JP6832999B2 - フェライト系ステンレス鋼と、その鋼板及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
(a)B:0.0050%以下、Ga:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下、Ca:0.0100%以下の1種または2種以上を満たす範囲で含有し、且つ式(1)を満足すること。
10(B+Ga)+Mg+Ca>0.010・・・式(1)
(b)下記式(2)および(3)を満足すること。
Si/(Mn+Al+V)<0.35・・・式(2)
0.40<Al/(Si+Mn+V)<3.00・・・式(3)
但し、式(1)〜(3)中、B、Ga、Mg、Ca、Si、Mn、Al、Vはそれぞれの元素の含有量(質量%)を意味し、対応する元素が含まれていない場合、0を代入する。
(2)前記鋼が、さらに質量%にて、Sn:0.3%以下、Sb:0.3%以下、Ni:1%以下、Cu:1%以下、W:1%以下、Co:1%以下、B:0.010%以下、Ga:0.010%以下、Mg:0.010%以下、Ca:0.010%以下、Zr:0.1%以下、Y:0.1%以下、REM:0.1%以下、Ta:0.1%以下の1種または2種以上含有していることを特徴とする(1)に記載のフェライト系ステンレス鋼。
(3)20℃における重量絶対湿度が約2.3%になるように加湿された空気中、850℃にて100時間保持した後で室温へ冷却したとき、その表面に原子%比率でCr≧50%の厚さが2.0μm未満である酸化皮膜が形成され、かつ酸化皮膜中の最大Si濃度が原子%比率で2%未満になることを特徴とする(1)又は(2)に記載のフェライト系ステンレス鋼。
(4)原子%比率でCr≧50%の厚さが2.0μm未満である酸化皮膜が形成されており、かつ酸化皮膜中の最大Si濃度が原子%比率で2%未満であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のフェライト系ステンレス鋼。
(5)700℃、初期応力20MPaにおいて、1%のクリープ歪に到達する時間が2500時間以上であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のフェライト系ステンレス鋼。
(6)固体酸化物型燃料電池に用いられることを特徴とする(1)〜(5)のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼。
(7)質量%にて、C:0.030%以下、Si:1.00%以下、Mn:1.00%以下、P:0.045%以下、S:0.0030%以下、Cr:20.0〜25.0%、Mo:0.3〜2.0%、N:0.040%以下、Al:0.50%以下、V:0.20%以下を有し、Nb:0.001〜0.500%及び/又はTi:0.001〜0.50%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、板厚中心部の集合組織が下記の(a)および(b)を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼板。
(a)板厚中心部における鋼板表面に平行な面の法線方向と{111}面方位との角度差が15°以内である{111}±15°方位粒の面積率が30%超60%未満
(b)(a)で定義した{111}±15°方位粒を除く方位粒の形状が下記式を満足する。
1.5<L/d<8;但し、Lは{111}±15°方位粒の圧延方向の平均長さ(μm)、dは{111}±15°方位粒の圧延垂直方向の平均長さ(μm)とする。
(8)前記鋼が、さらに質量%にて、Sn:0.30%以下、Sb:0.30%以下、Ni:1.00%以下、Cu:1.00%以下、W:1.0%以下、Co:1.00%以下、B:0.0100%以下、Ga:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下、Ca:0.0100%以下、Zr:0.10%以下、Y:0.10%以下、REM:0.10%以下、Ta:0.10%以下の1種または2種以上含有していることを特徴とする(7)に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
(9)前記鋼の集合組織が、さらに下記の(c)を満たすことを特徴とする(7)又は(8)に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
(c)前記板厚中心部における鋼板表面に平行な面の法線方向と{001}面方位との角度差が10°以内である{001}±10°方位粒の面積率が10%未満である。
(10)750℃、初期応力15MPaにおいて、1%のクリープ歪に到達する時間が1000時間以上であることを特徴とする(7)〜(9)のうちいずれかに記載の耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
(11)固体酸化物型燃料電池に用いられることを特徴とする(7)〜(10)のうちいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋼板。
(12)(1)、(2)、(7)、(8)のうちいずれかに記載の組成を有するステンレス鋼を、冷間圧延前においてTr−100<T<Trの範囲で
熱処理を行い、その後冷間圧延と1100℃以下の熱処理を繰り返し、仕上げの熱処理は1000℃以上とすることを特徴とする耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼材の製造方法。
Tr(℃):鋼の再結晶温度、T:冷間圧延前の熱処理温度
(a)通常、SOFCシステムは、発電部の高温域において700〜750℃で連続運転される場合が多い。セルスタックの大型化とセパレーターの薄肉化に伴って、高温運転中で課題となる僅かな変形を抑止するには、材料の高温強度やクリープ破断寿命そのものを上昇させるよりも、750℃付近の定荷重下で生じる1%までのクリープ歪に到達する時間を遅延させることが極めて効果的である。
更に、本発明者らは、前記した課題を解決するために、長期の高温酸化環境下において求められる電気導電性ならびに700℃付近で生じる1%程度の僅かな変形を抑止する耐クリープ強さを兼備するフェライト系ステンレス鋼について鋭意実験と検討を重ね、以下の知見を得た。
B、Ga、Mg、Caは、前記した通り、本発明の目標とするCr系酸化皮膜の保護性を高めて耐クリープ強さを発現するために有用な添加元素である。一方、過度な添加は、製造性と鋼の耐食性の低下を招く。このため、B、Ga、Mg、Caを添加する場合、それぞれの上限は、B:0.0050%、Ga:0.0100%、Mg:0.0100%、Ca:0.0100%とし、1種または2種以上を含み、以下の式(1)を満たすように、本発明の固体酸化物型燃料電池用フェライト系ステンレス鋼に含有させることが好ましい。但し、該当する元素が含まれていない場合、0を代入する。
10(B+Ga)+Mg+Ca>0.010・・・式(1)
前述した通り、脱酸剤およびクロム原料から混入するMn、Vを低下し、AlとSiの添加量を調整することは、Cr系酸化皮膜の保護性の向上に効果的である。また、Mn、Vを低下して適量のAlを添加することは、Cr系酸化皮膜の揮発性を低減させてCr系酸化皮膜の欠陥生成や成長を抑制させる効果が大きい。そこで、本発明の目標とする基本特性を得るために、Al、Si、Mn、Vの含有量は、前記した含有量の範囲とし、更に、以下の式(2)及び(3)を満たすことが好ましい。
Si/(Mn+Al+V)<0.35・・・式(2)但し、該当する元素が含まれていない場合、0を代入する。
0.40<Al/(Si+Mn+V)<3.00・・・式(3)
Cr系酸化皮膜の電気伝導性を向上させる視点から、式(2)は、0.30未満が好ましく、より好ましい範囲は0.05〜0.25である。式(3)は、0.45以上が好ましく、より好ましい範囲は0.50〜2.50である。
本発明のフェライト系ステンレス鋼板は、上述した鋼成分を有する本発明のフェライト系ステンレス鋼から製造される。上述した鋼成分の限定条件に加えて、本発明のフェライト系ステンレス鋼板は、本発明の目標とする耐クリープ強さと加工性を両立に寄与するという観点から、板厚中心部の集合組織が規定される。
表1に成分を示すフェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延、焼鈍酸洗、冷間圧延を行い、表2に示す条件で板厚0.3〜2.0mmの冷延鋼板(No.1〜19)を製造した。なお、冷間圧延後の仕上げ焼鈍は、いずれも1050℃以下で実施した。ここで、鋼I〜Rは、本発明の規定する成分範囲から外れるものである。これら冷延鋼板から試験片を切り出し、酸化試験によるCr系酸化皮膜の電気伝導性と板状のクリープ試験による耐クリープ強さの評価に供した。
表3に成分を示すフェライト系ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延、焼鈍酸洗、冷間圧延を行い、表4に示す条件で板厚0.2〜0.6mmの冷延鋼板を製造した。なお、冷間圧延後の仕上げ焼鈍は、1000〜1050℃の範囲で実施した。ここで、鋼K〜Rは、本発明の規定する成分範囲から外れるものである。以上の冷延鋼板から試験片を切り出し、集合組織のEBSDによる解析、板状のクリープ試験による耐クリープ強さの評価、JIS13号引張試験による機械的性質の評価に供した。
Claims (6)
- 質量%にて、C:0.030%以下、Si:1.00%以下、Mn:1.00%以下、P:0.045%以下、S:0.0030%以下、Cr:20.0〜25.0%、Mo:0.3〜2.0%、N:0.040%以下、Al:0.50%以下、V:0.01〜0.20%を有し、Nb:0.001〜0.500%及び/又はTi:0.001〜0.50%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
板厚中心部の集合組織が下記の(a)および(b)を満たすことを特徴とするフェライト系ステンレス鋼板。
(a)板厚中心部における鋼板表面に平行な面の法線方向と{111}面方位との角度差が15°以内である{111}±15°方位粒の面積率が30%超60%未満
(b)(a)で定義した{111}±15°方位粒を除く方位粒の形状が下記式を満足する。
1.5<L/d<8;但し、Lは{111}±15°方位粒の圧延方向の平均長さ(μm)、dは{111}±15°方位粒の圧延垂直方向の平均長さ(μm)とする。 - 前記鋼が、さらに質量%にて、Sn:0.30%以下、Sb:0.30%以下、Ni:1.00%以下、Cu:1.00%以下、W:1.0%以下、Co:1.00%以下、B:0.0100%以下、Ga:0.0100%以下、Mg:0.0100%以下、Ca:0.0100%以下、Zr:0.10%以下、Y:0.10%以下、REM:0.10%以下、Ta:0.10%以下の1種または2種以上含有していることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
- 前記鋼の集合組織が、さらに下記の(c)を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
(c)前記板厚中心部における鋼板表面に平行な面の法線方向と{001}面方位との角度差が10°以内である{001}±10°方位粒の面積率が10%未満である。 - 750℃、初期応力15MPaにおいて、1%のクリープ歪に到達する時間が1000時間以上であることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
- 固体酸化物型燃料電池に用いられることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼板。
- 請求項1又は2に記載の組成を有するステンレス鋼を、冷間圧延前においてTr−100<T<Trの範囲で熱処理を行い、その後冷間圧延と1100℃以下の熱処理を繰り返し、仕上げの熱処理は1000℃以上とすることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐熱性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板の製造方法。
Tr(℃):鋼の再結晶温度、T:冷間圧延前の熱処理温度
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