JP2020521047A

JP2020521047A - 新規な二相ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2020521047A
Application number: JP2019564008A
Authority: JP
Inventors: エレオノーラベッティーニ，; ラグヴィールガッダム，; カーリンアントンソン，; クオツァイチャイ，; クリスティーナハーラルソン，; シリキラヴィーンドラ，
Original assignee: サンドビックインテレクチュアルプロパティーアクティエボラーグ
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2020-07-16
Also published as: EP3631031B1; EP3631031A1; US20210156013A1; CN110691860B; CN110691860A; WO2018215466A1; US11248285B2

Abstract

本開示は、新規な二相ステンレス鋼に関する。本開示はさらに、該二相ステンレス鋼を含む製品に関し、本方法は、所定の温度にて所定の時間にわたり、該二相ステンレス鋼を含む物体で熱処理を行うことを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、新規な二相ステンレス鋼に関する。本開示はさらに、二相ステンレス鋼を含む製品に関し、また当該製品の製造方法に関する。この製造方法は、二相ステンレス鋼を含む物体を、所定の温度で所定の時間にわたって熱処理する工程を含む。

二相ステンレス鋼とは、二相構造（つまりオーステナイト相及びフェライト相）を有するステンレス鋼の部類である。これらの鋼は通常、良好な機械的特性（例えば強度及び靭性）と、良好な耐腐食性との組み合わせを有する。しかしながら特定の用途では、さらに高い強度を備えるとともに、手ごろな価格で製造可能な（すなわち高価な合金元素の含有量が少ない）二相ステンレス鋼が、必要とされている。

本開示の目的は、高い強度及び高い延性と、良好な耐腐食性との組み合わせを有するとともに、手ごろな価格で製造可能な二相ステンレス鋼を提供することである。

よって本開示は、重量％（ｗｔ％）で以下の成分を含有する二相ステンレス鋼を提供する：
Ｃ０．０３以下、
Ｓｉ１．０以下、
Ｍｎ２．０以下、
Ｍｏ０．５以下、
Ｐ０．０５以下、
Ｓ０．０５以下、
Ｎ０．０５〜０．２０、
Ｎｉ３．５〜５．５、
Ｃｒ２１〜２４、
Ｔａ０．０５〜０．６５、
残部のＦｅ及び不可避不純物を含有し、フェライト：オーステナイトの体積分率（volume fraction）が、３５：６５から６５：３５である、二相ステンレス鋼。

合金元素タンタル（Ｔａ）は通常、結晶粒微細化作用を得るため、又はミクロ組織を安定化させるために、鋼合金に添加される。しかしながらＴａは通常、二相ステンレス鋼には添加されない。二相ステンレス鋼は、多量の窒素を含有するからである。Ｔａは窒化物を形成することがよく知られているため、Ｔａを二相ステンレス鋼に添加することにより、不所望な析出物が形成されるリスクが高まることとなり、これは一方で、耐腐食性を減少させることにもなる。意外なことに、本発明者らは、ここに開示された特定の範囲でＴａを添加することにより、前述の問題を発生させることなく、二相ステンレス鋼の強度が増大することを見出した。

本開示はまた、このような二相ステンレス鋼を含む製品に関する。

本開示はさらに、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼を含む製品の製造方法に関し、この製造方法は、当該二相ステンレス鋼を含む物体／製品を、８００℃〜１０５０℃未満の温度で、所定の時間にわたり熱処理する工程を含むものである。意外なことに、二相ステンレス鋼を、先に又は以下に既定したように、この熱処理工程（１つの実施態様によれば、従来の鋼製造方法で使用されるよりも低温で実行可能）にさらすことにより、得られる物体／製品の強度をさらに向上可能なことが判明した。

Ｔａが特定の量で添加され、それから処理された融解物について、二相ステンレス鋼の降伏強度におけるパーセンテージでの変化を開示する。

本開示は、重量％（ｗｔ％）で以下の成分を含有する二相ステンレス鋼に関する：
Ｃ０．０３以下、
Ｓｉ１．０以下、
Ｍｎ２．０以下、
Ｍｏ０．５以下、
Ｐ０．０５以下、
Ｓ０．０５以下、
Ｎ０．０５〜０．２０、
Ｎｉ３．５〜５．５、
Ｃｒ２１〜２４、
Ｔａ０．０５〜０．６５、
残部のＦｅ及び不可避不純物を含有し、フェライト：オーステナイトの体積分率が、３５：６５から６５：３５である、二相ステンレス鋼。

本開示の二相ステンレス鋼は、いわゆる低合金化二相ステンレス鋼であり、これは、Ｎｉの含有量が少ない二相ステンレス鋼ということである。本発明者らは意外なことに、Ｔａをここに開示した範囲で低合金化二相ステンレス鋼に添加することにより、二相ステンレス鋼の強度が改善され、さらには高い強度と高い延性との組み合わせが得られることを見出した。

本開示に従えば、フェライト：オーステナイトの体積分率は、３５：６５から６５：３５である。１つの実施態様によれば、フェライト：オーステナイトの体積分率は、４０：６０から６０：４０、例えば５０：５０である。

以下では、先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼の合金元素について論じるが、ここでｗｔ％とは、重量％である。

炭素（Ｃ）は、二相ステンレス鋼の耐腐食性を確実にするために０．０３重量％以下の含有量に制限される。０．０３重量％を超える含有量では、炭化クロムの形成により、耐腐食性及び靭性が減少することとなる。

ケイ素（Ｓｉ）は、脱酸するために１．０重量％以下の量で添加される。しかしながらＳｉが１．０重量％を超えると、金属間化合物相（例えばσ相）の析出が促進されるため、Ｓｉの含有量は、１．０重量％以下、例えば０．６重量％以下である。１つの実施態様によれば、Ｓｉの最小量は、０．０１重量％である。１つの実施態様によれば、Ｓｉは、０．２〜０．６重量％の範囲、例えば０．３〜０．６重量％の範囲にある。

マンガン（Ｍｎ）は、硫黄との結合能力が理由でほとんどの二相ステンレス合金に添加され、これによって熱間延性が改善される。Ｍｎもまた、オーステナイト安定化作用を有する。しかしながら、Ｍｎを２．０重量％超の濃度で（例えば１．２重量％）添加すると、二相ステンレス鋼の耐腐食性及び靭性は、悪化することになる。１つの実施態様によれば、Ｍｎの最小量は、０．０１重量％である。１つの実施態様によれば、Ｍｎは、０．５〜１．０重量％の範囲、例えば０．７〜０．９重量％の範囲にある。

リン（Ｐ）は、二相ステンレス鋼の熱間加工性、溶接性及び靭性を悪化させるため、０．０５重量％以下、例えば０．０４重量％以下に限られる。

硫黄（Ｓ）もまた、二相ステンレス鋼の熱間加工性、靭性及び耐腐食性を悪化させるため、０．０５重量％以下、例えば０．０３重量％以下に限られる。

ニッケル（Ｎｉ）は、二相ステンレス鋼のオーステナイト構造を安定化させ、耐腐食性及び靭性も改善させる。一方でニッケルは、高価な合金元素であるため、その含有量は、３．５〜５．５重量％、例えば３．５〜５．０重量％に制限される。

クロム（Ｃｒ）は、二相ステンレス鋼の良好な耐腐食性を確実にするため、少なくとも２１重量％の量で含まれる。Ｃｒは、二相ステンレス鋼のフェライト構造を安定化させる。一方で、Ｃｒの含有量が２４．０重量％を超えると、金属間化合物がより容易に析出するため、靭性及び耐腐食性が損なわれる。よってＣｒの含有量は、２１．０〜２４．０重量％、例えば２２．０〜２３．５重量％である。

モリブデン（Ｍｏ）は、耐腐食性を増加させるため、またフェライト相を安定化させるために、添加される。しかしながら、Ｍｏの添加量が多すぎると、金属間化合物相の形成が促進さることによって、耐腐食性及び靭性の双方が損なわれる。よって本願の二相ステンレス鋼では、Ｍｏは０．５重量％以下の範囲、例えば０．３重量％以下の範囲で含まれる。１つの実施態様によれば、Ｍｏの最小量は、０．０１重量％である。１つの実施態様によれば、Ｍｏの含有量は、０．２〜０．４重量％である。

窒素（Ｎ）は、オーステナイト相中で固溶体にするために効果的な元素であり、強度及び耐腐食性を向上させるためにも効果的である。これが理由で窒素は、本願の二相ステンレス鋼中に０．０５重量％以上の量で含まれる。Ｎが０．２０重量％超、含まれていると、Ｎによって窒化物の析出が引き起こされることにより、靭性及び耐腐食性が減少することになる。よってＮの含有量は、０．０５〜０．２０重量％である。１つの実施態様によれば、Ｎの含有量は、０．０９〜０．１８重量％である。

タンタル（Ｔａ）は、炭化物、窒化物及び酸化物の析出物（例えばＴａＣ、ＴａＮ、ＴａＯ及び／又はＴａ（Ｃ，Ｎ））を形成する。これらは安定的な粒子であり、鋼内に溶解させるのは困難である。本願の二相ステンレス鋼では、意外なことに、Ｔａが０．０５〜０．６５重量％の量で存在すると、二相ステンレス鋼の強度が向上することが判明した。１つの実施態様によれば、Ｔａの含有量は、０．０５〜０．６０重量％である。１つの実施態様によれば、この量が０．２０〜０．６０重量％であれば、本願による鋼の強度が著しく向上する。

先に又は以下に規定する二相ステンレス鋼は、任意選択的に、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃｕ、Ｗ及びＢの群から選択される１つ以上の元素を含むことができる。これらの元素は、例えば脱酸、耐腐食性、熱間延性又は機械加工性を増大させるために、製造プロセスの間に添加することができる。しかしながら、当分野で知られているように、これらの元素の添加については、その他の合金元素の存在に基づき、また所望の効果に基づき、適合させる必要がある。よって、添加する場合、これらの元素の合計含有量は、１．０重量％以下である。

ここで言及する「不純物」という用語は、工業的に製造された場合に二相ステンレス鋼を汚染することになる、原料（例えば鉱石及びスクラップ）に起因する、また製造プロセスにおけるその他の様々な要因に起因する物質であって、先に又は以下に規定される二相ステンレス鋼に不利な影響をもたらさない範囲内で汚染が許容されるものを意味することが意図されている。

本開示はまた、先に又は以下に規定する二相ステンレス合金を含む製品の製造方法に関し、この製造方法は、以下の工程：
・以下の組成：
Ｃ０．０３以下、
Ｓｉ１．０以下、
Ｍｎ２．０以下、
Ｍｏ０．５以下、
Ｐ０．０５以下、
Ｓ０．０５以下、
Ｎ０．０５〜０．２０、
Ｎｉ３．５〜５．５、
Ｃｒ２１．０〜２４．０、
Ｔａ０．０５〜０．６５、
残部のＦｅ及び不可避不純物を含有し、かつフェライト：オーステナイトの体積分率が３５：６５から６５：３５である溶融物を用意する工程：
・得られた溶融物を鋳造して物体にする工程、
・物体を熱間加工する工程、
・任意選択的に、熱間加工された物体を冷間加工する工程、
・所定の時間にわたり８００℃〜１０５０℃未満の範囲の温度で、物体を熱処理する工程、
を含むものである。

得られた溶融物は、鋳造工程の間に、型内に注ぎ込むことができる。得られた溶融物が型内に入るとすぐに、溶融物は冷め始め、凝固が始まる。その後、得られた物体を、型から取り外す。融点は、合金である以上、温度範囲となり、この融点は、合金の組成次第である。

この物体は、熱間加工される。熱間加工法の例は、鍛造、熱間ローラ加工及び押出成形である。熱間加工工程は、異なる熱間加工法の組み合わせを含むことができるか、又は物体を数回、同じ熱間加工法により熱間加工することができる。

熱間加工工程の後、物体を冷間加工するか、又は直接熱処理することができる。冷間加工法の例は、冷間ローラ加工、及び冷間引き抜きである。熱間加工との関連で、冷間加工工程は、１つ又は複数の冷間加工法（同じであっても、異なっていてもよい）を含むことができる。

熱処理工程は、本製造方法について最も重要な工程である。意外なことに、熱処理によって、得られる生成物の強度が上昇することが判明したからである。熱処理工程は、所定の時間にわたって行うが、この時間は、製品の形状及び厚さ次第であり、所定の時間は例えば、１０分から１時間の範囲、例えば１０分から３０分の範囲である。熱処理は、８００〜１０５０℃の温度で行う。さらに高い降伏強度を得るためには、熱処理工程の温度は、８５０℃〜１０００℃の範囲、例えば８５０℃〜９５０℃の範囲、例えば８５０℃〜９００℃の範囲であり得る。１つの実施態様によれば、ここで行われる熱処理は、溶体化焼入れ（solution annealing）である。

熱処理後、得られた製品は、例えば液体での焼入れ（quenching）、例えば水での焼入れによって、又は空気により室温まで冷却する。

本開示をさらに、以下の非限定的な実施例により説明する。

実施例１
表１は、製造された各融解物（heats）についての化学的な組成を示す。この表から見て取れるように、これらの融解物は、Ｎｉの含有量が少ないので、低二相ステンレス鋼である。

Ｎｉ及びＮはともにオーステナイト安定化合金元素であるため、融解物１０に見られるように、これらはある程度、相互に補い合うことができる。すなわち、二相ステンレス鋼の構造安定性を得るために、鋼中においてＮ含有量を増加させると、Ｎｉ含有量が減少し得る。

調査した合金は、重さ１ｋｇの鋳造インゴットの形態で作製したものである。溶融は、真空誘導溶解によって行い、その後、この溶融物を鋳造して、１１５０℃で熱間ローラ加工により、最終的な寸法が７×７ｍｍのインゴットにし、それから空気冷却した。

続いて、熱間ローラ加工された物体を１０分間、表２に示した各温度で溶体化焼入れ処理に供し、それから水で焼入れ（water quenching）した。溶体化焼入れの実施により、オーステナイト（γ）及びフェライト（α）についてほぼ等しい割合が達成された。

引張試験
表２は、各融解物について引張特性の概要を示す。この表から見て取れるように、Ｔａを０．０５〜０．６５重量％の範囲で添加することにより、参照用試料（１、８及び９）に比して、Ｒｐ０．２（降伏強度）及びＲｍ（引張強度）の双方が増加するという複合的な効果が得られる。同様に表２から見て取れるように、融解物１（Ｔａ添加せず）について、物体を８５０〜９００℃で１０〜３０分間、熱処理することにより、本開示の二相ステンレス鋼と比較して正反対の作用が生じる。すなわち、Ｒｐ０．２及びＲｍの双方が低下することとなった。

引張試験は、４Ｃ３０と呼ばれる（すなわち直径４ｍｍ、標点距離３０ｍｍの）試料で行った。この試験は室温で、ＩＳＯ６８９２−１：２００９に準拠して行った。

本開示による二相ステンレス鋼について、８５０℃〜１０５０℃の範囲の温度で熱処理をすることにより、降伏強度及び引張強度が改善されることが分かる。しかしながら８５０℃、９００℃及び９５０℃という温度については、試料を１０分間又は３０分間、熱処理すると、さらにより良好な改善がなされることが分かる。表２から見て取れるように、これにより、降伏強度及び引張強度において著しい改善がもたらされる。

Claims

二相ステンレス鋼であって、重量％（ｗｔ％）で：
Ｃ０．０３以下、
Ｓｉ１．０以下、
Ｍｎ２．０以下、
Ｍｏ０．５以下、
Ｐ０．０５以下、
Ｓ０．０５以下、
Ｎ０．０５〜０．２０、
Ｎｉ３．５〜５．５、
Ｃｒ２１．０〜２４．０、
Ｔａ０．０５〜０．６５、
残部のＦｅ及び不可避不純物を含有し、フェライト：オーステナイトの体積分率が、３５：６５から６５：３５である、二相ステンレス鋼。
Ｓｉの含有量が、０．２〜０．６重量％の範囲にある、請求項１に記載の二相ステンレス鋼。
Ｍｎの含有量が、０．５〜１．０重量％の範囲にある、請求項１又は２に記載の二相ステンレス鋼。
Ｍｏの含有量が、０．２〜０．４重量％の範囲にある、請求項１から３のいずれか一項に記載の二相ステンレス鋼。
Ｎの含有量が、０．０９〜０．１８重量％の範囲にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の二相ステンレス鋼。
Ｃｒの含有量が、２２．０〜２３．５重量％の範囲にある、請求項１から５のいずれか一項に記載の二相ステンレス鋼。
フェライト：オーステナイトの体積分率が、４０：６０から６０：４０、例えば５０：５０である、請求項１から６のいずれか一項に記載の二相ステンレス鋼。
以下の工程：
・以下の組成：
Ｃ０．０３以下、
Ｓｉ１．０以下、
Ｍｎ２．０以下、
Ｍｏ０．５以下、
Ｐ０．０５以下、
Ｓ０．０５以下、
Ｎ０．０５〜０．２０、
Ｎｉ３．５〜５．５、
Ｃｒ２１．０〜２４．０、
Ｔａ０．０５〜０．６５、
残部のＦｅ及び不可避不純物を含有し、かつフェライト：オーステナイトの体積分率が３５：６５から６５：３５である溶融物を用意する工程：
・得られた溶融物を鋳造して物体にする工程、
・前記物体を熱間加工する工程、
・任意選択的に、熱間加工された前記物体を冷間加工する工程、
・所定の時間にわたり８００〜１０５０℃の範囲の温度で、前記物体を熱処理する工程、
を含む、方法。
前記溶融物が、請求項１から７のいずれか一項によるものである、請求項８に記載の方法。
前記温度が、８５０〜１０００℃の範囲、例えば８５０〜９５０℃の範囲、例えば８５０〜９００℃の範囲にある、請求項８又は９に記載の方法。
前記熱処理が溶体化処理である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
請求項１から７のいずれか一項に記載の合金を含む、製品。
請求項８から１１のいずれか一項に従って製造されたものである、請求項１２に記載の製品。