JP2017095767A - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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0.0012−[結晶粒度]/10000≦[%B]≦0.0015+2.5×[結晶粒度]/10000…(1)
式(1)において、[結晶粒度]には前記結晶粒度番号が代入され、[%B]にはBの含有量が質量%で代入される。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、CrやNbと結合して微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる。この効果を十分に得るためには、0.04%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、Nb炭化物が多量に粒内析出して耐脆化割れ性が低下する。さらに、Cr炭化物が多量に析出して溶接部の鋭敏化を招く。そのため、上限を設けて0.12%以下とする。C含有量の下限は、好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.07%である。C含有量の上限は、好ましくは0.11%であり、さらに好ましくは0.10%である。
シリコン(Si)は、脱酸作用を有するとともに、高温での耐食性及び耐酸化性の確保に必要な元素である。その効果を得るためには、0.05%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、組織の安定性が低下して、靱性及びクリープ強度の低下を招く。さらに、SiはOとの親和力が強いため、溶接中の溶接池内でOと結合してスラグを形成し、Oによる溶け込み深さ増大の効果を消失させる。そのため、上限を設けて1.0%以下とする。Si含有量の下限は、好ましくは0.1%であり、さらに好ましくは0.2%である。Si含有量の上限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは0.7%である。
マンガン(Mn)は、Siと同様、脱酸作用を有する。Mnはまた、オーステナイト組織の安定性に寄与する。Mnはさらに、アークの集中度を高めて、溶け込み深さの増大にも少なからず寄与する。これらの効果を得るためには、1.0%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、鋼の脆化を招き、クリープ強度の低下も生じる。そのため、上限を設けて2.5%以下とする。Mn含有量の下限は、好ましくは1.2%であり、さらに好ましくは1.3%である。Mn含有量の上限は、好ましくは2.2%であり、さらに好ましくは2.0%である。
リン(P)は、不純物として鋼中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。Pはさらに、長時間使用後のクリープ延性も低下させる。そのため、P含有量は上限を設けて0.045%以下とする。P含有量は、好ましくは0.04%以下であり、さらに好ましくは0.038%以下である。なお、P含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、P含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0008%である。
硫黄(S)は、Pと同様に不純物として鋼中に含まれ、溶接中に溶接熱影響部に偏析して液化割れ感受性を高める元素である。Sはさらに、長時間使用中に結晶粒界に偏析して、脆化割れ感受性を大きく高める。本実施形態におけるS以外の化学組成の範囲において、これらを防止するためには、S含有量を0.002%以下とする必要がある。S含有量は、好ましくは0.0012%以下であり、さらに好ましくは0.001%以下である。一方、Sは、溶接時の溶け込み深さの増大に有効な元素である。そのため、S含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
銅(Cu)は、オーステナイト組織の安定性を高めて、クリープ強度の向上に寄与する。Cuはさらに、Sの粒界偏析を抑制し、脆化割れ感受性を少なからず低減する。その効果を得るには、0.02%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、鋼の熱間加工性の低下を招く。そのため、上限を設けて1%以下とする。Cu含有量の下限は、好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.05%である。Cu含有量の上限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは0.6%である。
ニッケル(Ni)は、長時間使用時のオーステナイト組織の安定性を確保するために必須の元素である。本実施形態におけるNi以外の化学組成の範囲において、十分な効果を得るためには、Niを9%以上含有する必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であり、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、上限を設けて13%以下とする。Ni含有量の下限は、好ましくは9.5%であり、さらに好ましくは10%である。Ni含有量の上限は、好ましくは12.5%であり、さらに好ましくは12%である。
クロム(Cr)は、高温での耐酸化性及び耐食性の確保のために必須の元素である。Crはまた、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。その効果を得るためには、16%以上含有する必要がある。しかしながら、Cr含有量が20%を超えると、高温でのオーステナイト組織の安定性が劣化してクリープ強度の低下を招く。Cr含有量の下限は、好ましくは16.5%であり、さらに好ましくは17%である。Cr含有量の上限は、好ましくは19.5%であり、さらに好ましくは19%である。
モリブデン(Mo)は、マトリックスに固溶して高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する元素である。加えて、Moは耐食性の向上にも寄与する。その効果を得るためには、0.02%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、粒内の変形抵抗が高まり、少なからず耐脆化割れ性が低下する場合がある。さらに、Moは高価な元素であるため、過剰の含有はコストの増大を招く。そのため、上限を設けて1%以下とする。Mo含有量の下限は、好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.05%である。Mo含有量の上限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは0.6%である。
ニオブ(Nb)は、本実施形態において微細な炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度や引張強さの向上に寄与する。加えて、NbはCを固定する効果があり、Cr炭化物の析出を抑制して溶接熱影響部の鋭敏化を抑制する。その効果を十分に得るためには、0.5%を超えて含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、炭化物として粒内に多量に析出し、脆化割れ感受性を高めるとともに、クリープ延性及び靱性の低下も招く。さらには、溶接時の液化割れ感受性も高まる。そのため、上限を設けて1.2%以下とする。Nb含有量の下限は、好ましくは0.55%であり、さらに好ましくは0.6%である。Nb含有量の上限は、好ましくは1.1%であり、さらに好ましくは1.0%である。
窒素(N)は、オーステナイト組織を安定にするとともに、固溶によって、又は窒化物を析出させることによって、高温強度の向上に寄与する。その効果を得るためには、0.01%以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、Nbと結合し、Cと結合するNb量を減少させて、溶接部の耐鋭敏化特性を低下させる。そのため、上限を設けて0.10%未満とする。N含有量の下限は、好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.04%である。N含有量の上限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.07%である。
アルミニウム(Al)は、脱酸剤として含有される。Alは、Oとの親和力が強いため、溶接中の溶接池内でOと結合してスラグを形成し、Oによる溶け込み深さ増大の効果を消失させる。そのため、上限を設けて0.02%以下とする。Al含有量は、溶け込み深さを向上させるためには低い方がよいが、極端な低減は製鋼コストの増大を招くため、0.001%以上とする。Al含有量の下限は、好ましくは0.002%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.01%である。
酸素(O)は、一般には不純物として鋼中に含まれるが、溶接中の溶け込み深さを増大させる効果を有することから、本実施形態ではその効果を活用するため、0.001%以上含有させる。しかしながら、過剰に含有すると、熱間加工性が低下するとともに、靱性や延性の劣化を招く。そのため、上限を設けて0.02%以下とする。O含有量の下限は、好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.002%である。O含有量の上限は、好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.01%である。
ボロン(B)は、粒界に偏析しやすい元素であり、粒界固着力を高め、脆化割れ感受性を低減するのに必須の元素である。その効果を得るためには、0.0002%以上含有させる必要がある。しかしながら、過剰に含有すると、溶接時の液化割れ感受性が高まる。そのため、上限を設けて0.004%以下とする。B含有量はさらに、鋼の結晶粒度に応じて、後述する式(1)を満たすようにする必要がある。B含有量の好ましい範囲は、結晶粒度番号が2〜7の場合は0.001〜0.002%であり、結晶粒度番号が7を超え10以下の場合は0.0005〜0.003%である。
第1群に属する元素は、V及びTiである。これらの元素は、微細な炭化物又は炭窒化物を形成し、クリープ強度向上に寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。
バナジウム(V)は、Nbと同様に、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成し、クリープ強度向上に寄与する。Vが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、過剰に含有すると炭化物又は炭窒化物が多量に析出し、耐脆化割れ性及びクリープ延性の低下を招く。そのため、上限を設けて0.3%以下とする。V含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。V含有量の上限は、好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.2%である。
チタン(Ti)は、Vと同様に、炭素又は窒素と結合して微細な炭化物又は炭窒化物を形成し、クリープ強度向上に寄与する。Tiが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、過剰に含有すると炭化物又は炭窒化物が多量に析出し、耐脆化割れ性及びクリープ延性の低下を招く。そのため、上限を設けて0.3%以下とする。Ti含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Ti含有量の上限は、好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.2%である。
第2群に属する元素はCoである。Coは、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度向上に寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。
コバルト(Co)は、Niと同様にオーステナイト形成元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めてクリープ強度の向上に寄与する。Coが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、Coは極めて高価な元素であるため、過剰な含有は大幅なコスト増を招く。そのため、上限を設けて1%以下とする。Co含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Co含有量の上限は、好ましくは0.9%であり、さらに好ましくは0.8%である。
第3群に属する元素は、Ca、Mg、及びREMである。これらの元素は、鋼の製造時の熱間加工性を改善する効果を有するため、必要に応じて含有させてもよい。
カルシウム(Ca)は、鋼の製造時の熱間加工性を改善する。Caが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、過剰に含有するとOと結合して清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を低下させる。そのため、上限を設けて0.01%以下とする。Ca含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.006%である。
マグネシウム(Mg)は、Caと同様、鋼の製造時の熱間加工性を改善する。Mgが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、過剰に含有するとOと結合して清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を低下させる。そのため、上限を設けて0.01%以下とする。Mg含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.006%である。
希土類元素(REM)は、CaやMgと同様、鋼の製造時の熱間加工性を改善する。REMが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、過剰に含有するとOと結合して清浄性を著しく低下させ、かえって熱間加工性を低下させる。そのため、上限を設けて0.01%以下とする。REM含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。REM含有量の上限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.06%である。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、ASTM E112に規定される結晶粒度番号が2〜10である。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼を用いた溶接構造物において、その溶接熱影響部に十分な耐脆化割れ性や耐液化割れ性を付与するためには、溶接による熱サイクルを受けても溶接熱影響部の結晶粒が過度に粗大にならないように、初期の結晶粒を結晶粒度番号で2以上の細粒にしておく必要がある。しかしながら、結晶粒が結晶粒度番号で10を超える細粒になると、必要なクリープ強度の確保が困難となる。そのため、結晶粒度番号で10以下とする必要がある。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、下記の式(1)を満たす。
0.0012−[結晶粒度]/10000≦[%B]≦0.0015+2.5×[結晶粒度]/10000…(1)
式(1)において、[結晶粒度]には結晶粒度番号が代入され、[%B]にはBの含有量が質量%で代入される。
この板材の長手方向と平行な端面に、図1に示す開先加工を実施した。図1中の数値は、寸法を表す。2つの板材の開先加工を施した端面同士を突き合わせて、ガスタングステンアーク溶接により、溶接材料を用いずに1回溶接を実施し、各代符につき2継手ずつ溶接継手を作製した。
初層のみ溶接した上記の溶接継手を、JIS G 3106(2008)に規定のSM400B相当の市販の鋼板(厚さ30mm、幅200mm、長さ200mm)の上に、JIS Z 3224(2010)に規定の被覆アーク溶接棒ENi6625を用いて四周を拘束溶接した。その後、JIS Z 3334(2011)に規定のSNi6625該当のティグワイヤを用いて、入熱10〜15kJ/cmでTIG溶接により開先内に積層溶接を行って、各代符につき2継手ずつ溶接継手を作製した。
耐溶接割れ性試験で合格した溶接ままの溶接継手から、溶接金属が平行部の中央となるように丸棒クリープ破断試験片を採取した。母材の目標破断時間が約1000時間となる650℃、216MPaの条件でクリープ破断試験を行った。母材破断し、かつ、その破断時間が母材の破断時間の90%以上(すなわち、900時間以上)となるものを「合格」とした。
結晶粒度番号及び性能評価結果を表2に示す。なお、「クリープ破断試験」の欄の「−」は、クリープ破断試験を実施していないことを示す。
Claims (4)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.04〜0.12%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:1.0〜2.5%、
P :0.045%以下、
S :0.002%以下、
Cu:0.02〜1%、
Ni:9〜13%、
Cr:16〜20%、
Mo:0.02〜1%、
Nb:0.5%を超え1.2%以下、
N :0.01%以上0.10%未満、
B :0.0002〜0.004%、
Al:0.001〜0.02%、
O :0.001〜0.02%、
V :0〜0.3%、
Ti:0〜0.3%、
Co:0〜1%、
Ca:0〜0.01%、
Mg:0〜0.01%、
REM:0〜0.1%、
残部:Fe及び不純物であり、
結晶粒度番号が2〜10であり、
下記の式(1)を満たす、オーステナイト系ステンレス鋼。
0.0012−[結晶粒度]/10000≦[%B]≦0.0015+2.5×[結晶粒度]/10000…(1)
式(1)において、[結晶粒度]には前記結晶粒度番号が代入され、[%B]にはBの含有量が質量%で代入される。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、
C :0.07〜0.10%、
Si:0.2〜0.7%、
Mn:1.3〜2.0%、
P :0.038%以下、
S :0.001%以下、
Cu:0.05〜0.6%、
Ni:10〜12%、
Cr:17〜19%、
Mo:0.05〜0.6%、
Nb:0.6〜1.0%、
N :0.04〜0.07%、
B :0.001〜0.002%、
Al:0.002〜0.01%、
O :0.001〜0.02%、
V :0〜0.3%、
Ti:0〜0.3%、
Co:0〜1%、
Ca:0〜0.01%、
Mg:0〜0.01%、
REM:0〜0.1%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記結晶粒度番号が2〜7である、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、
C :0.07〜0.10%、
Si:0.2〜0.7%、
Mn:1.3〜2.0%、
P :0.038%以下、
S :0.001%以下、
Cu:0.05〜0.6%、
Ni:10〜12%、
Cr:17〜19%、
Mo:0.05〜0.6%、
Nb:0.6〜1.0%、
N :0.04〜0.07%、
B :0.0005〜0.003%、
Al:0.002〜0.01%、
O :0.001〜0.02%、
V :0〜0.3%、
Ti:0〜0.3%、
Co:0〜1%、
Ca:0〜0.01%、
Mg:0〜0.01%、
REM:0〜0.1%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記結晶粒度番号が7を超え10以下である、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、下記の第1群から第3群から選択される1種以上の元素を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
第1群 V :0.01〜0.3%、Ti:0.01〜0.3%
第2群 Co:0.01〜1%
第3群 Ca:0.0005〜0.01%、Mg:0.0005〜0.01%、REM:0.0005〜0.1%
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