JP6274372B1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)深絞り加工により結晶粒界の強度が低下した領域に対して溶接を行うと、溶接の熱により溶接部近傍に発生した膨張および収縮の応力によって溶接部近傍に割れが発生する。
(2)Coの添加は熱膨張係数を減少させるため、溶接の熱による膨張および収縮が減少し、溶接部の変形および溶接部近傍での応力が低下する。その結果、Co添加によって溶接部近傍の割れが発生しにくくなる。
(3)Bの添加は深絞り加工による結晶粒界の強度の低下を抑制するため、深絞り加工後の溶接部近傍に熱応力が発生しても割れが発生しにくくなる。
0.30%≦Ti+Nb+V≦0.60% (1)
(1)式における元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。
Co/B:10〜150 (2)
Nb+V≦0.22% (3)
(2)式、(3)式における元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味する。
0.30%≦Ti+Nb+V≦0.60% (1)
(1)式における元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。
Cの含有量が多いと強度が向上し、少ないと加工性が向上する。適度な強度を得るためには0.001%以上の含有が適当である。しかし、C含有量が0.020%を超えると加工性の低下が顕著となり、深絞り加工に適さない。よって、C含有量は0.001〜0.020%とした。下限について好ましくは、0.002%以上、より好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.004%以上である。
上限について好ましくは、0.018%以下である。より好ましくは0.015%以下である。さらに好ましくは0.014%以下である。なお、不可避的に含まれるCのみでC含有量が上記範囲になる場合には、Cを積極的に添加する必要はない。
Siは脱酸に有用な元素である。その効果は0.01%以上の含有で得られる。しかし、Si含有量が0.30%を超えると、加工性の低下が顕著となり、深絞り加工には適さない。よって、Siの含有量は0.01%〜0.30%とした。下限について、好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.08%以上、さらに好ましくは0.11%以上である。上限について好ましくは0.20%以下、より好ましくは0.18%以下、さらに好ましくは0.16%以下である。
Mnには強度を高める効果がある。その効果は0.01%以上の含有で得られる。一方、Mnを過剰に含有すると加工性が顕著に低下し、深絞り加工には適さなくなる。したがって、Mn含有量は0.50%以下が適当である。よって、Mnの含有量は0.01〜0.50%とした。下限に付いて好ましくは0.03%以上、より好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.11%以上である。
上限について好ましくは0.40%以下、より好ましは0.30%以下、さらに好ましくは0.20%以下である。なお、Mnは鋼に不可避的に含まれるため、不可避的に含まれるMn含有量が上記範囲にあれば、Mnを添加する必要はない。
Pは鋼に不可避的に含まれる元素であり、深絞り加工後の結晶粒界に偏析して、結晶粒界の強度を低下させ、粒界割れを発生しやすくする元素である。よって、P含有量は少ないほど好ましく、本発明の効果を得る観点からは含まなくてもよい(0%でもよい)。そこで、P含有量は0.04%以下とした。より好ましくは0.03%以下である。
Sは鋼に不可避的に含まれる元素である。S含有量が0.01%を超えるとCaSやMnSなどの水溶性硫化物の形成が促進され耐食性が低下する。また、本発明の効果を得る観点からはSを含まなくてもよい(0%でもよい)。よって、S含有量は0.01%以下とした。より好ましくは0.005%以下である。
Crはステンレス鋼の耐食性を決定付ける最も重要な元素である。Cr含有量が18.0%未満ではステンレス鋼として十分な耐食性が得られない。特に溶接部での耐食性が不十分となる。一方で、過剰にCrを含有すると、加工性が低下し、深絞り加工に適さない。そこで、Cr含有量は24.0%以下が適当である。よって、Cr含有量は18.0〜24.0%とした。下限について好ましくは19.0%以上、より好ましくは20.0%以上、さらに好ましくは20.5%以上である。上限について好ましくは23.5%以下、より好ましくは22.5%以下、さらに好ましくは22.0%以下である。さらに好ましくは21.5%以下である。
Niはステンレス鋼の耐食性を向上させる元素であり、不動態皮膜が形成できず活性溶解が起こる腐食環境において腐食の進行を抑制する元素である。その効果はNi含有量を0.01%以上にすることで得られる。しかし、Ni含有量が0.40%以上になると、加工性が低下するため、深絞り加工には適さない。よって、Niの含有量は0.01〜0.40%とした。下限について好ましくは0.03%以上、より好ましくは0.07%以上、さらに好ましくは0.11%以上である。
上限について好ましくは、0.35%以下、より好ましくは0.25%以下、さらに好ましくは0.18%以下である。
Moは不動態皮膜の再不動態化を促進し、ステンレス鋼の耐食性を向上する元素である。Crとともに含有することによってその効果はより顕著となる。Moによる耐食性向上効果は0.30%以上の含有で得られる。しかし、Mo含有量が3.0%を超えると高温強度が増加し、圧延負荷が大きくなるため製造性が低下する。よって、Mo含有量は0.30〜3.0%とした。下限について好ましくは0.40%以上、より好ましくは0.50%以上、さらに好ましくは0.60%以上である。上限について好ましくは2.0%以下、より好ましくは1.8%以下、さらに好ましくは1.5%以下である。優れた加工性が必要とされる場合は0.90%以下がさらに好ましい。
Alは脱酸に有用な元素であり、その効果は、Alの含有量が0.01%以上で得られる。しかし、Alの含有量が0.15%を超えるとフェライト結晶粒径が増大しやすくなり、溶接部近傍の割れが起こりやすくなる。よって、Al含有量は0.01〜0.15%とした。下限について好ましくは0.02%以上、より好ましくは0.03%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。上限について好ましくは0.10%以下、より好ましくは0.08%以下、さらに好ましくは0.07%以下である。
TiはC、Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は、Ti含有量が0.01%以上で得られる。しかし、Ti含有量が0.50%を超えると固溶したC、Nが過度に減少し、深絞り後の結晶粒界の強度が不十分となり、溶接部近傍で割れが発生しやすくなる。よって、Ti含有量は0.01〜0.50%とした。下限について好ましくは0.15%以上、より好ましくは0.20%以上、さらに好ましくは0.25%以上である。上限について好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.40%以下、さらに好ましくは0.35%以下である。なお、本明細書において、炭窒化物には、炭化物、窒化物も含む。
NbはC、Nと優先的に結合してCr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は、Nb含有量が0.01%以上で得られる。しかし、Nb含有量が0.50%を超えると固溶したC、Nが過度に減少し、深絞り後の結晶粒界の強度が不十分となり、溶接部近傍で割れが発生しやすくなる。よって、Nbの含有量は0.01〜0.50%とした。下限について好ましくは、0.05%以上、より好ましくは0.10%以上、さらに好ましくは0.15%以上である。上限について好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.30%以下、さらに好ましくは0.25%以下である。
Vは、Cr炭窒化物の析出による耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は、V含有量が0.01%以上で得られる。しかし、0.50%を超える過剰な含有は加工性を低下させ、深絞り加工には適さない。よって、V含有量は0.01〜0.50%とした。下限について好ましくは0.02%以上、より好ましくは0.04%以上、さらに好ましくは0.06%以上である。上限について好ましくは0.30%以下、より好ましくは0.20%以下、さらに好ましくは0.10%以下である。
上述のようにTi、Nb、VはいずれもCr炭窒化物の生成を抑制し、溶接部の耐食性を向上させる元素である。Cr炭窒化物析出による鋭敏化を抑制し、溶接部の耐食性を十分なものとするためにはTi含有量、Nb含有量、V含有量の合計が0.30%以上になることが必要である。好ましくは0.35%以上である。より好ましくは0.37%以上、さらに好ましくは0.40%以上である。加えて、溶接部の冷却速度は通常、非常に速いため、Ti、Nb、Vのいずれか単独あるいは2種のみの含有では、それぞれの元素の炭窒化物の析出しやすい温度域を急速に通過してしまい、C、Nを完全には無害化しきれない場合がある。そのため、Ti、Nb、Vのいずれの元素も0.01%以上の含有が必要である。
Coは本発明にとって重要な元素である。Coの含有はフェライト系ステンレス鋼の電子状態を変化させ、熱膨張係数を低下させる。この熱膨張係数の低下は溶接の熱によって引き起こされる溶接部の膨張および変形を緩和する。深絞り加工後の溶接部近傍では、溶接による熱膨張および変形によって生じる応力によって割れが発生する場合がある。Coの含有による熱膨張係数の低下は、溶接の熱影響および変形によって溶接部近傍にかかる応力負荷を緩和し、割れの発生を抑制する。その効果はCo含有量が0.01%以上で得られる。一方で、Co含有量が6.00%を超えると加工性が低下するため、深絞り加工には適さない。よってCo含有量は0.01〜6.00%とした。下限について好ましくは0.03%以上、より好ましくは0.04%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。上限について好ましくは3.00%以下、より好ましくは2.50%以下、さらに好ましくは2.00%以下である。
Bは本発明にとって重要な元素である。高純度のフェライト系ステンレス鋼では深絞り加工によって、深絞り加工の壁面部分の結晶粒界にPが偏析し、結晶粒界が脆くなる。そのため、過度の深絞り加工を行った後に、深絞り方向に沿って割れが発生する場合がある。特にTiやNbによって固溶したC、Nを低減した成分でその傾向が顕著である。深絞り加工によって割れが発生しやすくなった結晶粒界では、溶接の熱影響による応力負荷が割れを発生させる場合がある。Bの含有は深絞り加工によるPの偏析を抑制し結晶粒界を強化して、このような割れの発生を抑制する。この効果はBを0.0002%以上含有することで得られる。一方で、B含有量が0.0050%を超えると加工性が低下するため、深絞り加工には適さない。よって、B含有量は0.0002〜0.0050%とした。下限について好ましくは0.0003%以上、より好ましくは0.0004%以上、さらに好ましくは0.0006%以上である。上限について好ましくは0.0020%以下、より好ましくは0.0015%以下、さらに好ましくは0.0010%以下である。
Nは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる効果がある。その効果はN含有量が0.001%以上で得られる。しかし、N含有量が0.020%を超えると加工性の低下が顕著となり、深絞り加工に適さない。よって、N含有量は0.001〜0.020%とした。下限について好ましくは0.002%以上、より好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.007%以上である。上限について好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下、さらに好ましくは0.013%以下である。
ZrはC、Nと結合して、鋭敏化を抑制する効果がある。その効果は、Zr含有量を0.01%以上にすることで得られる。好ましくは0.03%以上、より好ましくは0.06%以上である。しかし、過剰のZrの含有は加工性を低下させる。また、Zrは価格が非常に高い元素であるため、過剰のZr含有はコストの増大を招く。よって、Zrの含有量は1.0%以下とした。好ましくは0.60%以下、より好ましくは0.30%以下である。
WはMoと同様に耐食性を向上させる効果がある。その効果はW含有量を0.01%以上にすることで得られる。好ましくは0.10%以上、より好ましくは0.30%以上である。しかし、過剰のWの含有は強度を上昇させ、製造性を低下させる。よって、W含有量は1.0%以下とする。好ましくは0.80%以下、より好ましくは0.60%以下である。
REMは耐酸化性を向上して、酸化スケールの形成を抑制し、溶接部の耐食性を向上する。その効果はREM含有量を0.001%以上にすることで得られる。好ましくは0.004%以上、より好ましくは0.006%以上である。しかし、過剰にREMを含有すると、酸洗性などの製造性を低下させるうえ、コストの増大を招く。よってREMの含有量は0.1%以下とした。好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.02%以下である。
(1)Ti、Nb、Vの含有量を適切に制御することで、溶接部の耐食性を低下させることなく、低い再結晶温度を実現でき、結晶粒径の制御が容易となる。
(2)CoおよびBの含有量を適正な範囲に調整することで、鋳造組織の等軸晶率が向上する。また、熱延焼鈍による結晶粒の成長が抑制され、結晶粒が微細化した。
その結果、(1)、(2)の知見に加えて、Moの含有量も調整することで、加工による肌荒れが低減した。以下、第二発明における、Mo含有量、Ti含有量、Nb含有量、V含有量、Co含有量、(2)式、(3)式について説明する。また、B含有量は第一発明と同様であるが、(3)式にBが含まれることから明らかなように、Bは第二発明においても重要である。そこで、以下では、第二発明におけるBについても説明する。また、第一発明の説明と同様に、「%」は「質量%」を意味する。なお、Mo含有量、Ti含有量、Nb含有量、V含有量、Co含有量、B含有量以外の成分については、任意成分も含めて、第一発明と同様であるため説明を省略する。また、第二発明においても、(1)式を満たす必要があるが、これについても第一発明と同様のため説明を省略する。
第二発明のMo含有量は上記の通りであり、第一発明のMo含有量よりも狭い。したがって、第二発明において、Moは、第一発明でのMoの技術的意義をも有する。第二発明におけるMoの技術的意義は以下の通りである。Moは不動態皮膜の再不動態化を促進し、ステンレス鋼の耐食性を向上する元素である。Crとともに含有することによってその効果はより顕著となる。Moによる耐食性向上効果は0.30%以上の含有で得られる。しかし、Mo含有量が1.50%を超えると強度が増加し、加工性が低下して肌荒れが発生しやすくなる。よって、Moの含有量は0.30〜1.50%とした。下限について好ましくは0.40%以上、より好ましくは0.50%以上、さらに好ましくは0.55%以上である。上限について好ましくは1.40%以下、より好ましくは0.90%以下、さらに好ましくは0.70%以下である。
第二発明のTi含有量は上記の通りであり、第一発明のTi含有量よりも狭い。したがって、第二発明において、Tiは、第一発明でのTiの技術的意義をも有する。第二発明におけるTiの技術的意義は以下の通りである。TiはNb、Vと同様に固溶C、Nと結合して炭窒化物を形成して鋭敏化を抑制する元素である。加えて、溶鋼中からTiNを晶出して等軸晶の晶出核となり、凝固組織の等軸晶率を向上する元素である。等軸晶の晶出促進効果は、Tiが0.25%以上で得られる。しかし、含有量が0.40%を超えると加工部の脆化が促進され、加工によって割れが発生しやすくなり、加工性が低下する。よって、Tiの含有量は0.25〜0.40%とした。下限について好ましくは0.27%以上、より好ましくは0.29%以上、さらに好ましくは0.31%以上である。上限について好ましくは0.38%以下、より好ましくは0.35%以下、さらに好ましくは0.34%以下である。
V:0.02〜0.13%、
Nb+V≦0.22% (3)式
第二発明のNbおよびV含有量は上記の通りであり、第一発明のNbおよびV含有量よりも狭い。したがって、第二発明において、NbおよびVは、第一発明でのNbおよびVの技術的意義をも有する。第二発明におけるNbおよびVの技術的意義は以下の通りである。NbとVはいずれも固溶C、Nと結合して炭窒化物を形成する元素である。固溶CおよびNが固定されることで溶接部の鋭敏化が抑制され、耐食性を向上させる。特にTi、NbおよびVがいずれも含有されると、その析出温度の違いから、より適切にCおよびNの無害化を行える。その効果を得るためには、Nb含有量は0.03%以上が必要である。しかし、Nb含有量が0.13%を超えると再結晶が阻害され、適切な組織を得るためにより高い焼鈍温度が必要となり、微細な組織の形成が困難となり、加工時に肌荒れが発生しやすくなる。よって、Nbの含有量は0.03〜0.13%とした。下限について好ましくは0.06%以上、より好ましくは0.07%以上、さらに好ましくは0.08%以上である。上限について好ましくは0.11%以下、より好ましくは0.10%以下、さらに好ましくは0.09%以下である。
Co:0.02〜0.30%
Co/B:10〜150 (2)式
第二発明のCo含有量は上記の通りであり、第一発明のCo含有量よりも狭い。また、B含有量は第一発明の範囲と同様である。したがって、第二発明において、CoおよびBは、第一発明でのCoおよびBの技術的意義をも有する。第二発明におけるCoおよびBの技術的意義は以下の通りである。加工肌荒れ低減手法の要旨は、鋳造工程の凝固段階において、結晶粒界に(Cr,Fe)2Bを適度に分散した状態で析出させ、等軸晶率を増加させることであり、Bは本発明にとって重要な元素である。また、分散析出した(Cr,Fe)2Bには熱延焼鈍の際の結晶粒成長を抑制する効果もあると考えられる。このように、集合組織の発達を抑制しつつ、結晶粒の成長を抑制することで、本発明では加工肌荒れを低減している。この効果は、B含有量が0.0002%以上で得られる。一方で、0.0050%超のBの含有は加工性を低下させ、割れが発生しやすくなる。よって、Bの含有量は0.0002〜0.0050%とした。下限について0.0003%以上が好ましく、より好ましくは0.0004%以上、さらに好ましくは0.0006%以上である。上限について好ましくは0.0020%以下、より好ましくは0.0018%以下、さらに好ましくは0.0015%以下である。
溶接条件は、溶接電流100A、溶接速度60cm/minとした。シールドガスはArを用い、流量は20L/minとした。溶接後、24h経過した後にφ5mmの穴から水を入れて、試験片内部を水で満たし、10気圧の圧力をかけて割れの有無を確認した。その後、光学顕微鏡を用いて200倍の倍率で円筒深絞り壁面の溶接部近傍(フュージョンラインから2〜5mmの位置)を観察し(図1(b)の割れ観察位置の観察)、割れの長さを確認した。長さが0.5mm以上の割れのあったものを「×」(不合格)、割れのなかったものを「○」(合格)として結果を表2に示す。なお,フュージョンラインには、いずれの試験片も割れは認められなかった。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.001〜0.020%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.01〜0.50%、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cr:18.0〜24.0%、
Ni:0.01〜0.40%、
Mo:0.30〜1.50%、
Al:0.01〜0.15%、
Ti:0.25〜0.40%、
Nb:0.03〜0.13%、
V:0.02〜0.13%、
Co:0.02〜0.30%、
B:0.0002〜0.0050%、
N:0.001〜0.020%を含有し、
下記(1)式〜(3)式を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物である成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼。
0.30%≦Ti+Nb+V≦0.60% (1)
Co/B:10〜100 (2)
Nb+V≦0.22% (3)
(1)式〜(3)式における元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味する。 - さらに、質量%で、
Zr:1.0%以下、
W:1.0%以下、
REM:0.1%以下のいずれか1種または2種以上を含有する請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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