JP3448537B2 - 溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶接性に優れたフェ
ライト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】フェライト系ステンレス鋼は家電用、自
動車排気系用等、多くの用途に用いられている。これは
フェライト系ステンレス鋼が優れた耐食性、強度特性、
耐酸化性等を有するためである。しかし、次のような欠
点も存在する。加工時のリジング発生、溶接部の加工性
低下などである。これらの欠点はいずれもフェライト系
ステンレス鋼の組織的な特徴に起因する。

【０００３】フェライト系ステンレス鋼はＣｒを１０％
以上も含有しているため、α→γ→α完全変態が生じな
い場合が大半である。このため、鋳造組織が粗大になり
易い。この粗大組織が鋳造段階で発生し、最終成品まで
引き継がれるとリジングが発生すると考えられている。
また、再結晶などを活用してたとえ組織を微細にしたと
しても、最終成品を溶接した場合には溶接部に粗大粒が
存在し、溶接部の加工性を低下させる。すなわち、加工
した際に溶接部上に割れが発生する場合が多く認められ
る。

【０００４】溶接部の加工性を向上する手法としては特
開昭５２−１０７２２０号公報、特開平４−２２８５３
９号公報が公知で有る。しかしこれらの技術では溶接部
の加工性が十分でない場合があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、フェライト
系ステンレス鋼の溶接部で粗大粒による加工性低下を防
いで、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼を提供
することを目的としたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、特開平１
１−２５６２８５号公報にてＭｇ系酸化物の粒子が分散
したステンレスにおいて上記問題点が解決できることを
既に開示しており、また特願平１０−３７１１８８号に
おいてもそれをさらに改善した対策を示した。しかし、
酸化物をさらに厳密に規定することにより、さらに確実
に高い効果、すなわち溶接部が母材相当の特性を得られ
ることを見出すに至り、本発明を完成させた。

【０００７】すなわち本発明者らは、溶接部での破断が
起こり難いフェライト系ステンレスについて、さらなる
検討を続けた結果、Ｔｉ、Ａｌのうち１種または２種と
Ｍｇを含み、２種類以上の組成からなる層構造を有し、
最大径が０．０５〜５μｍである酸化物を、３個／mm²
以上の分布密度で鋼中に含有することを見いだし本発明
に至ったもので、その要旨とするところは以下の通りで
ある。

【０００８】（１） mass％で、 Ｃ ：０．０００５〜０．０８％、 Ｓｉ：０．０１〜１％、 Ｍｎ：０．０１〜１％、 Ｐ ：０．０４％未満、 Ｓ ：０．０００１〜０．０１％、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ｎ ：０．０００５〜０．０８％、 Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％ を含有し、さらに、 Ｔｉ：０．０１〜０．８％、 Ａｌ：０．００５〜０．２％ の１種または２種を含有し、残部が不可避的不純物から
なり、かつ、Ｔｉ、Ａｌのうち１種または２種とＭｇを
含み、２種類以上の組成からなる層構造を有し、最大径
が０．０５〜５μｍである酸化物を、３個／mm² 以上の
分布密度で鋼中に含有することを特徴とする溶接性に優
れたフェライト系ステンレス鋼。 （２） 上記（１）に記載のフェライト系ステンレス鋼
に、mass％で、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、 Ｎｂ：０．０５〜０．５％、 Ｚｒ：０．０５〜０．５％の１種もしくは２種以上を、
さらに含有することを特徴とする。 （３） 前記（１）または（２）に記載のフェライト系
ステンレス鋼に、mass％で、 Ｍｏ：０．１〜２％、 Ｎｉ：０．１〜２％、 Ｃｕ：０．１〜２％ の１種もしくは２種以上をさらに含有することを特徴と
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、実験室の溶解炉を
用いてＭｇ添加フェライト系ステンレス鋼の溶接性に及
ぼす成分及び介在物の影響を調査した。溶接性はＴＩＧ
溶接後、溶接部及び母材部についてエリクセン試験、球
頭深絞り試験を行い調査した。その結果、大半の鋼種に
おいては溶接部の加工性は母材部に比べて大きく劣って
いた。すなわち、エリクセン高さで約２mm程度、ＬＤＲ
（限界絞り比）で０．５程度低下していた。しかし、鋼
種によっては破断が溶接線以外（母材）で発生している
材料が認められた。全ての材料の介在物を調査したとこ
ろ、破断が溶接線以外の材料には全て、Ｔｉ，Ａｌのう
ち１種または２種とＭｇを含み、２種類以上の組成から
なる層構造を有し、最大径が０．０５〜５μｍである酸
化物を、３個／mm ² 以上の分布密度で鋼中に含有するこ
とを見いだした。

【００１０】本発明はこのような知見に基づくものであ
って、以下に本発明を詳細に説明する。まず成分を限定
した理由を説明する。なお、下記の説明における％とは
mass％を示すものである。 Ｃ，Ｎ：Ｃ，Ｎを多量に添加すると加工性が低下するた
め、それぞれ上限は０．０８％とした。一方、下限は精
錬段階でのコストを考慮した場合には０．０００５％で
ある。加工用途等に用いる場合には、Ｃ，Ｎ共に０．０
００５〜０．０１５％とすることが好ましい。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素として必要である
が、多量の添加により加工性が低下する。したがって上
限は１％とした。下限は脱酸効果を得るために０．０１
％とした。

【００１２】Ｍｎ：Ｍｎは多量の添加により加工性を低
下させる為、上限を１％とした。下限はコストの観点よ
り０．０１％とした。

【００１３】Ｐ：Ｐは加工性の点からは低い方が好まし
く、０．０４％未満とする必要がある。加工用途に用い
る場合には０．０２％以下が好ましい。下限はコストの
点から０．００５％程度が望ましい。

【００１４】Ｓ：Ｓは多量に添加すると耐食性、加工性
が低下するため、上限は０．０１％とした。下限は近年
の脱硫技術で極低化が可能であるので、０．０００１％
とした。

【００１５】Ｃｒ：Ｃｒは１０％未満ではステンレス鋼
としての耐食性が不十分であり、２５％を超えると靱性
が低下する場合があるため、１０〜２５％を範囲とし
た。また、Ｃｒ量が多くなると加工性が低下するため、
加工用途としては１０〜１９％が好ましい。

【００１６】Ｍｇ：Ｍｇは酸化物を形成し、溶接性を向
上させる重要な元素である。Ｔｉ，Ａｌと複合で添加し
て凝固組織微細化効果を発揮するのは０．０００５％以
上でありこれを下限とした。また多量に添加してもその
効果は飽和するため、０．０１０％を上限とした。

【００１７】Ｔｉ：ＴｉはＭｇと酸化物を形成し、本発
明の課題である溶接性を向上させる重要な元素である。
凝固組織微細化効果を発揮するのは０．０１％以上であ
り、これを下限とした。またＴｉ量が多すぎると加工性
の低下を招くため、上限を０．８％とした。

【００１８】Ａｌ：ＡｌはＴｉ同様にＭｇと酸化物を形
成し、本発明の課題である溶接性を向上させる重要な元
素である。加工性向上効果があるのは０．２％までであ
り、これを上限とした。一方、Ａｌ量の低減により脱酸
が困難になるため、下限は０．００５％とした。

【００１９】Ｂ，Ｎｂ，Ｚｒ：これらは加工性を向上す
る元素であり、必要に応じてＢ，Ｎｂ，Ｚｒのうち１種
または２種以上を組み合わせて添加する。Ｂ：０．００
０５％、Ｎｂ：０．０５％、Ｚｒ：０．０５％以上添加
することで効果が現れる。しかしＢ：０．００５％、Ｎ
ｂ：０．５％、Ｚｒ：０．５％より多くてもその効果は
飽和する。

【００２０】Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｕ：これらは耐食性を向上
する元素であり、耐食性が問題となる用途ではＭｏ，Ｎ
ｉ，Ｃｕのうち１種または２種以上を組み合わせて添加
する。それぞれ０．１％以上添加することにより効果が
現れる。しかし、加工性を考慮すると上限はいずれも２
％である。

【００２１】さらに本発明では、Ｔｉ、Ａｌのうち１種
または２種とＭｇを含み、２種類以上の組成からなる層
構造を有する酸化物が鋼中に分散することを特徴として
いる。すなわち、酸化物としてはＭｇ−Ｔｉ系（Ｍｇ₂
ＴｉＯ₄ 等）、Ｍｇ−Ａｌ系（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 等）、Ｍ
ｇ−Ｔｉ−Ａｌ系等があり、これらの内、２種類以上が
存在する。この際、Ｍｇ_1.5 Ｔｉ_1.5 Ｏ₄ とＭｇ₂ Ｔｉ
Ｏ₄ のように同系（Ｍｇ−Ｔｉ系）の介在物で組成が異
なる酸化物は異種としている。

【００２２】また、酸化物の存在形態が層構造を持つこ
とを特徴としている。層構造とは図１に示すように任意
の断面で観察した際に酸化物Ａを酸化物Ｂが完全に被覆
する状態を言う。酸化物Ｂを被覆するような第三の酸化
物が存在してもその効果は変わらない。酸化物の組成あ
るいは構造形態を調査するには、集束イオンビーム加工
法（Focused Ion Beam、ＦＩＢ法）によって介在物を断
面薄膜化し、ＥＤＳ及び電子顕微鏡より同定する方法が
よい。

【００２３】また、酸化物の最大径が０．０５〜５μｍ
であり、酸化物の分布密度が３個／mm² 以上であること
を特徴としている。このときの最大径とは、図１で示す
最外郭の酸化物の最大径を示す。分布密度が３個／mm²
未満であると、溶接性向上の効果が認められない。また
酸化物の最大径が０．０５μｍ未満のものは溶接性向上
に寄与せず、逆に５μｍ超であると靱性などの特性を低
下させる可能性がある。

【００２４】最大径を調査するには、電子顕微鏡あるい
は走査型顕微鏡を用いると良い。分布密度は任意の断面
を観察した際に観察される前述の酸化物個数を観察面積
で除することによって求められる。観察面積が広いほど
正確な分布密度が求められるため、１０mm² 以上とする
ことが好ましい。分布密度も電子顕微鏡あるいは走査型
顕微鏡で調査する。分布密度の上限は特に定める必要は
ない。

【００２５】層構造とは、酸化物の中心から外周部に向
かって組成を調査したときに、組成が徐々に変化するの
ではなく、ある線を境に急激に変わる状態をいう。発明
者らの調査では同一酸化物内の組成比（例えば、Ｔｉ：
Ｍｇ）の変動は±１０％程度であるので、これ以上の組
成比変化がある場合は別の相と見なし、組成比変化の境
界で層構造をなしているとする。

【００２６】上述のような酸化物状態（組成、構造、サ
イズ、密度）にするには、Ｔｉ，Ａｌを何回かに分割し
て添加することと、Ｍｇを添加後、１時間以内に鋳造を
開始することが良い。その他の鋳造条件（温度、速度
等）は特に規定する必要がないが、低温鋳造、電磁攪拌
等の公知の技術と組み合わせるとさらに効果が増大する
と考えられる。

【００２７】また、上記のフェライト系ステンレス鋼の
製造方法は、通常の薄鋼板製造方法であるように、鋼塊
を熱延、焼鈍、冷延、焼鈍するが、熱延板の焼鈍を省略
しても、冷延途中に焼鈍を行っても、また熱延を省略し
ても良い。また熱延ままの状態でも効果がある。

【００２８】溶接は、溶融凝固の工程であれば良く、方
法はＴＩＧ、ＭＩＧ、シーム等いずれの方法でも本発明
の効果は発揮される。なお、本発明における溶接性と
は、溶接後に何らかの変形加工を加えた際に溶接部が破
断するのではなく、母材で破断することを意味する。

【００２９】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。表１に示すフ
ェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱延後、冷延、焼鈍
等により０．４〜１．０mmの鋼板を作成した。鋼板の板
厚表層〜中心部の介在物を電子顕微鏡により調査し、前
述のサイズを持つＭｇ酸化物の分布密度及び組成を調査
した。また鋼板をＴＩＧ突き合わせ溶接後、エリクセン
試験及び球頭張り出し試験を行い、破断位置及び破断位
置近傍の組織調査を行った。各種評価結果を表２に示
す。比較鋼では全てが溶接部上の破断であり、破断箇所
には粗大粒が認められた。本発明鋼は溶接部上での破断
がほとんどなかった（≦１０％）。また、本発明鋼の溶
接部にはいずれも微細な等軸晶組織が観察された。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は介在物を
規定することにより、溶接性に優れたフェライト系ステ
ンレス鋼を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化物Ａが酸化物Ｂに覆われ２層構造となって
いる様子を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１：酸化物Ａ ２：酸化物Ｂ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 昌章 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社 技術開発本部内 (72)発明者 井上 裕滋 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社 技術開発本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 mass％で、 Ｃ ：０．０００５〜０．０８％、 Ｓｉ：０．０１〜１％、 Ｍｎ：０．０１〜１％、 Ｐ ：０．０４％未満、 Ｓ ：０．０００１〜０．０１％、 Ｃｒ：１０〜２５％、 Ｎ ：０．０００５〜０．０８％、 Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％ を含有し、さらに、 Ｔｉ：０．０１〜０．８％、 Ａｌ：０．００５〜０．２％ の１種または２種を含有し、残部が不可避的不純物から
   なり、かつ、Ｔｉ、Ａｌのうち１種または２種とＭｇを
   含み、２種類以上の組成からなる層構造を有し、最大径
   が０．０５〜５μｍである酸化物を、３個／mm² 以上の
   分布密度で鋼中に含有することを特徴とする溶接性に優
   れたフェライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 mass％で、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、 Ｎｂ：０．０５〜０．５％、 Ｚｒ：０．０５〜０．５％ の１種もしくは２種以上を、さらに含有することを特徴
   とする請求項１に記載の溶接性に優れたフェライト系ス
   テンレス鋼。
3. 【請求項３】 ｍａｓｓ％で、 Ｍｏ：０．１〜２％、 Ｎｉ：０．１〜２％、 Ｃｕ：０．１〜２％ の１種もしくは２種以上を、さらに含有することを特徴
   とする請求項１または２に記載の溶接性に優れたフェラ
   イト系ステンレス鋼。