JP3779043B2

JP3779043B2 - 二相ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3779043B2
Application number: JP21914597A
Authority: JP
Inventors: 尚柴田; 公俊木村; 裕之徳重
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JPH1150199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海水などの高塩化物環境下や、油井あるいはガス井などの厳しい腐食性環境下で構造部材として用いられる二相ステンレス鋼に関するものであり、特に、大型部材に好適な二相ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海水などの高塩化物環境下や、油井あるいはガス井などの厳しい腐食性環境下、具体的には、油井やガス井の配管類、排煙脱硫装置・排水処理施設・海水揚水発電機などの構造部材、沙紙ロール、遠心分離器、ポンプ・バルブ、熱交換器などには二相ステンレス鋼が採用されてきた。二相ステンレス鋼とはオーステナイト相及びフェライト相よりなる複合組織を有するステンレス鋼であり、優れた耐食性と優れた強度特性を併せ持つ。なお、この鋼では一般に、オーステナイト相とフェライト相との比率がほぼ１：１の場合に耐食性が最も優れていることが知られている。従って、実用鋼の化学成分はオーステナイト相とフェライト相との比率がほほこの付近にあるように規定される。
【０００３】
このような観点から、日本工業規格（ＪＩＳ）では棒材・板材としてはＳＵＳ３２９Ｊｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌなどが規格化されている。また、鍛鋼品としてはＳＵＳ３２９Ｊ１ＦＢ、鋳鋼品としてはＳＣＳ１０などが規格化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記二相ステンレス鋼では熱的影響による金属組織の変化に伴い、諸性質が変化する場合がある。例えば、融点〜１２００℃の高温域におけるフェライト相の優勢化、６００〜９００℃の中温域におけるシグマ相や炭窒化物など異相の析出、４５０〜５００℃の低温域で生じるフェライト相の分解と考えられる反応など、各温度域で金属組織の変化を生じ、それに伴って耐食性や強度特性が変化することになる。実際の適用に際して、上紀の組織変化の中で特に問題となるのがシグマ相の析出である。シグマ相が析出すると延性や靭性が著しく低下する、いわゆるシグマ脆化を生じるからである。また、シグマ相が析出すると、機械加工性が悪化するという問題点も生じる。
【０００５】
二相ステンレス鋼からなる構造部材を製造する場合には、合金の溶解・凝固、溶体化処理などが施される。また、溶解・凝固の後に、圧延や溶体化処理が施されたり、あるいは溶解・凝固の後に、鍛造、溶体化処理が施される場合もある。さらに、溶接により一体化する工程が加わる場合もある。このように、実際の製造プロセスに於いては、必然的に種々の加熱工程を経るために、合金中にはシグマ相が生じて、シグマ脆化を引き起こすことが多い。
【０００６】
このシグマ脆化を防止するためには、再固溶化処理が有効であることが知られている。即ち、シグマ相が析出した場合には、一旦その材料全体をシグマ相の固溶温度以上に保持して、かかる後に急冷することによりシグマ相が消失する。しかしながら、製造する部材が大型品の場合、例えば板厚が２００ｍｍ以上になると、中心部の冷却速度は表面近傍の冷却速度よりも著しく遅くなってしまうために、不可避的にシグマ相が析出することになる。従って、二相ステンレス鋼からなる大型部材を製造する場合には、現状ではシグマ相の析出を防止することは実質的に不可能である。
【０００７】
そこで、シグマ脆化防止の別な方策として、二相ステンレス鋼の合金成分を改良することが考えられる。例えば、Ｃｒ添加量を少なくすればシグマ相が析出しにくくなる。これは、シグマ相の基本構造がＦｅ：Ｃｒ＝１：１のように構成されているからである。同様にＭｏ添加量を低減することにより、シグマ相の析出を遅延させることができる。しかしながら、ＣｒやＭｏの添加量を低減すれば、耐食性に悪影響を及ぼす。即ち、この方法によるシグマ相の析出の遅延は、同時に耐食性を犠牲にすることになり、一概にＣｒやＭｏの低減を図ることは困難である。
【０００８】
以上述べてきたように、耐食性を犠牲にせずに二相ステンレス鋼の最大の問題点であるシグマ脆化を防止する方法は未だに確立していないのが現状である。特に大型部材の場合には、中心付近には不可避的なシグマ相の析出を生じるために、延性や靭性が低下するという問題点は未だに解決されていない。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は耐食性を犠牲にせずに、シグマ相の析出を遅延できる二相ステンレス鋼を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明者らは既知の二相ステンレス鋼をベースとする多くの試験材を用いて、シグマ相の析出の容易性に及ぼす各合金元素の影響を評価し、さらに耐食性に関する評価試験を実施した。その結果、不純物元素のうちの特定の元素の許容量を厳密に規定することにより、耐食性を犠牲にせずにシグマ相の析出を遅延し、結果的にシグマ相の析出に伴う延性や靭性の低下を防止できることを見い出し、本発明に至った。
【００１０】
Ｎｉ：２〜１０％、Ｃｒ：２０〜２７．９％、Ｍｏ：１〜２．２％、Ｎ：０．２１〜０．３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつその不可避的不純物の中で、Ｓｉの許容含有量を重量％で、０．００５〜０．１％、Ｍｎの許容含有量を重量％で、０．００５〜０．１％とすることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に、、さらに重量％でＣｕ：１．０〜３％を含有することを特徴とする二相ステンレス鋼である。
【００１２】
【作用】
以下、本発明における成分の限定範囲について詳細に説明する。
【００１３】
Ｎｉは二相鋼の一方の相であるオーステナイトを安定化させる元素として必須の元素である。その効果を発揮させるためには、最低２％以上の含有量が必要である。しかしながら、Ｎｉは高価な金属であるために、多過ぎる含有量は合金自体の高価格化を招いて従来合金よりも高価となってしまう。従って、その含有量は２〜１０％の範囲に限定する。また、前述のように二相ステンレス鋼では、オーステナイト相とフェライト相との比率がほぼ１：１の場合に耐食性が最も優れている。従って、この相比率を満足するためにも、Ｎｉの含有量は２〜１０％の範囲に限定する。なお、同様の理由から、さらにＮｉ含有量の下限を３％、上限を８％とするのが望ましい。
【００１４】
Ｃｒは合金の耐食性を保証し、かつ二相鋼の他方の相であるフェライトを安定化するために必要不可欠な元素である。その効果を発揮させるためには、最低２０％以上の含有量が必要である。しかしながら、多過ぎる含有量はシグマ相の析出を著しく促進して、延性や靭性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は２０〜２７．９％の範囲に限定する。また、前述のように二相ステンレス鋼では、オーステナイト相とフェライト相との比率がほぼ１：１の場合に耐食性が最も優れている。従って、この相比率を満足するためにも、Ｃｒの含有量は２０〜２７．９％の範囲に限定する。
【００１５】
Ｍｏも合金の耐食性、特に耐孔食性や耐すきま腐食性を向上させる元素として重要である。その効果を発揮させるためには、最低１％以上の含有量が必要である。しかしながら、多過ぎる含有量はシグマ相の析出を著しく促進して、延性や靭性に悪影響を及ぼす。従って、その含有量は１〜２．２％の範囲に限定する。
【００１６】
Ｓｉはシグマ相の析出を著しく促進する元素であり、極力低下することが望ましい。その効果を発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以下にしなければならない。しかしながら、合金の溶解・製錬を行う際には、Ｓｉは脱酸元素として有益な元素である。そのため、Ｓｉを過剰に低下することは工業的に非常に困難であり、合金製造上の新たな問題を生じることになる。従って、Ｓｉの許容含有量の範囲を０．００５〜０．１％に限定する。なお、同様の理由から、さらに上限を０．０５％にするのが望ましい。
【００１７】
Ｍｎもシグマ相の析出を促進する元素であり、極力低下することが望ましい。しかし、Ｍｎの効果はＳｉよりも小さいために、Ｍｎの含有量のみを低下した場合には、実用的にはシグマ相析出に対する抑制効果は不充分である。Ｍｎの効果を発揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以下とした状態で、Ｍｎの含有量を０．１％以下にする必要がある。また、合金の溶解・製錬を行う際には、Ｍｎも脱酸元素として有益な元素である。そのため、Ｍｎを過剰に低下することは工業的に非常に困難であり、合金製造上の新たな問題を生じる。従って、Ｍｎの許容含有量の範囲を０．００５〜０．１％に限定する。なお、同様の理由から、さらに上限を０．０５％にするのが望ましい。
【００１８】
Ｎは合金の耐食性、特に耐孔食性を向上させる元素として重要であり、同時に、強度を向上させる元素としても有効であるので所望により含有させる。その効果を発揮させるためには、最低０．２１％以上の含有量が必要である。しかしながら、多過ぎる含有量は合金の溶接特性に著しい悪影響を及ぼす。従って、その含有量は０．２１〜０．３０％の範囲に限定する。
【００１９】
Ｃｕは合金の耐食性を向上させる元素として重要である。その効果を発揮させるためには、最低１．０％以上の含有量が必要である。しかしながら、多過ぎる含有量は合金の熱間加工特性に著しい悪影響を及ぼす。従って、その含有量は１．０〜３．０％の範囲に限定する。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。表１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により溶製した２５ｋｇ鋼塊を、熱間鍛造により厚さ３０ｍｍ×幅１２０ｍｍの板材とした。この板材から採取した試験片に１１００℃で３時間の溶体化処理を施した。
【００２１】
各試験材より採取した試験片を、８５０℃で１０〜１２０分間保持した後に、水冷した。冷却後の試験片の表面を鏡面研摩した後に、村上試薬によりエッチングして光学顕微鏡による組織観察を行った。村上試薬によれば、シグマ相は黒色にエッチングされるために容易に識別が可能である。シグマ相が観察された最小の保持時間を析出時間と定義すると、析出時間が長いほどシグマ相の生成傾向が小さいことになる。図１に観察結果を基に作成したシグマ相の生成傾向を示す。本発明材は比較材と比べて、シグマ相の生成傾向が小さいことは明らかである。なお、比較材のうち、ＣｒおよびＭｏを低減した試験材Ｎｏ．１４は本発明材と同等のシグマ相生成傾向を示した。
【００２２】
【表１】

【００２３】
次に、各試験材を１１００℃で１時間保持した後に、熱処理炉中で５℃／ｍｉｎ．の速度で冷却した。熱処理後の試験材から試験片を作製し、室温でシャルピー衝撃試験を行った。図１中でシグマ相の生成傾向が小さかった試験材Ｎｏ．１〜１４の場合には、衝撃吸収エネルギーは１００〜１５０Ｊの範囲にあった。これに対して、シグマ相の生成傾向が大きい試験材Ｎｏ．１５〜２０の場合には、衝撃吸収エネルギーは５〜７０Ｊの範囲にあった。従って、シグマ相の生成傾向を小さくすることにより、シグマ脆化による延性や靭性の低下を防止することが可能であることは明らかである。
【００２４】
さらに、図１中でシグマ相の生成傾向が小さかった試験材Ｎｏ．１〜１４を用いて、食塩水環境における孔食電位（ＶｖｓＳ．Ｃ．Ｅ）を室温にて測定した。一般に孔食電位が０．９Ｖ以上であれば実質的に孔食の可能性は極めて小さいと見做すことができる。実験結果を表２に示すが、本発明材の孔食電位はすべて０．９Ｖ以上であった。これに対して、比較材では０．９Ｖ以下であった。即ち、本発明材の方がＣｒ及びＭｏを低減してシグマ相の析出遅延を図った比較材Ｎｏ．１４よりも耐孔食性に優れていることは明らかである。
【００２５】
【表２】

【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、耐食性を犠牲にせずに、シグマ相の析出を遅延し、結果的にシグマ相の析出に伴う延性や靭性の低下を防止できる二相ステンレス鋼を確保できる。従って、大型部材の場合にも、中心付近にシグマ相が析出せず、延性や靭性が低下しないために、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光顕観察結果から求めた、各試験材の８５０℃での析出時間（シグマ相が観察された最小の保持時間）である。

Claims

重量％で、Ｎｉ：２〜１０％、Ｃｒ：２０〜２７．９％、Ｍｏ：１〜２．２％、Ｎ：０．２１〜０．３０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつその不可避的不純物の中で、Ｓｉの許容含有量を重量％で、０．００５〜０．１％、Ｍｎの許容含有量を重量％で、０．００５〜０．１％とすることを特徴とする二相ステンレス鋼。
さらに、重量％でＣｕ：１．０〜３％を含有することを特徴とする請求項１記載の二相ステンレス鋼。