JP5561447B1 - ステンレス鋼板およびステンレス箔 - Google Patents
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Abstract
Fe−Cr−Al系ステンレス鋼において、VおよびBを特定の範囲で複合添加する。具体的には、Vの含有量を0.010〜0.050質量%、Bの含有量を0.0001〜0.0050質量%とし、Vの含有量とBの含有量との比が質量比(V/B)>10を満たすようにする。
Description
(2) さらに、質量%で、Ca:0.0002〜0.0100%、Mg:0.0002〜0.0100%のうち少なくとも1種を含有することを特徴とする(1)に記載のステンレス鋼板。
(3) さらに、質量%で、Mo:0.5〜6.0%、W:0.5〜6.0%のうち、少なくとも1種を合計で0.5〜6.0%含有することを特徴とする(1)〜(2)のいずれか1項に記載のステンレス鋼板。
(4) (1)〜(3)のいずれか1項に記載の成分組成を有し、板厚が200μm以下であるステンレス箔。
C含有量が0.020%を超えると、熱延鋼板や冷延鋼板の靭性が低下してステンレス箔の製造が困難になる。このため、C含有量は0.020%以下、好ましくは0.015%以下とする。さらに好ましくは0.010%以下とする。C量は0%でもよいが、C量を極度に低下させることは精錬の時間がかかり製造が困難になるので、0.002%以上とすることが好ましい。
Si含有量が1.0%を超えると、熱延鋼板や冷延鋼板の靭性が低下してステンレス箔の製造が困難になる。このためSi含有量は1.0%以下、好ましくは0.5%以下とする。さらに好ましくは0.2%以下とする。ただし、0.01%未満にしようとすると精錬が困難になるので、Siの含有量は0.01%以上であることが好ましい。
Mn含有量が1.0%を超えると、鋼の耐酸化性が失われる。このためMn含有量は1.0%以下、好ましくは0.5%以下とする。さらに好ましくは0.15%以下とする。ただし、Mn含有量を0.01%未満にしようとすると精錬が困難になるので、Mn含有量は0.01%以上であることが好ましい。
P含有量が0.040%を超えると、鋼の靭性および延性が低下してステンレス箔の製造が困難になる。このためP含有量は0.040%以下、好ましくは0.030%以下とする。P含有量は極力低減することがより好ましい。
S含有量が0.004%を超えると、熱間加工性が低下して熱延鋼板の製造が困難になる。このためS含有量は0.004%以下、好ましくは0.003%以下とする。より好ましくは0.002%以下とする。
Crは高温での耐酸化性を確保する上で必要不可欠な元素である。Cr含有量が16.0%未満では、高温での十分な耐酸化性を確保できない。一方、Cr含有量が30.0%を超えると、ステンレス箔の製造における中間素材のスラブや熱延鋼板の靭性が低下して、ステンレス箔の製造が困難になる。このためCr含有量は16.0〜30.0%、好ましくは17.0〜26.0%、さらに好ましくは17.0〜22.0%とする。
Alは高温酸化時(箔製品等としての使用時)にAl2O3を主成分とする酸化皮膜を生成させて耐酸化性を著しく向上させる元素である。Al含有量が2.00%以上でその効果が得られる。一方、Al含有量が6.50%を超えると、鋼の靭性の低下によりステンレス箔の製造が困難になる。このためAl含有量は2.00〜6.50%、好ましくは2.50〜6.00%とする。
N含有量が0.020%を超えると、鋼の靱性が低下してステンレス箔の製造が困難になる。このためN含有量は0.020%以下、好ましくは0.010%以下とする。N量は0%でもよいが、N量を極度に低下させることは精錬の時間がかかり製造が困難になるので、0.002%以上とすることが好ましい。
Niは触媒担体成形時のロウ付け性を向上させる効果がある。このため、Ni含有量は0.05%以上とする。しかし、Niはオーステナイト生成元素である。その含有量が0.5%を超える場合は、高温での酸化が進んで箔中のAlが酸化により枯渇した後にオーステナイト相が生成するようになる。このオーステナイト相は箔の熱膨張係数を大きくして、箔の括れや破断などの不具合を発生させる。このためNi含有量は0.05〜0.50%、好ましくは0.01〜0.50%、より好ましくは0.10〜0.20%とする。
Cuは、鋼中に析出し高温強度を向上させる効果がある。このため、Cu含有量は0.005%以上とする。一方、0.10%を超えて添加すると鋼の靭性が低下する。このためCu含有量は0.005〜0.10%、好ましくは0.005〜0.05%とする。
Ti含有量が0.050%以上では、Ti酸化物がAl2O3皮膜中に多量に混入し、ロウ付け性が著しく低下するとともに、高温での耐酸化性および形状安定性も低下する。よって、Ti含有量は0.050%未満、好ましくは0.020%未満とする。Ti含有量は極力低減することがより好ましい。
Nb含有量が0.050%以上では、(Fe,Al)NbO4の保護性のない酸化皮膜が生成し、高温での耐酸化性が著しく低下する。また、(Fe,Al)NbO4は熱膨張率が大きいため、箔の変形を助長し、触媒の剥離を引き起こす。よって、Nb含有量は0.050%未満、好ましくは0.020%未満とする。Nb含有量は極力低減することがより好ましい。
VおよびBは、本発明において重要な役割を果たす元素である。本発明者らは、Fe−Cr−Al系ステンレス鋼に、VおよびBを適正な範囲で含有させることで、TiやNbといった耐酸化性を低下させる元素を靭性が高まるほど含有させなくても、熱延鋼板および冷延鋼板の靭性が改善可能となることを見出した。このような効果を得るには、V:0.010〜0.050%、B:0.0001〜0.0050%、かつV%/B%>10を満たさなければならない。このような効果が得られる理由については以下の(1)〜(3)にように推察される。
(1)Vは焼鈍時の粒成長を抑制して再結晶粒を微細化させて、熱延焼鈍鋼板や冷延鋼板の靭性を向上させる。このような効果が得られる理由として、V炭窒化物の微細析出によるピン止め効果(pinning effect)または固溶Vによる再結晶粒の粗大化防止効果が考えられる。
(2)Bは結晶粒界に濃化することで粒界エネルギーを低下させ、熱延鋼板の靭性や冷延焼鈍鋼板の靭性を低下させる一因となる粒界Cr炭窒化物の析出を抑制する。しかし、粒界への濃化が過度に進むと逆にB析出物が生成して靭性を低下させると考えられる。
(3)V含有量とB含有量の質量比(V%/B%)によって上記の効果が変化する理由は、V含有量で粒界面積が変化することにより、粒界に濃化するB量に影響を与えるため、V含有量とB含有量の間に最適な比が存在するためであると考えられる。
Zrは、Al2O3酸化皮膜の密着性を改善するとともにその成長速度を低減して耐酸化性を向上させる。また、ZrはC、Nを固定して靭性を向上させる。これらの効果はZr含有量が0.005%以上で得られる。しかし、Zr含有量が0.20%を超えると、Zr酸化物がAl2O3酸化皮膜中に多量に混入して酸化皮膜の成長速度が増加して耐酸化性が低下する。また、ZrはFeなどと金属間化合物をつくり、ステンレス鋼の靭性を低下させる。よって、Zr含有量は0.005〜0.200%、好ましくは0.020〜0.100%とする。
Hfは、Al2O3酸化皮膜の鋼に対する密着性を改善するとともにその成長速度を低減して耐酸化性を向上させる。その効果はHf含有量が0.005%以上で得られる。しかし、Hf含有量が0.200%を超えると、Hf酸化物がAl2O3酸化皮膜中に多量に混入して酸化皮膜の成長速度が増加して耐酸化性が低下する。また、HfはFeなどと金属間化合物をつくり、靭性を低下させる。よって、Hf含有量は0.005〜0.200%、好ましくは0.020〜0.100%とする。
REMとは、Sc、Yおよびランタノイド系元素(La、Ce、Pr、Nd、Smなど原子番号57〜71までの元素)をいう。REMはAl2O3酸化皮膜の密着性を改善し、繰り返し酸化される環境下においてAl2O3酸化皮膜の耐剥離性向上に極めて顕著な効果を有する。このため、REMは優れた耐酸化性が求められる場合に含有することが特に好ましい。このような効果を得るには、REM含有量を合計で0.01%以上とする必要がある。一方、REMの含有量が0.20%を超えると、熱間加工性が低下して熱延鋼板の製造が困難になる。よって、REMの含有量は0.01〜0.20%、好ましくは0.03〜0.10%とする。なお、REMの添加には、コスト低減のためこれらが分離精製されていない金属(ミッシュメタル(misch metal)等)を用いることもできる。
適量のCaあるいはMgは、Al2O3酸化皮膜の鋼に対する密着性の向上と成長速度の低減により耐酸化性を向上させる。この効果は、単独添加の場合、Ca含有量が0.0002%以上、Mg含有量が0.0002%以上で得られる。さらに好ましくは、Ca含有量は0.0010%以上、Mg含有量は0.0015%以上である。しかし、これら元素を過剰に添加すると靭性の低下や耐酸化性の低下が起こるため、単独添加の場合、Ca、Mgは、それぞれ0.0100%以下が好ましく、さらに好ましくはそれぞれ0.0050%以下とする。
MoおよびWは高温強度を増大させる。このため、MoおよびWは、ステンレス鋼板もしくはステンレス箔を触媒担体として用いたとき、触媒担体の寿命を伸ばす。この効果は、MoおよびWの合計の含有量が0.5%以上で得られる。一方、MoおよびWの合計の含有量で6.0%を超えると、加工性の低下によりステンレス箔の製造が困難になる。よって、MoおよびWは合計の含有量が0.5〜6.0%、好ましくは2.5〜5.5%である。
(1)熱延鋼板の靭性
熱延鋼板の靭性はシャルピー衝撃試験により評価した。試験片はJIS規格(JIS Z 2202(1998))のVノッチ試験片に基づき作製した。板厚(JIS規格では幅)のみ素材のまま加工を加えず3mmとした。試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取し、圧延方向と垂直にノッチを入れた。試験は、JIS規格(JIS Z 2242(1998))に基づき、各温度につき3本ずつ行い、吸収エネルギーおよび脆性破面率を測定し遷移曲線を求めた。延性−脆性遷移温度(DBTT(ductile-brittle transition temperature))は脆性破面率が50%となる温度とした。DBTTが120℃未満を「◎」(優れる)、120℃以上〜150℃以下を「○」(良好)、150℃を超えたものを「×」(不良)と評価した。シャルピー衝撃試験(Charpy impact test)で求めたDBTTが150℃以下であれば、常温で安定的に冷間圧延が可能であることは事前に確認した。冬場の通板など板温が低下しやすい環境では、DBTTが120℃未満であることが、より安定的に通板できるという理由で好ましい。
(2)ステンレス箔の高温での耐酸化性
箔厚50μmのステンレス箔に、1200℃で30分間保持する熱処理(拡散接合あるいはロウ付け接合時の熱処理に相当する処理)を5.3×10―3Pa以下の真空中で行った。熱処理後のステンレス箔より20mm幅×30mm長さの試験片を3枚採取した。これらを、大気雰囲気中1100℃で400時間保持する熱処理で酸化させ、3枚の平均の酸化増量(加熱前後質量変化を初期の表面積で除した量)を測定した。このとき、各試料に酸化皮膜の剥離(spalling)は見られなかった。平均の酸化増量の測定結果は、10g/m2以下を「◎」(優れる)、10g/m2超え15g/m2以下を「○」(良好)、15g/m2超えを「×」(不良)とし、「◎」あるいは「○」であれば本発明の目的を満足する。
(3)ステンレス箔の高温での形状安定性
箔厚50μmのステンレス箔に、1200℃で30分間保持する熱処理(拡散接合あるいはロウ付け接合時の熱処理に相当する処理)を5.3×10―3Pa以下の真空中で行った。熱処理後の箔より採取した100mm幅×50mm長さの箔を、長さ方向に直径5mmの円筒状に丸め、端部をスポット溶接により留めたものを3本作製した。これらを、大気雰囲気中1100℃で400時間保持する熱処理で酸化させ、3個の平均の長さ変化量(加熱前の円筒長さに対する加熱後の円筒長さの増分の割合)を測定した。平均の長さ変化量の測定結果は、3%以下を「◎」(優れる)、3%超え5%以下を「○」(良好)、5%超えを「×」(不良)とし、「○」あるいは「◎」であれば本発明の目的を満足する。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.020%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.040%以下、S:0.004%以下、Cr:16.0〜30.0%、Al:2.00〜6.50%、N:0.020%以下、Ni:0.05〜0.50%、Cu:0.005〜0.10%、Ti:0.050未満、Nb:0.050未満、V:0.010〜0.050%、B:0.0001〜0.0050%を含有し、
さらに、Zr:0.005〜0.200%、Hf:0.005〜0.200%、REM(希土類元素、rare earth metals):0.01〜0.20%のうち少なくとも1種を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
{Vの含有量(V%)}/{Bの含有量(B%)}>10を満たすことを特徴とするステンレス鋼板。 - さらに、質量%で、Ca:0.0002〜0.0100%、Mg:0.0002〜0.0100%のうち少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼板。
- さらに、質量%で、Mo:0.5〜6.0%、W:0.5〜6.0%のうち、少なくとも1種を合計で0.5〜6.0%含有することを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載のステンレス鋼板。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の成分組成を有し、板厚が200μm以下であるステンレス箔。
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