JPH1161345A - 高温強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い高温強度を有し、かつ製造歩留りや製造コ
ストの低減を目的として、熱間加工において耐割れ性の
優れたステンレス鋼を提供する。 【解決手段】重量％でＣ：０．０４〜０．１５％と、Ｓ
ｉ：２％以下と、Ｍｎ：３％以下と、Ｓ：０．００３％
以下と、Ｐ：０．０７％以下と、Ｏ：０．００４％以下
と、Ｎｉ：５〜２５％と、Ｃｒ：１３〜３５％と、Ａ
ｌ：０．００６〜０．０３％と、Ｎ：０．３％以下と、
Ｂ：０．０００２〜０．０００５％とを含有し、残部Ｆ
ｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする、高温
強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温プラント機器
部品等に利用できる高い高温強度を有し、かつ製造時の
熱間加工性に優れたステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ステンレス鋼の製鋼・圧延技術の
進歩にともない、従来よりも効率的で、安価なステンレ
ス鋼製造法が開発されており、製造歩留りも向上しつつ
あることは周知のとおりである。特に、熱間圧延工程に
おける割れ、疵発生の問題は、表面精製負荷を左右し、
製造コストに大きく影響することから、加工温度での延
性向上等の切り口で種々に検討されている。

【０００３】耐熱性と高温強度を有する１３％〜３５％
Ｃｒ系のオーステナイトステンレス鋼の場合、上記熱間
加工性は深刻な問題を提起する。なんとなれば、典型的
な耐熱ステンレス鋼の使用温度である４００〜８００℃
では、長時間加熱中にＣｒ含有系鉄基合金の泣き所であ
るσ相なる脆い金属間化合物が組織中に析出しやすく、
これを回避するため、一般に耐熱ステンレス鋼では、成
分調整によりオーステナイト相の安定化を図るが、これ
が鋳造組織中の微量フェライト相を減少もしくは消失さ
せる結果となり、有害なＳ，Ｐ，Ｏ等の固溶度の低いオ
ーステナイト中にあっては、これらの元素の粒界への偏
析の程度を急激に上昇させることとなり、著しい割れの
発生に繋がるからである。

【０００４】この場合、成分面からの設計指針として、
Ｓ，Ｐ，Ｏ等を低減しまたは化合物の形に固定すること
は、熱間延性の向上の観点から有効な手段の一つとされ
ている。これを連続鋳造材の成分指針として打ち出した
技術が、特開昭６０−１４９７４８号公報に開示されて
いる。ここでは主としてＳ，Ｏを低減し、さらにＣａ，
Ｃｅ，Ａｌを添加することにより、粒界等に偏析する
Ｓ，Ｏ量をも極力低減することによって、特に圧延時の
耐鋼板表面割れ性が向上することを示したものである。
また、こうした粒界清浄化の手段とは逆に、粒界偏析し
やすい元素の添加によって粒界自体の強度を上げ、割れ
にくくする方法が提唱されており、そうした元素の典型
例はＢであるとされている。特開昭６３−１５７８４０
号公報に開示されている技術によると、フェライト量を
制限した上でＢ添加することにより、熱間加工性を向上
させることができ、特開平５−１７９４０５号公報でも
同様にＢ添加の効果があるとされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−１５７８４０号公報の技術によるスラブは、分塊
圧延の段階で割れを生じることがあり、実操業に適した
安定した技術とは言い難いことが、製造ラインでの試験
圧延の結果から明らかになっており、特開平５−１７９
４０５号公報の技術による方法でも同様に、Ｂ添加の効
果が安定性を欠くとの評価がなされつつある。また、構
造物の大型化に伴う連続鋳造スラブの寸法拡大に対し、
必ずしもこれらの技術が有効かどうかも不明な点があ
る。

【０００６】即ち、本発明の目的は、高い高温強度を有
し、かつ製造歩留りや製造コストの低減を目的として、
熱間加工において耐割れ性の優れたステンレス鋼を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。 （１）本発明のステンレス鋼は、重量％でＣ：０．０４
〜０．１５％と、Ｓｉ：２％以下と、Ｍｎ：３％以下
と、Ｓ：０．００３％以下と、Ｐ：０．０７％以下と、
Ｏ：０．００４％以下と、Ｎｉ：５〜２５％と、Ｃｒ：
１３〜３５％と、Ａｌ：０．００６〜０．０３％と、
Ｎ：０．３％以下と、Ｂ：０．０００２〜０．０００５
％とを含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする、高温強度と熱間加工性に優れたステン
レス鋼である。

【０００８】（２）本発明のステンレス鋼は、鋼成分と
して、重量％でさらに、Ｍｏ：１．５〜４％を含有する
ことを特徴とする、上記（１）に記載の高温強度と熱間
加工性に優れたステンレス鋼である。

【０００９】（３）本発明のステンレス鋼は、鋼成分と
して、重量％でさらに、Ｎｂ：１．２％以下、Ｔｉ：
０．６％以下、Ｖ：０．６％以下、及びＺｒ：１．２％
以下のうち一種以上を含有することを特徴とする、上記
（１）または（２）に記載の高温強度と熱間加工性に優
れたステンレス鋼である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者らは、Ｂが粒界偏析しや
すく粒界強度を上げることについては、従来よりＢを少
量添加した種々のステンレス鋼の、クリープ破断試験、
高温引張試験等を通して繰り返し確認してきた。そうし
た知見からは、熱間加工時の耐割れ性向上にＢは有効な
筈である。にもかかわらず、熱間加工における耐割れ性
向上に、安定した効果をもたらさない原因について、本
発明者らは鋭意研究を重ねた。

【００１１】その結果、Ｂは確かに粒界強度を上げると
考えられるが、同時に粒界付近の融点を低下させ、結果
として鋼の加熱時の溶融を促進していることが見出され
た。即ち、実製造時に分塊圧延の段階で生じる割れは、
部分的に融点に達した個所（粒界）が延性を失うこと
で、加工割れを起こしていることが明らかになった。つ
まり割れの因子としては、温度因子として炉の加熱温
度，スラブ寸法に依存するスラブ内温度分布，加工発熱
等の影響、材料因子として偏析の程度と局所的な成分変
動がもたらす融点低下の程度、加工因子として局所的な
歪みの程度等の全ての影響を受けていることになる。

【００１２】このうち、材料因子としての局所的な歪み
の偏析もしくは濃縮の程度は、Ｂの場合平均組成の約１
０倍以上にのぼること、そのため平均組成としてのＢ量
は０．０００５重量％の添加を上限とすべきであるこ
と、これ以下であれば、発明者らが従来確認してきたよ
うなＢ添加鋼の粒界強度の向上効果は著しいことが、明
瞭に確認できた。そして、先行する技術においては、Ｂ
の添加量がいずれも０．０００５％以上と多量であるた
めに、スラブ加熱条件によっては熱間圧延時に割れが生
じていたものであることを確認するに至ったのである。

【００１３】以上の知見に基づき、本発明者らは、オー
ステナイト系ステンレス鋼に添加するＢ量を、その熱間
加工性を劣化させない範囲で、一定範囲内に制御するよ
うにして、高温強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼
を見出し、本発明を完成させた。

【００１４】すなわち、本発明は、鋼組成を下記範囲に
限定することにより、高い高温強度を有し、かつ製造歩
留りや製造コストの低減を目的として、熱間加工におい
て耐割れ性の優れたステンレス鋼を提供することができ
る。

【００１５】以下に本発明の成分添加理由及び成分限定
理由について説明する。 （１）成分組成範囲 Ｃ：０．０４〜０．１５％ 鋼の粒界強度向上に役立ち、高温強度を向上させる元素
であるが、０．０４％以上添加しないと高温強度の十分
な向上は得られず、一方、０．１５％を超えて添加する
と熱間延性を害するので、添加量は０．０４〜０．１５
％である。

【００１６】Ｓｉ：２％以下 脱酸に効果があり、鋼中のＯ低減を通じて熱間加工性を
向上させるが、２％を超えて添加すると圧延後の疵が多
発するようになるので、添加量は２％以下である。

【００１７】Ｍｎ：３％以下 ステンレス鋼においてはオーステナイト安定化元素とし
て有効に働くが、３％を超えて添加すると延性が低下す
るので、添加量は３％以下である。

【００１８】Ｓ：０．００３％以下 熱間加工性に最も有害な元素であって、含有量は低い程
よい。０．００３％以下であれば熱間延性は許容できる
ので、含有量は０．００３％以下である。

【００１９】Ｐ：０．０７％以下 熱間加工性を害する元素であって、含有量は低い程よ
い。０．０７％以下であれば熱間延性は許容できるの
で、含有量は０．０７％以下である。

【００２０】Ｏ：０．００４％以下 熱間加工性を害する元素であって、含有量は低い程よ
い。０．００４％以下であれば熱間延性は許容できるの
で、含有量は０．００４％以下である。

【００２１】Ｎｉ：５〜２５％ 強力なオーステナイト相の安定化元素であり、鋼の延性
を全般に向上させる。ここで対象としている成分系で
は、同相の安定化には５％以上の添加が必要である。一
方、２５％を超えて添加すると同相が過度に安定とな
り、有害なＳ，Ｐ，Ｏなどの元素の粒界偏析の程度が著
しく大きくなり、熱間加工性を損ねる結果になるので、
添加量は５〜２５％である。

【００２２】Ｃｒ：１３〜３５％ ステンレス鋼の基本成分であり、高温における耐酸化性
向上に有効である。１３％以上添加しないと高温加熱時
の酸化スケールは粒界にそって内部に著しく発達する結
果、熱間加工時の割れも著しくなる。一方、３５％を超
えて添加すると、組織をオーステナイト単相に保持する
ことは困難になり、析出したフェライト相との界面にお
いてやはり加工時の割れが発生しやすくなるので、添加
量は１３〜３５％である。

【００２３】Ａｌ：０．００６〜０．０３％ Ｓｉと同様、脱酸に効果があり、鋼中のＯ低減を通じて
熱間加工性を向上させるが、０．００６％以上添加しな
いと効果は十分でなく、逆に０．０３％を超えて添加す
ると圧延後の地疵が多発するようになるので、添加量は
０．００６〜０．０３％である。

【００２４】Ｎ：０．３％以下 添加によりオーステナイト相が安定化する。Ｎｉの場合
と同様で、０．３％を超えて添加すると同相が過度に安
定となり、有害なＳ，Ｐ，Ｏなどの元素の粒界偏析の程
度が著しく大きくなり、熱間加工性を損ねる結果になる
ので、添加量は０．３％以下である。

【００２５】Ｂ：０．０００２〜０．０００５％ 前述したとおり、添加量の制御が本発明の主眼とすると
ころである。通常の製鋼において不純物として含まれる
含有量は０．０００１％程度であるが、０．０００２％
以上の含有量とすれば粒界強化の効果は十分現れる。一
方、０．０００５％を超えて含有すると、粒界に低融点
の化合物を生じやすくなり、加熱条件によっては圧延時
に割れを生じるため、含有量を０．０００２〜０．００
０５％に制限する。

【００２６】Ｍｏ：１．５〜４％ 鋼の耐食性向上に有効な元素であり、その効果が発揮さ
れる１．５％以上、自己偏析による圧延時の割れの発生
しない４％以下の範囲で、選択添加が可能である。

【００２７】Ｎｂ≦１．２％，Ｔｉ≦０．６％，Ｖ≦
０．６％，Ｚｒ≦１．２％ Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒはいずれも強力に炭化物を形成
し、炭化物分散強化を通じて、単にＣを添加した場合よ
りも鋼の高温強度を向上させるので、一種以上四種類ま
でを選択添加できる。それぞれ１．２％、０．６％、
０．６％、１．２％を超えて添加すると、加熱使用時に
有害な金属間化合物が生成し、高温強度を低下させるの
で、添加量は、Ｎｂ：１．２％以下、Ｔｉ：０．６％以
下、Ｖ：０．６％以下、Ｚｒ：１．２％以下である。

【００２８】上記の成分組成範囲に調整することによ
り、高温強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼を得る
ことが可能となる。なお、製造条件については本発明で
は特に限定されない。すなわち、ステンレス鋼の溶製方
法、鋼板製造時の圧延方法及び熱処理方法は通常採用さ
れる条件であればよい。以下に本発明の実施例を挙げ、
本発明の効果を立証する。

【００２９】

【実施例】表１は本発明鋼（Ｎｏ．１〜３２）、表２は
比較鋼（Ｎｏ．３３〜６１）の化学成分、高温強度およ
び熱間加工性（圧延時表面疵個数、耳割れ長さ）をリス
トにしたものである。

【００３０】各鋼は実験炉真空溶解し、得られた鋼塊を
１２５０℃加熱分塊圧延及び仕上げ圧延、焼鈍の工程に
より供試鋼とした。分塊圧延は２０％以上の大圧下圧延
３パスとし、圧延後スラブの表面／端面を直接観測する
ことにより、熱間加工性の評価を行った。即ち地疵を含
む表面疵を、スラブ最先端部を中心にカウントし、単位
表面積あたりの疵個数として評価し、さらに端部に生じ
た耳割れ・エッジ割れ長さを、エッジからの深さとして
計測した。

【００３１】高温強度については、仕上げ圧延後の板中
央部からＬ方向にクリープラプチャ試験片を削りだし
（平行部寸法６ｍｍ径×３０ｍｍ長さ）、６００℃で２
〜数本のクリープラプチャ試験を実施して１０００時間
破断強さを内挿、もしくは外挿して求めた。

【００３２】本発明鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３２は、後述す
る比較鋼に比べて、良好な高温強度と同時に、耐圧延割
れ性等の熱間加工性に優れている。これらに対して、比
較鋼Ｎｏ．３４はＣ、比較鋼Ｎｏ．３５はＳｉ、比較鋼
Ｎｏ．３６はＭｎ、比較鋼Ｎｏ．３７はＰ、比較鋼Ｎ
ｏ．３９はＯ、比較鋼Ｎｏ．４１はＮｉ、比較鋼Ｎｏ．
４３はＣｒ、比較鋼Ｎｏ．４６，５４はＮの含有量が本
発明規定値の範囲を超えているものであり、本発明鋼に
比較して熱間加工性が劣る。また、比較鋼Ｎｏ．４７，
５５，５６のようにＢの含有量が本発明規定値の範囲を
超えている場合に、耳割れが増大する一方、比較鋼Ｎ
ｏ．４８のように無添加の不純物レベルを含むのみで
は、やはり熱間延性に不足が生じることも判る。Ｂ含有
量と耳割れ長さの関係を図１に示す。

【００３３】一方、比較鋼Ｎｏ．３３はＣが不足し良好
な高温強度が得られていない。比較鋼Ｎｏ．３８はＳの
含有量が過剰であり、長時間の高温延性が低下する結
果、やはり本発明鋼に比較して高温強度が劣る。また、
比較鋼Ｎｏ．４０はＮｉ量が不足し組織がオーステナイ
トとなっておらず、高温強度は低い。比較鋼Ｎｏ．４２
はＣｒ量が不足しクリープラプチャ試験片表面が著しい
高温酸化を受けた結果、ラプチャの促進を招いた。当
然、高温強度は低い。さらに、比較鋼Ｎｏ．４９はＭ
ｏ、比較鋼Ｎｏ．５０，５７はＮｂ、比較鋼Ｎｏ．５
１，５８はＴｉ、比較鋼Ｎｏ．５２，５９はＶ、比較鋼
Ｎｏ．５３，６０はＺｒ、比較鋼Ｎｏ．６１はＮｂとＴ
ｉの含有量が本発明規定値の範囲を超えているものであ
り、自己偏析または脆い金属間化合物の析出を招いた結
果、本発明鋼に比較して、熱間加工性または高温強度が
劣っている。比較鋼Ｎｏ．４４，４５はＡｌ量がそれぞ
れ不足、もしくは過剰なため、前者では脱酸不十分によ
る耳割れ発生、後者では酸化物起因の地疵増大が目立っ
た。前出の比較鋼Ｎｏ．３５のＳｉ過剰、比較鋼Ｎｏ．
３９のＯ過剰の場合も地疵個数が大幅に増加し、酸化物
起因であることが推定される。

【００３４】実製造ラインの試作は、以上の実験室検討
との対応をとりつつ、６チャージについて実施し、高温
強度と、表面疵、耳割れの二項目について熱間加工性
（製造性）を評価した。結果を表３に纏めて示す。表３
のＮｏ．７０，Ｎｏ．７１，Ｎｏ．７２は本発明鋼、Ｎ
ｏ．７３，Ｎｏ．７４，Ｎｏ．７５は比較鋼となってい
る。

【００３５】本発明鋼Ｎｏ．７０〜７２は、いずれも良
好な高温強度を有し、かつ表面疵は５個／ｍ² 以下であ
り、耳割れはエッジより５ｍｍ以下であり、容易に手入
れ除去できるレベルであった。

【００３６】一方、比較鋼Ｎｏ．７３はＢ量が適性範囲
より大きく、また比較鋼Ｎｏ．７４は適性範囲より低い
ため、いずれも多数の表面疵が生じ、耳割れも深い傾向
があった。Ｂ量と耳割れ長さの関係を図２に示す。さら
に、比較鋼Ｎｏ．７５はＣ量が適性範囲より低いため、
高温強度が劣っている。

【００３７】なお、実製造の６チャージは最近実機化さ
れた大型連続鋳造機による２５０×１７００（ｍｍ）の
スラブ断面を用いた。以上に例示するように、本発明で
意図する熱間加工性および高温強度を得るためには、本
発明で特徴とする各合金元素の含有量を規定し、特にＢ
量を厳格に管理することが必要であることが理解され
る。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】

【表５】

【００４３】

【表６】

【００４４】

【表７】

【００４５】

【表８】

【００４６】

【表９】

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
鋼組成を特定することにより、従来技術が対象としてい
たスラブ断面より大型で熱延加工性に厳しい条件におい
ても、高い高温強度を有しながら熱間加工性の優れたス
テンレス鋼を提供することができ、製造歩留りや製造コ
ストの低減などを通じて工業上有用な効果がもたらされ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｂ含有量と熱間圧延時の耳割れ長さの関係を示
す図。

【図２】連続鋳造材の製造ラインにおけるＢ含有量と耳
割れ長さの関係を示す図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＣ：０．０４〜０．１５％と、
   Ｓｉ：２％以下と、Ｍｎ：３％以下と、Ｓ：０．００３
   ％以下と、Ｐ：０．０７％以下と、Ｏ：０．００４％以
   下と、Ｎｉ：５〜２５％と、Ｃｒ：１３〜３５％と、Ａ
   ｌ：０．００６〜０．０３％と、Ｎ：０．３％以下と、
   Ｂ：０．０００２〜０．０００５％とを含有し、残部Ｆ
   ｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする、高温
   強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼。
2. 【請求項２】 鋼成分として、重量％でさらに、Ｍｏ：
   １．５〜４％を含有することを特徴とする、請求項１に
   記載の高温強度と熱間加工性に優れたステンレス鋼。
3. 【請求項３】 鋼成分として、重量％でさらに、Ｎｂ：
   １．２％以下、Ｔｉ：０．６％以下、Ｖ：０．６％以
   下、及びＺｒ：１．２％以下のうち一種以上を含有する
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の高温強度
   と熱間加工性に優れたステンレス鋼。