JP6652191B2 - オーステナイト系ステンレス鋼材 - Google Patents
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Description
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は不可避に含有される。Cは水素脆性を生じにくいfcc構造であるオーステナイトを安定化する。Cはさらに、Cr等と結合し、析出強化により鋼の強度を高める。しかしながら、C含有量が高すぎれば、炭化物が粒界に析出して鋼の靭性を低下する。したがって、C含有量は0.10%以下である。C含有量の好ましい上限は0.08%であり、さらに好ましくは0.06%である。また、オーステナイトを安定化するためのC含有量の好ましい下限は0.005%である。
シリコン(Si)は、Ni及びCrと結合して金属間化合物を形成する。Siはさらに、シグマ相(σ相)等の金属間化合物の成長を促進する。これらの金属間化合物は、鋼の熱間加工性を低下する。したがって、Si含有量は1.0%以下である。Si含有量の好ましい上限は0.8%である。鋼の脱酸の観点から、Si含有量の好ましい下限は0.2%である。
マンガン(Mn)はオーステナイトを安定化して、水素脆化感受性の高いマルテンサイトの生成を抑制する。Mnはさらに、Sと結合してMnSを形成し、鋼の被削性を高める。Mn含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼の延性及び熱間加工性が低下する。したがって、Mn含有量は3〜8%である。Mn含有量の好ましい下限は4.0%であり、さらに好ましくは5.0%である。Mn含有量の好ましい上限は6.0%であり、さらに好ましくは5.9%である。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の熱間加工性及び靭性を低下する。したがって、P含有量は0.05%以下である。P含有量の好ましい上限は0.045%であり、さらに好ましくは0.035%であり、さらに好ましくは0.020%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
硫黄(S)は、Mnと結合してMnSを形成し、鋼の被削性を高める。しかしながら、S含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、S含有量は0.03%以下である。S含有量の好ましい上限は0.02%であり、さらに好ましくは0.01%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
ニッケル(Ni)はオーステナイトを安定化する。Niはさらに、鋼の延性及び靭性を高める。Ni含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ni含有量は10〜20%である。Ni含有量の好ましい下限は11.5%であり、さらに好ましくは12.0%である。Ni含有量の好ましい上限は13.5%であり、さらに好ましくは13.4%である。
クロム(Cr)は鋼の耐食性を高める。Crはさらに、熱処理によりNと結合してCr2N等の合金炭窒化物を形成して、析出強化により鋼の強度を高める。Cr含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、M23C6型の炭化物が生成し、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Cr含有量は15〜30%である。Cr含有量の好ましい下限は20.5%であり、さらに好ましくは21.0%である。Cr含有量の好ましい上限は23.5%であり、さらに好ましくは23.4%である。
窒素(N)はオーステナイトを安定化する。Nはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。Nはさらに、熱処理によりCrと結合してCr2N等の合金炭窒化物を形成して、析出強化により鋼の強度を高める。N含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、N含有量は0.20〜0.70%である。N含有量の好ましい下限は0.21%であり、さらに好ましくは0.22%である。N含有量の好ましい上限は0.40%であり、さらに好ましくは0.35%である。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼材はさらに、Feの一部に代えて、Mo、V、及びNbからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼の強度を高める。
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moはオーステナイトを固溶強化する。Moはさらに、鋼の耐食性を高める。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、金属間化合物が析出しやすくなり、鋼の延性及び靭性が低下する。したがって、Mo含有量は0〜5.0%である。Mo含有量の好ましい下限は1.5%であり、さらに好ましくは1.9%である。Mo含有量の好ましい上限は3.0%であり、さらに好ましくは2.9%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Vは炭化物を生成し、鋼の強度を高める。しかしながら、V含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。したがって、V含有量は0〜0.5%である。V含有量の好ましい下限は0.1%であり、さらに好ましくは0.12%である。V含有量の好ましい上限は0.3%であり、さらに好ましくは0.28%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Nbは炭化物を生成し、鋼の強度を高める。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、その効果は飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Nb含有量は0〜0.5%である。Nb含有量の好ましい下限は0.1%であり、さらに好ましくは0.12%である。Nb含有量の好ましい上限は0.3%であり、さらに好ましくは0.28%である。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材では、引張強度が800MPa以上であり、かつ、引張強度の最大値と最小値との差(以下、強度差ΔTSという)が50MPa以下である。これにより、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鋼材全長にわたって安定した高強度を有する。上記強度及び強度差ΔTSはたとえば、次の組織で実現できる。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材では、ASTM E 112で規定される結晶粒度番号が6.0以上である。結晶粒度番号は、ASTM E 112に準拠して測定される。結晶粒度番号が6.0未満である場合、強度が低下する。結晶粒度番号が6.0以上であれば、上述の化学組成のオーステナイト系ステンレス鋼材において高強度が得られる。具体的には、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材に必要な、800MPa以上の引張強度が得られる。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材ではさらに、オーステナイト系ステンレス鋼材全長のうち、任意の複数の部分で測定された結晶粒度番号の最大値と最小値の差(結晶粒度差ΔGSという)が1.5以下である。結晶粒度差ΔGSが1.5を超える場合、鋼材の複数の部分で測定された引張強度の最大値と最小値との差(強度差ΔTS)が50MPaを超え、鋼材全長での強度ばらつきが大きくなる。結晶粒度差ΔGSが1.5以下である場合、強度差ΔTSが50MPa以下となり、鋼材全長での強度ばらつきが抑えられる。そのため、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は安定した高強度を有する。
鋼材に対して熱処理を実施して、粗大合金炭窒化物が析出すれば、析出強化により鋼材の強度が高まる。
粗大合金炭窒化物の個数は、次のとおり定義する。オーステナイト系ステンレス鋼材の長手方向に垂直な断面の中心部(鋼材中心軸を中心とした半径10mmの観察領域)を含むサンプルを採取する。サンプルの上記観察領域を鏡面研磨する。その後、観察領域内の任意の10視野(200μm×200μm)において、エネルギー分散型X線分光器(EDS)を備えた走査電子顕微鏡(SEM)を用いて、各視野の析出物及び介在物の中から、合金炭窒化物を特定する。各視野において特定された各合金炭化物の円相当径を画像解析により求める。円相当径とは、視野中の合金炭化物の面積を円に換算したときの直径(nm)を意味する。円相当径が1000nmを超える合金炭窒化物(粗大合金炭窒化物)の個数を計測する。10視野各々で得られた粗大合金炭窒化物の個数の平均値を、本明細書における、粗大合金炭窒化物の個数(個/mm2)と定義する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例を説明する。本製造方法は、素材を準備する準備工程、素材に対して熱間加工を実施して中間材を製造する熱間加工工程、熱間加工した中間材を冷却する冷却工程、及び、必要に応じて、冷却された中間材に対して熱処理を実施する熱処理工程を備える。以下、製造方法について説明する。
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼に対して、必要に応じて周知の脱ガス処理を実施する。脱ガス処理を実施した溶鋼から、素材を製造する。素材の製造方法はたとえば、連続鋳造法である。連続鋳造法により、連続鋳造材(素材)を製造する。連続鋳造材はたとえば、スラブ、ブルーム及びビレット等である。溶鋼を造塊法によりインゴットにしてもよい。
素材(連続鋳造材又はインゴット)を周知の方法により熱間加工して、オーステナイト系ステンレス鋼材の中間材を製造する。中間材はたとえば、鋼管、棒鋼、及び線材等である。中間材はたとえば、ユジーン・セジュルネ法による熱間押出加工により製造される。
加熱温度が高すぎれば、結晶粒が粗大化し、鋼組織の結晶粒度番号が6.0未満になる。したがって、加熱温度は1160℃以下である。加熱温度の好ましい上限は、1100℃である。
熱間加工前の素材の断面積をA0(mm2)、最終の熱間加工後の素材の断面積をA1(mm2)とした場合、断面減少率RA(%)は式(1)で定義される。
RA=(A0−A1)/A0×100 (1)
熱間加工工程において、素材のうち、最初に熱間加工を完了する部分の熱間加工完了時の温度(初期温度という)と、最後に熱間加工を完了する部分の熱間加工完了時の温度(終期温度という)との差(温度差ΔT)は、100℃以下である。
冷却工程では、熱間加工後の中間品を0.10℃/sec以上で冷却する。冷却速度が0.10℃/sec未満である場合、σ相が析出する。σ相は、耐腐食性を低下する。耐食性を高めるためには、σ相の生成を抑えなければならない。冷却速度が0.10℃/sec未満である場合はさらに、結晶粒が粗大化し、鋼の強度が低下する。したがって、冷却速度は0.10℃/sec以上である。
熱処理工程では、粗大合金炭窒化物を10個/mm2以上析出する。これにより、オーステナイト系ステンレス鋼材の引張強度がさらに高まる。熱処理温度は次のとおりである。
熱処理温度が930℃未満であれば、オーステナイト単相の組織が得られず、強度が低下する。熱処理温度が930℃未満であればさらに、σ相が生成され、鋼の耐腐食性が低下する。一方、熱処理温度が1000℃以上であれば、鋼中の粗大な合金炭窒化物が小さくなるか、又は完全に固溶してしまい、粗大合金炭窒化物の個数が10個/mm2未満となる。その結果、析出強化が得られない。
製造された各試験番号の鋼材の熱間加工でのトップ部及びボトム部から採取した試験片を用いて、上述のASTM E 112に基づいて結晶粒度試験を実施した。サンプルは各鋼材のトップ部及びボトム部に相当する位置(肉厚中央部)から採取した。トップ部とボトム部との結晶粒度番号を求め、さらに、結晶粒度差ΔGSを求めた。得られた結晶粒度番号及び結晶粒度差ΔGSを表2に示す。
各試験番号の鋼材の肉厚中央部から試験片を採取した。採取された試験片を用いて、上述の方法により粗大合金炭窒化物の個数(個/mm2)を求めた。
各試験番号の鋼材のトップ部、ボトム部の中心部から、丸棒引張試験片を採取した。丸棒引張試験片は鋼材(鋼管)の肉厚中央部を含み、丸棒試験片の平行部は、鋼材の長手方向に平行であった。平行部の直径は5mmであった。丸棒試験片を用いて、JIS Z2241(2011)に準拠して、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施し、各試験番号のトップ部、ボトム部の引張強度TS(MPa)を求めた。さらに、各試験番号での強度差ΔTS(MPa)を求めた。
表2に試験結果を示す。
Claims (3)
- オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
質量%で、
C:0.10%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:3〜8%、
P:0.05%以下、
S:0.03%以下、
Ni:10〜20%、
Cr:15〜30%、
N:0.20〜0.70%、
Mo:0〜5.0%、
V:0〜0.5%、及び、
Nb:0〜0.5%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
ASTM E 112に準拠した結晶粒度番号が6.0以上であり、
引張強度が800MPa以上であり、
前記引張強度の最大値と最小値との差が50MPa以下であり、
鋼中の円相当径が1000nmを超える合金炭窒化物の個数が10〜1.5×10 5 個/mm2であり、
前記結晶粒度番号の最大値と最小値との差が1.5以下である、オーステナイト系ステンレス鋼材。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、
Mo:1.5〜5.0%、
V:0.1〜0.5%、及び、
Nb:0.1〜0.5%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼材は、鋼管、棒鋼、又は線材である、オーステナイト系ステンレス鋼材。
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