CN104024458A - 铁素体系不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供焊接部的耐腐蚀性优良以及耐焊接裂纹性优良的铁素体系不锈钢，一种铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量％计含有C：0.001～0.030％、Si：0.03～0.80％、Mn：0.05～0.50％、P：0.03％以下，S：0.01％以下，Cr：19.0～28.0％、Ni：0.01％以上且小于0.30％、Mo：0.2～3.0％、Al：大于0.15％且1.2％以下、V：0.02～0.50％、Cu：小于0.1％、Ti：0.05～0.50％、N：0.001～0.030％，设定Nb：小于0.05％，满足下述式(1)，余量由Fe和不可避免的杂质构成，Nb×P≤0.0005··(1)，式中的元素符号表示各元素的质量％含量。

Description

铁素体系不锈钢
技术领域
本发明涉及一种铁素体系不锈钢(ferritic stainless steel)，其在通过焊接进行结构体的制作的用途、例如消音器等汽车排气系统材料、电热水器的储热水用罐体材料、门窗、换气口、管道等建筑用材料等中不易引起焊接部的敏化(sensitization)，并且焊接部的回火色(tempercolor)的耐腐蚀性优良，并且不易引起进行双重焊接后的焊缝(weldingbead)的焊接裂纹(weld crack)。
背景技术
与奥氏体系不锈钢(austenitic stainless steel)相比，铁素体系不锈钢由于对耐腐蚀性的性价比高、热导率(heat thermal conductivity)良好、热膨胀系数(coefficient of thermal expansion)小、不易产生应力腐蚀裂纹(Stress Corrosion Cracking)等各种优良的特性，被用于汽车排气系统构件、屋顶、门窗等的建筑材料、厨房、储水箱、储热水箱等水暖卫浴用材料等广泛用途。
在制作这些结构物时，大多在将不锈钢钢板切割、成形为适当的形状后，通过焊接进行接合。但是，对于铁素体系不锈钢而言，在3张板接合的部位或者圆周焊接的起始端和终端等焊缝上再次进行焊接的双重焊接部中，有时会产生焊接裂纹。随着焊接部件的形状的复杂化，这样的双重焊接部增加，焊接裂纹的产生成为问题。
另外，双重焊接部不平坦，将在表面存在氧化皮的部分再次焊接，因此，在焊缝中容易进入氧气和氮气等，也存在耐腐蚀性容易降低的问题。但是，现有技术中，还没有发现提及该双重焊接部的问题的见解。
专利文献1中公开了一种耐腐蚀性以及焊接性优良的铁素体系不锈钢。其是通过添加Mg和使S含量适当来同时实现耐腐蚀性和焊接的熔透性的铁素体系不锈钢，但关于双重焊接部的裂纹和耐腐蚀性完全没有提及。实际上，在对专利文献1中公开的铁素体系不锈钢进行焊接时，有时会在双重焊接部产生裂纹。
专利文献2中公开了一种焊接性优良的铁素体系不锈钢。但是，其是焊接的熔透性和焊接后的加工性得到改良的铁素体系不锈钢，并没有提及焊接裂纹等双重焊接部的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-246105号公报
专利文献2：日本特开2009-91654号公报
发明内容
发明所要解决的问题
鉴于现有技术所具有的如上所述的问题，本发明的目的在于，提供一种铁素体系不锈钢，在铁素体系不锈钢的焊接中进行双重焊接时，不易引起焊接部的敏化，并且焊接部的回火色的耐腐蚀性优良，并且不易引起焊缝的焊接裂纹。
用于解决问题的方法
本发明中，为了解决上述课题，对于各种元素对双重焊接中的焊接裂纹带来的影响进行了深入的研究。需要说明的是，双重焊接是指对相同部位进行2次或多次焊接。双重焊接部是指，例如在圆周上焊接时的焊接起始端与终端的焊缝的重叠部分、十字焊接时的焊缝的重叠部分等、通过双重焊接反复进行2次以上熔化、凝固的过程的部分及其周边。
切出通过双重焊接发生焊接裂纹的部分，通过SEM(ScanningElectron Microscope)观察断裂面。在断裂面上确认到膜状的Nb的析出(precipitation)。作为比较，切出没有发生焊接裂纹的部分，进行通过SEM的观察时，无法确认到如上述断裂面上可见的膜状的Nb的析出物。可以认为膜状的Nb的析出对于焊接裂纹的发生产生影响。
考察各种成分对双重焊接部的焊接裂纹产生的影响，结果可知，P以及Nb的含量少的钢中，不会引起焊接裂纹。在各种铁素体系不锈钢上通过堆焊(bead on plate)进行十字焊接，用光学显微镜确认双重焊接部的焊接裂纹的有无。将结果示于图1。图1中，○为没有确认到焊接裂纹的情况，×为确认到焊接裂纹的情况。可知在Nb小于0.05％、P为0.03％以下、Nb×P为0.0005以下的范围内，不会引起焊接裂纹。
可知通过降低Nb含量将防止焊接裂纹。但是，Nb是对抑制焊缝的敏化有效的元素，因此，通过降低Nb有可能容易引起敏化。另外，双重焊接部的表面不平坦，形成氧化皮，因此，在焊缝中容易进入杂质，是对敏化不利的焊接条件。因此，考察了各种元素对焊缝的敏化产生的影响。其结果可知，除了Nb之外，V和Al对抑制焊接部的敏化有效。这可以认为是由于，V和Al分别形成VN、AlN，由此抑制Cr氮化物(Cr nitride)的形成。
另外，在焊缝上形成被称为回火色的氧化被膜(oxide layer)，由此，与敏化同样地引起贫Cr，耐腐蚀性降低，因此，评价了各种元素对回火色的耐腐蚀性产生的影响。其结果，Si、Al、Ti在回火色富集，由此形成致密的保护性良好的氧化被膜。而且发现，由焊接产生的氧化量得到抑制，由氧化引起的贫Cr得到抑制，因此，只要Si、Al、Ti的含量适当，则焊缝的耐腐蚀性提高。
本发明是基于上述见解进一步进行研究而完成的，本发明的要点如下。
[1]一种铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量％计含有C：0.001～0.030％、Si：0.03～0.80％、Mn：0.05～0.50％、P：0.03％以下，S：0.01％以下，Cr：19.0～28.0％、Ni：0.01％以上且小于0.30％、Mo：0.2～3.0％、Al：大于0.15％且1.2％以下、V：0.02～0.50％、Cu：小于0.1％、Ti：0.05～0.50％、N：0.001～0.030％，设定Nb：小于0.05％，满足下述式(1)，余量由Fe和不可避免的杂质构成，
Nb×P≤0.0005··(1)
式中的元素符号表示各元素的质量％含量。
[2]如[1]所述的铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量％计进一步含有选自Zr：1.0％以下、W：1.0％以下、REM：0.1％以下、Co：0.3％以下、B：0.1％以下中的一种以上。
发明效果
根据本发明，能够得到一种铁素体系不锈钢，其在进行双重焊接时，不易引起焊接部的敏化，并且焊接部的回火色的耐腐蚀性优良、且不易引起焊缝的焊接裂纹。
附图说明
图1是说明Nb含量和P含量对双重焊接部的焊接裂纹产生的影响的图。
图2是十字焊接的示意图。
具体实施方式
以下，对本发明的构成要素的限定原因进行说明。
1.关于成分组成
首先，对规定本发明钢的成分组成的原因进行说明。需要说明的是，成分％均表示质量％。
C：0.001～0.030％
C是钢中不可避免地含有的元素。如果C量多则强度提高，如果C量少则加工性提高。为了得到充分的强度，含有0.001％以上是适当的。如果大于0.030％，则加工性显著下降，而且会析出Cr碳化物，容易因局部的贫Cr而导致耐腐蚀性的降低。因此，将C量设定为0.001～0.030％的范围。优选为0.002～0.018％的范围。进一步优选为0.002～0.010％的范围。
Si：0.03～0.80％
Si是对脱氧有用的元素，在本发明中，是与Al、Ti一起富集在焊接所形成的回火色中而使氧化被膜的保护性提高、使焊接部的耐腐蚀性良好的重要元素。通过0.03％的添加，能够得到该效果。然而，如果添加超过0.80％，则加工性显著下降，成形加工变得困难。因此，将Si量设定为0.03～0.80％的范围。更优选大于0.30％且0.80％以下的范围。进一步优选0.33～0.50％的范围。
Mn：0.05～0.50％
Mn是钢中不可避免地含有的元素，具有提高强度的效果。通过0.05％以上的添加，能够得到该效果，但超过0.50％的添加会促进作为腐蚀起点的MnS的析出，导致耐腐蚀性下降，因此，将Mn量设定为0.05～0.50％的范围。优选为0.08～0.40％的范围。
P：0.03％以下
P是钢中不可避免地含有的元素，过量的含有导致焊接性下降，容易产生晶间腐蚀。另外，本发明中发现，P的增加会使双重焊接部的焊接裂纹发生。由于P的增加，铁素体系不锈钢的凝固温度降低，由此，Nb碳氮化物从液相中析出，形成膜状，妨碍在凝固的过程中的熔池的流动，阻碍晶粒的形成，因此可以认为，在P的含量多的铁素体系不锈钢中容易发生焊接裂纹。双重焊接中，焊接裂纹的倾向变得更加显著，可以认为是因为由于反复进行熔化、凝固的过程，Nb进一步富集而变得容易析出。P的含量大于0.03％时，对焊接裂纹的影响变显著。由此，将P的含量设为0.03％以下。优选0.025％以下。
S：0.01％以下
S是钢中不可避免地含有的元素，但大于0.01％时，促进CaS和MnS等水溶性硫化物的形成，使耐腐蚀性降低。由此，S量设为0.01％以下。更优选0.006％以下。进一步优选0.003％以下。
Cr：19.0～28.0％
Cr是用于确保不锈钢耐腐蚀性的最重要的元素。低于19.0％的添加时，在因焊接产生的氧化而导致表层的Cr减少的焊缝或其周边无法获得充分的耐腐蚀性。另一方面，如果添加超过28.0％，则加工性、制造性下降，因此将Cr量设定为19.0～28.0％的范围。优选为21.0～26.0％的范围。更优选为21.0～24.0％的范围。
Ni：0.01％以上且小于0.30％
Ni是提高不锈钢耐腐蚀性的元素，并且是在无法形成钝化被膜而产生活性溶解的腐蚀环境下抑制腐蚀进行的元素。通过0.01％以上的添加，能够得到该效果。然而，在添加0.30％以上时，导致加工性下降，而且由于是昂贵的元素，因而导致成本增加。因此，将Ni量设定为0.01％以上且小于0.30％的范围。优选为0.03～0.24％的范围。进一步优选为0.03％以上且小于0.15％的范围。
Mo：0.2～3.0％
Mo是促进钝化被膜的再钝化、提高不锈钢耐腐蚀性的元素。通过与Cr一同含有，该效果更加显著。通过0.2％以上的添加，能够得到由Mo所产生的耐腐蚀性提高效果。然而，如果大于3.0％，则强度增加，轧制负荷变大，因此制造性下降。因此，将Mo量设定为0.2～3.0％的范围。优选为0.6～2.4％的范围。进一步优选为0.6～2.0％的范围。更进一步优选0.8～1.3％的范围。
Al：大于0.15％且1.2％以下
Al是对脱氧有用的元素，在本发明中，是与Si、Ti一起富集在焊接所形成的回火色中而提高焊接部的耐腐蚀性的元素。此外，与氮的亲和力大于Cr的Al形成AlN，阻碍了Cr氮化物的形成，因此，也是抑制焊缝敏化的元素。通过大于0.15％的添加，能够得到该效果。然而，如果添加超过1.2％，则铁素体晶粒增大，加工性、制造性下降。因此，将Al量设定为大于0.15％且1.2％以下的范围。优选为0.17～0.8％的范围。
V：0.02～0.50％
V是提高耐腐蚀性、加工性的元素，是不易引起焊接裂纹的元素。另外，也是通过与氮键合形成VN而抑制焊接部的敏化的元素。已知Nb与Ti的复合添加对焊接部的敏化抑制有效，但本发明中，为了防止双重焊接部的焊接裂纹，需要抑制Nb的含量。但是，单独添加Ti时，有时不能得到充分的敏化抑制效果。因此，添加V和Al来代替Nb对焊接部的敏化抑制有效。在添加0.02％以上时，能够得到该效果。但是，添加超过0.50％时，加工性反而降低。由此，V的含量设为0.02～0.50％的范围。优选0.03～0.40％的范围。
Cu：小于0.1％
Cu是不可避免含有的杂质，但在具有本发明的Cr含量、Mo含量的耐腐蚀性优良的铁素体系不锈钢中，具有增大钝化维持电流而使钝化被膜不稳定、从而导致耐腐蚀性下降的作用。当Cu量为0.1％以上时，该耐腐蚀性降低作用变得显著。因此，将Cu量设定为小于0.1％。
Ti：0.05～0.50％
Ti是优先与C、N结合而抑制因Cr碳氮化物的析出所导致的耐腐蚀性下降的元素。在本发明中，是用于抑制焊接部的敏化的重要元素，此外，还是与Si、Al一同复合地富集在焊接部的回火色中而提高氧化被膜的保护性的元素。当添加0.05％以上时，能够得到该效果。然而，如果添加超过0.50％，则加工性下降，并且Ti碳氮化物粗大化，引起表面缺陷。因此，将Ti量设定为0.05～0.50％的范围。优选为0.08～0.38％的范围。进一步优选为0.25～0.35％的范围。
N：0.001～0.030％
N与C同样是在钢中不可避免地含有的元素，具有通过固溶强化而提高钢强度的效果。当其为0.001％以上时，能够得到该效果。然而，在析出Cr氮化物的情况下，会导致耐腐蚀性下降，因此添加0.030％以下是适当的。因此，将N量设定为0.001～0.030％的范围。优选为0.002～0.018％的范围。进一步优选0.007～0.011％的范围。
Nb：小于0.05％
Nb是通常优先与C、N结合而抑制因Cr碳氮化物的析出所导致的耐腐蚀性下降的元素，但在双重焊接部析出成膜状，因此是引起双重焊接部的焊接裂纹的元素，其添加量越低越优选。添加0.05％以上时焊接裂纹变显著。由此，Nb量设为小于0.05％。优选小于0.02％。
Nb×P：0.0005以下
需要说明的是，式中的元素符号表示各元素的质量％含量。
由于在双重焊接部析出膜状的Nb，发生焊接裂纹。Nb的析出主要依赖于Nb的含量与P的含量的乘积，如图1所示，Nb×P大于0.0005时，焊接裂纹变显著。由此，Nb×P设为0.0005以下。
以上是本发明的基本化学成分，余量由Fe和不可避免的杂质构成，为了进一步提高耐腐蚀性、韧性，还可以添加Zr、W、REM、Co、B作为选择元素。
Zr：1.0％以下
Zr与C、N结合而具有抑制敏化的效果。通过0.01％以上的添加，能够得到该效果。然而，过量的添加会导致加工性下降，而且由于Zr是非常昂贵的元素，因此还会导致成本增加。因此，在添加Zr时，优选将Zr量设定为1.0％以下。进一步优选为0.2％以下。
W：1.0％以下
W与Mo同样具有提高耐腐蚀性的效果。通过0.01％以上的添加，能够得到该效果。然而，过量的添加会导致强度上升，使制造性下降。因此，在添加W时，优选将W量设定为1.0％以下。进一步优选为0.5％以下。
REM：0.1％以下
REM(稀土元素)提高抗氧化性，抑制氧化皮的形成，并且抑制在焊接部的回火色正下方的贫Cr区域的形成。通过0.001％以上的添加，能够得到该效果。然而，过量的添加会导致酸洗性等制造性下降，而且会导致成本的增加。因此，在添加REM时，优选将REM量设定为0.1％以下。
Co：0.3％以下
Co是提高韧性的元素。通过0.001％以上的添加，能够得到该效果。然而，过量的添加会导致制造性下降。因此，在添加Co时，优选将Co量设定为0.3％以下。进一步优选为0.1％以下。
B：0.1％以下
B是改善二次加工脆性的元素，为了得到该效果，含有0.0001％以上是适当的。然而，过量含有会因固溶强化而导致延展性下降。因此，在含有B时，优选将B量设定为0.1％以下。进一步优选为0.01％以下。
2.关于制造条件
接着，对本发明钢的优选制造方法进行说明。通过转炉(converterfurnace)、电炉(electric furnace)、真空熔炼炉(vacuum melting furnace)等公知方法熔炼上述成分组成的钢，并通过连铸法(continuous casting)或铸锭(ingot casting)-开坯法(slabbing)制成钢原材(钢坯，slab)。然后，将该钢原材加热至1100～1300℃后，将终轧温度设定为700℃～1000℃、将卷取温度设定为500～850℃来实施热轧，加工成板厚为2.0mm～5.0mm的钢带。将如此制作的热轧钢带(hot rolled strip)在800℃～1200℃的温度下进行退火(anneal)和酸洗(acid picking)，接着，进行冷轧，并在700℃～1000℃的温度下进行冷轧板退火。在冷轧板退火后进行酸洗，除去氧化皮。还可以对除去氧化皮后的冷轧钢带进行表皮光轧。
实施例1
以下，基于实施例对本发明进行说明。
对表1所示的不锈钢进行真空熔炼，在加热至1200℃后，热轧至板厚为4mm，在800～1000℃的范围内退火，通过酸洗除去氧化皮。进而，冷轧至板厚为0.8mm，在800℃～1000℃的范围内退火，并进行酸洗，制成供试材料。
通过堆焊的TIG焊接对所制作的供试材料进行如图2所示的十字焊接。将焊接电流设定为90A，将焊接速度设定为60cm/分钟。关于保护气，在表面侧(焊炬侧)、背面侧均使用100％Ar气，表面侧的流量为15L/分钟，背面侧的流量为10L/分钟。表面侧的焊缝的宽度大约为4mm。
使用光学显微镜，对所制作的焊缝的双重焊接部确认焊接裂纹的有无。将结果示于表2。
[表2]供试材料的性能评价结果
作为发明例的No.1～No.15、No.22、No.23中，没有发生焊接裂纹，但作为比较例的No.16、No.18～No.21中，Nb以及Nb×P在本发明范围之外的No.16、P在本发明范围之外的No.20、Nb×P在本发明范围之外的No.21，确认到焊接裂纹。切出这些焊接裂纹部分，用SEM观察断裂面，结果，在任意样品中均观察到膜状的Nb的析出。
除了确认到焊接裂纹的No.16、No.20、No.21之外，裁取包含所制作的焊缝的双重焊接部的20mm见方的试验片，留出10mm见方的测定面，用密封材料被覆，在赋予由焊接产生的回火色的状态下，在30℃的3.5质量％NaCl溶液中测定孔食电位。没有进行试验片的研磨和钝化处理。其以外的测定方法基于JIS G0577(2005)。测定的孔食电位V’c100示于表2。作为发明例的No.1～No.15、No.22、No.23中，V’c100均达到0mVvs SCE以上，相对于此，作为比较例的No.18～No.19中，V’c100均小于0mV vs SCE，确认了发明例的耐腐蚀性优良。
另外，对于表1的No.1～No.23，裁取包含双重焊接部的焊缝的40×40mm的试验片，以表面侧作为试验面，实施JIS H8502(1999)的中性盐水喷雾循环试验(neutral salt spray cyclic corrosion test)。循环数设为3次循环。试验后，通过目视确认焊缝的腐蚀的有无。将结果示于表2。作为发明例的No.1～No.15、No.22、No.23中，均未确认到腐蚀，相对于此，作为比较例的No.16、No.18～No.21中均确认到腐蚀。确认了发明例的焊缝的耐腐蚀性优良。
产业上的可利用性
本发明的铁素体系不锈钢适合用于通过焊接进行结构体的制作的用途、例如消音器等汽车排气系统材料、电热水器的储热水用罐体材料或门窗、换气口、管道等建筑用材料等。

Claims (2)

1.一种铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量％计含有C：0.001～0.030％、Si：0.03～0.80％、Mn：0.05～0.50％、P：0.03％以下，S：0.01％以下，Cr：19.0～28.0％、Ni：0.01％以上且小于0.30％、Mo：0.2～3.0％、Al：大于0.15％且1.2％以下、V：0.02～0.50％、Cu：小于0.1％、Ti：0.05～0.50％、N：0.001～0.030％，设定Nb：小于0.05％，满足下述式(1)，余量由Fe和不可避免的杂质构成，
Nb×P≤0.0005··(1)
式中的元素符号表示各元素的质量％含量。
2.如权利要求1或2所述的铁素体系不锈钢，其特征在于，以质量％计进一步含有选自Zr：1.0％以下、W：1.0％以下、REM：0.1％以下、Co：0.3％以下、B：0.1％以下中的一种以上。
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