JP3831184B2

JP3831184B2 - 熱間加工性に優れたオーステナイト−フェライト二相を有するステンレス鋼鋳片

Info

Publication number: JP3831184B2
Application number: JP2000270594A
Authority: JP
Inventors: 雄介及川; 成雄福元; 麻佑巳沖森; 好宣多田; 裕磁井上
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2002069592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば溶接棒などに使用される高デルタフェライトオーステナイト系ステンレス鋼のような、オーステナイトとフェライトの２相を有するステンレス鋼を製造する際の素材である鋳片に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼は、常温における相によりオーステナイト系やフェライト系等に分類されるが、その中にオーステナイトとフェライトの二相を有するものもある。オーステナイト，フェライトが等量に近いものはオーステナイト−フェライト系と分類されるが、オーステナイト中にフェライトが１０％前後含まれているＳＵＳＹ３０８やＳＵＳＹ３０９等はオーステナイト系に分類される。
【０００３】
溶接部がフェライト相（いわゆるデルタフェライト）を多く含む組織であると溶接割れが生じ難くなることから、溶接棒用の材料として鋳造組織に多量のデルタフェライト相が生成するステンレス棒線材が広く使用されている。
溶接金属のフェライト相（デルタフェライト）量は、例えば下記（１）式のような成分との関係式で近似され、このδＦｅ（ｃａｌ）値の高い成分系、具体的には前述のＳＵＳＹ３０９などが溶接棒用の材料として性能良好とされている。

【０００４】
しかし、このような組成の鋼の鋳片は多量のフェライト相を含み、フェライト、オーステナイト相の高温伸びの違いから相境界に歪みが集中することにより、熱間圧延において割れが発生しやすいので、小断面の連続鋳造鋳片であってもそのまま熱間圧延することはできなかった。したがって、従来は鋳片を分塊圧延したのち表面疵を研削除去し、再加熱して熱間圧延を行っていた。
【０００５】
これらの対策として、従来例えば特公昭５６−２５２６５号公報や特開平２−１１８０５２号公報のように、オーステナイト−フェライト相境界に粒界偏析するＳの影響を極力排除すべく、Ｓ低減およびＳ固定元素であるＣａ，ＲＥＭ等の添加が広く行われている。しかしながらこれらの対策を行うと、溶接時に溶融金属の溶け込み性、ひいては溶接作業性が悪化するため、溶接棒用の材料には適用し難い。
【０００６】
一方本発明者らは、連続鋳造鋳片を分塊圧延工程を経ずに熱間圧延可能とする製造法として、特開平１１−２５６２３４号公報に記載した発明を開示している。この製造法は、溶接部におけるものと鋳片に熱処理を施した際とでデルタフェライト量と成分の関係が若干異なることを用い、熱処理後のフェライト量を示す前述のδＦｅ（ｃａｌ）とは異なる推定式の値（以下ＹＩ値と呼ぶ）を一定以下に規定し、かつ鋳片に一定の熱処理を施した後圧延を行うことにより、圧延時におけるデルタフェライト相の悪影響を極力排する方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
溶接棒用の素材としてフェライト量の多いステンレス線材が要望されているが、同材は従来熱延時の割れ発生を回避するため、分塊圧延を省略することができなかった。そして分塊圧延工程には高コストを要し、加熱のためのエネルギー消費、さらに製造日数の増大といった問題を有していた。
【０００８】
上記特開平１１−２５６２３４号公報に開示された方法によれば、上記分塊工程を省略することは可能である。しかしながら前述のδＦｅ（ｃａｌ）とＹＩ値は１対１対応していないといえども、溶接特性を向上させるべくδＦｅ（ｃａｌ）の値を高くするとＹＩ値も高まる傾向にあり、成分に完全な自由度を持って分塊工程を省略し得るわけではない。
【０００９】
そこで本発明は、溶接棒用材料として好ましい、フェライト量を多くした成分系のオーステナイト系ステンレス線材のような、オーステナイト−フェライトの２相を含むステンレス鋼について、そのフェライト量やＳ量の影響をほとんど考慮することなく、連続鋳造鋳片を分塊圧延工程を経ずに熱間圧延可能となる熱間加工性良好なステンレス鋼鋳片を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の要旨は、熱間加工を行うための鋳片加熱直前の時点で、任意の断面において鋳片表層から１０ｍｍ深さまで、鋳造ままの場合フェライト相の面積率が５％以上７５％以下、かつ任意のフェライト相の最大長さが０．７ｍｍ以下とし、または熱処理後の場合フェライト相の面積率が２％以上７５％以下、かつ任意のフェライト相の最大長さが０．４ｍｍ以下であることを特徴とする熱間加工性に優れたオーステナイト−フェライト二相を有するステンレス鋼鋳片である。
【００１１】
これを得るためには、非金属介在物の見地からは任意の断面において鋳片表層から１０ｍｍ深さまで、Ｔｉ系窒化物とＭｇ系酸化物の最大径０．０５〜２μｍの複合非金属介在物が２００個／ｍｍ²以上存在していれば良いし、成分的には質量％にて、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．０１〜０．１％であり、かつ（１）Ｔｉ×Ｎ≧８×１０^-4、（２）Ａｌ／Ｍｇ≦４の何れかまたは両方を満たしていればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述したようにこれまで熱間加工性を阻害するフェライト相の量を低減する方策について種々検討してきたが、高フェライト成分系を維持しつつ鋳片のフェライト量を低減するのは自ずから限界があった。そこで、フェライト相の量ではなく形態を制御することにより、高フェライト成分系のまま熱間加工性を向上させる方法を種々検討した結果、下記に示すように、高フェライトであるにもかかわらず熱間加工性の良好な鋳片を得ることが出来た。
【００１３】
急冷凝固金属等ではない通常製法の鋳片では、オーステナイト相が柱状晶、フェライト相はオーステナイト相の中に魚の骨状または面状の形態で存在している。このような組織の場合は相境界に歪みが蓄積し、限界を超えると割れを生じる。従って、フェライトを微細分散形態にすれば相境界の歪みが分散されて熱間加工性が向上すると考えた。
【００１４】
先ず、請求項１の限定理由について説明する。
図１は、フェライト量１０．５〜１２％を有するＳＵＳＹ３０９の鋳造ままの鋳片において、フェライト相の最大長さと１０００℃における破断絞り値との関係を示したものである。フェライト相最大長さが小さくなるに従って熱間加工性は向上し、０．７ｍｍ以下になると、通常問題なく圧延し得るとされる破断絞り値６０％を超えるまでになることが判る。
【００１５】
フェライト相の最大長さは、以下のように算出している。
該鋳片のＣ断面のうち表層から深さ１０ｍｍ迄の領域で、村上試薬により着色後光学顕微鏡により任意の２０視野（合計約１００ｍｍ²）を観察した。図２に示すように、一つに繋がっている（オーステナイト相との境界線が閉じている）フェライト相領域それぞれについて最大距離（矢印）を求め、その最大値を最大長さとした。
１００ｍｍ²程度で任意の断面を代表しうるかどうかについては問題もあろうが、後述の製法によるものでは全断面が均一的に同様の組織となるため、工業的には問題なく目的を達成できた。
【００１６】
なおフェライト量については、それが５％未満の場合は例えフェライト相が大きくとも、全体に占める割合が少ないから元々熱間加工性良好であるため、本発明では５％以上に限定した。また７５％より大量の場合も、元々の熱間加工性が良好であるために効果がなく、本発明の範囲から外した。フェライト量は先述の組織観察の際、フェライトが占める面積を画像解析により求めればよいが、市販のフェライトメーターにより測定する方法でも良い。
【００１７】
次に、請求項２の限定理由を述べる。
高フェライト材の場合、鋳片を一度熱処理しフェライトを低減してから圧延に供することがあるが、その場合必要条件が請求項１の鋳造ままの条件より若干変動する。実験の結果、フェライト量は２％以上７５％以下、フェライト最大長さは０．４ｍｍ以下の時に、鋳造ままのものと同様の効果が得られる事が判った。
【００１８】
更に、評価すべき鋳片は、熱間加工を行うための鋳片加熱直前の時点のものとする。例えば表面を研削除去した後に圧延に供する場合は、研削後の鋳片を評価する。
表層から１０ｍｍより内部のフェライトが微細分散していない場合、如何様になるかについては、後述の方法では１０ｍｍより内部も含めた鋳片全体が微細分散するため評価していないが、経験上１０ｍｍより内部で割れが生じても表層に開いて出たりせず、熱間圧延中に再固着してしまうことが判っており、１０ｍｍより内部は評価の必要が無い。
【００１９】
このような鋳片を得る方法の一つとして、本発明者らはＴｉ系窒化物とＭｇ系酸化物が複合している非金属介在物を分散させることで達成できることを見出した。また、後述するような所定の成分範囲でＴｉとＭｇの微量添加を行うことにより、全く通常法の鋳造を行っても、鋳片にこのような非金属介在物を分散させることが出来、フェライト相が微細分散することをつかんだ。
【００２０】
非金属介在物のサイズは、その最大径が０．０５μｍ未満の場合にはフェライト微細化効果が少なく、２．０μｍ超の場合には耐食性の低下等の別課題が生じるため、０．０５〜２．０μｍの範囲とした。分布密度は２００個／ｍｍ²で効果が認められる。
なお、Ｔｉ系窒化物とＭｇ系酸化物は、窒素、酸素以外の成分で最も多いものがそれぞれＴｉ，Ｍｇであるものとする。これら非金属介在物の成分、サイズ、分布を測定するには、鋳片や製品の任意の断面において、電子顕微鏡とエネルギー分散型スペクトル法（ＥＤＳ）あるいはＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）等により調査する方法が考えられる。
【００２１】
これら非金属介在物がフェライト微細化効果を発揮する原因としては、Ｔｉ系窒化物（ＴｉＮ）がフェライトと格子整合性が良いため、ＴｉＮが微細分散することによりフェライト凝固核が多数生成し、その結果フェライトが微細分散するものと推定している。しかしながら、ＴｉＮのみを多数生成するように成分調整しても、粗大ＴｉＮを析出するのみで効果を発揮できない。Ｍｇ系酸化物（ＭｇＯ）はＴｉＮの析出核となり、ＴｉＮを微細析出させるのに効果があると考えられる。
【００２２】
これらの非金属介在物を生成するための方策としては、以下の規定範囲に微量成分を制御すれば良く、ＣｒやＮｉ等の量により、前述のδＦｅ（ｃａｌ）等に沿った形で鋳片中に含有されるフェライトの量そのものには特に影響されない。
【００２３】
Ａｌ：Ａｌは大量に添加するとＡｌ酸化物が生成され、ＭｇＯの生成を阻害するので、０．０５％を上限とした。
【００２４】
Ｔｉ：ＴｉはＴｉ系窒化物を形成し、Ｍｇと複合で添加することで本発明の課題である組織制御を可能とする元素であり、その効果が発揮されるのは０．００５％以上であるのでこれを下限とした。しかし、０．１％を超えて添加すると製造性、加工性等の問題が生じるため、０．１％を上限とした。
【００２５】
Ｍｇ：ＭｇはＭｇ系酸化物を形成することで、本発明の課題である組織制御を可能とする重要な元素である。この効果を発揮するのは０．０００５％であり、これを下限とした。また大量に添加してもその効果は飽和し、耐食性低下等の問題を生じるため、０．０１％を上限とした。
【００２６】
Ｎ：ＮはＴｉ系窒化物を形成することで重要な元素である。この効果を発揮するのは０．０１％であり、これを下限とした。また大量に添加すると硬くなり、加工性を損ねるため０．１％を上限とした。
【００２７】
更に、ＴｉとＮをＴｉ×Ｎ≧８×１０^-4に制御すると、溶鋼の凝固前にＴｉＮの固溶限界を超えＴｉＮが析出するため、フェライトの微細分散効果が得られる。しかしながらＴｉＮの固溶限界以下でも、Ａｌ／Ｍｇが４以下の場合には、微細なＭｇＯが生成することによりそれを核にしてＴｉＮが析出するため、同様の効果が得られる。４を超える場合には粗大なＡｌ−Ｍｇ複合酸化物が形成され、このような効果は期待できない。
Ｔｉ，Ｍｇの範囲は、Ａｌを０．０７％，Ｎを０．０２％一定とすると、図３の斜線で示すようになる。但し、図３の斜線で示した範囲の境界線はＡｌ，Ｎが変動することにより変動する。
【００２８】
【実施例】
表１に示す化学成分で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる No.ＡからＶまでのステンレス鋼について、直径１７０ｍｍφの連続鋳造鋳片を１２００℃に加熱し、連続線材圧延ラインで５．５ｍｍφまで熱間圧延を行った。
No.ＡからＶそれぞれについて、鋳片の非金属介在物およびフェライトの評価を行った結果を表２に示す。各々の鋳片は、表層から深さ１０ｍｍまでの任意の位置で、合計１００ｍｍ²の面積について顕微鏡および電子顕微鏡による評価を行った。
【００２９】
非金属介在物は、電子顕微鏡＋ＥＤＳにより任意の２０個について組成分析を行い、組成と形状，色彩の対応を付け、その上でＭｇ系酸化物＋Ｔｉ系窒化物の複合非金属介在物であり、かつ最大径が０．５〜２μｍである非金属介在物の個数をカウントした。
全非金属介在物を分析したわけではないので、全ての非金属介在物が同様の組成を持っているとは限らないが、先述の２０個についてはほぼ組成と形状、色彩間の対応が１対１で付くことから、これでほぼ所要の条件を満たしていると考える。
【００３０】
フェライトは顕微鏡により各々の粒について、図２で示した方法で最大長さを算出し、その中の最大値を求めた。
更に、圧延後の疵の状況を表２に○、△、×で示した。○は成品として全く問題ない程度、△は研削にて救済可能又は一部が成品に使用可能のもの、×は全く使用不可又は圧延途中で切断したため圧延を中止したものである。
なお、表中の No.Ａは現行ままの通常部の鋳片である。
また、評価材のうちNo. Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｇ，Ｉ，Ｊ，Ｌの７種類については、１２００℃×２０時間の均熱処理を施した後、フェライトの状況及び圧延結果について同様の評価を行った。それらの結果を表２に各アルファベットに「’」を付けた記号で示す。
【００３１】
まず、鋳造まま材の１８種類の中で、本発明例に当たる No. Ｉ〜Ｍは圧延結果良好であった。全実施例１８種類のうちNo. Ｃ，Ｄ以外について、フェライト状況と圧延結果との関係を見てみると、面積率については○材で７．２〜１４．５％、△×材で６．８〜１０．５％と違いは見いだせないが、フェライト相最大長さは○材で０．０９〜０．７ｍｍ、△×材で０．７３〜８．５ｍｍと、最大長さ０．７ｍｍ以下で、良好な特性が得られていることが判る。
なお No.Ｃ，Ｄについては、フェライト面積率が本発明範囲外であるため、フェライト相最大長さが０．７ｍｍより大きくても圧延結果良好である。
【００３２】
No.Ａと異なり No.Ｉ〜Ｍは、鋳片全長に渡り安定してフェライトが分断されている。これらについて非金属介在物組成を見ると、評価した各２０個のほとんど全てがＭｇ系酸化物とＴｉ系窒化物の複合非金属介在物であった。
本発明例の No.Ｉ，Ｋ，Ｌには、それ以外にＴｉ系窒化物の単独非金属介在物が多少あったが、これは電子顕微鏡写真の色彩で区別できた。
そこで最大径０．５〜２μｍで上記複合非金属介在物である個数をカウントしたところ、表２に示すように２４５〜６４０個／ｍｍ²であり、規定の２００個／ｍｍ²以上を満たしていた。これらの熱間加工性は、図１に示すように１０００℃で６０％以上をクリアしており、その結果問題なく圧延できたと考えられる。
【００３３】
一方、比較例であるＴｉ，Ｍｇ無添加の No.ＥおよびＴｉのみ添加の No.Ｆは、非金属介在物が全てそれぞれＡｌ，Ｃｒ，Ｍｎ酸化物、Ｔｉ酸化物であり、その上ほとんどサイズが２μｍを超えていた。そのためフェライト最大長さはそれぞれ８．５ｍｍ、２．１ｍｍであり、熱間加工性は非常に不良であった。
比較例 No.Ｇ，ＨはＴｉ，Ｍｇとも所定の条件に不足しており、一部狙いの複合非金属介在物が見られるものの数が少なく、その結果フェライト最大長さが未だ大きく、熱間加工性不足であった。
【００３４】
更に No.Ｅ〜Ｌ，Ｎ〜Ｖについて、圧延結果（○△×）を横軸Ｔｉ，縦軸Ｍｇで整理したものを図４に示す。図中の No.Ｅ，Ｆ，Ｎ〜Ｓのうち、No. Ｅ，Ｆ，Ｏ，Ｑ，は図４の矢印で示した範囲を外れている。 No.ＮはＡｌ、 No. ＳはＮが発明範囲外のため、特性が悪化した。
【００３５】
図４に示す No.Ｇ〜Ｌ、Ｕ，Ｖについては、Ｔｉ量、Ｍｇ量だけで見ると○と△の違いは明確でないが、今回規定しているＴｉｘＮおよびＡｌ／Ｍｇで整理すると、図５に示すように本発明範囲内の No.Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌは良好であり、本発明範囲外の No.Ｇ，Ｈ，Ｕ，Ｖは若干不良であるのが明確に判る。
【００３６】
熱処理材については、圧延結果は熱処理前と同様で、 No.Ｉ’，Ｊ’，Ｌ’が良好であった。その際のフェライト最大長さは表２の通りであり、０．４ｍｍ以下であれば熱間加工性良好である。
なお、 No.Ｃ’，Ｄ’については、フェライト面積率が本発明範囲外であるため、フェライト相最大長さが０．４ｍｍより大きくても圧延結果良好である。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
【発明の効果】
本発明法により、溶接棒用材料として好ましい、溶接金属のフェライト量を多くした成分系のオーステナイト系ステンレス鋼のような、オーステナイト中にフェライトを含有した難熱間加工性のステンレス鋼についても、連続鋳造鋳片を分塊圧延工程を経ずに、熱間圧延により工業的に安定して製品を製造することができる。したがって、分塊圧延省略により製造コスト低減、製造時間短縮、消費エネルギー低減といった効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェライト最大長さと熱間加工性との関係を示すグラフである。
【図２】フェライト最大長さの求め方を示す図である。
【図３】本発明法における必要Ｔｉ量とＭｇ量の関係を示すグラフである。
【図４】実施例の各供試材について、Ｔｉ，Ｍｇ量と圧延結果との関係をまとめたグラフである。
【図５】実施例の各供試材について、Ｔｉ×Ｎ，Ａｌ／Ｍｇと圧延結果との関係をまとめたグラフである。

Claims

オーステナイト相中にフェライト相を有する熱間圧延用ステンレス鋼の鋳造ままの鋳片であって、前記鋳片の表層から１０ｍｍ深さまでの領域において、鋳造ままの場合フェライト相の面積率が５％以上７５％以下、かつ任意のフェライト相の最大長さが０．７ｍｍ以下であり、Ｔｉ系窒化物とＭｇ系酸化物の最大径０．０５〜２μｍの複合非金属介在物が２００個／ｍｍ ² 以上存在することを特徴とする熱間加工性に優れたオーステナイト−フェライト二相を有するステンレス鋼鋳片。
オーステナイト相中にフェライト相を有する熱間圧延用ステンレス鋼の鋳片を熱処理した鋳片であって、前記鋳片の表層から１０ｍｍ深さまでの領域において、フェライト相の面積率が２％以上７５％以下、かつ任意のフェライト相の最大長さが０．４ｍｍ以下であり、Ｔｉ系窒化物とＭｇ系酸化物の最大径０．０５〜２μｍの複合非金属介在物が２００個／ｍｍ ² 以上存在することを特徴とする熱間加工性に優れたオーステナイト−フェライト二相を有するステンレス鋼鋳片。
質量％にて、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｎ：０．０１〜０．１％
であり、かつＴｉ×Ｎ≧８×１０^-4、Ａｌ／Ｍｇ≦４の何れかまたは両方を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の熱間加工性に優れたオーステナイト−フェライト二相を有するステンレス鋼鋳片。