マルテンサイト系ステンレス鋼管の標準的な熱処理プロセスは何ですか

強度の基礎をオーステナイト化する

熱処理は、製品の優れた特性を引き出すために不可欠なプロセスです。 マルテンサイト系ステンレス鋼チューブ 、その微細構造を硬く、強く、耐摩耗性のある形状に変換します。この変態は、オーステナイト化、焼き入れ、焼き戻しという 3 つの主要な段階を通じて達成されます。

最初の重要な段階はオーステナイト化です。これには、元のフェライトと炭化物を含む構造がオーステナイト (ガンマ) として知られる均質な単相面心立方構造に完全に変態する正確な温度範囲まで MSS チューブを加熱することが含まれます。

正確な温度制御

オーステナイト化温度は通常、950 ℃ ～ 1050 ℃ (1742 °F ～ 1922 °F) の範囲です。特定の温度はグレードと炭素含有量に大きく依存します。たとえば、グレード 420 は炭素含有量が高いため、グレード 410 とは異なる範囲が必要になる場合があります。

• 目的: すべての炭素および合金元素をオーステナイト マトリックスに完全に溶解すること。これにより、その後の最大の硬度が確保されます。

• 逸脱のリスク: 加熱が低すぎると炭化物が溶解せず、硬度の可能性が最大限に低下します。加熱が高すぎると、過剰な結晶粒の成長が生じ、チューブの最終的な靭性と延性が大幅に低下します。

浸漬時間と予熱

チューブは、断面全体が均一に加熱され、合金元素が完全に溶解するように、十分な浸漬時間にわたってオーステナイト化温度に保持する必要があります。肉厚の MSS チューブや複雑な形状の場合、650 ℃ ～ 850 ℃ の範囲での予熱がよく使用されます。このステップにより、熱衝撃が緩和され、高温への急速な移行時の反りや亀裂のリスクが最小限に抑えられます。

焼入れマルテンサイトの形成と硬化

焼き入れは、オーステナイト化直後の急速冷却段階です。その目的は、オーステナイトがパーライトやベイナイトなどの柔らかい相に変態するのを抑制し、代わりにマルテンサイト (アルファ プライム) として知られる超硬質の体心正方晶構造に強制的に変態させることです。

制御された冷却媒体

冷却媒体と冷却速度は、残留応力と歪みを管理しながら必要な硬度を達成するために慎重に選択されます。

• 油焼入れ: 特定の高炭素 MSS グレードに不可欠な急速な冷却速度を提供しますが、歪みや内部応力のリスクが高くなります。

• 空気またはガス焼き入れ: 焼入れ性の高い材種、特にニッケルまたはモリブデンを含む材種に使用されます。冷却速度が遅く、あまり積極的ではないため、歪みが大幅に低減され、精密チューブ用途に非常に望ましいものとなります。

• 断続焼入れ (塩浴): チューブをマルテンサイト開始 (Ms) 温度のすぐ上の温度まで急速に冷却し、等温に保持してからゆっくりと冷却することで、熱勾配を最小限に抑えるために採用されます。この技術は、内部応力と寸法変化を最小限に抑えるために不可欠です。

焼入れ直後の組織は非焼戻しマルテンサイトであり、非常に硬く、強度が高いが、非常に脆いという特徴があります。直接使用には適していません。

強度と靭性のバランスをとる焼き戻し

焼き戻しは最終かつ最も重要な段階であり、MSS チューブの特性を最終用途の仕様を満たすように調整するために使用される焼き入れ後の再加熱プロセスです。焼入れによって引き起こされる大きな内部応力を緩和し、ある程度の硬度を犠牲にして延性と靭性を向上させます。

焼き戻し温度スペクトル

焼き戻しの温度、時間、冷却速度によって、最終的な特性のバランスが決まります。選択はアプリケーションの要件によって決まります。

• 低温焼戻し (150 ℃ ～ 400 ℃): 外科用器具や特殊なベアリング チューブなど、最大の硬度と耐摩耗性が要求される用途に使用されます。焼入れ後の硬度の大部分が保持されます。

• 高温焼戻し (550 ℃ ～ 700 ℃): 油井管 (O C T G) や優れた靭性と高強度レベルを必要とするその他の構造部品に広く使用されます。このプロセスにより、耐衝撃性に最適な微細構造である焼き戻しソルバイトが生成されます。

焼き戻し脆化の回避

重要な考慮事項は、約 400 ℃ ～ 550 ℃ の範囲でゆっくりと加熱または冷却すると、材料の衝撃強度が大幅に低下する可能性がある焼き戻し脆化現象です。高性能チューブの場合、多くの場合、この温度範囲は注意深く回避されるか、焼き戻し後に材料がこの温度範囲を通して急速に冷却されます。

業界のトレンドと進歩

特にエネルギーおよび航空宇宙分野における高性能 MSS チューブの需要により、熱処理の進歩が促進されています。

• 高度な低炭素合金: 新しい 13 パーセント Cr およびスーパー 13 パーセント Cr グレードは、現在、酸性サービス用途で一般的です。高い降伏強度を維持しながら耐硫化物応力亀裂 (S S C) に対する NACE 規格に確実に準拠するには、高度な高性能焼戻し (HP T) プロトコルが必要です。

• 真空熱処理: 最新の連続真空炉が MSS チューブに使用されることが増えています。真空処理により、従来の大気炉でよく発生する表面の酸化と脱炭が最小限に抑えられます。これにより、表面仕上げがよりきれいになり、チューブの長さ全体にわたって材料特性がより均一になり、検査と再加工のコストが削減されます。

• 極低温処理: 特定の高硬度用途では、残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させるための焼入れ後に、サブゼロまたは-196℃までの極低温処理が使用されることがあります。このプロセスにより、最終焼き戻し段階の前に硬度と寸法安定性が最大化されます。

• デジタル シミュレーション: 有限要素解析 (F E A) は、複雑なチューブや厚肉のチューブ内の熱流と相変態をモデル化するための標準的な手法となっています。これにより、メーカーは熱歪みを予測して対処し、楕円形や寸法の不一致を最小限に抑えることができます。