JP2014043616A - 二相ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.03%以下、Si:0.3%以下、Mn:3.0%以下、P:0.040%以下、S:0.008%以下、Cu:0.2〜2.0%、Ni:5.0〜6.5%、Cr:23.0〜27.0%、Mo:2.5〜3.5%、W:1.5〜4.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.03%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、相感受性指数X[2.2Si+0.5Cu+2.0Ni+Cr+4.2Mo+0.2W]が52.0以下であり、強度指数Y[Cr+1.5Mo+10N+3.5W]が40.5以上であり、さらに、耐孔食性指数PREW[Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N]が40以上である化学組成を有するとともに、圧延方向に平行な厚さ方向断面において、表層から1mm深さまでの厚さ方向に平行な直線を引いた時、該直線に交わるフェライト相とオーステナイト相との境界の数が160以上である金属組織を有することを特徴とする二相ステンレス鋼。
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
【選択図】 なし
Description
下記(i)式で表されるσ相感受性指数Xが52.0以下であり、
下記(ii)式で表される強度指数Yが40.5以上であり、さらに
下記(iii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上である化学組成を有するとともに、
圧延方向に平行な厚さ方向断面において、表層から1mm深さまでの厚さ方向に平行な直線を引いた時、該直線に交わるフェライト相とオーステナイト相との境界の数が160以上である金属組織を有することを特徴とする二相ステンレス鋼。
X=2.2Si+0.5Cu+2.0Ni+Cr+4.2Mo+0.2W・・・(i)
Y=Cr+1.5Mo+10N+3.5W・・・(ii)
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(iii)
ただし、(i)〜(iii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
下記(i)式で表されるσ相感受性指数Xが52.0以下であり、
下記(ii)式で表される強度指数Yが40.5以上であり、さらに
下記(iii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上である化学組成を有する鋼に対して、
冷間加工において75%以上の加工度を付与し、1020〜1100℃で溶体化熱処理を行うことを特徴とする二相ステンレス鋼の製造方法。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
Cは、オーステナイト相を安定化するのに有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する。したがって、Cの含有量は0.03%以下とする。C含有量は0.02%以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合には、Cを0.010%以上含有させるのが好ましい。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、その含有量が過剰な場合、σ相の生成が促進される。そのため、Siの含有量は0.3%以下とする。Si含有量は0.25%以下であるのが好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Siを脱酸剤として用いる場合には0.01%以上含有させることが好ましい。
Mnは、溶製時の脱硫および脱酸に有効であるとともに、オーステナイト相の安定化に有効な元素である。また、Mnは、熱間加工性の向上に寄与する元素でもある。さらに、MnにはNの溶解度を大きくする作用がある。しかし、その含有量が過剰な場合、耐食性を劣化させる。したがって、Mnの含有量は3.0%以下とする。Mn含有量は2.5%以下であるのが好ましい。上記の効果は微量でも発揮されるが、特に、Mnを脱硫または脱酸のために含有させる場合には、0.01%以上含有させることが好ましい。
Pは、鋼中に不可避的に混入する不純物元素である。その含有量が過剰な場合、耐食性および靱性の劣化が著しくなる。したがって、Pの含有量は0.040%以下とする。P含有量は0.030%以下であるのが好ましい。
Sは、Pと同様、鋼中に不可避的に混入する不純物元素であり、鋼の熱間加工性を劣化させる。また、硫化物は孔食の発生起点となり耐孔食性を劣化させる。そのため、Sの含有量は少ない方が良く、0.008%以下であれば実用上特に問題とはならない。S含有量は0.005%以下であるのが好ましい。
Cuは、還元性の低いとされる低pH環境、例えば、H2SO4またはH2S環境での耐食性向上に特に有効な元素である。これらの効果を得るためには、Cuを0.2%以上含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させた場合、熱間加工性を劣化させるだけでなく、σ相の生成を促進する。そのため、Cuの含有量は2.0%以下とする。Cu含有量は0.3%以上であるのが好ましく、0.4%以上であるのがより好ましい。また、Cu含有量は1.5%以下であるのが好ましく、0.8%以下であるのがより好ましい。
Niは、オーステナイトを安定化させるために必須の元素である。Ni含有量が低いとフェライト量が多くなり過ぎて、二相ステンレス鋼としての特長が失われる。また、フェライト中へのNの固溶度は小さいため、フェライト量が多くなると窒化物が析出しやすくなり耐食性が劣化する。そのため、Niは5.0%以上含有させる。一方、Ni含有量が過剰な場合、σ相の析出が容易になり靱性が劣化する。したがって、Ni含有量は、6.5%以下とする。Ni含有量は5.3%以上であるのが好ましく、6.0%以下であるのが好ましい。
Crは、耐食性および強度を確保するために必須の元素である。Cr含有量が低いと、いわゆるスーパー二相ステンレス鋼といえるだけの耐食性が得られない。したがって、Crは23.0%以上含有させる。一方、Crの含有量が過剰な場合、σ相の析出が顕著になり、耐食性の低下とともに、熱間加工性の低下および溶接性の劣化を招く。したがって、Cr含有量は27.0%以下とする。Cr含有量は25.0%以上であるのが好ましく、26.0%以下であるのが好ましい。
Moは、Crと同様、耐食性の向上、特に耐孔食性および耐隙間腐食性の向上に有効な元素である。また、鋼の高強度化にも有効な元素である。そのため、Moを2.5%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰な場合、σ相が析出しやすくなるため、Mo含有量は3.5%以下とする。Mo含有量は2.7%以上であるのが好ましい。また、Mo含有量は3.2%以下であるのが好ましく、3.0%未満であるのが好ましい。
Wは、Moと比べて、σ相などの金属間化合物の生成が少なく、耐食性、特に耐孔食性および耐隙間腐食性を向上させる元素である。また、鋼の高強度化にも非常に有効な元素であり、Wを適量含有させれば、CrおよびMoさらにはNの含有量を増やさずに高い耐食性を確保することができる。そのため、Wを1.5%以上含有させる必要がある。しかし、Wを過剰に含有させても耐食性の向上効果は飽和するため、Wの含有量は4.0%以下とする。W含有量は1.8%以上であるのが好ましく、2.0%以上であるのがより好ましい。また、W含有量は3.8%以下であるのが好ましい。
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、二相ステンレス鋼の熱的安定性および耐食性の向上ならびに高強度化に有効な元素である。フェライト相とオーステナイト相とのバランスを適正なものにするために、フェライト生成元素であるCrおよびMoの含有量との関係でNを適量含有させる必要がある。Nは、Cr、MoおよびWと同様に合金の耐食性を向上させる効果も有する。そのため、Nを0.24%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰になると、ブローホールの発生による欠陥、溶接時の熱影響による窒化物生成等により鋼の靱性および耐食性を劣化させる。したがって、Nの含有量は0.40%以下とする。Nは0.30%を超えて含有させるのが好ましく、0.32%を超えて含有させるのがより好ましい。
Alは脱酸剤として用いられるが、窒化物(AlN)を形成すると靭性の低下が懸念される。したがって、Alの含有量は0.03%以下とする。
Si、Cu、Ni、Cr、MoおよびWの各元素は、σ相を生成しやすい元素であるため、それぞれの含有量を所定の範囲とすると共に、下記(i)式で表されるσ相感受性指数Xが52.0以下である必要がある。σ相感受性指数Xが52.0以下となるように化学組成を調整することで、900℃で600秒の時効後の衝撃値(JIS Z 2242:2005)を20J/cm2以上としやすくなり、優れた耐脆化割れ性が得られる。σ相感受性指数Xは、51.0以下であるのが好ましい。σ相感受性指数Xの下限は特に規定しないが、強度および耐食性確保の面から、46.0以上であるのが好ましい。
X=2.2Si+0.5Cu+2.0Ni+Cr+4.2Mo+0.2W・・・(i)
ただし、(i)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Cr、Mo、WおよびNの各元素は、高強度化に寄与する固溶強化型の元素であるため、それぞれの含有量を所定の範囲とすると共に、下記(ii)式で表される強度指数Yが40.5以上である必要がある。強度指数Yが40.5以上となるように化学組成を調整することで、0.2%耐力YSが620MPaとなり、高強度化を達成することができる。強度指数Yは、十分な高強度化効果を得るためには、41.5以上であるのが好ましい。強度指数Yの上限は特に規定しないが、σ相析出を抑制するためには、48.0以下であるのが好ましい。
Y=Cr+1.5Mo+10N+3.5W・・・(ii)
ただし、(ii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Cr、Mo、WおよびNの各元素については、それぞれの含有量を所定の範囲とすると共に、本発明の二相ステンレス鋼の耐食性、特に耐海水腐食性を改善するためには、下記(iii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上である必要がある。耐孔食性指数PREWは、一般には35以上となるように調整されるが、本発明の二相ステンレス鋼ではCr、MoおよびNの含有量を高めてPREWが40以上とする。これにより、著しく優れた耐食性を得ることができる。耐孔食性指数PREWの上限は特に規定しないが、σ相析出を抑制するためには、48.0以下であるのが好ましい。
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(iii)
ただし、(iii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
Mg:0.02%以下
B:0.02%以下
希土類元素:0.2%以下
Ca、Mg、Bおよび希土類元素はいずれも、不純物のSが結晶粒界に偏析するのを抑制して、熱間加工性を向上させる元素であるので、本発明に係る二相ステンレス鋼用溶接材料に含有させても良い。しかし、これらの含有量が過剰な場合、鋼中に孔食の起点となる硫化物、酸化物、炭化物および窒化物が多く生成し、耐食性が劣化する。したがって、これらの元素から選択される一種以上を含有させる場合には、Ca、MgおよびBについては0.02%以下、希土類元素については0.2%以下の範囲で含有させることが好ましい。上記の熱間加工性向上の効果を得るためには、Ca、MgおよびBについてはそれぞれ0.0003%以上、希土類元素については0.01%以上含有させるのが好ましい。上記のCa、Mg、Bおよび希土類元素は、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有することができる。これらの元素の2種以上を含有させる場合には、その合計含有量は0.25%以下とすることが好ましい。
本発明に係る二相ステンレス鋼は、圧延方向に平行な厚さ方向断面において、表層から1mm深さまでの厚さ方向に平行な直線を引いた時、該直線に交わるフェライト相とオーステナイト相との境界の数が160以上である金属組織を有する。
本発明に係る二相ステンレス鋼を製造する方法については、上記の金属組織が得られる限り制限は設けないが、特に冷間加工および溶体化熱処理は、下記の条件を満足する範囲で行うのが望ましい。それぞれについて、説明する。
冷間加工度を高くすることにより、同一温度で熱処理した場合より細粒の組織を得ることができる。また加工度が高いほど再結晶温度は低くすることができる。この2つのメリットを得るためには、冷間加工度は75%以上とするのが望ましい。一方、加工度が過剰に高いと、工具の損傷が激しくなるため、冷間加工度は90%以下であるのが望ましい。
二相ステンレス鋼は、1020℃未満の温度で固溶化熱処理を行っても、析出物を十分に固溶させることが困難であり、熱処理での均熱完了から水冷開始までの間にσ相が析出しやすくなる。一方、1100℃を超えて熱処理すると組織の粗大化が顕著となる。したがって、固溶化熱処理は、1020〜1100℃の温度範囲において行う。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.03%以下、Si:0.3%以下、Mn:3.0%以下、P:0.040%以下、S:0.008%以下、Cu:0.2〜2.0%、Ni:5.0〜6.5%、Cr:23.0〜27.0%、Mo:2.5〜3.5%、W:1.5〜4.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.03%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
下記(i)式で表されるσ相感受性指数Xが52.0以下であり、
下記(ii)式で表される強度指数Yが40.5以上であり、さらに
下記(iii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上である化学組成を有するとともに、
圧延方向に平行な厚さ方向断面において、表層から1mm深さまでの厚さ方向に平行な直線を引いた時、該直線に交わるフェライト相とオーステナイト相との境界の数が160以上である金属組織を有することを特徴とする二相ステンレス鋼。
X=2.2Si+0.5Cu+2.0Ni+Cr+4.2Mo+0.2W・・・(i)
Y=Cr+1.5Mo+10N+3.5W・・・(ii)
PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N・・・(iii)
ただし、(i)〜(iii)式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。 - Feの一部に代えて、質量%で、さらにCa:0.02%以下、Mg:0.02%以下、B:0.02%以下および希土類元素:0.2%以下から選択される1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の二相ステンレス鋼。
- 質量%で、C:0.03%以下、Si:0.3%以下、Mn:3.0%以下、P:0.040%以下、S:0.008%以下、Cu:0.2〜2.0%、Ni:5.0〜6.5%、Cr:23.0〜27.0%、Mo:2.5〜3.5%、W:1.5〜4.0%、N:0.24〜0.40%およびAl:0.03%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
下記(i)式で表されるσ相感受性指数Xが52.0以下であり、
下記(ii)式で表される強度指数Yが40.5以上であり、さらに
下記(iii)式で表される耐孔食性指数PREWが40以上である化学組成を有する鋼に対して、
冷間加工において75%以上の加工度を付与し、1020〜1100℃で溶体化熱処理を行うことを特徴とする二相ステンレス鋼の製造方法。 - 請求項3に記載の二相ステンレス鋼の製造方法であって、鋼の化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、さらにCa:0.02%以下、Mg:0.02%以下、B:0.02%以下および希土類元素:0.2%以下から選択される1種以上を含有することを特徴とする二相ステンレス鋼の製造方法。
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