JP2019099866A - 二相ステンレス鋼及びその溶接物 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接に伴うσ相の析出を抑制することができる二相ステンレス鋼、及びこのような二相ステンレス鋼の溶接物を提供する。【解決手段】本発明は、Ｃ：０．０３質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、Ｃｒ：２０質量％以上３０質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｎ：０．１０質量％以上０．２５質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下、及びＬａを含むＲＥＭ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である二相ステンレス鋼である。【選択図】なし

Description

本発明は、二相ステンレス鋼及びその溶接物に関する。

二相ステンレス鋼は、フェライト相とオーステナイト相との両相を有するステンレス鋼である。二相ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼等に比べて高強度及び高耐食性を有し、各種な用途に用いられている。

二相ステンレス鋼等の鋼材には、溶接等の加工が施される。しかし、溶接の際の入熱量が大きいと溶接熱影響部の耐食性が低下する。この対策として、溶接に際し、溶接熱影響部全体を急冷する方法や、パス間温度を管理する方法などがとられている。しかし、冷却速度、入熱量等の条件が制限されるため、溶接施工が難しくなるという不都合がある。そこで、熱溶接熱影響部の耐食性を改善すべく、成分組成等を調整した様々な二相ステンレス鋼が開発されている（特許文献１〜３参照）。

国際公開２０１２／１１１５３７号 特開２０１２−１９７５０９号公報 特開２０１３−２０４０４４号公報

しかし、これらの従来の二相ステンレス鋼においても、溶接後の耐食性は十分といえるものではない。ここで、二相ステンレス鋼の溶接に伴う耐食性の低下は、溶接熱影響部に析出するσ相が影響すると考えられている。σ相はＣｒやＭｏを多量に含有し、その結果、σ相の周囲にＣｒやＭｏの欠乏相が形成されるため、溶接熱影響部の耐食性が劣化することとなる。また、σ相自体も溶接熱影響部の耐衝撃性を劣化させる要因となっている。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、溶接に伴うσ相の析出を抑制することができる二相ステンレス鋼、及びこのような二相ステンレス鋼の溶接物を提供することである。

上記課題を解決するためになされた発明は、Ｃ：０．０３質量％以下、Ｓｉ：０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、Ｃｒ：２０質量％以上３０質量％以下、Ｎｉ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｎ：０．１０質量％以上０．２５質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下、及びＬａを含むＲＥＭ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である二相ステンレス鋼である。

当該二相ステンレス鋼は、上記成分組成を有するため、溶接に伴うσ相の析出を抑制することができる。この理由は、Ｌａ等のＲＥＭを含む上記成分組成とすることで、入熱の際にσ相に換わりχ相が析出しやすくなることによると考えられる。なお、χ相はσ相と同様にＣｒやＭｏを含有する金属間化合物であるが、Ｃｒの含有量が少なく微細であることなどにより、耐食性や耐衝撃性を劣化させにくい。従って、当該二相ステンレス鋼によれば、溶接に伴うσ相の析出を抑制し、溶接施工性を高めることができる。また、当該二相ステンレス鋼によれば、溶接熱影響部におけるσ相の析出が抑制されるため、溶接熱影響部の耐食性や耐衝撃性の低下も抑制される。

当該二相ステンレス鋼は、Ｂ：０．０１０質量％以下をさらに含有することが好ましい。これにより、良好な溶接性を維持しつつ、熱間加工性を高めることができる。

当該二相ステンレス鋼は、Ａｌ：０．１０質量％以下、Ｃａ：０．０１０質量％以下、及びＭｇ：０．０１０質量％以下からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含有することが好ましい。これにより、鋼の清浄度や熱間加工性を高めることができる。

当該二相ステンレス鋼は、Ｃｕ：０．１質量％以上１．０質量％以下をさらに含有することが好ましい。これにより、オーステナイト相を安定化させ、また、良好な熱間加工性を発揮することができる。

当該二相ステンレス鋼は、鋼管であることが好ましい。当該二相ステンレス鋼は、溶接施工性に優れるため、溶接加工される鋼管に特に好適に用いることができる。

上記課題を解決するためになされた他の発明は、当該二相ステンレス鋼が溶接されてなり、析出物に占めるχ相の含有率が５０質量％以上である溶接熱影響部を有する溶接物である。当該溶接物によれば、溶接熱影響部におけるσ相の析出が抑えられており、高い耐食性や耐衝撃性を有する。

本発明によれば、溶接に伴うσ相の析出を抑制することができる二相ステンレス鋼、及びこのような二相ステンレス鋼の溶接物を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る二相ステンレス鋼及びその溶接物について詳説する。

［二相ステンレス鋼］
本発明の一実施形態に係る二相ステンレス鋼は、ＲＥＭを含む特定の成分組成を有し、これにより、溶接に伴うσ相の析出を抑制することができる。

（成分組成）
当該二相ステンレス鋼は、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ、Ｍｏ及びＲＥＭを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。さらに、当該二相ステンレス鋼は、所定量のＢ、所定量のＡｌ、Ｃａ及びＭｇからなる群より選ばれる１種又は２種以上、並びに所定量のＣｕを含有することが好ましい。以下、各成分の含有量の数値範囲とその限定理由について説明する。

（Ｃ：０．０３質量％以下）
Ｃ（炭素）は鋼中に固溶して、強度を向上させる元素である。但し、含有量が０．０３質量％を超えると、溶接等の入熱に伴って炭化物が析出しやすくなり、耐食性が劣化する。Ｃの含有量の上限は、０．０２５質量％が好ましく、０．０２２質量％がより好ましい。一方、Ｃの含有量の下限は、実質的に０質量％であってもよいが、上記強度向上効果を十分発揮させるためには、０．００１質量％が好ましく、０．００５質量％がより好ましく、０．０１質量％がさらに好ましい。

（Ｓｉ：０．１質量％以上１．０質量％以下）
Ｓｉ（ケイ素）は鋼中の酸素と結合し、鋼の清浄度を向上させる一方、適当な含有量とすることで、σ相の析出が抑制される。上記効果を得るために、Ｓｉの含有量の下限は０．１質量％であり、０．２質量％が好ましく、０．２６質量％がより好ましく、０．３質量％がさらに好ましい。一方、Ｓｉの含有量の上限は、１．０質量％であり、０．７質量％が好ましく、０．５質量％がさらに好ましい。Ｓｉの含有量を上記上限以下とすることで、σ相の析出を抑制することができる。

（Ｍｎ：１．５質量％以下）
Ｍｎ（マンガン）はオーステナイト相を安定化させ、Ｎの固溶量を増加させて耐食性を向上させる効果を有する。しかし、過剰に含有すると、不働態皮膜が不安定になり、耐食性が劣化する。また、σ相の析出促進に影響を与える場合もある。従って、Ｍｎの含有量の上限は１．５質量％であり、１．４質量％が好ましく、１．３質量％がより好ましい。一方、Ｍｎの含有量の下限は、実質的に０質量％であってもよいが、上記耐食性の向上効果を十分に発揮させるなどのために、０．１質量％が好ましく、０．５質量％がより好ましく、１．０質量％がさらに好ましい。

（Ｐ：０．０４質量％以下）
Ｐ（リン）は不純物として含有する元素であり、過剰に存在すると溶接性やσ相の析出に影響を与える。従って、Ｐの含有量の上限は、０．０４質量％であり、０．０３質量％が好ましく、０．０２質量％がさらに好ましく、０．０１７質量％が特に好ましい。一方、Ｐの含有量の下限は、実質的に０質量％であってよく、０．００１質量％又は０．００５質量％であってもよい。

（Ｓ：０．０２質量％以下）
Ｓ（硫黄）は不純物として含有する元素であり、過剰に存在すると熱間加工性、耐食性、σ相の析出等に影響を与える。従って、Ｓの含有量の上限は、０．０２質量％であり、０．０１５質量％が好ましく、０．０１０質量％がより好ましい。一方、Ｓの含有量の下限は、実質的に０質量％であってよく、０．０００１質量％又は０．０００３質量％であってもよい。

（Ｃｒ：２０質量％以上３０質量％以下）
Ｃｒ（クロム）は不働態皮膜を形成し耐食性を向上させる元素である。この効果を十分に得るために、Ｃｒの含有量の下限は２０質量％であり、２１質量％が好ましい。一方、Ｃｒが過剰に存在すると、σ相の析出が促進される。従って、Ｃｒの含有量の上限は３０質量％であり、２７質量％が好ましく、２６質量％がより好ましい。

（Ｎｉ：１．０質量％以上８．０質量％以下）
Ｎｉ（ニッケル）はオーステナイト相を安定化させる作用を有する元素である。オーステナイト相とフェライト相との二層構造を維持し、また、σ相の析出を抑制するために、Ｎｉの含有量の下限は、１．０質量％であり、４．０質量％が好ましく、５．０質量％がより好ましい。一方、Ｎｉの過剰な添加は材料コストの増加に繋がるため、Ｎｉの含有量の上限は８．０質量％であり、７．５質量％が好ましい。

（Ｎ：０．１０質量％以上０．２５質量％以下）
Ｎ（窒素）は、母相中に固溶することで強度を向上させ、不働態化を促進させることで、耐食性等を向上させる元素である。また、Ｎは、オーステナイト相の析出を促進し、σ相の析出抑制にも寄与する。上記効果を得るために、Ｎの含有量の下限は、０．１０質量％であり、０．１２質量％が好ましく、０．１４質量％がより好ましい。一方、過剰な存在は、Ｃｒ等の窒化物を析出させ、耐食性の劣化を招く。従って、Ｎの含有量の上限は、０．２５質量％であり、０．２４質量％が好ましい。

（Ｍｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下）
Ｍｏ（モリブデン）は、不働態皮膜の再不働態化を促進させることで、耐食性を向上させる元素である。上記効果を得るために、Ｍｏの含有量の下限は、１．０質量％であり、１．５質量％が好ましい。一方、Ｍｏの過剰な存在はσ相の析出を促進させ、耐食性や靱性の低下を招く。従って、Ｍｏの含有量の上限は、５．０質量％であり、４．０質量％が好ましく、３．５質量％がより好ましい。

（ＲＥＭ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下）
ＲＥＭ（希土類元素）とは、周期表におけるＬａ（ランタン）からＬｕ（ルテチウム）までの１５元素であるランタノイドをいう。このＲＥＭは、Ｌａ（ランタン）を含む。Ｌａを含むＲＥＭは、微細な金属間化合物であるχ相の析出を促進し、粗大なσ相の析出を抑制する元素である。上記効果を発揮させるため、ＲＥＭの含有量の下限は、０．００１質量％であり、０．００１５質量％が好ましい。一方、過剰なＲＥＭの添加は、コスト高等を招く。従って、Ｌａを含むＲＥＭの含有量の上限は、０．０２質量％であり、０．０１６質量％が好ましい。なお、Ｌａを含むＲＥＭの含有量とは、上述のＬａを含む１種又は２種以上全ＲＥＭの元素の総含有量を意味する。

（Ｂ：０．０１０質量％以下）
任意成分であるＢ（ホウ素）は、熱間加工性を向上させる元素であるが、過剰な存在は溶接性の低下を招く場合がある。従って、Ｂの含有量の上限は、０．０１０質量％が好ましく、０．００６質量％がより好ましい。一方、Ｂの含有量の下限は実質的に０質量％であってもよいが、上記作用効果を十分に発揮させるためには、０．００１質量％が好ましく、０．００２質量％がより好ましい。

（Ａｌ：０．１０質量％以下）
任意成分であるＡｌ（アルミニウム）は、鋼中の酸素と結合し、鋼の清浄度を高める作用を有する元素である。しかし、過剰な存在は、酸化物の析出が促進され、耐食性や機械的特性が劣化する場合やσ相の析出を招く場合がある。従って、Ａｌの含有量の上限は、０．１０質量％が好ましく、０．０５質量％がより好ましく、０．０３質量％がさらに好ましく、０．０２４質量％がよりさらに好ましい。一方、Ａｌの含有量の下限は実質的に０質量％であってもよいが、上記作用効果を十分に発揮させるためには、０．００１質量％が好ましく、０．００４質量％がより好ましい。

（Ｃａ：０．０１０質量％以下）
任意成分であるＣａ（カルシウム）は、脱硫により熱間加工性や耐食性を向上させる効果を有する元素である。但し、過剰な添加は、逆に熱間加工性の低下、耐食性の劣化、σ相の析出促進等を招く場合がある。従って、Ｃａの含有量の上限は、０．０１０質量％が好ましく、０．００５質量％がより好ましく、０．００３質量％がさらに好ましい。一方、Ｃａの含有量の下限は実質的に０質量％であってもよいが、上記作用効果を十分に発揮させるためには、０．０００５質量％が好ましく、０．００１質量％がより好ましい。

（Ｍｇ：０．０１０質量％以下）
任意成分であるＭｇ（マグネシウム）は、脱硫により熱間加工性や耐食性を向上させる効果を有する元素である。但し、過剰な添加は、逆に熱間加工性の低下、σ相の析出促進、耐食性の劣化等を招く場合がある。従って、Ｍｇの含有量の上限は、０．０１０質量％が好ましく、０．００１０質量％がより好ましいこともある。一方、Ｍｇの含有量の下限は実質的に０質量％であってもよいが、上記作用効果を十分に発揮させるためには、０．０００１質量％が好ましく、０．０００５質量％がより好ましい。

（Ｃｕ：０．１質量％以上１．０質量％以下）
任意成分であるＣｕ（銅）は、オーステナイト相を安定化させる作用をもつ元素である。上記作用を十分に発揮させるためには、Ｃｕの含有量の下限は、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、Ｃｕの過剰な存在は、熱間加工性の低下や、σ相の析出の促進を招くことがある。従って、Ｃｕの含有量の上限は、１．０質量％が好ましく、０．６質量％がより好ましく、０．４２質量％がさらに好ましい。

（Ｆｅ及び不可避的不純物）
当該二相ステンレス鋼を構成する成分組成の基本成分は上記のとおりであり、残部成分はＦｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物は、溶製時に不可避的に混入する不純物などであり、鋼の諸特性を害さない範囲で含有される。また、当該二層ステンレス鋼の成分組成は、本発明の効果に悪影響を与えない範囲で、上記成分に加えて、さらに他の元素を含有していてもよい。

なお、二相ステンレス鋼の成分として、Ｔｉ（チタン）は、溶接に伴って析出するγ相の生成に関与することが知られている。このγ相は、本発明が良好な効果を奏する理由と考えられるχ相の析出に影響を与えうる。従って、当該二相ステンレス鋼におけるＴｉの含有量は、０．００３質量％未満が好ましいこともあり、０．００１質量％未満がより好ましいことがある。

（組織）
当該二相ステンレス鋼の組織は、実質的にフェライト相とオーステナイト相とからなり、残部は析出物及び介在物等である。

（製造方法）
当該二相ステンレス鋼の製造方法は特に限定されるものではない。当該二相ステンレス鋼は、通常、上記成分組成を有するように溶製することで得ることができる。溶製は、電気炉、真空脱炭炉等により行うことができる。溶製された二相ステンレス鋼は、例えば、造塊法によりインゴットに製造されてもよいし、連続鋳造法により鋳片（スラブ、ブルーム又はビレット）に製造されてもよい。

（形状、用途等）
当該二相ステンレス鋼の形状としては、特に限定されず、板状、棒状、管状等であってよいが、管状であることが好ましい。すなわち、当該二相ステンレス鋼は、鋼管として好適に用いられる。鋼管としては、シームレス鋼管、電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の溶接鋼管、鍛接鋼管等が挙げられる。

鋼管は、例えば、以下の方法で製造される。製造されたインゴット、スラブ、ブルーム等に対して熱間加工等を施してビレットを製造する。製造されたビレットを熱間加工等することにより鋼管が得られる。熱間加工は、例えばマンネスマン法による穿孔圧延を挙げることができる。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。

鋼板は、例えば製造されたインゴット、スラブ等に対して熱間加工及び／又は冷間加工等を施して得ることができる。

当該二相ステンレス鋼によれば、溶接に伴うσ相の析出を抑制し、溶接施工性を高めることができる。また、当該二相ステンレス鋼によれば、溶接熱影響部におけるσ相の析出が抑制されるため、溶接熱影響部の耐食性や耐衝撃性の低下も抑制される。従って、当該二相ステンレス鋼は、溶接施工性や溶接して得られた溶接物の耐食性等が要求される用途に好適に用いることができる。当該二相ステンレス鋼は、例えば熱交換器用配管、化学プラント配管、計装配管等の鋼材として好適である。

［溶接物］
本発明の一実施形態に係る溶接物は、上述した当該二相ステンレス鋼が溶接されてなり、析出物に占めるχ相の含有率が５０質量％以上である溶接熱影響部を有する溶接物である。

当該溶接物としては、鋼管と鋼管との溶接物、鋼板と鋼板との溶接物、鋼板と鋼管との溶接物等であってよい。また、溶接される物の少なくとも一方が、当該二相ステンレス鋼であればよい。但し、当該溶接物がより良好な耐食性等を発揮するためには、溶接される双方が当該二相ステンレス鋼であることが好ましい。溶接方法としては、アーク溶接、スポット溶接等、特に限定されるものではない。

溶接熱影響部における析出物に占めるχ相の含有率の下限は、６０質量％がより好ましく、７０質量％がさらに好ましい。一方、この上限は、例えば９５質量％であってよく、９０質量％であってよく、８５質量％であってもよい。なお、この含有率は、実施例に記載の方法により測定された値とする。

当該溶接物は、溶接熱影響部におけるσ相の析出が抑えられており、高い耐食性や耐衝撃性を有する。従って、当該溶接物は、例えば熱交換器、化学プラント配管等として好適である。

［その他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１〜１０、比較例１〜５］
真空誘導溶解炉（ＶＩＦ）を用いて、表１に記載の成分組成（残部はＦｅ及び不可避的不純物）のΦ１１０ｍｍ×２００ｍｍの鋼塊を作成した。この鋼塊に対して、１１５０℃で３時間、及び１２５０℃で６時間の熱処理を行い、熱間鍛造と冷間圧延とで、ｔ１４ｍｍ×ｗ１１０ｍｍ×Ｌ３００ｍｍの鋼板を得た。この鋼板を１１００℃×５０分、ＷＱ（水冷）の条件で熱処理した。次いで、鋼板をワイヤーカットにより切り出し、ｔ７ｍｍ×ｗ１０ｍｍ×Ｌ１０ｍｍの実施例１〜１０及び比較例１〜５の二相ステンレス鋼としての各試料を得た。

（σ相析出評価）
上記各試料を８５０℃で所定の時間熱処理し、水冷してσ相を析出させた。そして試料を樹脂埋め込みし、３６質量％ＫＯＨ水溶液で電解エッチングを行った。試料の組織を光学顕微鏡で観察し、画像処理ソフトでσ相の面積率を測定した。σ相面積率が０．２％以上になった時の熱処理時間をノーズ時間として、以下の基準で評価した。評価結果を表１に示す。
Ａ：１２００秒以上
Ｂ：３００秒超１２００秒未満
Ｃ：３００秒以下

（χ相含有率の測定）
上記実施例１と比較例４の各試料を８５０℃で５分熱処理し、その後水冷してσ相とχ相とを析出させた。その試料をＨＡ（１０％アセチルアセトン−１％ＨＣｌ−メタノール）系電解液を用いて電解し、熱処理に伴う析出物である残渣をＸＲＤ（Ｘ線回折）分析した。分析結果から残渣（析出物）の質量に占めるχ相の質量の割合をχ相含有率として求めた。測定結果を表１に示す。

表１に示されるように、実施例１〜１０においては、σ相のノーズ時間が短く、σ相の析出が抑制されていることがわかる。すなわち、実施例１〜１０は、溶接後のσ相の析出が抑えられ、溶接後の耐食性や耐衝撃性も良好になるといえる。

また、代表して行った実施例１と比較例４との測定結果からわかるように、ＲＥＭを含む特定の成分組成とすることで、入熱の際にσ相に換わりχ相が析出することが確認できた。

本発明の二相ステンレス鋼は、一般的な二相ステンレス鋼と同様の用途に用いることができる。特に本発明の二相ステンレス鋼は、溶接後の耐食性が求められる用途、例えば熱交換器や化学プラント配管の鋼材として好適に用いることができる。

Claims (6)

1. Ｃ：０．０３質量％以下、
   Ｓｉ：０．１質量％以上１．０質量％以下、
   Ｍｎ：１．５質量％以下、
   Ｐ：０．０４質量％以下、
   Ｓ：０．０２質量％以下、
   Ｃｒ：２０質量％以上３０質量％以下、
   Ｎｉ：１．０質量％以上８．０質量％以下、
   Ｎ：０．１０質量％以上０．２５質量％以下、
   Ｍｏ：１．０質量％以上５．０質量％以下、及び
   Ｌａを含むＲＥＭ：０．００１質量％以上０．０２質量％以下
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である二相ステンレス鋼。
2. Ｂ：０．０１０質量％以下
   をさらに含有する請求項１に記載の二相ステンレス鋼。
3. Ａｌ：０．１０質量％以下、
   Ｃａ：０．０１０質量％以下、及び
   Ｍｇ：０．０１０質量％以下
   からなる群より選ばれる１種又は２種以上をさらに含有する請求項１又は請求項２に記載の二相ステンレス鋼。
4. Ｃｕ：０．１質量％以上１．０質量％以下
   をさらに含有する請求項１、請求項２又は請求項３に記載の二相ステンレス鋼。
5. 鋼管である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の二相ステンレス鋼。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の二相ステンレス鋼が溶接されてなり、
   析出物に占めるχ相の含有率が５０質量％以上である溶接熱影響部を有する溶接物。