JP2000319729A - 熱疲労特性および高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents
熱疲労特性および高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼の製造方法Info
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Abstract
−Cr−Al系フェライト系ステンレス鋼の製造方法。 【解決手段】 重量%で、C:0.03%以下、Si:
0.5%未満、Mn:0.5%以下、P:0.04%以
下、S:0.003%以下、Cr:15〜20%、N:
0.03%以下、Al:3〜5%、Nb:0.1%超え
0.3%以下を含有し、Ti:0.1%超え0.3%以
下を含有し、必要に応じて、希土類元素の1種又は2種
以上を合計で0.01〜0.20%、残部がFeおよび
不可避的不純物からなるFe−Cr−Alフェライト系
ステンレス鋼において、冷間圧延および焼鈍を施した鋼
帯に圧延率0.3%以上1.0%以下に相当する加工ひ
ずみを付与することを特徴とする。
Description
等の高温機器の高温に曝される部位で使用される熱疲労
特性および耐高温変形性に優れたFe−Cr−Alフェ
ライト系ステンレス鋼に関する。
ス鋼は、非常に優れた耐高温酸化性を有しており、電熱
器の発熱体やストーブの燃焼筒等、高温に曝される部位
の材料に使用されている。Fe−Cr−Alフェライト
系ステンレス鋼が優れた耐高温酸化性を示すのは、高温
下で材料表面に主にAl酸化物からなる強固で緻密な酸
化皮膜を形成し、これが酸化に対して保護層の役割をす
るからである。
化、低公害化、あるいは、熱容量の増大に伴い、燃焼機
器の高温部位の温度が上昇する傾向にある。また、部品
によっては複雑な形状が要求される高温部位では、耐高
温酸化性に優れた従来のFe−Cr−Alフェライト系
ステンレス鋼でも、要求特性を十分満たすものとは言え
なくなってきた。
れて、高温酸化の問題だけでなく、「材料の変形」の問題
が顕在化してくる。つまり、高温に曝されたのち、常温
に戻され、再び高温に曝されるといった、加熱・冷却の
サイクルが繰り返されるうちに材料は次第に変形し、常
温における初期の形状が維持できなくなる。このような
変形は、高温では一般に材料強度が低下するうえに、酸
化皮膜の成長によって材料表面に不均一な応力が生じる
ために起こるものと考えられる。
つその一部が局所的に加熱される部材では、部品の加熱
・冷却の繰り返しによって、加熱部周辺の比較的温度の
低い部分においても熱疲労破壊をおこしてしまうことが
ある。これは、部品が局所的に加熱されることにより、
構造によっては、温度の低い部分にもひずみが集中する
ためと考えられる。このような材料の変形が大きくなる
と、外観上の見栄えを劣化させるだけではなく、機能上
のトラブルを誘発させることにもなる。
が低下し、酸化特性が重視される温度域(フェライト系
ステンレス鋼では、概略700℃以上であり、以下高温
域と称す)においては、高温強度を改善する元素の添加
が有効であると考えられる。したがって、「高温域」での
「材料の変形の問題」に対しては、耐高温酸化性に有害と
ならない合金元素を適量添加すれば良いことになる。し
かしながら、単に合金元素の添加を行うだけでは、、加
熱部周辺の比較的温度の低い領域(700℃未満であ
り、以下中温域と称す)での「材料の変形の問題」は解消
されていない。これは、中温域の高温強度を顕著に改善
するためには合金元素の微量添加では不十分なこと、合
金元素を多量に添加すると、Fe−Cr−Alフェライ
ト系ステンレス鋼の耐高温酸化性および靭性を損なうこ
となどの理由による。
イト系ステンレス鋼の中温域および高温域の両方の高温
強度を改善し、繰り返し加熱・冷却環境に曝される部位
で使用されても「材料の変形の問題」を起こしにくく、か
つ、耐高温酸化性にも優れたFe−Cr−Alフェライ
ト系ステンレス鋼の製造性を提供するものである。
見に基づいて達成されたものである。 Fe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼におい
て、Nbを合金元素として特定量含有させると「高温域」
での材料の変形が抑制される。 材料に特定量の加工ひずみを付与すると、「中温域」で
の材料の変形が抑制される。 材料の加工性を大きく損なわず「中温域」および「高温
域」での材料の変形が抑制できる。
0.03%以下、Si:0.5%未満、Mn:0.5%
以下、P:0.04%以下、S:0.003%以下、C
r:15〜20%、N:0.03%以下、Al:3〜5
%、Nb:0.1〜0.3%以下、Ti:0.1〜0.
3%以下、および希土類元素の1種もしくは2種以上を
合計で0.01〜0.2%を含有し、残部がFeおよび
不可避的不純物からなるFe−Cr−Alフェライト系
ステンレス鋼において、冷間圧延および焼鈍を施した鋼
帯に、圧延率0.3%以上1.0%以下に相当する加工
ひずみを付与することを特徴とする熱疲労特性および耐
高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェライト系ステ
ンレス鋼の製造方法によって構成される。
いて説明する。
い添加元素である。適量のNbは、鋼中のCやNと結合
して鋼の靭性を改善し、また、鋼の高温強度を向上させ
る作用を呈することは周知のとおりである。本発明にお
いてもNbのこのような作用は有益である。しかし、本
発明では、それらの作用は副次的なものであり、むしろ
別の観点からNbの含有を必要とする。すなわち、Nb
にはFe−Cr−Al系鋼の高温での材料の変形を防止
する働きがあることが明らかになり、本発明ではその作
用を利用する。この高温での変形を防止する作用が現れ
る理由は、Nbは酸化皮膜の生成過程において、鋼素地
に対して垂直方向の酸化物成長を促すこと、換言すれば
鋼素地に対して水平方向への酸化物成長を抑制すること
により、鋼素地と酸化皮膜の界面で生じる応力が緩和さ
れるためであると推測される。また、Nbを添加すると
高温強度が向上し、酸化皮膜の成長過程での材料の変形
が抑えられることも一因であると考えられる。このよう
なNb添加の効果を得るためには、0.1%を越えて含
有させる必要がある。しかし、多量のNbは却って耐高
温酸化性や靭性を劣化させるが、後述のようにSi,M
nおよびNの含有量を低減することによって、本発明で
は0.3%までのNbの含有を許容することができる。
と、材料表面でのTi酸化物の生成が抑えられるので、
Ti添加鋼で問題となる酸化皮膜の隆起が少なくなり、
その結果、発生するひずみが抑制され、Ti無添加鋼の
場合とほぼ同様に材料の変形を防止することが可能にな
る。
ス鋼においては、酸化皮膜中にSi酸化物を生成させ、
緻密なAl酸化物層の形成を阻害する要因になる。この
ため、耐高温酸化性を劣化させる方向に作用する。ま
た、Siは、フェライト系ステンレス鋼の靭性を劣化さ
せる元素でもある。本発明では、熱疲労を防止する観点
からNbの比較的多量の含有を必要とし、それによって
生じる耐高温酸化性や靭性への悪影響を何らかの方法で
解消しなくてはならない。種々検討の結果、これらの特
性を劣化させるSiの含有量を後述のMn,Nとともに
低減することで、Nbによる耐高温酸化性・靭性への悪
影響が電熱器やストーブ等の耐熱用途で使用するうえで
十分回避できることが明らかになった。そのために、S
i含有量は0.5%未満に規制する必要がある。
ス鋼の酸化皮膜中にMn酸化物を生成させて、緻密なA
l酸化物層の形成を阻害し、Siと同様、耐高温酸化特
性を劣化させる方向に作用する。Nbによる耐高温酸化
性への悪影響を回避するためには、Siおよび後述のN
の低減とともに、Mn含有量を0.5%以下に低減しな
くてはならない。
してAlを消費し、このAlNが高温使用時における異
常酸化の起点になり、耐高温酸化性に悪影響を及ぼすこ
とになる。Nbによる耐高温酸化性への悪影響を回避す
るためには、SiおよびMnの低減とともに、N含有量
を0.03%以下に低減する必要がある。
常酸化を起こしやすくする。また、多量のC含有は高A
l含有フェライト系ステンレス鋼のスラブやホットコイ
ルの靭性を劣化させ、製造性の低下を招く。このため、
C含有量は0.03%以下に抑えることが望ましい。
悪影響を及ぼすので、その含有量を0.04%以下に抑
えるのがよい。
きるだけ低減することが望ましい。本発明の耐熱用途で
は0.01%以下に制限する必要があるが、希土類元素
を含有する場合には特に注意を要する。すなわち、Sは
鋼中の希土類元素と結合して非金属介在物を生成し、耐
高温酸化性に有効な希土類元素の実質的有効量を低下さ
せる。しかも、その非金属介在物は鋼板の表面性状を劣
化させる原因になる。したがって、S含有量は0.03
%以下に制限する必要がある。
して基本的かつ重要な元素であり、良好な耐高温酸化性
を得るためには15%以上の添加が必要である。しか
し、過剰の添加はスラブやホットコイルの靭性を劣化さ
せる。したがって、Cr含有量は15〜20%に制限す
る必要がある。
に極めて重要な元素である。優れた耐高温酸化性は、鋼
板表面に形成される緻密なAl酸化物層によって得ら
れ、この層を形成させるには少なくとも2%以上のAl
含有が必要であり、できれば3%以上の含有が望まし
い。しかし、Alを過剰に含有させるとスラブやホット
コイルの靭性が劣化するので、上限を5%に制限する必
要がある。
た、材料表面に形成された酸化皮膜の密着性を高めるの
に非常に有効である。これらの作用を本発明で対象とす
る耐熱用途において十分発揮させるためには0.1%を
超えるTi添加が望ましい。しかし、Tiを過剰に添加
すると、酸化皮膜最表層部にTi酸化物が濃化し、酸化
皮膜が隆起してひずみが発生して高温での鋼の変形の原
因となる。本発明では、このようなTiの弊害は、前述
のようにNb添加によって解消されるのであるが、その
Nbの効果は、Ti含有量が0.3%以下の範囲で発現
される。
面に形成されるAl酸化皮膜を安定化させ、また、鋼素
地と酸化皮膜との密着性を改善することにより、鋼板の
耐高温酸化性を向上させる。このような効果は、希土類
元素の1種または2種以上を合計で0.01%以上含有
させることによって有効に現れる。しかし、過剰に含有
させると、熱間加工性や靭性が劣化するだけでなく、異
常酸化の起点になる介在物が生成し易くなり、却って耐
高温酸化性が低下することにもなる。このため、希土類
元素の含有量は合計で0.2%以下に抑えることが望ま
しい。本発明においては、希土類元素の種類を特に区別
する必要はなく、合計量が規定範囲にあればよい。した
がって、希土類元素の原料としてはミッシュメタルが利
用できる。
での高温強度の改善に必要不可欠な要素である。素材に
加工ひずみを付与することで、常温〜700℃未満の中
温域での耐力を向上させることができる。しかし、過剰
の加工ひずみの導入は、材料本来の伸びすなわち加工性
を低下させることになる。したがって、加工性を損なわ
ずに、中温強度を保つ必要がある。そこで、適正な加工
ひずみ量を明確にするために、圧延率を種々変化させた
鋼を用い、中温域での高温強度と加工性(室温での延
性)を調査した。
冷延焼鈍板を用い、種々の圧延率で冷間圧延を行った後
の500℃の0.2%耐力と、室温の伸びを示している。な
お、板の製造方法および試験方法は、後述する実施例と
同様である。図1の結果から、圧延率の増加にともな
い、500℃の0.2%耐力は上昇し、室温の伸びは低下する
傾向にある。しかもその傾向は、前者は圧延率が0.3%以
上から、また後者は圧延率が1.0%を超えるとそれぞれ顕
著になる。したがって、圧延率が0.3%〜1.0%の範囲の加
工ひずみを付与すると、中温域(500℃)での高温強度
を改善し、なおかつ室温の延性(伸び)を損なわないこ
とがわかる。
は、圧延率に換算して0.3%〜0.8%とした。なお、ここで
の加工ひずみは、圧延率で記載しているが、加工方法が
制約されるわけでなく、圧延、引張り、曲げおよびこれ
らの複合などのいずれによって付与してもよい。
間圧延を施した後、焼鈍および冷間圧延を繰り返して、
研磨仕上げをした後、調質圧延を施し、板厚1mmの板
材を製造した。なお、希土類添加は、ミッシュメタルで
行った。得られた板材から、JISG0567に準拠し
て高温引張り試験片を作製し、室温、500℃および700℃
にて、0.2%耐力までの引張り速度0.3%/min、破断までの
速度を3mm/minの条件で高温引張り試験を実施した。
2.0μmとなるよう平滑にしたのち、25×35mmの高温酸
化試験片を作製した。ここで、RaとはJIS B 0601に規定
される中心線平均粗さ、Rzとは各試験片のJIS B 0601に
規定される10点平均粗さを意味する。酸化試験は、炉内
加熱1000℃×30分、炉外放冷10分を1サイクルして、加熱・
冷却の繰り返しを1000サイクル実施した。酸化試験後に、酸
化増量および変形量の測定を行った。なお、次のように
して求めた。すなわち、試験片を定盤の上に置き、最大
高さを求めて、最大高さ−板厚(1mm)の値を平坦度と
し、「酸化試験前の平坦度」−「酸化試験後の平坦度」
の値を変形量(mm)とした。これらの結果を表2にあわせ
て示す。
(表1の発明鋼)において、加工ひずみ量が規定範囲内
になるように付与したもの(表2の発明例)は、いずれ
も室温での加工性、中温域および高温域での高温強度お
よび高温酸化特性が良好である。
ように圧延率が小さい場合には中温域での高温強度が、
例No.14、16、18に見られるように圧延率が大きい場合
には室温での加工性が劣っている。とくに、例No.13〜1
6のように発明鋼であっても、圧延率が本発明で規定す
る範囲を外れると目標とする中温強度や加工性が得られ
ないことから、加工ひずみの付与は非常に重要であるこ
とが分かる。一方、例No.17、18は、Nbの含有量が本発
明規定範囲を外れて大きいものであるため、高温域(70
0℃)での強度は良好であるものの、高温酸化特性に劣
っている。さらに、例19〜23に示すように、圧延率は本
発明に規定する範囲であっても、Nb含有量が規定範囲か
ら外れるため、高温域での強度および高温酸化特性に劣
っている。
r−Alフェライト系ステンレス鋼は、優れた耐酸化性
を有し、なおかつ、広い温度範囲での加熱・冷却の繰り
返しによる材料の熱疲労特性にも優れるものである。し
たがって、本発明方法を使用すれば、耐熱機器の耐久性
が向上し、さらに製品の外観上の見栄えも長期にわたっ
て初期の優れた状態が維持される。
す圧延率の影響。
Claims (3)
- 【請求項1】 重量%で、C:0.03%以下、Si:
0.5%未満、Mn:0.5%以下、P:0.04%以
下、S:0.003%以下、Cr:15〜20%、N:
0.03%以下、Al:3〜5%、Nb:0.1%超え
0.3%以下、Ti:0.1%超え0.3%以下を含有
し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるFe−C
r−Alフェライト系ステンレス鋼において、冷間圧延
および焼鈍を施した鋼帯に圧延率0.3%以上1.0%
以下に相当する加工ひずみを付与することを特徴とする
熱疲労特性および耐高温酸化性に優れたFe−Cr−A
lフェライト系ステンレス鋼の製造方法。 - 【請求項2】 重量%で、C:0.03%以下、Si:
0.5%未満、Mn:0.5%以下、P:0.04%以
下、S:0.003%以下、Cr:15〜20%、N:
0.03%以下、Al:3〜5%、Nb:0.1%超え
0.3%以下、Ti:0.1%超え0.3%以下を含有
し、希土類元素を1種又は2種以上合計で0.01〜
0.2%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物か
らなるFe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼にお
いて、冷間圧延および焼鈍を施した鋼帯に圧延率0.3
%以上1.0%以下に相当する加工ひずみを付与するこ
とを特徴とする熱疲労特性および耐高温酸化性に優れた
Fe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼の製造方
法。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載のFe−Cr−
Alフェライト系ステンレス鋼を、冷間圧延および焼鈍
を施した鋼帯に圧延率0.3%以上1.0%以下で調質
圧延して加工ひずみを付与することを特徴とする熱疲労
特性および耐高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェ
ライト系ステンレス鋼の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12366099A JP4341861B2 (ja) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | 熱疲労特性および高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼の製造方法 |
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JP4341861B2 JP4341861B2 (ja) | 2009-10-14 |
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JP12366099A Expired - Fee Related JP4341861B2 (ja) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | 熱疲労特性および高温酸化性に優れたFe−Cr−Alフェライト系ステンレス鋼の製造方法 |
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---|---|
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009167443A (ja) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Nisshin Steel Co Ltd | フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 |
US8500923B2 (en) * | 2003-02-28 | 2013-08-06 | Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation | High aluminum ferritic stainless steel sheet for weight sensor substrate, method for producing the same and weight sensor |
RU2728362C2 (ru) * | 2016-03-24 | 2020-07-29 | Ниппон Стил Стэйнлесс Стил Корпорейшн | ЛИСТ ИЗ СОДЕРЖАЩЕЙ Ti ФЕРРИТНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, ИМЕЮЩЕЙ ХОРОШУЮ УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ, А ТАКЖЕ ФЛАНЕЦ |
CN111922082A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-11-13 | 中北大学 | 铁铝铬热卷的二十辊轧机冷轧方法 |
-
1999
- 1999-04-30 JP JP12366099A patent/JP4341861B2/ja not_active Expired - Fee Related
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US8500923B2 (en) * | 2003-02-28 | 2013-08-06 | Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation | High aluminum ferritic stainless steel sheet for weight sensor substrate, method for producing the same and weight sensor |
JP2009167443A (ja) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Nisshin Steel Co Ltd | フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 |
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