JPH0717987B2 - 熱間加工性に優れた高耐食二相ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、油井用ラインパイプや化学工業用配管類の
高耐食性素材として好適で、かつ熱間加工時（例えば鋼
板や鋼管の製造時）の疵発生が極めて少ない熱間加工性
に優れた高耐食二相ステンレス鋼に関するものである。

＜従来技術とその課題＞ Crを多量に含有する二相ステンレス鋼は、塩化物にる孔
食，隙間腐食並びに応力腐食等に対して強い抵抗性を備
えているため、海水を用いる熱交換器を始め、化学製造
機器や油井用配管材料等として広い用途を誇っている
が、一方で二相ステンレス鋼には高温変形能が一般に劣
ると言う欠点も指摘されていた。つまり、二相ステンレ
ス鋼は熱間加工性が低く、熱間加工後の冷却過程で“シ
グマ脆化",“475℃脆化”と呼ばれる脆化機構により鋼
片の表面割れを誘起し易い材料であった。

そこで、従来、この二相ステンレス鋼の高温変形能を改
善すべく次に示すような手段が提案され、相応の効果が
得られるとの報告がなされている。

Ａ）γ相の比率を15〜55％に規制して十分に多いα相を
確保できるように成分設計すると共に、鋼塊成分をバラ
ンスさせることによって高温でのγ相とα相との強度を
近付け、かつＢの添加により結晶粒界を強化する方法
（特公昭59−14099号公報）。

Ｂ）鋼中のＳ及びＯを低減すると共に、必要に応じて希
土類元素を添加して鋼溶製時の脱Ｏ及び脱Ｓを強化する
方法（特公昭57−15660号公報）。

Ｃ）AlとCaとを複合添加して介在物の形態を変える方法
（特公昭54−24364号公報）。

ところで、二相ステンレス鋼は、多くの場合、耐食性を
高めるためにMoやＮが添加されるが、耐隙間腐食性をよ
り高める目的で上記元素に加えてV,W,Cu等が添加される
ことがある。しかしながら、これらの元素は耐食性向上
のためには非常に有効であるが、一面で熱間加工性を著
しく阻害するものでもあり、中でもＶは靭性を著しく劣
化することが知られている。

従って、前述した如くただでさえ熱間加工性が低くて鋼
片表面割れを誘起し易い二相ステンレス鋼に、耐隙間腐
食性に著効があるとは言えＶ等を多量に含有した場合に
は、その脆化が更に助長されることとなり、高温変形能
改善のための前記各方法をそのまま適用したとしても鋼
片の表面割れを防止するのが困難で、著しい鋼片手入れ
歩留の低下を余儀無くされる結果となっていた。

そのため、Ｖ等を多量に含有させて耐隙間腐食性を一段
と改善した実用的な二相ステンレス鋼は未だ存在しない
と言うのが現状であった。

このようなことから、本発明の目的は、Ｖを始めとする
耐食性改善成分を添加してより優れた耐食性能を付与
し、なおかつ優れた熱間加工性をも備えた二相ステンレ
ス鋼の提供に置かれた。

＜課題を解決するための手段＞ そこで、本発明者等は上記目的を達成すべく、まず、 ａ）一般に二相ステンレス鋼の熱間加工性はγ相が少な
いほど向上することが知られているが、γ相を少なくす
ると逆に靭性が劣化するようになる， ｂ）一方、シグマ相はγ相が多くなると析出が促進され
る， ｃ）シグマ脆化等に起因する鋼片表面割れの多くは熱間
加工割れを起点とし、鋼片冷却時又は手入れ時に発生す
る応力によって助長されている， との事実に着目し、真空溶解により得た“Ｖ等を含有量
する二相ステンレス鋼”の種々の鋼塊について熱間鍛造
・空冷の実験を数多く繰り返しながら研究を重ねた結
果、「Ｖ等の耐食性改善元素を含有する二相ステンレス
鋼では、鋼中のＳ及びＯ量を著しく低い領域にまで低減
すると共にCa及びＢを複合添加し、かつ熱間加工の低温
域（1000〜800℃）でのγ相の割合が30〜70％と中程度
になるように成分組成設定を行った場合には、その熱間
加工性が顕著に向上して鋼片の手入れ歩留を95％以上に
まで改善でき、従って上記方法によればＶ成分等の添加
により耐食性が高められ、しかも優れた熱間加工性をも
備えた二相ステンレス鋼の実現が可能である」との知見
を得るに至ったのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 「二相ステンレス鋼を、 C:0.03％以下（以降、成分割合を表わす％は重量％とす
る）， Si:0.1〜1.0％,Mn:0.3〜2.0％， P:0.035％以下,S:0.0020％以下， Ni:4.0〜9.0％,Cr:20〜28％， Mo:0.5〜5.0％,V:0.1〜1.0％， sol.Al:0.005〜0.05％， Ca:0.0010〜0.0100％， B:0.0005〜0.0100％,N:0.08〜0.2％， O:0.006％以下 を含有するか、或いはこれに加えて更に Cu:0.1〜1.5％， W:0.1〜1.5％， Nb:0.05〜0.5％ のうちの１種以上をも含むと共に残部が実質的にFeより
成り、かつγ相割合が30〜70％である如くに構成するこ
とにより、優れた耐食性をそのまま維持した上で優れた
熱間加工性をも兼備せしめた点」 を特徴としたものである。

ここで、前記「γ相割合」とは二相ステンレス鋼の組織
を規定する場合に一般的に用いられる「その後に組織変
化が起きていない鋳込んだままの状態でのγ相割合」の
ことであり、本発明に係る二相ステンレス鋼はこのγ相
割合（即ちその後に組織変化が起きていない鋳込んだま
まの状態でのγ相割合）が30〜70％に調整されたもので
ある。なお、本発明に係る二相ステンレス鋼の組織も一
般的な二相ステンレス鋼と同様にγ相とα相とから成る
ものであり、シグマ相が少量混じる場合もある。

ところで、本発明において二相ステンレス鋼の成分含有
割合並びにγ相の割合を前記の如くに限定した理由は次
の通りである。

＜作用＞ （ａ）Ｃ Ｃ含有量が0.03％を超えると炭化物が粒界析出するよう
になり、耐食性及び靭性が劣化し易くなることから、Ｃ
含有量は0.03％以下と定めた。

（ｂ）Si Siは鋼の脱酸のために不可欠な成分であり、十分な脱酸
効果を確保するには0.1％以上含有させる必要がある
が、1.0％を超えて含有させると靭性の劣化を招くよう
になることから、Si含有量は0.1〜1.0％と定めた。

（ｃ）Mn Mn成分もSiと同様に脱酸作用を有しているが、その含有
量が0.3％未満では該作用による所望の効果が得られな
い。一方、Mn含有量2.0％までは鋼に格別な悪影響が及
ぼされることがないため、Mn含有量は0.3〜2.0％と定め
た。

（ｄ）Ｐ Ｐは鋼の熱間加工性並びに耐食性を劣化させる不純物元
素であるが、0.035％までは許容されることから、Ｐ含
有量は0.035％以下と定めた。

（ｅ）S,及びＯ S,及びＯは、過剰に存在すると粒界に偏析して熱間加工
性を劣化すると共に、Ca,Al等と結合して粗大な介在物
を生成し耐食性を劣化するため極力低減すべき不純物元
素である。しかし、Ｓ含有量を0.0020％以下に、またＯ
含有量を0.006％以下にそれぞれ抑えることで所望の高
い熱間加工性及び耐食性を得ることができることから、
これらの含有量は各々前記の如くに限定した。

（ｆ）Ni Ni成分は鋼の機械的性質，加工性及び一般耐食性を向上
させると共に、鋼の組織をオーステナイト−フェライト
の二相組織とするために不可欠なものであるが、その含
有量が4.0％未満では上記効果が得られず、一方、9.0％
を超えて含有させてもコストに見合う特性改善効果が得
られないことから、Ni含有量は4.0〜9.0％と定めた。

（ｇ）Cr Crは鋼の一般耐食性を向上させる重要な成分であり、二
相ステンレス鋼に求められる所望の耐食性を確保するた
めには20％以上を含有させることが必要である。一方、
28％を超えてCrを含有させると加工性に悪影響が出るよ
うになることから、Cr含有量は20〜28％と定めた。

（ｈ）Mo Mo成分には鋼の局部耐食性を著しく向上させる作用があ
るので、耐食性合金ではCrと共に添加して耐食性の更な
る改善が図られるが、その含有量が0.5％未満であると
前記作用による所望の効果が得られず、一方、5.0％を
超えて含有させるとコスト上昇に見合うだけの効果が確
保できないばかりか、加工性に悪い影響を及ぼすことが
懸念されることから、Mo含有量は0.5〜5.0％と定めた。

（ｉ）Ｖ Ｖ成分にはCr,Mo等と適量共存させることにより塩化物
溶液等に対する鋼の耐食性，隙間耐食性を向上させる作
用があるが、その含有量が0.1％未満では前記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、1.0％を超えて含有さ
せると熱間加工性及び靭性が著しく劣化するようになる
ことから、Ｖ含有量は0.1〜1.0％と定めた。

（ｊ）sol.Al Alは脱酸成分として不可欠なものであり、十分な脱酸効
果を確保するためにはsol.Alで0.005％以上含有させる
必要があるが、0.05％を超えて含有させるとAlNとして
析出し耐食性を劣化すると共に靭性低下をも招くように
なることから、Al含有量はsol.Alで0.005〜0.05％と定
めた。

（ｋ）Ca Ca成分には鋼中のＳを硫化物として固定して熱間加工性
を改善する作用があるが、その含有量が0.0010％未満で
は前記作用による所望の効果が得られず、一方、0.0100
％を超えて含有量させると、逆に熱間加工性を害するば
かりか耐食性をも劣化するようになるため、Ca含有量は
0.0010〜0.0100％と定めた。

（ｌ）Ｂ Ｂ成分は鋼の熱間加工性を改善する作用を有するが、そ
の機構はCa添加の場合とは異なるので、Caと共存させる
ことによって広い温度域の熱間加工性を達成することが
できる。ただ、Ｂの含有量が0.0005％未満であると熱間
加工性改善効果が十分でなく、一方、0.0100％を超えて
含有させると溶融脆化に促進して逆に熱間加工性を害す
るようになることから、Ｂ含有量は0.0005〜0.0100％と
定めた。

（ｍ）Ｎ Ｎ成分には母材のみならず溶接部の耐孔食性及び耐隙間
腐食性を向上させる作用があるが、その含有量が0.08％
未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、0.30
％を超えて含有させると窒化物が析出し易くなって耐食
性及び靭性に悪影響を及ぼすことから、Ｎ含有量は0.08
〜0.30％と定めた。

（ｏ）Cu,W,及びNb これらの成分は何れも二相ステンレス鋼の耐食性を更に
改善する効果を有するので、必要により１種又は２種以
上含有せしめられるが、それぞれの成分の含有量が次の
理由によって定められた。

イ）Cu Cu成分には二相ステンレス鋼の耐孔食性，耐隙間腐食性
及び一般耐食性を向上する作用があるが、その含有量が
0.1％未満では上記作用による所望の効果が得られず、
一方、1.5％を超えて含有させると高温変形能を劣化す
るようになることから、Cuを含有させる場合にはその含
有量は0.1〜1.5と定めた。

ロ）Ｗ Ｗ成分には二相ステンレス鋼の耐局部腐食性を向上する
作用があるが、その含有量が0.1％未満では前記作用に
よる所望の効果が得られず、一方、1.5％を超えて含有
量させても更なる耐食性向上効果を得ることが困難であ
ることから、Ｗを含有させる場合にはその含有量は0.1
〜1.5％と定めた。

ハ）Nb Nb成分には、Ｖと同様に二相ステンレス鋼の耐局部腐食
性を向上する作用があるが、その含有量が0.05％未満で
は上記作用による所望の効果が得られず、一方、0.5％
を超えて含有させてもコスト上昇に見合うだけの効果が
気体できないことから、Nb含有量は0.05〜0.5％と定め
た。

（Ｐ）γ相の割合 二相ステンレス鋼の組織は、通常はγとαとからなり、
シグマ相が少量混じるものであるが、シグマ相はほぼ95
0℃以下で生成するのでこのような温度域に長時間さら
されると、まずαがシグマ相とγ相に分解して最終的に
はγ相とシグマ相の混合組織となる。そのため、二相ス
テンレス鋼の組織を規定するためにはどの状態での相比
率であるかを明確にしておかなければならない。

ここで、通常の二相ステンレス鋼においては、γ相の比
率は1100℃以上で著しく減少するが、熱間加工の低温域
（1000〜800℃）では大きな変動はなく、その後に組織
変化が起きていない鋳込んだままの状態でのγ相の割合
によって代表させることができる。そこで、一般的には
“鋳込んだままの状態でのγ相の割合”で二相ステンレ
ス鋼のγ相比率を特定することが行われており、この状
態におけるγ相比率は溶体化処理（通常約1100℃で行わ
れる最終焼鈍も同じ）によって再現し確認することがで
きる。

従って、本発明においても「γ相の割合」は「鋳込んだ
ままの状態でのそれ」によって規定したものである。そ
して、この鋳込状態でのγ相の割合が30％を下回った場
合には靭性が劣化して熱間加工後の鋼片の手入れ時にヒ
ートクラックが発生し易くなり（後述する実施例を参照
されたい）、鋼片の手入れ歩留が低下する。一方、鋳込
状態でのγ相の割合が70％を超えると熱間加工性が著し
く低下すると共に、シグマ相に起因する割れが生じ易く
なり、やはり鋼片の手入れ歩留が低下する。従って、本
発明に係る二相ステンレス鋼では、鋳込状態でのγ相の
割合を30〜70％と限定した。

なお、上記γ相の割合は、本発明の規定範囲内で各成分
の含有割合を調整して達成することができる。

即ち、ステンレス鋼の鋳込んだままの状態（溶着金属状
態も同じ）での組織をまとめたものとして、例えば「ス
テンレス鋼便覧」等にも紹介されているシェフラーの組
織図（横軸をCr当量，縦軸をNi当量としてマルテンサイ
ト，オーステナイト，フェライトの現れる領域を示した
もの）が広く知られているが、本発明に係る二相ステン
レス鋼のCr当量及びNi当量は Cr当量＝Cr＋Mo＋1.5Si, Ni当量＝Ni＋30C＋20N＋0.5（Mn＋Cu） でそれぞれ表されるので、これらと上記シェラーの組織
図とを指標とした成分調整等によりγ相の割合を制御す
れば良い。

続いて、この発明を実施例により、比較例と対比しなが
ら更に具体的に説明する。

＜実施例＞ まず、真空溶解炉で第１表に示す如き成分組成の各二相
ステンレス鋼を溶製し、25kg丸鋼塊に鋳込んだ。

次いで、これら丸鋼塊の表面に存在する黒皮を研削によ
って除去し、鋼塊のボトム面については更に研磨仕上げ
を行ってからフェライトメータによりフェライト相率
（α％）を測定した。そして、「γ％＝100−α％」に
よりγ相率（γ％）を求めた。

次に、研削した上記鋼塊を1250℃の炉で２時間加熱した
後に炉出しして鍛造を開始し、鋼片の表面温度が900℃
を下回った時点で再炉入れすると言う、都合２回の加熱
・鍛造操作によって60mm厚×100mm幅×400mm長の鋼片と
し、そのまま空冷して重量を測定した。そして、上記鍛
造によって鋼片表面に発生した疵を研削によって除去し
た後の重量も測定し、この“疵除去後の重量”の“鍛造
後の無手入れ鋼片重量”に対する割合を算出して「鋼片
手入れ歩留」とした。

上記“鋼片手入れ歩留の算出結果”を“γ相率（γ％）
の測定結果”と共に第１表に併せて示す。

第１表に示される結果からも明らかなように、本発明に
係る二相ステンレス鋼では鋼片手入れ歩留:95％以上と
言う高い値を示し、従来鋼に比べて熱間加工性に優れて
いることが分かる。

なお、本発明に係る二相ステンレス鋼は、腐食試験によ
って十分に優れた耐食性を有していることも確認され
た。

＜効果の総括＞ 以上に説明した如く、この発明によれば、Ｖ添加によっ
て著しく高い耐食性を示し、しかも優れた熱間加工性を
有する二相ステンレス鋼を提供することが可能となり、
化学工業用配管や油井用ラインパイプ等の性能向上やコ
スト低減に大きく寄与することが期待できるなど、産業
上極めて有用な効果がもたらされる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量割合にて C:0.03％以下,Si:0.1〜1.0％,Mn:0.3〜2.0％， P:0.035％以下,S:0.0020％以下,Ni:4.0〜9.0％， Cr:20〜28％,Mo:0.5〜5.0％,V:0.1〜1.0％， sol.Al:0.005〜0.05％,Ca:0.0010〜0.0100％， B:0.0005〜0.0100％,N:0.08〜0.3％,O:0.006％以下 を含むと共に残部が実質的にFeより成り、かつγ相割合
   が30〜70％である熱間加工性に優れた高耐食二相ステン
   レス鋼。
2. 【請求項２】重量割合にて C:0.03％以下,Si:0.1〜1.0％,Mn:0.3〜2.0％， P:0.035％以下,S:0.0020％以下,Ni:4.0〜9.0％， Cr:20〜28％,Mo:0.5〜5.0％,V:0.1〜1.0％， sol.Al:0.005〜0.05％,Ca:0.0010〜0.0100％， B:0.0005〜0.0100％,N:0.08〜0.3％,O:0.006％以下 を含有し、更に Cu:0.1〜1.5％,W:0.1〜1.5％,Nb:0.05〜0.5％ のうちの１種以上をも含むと共に残部が実質的にFeより
   成り、かつγ相割合が30〜70％である熱間加工性に優れ
   た高耐食二相ステンレス鋼。