JP2015124420A - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%でC:0.001〜0.020%、Si:0.03〜0.30%、Mn:0.05〜0.30%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、Cr:22.0%超〜28.0%、Ni:0.01〜0.30%未満、Mo:0.2〜3.0%、Al:0.01〜0.15%、Ti:0.20〜0.40%、Nb:0.001〜0.10%、V:0.02〜0.20%、Co:0.01〜0.3%、N:0.001〜0.020%、O:0.0050%未満を含有するフェライト系ステンレス鋼において、Al、O、Ti、N、Co、Nb、Vの含有量が特定の関係を満たすように調整する。
【選択図】なし
Description
Al×O≦0.0005 (1)
Ti×N≦0.005 (2)
Co/Ti≧0.05 (3)
Ti+Nb+V≧0.30 (4)
式(1)〜(4)における元素記号は、それらの元素の含有量を質量%で示したときの数値を意味する。
Cは鋼に不可避的に含まれる元素である。Cの含有量が多いと鋼の強度が向上する。十分な強度を有する鋼を得るためには、Cの含有量を0.001%以上にする必要がある。しかし、Cの含有量が多過ぎると、溶接部においてCrと反応してなるCr炭化物を析出して局所的なCr欠乏による耐食性の低下を起こす場合がある。また、Cの含有量が多過ぎると、Cは粗大なNb(C、N)などの介在物を形成して溶接部の低温靭性を低下させる場合がある。そこで、Cの含有量は0.020%以下が適当である。上記の通り、Cの含有量は0.001〜0.020%とした。より好ましくは、0.002〜0.015%である。
Siは脱酸に有用な元素である。また、Siは溶接によって形成されるテンパーカラーに濃縮して酸化皮膜の保護性を向上させ、テンパーカラーが形成された状態での溶接部の耐食性を良好なものとする元素である。これらの効果はSiの含有量を0.03%以上にすることで得られる。しかし、Siはフェライト粒径を粗大化させる元素であり、Siを過剰に含有すると、溶接による溶融部の結晶粒径が粗大化し、溶接部の低温靭性が低下する。Siの含有量が0.30%を超えると、溶接部の低温靭性の低下が顕著となる。よって、Siの含有量は0.03%〜0.30%とした。より好ましくは、0.05%〜0.20%である。
Mnは鋼の強度を高める効果がある。その効果はMnの含有量を0.05%以上にすることで得られる。しかし、Mnの含有量が過剰になると、腐食の起点となるMnSの析出が促進され、鋼の耐食性が低下する。このため、Mnの含有量は0.30%以下が適当である。よって、Mnの含有量は0.05〜0.30%とした。より好ましくは、0.08%〜0.25%である。
Pは鋼に不可避的に含まれる元素である。Pを過剰に含有すると溶接性が低下するとともに、粒界に偏析したPがカソード反応を促進し粒界腐食を生じやすくさせる。本発明においてPの含有量は少ないほうが好ましく0%でもよい。そこで、本発明ではPの含有量は0.05%以下とした。より好ましくは0.03%以下である。
Sは鋼に不可避的に含まれる元素である。Sの含有量が0.01%を超えるとCaSやMnSなどの水溶性硫化物の形成が促進され、鋼の耐食性が低下する。本発明においてSの含有量は少ないほうが好ましく0%でもよい。よって、Sの含有量は0.01%以下とした。
Crはステンレス鋼の耐食性を確保するために最も重要な元素である。Crの含有量が22.0%以下では溶接による酸化で表層のCrが減少するため、溶接ビードやその周辺において十分な耐食性が得られない。ここで、表層とは表面から深さ方向に1〜5μmの領域を指す。一方で、Crを過剰に含有すると、鋼の加工性、製造性が低下する。このため、Crの含有量は28.0%以下が適当である。よって、本発明では、Crの含有量は22.0%超〜28.0%とした。より好ましくは、22.2〜26.0%である。
Niはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。Niは、不動態皮膜が形成できず活性溶解が起こる腐食環境において腐食の進行を抑制する元素である。その効果はNiの含有量を0.01%以上にすることで得られる。しかし、Niの含有量が0.30%以上になると、鋼の加工性が低下する。また、Niの含有量が多くなると、Niは高価な元素であるため製造コストが増大する。よって、Niの含有量は0.01〜0.30%未満とした。より好ましくは、0.03%〜0.24%である。
Moは不動態皮膜の再不動態化を促進し、ステンレス鋼の耐食性を向上させる元素である。CrとともにMo含有することによってその効果はより顕著となる。Moによる耐食性向上効果は、Moの含有量を0.2%以上とすることで得られる。しかし、Moの含有量が3.0%を超えると鋼の強度が増加し過ぎ、圧延負荷が大きくなるため製造性が低下する。よって、Moの含有量は0.2〜3.0%とした。より好ましくは、0.6〜2.4%である。
Alは脱酸に有用な元素である。また、本発明では、AlはAlNを形成してTiNの粗大化を抑制し、良好な低温靭性を溶接部に付与する元素である。この効果は、Alの含有量が0.01%以上で得られる。しかし、AlはSiとともにフェライト結晶粒径を粗大化する元素である。Alの含有量が0.15%を超えると溶接部のフェライト結晶粒径が増大し過ぎ、溶接部の低温靭性が低下する。さらに、鋼中のOと結合して粗大なAl2O3介在物を形成し、溶接部の低温靭性を低下させる。よって、Alの含有量は0.01〜0.15%とした。より好ましくは、0.03〜0.12%である。
TiはC、Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。Tiは溶接部において必要な耐食性を得るためにNb、Vとともに重要な元素である。また、本発明を完成するにあたって、溶融部の凝固後に析出した比較的微細な針状のTi(C、N)が結晶粒の粗大化を抑制し、溶接部の低温靭性を向上させる効果が見出された。その効果は、Tiの含有量を0.20%以上にすることで得られる。しかし、Tiの含有量が0.40%を超えると溶融部の凝固前に析出する粗大なTiNが、溶接部の低温靭性を低下させる。よって、Tiの含有量は0.20〜0.40%とした。より好ましくは、0.22〜0.35%である。
Nbは、C、Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制し、溶接部の耐食性を向上させる元素である。NbはTiよりも低い温度でC、Nと結合し介在物を形成する。溶接後の冷却速度は高温側になるほど早いため、Tiの析出温度域では、冷却速度が速すぎて固溶しているC、Nを余すことなく介在物として無害化することが難しい。そのため、Tiのみの添加でCr炭窒化物の析出による粒界腐食を完全に抑制するには、過剰量のTiを添加することが必要となる。過剰量のTiを添加すると、溶接部に粗大なTiNが形成されて低温靭性が低下する。そこで、本発明ではTiの添加量を適正な範囲としたうえで、少量のNbを添加して溶接部のC、Nを、Tiの析出温度域とNbの析出温度域の2つの温度域で効率的に無害化し、溶接部の耐食性と低温靭性を両立させている。その効果はNbの含有量を0.001%以上にすることで得られる。Nbの含有量が0.10%を超えると、TiNに付着して析出するNb炭窒化物が増加し、もともと粗大になりやすいTiNをより粗大な析出物にして、溶接部の低温靭性を低下させる。よって、Nbの含有量は0.001〜0.10%とした。より好ましくは、0.01〜0.08%である。
Vは溶接部の低温靭性を向上させる重要な元素である。加えて、VがNとVNを形成することで、Tiと結合するN量を減少させ、粗大なTiNの形成を抑制する。その効果は、Vの含有量が0.02%以上で得られる。しかし、Vの含有量が0.20%を超えると、加工性が低下する。よって、Vの含有量は0.02〜0.20%以下とした。より好ましくは、0.03〜0.15%である。
CoはTiNなどの粗大な介在物の凝集を抑制し、溶接部の低温靭性を向上させる重要な元素である。その効果はCoの含有量を0.01%以上にすることで得られる。Coの含有量が0.3%を超えると製造性が低下する。よってCoの含有量は0.01〜0.3%とした。より好ましくは0.02〜0.1%である。
Nは、Cと同様に鋼に不可避的に含まれる元素であり、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。その効果はNの含有量を0.001%以上にすることで得られる。しかし、Nを過剰に含有することで析出したCr窒化物は、溶接部の耐食性を低下させる場合がある。また、過剰なNの含有はTiNの粗大化を促進し、溶接部の低温靭性を低下させる。このため、Nの含有量は0.020%以下が適当である。よって、本発明では、Nの含有量は0.001〜0.020%とした。より好ましくは、0.002〜0.015%である。
Oは鋼中に不可避的に含まれる元素である。本発明では、Oは鋼中のAlと結合して粗大なAl2O3介在物を形成し、溶接部の低温靭性を低下させる。その影響は、Oの含有量が0.0050%以上で顕著となる。よって、Oの含有量は0.0050%未満とした。より好ましくは0.0030%未満である。
Al×O≦0.0005 (1)
Ti×N≦0.005 (2)
Co/Ti≧0.05 (3)
Ti+Nb+V≧0.30 (4)
式(1)〜(4)における元素記号は、それらの元素の含有量を質量%で示したときの数値を意味する。
種々のフェライト系ステンレス鋼について、溶接部のシャルピー試験を行い、低温靭性の優れたもの、劣ったものそれぞれについて、シャルピー試験片の破面を詳細に調査したところ、低温靭性の劣ったものでは破壊起点および破面にTiNおよびAl2O3の粗大な介在物が存在していることが明らかとなった。したがって、これらの介在物が溶接部の低温靭性を低下させる原因となっていると考えられた。TiNおよびAl2O3はいずれも溶鋼の段階から析出を開始するため、粒径が数μmとなる粗大な介在物となる。この粗大な介在物の析出を抑制するためには、それぞれTiとNの濃度の積、AlとOの濃度の積を一定値以下として、溶鋼中での析出を極力抑制することが重要である。Al2O3についてはAl×O≦0.0005、TiNについてはTi×N≦0.005であったときに、粗大な介在物の個数が減少し、溶接部の低温靭性が大きく向上した。よって、Al×O≦0.0005、TiN≦0.005とした。より好ましくは、Al×O≦0.0003、Ti×N≦0.003である。
溶接部の低温靭性に劣る材料の破面について、より詳細に観察したところ、TiNの凝集した領域では、破面単位が相対的に増加する傾向が確認された。これは、粗大なTiNが凝集してクラスターとなることで、一層亀裂の伝播が容易になるため破面単位が増加したと考えられる。したがって、TiNの凝集を抑制することで、低温靭性が向上すると考えられる。Co添加により、TiNの凝集が解消される傾向が確認できたが、Tiが多量に添加された鋼ではCoの添加量が少量ではTiNの凝集の解消には効果が小さい傾向が見られた。そこで、Co含有量とTi含有量についてTiNの凝集状態を調査したところ、Co/Ti≧0.05であるときに、TiNの凝集が解消され、TiNのクラスターが減少した。よって、Co/Ti≧0.05とした。より好ましくは、Co/Ti≧0.07である。
溶接部の低温靭性は、溶接部に粒界腐食が発生すると大きく低下する。これは粒界腐食部がちょうど切り欠き形状となって、応力集中を引き起こし、破壊を発生させやすくするためである。したがって、低温靭性の確保のためには、溶接部の粒界腐食は発生しないほうが好ましい。溶接部の粒界腐食の発生は、CrとC、Nの結合によるCr炭窒化物の析出が原因となる。Ti、Nb、VはいずれもC、Nとの親和力がCrよりも強く、C、Nと結合してCr炭窒化物の形成を抑制する元素である。これらの元素を添加することで溶接部の粒界腐食は抑制できる。一方でこれらの元素を過剰に添加すると、溶接部の低温靭性が低下する。したがって、それぞれの元素については低温靭性の要請から含有量の上限が決定されるが、溶接部の粒界腐食抑制のためにはTi、Nb、Vを合計で一定量含有することが必要となる。調査の結果、Ti+Nb+V≧0.30で溶接部の粒界腐食が抑制される効果が得られた。よってTi+Nb+V≧0.30とした。より好ましくはTi+Nb+V≧0.35である。
Cuはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素であり、その効果はCuの含有量を0.01%以上にすることで得られる。しかし、Cuを過剰に含有すると、不動態維持電流を増加させて不動態皮膜を不安定とし、鋼の耐食性が低下する場合がある。そのため、Cuを含有させる場合、Cuの含有量は1.0%以下が好ましい。
ZrはC、Nと結合して、鋭敏化を抑制する効果がある。その効果はZrの含有量を0.01%以上にすることで得られる。しかし、Zrを過剰に含有すると、鋼の加工性が低下する。また、Zrは非常に値段が高い元素であるため、Zrの含有量が多くなるとコストの増大を招く。よって、Zrの含有量は0.5%以下が好ましい。
WはMoと同様に耐食性を向上させる効果がある。その効果はWの含有量を0.01%以上にすることで得られる。しかし、Wを過剰に含有すると、鋼の強度が上昇し、製造性が低下する。よって、Wの含有量は1.0%以下が好ましい。
REMは、鋼の耐酸化性を向上して、酸化スケールの形成を抑制し、溶接時に生成するテンパーカラー直下のCr欠乏領域の形成を抑制する。REMの中でもLa、Ceに特にその効果がある。Cr欠乏領域の形成を抑制する効果は、REMの含有量を0.0001%以上にすることで得られる。しかし、REMを過剰に含有すると、酸洗性などの製造性が低下する。また、REMは高価であるため、REMの含有量が多くなるとコストの増大を招く。よってREMの含有量は0.1%以下が好ましい。
Bは二次加工脆性を改善する元素であり、その効果を得るためには、Bの含有量は0.0001%以上が適当である。しかし、Bを過剰に含有すると、固溶強化による延性低下を引き起こす。よってBの含有量は0.01%以下が好ましい。
Claims (2)
- 質量%でC:0.001〜0.020%、Si:0.03〜0.30%、Mn:0.05〜0.30%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、Cr:22.0%超〜28.0%、Ni:0.01%〜0.30%未満、Mo:0.2〜3.0%、Al:0.01〜0.15%、Ti:0.20〜0.40%、Nb:0.001〜0.10%、V:0.02〜0.20%、Co:0.01〜0.3%、N:0.001〜0.020%、O:0.0050%未満を含有し、下記式(1)〜(4)を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とする、フェライト系ステンレス鋼。
Al×O≦0.0005 (1)
Ti×N≦0.005 (2)
Co/Ti≧0.05 (3)
Ti+Nb+V≧0.30 (4)
式(1)〜(4)における元素記号は、それらの元素の含有量を質量%で示したときの数値を意味する。 - Cu:1.0%以下、Zr:0.5%以下、W:1.0%以下、REM:0.1%以下およびB:0.01%以下から選択される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に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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