JP2002097553A - 耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】建築構造用部材として重要な耐火特性を付与し
たマルテンサイト系ステンレス鋼材を提供する。 【解決手段】質量％で,C≦0.02,Si≦0.50,Mn≦1.5,P≦
0.030,S≦0.0050,Cr:10.0〜15.0,Ni:0.5〜6.0,Mo:0.3〜
3.0,N≦0.03,Al≦0.15,Ti:0.003〜0.050 を含有し,必要
に応じCu≦3.0,W≦1.0,Sn≦1.0,Nb≦0.05,V≦0.1 の１
種又は２種以上を含有し、更にCa:0.0005 〜0.005%,B:
0.0005〜0.0050% の１種又は２種を含有し、更にNiとMo
の含有量が下式の関係を満たし、残部Fe及び不可避的不
純物からなり、体積分率で10％未満の残留オーステナイ
ト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を有
し、600 ℃の耐力が常温耐力に対し2/3以上とする。 A=[Mo]-4.41[Ni]+22.94≧0

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、板、形鋼、鋼管な
どの建築構造部材として使用される耐火性に優れたマル
テンサイト系ステンレス鋼材に関する。

【０００２】

【従来の技術】火災時の建築物の倒壊や変形を防止する
要請から、建築構造用鋼材には高温強度が必要とされ
る。一般構造用炭素鋼では３００℃以上の高温に曝され
ると急激に強度が低下するため、鋼材表面への重度の耐
火被覆施工などが必要とされてきたが、耐火被覆施工に
は建設コスト増大などの問題があるため、従来より、耐
火被覆を必要としないか必要としても軽度の施工で済む
耐火性に優れた鋼材が要求されてきており、これに対し
て６００℃での降伏強度が常温降伏強度規格値の２／３
以上を保証し、常温の引張強度が４９０Ｍｐａあるいは
５７０Ｍｐａ級の、特開平２−７７５２３号公報に見ら
れるような低合金鋼鋼材が実用化されてきている。

【０００３】高温強度の観点からすれば、この低合金系
耐火鋼で所望の耐火性能は得られるが、低合金系である
ため、防錆性、耐食性が不十分で裸使用は困難であり、
防錆塗装が必須となっている。すなわち、耐火被覆は省
略できても防錆塗装は省略できず、このため施工コスト
が嵩んでいる。

【０００４】無塗装で建築構造に適用できる可能性のあ
る鋼材としては、各種ステンレス鋼が想定されるが、実
際に柱や梁などの建築構造に使用されている鋼材として
は、意匠性などが重視される極く限られた用途でのオー
ステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）を除
けば殆ど見られない。その最大の理由は、構造物に必須
となる強度、靭性と溶接性をバランス良く満たす鋼種が
なかったためであるが、最近では特開平１１−３２３５
０７号公報に見られるように、溶接性に有害なＣを低減
してＮｉを添加したマルテンサイト系ステンレス鋼を建
築構造用材料に展開する技術が提唱されてきている。し
かしながら、前述の耐火性の要請に対して回答を与える
技術には至っていない。

【０００５】また、建築用途以外の分野では、例えばラ
インパイプにおいて、特開平９−３１６６１１号公報に
見られる溶接性、耐食性に優れ、パイプラインとして十
分な高温強度を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材
が提案されてきている。しかしながら、パイプラインで
定義される高温は１００ないし１５０℃程度であり、建
築用耐火鋼材で規定される６００℃に比べると遥かに低
い。

【０００６】したがって、無塗装で建築構造に適用可能
な低Ｃ系マルテンサイト系ステンレス鋼において、常温
での強度・靭性は無論のこと、構造物施工に必須の良好
な溶接性を兼備した上で、さらに６００℃の高温条件で
十分な強度が得られる鋼材は未だ提示されていないのが
現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
を克服する技術を提供することを目的とするものであ
り、特に６００℃での耐力が常温での耐力規格最小値の
２／３以上を保証するマルテンサイト系ステンレス鋼材
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、先ずマル
テンサイト系ステンレス鋼材の建築構造材料として必要
とされる溶接性、強度、靭性、耐食性に配慮した多くの
実験を行い、次に板、形鋼、鋼管などに成形する過程で
問題となる熱間加工性を評価し、これらの結果に基づい
て鋼成分を特定範囲に絞り込んだ。その後、この特定成
分組成の鋼材において、高温耐力がＮｉ，Ｍｏ量、およ
び金属組織（特に残留オーステナイト量）に大きく依存
することを知見し、高温耐力の面からＮｉ，Ｍｏ量と金
属組織を最適化した。

【０００９】本発明は、上記の知見に基づいて構築した
ものであり、その要旨は以下の通りである。 （１）質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、 ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１
０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテン
サイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力
が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴と
する耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１） （２）質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃｕ：３．０％以下、 Ｗ ：１．０％以下、 Ｓｎ：１．０％以下、 Ｎｂ：０．０５％以下、 Ｖ ：０．１％以下 の１種または２種以上を含有し、 ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１
０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテン
サイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力
が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴と
する耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１） （３）質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％ の１種または２種を含有し、 ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１
０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテン
サイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力
が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴と
する耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１） （４）質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃｕ：３．０％以下、 Ｗ ：１．０％以下、 Ｓｎ：１．０％以下、 Ｎｂ：０．０５％以下、 Ｖ ：０．１％以下 の１種または２種以上を含有し、さらに Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％ の１種または２種を含有し、 ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１
０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マ肝汐イ
ドより成る金属組織を有し、６００℃における耐力が常
温での耐力に対して２／３以上であるを特徴とする耐火
性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。先ず、本発明における成分の限定理由について述
べる。 Ｃ：Ｃは、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、靭性を低下
させる元素である。また、耐食性にも有害な元素であ
る。このため可及的低レベルが望ましく、現在の精錬技
術で工業的かつ経済的に到達可能な範囲として０．０２
％以下とした。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉは、精錬工程での脱酸のために
添加されて残留しているもので、靱性、熱間加工性に有
害なフェライト相を形成する元素であるため、脱酸に必
要とされる最小限の含有量とすべきであり、０．５％以
下を適正範囲とした。

【００１２】Ｍｎ：Ｍｎは、熱間加工性に有害なＳを硫
化物として固定して無害化する元素であると共にオース
テナイト安定化元素でもあり、靭性、熱間加工性に有害
なフェライトの形成を抑制する作用を有するため含有さ
せるが、含有し過ぎてもその効果は飽和するため、上限
を１．５％とした。

【００１３】Ｃｒ：Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素
であり、１０．０％以上の含有が必要であるが、反面フ
ェライト安定化元素でもあり、含有量が多いと靭性、熱
間加工性に有害なフェライト相が形成されるため、１
５．０％を上限とした。

【００１４】Ｎｉ：Ｎｉは、耐食性改善に有効な元素で
あり、かつオーステナイトを安定化させフェライト生成
を防止する効果をもつ元素である。このため、０．５％
を下限として含有させる。しかしながら、多量に含有さ
せると６００℃における高温耐力が低下するため、その
上限を６．０％とした。なお、Ｎｉの含有量は後述のＭ
ｏ含有量との関係で最適化される。

【００１５】Ｍｏ：ＭｏはＣｒと同様、耐食性に有効な
元素であると共に、高温耐力を維持する上で必要かつ不
可欠の元素である。このため、０．３％を下限として含
有させるが、フェライト形成能の強い元素であるため、
溶接部靭性にも配慮して含有量上限を３．０％とした。

【００１６】Ｎ：ＮはＣと同様に、溶接熱影響部の硬さ
を上昇させ、靭性を低下させる元素である。このため可
及的低レベルが望ましく、現在の精錬技術で工業的かつ
経済的に到達可能な範囲として０．０３％以下とした。

【００１７】Ａｌ：ＡｌはＳｉと同様、脱酸に必要な元
素であると共に脱硫を促進して前記のＳ含有量を安定的
に確保するために含有させるが、過度に含有させると酸
化物系介在物が多くなることに加えて窒化物も生成され
るようになり靭性が低下する。このため、含有量の上限
を０．１５％とした。

【００１８】Ｔｉ：Ｔｉは、酸化物または窒化物として
存在し、溶接熱影響部の粒成長を抑止して靭性を改善す
る効果を有する。また、Ｍｎと同様、熱間加工性に有害
なＳを硫化物として固定して無害化する効果も有する。
このため、０．００３％を下限として含有させるが、過
剰に含有させると粗大窒化物が現われて熱間加工性が低
下すると共に、炭化物が形成されて靭性劣化をきたすた
め、上限を０．０５０％とした。

【００１９】Ａ値（＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２
２．９４）≧０：高温耐力に及ぼすＭｏ，Ｎｉ量の影響
を図１に示す。これより、本発明のＮｉ含有量で高温耐
力の点から、特に望ましい条件はＡ≧０となる範囲であ
る。

【００２０】以上の組成をべ一スとして、さらに高温耐
力、耐食性、溶接性や靭性、熱間加工性を改善するため
に、以下に述べる元素の１種以上を選択的に添加する。 Ｃｕ：ＣｕはＮｉと同様、耐食性改善に有効な元素であ
ると共に、フェライト生成防止効果を有する元素である
ため含有させるが、過剰に含有させると熱間加工性が劣
化するので、上限を３．０％とした。

【００２１】Ｗ：ＷはＭｏと同様、高温耐力を向上させ
るのに有効な元素であるため、Ｍｏ含有量が低い場合に
は補足的に含有させても良いが、高価な元素でもあるこ
とから、含有量の上限は１．０％とした。

【００２２】Ｓｎ：Ｓｎは、高温耐力を向上させる効果
を有するため、Ｗと同様に、Ｍｏ含有量が低い場合には
補足的に含有させても良いが、過剰に含有させると熱間
加工性や溶接性が劣化するので、上限を１．０％とし
た。

【００２３】Ｎｂ，Ｖ：Ｎｂ，Ｖは、いずれも高温耐力
を僅かながら改善させる効果を有すると共に、溶接熱影
響部硬さを低下させるのに有効である。しかしながら多
く含有させても効果は飽和するので、含有量の上限をそ
れぞれ０．０５％、０．１％、０．１５％とした。

【００２４】Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｂ：
０．０００５〜０．００５０％ Ｃａ：Ｃａは、熱間加工性改善に有効な元素であり、必
要に応じて０．０００５％以上含有させるが、含有量が
多すぎると粗大酸化物による靭性劣化を招くため、含有
量の上限を０．００５％とした。

【００２５】Ｂ：Ｂも熱間加工性改善に有効な元素であ
り、０．０００５％を下限として含有させるが、０．０
０５０％を超えて含有させると溶接割れを起こすため、
適正範囲を０．０００５〜０．００５０％とした。

【００２６】Ｐ，Ｓ：Ｐ，Ｓは不可避的に含まれる不純
物元素であり、高温耐力には直接影響しないが、靭性や
熱間加工性に害する作用をもつため可及的に低レベルと
するのが望ましい。現在の精錬技術で工業的かつ経済的
に到達可能な範囲として、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．００５％以下が望ましい。

【００２７】次に、本発明における金属組織に関する限
定理由について述べる。以上述べた組成よりなる鋼は、
主に成分によって支配される耐食性、溶接熱影響部硬さ
に代表される溶接性、熱間加工性といった諸特性におい
ては、良好な特性を発揮する。しかしながら、高温耐力
については金属組織にも強く依存するため、目的とする
良好な高温耐力を得るには金属組織の最適化が必要とな
る。

【００２８】当該鋼材は、最終的に焼戻処理を施して強
度を調整するが、この状態での金属組織構成要素は、焼
戻マルテンサイトの基地に残留オーステナイトが共存す
る組織となる。金属組織の調整は、熱延条件、焼戻し温
度等を調整することにより行う。残留オーステナイトの
共存比率は、高温耐力に著しい影響を与える。図２に例
示するように、成分組成が前記の適性範囲にあっても、
残留オーステナイトの体積分率がｌ０％を超えると高温
耐力が低下するため、本発明では、最終製品状態での鋼
材に含まれる残留オーステナイト分率を体積分率として
１０％以下に制限した。

【００２９】なお、本発明で言う残留オーステナイトの
分率は、オーステナイト相（ｆｃｃ構造）とマルテンサ
イトおよび焼戻マルテンサイト（ｂｃｃ構造）のＸ線回
折による回折ピークの面積比から求められ、体積％で定
義するものである。また、本発明における残留オーステ
ナイト量の適正範囲は、「島津評論」、Vol.４３ No.２
−３，P.269 〜272 (1986)に記載の回転振動法による定
量結果をもとに規定したものである。

【００３０】

【実施例】実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明
する。表１に示す組成の鋼を溶製して造塊法にて鋳造し
た後、該鋳片を１２００℃に加熱して熱間圧延を施し、
室温まで冷却した後、表２の温度で焼戻処理を施した。
焼戻処理後の鋼材について残留オーステナイト量をＸ線
回折法によって定量すると共に、ＪＩＳ Ｚ２２４１に
従った常温引張試験およびＪＩＳ Ｇ０５６７に従った
６００℃での高温引張試験を行った。

【００３１】試験結果を表２に併せて示す。Ｎｏ．１〜
９の本発明では、目的とする常温耐力の２／３以上の６
００℃耐力が得られる。一方、比較例Ｎｏ．１４，１５
は、残留オーステナイト量が本発明範囲を外れており、
また、比較例Ｎｏ．１１，１２ではＭｏ含有量と残留オ
ーステナイト量が本発明の範囲を外れているため、所期
の６００℃耐力が得られていない。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によって、鋼
成分に加えて金属組織を最適化することにより、耐火性
に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａ値と高温耐力／常温耐力比の関係を示す。

【図２】残留オーステナイト量と高温耐力／常温耐力比
の関係を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を
   満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体
   積分率で１０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼
   戻マルテンサイトより成る金属組織を有し、６００℃に
   おける耐力が常温での耐力に対して２／３以上であるこ
   とを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステン
   レス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃｕ：３．０％以下、 Ｗ ：１．０％以下、 Ｓｎ：１．０％以下、 Ｎｂ：０．０５％以下、 Ｖ ：０．１％以下 の１種または２種以上を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が
   下記（１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避
   的不純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オース
   テナイト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組
   織を有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対し
   て２／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマ
   ルテンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
3. 【請求項３】 質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％ の１種または２種を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記
   （１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不
   純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナ
   イト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を
   有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２
   ／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテ
   ンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
4. 【請求項４】 質量％で、 Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、 Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、 Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、 Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、 Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、 Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％ を含有し、さらに Ｃｕ：３．０％以下、 Ｗ ：１．０％以下、 Ｓｎ：１．０％以下、 Ｎｂ：０．０５％以下、 Ｖ ：０．１％以下 の１種または２種以上を含有し、さらに Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％ の１種または２種を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記
   （１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不
   純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナ
   イト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を
   有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２
   ／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテ
   ンサイト系ステンレス鋼材。 Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）