JP6653606B2 - Al-containing ferritic stainless steel and method for producing the same - Google Patents

Al-containing ferritic stainless steel and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、Al含有フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法に係り、特に耐硫化腐食性に優れ、かつ、線膨張係数の小さいAl含有フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an Al-containing ferritic stainless steel and a method for producing the same, and more particularly to an Al-containing ferritic stainless steel having excellent resistance to sulfidation corrosion and a small linear expansion coefficient, and a method for producing the same.

近年、太陽光発電は、化石燃料に替わる主要なエネルギーの一つに発展しつつあり、太陽電池の技術開発が加速している。従来、太陽電池基板には、絶縁体で線膨張係数(定義は、熱膨張係数と同じ。)の小さいセラミックスまたはガラスが広く使用されてきた。   In recent years, photovoltaic power generation has been developing as one of the main energies replacing fossil fuels, and the technical development of solar cells is accelerating. Conventionally, ceramics or glass having a small linear expansion coefficient (the definition is the same as the thermal expansion coefficient) made of an insulator have been widely used for solar cell substrates.

しかしながら、ガラスは脆くて重いため、ガラス表面に光吸収層を形成した太陽電池基板を大量生産することは容易でない。そこで、耐熱性に優れるステンレス鋼を基板用材料に適用することが検討されてきた。   However, since glass is brittle and heavy, it is not easy to mass-produce a solar cell substrate having a light absorbing layer formed on the surface of glass. Therefore, application of stainless steel having excellent heat resistance as a substrate material has been studied.

例えば、特許文献1および2には、平滑なステンレス鋼板の表面にアルミナ、酸化シリコンまたは窒化シリコン膜をコーティングした絶縁性材料が開示されている。鋼板の素材には、汎用のフェライト系ステンレス鋼SUS430(17Cr鋼)が使用されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 disclose an insulating material in which a smooth stainless steel plate is coated with an alumina, silicon oxide, or silicon nitride film on the surface. A general-purpose ferritic stainless steel SUS430 (17Cr steel) is used as a material of the steel plate.

また、特許文献3には、成膜性が良好なステンレス表面として、表面粗さパラメータのRzおよびRskの両者を規定した材料が開示されている。素材には、Cr:18.2%、Cu:0.48%およびNb:0.41%を含有するフェライト系ステンレス鋼ならびにCr:18.4%およびNi:8.2%を含有する汎用のオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。   Patent Document 3 discloses a material that defines both surface roughness parameters Rz and Rsk as a stainless steel surface having good film formability. The material is a ferritic stainless steel containing Cr: 18.2%, Cu: 0.48% and Nb: 0.41%, and a general-purpose steel containing Cr: 18.4% and Ni: 8.2%. Austenitic stainless steel is used.

ここで、太陽電池の中でも、CIS系薄膜等の化合物系太陽電池は、低コストと高効率とを両立した太陽電池として、将来の普及が期待されている。化合物系薄膜太陽電池は、例えば、基板上に絶縁層を形成し、絶縁層上にMo層からなる第一の電極層を製膜し、その上に光吸収層としてカルコパイライト型化合物層を皮膜し、さらに第2の電極層を製膜したものである。なお、カルコパイライト型化合物とは、Cu−In−Ga−Se−S系(以下CIS系)に代表される5元系合金である。   Here, among solar cells, compound solar cells such as CIS-based thin films are expected to spread in the future as solar cells that achieve both low cost and high efficiency. Compound-based thin-film solar cells include, for example, forming an insulating layer on a substrate, forming a first electrode layer made of a Mo layer on the insulating layer, and coating a chalcopyrite-type compound layer thereon as a light absorbing layer. Then, a second electrode layer is formed. The chalcopyrite-type compound is a quinary alloy represented by a Cu-In-Ga-Se-S system (hereinafter, CIS system).

例えば、特許文献4には、厚みを20〜200μmとしたステンレス箔の表面に絶縁被膜を形成しさらにその上にMo層からなる裏面電極を形成した後、被膜形成熱処理を施して裏面電極上にCu(In1−xGa)Seからなる光吸収層を形成する太陽電池基板材の製造方法が開示されている。なお、ステンレス箔の素材は、SUS430、SUS444(18Cr−2Mo)、SUS447J1(30Cr−2Mo)が用いられている。 For example, in Patent Document 4, an insulating film is formed on the surface of a stainless steel foil having a thickness of 20 to 200 μm, and a back electrode made of a Mo layer is formed thereon. A method for manufacturing a solar cell substrate material for forming a light absorption layer made of Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 is disclosed. SUS430, SUS444 (18Cr-2Mo), and SUS447J1 (30Cr-2Mo) are used as the material of the stainless steel foil.

また、特許文献5および6には、Cu被覆層を有するCu被覆鋼板において、Cu被覆層上にMo電極およびCu(In1−xGa)Se型化合物層を形成したCIS太陽電池用電極基板が開示されている。ここで、Cu被覆鋼板の素材として、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.2%、Mn:0.001〜1.2%、P:0.001〜0.04%、S:0.0005〜0.03%、Ni:0〜0.6%、Cr:11.5〜32.0%、Mo:0〜2.5%、Cu:0〜1.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.2%、N:0〜0.025%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼を使用することが開示されている。但し、実施例で使用されるフェライト系ステンレス鋼はSUS430に限定されている。 Patent Documents 5 and 6 disclose an electrode for a CIS solar cell in which a Mo electrode and a Cu (In 1-x Ga x ) Se 2- type compound layer are formed on a Cu coating layer in a Cu-coated steel sheet having a Cu coating layer. A substrate is disclosed. Here, as a material of the Cu-coated steel sheet, C: 0.0001 to 0.15%, Si: 0.001 to 1.2%, Mn: 0.001 to 1.2%, P: 0.001 to 0 0.04%, S: 0.0005-0.03%, Ni: 0-0.6%, Cr: 11.5-32.0%, Mo: 0-2.5%, Cu: 0-1. 0%, Nb: 0 to 1.0%, Ti: 0 to 1.0%, Al: 0 to 0.2%, N: 0 to 0.025%, B: 0 to 0.01%, V: 0 to 0.5%, W: 0 to 0.3%, total of Ca, Mg, Y, and REM (rare earth element): 0 to 0.1%, with the balance being Fe and stainless steel composed of unavoidable impurities. It is disclosed for use. However, the ferritic stainless steel used in the examples is limited to SUS430.

さらに、特許文献7には、耐熱性の良い絶縁皮膜を形成したステンレス鋼材およびその製造方法について開示されている。基材となるステンレス鋼は、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.2%、Mn:0.001〜2.0%、P:0.001〜0.05%、S:0.0005〜0.03%、Ni:0〜2.0%、Cu:0〜1.0%、Cr:11.0〜32.0%、Mo:0〜3.0%、Al:1.0〜6.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、N:0〜0.025%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Al酸化物層を介して、厚さ1.0μm以上のNiOとNiFe22との混合層が形成されていることを特徴としている。 Further, Patent Document 7 discloses a stainless steel material on which an insulating film having good heat resistance is formed and a method for manufacturing the same. The stainless steel serving as the base material is C: 0.0001 to 0.15%, Si: 0.001 to 1.2%, Mn: 0.001 to 2.0%, P: 0.001 to 0.05. %, S: 0.0005 to 0.03%, Ni: 0 to 2.0%, Cu: 0 to 1.0%, Cr: 11.0 to 32.0%, Mo: 0 to 3.0% , Al: 1.0 to 6.0%, Nb: 0 to 1.0%, Ti: 0 to 1.0%, N: 0 to 0.025%, B: 0 to 0.01%, V: 0 to 0.5%, W: 0 to 0.3%, total of Ca, Mg, Y, and REM (rare earth element): 0 to 0.1%, the balance being Fe and unavoidable impurities, and an Al oxide layer , A mixed layer of NiO and NiFe 22 O 4 having a thickness of 1.0 μm or more is formed.

ここで、NiO等の混合層およびAl酸化物層は、電気めっきによりNiめっき層を形成した後、大気中の熱処理によりNiめっき層と基材との界面にAl酸化物層を形成させかつNiOとNiFe22との混合層を生成させることにより形成される。 Here, the mixed layer of NiO or the like and the Al oxide layer are formed by forming a Ni plated layer by electroplating, forming an Al oxide layer at the interface between the Ni plated layer and the substrate by heat treatment in the air, And NiFe 22 O 4 to form a mixed layer.

特許文献8および9には、化合物系薄膜太陽電池の製膜工程において、光吸収層のプリカーサーであるCu、In、Gaを基板にスパッタリング製膜後、CIS系化合物薄膜に転化するために、硫化水素(HS)の腐食性が高いガス雰囲気に曝される熱処理工程(硫化工程)が開示されている。特許文献8では、腐食性が高いガス雰囲気に曝される金属基板の裏面に、例えば、シリカをスパッタ法で製膜して耐腐食層を形成する方法が用いられている。 Patent Documents 8 and 9 disclose that in a film forming process of a compound-based thin film solar cell, Cu, In, and Ga, which are precursors of a light absorbing layer, are formed on a substrate by sputtering and then converted into a CIS-based compound thin film. A heat treatment step (sulfurization step) in which a gas atmosphere having a high corrosiveness of hydrogen (H 2 S) is exposed is disclosed. In Patent Literature 8, for example, a method is used in which a corrosion-resistant layer is formed on a back surface of a metal substrate exposed to a highly corrosive gas atmosphere by, for example, forming a film of silica by a sputtering method.

また、コーティング等の表面処理によらない方法として、特許文献8および9には、Alの含有量が高いフェライト系ステンレス基板を適用することにより、金属基板の裏面に、アルミナ層を形成する方法が開示されている。具体的には、特許文献9では、JFE18−3USR:3.4%のAlを含有したフェライト系ステンレス基板の適用が検討されている。   As a method that does not rely on surface treatment such as coating, Patent Documents 8 and 9 disclose a method of forming an alumina layer on the back surface of a metal substrate by applying a ferritic stainless steel substrate having a high Al content. It has been disclosed. Specifically, in Patent Document 9, application of a ferrite stainless steel substrate containing JFE18-3USR: 3.4% of Al is studied.

特許文献10には、耐食性に優れた太陽電池部材用フェライト系ステンレス鋼板およびその製造方法について開示されている。部材となるステンレス鋼板は14〜18%のCrを含有し、鋼板表層部の酸化皮膜中のCr濃度と前記酸化皮膜直下のCr濃度が(酸化皮膜中のCr濃度(質量%))+3×(酸化皮膜直下のCr濃度(質量%))>62(質量%)を満足することを特徴としている。ここで、前記ステンレス鋼板は、露点−70℃以上−40℃以下に調整した不活性ガス雰囲気中において580℃以上720℃以下の温度域に加熱し、該温度域における滞留時間を5秒以上とする熱処理を施すことで得られる。   Patent Document 10 discloses a ferritic stainless steel sheet for a solar cell member having excellent corrosion resistance and a method for producing the same. The stainless steel sheet as a member contains 14 to 18% of Cr, and the Cr concentration in the oxide film on the surface layer of the steel sheet and the Cr concentration immediately below the oxide film are (Cr concentration in the oxide film (mass%)) + 3 × ( (Cr concentration (mass%) immediately below the oxide film)> 62 (mass%). Here, the stainless steel sheet is heated to a temperature range of 580 ° C. to 720 ° C. in an inert gas atmosphere adjusted to a dew point of −70 ° C. to −40 ° C., and the residence time in the temperature range is set to 5 seconds or more. It is obtained by performing a heat treatment.

特開平6−299347号公報JP-A-6-299347 特開平6−306611号公報JP-A-6-306611 特開2011−204723号公報JP 2011-204723 A 特開2012−169479号公報JP 2012-169479 A 特開2012−59854号公報JP 2012-59854 A 特開2012−59855号公報JP 2012-59855 A 特開2012−214886号公報JP 2012-214886 A 特開2014−203936号公報JP 2014-203936 A 特開2014−127712号公報JP 2014-127712 A 特開2014−118620号公報JP 2014-118620 A

将来、主要な太陽光発電としてCIS系化合物系薄膜太陽電池の普及を拡大していくには、生産性を向上させることが重要な課題である。そのためには、基板用ステンレス鋼板の耐硫化腐食性を高めることによって、コーティング等の煩雑な表面処理を省略可能にするとともに、線膨張係数を低下させることでの製膜性を向上させる必要がある。   To expand the spread of CIS-based compound thin-film solar cells as the main photovoltaic power generation in the future, it is important to improve productivity. For this purpose, it is necessary to improve the film-forming properties by reducing the coefficient of linear expansion while increasing the sulfidation corrosion resistance of the stainless steel plate for the substrate so that complicated surface treatment such as coating can be omitted. .

この点に関しては、特許文献1〜8に開示された技術は、コーティングまたはメッキ等の表面処理が必要となるという問題がある。また、特許文献8および9には、コーティングを必要としない技術が開示されてはいるが、高い濃度のAlを含有する必要があるため線膨張係数が高く、課題解決には至らない。   In this regard, the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 8 have a problem that surface treatment such as coating or plating is required. Patent Literatures 8 and 9 disclose techniques that do not require coating, but have a high linear expansion coefficient due to the need to contain a high concentration of Al, and do not solve the problem.

特許文献10に開示された技術においては、14〜18Cr鋼について光吸収層(CIGS層)の製膜時に生じる耐食性劣化を抑制するものの、耐硫化腐食性については一切考慮がなされていない。以上、耐硫化腐食性と製膜性の2つの課題を両立する従来技術はない。   In the technique disclosed in Patent Literature 10, although corrosion resistance deterioration of the light absorbing layer (CIGS layer) that occurs during film formation of 14 to 18 Cr steel is suppressed, no consideration is given to sulfidation corrosion resistance. As described above, there is no conventional technology that satisfies both the two problems of the sulfidation corrosion resistance and the film forming property.

本発明は、コーティングまたはめっき等の表面処理によらず、さらにAlを過剰に含有させなくても耐硫化腐食性を具備し、線膨張係数が小さく、絶縁膜および化合物系薄膜の製膜性が良好なAl含有フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has a resistance to sulfidation corrosion, does not depend on surface treatment such as coating or plating, and does not contain excessive amount of Al, has a small linear expansion coefficient, and has a low film forming property of an insulating film and a compound-based thin film. An object of the present invention is to provide a good Al-containing ferritic stainless steel and a method for producing the same.

本発明者らは、前記した課題を解決するために、Al含有フェライト系ステンレス鋼において、表面皮膜と耐硫化腐食性、および線膨張係数とAl含有量との関係について、鋭意実験および検討を重ねた結果、以下の知見を得るに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive experiments and studies on the relationship between the surface film and the sulfidation corrosion resistance, and the relationship between the linear expansion coefficient and the Al content in an Al-containing ferritic stainless steel. As a result, the following findings were obtained.

(a)SUS430LXおよびSUS430J1Lに代表される高純度フェライト系ステンレス鋼は、400〜700℃の高温で0.5〜2h程度、数%の硫化水素ガスを含む雰囲気中に曝されると、鋼素地の脱落に至るまで硫化腐食が進行する。このような硫化腐食は、ステンレス鋼の構成元素であるFeおよびCrが雰囲気ガス中のSと反応してFeSおよびFeCrを形成して鋼を浸食することにより進行する。 (A) A high-purity ferritic stainless steel typified by SUS430LX and SUS430J1L is exposed to an atmosphere containing several percent of hydrogen sulfide gas at a high temperature of 400 to 700 ° C. for about 0.5 to 2 hours when exposed to a steel substrate. Sulfidation corrosion progresses until shedding. Such sulfidation corrosion progresses by Fe and Cr, which are constituent elements of stainless steel, reacting with S in the atmosphere gas to form FeS 2 and FeCr 2 S 4 and erosion the steel.

(b)3%以上のAlを含有するフェライト系ステンレス鋼の場合、高温環境下においてAlの連続皮膜が形成されるため、上述した硫化腐食は改善される。一方、Al含有量が3%未満のフェライト系ステンレス鋼の場合、耐硫化腐食性は表面の皮膜組成の影響を受ける。通常、酸洗または研磨後の表面には、数nm程度の薄いFeとCrとの不動態皮膜が形成されている。硫化腐食は、FeとCrとを主体とする不動態皮膜が表面に形成されている場合に生じ易い。 (B) In the case of a ferritic stainless steel containing 3% or more of Al, a continuous film of Al 2 O 3 is formed in a high-temperature environment, so that the above-described sulfidation corrosion is improved. On the other hand, in the case of a ferritic stainless steel having an Al content of less than 3%, the sulfidation corrosion resistance is affected by the film composition on the surface. Usually, a passivation film of Fe and Cr as thin as about several nm is formed on the surface after pickling or polishing. Sulfidation corrosion is likely to occur when a passive film mainly composed of Fe and Cr is formed on the surface.

表面皮膜中のFeおよびCr濃度の低減には、Alに加えてSi+Ti濃度を高めることが効果的であり、低いAl含有量でも硫化腐食を抑止できる。ただし、Siの過剰な添加はかえって耐硫化腐食性を低下させる。これは、SiOがAlの連続皮膜の保護性を損なう作用があるためと考られる。 To reduce the Fe and Cr concentrations in the surface film, it is effective to increase the Si + Ti concentration in addition to Al, and it is possible to suppress sulfidation corrosion even with a low Al content. However, excessive addition of Si rather lowers the resistance to sulfidation corrosion. This is considered to be because SiO 2 has an effect of impairing the protection of the continuous film of Al 2 O 3 .

(c)前記した表面皮膜中のFeおよびCr濃度の低減には、ステンレス鋼中のAlおよびSi+Tiの含有量を高めるのではなく、微量元素としてのMgの添加が効果的である。   (C) To reduce the Fe and Cr concentrations in the surface coating described above, it is effective not to increase the contents of Al and Si + Ti in stainless steel, but to add Mg as a trace element.

Mgは、表面活性元素であり、微量添加でも表面に濃化し、さらにMgは酸化物を形成し、FeまたはCrの酸化を抑制してAlを主体とした皮膜形成に対して有効に作用する。この効果によって耐硫化腐食性を維持したまま、Al含有量を低減することが可能となり、ステンレス鋼の線膨張係数の低減が可能となる。   Mg is a surface active element and is concentrated on the surface even when added in a small amount, and furthermore, Mg forms an oxide and suppresses the oxidation of Fe or Cr, effectively acting on the formation of a film mainly composed of Al. This effect makes it possible to reduce the Al content while maintaining the resistance to sulfidation corrosion, and to reduce the linear expansion coefficient of stainless steel.

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記のAl含有フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法を要旨とする。   The present invention has been made based on the above findings, and has the following Al-containing ferritic stainless steel and a method for producing the same.

(1)母材の化学組成が、質量%で、
C:0.03%以下、
Si:0.02〜1.5%、
Mn:0.03〜2.0%、
Cr:13.0〜22.0%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、
Al:0.20%以上1.4%未満、
Ti:0.03〜0.5%、
N:0.03%以下、
Mg:0.0005〜0.05%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
表面に膜厚が30nm以下の皮膜を有し、
前記皮膜中に含まれる各元素の含有量が、下記(i)〜(iii)式を満足する、Al含有フェライト系ステンレス鋼。
Al>5 ・・・(i)
15<Si+Ti<33 ・・・(ii)
Fe<50 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占める各元素の含有量(原子%)を表す。
(1) The chemical composition of the base material is expressed in mass%
C: 0.03% or less,
Si: 0.02 to 1.5%,
Mn: 0.03-2.0%,
Cr: 13.0 to 22.0%,
P: 0.05% or less,
S: 0.01% or less,
Al: 0.20% or more and less than 1.4%,
Ti: 0.03 to 0.5%,
N: 0.03% or less,
Mg: 0.0005-0.05%,
The balance: Fe and inevitable impurities,
Having a film with a thickness of 30 nm or less on the surface,
An Al-containing ferritic stainless steel in which the content of each element contained in the coating satisfies the following formulas (i) to (iii).
Al> 5 (i)
15 <Si + Ti <33 (ii)
Fe <50 (iii)
However, each symbol in the above formula represents the content (atomic%) of each element in the components other than O, C and N contained in the film.

(2)前記母材の化学組成が、さらに、質量%で、Ga:0.1%以下を含有し、MgおよびGaの合計含有量が0.001%を超えて0.15%以下である、上記(1)に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。   (2) The chemical composition of the base material further contains, by mass%, Ga: 0.1% or less, and the total content of Mg and Ga is more than 0.001% and 0.15% or less. The Al-containing ferritic stainless steel according to (1).

(3)前記母材の20〜700℃における線膨張係数が12.4×10−6(1/℃)未満である、上記(1)または(2)に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。 (3) The Al-containing ferritic stainless steel according to (1) or (2), wherein the base material has a linear expansion coefficient at 20 to 700 ° C of less than 12.4 × 10 −6 (1 / ° C).

(4)前記皮膜中に含まれるSの含有量が、下記(iv)式を満足する、上記(1)から(3)までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。
S<3.0 ・・・(iv)
但し、上記式中のSは、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占めるSの含有量(原子%)を表す。
(4) The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of (1) to (3), wherein the content of S contained in the coating satisfies the following formula (iv).
S <3.0 (iv)
However, S in the above formula represents the content (atomic%) of S in the components other than O, C and N contained in the film.

(5)前記母材の化学組成が、さらに、質量%で、
Ni:1.0%以下、
Cu:1.0%以下、
Mo:2.0%以下、
Nb:0.5%以下、
V:0.5%以下、
Sn:0.2%以下、
Sb:0.2%以下、
W:1.0%以下、
Co:0.5%以下、
B:0.005%以下、
Ca:0.005%以下、
Zr:0.5%以下、
Hf:0.1%以下、
REM:0.1%以下、および
Ta:0.1%以下、
から選択される1種以上を含有する、上記(1)から(4)までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。
(5) The chemical composition of the base material further includes,
Ni: 1.0% or less,
Cu: 1.0% or less,
Mo: 2.0% or less,
Nb: 0.5% or less,
V: 0.5% or less,
Sn: 0.2% or less,
Sb: 0.2% or less,
W: 1.0% or less,
Co: 0.5% or less,
B: 0.005% or less,
Ca: 0.005% or less,
Zr: 0.5% or less,
Hf: 0.1% or less,
REM: 0.1% or less, and Ta: 0.1% or less,
The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of the above (1) to (4), containing at least one member selected from the group consisting of:

(6)太陽電池基板として用いられる、上記(1)から(5)までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。   (6) The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of (1) to (5), which is used as a solar cell substrate.

(7)上記(1)から(6)までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼を製造する方法であって、
上記(1)、(2)または(5)に記載の化学組成を有する鋼を、700〜1100℃の温度域で熱処理した後、硝フッ酸または硫酸中で酸洗する、Al含有フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
(7) A method for producing the Al-containing ferritic stainless steel according to any one of the above (1) to (6),
An Al-containing ferritic stainless steel obtained by heat-treating a steel having the chemical composition according to the above (1), (2) or (5) in a temperature range of 700 to 1100 ° C. and then pickling in hydrofluoric acid or sulfuric acid. Steel production method.

(8)前記酸洗後にさらに、3〜20質量%の硝酸水溶液中で電解酸洗する、上記(7)に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼の製造方法。   (8) The method for producing an Al-containing ferritic stainless steel according to (7), wherein after the pickling, electrolytic pickling is further performed in a nitric acid aqueous solution of 3 to 20% by mass.

本発明によれば、コーティングまたはめっき等の表面処理によらず、さらにAlを過剰に含有させなくても耐硫化腐食性を具備し、線膨張係数が小さく、絶縁膜および化合物系薄膜の製膜性が良好なAl含有フェライト系ステンレス鋼が得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it has sulfide corrosion resistance, does not depend on surface treatments, such as coating or plating, does not contain excess Al, has a small linear expansion coefficient, and forms an insulating film and a compound thin film. An Al-containing ferritic stainless steel having good properties is obtained.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail.

1.母材の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
1. Chemical composition of base material The reasons for limiting each element are as follows. In the following description, “%” for the content means “% by mass”.

C:0.03%以下
Cは、フェライト相に固溶し、またはCr炭化物を形成して耐酸化性を低下させ、本発明に係る表面皮膜の形成を阻害する。このため、C含有量は低いほどよく、0.03%以下とする。C含有量は0.02%以下であるのが好ましい。ただし、過度の低減は精錬コストの上昇に繋がるため、C含有量は0.001%以上とすることが好ましく、0.002%以上とすることがより好ましい。
C: 0.03% or less C forms a solid solution in a ferrite phase or forms a Cr carbide to reduce oxidation resistance, and inhibits formation of a surface film according to the present invention. Therefore, the C content is preferably as low as possible, and is set to 0.03% or less. The C content is preferably 0.02% or less. However, since an excessive reduction leads to an increase in refining cost, the C content is preferably set to 0.001% or more, more preferably 0.002% or more.

Si:0.02〜1.5%
Siは、本発明の目的とする耐硫化腐食性を確保する上で重要な元素である。Siは酸化皮膜中に固溶するとともに、酸化皮膜/鋼界面にも濃化し、硫化水素(HS)の鋼中への浸入を抑制して耐硫化腐食性を向上させる。したがって、Si含有量は0.02%以上とする。しかしながら、Siを過剰に含有させると、SiOがAlの連続皮膜の保護性を損ない、耐硫化腐食性を著しく低下させる。さらに、鋼の靭性および加工性の低下を招く。そのため、Si含有量は1.5%以下とする。酸洗において皮膜中のSi濃度を増加させるためには、Si含有量は0.1%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、耐硫化腐食性と基本特性との点から、Si含有量は1.2%以下であるのが好ましい。
Si: 0.02 to 1.5%
Si is an important element for ensuring the sulfurization corrosion resistance aimed at by the present invention. Si forms a solid solution in the oxide film and also concentrates at the oxide film / steel interface, thereby suppressing hydrogen sulfide (H 2 S) from penetrating into the steel and improving the resistance to sulfidation corrosion. Therefore, the Si content is set to 0.02% or more. However, when Si is contained excessively, SiO 2 impairs the protection of the continuous film of Al 2 O 3 and significantly reduces the resistance to sulfidation corrosion. Further, the toughness and workability of the steel are reduced. Therefore, the Si content is set to 1.5% or less. In order to increase the Si concentration in the film during pickling, the Si content is preferably 0.1% or more, more preferably 0.5% or more. Further, from the viewpoint of resistance to sulfidation corrosion and basic characteristics, the Si content is preferably 1.2% or less.

Mn:0.03〜2.0%
Mnは、Feの表面酸化を抑制して、Al、SiおよびTiの組成が本発明の規定範囲内となる表面皮膜の形成を促す作用を持つ。したがって、Mn含有量は0.03%以上とする。しかしながら、Mnを過剰に含有させると、耐酸化性を低下させ、耐硫化腐食性の劣化に繋がるため、Mn含有量は2.0%以下とする。Mn含有量は0.1%以上であるのが好ましく、0.2%以上であるのがより好ましい。耐酸化性と耐硫化腐食性との点から、Mn含有量は1.0%以下であるのが好ましい。
Mn: 0.03-2.0%
Mn has the effect of suppressing the surface oxidation of Fe and promoting the formation of a surface film in which the composition of Al, Si and Ti falls within the range specified in the present invention. Therefore, the Mn content is set to 0.03% or more. However, if Mn is excessively contained, the oxidation resistance is reduced, leading to the deterioration of the sulfidation corrosion resistance. Therefore, the Mn content is set to 2.0% or less. The Mn content is preferably at least 0.1%, more preferably at least 0.2%. From the viewpoints of oxidation resistance and sulfidation corrosion resistance, the Mn content is preferably 1.0% or less.

Cr:13.0〜22.0%
Crは、耐食性に加えて、本発明に係る表面皮膜を形成して耐硫化腐食性を確保する上でも基本となる構成元素である。Cr含有量が13.0%未満では目標とする耐硫化腐食性が十分に確保されず、さらに線膨張係数の増加を招く。したがって、Cr含有量は13.0%以上とする。しかしながら、Crを過剰に含有させると、表面皮膜中のCr濃度を高めて、高温硫化水素雰囲気に曝された際、耐硫化腐食性を劣化させることに加え、合金コストの上昇を招く。そのため、耐硫化腐食性と合金コストとの点から、Cr含有量は22.0%以下とする。Cr含有量は15.0%以上であるのが好ましく、16.0%以上であるのがより好ましい。また、Cr含有量は20.0%以下であるのが好ましく、19.0%以下であるのがより好ましい。
Cr: 13.0 to 22.0%
Cr is a basic constituent element in forming the surface film according to the present invention and ensuring resistance to sulfidation corrosion in addition to corrosion resistance. If the Cr content is less than 13.0%, the target sulfidation corrosion resistance is not sufficiently ensured, and the linear expansion coefficient is further increased. Therefore, the Cr content is set to 13.0% or more. However, when Cr is excessively contained, the Cr concentration in the surface film is increased, and when exposed to a high-temperature hydrogen sulfide atmosphere, the sulfur corrosion resistance is deteriorated, and the alloy cost is increased. For this reason, the Cr content is set to 22.0% or less from the viewpoint of resistance to sulfidation corrosion and alloy cost. The Cr content is preferably at least 15.0%, more preferably at least 16.0%. Further, the Cr content is preferably 20.0% or less, more preferably 19.0% or less.

P:0.05%以下
Pは、製造性および溶接性を劣化させる元素であり、その含有量は低いほどよい。そのため、P含有量は0.05%以下とする。P含有量は0.04%以下であるのが好ましく、0.03%以下であるのがより好ましい。ただし、過度の低減は精錬コストの上昇に繋がるため、P含有量は0.003%以上とすることが好ましく、0.005%以上とすることがより好ましく、0.01%以上とすることがさらに好ましい。
P: 0.05% or less P is an element that deteriorates the manufacturability and weldability, and the lower the content, the better. Therefore, the P content is set to 0.05% or less. The P content is preferably at most 0.04%, more preferably at most 0.03%. However, since excessive reduction leads to an increase in refining costs, the P content is preferably set to 0.003% or more, more preferably 0.005% or more, and more preferably 0.01% or more. More preferred.

S:0.01%以下
Sは、鋼中に含まれる不可避的不純物元素であり、耐硫化腐食性を劣化させる。特に、表面皮膜中に存在するS、または鋼中に存在するMn系介在物もしくは固溶Sは、高温硫化水素雰囲気に曝された際、表面皮膜の破壊起点として作用する。したがって、S含有量は低いほどよく、0.01%以下とする。S含有量は0.002%以下であるのが好ましく、0.001%以下であるのがより好ましい。ただし、過度の低減は原料および精錬のコストの上昇に繋がるため、0.0001%以上とすることが好ましく、0.0002%以上とすることがより好ましい。
S: 0.01% or less S is an unavoidable impurity element contained in steel and deteriorates sulfidation corrosion resistance. In particular, S present in the surface film, or Mn-based inclusions or solid solution S present in the steel, act as a starting point for breaking the surface film when exposed to a high-temperature hydrogen sulfide atmosphere. Therefore, the lower the S content, the better, and the S content is set to 0.01% or less. The S content is preferably 0.002% or less, and more preferably 0.001% or less. However, excessive reduction leads to an increase in the cost of raw materials and refining, so that the content is preferably 0.0001% or more, and more preferably 0.0002% or more.

Al:0.20%以上1.4%未満
Alは、脱酸作用を有する元素であるのに加えて、表面皮膜改質により、本発明の目標とする耐硫化腐食性を達成するために必須の元素である。これまで、Al含有量が3%未満では十分な耐硫化腐食性が得られないとされていた。しかし、本発明においては、所定の組成を有する表面皮膜を形成するため、Al含有量が0.20%以上であれば目標とする耐硫化腐食性は十分に発現される。したがって、Al含有量は0.20%以上とする。一方、Al含有量が1.4%以上であると、線膨張係数が増加し、絶縁膜の製膜性が劣化するだけでなく、製造性の悪化および合金コストの上昇を招く。したがって、Al含有量は1.4%未満とする。Al含有量は0.80%以上とするのが好ましく、1.3%以下とするのが好ましい。
Al: 0.20% or more and less than 1.4% Al is an element that has a deoxidizing effect and is essential for achieving the target sulfidation corrosion resistance of the present invention by modifying the surface film. Element. Heretofore, it has been considered that if the Al content is less than 3%, sufficient sulfurization corrosion resistance cannot be obtained. However, in the present invention, since a surface film having a predetermined composition is formed, the target sulfuration corrosion resistance is sufficiently exhibited if the Al content is 0.20% or more. Therefore, the Al content is 0.20% or more. On the other hand, when the Al content is 1.4% or more, the linear expansion coefficient increases, and not only the film forming property of the insulating film is deteriorated, but also the manufacturability is deteriorated and the alloy cost is increased. Therefore, the Al content is set to less than 1.4%. The Al content is preferably 0.80% or more, and more preferably 1.3% or less.

Ti:0.03〜0.5%
Tiは、CおよびNを固定する安定化元素の作用による鋼の高純度化を通じて耐酸化性を向上させることに加えて、皮膜改質により耐硫化腐食性を向上させる作用を有する。そのため、Ti含有量は0.03%以上とする。しかしながら、Tiを過剰に含有させると、合金コストの上昇および再結晶温度の上昇に伴う製造性の低下に繋がる。そのため、Ti含有量は0.5%以下とする。Ti含有量は0.05%以上とするのが好ましく、0.1%以上とするのがより好ましい。また、Ti含有量は0.35%以下とするのが好ましく、0.25%以下とするのがより好ましい
Ti: 0.03 to 0.5%
Ti has the effect of improving oxidation resistance through the purification of steel by the action of stabilizing elements that fix C and N, as well as the effect of improving sulfidation corrosion resistance by coating modification. Therefore, the Ti content is set to 0.03% or more. However, excessive addition of Ti leads to an increase in alloy cost and a reduction in productivity due to an increase in recrystallization temperature. Therefore, the Ti content is set to 0.5% or less. The Ti content is preferably 0.05% or more, more preferably 0.1% or more. Further, the Ti content is preferably 0.35% or less, more preferably 0.25% or less.

N:0.03%以下
Nは、Cと同様に耐硫化腐食性を劣化させる元素である。そのため、N含有量は低いほどよく、0.03%以下とする。N含有量は0.02%以下であるのが好ましい。ただし、過度の低減は精錬コストの上昇に繋がるため、N含有量は0.002%以上とすることが好ましく、0.005%以上とすることがより好ましい。
N: 0.03% or less N is an element that deteriorates the sulfidation corrosion resistance like C. Therefore, the lower the N content, the better, and it is set to 0.03% or less. The N content is preferably 0.02% or less. However, since an excessive reduction leads to an increase in refining costs, the N content is preferably set to 0.002% or more, more preferably 0.005% or more.

Mg:0.0005〜0.05%
Mgは、前述のように、表面に濃縮してFeおよびCrの酸化を抑制し、Alを主体としてSiおよびTiの含有量が高い皮膜形成を促進する作用を有する元素である。そのため、Mg含有量は0.0005%以上とする。しかしながら、Mgを過剰に含有させると、鋼の精錬コストを上昇させ製造性を悪化させるだけでなく、かえって耐硫化腐食性の劣化を招く。したがって、Mg含有量は0.05%以下とする。Mg含有量は0.001%以上とするのが好ましく、0.03%以下とするのが好ましい。
Mg: 0.0005 to 0.05%
As described above, Mg is an element having a function of concentrating on the surface to suppress oxidation of Fe and Cr and promoting the formation of a film mainly containing Al and having a high content of Si and Ti. Therefore, the Mg content is set to 0.0005% or more. However, when Mg is excessively contained, not only does the cost of refining the steel rise and the manufacturability is deteriorated, but also the deterioration of the sulfidation corrosion resistance is caused. Therefore, the Mg content is set to 0.05% or less. The Mg content is preferably at least 0.001%, more preferably at most 0.03%.

本発明のAl含有フェライト系ステンレス鋼は、上記のCからMgまでの元素を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる化学組成を有する。   The Al-containing ferritic stainless steel of the present invention contains the above-mentioned elements from C to Mg, and has a chemical composition consisting of Fe and inevitable impurities.

ここで「不可避不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。   Here, the “unavoidable impurities” are components which are mixed due to various factors in the raw materials such as ores and scraps and the manufacturing process when steel is industrially manufactured, and are allowable as long as they do not adversely affect the present invention. Means what is done.

本発明に係るAl含有フェライト系ステンレス鋼は、上記の元素に加えて必要に応じて、下記に示す量のGa、Ni、Cu、Mo、Nb、V、Sn、Sb、W、Co、B、Ca、Zr、Hf、REMおよびTaから選択される1種以上を含有させても良い。   The Al-containing ferritic stainless steel according to the present invention has the following amounts of Ga, Ni, Cu, Mo, Nb, V, Sn, Sb, W, Co, B, and One or more selected from Ca, Zr, Hf, REM and Ta may be contained.

Ga:0.1%以下
Gaは、Mgと同様に、表面に濃縮してFeおよびCrの酸化を抑制し、Alを主体としてSiおよびTi量の高い皮膜形成を促進する作用を有する元素である。そのため、必要に応じてGaを含有させてもよい。しかしながら、Gaを過剰に含有させると、鋼の精錬コストを上昇させ製造性を悪化させるだけでなく、かえって耐硫化腐食性の劣化を招く。したがって、Ga含有量は0.1%以下とする。Ga含有量は0.02%以下であるのが好ましい。上記の効果を得たい場合は、Ga含有量は0.0005%以上とするのが好ましく、0.001%以上とするのがより好ましい。なお、Gaを含有させる場合、MgおよびGaの合計含有量は、0.001%を超えて0.15%以下とすることが好ましい。MgおよびGaの合計含有量は、0.002%を超える量とすることがより好ましい。
Ga: 0.1% or less Ga is an element having a function of concentrating on the surface to suppress the oxidation of Fe and Cr and promoting the formation of a film having a high Si and Ti content mainly of Al, like Mg. . Therefore, Ga may be contained as necessary. However, when Ga is excessively contained, not only the refining cost of steel is increased and the manufacturability is deteriorated, but also the resistance to sulfide corrosion is deteriorated. Therefore, the Ga content is set to 0.1% or less. The Ga content is preferably 0.02% or less. In order to obtain the above effects, the Ga content is preferably set to 0.0005% or more, more preferably 0.001% or more. When Ga is contained, the total content of Mg and Ga is preferably more than 0.001% and 0.15% or less. It is more preferable that the total content of Mg and Ga is more than 0.002%.

Ni:1.0%以下
Cu:1.0%以下
Mo:2.0%以下
Nb:0.5%以下
V:0.5%以下
Sn:0.2%以下
Sb:0.2%以下
W:1.0%以下
Co:0.5%以下
上記の元素は、ステンレス鋼の高温強度および耐食性を高めるのに有効な元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、合金コストの上昇および製造性の悪化に繋がる。そのため、Ni、CuおよびWの含有量は1.0%以下とする。また、Moは線膨張係数の低下による高温変形の抑制にも有効な元素であるため、Mo含有量は2.0%以下とする。さらに、Nb、VおよびCoの含有量は0.5%以下とする。そして、SnおよびSbの含有量は、製造性の点から0.2%以下とする。なお、上記の効果を得たい場合には、上記元素の少なくともいずれかを0.05%以上含有させることが好ましい。
Ni: 1.0% or less Cu: 1.0% or less Mo: 2.0% or less Nb: 0.5% or less V: 0.5% or less Sn: 0.2% or less Sb: 0.2% or less W : 1.0% or less Co: 0.5% or less The above-mentioned elements are effective elements for improving the high-temperature strength and corrosion resistance of stainless steel. Therefore, you may make it contain as needed. However, if it is contained excessively, it leads to an increase in alloy cost and deterioration in manufacturability. Therefore, the contents of Ni, Cu and W are set to 1.0% or less. Further, Mo is an element effective in suppressing high-temperature deformation due to a decrease in linear expansion coefficient, and therefore, the Mo content is 2.0% or less. Further, the contents of Nb, V and Co are set to 0.5% or less. The contents of Sn and Sb are set to 0.2% or less from the viewpoint of manufacturability. In order to obtain the above effects, it is preferable that at least one of the above elements is contained at 0.05% or more.

B:0.005%以下
Ca:0.005%以下
BおよびCaは、熱間加工性および2次加工性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、製造性の悪化に繋がるため、BおよびCaの含有量はそれぞれ0.005%以下とする。なお、上記の効果を得たい場合には、上記元素の少なくともいずれかを0.0001%以上含有させることが好ましい。
B: 0.005% or less Ca: 0.005% or less B and Ca are elements that improve hot workability and secondary workability, and may be contained as necessary. However, if it is contained excessively, the productivity is deteriorated, so that the contents of B and Ca are each set to 0.005% or less. In order to obtain the above effects, it is preferable to contain at least one of the above elements in an amount of 0.0001% or more.

Zr:0.5%以下
Hf:0.1%以下
REM:0.1%以下
Ta:0.1%以下
上記の元素は、熱間加工性および鋼の清浄度を向上するとともに、耐酸化性改善に有効な元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。ただし、本発明の目標とする耐硫化腐食性は、これら元素の添加効果に頼るものではない。そのため、各元素の上限値を上記のように規定する。なお、上記の効果を得たい場合には、Zr:0.01%以上、Hf:0.001%以上、REM:0.001%以上およびTa:0.001%以上の少なくともいずれかを満足させることが好ましい。
Zr: 0.5% or less Hf: 0.1% or less REM: 0.1% or less Ta: 0.1% or less The above-mentioned elements improve hot workability and cleanliness of steel, and also have oxidation resistance. It is an effective element for improvement. Therefore, you may make it contain as needed. However, the target sulfurization corrosion resistance of the present invention does not depend on the effect of adding these elements. Therefore, the upper limit of each element is defined as described above. In order to obtain the above effects, at least one of Zr: 0.01% or more, Hf: 0.001% or more, REM: 0.001% or more, and Ta: 0.001% or more is satisfied. Is preferred.

ここで、REMとは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、REMの含有量は、これらの元素の合計含有量を指す。   Here, REM indicates a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of REM indicates the total content of these elements.

以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲での不純物元素の混入は許容される。一般的な不純物元素である前述のP、Sを始め、Zn、Bi、Pb、Se、Hf等は可能な限り低減することが好ましい。一方、これらの元素は、本発明の課題を解決する限度において、その含有割合が制御され、必要に応じて、Zn:500ppm以下、Bi:100ppm以下、Pb:100ppm以下、Se:100ppm以下、Hf:100ppm以下の1種以上が含有されていてもよい。   In addition to the above-described elements, the incorporation of impurity elements within a range that does not impair the effects of the present invention is allowed. It is preferable to reduce P, S, Zn, Bi, Pb, Se, Hf, and the like, which are general impurity elements, as much as possible. On the other hand, the content ratio of these elements is controlled to the extent that the object of the present invention is solved. If necessary, Zn: 500 ppm or less, Bi: 100 ppm or less, Pb: 100 ppm or less, Se: 100 ppm or less, Hf : One or more of 100 ppm or less may be contained.

2.表面皮膜
本発明に係るAl含有フェライト系ステンレス鋼は、表面に膜厚が30nm以下であり、所定の組成を有する皮膜を備える。皮膜の膜厚を、30nmを超える厚さにするためには、特殊な焼鈍および/または酸洗処理を施す必要があり、生産性が悪化するためである。皮膜の膜厚は20nm以下とすることが好ましく、15nm以下とすることがより好ましい。一方、膜厚の下限については特に制限は設けないが、硫化水素中の耐硫化腐食性に効果を発揮するためには3nm以上とすることが好ましい。
2. Surface Coating The Al-containing ferritic stainless steel according to the present invention includes a coating having a thickness of 30 nm or less on the surface and a predetermined composition. In order to make the thickness of the film more than 30 nm, it is necessary to perform a special annealing and / or pickling treatment, so that productivity is deteriorated. The thickness of the film is preferably 20 nm or less, more preferably 15 nm or less. On the other hand, the lower limit of the film thickness is not particularly limited, but is preferably 3 nm or more in order to exert an effect on resistance to sulfurization corrosion in hydrogen sulfide.

また、HS中の耐硫化腐食性を向上させるため、皮膜中に含まれるAlおよびSi+Tiの含有量を高める必要がある。具体的には、皮膜中に含まれる各元素の含有量が、下記(i)〜(iii)式を満足する。
Al>5 ・・・(i)
15<Si+Ti<33 ・・・(ii)
Fe<50 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占める各元素の含有量(原子%)を表す。
Further, in order to improve the resistance to sulfidation corrosion in H 2 S, it is necessary to increase the contents of Al and Si + Ti contained in the coating. Specifically, the content of each element contained in the film satisfies the following equations (i) to (iii).
Al> 5 (i)
15 <Si + Ti <33 (ii)
Fe <50 (iii)
However, each symbol in the above formula represents the content (atomic%) of each element in the components other than O, C and N contained in the film.

Alは表面皮膜の内層から地鉄界面にかけて濃化し、腐食性ガスSの鋼への侵入を顕著に抑制する。これらの効果は、表面皮膜中のAl含有量を、5原子%を超える量とすることで顕著に発現する。Al含有量は、8原子%以上とするのが好ましく、10原子%以上とするのがより好ましい。Al含有量の上限については特に制限は設けないが、焼鈍・酸洗の効率を考慮して30原子%以下とするのが好ましい。   Al is concentrated from the inner layer of the surface film to the interface with the iron base, and significantly suppresses the corrosive gas S from entering the steel. These effects are remarkably exhibited by setting the Al content in the surface coating to an amount exceeding 5 atomic%. The Al content is preferably at least 8 at%, more preferably at least 10 at%. The upper limit of the Al content is not particularly limited, but is preferably 30 atomic% or less in consideration of the efficiency of annealing and pickling.

また、SiおよびTiは表面皮膜中および地鉄界面に濃縮して、耐硫化腐食性を高める効果を有する。これら効果を得るには、表面皮膜中のSiおよびTiの合計含有量は、15原子%を超える量とする。SiおよびTiの合計含有量は、20原子%以上とするのが好ましい。一方、SiおよびTiが過剰となると、Alを主体とする皮膜の形成を阻害するため、SiおよびTiの合計含有量は33原子%未満とする。SiおよびTiの合計含有量は30原子%未満とするのが好ましい。なお、SiおよびTiの両元素を複合して含有させることが好ましい。   Further, Si and Ti are concentrated in the surface coating and at the interface with the iron base, and have the effect of increasing the resistance to sulfidation corrosion. To obtain these effects, the total content of Si and Ti in the surface film is set to an amount exceeding 15 atomic%. The total content of Si and Ti is preferably at least 20 atomic%. On the other hand, if Si and Ti become excessive, formation of a film mainly composed of Al is inhibited, so that the total content of Si and Ti is set to less than 33 atomic%. The total content of Si and Ti is preferably less than 30 atomic%. It is preferable that both elements of Si and Ti are contained in a complex form.

皮膜中に含まれるAlおよびSi+Tiの含有量を高めるためには、相対的にFe含有量を低下させる必要がある。そのため、表面皮膜中のFe含有量を、50原子%未満とする。   In order to increase the content of Al and Si + Ti contained in the coating, it is necessary to relatively reduce the Fe content. Therefore, the Fe content in the surface film is set to less than 50 atomic%.

さらに、皮膜中に含まれるSの含有量は、下記(iv)式を満足することが好ましい。
S<3.0 ・・・(iv)
但し、上記式中のSは、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占めるSの含有量(原子%)を表す。
Further, the content of S contained in the film preferably satisfies the following formula (iv).
S <3.0 (iv)
However, S in the above formula represents the content (atomic%) of S in the components other than O, C and N contained in the film.

高温での硫化水素による腐食起点を抑制するため、皮膜中に含まれるS含有量を3.0原子%未満とすることが好ましい。S含有量は、2.0原子%未満とすることがより好ましく、1.0原子%未満とすることがさらに好ましい。S含有量の下限については特に制限は設けないが、低ければ低い方が好ましく、非検出=ゼロとなることが好ましい。   In order to suppress the starting point of corrosion due to hydrogen sulfide at a high temperature, the S content in the coating is preferably less than 3.0 atomic%. The S content is more preferably less than 2.0 atomic%, and further preferably less than 1.0 atomic%. The lower limit of the S content is not particularly limited, but the lower the lower, the more preferable it is, and the non-detection is preferably zero.

皮膜組成の分析方法については定量分析が可能であれば特に制限はない。例えば、皮膜中のAl、Si、Ti、Cr、Fe、Sの含有量はオージェ電子分光法(AES)によって測定することができ、Sの含有量はX線光電子分光法(XPS)により測定することができる。   The method of analyzing the film composition is not particularly limited as long as quantitative analysis is possible. For example, the contents of Al, Si, Ti, Cr, Fe, and S in the film can be measured by Auger electron spectroscopy (AES), and the content of S is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). be able to.

3.線膨張係数
上述のように、CIS系化合物系薄膜太陽電池の基板として用いられるステンレス鋼には、高い製膜性が要求される。製膜性を向上させるためには、鋼の線膨張係数を低くすることが好ましい。具体的には、CIS系太陽電池の製膜プロセスを想定した、20〜700℃における線膨張係数を、12.4×10−6(1/℃)未満とすることが好ましい。
3. Linear Expansion Coefficient As described above, stainless steel used as a substrate for a CIS-based compound-based thin film solar cell is required to have high film-forming properties. In order to improve the film forming property, it is preferable to lower the linear expansion coefficient of steel. Specifically, the coefficient of linear expansion at 20 to 700 ° C. assuming a film forming process for a CIS solar cell is preferably less than 12.4 × 10 −6 (1 / ° C.).

4.製造方法
本発明に係るAl含有フェライト系ステンレス鋼の製造方法については、特に制限は設けないが、例えば、上記の化学組成を有する鋼素材に対して、以下に示す処理を施すことによって製造することができる。鋼素材として鋼板を用いる場合、例えば、薄板、箔、厚中板を用いることができる。ここで、薄板は0.2mm以上、箔は0.02〜0.2mm、厚中板は6mm以上の板厚を有するものとする。鋼の表面粗度は特に規定する必要はなく、例えば、JIS G 0203(2009)に規定される、No.2B、No.2D、No.4等の仕上げが施されたものを用いればよい。
4. Production method The method for producing the Al-containing ferritic stainless steel according to the present invention is not particularly limited. For example, the production is performed by subjecting a steel material having the above chemical composition to the following treatment. Can be. When a steel plate is used as the steel material, for example, a thin plate, a foil, and a medium-thick plate can be used. Here, the thin plate has a thickness of 0.2 mm or more, the foil has a thickness of 0.02 to 0.2 mm, and the medium thickness plate has a thickness of 6 mm or more. It is not necessary to particularly define the surface roughness of the steel, and for example, it is specified in JIS G0203 (2009). 2B, no. 2D, No. It is only necessary to use one having a finish of 4 or the like.

また、鋼素材となる鋼板の種類についても特に制限は設けないが、熱間圧延鋼帯に対して必要に応じて焼鈍し、デスケーリングの後、冷間圧延した冷延板を用いることができる。該冷延板の表面に本発明で規定する皮膜を形成するためには、冷間圧延後に700〜1100℃の温度域で仕上げ焼鈍する熱処理を施した後、硝フッ酸または硫酸中で酸洗し、必要に応じて、さらにその後に硝酸水溶液中で電解酸洗することが好ましい。   In addition, although there is no particular limitation on the type of steel sheet to be a steel material, annealing is performed on the hot-rolled steel strip as necessary, and after descaling, a cold-rolled cold-rolled sheet can be used. . In order to form a film defined by the present invention on the surface of the cold-rolled sheet, after cold rolling, a heat treatment of finish annealing in a temperature range of 700 to 1100 ° C. is performed, and then pickling is performed in nitric hydrofluoric acid or sulfuric acid. If necessary, it is preferable to further perform electrolytic pickling in an aqueous nitric acid solution.

仕上げ焼鈍における加熱温度が700℃未満では、鋼の軟質化と再結晶とが不十分となり、所定の材料特性が得られない場合がある。そのため、加熱温度は700℃以上とすることが好ましい。雰囲気ガスの露点を下げるためには、加熱温度は800℃以上とすることがより好ましく、850℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度が1100℃を超えると、結晶粒が粗大になり、鋼の靭性および延性が劣化するおそれがある。そのため、加熱温度は1100℃以下とすることが好ましく、1000℃以下とすることがより好ましい。   If the heating temperature in the finish annealing is lower than 700 ° C., the softening and recrystallization of the steel become insufficient, and the desired material properties may not be obtained. Therefore, the heating temperature is preferably set to 700 ° C. or higher. In order to lower the dew point of the atmospheric gas, the heating temperature is more preferably set to 800 ° C. or higher, further preferably 850 ° C. or higher. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1100 ° C., the crystal grains become coarse, and the toughness and ductility of the steel may be deteriorated. Therefore, the heating temperature is preferably set to 1100 ° C or lower, more preferably 1000 ° C or lower.

また、熱処理後の酸洗においては、0.1〜5%フッ酸および5〜15%硝酸からなるフッ硝酸または5〜15%硫酸のいずれかを用いることが好ましく、40〜60℃の温度で酸洗を行うことが好ましい。酸洗によって、皮膜中のFe含有量を減少させ、AlおよびSi+Tiの含有量を高めことができる。   Further, in the pickling after the heat treatment, it is preferable to use either hydrofluoric or nitric acid composed of 0.1 to 5% hydrofluoric acid and 5 to 15% nitric acid or 5 to 15% sulfuric acid. It is preferable to perform pickling. By pickling, the Fe content in the coating can be reduced and the Al and Si + Ti content can be increased.

また、皮膜中のS含有量を低減するために、硝酸水溶液中で電解酸洗を行うことが好ましい。硝酸濃度は、表面に付着したSおよびFeを電解で除去するために、3〜20重量%の範囲とするのが好ましい。硝酸濃度が3%未満の場合、電解酸洗の効果が得られ難い。一方、硝酸濃度が20%を超えると、表面皮膜へのCrの濃化が進行し、AlおよびSi+Ti含有量の低下により耐硫化腐食性が劣化することに繋がる。硝酸電解は、工業的な電解酸洗装置で実施することが好ましく、例えば、前処理槽および複数の電解酸洗槽を備えた設備において水洗いおよび希硫酸電解酸洗などの洗浄工程を施した後、硝酸電解を実施しても良い。硝酸電解の電流密度および温度は皮膜組成を害さない限り、特に限定するものではない。   Further, in order to reduce the S content in the film, it is preferable to perform electrolytic pickling in an aqueous nitric acid solution. The nitric acid concentration is preferably in the range of 3 to 20% by weight in order to remove S and Fe adhering to the surface by electrolysis. When the nitric acid concentration is less than 3%, the effect of electrolytic pickling is hardly obtained. On the other hand, if the nitric acid concentration exceeds 20%, the concentration of Cr in the surface film proceeds, which leads to deterioration of the sulfidation corrosion resistance due to a decrease in the content of Al and Si + Ti. The nitric acid electrolysis is preferably performed in an industrial electrolytic pickling apparatus, for example, after performing a cleaning step such as water washing and dilute sulfuric acid electrolytic pickling in a facility equipped with a pretreatment tank and a plurality of electrolytic pickling tanks. Alternatively, nitric acid electrolysis may be performed. The current density and temperature of the nitric acid electrolysis are not particularly limited as long as the composition of the film is not impaired.

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

表1に示す化学組成を有するフェライト系ステンレス鋼(鋼A〜U)を溶製し、熱間圧延および焼鈍を実施し、冷間圧延を行い板厚0.1〜0.5mmの箔または薄板とした後、各鋼に対して下記の処理を施した(試験No.1〜23)。該箔または薄板は、いずれも再結晶が完了する950℃で焼鈍し、その後、55℃、2.5%HF−5%HNOで酸洗を行った。試験No.2、3、9および10の鋼板については、さらに8%硝酸水溶液中で硝酸電解酸洗を実施した。また、酸洗の効果を調査するため、試験No.3および12の鋼板については、酸洗後に研磨によるデスケールを行った。 A ferritic stainless steel (steel A to U) having the chemical composition shown in Table 1 is melted, hot-rolled and annealed, cold-rolled, and a foil or thin plate having a thickness of 0.1 to 0.5 mm. After that, each steel was subjected to the following treatment (Test Nos. 1 to 23). The foil or thin plate was annealed at 950 ° C. at which recrystallization was completed, and then pickled at 55 ° C. with 2.5% HF-5% HNO 3 . Test No. The 2, 3, 9 and 10 steel sheets were further subjected to nitric acid electrolytic pickling in an 8% aqueous nitric acid solution. In order to investigate the effect of pickling, Test No. The steel sheets 3 and 12 were descaled by polishing after pickling.

Figure 0006653606
Figure 0006653606

得られた鋼板について、AES分析により表面皮膜の組成の測定を行った。AES分析には、走査型FEオージェ電子分光分析装置(アルバック・ファイ社製)を用い、電子銃の加速電圧は10kV、イオン銃(Ar)の加速電圧は3kV、スパッタレートは10nm/min(SiO実測値)とし、板厚方向の膜厚に換算した。 About the obtained steel plate, the composition of the surface film was measured by AES analysis. For the AES analysis, a scanning FE Auger electron spectrometer (manufactured by ULVAC-PHI) was used. The acceleration voltage of the electron gun was 10 kV, the acceleration voltage of the ion gun (Ar) was 3 kV, and the sputtering rate was 10 nm / min (SiO 2 measured values) and converted to the film thickness in the plate thickness direction.

得られたオージェ電子スペクトルから、Fe、Cr、Al、Si、Ti、Sのオージェ
ピーク高さ(微分スペクトルでのピーク間の高さ)を読み取り、相対濃度を算出した。皮膜厚さはOのプロファイルを測定し、Oの強度が半分の値となる半値幅で求めることとした。皮膜厚さおよび組成について、表2に示す。
From the obtained Auger electron spectra, the Auger peak heights of Fe, Cr, Al, Si, Ti, and S (the heights between peaks in the differential spectrum) were read, and the relative concentrations were calculated. The film thickness was determined by measuring the profile of O and obtaining the half-value width at which the intensity of O becomes half the value. Table 2 shows the film thickness and composition.

また、上記の鋼板を用いて、線膨張係数の測定を行った。各鋼板から厚さ2.0mm、幅3.0mm、長さ18mmの試験片を切り出し、熱機械分析(TMA)法により平均線膨張係数を求めた。装置は理学電機(株)製TMA8140型(示差膨張方式)を用いた。測定雰囲気はHe、荷重は5gfとし、標準試料はアルミナを用いた。CIS系太陽電池の製膜プロセスを想定して、20℃から700℃の温度区間を5℃/minで昇温して測定した。   Moreover, the linear expansion coefficient was measured using the above-mentioned steel sheet. A test piece having a thickness of 2.0 mm, a width of 3.0 mm, and a length of 18 mm was cut out from each steel sheet, and the average coefficient of linear expansion was determined by a thermomechanical analysis (TMA) method. The device used was TMA8140 (differential expansion type) manufactured by Rigaku Corporation. The measurement atmosphere was He, the load was 5 gf, and the standard sample was alumina. Assuming a film forming process of a CIS solar cell, the temperature was measured at a temperature of 20 ° C. to 700 ° C. at a rate of 5 ° C./min.

なお、本発明においては、線膨張係数が12.4×10−6(1/℃)未満となった場合に、製膜性が良好であると判断して「○」とし、12.4×10−6(1/℃)以上となった場合に、製膜性が劣ると判断して「×」とした。 In the present invention, when the coefficient of linear expansion is less than 12.4 × 10 −6 (1 / ° C.), it is determined that the film-forming property is good, and is evaluated as “○”, and 12.4 × When it was 10 −6 (1 / ° C.) or more, it was judged that the film-forming property was inferior, and was evaluated as “×”.

続いて、上記の各鋼板を用いて、耐硫化腐食性の評価を行った。具体的には、各鋼板に対して、700℃、2%HS−bal.Nの雰囲気中に1h保持する熱処理を実施した。そして、目視判定にて、剥離がないものを「◎」、軽微な剥離が生じたものの、腐食増量が2mg/cm以下であったものを「○」、著しく剥離が生じ、腐食増量が2mg/cmを超えたものを「×」とした。本発明においては、上記結果が「◎」または「○」に該当する場合に、耐硫化腐食性が優れると判断することとした。 Subsequently, the above steel sheets were evaluated for resistance to sulfidation corrosion. Specifically, 700 ° C., 2% H 2 S-bal. It was carried out heat treatment for 1h held in an atmosphere of N 2. And, by visual judgment, “◎” indicates that no peeling occurred, and “○” indicates that the amount of corrosion increased was 2 mg / cm 2 or less although slight peeling occurred. Those exceeding / cm 2 were evaluated as “x”. In the present invention, when the above result corresponds to “◎” or “○”, it is determined that the sulfidation corrosion resistance is excellent.

上記の結果を表2に併せて示す。   The above results are also shown in Table 2.

Figure 0006653606
Figure 0006653606

試験No.1〜11は、本発明の規定を満足する本発明例に係る鋼である。表2から分かるように、本発明例の鋼は、優れた製膜性および耐硫化腐食性を有することが分かる。なお、試験No.3は研磨による脱スケールを行ったため、皮膜中のFe濃度が高く、相対的にAl、Cr、Si+Ti量が低下することが予想されるが、研磨に次いで硝酸電解を行うことで、Fe濃度が低下し、相対的にAl、Cr、Si+Ti量が増加して評価が「○」となった。   Test No. Nos. 1 to 11 are steels according to the present invention satisfying the requirements of the present invention. As can be seen from Table 2, it can be seen that the steel of the present invention has excellent film-forming properties and resistance to sulfidation corrosion. In addition, the test No. In No. 3, since the descaling was performed by polishing, the Fe concentration in the film was expected to be high, and the amounts of Al, Cr, and Si + Ti were expected to decrease relatively. The content decreased, and the amounts of Al, Cr, and Si + Ti relatively increased, and the evaluation was “○”.

これらに対して、化学組成が本発明の規定から外れる鋼を用いた試験No.12〜23では、製膜性または耐硫化腐食性の一方が劣る結果となった。具体的には、試験No.12では、Al含有量が規定範囲の上限を超えたため、線膨張係数が高くなり、製膜性が劣る結果となった。また、試験No.20では、Cr含有量が規定範囲の下限値未満であったため、硫化腐食性が劣り、さらに線膨張係数が高くなり、製膜性が劣る結果となった。   On the other hand, Test Nos. Using steels whose chemical composition deviated from the requirements of the present invention were used. In Nos. 12 to 23, one of the film forming property and the sulfidation corrosion resistance was inferior. Specifically, in Test No. 12, since the Al content exceeded the upper limit of the specified range, the coefficient of linear expansion increased, resulting in poor film formability. Test No. In No. 20, since the Cr content was less than the lower limit of the specified range, the sulfide corrosion resistance was poor, the linear expansion coefficient was high, and the film-forming properties were poor.

さらに、試験No.13〜19および21〜23については、種々の化学組成が規定範囲から外れるため、本発明で規定する好適な焼鈍および酸洗を実施しても、皮膜組成が本発明の規定を満足せず、耐硫化腐食性が劣る結果となった。   Further, the test No. Regarding 13 to 19 and 21 to 23, since various chemical compositions are out of the specified range, even if the preferred annealing and pickling specified in the present invention are performed, the film composition does not satisfy the specification of the present invention, The result was inferior sulfide corrosion resistance.

本発明によれば、コーティングまたはめっき等の表面処理によらず、さらにAlを過剰に含有させなくても耐硫化腐食性を具備し、線膨張係数が小さく、絶縁膜および化合物系薄膜の製膜性が良好なAl含有フェライト系ステンレス鋼が得られる。したがって、本発明に係るAl含有フェライト系ステンレス鋼は、油炊きまたは燃焼環境において硫化水素ガス等の硫化雰囲気に曝される熱処理を含む製膜プロセスを経て製造される化合物系薄膜太陽電池の基板に好適に用いることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it has sulfide corrosion resistance, does not depend on surface treatments, such as coating or plating, does not contain excess Al, has a small linear expansion coefficient, and forms an insulating film and a compound thin film. An Al-containing ferritic stainless steel having good properties is obtained. Therefore, the Al-containing ferritic stainless steel according to the present invention is used for a substrate of a compound thin film solar cell manufactured through a film forming process including a heat treatment exposed to a sulfide atmosphere such as hydrogen sulfide gas in an oil cooking or combustion environment. It can be suitably used.

Claims (8)

母材の化学組成が、質量%で、
C:0.03%以下、
Si:0.02〜1.5%、
Mn:0.03〜2.0%、
Cr:13.0〜22.0%、
P:0.05%以下、
S:0.002%以下、
Al:0.20%以上1.4%未満、
Ti:0.03〜0.5%、
N:0.03%以下、
Mg:0.0005〜0.05%、
残部:Feおよび不可避的不純物であり、
表面に膜厚が30nm以下の皮膜を有し、
前記皮膜中に含まれる各元素の含有量が、下記(i)〜(iii)式を満足する、Al含有フェライト系ステンレス鋼。
Al>5 ・・・(i)
15<Si+Ti<33 ・・・(ii)
Fe<50 ・・・(iii)
但し、上記式中の各記号は、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占める各元素の含有量(原子%)を表す。
The chemical composition of the base material is
C: 0.03% or less,
Si: 0.02 to 1.5%,
Mn: 0.03-2.0%,
Cr: 13.0 to 22.0%,
P: 0.05% or less,
S: 0.002 % or less,
Al: 0.20% or more and less than 1.4%,
Ti: 0.03 to 0.5%,
N: 0.03% or less,
Mg: 0.0005-0.05%,
The balance: Fe and inevitable impurities,
Having a film with a thickness of 30 nm or less on the surface,
An Al-containing ferritic stainless steel in which the content of each element contained in the coating satisfies the following formulas (i) to (iii).
Al> 5 (i)
15 <Si + Ti <33 (ii)
Fe <50 (iii)
However, each symbol in the above formula represents the content (atomic%) of each element in the components other than O, C and N contained in the film.
前記母材の化学組成が、さらに、質量%で、Ga:0.1%以下を含有し、MgおよびGaの合計含有量が0.001%を超えて0.15%以下である、請求項1に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。   The chemical composition of the base material further contains, by mass%, Ga: 0.1% or less, and the total content of Mg and Ga is more than 0.001% and 0.15% or less. 2. The Al-containing ferritic stainless steel according to 1. 前記母材の20〜700℃における線膨張係数が12.4×10−6(1/℃)未満である、請求項1または請求項2に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。 The Al-containing ferritic stainless steel according to claim 1 or 2, wherein a linear expansion coefficient of the base material at 20 to 700 ° C is less than 12.4 × 10 −6 (1 / ° C). 前記皮膜中に含まれるSの含有量が、下記(iv)式を満足する、請求項1から請求項3までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。
S<3.0 ・・・(iv)
但し、上記式中のSは、皮膜中に含まれるO、CおよびNを除く成分に占めるSの含有量(原子%)を表す。
The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of claims 1 to 3, wherein the content of S contained in the coating satisfies the following formula (iv).
S <3.0 (iv)
However, S in the above formula represents the content (atomic%) of S in the components other than O, C and N contained in the film.
前記母材の化学組成が、さらに、質量%で、
Ni:1.0%以下、
Cu:1.0%以下、
Mo:2.0%以下、
Nb:0.5%以下、
V:0.5%以下、
Sn:0.2%以下、
Sb:0.2%以下、
W:1.0%以下、
Co:0.5%以下、
B:0.005%以下、
Ca:0.005%以下、
Zr:0.5%以下、
Hf:0.1%以下、
REM:0.1%以下、および
Ta:0.1%以下、
から選択される1種以上を含有する、請求項1から請求項4までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。
The chemical composition of the base material further includes,
Ni: 1.0% or less,
Cu: 1.0% or less,
Mo: 2.0% or less,
Nb: 0.5% or less,
V: 0.5% or less,
Sn: 0.2% or less,
Sb: 0.2% or less,
W: 1.0% or less,
Co: 0.5% or less,
B: 0.005% or less,
Ca: 0.005% or less,
Zr: 0.5% or less,
Hf: 0.1% or less,
REM: 0.1% or less, and Ta: 0.1% or less,
The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of claims 1 to 4, comprising at least one selected from the group consisting of:
太陽電池基板として用いられる、請求項1から請求項5までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼。   The Al-containing ferritic stainless steel according to any one of claims 1 to 5, which is used as a solar cell substrate. 請求項1から請求項6までのいずれかに記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼を製造する方法であって、
請求項1、請求項2または請求項5に記載の化学組成を有する鋼を、700〜1100℃の温度域で熱処理した後、硝フッ酸または硫酸中で酸洗する、Al含有フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
A method for producing an Al-containing ferritic stainless steel according to any one of claims 1 to 6, wherein
An Al-containing ferritic stainless steel obtained by heat-treating a steel having the chemical composition according to claim 1, 2 or 5 in a temperature range of 700 to 1100 ° C., and then pickling in hydrofluoric acid or sulfuric acid. Manufacturing method.
前記酸洗後にさらに、3〜20質量%の硝酸水溶液中で電解酸洗する、請求項7に記載のAl含有フェライト系ステンレス鋼の製造方法。   The method for producing an Al-containing ferritic stainless steel according to claim 7, wherein electrolytic pickling is further performed in an aqueous solution of 3 to 20% by mass of nitric acid after the pickling.
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