JP6477735B2 - 二相ステンレスクラッド鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]母材鋼板の片面または両面に二相ステレンス層を有する二相ステンレスクラッド鋼の合せ材の成分組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.15%超え1.00%以下、Mn:1.50%以下、P:0.0400%以下、S:0.0100%以下、Ni:4.50〜7.00%、Cr:21.0〜24.0%、Mo:2.5〜3.5%、N:0.08〜0.20%を含有し、下記式(1)で定義されるPIが34.0〜38.0とし、残部Fe及び不可避的不純物からなり、合せ材のアルファ相およびガンマ相の相分率が各々30〜70%、シグマ相と炭化物の相分率の和が1.0%以下であることを特徴とする二相ステンレスクラッド鋼。
PI=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
[2]前記合せ材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜1.50%、W:0.01〜1.50%、Co:0.01〜1.50%、Ti:0.01〜0.25%、Nb:0.01〜0.25%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[1]に記載の二相ステンレスクラッド鋼。
[3]前記二相ステンレスクラッド鋼の母材の成分組成が、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:1.00%以下、Mn:0.50〜2.00%、P:0.05%以下、S:0.05%以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなることを特徴とする[1]または[2]に記載の二相ステンレスクラッド鋼。
[4]前記母材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜1.00%、Mo:0.01〜0.50%、Al:0.005〜0.300%、Nb:0.005〜0.300%、V:0.001〜0.400%、Ti:0.005〜0.100%、Ca:0.0003〜0.0050%、B:0.0003〜0.0030%、REM:0.0003〜0.0100%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[3]に記載の二相ステンレスクラッド鋼。
[5]二相ステンレスクラッド鋼の合せ材の成分組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.15%超え1.00%以下、Mn:1.50%以下、P:0.0400%以下、S:0.0100%以下、Ni:4.50〜7.00%、Cr:21.0〜24.0%、Mo:2.5〜3.5%、N:0.08〜0.20%を含有し、下記式(1)で定義されるPIが34.0〜38.0とし、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼素材を用いて、1050℃以上に加熱後、圧下比2.0以上とし、仕上圧延温度を900℃以上とする熱間圧延を行った後、直ちに冷却速度0.5℃/s以上、冷却開始温度900℃以上、冷却停止温度750℃以下とする加速冷却を行うことを特徴とする、合せ材のアルファ相およびガンマ相の相分率が各々30〜70%、シグマ相と炭化物の相分率の和が1.0%以下である二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
PI=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
[6]前記合せ材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜1.50%、W:0.01〜1.50%、Co:0.01〜1.50%、Ti:0.01〜0.25%、Nb:0.01〜0.25%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[5]に記載の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
[7]前記二相ステンレスクラッド鋼の母材の成分組成が、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:1.00%以下、Mn:0.50〜2.00%、P:0.05%以下、S:0.05%以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなることを特徴とする[5]または[6]に記載の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
[8]前記母材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜1.00%、Mo:0.01〜0.50%、Al:0.005〜0.300%、Nb:0.005〜0.300%、V:0.001〜0.400%、Ti:0.005〜0.100%、Ca:0.0003〜0.0050%、B:0.0003〜0.0030%、REM:0.0003〜0.0100%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする[7]に記載の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
はじめに、本発明の合せ材の成分組成を規定した理由を説明する。なお、%は、全て質量%を意味する。
Cは不可避的に鋼材中に存在する元素の一つである。C量が0.030%を超えると炭化物の析出が顕著に生じ、耐食性の劣化を引き起こす。したがって、C量は0.030%以下とする。なお、好ましくは0.001〜0.025%である。
Siはシグマ相の析出を著しく促進する元素であり、シグマ相の析出を抑えるには、Si量は1.00%以下とする必要がある。また、Siは鉄鉱石などの原料から鋼中へ不可逆的に入る元素であり、Si量を0.15%以下に抑えることは製鋼過程でのコスト増を招く。したがって、Si量は0.15%超え1.00%以下とする。なお、好ましくは0.20〜0.50%である。
Mnは脱酸に有用な元素である。Mn量が1.50%を超えるとMnSを形成し耐食性、特に耐孔食性を劣化させる。したがって、Mn量は1.50%以下とする。なお、好ましくは0.01〜1.00%である。
P量が0.0400%を超えると靭性が劣化することに加え、耐食性が劣化する。したがって、P量は0.0400%以下とする。なお、好ましくは0.0001〜0.0300%である。
S量が0.0100%を超えると熱間加工性が劣化することに加え、耐食性、特に耐孔食性が劣化する。したがって、S量は0.0100%以下とする。なお、好ましくは0.0001%〜0.0050%である。
Niは二相ステンレス鋼の一方の相であるガンマ相を安定化させる元素として必須の元素である。4.50%以上の含有により、その効果を発揮する。しかしながら、Niは高価な金属であるために、多量に含有させると合金自体の高価格化を招いて従来合金よりも高価となってしまう。したがって、Ni量は4.50〜7.00%とする。また、前述のように二相ステンレス鋼では、ガンマ相とアルファ相との比率がほぼ1:1の場合に耐食性が最も優れているので、この相比率を満足するためにも、Ni量は4.50〜7.00%とする。なお、好ましくは4.50〜6.50%である。
Crは合金の耐食性を保証し、かつ二相ステンレス鋼の他方の相であるアルファ相を安定化するために必要不可欠な元素である。その効果を発揮させるためには、21.0%以上の含有量が必要である。しかしながら、24.0%を超える含有はシグマ相の析出を著しく促進して、延性や靭性に悪影響を及ぼす。したがって、Cr量は21.0〜24.0%とする。また、前述のように二相ステンレス鋼では、ガンマ相とアルファ相との比率がほぼ1:1の場合に耐食性が最も優れているので、この相比率を満足するためにも、Cr量は21.0〜24.0%とする。なお、好ましくは22.0〜23.0%である。
Moも合金の耐食性、特に耐孔食性や耐隙間腐食性を向上させる元素として重要である。その効果を発揮させるためには、2.5%以上の含有が必要である。しかしながら、3.5%を超える含有はシグマ相の析出を著しく促進して、延性や靭性に悪影響を及ぼす。したがって、Mo量は2.5〜3.5%とする。また、前述のように二相ステンレス鋼では、ガンマ相とアルファ相との比率がほぼ1:1の場合に耐食性が最も優れているので、この相比率を満足するためにも、Mo量は2.5〜3.5%とする。なお、好ましくは3.0〜3.5%である。
Nは合金の耐食性、特に耐孔食性を向上させる元素として重要であり、同時に、強度を向上させる元素としても有効である。その効果を発揮させるためには、0.08%以上の含有量が必要である。しかしながら、0.20%を超える含有は、合金の溶接特性に著しい悪影響を及ぼす。したがって、N量は0.08〜0.20%とする。また、前述のように二相ステンレス鋼では、ガンマ相とアルファ相との比率がほぼ1:1の場合に耐食性が最も優れているので、この相比率を満足するためにも、N量は0.08〜0.20%とする。なお、好ましくは0.10〜0.20%である。
PIはPitting Index(耐孔食性指数)であり、下記式(1)で定義される。
PI=Cr+3.3Mo+16N・・・(1)
なお、元素記号は各元素の質量%を示す。
Cuは耐食性を向上させる元素であり、その効果は0.01%以上の含有で発現する。しかし、1.50%を超えてCuを含有させると熱間加工性の著しい劣化を招く。したがって、Cuを含有する場合、Cu量は0.01〜1.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜1.00%である。
Wは合金の耐食性、特に耐孔食性を向上させる元素であり、0.01%以上の含有によりその効果が発現する。しかしながら、1.50%を超えて含有するとシグマ相析出が促進される。したがって、Wを含有する場合、W量は0.01〜1.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜1.00%である。
Coも耐食性を向上させる元素であり、0.01%以上の含有によりその効果が発現する。しかしながら、1.50%を超えて含有すると合金価格が上昇する。したがって、Coを含有する場合、Co量は0.01〜1.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜1.00%である。
TiはCと結合しやすい性質を有しており、合金中に含有すると耐食性に有害なCr23C6などの炭化物の析出を遅延させることが可能である。その効果は0.01%以上で発現する。また、0.25%を超えて含有しても効果は向上せず、合金コストが増大する。したがって、Tiを含有する場合、Ti量は0.01〜0.25%とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜0.20%である。
NbもTiと同様にCと結合しやすい性質を有しており、合金中に含有すると耐食性に有害なCr23C6などの炭化物の析出を遅延させることが可能である。その効果は0.01%以上で発現する。また、0.25%を超えて含有しても効果は向上せず、合金コストが増大する。したがって、Nbを含有する場合、Nb量は0.01〜0.25%とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜0.20%である。
合せ材の耐食性の観点から、本発明の二相ステンレスクラッド鋼の母材は特に限定しない。なお、好適には下記の成分範囲の低炭素鋼を用いることで、母材の機械的特性に優れた二相ステンレスクラッド鋼を製造することができる。
Cは鋼の強度を向上させる元素であり、0.03%以上含有させることで十分な強度を発現する。しかし、0.10%を超えると溶接性および靱性の劣化を招く。したがって、C量は0.03〜0.10%とすることが好ましい。より好ましくは0.03〜0.08%である。
Siは脱酸に有効であり、また鋼の強度を向上させる元素である。しかしながら、1.00%を超えると鋼の表面性状および靱性の劣化を招く。したがって、Si量は1.00%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜0.50%である。
Mnは鋼の強度を上昇させる元素である。0.50%以上でその効果を発現する。しかしながら、2.00%を超えると溶接性が損なわれ、合金コストも増大する。したがって、Mn量は0.50〜2.00%とすることが好ましい。より好ましくは0.50〜1.50%である。
Pは鋼中の不可避的不純物であり、Pの含有量が0.05%を超えると靱性が劣化する。したがって、P量は0.05%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.0001〜0.0200%である。
SもPと同様に、鋼中の不可避的不純物である。Sの含有量が0.05%を超えると靱性が劣化する。したがって、S量は0.05%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.0001〜0.0100%である。
Cuは鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は0.01%以上の含有で発現する。しかしながら、0.50%を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、Cuを含有する場合、Cu量は0.01〜0.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.05〜0.30%である。
CrもCuと同様に、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は0.01%以上の含有で発現する。しかしながら、0.50%を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、Crを含有する場合、Cr量は0.01〜0.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.05〜0.30%である。
Niは鋼の焼き入れ性を向上させ、特に靱性の改善に効果的な元素である。その効果は0.01%以上の含有で発現する。しかしながら、1.00%を超えると溶接性を損ない、合金コストも増大する。したがって、Niを含有する場合、Ni量は0.01〜1.00%とすることが好ましい。より好ましくは0.05〜0.50%である。
Moも鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は0.01%以上の含有で発現する。しかしながら、0.50%を超えると溶接性および靱性の劣化を引き起こす。したがって、Moを含有する場合、Mo量は0.01〜0.50%とすることが好ましい。より好ましくは0.05〜0.30%である。
Alは脱酸剤として添加する。0.005%以上の含有で脱酸効果を発揮する。しかしながら、0.300%を超えると溶接部の靱性劣化を招く。したがって、Alを含有する場合、Al量は0.005〜0.300とすることが好ましい。より好ましくは0.01〜0.10%である。
NbはNbCとして析出し、鋼を高強度化させる効果がある。また、オーステナイト域の圧延において再結晶温度域を低温まで拡大させ、結晶粒の微細化が可能となるため靱性の改善にも有効である。これらの効果は0.005%以上の含有により得られる。しかしながら、0.300%を超えると粗大なNbCが形成されて靱性が劣化する。したがって、Nbを含有する場合、Nb量は0.005〜0.300%とすることが好ましい。より好ましくは0.010〜0.100%である。
Vは炭窒化物を形成することで、鋼の強度を向上させる。その効果は0.001%以上の含有で発現する。しかしながら、0.400%を超えると靱性が劣化する。したがって、Vを含有する場合、V量は0.001〜0.400%とすることが好ましい。より好ましくは0.005〜0.200%である。
Tiは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化するので鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は0.005%以上の含有で発現する。しかしながら、0.100%を超えると溶接部を含めた鋼の靱性が劣化する。したがって、Tiを含有する場合、Ti量は0.005〜0.100%とすることが好ましい。より好ましくは0.005〜0.050%である。
Caは溶接部熱影響部の組織を微細化し、靱性を向上させる。その効果は0.0003%以上の含有で発現する。しかしながら、0.0050%を超えると粗大な介在物を形成して靱性を劣化させる。したがって、Caを含有する場合、Ca量は0.0003〜0.0050%とすることが好ましい。より好ましくは0.0005〜0.0030%である。
Bは焼き入れ性を向上させ、圧延後の鋼の強度および靱性を向上させる。その効果は0.0003%以上の含有で発現する。しかしながら、0.0030%を超えると溶接部の靱性が損なわれる。したがって、Bを含有する場合、B量は0.0003〜0.0030%とすることが好ましい。より好ましくは0.0005〜0.0020%である。
REMもCaと同様に、溶接部熱影響部の組織を微細化し、靱性を向上させる。その効果は0.0003%以上の含有で発現する。しかしながら、0.0100%を超えると粗大な介在物を形成して靱性を劣化させる。そのため、REMを含有する場合、REM量は0.0003〜0.0100%とすることが好ましい。より好ましくは0.0005〜0.0050%である。
前述したように、合せ材である二相ステンレス鋼は、アルファ相とガンマ相の相分率がおよそ1:1であるときに最大の耐食性が発揮されることが明らかとなっている。したがって、十分な耐食性を発現できる相分率としてアルファ相およびガンマ相の相分率を各々30〜70%とする。好ましくは40〜60%である。
本発明の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法を以下に述べる。なお、本発明における温度条件は、いずれも、素材や鋼板の表面の温度とする。
加熱温度を1050℃以上とするのは、合せ材の耐食性の確保、および、合せ材と母材との接合性を確保するためである。加熱温度が1050℃以上の場合、加熱中などに析出したシグマ相および/または炭化物を十分に固溶させることが可能である。しかしながら、1050℃を下回る加熱温度で製造した場合、シグマ相および/または炭化物が残存してしまうため、クラッド鋼の耐食性は劣化する。また、合せ材と母材とを接合させるには、高温域での圧延が有利である。1050℃を下回る加熱温度では、高温域での圧延量が十分に確保できず、接合性が劣化する。したがって、合せ材の耐食性の確保、および、合せ材と母材との接合性の確保のため、加熱温度を1050℃以上とする。一方、加熱温度が1250℃を超えると結晶粒の粗大が著しく、母材靱性の劣化が生じる。そのため、加熱温度は好ましくは1050〜1250℃、より好ましくは1100〜1200℃である。
圧下比とはスラブ厚(圧延前のクラッド材の厚さ)/圧延後のクラッド材の厚さをいう。
熱間圧延において圧下比を2.0以上としたのは、クラッド鋼の接合は高温で圧下することにより、金属相互の結合力が生じることにより、圧下比2.0以上で良好な接合が得られるので圧下比は2.0以上とする。さらに、圧下比を2.0以上とすることで母材の結晶粒が細粒化され、母材靱性が向上する。圧下比の範囲は好ましくは3.0〜20.0である。
熱間圧延の仕上圧延温度が900℃未満となると、合せ材の二相ステンレス鋼のシグマ相および/または炭化物の析出が著しくなる。したがって、仕上圧延温度は900℃以上とした。好ましくは950℃以上である。
熱間圧延終了後に冷却速度0.5℃/s以上で、900℃以上の冷却開始温度からから750℃以下の冷却停止温度まで加速冷却する。900〜750℃の温度範囲における冷却速度が0.5℃/s未満では、合せ材の耐食性の劣化を引き起こす。900〜750℃の温度範囲における冷却速度を0.5℃/s以上とすることで、母材の結晶粒が微細化され靱性が向上する。冷却開始温度が900℃を下回ると、冷却中にシグマ相が析出しやすくなるため、冷却開始温度は900℃以上とする。冷却停止温度が750℃を上回ると、加速冷却終了後にシグマ相が析出しやすくなるため、冷却停止温度は750℃以下とする。好ましくは、冷却速度の範囲は1.0〜100℃/s、冷却開始温度の範囲は950℃以上、冷却停止温度の範囲は700℃以下である。また、750℃以下では合せ材の二相ステンレス鋼のシグマ相および/または炭化物の析出速度は遅くなるため、750℃以下の冷却は放冷でも良いものとする。
相分率は40%NaOH溶液にて電解エッチングを施し、光学顕微鏡により撮影したカラー写真を画像処理ソフトで処理することで、アルファ相、ガンマ相、シグマ相、炭化物それぞれの面積分率を算出した。なお、二相ステンレス鋼を40%NaOH溶液中で電解エッチングすると、エッチングされた組織は濃く見える方から順にシグマ相、アルファ相、炭化物、ガンマ相と濃淡が発生するため、各相を区別することが可能となる。
耐食性の評価は、JIS G0578 塩化第二鉄腐食試験方法―試験方法(B)により評価した。試験方法は所望の温度(±1)℃に加熱した6%FeCl3+N/20塩酸水溶液中に試験片を72時間浸漬させ、試験後の試験片表面を光学顕微鏡で観察し、孔食の有無を確認した。25μm以上の深さの孔食が発生しているものを「孔食発生」と判断した。孔食の発生し始める温度(CPT:Critical Pitting Temperature)を算出し、CPTが35℃以上のものを耐食性が良好であると判断した。
合せ材と母材の接合性評価は、JIS G0601 せん断強さ試験によって評価した。せん断強さ試験は、合せ材を母材から接合面と平行に剥離し、その剥離に要した最大せん断強度から接合性を評価する方法である。せん断応力が200MPa以上のものを接合性が良好であると判断した。
靭性は、シャルピー衝撃試験によって評価した。母材についてJIS Z2242に規定の10×10mmサイズVノッチシャルピ衝撃試験片を採取し、シャルピー衝撃試験を行った。−40℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギー値が100Jを超えるものを靭性が良好であると判断した。
Claims (6)
- 母材鋼板の片面または両面に二相ステレンス層を有する二相ステンレスクラッド鋼の合せ材の成分組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.15%超え1.00%以下、Mn:1.50%以下、P:0.0400%以下、S:0.0100%以下、Ni:4.50〜7.00%、Cr:21.0〜24.0%、Mo:2.5〜3.5%、N:0.08〜0.20%を含有し、下記式(1)で定義されるPIが34.0〜38.0とし、残部Fe及び不可避的不純物からなり、合せ材のアルファ相およびガンマ相の相分率が各々30〜70%、シグマ相と炭化物の相分率の和が1.0%以下であり、前記二相ステンレスクラッド鋼の母材の成分組成が、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:1.00%以下、Mn:0.50〜2.00%、P:0.05%以下、S:0.05%以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、
合せ材と母材の接合面のせん断応力が200MPa以上であることを特徴とする二相ステンレスクラッド鋼。
PI=Cr+3.3Mo+16N・・・(1) - 前記合せ材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜1.50%、W:0.01〜1.50%、Co:0.01〜1.50%、Ti:0.01〜0.25%、Nb:0.01〜0.25%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の二相ステンレスクラッド鋼。
- 前記母材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜1.00%、Mo:0.01〜0.50%、Al:0.005〜0.300%、Nb:0.005〜0.300%、V:0.001〜0.400%、Ti:0.005〜0.100%、Ca:0.0003〜0.0050%、B:0.0003〜0.0030%、REM:0.0003〜0.0100%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の二相ステンレスクラッド鋼。
- 二相ステンレスクラッド鋼の合せ材の成分組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:0.15%超え1.00%以下、Mn:1.50%以下、P:0.0400%以下、S:0.0100%以下、Ni:4.50〜7.00%、Cr:21.0〜24.0%、Mo:2.5〜3.5%、N:0.08〜0.20%を含有し、下記式(1)で定義されるPIが34.0〜38.0とし、残部Fe及び不可避的不純物からなる合せ材素材、および、前記二相ステンレスクラッド鋼の母材の成分組成が、質量%で、C:0.03〜0.10%、Si:1.00%以下、Mn:0.50〜2.00%、P:0.05%以下、S:0.05%以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる母材素材を用いて組み立てられたクラッド圧延用組立スラブを、1050℃以上に加熱後、圧下比2.0以上とし、仕上圧延温度を900℃以上とする熱間圧延を行った後、直ちに冷却速度0.5℃/s以上、冷却開始温度900℃以上、冷却停止温度750℃以下とする加速冷却を行うことを特徴とする、合せ材のアルファ相およびガンマ相の相分率が各々30〜70%、シグマ相と炭化物の相分率の和が1.0%以下である二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
PI=Cr+3.3Mo+16N・・・(1) - 前記合せ材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜1.50%、W:0.01〜1.50%、Co:0.01〜1.50%、Ti:0.01〜0.25%、Nb:0.01〜0.25%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項4に記載の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
- 前記母材の成分組成が、更に、質量%で、Cu:0.01〜0.50%、Cr:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜1.00%、Mo:0.01〜0.50%、Al:0.005〜0.300%、Nb:0.005〜0.300%、V:0.001〜0.400%、Ti:0.005〜0.100%、Ca:0.0003〜0.0050%、B:0.0003〜0.0030%、REM:0.0003〜0.0100%から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項4または5に記載の二相ステンレスクラッド鋼の製造方法。
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