の材質を劣化させる
ため、また、クラツド部が常に完全オーステナイト組織
として安定するに必要な量としては８％で十分であるこ
とから、含有Ｍｎ量は３（ｆ）〜８％とした。

Ｎの添加は本発明の一つの重要な要件である。Ｎは水素
による脆化を防ぐための完全オーステナイト組織を安定
化する元素で、クラツド部素材製造時およびクラツド部
の溶接時に溶接金属の結晶粒を微細化して熱間割れ感受
性をも低下させ、また高温強度を高めるにも有効である
。一方、腐食環境下においてＮは窒素化合物をつくり腐
食雰囲気の塩素度を上昇させるので、クラツド部の腐食
発生抵抗を増大させる。耐食へのＮ含有量の効果は０．
０８％以上から現われ、０．４％の固溶限附近まで続く
。しかし、ＭｎおよびＮによる相安定化の完全オーステ
ナイト・ステンレス鋼それ自身では粒界腐食および応力
腐食割れに対して抵抗力が極端に小さく、これを改善す
るためには特に有効な元素としてＢを添加しなけれはな
らない。

このＢは０．００２％以上の添加から粒界における炭化
物析出を抑制する効果が認められるが、０．０８％超の
添加では低融点の硼素化合物を生成し、製造時に熱間割
れを生じるので好ましくない。このためＢは０．００２
（ｆ）〜０．０８（ｆ）とした。Ｃは熱処理により粒界
にクロム炭化物を析出させＣｒ欠乏による粒界腐食の原
因となるので０．１５％以下とされている。Ｓｉは強力
な脱酸剤ではあるが靭性の低下などから１．０％以下で
なければならない。Ｎｉはオーステナイト系ステンレス
鋼の基本元素でありオーステナイトを安定化さすために
８．０％以上は必要である。

Ｎｉの増加は靭性の向上のみならず耐応力腐食割れ性を
向上させるが高価なため２８．０（ｆ）以下で使用され
る。Ｃｒはステンレス鋼の基本成分であり、１２（ｆ）
から耐食性がでてきて耐孔食性などに優れた性質を示す
には１８．０％以上が必要である。

Ｃｒは多い程耐食性を向上させるがフエライト安定元素
であり、Ｃｒを増大させてかつ完全オーステナイト組織
にするにはオーステナイト安定元素であるＮｉ，Ｍｎ，
Ｎなどを多量に添加する必要がある。このように添加元
素の高い合金は高価になるので通常のステンレス鋼の範
囲としては２８．００１）までで充分である。また、本
発明においては、前記ステンレス鋼部にさらにＭＯ４．
ＯＯｌ）以下、又はこれにさらにＮｂｌ．Ｏ％以下を含
むことができる。

ＭＯは耐孔食性に優れた元素であり、高温強度を高める
のに役立つが４．０％超では６５『Ｃ以上の熱処理で脆
化し衝撃値が低下する。

ＮｂはＣを固定し耐粒界腐食性を改善する元素である。

しかしＣの重量％で８〜１０倍以上でかつ１．００１：
Ｉ超のＮｂの添加は溶接に際して熱間割れ感受性を高め
る。その他不可避的な不純物としてＰ，Ｓなどがあるが
、これらの成分はクラツド部材製造時の割れ感受性を高
めるため極めて少ないことが好ましい。

また、不可避的に微量のＡｌ，Ｔｉ，Ｃａｌ或いはＶな
どが含まれることがある。さらに、該ステンレス鋼部に
おいては、その化学成分がＮｉｅｑ＋３０Ｃ＋０．５Ｍ
ｎ＋３０Ｎ，ＣｒｅｑＣｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋
ＭＯから計算した値がデイロングの状態図において完全
オーステナイト域にあることを必須とする。

この式から得られた値が第１図に示すデイロングの状態
図において完全オーステナイト域にある場合、容器製造
時の熱処理によつて生じるσ相脆化を防ぎ、かつ、使用
時の高温高圧水および水素環境などによつて生じる水素
脆化を防ぐことになる。ここで第１図における完全オー
ステナイト域とは同図に示すように、Ｍ（マルテンサイ
ト）＋Ａ（オステナイト）の線よりＮｉｅｑが高く、か
つフエライト量０（ｆ）の線よりＮｉｅｑが高い範囲が
これに該当するものである。

このような内層材からなる金属組織的に２層以上の多層
構造を有する化学容器の素材を得る方法としては炭素鋼
または低合金鋼と前述の化学成分範囲を満足するオース
テナイト・ステンレス鋼とを組合せて圧延または爆発圧
接などにより貼り合わせる方法および肉盛溶接による方
法がある。

また、肉盛溶接の方法としては被覆アータ溶接、潜弧溶
接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、自己被包ガス溶接、エレ
クトロスラグ溶接およびガス溶接などの溶接法を用いる
ことができる。これらの各種溶接法によりクラツド鋼の
内層材を得る場合にはそれぞれの溶接方法での母材に対
する稀釈率（一般には５〜４０（：ｆ））組合せるフラ
ツクス剤またはガス組成にて変化する合金成分の歩留り
を考慮して電極材の成分を決定すべきである。

また、肉盛溶接法にてクラツド部材を得る場合には稀釈
率の小さい溶接旋工法を採るべきであり、単層または多
層の肉盛部において各層の肉盛溶接金属が本発明の化学
成分範囲を満足することが好ましいが、表面層すなわち
最終層のみ満足する場合においても本発明の目的を十分
満足する。以下、本発明の効果を実施例により更に具体
的に説明する。外層材の低合金鋼については（Ａ）ＳＢ
４６鋼、（日Ａ３８７−２２鋼および（０Ａ５３３Ｂ鋼
を使用し、ステンレス鋼の内層材としては第１表に示す
溶接金属が得られるよう０．４×７５ｍｍ断面形状を有
する第２表に示す帯状電極と第３表に示す潜弧フラツク
スとを組合せて直流定電圧の溶接機にて逆極性で１２０
０Ａ，２５，１８ＣＴｒＬ／―の溶接条件にて溶接を行
つた。

なお、参考までに第１表に示された溶接金属について各
試験滝のもののＮｉｅｑとＣｒｅｑとをそれぞれ計算し
、それらの関係を第１図に表示すると同図中の各点のよ
うになり、本発明例のものはすべて完全オーステナイト
域にあることがわかる。

このステンレス鋼クラツド部について溶接のままの状態
でバイストレイン割れ試験を行い、また６９０℃で２２
時間の溶接後熱処理の後、ストラウス粒界腐食試験、ポ
リチオン酸による応力腐食試験、５０１）Ｈ２ＳＯ４＋
３％ＮａＣｌ中での分極測定による孔食電位測定を行つ
た。

この試験結果を第４表に示す。更に溶接後熱処理後のス
テンレス鋼クラツド部について４００℃，１００ｋｇ／
Ｃｒｉｔ水素分圧の雰囲気中にて７２００時間の暴露試
験を行つた後、側曲げ試験、引張試験および衝撃試験な
どの機械試験を行い第５表に示す結果を得た。以上のご
とく、内層材が本発明による化学組成を有する化学容器
であれば優れた耐食、耐高温使用中脆化特性を有するも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はデイロングの状態図である。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素鋼または低合金鋼を外層材とし、オーステナイ
トステンレス鋼を内層材とする金属組織的に２層以上の
多層構造を有する化学容器において、該ステンレス鋼部
の化学成分が重量％でＭｎが３〜８％、Ｎが０．０８〜
０．４％、Ｂが０．００２〜０．０８％であり、さらに
Ｃが０．１５％以下、Ｓｉが１．０％以下、Ｎｉが８．
０〜２８．０％、Ｃｒが１８．０〜２８．０％、残部は
鉄および不可避不純物からなり、かつ、その化学成分の
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０Ｃ＋０．５Ｍｎ＋３０ＮＣｒｅｑ
＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋Ｍｏから計算した値
がデイロングの状態図において完全オーステナイト域に
ある組成を有することを特徴とする耐食・耐高温使用中
脆化特性に優れた化学容器。２炭素鋼または低合金鋼を外層材とし、オーステナイ
トステンレス鋼を内層材とする金属組織的に２層以上の
多層構造を有する化学容器において、該ステンレス鋼部
の化学成分が重量％でＭｎが３〜８％、Ｎが０．０８〜
０．４％、Ｂが０．００２〜０．０８％であり、さらに
Ｃが０．１５％以下、Ｓｉが１．０以下、Ｎｉが８．０
〜２８．０％、Ｃｒが１８．０〜２８．０％、Ｍｏが４
．０％以下、残部は鉄および不可避不純物からなり、か
つ、その化学成分のＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０Ｃ＋０．５Ｍ
ｎ＋３０ＮＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋
Ｍｏから計算した値がデイロングの状態図において完全
オーステナイト域にある組成を有することを特徴とする
耐食・耐高温使用中脆化特性に優れた化学容器。３炭素鋼または低合金鋼を外層材とし、オーステナイ
トステンレス鋼を内層材とする金属組織的に２層以上の
多層構造を有する化学容器において、該ステンレス鋼部
の化学成分が重量％でＭｎが３〜８％、Ｎが０．０８〜
０．４％、Ｂが０．００２〜０．０８％であり、さらに
Ｃが０．１５％以下、Ｓｉが１．０％以下、Ｎｉが８．
０〜２８．０％、Ｃｒが１８．０〜２８．０％、Ｍｏが
４．０％以下、Ｎｂが１．０％以下、残部は鉄および不
可避不純物からなり、かつ、その化学成分のＮｉｅｑ＝
Ｎｉ＋３０Ｃ＋０．５Ｍｎ＋３０ＮＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋１
．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ＋Ｍｏから計算した値がデイロン
グの状態図において完全オーステナイト域にある組成を
有することを特徴とする耐食・耐高温使用中脆化特性に
優れた化学容器。