JP6067161B1 - 靭性の良好なＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】靭性の良好なＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０.００３〜０.０３０％、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０５０％以下、Ｓ：０.０４０％以下、Ｃｒ：１０.０〜１９.０％、Ｎ：０.０３０％以下、Ｔｉ：４（Ｃ＋Ｎ）以上０.８０％以下、Ａｌ：０.０１０〜０.２０％であり、さらに必要に応じてＭｏ：１.５０％以下、Ｂ：０.００３０％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、電解抽出法で回収される抽出残渣の鋼中含有量Ｒ（質量％）とＣ、Ｎの鋼中含有量が下記（１）式の関係を満たすＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板。Ｒ＞５.０Ｃ＋４.４Ｎ−０.０２５ …（１）【選択図】なし

Description

本発明は、靭性の良好なＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板に関する。

Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板は、耐食性、耐熱性等の特性が良好であることから、近年、自動車排ガス経路部材等への需要が増えている。しかし、Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板には靭性が低下しやすいという問題がある。自動車排ガス経路に用いるフランジなどでは厚ゲージ（例えば板厚５.０〜１１.０ｍｍ）の鋼板に対するニーズが高い。板厚が大きいほど、靭性低下の影響は顕在化しやすくなる。

これまで、Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板の靭性を改善する試みが種々なされてきた。厚ゲージの鋼板素材としては熱延鋼板あるいは熱延焼鈍鋼板を適用することが一般的であるため、従来の靭性改善策は熱間圧延条件に関するものが主流であった（特許文献１〜４）。しかし、ステンレス鋼板の大量生産現場では、熱間圧延ラインに種々の鋼種が流れている。Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板の製造時に、汎用的なフェライト系ステンレス鋼板とは異なる限定的な操業条件を採用することは、全体的な生産性を低下させる要因となる。

特開昭６０−２２８６１６号公報 特開昭６４−５６８２２号公報 特開２０１２−１４０６８８号公報 特開２０１５−１８７２９０号公報

本発明は、一般的な熱延条件を採用した場合にも得られる、靭性の良好なＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。

上記目的は、質量％で、Ｃ：０.００３〜０.０３０％、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０５０％以下、Ｓ：０.０４０％以下、Ｃｒ：１０.０〜１９.０％、Ｎ：０.０３０％以下、Ｔｉ：４（Ｃ＋Ｎ）以上０.８０％以下、Ａｌ：０.０１０〜０.２０％であり、さらに必要に応じてＭｏ：１.５０％以下、Ｂ：０.００５０％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、電解抽出法で回収される抽出残渣の鋼中含有量Ｒ（質量％）とＣ、Ｎの鋼中含有量が下記（１）式の関係を満たすＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板によって達成される。その板厚は例えば５.０〜１１.０ｍｍである。抽出残渣の鋼中含有量Ｒは後述の方法で求めることができる。
Ｒ＞５.０Ｃ＋４.４Ｎ−０.０２５ …（１）
ここで、上記Ｔｉ含有量の下限および（１）式において、ＣおよびＮの箇所にはそれぞれ質量％で表されるＣおよびＮの鋼中含有量の値が代入される。

〔抽出残渣の鋼中含有量Ｒの求め方〕
１０質量％のアセチルアセトン、１質量％のテトラメチルアンモニウムクロライド、８９質量％のメチルアルコールからなる非水系電解液中で、鋼板から採取した質量既知のサンプルに、飽和甘汞基準電極（ＳＣＥ）に対して−１００ｍＶ〜４００ｍＶの電位を付与し、サンプルのマトリックス（金属素地）を全部溶解させたのち、未溶解物を含む液を孔径０.０５μｍのメンブレンフィルターにてろ過し、フィルターに残った固形分を抽出残渣として回収する。溶解に供した上記サンプルの質量に占める抽出残渣の質量割合をＲ（質量％）とする。

本発明によれば、靭性の良好なＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板を実現することができる。特に、靭性低下による悪影響が顕在化しやすい厚ゲージ（例えば板厚５.０〜１１.０ｍｍ）の鋼板において、靭性改善による信頼性の向上効果が大きい。この鋼板は、熱間圧延条件に特段の制限を設けることなく製造することができるので、連続熱間圧延ラインの生産性向上にもつながる。

〔化学組成〕
本発明では、以下に示す成分元素を含有するフェライト系ステンレス鋼を対象とする。鋼板の化学組成に関する「％」は、特に断らない限り質量％を意味する。

Ｃは、鋼を硬質化させ、熱延鋼板の靭性を低下させる要因となる。Ｃ含有量（固溶Ｃと化合物として存在するＣのトータル量）は０.０３０％以下に制限される。０.０２０％以下とすることがより好ましく、０.０１５％以下に管理してもよい。過剰な低Ｃ化は製鋼への負荷を増大させ、コスト上昇となる。ここでは、Ｃ含有量０.００７％以上の鋼板を対象とする。

ＳｉおよびＭｎは、脱酸剤として有効である他、耐高温酸化性を向上させる作用を有する。Ｓｉについては０.０２％以上、Ｍｎについては０.１０％以上の含有量を確保することがより効果的である。これらの元素は、多量に含有すると鋼の脆化を招く要因となる。Ｓｉ含有量は２.０％以下に制限され、１.０％以下とすることがより好ましい。Ｍｎ含有量も２.０％以下に制限され、１.０％以下とすることがより好ましい。

ＰおよびＳは、多量に含有すると耐食性低下などの要因となる。Ｐ含有量は０.０５０％まで許容でき、Ｓ含有量は０.０４０％まで許容できる。過剰な低Ｐ化、低Ｓ化は製鋼への負荷を増大させ不経済となる。通常、Ｐ含有量は０.０１０〜０.０５０％、Ｓ含有量は０.０００５〜０.０４０％の範囲で調整すればよい。

Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を確保するために重要である。耐高温酸化性の向上にも有効である。これらの作用を発揮させるために、１０.０％以上のＣｒ含有量が必要である。多量にＣｒを含有すると鋼が硬質化し、厚ゲージ熱延鋼板の靭性改善に支障をきたす場合がある。ここではＣｒ含有量が１９.０％以下の鋼を対象とする。

Ｎは、Ｃと同様、熱延鋼板の靭性を低下させる要因となる。Ｎ含有量（固溶Ｎと化合物として存在するＮのトータル量）は０.０３０％以下に制限される。０.０２０％以下とすることがより好ましく、０.０１５％以下に管理してもよい。過剰な低Ｎ化は製鋼への負荷を増大させ、コスト上昇となる。通常、Ｎ含有量は０.００３％以上の範囲で調整すればよい。

Ｔｉは、Ｃ、Ｎと結合してＴｉ炭窒化物を形成することによって、Ｃｒ炭窒化物の粒界偏析を抑制し、鋼の耐食性および耐高温酸化性を高く維持する上で極めて有効な元素である。ここでは上記作用を十分に得るために、質量％において、ＣとＮの合計含有量に対し４倍相当以上のＴｉ含有量を有するフェライト系ステンレス鋼を対象とする。Ｔｉ含有量が過大になると、熱延鋼板の靭性低下を助長するので好ましくない。種々検討の結果、Ｔｉ含有量は０.８０％以下に制限され、０.５０％以下の範囲で含有させることがより望ましい。なお、本明細書において「炭窒化物」とは、Ｃ、Ｎの１種以上が金属元素と結合した化合物をいう。Ｔｉ炭窒化物の例だと、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）がこれに該当する。

Ａｌは、脱酸剤として有効である。その作用を十分に得るために、０.０１０％以上のＡｌ含有量となるように添加することが効果的である。多量のＡｌ含有は靭性低下の要因となる。Ａｌ含有量は０.２０％以下に制限される。

Ｍｏは、耐食性の向上に有効であり、必要に応じて添加することができる。その場合、０.０１％以上のＭｏ含有量とすることがより効果的である。多量のＭｏ含有は靭性に悪影響を及ぼす場合がある。Ｍｏ含有量は０〜１.５０％の範囲とする必要があり、０〜０.５０％の範囲に管理してもよい。

Ｂは、２次加工性向上に有効であり、必要に応じて添加することができる。その場合、０.０００５％以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、Ｂ含有量が０.００５０％を超えるとＣｒ₂Ｂの生成により金属組織の均一性が損なわれ、加工性が低下する場合がある。Ｂ含有量は０〜０.００５０％の範囲とする。

〔抽出残渣の鋼中含有量〕
上記の化学組成を有するＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼の場合、上掲の電解抽出法で回収される抽出残渣はＴｉ炭窒化物を主体とするものである。Ｔｉは、上述のようにＣ、Ｎを固定する目的で添加される元素である。Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板では通常、Ｎについては、大部分がＴｉと結合した形で鋼板中に存在していると考えられる。しかしＣについては、Ｎと比べ、Ｔｉと結合せずにマトリックス中に固溶した状態で存在している割合が多くなる。Ｔｉについても、通常、その全てが炭窒化物の形成に消費されるわけではなく、鋼板中には炭窒化物を形成していないＴｉが存在している。

発明者らの研究によれば、Ｔｉ含有フェライト系ステンレス鋼板においては、Ｔｉと結合せずに固溶状態で存在しているＣが、靭性低下を引き起こす大きな要因となることがわかった。従って、固溶Ｃ量を低減させること、すなわちＣをできるだけＴｉと結合させた状態で存在させることが靭性改善には極めて有効である。固溶Ｃ量の減少は、Ｔｉ炭窒化物の生成量に反映される。ここでは電解抽出法で回収される抽出残渣の鋼中含有量Ｒをパラメータとして、靭性改善効果の高いＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板を特定する。

種々検討の結果、上述の化学組成を有するＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼において、電解抽出法で回収される抽出残渣の鋼中含有量Ｒ（質量％）とＣ、Ｎの鋼中含有量が下記（１）式の関係を満たす金属組織に調整されているとき、板厚５.０〜１１.０ｍｍといった厚ゲージの鋼板の靭性が顕著に改善されることがわかった。この場合、冷延工程でのライン通板時や、厚ゲージ鋼板を素材とする部品への加工に際して問題となる、靭性低下に起因する不測のトラブルが回避できる。
Ｒ＞５.０Ｃ＋４.４Ｎ−０.０２５ …（１）
ここで、（１）式のＣおよびＮの箇所にはそれぞれ質量％で表されるＣおよびＮの鋼中含有量の値が代入される。

（１）式において、「５.０Ｃ」の項は鋼中のＣが全てＴｉと結合したと仮定したときのＴｉＣの質量割合に相当し、「４.４Ｎ」の項は鋼中のＮが全てＴｉと結合したと仮定したときのＴｉＮの質量割合に相当する。「−０.０２５」の項は靭性改善効果を十分に得るうえで許容される固溶Ｃ＋固溶Ｎの最大量をＴｉ炭窒化物量に換算したものに相当する。ただし、ＮはＣよりも優先的にＴｉと結合していると考えられるので、「−０.０２５」の項は実質的には固溶Ｃの許容量を表す項であるとみなしてよい。

〔製造方法〕
上記（１）式を満たすように固溶Ｃ量が低減されたＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板は、一般的なステンレス鋼板製造工程に、特定の温度範囲での熱処理工程を加えることによって実現できる。例えば、常法により熱延鋼板を製造し、熱延板焼鈍を施して焼鈍鋼板を得る。熱延板焼鈍の温度は例えば９５０℃超え１１５０℃以下とすることができ、１０００℃超え１１５０℃以下とすることがより好ましい。得られた焼鈍鋼板に対して、７５０℃以上１０００℃以下の温度域に６０秒以上保持する熱処理を施す。保持温度が７５０℃未満であるとＴｉＣの生成が進行しにくく、固溶Ｃの減少が不十分となる。１０００℃を超えるとＴｉＣの溶解が進行しやすくなり、固溶Ｃの低減化は困難となる。保持温度は７５０℃以上９５０℃以下とすることがより好ましく、７５０℃以上９００℃以下に管理してもよい。保持時間は６０分以内の範囲で設定することができ、１０分以下の範囲とすることがより好ましい。この熱処理を導入することで、上記（１）式を満たす組織状態が得られることがわかった。保持温度および保持時間の最適条件は、この熱処理前に受けた焼鈍の条件および化学組成に応じて、予め予備実験を行うことにより把握することができる。

《実施例１》
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、通常のフェライト系ステンレス鋼板用の条件で熱間圧延を行い、焼鈍酸洗ラインにて１０８０℃の焼鈍を施し、焼鈍鋼板を得た。この焼鈍鋼板に熱処理を施した鋼板、または熱処理を施していない鋼板（上記焼鈍鋼板）を供試鋼板とした。表２中に熱処理の条件を示してある。

各供試鋼板からサンプルを採取し、上掲の「抽出残渣の鋼中含有量Ｒの求め方」に従ってＲを求めた。

各供試鋼板からＵノッチ衝撃試験片を作製し、ＪＩＳ Ｚ２２４２：２００５に従い７０℃以下の１０℃刻みの各温度でシャルピー衝撃試験を行った。ハンマーによる衝撃付与方向（すなわちＵノッチの深さ方向）は、圧延方向と板厚方向に垂直な方向とした。各温度での試験数はｎ＝３とし、そのうちの最も低い衝撃値（最も成績の悪い値）を当該供試鋼板のその温度での衝撃値として採用した。本明細書では、この１０℃刻みの試験で衝撃値が１５０Ｊ／ｃｍ²以上となる最も低い温度を当該供試鋼板のＤＢＴＴと定義する。上述の化学組成を有するＴｉ含有鋼種の厚ゲージ鋼板（例えば板厚５.０〜１１.０ｍｍ）において、このＤＢＴＴが３０℃以下であれば、靭性面での信頼性は顕著に改善されていると評価することができる。従って、このＤＢＴＴが３０℃以下のものを○（靭性改善；合格）、それ以外のものを×（靭性改善；不合格）と判断した。
これらの結果を表２に示す。

比較例であるＮｏ.６〜１０は従来一般的な熱延焼鈍鋼板に相当する。これらはいずれも表２中の［Ａ］−［Ｂ］が負の値であり、（１）式を満たしていない。本発明例のものは、適切な熱処理を施すことにより（１）式を満たす組織状態が得られている。これらはいずれも比較例のものに比べ、靭性が顕著に改善されていることがわかる。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０.００７〜０.０３０％、Ｓｉ：２.０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０５０％以下、Ｓ：０.０４０％以下、Ｃｒ：１０.０〜１９.０％、Ｎ：０.０３０％以下、Ｔｉ：４（Ｃ＋Ｎ）以上０.８０％以下、Ａｌ：０.０１０〜０.２０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、電解抽出法で回収される抽出残渣の鋼中含有量Ｒ（質量％）とＣ、Ｎの鋼中含有量が下記（１）式の関係を満たし、板厚が５.０〜１１.０ｍｍであるＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板。
   Ｒ＞５.０Ｃ＋４.４Ｎ−０.０２５ …（１）
   ここで、上記Ｔｉ含有量の下限および（１）式において、ＣおよびＮの箇所にはそれぞれ質量％で表されるＣおよびＮの鋼中含有量の値が代入される。
2. 質量％で、さらにＭｏ：１.５０％以下を含有する化学組成を有する請求項１に記載のＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板。
3. 質量％で、さらにＢ：０.００５０％以下を含有する化学組成を有する請求項１または２に記載のＴｉ含有フェライト系ステンレス鋼板。