JP3266247B2 - 熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼 - Google Patents

熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、熱間加工性、特に熱間圧延時における耳割
れ抵抗性に優れたフェライト−オーステナイト二相ステ
ンレス鋼に関する。
[従来の技術] SUS329J2L等の二相ステンレス鋼は、オーステナイト
系ステンレス鋼,フェライト系ステンレス鋼等に比較し
耐応力腐食割れ性や溶接性に優れている。この性質を利
用して、各種構造用材料として二相ステンレス鋼が広範
な分野で使用されるようになってきている。特に、最近
では、ステンレス鋼貯水槽用の材料として注目されてい
る。
二相ステンレス鋼は、このような優れた性質を備えて
いるものの、熱間加工性が悪い。これは、二相ステンレ
ス鋼の組織がフェライト相及びオーステナイト相の混合
組織であることに由来する。すなわち、変形抵抗が異な
る二相が共存しているため、熱間圧延時に加えられた応
力がフェライト相とオーステナイト相の境界に集中し、
相界面に亀裂,破断等の欠陥が生じる。これら欠陥は、
熱延板に耳割れとなって現れ、製品歩留りを低下させる
原因となる。
この熱間加工性を改善するため、従来から種々の方法
が提案されている。
たとえば、特公昭57−15660号公報においては、オー
ステナイト相の変形能に悪影響を及ぼすS,O等の不純物
含有量を低下させ、相界面に偏析する不純物の濃度を低
下させることが開示されている。
また、特公昭59−14099号公報では、粒界に偏析し割
れ発生の原因となるS含有量を0.005重量%以下に低減
すると共に、Bの添加によって熱間加工性を向上させて
いる。
更に、特公平1−19465号公報では、S含有量を0.003
重量%以下に下げた二相ステンレス鋼にCaを添加するこ
とによって固溶Sを著しく低く抑えると共に、Al添加に
よって熱間加工性を改善することが紹介されている。
これら先行技術は、何れもS含有量を低減するもので
あって、そのための手段として稀土類金属REM,Ca等の脱
硫元素を添加している。或いは、Sを単独で低減するこ
とが困難であるため、O含有量の低減及びそのための脱
酸剤であるAlの添加等の手段が採用されている。
[発明が解決しようとする課題] ところが、S含有量を0.003%以下に規制したSUS329J
2L相当の二相ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延を施した
ところ、耳割れが発生する場合と、発生しない場合があ
った。そのため、安定した熱間加工性を得ることが困難
であった。また、逆にS含有量が0.003%を超えた二相
ステンレス鋼を熱間圧延したときにも、耳割れが発生し
た場合と、発生しない場合があった。
更に、前掲の先行文献で開示されている第3元素を添
加して溶製した二相ステンレス鋼を熱間圧延したとこ
ろ、無添加材に比較して熱間加工性に若干の改善がみら
れるものの、必ずしも安定した熱間加工性が得られなか
った。
そこで、本発明は、このような問題を解消すべく案出
されたものであり、フェライト相及びオーステナイト相
の間のバランスをS含有量との関係において定量的に調
整することにより、安定して熱間加工性を改善し、歩留
り良く熱間加工することが可能な二相ステンレス鋼を提
供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の二相ステンレス鋼は、その目的を達成するた
め、C:0.03重量%以下,Si:1.0重量%以下,Mn:0.8重量%
以下,P:0.04重量%以下,S:0.003重量%以下,Ni:4.0重量
%以上で7.5重量%未満,Cr:20.0〜30.0重量%,Mo:2.0〜
4.0重量%,Cu:1.0重量%以下,N:0.08〜0.30重量%,必
要に応じTi:0.5重量%以下,Zr:0.5重量%以下,希土類
元素REMの1種又は2種以上:La/Ce<1.0の条件下で0.1
重量%以下の1種又は2種以上を含有し、残部が不可避
的不純物を除きFeの組成をもち、これら成分の間に、次
式 A=210(C%)−5.8(Si%)+3.5(Mn%)+11.5(Ni%) −5.8(Cr%)−6(Mo%)+4.5(Cu%)+235(N%)+100 で定められるA値を20≦A≦70−6700×(S%)の範囲
に維持する関係が成立していることを特徴とする。
[作 用] S含有量を低下させた二相ステンレス鋼の熱間加工性
が良い場合と悪い場合とに分かれるのは、熱間加工性に
影響を与えているのはS含有量だけではないことに原因
がある。そこで、本発明者等は、熱間加工性を安定的に
向上させるため、鋼中のS含有量以外に熱間加工性に影
響を与える因子を調査した。その結果、次の知見を得
た。
二相ステンレス鋼の熱間加工性を左右するものは、ト
ータルのS含有量ではなく、フェライト−オーステナイ
トの粒界に偏析したSである。この粒界に析出するS量
を低減するとき、二相ステンレス鋼の熱間加工性が改善
されることが推測される。また、フェライト相は、オー
ステナイト相に比較してSの固溶度が大きい。そこで、
フェライト相が多量に生成される組成に成分調整する
と、フェライト−オーステナイト粒界に偏析するS量が
少なくなり、熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼が得
られる。
また、従来から、S量の低減或いはフェライト量の増
加によって二相ステンレス鋼の熱間加工性が改善される
ことは、定性的には知られていた。しかし、その両者の
相互の効果が定量的に把握されていなかったため、安定
的に耳割れを防止することができず、特公昭59−14099
号公報で示されているようにB添加等の対策が必要であ
った。
本発明は、このような鋼中におけるSの挙動に着目
し、鋼中のトータルS含有量を低減すると共に、フェラ
イト−オーステナイトの比率をS含有量との関係におい
て定量的にコントロールすることによって、熱間加工性
の改善を図ったものである。そのため、特公昭59−1409
9号公報で示されているようなB添加の必要もなくな
る。
つまり、実験的に得られたA値を用いることにより、
二相ステンレス鋼の相比(オーステナイト量)を定量的
に把握することができる。また、A値とS値との関係を
20≦A≦70−6700×(S%)という関係式で特定するこ
とによって、安定的に耳割れを防止することが可能とな
った。
以下、本発明二相ステンレス鋼の成分・組成及びA値
の限定理由を説明する。
C:0.03重量%以下 Cは、鋼中に不可避的に含まれる元素である。C含有
量を低減すると、炭化物の生成が少なくなり、加工性が
向上する。また、耐食性及び耐粒界腐食性も向上する。
この点で、C含有量を0.03重量%以下にした。
Si:1.0重量%以下 Siは、脱酸剤として鋼に添加される元素である。しか
し、含有量が1.0重量%を超えると、σ相生成能が高く
なり、靭性や耐食性等を劣化させる。そこで、Si含有量
は、その上限を1.0重量%に定めた。
Mn:0.8重量%以下 Mnは、溶接性を向上させる上で有用な元素である。し
かし、Mn含有量が0.80重量%を超えるようになると、耐
食性が低下する。そこで、Mn含有量の上限を0.80重量%
に設定した。
P:0.04重量%以下 Pは、不可避的に混入する不純物であり、熱間加工性
や耐応力腐食割れ性に有害な元素である。しかし、P含
有量を極めて低く抑えることは、製鋼上から製造コスト
の上昇を招く。そこで、P含有量の上限を、0.04重量%
に定めた。
S:0.003重量%以下 Sは、フェライト−オーステナイト粒界に偏析し鋼の
熱間加工性を低下させるだけでなく、鋼中のMnと硫化物
を形成し、耐孔食性や耐隙間腐食性を低下させる有害な
元素である。この点からS含有量は可能な限り低いほど
よく、本発明においてはその上限を0.003重量%に設定
した。
Ni:4.0重量%以上で7.5重量%未満 Niは、耐食性向上に対して有効な元素であると共に、
二相組織形成のために不可欠なものである。このNi含有
量に関しては、Cr含有量等との関係で適切な二相組織を
得るため、その含有範囲を4.0重量%以上で7.5重量%未
満とした。
Cr:20.0〜30.0重量% Crは、耐食性の向上及び二相組織の形成の上で、必要
不可欠な元素である。20.0重量%よりもCr含有量が少な
いと、二相ステンレス鋼が使用される過酷な腐食環境下
における耐食性が十分でなく、またフェライト相の比率
も低下する。逆に、Cr含有量が30.0重量%を超えて多く
なると、σ相が析出し易くなり、靭性,溶接性等が劣化
する。そこで、Cr含有量を20.0〜30.0重量%の範囲に設
定した。
Mo:2.0〜4.0重量% Moは、Crと共同してClイオンを含む腐食環境における
局部腐食に対する抵抗性を高める元素である。しかし、
本発明のように高Cr鋼において、Mo含有量が2.0重量%
未満であると、CrとMoとの相乗効果が少なく、耐局部腐
食の改善が十分でない。しかし、Moを4.0重量%を超え
て添加すると、σ相析出に起因した脆化が生じ、加工
性,靭性等を劣化させる。そこで、Mo含有量は、2.0〜
4.0重量%の範囲に定めた。
Cu:1.0重量%以下 Cuは、耐応力腐食割れ性や耐亜硫酸ガス腐食性を向上
させる上で有効な元素である。しかし、1.0重量%を超
えてCuを含有させると、熱間加工性が低下する。そこ
で、Cu含有量の上限を1.0重量%と定めた。
N:0.08〜0.30重量% Nは、Cと同様にオーステナイト形成元素であり、オ
ーステナイト相に固溶して耐食性を向上させる。その結
果、フェライト相に比較しCr及びMo含有量が若干少ない
ことに起因するオーステナイト相の耐食性低下が抑制さ
れる。この点、特に二相ステンレス鋼の耐食性をバラン
スよく保持する上で、Nは必須の成分である。また、σ
相の析出を抑制し、靭性を向上させる作用も呈する。以
上の効果を発現させるため、N含有量を0.08重量%以上
に維持することが必要である。しかし、0.30重量%を超
えてNを含有させても、固溶度を超えてしまい、過剰の
Nがガスとなって鋼塊に欠陥を生じさせる。したがっ
て、N含有量を0.08〜0.30重量%の範囲に定めた。
Ti,Zr:0.5重量%以下 Ti及びZrは、脱酸作用と共に脱硫作用を呈し、熱間加
工性に悪影響を与えるSを低減する有効な元素である。
しかし、Ti,Zrを0.5重量%を超えて添加するとき、スト
リーク状の表面傷を発生させる原因となる。この欠陥を
抑えるため、Ti,Zrの含有量を最高0.5重量%までとし
た。
稀土類金属REM:0.1重量%以下 稀土類金属REMは、Ti,Zrと同様にSを補助的に低減す
る作用を呈する。このREMによる脱硫作用は、La<Ceの
場合により効果的になる。しかし、0.1重量%を超えてR
EMを添加するとき、鋼中に多数の非金属介在物が生成し
て、鋼の清浄度を低下させる。したがって、REM含有量
の上限を0.1重量%とした。
A値:20〜[70−6700×(S%)] A値は、フェライト相とオーステナイト相の比率を推
定するための指標として実験的に確認されたものであ
る。このA値が20〜[70−6700×(S%)]の範囲にあ
るように、各合金成分を前述した範囲で調整する。A値
が20未満であると、組織がフェライト単相に近くなり、
溶接部の靭性や耐食性において問題を生じる。他方、A
値が[70−6700×(S%)]を超えると、S含有量を0.
003重量%以下に低減した場合でも耳割れを生じる場合
があり、熱間加工性が不安定になる。そのため、A値
を、20〜[70−6700×(S%)]の範囲に設定した。
[実施例] 次いで、実施例によって本発明を具体的に説明する。
第1表に示す成分・組成を持つステンレス鋼を高周波
溶解炉で溶製し、この溶湯から得られたインゴットを中
心部に沿って二分割した。次いで、鋼塊の表面疵を取り
除いた後、大気中で1250℃×2時間の加熱を施し、1パ
ス当りの圧延率30%で7パスの熱間圧延を行った。
第1表のA1〜A5は、比較鋼で、組織的にはフェライト
−オーステナイト二相ステンレス鋼の範疇にある。A1
S含有量が0.003重量%を超えており、A2はS含有量が
0.003重量%以下であるものの、A値が[70−6700×
(S%)]を超えている。また、A3〜A5は、特公昭57−
15660号公報,特公昭59−14099号公報及び特公平1−19
465号公報で開示されている二相ステンレス鋼にそれぞ
れ相当するが、何れもA値が[70−6700×(S%)]を
超すように成分調整されている。
これに対し、B1〜B6は、本発明の範疇にある二相ステ
ンレス鋼であって、フェライト−オーステナイトの二相
組織をもつ。このうち、B4〜B6は、請求項2に相当する
ものであり、第3元素としてそれぞれREM,Ti及びZrを含
有している。
また、第2表は、第1表の各種鋼のA値及びS含有量
との関係で熱延後の耳割れ状態を表したものである。
第2表から明らかなように、比較鋼A1〜A5は、何れも
2mm以上の耳割れが発生している。これに対し、本発明
鋼B1〜B6では、耳割れが全く生じていないか、或いは若
干生じている程度である。また、REM及びCa+Alをそれ
ぞれ添加した比較鋼A3及びA5では、第3元素の添加に起
因するものと考えられる熱間加工性改善効果がみられ
る。しかし、Bを添加した比較鋼A4においては、熱間加
工性改善効果は微々たるものである。
熱間加工性に与えるS含有量及びA値の影響を図示す
ると、第1図の通りである。この図から、熱間加工性
は、S含有量で一義的に定まるものではなく、同一のS
含有量レベルであってもA値が上昇すると熱間加工性が
低下していることが判かる。逆に、同じA値であって
も、高S材の熱間加工性が悪いことも判かる。
すなわち、熱間加工性は、フェライト相とオーステナ
イト相との比率を規定するA値とS含有量によって定ま
る臨界値を境に、大きく変化している。そして、第1図
の斜線で示した本発明の領域にS含有量及びA値を維持
することにより、良好な熱間加工性をもつ二相ステンレ
ス鋼が得られている。
[発明の効果] 以上に説明したように、本発明においては、S含有量
を低減させると共に、S含有量との関連においてフェラ
イト−オーステナイトの相比率を所定範囲に維持するよ
うに成分調整することによって、熱間加工性を高めた二
相ステンレス鋼を得ている。この二相ステンレス鋼は、
熱間加工性が安定して高い状態に維持されているため、
熱間圧延時に耳割れを発生することが抑制され、高い歩
留りで熱延板を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、S含有量及びA値が二相ステンレス鋼の熱間
加工性に与える影響を表したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古木 寿之 山口県新南陽市大字富田4976番地 日新 製鋼株式会社鉄鋼研究所内 (56)参考文献 特開 平2−125846(JP,A) 特開 昭54−46117(JP,A) 特開 平1−219144(JP,A) 特開 平2−197069(JP,A) 特開 昭61−564(JP,A) 特開 昭62−250155(JP,A) 特開 平1−142020(JP,A) 特公 昭57−15660(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 302 C22C 38/44

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.03重量%以下,Si:1.0重量%以下,Mn:
    0.8重量%以下,P:0.04重量%以下,S:0.003重量%以下,N
    i:4.0重量%以上で7.5重量%未満,Cr:20.0〜30.0重量
    %,Mo:2.0〜4.0重量%,Cu:1.0重量%以下,N:0.08〜0.30
    重量%を含有し、残部が不可避的不純物を除きFeの組成
    をもち、これら成分の間に、次式 A=210(C%)−5.8(Si%)+3.5(Mn%)+11.5(Ni%) −5.8(Cr%)−6(Mo%)+4.5(Cu%)+235(N%)+100 で定められるA値を20≦A≦70−6700×(S%)の範囲
    に維持する関係が成立していることを特徴とする熱間加
    工性に優れた二相ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】C:0.03重量%以下,Si:1.0重量%以下,Mn:
    0.8重量%以下,P:0.04重量%以下,S:0.003重量%以下,N
    i:4.0重量%以上で7.5重量%未満,Cr:20.0〜30.0重量
    %,Mo:2.0〜4.0重量%,Cu:1.0重量%以下,N:0.08〜0.30
    重量%を含有し、更にTi:0.5重量%以下,Zr:0.5重量%
    以下,希土類元素REMの1種又は2種以上:La/Ce<1.0の
    条件下で0.1重量%以下の一種又は二種以上を含有し、
    残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、これら成
    分の間に、次式 A=210(C%)−5.8(Si%)+3.5(Mn%)+11.5(Ni%) −5.8(Cr%)−6(Mo%)+4.5(Cu%)+26[(Ti%)+(Zr%) +(REM%)]+235(N%)+100 で定められるA値を20≦A≦70−6700×(S%)の範囲
    に維持する関係が成立していることを特徴とする熱間加
    工性に優れた二相ステンレス鋼。
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