JP5202988B2 - 耐全面腐食性に優れた二相系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、耐食性（特に耐硫酸性）が要求される環境で使用される部材に優れた二相系ステンレス鋼に関し、特に化学プラント用配管、継手、締結部材、建築用部品等に用いられる耐全面腐食性に優れた二相系ステンレス鋼に関するものである。
従来、化学プラント用配管、継手等にはＪＩＳで規定されているＳＵＳ３２９系の二相系ステンレス鋼が使用されている。しかし、この二相系ステンレス鋼はＮｉを４．０％以上含有しているため、コストが高いという問題がある。特に、近年のＮｉ高騰によりＮｉ含有量を少なくした二相系ステンレス鋼の開発がされている。例えば特開２００２−１５５３４５号公報（引用文献１）に開示されているような、ハイドロフォーム等の成形性に優れた高耐食鋼管およびその製造方法が提案されている。
また、特開２００６−１６９６２２号公報（引用文献２）に開示されているように、Ｍｎ：１２％以下、Ｎｉ：３％以下を含有する成形性に優れるオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼や、特開２００６−１９３８２３号公報（引用文献３）に開示されているような、Ｍｎ：４〜１２％、Ｎｉ：１％以下の金属組織中のオーステナイト相分率が１０〜８５ｖｏｌ％以下の溶接部耐食性に優れたフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼等が提案されている。
特開２００２−１５５３４５号公報
特開２００６−１６９６２２号公報
特開２００６−１９３８２３号公報
しかしながら、上述した特許文献はいずれも成形性、溶接部耐食性改善の提案であっても、耐全面腐食性に関する提案はされておらず、またその目的等を見ても耐全面腐食性が求められる用途には適さないという問題がある。
上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、高価なＮｉを含まず、安価でかつ耐全面腐食性（特に硫酸環境下）に優れる二相系ステンレス鋼を提供するものである。そのための特性を満足するためには、まず、高価なＮｉを含まないこと、式（１）である、Ｎｉ＋２７Ｃ＋２３Ｎ＋０．２Ｍｎ＋０．５Ｃｕ−Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．５Ｓｉ＋１０による成分規制を行うことによりフェライト相とオーステナイト相の形成量を管理（γ相：３０〜５０％）すること、さらに、式（２）である、−Ｃｒ＋３．６Ｎｉ＋４．７Ｍｏ＋１１．５Ｃｕ＋１．４Ｎ−２．１Ｍｎ≧２０とすることにより耐全面腐食性を向上させることにある。
その発明の要旨とするところは、 （１）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０３０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：４．００％超〜１０．００％未満、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．１０％超〜１．００％未満、Ｃｒ：１８．０％超〜２５．０％、Ｍｏ：１．００〜５．００％、 Ｃｕ：２．００〜４．００％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｎ：０．１０〜０．３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式および（２）式を満足することを特徴とする耐全面腐食性に優れた二相系ステンレス鋼にある。
Ｎｉ＋２７Ｃ＋２３Ｎ＋０．２Ｍｎ＋０．５Ｃｕ−Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．５Ｓｉ＋１０＝−１０〜−７ … （１）
−Ｃｒ＋３．６Ｎｉ＋４．７Ｍｏ＋１１．５Ｃｕ＋１．４Ｎ−２．１Ｍｎ≧２０ … （２）
Ｎｉ＋２７Ｃ＋２３Ｎ＋０．２Ｍｎ＋０．５Ｃｕ−Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．５Ｓｉ＋１０＝−１０〜−７ … （１）
−Ｃｒ＋３．６Ｎｉ＋４．７Ｍｏ＋１１．５Ｃｕ＋１．４Ｎ−２．１Ｍｎ≧２０ … （２）
以上述べたように、本発明による式によりフェライト相とオーステナイト相の形成量を管理（γ相：３０〜５０％）し、かつ耐食指数による規制により耐全面腐食性を向上させるもので、特に耐硫酸環境で優れた安価な二相系ステンレス鋼を提供することにある。
以下、本発明についての成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．００５〜０．０３０％
Ｃは、オーステナイト生成および強度上昇に有効な元素である。しかし、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、また、その含有量が高すぎると耐食性の劣化、成形時の割れを生じやすくなるため、その上限を０．０３０％とした。
Ｃ：０．００５〜０．０３０％
Ｃは、オーステナイト生成および強度上昇に有効な元素である。しかし、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、また、その含有量が高すぎると耐食性の劣化、成形時の割れを生じやすくなるため、その上限を０．０３０％とした。
Ｓｉ：０．２０〜１．００％
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素であり、０．２０％以上含有させることが望ましい。しかし、１．００％を超えると延性低下となることから、その範囲を０．２０〜１．００％とした。
Ｍｎ：４．００％超〜１０．００％未満
Ｍｎは、オーステナイト相の確保および強度上昇させる元素である。しかし、４．００％以下ではその効果が十分でなく、また、１０．００％以上となると耐食性を劣化させることから、その上限を１０．００％未満とした。好ましくは４．００超〜７．００％とする。
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素であり、０．２０％以上含有させることが望ましい。しかし、１．００％を超えると延性低下となることから、その範囲を０．２０〜１．００％とした。
Ｍｎ：４．００％超〜１０．００％未満
Ｍｎは、オーステナイト相の確保および強度上昇させる元素である。しかし、４．００％以下ではその効果が十分でなく、また、１０．００％以上となると耐食性を劣化させることから、その上限を１０．００％未満とした。好ましくは４．００超〜７．００％とする。
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、熱間加工性には有害な元素であり、特に０．０５０％を超えると悪影響が顕著となるので、その上限を０．０５０％以下とした。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、耐食性に有害な元素であり、特に０．０１０％を超えると悪影響が顕著となるので、その上限を０．０１０％以下とした。
Ｐは、熱間加工性には有害な元素であり、特に０．０５０％を超えると悪影響が顕著となるので、その上限を０．０５０％以下とした。
Ｓ：０．０１０％以下
Ｓは、耐食性に有害な元素であり、特に０．０１０％を超えると悪影響が顕著となるので、その上限を０．０１０％以下とした。
Ｎｉ：０．１０％超〜１．００％未満
Ｎｉは、高価な金属であるため、原料のコストを抑えるため、なるべくその使用量を抑制する必要があるが、オーステナイト相を確保するために重要な元素である。このため、本発明では、Ｎｉの含有量を０．１０％超〜１．００％未満にすることによって、原料のコストを大幅に低減すると共に、ステンレス鋼としての耐食性を保持することができる。
Ｎｉは、高価な金属であるため、原料のコストを抑えるため、なるべくその使用量を抑制する必要があるが、オーステナイト相を確保するために重要な元素である。このため、本発明では、Ｎｉの含有量を０．１０％超〜１．００％未満にすることによって、原料のコストを大幅に低減すると共に、ステンレス鋼としての耐食性を保持することができる。
Ｃｒ：１８．０％超〜２５．０％
Ｃｒは、強力なフェライト生成元素であると同時に保護性の酸化皮膜を生成し耐食性を付与する基本元素である。しかし、１８．０％以下では耐錆性が不十分である。また、過剰となると延性が悪化することから、その上限を２５．０％とした。
Ｃｒは、強力なフェライト生成元素であると同時に保護性の酸化皮膜を生成し耐食性を付与する基本元素である。しかし、１８．０％以下では耐錆性が不十分である。また、過剰となると延性が悪化することから、その上限を２５．０％とした。
Ｍｏ：１．００〜５．００％
Ｍｏは、Ｃｒの酸化保護皮膜を強固にし耐食性を著しく改善する効果がある。しかし、１．００％未満ではその効果が十分でなく、また、５．００％を超えるとコスト的に高くなることから、その上限を５．００％とした。
Ｃｕ：２．００〜４．００％
Ｃｕは、オーステナイト相の安定化と耐食性を改善する元素である。しかし、２．００％未満ではその効果が十分でなく、４．００％を超えると熱間加工性が悪化することから、その上限を４．００％とした。
Ｍｏは、Ｃｒの酸化保護皮膜を強固にし耐食性を著しく改善する効果がある。しかし、１．００％未満ではその効果が十分でなく、また、５．００％を超えるとコスト的に高くなることから、その上限を５．００％とした。
Ｃｕ：２．００〜４．００％
Ｃｕは、オーステナイト相の安定化と耐食性を改善する元素である。しかし、２．００％未満ではその効果が十分でなく、４．００％を超えると熱間加工性が悪化することから、その上限を４．００％とした。
Ｏ：０．０１０％以下
Ｏは、その含有量を低くするほどよいが、０．０１０％を超えると熱間加工性が劣化することから、その上限を０．０１０％とした。
Ｎ：０．１０〜０．３０％
Ｎは、オーステナイト相の確保と耐食性を改善する元素である。しかし、０．１０％未満ではその効果が十分でなく、０．３０％を超えると熱間加工性が悪化することから、その上限を０．３０％とした。好ましくは０．１０〜０．２０％とする。
Ｏは、その含有量を低くするほどよいが、０．０１０％を超えると熱間加工性が劣化することから、その上限を０．０１０％とした。
Ｎ：０．１０〜０．３０％
Ｎは、オーステナイト相の確保と耐食性を改善する元素である。しかし、０．１０％未満ではその効果が十分でなく、０．３０％を超えると熱間加工性が悪化することから、その上限を０．３０％とした。好ましくは０．１０〜０．２０％とする。
Ｎｉ＋２７Ｃ＋２３Ｎ＋０．２Ｍｎ＋０．５Ｃｕ−Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．５Ｓｉ＋１０＝−１０〜−７ … （１）
上記（１）式はフェライト相の確保に必要な規制であって、その値が−１０未満ではその効果が得られず、−７を超えるとオーステナイト相の生成を抑制することから、その範囲を−１０〜−７とした。
上記（１）式はフェライト相の確保に必要な規制であって、その値が−１０未満ではその効果が得られず、−７を超えるとオーステナイト相の生成を抑制することから、その範囲を−１０〜−７とした。
−Ｃｒ＋３．６Ｎｉ＋４．７Ｍｏ＋１１．５Ｃｕ＋１．４Ｎ−２．１Ｍｎ≧２０ … （２）
上記（２）式は、耐全面腐食性を向上させる耐腐食指数であり、その指数が２０未満では効果が十分でないことから、その効果を得るためには下限を２０とした。好ましくは２０〜２４とする。この関係を図１に示す。図１は、本発明に係る腐食指数と腐食度との関係を示す図である。この図に示すように、横軸に腐食指数を縦軸に腐食度をとると腐食指数が２０未満においては腐食度が高く、逆に２０以上になると腐食度が一段と低下することが分かる。このことからも本発明においては腐食指数を２０以上とした。
上記（２）式は、耐全面腐食性を向上させる耐腐食指数であり、その指数が２０未満では効果が十分でないことから、その効果を得るためには下限を２０とした。好ましくは２０〜２４とする。この関係を図１に示す。図１は、本発明に係る腐食指数と腐食度との関係を示す図である。この図に示すように、横軸に腐食指数を縦軸に腐食度をとると腐食指数が２０未満においては腐食度が高く、逆に２０以上になると腐食度が一段と低下することが分かる。このことからも本発明においては腐食指数を２０以上とした。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す成分組成の鋼を真空誘導溶解炉にて溶製して１００ｋｇの鋼塊とし、１１７５℃に加熱し、径２０ｍｍに鍛伸した後、１０５０℃で２０分保持した後、水冷を行う固溶化熱処理を施し、各種試料を作製した。その各種のオーステナイト量および耐食性試験を実施した。その結果を表１に示す。また、その試験方法を以下に示す。
［オーステナイト量］
オーステナイト量は、鍛伸後、固溶化熱処理（１０５０℃で２０分保持後、水冷）を行った後に切断面の中周部をフェライトスコープにて測定し、５点平均値を１００より引いた値を用いた。
［耐食性］
耐食性試験としては、径１２ｍｍで長さ２１ｍｍの棒状試験片を作製し、表面を＃６００にて湿式研磨後、試験に供した。その試験条件は、５％硫酸液に２５℃の２４時間浸漬し、いったん水洗した後再び２４時間浸漬し、この時の腐食により減った重量を試験片の初期の表面積と浸漬時間（４８時間）で割った値で評価した。
オーステナイト量は、鍛伸後、固溶化熱処理（１０５０℃で２０分保持後、水冷）を行った後に切断面の中周部をフェライトスコープにて測定し、５点平均値を１００より引いた値を用いた。
［耐食性］
耐食性試験としては、径１２ｍｍで長さ２１ｍｍの棒状試験片を作製し、表面を＃６００にて湿式研磨後、試験に供した。その試験条件は、５％硫酸液に２５℃の２４時間浸漬し、いったん水洗した後再び２４時間浸漬し、この時の腐食により減った重量を試験片の初期の表面積と浸漬時間（４８時間）で割った値で評価した。
比較例Ｎｏ．６は、式２の値が低いために耐食性が悪い。比較例Ｎｏ．７は、Ｓ含有量が高く、式１の値が高いために、オーステナイト量が多く、かつ耐食性が悪い。比較例Ｎｏ．８は、Ｃ含有量が高く、式１の値が高く、かつ式２の値が低いためにオーステナイト量が多く、かつ耐食性が悪い。比較例Ｎｏ．９は、Ｎｉ含有量が低く、式２の値が低いために耐食性がやや劣る。比較例Ｎｏ．１０は、Ｃｒ含有量が高く、式１の値が低く、かつ式２の値が低いためにオーステナイト量が少なく、かつ耐食性が悪い。
比較例Ｎｏ．１１は、Ｃｕ含有量が低く、かつ式２の値が低いためにオーステナイト量が少なく、かつ耐食性が悪い。比較例Ｎｏ．１２は、Ｍｏ含有量が低く、式１の値が高いためにオーステナイト量が多く、耐食性が劣る。比較例Ｎｏ．１３は、Ｍｎ含有量が高く、式１の値が高く、かつ式２の値が低いために耐食性が悪い。これに対して、本発明例であるＮｏ．１〜５は、いずれも本発明の条件を満たしていることから、最適なオーステナイト量を確保し、かつ耐食性、特に耐全面腐食性が優れていることが分かる。
以上のように、高価なＮｉを含有するとなく、式１にて鋼成分を規制することによりフライト相とオースレナイト相の成形量を管理し、かつ式２により耐全面腐食性を向上させる極めて優れた２相系ステンレス鋼を提供することができる。
Claims (1)
- 質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３０％、
Ｓｉ：０．２０〜１．００％、
Ｍｎ：４．００％超〜１０．００％未満、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、
Ｎｉ：０．１０％超〜１．００％未満、
Ｃｒ：１８．０％超〜２５．０％、
Ｍｏ：１．００〜５．００％、
Ｃｕ：２．００〜４．００％、
Ｏ：０．０１０％以下、
Ｎ：０．１０〜０．３０％、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式および（２）式を満足することを特徴とする耐全面腐食性に優れた二相系ステンレス鋼。
Ｎｉ＋２７Ｃ＋２３Ｎ＋０．２Ｍｎ＋０．５Ｃｕ−Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．５Ｓｉ＋１０＝−１０〜−７ … （１）
−Ｃｒ＋３．６Ｎｉ＋４．７Ｍｏ＋１１．５Ｃｕ＋１．４Ｎ−２．１Ｍｎ≧２０ … （２）
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