JP4702493B1 - 耐熱性に優れるフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】mass%で、C:0.015%以下、Si:0.4〜1.0%、Mn:1.0%以下、P:0.040%以下、S:0.010%以下、Cr:16〜23%、Al:0.2〜1.0%、N:0.015%以下、Cu:1.0〜2.5%、Nb:0.3〜0.65%、Ti:0.5%以下、Mo:0.1%以下、W:0.1%以下を含有し、かつSiとAlの含有量(mass%)がSi≧Alの関係を満たして含有するフェライト系ステンレス鋼。
【選択図】図7
Description
その結果、Nbを0.3〜0.65mass%、Cuを1.0〜2.5mass%の範囲で複合添加することによって、幅広い温度域で高温強度が上昇し、熱疲労特性が改善されること、また、適正量のAl(0.2〜1.0mass%)を添加することによって、Cu添加による耐酸化性の低下が防止できるのみならず、Cu添加効果が得られない温度域における熱疲労特性をも改善し得ることを新たに見出した。また、耐水蒸気酸化性は、Siを適正量(0.4〜1.0mass%)添加することにより大きく改善され、さらに、高温疲労特性もSiとAlの含有量(mass%)のバランスを適正化(Si≧Al)することによって改善されることも新たに見出し、本発明を完成するに至った。
C:0.005〜0.007mass%、N:0.004〜0.006mass%、Si:0.5mass%、Mn:0.4mass%、Cr:17mass%、Nb:0.45mass%、Al:0.35mass%の成分系をベースとし、これにCuを0〜3mass%の範囲で種々の量を添加した鋼を実験室的に溶製して50kg鋼塊とし、1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ:30mm×幅:150mmのシートバーとし、その後、このシートバーを鍛造し、断面が35mm×35mmのバーとし、1030℃の温度で焼鈍後、機械加工し、図1に示した寸法、形状の熱疲労試験片を作製した。
950℃に加熱された大気雰囲気の炉中に、上記試験片を300時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を求め、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)に換算し、耐酸化性を評価した。
10%CO2−20%H2O−5%O2−残部N2からなる混合ガスを0.5L/minで流して水蒸気含有雰囲気とした950℃に加熱した炉中に、上記試験片を300時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を求めて、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)に換算し、耐水蒸気酸化性を評価した。
850℃において、上記試験片に1300Hzで鋼板表面に75MPaの曲げ応力(両振り)を付与するシェンク式疲労試験を行い、破断までの振動サイクル数(疲労寿命)を測定し、高温疲労特性を評価した。
平均伸びEl(%)=(EL+2ED+EC)/4
ここで、EL:L方向のEl(%)、ED:D方向のEl(%)、EC:C方向のEl(%)
C:0.006mass%、N:0.007mass%、Si:0.7mass%、Mn:0.2mass%、Al:0.5mass%、Cr:17mass%、Nb:0.49mass%、Cu:1.5mass%の成分系をベースとし、これにTiを0〜1.0mass%の範囲で添加量を種々に変化させた鋼を実験室的に溶製して50kg鋼塊とし、この鋼塊を、熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、仕上焼鈍して、板厚2mmの冷延焼鈍板とした。次いで、上記冷延焼鈍板から30mm×20mmの試験片を作製し、この試験片上部に4mmφの穴を開け、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、下記の1000℃での酸化試験に供した。なお、比較として、SUS444についても、同様の試験を行った。
1000℃に加熱された大気雰囲気の炉中に、上記試験片を300時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を求め、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)に換算し、耐酸化性を評価した。なお、酸化被膜が剥離(スケール剥離)を起こした場合には、その剥離したスケールも回収し、試験後の質量に加えた。
C:0.006mass%、N:0.007mass%、Si:0.7mass%、Mn:0.2mass%、Al:0.5mass%、Cr:17mass%、Nb:0.49mass%、Cu:1.5mass%およびTi:0.3mass%の成分系をベースとし、これにVを0〜1.0mass%の範囲で添加量を種々に変化させた鋼を実験室的に溶製して50kg鋼塊とし、この鋼塊を、熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、仕上焼鈍して、板厚2mmの冷延焼鈍板とした。次いで、上記冷延焼鈍板からJIS Z0202に準拠して幅2mmのVノッチ衝撃試験片を作製し、JIS Z2242に準拠して−40℃でシャルピー衝撃試験を実施し、破面を観察して脆性破面率を測定した。
本発明は、上記知見に基づき、さらに検討を加えて完成したものである。
C:0.015mass%以下
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、0.015mass%を超えて添加すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、Cは0.015mass%以下とする。なお、Cは、成形性を確保する観点からは0.008mass%以下が、また、排気系部材としての強度を確保する観点からは0.001mass%以上が好ましい。より好ましくは0.002〜0.008mass%の範囲である。
Siは、水蒸気含有雰囲気下での耐酸化性向上のために必要な重要元素である。図5に示したように、SUS444と同等以上の耐水蒸気酸化性を確保するためには、0.4mass%以上の添加が必要である。一方、1.0mass%を超える過剰の添加は、加工性を低下させるので、上限は1.0mass%とする。好ましくは、0.4〜0.8mass%の範囲である。
さらに、Siは、Alの固溶強化能を有効に活用するためにも重要な元素である。Alは、後述するように、高温における固溶強化作用を有し、高温疲労特性を改善する効果を有する元素である。しかし、Alの含有量がSiより多い場合には、Alが高温で優先的に酸化物や窒化物を形成し、固溶Al量が減少するため、固溶強化に十分寄与することができなくなる。一方、Siの含有量がAlより多い場合には、Siが優先的に酸化して鋼板表面に緻密な酸化物層を連続的に形成するが、この酸化物層は、外部からの酸素や窒素の内方拡散を抑制する効果があるため、Alは酸化や窒化することなく固溶状態に保たれる。その結果、Alの固溶状態が安定して確保されるので、高温疲労特性を向上させることができる。そこで、本発明では、SUS444と同等以上の高温疲労特性を得るため、Siは、Si(mass%)≧Al(mass%)を満たすよう添加する。
Mnは、脱酸剤として、また、鋼の強度を高めるために添加される元素である。その効果を得るためには、0.05mass%以上の添加が好ましい。しかし、過剰な添加は、高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性を低下させる。よって、Mnは1.0mass%以下とする。好ましくは、0.7mass%以下である。
Pは、鋼の靭性を低下させる有害な元素であり、可能な限り低減するのが望ましい。よって、本発明では、Pは0.040mass%以下とする。好ましくは、0.030mass%以下である。
Sは、伸びやr値を低下させ、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素でもあるため、できる限り低減するのが望ましい。よって、本発明では、Sは0.010mass%以下とする。好ましくは、0.005mass%以下である。
Alは、図4に示したように、Cu添加鋼の耐酸化性を向上するのに必要不可欠な元素である。特に、本発明の目的であるSUS444と同等以上の耐酸化性を得るには0.2mass%以上の添加が必要である。一方、図8に示したように、1.0mass%を超えて添加すると、鋼が硬質化して加工性が低下し、SUS444以上の加工性(El≧31%)は得られなくなるほか、耐酸化性も却って低下してしまう。よって、Alは0.2〜1.0mass%の範囲とする。好ましくは、0.3〜1.0mass%の範囲である。なお、加工性を重視する場合には0.3〜0.8mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.3〜0.5mass%の範囲である。
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素であり、0.015mass%を超えて含有すると、上記低下が顕著となる。よって、Nは0.015mass%以下とする。なお、Nは、靭性、成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが好ましく、0.010mass%未満とするのが望ましい。
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素であるが、16mass%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素であり、特に23mass%を超えて添加すると、上記弊害が顕著となるので、上限は23mass%とする。よって、Crは、16〜23mass%の範囲で添加する。好ましくは、16〜20mass%の範囲である。
Cuは、図3に示したように、熱疲労特性の向上に非常に有効な元素であり、SUS444と同等以上の熱疲労特性を得るには、Cuを1.0mass%以上添加する必要がある。しかし、2.5mass%を超える添加は、熱処理後の冷却時にε−Cu相が析出し、鋼を硬質化するとともに、熱間加工時に脆化を起こしやすくする。さらに重要なことは、Cuの添加は、熱疲労特性を向上するものの、鋼自身の耐酸化性を却って低下し、総体的に見て耐熱性が低下してしまうことである。この原因は、十分に明らかとはなっていないが、生成したスケール直下の脱Cr層にCuが濃化し、ステンレス鋼本来の耐酸化性を向上する元素であるCrの再拡散を抑制するためと考えられる。よって、Cuは、1.0〜2.5mass%の範囲とする。好ましくは1.1〜1.8mass%の範囲である。
Nbは、C,Nと炭窒化物を形成して固定し、耐食性や成形性、溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上する元素である。このような効果は、0.3mass%以上の添加で認められる。しかし、0.65mass%を超える添加は、Laves相が析出しやすくなり、脆化を促進する。よって、Nbは0.3〜0.65mass%の範囲とする。好ましくは、0.4〜0.55mass%の範囲である。なお、靭性が必要な場合には0.4〜0.49mass%の範囲が好ましい。より好ましくは0.4〜0.47mass%の範囲である。
Tiは、本発明のAl添加鋼においては、耐酸化性の向上に極めて有効な元素であり、特に1000℃を超える高温域で使用され、優れた耐酸化性が要求される鋼では必須の添加元素である。斯かる高温での耐酸化性を得るためには、具体的には、1000℃でSUS444と同等以上の耐酸化性を得るためには、図9に示したように、Tiは0.01mass%超え添加するのが好ましい。しかし、0.5mass%を超える過剰な添加は、耐酸化性向上効果が飽和するほか、靭性の低下を招いて、例えば、熱延板焼鈍ラインで繰り返し受ける曲げ−曲げ戻しよって破断を起こしたりする等、製造性に悪影響を及ぼすようになる。よって、Tiの上限は0.5mass%とする。
Moは、高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.1mass%以下混入することがある。よって、Moは0.1mass%以下とする。
Wは、Moと同様に高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.1mass%以下混入することがある。よって、Wは0.1mass%以下とする。
B:0.003mass%以下
Bは、鋼の加工性、特に2次加工性を向上させるのに有効な元素である。この効果は、0.0005mass%以上の添加で得ることができるが、0.003mass%を超える多量の添加は、BNを生成して加工性を低下させる。よって、Bを添加する場合は、0.003mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.0010〜0.003mass%の範囲である。
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を向上する元素であり、本発明では、必要に応じて添加することができる。その効果を得るためには、それぞれ、0.01mass%以上、0.0050mass%以上添加するのが好ましい。しかし、REMの0.080mass%を超える添加は、鋼を脆化させ、また、Zrの0.50mass%を超える添加は、Zr金属間化合物が析出して、鋼を脆化させる。よって、REMおよびZrを添加する場合は、それぞれ0.08mass%以下、0.5mass%以下とするのが好ましい。
Vは、鋼の加工性向上に有効な元素であるとともに、耐酸化性の向上にも有効な元素である。それらの効果は、0.15mass%以上で顕著となる。しかし、0.5mass%を超える過剰な添加は、粗大なV(C,N)の析出を招き、表面性状を低下させる。よって、Vを添加する場合は、0.15〜0.5mass%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.15〜0.4mass%の範囲である。
Coは、鋼の靭性向上に有効な元素である。その効果を得るためには、0.0050mass%以上の添加が好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、また、0.5mass%を超えて添加しても、上記効果は飽和するだけである。よって、Coを添加する場合は0.5mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.2mass%の範囲である。なお、優れた冷延板の靭性が必要とされる場合には、0.02〜0.2mass%とするのが好ましい。
Niは、鋼の靭性を向上させる元素である。その効果を得るためには、0.05mass%以上の添加が好ましい。しかし、Niは、高価であり、また、強力なγ相形成元素であるため、高温でγ相を生成し、耐酸化性を低下させる。よって、Niを添加する場合は、0.5mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.05〜0.4mass%の範囲である。なお、Niは、原料として使用するスクラップや合金成分によっては、意図せずに、0.10〜0.15mass%程度が不可避的に混入してしまうことがある。
本発明のステンレス鋼の製造方法は、フェライト系ステンレス鋼の通常の製造方法であれば好適に用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、転炉、電気炉等公知の溶解炉で鋼を溶製し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の2次精錬を経て上述した本発明の成分組成を有する鋼とし、次いで、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片(スラブ)とし、その後、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗等の各工程を経て冷延焼鈍板とする製造工程で製造することができる。上記冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延としてもよく、また、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗の各工程は、繰り返して行ってもよい。さらに、熱延板焼鈍は省略してもよく、鋼板の表面光沢や粗度調整が要求される場合には、冷延後あるいは仕上焼鈍後、スキンパス圧延を施してもよい。
鋼を溶製する製鋼工程は、転炉あるいは電気炉等で溶解した鋼をVOD法等により二次精錬し、上記必須成分および必要に応じて添加される成分を含有する鋼とするのが好ましい。溶製した溶鋼は、公知の方法で鋼素材とすることができるが、生産性および品質面からは、連続鋳造法によるのが好ましい。鋼素材は、その後、好ましくは1000〜1250℃に加熱され、熱間圧延により所望の板厚の熱延板とされる。もちろん、板材以外に熱間加工することもできる。上記熱延板は、その後、必要に応じて600〜800℃の温度でバッチ焼鈍あるいは900〜1100℃の温度で連続焼鈍を施した後、酸洗等により脱スケールし、熱延製品とするのが好ましい。なお、必要に応じて、酸洗前にショットブラストしてスケール除去してもよい。
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、950℃または1000℃に加熱保持した大気雰囲気の炉内に吊り下げて、300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、その平均値で耐連続酸化性を評価した。なお、1000℃における大気中連続酸化試験においては、酸化増量に剥離したスケール分を含めて、以下のように評価した。
×:異常酸化(酸化増量≧100g/m2)が発生したもの
△:異常酸化は発生しないが、スケール剥離が生じたもの
○:異常酸化もスケール剥離も発生しなかったもの
<水蒸気雰囲気中連続酸化試験>
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂し、その後、10vol%CO2−20vol%H2O−5vol%O2−残部N2からなる混合ガスを0.5L/minで流して水蒸気含有雰囲気とした950℃に加熱された炉中に300時間保持する酸化試験に供した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。
<高温疲労試験>
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から、図6に示した形状、寸法の試験片を切り出して、850℃において鋼板表面に75MPaの曲げ応力(両振り)を1300Hzで負荷するシェンク式疲労試験を行い、破断までの振動サイクル数(疲労寿命)を測定し、高温疲労特性を評価した。
<室温引張試験>
上記の板厚2mmの各種冷延焼鈍板から、圧延方向(L方向)、圧延方向に直角方向(C方向)および圧延方向に45°方向(D方向)のそれぞれを引張方向とするJIS13B号引張試験片を作製し、室温で各方向の引張試験を行って破断伸びを測定し、平均伸びElを下記式から求めた。
平均伸びEl(%)=(EL+2ED+EC)/4
ここで、EL:L方向のEl(%)、ED:D方向のEl(%)、EC:C方向のEl(%)
熱疲労試験は、図2に示したように、上記試験片を拘束率0.35で拘束しながら、100℃と850℃の間で昇温・降温を繰り返す条件で行った。この際の昇温速度および降温速度はそれぞれ10℃/secとし、100℃での保持時間は2min、850℃での保持時間は5minとした。なお、熱疲労寿命は、100℃において検出された荷重を試験片均熱平行部(図1参照)の断面積で割って応力を算出し、前のサイクルの応力に対して連続的に応力が低下し始める最初のサイクル数とした。
Claims (5)
- C:0.015mass%以下、
Si:0.4〜1.0mass%、
Mn:1.0mass%以下、
P:0.040mass%以下、
S:0.010mass%以下、
Cr:16〜23mass%、
Al:0.2〜1.0mass%、
N:0.015mass%以下、
Cu:1.0〜2.5mass%、
Nb:0.3〜0.65mass%、
Ti:0.5mass%以下、
Mo:0.1mass%以下、
W:0.1mass%以下を含有し、かつ
SiとAlとがSi(mass%)≧Al(mass%)を満たして含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼。 - 上記成分組成に加えてさらに、B:0.003mass%以下、REM:0.08mass%以下、Zr:0.5mass%以下、V:0.5mass%以下、Co:0.5mass%以下およびNi:0.5mass%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- Tiの含有量が0.15mass%超え0.5mass%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- Tiの含有量が0.01mass%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- Vの含有量が0.01〜0.5mass%であることを特徴とする請求項2または3に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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