JPS5952230B2 - 耐蝕性に優れたオ−ステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は化学、海水、原子力等の各種プラントや、食品
、機械、船舶、航空機等に用いられる耐蝕性、耐酸化性
、耐摩耗耐焼付性の優れた高強度オーステナイト系ステ
ンレス鋼に関するものであ°る。

従来、ＳＵＳ３Ｑ４等のオーステナイト系ステンレス鋼
は優れた耐蝕性、耐熱性、加工性、機械的性質を有して
いるため広く使用されてきたが、近年化学、海水、原子
力等の各種プラントや、機械船）舶の大型化、さらに高
速化が進みその使用環境は、強度、温度、腐食、摩耗、
応力とあらゆる面で過酷なものとなってきており、上記
の鋼では耐蝕性、耐酸化性、強度、耐摩耗性等のいずれ
の面でも不満足なものとなってきている。

１ 使用環境のこのような過酷化に対して、最近ＳＵＳ
３０４にＮを添加し、耐蝕性と強度を高めなＮ強化オー
ステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３Ｏ４Ｎ）、さら二
Ｃｒ，Ｎｉノ含有量ヲ増加サセるとともにＭＯ等を含有
させた鋼として２５Ｃｒ一１３Ｎｉ−ＩＭＯ−０．３Ｎ
鋼、２１Ｇ−６Ｎｉ−９Ｍｎ−０．３Ｎ鋼、２２Ｃｒ−
１３Ｎｉ−５Ｍｎ−２Ｍ０−０．２Ｖ−０．２Ｎｂ一〇
．３Ｎ鋼が知られている。

これらの鋼の固溶化熱処理後の強度は、ＳＵＳ３Ｏ４Ｎ
鋼が耐力３５ｋｇ／ Ｍｍ２，引張り強さ７５ｋｇ／Ｍ
ｍ２，２５Ｃｒ−１３Ｎｉ−ＩＭＯ−０．３Ｎ鋼が耐力
４１ｋｇ／Ｍｍ” ，引張り強さ７８ｋｇ／Ｍｍ２と今
一つ不足している。また、２１Ｃｒ−６Ｎｉ−９Ｍｎ−
０．３Ｎ鋼、２２Ｃｒ− １３Ｎｉ− ５Ｍｎ−２Ｍ０
一〇．２ｖ−０．２Ｎｂ−０．３Ｎ鋼はいずれも耐力４
５ｋｇ／Ｍｍ２以上、引張り強さ８０ｋｇ／Ｍｍ２以上
とは・゛満足のいく強度を有しているが、前者は耐蝕性
、耐酸化性の点では不十分であり、後者は耐酸化性、耐
摩耗耐焼付性の点では不十分なものである。本発明はか
かる従来鋼の欠点を克服したもので本発明者等は過酷な
使用環境に耐え得る高強度オーステナイト系ステンレス
鋼の基本組成として、従来のＮ強化オーステナイト系ス
テンレス鋼のいずれもそうであるように高Ｃｒ一高Ｎオ
ーステナイト系ステンレス鋼を選び研究を重ねた。

まず、第１にオーステナイト系ステンレス鋼の強度と熱
間加工性に及ぼす各種合金元素の影響を研究した結果、
従来のＮ単独強化鋼よりもＮにさらにＳｉ，Ｎｂを複合
添加した強化鋼の方が強度、熱間加工性の点で著しく優
れていることを見い出した。

すなわち、Ｓ汀％はＮＯ，Ｏ５％の強度増大に相当する
ので、Ｎ強化鋼とＳｉ，Ｎ強化鋼を比較した場合、同一
強度ならＳｉ，Ｎ強化鋼の方が加工性が優れ、また、同
程度の加工性とするならばさらに高い強度の鋼を得るこ
とができるものである。

ツイで、２２Ｃｒ−１２Ｎｉ−６Ｍｎ鋼をベースにＳｉ
Ｎを適宜組合せ８０ｋｇ／Ｍｍ２の引張り強さを得た鋼
の熱間加工性を第１図に示す。第１図より明らかなよう
にＳｉ含有量の増大とＮ含有量の減少に伴なって、変形
抵抗が急速に減少し、変形能はＳｉｌ，ｌ〜１．９％の
範囲で大きく向上し、捻回値９回以上が得られる。また
、２２Ｃｒ−１２Ｎｉ−６Ｍｎ−１，５Ｓｉ−０．３０
Ｎ鋼に０．２％のＮｂを含有させた場合の強度、熱間加
工性を調べた結果、第２図に示すように強度、熱間加工
性がともに大きく向上することが分った。

これはＮｂの結晶粒微細化作用によるものと思われる。
さらに本発明者等は、Ｎ単独強化鋼に比べてＮ，Ｓｉ，
Ｎｂ複合強化鋼の利点が、強度、熱間加工性の改善にと
どまらず、その含有Ｓｉによって耐応力腐食割れ性、耐
酸化性が向上し、また、Ｎｂ添加によって溶接箇所熱影
響部の耐粒界腐食割れ性が大巾に向上し、従来のＮ強化
オーステナイト系ステンレス鋼の欠点の多くを解決し得
ることを見い出した。

つぎに従来のＮ強化オーステナイト系ステンレス鋼の欠
点の一つである耐摩耗耐焼付性に及ぼす合金元素の影響
を２２Ｃｒ−１２Ｎｉ−０．３Ｎ鋼をベースとして研究
した結果、第３図に示すようにＳｉとＭｎの相乗効果で
耐摩耗耐焼付性が著しく向上することを発見した。

なお、本発明鋼の組成範囲において、最大の問題はＳｉ
が強力なフエライト相形成元素であり、しかもＮ固溶量
を著しく減少せしめる元素であるので、高Ｃｒ一高Ｎオ
ーステナイト系ステンレス鋼のようにフエライト／オー
ステナイトバランス、さらにＮ固溶量が臨界的である鋼
にＳｉを添加する場合、組成バランスをくずしたり、鋼
塊中に気泡を生じせしめる危険が非常に高まることであ
るが、この問題に対して本発明ではＭｎ含有量を増加さ
せ５．６％以上含有させることにより解決し得ることを
見い出した。

以上の知見をもとに、本発明は高Ｃｒ一高Ｎオーステナ
イト系ステンレス鋼を基本組成として、これにＳｉ，Ｍ
ｎ，Ｎｂを適量添加して耐蝕性、耐酸化性、耐摩耗耐焼
付性に優れ、かつ、熱間加工性、冷間加工性、溶接性の
良好な高強度オーステナイト系ステンレス鋼の開発に成
功したものである。

そして、本発明鋼においては、さらにＭＯ、Ｖ，Ｃｕを
含有させることにより耐蝕性をさらに向上させ得るもの
であり、また１３，Ｍｇ，Ｃａ、Ｔａ，Ｚｒの少量添加
は熱間加工性をさらに向上させ得るものである。

以上のように本発明鋼は海水、化学、原子力、機械、船
舶等の過酷な使用環境で使用される部材に適した耐蝕性
、耐酸化性、耐摩耗耐焼付性、加工性に優れた高強度オ
ーステナイト系ステンレス鋼である。

以下に本発明鋼について詳述する。

第１発明鋼は、重量比にしてＣＯ．Ｏ８％以下、Ｓｉｌ
．ｌＯ〜１．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９
．６〜１６．０％、Ｃｒ２Ｏ．５〜２６．０％、ＮＯ．
２５〜０．５０％を含有したもので、第２発明鋼は第１
発明鋼にさらにＮｂＯ，Ｏ５〜１．００％を含有させ第
１発明鋼の強度、熱間加工性をさらに向上させたもので
、第３発明鋼は第２発明鋼にさらにＭＯＯ，２〜２，５
，Ｖ０，０５〜０．５％， ＣｕＯ，２〜４．０％のう
ち１種ないし２種以上を含有させ第２発明鋼の耐蝕性を
さらに向上させたもので、第４発明鋼は第１発明鋼にさ
らにＢＯ，Ｏｌ％以下、ＭｇＯ，Ｏｌ％以下、ＣＯ．Ｏ
２％以下、Ｔａｇ，Ｏ３％以下ＺｒＯ．Ｏ３％以下のう
ち１種ないし２種以上を含有させ第１発明鋼の熱間加工
性をさらに向上させたもので、第５発明鋼は第３発明鋼
にさらにＢＯ，Ｏｌ％以下、ＭｇＯ．Ｏｌ％以下、Ｃａ
ｂ，Ｏ２％以下、Ｔａｇ，Ｏ３％以下、ＺｒＯ，Ｏ３％
以下のうち１種ないし２種以上を含有させ第３発明鋼の
熱間加工性をさらに向上させたものである。

以下に本発明鋼の成分限定理由について説明する。

Ｃはその含有量が増加すると耐蝕性を損うので上限を０
．０８％とした。

ＳｉはＮとともに本発明鋼においては主要な元素であり
、強度を増大せしめ、かつ耐摩耗耐焼付性耐応力腐食割
れ性、耐酸化性を大巾に向上せしめ、る元素であり、こ
れらの性能を発揮させるためには、１．１０％以上の含
有が必要でり下限を１．１０％とした。

しかし、Ｓｉは強力なフエライト形成元素であり、さら
にＮ固溶量を著しく減少させるのでその上限を１．９０
％とした。ＭｎはＳｉとの相乗効果によって耐摩耗耐焼
付性を著しく改善する元素である。

さらにフエライト／オーステナイトバランス、耐蝕性を
損なうことなくＮ固溶量を増加させる元素で、特に本発
明鋼のように高Ｃｒ一高Ｎ鋼にＳｉを添加させる場合、
鋼の組織安定、Ｎ固溶にはなくてはならない元素で、こ
れらの性能を発揮させるには５．６％以上の含有が必要
であり下限を５．６％とした。しかし、１０．０％を越
えて含有させると熱間加工性を損うので上限を１０．０
％とした。Ｎｉはオーステナイト系ステンレス鋼の基本
元素であり、優れた耐蝕性、耐酸化性、加工性およびオ
ーステナイト組織を得るためには９．６％以上の含有が
必要である。

しかし、１６．０％を越えて含有させると熱間加工性を
損い、かつ、Ｎ固溶量を低下させるので上限を１６．０
％とした。Ｃｒはステンレス鋼の基本元素であり、優れ
た耐蝕性、耐酸化性および大きなＮ固溶量を得るために
は少なくとも２０．５％以上の含有が必要である。

しかし、Ｃｒ量は強力なフエライト相形成元素であるの
で２６．０％を越て含有させるとフエライト／オーステ
ナイトバランスを損うので上限を２６．０％とした。Ｎ
は本発明鋼において最も重要な強化元素であり、しかも
オーステナイト相を得るためにはなくてはならない元素
であり、さらに耐蝕性、耐摩耗耐焼付性をも改善する元
素であり、これらの性能を発揮させるには０．２５％以
上の含有が必要である。

しかしながら、Ｎの多量の含有は熱間加工時の変形抵抗
を著しく高め、熱間圧延を困難にし、さらに造塊時に鋼
塊中に気泡発生の危険が増大するのでその上限を０．５
０％とした。

Ｎｂは結晶粒を微細化して、強度、熱間加工性を向上さ
せ、さらに溶接部の耐粒界腐食割れ性を改善する元素で
、これらの効果を発揮させるには０．０５％以上の含有
が必要である。

しかし、１．００％を超えて含有させると炭窒化物の析
出量が増加し逆に加工性を損うのでその上限を１．００
％とした。ＭＯ、Ｖ、Ｃｕはいずれも本発明鋼の耐蝕性
をさらに改善する元素で、その効果を発揮させるにはＭ
Ｏは０．２％以上、Ｖは０．０５％以上、Ｃｕは０．２
％以上の含有が必要である。しかし、ＭＯを２．５％を
越えＶを０．５０％を越えて含有させるとフエライト／
オーステナイトバランスを損い、Ｃｕは４．０％を越え
て含有させると強度を大きく低下させるので、その上限
をＭＯ２．５％、Ｖ０．５０％、Ｃｕ４，Ｏ％とした。
Ｂ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｔａ，Ｚｒはいずれも本発明鋼の熱間
加工性をさらに改善する元素である。

しかしこれらの元素を多量に含有させた場合には鋼の清
浄度を害し、かえって熱間加工性を損うのでその上限を
ＢＯ，Ｏｌ％、ＭｇＯ，Ｏｌ％、Ｃａｂ，Ｏ２％、Ｔａ
ｇ，Ｏ３ノ％、ＺｒＯ，Ｏ３％とした。つぎに本発明鋼
の特徴を従来鋼と比べ実施例でもって明らかにする。

第１表は、これらの供試鋼の化学成分を示すものである
。

第１表においてＡ１〜Ａ６鋼は従来鋼で、Ａ１はＳＵＳ
３Ｏ４、Ａ２はＳＵＳ３Ｏ４Ｎ，Ａ３はＳＵＳ３ｌ６、
Ａ４は２５Ｃｒ−１３Ｎｉ−ＩＭＯ−０．３Ｎ鋼、Ａ５
は２１Ｃｒ−６Ｎｉ−９Ｍｎ−０．３Ｎ鋼、Ａ６鋼は２
２Ｃｒ−１３Ｎｉ−５Ｍｎ−２Ｍ０−０．２Ｖ→．２Ｎ
ｂ−０．３Ｎ鋼である。

Ｂ１〜Ｂｌｌ鋼は本発明鋼で、Ｂ１〜Ｂ３は第１発明鋼
、Ｂ４〜Ｂ６は第２発明鋼、Ｂ７〜Ｂ９は第３発明鋼、
ＢｌＯは第４発明鋼、Ｂｌｌは第５発明鋼である。第２
表は第１表の固溶化熱処理を施したＡ１〜Ａ６鋼、Ｂ１
〜Ｂｌｌ鋼の強度、耐蝕性、耐摩耗耐焼付性、耐酸化性
を示したものである。

強度については、ＪＩ３４号試験片を用いて耐力、引張
り強さ、伸びを測定した。

耐孔蝕性は５０℃ノ５０ｇ／ ＩＦｅＣｌ＋１２０Ｎ−
ＨＣＩ水溶液中に４８Ｈｒ浸漬した場合の腐食減量を
示したもので、耐硫酸性、耐応力腐食割れ性、耐粒界腐
食割れ性についてはＪＩＳ試験法に基いて評価し、耐硫
酸性は沸騰した５％Ｈ２ＳＯ４水溶液中に５Ｈｒ浸漬し
た場合の腐食減量を示したもので、耐応力腐食割れ性は
沸騰した４２％ＭｇＣＩ溶液中に浸漬した場合、応力２
５ｋｇ／Ｍｍ２下で破断までの時間を示したものである
。

耐粒界腐食割れ性は沸騰した硫酸一硫酸銅溶液中に１５
Ｈｒ浸漬した場合の割れ発生の有無を示したものである
。

耐酸化性は大気中において１１００℃Ｘ５ＯＨｒ連続
I 加熱した場合、その酸化増量を示したものである。

耐摩耗耐焼付性は大気中で５ｃｍ／分の速度で摺動させ
、異常摩耗発生時の面圧を測定したものである。

第２表から知られるように、従来鋼であるＡｌ鋼は強度
、耐蝕性、耐酸化性、耐摩耗耐焼付性のいずれも劣るも
のである。

Ａｌ鋼に対してＮを０．１５％含有させたＡ２鋼につい
ては耐酸化性が優れ、強度についてもＡＩ鋼に比べ向上
しているが、まだ不満足なものであり耐蝕性、耐摩耗耐
焼付性は劣るものである。Ａ３鋼はＡＩ鋼に比べＮｉ含
有量を増加させるとともに２％のＭＯを含有させたもの
で、耐蝕性については向上しているが、まだ不満足なも
のであり、強度、耐酸化性、耐摩耗耐焼付性については
ＡＩ鋼なみである。Ａ４鋼は高Ｃｒ一高Ｎｉ一高Ｎとし
、さらに１％のＭＯを含有させたことにより、耐蝕性、
耐酸化性については優れており、強度は耐力４１ｋｇ／
Ｍｍ２、引張り強さ７８ｋｇ／Ｍｍ２、伸び５０％と相
当の向上のあとが認められるがいま一つ不足しており、
耐摩耗耐焼付性はＡ１鋼なみである。Ａ５鋼は高Ｃｒ一
高Ｍｎ−高Ｎとしたことにより、強度は耐力４９ｋｇ／
Ｍｍ２、引張り；強さ８０ｋｇ／Ｍｍ２、伸び４５％と
満足し得るものであり、耐摩耗耐焼付性についても相当
の向上が見られるが今一つ不足し、耐蝕性、耐酸化性に
ついてはへ１鋼なみで劣るものである。Ａ６鋼は高Ｃｒ
一高Ｎｉ一高Ｍｎ−高Ｎとし、さらにＮｂＯ．２％、Ｍ
Ｏ２ｌ％、ＶＯ．２％を含有させたことにより強度は耐
力４８ｋｇ／Ｍｍ２、引張り強さ８５ｋｇ／Ｍｍ２、伸
び４５％と満足し得るもので、耐蝕性についても耐孔食
性、耐硫酸性はともにその腐食減量が１ｇ／Ｍｍ２以下
であり、耐粒界腐食割れ性についても優れているが、耐
応力腐食割れ性、耐酸化性、耐摩耗耐焼付性については
Ａ１鋼に比べて若干向上しているがまだ不満足なもので
ある。これらに対して、本発明鋼であるＢ１〜Ｂｌｌ鋼
は高Ｃｒ一高Ｎ鋼をベースとして、これにＳｉ，Ｍｎを
適宜に含有させ、かつ必要に応じてＮｂと、ＭＯ、Ｖ、
Ｃｕおよび１３，Ｍｇ，Ｃａ，Ｔａ，Ｚｒ等を含有させ
たことにより、いずれも強度については耐力４７ｋｇ／
Ｍｍ２以上、引張り強さ８２ｋｇ／Ｍｍ２以上、伸び４
２ｋｇ／Ｍｍ２以上と満足し得るものであり、耐蝕性に
ついても耐孔食性はその腐食減量が３ｇ／Ｍ２・Ｈｒ以
下、耐硫酸性はその腐食減量が１０ｇ／Ｍ２・Ｈｒ以下
、耐応力腐食割れ性は破断までの時間が６時間以上、耐
粒界腐食割れ性については割れの発生なしといずれにつ
いても優れており、耐酸化性についてもその酸化増量は
１０ｍｇ／Ｃｍ＝以下、耐摩耗耐焼付性については異常
摩耗発生時の血圧が６ｋｇ／Ｍｍ２以上と優れたもので
ある。

これからしても、本発明は強度、耐蝕性、耐酸化性、耐
摩耗耐焼付性のいずれも非常に優れていることがわかる
。上述のように、本発明鋼は高Ｃｒ一高Ｎオーステナイ
ト系ステンレス鋼を基本組成として、これにＳｉの含有
量を増しＳｉ，Ｎ複合添加により強度熱間加工性を大巾
に改善し、さらにＭｎ量を増加させることによりＳｉ，
Ｍｎによる相乗効果により耐摩耗耐焼付性を著しく向上
させるとともに高Ｓｉに伴なうＮ固溶量の減少を解消し
たものであり、必要に応じてＮｂを含有させることによ
り強度、熱間加工性をさらに向上させ、かつ溶接部の耐
粒界腐食割れ性を改善するものであり、耐蝕性、耐酸化
性、耐摩耗耐焼付性に優れ海水、化学、原子力、機械、
船舶等の過酷な使用環境で使用される各種の耐蝕高強度
部材として極めて高い実用性を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱間加工性に及ぼすＳｉ，Ｎの影響を示した線
図、第２図は強度、熱間加工性に及ぼすＮｂの影響を示
した線図、第３図は耐摩耗耐焼付′性に及ぼすＳｉ，Ｍ
ｎの影響を示した線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比にしてＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．１０〜１
   ．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９．６〜１６
   ．０％、Ｃｒ２０．５〜２６．０％、Ｎ０．２５〜０．
   ５０％を含有し、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる
   ことを特徴とする耐蝕性の優れたオーステナイト系ステ
   ンレス鋼。 ２ 重量比にしてＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．１０〜１
   ．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９．６〜１６
   ．０％、Ｃｒ２０．５〜２６．０％、Ｎ０．２５〜０．
   ５０％を含有し、さらにＮｂ０．０５〜１．００％を含
   有させ残部Ｆｅならびに不純物元素からなることを特徴
   とする耐蝕性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼。 ３ 重量比にしてＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．１０〜１
   ．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９．６〜１６
   ．０％、Ｃｒ２０．５〜２６．０％、Ｎ０．２５〜０．
   ５０％を含有し、さらにＮｂ０．０５〜１．００％と、
   Ｍｏ０．２〜２．５％、Ｖ０．０５〜０．５％、Ｃｕ０
   ．２〜４．０％のうち１種ないし２種以上を含有させ残
   部Ｆｅならびに不純物元素からなることを特徴とする耐
   蝕性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼。 ４ 重量比にしてＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．１０〜１
   ．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９．６〜１６
   ．０％、Ｃｒ２０．５〜２６．０％、Ｎ０．２５〜０．
   ５０％を含有し、さらにＢ０．０１％以下、Ｍｇ０．０
   １％以下、Ｃａ０．０２％以下、Ｔａ０．０３％％以下
   、Ｚｒ０．０３％以下のうち１種ないし２種以上を含有
   させ残部Ｆｅならびに不純物元素からなることを特徴と
   する耐蝕性の優れたオーステナイト系ステンレス鋼。 ５ 重量比にしてＣ０．０８％以下、Ｓｉ１．１０〜１
   ．９０％、Ｍｎ５．６〜１０．０％、Ｎｉ９．６〜１６
   ．０％、Ｃｒ２０．５〜２６．０％、Ｎ０．２５〜０．
   ５０％を含有し、さらにＮｂ０．０５〜１．００％と、
   Ｍｏ０．２〜２．５％、Ｖ０．０５〜０．５％、Ｃｕ０
   ．２〜４．０％のうち１種ないし２種以上と、Ｂ０．０
   １％以下、Ｍｇ０．０１％以下、Ｃａ０．０２％以下、
   Ｔａ０．０３％％以下、Ｚｒ０．０３％以下のうち１種
   ないし２種以上を含有させ残部Ｆｅならびに不純物元素
   からなることを特徴とする耐蝕性の優れたオーステナイ
   ト系ステンレス鋼。