JP2008174789A - 高窒素オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の組成を、C:0.01〜0.1%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、Ni:4.0〜7.0%未満、Cr:15.0〜20.0%、Mo:0.5〜4.0%、N:0.4〜1.0%を含有し、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、O:0.02%以下に制限し、残部がFe及び不可避の不純物よりなるものとする。所望により、Ti:0.05〜0.5%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.05〜0.5%、W:0.05〜0.5%、Co:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.0%の1種以上を含有させる。
【選択図】なし
Description
さらに、強力なオーステナイト相安定化元素である窒素の特性に着目して、高濃度の窒素を添加しNiの大部分を削減した高窒素オーステナイト系ステンレス鋼が注目されている。特許文献4や特許文献7に示したような高窒素オーステナイト系ステンレス鋼はNiを削減しても硬度と耐食性は従来のオーステナイト系ステンレス鋼と同等ないしそれ以上の特性を有している。
また、特許文献3、特許文献4、特許文献6の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、Niや窒素と同様にオーステナイト相安定化元素であるMnが多く添加されている。このような高Mn組成を採用すると、溶鋼の窒素溶解度を著しく増加させるため窒素を多く添加できるようになるが、耐食性の劣化や強度不足を招く可能性がある。
さらに、特許文献7の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、多量の窒素添加によりNiを大幅に削減しているが、溶解設備に10気圧前後の高圧環境を維持する付帯設備が必要となることから、設備コストの増大につながるとともに生産量に制限が生じる可能性がある。
Cは、強力なオーステナイト相安定化元素であると同時に固溶強化成分として非常に有効である。ただし、これらの作用を十分に得るためには0.01%以上の含有が必要である。一方、0.1%を超える含有は、溶鋼の窒素溶解度を減少させるとともに、Cr炭化物の形成によりマトリックス中のCr量を減少させ粒界腐食を著しく促進させるなどの耐食性の劣化を招くので、上限を0.1%とする。
Siは、有効な脱酸剤として製鋼工程に不可欠であり、Siよりも強力な脱酸剤であるAlを用いると高温強度や延靭性に悪影響を及ぼすAlNの生成を招く可能性があるため、主要な脱酸剤として使用することが望ましく、そのため0.1%以上の含有を必要とする。しかし、1.0%を超えて含有すると製造時に疵や割れを生じやすいので、上限を1.0%とする。
Mnは、脱酸や脱硫剤として作用するとともに、オーステナイト相安定化元素であり溶鋼の窒素溶解度を著しく高める。この作用を十分に得るため、0.1%以上の含有を必要とする。一方、3.0%を超えて含有すると耐食性の劣化を招くので、上限を3.0%とする。なお、同様の理由で下限を0.5%、上限を2.5%とするのが望ましい。
Niは、耐食性を得るのに重要な元素でありオーステナイト相安定化元素である。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、オーステナイト単相を得るために少なくとも4.0%以上必要である。しかし、必要以上の含有は、効果は飽和するばかりで原材料コストの増加を招くため、7.0%未満とする。
Crは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高め、マトリックスの耐食性や強度の向上に大きく寄与する。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、0.4%以上の窒素量を確保するためには15.0%以上の含有が必要である。しかし、Crはフェライト相安定化元素であるためにオーステナイト相の不安定化を招くため、上限を20.0%とする。なお、同様の理由で下限を16.0%、上限を19.0%とするのが望ましい。
Moは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高めるとともに固溶強化成分として非常に有効である。さらに、Crよりも少量で耐食性を向上させる効果があることから、その効果を得るために本発明では0.5%以上含有させる。しかし、必要以上の含有は原材料コストの増加を招くとともに、脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうことから、上限を4.0%とする。なお、同様の理由で下限を1.0%、上限を3.5%とするのが望ましい。
Nは、侵入型固溶元素であり極めて高い固溶強化能を有するとともに、オーステナイト相の安定化および耐食性の向上に有効な本発明の基本となる含有成分である。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、0.4%未満の窒素量ではオーステナイト相が不安定化し、強度の低下や耐食性の劣化を招くので、0.4%以上を含有させる。ただし、1.0%を超えると、窒素ブローホールの生成を抑制するために10気圧以上の高圧環境下に格納された溶解設備が必要となることから製造コストの増大を招くので、上限を1.0%とする。なお、同様の理由で下限を0.5%、上限を0.9%とするのが望ましい。
Pは、0.03%を超えて含有すると粒界に偏析したPが熱間加工性と耐食性を著しく劣化させるので、0.03%以下に制限する必要がある。
Sは、0.01%を超えて含有すると熱間加工性が低下するとともに、MnSなどの硫化物の形成により耐食性が著しく損なわれるので、0.01%以下に制限する必要がある。
Alは、脱酸剤として有効な元素であるが、高窒素鋼ではAlを過剰に添加するとAlNが形成され、熱間加工性の劣化や耐食性の著しい低下を招くので、0.01%以下に制限する必要がある。
Oは、含有量が過剰になると鋼塊の清浄度を低下させ、延靭性の低下や耐食性の劣化を招くので、0.02%以下に制限する必要がある。
V:0.05〜0.5%
Nb:0.05〜0.5%
Ti、V、Nbは、溶鋼の窒素溶解度を高め、炭窒化物を形成して強度の向上に寄与するとともに結晶粒成長を抑制する効果があるので所望により1種または2種以上を含有させる。上記効果を得るには、それぞれ0.05%以上の含有が必要となるが、上限値を超える添加を行なうと炭窒化物が高温で安定となるために溶体化が困難になり、熱間加工性の劣化や耐食性の低下を招くので、それぞれ所望に含有させる際の含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、それぞれ下限を0.05%、上限を0.4%とするのが望ましい。
Wは、Moと同様に耐食性の向上や固溶強化成分として有効であるので所望により含有させる。その作用を十分に得るために0.05%以上の含有が必要である。一方で、Wは、脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうとともに、溶体化処理時の未固溶Cr炭窒化物を成長させ耐食性を著しく低下させることから、上限を0.5%とする。
なお、同様の理由で、それぞれ下限を0.05%、上限を0.4%とするのが望ましい。
Coは、Niと同様にオーステナイト相安定化元素であり耐食性に寄与する成分であるので所望により含有させる。0.5%未満では効果が乏しいので0.5%以上含有させるが、必要以上の含有は原材料コストの増加を招くため、上限を3.0%とする。なお、同様の理由で、それぞれ下限を1.0%、上限を2.5%とするのが望ましい。
Cuは、オーステナイト相安定化元素でありNiやCoと同様にオーステナイト相の安定化に寄与するので所望により含有させる。この作用を十分に得るためには0.5%以上の含有が必要である。一方、3.0%を超える含有は熱間加工性を損なうことから、上限を3.0%とする。なお、同様の理由で、それぞれ下限を0.5%、上限を2.0%とするのが望ましい。
この結果、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、大型構造部材が要求される大型産業用機器や海洋、化学プラントなどにも使用することができる。
本発明の組成範囲に調整した高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、常法により溶製することができ、本発明としては特に製造方法は特定されるものではない。高窒素の添加は、例えば加圧窒素雰囲気下とした加圧溶解炉において材料を溶解、鋳造することにより行うことができる。
該高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、熱間圧延、熱間鍛造などの熱間加工を経て、必要に応じて冷間加工を行う。また、高窒素オーステナイト系ステンレス鋼には、所望の熱処理を行うことができる。例えば、溶体化処理を行うことができる。好適には、1000〜1200℃の溶体化処理が挙げられる。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は、上記説明の内容に限定をされるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。
表1の成分組成になるように、原料を配合し真空誘導溶解炉で溶解して合金鋼を作製した。次いで、得られた合金鋼から溶解母材を分割し、耐圧容器内に雰囲気加熱炉を設置した加圧溶解炉にて、窒素分圧が10気圧以下となるように再溶解し、鋳造して鋼塊を得た。この鋼塊を熱間鍛造で25mm厚の板材とし、1200℃×4hr加熱後水冷する溶体化処理を実施した。
表3に示したように、本発明の実施例No.1は、比較例No.9が孔食腐食する電位を大きく上回る電位においても全く孔食が発生せず、比較例No.8及びNo.9よりも優れた耐食性を有していた。
以上のように、本発明は窒素を多量に含有することにより、高価なNiの含有量が多い従来鋼と比較して室温強度、耐食性が高くなるという優れた性能を有していることが明らかとなった。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.01〜0.1%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、Ni:4.0〜7.0%未満、Cr:15.0〜20.0%、Mo:0.5〜4.0%、N:0.4〜1.0%を含有し、P:0.03%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、O:0.02%以下に制限し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなることを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項1記載の成分組成に、さらに、質量%で、Ti:0.05〜0.5%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.05〜0.5%の1種又は2種以上を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項1または2に記載の成分組成に、さらに、質量%で、W:0.05〜0.5%を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の成分組成に、さらに、質量%で、Co:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.0%の1種又は2種以上を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
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