JP2021505771A - 高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、単に高温強度の増大のために合金成分および製造方法の観点から製品開発が行われてきたが、高温強度の増大の以外に高温環境に長時間暴露された時に高温酸化を抑制するためのステンレス鋼の表層の酸化スケールに関する研究は不十分であるのが現況である。
(1)W/(Ti+Al)≧10
ここで、W、Ti、Alは、各元素の含量(重量%)を意味する。
前記W、Si酸化膜の厚みは、5μm以上であることがよい。
前記ステンレス鋼は、Wラーベス相(Laves Phase)析出物を0.01〜1.0重量%含むことができる。
前記ステンレス鋼は、Wラーベス相(Laves Phase)析出物、Nbラーベス相析出物およびMoラーベス相析出物のうち1種以上を0.01〜1.0重量%含み、前記ラーベス相析出物100重量%を基準としてWを5重量%以上含むことが好ましい。
前記Nbラーベス相析出物は、Fe2Nb、FeCrNb、Cr2Nbよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことができる。
前記不可避の不純物は、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Mg:0.0002〜0.001%およびCa:0.0004〜0.002%のうちいずれか一つ以上を含むことができる。
(1)W/(Ti+Al)≧10
ここで、W、Ti、Alは、各元素の含量(重量%)を意味する。
前記冷延焼なまし材は、C:0.001〜0.01%、N:0.001〜0.01%、Nb:0.3〜0.6%、Mo:0.3〜2.5%およびCu:0.2%以下をさらに含み、C+N:0.018%以下を満たすことが好ましい。
(1)W/(Ti+Al)≧10
ここで、W、Ti、Alは、各元素の含量(重量%)を意味する。
また、任意の部分が或る構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
単数の表現は、文脈上、明白に例外がない限り、複数の表現を含む。
本発明の一実施例による高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼は、重量%で、Cr:10〜30%、Si:0.2〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、W:0.3〜2.5%、Ti:0.001〜0.15%、Al:0.001〜0.1%、残りのFeおよび不可避の不純物からなり、下記式(1)を満たす。
(1)W/(Ti+Al)≧10
Crの含量は、10〜30%である。
Crは、鋼の耐食性の向上に効果的な元素であって、本発明では、10%以上添加することがよい。ただし、その含量が多すぎる場合、製造費用が急増すると共に、粒界腐食が起こる問題があることから、30%以下に制限する。
Siは、製鋼時に溶鋼の脱酸とフェライト安定化のために添加される元素であって、本発明では、0.2%以上添加することがよい。ただし、その含量が多すぎる場合、材質の硬化を起こして、鋼の軟性が低下することから、1.0%以下に制限する。
Mnの含量は、0.1〜2.0%である。
Mnは、耐食性の改善に有効な元素であって、本発明では、0.1%以上添加することが好ましく、より好ましくは0.5%以上添加する。ただし、その含量が多すぎる場合、溶接時にMn系フュームの発生が急増して溶接性が低下し、過度なMnS析出物の形成によって鋼の軟性が低下することから、2.0%以下に制限することが好ましく、より好ましくは1.5%以下に制限する。
Wは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を増大すると同時に、高温強度を向上させ、高温吸音性を増大させる役割をする。したがって、0.3%以上添加することが好ましい。ただし、その含量が多すぎる場合、金属間化合物(Intermetallic)の析出物の生成によって脆性が発生することになる。したがって、2.5%以下に含量を制限することが好ましい。
Tiは、CおよびNを固定して鋼中の固溶Cおよび固溶Nの量を低減し、鋼の耐食性の向上に効果的であるが、800℃以上の高温で固溶されたW、Moの近距離拡散(Short range diffusion)の妨害によって高温吸音性を減少させるので、その量を制限しなければならない。ただし、Ti含量を極端に減らすためには、更なる製鋼コストが増加するので、0.001〜0.15%のレベルに範囲を制限することがよい。
Alは、強力な脱酸剤であって、溶鋼中の酸素の含量を低減する役割をする。本発明では、0.001%以上添加することがよい。ただし、その含量が多すぎる場合、非金属介在物の増加によって冷延ストリップのスリーブ欠陥が発生すると同時に、溶接性を劣化させることから、0.1%以下に制限することがよい。
前記式(1)を満たす場合、W、Siの表層部の拡散が活性化して、900℃以上で200時間以上暴露されると、ステンレス鋼の表層にW、Si酸化膜([W、Si]−Oxide)が形成され得る。前記W、Si酸化膜は、5μm以上の厚みで均一に形成され得る。[W、Si]−Oxide酸化膜は、母材内のFe、Cr、Mnの拡散を防止するバリア(barrier)の役割をして、更なる高温酸化を抑制させることができる。
一般的に、フェライト系ステンレス鋼の表層部には、最外郭層にMn酸化膜(Mn Oxide)が形成され、母材とMn酸化膜との間にFe、Cr酸化膜([Fe、Cr]−Oxide)が形成される。
また、本発明の一実施例によれば、前記ステンレス鋼は、C:0.001〜0.01%、N:0.001〜0.01%、Nb:0.3〜0.6%、Mo:0.3〜2.5%およびCu:0.2%以下をさらに含むことができる。そして、C+Nは、0.018%以下を満たすことができる。
Cは、鋼材の強度に大きく影響を及ぼす元素であって、その含量が多すぎる場合、強度が過度に上昇して軟性を低下させることになるため、0.01%以下に制限する。ただし、その含量が低い場合、強度が過度に低下することから、その下限を0.001%以上に限定することがよい。
Nは、熱間圧延時にオーステナイトを析出させて再結晶を促進させる役割をする元素であって、本発明では、0.001%以上添加する。ただし、その含量が多すぎる場合、鋼の軟性を低下させることから、0.01%以下に限定することがよい。
C+Nが過度に高い場合には、安定化比の不足による粒界炭窒化物の形成によって粒界腐食が発生しうる。これを防止するために、C+Nを0.018%以下に管理することが好ましい。
Nbは、固溶Cと結合してNbCを析出して固溶Cの含量を減らして耐食性を増加させ、高温強度が増加する効果がある。したがって、本発明では、0.3%以上添加することが好ましい。ただし、その含量が多すぎる場合、再結晶を抑制して成形性を劣位にするので、その含量を0.6%以下に制限することが好ましい。
Moは、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を増加させると同時に、高温強度を向上させ、高温吸音性を増大させる役割をする。したがって、0.3%以上添加することが好ましい。ただし、その含量が多すぎる場合、金属間化合物(Intermetallic)の析出物が生成され、脆性が発生することになる。したがって、2.5%以下に含量を制限することが好ましい。
Cuは、排気系凝縮水が存在する環境でも耐食性を増大させる効果がある。したがって、添加時には、0.01%以上添加することが好ましい。ただし、その添加量が多すぎる場合、軟性を低下させて成形品質を劣位にする虞がある。したがって、0.2%以下に制限することが好ましい。
Pは、鋼中に不可避に含有される不純物であって、酸洗時に粒界腐食を起こしたり熱間加工性を阻害する主要原因となる元素であるので、その含量をできるだけ低く制御することが好ましい。本発明では、P含量の上限を0.05%に管理する。
Sは、鋼中に不可避に含有される不純物であって、結晶粒界に偏析して熱間加工性を阻害する主要原因になる元素であるので、その含量をできるだけ低く制御することが好ましい。本発明では、S含量の上限を0.005%に管理する。
Mgは、製鋼工程で脱酸のために投入される元素であって、脱酸工程後に不純物として残ることになる。ただし、その含量が多すぎる場合、成形性を劣位にするので、0.001%以下に含量を制限し、完全に除去することは不可能なので、0.0002%以上に管理することが好ましい。
Caは、製鋼工程で脱酸のために投入される元素であって、脱酸工程後に不純物として残ることになる。ただし、その含量が多すぎる場合、耐食性を劣位にするので、0.002%以下に制限し、完全に除去することは不可能なので、0.0004%以上に管理することが好ましい。
本発明の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼は、通常の製造工程を経て冷延焼なまし材を製造することができ、冷延焼なまし材を400〜600℃で30〜90分間時効処理(Aging)する段階を含む。
また、上記の範囲のC、N、Nb、Mo、Cuをさらに含むことができ、不純物としてP、S、Mg、Caを含むことができる。
Wラーベス相析出物は、Fe2W、FeCrW、Cr2Wよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことができ、Nbラーベス相析出物は、Fe2Nb、FeCrNb、Cr2Nbよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことができ、Moラーベス相析出物は、Fe2Mo、FeCrMo、Cr2Moよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことができる。
実施例
ステンレス鋼lab scale溶解およびIngot生産設備を活用して下記の表1に記載された合金成分系で20mmバーサンプルを製造した。以後、1,200℃で再加熱して6mmに熱間圧延後、1,100℃で熱延焼なましを行い、2.0mmに冷間圧延後、1,100℃で焼なまし処理をした。また、冷延焼なまし板を500℃で1時間時効処理して、最終製品を生産した。
表1および表2とともに図3を参照すると、発明鋼1〜4は、本発明の成分系の範囲を満たし、W/(Ti+Al)値が10以上を示して、均一W、Si酸化膜([W、Si]−Oxide)が厚み6μm以上生成された。一方、不均一Ti、Al酸化膜(TiO2、Al2O3)は生成されなかった。
これに比べて、比較例1〜3は、いずれも、Wが十分に添加されたにもかかわらず、Tiおよび/またはAlの含量が高く、W/(Ti+Al)値が10未満であり、その結果、均一W、Si酸化膜([W、Si]−Oxide)が生成されなかった。
図5は、900℃で200時間の暴露により形成された[W、Si]−Oxideの厚みと酸化による重さ増加量との相互関係を示すグラフである。表1、2および図5に示した結果より、重さ増加量とともに5μm以上の均一なW、Si酸化膜が形成され、Fe、Cr、Mn、Oの拡散を防いで、更なる高温酸化を抑制させることが分かった。
Claims (13)
- 重量%で、Cr:10〜30%、Si:0.2〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、W:0.3〜2.5%、Ti:0.001〜0.15%、Al:0.001〜0.1%、残りのFeおよび不可避の不純物からなり、
下記式(1)を満たすことを特徴とする高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
(1)W/(Ti+Al)≧10
(ここで、W、Ti、Alは、各元素の含量(重量%)を意味する) - 前記ステンレス鋼は、
900℃以上で200時間以上の暴露時に表層にW、Si酸化膜([W,Si]−Oxide)が形成されることを特徴とする請求項1に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 - 前記W、Si酸化膜の厚みは、5μm以上であることを特徴とする請求項2に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 前記ステンレス鋼は、Wラーベス相(Laves Phase)析出物を0.01〜1.0重量%含むことを特徴とする請求項1に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 前記ステンレス鋼は、C:0.001〜0.01%、N:0.001〜0.01%、Nb:0.3〜0.6%、Mo:0.3〜2.5%およびCu:0.2%以下をさらに含み、
C+N:0.018%以下を満たすことを特徴とする請求項1に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 - 前記ステンレス鋼は、
Wラーベス相(Laves Phase)析出物、Nbラーベス相析出物およびMoラーベス相析出物のうち1種以上を0.01〜1.0重量%含み、
前記ラーベス相析出物100重量%を基準としてWを5重量%以上含むことを特徴とする請求項5に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。 - 前記Wラーベス相析出物は、Fe2W、FeCrW、Cr2Wよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項4又は6に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 前記Nbラーベス相析出物は、Fe2Nb、FeCrNb、Cr2Nbよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項6に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 前記Moラーベス相析出物は、Fe2Mo、FeCrMo、Cr2Moよりなる群から選ばれるいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項6に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 前記不可避の不純物は、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Mg:0.0002〜0.001%およびCa:0.0004〜0.002%のうちいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- 重量%で、Cr:10〜30%、Si:0.2〜1.0%、Mn:0.1〜2.0%、W:0.3〜2.5%、Ti:0.001〜0.15%、Al:0.001〜0.1%、残りのFeおよび不可避の不純物からなり、下記式(1)を満たす冷延焼なまし材を、時効処理(Aging)する段階を含むことを特徴とする高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
(1)W/(Ti+Al)≧10
(ここで、W、Ti、Alは、各元素の含量(重量%)を意味する) - 前記時効処理は、400〜600℃で30〜90分間行うことを特徴とする請求項11に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
- 前記冷延焼なまし材は、C:0.001〜0.01%、N:0.001〜0.01%、Nb:0.3〜0.6%、Mo:0.3〜2.5%およびCu:0.2%以下をさらに含み、
C+N:0.018%以下を満たすことを特徴とする請求項11に記載の高温耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
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