JPH1150199A

JPH1150199A - 二相ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH1150199A
Application number: JP21914597A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shibata; 尚柴田; Kimitoshi Kimura; 公俊木村; Hiroyuki Tokushige; 裕之徳重
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 1999-02-23
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JP3779043B2

Abstract

(57)【要約】【課題】特に大型の二相ステンレス鋼材において
耐食性を損なうことなく有効にシグマ相の析出を防止す
る。【解決手段】Ｎｉ：２〜１０％、Ｃｒ：２０〜３０
％、Ｍｏ：１〜５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的
不純物からなり、不可避的不純物の中で、Ｓｉの許容含
有量を０．００５〜０．１％とする。【効果】耐食性を損なうことなくシグマ相の析出
が防止され、シグマ相の析出に伴う延性や靭性の低下を
防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は海水などの高塩化物
環境下や、油井あるいはガス井などの厳しい腐食性環境
下で構造部材として用いられる二相ステンレス鋼に関す
るものであり、特に、大型部材に好適な二相ステンレス
鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、海水などの高塩化物環境下や、油
井あるいはガス井などの厳しい腐食性環境下、具体的に
は、油井やガス井の配管類、排煙脱硫装置・排水処理施
設・海水揚水発電機などの構造部材、沙紙ロール、遠心
分離器、ポンプ・バルブ、熱交換器などには二相ステン
レス鋼が採用されてきた。二相ステンレス鋼とはオース
テナイト相及びフェライト相よりなる複合組織を有する
ステンレス鋼であり、優れた耐食性と優れた強度特性を
併せ持つ。なお、この鋼では一般に、オーステナイト相
とフェライト相との比率がほぼ１：１の場合に耐食性が
最も優れていることが知られている。従って、実用鋼の
化学成分はオーステナイト相とフェライト相との比率が
ほほこの付近にあるように規定される。

【０００３】このような観点から、日本工業規格（ＪＩ
Ｓ）では棒材・板材としてはＳＵＳ３２９Ｊｌ、ＳＵＳ
３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌなどが規格化されて
いる。また、鍛鋼品としてはＳＵＳ３２９Ｊ１ＦＢ、鋳
鋼品としてはＳＣＳ１０などが規格化されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記二相ス
テンレス鋼では熱的影響による金属組織の変化に伴い、
諸性質が変化する場合がある。例えば、融点〜１２００
℃の高温域におけるフェライト相の優勢化、６００〜９
００℃の中温域におけるシグマ相や炭窒化物など異相の
析出、４５０〜５００℃の低温域で生じるフェライト相
の分解と考えられる反応など、各温度域で金属組織の変
化を生じ、それに伴って耐食性や強度特性が変化するこ
とになる。実際の適用に際して、上紀の組織変化の中で
特に問題となるのがシグマ相の析出である。シグマ相が
析出すると延性や靭性が著しく低下する、いわゆるシグ
マ脆化を生じるからである。また、シグマ相が析出する
と、機械加工性が悪化するという問題点も生じる。

【０００５】二相ステンレス鋼からなる構造部材を製造
する場合には、合金の溶解・凝固、溶体化処理などが施
される。また、溶解・凝固の後に、圧延や溶体化処理が
施されたり、あるいは溶解・凝固の後に、鍛造、溶体化
処理が施される場合もある。さらに、溶接により一体化
する工程が加わる場合もある。このように、実際の製造
プロセスに於いては、必然的に種々の加熱工程を経るた
めに、合金中にはシグマ相が生じて、シグマ脆化を引き
起こすことが多い。

【０００６】このシグマ脆化を防止するためには、再固
溶化処理が有効であることが知られている。即ち、シグ
マ相が析出した場合には、一旦その材料全体をシグマ相
の固溶温度以上に保持して、かかる後に急冷することに
よりシグマ相が消失する。しかしながら、製造する部材
が大型品の場合、例えば板厚が２００ｍｍ以上になる
と、中心部の冷却速度は表面近傍の冷却速度よりも著し
く遅くなってしまうために、不可避的にシグマ相が析出
することになる。従って、二相ステンレス鋼からなる大
型部材を製造する場合には、現状ではシグマ相の析出を
防止することは実質的に不可能である。

【０００７】そこで、シグマ脆化防止の別な方策とし
て、二相ステンレス鋼の合金成分を改良することが考え
られる。例えば、Ｃｒ添加量を少なくすればシグマ相が
析出しにくくなる。これは、シグマ相の基本構造がＦ
ｅ：Ｃｒ＝１：１のように構成されているからである。
同様にＭｏ添加量を低減することにより、シグマ相の析
出を遅延させることができる。しかしながら、ＣｒやＭ
ｏの添加量を低減すれば、耐食性に悪影響を及ぼす。即
ち、この方法によるシグマ相の析出の遅延は、同時に耐
食性を犠牲にすることになり、一概にＣｒやＭｏの低減
を図ることは困難である。

【０００８】以上述べてきたように、耐食性を犠牲にせ
ずに二相ステンレス鋼の最大の問題点であるシグマ脆化
を防止する方法は未だに確立していないのが現状であ
る。特に大型部材の場合には、中心付近には不可避的な
シグマ相の析出を生じるために、延性や靭性が低下する
という問題点は未だに解決されていない。本発明はこの
ような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は
耐食性を犠牲にせずに、シグマ相の析出を遅延できる二
相ステンレス鋼を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明者らは既知の二相ステンレス鋼をベースとす
る多くの試験材を用いて、シグマ相の析出の容易性に及
ぼす各合金元素の影響を評価し、さらに耐食性に関する
評価試験を実施した。その結果、不純物元素のうちの特
定の元素の許容量を厳密に規定することにより、耐食性
を犠牲にせずにシグマ相の析出を遅延し、結果的にシグ
マ相の析出に伴う延性や靭性の低下を防止できることを
見い出し、本発明に至った。

【００１０】すなわち、本発明のうちの第１の発明は、
重量％でＮｉ：２〜１０％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｍ
ｏ：１〜５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物
からなり、かつその不可避的不純物の中で、Ｓｉの許容
含有量を重量％で０．００５〜０．１％とすることを特
徴とする二相ステンレス鋼であり、第２の発明は、第１
の発明で、さらに不可避的不純物の中でＭｎの許容含有
量を重量％で０．００５〜０．１％とすることを特徴と
する二相ステンレス鋼である。

【００１１】第３の発明は、第１あるいは第２の発明
に、さらに重量％でＮ：０．０５〜０．３０％を含有す
ることを特徴とする二相ステンレス鋼であり、第４の発
明は、第１、第２あるいは第３の発明に、さらに重量％
でＣｕ：０．５〜３％を含有することを特徴とする二相
ステンレス鋼である。

【００１２】

【作用】以下、本発明における成分の限定範囲について
詳細に説明する。

【００１３】Ｎｉは二相鋼の一方の相であるオーステナ
イトを安定化させる元素として必須の元素である。その
効果を発揮させるためには、最低２％以上の含有量が必
要である。しかしながら、Ｎｉは高価な金属であるため
に、多過ぎる含有量は合金自体の高価格化を招いて従来
合金よりも高価となってしまう。従って、その含有量は
２〜１０％の範囲に限定する。また、前述のように二相
ステンレス鋼では、オーステナイト相とフェライト相と
の比率がほぼ１：１の場合に耐食性が最も優れている。
従って、この相比率を満足するためにも、Ｎｉの含有量
は２〜１０％の範囲に限定する。なお、同様の理由か
ら、さらにＮｉ含有量の下限を３％、上限を８％とする
のが望ましい。

【００１４】Ｃｒは合金の耐食性を保証し、かつ二相鋼
の他方の相であるフェライトを安定化するために必要不
可欠な元素である。その効果を発揮させるためには、最
低２０％以上の含有量が必要である。しかしながら、多
過ぎる含有量はシグマ相の析出を著しく促進して、延性
や靱性に悪影響を及ぼす。従って、その添加量は２０〜
３０％の範囲に限定する。また、前述のように二相ステ
ンレス鋼では、オーステナイト相とフェライト相との比
率がほぼ１：１の場合に耐食性が最も優れている。従っ
て、この相比率を満足するためにも、Ｃｒの含有量は２
０〜３０％の範囲に限定する。なお、同様の理由から、
さらにＣｒ含有量の下限を２１％、上限を２８％とする
のが望ましい。

【００１５】Ｍｏも合金の耐食性、特に耐孔食性や耐す
きま腐食性を向上させる元素として重要である。その効
果を発揮させるためには、最低１％以上の含有量が必要
である。しかしながら、多過ぎる含有量はシグマ相の析
出を著しく促進して、延性や靱性に悪影響を及ぼす。従
って、その含有量は１〜５％の範囲に限定する。なお、
同様の理由から、さらにＭｏ含有量の上限を４％とする
のが望ましい。

【００１６】Ｓｉはシグマ相の析出を著しく促進する元
素であり、極力低下することが望ましい。その効果を発
揮させるためには、Ｓｉの含有量を０．１％以下にしな
ければならない。しかしながら、合金の溶解・製錬を行
う際には、Ｓｉは脱酸元素として有益な元素である。そ
のため、Ｓｉを過剰に低下することは工業的に非常に困
難であり、合金製造上の新たな問題を生じることにな
る。従って、Ｓｉの許容含有量の範囲を０．００５〜
０．１％に限定する。なお、同様の理由から、さらに上
限を０．０５％にするのが望ましい。

【００１７】Ｍｎもシグマ相の析出を促進する元素であ
り、極力低下することが望ましい。しかし、Ｍｎの効果
はＳｉよりも小さいために、Ｍｎの含有量のみを低下し
た場合には、実用的にはシグマ相析出に対する抑制効果
は不充分である。Ｍｎの効果を発揮させるためには、Ｓ
ｉの含有量を０．１％以下とした状態で、Ｍｎの含有量
を０．１％以下にする必要がある。また、合金の溶解・
製錬を行う際には、Ｍｎも脱酸元素として有益な元素で
ある。そのため、Ｍｎを過剰に低下することは工業的に
非常に困難であり、合金製造上の新たな問題を生じる。
従って、Ｍｎの許容含有量の範囲を０．００５〜０．１
％に限定する。なお、同様の理由から、さらに上限を
０．０５％にするのが望ましい。

【００１８】Ｎは合金の耐食性、特に耐孔食性を向上さ
せる元素として重要であり、同時に、強度を向上させる
元素としても有効であるので所望により含有させる。そ
の効果を発揮させるためには、最低０.０５％以上の含
有量が必要である。しかしながら、多過ぎる含有量は合
金の溶接特性に著しい悪影響を及ぼす。従って、その含
有量は０．０５〜０．３０％の範囲に限定する。なお、
同様の理由で、下限を０．１０％、上限を０．２５％に
するのが望ましい。

【００１９】Ｃｕは合金の耐食性を向上させる元素とし
て重要である。その効果を発揮させるためには、最低
０．５％以上の含有量が必要である。しかしながら、多
過ぎる含有量は合金の熱間加工特性に著しい悪影響を及
ぼす。従って、その含有量は０．５〜３．０％の範囲に
限定する。なお、同様の理由で、下限を１．０％、上限
を２．０％にするのが望ましい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。表
１に示す組成を有する供試材を真空誘導溶解炉により溶
製した２５ｋｇ鋼塊を、熱間鍛造により厚さ３０ｍｍ×
幅１２０ｍｍの板材とした。この板材から採取した試験
片に１１００℃で３時間の溶体化処理を施した。

【００２１】各試験材より採取した試験片を、８５０℃
で１０〜１２０分間保持した後に、水冷した。冷却後の
試験片の表面を鏡面研摩した後に、村上試薬によりエッ
チングして光学顕微鏡による組織観察を行った。村上試
薬によれば、シグマ相は黒色にエッチングされるために
容易に識別が可能である。シグマ相が観察された最小の
保持時間を析出時間と定義すると、析出時間が長いほど
シグマ相の生成傾向が小さいことになる。図１に観察結
果を基に作成したシグマ相の生成傾向を示す。本発明材
は比較材と比べて、シグマ相の生成傾向が小さいことは
明らかである。なお、比較材のうち、ＣｒおよびＭｏを
低減した試験材Ｎｏ．１４は本発明材と同等のシグマ相
生成傾向を示した。

【００２２】

【表１】

【００２３】次に、各試験材を１１００℃で１時間保持
した後に、熱処理炉中で５℃／ｍｉｎ．の速度で冷却し
た。熱処理後の試験材から試験片を作製し、室温でシャ
ルピー衝撃試験を行った。図１中でシグマ相の生成傾向
が小さかった試験材Ｎｏ．１〜１４の場合には、衝撃吸
収エネルギーは１００〜１５０Ｊの範囲にあった。これ
に対して、シグマ相の生成傾向が大きい試験材Ｎｏ．１
５〜２０の場合には、衝撃吸収エネルギーは５〜７０Ｊ
の範囲にあった。従って、シグマ相の生成傾向を小さく
することにより、シグマ脆化による延性や靭性の低下を
防止することが可能であることは明らかである。

【００２４】さらに、図１中でシグマ相の生成傾向が小
さかった試験材Ｎｏ．１〜１４を用いて、食塩水環境に
おける孔食電位（ＶｖｓＳ．Ｃ．Ｅ）を室温にて測定
した。一般に孔食電位が０．９Ｖ以上であれば実質的に
孔食の可能性は極めて小さいと見做すことができる。実
験結果を表２に示すが、本発明材の孔食電位はすべて
０．９Ｖ以上であった。これに対して、比較材では０．
９Ｖ以下であった。即ち、本発明材の方がＣｒ及びＭｏ
を低減してシグマ相の析出遅延を図った比較材Ｎｏ．１
４よりも耐孔食性に優れていることは明らかである。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、耐食性を犠牲にせずに、シグマ相の析出を遅
延し、結果的にシグマ相の析出に伴う延性や靭性の低下
を防止できる二相ステンレス鋼を確保できる。従って、
大型部材の場合にも、中心付近にシグマ相が析出せず、
延性や靭性が低下しないために、産業上極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】光顕観察結果から求めた、各試験材の８５０
℃での析出時間（シグマ相が観察された最小の保持時
間）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｎｉ：２〜１０％、Ｃｒ：２
０〜３０％、Ｍｏ：１〜５％を含有し、残部がＦｅ及び
不可避的不純物からなり、かつその不可避的不純物の中
で、Ｓｉの許容含有量を重量％で、０．００５〜０．１
％とすることを特徴とする二相ステンレス鋼
【請求項２】不可避的不純物の中でＭｎの許容含有量
を重量％で、０．００５〜０．１％とすることを特徴と
する請求項１記載の二相ステンレス鋼
【請求項３】さらに、重量％でＮ：０．０５〜０．３
０％を含有することを特徴とする請求項１または２記載
の二相ステンレス鋼
【請求項４】さらに、重量％でＣｕ：０．５〜３％を
含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載の二相ステンレス鋼