JP2017101325A - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】室温延性が低下することなく、高温強度を向上させたフェライト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】Ｃ：０．０５質量％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％、Ｔｉ：０．３〜２．０質量％、Ｎｉ：０．９〜３．０質量％、Ａｌ：０．５〜２．０質量％、Ｃｕ：０．５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｎ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるＳが０．００５質量％以下に制限されることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼である。【選択図】なし
Description
本発明は、フェライト系ステンレス鋼に関し、特に高温強度と室温延性が両立して優れるものに関する。
火力発電プラントや化学プラントの熱交換器に使用される鋼管は、耐酸化性、耐食性に加えて、限界温度６５０℃もの優れた耐熱性が要求されるため、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼で形成される。オーステナイト系ステンレス鋼は、耐酸化性、耐食性、高温強度のいずれも良好であり、耐熱材料として良好な特性を備えているが、Ｎｉを多量に含有する（例えば、ＳＵＳ３０４で８質量％）ために原料コストが高い。一方、フェライト系ステンレス鋼は原料コストが安いものの、オーステナイト系ステンレス鋼と比べて高温での強度に劣る。
そこで、高温強度を向上させたフェライト系ステンレス鋼が開発されている。例えば特許文献１，２には、焼戻しマルテンサイト組織を有することで、高温クリープ強度に優れたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献２においては、さらにフェライト粒内やマルテンサイト粒内にＬ１0型またはＬ１2型規則構造を有する金属間化合物相を析出させることにより、長時間クリープ強度を有するフェライト系ステンレス鋼としている。また、特許文献３には、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｃｏ等を添加して、高温下で金属間化合物や炭化物、窒化物を析出させることにより、高温強度を大幅に向上させた高クロムフェライト鋼が開示されている。
特許文献１，２に記載されたフェライト系ステンレス鋼は、マルテンサイト組織を、オーステナイト相からの相変態を利用して得るので、オーステナイト相を安定化するために、Ｃｒ含有量が１３質量％程度以下に制限され、その結果、耐酸化性が十分に得られ難い。また、マルテンサイト組織を有するステンレス鋼には、オーステナイト相を形成する変態点を超える温度には適用できないので、耐熱性が６００℃程度に留まる。さらに特許文献２は、クリープ強度向上のための金属間化合物相を析出させるために、Ｐｄ，Ｐｔのような貴金属を添加されているので、原料コストが高くなる。
特許文献３に記載された高クロムフェライト鋼は、フェライト単相組織からなるので、耐熱性の限界温度が変態点に制約されることがなく、また、多量のＣｒにより十分な耐酸化性が得られる。しかし、高温下で金属間化合物や炭化物、窒化物を析出させて強度を向上させるために、Ｗ，Ｃｏのような希少金属を添加されているので、原料コストが高くなる。また、金属間化合物等を析出させるために添加した前記金属が、溶体化処理後においてＦｅ母相中に固溶した状態で存在して室温での延性を低下させ、鋼管の製造段階における冷間加工や高温機器の組立における鋼管の曲げ加工等が困難になる。また、Ｃｒの含有量が１６．５質量％を超えると、高温環境下でスピノーダル分解を生じて脆化する虞があるため、それ以上のＣｒの添加によって耐酸化性をより高くすることは困難である。特に６５０℃を超える高温域で使用される鋼管は、内面が高温高圧の水蒸気に曝されるため、このような高温環境での耐水蒸気酸化性が低いと、内面に酸化スケールが厚く形成され、スケールが剥離・飛散して、蒸気を回転力に変換する蒸気タービンの動翼を損傷させる虞がある。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、熱交換器等の高温機器に使用される鋼管として、耐熱性や耐酸化性等を低下させず、また高コスト化することなく、優れた高温強度と冷間加工を可能とする室温延性とを両立させたフェライト系ステンレス鋼を提供することにある。
本発明者らは、耐熱性および耐酸化性に優れる高濃度のＣｒを含有したフェライト単相組織で構成されるフェライト系ステンレス鋼において、溶体化処理後の延性を低下させることなく高温下で強度を向上させる析出物を形成し、比較的高コストでない元素を添加することに想到した。鋭意研究した結果、Ｆｅ2Ｍ型（Ｍ：遷移金属等）の金属間化合物を形成し得るＭｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ等の金属元素から、Ｔｉを、さらに同じ第４族元素のＺｒを見出し、さらにＴｉを炭化物、窒化物として析出させないために、Ｃ，Ｎの含有量を抑制することに想到した。また、本発明者らは、室温延性を低下させることなく高温強度を向上させるものの、フェライト単相組織を維持し難くする作用を有するＮｉを十分に添加するために、フェライト相を安定化する作用を有するＡｌを共に添加することに想到した。
すなわち、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０５質量％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％、Ｔｉ：０．３〜２．０質量％、Ｎｉ：０．９〜３．０質量％、Ａｌ：０．５〜２．０質量％、Ｃｕ：０．５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｎ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるＳが０．００５質量％以下に制限されることを特徴とし、さらにＺｒ：０．２〜１．５質量％を含有してもよい。
かかる構成のフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ，Ｎの含有量を抑制しつつＴｉを添加して高温下で金属間化合物を析出させることにより、また、Ｎｉ，Ｃｕを含有することにより、溶体化処理後の延性が低下することなく、また、Ｗ，Ｐｄのような希少金属や貴金属によらずに、優れた高温強度を有する。さらに、フェライト系ステンレス鋼は、Ａｌを含有するので、フェライト相の安定性がＮｉにより低下することがなく、フェライト単相組織からなり、その結果、耐熱性に優れ、また、高濃度のＣｒにより十分な耐酸化性を有する。
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼によれば、原料コストが増大せず、耐酸化性、耐熱性、および高温強度に優れているので、熱交換器等の高温機器に好適に使用される鋼管になり、さらに、冷間加工が可能であるので、高温機器を製造する際の鋼管の曲げ加工等における加工コストを削減することができる。
以下、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼を実現するための形態について説明する。
〔フェライト系ステンレス鋼〕
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０５質量％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％、Ｔｉ：０．３〜２．０質量％、Ｎｉ：０．９〜３．０質量％、Ａｌ：０．５〜２．０質量％、Ｃｕ：０．５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｎ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるＳが０．００５質量％以下に制限される。さらに本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、Ｚｒ：０．２〜１．５質量％を含有してもよい。以下に、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成について説明する。
〔フェライト系ステンレス鋼〕
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、Ｃ：０．０５質量％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％、Ｔｉ：０．３〜２．０質量％、Ｎｉ：０．９〜３．０質量％、Ａｌ：０．５〜２．０質量％、Ｃｕ：０．５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｎ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるＳが０．００５質量％以下に制限される。さらに本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、Ｚｒ：０．２〜１．５質量％を含有してもよい。以下に、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成について説明する。
（Ｃ：０．０５質量％以下）
Ｃは、高温環境において炭化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、Ｔｉの炭化物よりも金属間化合物を多く析出させるために、Ｃ含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、Ｃ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下である。
Ｃは、高温環境において炭化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、Ｔｉの炭化物よりも金属間化合物を多く析出させるために、Ｃ含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、Ｃ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下である。
（Ｓｉ：０．１〜１．０質量％）
Ｓｉは、溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、また、微量であっても耐酸化性の向上に有効に作用する。これらの効果を発揮させるために、Ｓｉ含有量は０．１質量％以上とし、好ましくは０．２質量％以上、より好ましくは０．３質量％以上である。一方で、Ｓｉを過剰に含有すると、σ相を形成させて靭性が低下するので、Ｓｉ含有量は１．０質量％以下とし、好ましくは０．７質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下である。
Ｓｉは、溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、また、微量であっても耐酸化性の向上に有効に作用する。これらの効果を発揮させるために、Ｓｉ含有量は０．１質量％以上とし、好ましくは０．２質量％以上、より好ましくは０．３質量％以上である。一方で、Ｓｉを過剰に含有すると、σ相を形成させて靭性が低下するので、Ｓｉ含有量は１．０質量％以下とし、好ましくは０．７質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下である。
（Ｍｎ：０．１〜２．０質量％）
Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、この効果を発揮させるために、Ｍｎ含有量は０．１質量％以上とし、好ましくは０．３質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上である。一方で、Ｍｎを過剰に含有すると、オーステナイト相の安定性が高くなってフェライト単相組織が維持されなくなるので、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下である。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶鋼中で脱酸作用を有する元素であり、この効果を発揮させるために、Ｍｎ含有量は０．１質量％以上とし、好ましくは０．３質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上である。一方で、Ｍｎを過剰に含有すると、オーステナイト相の安定性が高くなってフェライト単相組織が維持されなくなるので、Ｍｎ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下である。
（Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％）
Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を発現するために必須の元素である。十分な耐食性を発揮させるために、Ｃｒ含有量は１３．５質量％以上とし、好ましくは１４．０質量％以上、より好ましくは１４．５質量％以上である。一方で、Ｃｒを過剰に含有すると、高温環境下でスピノーダル分解を生じて延性や靱性が低下するので、Ｃｒ含有量は１６．５質量％以下とし、好ましくは１６．０質量％以下、より好ましくは１５．５質量％以下である。
Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を発現するために必須の元素である。十分な耐食性を発揮させるために、Ｃｒ含有量は１３．５質量％以上とし、好ましくは１４．０質量％以上、より好ましくは１４．５質量％以上である。一方で、Ｃｒを過剰に含有すると、高温環境下でスピノーダル分解を生じて延性や靱性が低下するので、Ｃｒ含有量は１６．５質量％以下とし、好ましくは１６．０質量％以下、より好ましくは１５．５質量％以下である。
（Ｔｉ：０．３〜２．０質量％）
Ｔｉは、高温下でフェライト相中に金属間化合物として析出することにより高温強度を向上させる一方、室温でＦｅ母相中に固溶していても延性を低下させないので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を十分に発揮させるために、Ｔｉ含有量は０．３質量％以上とし、好ましくは０．５質量％以上、より好ましくは０．８質量％以上である。一方で、Ｔｉ含有量が増加すると、高温下で析出量が過剰となって強度は向上するものの靱性が低下し、また、Ｔｉであっても室温において固溶量が過剰になって延性が低下する。具体的には、Ｔｉ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．８質量％以下、より好ましくは１．５質量％以下である。
Ｔｉは、高温下でフェライト相中に金属間化合物として析出することにより高温強度を向上させる一方、室温でＦｅ母相中に固溶していても延性を低下させないので、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を十分に発揮させるために、Ｔｉ含有量は０．３質量％以上とし、好ましくは０．５質量％以上、より好ましくは０．８質量％以上である。一方で、Ｔｉ含有量が増加すると、高温下で析出量が過剰となって強度は向上するものの靱性が低下し、また、Ｔｉであっても室温において固溶量が過剰になって延性が低下する。具体的には、Ｔｉ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．８質量％以下、より好ましくは１．５質量％以下である。
（Ｎｉ：０．９〜３．０質量％）
Ｎｉは、固溶強化によって高温強度を向上させる元素として知られ、室温延性を低下させることもないことから、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を発揮させるために、Ｎｉ含有量は０．９質量％以上とし、好ましくは１．５質量％以上、より好ましくは１．８質量％以上である。一方で、Ｎｉを過剰に含有すると、オーステナイト相が安定化されてフェライト単相組織が維持されなくなるので、Ｎｉ含有量は３．０質量％以下とし、好ましくは２．５質量％以下、より好ましくは２．２質量％以下である。
Ｎｉは、固溶強化によって高温強度を向上させる元素として知られ、室温延性を低下させることもないことから、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の高温強度と室温延性を両立するために必須の元素である。この効果を発揮させるために、Ｎｉ含有量は０．９質量％以上とし、好ましくは１．５質量％以上、より好ましくは１．８質量％以上である。一方で、Ｎｉを過剰に含有すると、オーステナイト相が安定化されてフェライト単相組織が維持されなくなるので、Ｎｉ含有量は３．０質量％以下とし、好ましくは２．５質量％以下、より好ましくは２．２質量％以下である。
（Ａｌ：０．５〜２．０質量％）
Ａｌは、フェライト相を安定化する作用を有し、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においてＮｉを十分に添加するために必須の元素であり、また、金属間化合物の析出等を阻害せず、室温延性への影響も小さい。前記作用を十分に得るために、Ａｌ含有量は０．５質量％以上とし、好ましくは０．７質量％以上、より好ましくは０．９質量％以上である。一方で、Ａｌを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するので、Ａｌ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．２質量％以下である。
Ａｌは、フェライト相を安定化する作用を有し、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においてＮｉを十分に添加するために必須の元素であり、また、金属間化合物の析出等を阻害せず、室温延性への影響も小さい。前記作用を十分に得るために、Ａｌ含有量は０．５質量％以上とし、好ましくは０．７質量％以上、より好ましくは０．９質量％以上である。一方で、Ａｌを過剰に含有すると、熱間加工性が低下するので、Ａｌ含有量は２．０質量％以下とし、好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．２質量％以下である。
（Ｃｕ：０．５〜３．０質量％）
Ｃｕは、フェライト相中に単独で析出するが、他の析出相との相互作用が少なく、析出強化によって強度を向上させ、特に高温環境において金属間化合物よりも短時間で強化に寄与することができる上、室温延性を低下させることがない。この効果を十分に発揮させるために、Ｃｕ含有量は０．５質量％以上とし、好ましくは１．０質量％以上、より好ましくは１．３質量％以上である。一方で、Ｃｕを過剰に含有すると、製造時の熱間加工で割れを生じる虞があり、さらには室温延性を低下させ得るので、Ｃｕ含有量は３．０質量％以下とし、好ましくは２．５質量％以下、より好ましくは２．０質量％以下である。
Ｃｕは、フェライト相中に単独で析出するが、他の析出相との相互作用が少なく、析出強化によって強度を向上させ、特に高温環境において金属間化合物よりも短時間で強化に寄与することができる上、室温延性を低下させることがない。この効果を十分に発揮させるために、Ｃｕ含有量は０．５質量％以上とし、好ましくは１．０質量％以上、より好ましくは１．３質量％以上である。一方で、Ｃｕを過剰に含有すると、製造時の熱間加工で割れを生じる虞があり、さらには室温延性を低下させ得るので、Ｃｕ含有量は３．０質量％以下とし、好ましくは２．５質量％以下、より好ましくは２．０質量％以下である。
（Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％）
Ｂは、鋼中に固溶することで熱間加工性を向上させる作用があり、十分な熱間加工性を得るために、Ｂ含有量は０．０００５質量％以上とし、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００１５質量％以上である。一方で、Ｂを過剰に含有すると、溶解鋳造の凝固時に割れを生じる虞があるので、０．００５質量％以下とし、好ましくは０．００３質量％以下、より好ましくは０．００２５質量％以下である。
Ｂは、鋼中に固溶することで熱間加工性を向上させる作用があり、十分な熱間加工性を得るために、Ｂ含有量は０．０００５質量％以上とし、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００１５質量％以上である。一方で、Ｂを過剰に含有すると、溶解鋳造の凝固時に割れを生じる虞があるので、０．００５質量％以下とし、好ましくは０．００３質量％以下、より好ましくは０．００２５質量％以下である。
（Ｎ：０．０５質量％以下）
Ｎは、高温環境において窒化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、Ｔｉの窒化物よりも金属間化合物を多く析出させるために、Ｎ含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、Ｎ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下である。
Ｎは、高温環境において窒化物を形成して、高温強度や高温クリープ強度を向上させる作用を有する元素である。しかし、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼においては、Ｔｉの窒化物よりも金属間化合物を多く析出させるために、Ｎ含有量が少ないことが好ましく、下限は特に規定しない。具体的には、Ｎ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下である。
（Ｐ：０．００５〜０．０５質量％）
Ｐは、高温環境に長期間曝される状況でリン化物を形成して高温強度を向上させる作用があるため、Ｐ含有量は０．００５質量％以上とし、好ましくは０．０１５質量％以上、より好ましくは０．０２０質量％以上である。一方で、Ｐを０．０５質量％を超えて含有すると、溶接割れを生じ易くなるので、Ｐ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３５質量％以下に抑制する。
Ｐは、高温環境に長期間曝される状況でリン化物を形成して高温強度を向上させる作用があるため、Ｐ含有量は０．００５質量％以上とし、好ましくは０．０１５質量％以上、より好ましくは０．０２０質量％以上である。一方で、Ｐを０．０５質量％を超えて含有すると、溶接割れを生じ易くなるので、Ｐ含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下、より好ましくは０．０３５質量％以下に抑制する。
（Ｚｒ：０．２〜１．５質量％）
Ｚｒは、炭化物、窒化物を形成することにより鋼中に固溶するＣ，Ｎを固定して、Ｔｉが炭化物や窒化物を形成することを抑制し、金属間化合物を形成し易くする。また、Ｚｒは、Ｔｉと同じ第４族元素で性質が比較的近いため、高温下で金属間化合物として析出しても強度を向上させ、室温でＦｅ母相中に固溶していても延性を低下させることがない。これらの作用を得るために、Ｚｒ含有量は、０．２質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．３％質量以上、さらに好ましくは０．４質量％以上である。一方で、Ｚｒ含有量が過剰になると析出量が過剰となって熱間加工性が低下するため、１．５質量％以下とし、好ましくは１．０質量％以下、より好ましくは０．６質量％以下である。なお、Ｚｒは、０．２質量％未満であれば、本発明の効果に影響を与えないので、含有してもよい。
Ｚｒは、炭化物、窒化物を形成することにより鋼中に固溶するＣ，Ｎを固定して、Ｔｉが炭化物や窒化物を形成することを抑制し、金属間化合物を形成し易くする。また、Ｚｒは、Ｔｉと同じ第４族元素で性質が比較的近いため、高温下で金属間化合物として析出しても強度を向上させ、室温でＦｅ母相中に固溶していても延性を低下させることがない。これらの作用を得るために、Ｚｒ含有量は、０．２質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．３％質量以上、さらに好ましくは０．４質量％以上である。一方で、Ｚｒ含有量が過剰になると析出量が過剰となって熱間加工性が低下するため、１．５質量％以下とし、好ましくは１．０質量％以下、より好ましくは０．６質量％以下である。なお、Ｚｒは、０．２質量％未満であれば、本発明の効果に影響を与えないので、含有してもよい。
（不可避不純物、Ｓ：０．００５質量％以下）
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、不可避不純物として、Ｓを含有していてもよいが、その含有量が増加すると熱間加工性を劣化させるため、０．００５質量％以下に抑制し、好ましくは０．００２質量％以下、より好ましくは０．００１％質量以下である。
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、不可避不純物として、Ｓを含有していてもよいが、その含有量が増加すると熱間加工性を劣化させるため、０．００５質量％以下に抑制し、好ましくは０．００２質量％以下、より好ましくは０．００１％質量以下である。
また、スクラップ原料に由来するＳｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ａｓ，Ｚｎ等の低融点不純物金属は、熱間加工時や高温環境での使用時に粒界の強度を低下させるので、低濃度に抑えることが好ましく、具体的には、それぞれ０．０１５質量％以下に抑制し、その総量を０．０４質量％以下とする。また、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｖ等の遷移金属は、Ｔｉと同様に高温強度を向上させるものの、室温ではＦｅ母相中に固溶して延性を低下させるため、それぞれ０．３質量％以下に抑制する。さらにこれらの成分は、合計（Ｓを除く）で１．０質量％以下とする。このような含有量であれば、本発明の所望する効果に影響しない。
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼はさらに、Ｔｉ，Ａｌが、それぞれの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、［Ａｌ］で表したときに下式（１）を満足するものとして、６５０℃を超える高温で使用される鋼管に適用することができる。
０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)≦０．１ ・・・（１）
０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)≦０．１ ・・・（１）
（０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)≦０．１
：[Ｔｉ]，[Ａｌ]は、Ｔｉ，Ａｌの各含有量（質量％））
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼について、６５０℃を超える高温の水蒸気に対する耐酸化性を調査したところ、高温強度を高くするために添加されるＴｉが耐水蒸気酸化性を低下させ、これに対して、フェライト相を安定化させるために添加されるＡｌが向上させることを見出した。さらに研究して、Ｔｉ，Ａｌの各含有量（質量％）をそれぞれ［Ｔｉ］、［Ａｌ］で表したときに、高温水蒸気酸化性の指標として下記Ａが一定の値を超えると、耐水蒸気酸化性が低下することに想到した。
Ａ＝０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)
：[Ｔｉ]，[Ａｌ]は、Ｔｉ，Ａｌの各含有量（質量％））
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼について、６５０℃を超える高温の水蒸気に対する耐酸化性を調査したところ、高温強度を高くするために添加されるＴｉが耐水蒸気酸化性を低下させ、これに対して、フェライト相を安定化させるために添加されるＡｌが向上させることを見出した。さらに研究して、Ｔｉ，Ａｌの各含有量（質量％）をそれぞれ［Ｔｉ］、［Ａｌ］で表したときに、高温水蒸気酸化性の指標として下記Ａが一定の値を超えると、耐水蒸気酸化性が低下することに想到した。
Ａ＝０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)
具体的には、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼において、Ａが０．１以下である、すなわち式（１）を満足するものは、６５０℃を超える高温環境下において、耐水蒸気酸化性を有して使用されることができる。より好ましくはＡが０．０８以下、さらに好ましくはＡが０．０６以下である。したがって、本発明のそれぞれの範囲において、Ｔｉ含有量に対してＡｌ含有量がある程度多いことが好ましい。
〔フェライト系ステンレス鋼材の製造方法〕
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成を有する鋼材（フェライト系ステンレス鋼材）は、溶解にて原料の割合を適宜調節することで容易に得られ、得られた鋳塊は必要に応じてソーキング（均質化熱処理）や熱間加工による形状の調整を経た後、適切な溶体化処理を行う。ソーキングについては、造塊法であれば、例えば１２５０〜１３００℃の範囲で１０時間程度保持することで凝固偏析が解消され、連続鋳造で作製した場合は、より短い時間か省略することもできる。熱間加工は概ね１０００℃以上に加熱した状態で加工することができる。このようにして得られた鋼材は適宜、中間工程として冷間加工と熱処理を組み合わせて金属組織の制御を行うことも可能であり、冷間加工を加えることで熱処理後の結晶粒径を微細化・均質化し易い場合がある。本発明に係るフェライト系ステンレス鋼材の製造においては、中間工程の有無によらず、最終工程を溶体化のための熱処理とする。溶体化処理は、１１００℃以上の温度で６０秒間以上保持し、その後、保持温度から３００℃以下まで、３０秒間以内で冷却することが好ましい。このような冷却方法として、空冷よりも水冷が急冷し易く好ましい。
本発明に係るフェライト系ステンレス鋼の化学成分組成を有する鋼材（フェライト系ステンレス鋼材）は、溶解にて原料の割合を適宜調節することで容易に得られ、得られた鋳塊は必要に応じてソーキング（均質化熱処理）や熱間加工による形状の調整を経た後、適切な溶体化処理を行う。ソーキングについては、造塊法であれば、例えば１２５０〜１３００℃の範囲で１０時間程度保持することで凝固偏析が解消され、連続鋳造で作製した場合は、より短い時間か省略することもできる。熱間加工は概ね１０００℃以上に加熱した状態で加工することができる。このようにして得られた鋼材は適宜、中間工程として冷間加工と熱処理を組み合わせて金属組織の制御を行うことも可能であり、冷間加工を加えることで熱処理後の結晶粒径を微細化・均質化し易い場合がある。本発明に係るフェライト系ステンレス鋼材の製造においては、中間工程の有無によらず、最終工程を溶体化のための熱処理とする。溶体化処理は、１１００℃以上の温度で６０秒間以上保持し、その後、保持温度から３００℃以下まで、３０秒間以内で冷却することが好ましい。このような冷却方法として、空冷よりも水冷が急冷し易く好ましい。
以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例によって制限を受けるものではなく、請求項に示した範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
〔試験材作製〕
表１に示す化学成分組成からなる鋼材を溶解し、真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製した２０ｋｇインゴットに、１２８０℃で８時間のソーキング処理を施した後、幅６０ｍｍ×厚さ２０ｍｍに熱間鍛造加工した。さらに、１２２０℃で５分間の溶体化処理を施して母材とした。
表１に示す化学成分組成からなる鋼材を溶解し、真空溶解炉（ＶＩＦ）にて溶製した２０ｋｇインゴットに、１２８０℃で８時間のソーキング処理を施した後、幅６０ｍｍ×厚さ２０ｍｍに熱間鍛造加工した。さらに、１２２０℃で５分間の溶体化処理を施して母材とした。
〔評価〕
（室温延性、高温強度）
室温延性の評価として引張破断伸びを、高温強度の評価として高温引張強さを、それぞれ測定した。母材からＪＩＳ Ｚ ２２４１に記載の１４Ａ号丸棒引張試験片（室温引張試験用）とＪＩＳ Ｇ ０５６７に記載の鍔付き丸棒引張試験片（高温引張試験用）を作製した。これらの試験片は、いずれもゲージ部の寸法をφ６ｍｍ×３０ｍｍとした。ＪＩＳ Ｚ ２２４１にしたがって室温で引張試験を行い、破断試験片を突き合わせて引張破断伸び（室温引張破断伸び）を測定した。ＪＩＳ Ｇ ０５６７にしたがって６５０℃で高温引張試験を行い、得られた応力歪曲線から引張強さを求めた。室温引張破断伸びおよび高温引張強さを表１に示し、また、図１に分布図を、本発明に係る実施例を白抜きの丸（○）で、比較例を黒塗潰しの丸（●）で、それぞれ示す。合格基準は、室温引張破断伸びが２０％以上、高温引張強さが３００ＭＰａ以上とする。
（室温延性、高温強度）
室温延性の評価として引張破断伸びを、高温強度の評価として高温引張強さを、それぞれ測定した。母材からＪＩＳ Ｚ ２２４１に記載の１４Ａ号丸棒引張試験片（室温引張試験用）とＪＩＳ Ｇ ０５６７に記載の鍔付き丸棒引張試験片（高温引張試験用）を作製した。これらの試験片は、いずれもゲージ部の寸法をφ６ｍｍ×３０ｍｍとした。ＪＩＳ Ｚ ２２４１にしたがって室温で引張試験を行い、破断試験片を突き合わせて引張破断伸び（室温引張破断伸び）を測定した。ＪＩＳ Ｇ ０５６７にしたがって６５０℃で高温引張試験を行い、得られた応力歪曲線から引張強さを求めた。室温引張破断伸びおよび高温引張強さを表１に示し、また、図１に分布図を、本発明に係る実施例を白抜きの丸（○）で、比較例を黒塗潰しの丸（●）で、それぞれ示す。合格基準は、室温引張破断伸びが２０％以上、高温引張強さが３００ＭＰａ以上とする。
（耐水蒸気酸化性）
本発明の範囲内の実施例である鋼材Ｎｏ．１〜１４について、耐水蒸気酸化性の評価として水蒸気酸化試験を行った。母材から機械加工によって２５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの板材を切り出し、各面すべてを機械研磨によって鏡面化させた後、硝弗酸溶液で酸洗して試験片とし、この試験片の重量を測定した。水蒸気酸化試験は、電気炉に設置された管状の石英ガラス内に試験片を設置し、露点６０℃の加湿大気を導入しながら試験片の温度が７００℃となる条件で電気炉を加熱、保持し、５００ｈｒの試験を行った。試験後、再び試験片の重量を測定し、試験前の重量との差を試験前の試験片の表面積で除して、面積当たりの酸化増量を算出した。合格基準は、酸化増量が０．２ｍｇ／ｃｍ2以下とする。酸化増量、および鋼材Ｎｏ．１〜１４のＴｉ，Ａｌ各含有量から算出した下記Ａを表１に示す。また、図２に、酸化増量のＡ依存性のグラフを示す。
Ａ＝０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)
本発明の範囲内の実施例である鋼材Ｎｏ．１〜１４について、耐水蒸気酸化性の評価として水蒸気酸化試験を行った。母材から機械加工によって２５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの板材を切り出し、各面すべてを機械研磨によって鏡面化させた後、硝弗酸溶液で酸洗して試験片とし、この試験片の重量を測定した。水蒸気酸化試験は、電気炉に設置された管状の石英ガラス内に試験片を設置し、露点６０℃の加湿大気を導入しながら試験片の温度が７００℃となる条件で電気炉を加熱、保持し、５００ｈｒの試験を行った。試験後、再び試験片の重量を測定し、試験前の重量との差を試験前の試験片の表面積で除して、面積当たりの酸化増量を算出した。合格基準は、酸化増量が０．２ｍｇ／ｃｍ2以下とする。酸化増量、および鋼材Ｎｏ．１〜１４のＴｉ，Ａｌ各含有量から算出した下記Ａを表１に示す。また、図２に、酸化増量のＡ依存性のグラフを示す。
Ａ＝０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)
表１に示すように、鋼材Ｎｏ．１〜１４は、化学成分組成が本発明の範囲内の実施例であり、室温延性および高温強度が共に良好であった。
これに対して、鋼材Ｎｏ．１５〜２１は、化学成分組成が本発明の範囲外の比較例であり、室温延性および高温強度の少なくとも一方が不合格である。鋼材Ｎｏ．１５は、Ｔｉ含有量が過剰なため、高温強度は高いが室温延性が低下した。鋼材Ｎｏ．１７は、Ｔｉ含有量が不足しているため、高温強度が不十分であり、また、Ｐ含有量が過剰なため、溶接割れを生じる虞がある。鋼材Ｎｏ．１８は、Ｔｉ含有量が不足しているため、高温強度が不十分であり、また、Ａｌ含有量が過剰なため、熱間加工性の低下と共に室温延性が低下した。鋼材Ｎｏ．１６は、Ｃｕ含有量が不足したため、高温強度が不十分であった。
鋼材Ｎｏ．１９〜２１は、Ｔｉ含有量が不足している一方、金属間化合物や炭化物、窒化物を析出させるＷ，Ｎｂ，Ｖを添加した比較例であり、Ｔｉ含有量が同程度の鋼材Ｎｏ．１７よりも高温強度は高いが、室温延性が大きく低下した。
また、鋼材Ｎｏ．１〜１４について、Ａ≦０．１である鋼材Ｎｏ．１，２，５，６，８，９，１１〜１３は耐水蒸気酸化性に優れ、６５０℃を超える高温での使用が可能となった。詳しくは、図２に示すように、Ａが大きくなるにしたがい酸化増量が略線形に漸増し、Ａが０．１を超えるとその近傍でいったん急激に酸化増量が増大し、以降は、Ａ≦０．１における変化よりも緩やかに漸増した。
Claims (3)
- Ｃ：０．０５質量％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：１３．５〜１６．５質量％、Ｔｉ：０．３〜２．０質量％、Ｎｉ：０．９〜３．０質量％、Ａｌ：０．５〜２．０質量％、Ｃｕ：０．５〜３．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％、Ｎ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．００５〜０．０５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、前記不可避不純物として含まれるＳが０．００５質量％以下に制限されることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
- Ｚｒ：０．２〜１．５質量％をさらに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。
- 前記Ｔｉおよび前記Ａｌの各含有量（質量％）をそれぞれ［Ｔｉ］、［Ａｌ］で表したときに、下式（１）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフェライト系ステンレス鋼。
０．０８６８×[Ｔｉ]−０．０４０８×([Ａｌ]−０．７８)≦０．１ ・・・（１）
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| JP2015228752 | 2015-11-24 | ||
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| JP2017101325A true JP2017101325A (ja) | 2017-06-08 |
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| JP2016228313A Pending JP2017101325A (ja) | 2015-11-24 | 2016-11-24 | フェライト系ステンレス鋼 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116145030A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-05-23 | 鞍钢股份有限公司 | 三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及制造方法 |
-
2016
- 2016-11-24 JP JP2016228313A patent/JP2017101325A/ja active Pending
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| CN116145030B (zh) * | 2022-12-23 | 2023-12-15 | 鞍钢股份有限公司 | 三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及制造方法 |
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