JP2014189801A

JP2014189801A - 低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品

Info

Publication number: JP2014189801A
Application number: JP2013063420A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Suetsugu; 輝彦末次; Hiroyasu Matsubayashi; 弘泰松林; Sadayuki Nakamura; 定幸中村; Ryuji Hirota; 龍二広田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】
必要な強度を保ちつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性が良好な低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品を提供する。
【解決手段】
質量％で、
Ｃ：０.０４〜０.１５％以下、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０〜６.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.００５％以下、Ｎｉ：１.０〜４.９％、Ｃｒ：１５.０〜１９.０％以下、Ｃｕ：１.０〜３.５％、Ｎ：０.０４〜０.２０％、Ｓｎ：０.０２％以下、Ｂ：０.００１〜０.０１０％を含み、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接ＨＡＺ部を１０％しゅう酸溶液中にて面積１ｃｍ^２当たりの電流を１Ａで９０秒間エッチングを施した場合に、鋭敏化組織がないことを特徴とする低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えばコンテナ内壁や化粧管等溶接が施される用途に使用される低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品に関する。

これまでに、Ｎｉを節減した高強度オーステナイト系ステンレス鋼として、下記特許文献１〜３に示す技術が提示されている。特許文献１ではリサイクル性、表面品質に起因する生産性、および素材特性面では耐食性と加工性に優れるステンレス鋼、特許文献２は優れた曲げ加工性を発現し、高強度ステンレス製ばねとして必須とされる耐へたり性および耐食性をも兼備するばね用ステンレス鋼、特許文献３は優れた深絞り性、張出し性を発現し、トラックをはじめとする自動車の車体、構造部材や補強材である。
これらの技術は、３００系ステンレス鋼と同等以上の強度を有するものの、Ｃ含有量の高い成分では溶接が施される場合、溶接ＨＡＺ部が鋭敏化し耐食性が低下する問題がある。

特許５０１４９１５特開号公報特許５０９１７３２特開号公報特許５０９１７３３特開号公報

本発明の課題は、コンテナ内壁や化粧管等に必要な強度を保ちつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性が良好な低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品を提供することにある。

上記課題は、質量％で、Ｃ：０.０４〜０.１５％以下、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０〜６.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.００５％以下、Ｎｉ：１.０〜４.９％、Ｃｒ：１５.０〜１９.０％、Ｃｕ：１.０〜３.５％、Ｎ：０.０４〜０.２０％、Ｓｎ：０.０２％以下、Ｂ：０.００１〜０.０１０％を含み、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接ＨＡＺ部を１０％しゅう酸溶液中にて面積１ｃｍ^２当たりの電流を１Ａで９０秒間エッチングを施した場合に、鋭敏化組織がないことを特徴とする溶接品あるいは、母材部の０.２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品により達成される。

本発明によれば、強度を確保しつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品が提供される。この溶接品は、例えばコンテナ内壁や化粧管等溶接が施される用途に使用できる。

溶接ＨＡＺＡ部の金属組織である。Ｍｎ含有量と母材の０．２％耐力の関係である。Ｎ含有量と母材の０．２％耐力の関係である。

本発明者らは、鋼の成分を制御することにより強度を確保しつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品が得られることを見出した。

鋭敏化とは、ステンレス鋼の粒界にＣｒ炭化物が析出する時に炭化物周辺にＣｒ欠乏層が生じ、そのために耐食性が低下する現象をいう。一般に鋭敏化は、１０％しゅう酸溶液中にて面積１ｃｍ^２当たりの電流を１Ａで９０秒エッチングを施した後、粒界がエッチングされているか否かで判断される。

鋼に溶接を施した場合、溶接部の近傍は溶接の影響により温度が上昇するが、その部分を熱影響部（ＨＡＺ：ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）と呼ぶ。ＨＡＺ部がＣｒ炭化物の析出温度で保持されると粒界にＣｒ炭化物が析出し、その周辺にＣｒ欠乏層が生じ鋭敏化が発生する。

Ｃｒ炭化物の析出温度は８００〜９００℃付近であり、溶接後の冷却速度が遅いとＨＡＺ部がＣｒ炭化物の析出温度に保持され、鋭敏化が起こる。したがって、溶接後の冷却速度を速くすることにより鋭敏化は防止できるが、工業生産ラインで溶接の冷却速度を制御することは設備制約等があり困難である。一般にＴＩＧ溶接の場合、冷却速度は約１００〜１４０℃／秒である。

図１にＴＩＧ溶接機を用いて溶接方向が圧延方向となるように電流９０Ａ、速度６００ｍｍ／ｍｉｎで溶接を施した鋼のＨＡＺ部の金属組織を示す。Ａ鋼は本発明鋼、Ｂ,Ｃ鋼は比較鋼である。Ａ鋼（Ｃ含有量：０.０８質量％）は粒界がエッチングされていないのに対して、Ｂ鋼（Ｃ含有量：０.１７質量％）,Ｃ鋼（Ｃ含有量：０.２０質量％）は粒界がエッチングされ、鋭敏化が発生している。以上の結果から低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼においてもＣ含有量を制御することで溶接ＨＡＺ部の鋭敏化を抑制できることが確認された。

一方で、溶接ＨＡＺ部の鋭敏化を防止するためにＣ含有量を低減することで、耐力が低下してしまう。本発明者らはＣ含有量を低減しつつ耐力を確保するためにはＭｎ含有量、Ｎ含有量を制御することが必要であることを見出した。

図２にＭｎ含有量と母材の０.２％耐力の関係を示す。母材の０.２％耐力は圧延方向と平行に試験片を採取し、２００ｋＮ引張試験機により測定した。図中の鋼はＣ含有量が０.０７〜０.１０質量％であり、溶接ＨＡＺ部に鋭敏化が起こっていないことを確認している。図中の（）内はＮ含有量を示している。Ｍｎ含有量の増加にともない耐力は増加しており、Ｍｎ含有量が２.０質量％以上で３００Ｎ／ｍｍ^２以上の耐力が得られることがわかる。Ｍｎはオーステナイト相を安定化させ、積層欠陥エネルギーを低下させる効果およびＮの固溶量を増加させる効果があり、これらが耐力の増加に寄与したと考えられる。

一方、図３にＮ含有量と母材の０.２％耐力の関係を示す。図中の鋼はＣ含有量が０.０７〜０.１０質量％であり、（）内はＭｎ含有量を示している。Ｎ含有量の増加にともない耐力は増加しており、Ｎ含有量が０.０４質量％以上で３００Ｎ／ｍｍ^２以上の耐力が得られることがわかる。Ｎは固溶強化能があり、耐力を増加させる作用がある。また、Ｍｎの添加によりＮの固溶度が上昇し、耐力の増加に寄与したと考えられる。

以下、本発明鋼に含まれる合金成分ならびに含有範囲限定理由について説明する。
Ｃは、オーステナイト生成元素であり、含有量が少なすぎるとδフェライト相の生成量が増大し、熱間加工性が低下する。コンテナ内壁や化粧管等に必要な耐力を確保するためには０.０４質量％以上添加する必要がある。ただし、上述したようにＣ含有量が０.１５質量％を超えると溶接ＨＡＺ部に鋭敏化が発生するため上限を０.１５質量％に規定した。

Ｎは、オーステナイト生成元素であり、これらの元素の含有量が少なすぎるとδフェライト相の生成量が増大し、熱間加工性が低下する。上述のように耐力を確保するには、０.０４質量％以上添加する必要がある。ただし、Ｎの含有量が多くなりすぎると過度に硬質化し、加工性を阻害するため上限を０.２０質量％に規定した。

Ｓｉは、製鋼での脱酸に有用な元素であるとともに、固溶強化に寄与する元素である。１.５質量％を越えて過剰に含有させると鋼が硬質化し加工性を損なう要因となる。また、Ｓｉはフェライト生成元素であるため、過剰添加は高温域でのδフェライト相の多量生成を招き、熱間加工性を阻害する。したがって、Ｓｉ含有量は１.５質量％以下に規定した。

ＭｎはＮｉに比べて安価で、Ｎｉの機能を代替できる有用なオーステナイト形成元素である。本発明においてコンテナ内壁や化粧管等に必要な耐力を確保するためには２.０質量％以上添加する必要がある。一方、Ｍｎ含有量が過剰となると、表面性状に起因する生産性の低下ならびにＭｎＳなどの介在物生成に起因する加工性低下や耐食性低下を引き起こす要因となる。このため、Ｍｎ含有量は上限を６.０質量％に規定した。

ＰおよびＳは不可避的不純物として混入するが、その含有量は低いほど望ましく、加工性その他の材料特性や製造性に多大な悪影響を与えない範囲として、Ｐについては０.０６質量％以下、Ｓは０.００５質量％以下に規定した。

Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼に必須の元素である。良好な熱間加工性を得るには、例えば１２００℃の加熱温度でγ単相となるようにＮｉ量を含有させる必要があり、その下限は１.０質量％である。本発明ではコスト低減の観点からＮｉ含有量を極力低く抑える成分設計を行っており、上限を４.９質量％に規定した。

Ｃｒはステンレス鋼の耐食性を担保する不動態皮膜の形成に必須の元素である。本発明では、耐食性を十分に確保する上で、Ｃｒ含有量の下限を１５.０質量％とした。ただし、Ｃｒはフェライト生成元素であるため、過度のＣｒ含有により熱延前加熱温度が(γ＋δ)２相域となり、加熱後もδフェライトの多量生成を招き熱間加工性を損なう要因となるため、好ましくない。したがって、Ｃｒ含有量は上限を１９.０質量％に規定した。

Ｃｕはオーステナイト生成元素であることから、Ｃｕ含有量の増加に応じてＮｉ含有量の設定自由度が拡大し、Ｎｉを抑制した成分設計が容易になる。この作用を有効に得るためには１.０質量％以上のＣｕ含有量を確保する必要がある。ただし、３.５質量％を越える多量のＣｕ含有は熱間加工性を阻害しやすい。このため、Ｃｕ含有量は１.０〜３.５質量％に規定した。

Ｓｎは不可避的不純物として混入する可能性があるが、Ｃｕを含有している鋼では低融点化合物のＣｕ−Ｓｎ相を生成して熱間加工性を著しく低下させる。したがって、Ｓｎ含有量の上限を０.０２質量％に規定した。

Ｂは熱間加工性や軟質化を改善するために添加させる元素であり、０.００１質量％以上の添加により安定した効果が得られる。ただし、過剰に添加するとＢの化合物が析出し、熱間加工性を劣化させるのでその上限を０.０１０質量％に規定した。

本発明鋼は、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼板の製造プロセスにより製造可能である。具体的には、成分調整された溶鋼を連続鋳造またはバツチ式で鋳造し、得られた鋳造スラブを加熱した後抽出して、連続熱間圧延機またはリバース式熱間圧延機にて熱間圧延する手法が採用できる。熱間圧延以降の中間焼鈍あるいは仕上焼鈍は１０５０〜１１００℃の範囲で行うことが望ましい。

表１の組成をもつ各種ステンレス鋼を溶製した。表１において、Ａ１〜Ａ１０が本発明で規定する化学成分を有する本発明鋼、Ｂ１〜Ｂ７が比較鋼である。比較鋼の下線部の化学成分含有量が本発明で規定する範囲を外れる。

本発明鋼Ａ１〜Ａ１０および比較鋼Ｂ１〜Ｂ７について、冷延鋼板の素材作製を行った。各鋼とも１００kgの鋼塊を得た後に、抽出温度１２３０℃で熱間圧延することにより板厚３.０ｍｍの熱間圧延板を製造した。それぞれの鋼の板厚３.０ｍｍの熱間圧延板を１０８０℃で均熱１分の焼鈍を施した後、冷間圧延、焼鈍を繰り返すことにより、板厚が１.０ｍｍの焼鈍材を得た。

上記の板厚１.０ｍｍの焼鈍材を用いて、引張特性を調査した。引張特性は、ＪＩＳＺ２２０１準拠の１３Ｂ号試験片を、引張方向が圧延方向となるように採取した。その試験片を、２００ｋＮ引張試験機を用いてクロスヘッド移動速度３ｍｍ／分、標点間距離５０ｍｍ、常温の条件で引張試験を行った。

次に上記の板厚１.０ｍｍの焼鈍材を用いて、溶接ＨＡＺ部の鋭敏化を調査した。溶接はＴＩＧ溶接機を用いて溶接方向が圧延方向となるように電流９０Ａ、速度６００ｍｍ／分で行った。溶接後は約１４０℃／秒の冷却速度で降温した。さらに、溶接部を切出し樹脂埋め研磨した後、エッチング処理を行い、溶接ＨＡＺ部鋭敏化の有無を確認した。
エッチング条件は、１０％しゅう酸溶液中にて面積１ｃｍ^２当たりの電流を１Ａで９０秒間エッチングを施した。表２に母材の０.２％耐力、溶接ＨＡＺ部鋭敏化の有無を示す。表中の○が鋭敏化なし、×が鋭敏化ありを示している。

表２に示されるように、本発明鋼Ａ１〜Ａ１０は０.２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ^２以上あり、溶接ＨＡＺ部の鋭敏化は認められなかった。一方、比較鋼Ｂ１〜Ｂ３,Ｂ５は０.２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ^２以上あるものの、溶接ＨＡＺ部に鋭敏化が認められた。また、比較鋼Ｂ４,６,７では鋭敏化は認められないものの耐力が低下した。これらの結果より本発明鋼は比較鋼に比べ強度を確保しつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性に優れることが確認された。

本結果より鋼の成分を制御することにより強度を確保しつつ、溶接ＨＡＺ部の耐食性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品が得られることを見出した。

Claims

質量％で、
Ｃ：０.０４〜０.１５％、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０〜６.０％、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.００５％以下、Ｎｉ：１.０〜４.９％以下、Ｃｒ：１５.０〜１９.０％、Ｃｕ：１.０〜３.５％、Ｎ：０.０４〜０.２０％、Ｓｎ：０.０２％以下、Ｂ：０.００１〜０.０１０％を含み、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接ＨＡＺ部を１０％しゅう酸溶液中にて面積１ｃｍ^２当たりの電流を１Ａで９０秒間エッチングを施した場合に、鋭敏化組織がないことを特徴とする低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品。
母材の０.２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１に記載の低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼板の溶接品。