JP7173348B2 - オーステナイト系ステンレス鋼材及び溶接継手 - Google Patents
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Description
F1=S+{(P+Sn)/2}+{(As+Zn+Pb+Sb)/5} (1)式
F2=Nb+Ta+Zr+Hf+2Ti+(V/10) (2)式
化学組成が、質量%で
C:0.020%以下、
Si:1.50%以下、
Mn:2.00%以下、
P:0.045%以下、
S:0.0300%以下、
Cr:15.00~25.00%、
Ni:9.00~20.00%、
N:0.05~0.15%、
Nb:0.1~0.8%、
Mo:0.10~4.50%、
W:0.01~1.00%、
Ti:0~0.50%、
Ta:0~0.50%、
V:0~1.00%、
Zr:0~0.10%、
Hf:0~0.10%、
Cu:0~2.00%、
Co:0~1.00%、
sol.Al:0~0.030%、
B:0~0.0100%、
Ca:0~0.0200%、
Mg:0~0.0200%、
希土類元素:0~0.100%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Zn:0~0.010%、
Pb:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)を満たし、
抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.050~0.267%であり、かつ、前記残渣中のCr含有量が質量%で0.125%以下である。
21.9Mo+5.9W-5.0≧0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、前記化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
21.9Mo+5.9W-5.0≧0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
化学組成が、質量%で
C:0.020%以下、
Si:1.50%以下、
Mn:2.00%以下、
P:0.045%以下、
S:0.0300%以下、
Cr:15.00~25.00%、
Ni:9.00~20.00%、
N:0.05~0.15%、
Nb:0.1~0.8%、
Mo:0.10~4.50%、
W:0.01~1.00%、
Ti:0~0.50%、
Ta:0~0.50%、
V:0~1.00%、
Zr:0~0.10%、
Hf:0~0.10%、
Cu:0~2.00%、
Co:0~1.00%、
sol.Al:0~0.030%、
B:0~0.0100%、
Ca:0~0.0200%、
Mg:0~0.0200%、
希土類元素:0~0.100%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Zn:0~0.010%、
Pb:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)を満たし、
抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.050~0.267%であり、かつ、前記残渣中のCr含有量が質量%で0.125%以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
21.9Mo+5.9W-5.0≧0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、前記化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[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:2.50~4.50%、及び、
Co:0.01~1.00%、
を含有し、さらに、式(2)及び式(3)を満たし、
前記抽出残渣法により得られた前記残渣中のNb含有量は質量%で0.065~0.245%であり、かつ、前記残渣中のCr含有量が質量%で0.104%以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
2≦73W+5Co≦60 (2)
0.20≦Nb+0.1W≦0.58 (3)
[1]又は[2]に記載のオーステナイト系ステンレス鋼材であって、
前記化学組成は、第1群~第5群のいずれかの群に属する少なくとも1元素又は2元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
第1群:
Ti:0.01~0.50%、
Ta:0.01~0.50%、
V:0.01~1.00%、
Zr:0.01~0.10%、及び、
Hf:0.01~0.10%、
第2群:
Cu:0.01~2.00%、及び、
Co:0.01~1.00%、
第3群:
sol.Al:0.001~0.030%、
第4群:
B:0.0001~0.0100%、
第5群:
Ca:0.0001~0.0200%、
Mg:0.0001~0.0200%、及び、
希土類元素:0.001~0.100%。
溶接継手であって、
[2]又は[3]に記載の一対のオーステナイト系ステンレス鋼材と、
前記一対のオーステナイト系ステンレス鋼材の間に配置された溶接金属とを備え、
前記溶接金属の延在方向と垂直な前記オーステナイト系ステンレス鋼材の断面のうち、溶接熱影響部内であって溶融線から前記溶接金属の幅方向に200μmの範囲における平均結晶粒径を平均結晶粒径R1と定義し、前記溶接熱影響部以外の部分の平均結晶粒径を平均結晶粒径R2と定義したとき、
前記平均結晶粒径R1と前記平均結晶粒径R2とは式(4)を満たす、
溶接継手。
R1/R2≦4.8 (4)
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。つまり、C含有量は0%超である。Cは、粒界にM23C6型のCr炭化物を生成する。C含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Cr炭化物が過剰に生成して鋼材の耐鋭敏化特性が顕著に低下する。したがって、C含有量は0.020%以下である。C含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.016%であり、さらに好ましくは0.014%であり、さらに好ましくは0.012%である。C含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、C含有量の過剰な低減は製造コストを高くする。したがって、工業生産上、C含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
シリコン(Si)は不可避に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。Siは、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Siが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Si含有量が1.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、溶接割れ感受性が顕著に高まる。さらに、Siはフェライト安定化元素であるため、オーステナイトの安定性が低下する。この場合、400~700℃の平均操業温度での長時間使用時において、鋼材中にシグマ相(σ相)が生成する。σ相は、400~700℃の平均操業温度での使用時における鋼材の靱性及び延性を低下する。したがって、Si含有量は1.50%以下である。Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.20%である。Si含有量の好ましい上限は1.40%であり、さらに好ましくは1.20%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%である。
マンガン(Mn)は不可避に含有される。つまり、Mn含有量は0%超である。Mnは、鋼材中のSと結合してMnSを形成し、鋼材の熱間加工性を高める。Mnはさらに、溶接時において鋼材の溶接部を脱酸する。Mnが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Mn含有量が2.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、400~700℃の平均操業温度での使用時において、鋼材中にシグマ相(σ相)が生成しやすくなる。σ相は、400~700℃の平均操業温度での使用時における鋼材の靱性及び延性を低下する。したがって、Mn含有量は2.00%以下である。Mn含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは1.20%であり、さらに好ましくは1.30%である。Mn含有量の好ましい上限は1.80%であり、さらに好ましくは1.60%であり、さらに好ましくは1.55%である。
燐(P)は不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。Pは、大入熱溶接時において、鋼材の粒界に偏析する。その結果、鋼材の耐鋭敏化特性が低下する。Pはさらに、溶接時において、鋼材の溶接割れ感受性を高める。P含有量が0.045%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐鋭敏化特性が低下し、溶接割れ感受性が高まる。したがって、P含有量は0.045%以下である。P含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.035%であり、さらに好ましくは0.030%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は、鋼材の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。つまり、S含有量は0%超である。Sは、高温環境下での鋼材使用中において、粒界に偏析する。その結果、鋼材の耐鋭敏化特性が低下する。Sはさらに、溶接時において、鋼材の溶接割れ感受性を高める。S含有量が0.0300%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐鋭敏化特性が低下し、溶接割れ感受性が高まる。したがって、S含有量は0.0300%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0200%であり、さらに好ましくは0.0150%であり、さらに好ましくは0.0100%であり、さらに好ましくは0.0060%であり、さらに好ましくは0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の過剰な低減は、鋼材の製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
クロム(Cr)は、400~700℃の平均操業温度での鋼材使用時において、鋼材の耐酸化性及び耐食性を高める。Cr含有量が15.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が25.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、400~700℃の平均操業温度での鋼材中のオーステナイトの安定性が低下する。この場合、鋼材のクリープ強度が低下する。したがって、Cr含有量は15.00~25.00%である。Cr含有量の好ましい下限は15.50%であり、さらに好ましくは16.00%であり、さらに好ましくは16.20%であり、さらに好ましくは16.40%である。Cr含有量の好ましい上限は24.00%であり、さらに好ましくは23.00%であり、さらに好ましくは22.00%であり、さらに好ましくは21.00%であり、さらに好ましくは20.00%であり、さらに好ましくは、19.00%である。
ニッケル(Ni)はオーステナイトを安定化して、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。Ni含有量が9.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ni含有量が20.00%を超えれば、上記効果が飽和し、さらに、製造コストが高くなる。したがって、Ni含有量は9.00~20.00%である。Ni含有量の好ましい下限は、9.50%であり、さらに好ましくは9.80%であり、さらに好ましくは10.00%である。Ni含有量の好ましい上限は18.00%であり、さらに好ましくは16.00%であり、さらに好ましくは15.00%であり、さらに好ましくは14.50%であり、さらに好ましくは14.00%であり、さらに好ましくは13.50%である。
窒素(N)はマトリクス(母相)に固溶してオーステナイトを安定化する。Nはさらに、鋼材中にCrNb窒化物を生成する。CrNb窒化物は、結晶粒界の総面積を増大する。そのため、400~700℃の平均操業温度で長時間操業した場合であっても、Cr炭化物の生成を抑えることができる。その結果、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。N含有量が0.05%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、N含有量が0.15%を超えれば、結晶粒界にCr窒化物(Cr2N)が生成する。この場合、鋼材中の固溶Cr量が低減してしまい、その結果、鋼材の耐鋭敏化特性が低下する。したがって、N含有量は0.05~0.15%である。N含有量の好ましい下限は0.06%であり、さらに好ましくは0.07%である。N含有量の好ましい上限は0.14%であり、さらに好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.09%である。
ニオブ(Nb)は、Nとともに、オーステナイト結晶粒内にCrNb窒化物を生成し、結晶粒界の総面積を増大する。そのため、400~700℃の平均操業温度で長時間操業した場合であっても、Cr炭化物の生成を抑えることができる。その結果、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Nbはさらに、Cと結合してMX型のNb炭化物を生成する。Nb炭化物を生成してCを固定することにより、鋼材中の固溶C量が低減する。これにより、400~700℃の平均操業温度での鋼材の使用中において、粒界でのCr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Nb炭化物はさらに、析出強化により、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。Nb含有量が0.1%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Nb含有量が0.8%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、CrNb窒化物及びNb炭化物が過剰に生成する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Nb含有量は0.1~0.8%である。Nb含有量の好ましい下限は0.2%であり、さらに好ましくは0.3%である。Nb含有量の好ましい上限は0.7%であり、さらに好ましくは0.6%であり、さらに好ましくは0.5%であり、さらに好ましくは0.4%である。
モリブデン(Mo)は、400~700℃の平均操業温度での鋼材の使用中において、粒界でM23C6型のCr炭化物が生成及び成長するのを抑制する。Moはさらに、固溶強化元素として、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。Mo含有量が0.10%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が4.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、結晶粒内において、LAVES相等の金属間化合物の生成を促進する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Mo含有量は0.10~4.50%である。
タングステン(W)は、Moと同様に、400~700℃の平均操業温度での鋼材の使用中において、粒界でのM23C6型のCr炭化物が生成及び成長するのを抑制する。Wはさらに、固溶強化元素として、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。W含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、W含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、結晶粒内において、LAVES相等の金属間化合物の生成を促進する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、W含有量は0.01~1.00%である。W含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.10%である。W含有量の好ましい上限は0.80%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Sn:0~0.010%
As:0~0.010%
Zn:0~0.010%
Pb:0~0.010%
Sb:0~0.010%
すず(Sn)、ヒ素(As)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)はいずれも、不純物である。Sn含有量は0%であってもよい。同様に、As含有量は0%であってもよい。Zn含有量は0%であってもよい。Pb含有量は0%であってもよい。Sb含有量は0%であってもよい。含有される場合、これらの元素はいずれも、粒界に偏析して粒界の融点を下げたり、粒界の結合力を低下したりする。Sn含有量が0.010%を超える場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。同様に、As含有量が0.010%を超える場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。Zn含有量が0.010%を超える場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。Pb含有量が0.010%を超える場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。Sb含有量が0.010%を超える場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び溶接性が低下する。したがって、Sn含有量は0~0.010%である。As含有量は0~0.010%である。Zn含有量は0~0.010%である。Pb含有量は0~0.010%である。Sb含有量は0~0.010%である。Sn含有量の下限は0%超であってもよいし、0.001%であってもよい。As含有量の下限は0%超であってもよいし、0.001%であってもよい。Zn含有量の下限は0%超であってもよいし、0.001%であってもよい。Pb含有量の下限は0%超であってもよいし、0.001%であってもよい。Sb含有量の下限は0%超であってもよいし、0.001%であってもよい。
[第1群任意元素]
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ti、Ta、V、Zr及びHfからなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、Cと結合して炭化物を生成する。そのため、固溶Cを低減して、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ti含有量は0%であってもよい。含有される場合、Tiは、鋼材中のCと結合して炭化物を生成する。これにより、Cr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Tiが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ti含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物が結晶粒内に過剰に析出する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Ti含有量は0~0.50%である。Ti含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Ti含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.30%である。
タンタル(Ta)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ta含有量は0%であってもよい。含有される場合、Taは、Cと結合して炭化物を生成する。これにより、Cr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Taが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ta含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物が結晶粒内に過剰に析出する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Ta含有量は0~0.50%である。Ta含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Ta含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.30%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。つまり、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、Vは、Cと結合して炭化物を生成する。これにより、Cr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Vが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物が結晶粒内に過剰に析出する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、V含有量は0~1.00%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは、0.04%であり、さらに好ましくは0.06%である。V含有量の好ましい上限は0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.30%である。
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Zr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Zrは、Cと結合して炭化物を生成する。これにより、Cr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Zrが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Zr含有量が0.10%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物が結晶粒内に過剰に析出する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Zr含有量は0~0.10%である。Zr含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Zr含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.06%である。
ハフニウム(Hf)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Hf含有量は0%であってもよい。含有される場合、Hfは、Cと結合して炭化物を生成する。これにより、Cr炭化物の生成が抑制され、鋼材の耐鋭敏化特性が高まる。Hfが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Hf含有量が0.10%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物が結晶粒内に過剰に析出する。この場合、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生し、溶接割れや脆化割れが発生しやすくなる。したがって、Hf含有量は0~0.10%である。Hf含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Hf含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.06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の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cu及びCoからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cuは0%であってもよい。含有される場合、Cuは400~700℃の平均操業温度での鋼材の使用中において、粒内にCu相として析出して、析出強化により鋼材のクリープ強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が2.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Cu相が過剰に析出する。この場合、溶接後のHAZでの脆化割れ感受性が高まる。したがって、Cu含有量は0~2.00%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cu含有量の好ましい上限は1.50%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.60%である。
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Co含有量は0%であってもよい。含有される場合、Coはオーステナイトを安定化して、400~700℃の平均操業温度での鋼材のクリープ強度を高める。Coはさらに、Wと同様に、鋼材の耐ポリチオン酸SCC性を高める。Coが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Co含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、原料コストが高まる。したがって、Co含有量は0~1.00%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.20%である。Co含有量の好ましい上限は0.90%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%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の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Alを含有してもよい。Alは製鋼工程において、鋼を脱酸する。
アルミニウム(Al)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Al含有量は0%であってもよい。含有される場合、Alは製鋼工程において、鋼を脱酸する。Alが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、sol.Al含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の加工性及び延性が低下する。したがって、sol.Al含有量は0~0.030%である。sol.Al含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。sol.Al含有量の好ましい上限は0.029%であり、さらに好ましくは0.028%であり、さらに好ましくは0.025%である。本実施形態においてsol.Al含有量は、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Bを含有してもよい。Bは、粒界に偏析して粒界を強化する。
ボロン(B)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、B含有量は0%であってもよい。含有される場合、Bは、400~700℃の平均操業温度での鋼材の使用中において、粒界に偏析し、粒界強度を高める。Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、B含有量が0.0100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粒界でのCr炭化物の生成を促進する。そのため、鋼材の耐鋭敏化特性が低下する。B含有量が0.0100%を超えればさらに、粒界の融点が低下して、溶接時において、HAZの粒界で液化割れが生じる。したがって、B含有量は0~0.0100%である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。B含有量の好ましい上限は0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%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の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ca、Mg及び希土類元素(REM)からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼材の熱間加工性を高める。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、Caは、O(酸素)及びS(硫黄)を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性を高める。Caはさらに、Sを固定して、Sの粒界偏析を抑制する。これにより、溶接時のHAZの脆化割れが低減する。Caが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が0.0200%を超えれば、鋼材の清浄性が低下し、鋼材の熱間加工性がかえって低下する。したがって、Ca含有量は0~0.0200%である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0005%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0150%であり、さらに好ましくは0.0100%であり、さらに好ましくは0.0080%であり、さらに好ましくは0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%である。
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Mg含有量は0%であってもよい。含有される場合、Mgは、O(酸素)及びS(硫黄)を介在物として固定し、鋼材の熱間加工性を高める。Mgはさらに、Sを固定して、Sの粒界偏析を抑制する。これにより、溶接時のHAZの脆化割れを低減する。Mgが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Mg含有量が0.0200%を超えれば、鋼材の清浄性が低下し、鋼材の熱間加工性がかえって低下する。したがって、Mg含有量は0~0.0200%である。Mg含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0005%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0150%であり、さらに好ましくは0.0100%であり、さらに好ましくは0.0080%であり、さらに好ましくは0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%である。
希土類元素(REM)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、REM含有量は0%であってもよい。含有される場合、REMは、O(酸素)及びS(硫黄)を介在物として固定し、母材の熱間加工性及びクリープ延性を高める。しかしながら、REM含有量が高すぎれば、母材の熱間加工性及びクリープ延性が低下する。したがって、REM含有量は0~0.100%である。REM含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。REM含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.060%である。
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さらに、式(1)を満たす。
21.9Mo+5.9W-5.0≧0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
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、周知の成分分析法により求めることができる。具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、ドリルを用いて、肉厚中央位置にて穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、ドリルを用いて、板幅中央位置かつ板厚中央位置にて穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、ドリルを用いてR/2位置にて穿孔加工して切粉を生成し、その切粉を採取する。ここで、R/2位置とは、棒鋼の長手方向に垂直な断面における、半径Rの中央位置を意味する。
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、抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.050~0.267%であり、かつ、残渣中のCr含有量が質量%で0.125%以下である。
残渣中のNb含有量及びCr含有量は次の方法で測定できる。オーステナイト系ステンレス鋼材から、試験片を採取する。試験片の長手方向に垂直な断面は、円形であっても矩形であってもよい。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が鋼管の肉厚中央位置となり、試験片の長手方向が鋼管の長手方向となるように、試験片を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が鋼板の板幅中央位置かつ板厚中央位置となり、試験片の長手方向が鋼板の長手方向となるように、試験片を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が棒鋼のR/2位置となり、試験片の長手方向が棒鋼の長手方向となるように、試験片を採取する。
残渣中のNb含有量=残渣中のNb質量/母材質量×100 (i)
残渣中のCr含有量=残渣中のCr質量/母材質量×100 (ii)
ASTM A262-15 PRACTICE Eに準拠したストラウス試験を次のとおり実施する。長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片から、中央部分が板状試験片の長手方向の中央位置にくるように、板状試験片を採取する。板状試験片のサイズは特に限定されない。板状試験片のサイズは例えば、厚さ2mm、幅10mm、長さ80mmである。板状試験片を、16%硫酸を含有する硫酸銅試験液中に浸漬して、15時間沸騰する。その後、板状試験片を硫酸銅試験液から取り出す。取り出した板状試験片に対して、曲げ試験を実施する。曲げ試験では、大気中において、大入熱溶接継手模擬試験片の長手方向中央位置を中心として、板状試験片を180°曲げる。曲げた試験片の曲げ部を切断する。切断面を20倍の光学顕微鏡で観察する。割れが観察された場合、割れの長さを求める。割れが観察されなかった場合、又は、割れが観察されても、割れの長さが100μm以下である場合、耐鋭敏化特性に優れると判断する。
長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片を用いて、ASTM G108-94に準拠した電気化学的再活性化率測定試験(Electrochemical Reactivation test)を実施する。具体的には、長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片の中央部分(大入熱が加えられた部分)から板状試験片を採取する。採取した板状試験片内において、評価面積100mm2の表面部分以外の領域をマスキングする。マスキングされた板状試験片を電極として、温度30℃、容量200cm3の0.5mol硫酸+0.01molチオシアン酸カリウム溶液に浸漬する。次に、板状試験片に対して、分極速度100mV/分の直線分極で、自然電位から300mVまで貴方向に走査する。飽和甘こう電極基準で300mVに到達後、直ちに元の自然電位まで卑方向に走査する。貴方向(往路)への電圧印加時に流れた電流を測定する。そして、卑方向(復路)への電圧印加時に流れた電流を測定する。得られた電流値に基づいて、再活性化率(%)を次のとおり定義する。
再活性化率=(復路の最大アノード電流/往路の最大アノード電流)×100
最近のガソリン価格の低下に伴い、化学プラント設備では、ナフテン酸を含有する低価格の低品位原油の使用比率が高まっている。したがって、化学プラント設備に利用される鋼材では、優れた耐ナフテン酸腐食性が求められる場合がある。また、常圧蒸留装置や減圧蒸留装置の加熱炉管等に利用される鋼材では、蒸留工程で発生する多量のコークの付着を抑制するために、原油中に硫黄が含有される。原油に含有される硫黄により、コークの付着は抑制される。しかしながら、原油に含有される硫黄により、鋼材にポリチオン酸応力腐食割れ(以下、ポリチオン酸SCCともいう)が発生しやすくなる。したがって、化学プラント設備に使用される鋼材では、優れた耐ポリチオン酸SCC性も要求される場合がある。
(I)Mo含有量が2.50~4.50%であり、かつ、Co含有量が0.01~1.00%である。
(II)鋼材の化学組成が、式(2)及び式(3)を満たす。
2≦73W+5Co≦60 (2)
0.20≦Nb+0.1W≦0.58 (3)
(III)抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.065~0.245%であり、残渣中のCr含有量が質量%で0.104%以下である。
以下、(I)~(III)について説明する。
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において、Mo含有量が2.50%以上である場合、上述のとおり、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、式(1)を満たすことを前提として、優れた耐ナフテン酸腐食性が得られる。さらに、W及びCoは、耐ポリチオン酸SCC性を高める。したがって、十分な耐ポリチオン酸SCC性及び十分な耐ナフテン酸腐食性を得ることを目的とした場合、オーステナイト系ステンレス鋼材において、Mo含有量は2.50~4.50%であり、かつ、Co含有量は0.01~1.00%である。
鋼材の化学組成はさらに、式(2)及び式(3)を満たす。
2≦73W+5Co≦60 (2)
0.20≦Nb+0.1W≦0.58 (3)
ここで、式(2)及び式(3)中の各元素記号には、化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
以下、式(2)及び式(3)について説明する。
F2=73W+5Coと定義する。F2は耐ポリチオン酸SCC性と、大入熱溶接時の耐液化割れ性に関する指標である。F2が2未満であれば、オーステナイト系ステンレス鋼材の化学組成中のW及びCoの総含有量が十分ではない。この場合、鋼材の耐ポリチオン酸SCC性が低下する。一方、F2が60を超えれば、Mo含有量が2.50%以上である場合に、W及びCoがLAVES相等の金属間化合物の生成を促進する。この場合、金属間化合物が過剰に生成する。そのため、結晶粒内の強度が過剰に高くなり、結晶粒内と結晶粒界との強度差が大きくなる。そのため、粒界面で応力集中が発生する。その結果、大入熱溶接時において、耐液化割れ性が低下する。
F3=Nb+0.1Wと定義する。F3は有効Nb量を意味する。Nb及びWはいずれも、Cと結合して炭化物を生成し、鋼材中の固溶C量を低減する。これにより、鋼材中にCr炭化物が生成するのを抑制し、鋼材の耐ポリチオン酸SCC性を高める。しかしながら、鋼材中のN含有量が0.05~0.15%である場合、Nb及びWの総含有量が高すぎれば、Laves相に代表されるNb析出物が過剰に生成してしまう。この場合、大入熱溶接時において、HAZでの液化割れが発生し、耐液化割れ性が低下する場合がある。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材が(I)及び(II)を満たす場合、さらに、抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.065~0.245%であり、残渣中のCr含有量が質量%で0.104%以下であれば、優れた耐ポリチオン酸SCC性が得られる。
オーステナイト系ステンレス鋼材から試験片を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼管である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が鋼管の肉厚中央位置となり、試験片の長手方向が鋼管の長手方向となるように、試験片を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が鋼板である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が鋼板の板幅中央位置かつ板厚中央位置となり、試験片の長手方向が鋼板の長手方向となるように、試験片を採取する。オーステナイト系ステンレス鋼材が棒鋼である場合、試験片の長手方向に垂直な断面の中心が棒鋼のR/2位置となり、試験片の長手方向が棒鋼の長手方向となるように、試験片を採取する。試験片のサイズは特に限定されない。試験片のサイズは例えば、厚さ2mm、幅10mm、長さ30mmである。採取した試験片を、常圧下において、200℃の100%シクロヘキサンカルボン酸溶液に720時間浸漬する。720時間浸漬後、アセトンを用いて試験片を3分間超音波洗浄する。
上述の耐鋭敏化特性の評価試験と同様の大入熱溶接継手模擬試験片を作製する。大入熱溶接継手模擬試験片に対して、上述の長時間鋭敏化処理を実施する。長時間鋭敏化処理後の大入熱溶接継手模擬試験片から、中央部分が板状試験片の長手方向の中央位置にくるように、板状試験片を採取する。板状試験片のサイズは特に限定されない。板状試験片のサイズは例えば、厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmである。採取した板状試験片を用いて、耐ポリチオン酸SCC性評価試験を次の方法で実施する。板状試験片を、内側半径5mmのポンチ周りに曲げてUベンド形とする。Uベンド形の試験片を、硫酸を用いてPH=2に調整した1%K2S4O6溶液中に常温で100時間浸漬する。浸漬後の試験片において、曲げた試験片の曲げ部を、長手方向に垂直な方向に切断し、切断面を20倍の光学顕微鏡で観察する。割れが観察された場合、切断面における割れの深さを求める。割れが観察されなかった場合、又は、割れが観察されるが、割れの深さが20μm未満である場合、耐ポリチオン酸SCC性に優れると判断する。
大入熱溶接継手模擬試験片の長手方向の中央位置で、長手方向に垂直な方向に切断する。切断面を観察面とする。観察面を混酸でエッチングする。エッチングされた観察面の任意の3視野(各視野は250μm×250μm)を、400倍の光学顕微鏡で観察する。観察された3視野において、粒界での部分溶融痕の有無を判断する。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、鍛造品であってもよいし、鋳造品であってもよい。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は、400~700℃の平均操業温度で使用される装置用途に適する。本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材は特に、大入熱溶接が実施された後、400~700℃の平均操業温度で長期間使用される装置用途に適する。400~700℃は平均の操業温度であり、一時的に操業温度が700℃を超える場合があっても、平均の操業温度が400~700℃であれば、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材の使用に適する。これらの装置の最高到達温度は750℃であってもよい。このような装置はたとえば、石油精製や石油化学に代表される化学プラント設備の装置である。これらの装置はたとえば、加熱炉管、槽、配管等を備える。また、本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材を、平均操業温度が400℃未満の化学プラント設備に利用してもよい。
図1は、本実施形態の溶接継手の一例を示す平面図である。図1を参照して、本実施形態による溶接継手1は、一対のオーステナイト系ステンレス鋼材100と、溶接金属200とを備える。溶接金属200は、一対のオーステナイト系ステンレス鋼材100の間に配置されている。溶接金属200は、一対のオーステナイト系ステンレス鋼材100の間に形成されており、一対のオーステナイト系ステンレス鋼材100とつながっている。以降の説明では、オーステナイト系ステンレス鋼材100を「母材」100ともいう。
一対の母材100の各々は、上述の優れた耐ポリチオン酸SCC性及び優れた耐ナフテン酸腐食性を有する本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼材である。つまり、母材100は、化学組成が、質量%で、C:0.020%以下、Si:1.50%以下、Mn:2.00%以下、P:0.045%以下、S:0.0300%以下、Cr:15.00~25.00%、Ni:9.00~20.00%、N:0.05~0.15%、Nb:0.1~0.8%、Mo:2.50~4.50%、W:0.01~1.00%、Ti:0~0.50%、Ta:0~0.50%、V:0~1.00%、Zr:0~0.10%、Hf:0~0.10%、Cu:0~2.00%、Co:0.01~1.00%、sol.Al:0~0.030%、B:0~0.0100%、Ca:0~0.0200%、Mg:0~0.0200%、希土類元素:0~0.100%、Sn:0~0.010%、As:0~0.010%、Zn:0~0.010%、Pb:0~0.010%、Sb:0~0.010%、及び、残部がFe及び不純物からなり、式(1)~式(3)を満たし、抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.065~0.245%であり、Cr含有量が質量%で0.104%以下である。
溶接金属200の化学組成は、特に限定されない。溶接金属200は、周知の溶接材料を使用して形成すればよい。周知の溶接材料はたとえば、AWS A5.9に準拠した、規格名:ER NiCrCoMo-1、ER NiCrMo-3、NiCrCoMo-1、22Cr-12Co-1Al-9Mo-Ni、NiCrMo-3、22Cr-8Mo-3.5Nb-Ni等である。
図5は、本実施形態の溶接継手1において、溶接金属延在方向Lに垂直な方向の断面を示す図である。図5を参照して、溶接継手1の溶接金属延在方向Lに垂直な方向の断面では、母材(オーステナイト系ステンレス鋼材)100は、溶接熱影響部(HAZ)101と、HAZ101以外の部分102とを含む。HAZ101は、母材100のうち、溶接金属200の溶融線200Eと隣接した領域であって、溶接時の熱影響を受けている部分である。一方、母材100のうち、HAZ101以外の部分を、通常部102と称する。母材100のうち、通常部102は、溶接時の熱影響を実質的に受けていない部分である。
R1/R2≦4.8 (4)
以下、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を説明する。以降に説明するオーステナイト系ステンレス鋼材の製造方法は、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あくまでも一例である。したがって、上述の構成を有するオーステナイト系ステンレス鋼材は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、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好ましい一例である。
1.素材を準備する工程(準備工程)
2.素材に対して熱間加工を実施して中間鋼材を製造する工程(熱間加工工程)
3.必要に応じて、熱間加工工程後の中間鋼材に対して酸洗処理を実施した後冷間加工を実施する工程(冷間加工工程)
4.熱間加工工程後又は冷間加工工程後の中間鋼材に対して、CrNb窒化物を析出させる工程(CrNb窒化物生成処理工程)
以下、各工程について説明する。
準備工程では、上述の化学組成を有する素材を準備する。素材は第三者から供給されてもよいし、製造してもよい。素材はインゴットであってもよいし、スラブ、ブルーム、ビレットであってもよい。素材を製造する場合、次の方法により、素材を製造する。上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを製造する。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法によりスラブ、ブルーム、ビレットを製造してもよい。製造されたインゴット、スラブ、ブルームに対して熱間加工を実施して、ビレットを製造してもよい。たとえば、インゴットに対して熱間鍛造を実施して、円柱状のビレットを製造し、このビレットを素材としてもよい。この場合、熱間鍛造開始直前の素材の温度は特に限定されないが、たとえば、1000~1300℃である。熱間鍛造後の素材の冷却方法は特に限定されない。
熱間加工工程では、準備工程において準備された素材に対して熱間加工を実施して、中間鋼材を製造する。中間鋼材はたとえば鋼管であってもよいし、鋼板であってもよいし、棒鋼であってもよい。
冷間加工工程は必要に応じて実施する。つまり、冷間加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、熱間加工後の中間鋼材に対して、酸洗処理を実施した後、冷間加工を実施する。中間鋼材が鋼管又は棒鋼である場合、冷間加工はたとえば、冷間抽伸又は冷間圧延である。中間鋼材が鋼板である場合、冷間加工はたとえば、冷間圧延である。冷間加工工程を実施することにより、CrNb窒化物生成処理工程前に、中間鋼材に歪を付与する。これにより、CrNb窒化物生成処理工程時において再結晶の発現及び整粒化を行うことができる。冷間加工工程における減面率は特に限定されないが、たとえば、10~90%である。
CrNb窒化物生成処理工程では、熱間加工工程後又は冷間加工工程後の中間鋼材に対して、CrNb窒化物生成処理を実施する。これにより、他の析出物(Cr炭化物、Cr2N、その他の炭化物、窒化物、及び、炭窒化物等)の生成を抑えつつ、CrNb窒化物を適量析出させる。その結果、製造されたオーステナイト系ステンレス鋼材から抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量を質量%で0.050~0.267%とすることができ、かつ、残渣中のCr含有量を質量%で0.125%以下とすることができる。
CrNb窒化物生成処理では、次の3つの条件(第1の条件、第2の条件、第3の条件)を満たす。
CrNb窒化物生成処理では、大気雰囲気の炉内において、熱処理温度T(℃)を次の温度範囲に保持する。
1000≦T≦Tmax
ここで、Tmax(℃)は、Mo含有量に応じて、次のとおりである。
<1>Mo含有量が0.10~1.00%である場合
Tmax=Tx-100(Mo+W)+200C-80Nb
<2>Mo含有量が1.00%超~2.50%未満である場合
Tmax=Tx-50(Mo+W)+200C-80Nb
<3>Mo含有量が2.50~4.50%である場合
Tmax=Tx-20(Mo+W)+200C-80Nb
ここで、Tx=1300である。
CrNb窒化物生成処理はさらに、熱処理温度T(℃)、及び、熱処理温度Tでの保持時間t(分)とが、次の条件を満たす。
(A)化学組成中のMo含有量が0.10~1.00%である場合
f1≦f2、かつ、f2≦f3
ここで、f1~f3は次のとおり定義される。
f1=760
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=1680
(B)化学組成中のMo含有量が1.00%超~2.50%未満である場合
f1≦f2、かつ、f2≦f3
ここで、f1~f3は次のとおり定義される。
f1=1200
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=1900
(C)化学組成中のMo含有量が2.50~4.50%である場合
f1≦f2、かつ、f2≦f3
ここで、f1~f3は次のとおり定義される。
f1=1520
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=2050
f2中のTには、熱処理温度T(℃)が代入され、tには保持時間t(分)が代入される。f2中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
CrNb窒化物生成処理はさらに、熱処理温度T℃で保持時間t分保持した後、冷却する。このとき、少なくとも鋼材温度が800~500℃の温度域での平均冷却速度CRを15℃/秒以上で冷却する。平均冷却速度CRが15℃/秒未満である場合、800~500℃の温度範囲を冷却している間に、鋼材中にCrNb窒化物が粒界にも析出し、さらに、M23C6型のCr炭化物も粒界に生成してしまう。そのため、化学組成中の元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、式(1)を満たすオーステナイト系ステンレス鋼材中において、残渣中のNb含有量が0.267質量%を超える。及び/又は、Cr含有量が0.125%を超える。この場合、オーステナイト系ステンレス鋼材の耐鋭敏化特性が低下する。
表1の化学組成を有する素材(インゴット)を製造した。
以上の製造工程により製造されたオーステナイト系ステンレス鋼材に対して、次の評価試験を実施した。
製造されたオーステナイト系ステンレス鋼材を用いて、次の方法により、大入熱溶接を模擬した大入熱溶接継手模擬試験片を作製した。
大入熱溶接継手模擬試験片を用いて、次に示す長時間鋭敏化処理を実施した。大入熱溶接継手模擬試験片を熱処理炉に装入した。熱処理炉において、大入熱溶接継手模擬試験片を大気中、大気圧にて、550℃で10000時間保持した(鋭敏化処理)。10000時間経過後の大入熱溶接継手模擬試験片を熱処理炉から抽出して、放冷した。
ASTM A262-15 PRACTICE Eに準拠したストラウス試験を次のとおり実施した。長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片から、中央部分60が長手方向の中央位置にくるように厚さ2mm、幅10mm、長さ80mmの板状試験片を採取した。板状試験片を、16%硫酸を含有する硫酸銅試験液中に浸漬して、15時間沸騰した。その後、板状試験片を硫酸銅試験液から取り出した。取り出した板状試験片に対して、曲げ試験を実施した。曲げ試験では、大気中において、大入熱溶接継手模擬試験片の長手方向中央位置を中心として、板状試験片を180°曲げた。曲げた試験片の曲げ部を切断した。切断面を20倍の光学顕微鏡で観察した。割れが観察された場合、割れの長さを求めた。割れが観察されなかった場合、又は、割れが観察されても、割れの長さが100μm以下である場合、ストラウス試験を合格と判断した(表2中で「E」(Excellent))。一方、100μmを超える割れが観察された場合、ストラウス試験を不合格と判断した(表2中で「B」(Bad))。
長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片を用いて、ASTM G108-94に準拠した電気化学的再活性化率測定試験(Electrochemical Reactivation test)を実施した。具体的には、長時間鋭敏化処理を実施した大入熱溶接継手模擬試験片の中央部分60(大入熱が加えられた部分)から板状試験片を採取した。採取した板状試験片内において、評価面積100mm2の表面部分以外の領域をマスキングした。マスキングされた板状試験片を電極として、温度30℃、容量200cm3の0.5mol硫酸+0.01molチオシアン酸カリウム溶液に浸漬した。次に、板状試験片に対して、分極速度100mV/分の直線分極で、自然電位から300mVまで貴方向に走査した。飽和甘こう電極基準で300mVに到達後、直ちに元の自然電位まで卑方向に走査した。貴方向(往路)への電圧印加時に流れた電流を測定した。そして、卑方向(復路)への電圧印加時に流れた電流を測定した。得られた電流値に基づいて、再活性化率(%)を次のとおり定義した。
再活性化率=(復路の最大アノード電流/往路の最大アノード電流)×100
表2に試験結果を示す。
表3の化学組成を有する素材(インゴット)を製造した。
各試験番号のオーステナイト系ステンレス鋼材の幅中央位置かつ板厚中央位置から、厚さ2mm、幅10mm、長さ30mmの試験片を採取した。試験片の長手方向は、鋼材の長手方向(圧延方向)に平行であった。採取した試験片を、常圧下において、200℃の100%シクロヘキサンカルボン酸溶液に720時間浸漬した。720時間浸漬後、アセトンを用いて試験片を3分間超音波洗浄した。
製造されたオーステナイト系ステンレス鋼材を用いて、次の方法により、大入熱溶接で製造された溶接継手を模擬した大入熱溶接継手模擬試験片を作製した。
大入熱溶接継手模擬試験片50を用いて、平均結晶粒径R1及びR2を次の方法で測定した。大入熱溶接継手模擬試験片50の長さ方向の中央位置の10mm幅部分の領域60は、溶接継手のHAZの範囲Dref(再現HAZ組織)に相当する。そこで、領域60をHAZの範囲Dref(再現HAZ組織)60と認定した。範囲Dref60の表面を観察面とするサンプルを採取した。観察面を鏡面研磨した。その後、JIS G 0551(2013)に準拠して、任意の3視野における結晶粒度番号を切断法により求めた。各視野は100μm×100μmであった。求めた3つの結晶粒度番号の算術平均値を求め、平均結晶粒度番号と定義した。得られた平均結晶粒度番号から平均結晶粒径R1(μm)を求めた。
大入熱溶接継手模擬試験片を用いて、次に示す長時間鋭敏化処理試験を実施した。大入熱溶接継手模擬試験片を熱処理炉に装入した。熱処理炉において、大入熱溶接継手模擬試験片を大気中、大気圧にて、550℃で10000時間保持(鋭敏化処理)した。10000時間経過後の大入熱溶接継手模擬試験片を熱処理炉から抽出して、放冷した。
大入熱溶接継手模擬試験片50の長手方向の中央位置(つまり、範囲Dref60の範囲内)で、長手方向に垂直な方向に切断した。切断面を観察面とした。観察面を混酸でエッチングした。エッチングされた観察面の任意の3視野(各視野は250μm×250μm)を、400倍の光学顕微鏡で観察した。観察された3視野において、粒界での部分溶融痕の有無を判断した。
100 オーステナイト系ステンレス鋼材(母材)
101 溶接熱影響部(HAZ)
102 通常部
200 溶接金属
200E 溶融線
Claims (4)
- オーステナイト系ステンレス鋼材であって、
化学組成が、質量%で
C:0.020%以下、
Si:1.50%以下、
Mn:2.00%以下、
P:0.045%以下、
S:0.0300%以下、
Cr:15.00~25.00%、
Ni:9.00~20.00%、
N:0.05~0.15%、
Nb:0.1~0.8%、
Mo:0.10~4.50%、
W:0.01~1.00%、
Ti:0~0.50%、
Ta:0~0.50%、
V:0~1.00%、
Zr:0~0.10%、
Hf:0~0.10%、
Cu:0~2.00%、
Co:0~1.00%、
sol.Al:0~0.025%、
B:0~0.0100%、
Ca:0~0.0200%、
Mg:0~0.0200%、
希土類元素:0~0.100%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Zn:0~0.010%、
Pb:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)を満たし、
抽出残渣法により得られた残渣中のNb含有量が質量%で0.050~0.267%であり、かつ、前記残渣中のCr含有量が質量%で0.125%以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
21.9Mo+5.9W-5.0≧0 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、前記化学組成中の対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 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:2.50~4.50%、及び、
Co:0.01~1.00%、
を含有し、さらに、式(2)及び式(3)を満たし、
前記抽出残渣法により得られた前記残渣中のNb含有量は質量%で0.065~0.245%であり、かつ、前記残渣中のCr含有量が質量%で、0.104%以下である、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
2≦73W+5Co≦60 (2)
0.20≦Nb+0.1W≦0.58 (3) - 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、
前記化学組成は、第1群~第5群のいずれかの群に属する少なくとも1元素又は2元素以上を含有する、
オーステナイト系ステンレス鋼材。
第1群:
Ti:0.01~0.50%、
Ta:0.01~0.50%、
V:0.01~1.00%、
Zr:0.01~0.10%、及び、
Hf:0.01~0.10%、
第2群:
Cu:0.01~2.00%、及び、
Co:0.01~1.00%、
第3群:
sol.Al:0.001~0.025%、
第4群:
B:0.0001~0.0100%、
第5群:
Ca:0.0001~0.0200%、
Mg:0.0001~0.0200%、及び、
希土類元素:0.001~0.100%。 - 溶接継手であって、
請求項2又は請求項3に記載の一対のオーステナイト系ステンレス鋼材と、
前記一対のオーステナイト系ステンレス鋼材の間に配置された溶接金属とを備え、
前記溶接金属の延在方向と垂直な前記オーステナイト系ステンレス鋼材の断面のうち、溶接熱影響部内であって溶融線から前記溶接金属の幅方向に200μmの範囲における平均結晶粒径を平均結晶粒径R1と定義し、前記溶接熱影響部以外の部分の平均結晶粒径を平均結晶粒径R2と定義したとき、
前記平均結晶粒径R1と前記平均結晶粒径R2とは式(4)を満たす、
溶接継手。
R1/R2≦4.8 (4)
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