JP2023066026A - 鋼材 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸腐食環境において耐食性を有し、かつ、熱間加工性および冷間加工性に優れた鋼材を提供する。
【解決手段】化学組成が、質量％で、C：0.0010～0.15％、Si：0.10～0.80％、Mn：0.50～1.00％、Cu：0.10～0.50％、Ni：0.010～0.80％、Cr：0.005～0.070％、Co：0.002～0.020％、MoおよびWの一方または両方：合計で0.001～0.30％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.067％、N：0.0005～0.0050％、P：0.050％以下、S：0.00050～0.0200％、O：0.0010～0.0045％、残部：Feおよび不純物であり、FI：0.12～1.50であり、鋼材中にMnSおよびMnS酸化物を含み、MnSの個数密度が50.0/mm2未満であり、MnSの個数密度に対する、MnS酸化物の個数密度の比が0.10以上である、鋼材。
【選択図】 なし
【解決手段】化学組成が、質量％で、C：0.0010～0.15％、Si：0.10～0.80％、Mn：0.50～1.00％、Cu：0.10～0.50％、Ni：0.010～0.80％、Cr：0.005～0.070％、Co：0.002～0.020％、MoおよびWの一方または両方：合計で0.001～0.30％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.067％、N：0.0005～0.0050％、P：0.050％以下、S：0.00050～0.0200％、O：0.0010～0.0045％、残部：Feおよび不純物であり、FI：0.12～1.50であり、鋼材中にMnSおよびMnS酸化物を含み、MnSの個数密度が50.0/mm2未満であり、MnSの個数密度に対する、MnS酸化物の個数密度の比が0.10以上である、鋼材。
【選択図】 なし
Description
本発明は、鋼材に関する。
ボイラーの火炉および廃棄物焼却施設の焼却炉等では、水蒸気、硫黄酸化物、塩化水素等を含む排ガスが発生する。この排ガスは、排ガス煙突等において冷却されると、凝縮して硫酸および塩酸となり、硫酸露点腐食および塩酸露点腐食として知られるように、排ガス流路を構成する鋼材に対し、著しい腐食を引き起こす。
このような問題に対し、耐硫酸・塩酸露点腐食鋼および高耐食ステンレス鋼が提案されている。例えば、特許文献１～８では、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｃｒなどを添加した耐硫酸露点腐食性に優れた鋼材が提案されている。また、特許文献９では、ＣｒおよびＮｉなどを添加した高耐食ステンレス鋼が提案されている。
Ｃｕ、Ｓｂ、Ｃｒ等を含有する鋼材は、排ガス煙突のような硫酸腐食環境において、優れた耐食性を発揮する。しかし、ボイラーおよび焼却設備を長寿命化するために、さらなる耐食性の向上が期待されている。
また、排ガス煙突に加えて、ガス化溶融炉、熱交換器、ガス－ガスヒータ、脱硫装置、電気集塵機等に使用される鋼材、特に伝熱材（フィン材）に使用される鋼材には、施工性および生産性の観点から、耐食性だけでなく、熱間加工性および冷間加工性も要求される。
本発明は、上記の問題を解決し、硫酸腐食環境および塩酸腐食環境において優れた耐食性を有し、かつ、熱間加工性および冷間加工性に優れた鋼材を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００１０～０．１５％、
Ｓｉ：０．１０～０．８０％、
Ｍｎ：０．５０～１．００％、
Ｃｕ：０．１０～０．５０％、
Ｎｉ：０．０１０～０．８０％、
Ｃｒ：０．００５～０．０７０％、
Ｃｏ：０．００２～０．０２０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方：合計で０．００１～０．３０％、
Ａｌ：０．０１～０．１０％、
Ｔｉ：０．００１～０．０６７％、
Ｎ：０．０００５～０．００５０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０００５０～０．０２００％、
Ｏ：０．００１０～０．００４５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＦＩが０．１２～１．５０であり、
鋼材中にＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物を含み、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０．０／ｍｍ２未満であり、かつ最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比が０．１０以上である、
鋼材。
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｃ：０．００１０～０．１５％、
Ｓｉ：０．１０～０．８０％、
Ｍｎ：０．５０～１．００％、
Ｃｕ：０．１０～０．５０％、
Ｎｉ：０．０１０～０．８０％、
Ｃｒ：０．００５～０．０７０％、
Ｃｏ：０．００２～０．０２０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方：合計で０．００１～０．３０％、
Ａｌ：０．０１～０．１０％、
Ｔｉ：０．００１～０．０６７％、
Ｎ：０．０００５～０．００５０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０００５０～０．０２００％、
Ｏ：０．００１０～０．００４５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＦＩが０．１２～１．５０であり、
鋼材中にＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物を含み、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０．０／ｍｍ２未満であり、かつ最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比が０．１０以上である、
鋼材。
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
（２）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｂ：０．１０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、および
Ｖ：０．１０％以下、
のうち少なくとも１種を含有するものである、
上記（１）に記載の鋼材。
Ｂ：０．１０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、および
Ｖ：０．１０％以下、
のうち少なくとも１種を含有するものである、
上記（１）に記載の鋼材。
（３）前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｎ：０．３０％以下、および
Ｓｂ：０．３０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
Ｓｎ：０．３０％以下、および
Ｓｂ：０．３０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
（４）Ａｌ含有量とＯ含有量との質量比Ａｌ／Ｏが３．０～６０．０である、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
本発明によれば、酸腐食環境において良好な耐食性を有し、熱間加工性および冷間加工性の双方に優れた鋼材を提供することが可能となる。
本発明者らは前記した課題を解決するために、鋼材の耐食性、熱間加工性、冷間加工性を詳細に調査した結果、以下の知見を得るに至った。
ＣｒとＴｉとを同時に添加すると、単独添加以上に高温、高濃度となる酸環境における耐食性を向上させるが、過剰添加すると腐食の起点となる酸化物および窒化物が増加し、耐食性を劣化させることが分かった。そのため、Ｃｒ含有量およびＴｉ含有量を所定の範囲とする必要があることを見出した。そこで、ＣｒおよびＴｉの含有量の関係についてさらに詳細な検討を行い、下記（ｉ）式で定義されるＦＩの関係式を導出した。そして、ＦＩを適切な範囲とすることで、優れた耐食性が得られるという知見を得た。
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
本発明においては、ＳはＣｕとともに含有させることで耐食性を向上させる効果を有するため、極端な低減は好ましくない。その一方で、鋼の強度を確保する上で必須の元素であるＭｎがＭｎＳを形成すると、酸腐食環境での耐食性を劣化させる。
Ｃｕ含有量をＳ含有量との関係において適正に調整することで、多くのＳをＣｕＳとして固定することができる。しかしながら、特にフィン材等に使用される鋼材は非常に薄く、腐食の影響を受けやすいため、ＭｎＳの混入を極力低減する必要がある。
この問題を解決するため本発明者らがさらなる検討を重ねた結果、ＭｎＳを微細化するとともに、酸素と結合させ、ＭｎＳ酸化物とすることで無害化できることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．００１０～０．１５％
Ｃは、鋼材の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると耐食性または冷間加工性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．００１０～０．１５％とする。強度が要求される場合は、Ｃ含有量は０．００３０％以上であるのが好ましい。また、Ｃ含有量は０．１３％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、鋼材の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると耐食性または冷間加工性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．００１０～０．１５％とする。強度が要求される場合は、Ｃ含有量は０．００３０％以上であるのが好ましい。また、Ｃ含有量は０．１３％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．１０～０．８０％
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与し、酸化物の形態を制御する元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合、酸化物が増加し、耐食性を損なう。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０～０．８０％とする。Ｓｉ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与し、酸化物の形態を制御する元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合、酸化物が増加し、耐食性を損なう。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０～０．８０％とする。Ｓｉ含有量は０．１５％以上であるのが好ましく、０．２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．５０～１．００％
Ｍｎは、強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎが過剰に含有された場合、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．５０～１．００％とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましく、０．７０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は０．９５％以下であるのが好ましく、０．９０％以下であるのがより好ましく、０．８５％以下であるのがさらに好ましい。
Ｍｎは、強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎが過剰に含有された場合、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．５０～１．００％とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましく、０．７０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は０．９５％以下であるのが好ましく、０．９０％以下であるのがより好ましく、０．８５％以下であるのがさらに好ましい。
Ｃｕ：０．１０～０．５０％
Ｃｕは、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｃｕ含有量は０．１０～０．５０％とする。Ｃｕ含有量は０．２０％以上、０．３０％以上、または０．３５％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は０．４５％以下であるのが好ましく、０．４０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｕは、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｃｕ含有量は０．１０～０．５０％とする。Ｃｕ含有量は０．２０％以上、０．３０％以上、または０．３５％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は０．４５％以下であるのが好ましく、０．４０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉ：０．０１０～０．８０％
Ｎｉは、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であり、加えてＣｕを含有する鋼において、製造性を高める効果を有する。Ｃｕは、耐食性を向上させる効果が大きいが、偏析し易く、単独で含有させると鋳造後の割れを助長する場合がある。これに対して、ＮｉはＣｕの表面偏析を軽減する作用がある。Ｎｉを含有させることで、Ｃｕの偏析および鋳片割れの抑制に加えて、偏析に起因する局部腐食の発生も抑制されるため、耐食性を向上させる効果が得られる。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量を０．０１０～０．８０％とする。Ｎｉ含有量は０．０１５％以上であるのが好ましく、０．０３０％以上であるのがより好ましく、０．０４５％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｎｉ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｎｉは、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であり、加えてＣｕを含有する鋼において、製造性を高める効果を有する。Ｃｕは、耐食性を向上させる効果が大きいが、偏析し易く、単独で含有させると鋳造後の割れを助長する場合がある。これに対して、ＮｉはＣｕの表面偏析を軽減する作用がある。Ｎｉを含有させることで、Ｃｕの偏析および鋳片割れの抑制に加えて、偏析に起因する局部腐食の発生も抑制されるため、耐食性を向上させる効果が得られる。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量を０．０１０～０．８０％とする。Ｎｉ含有量は０．０１５％以上であるのが好ましく、０．０３０％以上であるのがより好ましく、０．０４５％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｎｉ含有量は０．７０％以下であるのが好ましく、０．６０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｒ：０．００５～０．０７０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度を向上させるとともに、耐硫酸性を向上させる効果を有する元素である。しかしながら、Ｃｒが過剰に含有された場合、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を形成する。また、耐塩酸性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量は０．００５～０．０７０％とする。Ｃｒ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましく、０．０３０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｒ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度を向上させるとともに、耐硫酸性を向上させる効果を有する元素である。しかしながら、Ｃｒが過剰に含有された場合、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を形成する。また、耐塩酸性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量は０．００５～０．０７０％とする。Ｃｒ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましく、０．０３０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｒ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。
Ｃｏ：０．００２～０．０２０％
Ｃｏは、耐酸性を向上させる効果を有する元素である。特に、Ｃｕと同時に含有させることで酸性環境において優れた耐食性を発揮する。しかしながら、Ｃｏが過剰に含有された場合、経済性が低下する。そのため、Ｃｏ含有量は０．００２～０．０２０％とする。Ｃｏ含有量は０．００４％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１３％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｏ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１６％以下であるのがより好ましい。
Ｃｏは、耐酸性を向上させる効果を有する元素である。特に、Ｃｕと同時に含有させることで酸性環境において優れた耐食性を発揮する。しかしながら、Ｃｏが過剰に含有された場合、経済性が低下する。そのため、Ｃｏ含有量は０．００２～０．０２０％とする。Ｃｏ含有量は０．００４％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１３％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃｏ含有量は０．０１８％以下であるのが好ましく、０．０１６％以下であるのがより好ましい。
ＭｏおよびＷの一方または両方：合計で０．００１～０．３０％
ＭｏおよびＷは、Ｃｕと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素である。しかしながら、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰な含有は経済性の低下を招く。また、酸化物を形成して耐食性を損なう。そのため、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．００１～０．３０％とする。ＭｏおよびＷは、一方を単独で含有させてもよく、両方を同時に含有させてもよい。ＭｏおよびＷの合計含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。
ＭｏおよびＷは、Ｃｕと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素である。しかしながら、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰な含有は経済性の低下を招く。また、酸化物を形成して耐食性を損なう。そのため、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．００１～０．３０％とする。ＭｏおよびＷは、一方を単独で含有させてもよく、両方を同時に含有させてもよい。ＭｏおよびＷの合計含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。また、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．０１～０．１０％
Ａｌは、脱酸剤として添加される。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、介在物の増加によって耐食性を損なう。そのため、Ａｌ含有量は０．０１～０．１０％とする。Ａｌ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。また、Ａｌ含有量は０．０８％以下であるのが好ましい。
Ａｌは、脱酸剤として添加される。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、介在物の増加によって耐食性を損なう。そのため、Ａｌ含有量は０．０１～０．１０％とする。Ａｌ含有量は０．０２％以上であるのが好ましい。また、Ａｌ含有量は０．０８％以下であるのが好ましい。
Ｔｉ：０．００１～０．０６７％
Ｔｉは、耐食性を向上させる元素である。特に、ＴｉをＣｕおよびＣｏと同時に含有させることで酸性環境において優れた耐食性を発揮する。しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、腐食の原因となる窒化物の増加によって、耐食性を損なう。そのため、Ｔｉ含有量は０．００１～０．０６７％とする。Ｔｉ含有量は０．００４％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１５％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。
Ｔｉは、耐食性を向上させる元素である。特に、ＴｉをＣｕおよびＣｏと同時に含有させることで酸性環境において優れた耐食性を発揮する。しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、腐食の原因となる窒化物の増加によって、耐食性を損なう。そのため、Ｔｉ含有量は０．００１～０．０６７％とする。Ｔｉ含有量は０．００４％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１５％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。
Ｎ：０．０００５～０．００５０％
Ｎは、微細な窒化物を形成し、鋼材の機械特性の向上に寄与する。しかしながら、Ｎが過剰に含有された場合、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｎ含有量は０．０００５～０．００５０％とする。Ｎ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましい。
Ｎは、微細な窒化物を形成し、鋼材の機械特性の向上に寄与する。しかしながら、Ｎが過剰に含有された場合、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｎ含有量は０．０００５～０．００５０％とする。Ｎ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて０．０５０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．００１％以上としてもよい。
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて０．０５０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．００１％以上としてもよい。
Ｓ：０．０００５０～０．０２００％
Ｓは、一般的に不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。しかしながら、本発明において、Ｓは、Ｃｕと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる効果を有する。そのため、Ｓ含有量は０．０００５０～０．０２００％とする。Ｓ含有量は０．００１００％以上、または０．００５００％以上であるのが好ましい。また、Ｓ含有量は０．０１８０％以下であるのが好ましく、０．０１５０％以下であるのがより好ましい。
Ｓは、一般的に不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。しかしながら、本発明において、Ｓは、Ｃｕと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる効果を有する。そのため、Ｓ含有量は０．０００５０～０．０２００％とする。Ｓ含有量は０．００１００％以上、または０．００５００％以上であるのが好ましい。また、Ｓ含有量は０．０１８０％以下であるのが好ましく、０．０１５０％以下であるのがより好ましい。
Ｏ：０．００１０～０．００４５％
Ｏは、ＭｎＳと結合することで、ＭｎＳを無害化し、耐食性および機械特性の悪化を防ぐ効果を有する元素である。しかしながら、Ｏが過剰に含有された場合、酸腐食環境において腐食の起点となる粗大な酸化物を生成する。そのため、Ｏ含有量は０．００１０～０．００４５％とする。Ｏ含有量は０．００１３％以上であるのが好ましく、０．００２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｏ含有量は０．００４３％以下であるのが好ましく、０．００３５％以下であるのがより好ましい。
Ｏは、ＭｎＳと結合することで、ＭｎＳを無害化し、耐食性および機械特性の悪化を防ぐ効果を有する元素である。しかしながら、Ｏが過剰に含有された場合、酸腐食環境において腐食の起点となる粗大な酸化物を生成する。そのため、Ｏ含有量は０．００１０～０．００４５％とする。Ｏ含有量は０．００１３％以上であるのが好ましく、０．００２０％以上であるのがより好ましい。また、Ｏ含有量は０．００４３％以下であるのが好ましく、０．００３５％以下であるのがより好ましい。
本発明の鋼の化学組成において、上記の元素に加えて、機械特性等を向上させるために、さらにＢ、ＮｂおよびＶのうち少なくとも１種を、以下に示す範囲において含有させてもよい。なお、これらの元素は、鋼材において必ずしも必須ではないことから、含有量の下限値は０％である。各元素の限定理由について説明する。
Ｂ：０．１０％以下
Ｂは焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させても効果が飽和し、母材およびＨＡＺの靭性が低下する場合がある。そのため、Ｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．０００３％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましい。
Ｂは焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させても効果が飽和し、母材およびＨＡＺの靭性が低下する場合がある。そのため、Ｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．０００３％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましい。
Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０８５％以下であるのが好ましく、０．０７０％以下であるのがより好ましく、０．０５０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０８５％以下であるのが好ましく、０．０７０％以下であるのがより好ましく、０．０５０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、Ｔｉ、Ｎｂと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０６０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｖ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましい。
Ｖは、Ｔｉ、Ｎｂと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０６０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｖ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましい。
本発明の鋼の化学組成において、上記の元素に加えて、さらに、耐食性を向上させるために、ＳｎおよびＳｂから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。なお、これらの元素は、鋼材において必ずしも必須ではないことから、含有量の下限値は０％である。各元素の限定理由について説明する。
Ｓｎ：０．３０％以下
Ｓｎは、Ｃｕと同時に含有させると酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｎ含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましく、０．１５％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｓｎ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｓｎは、Ｃｕと同時に含有させると酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｎ含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましく、０．１５％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｓｎ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｓｂ：０．３０％以下
Ｓｂは、Ｃｕと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｂが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｓｂ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｂ含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましく、０．１５％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｓｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｓｂは、Ｃｕと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｂが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｓｂ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｂ含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましく、０．１５％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果をより確実に得たい場合には、Ｓｂ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
本発明の鋼材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分であって、本発明に係る鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
ＦＩ：０．１２～１．５０
ＦＩは、鋼中にＣｒおよびＴｉを含有させた上で、腐食の起点となる酸化物および窒化物の形成を抑制するために導出された指標であり、優れた耐食性を得るために、ＦＩは０．１２～１．５０とする。ＦＩは０．２０以上であるのが好ましく、０．３０以上であるのがより好ましく、０．５０以上であるのがさらに好ましい。また、ＦＩは１．４０以下であるのが好ましく、１．３０以下であるのがより好ましく、１．２０以下であるのがさらに好ましい。
ＦＩは、鋼中にＣｒおよびＴｉを含有させた上で、腐食の起点となる酸化物および窒化物の形成を抑制するために導出された指標であり、優れた耐食性を得るために、ＦＩは０．１２～１．５０とする。ＦＩは０．２０以上であるのが好ましく、０．３０以上であるのがより好ましく、０．５０以上であるのがさらに好ましい。また、ＦＩは１．４０以下であるのが好ましく、１．３０以下であるのがより好ましく、１．２０以下であるのがさらに好ましい。
ＦＩは、下記（ｉ）式で定義されるように、Ｃｒ原子の数とＴｉ原子の数との合計から構成される。すなわち、Ｃｒ／５２、Ｔｉ／４８は、それぞれ、Ｃｒ、Ｔｉの含有量を各元素の質量数で除した項である。
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
Ａｌ／Ｏ：３．０～６０．０
上記のように、ＡｌおよびＯは、鋼材の耐食性に影響を及ぼす。Ｏ含有量が過剰となるとＡｌ／Ｏが小さくなり、Ａｌ含有量が過剰となるとＡｌ／Ｏが大きくなり、いずれの場合も酸化物が生成され、腐食起点となりやすい。そのため、Ａｌ／Ｏは３．０～６０．０とするのが好ましい。Ａｌ／Ｏは、５．０以上であるのがより好ましく、１０．０以上であるのがさらに好ましい。また、Ａｌ／Ｏは、５０．０以下であるのがより好ましく、４０．０以下であるのがさらに好ましい。
上記のように、ＡｌおよびＯは、鋼材の耐食性に影響を及ぼす。Ｏ含有量が過剰となるとＡｌ／Ｏが小さくなり、Ａｌ含有量が過剰となるとＡｌ／Ｏが大きくなり、いずれの場合も酸化物が生成され、腐食起点となりやすい。そのため、Ａｌ／Ｏは３．０～６０．０とするのが好ましい。Ａｌ／Ｏは、５．０以上であるのがより好ましく、１０．０以上であるのがさらに好ましい。また、Ａｌ／Ｏは、５０．０以下であるのがより好ましく、４０．０以下であるのがさらに好ましい。
（Ｂ）介在物
本発明に係る鋼材は、鋼材中にＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物を含む。そして、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０．０／ｍｍ２未満である。加えて、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比が０．１０以上である。
本発明に係る鋼材は、鋼材中にＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物を含む。そして、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０．０／ｍｍ２未満である。加えて、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比が０．１０以上である。
なお、最大長さが２．０μｍ未満のＭｎＳは鋼材の耐食性にはほとんど影響を与えないため、本発明においては、最大長さが２．０μｍ以上の介在物を対象とすることとする。以下の説明では、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳを単にＭｎＳと呼び、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物を単にＭｎＳ酸化物と呼ぶ。
上述のように、本発明の鋼材において、ＭｎＳの形成は避けられない。しかしながら、ＭｎＳは腐食の起点となり酸腐食環境での耐食性を劣化させる。そのため、ＭｎＳの個数密度を５０．０／ｍｍ２未満とする。ＭｎＳの個数密度は４５．０／ｍｍ２以下であるのが好ましく、４０．０／ｍｍ２以下であるのがより好ましい。
一方、ＭｎおよびＳの含有量の極端な低減は、本発明の鋼材においては、強度および耐食性を向上させる観点から好ましくない。これらを両立するためには、ＭｎＳを無害化する必要がある。ＭｎＳが酸素と結合し、ＭｎＳ酸化物となると無害化され、腐食の起点とはなりづらくなる。そのことから、本発明においては、ＭｎＳの個数密度に対する、ＭｎＳ酸化物の個数密度の比を０．１０以上とする。上記の比は０．１２以上であるのが好ましく、０．１５以上であるのがより好ましい。
ＭｎＳの個数密度、およびＭｎＳ酸化物の個数密度は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が備えるエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により測定する。測定倍率は１０００倍とし、視野内に検出されるＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の最大長さを測定する。そして、それぞれ最大長さが２．０μｍ以上である介在物の個数を数え、視野面積で除することで、個数密度を求める。
介在物の同定は、ＥＤＳにより行い、ＭｎとＳとの合計含有量が９０質量％以上である介在物をＭｎＳと判断し、さらにＯのピークが検出され、かつ、Ｏの含有量が１８質量％以上であり、ＭｎとＳとＯとの合計含有量が９０質量％以上である介在物をＭｎＳ酸化物と判断する。
（Ｃ）製造方法
本発明の一実施形態に係る鋼材の製造方法について説明する。本実施形態に係る鋼材には、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される鋼板、形鋼、鋼管等が含まれる。中でも、本発明に係る鋼材は、フィン材等に使用される薄板として好適に用いることができる。そのため、鋼材の厚さは、０．５～２．５ｍｍであることが好ましく、０．７～２．３ｍｍであることがより好ましく、１．０～１．６ｍｍであることがさらに好ましい。
本発明の一実施形態に係る鋼材の製造方法について説明する。本実施形態に係る鋼材には、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される鋼板、形鋼、鋼管等が含まれる。中でも、本発明に係る鋼材は、フィン材等に使用される薄板として好適に用いることができる。そのため、鋼材の厚さは、０．５～２．５ｍｍであることが好ましく、０．７～２．３ｍｍであることがより好ましく、１．０～１．６ｍｍであることがさらに好ましい。
本実施形態に係る鋼材は、常法で鋼を溶製し、成分の調整後、鋳造して得られた鋼片を熱間圧延し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される。ＣｕＳの生成を促進し、ＭｎＳの生成を極力抑制するとともに、不可避的に鋼材中に存在するＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の個数密度の比を上述した範囲とするためには、熱間圧延前の加熱温度を比較的低温とすることが重要であり、具体的には１０００～１１３０℃とすることが好ましい。また、１０００～１１３０℃の温度域であれば、長時間保持してもＭｎＳは粗大化しないため、保持する時間は特に限定しないが、常法では、保持時間は５～２０分とするのが一般的である。
熱間圧延前の加熱温度を低くすることで、ＭｎＳの成長を抑制するとともに、圧延時に微細化することが可能となる。微細化されたＭｎＳは相対的に表面積が大きいため、酸素と結合しやすくなり、ＭｎＳ酸化物となりやすくなる。ＭｎＳの個数密度を４５．０／ｍｍ２以下とし、ＭｎＳに対するＭｎＳ酸化物の個数密度の比を０．１２以上とするためには、熱間圧延前の加熱温度は１０８０℃以下とすることがより好ましい。
一方、熱間圧延前の加熱温度を１０００℃以上とすることで、圧延機への負担を軽減できる。そのため、熱間圧延前の加熱温度は１０００℃以上とすることが好ましい。
熱間圧延後の熱延鋼板に対しては、コイル巻取り等の次工程が加えられる。その際、鋼板は温度低下するが、熱延完了から４００℃に達するまでの時間は４時間以上であることが望ましい。この温度域にさらされることでＭｎＳと酸素の結合が促進される。熱間圧延後、冷間圧延して冷延鋼板としてもよい。さらに冷間圧延後には熱処理を施してもよい。
得られた鋼板から鋼管を製造する場合は、鋼板を管状に成形して溶接すればよく、例えば、ＵＯ鋼管、電縫鋼管、鍛接鋼管、スパイラル鋼管等にすることができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。なお、以下に示す実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。また本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
表１に示す化学組成を有する鋼（Ａ１～Ａ１３、Ｂ１～Ｂ１１）を溶製し、鋼塊に対して表２に示す条件で熱間圧延を行い、厚さが２０ｍｍの熱延鋼板を製造した。ただし、加熱保持時間は１５分とした。熱延後に巻き取りを模擬した冷却を行った後、さらに冷間圧延を行い、厚さが１３ｍｍの冷延鋼板とした。
得られた各鋼板からＳＥＭ観察用の試験片を切り出し、ＳＥＭが備えるＥＤＳにより介在物の個数密度の測定を行った。測定倍率は１０００倍とし、視野内に検出されるＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の最大長さを測定し、それぞれ最大長さが２．０μｍ以上である介在物の個数を数え、視野面積で除することで、個数密度を求めた。
さらに、得られた各鋼板を用いて、以下に示す各種の性能評価試験を行った。
＜耐硫酸性、耐塩酸性＞
各鋼板から板厚１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を板厚中央部から採取し、湿式＃４００研磨で仕上げ、耐食性評価用の試験片とした。耐食性の評価は硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験によって行った。硫酸浸漬試験では、試験片を７０℃の５０％硫酸水溶液に６時間浸漬し、塩酸浸漬試験では、試験片を８０℃の１０％塩酸水溶液中に５時間浸漬した。
各鋼板から板厚１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を板厚中央部から採取し、湿式＃４００研磨で仕上げ、耐食性評価用の試験片とした。耐食性の評価は硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験によって行った。硫酸浸漬試験では、試験片を７０℃の５０％硫酸水溶液に６時間浸漬し、塩酸浸漬試験では、試験片を８０℃の１０％塩酸水溶液中に５時間浸漬した。
その後、硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験による試験片の腐食減量から、それぞれ腐食速度を算出した。本実施例においては、硫酸浸漬試験による腐食速度が１５．０ｍｇ／ｃｍ２／ｈ以下である場合に、耐硫酸性に優れると判断し、塩酸浸漬試験による腐食速度が１０．０ｍｇ／ｃｍ２／ｈ以下である場合に、耐塩酸性に優れると判断した。
＜熱間加工性＞
上記条件で圧延した熱間圧延材の表面を外観目視し、割れが生じていたものを×、割れが生じていないものを〇として、熱間加工性を評価した。
上記条件で圧延した熱間圧延材の表面を外観目視し、割れが生じていたものを×、割れが生じていないものを〇として、熱間加工性を評価した。
＜引張強さおよび全伸び＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して、厚さ１ｍｍの引張試験片を作製し、引張試験を行い、引張強さおよび全伸びを求めた。引張強さが３５０ＭＰａ以上のものを○、３５０ＭＰａ未満のものを×とした。全伸びは冷間加工性の指標とし、３０％以上のものを○、３０％未満のものを×とした。
ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して、厚さ１ｍｍの引張試験片を作製し、引張試験を行い、引張強さおよび全伸びを求めた。引張強さが３５０ＭＰａ以上のものを○、３５０ＭＰａ未満のものを×とした。全伸びは冷間加工性の指標とし、３０％以上のものを○、３０％未満のものを×とした。
表３に、介在物の個数密度の測定結果、ならびに耐硫酸浸漬試験、耐塩酸浸漬試験、熱間加工性および引張試験の評価結果をまとめて示す。
表３に示すように、本発明の規定をすべて満足する試験Ｎｏ．１～１３では、いずれの性能評価試験においても優れた結果となった。これに対して、比較例である試験Ｎｏ．１４～２７では、耐硫酸性、耐塩酸性、熱間加工性および冷間加工性の少なくともいずれかにおいて、悪化する結果となった。
本発明の鋼材は、重油、石炭等の化石燃料、液化天然ガスなどのガス燃料、都市ごみなどの一般廃棄物、廃油、プラスチック、排タイヤ等の産業廃棄物および下水汚泥等を燃焼させるボイラーの排煙設備に使用することができる。具体的には、排煙設備の煙道ダクト、ケーシング、熱交換器、２基の熱交換器（熱回収器および再加熱器）で構成されるガス－ガスヒータ、脱硫装置、電気集塵機、誘引送風機、回転再生式空気予熱器のバスケット材および伝熱エレメント板などに好適に使用することができる。
Claims (4)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００１０～０．１５％、
Ｓｉ：０．１０～０．８０％、
Ｍｎ：０．５０～１．００％、
Ｃｕ：０．１０～０．５０％、
Ｎｉ：０．０１０～０．８０％、
Ｃｒ：０．００５～０．０７０％、
Ｃｏ：０．００２～０．０２０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方：合計で０．００１～０．３０％、
Ａｌ：０．０１～０．１０％
Ｔｉ：０．００１～０．０６７％、
Ｎ：０．０００５～０．００５０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０００５０～０．０２００％、
Ｏ：０．００１０～０．００４５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で定義されるＦＩが０．１２～１．５０であり、
鋼材中にＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物を含み、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０．０／ｍｍ２未満であり、かつ最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比が０．１０以上である、
鋼材。
ＦＩ＝１０００×（（Ｃｒ／５２）＋（Ｔｉ／４８）） ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｂ：０．１０％以下、
Ｎｂ：０．１０％以下、および
Ｖ：０．１０％以下、
のうち少なくとも１種を含有するものである、
請求項１に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｓｎ：０．３０％以下、および
Ｓｂ：０．３０％以下、
から選択される１種以上を含有するものである、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。 - Ａｌ含有量とＯ含有量との質量比Ａｌ／Ｏが３．０～６０．０である、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。
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