JP2019501300A - 三相ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の三相(triple−phase)ステンレス鋼は、内部にフェライト相が形成され、表面を含む最外郭にオーステナイト相が形成され、フェライト相とオーステナイト相との間にマルテンサイト相が形成されたことを特徴とする。内部に高靭性のフェライト相を含むことにより、高耐食性および高強度とともに高靭性を有する三相ステンレス鋼を提供することができる。
【選択図】図6
Description
したがって、オーステナイト系のステンレス鋼および2相(dual−phase)系ステンレス鋼に窒素が添加された多様な高窒素ステンレス鋼が開発されて市販されている。ステンレス鋼において窒素の固溶度は、炭素と同様にきわめて少なく、主として窒化物として存在している。
窒素は、炭素より原子半径が小さく、主として窒素形態の不活性ガスとして存在するので、鋼に窒素を固溶させることが非常に難しい。そこで、窒素の固溶度を高めるために、クロム(Cr)等のような窒素と親和力が大きい合金元素が多く含有されているステンレス鋼が有利である。一般的に、これらのステンレス鋼では高い窒素の固溶度を示している。
鎔鋼内固溶される窒素の濃度は、約0.45%が限界値であって、それ以上の窒素は固溶されにくい。図1は、合金鋼に固溶される窒素の固溶度を示すグラフである。図1を基にすると、温度に関連した窒素の固溶量が示されている。すなわち、溶融金属状態では、加圧設備のような特殊な溶解装置なしに窒素の固溶は非常に困難である。
一方、窒素の固溶度が殆どないフェライト系ステンレス鋼は、窒素浸透温度で鋼表面から内部に窒素が浸透しにくく、摩擦および摩耗特性に劣るため、機械的用途には使用が制限されるという短所がある。
また、本発明の他の目的とするところは、窒素浸透処理を用いてフェライト相をマルテンサイト相およびオーステナイト相に相変態させて、耐食性および窒素の固溶強化効果による機械的特性を向上させ、内部にフェライト相を残すことにより、表面耐食特性に優れた高強度で高靭性の三相ステンレス鋼およびその製造方法を提供することにある。
ステンレス鋼は、重量%で、炭素(C)0.01%以下、シリコン(Si)0.5%以下、クロム(Cr)17〜20%、モリブデン(Mo)1.0〜5.0%、ニッケル(Ni)0.1〜0.2%、マンガン(Mn)1.0%以下、チタン(Ti)0.01〜0.2%、ニオブ(Nb)0.1〜0.6%、アルミニウム(Al)0.1%以下、リン(P)0.03%以下、硫黄(S)0.005%以下、残部としてFeおよびその他不可避な不純物を含むことができる。
また、重量%で、オーステナイト相に固溶された窒素の含量が、1.0%以上であり、マルテンサイト相が固溶された窒素の含量が、0.6以上1.0%未満であり、フェライト相に固溶された窒素の含量が、0.6%未満であることが好ましい。
PREN=Cr+3.3 Mo+30N−Mn・・・式(1)
式(1)で表面に浸透する窒素の含量(Nの値)を1.0%以上にすることができる。
オーステナイト相の粒子のサイズは、50μm以下であることが好ましい。
ステンレス鋼の表面硬度が300HV以上であることがよい。
したがって、窒素の浸透および固溶による窒素の固溶強化効果によってステンレス鋼の耐食性および機械的特性を向上させることができる。また、内部に高靭性のフェライト相を含むことにより、高耐食性および高強度とともに高靭性を有する三相ステンレス鋼を提供することができる。
また、液状でなく、固状の合金鋼を利用して三相ステンレス鋼を提供することができ、特殊な加圧設備がなくとも、液状で固溶可能な窒素の固溶限界値を超えることができる。
図1は、合金鋼に固溶される窒素の固溶度を示すグラフである。図2および図3は、フェライト系ステンレス鋼板に補助試験片を並べて配置した後、窒素浸透処理する過程および鋼板に窒素が浸透する過程を説明するための図面である。
図1〜図3には、本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼に窒素浸透処理して三相(triple−phase)ステンレス鋼を製造する方法を示した。
例えば、フェライト系ステンレス鋼は、STS304鋼またはSTS444鋼などを使用することができる。
フェライト系ステンレス鋼に窒素浸透処理をする方法は、フェライト系ステンレス鋼板10を1,280℃以下の温度に維持する炉(furnace)チャンバー内に位置させる。
例えば、より好ましくは、炉チャンバー内の温度は、900〜1,280℃に維持することがよい。炉チャンバー内の温度が900℃未満である場合、炉チャンバー内に注入された窒素(N2)ガスが発生期の窒素(N)に分解されないので、窒素(N2)分子自体が鋼板の表面に衝突するようになり、鋼板の内部に浸透率が低くなる問題点があり、その下限は、900℃に制限することが好ましい。
次に、鋼板10に隣接して補助試験片20を配置し、その後、炉チャンバー内に窒素(N2)ガスを注入して、窒素の雰囲気を形成させて1分間以上維持する。
また、鋼板10に対向する補助試験片20の表面形状は、鋼板10の表面形状と同一または類似に形成されることが好ましく、これにより、均一な窒素浸透効果を得ることができる。
また、鋼板10内に均一な窒素浸透効果を得るためには、補助試験片20は、鋼板10のサイズと同一であるか、大きいものを使用することが好ましい。
これとは異なり、窒素の雰囲気を形成させる方法で、窒素ガス圧を加えずに窒素(N2)ガスを流す方法(flowing)以外に、窒素(N2)ガスが分解された発生期の窒素(N)の濃度分圧活性化が必要な場合には、炉チャンバー内の分圧は、1.0kgf/cm2以上になるように窒素(N2)ガスを持続的に注入することができる。
鋼板10および補助試験片20は、互いに最隣接するように配置させることが好ましい。例えば、鋼板10および補助試験片20の間の間隔を、1,000nm以下にすることができる。
したがって、鋼板10および補助試験片20を隣接して配置することにより、鋼板10および補助試験片20の間に発生期の窒素(N)の濃度を相対的に増加させることができ、発生期の窒素(N)が鋼板10および補助試験片20の間で非常に活発な運動によって鋼板10に衝突回数が増加し、これに伴って、窒素が鋼板10の内部に浸透が良好に行われ、鋼板10の中心部まで深く浸透させることができる。
炉チャンバー内に鋼板10の維持時間は1分間以上であってもよく、維持時間が増加するほど鋼板10の内部まで窒素の浸透が可能である。しかし、本発明の目的に符合する耐食性および機械的強度を確保するために、鋼板10は、炉チャンバー内の温度を900〜1,280℃に制御しつつ、30分間〜10時間炉チャンバー内で維持することが好ましい。
図4及び図5に基づくと、本発明の三相ステンレス鋼(Triple phase stainless steel)の製造方法によって製造された三相ステンレス鋼は、内部にフェライト(ferrite)相が形成され、フェライト相の外郭にマルテンサイト(martensite)相が形成され、表面を含む最外郭にオーステナイト(austenite)相が形成される。
すなわち、窒素浸透処理前に、フェライト系ステンレス鋼板は、全体がフェライト相を有しているが、窒素が鋼板内に固溶されて鋼板の表面を含む最外郭のフェライト相がマルテンサイト相を経てオーステナイト相に相変態され、鋼板の最外郭の内部のフェライト相がマルテンサイト相に相変態され、鋼板の内部には、フェライト相が相変態されずに維持される。
本発明の実施例の製造方法により提供される三相(triple−phase)ステンレス鋼は、一般的に使用される二相(dual−phase)鋼とは異なる特徴を有する。
また、三相ステンレス鋼の表面に浸透および拡散される1.0%以上の窒素は、窒化物として析出されず、表面内に固溶されて、オーステナイト相の粒子の成長を抑制して、粒子のサイズを50μm以下とすることができる。
フェライト系ステンレス鋼は、表面から内部に浸透される窒素の含量によって素材が有する耐腐食特性が変わることができる。下記の式(1)は、素材の耐孔食抵抗指数を称するPREN指数を導き出すためのものである。
PREN=Cr+3.3Mo+30N−Mn ・・・式(1)
表面に浸透した窒素の含量が1.2%である場合、PREN指数を求めるために上記の式(1)に窒素の含量を代入すれば、下記の式(2)の通りである。
PREN=18.66+3.3*1.74+30*1.2−0.85=60.7 ・・・式(2)
(ただし、Cr:18.66%、Mo:1.74%、Mn:0.85%)
具体的に、窒素浸透処理前に、フェライト系ステンレス鋼板の表面硬度は、約160〜180HV程度である。しかし、本発明の実施例による鋼板の窒素浸透処理を経た後の三相ステンレス鋼の表面硬度は、300HV以上であり、顕著に向上することが分かる。
一方、窒素浸透処理後、三相ステンレス鋼の内部は、マルテンサイト相とフェライト相を有し、表面の硬度に比べて小さい約200〜280HV程度の硬度を有する。
20:補助試験片
Claims (9)
- 内部にフェライト相が形成され、
表面を含む最外郭にオーステナイト相が形成され、
前記フェライト相と前記オーステナイト相との間にマルテンサイト相が形成されたことを特徴とする三相(triple−phase)ステンレス鋼。 - 前記ステンレス鋼の表面から内部方向に前記オーステナイト相、マルテンサイト相、およびフェライト相が順次形成されたことを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
- 前記ステンレス鋼は、重量%で、炭素(C)0.01%以下、シリコン(Si)0.5%以下、クロム(Cr)17〜20%、モリブデン(Mo)1.0〜5.0%、ニッケル(Ni)0.1〜0.2%、マンガン(Mn)1.0%以下、チタン(Ti)0.01〜0.2%、ニオブ(Nb)0.1〜0.6%、アルミニウム(Al)0.1%以下、リン(P)0.03%以下、硫黄(S)0.005%以下、残部としてFeおよびその他不可避な不純物を含むことを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
- 重量%で、前記オーステナイト相に固溶された窒素の含量が、1.0%以上であり、
前記マルテンサイト相が固溶された窒素の含量が、0.6以上1.0%未満であり、
前記フェライト相に固溶された窒素の含量が、0.6%未満であることを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。 - 前記ステンレス鋼は、下記の式(1)による耐孔食抵抗指数(PREN)が54以上であることを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
PREN=Cr+3.3Mo+30N−Mn ・・・式(1) - 前記式(1)で表面に浸透する窒素の含量(Nの値)を1.0%以上とすることを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
- 前記オーステナイト相の粒子のサイズは、50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
- 前記ステンレス鋼の表面硬度が300HV以上であることを特徴とする請求項1に記載の三相ステンレス鋼。
- 900〜1,280℃の温度に維持される炉チャンバー内にフェライト系ステンレス鋼を配置し、
前記炉チャンバー内に窒素(N2)ガスを注入して、窒素雰囲気を形成し、
前記窒素(N2)ガスを分解して、発生期の窒素(N)を形成し、
ステンレス鋼の最外郭の相をオーステナイト相に相変態させるために浸透される窒素の含量を1.0%以上とし、
前記最外郭の相の内部に設けられる相をマルテンサイト相に相変態させるために浸透される窒素の含量を0.6〜1.0%の間になるようにし、
前記マルテンサイト相の内部は、浸透される窒素の含量を0.6%未満としてフェライト相が維持されるようにすることを特徴とする三相ステンレス鋼の製造方法。
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