JP4570221B2 - 耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板、形鋼、鋼管などの建築構造部材として使用される耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火災時の建築物の倒壊や変形を防止する要請から、建築構造用鋼材には高温強度が必要とされる。一般構造用炭素鋼では３００℃以上の高温に曝されると急激に強度が低下するため、鋼材表面への重度の耐火被覆施工などが必要とされてきたが、耐火被覆施工には建設コスト増大などの問題があるため、従来より、耐火被覆を必要としないか必要としても軽度の施工で済む耐火性に優れた鋼材が要求されてきており、これに対して６００℃での降伏強度が常温降伏強度規格値の２／３以上を保証し、常温の引張強度が４９０Ｍｐａあるいは５７０Ｍｐａ級の、特開平２−７７５２３号公報に見られるような低合金鋼鋼材が実用化されてきている。
【０００３】
高温強度の観点からすれば、この低合金系耐火鋼で所望の耐火性能は得られるが、低合金系であるため、防錆性、耐食性が不十分で裸使用は困難であり、防錆塗装が必須となっている。すなわち、耐火被覆は省略できても防錆塗装は省略できず、このため施工コストが嵩んでいる。
【０００４】
無塗装で建築構造に適用できる可能性のある鋼材としては、各種ステンレス鋼が想定されるが、実際に柱や梁などの建築構造に使用されている鋼材としては、意匠性などが重視される極く限られた用途でのオーステナイト系ステンレス鋼 （例えばＳＵＳ３０４）を除けば殆ど見られない。その最大の理由は、構造物に必須となる強度、靭性と溶接性をバランス良く満たす鋼種がなかったためであるが、最近では特開平１１−３２３５０７号公報に見られるように、溶接性に有害なＣを低減してＮｉを添加したマルテンサイト系ステンレス鋼を建築構造用材料に展開する技術が提唱されてきている。しかしながら、前述の耐火性の要請に対して回答を与える技術には至っていない。
【０００５】
また、建築用途以外の分野では、例えばラインパイプにおいて、特開平９−３１６６１１号公報に見られる溶接性、耐食性に優れ、パイプラインとして十分な高温強度を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材が提案されてきている。しかしながら、パイプラインで定義される高温は１００ないし１５０℃程度であり、建築用耐火鋼材で規定される６００℃に比べると遥かに低い。
【０００６】
したがって、無塗装で建築構造に適用可能な低Ｃ系マルテンサイト系ステンレス鋼において、常温での強度・靭性は無論のこと、構造物施工に必須の良好な溶接性を兼備した上で、さらに６００℃の高温条件で十分な強度が得られる鋼材は未だ提示されていないのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を克服する技術を提供することを目的とするものであり、特に６００℃での耐力が常温での耐力規格最小値の２／３以上を保証するマルテンサイト系ステンレス鋼材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先ずマルテンサイト系ステンレス鋼材の建築構造材料として必要とされる溶接性、強度、靭性、耐食性に配慮した多くの実験を行い、次に板、形鋼、鋼管などに成形する過程で問題となる熱間加工性を評価し、これらの結果に基づいて鋼成分を特定範囲に絞り込んだ。その後、この特定成分組成の鋼材において、高温耐力がＮｉ，Ｍｏ量、および金属組織（特に残留オーステナイト量）に大きく依存することを知見し、高温耐力の面からＮｉ，Ｍｏ量と金属組織を最適化した。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいて構築したものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、
Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、
Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、
Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５１％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％
を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。
Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
（２）質量％で、
Ｃ ：０．０２％以下、 Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、 Ｐ ：０．０３０％以下、
Ｓ ：０．００５０％以下、 Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、
Ｎｉ：０．５〜６．０％、 Ｍｏ：０．３〜３．０％、
Ｎ ：０．０３％以下、 Ａｌ：０．１５％以下、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５１％
を含有し、さらに、
Ｃｕ：３．０％以下、 Ｎｂ：０．０５％以下
の１種または２種を含有し、さらに、
Ｗ ：１．０％以下、またはＳｎ：１．０％以下
を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。
Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。先ず、本発明における成分の限定理由について述べる。
Ｃ：Ｃは、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、靭性を低下させる元素である。また、耐食性にも有害な元素である。このため可及的低レベルが望ましく、現在の精錬技術で工業的かつ経済的に到達可能な範囲として０．０２％以下とした。
【００１１】
Ｓｉ：Ｓｉは、精錬工程での脱酸のために添加されて残留しているもので、靱性、熱間加工性に有害なフェライト相を形成する元素であるため、脱酸に必要とされる最小限の含有量とすべきであり、０．５％以下を適正範囲とした。
【００１２】
Ｍｎ：Ｍｎは、熱間加工性に有害なＳを硫化物として固定して無害化する元素であると共にオーステナイト安定化元素でもあり、靭性、熱間加工性に有害なフェライトの形成を抑制する作用を有するため含有させるが、含有し過ぎてもその効果は飽和するため、上限を１．５％とした。
【００１３】
Ｃｒ：Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素であり、１０．０％以上の含有が必要であるが、反面フェライト安定化元素でもあり、含有量が多いと靭性、熱間加工性に有害なフェライト相が形成されるため、１５．０％を上限とした。
【００１４】
Ｎｉ：Ｎｉは、耐食性改善に有効な元素であり、かつオーステナイトを安定化させフェライト生成を防止する効果をもつ元素である。このため、０．５％を下限として含有させる。しかしながら、多量に含有させると６００℃における高温耐力が低下するため、その上限を６．０％とした。なお、Ｎｉの含有量は後述のＭｏ含有量との関係で最適化される。
【００１５】
Ｍｏ：ＭｏはＣｒと同様、耐食性に有効な元素であると共に、高温耐力を維持する上で必要かつ不可欠の元素である。このため、０．３％を下限として含有させるが、フェライト形成能の強い元素であるため、溶接部靭性にも配慮して含有量上限を３．０％とした。
【００１６】
Ｎ：ＮはＣと同様に、溶接熱影響部の硬さを上昇させ、靭性を低下させる元素である。このため可及的低レベルが望ましく、現在の精錬技術で工業的かつ経済的に到達可能な範囲として０．０３％以下とした。
【００１７】
Ａｌ：ＡｌはＳｉと同様、脱酸に必要な元素であると共に脱硫を促進して前記のＳ含有量を安定的に確保するために含有させるが、過度に含有させると酸化物系介在物が多くなることに加えて窒化物も生成されるようになり靭性が低下する。このため、含有量の上限を０．１５％とした。
【００１８】
Ｔｉ：Ｔｉは、酸化物または窒化物として存在し、溶接熱影響部の粒成長を抑止して靭性を改善する効果を有する。また、Ｍｎと同様、熱間加工性に有害なＳを硫化物として固定して無害化する効果も有する。このため、０．００３％を下限として含有させるが、過剰に含有させると粗大窒化物が現れて熱間加工性が低下すると共に、炭化物が形成されて靭性劣化をきたすため、上限を０．０５１％とした。
【００１９】
Ａ値（＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４）≧０：高温耐力に及ぼすＭｏ，Ｎｉ量の影響を図１に示す。これより、本発明のＮｉ含有量で高温耐力の点から、特に望ましい条件はＡ≧０となる範囲である。
【００２０】
以上の組成をべ一スとして、さらに高温耐力、耐食性、溶接性や靭性、熱間加工性を改善するために、以下に述べる元素の１種以上を選択的に添加する。
Ｃｕ：ＣｕはＮｉと同様、耐食性改善に有効な元素であると共に、フェライト生成防止効果を有する元素であるため含有させるが、過剰に含有させると熱間加工性が劣化するので、上限を３．０％とした。
【００２１】
Ｗ：ＷはＭｏと同様、高温耐力を向上させるのに有効な元素であるため、Ｍｏ含有量が低い場合には補足的に含有させても良いが、高価な元素でもあることから、含有量の上限は１．０％とした。
【００２２】
Ｓｎ：Ｓｎは、高温耐力を向上させる効果を有するため、Ｗと同様に、Ｍｏ含有量が低い場合には補足的に含有させても良いが、過剰に含有させると熱間加工性や溶接性が劣化するので、上限を１．０％とした。
【００２３】
Ｎｂは、高温耐力を僅かながら改善させる効果を有すると共に、溶接熱影響部硬さを低下させるのに有効である。しかしながら多く含有させても効果は飽和するので、含有量の上限を０．０５％とした。
【００２５】
Ｂ：Ｂは熱間加工性改善に有効な元素であり、０．０００５％を下限として含有させるが、０．００５０％を超えて含有させると溶接割れを起こすため、適正範囲を０．０００５〜０．００５０％とした。
【００２６】
Ｐ，Ｓ：Ｐ，Ｓは不可避的に含まれる不純物元素であり、高温耐力には直接影響しないが、靭性や熱間加工性に害する作用をもつため可及的に低レベルとするのが望ましい。現在の精錬技術で工業的かつ経済的に到達可能な範囲として、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下が望ましい。
【００２７】
次に、本発明における金属組織に関する限定理由について述べる。
以上述べた組成よりなる鋼は、主に成分によって支配される耐食性、溶接熱影響部硬さに代表される溶接性、熱間加工性といった諸特性においては、良好な特性を発揮する。しかしながら、高温耐力については金属組織にも強く依存するため、目的とする良好な高温耐力を得るには金属組織の最適化が必要となる。
【００２８】
当該鋼材は、最終的に焼戻処理を施して強度を調整するが、この状態での金属組織構成要素は、焼戻マルテンサイトの基地に残留オーステナイトが共存する組織となる。金属組織の調整は、熱延条件、焼戻し温度等を調整することにより行う。残留オーステナイトの共存比率は、高温耐力に著しい影響を与える。図２に例示するように、成分組成が前記の適性範囲にあっても、残留オーステナイトの体積分率がｌ０％を超えると高温耐力が低下するため、本発明では、最終製品状態での鋼材に含まれる残留オーステナイト分率を体積分率として１０％以下に制限した。
【００２９】
なお、本発明で言う残留オーステナイトの分率は、オーステナイト相（ｆｃｃ構造）とマルテンサイトおよび焼戻マルテンサイト（ｂｃｃ構造）のＸ線回折による回折ピークの面積比から求められ、体積％で定義するものである。また、本発明における残留オーステナイト量の適正範囲は、「島津評論」、Vol.４３ No.２−３，P.269 〜272 (1986)に記載の回転振動法による定量結果をもとに規定したものである。
【００３０】
【実施例】
実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
表１に示す組成の鋼（残部はＦｅ及び不可避的不純物）を溶製して造塊法にて鋳造した後、該鋳片を１２００℃に加熱して熱間圧延を施し、室温まで冷却した後、表２の温度で焼戻処理を施した。焼戻処理後の鋼材について残留オーステナイト量をＸ線回折法によって定量すると共に、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従った常温引張試験およびＪＩＳ Ｇ０５６７に従った６００℃での高温引張試験を行った。
【００３１】
試験結果を表２に併せて示す。Ｎｏ．２，４〜６の本発明では、目的とする常温耐力の２／３以上の６００℃耐力が得られる。Ｎｏ．７は参考例である。一方、比較例Ｎｏ．１４，１５は、残留オーステナイト量が本発明範囲を外れており、また、比較例Ｎｏ．１１，１２ではＭｏ含有量と残留オーステナイト量が本発明の範囲を外れているため、所期の６００℃耐力が得られていない。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によって、鋼成分に加えて金属組織を最適化することにより、耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ値と高温耐力／常温耐力比の関係を示す。
【図２】残留オーステナイト量と高温耐力／常温耐力比の関係を示す。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０２％以下、
   Ｓｉ：０．５０％以下、
   Ｍｎ：１．５％以下、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．００５０％以下、
   Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、
   Ｎｉ：０．５〜６．０％、
   Ｍｏ：０．３〜３．０％、
   Ｎ ：０．０３％以下
   Ａｌ：０．１５％以下、
   Ｔｉ：０．００３〜０．０５１％、
   Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％
   を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。
   Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）
2. 質量％で、
   Ｃ ：０．０２％以下、
   Ｓｉ：０．５０％以下、
   Ｍｎ：１．５％以下、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．００５０％以下、
   Ｃｒ：１０．０〜１５．０％、
   Ｎｉ：０．５〜６．０％、
   Ｍｏ：０．３〜３．０％、
   Ｎ ：０．０３％以下、
   Ａｌ：０．１５％以下、
   Ｔｉ：０．００３〜０．０５１％
   を含有し、さらに、
   Ｃｕ：３．０％以下、
   Ｎｂ：０．０５％以下
   の１種または２種を含有し、さらに、
   Ｗ ：１．０％以下、または
   Ｓｎ：１．０％以下
   を含有し、ＮｉとＭｏの含有量が下記（１）式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、体積分率で１０％未満の残留オーステナイト相と残部が焼戻マルテンサイトより成る金属組織を有し、６００℃における耐力が常温での耐力に対して２／３以上であることを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材。
   Ａ＝［Ｍｏ］−４．４１［Ｎｉ］＋２２．９４≧０ ・・・（１）

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