JP5464037B2 - オーステナイト系ステンレス鋼、ステンレス鋼製品およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、特許文献28、29をはじめ特許文献30〜32には、有効な強化元素であるC、Nの含有量を高めることにより優れた高温強度および耐酸化性を有する材料が開示されている。
特許文献28、29により開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、REM(Rare Earth Metal)、具体的にはLaおよびCeの添加によってCrを含む酸化物の成長および剥離を抑制し、これにより、耐酸化性を大幅に向上させるものである。
さらに別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る製造方法により製造されたオーステナイト系ステンレス鋼に、加工および/または熱処理を行うことを特徴とするステンレス鋼製品の製造方法である。
はじめに、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成の限定理由を説明する。なお、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の組成は、上述した特許文献28により開示された高温用オーステナイト系ステンレス鋼の化学組成に基本的に準じており、略述するとC、Nの上限値のみが上昇したものである。
Cは、オーステナイト組織を安定化させるとともに、有効な強化元素である。C含有量が0.05%未満ではこの効果を充分に得られない。他方、C含有量が0.20%を超えると、後述する最終工程の熱処理および使用環境への加熱後の冷却時に、材料の表面における粒界に粗大な塊状炭化物が析出し、耐熱性および加工性がともに劣化する可能性が高くなり、この場合、ステンレス鋼の最大特徴である耐食性の劣化も避けられない。このため、C含有量は0.05%以上0.20%以下とする。C含有量は、0.18%以下であることが好ましい。なお、本発明では、C含有量は、溶解時に調整されるだけではなく、上記最終工程での熱処理によっても調整されるが、この最終工程での熱処理の前におけるC含有量は、前述のように低い方が望ましく、素材の熱間加工性等を勘案して、溶解時には0.15%以下に調整しておくことが好ましい。
Siは、溶解時の脱酸元素であるが、Si含有量の増加によって後述する最終工程での熱処理におけるC、Nの吸収が抑制されると考えられ、オーステナイト組織の安定度を低下させる。そこで、Si含有量は1.0%未満とする。好ましくは、0.4%未満である。
Mnは、Siと同様に脱酸元素であるが、オーステナイト組織を安定化させる。ただし、過度に含有すると、耐酸化性を劣化させる。このため、Mn含有量は2.0%以下とする。Mn含有量は、好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは、0.5%以下である。
P含有量は、高温強度を確保するために少ない方が望ましく、製造性と経済性を勘案して、0.04%以下とする。
S含有量は、高温強度を確保するために少ない方が望ましく、製造性と経済性を勘案して、0.01%以下とする。
Crは、耐酸化性および高温強度を向上させる有効な元素である。Cr含有量が20.0%未満ではこの効果を充分に得られない。他方、Cr含有量が30.0%を超えると、オーステナイト組織が不安定となり、粗大な炭窒化物の析出によって耐熱性および加工性がともに劣化する。そこで、Cr含有量は20.0%以上30.0%以下とする。Cr含有量は、好ましくは21%以上25%以下である。
Niは、オーステナイト組織の安定化および耐熱性の向上に重要な元素である。Ni含有量が10.0%未満ではこの効果が小さい。他方、Niは、高価な元素であるとともに、含有量が15%を超えると溶接性が著しく阻害される。そこで、Ni含有量は10.0%以上15.0%以下とする。Ni含有量は、好ましくは10%以上13%以下である。
Nは、オーステナイト組織を安定化させるとともに、有効な強化元素である。N含有量が0.10%未満ではこの効果を充分に得られない。しかし、N含有量が0.42%を超えると、後述する最終工程での熱処理および使用環境への加熱後冷却時に、材料に粗大な化合物が析出し、耐熱性および加工性がともに劣化する可能性が高くなる。このため、N含有量は0.10%以上0.42%以下とする。N含有量は、好ましくは0.38%以下である。なお、N含有量は、溶解時に調整されるだけではなく、上記最終工程での熱処理による添加をも想定するが、この最終工程での熱処理の前におけるN含有量は、前述のように低い方が望ましく、素材の熱間加工性等を勘案して、溶解時には0.30%以下に調整しておくことが好ましい。
Bは、熱間加工性を向上し、高温強度にも有効な元素である。B含有量は、この効果を得るために0.0010%以上とする。しかし、B含有量が0.01%を超えると、逆に熱間加工性が劣化する。そこで、B含有量は、0.0010%以上0.01%以下とする。
La、Ceは、いずれも、耐酸化性の向上に極めて有効な元素である。LaおよびCeの合計含有量が0.01%未満であると、この効果を充分に得られない。しかし、LaおよびCeの合計含有量が0.10%を超えると、LaおよびCeの化合物を増大させ、熱間加工性および溶接性が劣化する。そこで、LaおよびCeの合計含有量は、0.01%以上0.10%以下とする。なお、La+Ceは、ミッシュメタルとして添加されるのであって、両者の割合は特に制限されない。
Alは、LaおよびCeの添加効果を発揮させるための脱酸成分であるので、sol.Al含有量は0.01%以上とする。しかし、sol.Al含有量が0.20%を超えると、熱間加工性が悪化すする。そこで、sol.Al含有量は0.01%以上0.20%以下とする。sol.Al含有量は、好ましくは0.10%以下である。
本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成以外の特徴を説明する。
[厚さ方向の表層におけるC濃度が厚さ方向の中心におけるC濃度よりも0.03%以上高いこと、および/または、厚さ方向の表層におけるN濃度が厚さ方向の中心におけるN濃度よりも0.03%以上高いこと]
本発明者らは、上述した特許文献28、29により開示されたREM添加、具体的には、LaおよびCeを添加した耐熱オーステナイト系ステンレス鋼のさらなる高性能化を図るため、有効な強化元素であるC、Nの添加法として、従来の溶製時の添加ではなく、オーステナイト系ステンレス鋼への熱処理による吸収に着目した。
その上で、LaおよびCeを添加した耐熱オーステナイト系ステンレス鋼にC、Nを吸収させると、予想を大きく超える以下に列記する効果、具体的には、
(a)高温強度とともに加工性が向上すること、および
(b)同時に優れた耐酸化性を得られ、加熱および冷却を繰り返した場合においてもこの優れた耐酸化性が維持されること
が得られる。
(i)最も著しく影響を受ける熱間加工時のC含有量やN含有量を低く抑えられるため、最終的なC含有量、N含有量は、溶解時の添加よりも、後述する最終工程での熱処理による吸収に影響され、高温強度が上昇すること、
(ii)溶製時に形成されるREMとC、Nとによる粗大な化合物の形成が抑制され、微細分散することによって、さらなる強化と加工性の改善とが図られること、および
(iii)外気に直接触れる表面およびその近傍に固溶するC量およびN量が上昇し、溶製後のREMの歩留りが向上し、素材中に固溶するため、より優れた耐酸化性を示すこと
により奏されると考えられる。
後述する最終工程の熱処理によりC、Nを吸収させた場合の特徴である、C、Nの量の材料の表面と内部中心での差と、REMを含む化合物の大きさおよび数密度とを限定することによって、安定して発現されると考えられる。
LaまたはCeを含む化合物のうち最大径が20μm以上である化合物の内在量を、質量5gあたりで30個以下と限定するのは、C、Nの熱処理での吸収により比較的低い含有量での溶製が可能であり、粗大なLa、Ceとの化合物の溶製時の生成を抑制できるようになり、その結果、特に悪い影響を及ぼす表面への粗大な化合物の分布が抑制され、加工性、耐酸化性が著しく向上するためである。好ましくは10個以下であり、さらに好ましくは6個以下である。
本発明によれば、上述した化学組成を有する素材に、適当な熱間加工および冷間加工を行った後に熱処理を1回以上繰り返して行うことによりオーステナイト系ステンレス鋼が製造される。
また、最終工程の熱処理の雰囲気の露点を−30℃未満とするのは、酸化被膜の形成を防止し、さらには酸化被膜の還元を促進させるためである。好ましくは、より低温であるが、工業的な面や経済的な面を勘案して−40℃以下とすることが好ましい。
すなわち、最終工程の熱処理の前に、例えば酸洗やショットブラスといった周知慣用の表面酸化被膜除去処理を行うことにより、最終工程の熱処理でのC、Nの吸収が速やかとなり、促進されると考えられるからである。したがって、少なくとも最終の熱処理の前、必要に応じて全ての熱処理の前に表面酸化被膜除去処理を行うことが好ましい。
次いで、1150℃×15分保持で大気焼鈍、次工程の冷間圧延のため切削加工による脱スケール、寸法調整を行った後に、冷間圧延、1150℃での大気焼鈍、酸洗による脱スケールからなる工程を繰り返した。
熱間圧延板の両幅端部を目視にて観察し、耳割れの有無により判定した。
[C,N量分布]
最終熱処理後の薄板について、一般的な化学分析を実施し、板厚全体での平均値により吸収後の窒素量および炭素量を測定した。また、グロー放電発光分光分析装置(GDS)により板厚方向での分布を測定した。具体的には、板表面および、板厚中心までスパッタリング後に各2回ずつ測定を行い、表面と材料中心での平均値の差を算出した。
最終熱処理後の薄板より5gの試料を採取し、10%臭素メタノール溶液にて母材部を腐食除去した。その後、所定寸法の孔のフィルタを通して残留物のみを抽出し、該残留物を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)によって分析を行い、La、Ceを含む化合物の中で最大径が20μm以上の総数を測定した。
最終熱処理後の薄板について、大気中にて(a)1000℃で200時間の連続加熱後に放冷、(b)1000℃で25分間の加熱後に5分間の放冷の繰り返しを400サイクル(200時間相当)まで実施し、重量の変化を測定した。
最終熱処理後の薄板より削加工によりJIS−B13号の引張試験片を採取し、1000℃での引張強さを測定した。
最終熱処理前の薄板について、直径50mmのダイス穴内に位置する部分を油圧により張り出し、割れ発生の直後に油圧を0とし、その段階での深さを測定した。同深さが22mm以上の場合を○、22mm未満を×とした。
(a)熱間圧延:割れ無、(b)耐酸化性での重量変化:−50〜50g、(c)高温強度:60MPa以上、(d)成形性:OK(○)の4つの特性を総合的に評価し、全てを達成した場合を◎とし、一つ未達の場合を○とし、二つ未達の場合を△とし、それ以外を×として総合評価した。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.05〜0.20%、Si:1.0%未満、Mn:2.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Cr:20.0〜30.0%、Ni:10.0〜15.0%、N:0.10〜0.42%、B:0.0010〜0.01%、La+Ce:0.01〜0.10%、sol.Al:0.01〜0.20%、残部Feおよび不純物からなる化学組成を有し、厚さ方向の表層におけるC濃度が厚さ方向の中心におけるC濃度よりも0.03%以上高いこと、および/または、厚さ方向の表層におけるN濃度が厚さ方向の中心におけるN濃度よりも0.03%以上高いことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
- さらに、LaまたはCeを含む化合物のうち最大径が20μm以上である化合物の内在量が質量5g当たり30個以下である請求項1に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項1または請求項2に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とするステンレス鋼製品。
- 素材に、熱間加工および冷間加工を行った後に熱処理を1回以上繰り返して行うことによりオーステナイト系ステンレス鋼を製造する方法であって、少なくとも最終工程の熱処理を、Cおよび/またはNを含み、露点が−30℃未満である雰囲気で、900℃超で行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
- 前記最終工程の熱処理を行う前に、表面酸化被膜除去処理を行う請求項4に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
- 請求項4または請求項5に記載された製造方法により製造されたオーステナイト系ステンレス鋼に、加工および/または熱処理を行うことを特徴とするステンレス鋼製品の製造方法。
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