JP5900715B1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。しかし、C含有量が0.015%を超えると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、C含有量は0.015%以下とする。なお、C含有量は、成形性を確保する観点からは0.010%以下が好ましい。また、C含有量は、排気系部材としての強度を確保する観点からは0.001%以上が好ましい。より好ましくは0.003〜0.008%の範囲である。
Siは、耐酸化性を向上させる元素である。その効果を得るためにはSi含有量を0.02%以上にすることが好ましい。一方、Si含有量が1.0%を超えると、鋼が硬質化し加工性が低下するので、本発明では、Si含有量を1.0%以下とする。好ましくは0.20%以上1.0%以下である。
さらに、Siは、後述するAlの固溶強化能を有効に活用するためにも重要な元素である。Alは、高温においても固溶強化作用を有し、室温から高温までの全温度域で強度を増加させる効果を有する元素である。しかし、Al含有量がSi含有量より多い場合には、Alは高温で優先的に酸化物や窒化物を形成し、固溶Al量が減少する。このため、Alは固溶強化に十分寄与することができなくなる。一方、Si含有量がAl含有量以上の場合には、Siが優先的に酸化して鋼板表面に緻密な酸化物層が連続的に形成される。この酸化物層は、外部からの酸素や窒素の内方拡散を抑制する効果があるため、Alの酸化や窒化を最小限に抑えることができる。その結果、Alの固溶状態が安定して確保されるので、高温強度を向上させることができる。したがって、本発明では、Si含有量とAl含有量とがSi≧Alの関係を満たすようにする。Si≧1.4×Alを満たすようにSi含有量、Al含有量を調整すればより好ましい。なお、上記不等式におけるSi、Alは各元素の含有量(質量%)を意味する。
Mnは、脱酸剤として、また、鋼の強度を高めるために添加される元素である。また、Mnは酸化スケールの剥離を抑制する効果も有する。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.02%以上とすることが好ましい。しかし、Mnを過剰に含有すると、高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性が低下する。よって、Mn含有量は1.0%以下とする。好ましいMn含有量は0.05〜0.80%である。さらに好ましくは0.10〜0.50%である。
Pは、鋼の靭性を低下させる有害な元素であり、可能な限り低減するのが望ましい。よって、本発明では、P含有量は0.040%以下とする。好ましくは、0.030%以下である。
Sは、伸びやr値を低下させ、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素である。したがって、S含有量はできる限り低減することが望ましい。よって、本発明では、S含有量を0.010%以下とする。好ましくは、0.005%以下である。
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素である。Cr含有量が10.0%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素である。特にCr含有量が23.0%を超えると、その弊害が顕著となる。よって、Cr含有量は、10.0〜23.0%の範囲とする。好ましくは、12.0〜20.0%の範囲である。さらに好ましくは14.0〜18.0%である。
Alは、Cu添加鋼の耐酸化性を向上するのに必要不可欠な元素である。特に、Cu添加鋼でSUS444と同等以上の耐酸化性を得るにはAl含有量を0.2%以上にすることが必要である。一方、Al含有量が1.0%を超えると、鋼が硬質化して加工性が低下してしまう。よって、Al含有量は0.2〜1.0%の範囲とする。好ましくは、0.25〜0.80%の範囲である。より好ましくは0.30〜0.50%の範囲である。
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素である。N含有量が0.015%を超えるとこの不利益が顕著に現れる。よって、N含有量は0.015%以下とする。なお、N含有量は、靭性および成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが望ましく、0.012%未満とするのが好ましい。このように、Nを積極添加しないことが好ましい。ただし、N含有量を0.004%未満まで低減するには脱窒に時間がかかり製造コストが高くなってしまう。そこで、特性とコストのバランスを考慮し、N含有量は0.004%以上0.012%未満が望ましい。
Cuは、熱疲労特性の向上に非常に有効な元素である。本発明のようなNb添加鋼において、SUS444と同等以上の熱疲労特性を得るには、Cu含有量を1.0%以上とする必要がある。しかし、Cu含有量が2.0%を超えると、鋼を著しく硬質化し室温での加工性が著しく低下するとともに、熱間加工時に脆化を起こしやすくする。さらに重要なことは、Cuの含有は、熱疲労特性を向上させるものの、鋼自身の耐酸化性を低下させる。つまり、Cuの含有により、総合的には耐熱性が低下する場合がある。総合的に耐熱性が減少する原因は、生成したスケール直下の脱Cr層にCuが濃化し、ステンレス鋼本来の耐酸化性を向上する元素であるCrの再拡散を抑制するためと考えられる。よって、Cu含有量は、1.0〜2.0%の範囲とする。好ましくは1.0〜1.8%の範囲である。より好ましくは1.2〜1.6%である。
Nbは、CおよびNと炭窒化物を形成してCやNを固定し、耐食性や成形性および溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上させる作用を有する。したがって、Nbは本発明において重要な元素である。このような効果は、Nb含有量を0.30%以上にすることで得られる。しかし、Nb含有量が0.65%を超えると、Laves相(Fe2Nb)が析出しやすくなり、脆化が促進される。さらに、Nb固溶量が減少すると高温強度向上効果が失われてしまう。よって、Nb含有量は0.30〜0.65%の範囲とする。好ましくは、0.35〜0.55%の範囲である。なお、高温強度と靭性のバランスを考慮するとNb含有量は0.40〜0.50%の範囲が好ましい。より好ましくは0.43〜0.48%の範囲である。
Tiは、Nbと同様、CおよびNを固定して、耐食性や成形性を向上し、溶接部の粒界腐食を防止する元素である。また、本発明のようなAl含有鋼において、Tiは耐酸化性の向上に極めて有効な元素である。特に1000℃を超える高温域で使用される場合には、優れた耐酸化性を得るために、Tiは有効な添加元素である。そのような高温での耐酸化性を得るために、Ti含有量は0.005%以上とするのが好ましい。しかし、Ti含有量が0.50%を超えると、耐酸化性向上効果が飽和するのみならず、粗大な窒化物の生成により靭性の低下を招く。例えば、熱延板焼鈍ラインで繰り返し受ける曲げ−曲げ戻しによって破断を起こしたりする等、製造性に悪影響を及ぼすようになる。さらには、粗大なTiNは高温疲労試験の際にも亀裂の起点となりやすいため、優れた高温疲労特性が得られなくなる。よって、Ti含有量の上限は0.50%とする。
Oは本発明のようなAl含有鋼において重要な元素である。鋼中に存在するOは、高温に曝された際に、鋼中のAlと優先的に結びつき、Alの固溶量を減少させる。Alの固溶量が減少すると高温強度が低下する。また、鋼中で粗大に析出したAl酸化物は、高温疲労試験において亀裂発生の起点となり、鋼の高温疲労特性を低下させる。Oが鋼中に多く存在すると、それだけ多くのAlと結びついてAlの固溶量が減少してしまうのみならず、外部からOを侵入させやすくする。このため、Oが鋼中に多く存在すると、鋼中O含有量以上にAl酸化物を形成しやすくなってしまう。従って、O含有量はなるべく低減するのが好ましく、その含有量は0.0030%以下に限定する。好ましくは0.0020%以下である。さらに好ましくは0.0015%以下である。
上述したように、本発明のようにAlを添加した鋼においては、Alの固溶強化を利用した高温疲労特性向上のためにO含有量の低減が重要となる。さらに、発明者らは、高温疲労特性に及ぼすAlとOの含有量比の影響も精査し、Al:0.2〜1.0%かつO:0.0030%以下を満たした上で、Al/O≧100を満たすことによって、極めて優れた高温疲労特性が鋼に付与されることを見出した。この効果が得られる理由としては、鋼中に存在するOと結びついて生成したAl酸化物は、高温に曝された際に外気から侵入したOと結びついたAl酸化物に比べ緻密性に劣るため、耐酸化性の向上に寄与しにくく、外気からのさらなるOの侵入を許し、亀裂の起点となるAl酸化物の生成を促進してしまうためと考えられる。
以下、鋼の成分組成を規定する成分%は、全て質量%を意味する。
成分組成は、C:0.010%、Si:0.8%、Mn:0.2%、P:0.030%、S:0.002%、Cr:17%、N:0.010%、Cu:1.3%、Nb:0.5%、Ti:0.1%、をベースとし、これにAl、Oをそれぞれ0.1〜0.5%、0.001〜0.006%の範囲で含有量を種々に変化させた鋼を実験室的に溶製して30kg鋼塊とした。鋼塊を1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ35mm×幅150mmのシートバーとした。このシートバーを1050℃に加熱後、熱間圧延して板厚5mmの熱延板とした。その後900〜1050℃で熱延板焼鈍し酸洗した熱延焼鈍板を冷間圧延により板厚を2mmとし、850〜1050℃で仕上げ焼鈍して冷延焼鈍板とした。これを下記の高温疲労試験に供した。
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示すような形状の高温疲労試験片を作製し、下記の高温疲労試験に供した。
○(合格):繰り返し数100×105回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×105回以上100×105回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×105回未満で破断
図4に高温疲労試験の結果を示す。図4から、O含有量を0.0030%以下、Al含有量を0.2%以上さらにAl/O≧100とすることにより、極めて優れた高温疲労寿命が得られることがわかる。なお、横軸のO(%)はO含有量を意味し、縦軸のAl(%)はAl含有量を意味する。
Bは、鋼の加工性、特に二次加工性を向上させるのに有効な元素である。また、Bは鋼中のNと結びつくことでAlが窒化してしまうのを防ぐ効果も有する。これらの効果は、B含有量を0.0003%以上にすることで得られる。B含有量が0.0030%を超えると、BNが過剰に生成し、また、BNが粗大化しやすくなるため、加工性が低下する。よって、Bを添加する場合は、B含有量は0.0030%以下とする。好ましくは0.0005〜0.0020%の範囲である。さらに好ましくは0.0008〜0.0015%である。
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を向上する元素である。その効果を得るためには、REMであればその含有量を0.005%以上、Zrであればその含有量を0.005%以上にすることが好ましい。REM含有量が0.080%を超えると、鋼が脆化する。また、Zr含有量が0.50%を超えると、Zr金属間化合物が析出して、鋼が脆化する。よって、REMおよびZrを含有する場合は、それぞれ0.080%以下、0.50%以下とする。
Vは、鋼の加工性向上に有効な元素であるとともに、耐酸化性の向上にも有効な元素である。それらの効果は、V含有量を0.01%以上にすることで顕著となる。しかし、V含有量が0.50%を超えると、粗大なV(C、N)の析出を招き、鋼の表面性状が低下する。よって、Vを添加する場合、その含有量は0.50%以下とする。また、その含有量は0.01〜0.50%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.03〜0.40%の範囲である。さらに好ましくは0.05〜0.20%未満である。
Coは、鋼の靭性向上に有効な元素である。また、Coは、鋼の熱膨張係数を低減し、熱疲労特性を向上させる効果も有する。その効果を得るためには、Co含有量を0.005%以上にすることが好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、また、Co含有量が0.50%を超えても、上記効果は飽和するだけである。よって、Coを添加する場合、Co含有量は0.50%以下とするのが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.20%の範囲である。なお、優れた冷延板の靭性が必要とされる場合には、Co含有量を0.02〜0.20%とするのが好ましい。
Niは、鋼の靭性を向上させる元素である。また、Niは、鋼の耐酸化性を向上させる効果も有する。その効果を得るためには、Ni含有量を0.05%以上にすることが好ましい。一方、Niは高価であることに加えて、強力なγ相形成元素でありNiの含有により高温でγ相が生成しやすくなる。γ相が生成すると、耐酸化性が低下するのみならず、熱膨張係数が増加し、熱疲労特性も低下する。よって、Niを含有する場合は、Ni含有量を0.50%以下とする。Ni含有量は、好ましくは、0.05〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.10〜0.25%である。
Caは、連続鋳造の際に発生しやすいTi系介在物析出によるノズルの閉塞を防止するのに有効な成分である。その効果はCa含有量を0.0005%以上にすることで得られる。表面欠陥を発生させず良好な表面性状を得るためには、Ca含有量を0.0050%以下とする必要がある。従って、Caを添加する場合、Ca含有量は0.0005〜0.0050%の範囲が好ましい。より好ましくは0.0005%以上0.0030%以下の範囲である。さらに好ましくは0.0005%以上0.0015%以下の範囲である。
Mgはスラブの等軸晶率を向上させ、加工性や靱性を向上させるのに有効な元素である。さらに、Mgは、NbやTiの炭窒化物の粗大化を抑制するのに有効な元素である。Ti炭窒化物が粗大化すると、脆性割れの起点となるため靱性が低下する。また、Nb炭窒化物が粗大化すると、Nbの鋼中の固溶量が低下するため、熱疲労特性の低下につながる。Mg含有量を0.0010%以上にすることで、それらの効果が得られる。一方で、Mg含有量が0.0050%超えとなると、鋼の表面性状を悪化させてしまう。従って、Mgを添加する場合、その含有量を0.0010%以上0.0050%以下の範囲とするのが好ましい。より好ましくは0.0010%以上0.0020%以下の範囲である。
Moは、高温強度を増加させることで耐熱性を向上させることができる元素である。また、Moは高価な元素なため積極的に添加されない傾向にある。コストを考慮せず優れた耐熱性が必要な場合には、Moを0.1〜1.0%の範囲で含有してもよい。
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示す形状の試験片を作製し、高温平面曲げ疲労試験に供した。試験温度は850℃、周波数22Hz(=1,300rpm)とし、平面応力が75MPaとなるように両振りの曲げを繰り返し、亀裂が生じたサイクル数を寿命として測定して、下記のように評価した。
○(合格):繰り返し数100×105回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×105回以上100×105回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×105回未満で破断
以上より得られた結果を表1にまとめて示す。
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、950℃に加熱保持した大気雰囲気の炉内にサンプルを吊り下げて、300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、酸化増量の平均値が27g/m2以下の場合を「○」(合格)、27g/m2を超えた場合は「×」(不合格)として耐酸化性を評価した。
二分割した上記50kg鋼塊の残りの鋼塊を、1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ30mm×幅150mmのシートバーとした後、このシートバーを鍛造し、35mm角の各棒とし、1030℃の温度で焼鈍後、機械加工し、図2に示した形状、寸法の熱疲労試験片に加工し、下記の熱疲労試験に供した。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.015%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.040%以下、S:0.010%以下、Cr:10.0〜21.1%、Al:0.2〜1.0%、N:0.015%以下、Cu:1.0〜2.0%、Nb:0.30〜0.65%、Ti:0.50%以下、O:0.0030%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
Si含有量とAl含有量とがSi≧Alの関係を満たし、
Al含有量とO含有量とがAl/O≧100の関係を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。 - 前記成分組成は、さらに、B:0.0030%以下、REM:0.080%以下、Zr:0.50%以下、V:0.50%以下、Co:0.50%以下およびNi:0.50%以下のうちから選ばれる1種または2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。
- 前記成分組成は、さらに、Ca:0.0050%以下およびMg:0.0050%以下のうちから選ばれる1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記成分組成は、さらに、質量%で、Mo:0.36〜1.0%以下を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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