JP4591912B2 - Cr−Ni系ステンレス鋼帯の製造方法 - Google Patents

Cr−Ni系ステンレス鋼帯の製造方法 Download PDF

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本発明は、表面性状の良好なCr-Ni系ステンレス鋼帯を製造する方法に関する。
Cr-Ni系ステンレス鋼帯は、鋼帯表面にヘゲ疵と呼ばれる表面欠陥が発生しやすい鋼種である。ヘゲ疵は、鋼帯表面の美観を損なうだけでなく、機械的性質,疲労特性,耐食性等の製品特性にも悪影響を及ぼす。ヘゲ疵の除去に表面研削等の工程が組み込まれているが、製品加工後のバレル研磨程度では除去できず、グラインダを用いた研削でも残存する場合が多い。その結果、ヘゲ疵のない表面性状の良好な個所を峻別して客先に出荷することを余儀なくされている。良品部分の選別は、工程負荷を著しく増大させる原因であり、製品歩留の低下、ひいては製品コスト上昇の原因となる。
Cr-Ni系ステンレス鋼帯のヘゲ疵は、熱間圧延時に発生し、後工程の冷間圧延で助長されることが多い。ヘゲ疵が検出されない熱延鋼帯でも、冷間圧延後に著しい表面欠陥が現れる場合もある。したがって、全長にわたって表面性状が良好なCr-Ni系ステンレス鋼帯を製造するためには、研磨,研削によるヘゲ疵の除去ではなく、熱間圧延時にヘゲ疵の発生を抑制することが重要である。
熱間圧延時のヘゲ疵発生は、幅中央部より幅エッジ部を厚くしたスラブを熱間圧延して幅方向に等厚な矩形状とすることにより防止できる(特許文献1)。しかし、特殊形状のスラブを熱延素材としていることから、工程負荷が増大し,製造コストの上昇が避けられない。鋼材の成分設計,スラブの加熱条件をコントロールすることによりスラブ中のδフェライトを消失させると、ヘゲ疵の発生が抑えられることも報告されている(特許文献2)。しかし、δフェライトを消失させたオーステナイト(γ)単相のCr-Ni系ステンレス鋼でもヘゲ疵が発生しており、δフェライトの消失によるヘゲ疵抑制効果は不十分である。
特開平6-304606号公報 特開平6-279856号公報
本発明は、従来とは逆にδフェライトの適正分散がヘゲ疵の発生防止に有効であるとの知見をベースとし、δフェライトの適正分散を可能にする成分設計を可能にすることにより、ヘゲ疵に至る割れの発生・成長が抑えられた条件下の熱間圧延を可能とし、表面性状の良好なCr-Ni系ステンレス鋼帯を製造することを目的とする。
本発明で使用するCr-Ni系ステンレス鋼は、C:0.080質量%以下,Si:0.01〜1.5質量%,Mn:0.01〜4.0質量%,P:0.05質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:16.0〜25.0質量%,Cr:20.0〜30.0質量%,N:0.05質量%以下,Mo:0.01〜1.0質量%,Cu:0.001〜1.0質量%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の組成をもつ。この成分系でF(質量%)=Cr+Mo+Si,A(質量%)=Ni+35C+20N+0.2Mn+0.25Cuと定義されるF値,A値がF=22.0〜33.0,A=17.0〜28.0,F−A=3.55〜11.5を満足するように成分調整されている。必要に応じ、Ca:0.010質量%以下,B:0.010質量%以下の一種又は二種を含ませても良い。
所定組成のCr-Ni系ステンレス鋼を溶製した後、スラブに連続鋳造し、1000〜1300℃の加熱処理でスラブのδフェライト量を0.5〜5.0体積%の範囲に調整し、次いでスラブを熱間圧延することにより、ヘゲ疵のないCr-Ni系ステンレス鋼帯が製造される。
本発明者等は、熱間圧延後にヘゲ疵が発生したCr-Ni系ステンレス鋼帯を詳細に調査した結果、γ/γ粒界に沿ってヘゲ疵が成長していることから熱間圧延前のスラブ表層部における粒界酸化がヘゲ疵の発生原因であると推定した。更に詳細な調査を進めた結果、熱間圧延前の加熱スラブ中に適量のδフェライトを分散させると、熱間圧延時にヘゲ疵の発生が効果的に防止されることを見出した。
δフェライトがヘゲ疵発生に及ぼす影響を、本発明者等による実験経過から具体的に説明する。
ヘゲ疵が発生したCr-Ni系ステンレス鋼(B-1),ヘゲ疵が発生しなかったCr-Ni系ステンレス鋼(A-2)の熱延板を酸洗した後、酸洗材の外観,断面組織を観察した(図1)。鋼種A-2は本発明で規定した成分条件を満足するCr-Ni系ステンレス鋼であり、鋼種B-1は本発明で規定した成分条件を外れるCr-Ni系ステンレス鋼である。何れもスラブから切り出したブロックを大気雰囲気中で1230℃に2時間保持した後、実験室の熱間圧延機を用いて熱間圧延した。
鋼種B-1では、熱延板の表面に多数のヘゲ疵が発生しており、断面組織からγ/γ粒界に沿ったヘゲ疵の成長が観察される。他方、鋼種A-2の熱延板は、ヘゲ疵のない良好な表面性状を呈し、δフェライトが分散した断面組織をもっている。
また、鋼種A-2,B-1のスラブから切り出されたブロックを大気雰囲気中で1230℃に2時間保持した後、水冷した試料の断面を観察した。観察結果から、鋼種B-1ではスラブ表層から内部に向かって粒界酸化が進行しているのに対し、鋼種A-2では粒界酸化がなくγ/γ粒界に沿ってδフェライトが分散していることが判った。
図1,2の結果から、Cr-Ni系ステンレス鋼におけるヘゲ疵の発生機構及びδフェライトによるヘゲ疵防止効果を次のように説明できる。すなわち、γ単相の鋼種B-1では、熱間圧延前のスラブ加熱時に粒界酸化がスラブの表層から内部に進行し、結果としてスラブ表層の粒界強度が低下し、熱間圧延時に粒界に沿って割れが発生しヘゲ疵に至る。他方、γ/γ粒界に沿ってδフェライトが分散している鋼種A-2では、γ/γ粒界の酸化,ひいては粒界強度の低下が抑えられ、ヘゲ疵に至る割れが発生しない。
δフェライトの適正分散がヘゲ疵の発生防止に有効であるとの前提で、ヘゲ疵の発生を効果的に防止するδフェライト量を調査した。スラブから切り出したブロックを大気雰囲気中で1230℃に2時間保持した後で水冷した試料を光学顕微鏡で観察し、視野の試料面に占めるδフェライトの面積率からδフェライト量を算出した。また、同じ条件下で加熱保持されたブロックを板厚:4mmに熱間圧延し、次いで冷間圧延によって板厚:1mmの冷延板を作製した。得られた冷延板を目視観察し、ヘゲ疵の有無を判定した。
ヘゲ疵の発生有無をδフェライト量で評価したところ、δフェライト量が0.5〜5.0体積%の範囲にあるときヘゲ疵が発生しないことが判った。この結果は、ヘゲ疵発生抑制に及ぼすδフェライトの作用が0.5体積%以上で現れるが、5.0体積%を超える過剰量のδフェライトが分散するとヘゲ疵発生抑制効果が低減することを示している。
δフェライト量は、一般にフェライト生成元素とオーステナイト生成元素とのバランスによって定まる。δフェライトの生成に及ぼすフェライト生成元素の寄与度をF値(=Cr+Mo+Si),オーステナイト生成元素の寄与度をA値(A=Ni+35C+20N+0.2Mn+0.25Cu)とすると、1000〜1300℃の温度域で加熱したスラブに生成しているδフェライト量とF値,A値との間に図3の関係が成立している。δフェライト量は、同じF値であってもA値の増大に伴って低減し、同じA値であってもF値の増大に伴って増加する傾向を示す。
δフェライト量とF値、A値との関係を示す図4からヘゲ疵発生抑制に効果のあるδフェライト量:0.5〜5.0体積%の範囲を抽出すると、F=22.0〜33.0,A=17.0〜28.0,F−A=3.55〜11.5が得られる。F=22.0〜33.0,A=17.0〜28.0,F−A=3.55〜11.5は図4の斜線領域であり、これら条件を満足させる成分調整により熱延時にヘゲ疵の発生しないCr-Ni系ステンレス鋼帯が製造されると言え、後述の実施例によっても支持される。
以下、Cr-Ni系ステンレス鋼の合金成分,含有量,製造条件等を説明する。
〔C:0.080質量%以下〕
A値の調整に必要なオーステナイト生成元素であり、強度向上にも寄与する。Cによる強度向上効果は、0.01質量%以上のC含有量でみられる。しかし、過剰量のCが含まれると耐食性が低下するので、上限を0.080質量%に設定した。
〔Si:0.01〜1.5質量%〕
溶鋼の脱酸に必要な成分であり、0.01質量%以上で効果がみられる。しかし、過剰添加は製造コストの上昇を招くので、上限を1.5質量%に設定した。また、δフェライト量の生成量に影響を及ぼすF値に関与することから、0.1〜1.5質量%の範囲でSi含有量を定めることが好ましい。
〔Mn:0.01〜4.0質量%〕
Siと同様に溶鋼脱酸に必要な成分であり、0.01質量%以上で効果がみられる。しかし、過剰添加は耐食性低下の原因となるので、4.0質量%に上限を設定した。また、δフェライト量の生成量に影響を及ぼすA値に関与することから、0.1〜2.0質量%の範囲でMn含有量を定めることが好ましい。
〔P:0.05質量%以下〕
耐食性を劣化させる成分であるが、0.05質量%以下(好ましくは、0.03質量%以下)に低減することによりPの悪影響が抑えられる。
〔S:0.03質量%以下〕
γ/γ粒界に偏析して熱間加工性を著しく低下させるので、可能な限り低減することが好ましい。本発明では、S含有量を0.03質量%(好ましくは、0.01質量%)以下に低減することにより、S又は硫化物起因の欠陥を抑制している。
〔Ni:16.0〜25.0質量%〕
Crと共にCr-Ni系ステンレス鋼の基本成分であり、A値の調整に必要なオーステナイト生成元素である。耐食性の観点から16.0質量%以上のNiが必要であるが、25.0質量%を超える過剰量のNiではγ相が安定化し、必要量のδフェライトが生成しなくなる。また、Niの過剰添加は強度低下につながるので、強度,耐食性が要求される用途では、18.0〜22.0質量%の範囲でNi含有量を定めることが好ましい。
〔Cr:20.0〜30.0質量%〕
ステンレス鋼の基本成分であり、耐食性の改善に寄与する。γ相を安定化させずに適正量のδフェライトの生成を可能にする上で20.0質量%以上のCrが必要であるが、30.0質量%を超える過剰量のCrが含まれるとδフェライトが過剰になってヤヘゲが発生しやすくなる。また、Crの過剰添加は靭性低下をもたらしやすいので、靭性,耐食性が要求される用途では、23.0〜27.0質量%の範囲でCr含有量を定めることが好ましい。
〔N:0.05質量%以下〕
Cと同様にオーステナイト生成元素であり、A値の調整に必要である。しかし、過剰量のN含有は耐食性を低下させるので、0.05質量%(好ましくは、0.03質量%)以下に上限を設定した。
〔Mo:0.01〜1.0質量%〕
耐食性の改善に有効な成分であり、0.01質量%以上でMoの添加効果がみられる。しかし、高価な元素であり過剰添加は鋼材コストの上昇を招くので、1.0質量%に上限を設定した。耐食性が要求される用途では、0.5〜1.0質量%の範囲でMo含有量を定めることが好ましい。
〔Cu:0.001〜1.0質量%〕
耐食性の改善に有効な成分であり、0.001質量%以上でCuの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は熱間加工性の低下を招くので、1.0質量%に上限を設定した。耐食性が要求される用途では、0.05〜1.0質量%の範囲でCu含有量を定めることが好ましい。
〔Ca:0.010質量%以下〕
必要に応じて添加される成分であり、熱間加工性を向上させる作用を呈し、0.001質量%以上でCaの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は鋼材の清浄度を下げるので、0.010質量%に上限を設定した。
〔B:0.010質量%以下〕
必要に応じて添加される成分であり、Caと同様に熱間加工性を向上させる作用を呈し、0.001質量%以上でBの添加効果がみられる。しかし、過剰添加は耐食性に有害なCrの硼化物を生成させるので、0.010質量%に上限を設定した。
〔スラブの加熱温度:1000〜1300℃〕
ヘゲ疵の防止には、熱間圧延に先立って1000〜1300℃の温度域にスラブを加熱し、適正量のδフェライトを分散させる必要がある。1000℃に達しない加熱温度では、δフェライト量が減少してヘゲ疵発生抑制効果が不足することに加え、熱間圧延時の変形抵抗が著しく増加して圧延負荷が大きくなる。逆に加熱温度が1300℃を超えると、ステンレス鋼の成分によっては固相線以上の領域に達することもあり、熱間圧延自体が困難になる。
表1に示した各種ステンレス鋼を100kg真空溶解炉を用いて溶製した。
各ステンレス溶鋼をスラブに連続鋳造し、スラブから厚み:40mm,幅:100mm,長さ:150mmのブロックを切り出し,大気雰囲気中で1230℃に2時間保持した。実験室の熱間圧延機を用い、加熱されたブロックを板厚:4mmに熱間圧延した。熱延板から酸化スケールを除去した後、板厚:1mmまで冷間圧延した。得られた冷延板の外観を目視観察し、ヘゲ疵の発生有無を判定した。
また、熱間圧延したスラブとは別に、同一成分のスラブから切り出したブロックを同じ条件下で加熱保持した後で水冷した。水冷後の試料を光学顕微鏡で観察し、δフェライト量を算出した。
表2の調査結果にみられるように、F値,A値共に本発明で規定した条件を満足する鋼種A-1〜A-7では、スラブ加熱後のδフェライト量が何れも0.5〜5.0体積%の範囲にあり、ヘゲ疵が発生しなかった。他方、F値,A値が外れる鋼種B-1〜B-3では、スラブ加熱後のδフェライト量が0.5〜5.0体積%の範囲を外れ、冷延板表面にヘゲ疵が発生していた。この対比から明らかなように、加熱処理されたスラブに生成しているδフェライトを適正量に管理するとき、ヘゲ疵がなく表面性状の良好なCr-Ni系ステンレス鋼帯が得られることが確認された。
以上に説明したように、F(質量%)=Cr+Mo+Si,A=Ni+35C+20N+0.2Mn+0.25CuとF値,A値を定義し、F=22.0〜33.0,A=17.0〜28.0,F−A=3.55〜11.5を満足する成分設計を採用することにより、Cr-Ni系ステンレス鋼の熱間圧延時に生じがちであったヘゲ疵が抑えられ、表面性状の良好なCr-Ni系ステンレス鋼帯が得られる。この方法は、研磨,研削や特殊形状のスラブを必要としないため工程負荷が少なく、耐食性,耐熱性,疲労強度等、Cr-Ni系ステンレス鋼の特性を生かした鋼帯を安価に提供できる。
ヘゲ疵が発生したCr-Ni系ステンレス鋼,ヘゲ疵のないCr-Ni系ステンレス鋼の熱延板を酸洗した後の外観,断面組織を対比した図表 熱間圧延前の加熱処理が施されたスラブ断面に観察される粒界酸化とδフェライトとを対比した図表 1000〜1300℃の温度域でスラブを加熱したときに得られるδフェライト量をF値,A値との関係で整理したグラフ ヘゲ疵発生防止に有効なδフェライト量が得られるF値,A値の条件を示す図

Claims (2)

  1. C:0.080質量%以下,Si:0.01〜1.5質量%,Mn:0.01〜4.0質量%,P:0.05質量%以下,S:0.03質量%以下,Ni:16.0〜25.0質量%,Cr:20.0〜30.0質量%,N:0.05質量%以下,Mo:0.01〜1.0質量%,Cu:0.001〜1.0質量%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の組成で、F(質量%)=Cr+Mo+Si,A(質量%)=Ni+35C+20N+0.2Mn+0.25Cuと定義されるF値,A値がF=22.0〜33.0,A=17.0〜28.0,F−A=3.55〜11.5を満足するように成分調整されたCr-Ni系ステンレス鋼を溶製し、
    該Cr-Ni系ステンレス鋼をスラブに連続鋳造し、
    1000〜1300℃の加熱処理でスラブのδフェライト量を0.5〜5.0体積%の範囲に調整し、
    次いでスラブを熱間圧延することを特徴とするCr-Ni系ステンレス鋼帯の製造方法。
  2. Cr-Ni系ステンレス鋼が更にCa:0.010質量%以下,B:0.010質量%以下の一種又は二種を含む請求項1記載の製造方法。
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