JP6777824B2 - オーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Description
200≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]≦300 ・・・ (1)
(式(1)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
0.20≦[%C]+[%N]≦0.40 ・・・ (2)
(式(2)中、[%C]及び[%N]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
1,000≦T≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]+900 ・・・ (3)
(式(3)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、上記鋼材におけるそれぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
本発明の一実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、特定の成分組成と結晶粒度を有し、これにより、高い強度が発現される。なお、当該オーステナイト系ステンレス鋼は、実質的にオーステナイト相単相からなり、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼と比較して熱処理後の形状保持性が良好になる。当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、通常、組織の99%以上がオーステナイト相である。
当該オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成は、所定量のC、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu、Mo、Al、Nb及びNを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる。以下、各成分の含有量の数値範囲とその限定理由について説明する。
C(炭素)は固溶強化及びオーステナイト相の安定化に有効な元素である。加えて、Cr、Nb及びNとともに添加することで非金属間化合物を形成し、熱処理による結晶粒粗大化抑制に有効に働く元素である。しかしながら、過剰な添加によって炭化物を形成するため狙った非金属間化合物形成のためには含有量を0.12質量%以下とする。炭化物の形成抑制などの点から、Cの含有量の上限は、0.10質量%が好ましく、0.08質量%がより好ましく、0.06質量%がさらに好ましい。一方、Cの含有量の下限は、0質量%超であってよく、C添加による固溶強化などから、0.01質量%が好ましく、0.02質量%がより好ましい。
Si(ケイ素)はステンレス鋼の固溶強化に有効な元素である。一方で、ステンレス鋼がろう付して使用される場合には、Siがろう付性を阻害する要因となるため添加量は1.0質量%以下にする必要がある。Siの含有量の上限は、0.8質量%が好ましい。また、Siは溶解鋳造するときの予備脱酸として使用する元素でもあり、含有量の下限としては、0.2質量%が好ましく、0.3質量%がより好ましく、0.35質量%がさらに好ましく、0.4質量%がさらに好ましいこともあり、0.5質量%がさらに好ましいこともある。
Mn(マンガン)はオーステナイト形成元素である。Mn添加によって高価な元素であるNiの添加量を下げることができる。しかしながら、Mn添加はMnSのような耐食性に有害な非金属間化合物の形成を促進するため過剰な添加は避ける必要がある。よって、Mn含有量は0.1質量%以上3.0質量%以下とする。Mnの含有量の下限としては、0.3質量%が好ましく、0.5質量%がより好ましく、0.7質量%がさらに好ましい。一方、この含有量の上限は、2.7質量%が好ましく、2.4質量%がさらに好ましい。
P(リン)は不純物として含有する元素である。Pは熱間加工性、溶接性、強度等を低下させるため、Pの含有量は0.05質量%以下とする。Pの含有量の上限は、0.04質量%が好ましく、0.03質量%がより好ましく、0.02質量%がさらに好ましい。Pの含有量の下限は、0質量%超であってよく、0.001質量%又は0.005質量%であってもよい。
S(硫黄)は不純物として含有する元素で、MnやCaと結合して耐食性や機械的特性に有害な非金属間化合物を形成する元素である。硫化物を形成して耐食性を低下させるため添加量は極力制限すべきである。よってSの含有量の上限は0.01質量%にする必要があり、0.005質量%が好ましく、0.003質量%がより好ましい。一方、Sの含有量の下限は、0質量%超であってよく、0.0001質量%又は0.0003質量%であってもよい。
Cr(クロム)は耐食性向上及び固溶強化に有効な元素である。また、C、Nb及びNと複合して添加されることで非金属間化合物を形成し、熱処理によって結晶粒が粗大化することを抑制する。Cr添加量を増やすと非金属間化合物が安定である温度が高温側に移行し、より高温で熱処理を行っても微細組織を保つことができるようになる。しかしながら、Crはフェライト形成元素として作用するため、C、Mn、Ni及びNの添加量が少ない場合などには過剰な添加を避ける必要がある。よって、Crの含有量は13.0質量%以上22.0質量%以下とする。Crの過剰な添加はコストの増加やオーステナイト相の安定性低下に繋がることから、Crの含有量の上限は、21.0質量%が好ましく、20.0質量%がより好ましい。一方、上記効果を高めることなどから、Crの含有量の下限は、15.0質量%が好ましく、16.0質量%がより好ましく、18.0質量%がさらに好ましい。
Ni(ニッケル)はオーステナイト形成に有効な元素である。しかしながら、Niの過剰な添加は材料コストの増加に繋がるため、Niの含有量は4.0質量%以上12.0質量%以下とする。Niの含有量の下限は、5.0質量%が好ましく、7.0質量%がより好ましく、7.8質量%がさらに好ましい。また、Niの含有量を比較的増やすことで、単相のオーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。一方、Niの含有量の上限は、11.0質量%が好ましく、10.0質量%がより好ましい。
Cu(銅)はオーステナイト形成元素である。ステンレス鋼スクラップなどから混入する元素であるため、過剰な低減は原料コストの増加に繋がる。よって、Cuの含有量は、0.01質量%以上0.50質量%以下とする。Cuの含有量の下限は、0.05質量%が好ましいこともあり、0.1質量%が好ましいこともある。一方、Cuの含有量の上限は、0.40質量%が好ましい。
Mo(モリブデン)は耐食性の向上及び固溶強化に有効な元素である。しかしながらMoは高価な元素であり原料コストの増加につながるため、含有量は5.0質量%以下とする。Moの含有量の上限は、1.0質量%が好ましいこともあり、0.50質量%がより好ましいこともあり、0.45質量%がさらに好ましいこともあり、0.40質量%がよりさらに好ましいこともある。一方、Moの含有量の下限は、0質量%超であってよく、0.01質量%が好ましく、0.05質量%がより好ましく、0.1質量%がさらに好ましい。
Al(アルミニウム)は、脱酸作用のある元素であるが、Alはフェライト安定化元素であるため、過剰に含まれるとオーステナイトの安定性が低下し、熱間加工性や延性が低下する。更にAl系介在物は加工性や鏡面キズの原因となる。よって、Alの含有量の上限は0.03質量%とし、0.02質量%が好ましい。一方、Alの含有量の下限は、0質量%超であってよく、0.001質量%が好ましいこともあり、0.005質量%がより好ましいこともある。
Nb(ニオブ)は、C、Cr及びNと複合して添加することで非金属間化合物を形成し、熱処理によって結晶粒が粗大化することを抑制する。Nb添加量を増やすと非金属間化合物が安定である温度が高温側に移行し、より高温で熱処理を行っても微細組織を保つことができるようになる。しかしながら、Nbは高価な元素であるため、コストの観点から過剰な添加を避ける必要がある。よってNbの含有量の範囲は0.05質量%以上0.30%質量以下とする。Nbの含有量の下限は、0.07質量%が好ましく、0.09質量%がより好ましい。一方、Nbの含有量の上限は、0.20質量%が好ましく、0.15質量%がより好ましい。
N(窒素)は、オーステナイト安定化、耐食性向上及び固溶強化に有効な元素である。加えて、C、Cr及びNと複合して添加すること非金属間化合物を形成し、熱処理によって結晶粒が粗大化することを抑制する。N添加量を増やすと非金属間化合物が安定である温度が高温側に移行し、より高温で熱処理を行っても結晶粒が粗大化することを抑制する。しかしながら、N添加量を増やすと加工性等が低下する。よって、Nの含有量の範囲は0.10質量%以上0.50%以下とする。さらにN添加によるオーステナイト安定化の効果及び加工性への影響を考慮すると、Nの含有量の下限は、0.15質量%が好ましく、0.20質量%が好ましい。Nの含有量の上限は、0.35質量%が好ましく、0.30質量%がより好ましい。
当該オーステナイト系ステンレス鋼を構成する成分組成の基本成分は上記のとおりであり、残部成分はFe及び不可避的不純物である。不可避的不純物は、溶製時に不可避的に混入する不純物であり、鋼管の諸特性を害さない範囲で含有される。また、当該オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成は、本発明の効果に悪影響を与えない範囲で、上記成分に加えて、さらに他の元素を含有していてもよい。
当該オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成においては、下記式(1)をさらに満たすことが好ましい。
200≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]≦300 ・・・ (1)
(式(1)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
当該オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成においては、下記式(2)をさらに満たすことが好ましい。
0.20≦[%C]+[%N]≦0.40 ・・・ (2)
(式(2)中、[%C]及び[%N]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、オーステナイト結晶の結晶粒度番号の下限が7.0であり、8.0が好ましく、9.0がより好ましく、9.5がさらに好ましい。当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、このように、特定の成分組成とすることに加えて、結晶粒度番号を上記下限以上とすることで、結晶粒微細化強化が図られ、強い強度を発現することができる。なお、通常、ステンレス鋼の強化には固溶元素として窒素や炭素を添加することが有効であるが、これらの元素を過剰に添加することでひずみ時効によって加工性が低下する。このため、当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、窒素や炭素の含有量を抑えつつ、ステンレス鋼の高強度化を図るため結晶粒微細化強化を活用している。
当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、オーステナイト結晶の最大結晶粒径の上限は、例えば200μm、150μm又は100μmであってもよいが、60μmであることが好ましく、50μmであることがより好ましく、40μmであることがさらに好ましく、30μmであることがよりさらに好ましい。当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、上述のように結晶粒度番号が大きい、すなわち結晶粒径の平均が小さいことに加えて、最大結晶粒径を小さくすることで、熱処理後の結晶粒粗大化や混粒を抑制し、その結果、熱処理後の鋼の強度低下が抑制される。
当該オーステナイト系ステンレス鋼においては、最大高さRyの上限が10μmであることが好ましく、8μmであることがより好ましく、6μmであることがさらに好ましい。当該オーステナイト系ステンレス鋼の最大高さを上記上限以下とし、表面の平滑性を高めることで、耐食性や疲労強度等を高めることができる。すなわち、当該オーステナイト系ステンレス鋼の最大高さを上記上限以下とすることで、自動車用燃料噴射管などに用いた場合の長寿命化を図ることなどができる。
当該オーステナイト系ステンレス鋼の形状としては、特に限定されず、板状、棒状、管状等であってよいが、管状であることが好ましい。すなわち、当該オーステナイト系ステンレス鋼は、鋼管として好適に用いられる。鋼管としては、シームレス鋼管、電縫鋼管、UOE鋼管やスパイラル鋼管等のアーク溶接鋼管、鍛接鋼管等が挙げられる。好ましくはシームレス鋼管である。
オーステナイト系ステンレス鋼は、以下の方法により好適に得ることができる。すなわち、本発明の一実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、
鋼材に対して、一回の加工率が20%以上である冷間加工を行う工程(1)と、
上記工程(1)の前後に設けられ、上記鋼材に対して熱処理を行う工程(2)と
を備える。
上記工程(1)においては、上記成分組成を有する鋼材に対して、一回の加工率が20%以上の冷間加工を行う。上記冷間加工としては、冷間圧延加工、冷間抽伸加工等が挙げられ、最終製品の形状等に応じて選択される。例えば、鋼管を得る場合は、冷間抽伸加工が好適に採用される。
上記冷間加工工程(1)の前後において、上記工程2としては、上記鋼材に対して熱処理を行う。この熱処理工程(2)における熱処理温度T(℃)は、冷間加工工程(1)の前後の熱処理共に、下記式(3)を満たすとよい。これにより、熱処理による結晶粒の粗大化を抑制することができ、得られるオーステナイト系ステンレス鋼の強度を高めることができる。
1,000≦T≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]+900 ・・・ (3)
(式(3)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、当該オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法においては、最終熱処理工程を大気焼鈍で行い、酸洗いした後、表面を鏡面加工して平滑性を高めてもよい。
真空誘導溶解炉(VIF)を用いて、表1に記載の成分組成(残部はFe及び不可避的不純物)の20kgの円柱状インゴットを作製した。インゴットを1,250℃以上で24hr熱処理し、1,200℃〜1,000℃の温度域で熱間鍛造を行い、W60mm×L250mm×t17mmの板材を作製した。この板材に対して、表1に記載の冷間加工前熱処理温度(Tc)で熱処理を行った。次いで、この板材に対して、加工率30%で冷間圧延加工を行った。その後、最終熱処理として、光輝焼鈍炉を用いて表1に記載の冷間加工後熱処理温度(Tf)で熱処理を行い、実施例1〜7、及び比較例1〜3の供試材を得た。なお、実施例1〜7及び比較例1〜2は、オーステナイト系ステンレス鋼であり、比較例3は、二相ステンレス鋼である。
真空誘導溶解炉(VIF)を用いて、表1に記載の成分組成(残部はFe及び不可避的不純物)の150kgの円柱状インゴットを作製した。インゴットを1,250℃以上で24hr熱処理し、1,200℃〜1,000℃の温度域で熱間鍛造を行い、φ150mmのブルームを作製した。このブルームからφ146mm×330mmのビレットを作製し、ユジーン・セジュルネ式熱間押出法により鋼管を得た。鋼管に複数回の熱処理と冷間加工を施した後、この鋼管に対して、表1に記載の冷間加工前熱処理温度(Tc)で熱処理を行った。次いで、この鋼管に対して、加工率35%で冷間加工により成形した。その後、最終熱処理として、光輝焼鈍炉を用いて表1に記載の冷間加工後熱処理温度(Tf)で熱処理を行い、実施例8の供試材(オーステナイト系ステンレス鋼)を得た。
実施例1〜7及び比較例1〜3で得られた各供試材(板材)から1cm×1cm×1.2cmの試料を切り出し、幅×厚さの断面が見えるように樹脂埋めを行い、表面が鏡面になるまで研磨し、65%硝酸電解エッチングにて組織を現出させた。また、実施例8で得られた供試材(鋼管)から、長さ方向に垂直な面が見えるよう試料を切り出し、幅×厚さの断面が見えるように樹脂埋めを行い、表面が鏡面になるまで研磨し、65%硝酸電解エッチングにて組織を現出させた。組織の観察は光学顕微鏡で400倍で観察し、5視野で結晶粒度番号を測定し、中央値を結晶粒度番号とした。測定結果を表1に示す。なお、表中の「−」は、測定を行っていないことを示す。
上記結晶粒度番号を測定した5視野において観測される最も大きい結晶粒の短径と長径との平均値を最大結晶粒径とした。測定結果を表1に示す。なお、表中の「−」は、測定を行っていないことを示す。
JIS B0601(1994)に準拠して最大高さRyを求めた。粗度計を用い、軸方向に3mm測定した。なお、実施例8の供試材(鋼管)については、外面を長さ方向に3mm測定した。測定結果を表1に示す。
(引張試験:0.2%耐力及び引張強さ)
実施例1〜7及び比較例1〜3の各供試材(板材)から平行部がφ4×L15の引張試験片を作製し引張試験に供した。また、実施例8(鋼管)については、JIS Z 2241に準拠した11号試験片を作製し、引張試験に供した。引張試験は初期ひずみ速度2.0×10−3s−1で等速で試料を引っ張った。0.2%耐力及び引張強さを測定した。0.2%耐力については、400MPa以上をA、370MPa以上400MPa未満をB、370MPa未満をCと評価した。引張強さについては、800MPa以上をA、710MPa以上800MPa未満をB、710MPa未満をCと評価した。結果を表2に示す。
供試材を用いてワイヤーカットにて長さ200mm×厚さ2.0mmの板材を作製し、両端から50mm位置の2点で支えた状態で1100℃×5min、空冷の条件で熱処理を行った。熱処理後の板材の反り量測定は画像データを用いて板材両端を結んだ線から引いた垂線の長さが最大となった時の長さを熱処理による反り量とした。反り量が0.1mm以下のものをA、0.1mmを超え、1mm以下のものをB、1mmを超えるものをCと評価した。測定結果を表2に示す。
供試材に対して、1,100℃×5min水冷の条件で熱処理を行った。次いで、実施例1〜7及び比較例1〜3の各供試材(板材)については、幅×厚さ断面が見えるように切断後、樹脂埋めを行い、表面が鏡面になるまで研磨し、65%硝酸電解エッチングにて組織を現出させた。実施例8の供試材(鋼管)については、長さ方向に垂直な面が見えるように切断後、樹脂埋めを行い、表面が鏡面になるまで研磨し、65%硝酸電解エッチングにて組織を現出させた。組織の観察は光学顕微鏡で400倍で観察し、5視野で結晶粒度番号を測定し、中央値を結晶粒度番号とした。この粒度番号が9.0以上のものを熱処理後も結晶粒の粗大化が抑制されているとしてA、9.0未満のものをBと評価した。結果を表2に示す。なお、表中の「−」は、測定を行っていないことを示す。
Claims (10)
- 成分組成が、
C:0.12質量%以下、
Si:0.1質量%以上1.0質量%以下、
Mn:0.1質量%以上2.7質量%以下、
P:0.05質量%以下、
S:0.01質量%以下、
Cr:13.0質量%以上22.0質量%以下、
Ni:4.0質量%以上12.0質量%以下、
Cu:0.01質量%以上0.50質量%以下、
Mo:0.05質量%以上5.0質量%以下、
Al:0.005質量%以上0.03質量%以下、
Nb:0.05質量%以上0.30質量%以下、及び
N:0.10質量%以上0.50質量%以下
を満たし、残部がFe及び不可避的不純物であり、
結晶粒度番号が7.0以上であるオーステナイト系ステンレス鋼。 - 上記成分組成において、下記式(1)をさらに満たす請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
200≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]≦300 ・・・ (1)
(式(1)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。) - 最大結晶粒径が60μm以下である請求項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。
- 上記成分組成において、下記式(2)をさらに満たす請求項1、請求項2又は請求項3に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
0.20≦[%C]+[%N]≦0.40 ・・・ (2)
(式(2)中、[%C]及び[%N]は、それぞれの成分の含有量(質量%)を表す。) - 最大高さRyが、10μm以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- シームレス鋼管である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 自動車燃料噴射管に用いられる請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 鋼材に対して、一回の加工率が20%以上である冷間加工を行う工程と、
上記冷間加工工程の前後に設けられ、上記鋼材に対して熱処理を行う工程と
を備え、
上記熱処理工程における熱処理温度T(℃)が下記式(3)を満たす請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
1,000≦T≦−2090[%C]+12.8[%Cr]+320[%N]+42.3[%Nb]+900 ・・・ (3)
(式(3)中、[%C]、[%Cr]、[%N]及び[%Nb]は、上記鋼材におけるそれぞれの成分の含有量(質量%)を表す。) - 鋼材に対して、一回の加工率が20%以上である冷間加工を行う工程と、
上記冷間加工工程の前後に設けられ、上記鋼材に対して熱処理を行う工程と
を備え、
上記熱処理工程における熱処理温度T(℃)が1,000℃以上1,200℃以下である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。 - 上記冷間加工工程後の最終の熱処理工程が、光輝焼鈍である請求項8又は請求項9に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
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