JP2008525636A

JP2008525636A - ニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2008525636A
Application number: JP2007548086A
Authority: JP
Inventors: クァン−テキム; ヨン−ヘオンリー; ワン−ケゥンソン
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2008-07-17
Also published as: EP1838890A1; WO2006071027A1; US20080112840A1; EP1838890A4; CN101090988A; KR20060074400A

Abstract

相対的に低い含有量のＮｉ成分を含有し、かつ、α相とγ相との分率が約５０：５０になるように、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｍｎ−Ｎ成分を厳しく制限することにより、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、工程負荷を低下させることのできる二相ステンレス鋼を提供する。１９．５〜２２．５％のＣｒ、０．５〜２．５％のＭｏ、１．０〜３．０％のＮｉ，１．５〜４．５％のＭｎ、０．１５〜０．２５％のＮ、その他のＦｅ及び不可避元素からなる合金成分を有し、当該合金成分の組成範囲を関数とするＣＰＴが２０°Ｃ以上となるように、前記合金成分の組成範囲が調節される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｓ３２２０５二相ステンレス鋼に比べて、相対的にＭｎの含有量は高いが、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、及びＮｉ成分の含有量は低い二相ステンレス鋼に関し、より詳細には、クロム、モリブデン、窒素、及びニッケルの含有量を低減することで製造原価を低減することができる一方、ＳＴＳ３０４及び３１６Ｌ鋼の水準以上に耐食性が良好で、熱間圧延時におけるエッジクラックの発生危険度が低い二相ステンレス鋼に関する。

一般的に、加工性及び耐食性が良好であるとされているオーステナイト系ステンレス鋼は、鉄（Ｆｅ）を卑金属とし、Ｃｒ、Ｎｉを主原料として含有しており、Ｍｏ及びＣｕなどのその他の元素を添加させ、各種用途に合わせた様々な鋼種として開発されている。

オーステナイト系ステンレス鋼のうち、３１６Ｌ鋼種は、耐食性、耐孔食性及び高温強度に優れた鋼種である。３１６Ｌ鋼種は、低炭素で、かつ、１０ｗｔ％以上のＮｉ及び２ｗｔ％以上のＭｏ成分を含有しているため、ニッケル及びモリブデンの値上げによる原価の変動幅が大きく、値段が不安定で、競争力が低下するという短所がある。

したがって、鉄鋼業界では、これを補完するため、ニッケル及びモリブデンの含有量を下げる一方、３１６Ｌ鋼種以上の耐食性を確保することのできる新しい鋼種の開発のために努力している。

常温でオーステナイト相とフェライト相との混合組織を有する二相ステンレス鋼の代表的な鋼種の１つであるＳ３２２０５二相ステンレス鋼（以下、「２２０５鋼」とする。）は、高耐食性の確保のため、多量のＣｒ、Ｍｏ、及びＮを含有しており、相分率の確保のため、約５ｗｔ％以上のＮｉ成分を含有している。

このような二相ステンレス鋼は、Ｎｉを１０％含有するＳＴＳ３１６Ｌ鋼に比べて、Ｎｉの含有量が相対的に低減しているため、製造原価が安く、販売価格において競争力のある高付加価値の鋼種である。しかし、２２０５鋼は、熱間加工性が悪いため、製品歩留まりが８０％以下と非常に低く、さらに、Ｃｒ及びＭｏの含有量が高いため、鋼の特性を低下させる脆弱なシグマ相の析出速度が速く、巻取及び冷却工程における工程負荷が大きいといった短所があることから、３１６Ｌ鋼種の代用としての需要拡大は困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２２０５鋼種に比べて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、及びＮｉ成分の含有量を下げることで原価負担を軽減する一方、熱間圧延工程におけるエッジクラックの発生危険度を低下させることで製品歩留まりを高め、ＳＴＳ３０４及び３１６Ｌ鋼以上の耐食性を保持する二相ステンレス鋼を提供することである。

本発明者は、相対的に低い含有量のＮｉ成分を含有し、かつ、α相とγ相の分率が約５０：５０になるように、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｍｎ−Ｎの成分を厳しく制限することにより、生産原価を軽減する一方、ＳＴＳ３０４及び３１６Ｌ鋼のＣＰＴよりも良好な２０°Ｃ水準以上を確保し、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、工程負荷を低下させることのできる二相ステンレス鋼を開発した。

したがって、本発明の目的を達成するため、二相ステンレス鋼は、重量％で、１９．５〜２２．５％のＣｒ、０．５〜２．５％のＭｏ、１．０〜３．０％のＮｉ、０．０３％以下のＣ、０．０３％以下のＰ、０．００３％以下のＳ、２％以下のＳｉ、１．５〜４．５％のＭｎ、０．１５〜０．２５％のＮを含有し、その他のＦｅ及び不回避元素からなることを特徴とする。

本発明によると、２２０５二相ステンレス鋼に比べて、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉ成分の含有量を低減させながら、Ｍｎの含有量は若干増加させた二相ステンレス鋼は、原価負担を軽減する一方、ＳＴＳ３０４及び３１６Ｌ鋼以上の耐食性を保持し、熱間圧延過程におけるエッジクラックの発生量が非常に小さいため、後続工程の負荷を低減し、表面欠陥率を下げることで製品歩留まりを高めることができる。

以下、本発明の特徴及び作用を説明する。まず、本発明において必須成分を限定した理由について説明する。

Ｃ：Ｃは、高溶強化による材料強度の増加に有効な元素である。しかし、Ｃの含有量が多すぎると、フェライト−オーステナイト系相の境界において耐食性に有効なＣｒのような炭化物形成元素と結合し易いため、結晶粒界周辺のクロム含有量を下げることで耐食性を低下させる。したがって、耐食性を極大化するためには、Ｃの含有量を０．０３％以下とすることが好ましい。

Ｎ：二相ステンレス鋼において、Ｎは、Ｎｉとともに、オーステナイト相の安定化に大きく寄与する元素の１つであり、Ｎの含有量の増加は、付随的に耐食性の増加及び高強度化を図ることができる。しかし、Ｎの含有量が高すぎると、熱間加工性を低下させることで製品歩留まりを低下させる。逆に、Ｎの含有量が低すぎると、相分率の確保のため、Ｃｒ及びＭｏの含有量も下げなければならず、溶接部の強度及び相安定性の確保が困難である。したがって、Ｎの含有量は、０．１５〜０．２５％に制限することが好ましい。

Ｍｎ：Ｍｎは、金属流量（ｍｅｔａｌｆｌｏｗｒａｔｅ）を調節するため、１．５％程度を含有することが一般的であるが、高価なＮｉの代用として含有量を増加させることができ、この場合、付随的に熱間加工性の向上効果を得ることができる。Ｍｎの含有量が多すぎると、鋼中のＳと結合してＭｎＳを形成し、耐食性を低下させるだけでなく、熱間加工性も悪くなるため、Ｍｎの含有量の上限を４．５％に制限する。したがって、Ｍｎの組成範囲は、１．５〜４．５％に制限する。

Ｃｒ：Ｃｒは、Ｍｏとともに、フェライト相の安定化元素であって、二相ステンレス鋼のフェライト相の確保に主な役割を果たすだけでなく、高耐食性の確保のための必須元素である。Ｃｒの含有量を増加させると、耐食性が増加するものの、相分率の維持のためには、高価なＮｉの含有量を増加させなければならない。したがって、二相ステンレス鋼の相分率を維持しつつ、ＳＴＳ３０４及び３１６Ｌ鋼以上の耐食性の確保のため、Ｃｒの含有量を１９．５〜２２．５％に制限する。

Ｍｏ：Ｍｏは、Ｃｒと同様、フェライト相の安定化元素であると同時に、強力な耐食性を向上させる元素である。しかし、Ｍｏの含有量が多すぎると、熱処理時にシグマ相を形成し易いため、耐食性及び耐衝撃性を低下させるという短所がある。本発明鋼において、Ｍｏは、フェライト相分率を確保するためにＣｒを補助する役割、及び適正な耐食性を確保する役割を果たすため、その含有量を０．５〜２．５％に制限する。

Ｎｉ：Ｎｉは、Ｍｎ及びＮとともに、オーステナイト相の安定化元素であって、二相ステンレス鋼のオーステナイト相の確保のため主な役割を果たす。原価低減のため、高価な高いＮｉの含有量の減少は、他のオーステナイト相の形成元素であるＭｎ及びＮの含有量の増加で相殺することができる。しかし、Ｎｉの含有量が過度に減少すると、Ｍｎ及びＮの含有量が過剰となり、かえって耐食性及び熱間加工性の低下、またはＣｒ及びＭｏの含有量の減少につながり、３１６Ｌ鋼以上の耐食性の確保が困難となる。したがって、Ｎｉの含有量を１．０〜３．０％に制限する。

Ｐ：Ｐは、粒界または相境界に偏析して耐食性及び靱性を低下させ得ることから、できるだけ低く維持することが好ましい。したがって、精錬工程の効率性のため、０．０３％を上限値とすることが好ましい。

Ｓ：Ｓは、熱間加工性を悪化させるか、ＭｎＳを形成させることにより、耐食性を低下させることから、できるだけその含有量を低く維持することが好ましい。したがって、０．００３％以下に維持することが好ましい。

Ｓｉ：Ｓｉは、脱酸効果のために一部添加されるが、同時にフェライト相の安定化元素としても作用する。しかし、Ｓｉの含有量が多すぎると、衝撃靭性に関連する機械的特性を低下させるため、２％以下に制限する。

本発明に係る成分の組成範囲に対する二相ステンレス鋼の試片を用意し、相分率、耐食性、熱間加工性を測定した。図２は、試験鋼種に対する合金組成、及び１０５０°Ｃでの焼鈍後のα相分率を示している。合金において、α相分率は、約４０〜６０％の範囲である。溶接や相安定性などを考慮する際、二相ステンレス鋼のα相分率が４４〜５１％の鋼は「優秀（Ｏ）」、４４％以下または５４％以上の鋼は「不良（×）」、５１〜５４％の鋼は「良好（△）」として判定することができる。

図２の試片において、合金成分中、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、及びＮ以外の成分の組成範囲は、二相ステンレス鋼に通用する組成範囲を満足するように統一させたのに対し、Ｎｉ成分の組成範囲は、試験の便宜のため、２．５ｗｔ％に制限した。

図３は、試験鋼種に対する耐食性を表すＣＰＴ（ＣＰＴ：ｃｒｉｔｉｃａｌｐｉｔｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）の測定結果を示している。このとき、ＣＰＴ２０°Ｃ以下の鋼は「不良（×）」、２０〜２５°Ｃの鋼は「良好（△）」、２５°Ｃ以上の鋼は「優秀（Ｏ）」として判定した。

ＣＰＴの測定は、ＡＳＴＭＧ４８法にしたがって、５０ｍｍ（長さ）×２５ｍｍ（幅）×３ｍｍ（厚さ）の大きさを有する熱間圧延試片を１０５０°Ｃで焼鈍処理し、酸性塩化第二鉄（ａｃｉｄｉｆｉｅｄｆｅｒｒｉｃｃｈｌｏｒｉｄｅ）溶液に２４時間沈積した後、孔食（ｐｉｔｔｉｎｇ）の発生温度を観察することによって行われた。

ここで、ＡＳＴＭＧ４８法によると、ＣＰＴの測定開始温度は、下記式：
ＣＰＴ（°Ｃ）＝（２．５×％Ｃｒ）＋（７．６×％Ｍｏ）＋（３１．９×％Ｎ）−４１．０
によって計算した後、５°Ｃ間隔で最も近い値を選択して試験を行うように提示している。

しかし、ＡＳＴＭＧ４８法にしたがって予測したＣＰＴの測定開始温度は、偏差が非常に顕著であることが分かった。これは、Ｍｎによる耐食性の低下効果を考慮していないからである。すなわち、Ｎｉの含有量を下げた二相ステンレス鋼は、Ｍｎの含有量が相対的に高いため、前記ＡＳＴＭＧ４８法にて求めたＣＰＴ予測温度に偏差が生じるのである。

したがって、このような偏差を補正するため、本発明者は、Ｍｎの影響を考慮したＣＰＴ予測式を下記のようにまとめた。

ＣＰＴ（°Ｃ）＝−５０．４７＋２．６５Ｃｒ＋１１．７１Ｍｏ−１．３Ｍｎ＋６４．５８Ｎ

本発明に係るＣＰＴ予測式を適用した結果、実際測定されたＣＰＴ値とほとんど一致している。

一方、Ｃｒ及びＭｏの含有量が相対的に低いか、若しくは多量のＭｎを含有する鋼の実際のＣＰＴ値は、予測値よりも大きく低かった。したがって、Ｎｉ低減型二相ステンレス鋼における相分率の確保のために多量のＭｎを添加することは、耐食性を低下させる結果を招くため、好ましくない。さらに、Ｃｒ及びＭｏを過度に低減することも好ましくない。

Ｎｉ低減型二相ステンレス鋼の生産にあたり、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、固定負荷を最小化するためには、良好な熱間加工性の確保を優先させなければならない。図２に示している成分を有する鋼種の５０ｋｇのインゴットを２０ｍｍ及び３ｍｍの厚さに圧延した後、エッジクラックの発生の可否を観察し、２２０５鋼に比べてエッジクラックの状態が顕著に改善した鋼を選別し、図１に示すような判定結果を得た。

すなわち、エッジクラックの状態が２２０５鋼水準の鋼は「不良（×）」、エッジクラックの状態が局所的にやや激しい鋼は「良好（△）」、エッジクラックがほとんどない鋼は「優秀（Ｏ）」として判定した。

図４は、上述した相分率、耐食性及び熱間加工性を総合した結果であって、鋼番が３、４、１４、１５の計４つの鋼は、二相ステンレス鋼の組織学的特性を満足しており、３１６Ｌ鋼以上の良好な耐食性を保持しつつ、優れた熱間加工性を有する鋼である。また、鋼番が１、２、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１５、１６、２０、２１、２２の１６の鋼は、前記４つの鋼よりはやや劣るものの、好ましい鋼として選択可能であることが分かった。この結果から、Ｍｎの含有量が高いほど、熱間加工性及び耐食性は低下し、Ｎの含有量が高いほど、熱間加工性は低下し、Ｍｎの含有量の高い鋼は、比較的多量のＭｏの含有量を添加しなければならないことが分かる。

図５は、本発明において良好及び優秀として判定された鋼と、比較鋼のＳＴＳ３０４、ＳＴＳ３１６Ｌ、及び２２０５鋼の熱間圧延のためのスラブの再加熱時における高温酸化量を示している。高温酸化量の測定は、１０ｍｍ（長さ）×１０ｍｍ（幅）×３ｍｍ（厚さ）の大きさを有する熱間圧延試片を用意し、当該試片を１２５０°Ｃで加熱し、加熱炉にて１８０分間維持した後、酸化増量を測定することによって行われた。

このとき、加熱炉の雰囲気ガスにおいて、硫黄（Ｓ）の含有量は、２００ｐｐｍに調整した。結果的に、従来の２２０５鋼に比べて４〜６倍、３１６Ｌ鋼に比べて約１／３〜１／２倍の水準であることを分かる。再加熱されたスラブ表面に形成される酸化層により、熱間圧延時における表面潤滑効果による熱間圧延板の表面欠陥が減少し、発明鋼は、従来の２２０５鋼に比べて良好な表面品質を確保することができることが分かる。

上述した内容は、本発明の好ましい実施形態を例示したものに過ぎず、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求の範囲に記載された本発明の思想及び要旨から逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更が可能であることを認識しなければならない。

合金成分による熱間圧延板のエッジクラックの発生程度を示す写真である。発明鋼及び比較鋼試片の合金成分及びα相分率を示す表である。図２における試片のＣＰＴの測定値を示す表である。図２における試片の耐食性並びに熱間加工性、及び総合判定を示す表である。発明鋼及び従来鋼の酸化増量を示す表である。

Claims

１９．５〜２２．５％のＣｒ、０．５〜２．５％のＭｏ、１．０〜３．０％のＮｉ、１．５〜４．５％のＭｎ、０．１５〜０．２５％のＮ、その他のＦｅ及び不回避元素からなる合金成分を有し、
当該合金成分の組成範囲を関数とする下記式：
ＣＰＴ（°Ｃ）＝−５０．４７＋２．６５Ｃｒ＋１１．７１Ｍｏ−１．３Ｍｎ＋６４．５８Ｎ
で表されるＣＰＴが２０°Ｃ以上になるように、前記合金成分の組成範囲が調節されることを特徴とするニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼。
０．０３％以下のＣ、０．０３％以下のＰ、２％以下のＳｉをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼。