JP5387802B1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、本発明は、フェライト系ステンレス鋼の溶接で、溶接部材の形状などが原因で十分なガスシールドを行えないために、シールドガスに窒素が混入し溶接ビードの窒素含有量が増加して鋭敏化が発生するような溶接条件において、優れた耐食性を有し、溶接施工性も良好なフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
はじめに、溶接ビードの窒素含有量におよぼすシールドガスの窒素濃度の影響を調査した。表1のNo.1に示すフェライト系ステンレス鋼を用いて、Arベースのシールドガスの窒素濃度を0〜2vol%の範囲で変化させてビードオンプレート(Bead on Plate)のTIG溶接(溶接電流90A、溶接速度60cm/min、板厚0.8mm、表シールドガス流量15L/min、裏シールドガス流量10L/min)を行い、溶接ビードの窒素含有量を測定した。結果を図1に示す。
本発明は、上記の得られた知見に基づき、更に検討を加えてなされたもので、本発明の要旨は以下の通りである。
0.6≦Si+Al+Ti≦1.8 ・・・・(1)
Nb+1.3Ti+0.9V+0.2Al>0.55 ・・・・(2)
なお、式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表わす。
[2]更に、質量%で、Zr:1.0%以下、W:1.0%以下、REM:0.1%以下、Co:0.3%以下、B:0.1%以下の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする上記[1]に記載の溶接部の耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
1.成分組成について
はじめに、本発明の鋼の成分組成を規定した理由を説明する。なお、成分%は、すべて質量%を意味する。
Cは鋼に不可避的に含まれる元素である。C量が多いと強度が向上し、少ないと加工性が向上する。十分な強度を得るためには0.001%以上の添加が適当である。0.030%を超えると加工性の低下が顕著となるうえ、Cr炭化物を析出して局所的なCr欠乏による耐食性の低下を起こしやすくなる。よって、C量は0.001〜0.030%の範囲とする。好ましくは、0.002〜0.018%の範囲である。より好ましくは0.003〜0.015%の範囲である。さらに好ましくは0.003〜0.010%の範囲である。
Siは脱酸に有用な元素であるが、本発明では、溶接によって形成されるテンパーカラーにAlやTiとともに濃縮して酸化皮膜の保護性を向上させ、溶接部の耐食性を良好なものとする重要な元素である。シールドガスから窒素が侵入するような溶接条件においては、AlとTiは侵入した窒素と結合して析出してしまうため、テンパーカラーへの濃縮は減少する。そのため、本発明においてはテンパーカラーの保護性向上にSiが果たす役割は相対的に大きなものとなる。その効果は0.3%超の添加で得られる。しかし、0.55%を超えると、加工性の低下が顕著となり、成型加工が困難となる。よって、Si量は0.3超〜0.55%の範囲とする。好ましくは、0.33〜0.50%の範囲である。より好ましくは、0.35〜0.48%の範囲である。
Mnは鋼に不可避的に含まれる元素であり、強度を高める効果がある。その効果は0.05%以上の添加で得られるが、過剰の添加は腐食の起点となるMnSの析出を促進し、耐食性を低下させるため、0.50%以下とするのが適当である。よって、Mn量は0.05〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.08〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.09〜0.35%の範囲である。
Pは鋼に不可避的に含まれる元素であり、過剰な含有は溶接性を低下させ、粒界腐食を生じやすくさせる。その傾向は0.05%を超えると顕著となる。よって、P量は0.05%以下とした。好ましくは0.04%以下である。
Sは鋼に不可避的に含まれる元素であるが、0.01%を超えると耐食性を低下させる。よって、S量は0.01%以下とする。より好ましくは0.006%以下である。
Crはステンレス鋼の耐食性を確保するために最も重要な元素である。19.0%未満の添加では溶接による酸化で表層のCrが減少する溶接ビードやその周辺において十分な耐食性が得られない。一方28.0%を超えて添加すると、加工性、製造性が低下するため、Cr量は19.0〜28.0%の範囲とする。好ましくは、21.0〜26.0%の範囲である。より好ましくは21.0〜24.0%である。
Niはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素であり、不動態皮膜(passivation film)が形成できず活性溶解が起こる腐食環境において腐食の進行を抑制する元素である。その効果は0.01%以上の添加で得られる。しかし、0.30%以上の添加では、加工性を低下させることに加えて、高価な元素であるためコストの増大を招く。よって、Ni量は0.01〜0.30%未満の範囲とする。好ましくは、0.03〜0.24%の範囲である。
Moは不動態皮膜の再不動態化を促進し、ステンレス鋼の耐食性を向上する元素である。Crとともに含有することによってその効果はより顕著となる。Moによる耐食性向上効果は0.2%以上の添加で得られる。しかし、3.0%を超えると強度が増加し、圧延負荷が大きくなるため製造性が低下する。よって、Mo量は0.2〜3.0%の範囲とする。好ましくは、0.6〜2.4%の範囲である。さらに好ましくは0.6〜2.0%の範囲である。
Alは脱酸に有用な元素であり、本発明ではSi、Tiとともに溶接によって形成されるテンパーカラーに濃縮し、溶接部の耐食性を向上させる元素である。加えて、シールドガスから溶接ビードに窒素が侵入した場合に、Crと窒素が結合して析出し鋭敏化が起こることを抑制する効果がある元素でもある。これは、Crよりも窒素との親和力が大きいAlがシールドガスから溶接ビードに侵入した窒素とAlNを形成して、Cr窒化物の形成を妨げるためと考えられる。この効果は、0.08%超の添加で得られる。しかし、1.2%を超えて添加するとフェライト結晶粒が増大し、加工性や製造性が低下する。よって、Al量は0.08超〜1.2%の範囲とする。好ましくは、0.09〜0.8%の範囲である。更に好ましくは0.10〜0.40%の範囲である。
Vは耐食性や加工性を向上させる元素であり、本発明では、シールドガスから溶接ビードに窒素が侵入した場合に、窒素と結合してVNとなることによって鋭敏化を抑制する元素である。その効果は、0.02%以上の添加で得られる。しかし、0.50%を超えて添加すると、逆に加工性を低下させる。よって、V量は0.02〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.03〜0.40%の範囲である。
Cuは原料スクラップから混入する可能性のある不純物であるが、本発明のCr含有量、Mo含有量を有する耐食性に優れたフェライト系ステンレス鋼では不動態維持電流を増加させて不動態皮膜を不安定とし、耐食性を低下させる作用がある。この耐食性低下作用はCu量が0.1%以上で顕著となる。そのため、Cu量は0.1%未満とする。
NbはC,Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。そのため、本発明では、シールドガスからの窒素侵入による鋭敏化を抑制するために重要な元素であり、その効果は0.005%以上で得られる。しかし、0.50%を超える添加は熱間強度が増加して熱間圧延の負荷が増大し、製造性が低下する。また、溶接部の結晶粒界に析出して溶接割れを起こしやすくなる。よって、Nb量は0.005〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.01〜0.38%の範囲である。さらに好ましくは0.01〜0.38%の範囲である。さらに好ましくは0.05〜0.35%の範囲である。
TiはC,Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。本発明では、シールドガスからの窒素侵入による鋭敏化を抑制するために重要な元素である。さらに溶接部のテンパーカラーにSi、Alとともに複合的に濃縮し、酸化皮膜の保護性を向上させる元素でもある。その効果は、0.05%以上で得られる。しかし、0.50%を超えて添加すると加工性が低下するとともに、Ti炭窒化物が粗大化し、表面欠陥を引き起こす。よって、Ti量は0.05〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.08〜0.38%の範囲である。
Nは、Cと同様に鋼に不可避的に含まれる元素であり、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。その効果は0.001%以上で得られる。しかし、Cr窒化物を析出した場合には、耐食性を低下させるため、0.030%以下の添加が適当である。よって、N量は0.001〜0.030%の範囲とする。好ましくは、0.002〜0.018%の範囲である。
なお、式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表わす。
Si、Al、Tiはいずれも酸素との親和力が強く、ステンレス鋼が酸化されて酸化スケールが形成された場合には酸化スケールの下層(地鉄側)に濃縮して存在する。ステンレス鋼にこれらの元素がいずれも含有されている場合、Si、Al、Tiが複合的に酸化されて形成されるSi、Al、Tiの濃化層は緻密で保護性のよい酸化皮膜となるため、これらの元素の含有量が低い場合と比較して、耐食性に優れた酸化皮膜となる。その効果はS値が0.6以上で得られる。しかし、図3に示したように、シールドガスから溶接ビードに窒素が侵入するような溶接条件では、後述するN値が0.55以上のときにはじめて溶接部のテンパーカラーの耐食性を向上させる効果が明確となる。このことから、Si、Al、Tiの保護効果はN値の効果と複合的に作用して溶接部の耐食性を向上させることが示唆される。一方、S値が1.8を超えると、酸化皮膜の結晶性が高まり、金属イオンなどの透過を抑制する効果が低下する。そのため、図3に示したようにS値が1.8を超えると耐食性が再び低下する。以上の結果から、S値は0.6以上1.8以下とする。好ましくは0.6以上1.4以下である。
なお、式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表わす。
本発明で取り扱っている溶接ビードの鋭敏化は、シールドガスから溶接ビードに侵入する窒素がCrと結合してCr窒化物を形成し、局所的なCr欠乏領域が生成されることが主な原因である。これを抑制するためにはCrよりもNとの親和力の大きい元素の添加が有効であると考えられる。TiやNbはC、Nの安定化元素としてよく知られているが、シールドガスから窒素侵入が起こる溶接条件における溶接ビードでは、今回新たにAlやVにC、Nの安定化効果があることが明らかとなった。図2に示したように溶接ビードの再活性化率の対数がN値に比例することから、それぞれの元素の質量%に対する効果はTi>Nb>V>Alの順に強い。N値が0.55超では溶接ビードの再活性化率は0.01%以下となりほとんど鋭敏化が起こっていない。よってN値は0.55超とする。
溶接ビードの析出物を、SEM(Scanning Electron Microscope)を用いて観察したところ、TiやNbの炭窒化物に複合して、AlやVが存在していることが確認された。このようにTiやNbの炭窒化物を核にしてAlN、VNの析出が促進されることで、VやAlが窒素の安定化元素としての作用をより発揮できるようになったと考えられる。
ZrはC、Nと結合して、鋭敏化を抑制する効果がある。その効果は0.01%以上の添加で得られる。しかし、過剰の添加は加工性を低下させるうえ、非常に高い元素であるためコストの増大を招く。よって、Zrを添加する場合は、Zr量は1.0%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.2%以下である。
WはMoと同様に耐食性を向上する効果がある。その効果は0.01%以上の添加で得られる。しかし、過剰の添加は強度を上昇させ、製造性を低下させる。よって、Wを添加する場合は、W量は1.0%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.2%以下である。
REM(希土類元素)は耐酸化性を向上して、酸化スケールの形成を抑制し、溶接部のテンパーカラー直下のCr欠乏領域の形成を抑制する。その効果は0.0001%以上の添加で得られる。しかし、過剰の添加は酸洗性などの製造性を低下させるうえ、コストの増大を招く。よって、REMを添加する場合は、REM量は0.1%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.05%以下である。
Coは靭性を向上させる元素である。その効果は0.001%以上の添加で得られる。しかし、過剰の添加は製造性を低下させる。よって、Coを添加する場合は、Co量は0.3%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.1%以下である。
Bは二次加工脆性を改善する元素であり、その効果を得るためには、0.0001%以上の含有が適当である。しかし、過剰の含有は、固溶強化による延性低下を引き起こす。よって、Bを含有する場合は、B量は0.1%以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.05%以下である。
次に本発明鋼の好適製造方法について説明する。上記した成分組成の鋼を、転炉(converter furnace)、電気炉(electric furnace)、真空溶解炉(vacuum melting furnace)等の公知の方法で溶製し、連続鋳造法(continuous casting)あるいは造塊(ingot casting)−分塊法(slabbing)により鋼素材(スラブ slab)とする。この鋼素材を、その後1100〜1300℃に加熱後、仕上温度を700℃〜1000℃、巻取温度を500℃〜850℃として板厚2.0mm〜5.0mmに熱間圧延を施す。こうして作製した熱間圧延鋼帯(hot rolled strip)を800℃〜1200℃の温度で焼鈍(anneal)し酸洗(acid picking)を行い、次に、冷間圧延を行い、700℃〜1100℃の温度で冷延板焼鈍を行う。冷延板焼鈍後には酸洗を行い、スケールを除去する。スケールを除去した冷間圧延鋼帯にはスキンパス圧延を行ってもよい。
表1に示すステンレス鋼を真空溶製し、1200℃に加熱したのち、板厚4mmまで熱間圧延し、850〜1050℃の範囲で焼鈍し、酸洗によりスケールを除去した。さらに、板厚0.8mmまで冷間圧延し、800℃〜1000℃の範囲で焼鈍し、酸洗を行い、供試材とした。なお、表1のS値はSi+Al+Tiで、N値はNb+1.3Ti+0.9V+0.2Al(式中の元素は質量%)で、それぞれ定義される。
作製した溶接ビードを含む20mm角の試験片を採取し、10mm角の測定面を残してシール材で被覆し、溶接によるテンパーカラーを付けたまま30℃の3.5%NaCl溶液中で孔食電位を測定した。試験片の研磨や不動態化処理は行わなかった。それ以外の測定方法はJIS G 0577(2005)に準拠した。測定した孔食電位V’C100を表2に示す。
本発明例ではいずれも腐食が確認されなかったのに対して、比較例ではいずれも腐食が確認された。発明例の溶接ビードの耐食性が優れていることが分かる。
No.4、No.13からCrが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。No.6、No.8からMoが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。No.5〜7からAlが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。No.8、No.9からVが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。
No.10〜No.12 からNbおよびTiが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。No.4、No.5、No.11、No.13〜18からCu、Zr、W、REM、Co、Bが本発明の範囲内であれば溶接部の耐食性が良好であることが分かる。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.001〜0.030%、Si:0.3超〜0.55%、Mn:0.05〜0.50%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、Cr:19.0〜28.0%、Ni:0.01〜0.30%未満、Mo:0.2〜3.0%、Al:0.08超〜1.2%、V:0.02〜0.50%、Cu:0.1%未満、Nb:0.005〜0.50%、Ti:0.05〜0.50%、N:0.001〜0.030%を含有し、下記式(1)および式(2)を満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
0.6≦Si+Al+Ti≦1.8 ・・・・(1)
Nb+1.3Ti+0.9V+0.2Al>0.55 ・・(2)
なお、式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表わす。 - 更に、質量%で、Zr:1.0%以下、W:1.0%以下、REM:0.1%以下、Co:0.3%以下、B:0.1%以下の中から選ばれる1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。
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