JP5668081B2

JP5668081B2 - 延性に優れたオーステナイト鋼材

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Publication number: JP5668081B2
Application number: JP2012547009A
Authority: JP
Inventors: スン−ギイ、; チョン−キョチェ、; ヒュン−クァンチョ、; ヘ−グンノ、
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Co Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: WO2011081393A3; CA2785318C; JP2013515864A; CN102906294A; EP2520684B9; EP2520684B1; CA2785318A1; WO2011081393A2; EP2520684A2; EP2520684A4; US20120288396A1

Description

本発明は、延性及び耐摩耗性が要求される産業機械、構造材料、そして非磁性特性が要求される超伝導応用機器及び一般電気機器分野などと、拡管用パイプ用鋼材、スラリーパイプ用鋼材、耐ｓｏｕｒ鋼材など、オイル及びガス産業（ＯｉｌａｎｄＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）で採掘、輸送、貯蔵分野などに用いられる鋼材であって、延性と共に耐摩耗性、耐食性、非磁性の性能などに優れたオーステナイト鋼材に関する。

最近、リニアモーターカーの軌道、核融合炉などの超伝導応用機器及び一般電気機器の構造用材料としてオーステナイト系鋼材（非磁性鋼）の需要が増加している。従来の代表的な非磁性鋼材としては、オーステナイト系ステンレス鋼であるＡＩＳＩ３０４（１８Ｃｒ‐８Ｎｉ系）がある。しかしながら、降伏強度が低くて高価の元素であるＣｒ、Ｎｉを多量含有するため、非経済的であった。特に、荷重による非磁性特性が安定的に要求される構造材の場合、このような鋼材は、加工誘起変態によって強磁性相であるフェライト相が誘起して磁性を示すため、その用途及び適用に限界がある。

これまで、上記のオーステナイト系ステンレス鋼において高価のニッケルをマンガンに代替した高マンガンオーステナイト系鋼材が開発され続けてきた。オーステナイト系高マンガン鋼材の場合、マンガンと炭素の適切な含量変化によってオーステナイト組織及び安定度を確保することが必須である。マンガンの含量が高い場合は、炭素の含量が少なくても、安定したオーステナイト組織が得られるが、マンガンの含量が低い場合は、オーステナイト化のために多量の炭素を添加しなければならないため、高温でオーステナイト結晶粒界に沿って炭化物がネットワークをなして析出される。このような析出物は、鋼材の物性、特に、延性を急激に低下させる。

このようなネットワーク状の炭化物析出を抑制するために、高温で溶体化処理をするか又は熱間加工後に常温に急冷させて高マンガン鋼を製造する方法が提示された。しかしながら、鋼材の厚さが厚い場合又は溶接が必須的に伴われる場合のように製造条件の変化が容易でない場合、このようなネットワーク状の炭化物析出を抑制することが困難であるため、鋼材の物性が急激に劣化するという問題点が発生する。また、高マンガン鋼のインゴット又は鋳片は凝固中にマンガン及び炭素などの合金元素による偏析が必然に発生し、これは熱間圧延などの後加工時にさらに悪化するため、結局は、最終製品において深化した偏析帯に沿って炭化物の部分的析出がネットワーク状に発生して微細組織の不均一性を助長し物性を劣化させる結果をもたらす。

偏析部内のこのような炭化物析出を抑制するためにはマンガンの含量を増加させることが一般的な方法とされるが、結局は、合金量と製造単価の上昇を招くため、これを解決すべく、マンガンと比べて炭化物形成抑制に効果的な元素の添加に対する研究が求められている。また、上記マンガンの添加は一般炭素鋼と比べて耐食性の低下をもたらすため、耐食性が要求される分野への適用に制限があり、高マンガン鋼の耐食性を改善する研究も一緒に求められている。

本発明の目的は、炭素とマンガンの含量を適宜制御することによりオーステナイトを安定化させ、オーステナイト粒界に生成される可能性があるネットワーク状の炭化物の発生を経済的に抑制して延性及び耐摩耗性を向上させる合金を提供することである。

本発明の一側面は、重量％で、マンガン（Ｍｎ）:８〜１５％、銅（Ｃｕ）:３％以下（０％は除く）を含み、炭素（Ｃ）の含量は３３．５Ｃ＋Ｍｎ≧２５及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満足し、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含む延性に優れたオーステナイト鋼材を提供する。

この際、上記鋼材はクロム（Ｃｒ）:８％以下（０％は除く）をさらに含むことが好ましい。

また、上記鋼材はチタニウム（Ｔｉ）:０．０５％以下（０％は除く）及びニオビウム（Ｎｂ）:０．１％以下（０％は除く）をさらに含むことがより好ましい。

この際、上記鋼材の降伏強度は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。

また、上記鋼材は窒素（Ｎ）:０．００２〜０．２％をさらに含むことがより好ましい。

この際、上記鋼材の微細組織はオーステナイトが９５面積％以上であることが好ましい。

また、上記鋼材は２０％の引張変形時に透磁率が１．０１以下であることがより好ましい。

本発明の一側面によると、マンガンと比べて炭化物形成抑制に有利なＣｕを添加し炭素とマンガンの含量を適宜制御することにより、オーステナイトを安定化させ、オーステナイト粒界にネットワーク状の炭化物が発生することを抑制させて延性及び耐摩耗性を向上させることができ、Ｃｒ添加によって鋼材の耐食性も向上させることができる。

本発明の炭素及びマンガンの組成範囲をグラフで示したものである。本発明による鋼板の微細組織の一例を写真で示したものである。本発明による鋼板の微細組織の他の一例を写真で示したものである。

本発明は、成分系のうち炭素、マンガン、銅の含量を制御して、オーステナイトを安定化させ、オーステナイト粒界にネットワーク状の炭化物が発生することを抑制した延性に優れたオーステナイト鋼材を提供することができる。

本発明の一側面は、重量％で、マンガン（Ｍｎ）:８〜１５％、銅（Ｃｕ）:３％以下（０％は除く）を含み、炭素（Ｃ）の含量は３３．５Ｃ＋Ｍｎ≧２５及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満足し、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含む延性に優れた鋼材を提供する。

マンガン（Ｍｎ）:８〜１５％
Ｍｎは、本発明のような高マンガン鋼に添加される最も重要な元素で、オーステナイトを安定化させる役割をする元素である。本発明で非磁性特性を向上させるために制御される炭素の含量を考慮すると、オーステナイトを安定化させるためにマンガンが８％以上含まれることが好ましい。即ち、Ｍｎの含量が８％未満の場合は、強磁性相であるフェライトが主組織となるため、オーステナイト組織を十分に確保することができない。また、Ｍｎの含量が１５％を超える場合は、不安定なイプシロンマルテンサイトが形成されて変形によって容易にフェライトに変態するため、安定したオーステナイト組織を維持することができず、これにより、磁性が増加及び疲労特性が劣化し、また、過度なマンガンの添加による耐食性の低下、製造工程上の困難、製造単価の上昇などの問題点が生じる。

炭素（Ｃ）:３３．５Ｃ＋Ｍｎ≧２５及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３
Ｃは、オーステナイトを安定化させて常温でオーステナイト組織が得られるようにする元素で、鋼材の強度及び耐摩耗性を増加させる効果があり、特に、冷却過程又は加工によるオーステナイトからマルテンサイトへの変態点であるＭ_ｓ及びＭ_ｄを低くする役割をする。

本発明の炭素の含量は３３．５Ｃ＋Ｍｎ≧２５及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を同時に満足することが好ましく、図１では本発明が制御する炭素及びマンガンの含量範囲を確認することができる。若し、上記３３．５Ｃ＋Ｍｎの値が２５未満の場合は、オーステナイトの安定化が十分でないため、強磁性相であるアルファマルテンサイト組織が形成される可能性があり、十分な量のオーステナイト組織が得られないという問題があり、３３．５Ｃ−Ｍｎの値が２３を超える場合は、炭素の含量が相対的に高くなりすぎるため、結晶粒界に炭化物が過度に生成されて材料の物性を急激に劣化させるという問題点がある。したがって、上記の範囲に炭素及びマンガンの含量を制御する必要があり、これにより、十分なオーステナイト確保及び炭化物形成抑制が可能となるため、延性及び非磁性特性の向上に有利になる。

銅（Ｃｕ）:３％以下（０％は除く）
Ｃｕは、炭化物内の固溶度が低すぎてオーステナイト内の拡散が遅いため、オーステナイトと核生成された炭化物の界面に濃縮され、これにより、炭素の拡散を妨害して炭化物の成長を効果的に遅らせるため、炭化物の生成を抑制する効果がある。但し、Ｃｕの含量が３％を超える場合は、鋼材の熱間加工性を低下させるという問題点があるため、上限は３％に制限することが好ましい。特に、上記炭化物生成抑制効果を十分に得るためには０．３重量％以上添加されることが好ましく、より好ましくは２％以上添加されることが上記効果を極大化するのに効果的である。

この際、上記鋼材はクロム（Ｃｒ）:８％以下（０％は除く）をさらに含むことにより耐食性もさらに向上させることができる。

クロム（Ｃｒ）:８％以下（０％は除く）
一般的にマンガンは鋼材の耐食性を低下させる元素であり、上記範囲のマンガンの含量では一般炭素鋼に比べて耐食性が低下するという短所があるが、本発明ではＣｒを添加することにより耐食性を向上させている。また、上記範囲のクロム添加によってオーステナイトを安定化させて延性を増加させることができ、固溶強化によって強度も向上させることができる。

但し、その含量が８％を超える場合は、製造原価の上昇をもたらす上、材料内に固溶された炭素と共に粒界に沿って炭化物を形成して硫化物応力誘起亀裂抵抗性を減少させ、フェライトが生成されて十分な分率のオーステナイトが得られないため、その上限は８％に限定することが好ましい。特に、上記耐食性向上効果を極大化するためには、Ｃｒを２％以上添加することがより好ましい。このように、Ｃｒを添加して耐食性を向上させることにより、スラリーパイプ用鋼材又は耐ｓｏｕｒ鋼材などにも広く適用することができる。

また、上記鋼材はチタニウム（Ｔｉ）:０．０５％以下（０％は除く）及びニオビウム（Ｎｂ）:０．１％以下（０％は除く）をさらに含ませることにより、上記鋼材の降伏強度をさらに向上させて５００ＭＰａ以上の降伏強度が得られる。

チタニウム（Ｔｉ）:０．０５％以下（０％は除く）
チタニウムは、窒素と結合してＴｉＮを形成することにより、高温でオーステナイト結晶粒の成長を抑制して鋼材の降伏強度を増加させる効果を示す。しかしながら、過度に添加される場合は、チタニウム析出物が粗大化して鋼材の物性を劣化させるという問題があるため、その上限を０．０５％に限定することが好ましい。

ニオビウム（Ｎｂ）:０．１％以下（０％は除く）
ニオビウムは、固溶、析出硬化効果によって強度を増加させる元素であり、特に、鋼の再結晶停止温度（Ｔｎｒ）を増加させて低温圧延時に結晶粒の微細化によって降伏強度を向上させることができるが、０．１％を超えて添加される場合は粗大な析出物が生成されて却って鋼材の物性を劣化させるため、その含量の上限は０．１％に限定することが好ましい。

また、上記鋼材は、窒素（Ｎ）:０．００２〜０．２％をさらに含む場合、本発明の効果をより向上させることができる。

窒素（Ｎ）:０．００２〜０．２％
窒素は、炭素と共にオーステナイトを安定化させる元素であり、また、固溶強化によって鋼材の強度を向上させることができる。不安定なオーステナイトが生成される場合は、変形によってイプシロン（ε）マルテンサイト及びアルファマルテンサイトへの加工誘起変態を誘発して物性及び非磁性特性を大きく減少させるため、窒素の適正な添加によってオーステナイトを安定化させて鋼の物性と非磁性特性を向上させることができる。

窒素の含量が０．００２％未満の場合は、安定化効果を期待することが困難であり、０．２％を超えて含まれる場合は、粗大な窒化物が形成されて鋼材の物性を劣化させる。したがって、上記窒素の含量は０．００２〜０．２％に限定することが好ましい。より好ましくは、窒素を０．０５％以上添加する場合、上記オーステナイト安定化による非磁性特性をより効果的に向上させることができる。

本発明の残りの成分は、鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避不純物である。但し、通常の鉄鋼製造過程では、原料又は周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入される可能性があるため、これを排除することはできない。これら不純物は、通常の鉄鋼製造過程の技術者であればだれでも分かるものであるため、本明細書ではその全内容を特に記載しない。

上述した組成を有する本発明の鋼材はオーステナイトが主相であり、上記オーステナイトは面積分率で９５％以上含まれることが好ましく、上述した組成を満足する場合は、従来の鋼材の問題点である粒界炭化物析出を抑制するために急冷（水冷）などを行わなくても目的とするオーステナイト組織分率を確保することができるようになる。即ち、冷却速度にかかわらず目的とする微細組織を鋼材の内部に形成させることができるため、高い延性及び耐摩耗性が得られる。また、上記範囲のクロムの添加によって耐食性を向上させることができ固溶強化によって強度を向上させることができる。

また、上記鋼材は、２０％の引張変形時に透磁率が１．０１以下であることが好ましい。本発明は、オーステナイトを安定的に確保して非磁性特性を向上させたもので、特に、窒素の添加によって２０％の引張変形時にも透磁率が非常に低く示されるようにすることにより優れた非磁性特性が得られる。より好ましくは２０％の引張変形時に透磁率を１．００５以下に制御することにより、非磁性特性をさらに向上させることもできる。

本発明は、上記のような成分系を満足するスラブを通常の鋼材の製造方法により製造することができ、一例として、上記スラブを再加熱してから粗圧延及び仕上げ圧延した後に冷却して製造されることが好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、これは本発明のより完全な説明のためのものであり、下記の個別の実施例によって本発明の権利範囲が制限されるものではない。

下記の表１及び表４に記載された成分系及び組成範囲を満足するスラブを一連の熱間圧延及び冷却工程により製造した後、微細組織、延伸率、強度、透磁率などを測定して下記の表２に示し、浸漬実験による腐食速度試験結果は下記の表３に示し、摩耗実験（ＡＳＴＭＧ６５）による試片の重量減少量は下記の表４に示した。

発明例１から１３は、本発明で制御する成分系及び組成範囲を満足する鋼種であり、徐冷によっても粒界炭化物形成による物性の劣化がないと分析することができる。具体的には、オーステナイト分率が９５面積％以上と示されて２０％の引張変形後にも透磁率が安定的に維持されて非磁性特性に優れ、延伸率及び降伏強度にも優れた。また、摩耗実験では試片の重量減少量も少なくて耐摩耗性の確保も可能であった。

特に、発明例５から１３は、Ｃｒをさらに添加することにより腐食評価実験での腐食速度が遅くて耐食性も向上したことが分かる。即ち、発明例５から１３は、Ｃｒを添加しない発明例１から４と比べて耐食性向上効果にさらに優れることを確認することができる。また、発明例１０は、Ｃｕを２％以上に好ましく添加することにより上記効果にさらに優れることが分かる。また、発明例４、１１、１２及び１３は、Ｔｉ、Ｎｂをさらに添加することにより降伏強度がさらに向上して５００ＭＰａ以上を示した。

これに対し、比較例１は、３３．５Ｃ＋Ｍｎの値が２３であり本発明で制御する範囲に該当せず、オーステナイト安定化元素である炭素の含量が不足することから多量のマルテンサイトが形成されて、目的とするオーステナイト組織及び延伸率が得られなかった。

また、比較例２は、マンガン及び炭素の含量は本発明で制御する範囲に該当するが、銅の未添加によって多量の炭化物が結晶粒界に沿って形成されてオーステナイトが９５面積％未満で形成されたため、目的とする微細組織及び延伸率が得られなかったことを確認することができる。

また、比較例３は、３３．５Ｃ＋Ｍｎの値が２４であり本発明で制御する範囲に該当せず、特に、マンガンの含量が高いことから準安定相であるイプシロンマルテンサイトが形成されて、目的とする面積分率のオーステナイト組織が得られなかった。準安定相であるイプシロンマルテンサイトは、以後の変形時に容易にマルテンサイトに誘起変態して、２０％の引張変形後の透磁率が非常に高く示されたため、非磁性特性が良くなかったことを確認することができる。

また、比較例４は、３３．５Ｃ−Ｍｎの値が３０であり本発明で制御する範囲に該当せず、特に、炭素の過度な添加によって粒界にネットワーク状の炭化物が形成されてオーステナイトが９５％未満で生成されたため、目的とする微細組織が得られず、これにより、延伸率が非常に低く示された。

また、比較例５は、マンガン及び炭素の含量は本発明で制御する範囲に該当するが、銅を本発明で制御する範囲以上に添加したことから材料の熱間加工性が急激に劣化して熱間加工時にひどいクラックが発生したため、健全な圧延材が得られず、これにより、各実験を通じた測定が不可能な状態であった。

また、比較例６は、マンガン及び炭素の含量は本発明で制御する範囲に該当するが、クロムの含量を本発明で制御する範囲以上に添加したことから粒界に沿ってクロム炭化物が析出したため、目的とする分率のオーステナイトが得られず、これにより、延性が劣化したことを確認することができる。

また、比較例７及び８は、３３．５Ｃ＋Ｍｎ値がそれぞれ２１及び１８であり本発明の範囲を外れており、特に、マンガンの含量が高くて炭素の含量が低いことから準安定相であるイプシロンマルテンサイトが過度に形成されてオーステナイト分率が非常に低く示された。したがって、引張変形時に容易に強磁性組織であるアルファマルテンサイトに誘起変態して透磁率を増加させることにより非磁性特性が良くなかったことを確認することができる。

また、比較例９は、一般機械構造用炭素鋼であるＡＩＳＩ１０４５鋼材の組成を有するものであり、Ｍｎの含量が非常に低くてＣｕも添加されなかったため、摩耗実験による試片の重量減少量が０．７５ｇであり発明例に比べて相対的に摩耗量が大きかったことを確認することができる。

また、比較例１０は、ＡＰＩＸ７０級鋼材の組成を有するものであり、同様にＭｎの含量が非常に低くてＣｕも添加されなかったため、試片の重量減少量が１ｇを超えて耐摩耗性が非常に良くなかったことを確認することができる。

また、比較例１１は、ＡＰＩＫ５５級鋼材の組成を有するものであり、同様にＭｎの含量が非常に低くてＣｕも添加されなかったため、試片の重量減少量が０．９ｇであり耐摩耗性が非常に良くなかったことを確認することができる。

また、比較例１２は、耐摩耗鋼として広く用いられている高マンガンオーステナイト系ハッドフィールド鋼であり、十分なＣ及びＭｎの含量によって摩耗試験による重量減少量が０．５９ｇであり優れた耐摩耗特性を示している。しかしながら、これは、Ｃｕが添加されなくて炭化物形成抑制が容易でないことから、これを抑制するためには高温で長時間オーステナイト化処理後に水冷を行って製作しなければならないため、適用鋼材の厚さに制限があり溶接構造物には適用し難いなど、鋼材製作に多くの制約がある。また、Ｃｒが添加されないことから、本発明が目的とする耐食性を確保することができない。

図２は上記発明例１により製造された鋼板の微細組織写真を示したものであり、図３は上記発明例５により製造された鋼板の微細組織写真を示したものであり、ほとんど全ての組織がオーステナイトで示され、本発明の成分系及び組成範囲制御によってオーステナイト安定化が効果的に可能であったことを確認することができる。

Claims

重量％で、マンガン（Ｍｎ）:８〜１５％、銅（Ｃｕ）:０．３〜３％、クロム（Ｃｒ）：８％以下（０％は除く）を含み、炭素（Ｃ）の含量は３３．５Ｃ＋Ｍｎ≧２５及び３３．５Ｃ−Ｍｎ≦２３を満足し、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物からなる鋼材であって、その微細組織はオーステナイトが９５面積％以上である、延性に優れたオーステナイト鋼材。
前記鋼材はチタニウム（Ｔｉ）:０．０５％以下（０％は除く）及びニオビウム（Ｎｂ）:０．１％以下（０％は除く）をさらに含む、請求項１に記載の延性に優れたオーステナイト鋼材。
前記鋼材の降伏強度は５００ＭＰａ以上である、請求項２に記載の延性に優れたオーステナイト鋼材。
前記鋼材は窒素（Ｎ）:０．００２〜０．２％をさらに含む、請求項２に記載の延性に優れたオーステナイト鋼材。
前記鋼材は２０％の引張変形時に透磁率が１．０１以下である、請求項１に記載の延性に優れたオーステナイト鋼材。