二相鋼におけるシグマ相脆化の回避：熱処理における重要な時間-温度範囲

二相鋼におけるシグマ相脆化の回避：熱処理における重要な時間-温度範囲

二相系ステンレス鋼は、優れた強度と耐食性を兼ね備えており、化学プロセス、石油・ガス、海洋産業など多くの分野で重要な役割を果たしています。しかし、その微細組織の安定性は保証されているわけではありません。熱処理中に発生する大きな脅威の一つは、シグマ相の生成です。これは脆い金属間化合物であり、機械的特性や耐食性が重大に低下する原因となります。シグマ相生成のための臨界的な時間-温度領域を理解し、その領域を避けることは、単なる技術的詳細にとどまらず、部品の健全性と安全性を確保するために不可欠です。

本ガイドは、二相系ステンレス鋼の熱処理中にシグマ相脆化を回避するための実用的かつ実行可能なフレームワークを提供します。

シグマ相問題：なぜ重要なのか

シグマ（σ）相は、クロムとモリブデンを豊富に含む硬く脆い化合物です。この相の生成により、周囲の母材からこれらの重要な合金元素が枯渇し、鋼材本来の耐食性が損なわれます。機械的特性においても、シグマ相がわずかであっても、シャルピー衝撃値や延性が著しく低下します。

シグマ相による脆化の影響は深刻です：

• 破壊の発生 ：部品が衝撃荷重や衝撃によって突然破壊する可能性があります。

• 早期腐食 ：腐食性環境において、配管、容器、継手の破損が発生します。

• 高コストなロットの廃却 ：熱処理された全ロットを廃棄または再処理する必要が生じることがあります。

生成領域：危険が潜む場所

シグマ相は瞬時に、あるいは全温度域で生成されるわけではありません。通常、次のようなごく特定の核生成・成長領域（温度と時間）内で生成されます。 約600°Cから1000°C（1112°F - 1832°F） 。この範囲内でも、リスクは均一ではありません。

• 最大生成温度域 ：最も急速な生成は 750°Cから950°C（1382°F - 1742°F） の間で起こります。この「コーラン（鼻）」領域への、時間-温度-変態（TTT）曲線における暴露は極めて危険です。

• 時間依存性 ：生成は拡散律速的であるため、これは 時間 と 温度 依存的です。高温に短時間保持するよりも、危険域内で低温に長時間保持する方が有害である可能性があります。

安全な熱処理の実用ガイドライン

シグマ相を避けるための主要な方法は熱処理条件の厳密な管理であり、一般的な第一段階は 溶液焼成 .

1. 固溶化焼入れ：必須のリセット

この工程では、以前の加工（例えば、溶接、熱間加工）中に形成された可能性のある二次相（シグマ相など）を溶解し、バランスの取れたオーステナイト・フェライトの1対1の微細組織に戻します。

• 温度 加熱温度を、すべての二次相を溶解するのに十分な高さまで上げます。一般的には 1020°C から 1100°C（1868°F - 2012°F） 標準的な2205系二相鋼の場合。正確な温度は特定の鋼種と化学組成によって異なります。

• 浸漬時間 一定時間、その温度に保持して均一で析出物のない微細組織にします。一般的には 厚み1インチにつき15分から1時間 .

• 冷却 これが最も重要な工程です。材料をシグマ相の析出温度域（600°C以下）を通過する際に再析出を防ぐために 早く 冷却する必要があります。

  • 方法 : 水焼入れ は、ある程度の大きさがある部分には最も効果的で推奨される方法です。薄い部分については、強制空冷焼入れで十分な場合があります。

2. 臨界域への再入の回避

固溶化焼なまし後、その後に行われる熱処理は慎重に管理する必要があります。

• 応力除去 ：炭素鋼における標準的な応力除去処理（～600〜650°C）は、σフェーズ生成領域に直接該当するため、 二相鋼には不適切です 。応力除去がどうしても必要な場合は、臨界域を急速に通過してそれより高い温度（例えば～1050°C）まで加熱し、ごく短時間保持した後、再焼入れする高温処理法を用います。これは特殊な処理方法です。

• 溶接および熱間作業 これらの工程では、局部的な熱影響部（HAZ）が形成され、避けられない形で脆化を生じる危険な温度域を通過します。重要なのは、熱入力およびパス間温度（2205では最大約100°C／212°F）を管理して、この危険な温度域での滞在時間を最小限に抑えることです。溶接後の微細構造は、多くの場合評価を要します。

検出と改善：確認と対策の方法

• 検出 :

  • 衝撃試験 破壊靭性の低下を直接測定する方法です。衝撃試験に不合格した場合、脆化が生じている明確な兆候です。

  • 金属組織学 最も一般的な方法です。試料を研磨およびエッチングして微細構造を顕微します。σ相はフェライト／オーステナイト界面に現れ、明るく塊状の島として観察されます（例となる顕微組織写真を参照）。

  • 電気化学試験 dL-EPR（二重電位動電流反応法）などの技術により、σ相によって生じたクロム貧化領域を検出できます。

• 改善策 :

  • Σ相が検出された場合、 信頼できる唯一の改善策は、完全な固溶化熱処理を行うことです。 その後、急冷することが必要です。

  • 注記 一度生成されたシグマ相は溶解が困難です。正しい高温で十分な均熱時間を持って溶液化熱処理を実施する必要があります。

オペレータとエンジニアのための重要なポイント

1. 許容範囲を把握する ：以下の重要な範囲を 600-1000°C (1112-1832°F) 覚えています。この範囲内で金属を保持する操作はすべて高リスクとして扱います。

2. 冷却ではなく急冷する ：あらゆる高温工程の後は 水で急冷し 析出範囲を迅速に通過させます。炉内や作業台で部品を自然冷却させないでください。

3. 適切でない応力除去を避ける ：炭素鋼のために設計された低温応力除去工程を使用しないでください。

4. 検証と適格性の確認 ：機械的試験（特に衝撃靭性試験）および微細組織分析を用いて熱処理工程の適格性を確認してください。定期的に工場の作業工程を監査すること。

TTT線図に記載された重要範囲を厳守し、時間と温度を精密に管理することにより、製造業者は高価格かつ危険なシグマ相脆化の問題を確実に回避し、二相系ステンレス鋼部品の優れた性能を保証することができます。