JP4653149B2 - クロムマンガン窒素オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼に関し、特にニッケル元素の代わりにマンガン元素、窒素元素を用いるオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
通常よく見られるステンレス鋼は、表面に美しい白い光沢があり、かつ錆びにくいため消費者に広範に受け入れられており、例えばステンレス鋼台所用品、給水塔、機械部品、運動用品、航空宇宙材料、医療用品、ＩＴ産業などで大量に利用されている。ステンレス鋼の種類は多く、中でも最も広範かつ最も大量に使用されているステンレス鋼の１つは、３０４ステンレス鋼である。その標準的な成分は、クロム１８％にニッケル８％を加えたもので、通常１８−８ステンレス鋼と呼ばれている。
このステンレス鋼の特性は、機械性質に優れ、磁性がなく、熱処理によってその金相組織構造が変わらず、耐久性、加工性に優れ、また比較的高いニッケル元素を含有しているため、耐食性に優れていることである。
しかし、戦争のために世界的にニッケルが不足し、３０４ステンレス鋼の価格が高止まりしているため、前記クロムニッケル系ステンレス鋼でニッケルの成分を下げ、その成分の配合を利用してその固有の機械特性および耐食性を維持し、さらには向上させ、ニッケル資源を節約し、材料コストを下げることが重要な課題となっている。
これに鑑み、本発明が解決しようとする課題は、低ニッケルのオーステナイト単相組織を提供し、かつその海洋大気および酸性大気における耐食性、強度、伸び率を３０４ステンレス鋼材質と同じレベルに保つか、または３０４鋼の性能よりも優れた、それに近い鋼種を提供することである。
前記の課題を解決するため、本発明で開示する技術手段は、適量のマンガン（Ｍｎ）、窒素（Ｎ）を、高価なニッケルの代わりとし、クロム−マンガン−窒素（Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎ）新鋼種を製造し、質量％で０．００５％〜０．０８％の炭素元素と、質量％で０．３％〜０．９％のケイ素元素と、質量％で１２．１％〜１４．８％のマンガン元素と、質量％で０．００１％〜０．０４％のリン元素と、質量％で０．００１％〜０．０３％のイオウ元素と、質量％で１６％〜１９％のクロム元素と、質量％で０．５％〜１．８％のニッケル元素と、質量％で０．２％〜０．４５％の窒素元素と、質量％で０．００１％〜０．３％のモリブデン元素と、質量％で０．００１％〜０．３％銅元素と、不可避的不純物とからなるクロムマンガン窒素オーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。
本発明により得られる効果は、次のとおりである。
本発明は、オーステナイト系鋼形成機構に基づく、高価なニッケルの代わりに適量のマンガン、窒素を使用したクロム−マンガン−窒素新鋼種であり、オーステナイト単相組織であると同時に、海洋大気および酸性大気における耐食性、強度、伸び率は、３０４ステンレス鋼材質と同じレベルを保つか、さらに優れており、材料コストを下げる目的を達成する。
本発明におけるニッケルの代わりにマンガンおよび窒素を使用する方法を応用した純オーステナイト系ステンレス鋼は、磁性がなく、機械性能ＵＴＳは３０４ステンレス鋼よりも高い２００ＭＰａ弱であり、Ｙ．Ｓは倍近くあり、伸び率は５０％に達し、耐腐食性能は非常に高い。最も重要なことは、単価が３０４ステンレス鋼の半分以下であることである。また、優れた流動性、優れた鋳造成形性能、良好な高温抗酸化性能の特性を有する。
図面と合わせ、本発明の比較的優れた実施例を次のとおり詳細に説明する。
本発明におけるクロム、マンガン、窒素を主に含有するオーステナイト系ステンレス鋼は、アーク炉または真空誘導炉を用いて溶解し精錬することができる。その元素質量％は、炭素元素０．００５％〜０．０８％と、ケイ素元素０．３％〜０．９％と、マンガン元素１２．１％〜１４．８％と、リン元素０．００１％〜０．０４％と、イオウ元素０．００１％〜０．０３％と、クロム元素１６％〜１９％と、ニッケル元素０．５％〜１．８％と、窒素元素０．２％〜０．４５％と、モリブデン元素０．００１％〜０．３％と、銅元素０．００１％〜０．３％と、不可避的不純物とからなる。
前記各成分の組成の計算式は次のとおりとする。
Ｎｉ（ニッケル）当量＝％Ｎｉ（ニッケル）＋３０×％Ｃ（炭素）＋０．５×％Ｍｎ（マンガン）＋３０％Ｎ（窒素）
Ｃｒ（クロム）当量＝％Ｃｒ（クロム）＋％Ｍｏ（モリブデン）＋１．５×％Ｓｉ（ケイ素）＋０．５×％Ｃｂ（コロンビウム）
Ｎｉ（ニッケル）当量＝％Ｎｉ（ニッケル）＋３０×％Ｃ（炭素）＋０．５×％Ｍｎ（マンガン）＋３０％Ｎ（窒素）
Ｃｒ（クロム）当量＝％Ｃｒ（クロム）＋％Ｍｏ（モリブデン）＋１．５×％Ｓｉ（ケイ素）＋０．５×％Ｃｂ（コロンビウム）
図１の相図では、縦座標をＮｉ当量とし、横座標をＣｒ当量としており、逆算後、この点がオーステナイト領域にある場合、表１に示した要求に適合する。
Ni当量上限=1.3+30×0.08+0.5×14.8+30×0.45=24.6
Cr当量下限=16+0+1.5×0.3+0.5×0=16.45
Cr当量上限=19+0.3+1.5×0.9+0.5×0=20.65
図１における斜線領域の主要成分は、オーステナイトである。
サンプルを分析した結果、成分は表2のとおりであった。
Cr当量下限=17.06+0+1.5×0.65+0.5×0=18.035
図１の相図において、この点はオーステナイト領域にあり、要求に適合した。
本発明は、主に一部または全部のニッケルの代わりにマンガン、窒素元素を利用するものであり、以下、マンガン元素および窒素元素の特性について分析する。
マンガン元素の組織構造に対する影響は次のとおりであった。
（ａ）マンガンを脱酸素元素とする場合、含量は≦２％でなければならない。
（ｂ）マンガンを合金元素とする場合、含量は２０％以上とすることができる。
（ｃ）ニッケルの代わりにマンガンを使用する場合、窒素の溶解度を増加し、ニッケルを節約し強度を向上させる作用を達成することができた。
（ａ）マンガンを脱酸素元素とする場合、含量は≦２％でなければならない。
（ｂ）マンガンを合金元素とする場合、含量は２０％以上とすることができる。
（ｃ）ニッケルの代わりにマンガンを使用する場合、窒素の溶解度を増加し、ニッケルを節約し強度を向上させる作用を達成することができた。
マンガン元素の力学性能に対する影響は次のとおりであった。
ａ．マンガン≦２％のとき、硬度に対し影響はなかったが、引張強さおよび降伏強さを下げることがある。
ｂ．Ｎｉ−Ｃｒ γＳ．Ｓの高温熱塑性を改善した。
ａ．マンガン≦２％のとき、硬度に対し影響はなかったが、引張強さおよび降伏強さを下げることがある。
ｂ．Ｎｉ−Ｃｒ γＳ．Ｓの高温熱塑性を改善した。
マンガン元素の耐食性に対する影響は次のとおりであった。
マンガンイオウ夾雑物のため、耐点食・隙間腐食性能が下がった。
マンガンイオウ夾雑物のため、耐点食・隙間腐食性能が下がった。
窒素の組織構造に対する影響は次のとおりであった。
（ａ）窒素はγ相領域を強烈に形成し拡大し、γの安定性を増加させた。
（ｂ）炭化物の析出を抑制し、σ相の析出を遅らせることができ、鋼の耐鋭敏化粒界腐食および鋼の靱性に対し、有利な影響をもたらした。
（ａ）窒素はγ相領域を強烈に形成し拡大し、γの安定性を増加させた。
（ｂ）炭化物の析出を抑制し、σ相の析出を遅らせることができ、鋼の耐鋭敏化粒界腐食および鋼の靱性に対し、有利な影響をもたらした。
窒素の力学性能に対する影響は次のとおりであった。
（ａ）固溶強化（侵入型固溶体の形成）を介し、鋼の強度を顕著に向上することができたと同時に、塑性および靱性が下がった。
（ｂ）窒素が多すぎる（≧０．８４％）と、塑性の脆性への変化が見られた。
（ａ）固溶強化（侵入型固溶体の形成）を介し、鋼の強度を顕著に向上することができたと同時に、塑性および靱性が下がった。
（ｂ）窒素が多すぎる（≧０．８４％）と、塑性の脆性への変化が見られた。
図１のＮｉ−Ｃｒ当量図のシェフラー図により、γステンレス鋼において、一部または全部のニッケルの代わりにマンガン、窒素を使用して、鋼の組織を変えずに強度を向上し、伸び率を３０４ステンレス鋼と同じに保つことができた。
精錬過程において、炉内の鉄溶液はリン、イオウなどの有害元素成分を生成しやすく、リンは０．０４以下に、イオウは０．０４以下に制御する必要がある。
本発明の実施例および対照材料の元素成分は、下表３のとおりであった。
前記表３の実施例において、その力学性能は表４のとおりであった。
図２Ａおよび図２Ｂの異なる部位のミクロ金相図のように、ミクロ金相観察の結果、図２Ａ、図２Ｂは熱処理前であり、その組織はγであるため、本鋼は全γ系ステンレス鋼である。
前記は、本発明において課題を解決するために採用した技術手段の比較的優れた実施方式または実施例を記載したに過ぎず、本発明の特許実施の範囲を限定するためのものではない。本発明の特許請求の範囲の内容に適合するもの、または本発明の特許請求の範囲に基づく同等の変更および修飾は、本発明の特許の範囲内にある。
Claims (3)
- 質量％で０．００５％〜０．０８％の炭素元素と、
質量％で０．３％〜０．９％のケイ素元素と、
質量％で１２．１％〜１４．８％のマンガン元素と、
質量％で０．００１％〜０．０４％のリン元素と、
質量％で０．００１％〜０．０３％のイオウ元素と、
質量％で１６％〜１９％のクロム元素と、
質量％で０．５％〜１．８％のニッケル元素と、
質量％で０．２％〜０．４５％の窒素元素と、
質量％で０．００１％〜０．３％のモリブデン元素と、
質量％で０．００１％〜０．３％の銅元素と、
不可避的不純物と、
からなるクロムマンガン窒素オーステナイト系ステンレス鋼。 - 質量％で０．０５４７％の炭素元素と、
質量％で０．８１％のケイ素元素と、
質量％で１３．９２％のマンガン元素と、
質量％で０．０１％のリン元素と、
質量％で０．００１％のイオウ元素と、
質量％で１６．７１％のクロム元素と、
質量％で０．８２％のニッケル元素と、
質量％で０．２４％の窒素元素と、
質量％で０．０２５％のモリブデン元素と、
質量％で０．１０４％の銅元素と、
不可避的不純物と、
からなる請求項１記載のクロムマンガン窒素オーステナイト系ステンレス鋼。 - 質量％で０．０４３２％の炭素元素と、
質量％で０．８５％のケイ素元素と、
質量％で１２．１２％のマンガン元素と、
質量％で０．０１２％のリン元素と、
質量％で０．００５％のイオウ元素と、
質量％で１６．３８％のクロム元素と、
質量％で０．０９％のニッケル元素と、
質量％で０．３５％の窒素元素と、
質量％で０．０２７％のモリブデン元素と、
質量％で０．１０９％の銅元素と、
不可避的不純物と、
からなる請求項１記載のクロムマンガン窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
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