JP2012153953A - 合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.03%以下、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.5〜7.0%、P:0.05%以下、S:0.010%以下、Ni:0.1〜5.0%、Cr:18.0〜25.0%、N:0.05〜0.30%、Al:0.001〜0.05%、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する指標となるクロム窒化物析出温度TNが960℃以下であって、溶体化熱処理を施した熱延鋼材よりも降伏強度が50MPa以上高い、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
【選択図】なし
Description
ところが最近、Ni、Mo等を節減した合金元素節減型二相ステンレス鋼が開発され、金属間化合物の析出感受性が大きく低下した実用鋼が使用されるに至っている。
クロム窒化物は、CrとNが結合した析出物であり、二相ステンレス鋼においては立方晶のCrNまたは六方晶のCr2Nが、フェライト粒内もしくはフェライト粒界に析出することが多い。これらのクロム窒化物が生成すると、衝撃特性を低下させるとともに、析出にともなって生成するクロム欠乏層により耐食性が低下する。
しかし、二相ステンレス鋼は、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼よりも強度が高く、必要強度を維持しながら薄肉化できるというメリットがあり、また、高価な元素の使用量も少ないためコストも低い。これらの理由から、上記用途の一部で既に二相ステンレス熱延鋼材が用いられつつある。
この問題に対しては従来から多くの研究がなされており、本発明者らも特許文献2において二相ステンレス熱延鋼板の鋼組織と靭性の関係を明らかにし、化学組成と熱処理方法を制御することで靭性を改善できることを開示している。
以上の実験を通じて、溶体化熱処理を省略した安価な合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材について明示した本発明の完成に至った。
(1)質量%で、
C :0.03%以下、 Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜7.0%、 P :0.05%以下、
S :0.010%以下、 Ni:0.1〜5.0%、
Cr:18.0〜25.0%、 N :0.05〜0.30%、
Al:0.001〜0.05%、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する指標となるクロム窒化物析出温度TNが960℃以下であって、
溶体化熱処理を施した熱延鋼材よりも降伏強度が50MPa以上高い、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
C :0.03%以下、 Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜7.0%、 P :0.05%以下、
S :0.010%以下、 Ni:0.1〜5.0%、
Cr:18.0〜25.0%、 N :0.05〜0.30%、
Al:0.001〜0.05%、
を含有し、更に、
V :0.05〜0.5%、 Nb:0.01〜0.20%、
Ti:0.003〜0.05%
から選ばれる1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する第二の指標となるクロム窒化物析出温度TN2が960℃以下であって、
溶体化熱処理を施した熱延鋼材よりも降伏強度が50MPa以上高い、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
Mo:1.5%以下、 Cu:2.0%以下、
W :1.0%以下、 Co:2.0%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
(4)更に、
B :0.0050%以下、 Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0030%以下、 REM:0.10%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない鋼材については下記(1)式に従って、前記選択的成分を含有する鋼材については下記(2)式に従って、熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFから600℃までの温度域を5分以下の時間で冷却することを特徴とする合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材の製造方法。
TF ≧ TN −30 ・・・ (1)
TF ≧ TN2−30 ・・・ (2)
TN −200 ≦ TC ≦ TN +50 (但し、TF≧TC)・・・ (3)
TN2−200 ≦ TC ≦ TN2+50 (但し、TF≧TC)・・・ (4)
Cは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために0.03%以下の含有量に制限する。0.03%を越えて含有させると熱間圧延時にCr炭化物が生成して、耐食性、靱性が劣化する。
Sは、原料から不可避に混入する元素であり、熱間加工性、靱性および耐食性をも劣化させるため0.010%以下に限定する。好ましくは0.0020%以下である。
熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する指標となるクロム窒化物析出温度TNは、実験的に求められる特性値である。溶体化熱処理された鋼材を800〜1000℃で20分間の均熱処理後、5秒以内に水冷に供し、冷却後の鋼材についてクロム窒化物の析出量を実施例で詳述する非金属介在物の電解抽出残渣分析法によって求め、Cr残渣量が0.01%以下となる均熱処理温度のうちの最低温度と規定する。
TNが低いほどクロム窒化物の析出する温度域が低温側に限定されるため、クロム窒化物の析出速度や析出量が抑制され、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した状態で衝撃特性と耐食性が維持される。
また、クロム窒化物が十分に平衡する時間として均熱処理温度を20分間に規定する。20分未満では析出量の変化が激しい区域に該当して測定の再現性が得られにくくなり、20分超で規定すると測定に長時間を要する。したがって、クロム窒化物を十分に平衡させて再現性を確保する観点からいえば、均熱処理温度を20分超としても構わない。
均熱処理後においては、水冷に供するまでに長時間を要すると徐々に鋼材温度が低下してクロム窒化物が析出してしまい、そうすると測定したかった温度でのクロム窒化物量とは異なる値が得られてしまう。したがって、均熱処理後5秒以内に水冷に供することとする。
また、Cr残渣量が0.01%以下となる温度のうちの最低温度と規定したのは、実験によって残渣量0.01%以下が耐食性や靭性に悪影響を及ぼさない析出量であることを確認したことによる。
また、TNは、N含有量を低下させることにより低下するが、本発明鋼では耐食性を高めるためにNを0.05%以上含有させており、この場合にTNを800℃未満にすることは困難である。そのため、TNの下限を800℃とした。
本発明者らは、V、Nb、Tiから選ばれる1種または2種以上を含有する鋼の場合には、従来知見と異なる挙動を示すことを見出した。
即ち、クロム窒化物量が増加すると耐食性が悪化するのが一般的な従来知見であったが、V、Nb、Tiを微量に含有させた場合には、意外にもクロム窒化物の析出量がある程度増加しても耐食性が向上する傾向を有することが明らかとなった。この知見を請求項2に規定した。
なお、請求項1で説明したクロム窒化物析出温度TNは、選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない鋼材における熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する指標であることは言うまでもない。
Moは、ステンレス鋼の耐食性を付加的に高める非常に有効な元素であり、必要に応じて含有させることができる。耐食性改善のためには0.2%以上含有させることが好ましい。一方で金属間化合物析出を促進する元素であり、本発明鋼では熱間圧延時の析出を抑制する観点より1.5%の含有量を上限とする。
B、Ca、Mg、REMは、いずれも鋼の熱間加工性を改善する元素であり、その目的で1種または2種以上添加される。B、Ca、Mg、REMいずれも過剰な添加は、逆に熱間加工性および靭性を低下するため、その含有量の上限を次のように定めた。
BとCaについては0.0050%、Mgについては0.0030%、REMについては0.10%である。好ましい含有量はそれぞれBとCa:0.0005〜0.0030%、Mg:0.0001〜0.0015%、REM:0.005〜0.05%である。ここでREMはLaやCe等のランタノイド系希土類元素の含有量の総和とする。
熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFは、熱延鋼材の強度を支配する重要な因子であり、これが低下するほど高い強度が得られる。一方、低下しすぎると熱間圧延中にクロム窒化物の析出量が増加し、靱性と耐食性を損なうようになる。また、TFが高すぎると、溶体化熱処理を施したのと変わらなくなり強度が低下して、溶体化熱処理を省略する本発明の目的を達成できない。
すなわち、選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない鋼材については下記(1)式に従う、前記選択的成分を含有する鋼材については下記(2)式に従う、熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFを定めた。
TF ≧ TN −30 ・・・ (1)
TF ≧ TN2−30 ・・・ (2)
このため、本発明に係る合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材の製造方法においては、熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFから600℃までの温度域を5分以下の時間で冷却することとした。板厚20mm以下の鋼材であれば空冷することで、この制限をほぼ満たすことが可能である。
熱間圧延終了後の加速冷却は、圧延終了後の鋼材中へのクロム窒化物析出を抑制するために実施する。熱間圧延後の鋼材中への析出は過冷却状態で進行するが、600〜800℃の中で析出速度が極大値を示す。その極大値はクロム窒化物析出温度からの過冷却度に応じて増加することから、仕上圧延後すみやかに冷却する必要がある。
すなわち、選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない板厚20mm超の鋼材については下記(3)式に従う、前記選択的成分を含有する板厚20mm超の鋼材については下記(4)式に従う、熱間圧延終了後の加速冷却開始温度TCを定めた。
TN −200 ≦ TC ≦ TN +50 (但し、TF≧TC)・・・ (3)
TN2−200 ≦ TC ≦ TN2+50 (但し、TF≧TC)・・・ (4)
なお、本発明の目的は、あくまでもTFから600℃までの温度域を5分以下で冷却してクロム窒化物の析出を抑制し、これにより靱性と耐食性に優れた合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材を得ることにあるので、板厚20mm以下の鋼材はもちろんのこと板厚20mm超の鋼材についても、TFから600℃までの温度域を5分以下で冷却できる場合については、加速冷却が必ずしも必要であるということではない。例えば、TFから600℃までを空冷や放冷でもって5分以下で冷却できる場合については、必ずしも加速冷却を実施する必要はない。TFからの冷却の途中において、あるいはTFからの冷却の開始とともに加速冷却を行う趣旨は、板厚20mm超の鋼材についてはTFから600℃までを5分以下で冷却できない場合があることから、これを避けるために最適温度であるTCから加速冷却を開始することとしたものである。
なお、加速冷却の媒体は水または気水混合でおこなうことが設備コストの観点より合理的である。
なお、表1に示した成分について含有量が記載されていない部分は不純物レベルであることを示し、REMはランタノイド系希土類元素を意味し、含有量はそれら元素の合計を示している。また、Oは不可避的不純物である。
(1) 10mm厚の供試鋼を後述する条件で溶体化熱処理する。
(2) 800〜1000℃の任意の温度で20分間均熱処理を行い、その後5秒以内に水冷を行う。
(3) 冷却後の供試鋼表層を#500研磨する。
(4) 3g試料を分取し、非水溶液中(3%マレイン酸+1%テトラメチルアンモニウムクロライド+残部メタノール)で電解(100mV定電圧)してマトリックスを溶解する。
(5) 0.2μm穴径のフィルターで残渣(=析出物)を濾過し、析出物を抽出する。
(6) 残渣の化学組成を分析し、そのクロム含有量を求める。この残渣中のクロム含有量をクロム窒化物の析出量の指標とする。
(7) (2)の均熱処理温度を種々変化させ、残渣中のクロム含有量が0.01%以下となる均熱処理温度のうちの最低温度をTNとする。また、V、Ti、Nbのいずれか1種以上を含有する場合は、クロム含有量が0.03%以下となる均熱処理温度のうちの最低温度をTN2とする。
熱間圧延は、1150〜1250℃の所定の温度に加熱した後、実験室の2段圧延機により実施し、圧下を繰り返し、780〜1080℃で最終仕上圧延を実施し、最終板厚が6〜35mmになるように圧延した。
この熱延鋼材を半割し、片方の鋼材に溶体化熱処理を施した。溶体化熱処理は1000℃に設定した熱処理炉に鋼材を挿入し、5分の均熱時間を取った後に抽出し、その後常温まで水冷を実施した。
なお、6mmの材料では1/2サイズの、10mmの材料では3/4サイズのシャルピー試験片にて、20mmの板厚の材料では板厚中央部のフルサイズシャルピー試験片にて、板厚30mm、35mmの材料は板厚1/4部を中心として採取したフルサイズシャルピー試験片にて評価した。
試験温度は−20℃とし、最大エネルギー500J仕様の試験機にて衝撃試験を実施した。表2と表3に各3本の衝撃値の平均値(J/cm2)の結果を示した。
クロム窒化物析出温度を960℃以下に低下した鋼材において溶体化熱処理を省略した状態で、溶体化熱処理材との強度差が50MPa以上であり、孔食電位が0.05V以下の低下量にとどまる。また−20℃における衝撃値が50J/cm2以上を示す。このように請求項1、2に開示した本発明の熱延鋼材は、強度、耐食性、衝撃特性に優れることが明らかである。
本発明例では、溶体化熱処理材との強度差が50MPa以上であり、孔食電位が0.05V以下の低下量にとどまる。また−20℃における衝撃値が50J/cm2以上を示す。このように請求項3、4に開示した条件で製造された本発明熱延鋼材は、強度、耐食性、衝撃特性に優れることが明らかである。
なお、比較例42では、TFが溶体化処理温度を超える非常な高温であり、このため強度が低く目的の強度に達していない。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.03%以下、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜7.0%、
P :0.05%以下、
S :0.010%以下、
Ni:0.1〜5.0%、
Cr:18.0〜25.0%、
N :0.05〜0.30%、
Al:0.001〜0.05%、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する指標となるクロム窒化物析出温度TNが960℃以下であって、
溶体化熱処理を施した熱延鋼材よりも降伏強度が50MPa以上高い、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
- 質量%で、
C :0.03%以下、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜7.0%、
P :0.05%以下、
S :0.010%以下、
Ni:0.1〜5.0%、
Cr:18.0〜25.0%、
N :0.05〜0.30%、
Al:0.001〜0.05%、
を含有し、更に、
V :0.05〜0.5%、
Nb:0.01〜0.20%、
Ti:0.003〜0.05%
から選ばれる1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、
熱間圧延中におけるクロム窒化物の析出に関する第二の指標となるクロム窒化物析出温度TN2が960℃以下であって、
溶体化熱処理を施した熱延鋼材よりも降伏強度が50MPa以上高い、熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
- 更に、
Mo:1.5%以下、
Cu:2.0%以下、
W :1.0%以下、
Co:2.0%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
- 更に、
B :0.0050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0030%以下、
REM:0.10%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱間圧延ままの溶体化熱処理を省略した合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材の製造方法であって、
選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない鋼材については下記(1)式に従って、前記選択的成分を含有する鋼材については下記(2)式に従って、熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFから600℃までの温度域を5分以下の時間で冷却することを特徴とする合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材の製造方法。
TF ≧ TN −30 ・・・ (1)
TF ≧ TN2−30 ・・・ (2)
- 選択的成分であるV、Nb、Tiを含有しない板厚20mm超の鋼材については下記(3)式に従って、前記選択的成分を含有する板厚20mm超の鋼材については下記(4)式に従って、熱間圧延終了後の加速冷却開始温度TCから加速冷却を開始することにより、熱間圧延の最終仕上圧延パスの入側温度TFから600℃までの温度域を5分以下の時間で冷却することを特徴とする請求項5に記載の合金元素節減型二相ステンレス熱延鋼材の製造方法。
TN −200 ≦ TC ≦ TN +50 (但し、TF≧TC)・・・ (3)
TN2−200 ≦ TC ≦ TN2+50 (但し、TF≧TC)・・・ (4)
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