JP5362582B2 - 耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents

耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼及びその製造方法に関し、より詳細には、高耐食及び高成形特性を要求する自動車排気系コールドゾーン(cold zone)の各種パイプ及びマフラー(muffler)などに用いられる、フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
一般に、フェライト系ステンレス鋼では、耐食性の向上のためにMoを添加する。しかし、高価なMoを添加した場合、製造コストが上昇する。また、Moはステンレス鋼の張出成形性を低下させ、かつ延伸率を減少させる。したがって、スタンピングタイプのマフラーなどを成形する場合、ステンレス鋼の破断が頻繁に発生し、かつ、冬のように気温が低い場合には、排気系の末端部などを、低温でTIG溶接後、パイプを拡管する場合に、破断が頻繁に発生する。
このような問題を解決するために、従来の周知技術をみると、EP930375には、成分組成と熱間圧延条件を組み合わせて深絞り性とリッジング耐性を向上させる製造方法が開示されており、日本公開特許公報2000−328197には、適正量のAlを添加して優れた表面光沢と成形性を改善する方法が開示されており、ならびに、欧州特許EP765741には、組成と圧延条件、及び焼鈍条件を最適化して、リッジング耐性及び面内異方性を改善する方法に関する方法が開示されている。
しかし、これらの従来の周知技術では、Mo添加量を低減させ、耐食性と同時に成形性を向上させるための、組成物及び製造条件については開示されていない。そのため、従来の周知技術による冷却製品の材質は、低温で拡管されるマフラー用及びパイプに必要な高耐食及び高成形性を満たさないという問題がある。
よって、本発明は先行技術のこれらの欠点を解決するために設計されるものであって、したがって、本発明の目的は以下で提供される。
上記の問題を解決すること、及びパイプに好適に採用される、高耐食性、延伸性及び張出成形性を有する冷却薄板 高Crフェライト系ステンレス鋼を提供すること、及びこれらを生産する方法は、本発明の目的である。
延伸率及びフィッティング指数を計算する式であるEL(式1)及びP.I(式2)式を用いて、Crよりも高価なMoを添加する代わりに、耐食性を改善するのに有用である高いCr量を有するステンレス鋼を提供することが、本発明の目的である。ステンレス鋼は、質量当たりのC%+N%、C%/N%及びTi%/(C%+N%)含有量比を最適に調整される。TIG溶接部の衝撃遷移温度を低くすべく、Ca、Mg、Zrの添加量を調整する。スラブの加熱温度、仕上げ段階における熱間圧延温度、及び熱焼鈍条件は、本発明において制御される。
上記の目的を達成するために、本発明の一態様は、下記式(1)及び(2)を満足する、0.03重量%以下のC、0.5重量%以下のSi、0.5重量%以下のMn、0.035重量%以下のP、0.01重量%以下のS、18〜21重量%のCr、0.5重量%以下のMo、0.03重量%以下のN、0.5重量%以下のCu、0.05重量%以下のAl、0.2重量%以下のNiを含む組成物を含む、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼であって、C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、N、Cu、Al、及びNiの含有は重量%であり、合金の残余部はバランス量のFeと不可避の不純物からなる。
[式1]
EL=−162.1×(C+N)−0.2×Cr−1.1×Mo−0.2×Ti/(C+N)+42.2≧31・・・・・・(1)
[式2]
P.I.=Cr+3.3Mo≧21・・・・・・・・・・・・(2)
組成物はさらに、0.005重量%以下のCa、0.005重量%以下のMg、0.005重量%以下のZrからなる群より選択される、1つまたはそれ以上の要素を含み得る。
また、C/N比が1.05以下で、かつ、Ti/(C+N)比は18〜25である。
本発明の別の態様において、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法では、ステンレス鋼に対するスラブは、熱間圧延のために1230〜1280℃の加熱温度後、仕上げのために740〜850℃の温度に、その後の熱焼鈍のために900〜1000℃に、その後の冷間圧延のために50%以上の減少率に、その後の冷却焼鈍のために900〜1000℃に、その後の素材の粒度をASTM結晶粒度6.3〜7.5の範囲に調整するのにさらされる。
上述のように、本発明のステンレス鋼は、耐食性、延伸率及び張出成形性に優れており、かつ自動車の排気系のマフラー、及び排気系の末端部に適している。さらに、延伸率及びフィッティング指数を計算する式であるEL(式1)及びP.I(式2)式を用いて、耐食性を改善するのに有用であるステンレス鋼は、Crよりも高価なMoを添加する代わりに、高いCr量を有する。ステンレス鋼は、質量当たりのC%+N%、C%/N%及びTi%/(C%+N%)含有量比を最適に調整される。スラブの加熱温度、仕上げ段階における熱間圧延温度、ならびに熱焼鈍及び冷却焼鈍条件は、本発明において制御される。
ASTM結晶粒度の変化に応じた、冷却焼鈍後の20Cr−0.3Mo−Ti鋼の延伸率の変化を示す。 C/N比に応じた、20Cr−Ti鋼の延伸率の変化を示す。 C/N比に応じた、冷却焼鈍後の20Cr−Ti鋼のASTM結晶粒度の変化を示す。 Ti/(C+N)比の変化に応じた、冷却焼鈍後の20Cr−Ti鋼の延伸率の変化を示す。 20Cr−TiのCa、Mg、Zr添加量に応じた衝撃遷移温度(DBTT)の変化を示す。
以下で、本発明をより詳細に説明する。
本発明のステンレス鋼は、耐食性、延伸率及び張出成形性に優れており、かつ自動車の排気系のマフラー、及び排気系の末端部に適している。さらに、延伸率及びフィッティング指数を計算する式であるEL(式1)及びP.I(式2)式を用いて、耐食性を改善するのに有用であるステンレス鋼は、Crよりも高価なMoを添加する代わりに、高いCr量を有する。ステンレス鋼は、質量当たりのC%+N%、C%/N%及びTi%/(C%+N%)含有量比を最適に調整される。スラブの加熱温度、仕上げ段階における熱間圧延温度、ならびに熱焼鈍及び冷却焼鈍条件は、本発明において制御される。
先行技術において、STS436L鋼が自動車の排気系の末端部用のマフラー及び各種パイプに使用される。STS436L鋼は高価なMoを1%〜1.2%含んでおり、製造コストが高い。このため、STS436L鋼の使用には制限があった。
本発明のステンレス鋼は、優れた耐食性及び張出成形性を有しており、このため、本発明のステンレスで作られたパイプは、低温での延伸に適している。さらに、本発明のステンレス鋼は、先行技術と比して低量のMoを含む。
本発明の一態様において、上記及び他の目的は、下記式(1)及び(2)を満足する、0.03重量%以下のC、0.5重量%以下のSi、0.5重量%以下のMn、0.035重量%以下のP、0.01重量%以下のS、18〜21重量%のCr、0.5重量%以下のMo、0.03重量%以下のN、0.5重量%以下のCu、0.05重量%以下のAl、0.2重量%以下のNiを含む組成物を含み、であって、C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、N、Cu、Al、及びNiの含有は重量%であり、合金の残余部はバランス量のFeと不可避の不純物からなる、ステンレス鋼の供給によって達成される。
[式3]
EL=−162.1×(C+N)−0.2×Cr−1.1×Mo−0.2×Ti/(C+N)+42.2≧31・・・・・・(1)
[式4]
P.I.=Cr+3.3Mo≧21・・・・・・・・・・・・(2)
ステンレス鋼はさらに、0.005重量%以下のCa、0.005重量%以下のMg、0.005重量%以下のZrからなる群より選択される、1つまたはそれ以上の要素を含み得る。さらに、C/N比が1.05以下で、かつ、Ti/(C+N)比は18〜25である。
本発明の別の態様において、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法では、ステンレス鋼に対するスラブは、熱間圧延のために1230〜1280℃の加熱温度後、仕上げのために740〜850℃の温度に、その後の熱焼鈍のために900〜1000℃に、その後の冷間圧延のために50%以上の減少率に、その後の冷却焼鈍のために900〜1000℃に、その後の素材の粒度をASTM結晶粒度6.3〜7.5の範囲に調整するのにさらされる。
次に、本発明のステンレス鋼の成分及び組成を、より詳細に説明する。
C及びNは、TiC及びTiNを形成する、侵入型元素である。C及びNの含有量が高くなると、過剰量のCはTiCを形成せず、かつ過剰量のNはTiNを形成しない。過剰量のC及びNは、素材の延伸率及び張出成形性を低下させる。そのため、Cの含有量は0.03%以下に、Nの含有量は0.03%以下に制限される。また、C+Nの含有量が高くなると、Tiの含有量も増加する。その結果、製鋼性介在物の増加によりかさぶた(scab)のような表面欠陥が多く発生し、また、連鋳時にノズル詰まり現象が発生する。さらに、固溶C、Nの増加により、延伸率が低下する。そのため、C+N含有量は0.014%以下に制限されなければならない。
Siは、フェライト相形成元素である。Siは、フェライト相を安定安定させるような役割があり、耐酸化性を改善する。しかし、Si含有量が0.5%を超えると、Si介在物の増加により表面欠陥が発生しやすくなる。さらに、硬度、降伏強度、引張強度を高め、延伸率を低下させるため、加工性を悪化させる。このため、Siの含有量は0.5%以下に限定する。
Mnの含有量が高い場合、MnSが溶出して耐孔食性を低下させる。このため、Mnの含有量は0.5%以下に限定する。
Niは、ガンマ相生成元素である。Ni含有量が過剰である場合、ガンマ相が増加するため、熱間圧延後、コイルを空冷すると、マルテンサイト相の生成が促進される。よって、強度及び硬度が増加して、延伸率が低下する。このため、Ni添加量は0.2%以下に限定する。
P及びSは、MnSなどの介在物を形成して耐食性及び熱間加工性を阻害する。これらは、できるだけ低くなるように制限しなければならない。このため、Pの含有量は0.035%以下に、及びSの含有量は0.01%以下に限定する。
Crの含有量が低いと耐食性が低下し、Crの含有量が高すぎると耐食性は向上する。また、強度が高くなるが、延伸率が悪化するため、加工性は低下する。このため、Crの含有量は18〜21%に限定する。
Moの含有量が増加すると、耐食性は顕著に向上する、しかし、製造コストが高くなる。強度は高くなるが延伸率が低下するため、加工性が悪化する。したがって、耐食性及び加工性を考慮して、Mo含有量は0.5%以下に限定する。
Alは、脱酸素剤として添加される元素である。Alを添加すると、表面欠陥を発生させる。このため、Alの含有量は、0.05%以下に限定する。
Cuは、ガンマ相生成元素である。Cuの含有量が過剰であると、ガンマ相が増加するため、熱間圧延後、コイルを空冷すると、マルテンサイト相の生成が促進される。よって、強度及び硬度の増加により、延伸率が低下する。このため、Cuの含有量は0.5%以下に限定する。
Tiは、添加量が過度に多く添加されると、製鋼性介在物の増加によりかさぶたのような表面欠陥が多く発生し、かつ、連鋳時にノズル詰まり現象が発生する。さらに、固溶Ti含有量の増加により延伸率が低下する。また、C+N含有量と比べたTi含有量を考慮したTi/(C+N)比が低いと、粒界腐食が発生するため、耐食性が低下する。このため、Ti添加量は0.4%以下に限定する。Ti/C+N比の値は、耐食性及び成形性を考慮して、18〜25に限定する。
Ca、Mg、Zrからなる群より選択される1つの元素または2つ以上の元素を添加すると、TIG溶接時における熱影響部の結晶粒度は微細化して衝撃遷移温度(DBTT)を下げるため、冬のように気温が低い場合には、TIG溶接パイプの拡管性を高める。しかし、Ca、Mg、Zrを多く添加すると、Ca、Mg、Zrの酸化性介在物が発生するため、耐食性が低下する。このため、各元素の添加量は以下のように限定される:Ca含有量は0.005%以下に、Mg含有量は0.005%以下に、及びZr含有量は0.01%以下に限定する。
本発明の、延伸率の改善のために求めたEL計算式(式1)において、EL値が31未満になると、延伸率及び張出成形性が悪化するため、スタンピング時に破断不良が発生する。このため、EL値は32以上に限定する。
[式5]
EL=−162.1×(C+N)−0.2×Cr−1.1×Mo−0.2×Ti/(C+N)+42.2・・・・・・(1)
また、式2のP.I(Pitting Index)値が高くなると、耐食性が向上する。したがって、この値を高めるために、CrまたはMoの含有量を高めると、延伸率及び張出成形性が低下し、製造コストが高くなる。また、CrまたはMoの含有量が低すぎると、耐食性が悪化する。このため、従来のSTS436L鋼(1%のMoが添加された鋼)と同等の耐食性を有するためには、式2のP.I値は21以上に限定する。
[式2]
P.I.=Cr+3.3Mo・・・・・・・・・・・・(2)
C%/N%比については、C%+N%含有量が同じ条件下で、C%/N%値が1.05以上、すなわち、C含有量がN含有量に比べて顕著に高くなると、延伸率の低下及び溶接部の粒界腐食が発生する。このため、C%/N%比は1.05以下に限定する。
Ti%/(C%+N%)比については、Ti%/(C%+N%)比が低すぎると、溶接後、溶接部の粒界腐食が発生する。また、Ti%/(C%+N%)比が高すぎると、固溶Ti含有量が高くなり、延伸率などの成形性が悪化する。このため、Ti%/(C%+N%)比は18〜25の範囲に限定する。
次に、本発明の製造条件の限定する理由を説明する。
熱間圧延操作中の再結晶は、加熱温度が高いと容易に発生する。しかし、加熱温度が高すぎると、表面欠陥が存在する。このため、スラブの加熱温度は1230〜1280℃に限定する。
熱間圧延時の仕上げ段階の温度が低いほど、変形蓄積エネルギーが高くなり、焼鈍時の再結晶を助けるため、延伸率が改善される。しかし、熱間圧延時の仕上げ段階の温度が低すぎると、ローラーに素材がくっ付くことによる付着(sticking)欠陥が発生する。このため、熱間圧延時の仕上げ段階の温度の範囲は740〜850℃に限定する。
素材の冷間減少率が低すぎると、表面欠陥の除去及び表面特性の確保が難しくなる、しかし、冷間減少率が高すぎると、成形性は改善される。このため、素材の製造時の冷間減少率は、50%以上に限定する。
冷却焼鈍後、延伸率は結晶粒度が6.3≦(素材のASTM結晶粒度)≦7.5の時に最も優れている。このため、結晶粒度はこの範囲内に限定する。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。
下記表1のように組成されたフェライト系ステンレス鋼50Kgを、真空溶解設備にて溶解して、120mm厚のインゴットを製造した。このように製造されたインゴットを1250℃で加熱し、1250℃〜800℃の温度で熱間圧延して、3.0mm厚の熱間圧延板を製造した。これを950℃で焼鈍後、酸洗して、1.5mm及び0.6mm厚に冷間圧延した。これを950℃で冷却焼鈍後、酸洗した。引張試験、エリクセン試験及び画像分析器を用いて冷却焼鈍板の結晶粒度を測定した。また、冷却焼鈍板の孔食電位は、KSD0238法により試験を行い、V’c10における値で5回測定して、平均値として示した。
衝撃遷移温度(DBTT)の測定は、以下の手順に従って行った。
1.5mm厚の冷却焼鈍板(Ca、Zr、Mg添加鋼及び米添加鋼)をサーバサイズのVノッチ衝撃試片を加工した。また、衝撃試験は、+20〜−70゜の範囲において10℃間隔で測定した。
以下、試験結果を表1に基づいて説明する。
表1は、試片別の化学成分、EL及びP.I計算値、耐食性(孔食電位)及び張出成形性(エリクセン値)などを示す。
Cr、Mo含有量は、本発明鋼においてP.I値が21以上になるように調整した。本発明鋼を従来のMoを1%含有する比較材(試片No.8)を比べた場合、本発明鋼は、比較材と同じ水準の耐食性(孔食電位≧277mV)の値を有することが見い出された。
また、EL値計算式(式1)を用いてEL値が31以上になるようにC、N、Cr、Mo、Ti/(C+N)含有量を適正に調整した本発明鋼は、耐食性にも優れており、測定された延伸率が31.7%以上で、かつ張出成形性を示すエリクセン値が9mm以上であることが分かる。また、C/N比が1.05以下で、かつTi/(C+N)比の値が19〜25の範囲に調整された本発明鋼は、この範囲を逸脱した比較材に比べて、延伸率及びエリクセン値が優れていることが分かる。
図1は、冷却焼鈍後の20Cr−0.3Mo−Ti(試片No.7)鋼における、ASTM結晶粒度の変化に応じた延伸率の変化を示す図である。図1から明らかなように、冷却焼鈍の間、ASTM結晶粒度が6.3≦(粒度)≦7.5の範囲内で、延伸率が最も優れていることが分かる。
図2は、20Cr−Ti添加鋼の、C/N含有量に応じた延伸率の変化を示す図である。C+N含有量が120ppmの条件下で、C/N含有量比を0.39、1.05及び2に変化させた。C/N比が1.05以上だと、延伸率が低下する。
図3は、20Cr−Ti添加鋼の、C/N比の変化に応じた冷却焼鈍後のASTM結晶粒度の変化を示す図である。C/N比の値が高いほど、同じ冷却焼鈍条件下では、結晶粒度が微細化して延伸率が低下する。したがって、延伸率などの成形性を改善するためには、C/N比は1.05以下に調整しなければならない。その結果、延伸率及び張出成形性が優れていることが分かる。
図4は、20Cr−Ti添加鋼の、Ti/(C+N)比の変化に応じた冷却焼鈍後の延伸率の変化を示す図である。Ti/(C+N)比が低いほど、延伸率に優れているが、Ti/(C+N)比が18以下となると、溶接部の粒界腐食が発生する。このため、溶接部の粒界腐食及び延伸率を考慮して、Ti/(C+N)比は18〜25の範囲に調整してTiを添加することが必要である。
図5は、20Cr−Ti添加鋼の、Ca、Mg、Zrの添加及び未添加に応じた衝撃遷移温度の変化を示す図である。CaまたはCa+Mg、Ca+Zrを添加すると、衝撃遷移温度は−50℃以下に低下する。この結果、冬のように作業温度が低い場合、TIGパイプの拡管性に優れている。
Figure 0005362582
Figure 0005362582
Figure 0005362582
表1は、試料当たりの成分、EL、P.I、孔食電位、及び張出成形性(エリクセン値)を示す。

Claims (4)

  1. 下記式(1)から(4)を満たす、0.03重量%以下のC、0.5重量%以下のSi、0.5重量%以下のMn、0.035重量%以下のP、0.01重量%以下のS、18〜21重量%のCr、0.5重量%以下のMo、0.030重量%以下のN、0.5重量%以下のCu、0.05重量%以下のAl、及び0.2重量%以下のNiを含む、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼であって、各元素の割合は重量当たりのものであり、かつ合金の残余部はバランス量のFe及び不可避の不純物からなる、フェライト系ステンレス鋼。
    [式1]
    EL=−162.1×(C+N)−0.2×Cr−1.1×Mo−0.2×Ti/(C+N)+42.2≧31
    [式2]
    P.I.=Cr+3.3Mo≧21
    [式3]
    C/N≦1.05
    [式4]
    18≦Ti/(C+N)≦25
  2. さらに、0.005重量%以下のCa、0.005重量%以下のMg、0.005重量%以下のZrからなる群より選択される1つまたは2つ以上の元素を含む、請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
  3. 下記式(5)から(8)を満たす、0.03重量%以下のC、0.5重量%以下のSi、0.5重量%以下のMn、0.035重量%以下Pの、0.01重量%以下のS、18〜21重量%のCr、0.5重量%以下のMo、0.030重量%以下のN、0.5重量%以下のCu、0.05重量%以下のAl、及び0.2重量%以下のNiを含むフェライト系ステンレス鋼を提供するステップと、
    [式5]
    EL=−162.1×(C+N)−0.2×Cr−1.1×Mo−0.2×Ti/(C+N)+42.2≧31
    [式6]
    P.I.=Cr+3.3Mo≧21
    [式7]
    C/N≦1.05
    [式8]
    18≦Ti/(C+N)≦25
    熱間圧延をするために、前記フェライト系ステンレス鋼を1230〜1280℃の加熱温度にさらした後、740〜850℃の温度で仕上げをするステップと、
    900〜1000℃の範囲で前記フェライト系ステンレス鋼を焼鈍するステップと、
    冷却圧延をするために、前記フェライト系ステンレス鋼を50%以上の冷間減少率にさらすステップと、
    900〜1000℃の温度で前記フェライト系ステンレス鋼を焼鈍するステップと、
    素材の粒度を、6.3〜7.5の範囲のASTM結晶粒度に調整するステップと、
    を含む、耐食性及び張出成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼の製造方法であって、各元素の割合は重量当たりのものであり、かつ合金の残余部はバランス量のFe及び不可避の不純物からなる、フェライト系ステンレス鋼の製造方法
  4. 前記フェライト系ステンレス鋼が、0.005重量%以下のCa、0.005重量%以下のMg、0.005重量%以下のZrからなる群より選択される1つまたは2つ以上の元素を含む、請求項3に記載の製造方法。
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