JP5544197B2 - 溶接部の特性に優れたマルテンサイトステンレス鋼および鋼材 - Google Patents
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Description
一方、13〜17%Cr鋼のC含有量を低減し、Niをおよそ3%以上添加することにより靭性、溶接性および耐食性を向上させた鋼材が開発され、水力発電用水車ランナーや油井用鋼管として使用されている(例えば、特許文献1〜4を参照)。
すなわち、母材と溶接部の特性を良好に維持できる鋼としてはNiを多く含有させた鋼が実用化されているが、熱間加工性が良好で母材および溶接部でSUS430と同等の耐食性、優れた機械特性を有するNi量を節減した安価な実用鋼は存在しなかった。
(1)質量%で、
C :0.003〜0.03%、 Si:0.01〜1.0%、
Mn:3.0〜6.0%、 P :0.05%以下、
S :0.003%以下、 Ni:1.0〜3.0%、
Cr:15.0〜18.0%、 Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜2.0%、 Ti:0〜0.05%、
N :0.05%以下、 Al:0.001〜0.1%、
О :0.005%以下、 C+N:0.060%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、かつ式1で示されるγmaxが80以上、式2で示されるγpotが60〜90であることを特徴とする溶接部の特性に優れたマルテンサイトステンレス鋼。
γmax=420×C%+470×N%+23×Ni%+9×Cu%+7×Mn%−11.5×Cr%−11.5×Si%−52×Al%+189 ・・・ 式1
γpot=700×C%+800×N%+10×(Mn%+Cu%)+20×Ni%−9.3×Si%−6.2×Cr%−9.3×Mo%−74.4×Ti%−37.2×Al%+63.2 ・・・ 式2
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
γpot=700×C%+800×N%+10×(Mn%+Cu%)+20×Ni%−9.3×Si%−6.2×Cr%−9.3×Mo%−3.1×Nb%−74.4×Ti%−37.2×Al%+63.2 ・・・ 式3
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%、Nb%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
(4)更にCo:1.0%以下を含有する前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
(5)更にB:0.0050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0030%以下、及びREM:0.10%以下の1種又は2種以上を含有する前記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
(7)降伏強度が400〜800MPaである前記(6)に記載のマルテンサイトステンレス鋼材。
Cは、本鋼の強度を確保するために0.003%以上含有させる。しかしながら、0.03%を越えて含有させると強度が必要以上に高くなるとともに溶接部での耐食性、靱性が劣化するので、0.003〜0.03%の含有量に制限する。好ましい範囲は0.005〜0.025%である。
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
Nbは、熱間圧延組織の結晶粒微細化に有効な元素であって、しかも耐食性を高める作用も有する。Nbが形成する窒化物、炭化物は熱間加工および熱処理の過程で生成し、結晶粒成長を抑制し、鋼材を強化する作用を有する。このために0.01%以上含有させると良い。一方過剰な添加は熱間圧延前の加熱時に未固溶析出物として析出するようになって靭性を阻害するようになるため、その含有量の上限を0.2%と定めた。Nbを含有させる場合の好ましい含有率範囲は、0.03〜0.10%である。
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%、Nb%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
Vは、耐食性を高める目的のために0.05%以上含有させると良いが、0.5%を超えて含有させると粗大なV系炭窒化物が生成し、靱性が劣化する。そのため、上限を0.5%に限定する。含有させる場合の好ましい範囲は0.1〜0.3%の範囲である。
Wは、Moと同様にステンレス鋼の耐食性を付加的に向上させる元素であり、Vに比べて固溶度が大きい。本発明鋼において耐食性を高める目的のためには1.0%を上限に含有させる。含有させる場合の好ましい範囲は0.05〜0.5%である。
すなわち、請求項3記載の鋼では、上記で規定された範囲のV、Wの1種又は2種を含有する。
B,Ca,Mg,REMは、いずれも鋼の熱間加工性を改善する元素であり、その目的で1種または2種以上添加される。B,Ca,Mg,REMいずれも過剰な添加は、逆に熱間加工性および靭性を低下するためその含有量の上限を次のように定めた。BとCaについては0.0050%、Mgについては0.0030%、REMについては0.10%である。好ましい含有量はそれぞれBとCa:0.0005〜0.0030%、Mg:0.0001〜0.0015%、REM:0.005〜0.05%である。ここでREMは、LaやCe等のランタノイド系希土類元素の含有量の総和とする。
請求項6は、本発明の好適な形態であるマルテンサイトステンレス鋼組成を持つ鋼材の金属組織に関する限定であり、鋼材の相率を調整することによって母材の機械特性、強度を確保することができる。
フェライト相は軟質であり、一定量含有させることで過度の強度上昇を抑制するとともに、二相混合組織を通じて結晶粒を微細に制御し本鋼材の靭性の改善を実現する。このための最低限の必要割合が5%である。一方、フェライト相自体は靭性が乏しいため、過剰の含有は逆に本鋼材の靭性を低下させる。これを防ぐために30%以下の割合とした。好ましい範囲は5〜20%である。
このフェライト相率は、請求項に示す化学組成、γmax、及びγpotに加えて鋼材の製造条件を通じて実現されるものであるが、化学組成に応じて通常のステンレス鋼材の製造条件範囲の中から選定することで実現可能なものである。たとえば圧延であれば、熱間圧延の加熱温度として1150〜1250℃、熱間圧延仕上温度として950〜700℃、必要に応じて熱処理を行う場合は、焼入熱処理温度として850〜950℃、焼戻熱処理温度として550〜750℃などの条件の中から選定すればよい。また均熱時間はそれぞれ5分から30分、10分から1時間程度が好ましい。
残留オーステナイト相の量を制御するには下記式4に示す成分式Ms(℃)を制御することが必要である。成分的には式4が200℃以上になるようにする。式4の値が200未満になると、残留オーステナイト相率が本発明の規定上限値20%を超えてしまう。また、残留オーステナイト相率は0%でも良いため、式4値の上限は設ける必要はなく、本発明の組成範囲内において許される範囲内で高く設定することができる。なお、残留オーステナイト相の割合はX線測定により求めることができる。その好ましい範囲は3〜15%である。
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Mo%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。
本発明は、マルテンサイト相組織を主体とするマルテンサイトステンレス鋼および鋼材にかかり、高い強度と優れた靭性を特徴としている。このため降伏強度が400MPa未満であると本発明の目的とする高強度の構造部材への適用価値が不足する。一方800MPaを越える高強度になると金属組織を適性に制御しても所望の溶接部靭性が確保できなくなる。このため本鋼材の降伏強度を400〜800MPaに定めた。
表1に供試鋼の化学組成及び、継手特性評価結果を示す。これらの鋼は実験室にて真空溶解により50kgの鋼塊とし、鍛造により60mm厚×110mm幅×150mm長さの圧延試験片を得、その後12mm厚に熱間圧延した。表1の化学組成はこの熱間圧延鋼板より試験片を採取して分析した結果である。
なお、表1に記載されている成分以外はFeおよび不可避的不純物元素である。また、表1に示した成分について含有量が記載されていない部分は不純物レベルであることを示す。また表中のREMはランタノイド系希土類元素を意味し、含有量はそれら元素の合計を示している。そして、鋼番号A〜Uは本発明例、V〜AGは比較例である。
その結果、本発明の組成を有する鋼はいずれも衝撃値1、耐食性が優れていることが分かった。これに対して、本発明の範囲外の組成を有する比較例ではいずれも衝撃値1や耐食性が劣っており、本発明の鋼の優位性が明らかである。
熱間圧延は60mm厚×110mm幅×150mm長さの圧延試験片を各熱延加熱温度に加熱後、複数回の圧下により12mm厚まで圧延した。最終圧下の温度を熱延仕上温度として表2の中に記載した。このとき得られた鋼板の耳部に発生した耳割れの大きさを測定し、最大の耳割れが5mm以下の場合に○、5mmを越える場合を×と評価して表2の熱間加工性の列に表示した。
Claims (7)
- 質量%で、
C :0.003〜0.03%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:3.0〜6.0%、
P :0.05%以下、
S :0.003%以下、
Ni:1.0〜3.0%、
Cr:15.0〜18.0%、
Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜2.0%、
Ti:0〜0.05%、
N :0.05%以下、
Al:0.001〜0.1%、
O :0.005%以下、
C+N:0.060%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなり、かつ式1で示されるγmaxが80以上、式2で示されるγpotが60〜90であることを特徴とする溶接部の特性に優れたマルテンサイトステンレス鋼。
γmax=420×C%+470×N%+23×Ni%+9×Cu%+7×Mn%−11.5×Cr%−11.5×Si%−52×Al%+189 ・・・ 式1
γpot=700×C%+800×N%+10×(Mn%+Cu%)+20×Ni%−9.3×Si%−6.2×Cr%−9.3×Mo%−74.4×Ti%−37.2×Al%+63.2 ・・・ 式2
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。 - 更にNbを含有し、前記式2に代えて式3で計算したγpotが60〜90である請求項1に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
γpot=700×C%+800×N%+10×(Mn%+Cu%)+20×Ni%−9.3×Si%−6.2×Cr%−9.3×Mo%−3.1×Nb%−74.4×Ti%−37.2×Al%+63.2 ・・・ 式3
ここで、C%、N%、Ni%、Cu%、Mn%、Cr%、Si%、Al%、Mo%、Ti%、Nb%は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す。 - 更にV:0.5%以下、W:1.0%以下の1種又は2種を含有する請求項1又は2に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
- 更にCo:1.0%以下を含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
- 更にB:0.0050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0030%以下、及びREM:0.10%以下の1種又は2種以上を含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のマルテンサイトステンレス鋼。
- 5〜30%のフェライト相、0〜20%の残留オーステナイト相、残部がマルテンサイト相の組織よりなる請求項1〜5のいずれか1項に記載の組成を有するマルテンサイトステンレス鋼材。
- 降伏強度が400〜800MPaである請求項6に記載のマルテンサイトステンレス鋼材。
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