JP2015105399A - 母材の低温靭性とｈａｚ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板およびその製造方法 - Google Patents
母材の低温靭性とｈａｚ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板およびその製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】合せ材の耐食性、ＨＡＺ靭性並びに母材の低温靭性、特に脆性破壊伝播停止特性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板およびその製造方法を提供する【解決手段】 オーステナイト系ステンレス鋼を合せ材とし、低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材が、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．７５〜１．８０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．４５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．０７０％以下、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。【選択図】なし
Description
本発明は、母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板およびその製造方法に関する。
クラッド鋼板は母材の機械的特性と合せ材の耐食性を兼ね備え、かつ経済性に優れた高機能鋼板である。オーステナイト系ステンレスクラッド鋼板は、ケミカルタンカー用として多く用いられるが、エネルギー開発分野の成長とともにパイプライン用途として需要が期待されている。近年、難採掘環境と呼ばれる領域においてもエネルギー資源開発が進んでおり、このような環境は、今まで以上に母材の低温靭性、特に脆性破壊の伝播停止特性や合せ材の耐食性が求められている。
クラッド鋼板とは合せ材にステンレス鋼やＮｉ基合金、母材に低合金鋼材と、二種類の性質の異なる金属を張り合わせた鋼板である。クラッド鋼は、異種金属を金属学的に接合させたもので、めっきとは異なり剥離する心配がなく単一金属及び合金では達し得ない新たな特性を持たせることができる。
クラッド鋼板は、使用環境毎の目的に合った機能を有する合せ材を選択することにより無垢材と同等の機能を発揮させることができる。さらに、クラッド鋼の母材には、耐食性以外の高靭性、高強度といった厳しい環境に適した炭素鋼や低合金鋼を適用することができる。
このように、クラッド鋼は、無垢材よりも合金元素の使用量が少なく、かつ、無垢材と同等の耐食性能を確保でき、さらに炭素鋼や低合金鋼と同等の強度や靭性を確保できるため、経済性と機能性が両立できるという利点を有する。
以上から、オーステナイト系ステンレス鋼を含めて、高合金の合せ材を用いたクラッド鋼は非常に有益な機能性鋼材であると考えられており、近年そのニーズが各種産業分野で益々高まっている。
このような背景から、以下に示すようなクラッド鋼板およびクラッド鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献１および特許文献２には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂやＴｉを含有する合金炭素鋼を母材としてクラッド圧延した後、９００〜１１００℃のオーステナイト化温度域から調質を行い、その後５５０〜６５０℃の焼戻しを行うクラッド鋼の製造方法が開示されている。
特許文献３には、Ｎｂを０．０８〜０．１５質量％含有する母材とステンレス鋼またはニッケル合金からなる合わせ材とを有するクラッド鋼を１０００℃以下での圧下比を３以上、総圧下比を５以上として、圧延終了温度９００〜１０００℃で圧延し、３０〜２００秒間空冷した後、７５０℃以上の温度から５〜４０℃／秒の冷却速度で５５０℃以下の温度まで冷却するクラッド鋼板の製造方法が開示されている。
特許文献４には、母材にＮｂ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、Ｃｕ：１．５質量％以下、Ｎｉ：３．０質量％以下、Ｃｒ：０．３質量％以下、Ｍｏ：０．３質量％以下等を選択的に含有した低合金鋼を用いて、１１００℃以上に加熱した後に、１０００℃以上の温度範囲において圧下比で２．５以上、８５０℃以下母材のＡｒ３点−２０℃までの温度範囲において圧下率５０％以上の圧延を施し、その後直ちに４５０℃以下の温度まで水冷するオーステナイト系ステンレスクラッド鋼の製造方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示された技術は、９００〜１１００℃のオーステナイト化温度域から調質後に、５５０〜６５０℃の焼戻し処理を行うために、合わせ材の耐食性が劣化するという問題がある。
これは、合せ材であるオーステナイト系ステンレス鋼では、５００〜８００℃の温度域に保持すると、Ｃｒ２３Ｃ６といった炭化物やσ相といった金属間化合物が生じることで、析出物周辺部のＣｒ濃度が低くなり、粒界腐食や孔食が生じやすくなるためである。
通常、無垢材であれば圧延後に溶体化処理を施し析出物を固溶させることができるが、クラッド鋼の場合には析出物が溶け込むような高温に加熱保持すると、母材である低合金鋼の結晶粒が粗大化し、機械的特性が著しく悪化するという問題が生じる。また、特許文献１および特許文献２に記載の焼入焼戻処理での製造方法では、母材の低温靭性、特に脆性破壊伝播停止性能を向上させるには限界があるという問題もある。
特許文献３に開示された技術では、Ｎｂを０．０８質量％以上含有しているので、溶接熱影響部（ＨＡＺ）靭性が劣化するという問題がある。通常、溶接を伴う鋼構造物にクラッド鋼を用いる場合は、母材のＮｂ含有量は０．０８質量％未満とすることが望ましい。しかし、Ｎｂ含有量を低くした場合には、制御圧延による結晶粒の微細化達成のために、より低温での圧延が必要となるという問題がある。
特許文献４に開示された技術では、Ｃｕは０．５０質量％以上、Ｎｉは０．４５質量％以上含有すると、溶接性が劣化するという問題があり、鋼構造物として重要な溶接熱影響部（ＨＡＺ）靭性を確保する点について考慮されていない。
本発明は、上記した現状に鑑みてなされたものであり、合せ材の耐食性、ＨＡＺ靭性並びに母材の低温靭性、特に脆性破壊伝播停止特性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
ステンレスクラッド鋼は、無垢のステンレスや無垢の低合金鋼と異なり、合せ材の耐食性の確保、母材の機械的特性の確保、複合材料としての接合性の確保の３つの特性を同時に満たす必要がある。発明者らは、かかる事情に鑑み、合せ材の耐食性については、炭化物を抑制するために、低Ｃ量とし、さらに製造条件で圧延終了温度の低温化の防止、また、母材の機械的特性、特に低温靭性と溶接熱影響部の靭性の確保のために、母材の成分と製造条件の加熱温度と制御圧延条件の適正化、また、接合性については、製造条件のスラブ加熱温度と圧延の温度範囲とその際の圧下比について鋭意検討し、全ての特性を満足する条件を求めた。
本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］ オーステナイト系ステンレス鋼を合せ材とし、低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材が、質量％で、Ｃ：０．０２０〜０．１００％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．７５〜１．８０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３０％以下、
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．４５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．０７０％以下、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．４５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．０７０％以下、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
［２］ さらに、前記母材のＴｉとＮの含有量（質量％）の比（Ｔｉ／Ｎ）が２．００〜４．００であることを特徴とする［１］に記載の母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
［３］ 前記オーステナイト系ステンレスクラッド鋼板の合せ材が、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．４０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：１２．００〜１５：００％、Ｃｒ：１６．００〜１８．００％、Ｍｏ：２．００〜３．００％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする［１］または［２］に記載の母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
［４］ ［１］乃至［３］の何れかに記載のクラッド鋼板の素材を用いて、１０５０〜１１５０℃に加熱後、板表面の温度で９５０℃以上での圧下比を１．５以上とし、９００℃以下の温度域における制御圧延において、累積圧下率を５０％以上、圧延終了温度を７５０℃以上とする熱間圧延を行った後に、冷却速度３℃／ｓ以上、冷却停止温度５５０℃以下とする加速冷却を行い、その後放冷することを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
本発明によれば、母材の化学成分としてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏを必須元素として全て含有し、あるいはＴｉ／Ｎの範囲を限定し、また、制御圧延の条件を適正化することで、母材の低温靭性と溶接熱影響部靭性と合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼を得ることができる。
以下に本発明の各構成要件の限定理由について説明する。
１．母材の成分組成について
はじめに、本発明のクラッド鋼の母材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、各元素の成分％は、特に記載が無い限りすべて質量％を意味する。
はじめに、本発明のクラッド鋼の母材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、各元素の成分％は、特に記載が無い限りすべて質量％を意味する。
Ｃ：０．０２０〜０．１００％
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分であり、０．０２０％未満であると一般溶接用としては強度が得られないため０．０２０％以上とする。一方、０．１００％を超えて含有すると鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性等を著しく劣化させるため、Ｃ量は０．０２０〜０．１００％の範囲とする。好ましくは０．０３０〜０．０８０％の範囲である。
Ｃは鋼の強度を向上させる有効な成分であり、０．０２０％未満であると一般溶接用としては強度が得られないため０．０２０％以上とする。一方、０．１００％を超えて含有すると鋼材の溶接性やＨＡＺ靭性等を著しく劣化させるため、Ｃ量は０．０２０〜０．１００％の範囲とする。好ましくは０．０３０〜０．０８０％の範囲である。
Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に必要な成分であり、その効果を得るためには少なくとも０．１０％以上の含有が必要である。一方、０．５０％を超えて含有するとＨＡＺの硬化により靭性が低下するため、Ｓｉ量は０．１０〜０．５０％の範囲とする。なお、ＨＡＺ靭性の観点から、好ましくは０．２０〜０．４０％の範囲である。
Ｓｉは母材の強度確保、脱酸等に必要な成分であり、その効果を得るためには少なくとも０．１０％以上の含有が必要である。一方、０．５０％を超えて含有するとＨＡＺの硬化により靭性が低下するため、Ｓｉ量は０．１０〜０．５０％の範囲とする。なお、ＨＡＺ靭性の観点から、好ましくは０．２０〜０．４０％の範囲である。
Ｍｎ：０．７５〜１．８０％
Ｍｎは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として０．７５％以上の含有が必要であるが、１．８０％を超えて含有すると、靭性、溶接性に悪影響を与えるため、上限値を１．８０％とする。よって、Ｍｎ量は０．７５〜１．８０％の範囲とする。なお、母材靭性およびＨＡＺ靭性の観点から、好ましくは１．００〜１．７０％の範囲である。
Ｍｎは母材の強度及び靭性の確保に有効な成分として０．７５％以上の含有が必要であるが、１．８０％を超えて含有すると、靭性、溶接性に悪影響を与えるため、上限値を１．８０％とする。よって、Ｍｎ量は０．７５〜１．８０％の範囲とする。なお、母材靭性およびＨＡＺ靭性の観点から、好ましくは１．００〜１．７０％の範囲である。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは鋼中不純物として不可避な元素であるが、母材ならびに溶接熱影響部靭性を確保するためにはＰ量は０．０１５％以下とする。好ましくは０．０１０％以下である。
Ｐは鋼中不純物として不可避な元素であるが、母材ならびに溶接熱影響部靭性を確保するためにはＰ量は０．０１５％以下とする。好ましくは０．０１０％以下である。
Ｓ：０．００３％以下
Ｓは鋼中不純物として不可避な元素であるが、低温靭性を確保するためにはＳ量は０．００３％以下とする。好ましくは０．００１０％以下である。
Ｓは鋼中不純物として不可避な元素であるが、低温靭性を確保するためにはＳ量は０．００３％以下とする。好ましくは０．００１０％以下である。
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％
Ｃｕは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると溶接性を阻害することがあるので、Ｃｕ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。好ましくは、０．１０〜０．４０％の範囲である。
Ｃｕは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると溶接性を阻害することがあるので、Ｃｕ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。好ましくは、０．１０〜０．４０％の範囲である。
Ｎｉ：０．０１〜０．４５％
Ｎｉは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．４５％を超えて含有すると効果が飽和し、また、Ｎｉの含有は製造コストを上昇させるため、Ｎｉ量は０．０１〜０．４５％の範囲とする。好ましくは、０．１０〜０．４０％の範囲である。
Ｎｉは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．４５％を超えて含有すると効果が飽和し、また、Ｎｉの含有は製造コストを上昇させるため、Ｎｉ量は０．０１〜０．４５％の範囲とする。好ましくは、０．１０〜０．４０％の範囲である。
Ｃｒ：０．０１〜０．５０％
Ｃｒは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると、溶接熱影響部靭性を劣化させるので、Ｃｒ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。好ましくは、０．０５〜０．３５％の範囲である。
Ｃｒは靭性の改善と強度の上昇に有効な元素の１つであるため、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると、溶接熱影響部靭性を劣化させるので、Ｃｒ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。好ましくは、０．０５〜０．３５％の範囲である。
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
Ｍｏは母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であり、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると溶接熱影響部靭性や溶接性を阻害するため、Ｍｏ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。なお、母材強度と靭性の観点から、好ましくは、０．０５〜０．３５％の範囲である。
Ｍｏは母材の強度と靭性を安定的に向上させる元素であり、０．０１％以上の含有とする。しかし、０．５０％を超えて含有すると溶接熱影響部靭性や溶接性を阻害するため、Ｍｏ量は０．０１〜０．５０％の範囲とする。なお、母材強度と靭性の観点から、好ましくは、０．０５〜０．３５％の範囲である。
Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％
Ｎｂは細粒化による析出強化を通じて母材の強度および靭性を向上させるのに有効であるが、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮することができない。一方、０．０８０％を超えて含有すると溶接熱影響部の靭性を劣化させるため、Ｎｂ量は０．００５〜０．０８０％の範囲とする。好ましくは、０．０１０％〜０．０５０％の範囲である。
Ｎｂは細粒化による析出強化を通じて母材の強度および靭性を向上させるのに有効であるが、その量が０．００５％未満ではその効果を有効に発揮することができない。一方、０．０８０％を超えて含有すると溶接熱影響部の靭性を劣化させるため、Ｎｂ量は０．００５〜０．０８０％の範囲とする。好ましくは、０．０１０％〜０．０５０％の範囲である。
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％
ＴｉはＴｉＮを形成してスラブ加熱時の粒成長や溶接熱影響部の粒成長を抑制し、結果としてミクロ組織の微細化をもたらして強度と母材ならびに溶接熱影響部の靭性を改善する効果があるので、０．００５％以上の含有とする。しかし、０．０３０％を超えて含有すると、かえって上記効果が得られないのみならず、靭性も劣化させる。したがって、Ｔｉ量は０．００５〜０．０３０％の範囲とする。好ましくは、０．０１０〜０．０２０％の範囲である。
ＴｉはＴｉＮを形成してスラブ加熱時の粒成長や溶接熱影響部の粒成長を抑制し、結果としてミクロ組織の微細化をもたらして強度と母材ならびに溶接熱影響部の靭性を改善する効果があるので、０．００５％以上の含有とする。しかし、０．０３０％を超えて含有すると、かえって上記効果が得られないのみならず、靭性も劣化させる。したがって、Ｔｉ量は０．００５〜０．０３０％の範囲とする。好ましくは、０．０１０〜０．０２０％の範囲である。
Ｎ：０．００１０〜０．００６０％
ＮはＴｉＮとして析出することで溶接熱影響部靭性の向上に効果があるが、Ｎの含有量が０．００１０％未満では効果が薄れるため下限を０．００１０％とする。しかしながら０．００６０％を超えると固溶Ｎが増大し溶接熱影響部靭性の低下がおこる。Ｔｉの含有量と対応させるＴｉＮの微細析出によるＨＡＺ靭性の向上を考慮してＮ量は、０．００１０〜０．００６０％の範囲とする。
ＮはＴｉＮとして析出することで溶接熱影響部靭性の向上に効果があるが、Ｎの含有量が０．００１０％未満では効果が薄れるため下限を０．００１０％とする。しかしながら０．００６０％を超えると固溶Ｎが増大し溶接熱影響部靭性の低下がおこる。Ｔｉの含有量と対応させるＴｉＮの微細析出によるＨＡＺ靭性の向上を考慮してＮ量は、０．００１０〜０．００６０％の範囲とする。
Ａｌ：０．０７０％以下
Ａｌは、製鋼過程の脱酸用として重要な元素であるとともに、溶接熱影響部の靭性向上にも効力を有する。しかし、０．０７０％を超えて含有しても溶接熱影響部の靭性改善効果は飽和するので、Ａｌ量は０．０７０％以下とする。溶接熱影響部の靭性改善効果のために、好ましくは、０．０１％以上とする。
Ａｌは、製鋼過程の脱酸用として重要な元素であるとともに、溶接熱影響部の靭性向上にも効力を有する。しかし、０．０７０％を超えて含有しても溶接熱影響部の靭性改善効果は飽和するので、Ａｌ量は０．０７０％以下とする。溶接熱影響部の靭性改善効果のために、好ましくは、０．０１％以上とする。
Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％
Ｃａは硫化物系介在物の形態を制御し母材の靭性と溶接熱影響部靭性を改善する効果があるため、０．００１０％以上の含有とする。しかし、０．００４０％を超えて含有すると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させ溶接熱影響部靭性を劣化させるので、Ｃａ量は０．００１０〜０．００４０％の範囲とする。好ましくは０．００２０〜０．００３０％の範囲である。
Ｃａは硫化物系介在物の形態を制御し母材の靭性と溶接熱影響部靭性を改善する効果があるため、０．００１０％以上の含有とする。しかし、０．００４０％を超えて含有すると効果が飽和し、逆に清浄度を低下させ溶接熱影響部靭性を劣化させるので、Ｃａ量は０．００１０〜０．００４０％の範囲とする。好ましくは０．００２０〜０．００３０％の範囲である。
以上が本発明のクラッド鋼の母材の基本成分であり、残部はＦｅおよび不可避的不純物であが、上記成分に加えて、ＴｉおよびＮについてはさらに、以下の制限を設けることができる。
Ｔｉ／Ｎ：２．００〜４．００
なお、ＴｉおよびＮは、各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｔｉ及びＮは、上記のようにＴｉＮを生成してＨＡＺの靱性を改善するのに重要な元素であり、該効果を充分に発揮するためには両元素の含有量の相関関係も重要となる。すなわち、質量％比で、Ｔｉ／Ｎが２．００未満であると結晶粒が粗大化し、靱性値が大きく低下することがある。また、Ｔｉ／Ｎが４．００を超えると同様の理由により靭性値が低下することがある。したがって、Ｔｉ／Ｎは２．００〜４．００の範囲とすることが好ましい。
なお、ＴｉおよびＮは、各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｔｉ及びＮは、上記のようにＴｉＮを生成してＨＡＺの靱性を改善するのに重要な元素であり、該効果を充分に発揮するためには両元素の含有量の相関関係も重要となる。すなわち、質量％比で、Ｔｉ／Ｎが２．００未満であると結晶粒が粗大化し、靱性値が大きく低下することがある。また、Ｔｉ／Ｎが４．００を超えると同様の理由により靭性値が低下することがある。したがって、Ｔｉ／Ｎは２．００〜４．００の範囲とすることが好ましい。
２．合せ材の成分組成について
次に、本発明のクラッド鋼の合せ材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、各元素の成分％は、特に記載が無い限りすべて質量％を意味する。
次に、本発明のクラッド鋼の合せ材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、各元素の成分％は、特に記載が無い限りすべて質量％を意味する。
Ｃ：０．０２０％以下
Ｃはクラッド鋼の製造において、圧延中の熱履歴で炭化物として析出し、耐食性を阻害するため多量の含有は避けるべき元素である。０．０２０％を超えて含有すると、炭化物の析出が促進されて耐食性が劣化するため、Ｃ量は０．０２０％以下とする。好ましくは、０．０１５％以下である。
Ｃはクラッド鋼の製造において、圧延中の熱履歴で炭化物として析出し、耐食性を阻害するため多量の含有は避けるべき元素である。０．０２０％を超えて含有すると、炭化物の析出が促進されて耐食性が劣化するため、Ｃ量は０．０２０％以下とする。好ましくは、０．０１５％以下である。
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉは製造時の脱酸に有効な成分である。しかしながら、１．００％を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Ｓｉ量は１．００％以下とする。好ましくは、０．７５％以下である
Ｍｎ：１．４０％以下
Ｍｎも製鋼時の脱酸に有効な成分である。しかしながら、１．４０％を超えて含有すると、ＭｎＳといった非金属介在物が残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、１．４０％以下とする。好ましくは１．００％以下とする。
Ｓｉは製造時の脱酸に有効な成分である。しかしながら、１．００％を超えて含有すると非金属介在物として残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、Ｓｉ量は１．００％以下とする。好ましくは、０．７５％以下である
Ｍｎ：１．４０％以下
Ｍｎも製鋼時の脱酸に有効な成分である。しかしながら、１．４０％を超えて含有すると、ＭｎＳといった非金属介在物が残存し、耐食性が劣化し、また熱間加工性も劣化するため、１．４０％以下とする。好ましくは１．００％以下とする。
Ｐ：０．０４５％以下
Ｐは不純物であり、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、Ｐ量は０．０４５％以下とする。好ましくは、０．０３０％以下とする。
Ｐは不純物であり、粒界に偏析し、耐食性を劣化させる元素である。したがって、Ｐ量は０．０４５％以下とする。好ましくは、０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
ＳはＰと同様で不純物元素であり、ＭｎＳといった非金属介在物が析出して耐食性を劣化させる。したがって、Ｓ量は０．０３０％以下とする。好ましくは、０．０１０以下とする。
ＳはＰと同様で不純物元素であり、ＭｎＳといった非金属介在物が析出して耐食性を劣化させる。したがって、Ｓ量は０．０３０％以下とする。好ましくは、０．０１０以下とする。
Ｎｉ：１２．００〜１５：００％
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼の主要元素であり、耐食性を向上させる元素である。後述する、Ｃｒによって形成される酸化皮膜の密着性が増し、Ｃｒとの複合添加によって耐食性が向上する。しかし、高価な元素であるため、耐食性能と価格のバランスを考慮して、Ｎｉ量は、１２．００〜１５．００％の範囲とする。好ましくは、１２．５０〜１４．５０％の範囲である。
Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼の主要元素であり、耐食性を向上させる元素である。後述する、Ｃｒによって形成される酸化皮膜の密着性が増し、Ｃｒとの複合添加によって耐食性が向上する。しかし、高価な元素であるため、耐食性能と価格のバランスを考慮して、Ｎｉ量は、１２．００〜１５．００％の範囲とする。好ましくは、１２．５０〜１４．５０％の範囲である。
Ｃｒ：１６．００〜１８．００％
Ｃｒは、金属の表面に保護性の高い酸化皮膜を形成し、耐孔食性や耐粒界腐食性といった耐食性を向上させる元素である。しかし、高価な元素であるため、耐食性能と価格のバランスを考慮して、Ｃｒ量は１６．００〜１８．００％の範囲とする。好ましくは、１６．５０〜１４．５０％の範囲である。
Ｃｒは、金属の表面に保護性の高い酸化皮膜を形成し、耐孔食性や耐粒界腐食性といった耐食性を向上させる元素である。しかし、高価な元素であるため、耐食性能と価格のバランスを考慮して、Ｃｒ量は１６．００〜１８．００％の範囲とする。好ましくは、１６．５０〜１４．５０％の範囲である。
Ｍｏ：２．００〜３．００％
Ｍｏは、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させる元素である。ＣｒとＮｉとの複合効果によって耐食性が向上するが、高価な元素であり、ＣｒとＮｉの添加量と価格のバランスを考慮して、Ｍｏ量は２．００〜３．００％の範囲とする。好ましくは、２．２０〜２．８０％の範囲である。
Ｍｏは、耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させる元素である。ＣｒとＮｉとの複合効果によって耐食性が向上するが、高価な元素であり、ＣｒとＮｉの添加量と価格のバランスを考慮して、Ｍｏ量は２．００〜３．００％の範囲とする。好ましくは、２．２０〜２．８０％の範囲である。
上記した合せ材の成分の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。また、不可避的不純物としては、Ｃｕ、Ｂ、Ｃａ、Ｎ、Ｏ等が挙げられ、それぞれ、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｂ：０．００１０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｏ：０．００５０％以下の範囲内で含有しても耐食性に何ら影響を与えるものではない。当然ながら、その他の不可避的不純物が含有されても特性に影響しないので、含有してもかまわない。
３．製造方法について
本発明のオーステナイト系ステンレスクラッド鋼の製造方法について以下に述べる。
本発明のオーステナイト系ステンレスクラッド鋼の製造方法について以下に述べる。
本発明のクラッド鋼の母材素材ならびに合せ材素材は、上述した成分範囲に調整され、常法により溶製することができる。なお、本発明のステンレスクラッド鋼の母材としては、炭素鋼や低合金鋼を用いることができる。そして、本発明のステンレスクラッド鋼は、この母材の片面または両面に合せ材として上記成分範囲のステンレス鋼がクラッドされたものである。
クラッド圧延用組立スラブ（クラッド鋼板の素材）は、母材／合せ材／合せ材／母材というように重ね合わせた形式が製造上効率的であり、また冷却時の反りを考慮すると、母材同士、合せ材同士は等厚であることが望ましい。もちろん、上記した組立方式に限定されるものではない。
加熱温度：１０５０〜１１５０℃
加熱時に合せ材を十分溶体化するために１０５０℃以上に加熱する。クラッド鋼の接合性の観点からは、加熱温度は高温である方が好ましいが、高温に加熱しすぎると合せ材中にδフェライトが生成し耐食性の低下が起こり、また、１１５０℃以上に加熱すると、母材の結晶粒粗大化によって靭性劣化を招く。よって、耐食性、低温靭性、接合性の観点から、加熱温度は１０５０〜１１５０℃の範囲とする。
加熱時に合せ材を十分溶体化するために１０５０℃以上に加熱する。クラッド鋼の接合性の観点からは、加熱温度は高温である方が好ましいが、高温に加熱しすぎると合せ材中にδフェライトが生成し耐食性の低下が起こり、また、１１５０℃以上に加熱すると、母材の結晶粒粗大化によって靭性劣化を招く。よって、耐食性、低温靭性、接合性の観点から、加熱温度は１０５０〜１１５０℃の範囲とする。
９５０℃以上での圧下比：１．５以上
クラッド鋼は高温域での圧延によって、接合性が確保される。高温域での圧延が重要な意味としては、合せ材であるオーステナイト系ステンレス鋼と母材である低合金鋼の変形抵抗差が小さくなるため、圧延で理想的な接合界面となる点と、高温域では合せ材と母材両者の元素相互拡散が進行しやすいためである。
クラッド鋼は高温域での圧延によって、接合性が確保される。高温域での圧延が重要な意味としては、合せ材であるオーステナイト系ステンレス鋼と母材である低合金鋼の変形抵抗差が小さくなるため、圧延で理想的な接合界面となる点と、高温域では合せ材と母材両者の元素相互拡散が進行しやすいためである。
よって、クラッド圧延用組立スラブを作製する段階で、組立スラブ内の真空度が１０−４ｔｏｒｒ以上の高真空を確保できれば、合せ材／母材界面で十分な金属接合を得るためには、９５０℃以上での圧下比が１．５以上であれば良い。ここで、圧下比は、圧延前の板厚／圧延後の板厚 と定義する。
接合性の確保のためには、好ましくは、温度範囲は１０００℃以上であり、圧下比は２．０以上である。
次に、発明者らの検討によれば、母材の強度、低温靭性、特に脆性破壊の伝播停止特性を改善するには、オーステナイト低温域での高圧下と圧延直後の水冷が有効であることが明らかとなった。そこで制御圧延と圧延後の冷却条件について以下に述べる。
制御圧延：９００℃以下において累積圧下率５０％以上、圧延終了温度：７５０℃以上
オーステナイト未再結晶にて累積圧下率が５０％以上の圧延を行うことにより、オーステナイト粒が伸展し、その後の加速冷却で変態生成するベイナイトが微細化し靭性が向上する。圧延仕上げ温度は低下しすぎると、元素拡散の進行が生じにくく接合性の劣化に繋がり、また、７５０℃以下での圧延は合せ材中の炭化物やσ相の析出が促進される。よって、制御圧延は、母材の強度、低温靭性と合せ材の耐食性、クラッド鋼の接合性を全て確保するために、制御圧延開始温度は９００℃以下、累積圧下率は５０％以上とし、７５０℃以上の温度で仕上げ圧延を終了することとする。
オーステナイト未再結晶にて累積圧下率が５０％以上の圧延を行うことにより、オーステナイト粒が伸展し、その後の加速冷却で変態生成するベイナイトが微細化し靭性が向上する。圧延仕上げ温度は低下しすぎると、元素拡散の進行が生じにくく接合性の劣化に繋がり、また、７５０℃以下での圧延は合せ材中の炭化物やσ相の析出が促進される。よって、制御圧延は、母材の強度、低温靭性と合せ材の耐食性、クラッド鋼の接合性を全て確保するために、制御圧延開始温度は９００℃以下、累積圧下率は５０％以上とし、７５０℃以上の温度で仕上げ圧延を終了することとする。
冷却速度：３℃／ｓ以上、冷却停止温度：５５０℃以下
圧延終了後に５５０℃以下まで加速冷却するのは、母材の強度、低温靭性を担保するためである。冷却速度は、耐食性に大きく影響し、冷却速度は３℃／ｓ未満では、圧延直後からの冷却過程において、合せ材中に炭化物やσ相が析出し、耐食性が劣化する。よって、冷却停止温度は５５０℃以下とし、冷却速度は３℃／ｓ以上とする。冷却速度は、好ましくは、５℃／ｓ以上である。
圧延終了後に５５０℃以下まで加速冷却するのは、母材の強度、低温靭性を担保するためである。冷却速度は、耐食性に大きく影響し、冷却速度は３℃／ｓ未満では、圧延直後からの冷却過程において、合せ材中に炭化物やσ相が析出し、耐食性が劣化する。よって、冷却停止温度は５５０℃以下とし、冷却速度は３℃／ｓ以上とする。冷却速度は、好ましくは、５℃／ｓ以上である。
以下に本発明の実施例を説明する。
表１に示す成分組成からなる母材と、表２に示す成分組成からなる合せ材を用いて、クラッド鋼を製造した。製造条件は、母材／合せ材／合せ材／母材を重ねて一組のスラブに組み立てた。スラブにおける母材の厚みは１３０ｍｍ、合せ材の厚みは１８ｍｍとした。ついで、表３に示す加熱、圧延、冷却条件で熱間圧延を行い、その後空冷することで、厚みが（母材２３．５０ｍｍ＋合せ材３．２５ｍｍ）の片面クラッド鋼板を製造した。
そして、各クラッド鋼板から引張試験、ＤＷＴＴ試験、塩化第二鉄腐食試験の試験片を採取し、各試験に供した。
そして、各クラッド鋼板から引張試験、ＤＷＴＴ試験、塩化第二鉄腐食試験の試験片を採取し、各試験に供した。
ここで、溶接部靭性の評価は、ＪＩＳ Ｚ２２０２のＶノッチシャルピー試験により行った。シャルピー試験片のノッチ位置は、溶接金属と母材の境界であるボンド部から、母材側へ３ｍｍ（ＨＡＺ３ｍｍ）の位置とした。試験温度は、−２０℃で実施した。本発明では−２０℃の吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）が１００Ｊ以上を靭性に優れているものとした。
また、母材の靭性は、ＡＰＩ規格に準拠したＤＷＴＴ試験片を採取し、−２０℃におけるＤＷＴＴ試験（落重試験）で評価した。
本発明では、−２０℃におけるＤＷＴＴ試験で、延性破面率８５％以上を母材の低温靭性に優れているものとした。
本発明では、−２０℃におけるＤＷＴＴ試験で、延性破面率８５％以上を母材の低温靭性に優れているものとした。
母材の引張試験は、ＡＰＩ−５Ｌに準拠した引張試験片を採取して引張試験を行い、本発明の引張強度の目標はＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５相当以上とし、ＹＳが４５０ＭＰａ以上、ＴＳが５３５ＭＰａ以上を母材強度に優れているものとした。
また、クラッド鋼としての接合性は、ＪＩＳ Ｇ０６０１：２０１２のクラッド鋼の試験方法に記載のせん断強さ試験に準拠して行った。評価基準はせん断強さが３００ＭＰａ以上のものを接合性が良好であると判断した。
一方、合せ材の耐食性試験は、ＪＩＳ Ｇ０５７８：２０００のステンレス鋼の塩化第二鉄腐食試験方法に準拠し、試験温度５０℃での浸漬試験を行い、腐食減少量が５０ｇ／ｍ２・ｈｒ未満を合せ材の耐食性に優れているものとした。
表４に試験結果を示す。
母材の化学成分と合せ材の化学成分と製造条件が本発明の範囲を満足する発明例である実施例Ｎｏ．１〜１６は、母材部の引張特性、ＤＷＴＴ特性（低温靭性）およびＨＡＺ靭性（溶接熱影響部靭性）と合せ材の耐食性とクラッド鋼としての接合性を満足する。
一方、比較例である実施例Ｎｏ．１７〜２５は、本発明の範囲を外れているので引張特性、ＤＷＴＴ特性等のいずれかの項目を満たしていない。
Claims (4)
- オーステナイト系ステンレス鋼を合せ材とし、低合金鋼を母材とするクラッド鋼板において、前記母材が、質量％で、Ｃ：０．０２０〜０．１００％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．７５〜１．８０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜０．４５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００５〜０．０８０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００１０〜０．００６０％、Ａｌ：０．０７０％以下、Ｃａ：０．００１０〜０．００４０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
- さらに、前記母材のＴｉとＮの含有量（質量％）の比（Ｔｉ／Ｎ）が２．００〜４．００であることを特徴とする請求項１に記載の母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
- 前記オーステナイト系ステンレスクラッド鋼板の合せ材が、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．４０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：１２．００〜１５：００％、Ｃｒ：１６．００〜１８．００％、Ｍｏ：２．００〜３．００％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板。
- 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のクラッド鋼板の素材を用いて、１０５０〜１１５０℃に加熱後、板表面の温度で９５０℃以上での圧下比を１．５以上とし、９００℃以下の温度域における制御圧延において、累積圧下率を５０％以上、圧延終了温度を７５０℃以上とする熱間圧延を行った後に、冷却速度３℃／ｓ以上、冷却停止温度５５０℃以下とする加速冷却を行い、その後放冷することを特徴とする母材の低温靭性とＨＡＺ靭性並びに合せ材の耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスクラッド鋼板の製造方法。
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