JP5435179B2 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

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Description

本発明は、溶接によって構造体の作製が行われる用途、たとえば、マフラー等の自動車排気系材料、電気温水器の貯湯用缶体材料や、建具・換気口・ダクト等の建築用材料などにおける、溶接部の鋭敏化(sensitization)が起こりにくく、かつ、溶接部のテンパーカラー(temper color)の耐食性が優れ、かつ、2重溶接を行った溶接ビード(welding bead)の溶接割れ(weld crack)が起こりにくいフェライト系ステンレス鋼(ferritic stainless steel)に関する。
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼(austenitic stainless steel)と比較して耐食性(corrosion resistance)に対する高いコストパフォーマンスや熱伝導率(heat thermal conductivity)が良好で熱膨張係数(coefficient of thermal expansion)が小さい、応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking)が起こりにくいなど種々の優れた特性から、自動車排気系部材、屋根・建具などの建材、キッチンや貯水・貯湯タンクなどの水まわり用材料など幅広い用途に適用されてきた。
これらの構造物の作製にあたっては、ステンレス鋼の鋼板を適当な形状に切断・成形したのち溶接により接合される場合が多い。しかし、フェライト系ステンレス鋼では、3枚の板が接合される個所や円周溶接の始端と終端などの溶接ビードの上を再び溶接する2重溶接部において、溶接割れが発生することがある。溶接部材の形状の複雑化にともない、こういった2重溶接部が増加し、溶接割れの発生が問題となっている。
また、2重溶接部は平坦でなく、表面にスケールが存在する部分を再度溶接するため、溶接ビードに酸素や窒素などを取り込みやすく耐食性が低下しやすいという問題もある。しかし、従来技術には、こういった2重溶接部の問題に取り組んだ知見はあまり見られない。
特許文献1には耐食性および溶接性に優れるフェライト系ステンレス鋼が開示されている。これは、Mgの添加とS含有量の適正化により、耐食性と溶接の溶け込み性を両立させたフェライト系ステンレス鋼であるが、2重溶接部の割れや耐食性については全く触れられていない。実際に、特許文献1に開示されるフェライト系ステンレス鋼を溶接すると、2重溶接部で割れが発生する場合がある。
特許文献2には溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。しかし、これは溶接の溶け込み性と溶接後の加工性が改良されたフェライト系ステンレス鋼であり、溶接割れなどの2重溶接部の問題には触れられていない。
特開平8−246105号公報 特開2009−91654号公報
従来技術の抱える上記のような問題点に鑑み、本発明は、フェライト系ステンレス鋼の溶接において、2重溶接を行った際に、溶接部の鋭敏化が起こりにくく、かつ、溶接部のテンパーカラーの耐食性が優れ、かつ、溶接ビードの溶接割れが起こりにくい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。
本発明では、上記課題を解決するために、2重溶接における溶接割れにおよぼす各種元素の影響について鋭意研究を行った。なお、2重溶接とは、同じ場所を2回もしくは複数回溶接することを意味する。2重溶接部とは、たとえば円周上を溶接した時の溶接始端と終端の溶接ビードの重なり部分や十字に溶接した時の溶接ビードの重なり部分など、2重溶接によって溶融・凝固の過程が2回以上繰り返される部分およびその周辺を意味する。
2重溶接によって溶接割れが発生した部分を切り出し、破断面をSEM(Scanning Electron Microscope)により観察した。破断面にはフィルム状のNbの析出(precipitation)が確認された。比較として、溶接割れが発生しなかった部分を切り出しSEMによる観察を行うと、前記破断面に見られたようなフィルム状のNbの析出物は確認できなかった。溶接割れの発生にフィルム状のNbの析出が影響していると考えられる。
2重溶接部の溶接割れにおよぼす各種成分の影響を調査したところ、PおよびNbの含有量が少ない鋼では溶接割れが起こらないことが明らかとなった。種々のフェライト系ステンレス鋼にビードオンプレート(bead on plate)で十字溶接を行い、光学顕微鏡にて2重溶接部の溶接割れの有無を確認した。結果を図1に示す。図1中で、○が溶接割れの確認されなかったもの、×が溶接割れの確認されたものである。Nbが0.05%未満、Pが0.03%以下、Nb×Pが0.0005以下の範囲では、溶接割れが起こっていないことが分かる。
Nb含有量を低減することで溶接割れの防止となることが明らかとなった。しかし、Nbは溶接ビードの鋭敏化抑制に有効な元素であるため、Nb低減によって鋭敏化が起こりやすくなる懸念がある。また、2重溶接部は表面が平坦でなく、スケールが形成されていることから、溶接ビードに不純物を取り込みやすく、鋭敏化には不利な溶接条件である。そこで、溶接ビードの鋭敏化におよぼす各種元素の影響を調査した。その結果、NbのほかにVとAlが溶接部の鋭敏化抑制に有効であることが明らかとなった。これは、VとAlがそれぞれVN、AlNを形成することでCr窒化物(Cr nitride)の形成を抑制するためと考えられる。
さらに、溶接ビードにはテンパーカラーと呼ばれる酸化皮膜(oxide layer)が形成されることで鋭敏化と同様にCr欠乏がおこり耐食性が低下するため、テンパーカラーの耐食性におよぼす各種元素の影響を評価した。その結果、Si、Al、Tiがテンパーカラーに濃縮することで、緻密な保護性のよい酸化皮膜となる。さらに、溶接による酸化量が抑えられ酸化によるCr欠乏が抑制されるため、Si、Al、Tiの含有量が適切であれば、溶接ビードの耐食性が向上することを知見した。
本発明は、上記知見に基づき、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。
[1] 質量%で、C:0.001〜0.030%、Si:0.03〜0.80%、Mn:0.05〜0.50%、P:0.03%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:0.15超〜1.2%、V:0.02〜0.50%、Cu:0.1%未満、Ti:0.05〜0.50%、N:0.001〜0.030%を含有し、Nb:0.05%未満とし、下記式(1)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。
Nb×P≦0.0005 ・・・・(1)
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]に記載のフェライト系ステンレス鋼。
本発明により、2重溶接を行った際に、溶接部の鋭敏化が起こりにくく、かつ、溶接部のテンパーカラーの耐食性が優れ、かつ、溶接ビードの溶接割れが起こりにくいフェライト系ステンレス鋼が得られる。
2重溶接部の溶接割れにおよぼすNb含有量およびP含有量の影響を説明する図である。 十字溶接の模式図である。
以下に本発明の構成要件の限定理由について説明する。
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:0.001〜0.030%
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%以上の含有が適当であるが、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。さらに好ましくは0.002〜0.010%の範囲である。
Si:0.03〜0.80%
Siは脱酸に有用な元素であり、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。その効果は0.03%の添加で得られる。しかし、0.80%を超える添加は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0.03〜0.80%の範囲とする。より好ましくは0.30超〜0.80%の範囲とする。さらに好ましくは、0.33〜0.50%の範囲である。
Mn:0.05〜0.50%
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、0.50%を超える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、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。
P:0.03%以下
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する。さらに、本発明では、Pの増加が2重溶接部の溶接割れを発生させることを知見した。Pの増加によってフェライト系ステンレス鋼の凝固温度が低下することでNb炭窒化物が液相から析出してフィルム状となり、凝固の過程での溶融池の流動を妨げ、結晶粒の形成を阻害するために、Pの含有量が多いフェライト系ステンレス鋼では溶接割れが発生しやすくなると考えられる。2重溶接において溶接割れの傾向がより顕著となるのは、溶融、凝固の過程を繰り返すことで、よりNbが濃縮され析出しやすくなるためと考えられる。Pの含有量が0.03%を超えると溶接割れへの影響が顕著となる。よって、Pの含有量は0.03%以下とする。好ましくは0.025%以下である。
S:0.01%以下
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CaSやMnSなどの水溶性硫化物の形成が促進され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。さらに好ましくは0.003%以下である。
Cr:19.0〜28.0%
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:0.01〜0.30%未満
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。さらに好ましくは0.03〜0.15%未満の範囲である。
Mo:0.2〜3.0%
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。さらに好ましくは、0.8〜1.3%の範囲である。
Al:0.15超〜1.2%
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、Crよりも窒素との親和力が大きいAlがAlNを形成して、Cr窒化物の形成を妨げることで、溶接ビードの鋭敏化を抑制する元素でもある。この効果は、0.15%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0.15超〜1.2%の範囲とする。好ましくは、0.17〜0.8%の範囲である。
V:0.02〜0.50%
Vは耐食性や加工性を向上させる元素であり、溶接割れを起こしにくくする元素である。さらに、窒素と結合してVNとなることによって溶接部の鋭敏化を抑制する元素でもある。溶接部の鋭敏化抑制にはNbとTiの複合添加が有効であることが知られているが、本発明では、2重溶接部の溶接割れ防止のためにNbの含有量を抑制する必要がある。しかし、Ti単独添加では十分な鋭敏化抑制効果が得られない場合がある。そのため、Nbの代替としてVおよびAlの添加が溶接部の鋭敏化抑制に有効である。その効果は、0.02%以上の添加で得られる。しかし、0.50%を超える添加は逆に加工性を低下させる。よって、Vの含有量は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:0.1%未満
Cuは不可避的に含まれる不純物であるが、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。
Ti:0.05〜0.50%
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、溶接部の鋭敏化を抑制するために重要な元素であり、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%以上の添加で得られる。しかし、0.50%を超える添加は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。さらに好ましくは、0.25〜0.35%の範囲である。
N:0.001〜0.030%
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%以下の含有が適当である。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。さらに好ましくは、0.007〜0.011%の範囲である。
Nb:0.05%未満
Nbは、一般的には、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とされているが、2重溶接部にフィルム状に析出することで、2重溶接部の溶接割れを発生させる元素であり、その添加量は低い方が好ましい。溶接割れは0.05%以上の添加で顕著となる。よって、Nb量は0.05%未満とする。好ましくは、0.02%未満である。
Nb×P:0.0005以下
なお、式中の元素記号は各元素の含有量(質量%)を表わす。
2重溶接部にはフィルム状のNbが析出することで溶接割れが発生する。Nbの析出はおもにNbの含有量とPの含有量の積に依存しており、図1に示したようにNb×Pが0.0005超で溶接割れが顕著となる。よって、Nb×Pは0.0005以下とする。
以上が本発明の基本化学成分であり、残部はFe及び不可避的不純物からなるが、更に、耐食性、靭性を向上する目的でZr、W、REM、Co、Bを選択元素として添加してもよい。
Zr:1.0%以下
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:1.0%以下
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0.5%以下である。
REM:0.1%以下
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0.001%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。
Co:0.3%以下
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:0.1%以下
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0.01%以下である。
2.製造条件について
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℃として熱間圧延を行い、板厚2.0mm〜5.0mmの鋼帯に仕上げる。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℃〜1000℃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。
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
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、800〜1000℃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。
Figure 0005435179
作製した供試材にビードオンプレートのTIG溶接で図2に示すような十字溶接を行った。溶接電流は90A、溶接速度は60cm/minとした。シールドガスは、表側(トーチ側)、裏側ともに100%のArガスを使用し、流量は表側が15L/min、裏側が10L/minとした。表側の溶接ビードの幅はおよそ4mmであった。
作製した溶接ビードの2重溶接部を光学顕微鏡を用いて溶接割れの有無を確認した。結果を表2に示す。
Figure 0005435179
発明例であるNo.1〜No.15、No.22、No.23には溶接割れは発生しなかったが、比較例であるNo.16、No.18〜No.21のうち、NbおよびNb×Pが発明の範囲から外れるNo.16、Pが発明の範囲から外れるNo.20、Nb×Pが発明の範囲から外れるNo.21では溶接割れが確認された。これらの溶接割れ部分を切り出しSEMにて破断面を観察したところ、いずれのサンプルにおいてもフィルム状のNbの析出が確認された。
溶接割れの確認されたNo.16、No.20、No.21を除いて、作製した溶接ビードの2重溶接部を含む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質量%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。発明例であるNo.1〜No.15、No.22、No.23では、いずれもV’c100が0mVvs SCE以上となったのに対し、比較例であるNo.18〜No.19では、いずれもV’c100が0mV vs SCE未満となっており、発明例の耐食性が優れていることが確認された。
また、表1のNo.1〜No.23について、2重溶接部の溶接ビードを含む40×40mmの試験片を採取し、表側を試験面としてJIS H 8502(1999)の中性塩水噴霧サイクル試験(neutral salt spray cyclic corrosion test)を実施した。サイクル数は3サイクルとした。試験後、溶接ビードの腐食の有無を目視により確認した。結果を表2に示す。発明例であるNo.1〜No.15、No.22、No.23では、いずれも腐食が確認されなかったのに対して、比較例であるNo.16、No.18〜No.21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確認された。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、溶接によって構造体の作製が行われる用途、たとえば、マフラー等の自動車排気系材料、電気温水器の貯湯用缶体材料や建具・換気口・ダクト等の建築用材料などへの適用に好適である。

Claims (2)

  1. 質量%で、C:0.001〜0.030%、Si:0.03〜0.80%、Mn:0.05〜0.50%、P:0.03%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:0.15超〜1.2%、V:0.02〜0.50%、Cu:0.1%未満、Ti:0.05〜0.50%、N:0.001〜0.030%を含有し、Nb:0.05%未満とし、下記式(1)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。
    Nb×P≦0.0005 ・・・・(1)
    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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