JP2012012702A - 溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.01〜0.03%、N:0.01〜0.03%、Si:0.01〜0.40%、Mn:1.5〜2.5%、P:0.04%以下、S:0.02%以下、Al:0.05〜0.15%、Cr:10〜13%、Ni:0.5〜1.0%、Ti:4×(C+N)以上、0.3%以下を含有し、V:0.05%以下、Ca:0.0030%以下、O:0.0080%以下に規制し、さらに、Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)で表されるF値が11以下、Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×Vで表されるFFV値が9.0以下を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなる。
【選択図】図1
Description
F値=Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)
FFV値=Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×V
ただし、これら式において、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である。
F値=Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)
FFV値=Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×V
ただし、これら式において、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である。
まず、本発明の成分組成について説明する。以下の説明において、%表示は質量%である。
・N:0.01〜0.03%
CおよびNは、構造用ステンレス鋼板として必要な強度を得るためには、いずれも0.01%以上含有させることが必要である。一方、C,Nの含有量が0.03%を超えると、Cr炭化物あるいはCr炭窒化物が析出しやすくなり、耐食性、特に溶接熱影響部の耐食性が低下する。また、溶接熱影響部が硬化し、靭性も低下する。このため、CおよびNの含有量は、いずれも0.01〜0.03%の範囲とする。より好ましくは、Cは0.015〜0.025%、Nは0.012〜0.02%の範囲である。
Siは、脱酸剤として用いられる元素であり、その効果を得るには0.10%以上含有することが必要である。一方、その含有量が0.40%を超えると熱延鋼板の靭性を低下させる。このため、Si含有量は0.10〜0.40%の範囲とする。好ましくは、下限が0.20%、上限が0.30%である。
Mnは、脱酸剤として、また構造用ステンレス鋼板としての必要な強度を確保するための強化元素として有用な元素であり、さらに高温におけるオーステナイト安定化元素でもある。また、本発明においては、溶接熱影響部のミクロ組織を所望の体積率を有するマルテンサイト組織に制御するうえで重要な元素である。このような作用を発揮させるためには、その含有量は1.5%以上必要である。一方、2.5%を超えて含有させても、その効果が飽和するばかりか、含有量が過剰となって靭性を低下させ、また製造工程での脱スケール性を低下させて表面性状に悪影響を及ぼし、加えて合金コストも増大してしまう。このため、Mnの含有量は1.5〜2.5%の範囲とする。より好ましくは、1.8〜2.5%の範囲である。さらに好ましくは、1.85〜2.0%の範囲である。
Pは、熱間加工性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を0.04%とする。より好ましくは、0.035%以下である。
Sは、熱間加工性および耐食性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を0.02%とする。好ましくは0.005%以下である。
Alは、一般的には脱酸のために含有させるが、本発明では、製造性、特にスラブ段階での割れの発生を抑制するのに有効に働くことを見出し、このような機能を発揮させるために適量含有させる。スラブ割れの発生を抑制するためには、Al含有に加え、後述するようにV、Ca、Oの低減、さらにFFV値の最適化が必要である。Al含有によりスラブ割れが改善される機構については、必ずしも明確になっているわけではないが、相分率の適正化と介在物形態の制御の効果によるものと推定している。このような効果を得るためには、Alを0.05%以上含有させることが必要である。一方、その含有量が0.15%を超えると、大型のAl系介在物が生成して表面欠陥の原因となる。このため、Alの含有量を0.05〜0.15%の範囲とする。より好ましくは、0.080〜0.150%の範囲である。さらに好ましくは、0.085〜0.120%の範囲である。
Crは、不動態皮膜を形成し、耐食性、特に溶接熱影響部の耐食性を確保するうえで必須の元素であり、その効果を得るためには10%以上含有させることが必要である。一方、Crを13%を超えて含有させると、コストを上昇させるばかりでなく、溶接部において、高温で十分なオーステナイト相を確保することが困難となり、溶接後の溶接熱影響部に必要な分率のマルテンサイト組織を得ることが困難となる。その結果、溶接熱影響部での耐粒界腐食性の低下を招く。したがって、Cr含有量は、10〜13%の範囲とする。好ましくは、10.5〜12.5%である。
Niは、強度と靭性を確保する目的で0.5%以上含有させる。一方、Niは高価な元素であり、経済性の観点から、その上限を1.0%とする。なお、NiはMnと同様に、高温におけるオーステナイト安定化元素であり、溶接熱影響部のミクロ組織を所望の体積率を有するマルテンサイト組織に制御するうえで有用であるが、本発明では、その効果がMnの添加により十分に得られるので、Niの含有量は0.5〜1.0%の範囲が適当である。より好ましくは、0.60〜1.0%の範囲である。さらに好ましくは、0.60〜0.90%の範囲である。
Tiは、本発明において優れた溶接部耐食性を得るために重要な元素であり、特に溶接熱影響部の耐粒界腐食性を向上させるために必須の元素である。Tiは鋼中のC、NをTiの炭化物、窒化物あるいは炭窒化物(以後、炭化物、窒化物、炭窒化物の3種を総称して、炭窒化物等と記す)として析出固定し、Crの炭窒化物等の生成を抑制する効果を有する。本発明において、鋼板の溶接熱影響部では、フェライトとマルテンサイトからなる組織を有するが、耐食性という点では、冷却中に炭窒化物等の析出をともなうフェライト相部分での耐食性の低下が問題である。本発明に係る鋼板では、溶接時の溶接熱影響部にCrの炭窒化物等が析出することによって粒界近傍にCr欠乏が生成し、特にフェライト相の部分での耐粒界腐食性が低下する問題を、Tiを含有させることにより解決している。このような効果を発揮させるためには、Tiの含有量を4×(C+N)以上(ただし、C、Nはこれらの含有量(質量%)を示す)とする必要がある。一方、0.3%を超えて多量に含有させても、その効果は飽和するばかりか、鋼中に多量のTiの炭窒化物等が析出し、靭性の劣化を招く。このため、Tiの含有量は、4×(C+N)以上、0.3%以下とする。より好ましくは、0.180〜0.230%の範囲であり、Tiの含有量が同時に4×(C+N)以上を満たすよう、C、Nを低減することが有効である。
Vは、Cr原料などの不純物として含まれることが多く、意図せずに含有される場合があるが、特にスラブ段階での割れの発生を抑えるためには、その含有量を厳しく規制する必要がある。そのような観点からVの含有量を0.05%以下とする必要がある。好ましい範囲は0.03%以下、さらに好ましい範囲は0.03%未満である。含有量を0.01%以下とすることにより、より大きな割れ抑制効果が得られるが、原料の選別等が必要となり、経済的には不利となる。
Caは、低融点の介在物を生成させ、特に介在物起因の表面欠陥の原因となる。このため、本発明ではその含有量を厳しく制限する必要があり、その上限を0.0030%とする。Ca含有量は低いほど好ましく、0.0010%、さらには0.0002%以下とすることが好ましいが、原料の選別等が必要となり、経済的には不利となる。
Oは、酸化物系介在物の生成を抑制し、高い生産性を確保するために、その含有量を低くする必要があり、その上限を0.0080%にする。好ましくは、0.0060%以下である。
F値は、Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)(ただし、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である)で表され、溶接時の溶接熱影響部のミクロ組織を推定するパラメータであり、より詳しくはマルテンサイト組織の体積率(フェライト組織の残存率)を推定するパラメータである。溶接熱影響部のように高温にさらされた部位では、その一部がオーステナイト(あるいはさらに一部がδフェライト)に変態し、この相が冷却過程でマルテンサイトに変態する。その割合は、フェライト安定化元素(フェライト生成元素)とオーステナイト安定化元素(オーステナイト生成元素)の量的バランスの影響を受ける。上記F値を示す式中の係数が正の元素(Cr,Si,Ti)はフェライト安定化元素であり、係数が負の元素(Ni,Mn,C,N)はオーステナイト安定化元素である。すなわち、F値が大きいほどフェライト組織が残存しやすく(フェライト組織の体積率が大きい、すなわちマルテンサイト組織の体積率が小さい)、小さいほどフェライト組織が残存しにくい(フェライト組織の体積率が小さい、すなわち、マルテンサイト組織の体積率が大きい)こととなる。
FFV値は、Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×V(ただし、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である)で表され、本発明において、製造性を示す指標として新たに導き出したものである。このFFV値は、熱延中の相バランスを考慮したもので、上記のような成分調整、特にAl含有や、V、Ca、Oの上限の規制を行った上で、この値を小さくすることにより、スラブ段階での割れや介在物を起因とした表面欠陥の発生を著しく少なくすることができる。F値を考案した際には考慮していなかったAl量を考慮した新たなパラメータの最適化を図ることにより表面欠陥の発生による歩留低下を大きく抑えることに成功したのが本発明の大きな特徴である。FFV値の最適化による製造性改善の機構は必ずしも明らかになっているわけではないが、FFV値を9.0以下とすることで製造性が著しく改善されることから、FFV値を9.0以下とする。好ましくは8.5以下である。なお、FFV値を小さくするには、Cr量を減らしたり、C、N量を増やしたりすることが有効となるが、このようにすると耐食性の低下が懸念される。このため、FFV値の下限は5.0以上とするのが好ましい。さらに好ましい範囲は6.0以上である。
図1に、FFV値と表面欠陥発生率の関係を示す。欠陥の発生率は、コイル全長に対し、欠陥が発生した部分の長さから算出したFFV値を9.0以下の適正な範囲とすることにより、表面欠陥の発生が著しく抑えられることがわかる。
Cuは、耐食性を向上させる元素であり、特に隙間腐食を低減させる元素である。このため、高い耐食性が要求される場合に添加することができる。しかし、1.0%を超えて含有させると、熱間加工性が低下するうえ、高温での相バランスが崩れ、溶接熱影響部で所望の組織を得ることが困難となる。よって、Cuを含有させる場合には、その上限を1.0%とする。耐食性向上効果を十分に発揮させるためには0.3%以上含有させることが有効である。より好ましい範囲は、0.3〜0.5%である。
Moは、耐食性を向上させる元素であり、特に高い耐食性が要求される場合に添加することができる。しかし、1.0%を超えて含有させると、冷間での加工性が低下するうえ、熱間圧延での肌荒れが起こり、表面品質が極端に低下する。よって、Moを含有させる場合には、その上限を1.0%とする。耐食性を十分に発揮させるためには0.03%以上含有させることが有効である。より好ましい範囲は、0.1〜1.0%である。
本発明のステンレス鋼板の製造方法は、定法に従って行うものであればよく、特に限定されないが、高効率に製造することができる方法として、上記成分組成に溶製した鋼を連続鋳造等によりスラブとした後、熱延コイルとし、これを必要に応じて焼鈍した後、デスケーリング(ショットブラスト、酸洗等)を行って、本発明に係るステンレス鋼板とする方法が推奨される。
まず、本発明の成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等の通常用いられる公知の溶製炉にて溶製した後、真空脱ガス(RH法)、VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)法、AOD(Argon Oxygen Decarburization)法等の公知の精錬方法で精錬し、次いで、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法で鋼スラブ(鋼素材)とする。鋳造法は、生産性および品質の観点から連続鋳造が好ましい。また、スラブ厚は、後述する熱間粗圧延での圧下率を確保するために、100mm以上とすることが好ましい。より好ましい範囲は200mm以上である。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.01〜0.03%、
N:0.01〜0.03%、
Si:0.10〜0.40%、
Mn:1.5〜2.5%、
P:0.04%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05〜0.15%、
Cr:10〜13%、
Ni:0.5〜1.0%、
Ti:4×(C+N)(ただし、C、Nはこれらの含有量(質量%)を示す)以上、0.3%以下
を含有し、
V:0.05%以下、
Ca:0.0030%以下、
O:0.0080%以下
に規制し、
さらに、以下の式で表されるF値およびFFV値が、F値≦11、FFV値≦9.0を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とする、溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板。
F値=Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)
FFV値=Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×V
ただし、これら式において、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である。 - 請求項1の成分に加えて、さらに質量%で、Cu:1.0%以下を含有することを特徴とする、溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板。
- 請求項1または請求項2の成分に加えて、さらに質量%で、Mo:1.0%以下を含有することを特徴とする、溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板。
- 質量%で、
C:0.01〜0.03%、
N:0.01〜0.03%、
Si:0.10〜0.40%、
Mn:1.5〜2.5%、
P:0.04%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05〜0.15%、
Cr:10〜13%、
Ni:0.5〜1.0%、
Ti:4×(C+N)(ただし、C、Nはこれらの含有量(質量%)を示す)以上、0.3%以下を含有し、
V:0.05%以下、
Ca:0.0030%以下、
O:0.0080%以下
に規制し、
さらに、以下の式で表されるF値およびFFV値が、F値≦11、FFV値≦9.0を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなる組成を有する鋼スラブを1100〜1300℃の温度に加熱した後、1000℃超の温度域で、圧下率が30%以上である圧延を少なくとも1パス以上行う熱間粗圧延を含む熱間圧延を行うか、または、前記熱間圧延を行った後、熱延板を焼鈍することなくもしくは600〜1000℃の温度で焼鈍してから酸洗を施すことを特徴とする溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板の製造方法。
F値=Cr+2×Si+4×Ti−2×Ni−Mn−30×(C+N)
FFV値=Cr+3×Si+16×Ti+Mo+2×Al−2×Mn−4×(Ni+Cu)−40×(C+N)+20×V
ただし、これら式において、各元素記号は、それら元素の含有量(質量%)である。 - 請求項4の鋼スラブの成分に加えて、さらに質量%で、Cu:1.0%以下を含有することを特徴とする溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板の製造方法。
- 請求項4または請求項5の鋼スラブの成分に加えて、さらに質量%で、Mo:1.0%以下を含有することを特徴とする溶接部耐食性に優れた構造用ステンレス鋼板の製造方法。
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