(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％にて、Ｃ：０．２０％以下、Ｃｒ４．０〜６．０％を含有し、さらに、Ｍｏ：１．５％以下、Ｗ：２．０％以下の１種または２種を含有する鋼において、熱間圧延後にＡｃ１変態点〜Ａｃ３変態点の温度範囲に加熱して５分以上保持した後、０．２℃／秒以上の冷却速度で６８０〜７８０℃の温度範囲まで冷却し、以下の（１）、（２）、（３）に示す時間、等温保持し、その後、冷却することを特徴とする５Ｃｒ鋼の軟化熱処理方法。
等温保持温度が７６０℃を越えて７８０℃以下の場合
１２０≧保持時間（分）≧５＋２３／４（Ｔ−７６０）・・・・・・・（１）
Ｔ：保持温度（℃）
等温保持温度が７２０〜７６０℃の場合
１２０≧保持時間（分）≧５                    ・・・・・・・・・（２）
等温保持温度が６８０℃以上で７２０℃未満の場合
１２０≧保持時間（分）≧５＋１１／８（７２０−Ｔ）・・・・・・・（３）
Ｔ：保持温度（℃）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油化学プラント、火力発電プラント等に用いられる、５％程度のＣｒを含有する鋼の軟化熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油化学プラントや火力発電プラントには、種々のＣｒを含有する鋼が使用されている。また、それらの形状は、継目無鋼管、溶接鋼管、鋼板、あるいは、形鋼等の多岐にわたっている。
【０００３】
それらの鋼材を、たとえば、鋼管を各種の配管や反応管、熱交換器用鋼管として用いる場合には、プラントに組み込む前に、曲げ加工や押し拡げ加工、縮径加工等の種々の加工がなされることが多い。したがって、これらの用途に使用される場合は、鋼管には優れた成形加工性を備えていることが要求される。他の形状の鋼材についても、冷間加工を施されることは多く、同様に優れた加工性が要求される。
【０００４】
Ｃｒを含有する鋼において、十分な加工性を持った鋼材を得ると言う観点からの熱処理方法としては、
１）高温（Ａｃ３変態点以上の温度範囲）に加熱後に徐冷。
２）高温（Ａｃ３変態点以上の温度範囲）に加熱後にＡｃ１変態点以下の温度範囲で等温変態処理。
３）焼ならし焼戻し処理。
を採用することが一般的である。ただし、これらの方法によって、十分に軟化した鋼材を得るためには、長時間の焼鈍や焼戻し処理が必要であり、熱処理コストの上昇をもたらしている。
【０００５】
また、これらの熱処理方法は、Ａｃ３変態点以上の高温に加熱することを原則としており、この高温加熱時に鋼材の表面には多量の酸化スケールが生成する。そのため、熱処理後のスケールの除去が不可避であり、製造コストを上昇させ、また、歩留りを減少させる原因となっている。
【０００６】
この様な問題点を解決する方法として、特開昭５７−１１０６１７号公報には、Ｃｒ：０．７４〜１０．１０％、Ｍｏ：０．４０〜１．１５％を含有し、かつＣ：０．１７％以下としたＣｒＭｏ鋼を、熱間圧延後にＡｃ１変態点〜Ａｃ３変態点の温度範囲に加熱して、その温度域から１０℃／分以下の冷却速度で徐冷する方法が開示されている。
【０００７】
また、特開平５−３３９６２７号公報には、５Ｃｒ−０．５Ｍｏ系の鋼において、旧ソ連規格ＧＯＳＴ５５０  １５Ｘ５Ｍの規格を満足するための低コストの熱処理方法として、Ｃｒ：４．５０〜６．００％およびＭｏ：０．４５〜０．６０％を含有し、かつ、Ｃ：０．１５％以下とした鋼を、Ａｃ１変態点〜Ａｃ３変態点の温度範囲に加熱後に、６７０℃まで２００℃／時間以下の速度で冷却する技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の技術は、いずれも、
１）熱処理に要する時間が短く能率的。
２）熱処理時のスケールの発生量が少なく、しがって、熱処理後の脱スケールの工程が不要。（スケール厚さ、１００μｍ以下）
３）冷間加工が十分可能な程度の低い硬度。（ＨＲＢ８０以下）
等の要求を同時に満足するものではない。
【０００９】
まず、特開昭５７−１１０６１７号公報に開示されている技術を用いる場合は、２時間以上の長時間の徐冷が必要である。パーライト変態開始温度以上で規定の冷却速度の冷却を終了すると、微細なセメンタイト相が析出し、強度が高くなるためである。
【００１０】
また、特開平５−３３９６２７号公報に示されている技術による場合の、得られる硬度の下限はＨＲＢ８０を越えており、施工性の観点からは、十分に軟化しているとは言えない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱処理時の温度を低く、また、時間を短かく、したがって、熱処理のコストが低く、また酸化スケールの除去が不要な、５％程度のＣｒを含有する鋼の軟化熱処理方法を提供することを目的とした。
【００１２】
本発明者らは上記の課題を解決するために、各種の熱処理方法を検討し、本発明を完成したものであり、
重量％にて、Ｃ：０．２０％以下、Ｃｒ４．０〜６．０％を含有し、さらに、Ｍｏ：１．５％以下、Ｗ：２．０％以下の１種または２種を含有する鋼において、熱間圧延後にＡｃ１変態点〜Ａｃ３変態点の温度範囲に加熱して５分以上保持した後、０．２℃／秒以上の冷却速度で６８０〜７８０℃の温度範囲まで冷却し、以下の（１）、（２）、（３）に示す時間、等温保持し、その後、冷却する５Ｃｒ鋼の軟化熱処理方法である。
【００１３】
等温保持温度が７６０℃を越えて７８０℃以下の場合
１２０≧保持時間（分）≧５＋２３／４（Ｔ−７６０）・・・・・・・（１）
Ｔ：保持温度（℃）
等温保持温度が７２０〜７６０℃の場合
１２０≧保持時間（分）≧５                    ・・・・・・・・・（２）
等温保持温度が６８０℃以上で７２０℃未満の場合
１２０≧保持時間（分）≧５＋１１／８（７２０−Ｔ）・・・・・・・（３）
Ｔ：保持温度（℃）
従来の等温変態法は、１度、Ａｃ３変態点以上の温度に加熱し、鋼の組織をオーステナイト単相にするとともに、炭化物を完全に固溶させ、引続きＡｃ１変態点以下の温度で等温保持する過程で、炭化物を析出させることにより、マトリクスをオーステナイト相からマルテンサイト相への変態ではなく、フェライト相への変態をおこさせ、鋼を軟化させる熱処理方法である。
【００１４】
この場合、等温変態処理における保持時間が短い場合は、未変態のオーステナイト相がその後の冷却過程でマルテンサイト相に変態し、硬度の上昇や靭性の劣化をもたらす。したがって、通常この等温熱処理時の保持時間は２時間以上を必要とする。
【００１５】
これに対して、本発明はまず、Ａｃ１変態点以上、Ａｃ３変態点以下に加熱する。（以後、この熱処理を第一の熱処理と記す。）  この温度範囲に加熱することにより、マトリクスはフェライト相とオーステナイト相の２相組織となり、また、鋼中の炭化物については一部は固溶、残りは、未固溶の状態が得られる。
【００１６】
この状態から、冷却してＡｃ１変態点以下の温度で一定時間、等温保持（以後、この熱処理を第二の熱処理と記す。）を行うと、第一の熱処理の間に炭化物がすでに１部析出しているため、炭化物析出はそれを析出核として急速に進行する。すなわち、従来の等温熱処理に比較して大きく異なる点は、炭化物が既に１部存在しているため、核発生の時間が不要であり、炭化物成長のための時間も短くなる点にある。
【００１７】
また、マトリクスについても、既にフェライト相が存在しているために、残っているオーステナイト相がフェライト相に変態する時間だけで十分である。
【００１８】
以上の理由により、本発明で提示する熱処理方法においては、従来の等温熱処理方法と比較して、第二の熱処理における等温保持の時間を大幅に短縮することが可能となる。さらに、第一の熱処理における加熱温度が従来の方法に比較して低温であるため、スケールの発生量も激減し、多くの場合に、スケールの除去が不要なレベルにまで低減させることが可能である。
【００１９】
なお、一般的には、鋼材の表面に生成するスケールの厚さが１００μｍを越える場合は、脱スケール処理が必要となる。また、鋼を加工する上での、冷間の加工性が良いと判断される硬度は、ＨＲＢ８０以下とされることが多い。
【００２０】
なお、第一の熱処理は部分的にではあるが、オーステナイト化させる工程であり、また、一部の炭化物を固溶させる工程でもある。これらの変化は、熱処理の温度がＡｃ１変態点より高くなるほど顕著になる。
【００２１】
第一の熱処理の保持時間は、部分的なオーステナイト化の速度や、炭化物の固溶速度を考慮すると、５分以上の必要がある。なお、この第一の熱処理から第二の熱処理までの冷却速度は、それが著しく遅い場合は、熱処理に要する時間が増加しコストアップを招くため、下限を０．２℃／秒とする。
【００２２】
次に第二の熱処理の等温保持温度および保持時間の限定理由を述べる。
この温度が７８０℃を越える場合は、炭化物の析出に長時間を必要とし好ましくない。６８０℃未満の場合も炭化物の析出に長時間を要し、また、炭化物の析出形態も変化して、微細析出物が増加する傾向が顕著となり、硬度が高くなるため好ましくない。したがって、第二の熱処理の等温保持温度の上限を７８０℃、下限を６８０℃とした。
【００２３】
なお、この温度範囲内でも６８０℃以上、７２０℃未満の範囲では、炭化物の析出形態が７２０℃以上に比較してやや微細になる傾向があり、硬度も多少高くなる。
【００２４】
また、等温保持温度が７６０℃を越え７８０℃以下の範囲の場合は、炭化物の析出に長時間を必要とし、保持時間が１２０分以下の場合の硬度はＨＲＢ７５〜８０となる。これに対して、等温保持温度が７２０〜７６０℃の範囲の場合は、１２０分以下の保持時間で、ＨＲＢ７２以下の硬度の鋼材が得られる。
【００２５】
保持時間は、それが短い場合は炭化物の析出が不十分となり、未析出の炭化物が冷却過程で微細な炭化物として析出し、鋼の硬度を上昇させる。保持時間の下限は図１に示す様に、保持温度が７２０〜７６０℃の間の場合は５分である。また、１２０分以上保持しても特性の向上はほとんど認められなくなるのに対して、スケール量の増加、費用の増加と言った問題点が顕著となるため、これを上限とする。なお図中の点は、Ａ（１２０、７８０）、Ｂ（５、７６０）、Ｃ（５、７２０）、Ｄ（６０、６８０）、Ｅ（１２０、６８０）である。
【００２６】
等温保持温度が７６０℃を越えて７８０℃までの温度範囲にある場合は、高温になるほど炭化物の固溶度が高くなり、十分に析出するために必要とされる保持時間の下限は長くなる。また、等温保持温度が６８０℃以上、７２０℃未満の温度範囲にある場合は、低温になるほど元素の移動速度が遅くなり、十分な量の炭化物の析出に必要とされる保持時間の下限は長くなる。
【００２７】
保持時間の下限を式を用いて表すと、
等温保持温度が７６０℃を越えて７８０℃以下の場合
保持時間（分）≧５＋２３／４（Ｔ−７６０）
Ｔ：保持温度（℃）
等温保持温度が６８０℃以上で７２０℃未満の場合
保持時間（分）≧５＋１１／８（７２０−Ｔ）
Ｔ：保持温度（℃）
となる。なお、等温保持温度が７２０〜７６０℃の場合の下限時間は、等温保持温度の関数とならず５分である。
【００２８】
次に、本発明が対象とする鋼の各成分範囲の限定理由を述べる。なお、下記の限定理由は、主として、本発明による軟化熱処理後の硬度が、優れた冷間加工性の目安であるＨＲＢ８０以下を満足するためのものである。
【００２９】
Ｃ；Ｃは強度を確保する合金元素として、またオーステナイト相形成元素として重要であるが、０．２％を越えて含有させると本発明の軟化熱処理後の硬度がＨＲＢ８０を越える。したがって、Ｃの含有量は０．２％以下とする。
【００３０】
Ｃｒ；Ｃｒは鋼に耐水蒸気酸化性、および耐高温腐食性を付与する上で有効な元素であるが、また、軟化熱処理時のスケールの生成量を減少させる元素でもある。その効果は４．０％以上含有させることにより顕著となる。一方、６．０％０．２％を越えて含有させると本発明の軟化熱処理後の硬度がＨＲＢ８０を越える。したがって、Ｃｒの含有量は４．０〜６．０％とする。
【００３１】
Ｍｏ；Ｍｏは高温強度を高める代表的な元素であるが、１．５％を越えて含有させると本発明の軟化熱処理後の硬度がＨＲＢ８０を越える。したがって、Ｍｏの含有量は１．５％以下とする。
【００３２】
Ｗ；Ｗは高温強度を高める代表的な元素であるが、２０５％を越えて含有させると本発明の軟化熱処理後の硬度がＨＲＢ８０を越える。したがって、Ｗの含有量は２．０％以下とする。
【００３３】
その他の元素は、通常のＣｒＭｏ鋼と同程度含有させても、軟化熱処理後の  硬度はＨＲＢ８０以下になる。Ｍｎは脱酸、および、熱間加工性の改善、強度増加に効果があるが、２．０％が含有量の目安である。
【００３４】
脱酸作用や耐酸化性作用を有する、ＳｉおよびＡｌは、それぞれ、１．０％、０．３％以下の範囲で添加しても、本発明の本質は影響を受けない。鋼の強度を増加させる元素である、Ｎｂ、Ｖ、ＴｉもＮｂ：０．１％以下、Ｖ：０．３％以下、Ｔｉ：０．１％以下の範囲で含有させてもよい。また、０．５％以下のＣｕ、０．５％以下のＮｉ、０．００１％以下のＣａ、Ｍｇの含有も本発明の本質に影響を与えない。
【００３５】
不可避的不純物のＳ、Ｐ、Ｎも通常のＣｒＭｏ鋼と同程度の、おのおの、０．０３％、０．０３％および０．０５％程度までは、また、Ｂは３０ｐｐｍ程度までは含有しても本発明の本質は影響を受けない。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、転炉または電気炉で溶解（大気中、真空中を問わない）し、鋳片とし、加工をして鋼材（半製品も含む）とした後に、以下に示す軟化熱処理を行うものである。
【００３７】
もっとも一般的な方法は、軟化熱処理を行う鋼材の、Ａｃ１とＡｃ３の間の温度にした第１の炉と、６８０℃と７８０℃の間の温度にした第２の炉を用意しておき、まず、第１の炉に鋼材を挿入する。なお、通常の熱処理と異なり、本発明の軟化熱処理を行う場合は、鋼の内部の温度差（温度のばらつき）の許容度は大きい。
【００３８】
第１の炉で、鋼の温度が所定の値にまで昇温後に、一定時間（５〜３０分程度）保持した後、炉から取り出し空冷し、第２の炉の温度になった後に第２炉に挿入する。そして、一定の時間（５〜６０分程度）保持した後に、炉から取り出し空冷する。
【００３９】
【実施例】
次に本発明を実施例および比較例を用いて具体的に説明する。表１に供試鋼の化学成分を示す。いずれも本発明の範囲内の成分を持つ鋼である。各鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製・造塊し、１２５０℃に加熱し、厚さ６０ｍｍに分塊圧延後、再度、１２５０℃に加熱して厚さ１２ｍｍの厚板とした。この厚板に対して、表２に示す種々の熱処理を施した後に、肉厚中央部の硬度測定と表面のスケール除去の必要性の調査を行った。
【００４０】
【表１】
0003687206.tif 000002
【００４１】
【表２】
0003687206.tif 000003
【００４２】
第一の熱処理の加熱温度がＡｃ３変態点を越える高温の場合の、比較例Ａ８、Ａ１２およびＢ８は、第二の熱処理の熱処理条件が本発明の範囲内の場合も、硬度は十分に下がっておらず、いずれもＨＲＢ９０を越えている。また、スケールの発生量が多く、脱スケール処理を必要とする。
【００４３】
第一の熱処理の加熱温度がＡｃ１変態点未満の場合の、比較例Ａ１０およびＤ６は、第二の熱処理の熱処理条件が本発明の範囲内の場合も、硬度は十分に下がっておらず、いずれもＨＲＢ９０を越えている。
【００４４】
第一の熱処理の加熱温度がＡｃ１変態点〜Ａｃ３変態点の間であっても、保持時間が短く、本発明に規定する範囲外の比較例Ｃ６の場合は、オーステナイト化および炭化物の固溶化が十分に行われず、第二の熱処理の熱処理条件が本発明の範囲内の場合も、硬度は十分に下がっていない。
【００４５】
第一の熱処理の熱処理条件が、本発明の規定する範囲内の場合であっても、第二の熱処理の熱処理条件が、本発明の規定する範囲外の場合は、硬度は十分には下がらず、曲げ加工等の施工性の面から見た軟化は不十分である。
【００４６】
第二の熱処理を行っていない、比較例Ａ９およびＤ５の硬度はＨＲＢ１００を越えている。また、等温保持温度が本発明の範囲より低い、比較例Ｂ１０およびＤ７は硬度がＨＲＢ９０を越えている。
【００４７】
第二の熱処理の等温保持温度は、本発明の範囲内であるが、保持時間の短い、比較例Ａ７、Ａ１１、Ｂ７、Ｂ９、Ｃ５およびＣ７は、硬度がＨＲＢ９０を越えている。
【００４８】
以上はいずれも比較例であるが、本発明の実施例はいずれも、硬度はＨＲＢ８０以下と十分に軟化しており、特に、第二の熱処理の等温保持温度が７２０〜７６０℃の実施例の硬度は、ＨＲＢ７２以下とさらに軟化している。
【００４９】
また、生成したスケールの厚さはいずれも１００μｍ以下であり、脱スケール処理は必要でなかった。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の完成により、Ｃｒを４．０〜６．０％含有する５Ｃｒ鋼を、短時間に、従って高能率に軟化させることが可能となった。また、従来の軟化焼鈍では、必須であった脱スケール処理が省略可能となったことの工程数の削減、製造コスト削減や酸洗廃液処理が不要になったことの意義も大きい。
【００５１】
なお、本発明の方法により製造した鋼材に冷間加工を施した後に、再度熱処理を行い鋼の高温特性を改善することももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一部である、第二の熱処理の等温保持温度および保持時間の範囲を示す図である。
【図１】
0003687206.tif 000004