JP5424917B2 - 耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼 - Google Patents

Description

本発明は、耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼に関するものである。

二相ステンレス鋼は高強度で高耐食性を有する優れた材料であるが、高価なＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等を含有しているために、歩留向上は製造コスト低減の観点から重要な課題である。しかし、耐食性および強度の面からＭｏ，Ｎ等を含有するために熱間での加工性に劣り、熱間加工中に粒界割れを起こして歩留まりが低下するという問題がある。また二相ステンレス鋼においても、フェライト系ステンレス鋼のように結晶粒界に粗大な析出物が生成してスラブ置き割れが発生する場合があり、歩留低下の観点から課題となっているのが現状である。

この置き割れは、フェライト系ステンレス鋼ではよく知られた現象である。例えば、特許文献１、２には、鋼に含まれるＣ及びＮを極力低減することにより、相対的に粗大な析出物を生成するＴｉやＮｂの添加量を抑制できることによって、スラブの置き割れを防ぐ技術が開示されている。しかし、二相ステンレス鋼の場合、オーステナイトとフェライトの二相組織であり、耐食性向上および高強度化のために高［Ｎ］濃度を含有するものであるため、耐食性を向上させるためにＣやＮ量を低減することでＴｉやＮｂ添加量を低減できるという従来のフェライト系ステンレス鋼に関する特許文献１、２は、二相ステンレス鋼に適用できるものではなかった。

一方、二相ステンレス鋼の熱間加工性を改善させるためには、例えば特許文献３や特許文献４のように、有害なＳおよびＯを低減し、さらにＣａ、ＭｇまたはＣｅを添加して有害なＳおよびＯを固定する方法が知られている。しかしながら、Ｃａ、ＭｇまたはＣｅを添加した場合には、鋼中に水溶性の硫化物が生成して耐食性を劣化させるという問題がある。

また、熱間加工性を向上させる手段として、特許文献５や特許文献６のように、鋳造組織中のδ−Ｆｅ量の制御が挙げられる。δ−Ｆｅの存在によりＳおよびＯの粒界への偏析が軽減し、熱間加工性を改善できることが知られている。しかしながら、δ−Ｆｅ量に及ぼす各成分の影響は必ずしも明確ではなく、成分設計の面からの熱間加工性改善には十分適用されているとは言えないのが現状である。

特開平８−７４００３号公報 特開平８−２９６０００号公報 特開平３−８２７３９号公報 特開平６−３３０２４３号公報 特表２００５−５０１９６９号公報 特開平４−８８１５１号公報

従来のフェライト系ステンレス鋼への置き割れ対策は、二相ステンレス鋼に適用できるものではなく、また、前記特許文献３で示した二相ステンレス鋼の置き割れ対策は、製造条件に制約があるものであった。また、熱間加工性を微量元素の添加により改善する従来技術は介在物や析出物に起因した耐食性の劣化が発生するため、耐食性の要求が厳しい二相ステンレス鋼では適用できない場合が多いのが現状である。

本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、二相ステンレス鋼において、成分およびδ−Ｆｅ量の制御により、置き割れが発生せず、かつ熱間圧延時に表面疵が発生することがない二相ステンレス鋼を提供するものである。

前記の課題を解決するために本発明者らが鋭意検討した結果、置き割れ発生の抑制に対して、ＤＦ値を所定範囲内にすることが最低限必要であることが分かった。また、本発明が対象としているような比較的Ｎ含有量が高い二相ステンレス鋼の置き割れ発生に対して、ＴｉやＮｂが従来知られていた以上に顕著に影響するという知見が得られ、この２つの要因を適正に管理することが必要であることが分かった。また、二相ステンレス鋼の熱間圧延時に発生する表面疵に対しては、ＤＦ値を所定範囲内にすることによって改善できることが分かり、特に顕著に改善したい場合には、厳密な組成規定が望ましいことが明らかとなった。本発明はこれらの知見によって完成されたものである。

即ち本発明の二相ステンレス鋼に係わる発明の要旨は、以下のとおりである。

（１） 質量％で、
質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．２〜２．０％、
Ｍｎ：０．５〜５．５％、
Ｐ：≦０．０４％、
Ｓ：≦０．００２％、
Ｃｒ：２１．０〜２６．０％、
Ｎｉ：０．６〜７．５％、
Ｍｏ：０．０５〜４．０％、
Ｎ：０．１０〜０．３０％、
さらに、
Ｔｉ：０．００３％以上で、かつ［Ｔｉ］×［Ｎ］≦０．００２０％を満足し、
Ｎｂ：０．０２％以上で、かつ［Ｎｂ］×［Ｎ］≦０．０１０％を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ下記（１）式で表されるＤＦ値が４５以上、７０以下を満足することを特徴とする耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼。
ＤＦ計算値＝７．２×（［Ｃｒ］＋０．８８［Ｍｏ］＋０．７８［Ｓｉ］）−８．９×（［Ｎｉ］＋０．０３［Ｍｎ］＋０．７２［Ｃｕ］＋２２［Ｃ］＋２１［Ｎ］）−４４．９ ・・・（１）式
上記式中に記載の［Ｔｉ］、［Ｎｂ］、［Ｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃ］は、夫々の元素の含有量（質量％）を意味し、含有されていない元素は０（質量％）とする。

（２） 質量％で、更に
Ｃｕ：０．２〜２．０％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、
Ａｌ：０．０２〜０．０７％
の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記載の耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼。

本発明に記載されている方法でステンレス鋼中の成分やＤＦ値を調整することにより、二相ステンレス鋼のスラブ置き割れや熱間圧延時の割れを抑制することができる。

ＤＦ値とスラブ置き割れの関係を調べた結果を示す図である。 ＤＦ値とヘゲ発生の関係を調べた結果を示す図である。 ［Ｔｉ］×［Ｎ］とスラブの置き割れの関係を調べた結果を示す図である。 ［Ｎｂ］×［Ｎ］とスラブの置き割れの関係を調べた結果を示す図である。

本発明者らは先に二相ステンレス鋼の置き割れ発生を抑制する方法については、ＤＦ値とフェライト相比率を所定範囲内にすることで解決できることを見出している。しかし、この方法の場合は１１００〜９００℃の温度域を制御冷却する必要があるなど製造面での制約があるものであった。
本発明ではスラブの置き割れと熱間加工割れの発生を防止するために、成分と下記（１）式で表されるＤＦ値を４５以上、７０以下に規制している。
ＤＦ計算値＝７．２×（［Ｃｒ］＋０．８８［Ｍｏ］＋０．７８［Ｓｉ］）−８．９×（［Ｎｉ］＋０．０３［Ｍｎ］＋０．７２［Ｃｕ］＋２２［Ｃ］＋２１［Ｎ］）−４４．９ ・・・（１）式
上記式中に記載の［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃ］は、夫々の元素の含有量（質量％）を意味し、含有されていない元素は０（質量％）とする。

本発明者らは本発明が対象とするＮ含有量が０．１０〜０．３０％の窒素含有二相鋼において、様々な組成におけるＤＦ値と置き割れ発生の関係を調査した。図１は、ＤＦ値とスラブの置き割れの関係の調査結果を示したものである。スラブの置き割れを目視観察した結果より、○と×に分けて評価した。○は圧延用のスラブとして全く問題ないもの、×は置き割れにより全く圧延不可能なものである。ＤＦ値は鋳片表層のδ−Ｆｅ量の指標である。（１）式で表されるように、フェライト相を安定させる元素とオーステナイト相を安定させる元素の関係で構成されており、各元素の効果は各元素間の相互関係に影響されるため係数が異なっている。この値が７０％を超えると、フェライト量が高いためにスラブの靭性が劣化して置き割れが発生する。

図２は、ＤＦ値と厚板熱間圧延後のヘゲ発生の関係を示したものである。厚板のヘゲ疵の発生状況を目視観察した結果より、○、△、×に分けて評価した。○は成品として全く問題のない程度で無手入れまたは部分手入れのもの、△は研削（全面手入れ）にて救済可能なもの、×は全く使用不可能な不合格が発生したものである。本発明においては、研削によって救済可能であることから△までを本発明の範囲であるとした。より好ましいのは○である。ＤＦ値が４５％未満では［Ｓ］を固溶するδ−Ｆｅ量が少ないため、またγ相が多いため、変形抵抗の小さいδ相と変形抵抗の大きいγ相の差により相境界で割れが発生し、ヘゲ発生が増大する。

また、前記の置き割れ調査に際してＤＦ値が７０以下であったものに対して、本願発明の特徴である［Ｔｉ］×［Ｎ］と［Ｎｂ］×［Ｎ］と置き割れ発生の関係についても調査した。図３は［Ｔｉ］×［Ｎ］とスラブの置き割れの関係を示したものである。［Ｔｉ］×［Ｎ］が０．００２０以下ではＴｉＮの析出量が少なく、フェライト相の靭性劣化を抑制できるために、置き割れを防止できる。

図４は［Ｎｂ］×［Ｎ］とスラブの置き割れの関係を示したものである。［Ｎｂ］×［Ｎ］が０．０１０以下ではＮｂＮの析出量が少なく、フェライト相の靭性劣化を抑制できるために、置き割れを防止できる。

本発明に係わる成分組成（質量％）の限定理由を各元素の作用と共に説明する。なお、成分組成に関する％は、質量％を意味する。

Ｃは強力なオーステナイト化元素であるとともに、固溶強化するので添加する場合があるが、含有量が多くなると炭化物を生成して耐食性を劣化させるため、また、強力なオーステナイト化元素でＤＦ値を著しく低下させるため、上限を０．１０％とした。また、極度にＣを低減するためには精錬時のコスト増加を招くため、下限を０．００５％とした。熱間圧延によるヘゲ疵の発生をより顕著に改善するという観点から好ましくは０．００５〜０．０３％であり、さらに好ましくは、０．００５〜０．０３％の範囲である。

Ｓｉはステンレス鋼の溶製時に脱酸剤として作用する元素であるが、本発明では熱間加工性確保の面から、２．０％以下にコントロールする必要がある。また、極度に低減するためには精錬時のコスト増加を招くことから、下限を０．２％とした。より顕著に改善できるという観点からは０．２〜０．８％にすることが望ましく、さらに好ましくは０．２〜０．６％の範囲である。

Ｍｎは脱酸剤であるとともに、熱間加工性向上させる効果があり、ＳをＭｎＳとして固定してＦｅＳの生成による赤熱脆性の発生を防止するのに有効な元素であり、その効果を発揮させるためには０．５％以上が必要である。しかし、多量に含有すると溶製中の耐火物溶損を増大させることや耐食性が劣化することになるので５．５％以下としている。０．５％未満とするには精錬工程におけるコスト増加を招くため、下限を０．５％とすることが望ましい。好ましくは０．８〜５．０％である。

Ｓは不可避不純物として含有される元素であり、熱間加工性を低下させて熱間圧延時の割れ欠陥を発生させやすくさせ、耐食性も劣化させるので、０．００２％以下としている。

Ｐは製鋼工程では不純物であるが、多量に含有されていると熱間加工性を害するので許容できる上限を０．０４％以下としている。

Ｎｉは鋼の耐食性および靭性を向上させる作用を有する元素であるが、多量に含有させると高価なものとなることから、７．５％以下としている。また熱間加工割れを抑制する効果を持つため、０．６％以上含有させる。好ましくは１．０〜７．５％である。

Ｃｒはステンレス鋼の基本元素で、耐食性および耐酸化性の向上に寄与する。二相ステンレス鋼の高耐食性を確保するため、２１．０％を下限とした。また２６．０％を超えると、ＤＦ値や［Ｔｉ］×［Ｎ］、［Ｎｂ］×［Ｎ］を規定範囲内にしても置き割れが発生してしまう。この高Ｃｒでの置き割れを防止するために、２６．０％以下とする必要がある。このため、Ｃｒは２１．０〜２６．０％とした。好ましくは２１．０〜２５．５％であり、更に好ましくは２１．０〜２５．０％である。

Ｍｏは耐食性向上に有効な元素であるはかりではなく、固溶強化の効果があり、０．０５％以上添加される。しかし、４．０％を超えると熱間加工性が急激に悪化するために、０．０５〜４．０％以下にコントロールすることとしている。好ましくは０．１〜４．０％である。

Ｎはオーステナイトの安定化などに寄与する作用を有する元素であり、同時に耐食性および強度向上に効果的な元素であるので、０．１０％以上必要である。しかし、多量に含有すると、熱間加工性起因の表面疵の問題が発生するので、上限を０．３０％とした。本発明では、Ｃｒを０．１０〜０．３０％の範囲にコントロールすることとしている。好ましくは０．１２〜０．３０％であり、更に好ましくは０．１４〜０．３０％である。

Ｔｉ、Ｎｂは原料スクラップ由来として混入する。本願発明においては、［Ｔｉ］×［Ｎ］、［Ｎｂ］×［Ｎ］を制御する目的でＴｉ、Ｎｂを低減させる場合もあるが、極度に低減するとコストが高くなるため、下限値としてＴｉ：０．００３％、Ｎｂ：０．０２％と定めた。Ｔｉ、Ｎｂは、鋼中にＴｉＮやＮｂ(Ｃ、Ｎ)を析出させ、結晶粒粗大化の抑制に有効な元素であるが、多量に添加すると、スラブの置き割れ感受性が高くなることから、［Ｎ］濃度に対応して上限を設定する必要がある。この点において、従来のフェライト系ステンレス鋼においては単にＴｉ、Ｎｂ量を一定値より低くしなければならないと考えられていたのに対し、二相ステンレス鋼においてはその特性故に含有するＮと、Ｔｉ及びＮｂとの関係を一定範囲内にすることで、フェライト系ステンレス鋼の置き割れ抑制の観点からＴｉ、Ｎｂ量が従来高いとされていた範囲においても二相ステンレス鋼においては置き割れが防止できるという画期的な知見を得た。また、前記Ｎ量範囲内においてＤＦ値と、［Ｔｉ］×［Ｎ］および［Ｎｂ］×［Ｎ］とを規制することによって、本発明者らが先に見出した凝固時の１１００〜９００℃間でのトータル時間を４０分以上とする操作を行うことなく、置き割れ性に優れた二相ステンレス鋼を得られる。

Ｃｕは原料スクラップ由来として不可避に０．１％程度まで含有され得るが、本発明の効果を損なうものではない。そして、Ｃｕはオーステナイト安定化元素であり、耐食性を改善する作用を有する元素であるため、耐食性改善のためには、０．２％以上を含有させることが望ましい。しかし、二相ステンレス鋼では多量に含有すると熱間加工性を害するので、２．０％以下とするのが望ましい。好ましくは、０．２〜１．８％である。

Ａｌは不可避不純物として０．００２％まで混入し得るが、本発明の効果を損なうものではない。また、Ａｌは脱酸剤としての効果を有する元素であり、脱酸剤として作用させる場合には０．０２％以上添加する。しかし、Ａｌを過剰に含有すると有害な硬質酸化物が生成し、圧延時の表面ヘゲ疵が発生するため、０．０７％以下とするが、０．０６％以下とするのが望ましい。更に好ましくは０．０５％以下である。

ＣａはＳを固定して、熱間加工性を改善できるので、その効果を得るためには０．０００５％以上添加するが、多量に添加すると有害な硬質酸化物が生成し、圧延時のヘゲ疵となるため、上限を０．００３％とする。Ｃａを添加する場合は０．００１〜０．００３％とするのが望ましい。

表１に示す化学成分で、残部がＦｅおよび不可避的な不純物からなるＮｏ．１〜３８のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼を電気炉、ＡＯＤ工程で溶製し、２００ｍｍ厚の連続鋳造スラブを製造した。この際、１１００〜９００℃の温度域の冷却時間は２０分とした。その後、スラブ表面温度が４０℃以下に低下した後に表面性状を観察し、置き割れの有無を確認した。これらのスラブは１１４０〜１２００℃まで加熱し、１０〜３０ｍｉｎの時間を均熱保持した後に、厚板圧延ラインで１０ｍｍ厚まで熱間圧延を行った。

前記のようにスラブの置き割れを評価したところ、本発明鋼は全て置き割れが発生していなかった。本発明鋼１６は、前記先行文献１に記載されていたフェライト系ステンレス鋼の置き割れ対策として規定されているＴｉ＋Ｎｂの含有量を超えているにも関わらず、置き割れが発生していない。このことからも、二相ステンレス鋼の置き割れに対しては、本発明のようにＤＦ値、［Ｔｉ］×［Ｎ］、及び［Ｎｂ］×［Ｎ］を管理することが重要であることが分かる。

厚板のヘゲ疵の発生状況を前記のように、○（良好）、△（やや劣るが許容範囲内）、×（不適）に分けて評価した。本発明鋼１〜２４のヘゲ疵評価は全て○、又は△であった。また、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃａをそれぞれ規定範囲内に制御することによって、ヘゲ疵が顕著に低減できることが分かった。

これに比べて比較鋼２５はＤＦ値が高すぎるため、置き割れが発生した。比較鋼２６はＤＦ値が低すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼２７は［Ｔｉ］×［Ｎ］が高く、比較鋼２８は［Ｎｂ］×［Ｎ］が高く、比較鋼２９は［Ｎｂ］×［Ｎ］及び［Ｔｉ］×［Ｎ］が高いため、置き割れが発生した。

比較鋼３０はＣが高すぎるため、ＤＦ値が低くなり、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３１はＳｉが高すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３２はＳが高すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３３はＰが高すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３４はＣｒが高すぎるため、スラブの置き割れが発生した。比較鋼３５はＮｉが高すぎるため、ＤＦ値が低くなり、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３６はＭｏが高すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３７はＮが高すぎるため、ヘゲ疵が発生した。比較鋼３８は、［Ｎｂ］×［Ｎ］が高いため、置き割れが発生した。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．００５〜０．１０％、
   Ｓｉ：０．２〜２．０％、
   Ｍｎ：０．５〜５．５％、
   Ｐ：≦０．０４％、
   Ｓ：≦０．００２％、
   Ｃｒ：２１．０〜２６．０％、
   Ｎｉ：０．６〜７．５％、
   Ｍｏ：０．０５〜４．０％、
   Ｎ：０．１０〜０．３０％、
   さらに、
   Ｔｉ：０．００３％以上で、かつ［Ｔｉ］×［Ｎ］≦０．００２０％を満足し、
   Ｎｂ：０．０２％以上で、かつ［Ｎｂ］×［Ｎ］≦０．０１０％を満足し、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ下記（１）式で表されるＤＦ値が４５以上、７０以下を満足することを特徴とする耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼。
   ＤＦ計算値＝７．２×（［Ｃｒ］＋０．８８［Ｍｏ］＋０．７８［Ｓｉ］）−８．９×（［Ｎｉ］＋０．０３［Ｍｎ］＋０．７２［Ｃｕ］＋２２［Ｃ］＋２１［Ｎ］）−４４．９ ・・・（１）式
   上記式中に記載の［Ｔｉ］、［Ｎｂ］、［Ｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］、［Ｎｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］および［Ｃ］は、夫々の元素の含有量（質量％）を意味し、含有されていない元素は０（質量％）とする。
2. 質量％で、更に
   Ｃｕ：０．２〜２．０％、
   Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、
   Ａｌ：０．０２〜０．０７％
   の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記載の耐スラブ置き割れ性および熱間加工性に優れた二相ステンレス鋼。

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