JP6142837B2

JP6142837B2 - フェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有するステンレス鋼

Info

Publication number: JP6142837B2
Application number: JP2014083568A
Authority: JP
Inventors: 知洋石井; 太田　裕樹; 裕樹太田; 力上
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: JP2015203144A

Description

本発明は、高温酸化環境における耐摩耗性に優れたフェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有するステンレス鋼（以下、本明細書において、「フェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼」とする。）に関する。本発明のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼は、５００℃以下の高温酸化による損傷と物理的な磨耗による損傷が同時に発生する環境で使用される部材、たとえば、加熱された鉱石等を運搬するベルトコンベアーのベルト用材料等に好ましく適用できる。

鉄鉱石や石炭等の鉱石は、採掘後に精製工場においてベルトコンベアーを用いて運搬される。このベルトコンベアーのベルト材料にはステンレス鋼が使用される場合がある。このベルトコンベアーのベルト材料は、鉱石を積み込む際に受ける衝撃による磨耗、鉱石の転がり等により生じる磨耗に耐えるために、優れた耐摩耗性を有することが必要とされる。

耐摩耗性に優れたステンレス鋼としては、特許文献１に高耐摩耗高耐食性ステンレス鋼材の製造方法が開示されている。この製造方法は７００〜９５０℃の温度範囲で鋼に連続
焼鈍を施して、鋼中に炭化物および炭窒化物を析出させて、鋼の耐摩耗性を向上させる。

また、特許文献２には、耐食性と耐摩耗性に優れる織機部材用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法が開示されている。これは鋼の成分組成および焼入れ焼き戻し条件を調整することにより炭窒化物析出量を調整して、耐摩耗性を向上させたステンレス鋼を製造する技術である。

特開２００５−２５６１１４号公報特開２００９−２０３５２８号公報

近年では鉱石を加熱して焼結し、そのまま冷却することなく、運搬する場合がある。こういった工程に使用されるベルトコンベアーの使用時に、ベルト材の温度が数百度まで上昇する場合がある。このため、ベルト材には高温酸化環境における優れた耐摩耗性が求められる。

これらの高温酸化と磨耗が同時に発生しやすい環境においては、上記特許文献に記載されるような従来のステンレス鋼は、必ずしも十分な耐摩耗性を発揮することができない場合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、高温酸化環境における耐摩耗性に優れたフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、高温酸化と磨耗が同時に発生する環境におけるステンレス鋼の損傷、減肉に関して、鋼の成分組成および鋼組織に着目して検討した。その結果、以下の知見を得た。

ステンレス鋼の酸化速度は、通常の大気環境中において５００℃以下の温度では非常に遅い。このため、ステンレス鋼は酸化による損傷が問題とならないことが多い。しかし、本発明が対象とする高温酸化と磨耗が同時に発生する環境においては、物理的な衝撃によって表層にひずみが導入されるために、酸化が促進され比較的速い速度でステンレス鋼の酸化が進行する。速い酸化速度で形成された酸化皮膜は脆くなるため、再び物理的な衝撃が加わったときに、容易に剥離し、保護皮膜の存在しない新しい表面が露出する。新しい表面には物理的な衝撃によって再びひずみが導入され酸化が促進される。このように、高温酸化と磨耗が同時に発生する環境においては、物理的衝撃による磨耗と表層へのひずみの導入、ひずみの導入による酸化の促進、酸化皮膜の剥離、物理的衝撃による磨耗と表層へのひずみの導入、というサイクルをもって損傷が進行する。その結果、エロージョンコロージョンによく似た現象となり、非常に早い速度で、ステンレス鋼の損傷、減肉が起こる。

本発明者らは、初めに物理的な衝撃による磨耗とひずみの導入について検討を行った。その結果、ステンレス鋼の組織をフェライト単相からマルテンサイト相分率を増加させ、マルテンサイト相の硬さを増加させるほど、物理的衝撃による磨耗、および、ひずみの導入される深さが小さくなることが明らかとなった。したがって、磨耗による損傷を抑制するためにはマルテンサイト相分率を増加させ、硬さを増加させることが効果的である。

一方で、マルテンサイト相分率を増加させて硬くなったステンレス鋼では、表層にひずみが集中する。このため、ひずみ導入後の酸化では、酸化速度が増加し、脆い酸化皮膜が形成され、酸化皮膜の剥離が起こりやすくなる傾向が確認できる。したがって、酸化皮膜の剥離の観点からはマルテンサイト相分率は小さいほうが好ましい。

質量％でＣ：０．０２％、Ｓｉ：０．３％、Ｐ：０．０３％、Ｓ：０．００２％、Ａｌ：０．１５％、Ｃｒ：１２％、Ｖ：０．０５％、Ｎｂ：０．１５％、Ｎ：０．０２％、Ｍｎ：０．１〜５．０％およびＮｉ：０．１〜２．５％を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を基準に、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量を一定の比率（質量比）で変化させ、焼鈍によりマルテンサイト相分率を変化させたステンレス鋼を製造した。各ステンレス鋼に対して、３分間のショットブラスト処理と大気環境で３００℃、１時間の酸化熱処理を交互に５回繰り返し施したときの重量減少を図１に示す。マルテンサイト相分率（体積％）が５％から６０％の範囲で、重量減少が３５ｇ／ｍ^２以下となっていることが分かる。これは、適度なマルテンサイト相分率となることで、物理的な衝撃による磨耗を抑制することに加えて、適度なフェライト相の存在が、表層へのひずみの集中を抑制し、酸化皮膜の過度な成長と剥離を抑制したためと考えられる。なお、各ステンレス鋼のマルテンサイト相のビッカース硬さは３００〜３２０ＨＶの範囲であった。なお、ビッカース硬さの値は、光学顕微鏡によりマルテンサイト相を判別して、押し付け圧力を０．０１ｋｇｆとして５点測定し、その平均を採用した。

さらに、本発明では、高温酸化と磨耗が同時に起こる環境における損傷におよぼすマルテンサイト相の硬さを検討した。質量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ０．３％、Ｐ：０．０３％、Ｓ：０．００２％、Ａｌ：０．１５％、Ｃｒ：１２％、Ｖ：０．０５％、Ｎｂ：０．１５％、Ｎ：０．０２％、Ｍｎ：０．２〜２．１％およびＮｉ：０．２〜１．２％を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を基準に、Ｍｎ含有量およびＮｉ含有量が異なる鋼に対して焼鈍を施し、マルテンサイト相分率が２８〜３２％のステンレス鋼を製造した。各ステンレス鋼に対して、３分間のショットブラスト処理と大気環境で３００℃、１時間の酸化熱処理を交互に５回繰り返し施したときの重量減少を図２に示す。マルテンサイト相のビッカース硬さの値は、光学顕微鏡によりマルテンサイト相を判別して、押し付け圧力を０．０１ｋｇｆとして５点測定し、その平均を採用した。マルテンサイト相の硬さの増加にともなって、重量減少が低下し、ビッカース硬さ２８０以上で重量減少が３５ｇ／ｍ^２以下となった。これは、同じマルテンサイト相分率であってもマルテンサイト相が硬くなることで、物理的な衝撃による磨耗が一層抑制されたためと考えられる。

以上の知見により本発明は構成される。すなわち、本発明は下記の構成を要旨とするものである。

［１］質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０３〜０．３０％、Ｃｒ：１０．０〜１３．０％、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、フェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有し、前記組織における前記マルテンサイト相の体積率が５〜６０％であり、前記マルテンサイト相のビッカース硬さが２８０以上であることを特徴とするフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼。

［２］前記成分組成は、さらに、質量％で、Ｔｉ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｗ：１．０％以下およびＣｏ：０．５％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする［１］に記載のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼。

［３］前記成分組成は、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする［１］または［２］に記載のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼。

本発明のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼は、高温酸化環境における耐摩耗性に優れる。

高温酸化環境における優れた耐摩耗性を有する本発明のステンレス鋼は、５００℃以下の穏やかな高温酸化による損傷と物理的な磨耗による損傷が同時に発生する環境で使用される部材に好ましく適用することができる。具体的には、本発明のステンレス鋼は、加熱された鉱石等を運搬するベルトコンベアーのベルト用材料に好ましく適用できる。

高温酸化環境における耐摩耗性とマルテンサイト相分率との関係を示す図である。高温酸化環境における耐摩耗性とマルテンサイト相の硬さとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

先ず、本発明のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼の成分組成について説明する。なお、成分組成の説明における「％」は「質量％」を意味する。

本発明のステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０３０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１〜５．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０３〜０．３０％、Ｃｒ：１０．０〜１３．０％、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｎｂ：０．０５〜０．４％を含有する。

Ｃ：０．００５〜０．０３０％
Ｎ：０．００５〜０．０３０％
ＣおよびＮは、オーステナイト安定化元素である。安定なオーステナイト相からマルテンサイト相が急冷により形成されるため、Ｃ含有量、Ｎ含有量が増加すると鋼組織中のマルテンサイト相分率が増加する。このため、ＣおよびＮはマルテンサイト相分率の調整に有用な元素である。オーステナイト安定化効果はいずれの元素もその含有量を０．００５％以上にすることで得られる。さらに、ＣおよびＮはマルテンサイト相の硬さを増加させる元素である。このため、ＣおよびＮは耐摩耗性向上のために積極的に添加したい元素である。しかし、ＣおよびＮを過剰に含有するとマルテンサイト相分率の調整が困難になる。加えて、ＣおよびＮを過剰に含有すると、ステンレス鋼の加工性が低下する。このため。その含有量はいずれも元素も０．０３０％以下が適切である。よって、ＣおよびＮの含有量は、いずれも０．００５〜０．０３０％の範囲とする。より好ましくは、いずれも０．００８〜０．０２５％の範囲である。

Ｓｉ：０．１０〜１．００％
Ｓｉは、脱酸剤として用いられる元素である。その効果を得るにはＳｉの含有量を０．１０％以上にすることが必要である。また、Ｓｉはフェライト安定化元素であり、Ｓｉ含有量を少なくすることによってマルテンサイト相分率を減少させることができる。このように、Ｓｉはマルテンサイト相分率の調整に有用な元素である。さらに、ＳｉはＡｌとともに酸化皮膜に濃化することで酸化皮膜を強固にする効果がある。このため、Ｓｉは、酸化皮膜の剥離を抑制する重要な役割を有している。Ｓｉ含有量とＡｌ含有量の和（Ｓｉ＋Ａｌ）≧０．２０を満たすように、Ｓｉ含有量を調整することが好ましい。一方で、そのＳｉ含有量が１．００％を超えるとフェライト相が生成しやすくなり、マルテンサイト相分率の調整が困難となる。このため、Ｓｉの含有量は０．１０〜１．００％の範囲とする。より好ましくは、０．１１〜０．６０％である。

Ｍｎ：０．１〜５．０％
Ｍｎは、オーステナイト安定化元素である。Ｍｎ含有量を増加させることによってマルテンサイト相分率を増加させることができる。Ｍｎのオーステナイト安定化効果は、Ｍｎ含有量を０．１％以上にすることで得られる。さらに、Ｍｎはマルテンサイト相を硬くする元素であるため、本発明においては積極的に添加したい元素である。しかし、Ｍｎ含有量が５．０％を超えると、ステンレス鋼の靭性が低下する。また、Ｍｎの含有量が５．０％を超えると、製造工程での脱スケール性を低下させて表面性状に悪影響を及ぼす。よって、Ｍｎの含有量は０．１〜５．０％の範囲とする。より好ましくは、０．５〜３．０％の範囲である。

Ｐ：０．０４％以下
Ｐ含有量は熱間加工性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を０．０４％とする。より好ましくは、０．０３５％以下である。

Ｓ：０．０２％以下
Ｓ含有量は、熱間加工性および耐食性の点から少ない方が好ましく、その含有量の許容される上限値を０．０２％とする。好ましくは０．００５％以下である。

Ａｌ：０．０３〜０．３０％
Ａｌは、脱酸のために有用な元素である。その効果はＡｌ含有量を０．０３％以上にすることで得られる。また、Ａｌはフェライト安定化元素である。Ａｌ含有量を少なくすることで、マルテンサイト相分率を減少させることができる。したがって、Ａｌはマルテンサイト相分率の調整に有用な元素である。さらに、ＡｌはＳｉとともに酸化皮膜に濃化することで酸化皮膜を強固にする効果があるため、Ａｌは酸化皮膜の剥離を抑制する重要な役割を有している。一方、その含有量が０．３０％を超えると、大型のＡｌ系介在物が生成して表面欠陥の原因となる。よって、Ａｌの含有量は０．０３〜０．３０％の範囲とする。より好ましくは、０．０５〜０．３０％の範囲である。

Ｃｒ：１０．０〜１３．０％
Ｃｒは、不動態皮膜を形成し、ステンレス鋼の耐食性、耐酸化性を確保するうえで必須の元素である。その効果を得るためにはＣｒ含有量を１０．０％以上にすることが必要である。また、Ｃｒはフェライト安定化元素であり、Ｃｒ含有量を減少させることによってマルテンサイト相分率を減少させることができる。したがって、Ｃｒはマルテンサイト相分率を調整するために有用な元素である。しかし、Ｃｒの含有量が１３．０％を超えると、製造コストを上昇させるばかりでなく、十分なマルテンサイト相分率に調整することが困難となる。よって、Ｃｒ含有量は、１０．０〜１３．０％の範囲とする。より好ましくは、１０．５〜１２．５％である。

Ｎｉ：０．１〜２．５％
Ｎｉは、Ｍｎと同様に、オーステナイト安定化元素である。また、Ｎｉはマルテンサイト相分率の調整に有用な元素である。Ｎｉのオーステナイト安定化効果は、Ｎｉ含有量を０．１％以上にすることで得られる。しかし、Ｍｎ含有量に対してＮｉ含有量が増加すると、マルテンサイト相の硬さが減少し、ステンレス鋼の耐摩耗性が低下する。この観点からは、Ｎｉは、本発明では積極的には添加したくない元素である。Ｎｉ含有量とＭｎ含有量の関係が２．５×Ｎｉ≦Ｍｎを満たすようにＮｉ含有量を調整することが好ましい。また、Ｎｉ含有量が２．５％を超えると、マルテンサイト相分率の制御が困難となる。よって、Ｎｉの含有量は０．１〜２．５％の範囲とする。より好ましくは、０．３〜１．５％の範囲である。さらに好ましくは、０．５〜１．０％の範囲である。

Ｖ：０．００５〜０．１０％
Ｖは、窒化物を生成し、マルテンサイト相の硬さを増加させる元素である。ＶＮの生成量の調整によって、マルテンサイト相の硬さを調整できる。その効果はＶ含有量を０．００５％以上にすることで得られる。しかし、Ｖ含有量が０．１０％を超えると、６００℃以下で形成される酸化皮膜にＶが濃縮して、ステンレス鋼の耐食性が低下する。よって、Ｖの含有量は０．００５〜０．１０％とする。より好ましくは、０．０１０〜０．０６％である。

Ｎｂ：０．０５〜０．４％
Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎと炭化物、窒化物、炭窒化物を生成してＣｒの炭窒化物等の生成を抑制する効果を有する。これによって、ステンレス鋼の耐食性、特に溶接部の耐食性を向上させることができる。その効果は、Ｎｂ含有量を０．０５％以上にすることで得られる。さらに、本発明では、マルテンサイト相に微細なＮｂＣが分散することで、マルテンサイト相の硬さが増加する。一方で、Ｎｂ含有量が０．４％を超えると、ステンレス鋼の熱間加工性が低下し、熱間圧延の負荷が増大する。また、Ｎｂ含有量が０．４％を超えると、熱延板の再結晶温度を上げて、適切なオーステナイト相分率となる温度で焼鈍することが困難になる。よって、Ｎｂ含有量は０．０５〜０．４％とする。より好ましくは、０．１０〜０．３％である。

また、本発明のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼は、上記必須成分以外に以下の任意成分を含有してもよい。

Ｔｉ：１．０％以下
Ｔｉは、Ｎｂと同様に鋼中のＣ、ＮをＴｉの炭化物、窒化物あるいは炭窒化物として析出固定し、Ｃｒの炭窒化物等の生成を抑制する効果を有する。それによって、Ｔｉはステンレス鋼の耐食性、特に溶接部の耐食性を向上させる。その効果はＴｉ含有量を０．００５％以上にすることで得られる。しかし、Ｔｉ含有量が１．０％を超えると、粗大なＴｉＮの生成が促進され、ＴｉＮ起因の表面欠陥が引き起こされる。よって、本発明のステンレス鋼がＴｉを含む場合、Ｔｉ含有量は１．０％以下とした。より好ましい範囲は、０．１５〜０．３％である。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる元素であり、特に隙間腐食を低減させる元素である。このため、高い耐食性が要求される場合に、本発明のステンレス鋼はＣｕを含有することが好ましい。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、ステンレス鋼の熱間加工性が低下する。よって、本発明のステンレス鋼がＣｕを含有する場合には、その含有量の上限を１．０％とする。また、耐食性向上効果を十分に発揮させるためには、Ｃｕ含有量を０．０３％以上にすることが有効である。より好ましい範囲は、０．０３〜０．５％である。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。特に高い耐食性が要求される場合に、本発明のステンレス鋼はＭｏを含有することが好ましい。耐食性を十分に発揮させるためには、Ｍｏ含有量を０．０３％以上にすることが有効である。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、ステンレス鋼の冷間での加工性が低下する。また、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、熱間圧延での肌荒れが起こり、ステンレス鋼の表面品質が極端に低下する。よって、本発明のステンレス鋼がＭｏを含有する場合には、その含有量の上限を１．０％とする。より好ましいＭｏ含有量は、０．１〜０．８％である。

Ｗ：１．０％以下
Ｗは、耐食性を向上させる元素である。特に高い耐食性が要求される場合に、本発明のステンレス鋼はＷを含有することが好ましい。その効果はＷ含有量を０．０１%以上にすることで得られる。しかし、Ｗの過剰の含有は、ステンレス鋼の強度を上昇させ、製造性を低下させる。よって、本発明のステンレス鋼がＷを含有する場合、Ｗ含有量は１．０%以下とした。

Ｃｏ：０．５％以下
Ｃｏは、靭性を向上させる元素である。高い靭性が要求される場合に、本発明のステンレス鋼はＣｏを含有することが好ましい。その効果はＣｏ含有量を０．０１％以上にすることで得られる。しかし、Ｃｏの過剰の含有は製造性を低下させる。よって、本発明のステンレス鋼がＣｏを含有する場合、Ｃｏ含有量は０．５％以下とした。

Ｃａ：０．０１％以下
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抑制する元素である。その効果はＣａ含有量を０．０００１％以上にすることで得られる。しかし、Ｃａ含有量が過剰になると、水溶性介在物であるＣａＳが生成し、ステンレス鋼の耐食性が低下する。よって、本発明のステンレス鋼がＣａを含有する場合、Ｃａ含有量は０．０１％以下とした。

Ｂ：０．０１％以下
Ｂは二次加工脆性を改善する元素である。その効果を得るためには、Ｂ含有量を０．０００３％以上にすることが適当である。しかし、Ｂ含有量が過剰になると、固溶強化による延性低下が生じる。よって、本発明のステンレス鋼がＢを含有する場合、Ｂ含有量は０．０１%以下とした。

Ｍｇ：０．０１％以下
Ｍｇはスラブの等軸晶率を向上させ、加工性の向上に寄与する元素である。その効果は、Ｍｇ含有量を０．０００３％以上にすることで得られる。しかし、Ｍｇ含有量が過剰になると鋼の表面性状が悪化する。よって、本発明のステンレス鋼がＭｇを含有する場合、Ｍｇ含有量は０．０１％以下とした。

ＲＥＭ：０．０５％以下
ＲＥＭは耐酸化性を向上して、酸化スケールの形成を抑制する元素である。ＲＥＭの中でも、特にＬａ、Ｃｅが有効である。その効果はＲＥＭ含有量を０．０００３％以上にすることで得られる。しかし、ＲＥＭの過剰の含有は、酸洗性等の製造性を低下させるうえ、製造コストの増大を招く。よってＲＥＭ含有量は０．０５％以下とした。

以上規定した必須成分、任意成分以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物とは、意図的に添加しなくても含まれる成分（不可避不純物）、意図的に添加しても本発明の効果を害さない成分を指す。不可避的不純物の具体例としては、Ｚｎ：０．０３％以下、Ｓｎ：０．３％以下が挙げられる。なお、元素の種類によって、不可避不純物と意図的に添加しても本発明の効果を害さない成分とを区別することはできない。例えば、Ｓｎの含有量のうち、一部が不可避不純物として鋼に混入し、それ以外は意図的添加で鋼に含まれる場合がある。この場合、不可避不純物として含有する量と意図的添加で含有する量との合計が０．３％以下であればよい。

また、本発明のステンレス鋼が、意図的に添加しても本発明の効果を害さない成分を含む場合、焼鈍温度におけるフェライト相とオーステナイト相の相バランスを考慮することが重要である。これを考慮することで、ステンレス鋼の鋼組織におけるマルテンサイト相の体積率を５〜６０％に調整できる。

次いで、本発明のフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼の鋼組織について説明する。

マルテンサイト相の体積率が５〜６０％
本発明のステンレス鋼はフェライト相の中にマルテンサイト相を分散させたフェライト−マルテンサイトの２相組織である。フェライト相の中にマルテンサイト相を適度に分散させることで、ステンレス鋼の硬さが増加し、物理的衝撃による磨耗を抑制する効果が得られる。その効果はマルテンサイト相の体積率が５％以上で得られる。一方で、マルテンサイト相の体積率が６０％を超えると、物理的衝撃によるひずみが表層に集中して酸化と酸化皮膜の剥離を促進する。そのため、高温酸化と磨耗によるステンレス鋼の損傷が顕著となる。したがって、マルテンサイト相の体積率は６０％以下が適当である。よって、マルテンサイト相の体積率は５〜６０％とする。より好ましくは、１０〜５０％である。

本発明のステンレス鋼の鋼組織は、フェライト相とマルテンサイト相からなるが、これら以外の相を微量含んでもよい。例えば、オーステナイト相、σ相などを合計の体積率で５％以下含んでもよい。

マルテンサイト相のビッカース硬さが２８０以上
図２に示したように、フェライト相に分散して存在するマルテンサイト相のビッカース硬さが大きいと磨耗によるステンレス鋼の損傷量が減少する。そのビッカース硬さは２８０以上が適当である。より好ましくは２９０以上である。

マルテンサイト相のビッカース硬さはマルテンサイト相に含まれるＣ、Ｍｎ、Ｎｉの比率によっておおむね決定される。マルテンサイト相に含まれるＣ、Ｍｎが多いほどその硬さが増加し、Ｎｉが多いほどその硬さは減少する。これはＮｉの増加によって転位の交差すべりが起こりやすくなるためと考えられる。また、マルテンサイト相に０．５μｍ以下のＶＮやＮｂＣなどの析出物が５０個／μｍ^２以上の密度で分散して存在することで、マルテンサイト相の硬さが増加する。これらのマルテンサイトを硬くする要素によって、マルテンサイト相の硬さが２８０以上となると、磨耗による損傷を抑制する効果が顕著となる。

なお、フェライト相のビッカース硬さは０．０１ｋｇｆの押し付け圧力で１４０〜１８０が適当である。また、板厚中央部のビッカース硬さ（フェライト相とマルテンサイト相を両方とも含む圧痕で測定した硬さ）は１ｋｇｆの押し付け圧力で１８０〜２６０が適当である。

次いで、本発明に係るステンレス鋼の製造方法について説明する。

本発明のステンレス鋼の製造方法は、定法に従って行うものであればよく、その製造方法は特に限定されない。高効率に製造することができる方法として、例えば、次の方法が推奨される。先ず、上記成分組成に溶製した鋼を連続鋳造等によりスラブとする。次いで、スラブに熱間圧延を施し熱延コイルとし、これを必要に応じて焼鈍する。次いで、熱延コイルまたは焼鈍後の熱延コイルに対してデスケーリング（ショットブラスト、酸洗等）を施す。最後に、デスケーリング後の熱延コイルに対して冷間圧延、冷延板焼鈍、酸洗を施す。以下、この推奨される方法について詳細に説明する。

スラブの製造
先ず、上記成分組成の溶鋼を、転炉または電気炉等の通常用いられる公知の溶製炉にて溶製した後、真空脱ガス法（ＲＨ法）、ＶＯＤ（ＶａｃｕｕｍＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）法、ＡＯＤ（ＡｒｇｏｎＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）法等の公知の精錬方法で精錬し、次いで、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法で鋼スラブ（鋼素材）とする。鋳造法は、生産性および品質の観点から連続鋳造が好ましい。また、スラブ厚は、後述する熱間粗圧延での圧下率を確保するために、１００ｍｍ以上とすることが好ましい。より好ましい範囲は２００ｍｍ以上である。

熱間圧延
鋼スラブを１１００〜１３００℃のスラブ加熱温度に加熱した後、熱間圧延して熱延鋼板とする。スラブ加熱温度は、熱延板の肌荒れ防止のためには高いほうが望ましい。しかし、スラブ加熱温度が１３００℃を超えるとスラブ垂れが著しくなり、また結晶粒が粗大化して熱延板の靭性が低下する。一方、スラブ加熱温度が１１００℃未満では、熱間圧延での負荷が高くなり、熱延での肌荒れが著しくなるうえ、熱延中の再結晶が不十分となり、熱延板の靭性が低下する。熱間圧延では、仕上げ温度が７００〜９５０℃として所望の板厚の熱延板とする。通常、熱延板の板厚は２．０〜８．０ｍｍ程度である。

熱延板焼鈍
必要に応じて、熱延板を焼鈍する。熱延板焼鈍の焼鈍温度は７００〜８５０℃が好ましい。上記焼鈍温度が７００℃未満では、再結晶が不十分となる場合がある。一方、上記焼鈍温度が８５０℃を超えると焼鈍温度でオーステナイト単相となり、結晶粒の粗大化が著しく、マルテンサイト相分率が増加してしまう場合がある。この熱延板焼鈍では、いわゆる箱焼鈍により、所定の焼鈍温度で１時間以上保持するのが好ましい。

デスケーリング
熱間圧延により製造した板厚２．０〜８．０ｍｍ程度の熱延板は、そのまま、あるいは上記熱延板焼鈍してから酸洗等される。この酸洗等により脱スケールを行うことで熱延板製品が得られる。

冷間圧延
冷延焼鈍板を得るためには、先ず、上記で得られた熱延焼鈍板または熱延板を冷間圧延して冷延板とする。この冷間圧延では、生産上の都合により、必要に応じて中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を行ってもよい。１回または２回以上の冷間圧延からなる冷延工程の総圧下率を６０％以上、好ましくは７０％以上とする。

冷延板焼鈍および酸洗
冷延板は、７００〜８５０℃の焼鈍温度で連続焼鈍され、次いで酸洗を施されて、冷延焼鈍板となる。また、用途によっては、冷延焼鈍後に軽度の圧延（スキンパス圧延等）を加えて、ステンレス鋼板の形状、品質調整を行うこともできる。

ステンレス鋼の用途
上記のようにして製造されたステンレス鋼は、溶接により製造される製品の部品として好ましく利用することができる。ここで、溶接とは、ＴＩＧ、ＭＩＧをはじめとするアーク溶接、シーム溶接、スポット溶接等の抵抗溶接、レーザー溶接等、通常の溶接方法を指す。

表１に示す成分組成を有するステンレス鋼を、実験室において真空溶製した。溶製した鋼塊を１２００℃に加熱し、熱間圧延により厚み５ｍｍの熱延板とした。得られた熱延板に、７００℃で１０時間の焼鈍を行った後、ショットブラストおよび酸洗を行ってスケールを除去した。

これらのスケールを除去した熱延板から、２０ｍｍ×１０ｍｍの形状でＬ断面を採取し、ピクリン酸塩酸により組織を現出させ光学顕微鏡を用いて観察した。現出した組織のうち、ラス状の凹凸のある結晶粒をマルテンサイトと判断して、マルテンサイト相分率を画像処理により求めた。結果を表１に示す。本発明例ではいずれもマルテンサイト相分率が５％〜６０％の範囲であった。Ｎｏ．２３はＭｎ含有量が本発明で特定する上限を超えるために、マルテンサイト相分率が６０％を上回った。Ｎｏ．２５はＮｉ含有量が本発明で特定する上限を超えるためにマルテンサイト相分率が６０％を上回った。Ｎｏ．２６はオーステナイト安定化元素であるＭｎ、Ｎｉがともに少なくフェライト安定化元素であるＳｉ、Ｃｒ、Ａｌが多いためにマルテンサイト相が生成しなかった。Ｎｏ．２７はオーステナイト安定化元素であるＭｎ、Ｎｉがともに多く、フェライト安定化元素であるＣｒ、Ａｌが少ないためにマルテンサイト相分率が６０％を上回った。

さらに、マルテンサイト相と判断された結晶粒のビッカース硬度を測定した。押し付け圧力は０．０１ｋｇｆとし、５箇所の測定結果の平均をマルテンサイト相の硬さとして表１に示す。本発明例はいずれもマルテンサイト相硬さが２８０以上であった。Ｎｏ．２８はマルテンサイト相を硬くする元素の含有量が少なく、マルテンサイト相をやわらかくする元素が多かったため、マルテンサイト相硬さが２８０を下回った。

なお、本願発明のマルテンサイト相分率およびマルテンサイト相硬さを得るためには、フェライト生成元素とオーステナイト生成元素の割合を最適化するために、下記式を満足することが好ましい。

８.０≦Ｃｒ＋１．５Ｓｉ＋２Ｎｂ＋２Ａｌ―３０×（Ｃ+Ｎ）―Ｎｉ―０．５×Ｍｎ≦１２.０
スケールを除去した熱延板から、５０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、３分間のショットブラストと大気中で３００℃、１ｈｒの酸化熱処理を交互に５回繰り返し、試験前後の重量変化を測定した。試験による重量減少を表２に示す。本発明例では、いずれも重量減少が３５ｇ／ｍ^２以下であり、高温酸化と磨耗が同時に起こる環境における耐摩耗性が良好であることがわかる。比較例であるＮｏ．２２〜Ｎｏ．２８では、成分組成、マルテンサイト相分率、マルテンサイト相の硬さのいずれかひとつ以上が本発明の範囲から外れるため、いずれも重量減少が３５ｇ／ｍ^２超えであり、耐摩耗性が低いことがわかる。

以上の結果より、本発明によれば、高温酸化環境における耐摩耗性に優れたフェライト−マルテンサイト２相ステンレス鋼が得られることが確認できた。

本発明によれば、５００℃以下の高温酸化による損傷と物理的な磨耗による損傷が同時に発生する環境で使用される部材、たとえば、加熱された鉱石などを運搬するベルトコンベアーのベルト用材料などに好適な高温酸化環境における耐摩耗性に優れたフェライト-マルテンサイト２相ステンレス鋼が得られる。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０３０％、
Ｎ：０．００５〜０．０３０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．００％、
Ｍｎ：０．１〜５．０％、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．０３〜０．３０％、
Ｃｒ：１０．０〜１３．０％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％、
Ｖ：０．００５〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０５〜０．４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
フェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有し、
前記組織における前記マルテンサイト相の体積率が５〜６０％であり、
前記マルテンサイト相のビッカース硬さが２８０以上であることを特徴とするフェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有するステンレス鋼。
前記成分組成は、さらに、質量％で、Ｔｉ：１．０％以下、Ｃｕ：０．３２％以下、Ｍｏ：０．５３％以上１．０％以下、Ｗ：１．０％以下およびＣｏ：０．５％以下のうち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相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有するステンレス鋼。
前記成分組成は、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：０．０５％以下のうち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または請求項２に記載のフェライト相とマルテンサイト相の２相からなる組織を有するステンレス鋼。