JPWO2015174078A1 - フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。しかし、C含有量が0.020%を超えると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、C含有量を0.020%以下とする。なお、ステンレス鋼の成形性を確保する観点からは、C含有量は低いほど好ましく、成形性の観点からはC含有量を0.015%以下とするのが望ましい。さらに望ましくは0.010%以下である。一方、排気系部材としての強度を確保するには、C含有量を0.001%以上とすることが好ましく、より好ましくは、0.003%以上である。
Siは、耐酸化性向上のために重要な元素である。その効果はSi含有量を0.1%以上にすることで得られやすい。より優れた耐酸化性を必要とする場合、Si含有量を0.3%以上にすることが望ましい。しかし、Si含有量が3.0%を超えると、ステンレス鋼の加工性が低下するだけでなく、スケール剥離性も低下する。よって、Si含有量は3.0%以下とする。より好ましいSi含有量は、0.4〜2.0%の範囲である、さらに好ましくは0.5〜1.0%の範囲である。
Mnは、鋼の強度を高める元素であり、また、脱酸剤としての作用も有する。また、Mnは、Siを含有することで生じやすくなる酸化スケール剥離を抑制する。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.05%以上にすることが好ましい。しかし、Mn含有量が2.0%を超えると、酸化増量が著しく増加するのみならず、高温でγ相が生成しやすくなり耐熱性が低下する。よって、Mn含有量は2.0%以下とする。好ましいMn含有量は、0.10〜1.0%の範囲である。さらに好ましくは0.15〜0.50%の範囲である。
Pは、靭性を低下させる有害元素である。P含有量は可能な限り低減するのが望ましい。そこで、本発明では、P含有量は0.040%以下とする。好ましくは、0.030%以下である。
Sは、伸びやr値を低下させて、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素でもある。このため、S含有量はできるだけ低減するのが望ましい。よって、本発明では、S含有量は0.030%以下とする。好ましくは、0.010%以下である。さらに好ましくは0.005%以下である。
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素である。Cr含有量が10.0%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素である。特にCr含有量が20.0%を超えると、この弊害が顕著となるので、上限は20.0%とする。好ましいCr含有量は、12.0〜18.0%の範囲である。さらに好ましくは14.0〜16.0%の範囲である。
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素である。N含有量が0.020%を超えると、成形性の低下が顕著となる。よって、N含有量は0.020%以下とする。また、N含有量は、ステンレス鋼の靭性、成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが好ましく、0.015%以下とするのが望ましい。このように、Nを積極添加しないことが好ましく、Nを積極添加しないステンレス鋼、即ち、Nを含まないステンレス鋼および不可避不純物としてNを含むステンレス鋼は本発明のステンレス鋼である。ただし、N含有量を低減するためには精錬時間を長くする必要がある。このため、N含有量を過剰に低減することは、製造コスト増加に繋がる。本発明では靭性、成形性と製造コストのバランスを考慮してN含有量は0.005%以上0.015%以下が望ましい。
本発明のようなCu含有鋼では、ε−Cuをより微細に析出させて、ε−Cuの粗大化を抑制して、熱疲労特性や高温疲労特性を向上させる効果がある。その効果はNb含有量を0.005%以上含有することで得られる。しかし、0.15%を超えてNbを含有すると、鋼の再結晶温度が大きく上昇して、製造時の焼鈍温度を上昇させなければならなくなり、製造コストも増加してしまう。よって、Nb含有量は、0.005〜0.15%の範囲とする。好ましくは、0.02〜0.12%の範囲である、より好ましくは0.04〜0.10%の範囲である。
AlはCu含有鋼の耐酸化性および耐高温塩害腐食性の向上に寄与する元素として知られている。本発明では、Alは、固溶強化により鋼の高温強度を増加させて高温疲労特性を向上させる元素としても重要である。これらの効果はAl含有量を0.20%以上にすることで得られる。一方、Al含有量が3.0%を超えると鋼の靭性が著しく低下し、脆性破壊し易くなり、優れた高温疲労特性は得られなくなる。そこで、Al含有量は0.20〜3.0%の範囲とする。好ましくは0.25〜1.0%の範囲である。高温疲労特性と耐酸化性および靭性が最もバランス良く得られるのは、Al含有量が0.30〜0.50%の範囲である。
Tiは、Nbと同様、C、Nを固定して、ステンレス鋼の耐食性や成形性、溶接部の粒界腐食性を向上させる作用を有する。本発明では、TiによりC、Nを固定できるため、Nb含有量を最小限に抑えることができる。つまり、本発明では、Tiは、C、Nを固定するために重要な元素となる。その効果を得るためにはTi含有量を5×(C+N)%以上の含有が必要である。ここで、5×(C+N)中のC、Nは各元素の含有量(質量%)を表す。Ti含有量がこれより少ない場合、C、Nを十分に固定することができず、Crが粒界に炭窒化物を形成する。これにより、粒界近傍にCr量が少ない領域(Cr欠乏層)が生じる鋭敏化現象が発生し、ステンレス鋼の耐酸化性が低下してしまう。また、C、Nに対してTiが不足した分はAlがNと結びつくことになるため、本発明において重要なAlの固溶強化による高温疲労特性向上効果も得られなくなる。一方、Ti含有量が0.50%を超えると鋼の靭性が低下するのみならず、酸化スケールの密着性(=耐繰り返し酸化性)が低下する。したがって、Ti含有量は5×(C+N)〜0.50%の範囲とする。好ましくは0.15超〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.20〜0.30%の範囲である。
Cuは、熱疲労特性の向上には非常に有効な元素である。これはε−Cuの析出強化に起因したものであり、本発明のようなTi含有鋼においてその効果を得るためには、Cu含有量を0.55%以上にする必要がある。一方、Cuは耐酸化性と加工性を低下させる上、Cu含有量が1.60%を超えるとε−Cuの粗大化を招き、却って熱疲労特性が低下する。したがって、Cu含有量は0.55〜1.60%の範囲とする。好ましくは0.7〜1.3%の範囲である。ただし、Cu含有だけでは十分な熱疲労特性向上効果は得られない。前述したように、Nbを微量添加することによりε−Cuを微細化し、ε−Cuの粗大化を抑制するのみならず、後述するように、Bを複合添加することにより、同様にε−Cuを微細化し、ε−Cuの粗大化を抑制して析出強化効果を長時間持続させる必要がある。このようにすることで、熱疲労特性を向上させることができる。
Bは、加工性、特に二次加工性を向上させる。さらに、Bは、本発明のようなCu含有鋼においては、ε−Cuを微細化し高温強度を上昇させ、かつε−Cuの粗大化を抑制する効果も有するため、熱疲労特性を向上させるのに有効な本発明に重要な元素である。Bを含有しないとε−Cuが粗大化しやすく、Cu含有による熱疲労特性向上効果が十分に得られない。また、本発明において、Bは、耐酸化性、特に水蒸気雰囲気中の耐酸化性を向上させる効果も有する重要な元素である。これらの効果はB含有量を0.0002%以上にすることで得ることができる。一方、B含有量が0.0050%を超えると鋼の加工性、靭性が低下する。従って、B含有量は0.0002〜0.0050%の範囲とする。好ましくは0.0005〜0.0030%の範囲である。
Niは本発明において重要な元素である。Niは鋼の靭性を向上させるのみならず、耐酸化性も向上させる元素である。その効果を得るためには、Ni含有量を0.05%以上にする必要がある。Niを含有しないかまたはNi含有量がこれより少ない場合、Cu含有とTi含有により低下した耐酸化性を補うことが出来ず、十分な耐酸化性が得られない。耐酸化性が不足すると、酸化量が増えることで母材の板厚が減少することや、また、酸化スケールが剥離することで亀裂の起点が生じることから、優れた熱疲労特性が得られなくなる。一方、Niは高価な元素であり、また、強力なγ相形成元素である。Ni含有量が1.0%を超えると高温でγ相を生成し、却って耐酸化性が低下する。よって、Ni含有量は0.05〜1.0%の範囲とする。好ましくは、0.10〜0.50%の範囲である、より好ましくは0.15〜0.30%の範囲である。
Oは本発明のようなAl含有鋼において重要な元素である。鋼中に存在するOは、高温に曝された際に鋼中のAlと優先的に結びつく。この結びつきで、Alの固溶量が減少して高温強度が低下するのみならず、鋼中で粗大に析出したAl酸化物は、高温疲労試験において亀裂発生の起点となる。その結果、優れた高温疲労特性が得られなくなってしまう。Oが鋼中に多く存在すると、それだけ多くのAlと結びついてAlの固溶量が減少してしまうのみならず、外部からOが侵入しやすくなるため、鋼中O含有量以上にAl酸化物を形成しやすくなってしまう。従って、鋼中に含まれるO含有量はなるべく低減するのが好ましく、0.0030%以下に限定する。好ましくは0.0020%以下である。さらに好ましくは0.0015%以下である。
上述したように、本発明のようなAl含有鋼においては、Alの固溶強化を利用した高温疲労特性向上のためにO含有量の低減が重要となる。さらに、発明者らは、高温疲労特性に及ぼすAlとOの含有量比の影響についても精査し、Al:0.20〜3.0質量%かつO≦0.0030質量%を満たした上で、Al/O≧100を満たすことによって、極めて優れた高温疲労特性が得られることを見出した。この理由としては、鋼中に存在するOと結びついて生成したAl酸化物は、高温に曝された際に外気から侵入したOと結びついたAl酸化物に比べ緻密性に劣るため、耐酸化性の向上に寄与しにくく、外気からのさらなるOの侵入を許し、亀裂の起点となるAl酸化物の生成を促進してしまうためと考えられる。なお、Al/O中のAlおよびOは各元素の含有量を表す。
以下、鋼の成分組成を規定する成分%は、全て質量%を意味する。
成分組成は、C:0.010%、Si:0.8%、Mn:0.3%、P:0.030%、S:0.002%、Cr:14%、N:0.010%、Nb:0.1%、Ti:0.25%、Cu:0.8%、B:0.0010%、Ni:0.20%、をベースとし、これにAl、Oをそれぞれ0.2〜2.0%、0.001〜0.005%の範囲で含有量を種々に変化させた鋼を実験室的に溶製して30kg鋼塊とした。鋼塊を1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ35mm×幅150mmのシートバーとした。このシートバーを1050℃に加熱後、熱間圧延して板厚5mmの熱延板とした。その後900〜1050℃で熱延板焼鈍し酸洗した熱延焼鈍板を冷間圧延により板厚を2mmとし、850〜1050℃で仕上げ焼鈍して冷延焼鈍板とした。これを下記の高温疲労試験に供した。
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示すような形状の高温疲労試験片を作製し、下記の高温疲労試験に供した。
○(合格):繰り返し数100×105回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×105回以上100×105回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×105回未満で破断
図4に高温疲労試験の結果を示す。図4から、O量を0.0030%以下、Al量を0.20%以上さらにAl/O≧100とすることにより、極めて優れた高温疲労寿命が得られることがわかる。なお、横軸のO(%)はO含有量を意味し、縦軸のAl(%)はAl含有量を意味する。
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を改善する元素である。本発明のステンレス鋼は、これらの元素を必要に応じて含有する。上記効果を得るためには、REM含有量は0.005%以上、Zr含有量は0.01%以上が好ましい。しかし、REM含有量が0.08%を超えると、鋼が脆化する。また、Zr含有量が0.50%を超えると、Zr金属間化合物が析出して、鋼が脆化する。よって、REMを含有する場合、その含有量は0.0005〜0.08%以下、Zrを含有する場合、その含有量は0.01〜0.50%以下とする。
Vは、高温強度を向上させるのみならず耐酸化性を向上させる効果を有する。また、粗大化すると亀裂の起点になる等、高温疲労特性や靭性に悪影響を及ぼすTi炭窒化物の粗大化を抑制する効果も有する。それらの効果を得るためには、V含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、V含有量が0.50%を超えと、粗大なV(C,N)を析出し、却って靭性が低下する。よって、Vを含有する場合、V含有量は0.01〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.03〜0.40%の範囲である。より好ましくは0.05〜0.25%の範囲である。
Coは、靭性の向上に有効な元素であるとともに、高温強度を向上させる元素である。その効果を得るためには、Co含有量を0.01%以上にすることが好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、また、Co含有量が0.50%を超えても、上記効果は飽和する。よって、Coを含有する場合、その含有量は0.01〜0.50%の範囲とする。好ましくは、0.02〜0.20%の範囲である。
Caは、連続鋳造の際に発生しやすいTi系介在物析出によるノズルの閉塞を防止するのに有効な成分である。Ca含有量が0.0005%以上でその効果は現れる。しかし、表面欠陥を発生させず良好な表面性状を得るためにはCa含有量を0.0030%以下とする必要がある。したがって、Caを含有する場合、その含有量は0.0005〜0.0030%の範囲とする。好ましくは0.0005〜0.0020%の範囲である。より好ましくは0.0005〜0.0015%の範囲である。
Mgはスラブの等軸晶率を向上させ、加工性や靭性の向上に有効な元素である。本発明のようなTi含有鋼においては、Mgは、Tiの炭窒化物の粗大化を抑制する効果も有する。その効果はMg含有量を0.0010%以上にすることで得られる。Ti炭窒化物が粗大化すると、脆性割れの起点が生じ、鋼の靭性が大きく低下する。一方で、Mg含有量が0.0030%を超えると、鋼の表面性状が悪化する。したがって、Mgを含有する場合、その含有量は0.0010〜0.0030%の範囲とする。好ましくは0.0010〜0.0020%の範囲である。より好ましくは0.0010〜0.0015%の範囲である。
Moは、固溶強化により鋼の強度を著しく増加させることで耐熱性を向上させる元素である。Moは高温での耐塩害腐食性を向上させる効果も有する。その効果はMo含有量が0.05%以上で得られる。しかしMoは高価な元素である上、本発明のようなTi、Cu、Al含有鋼においては、耐酸化性を低下させてしまう。そこで、Moを含有する場合、その含有量の上限は1.0%とする。したがって、Moを含有する場合、その含有量は0.05〜1.0%の範囲とする。好ましくは0.10〜0.50%以下である。
上記のようにして得た冷延焼鈍板から図1に示すような形状の疲労試験片を作製し、下記の高温疲労試験に供した。
○(合格):繰り返し数100×105回で破断無し
△(不合格):繰り返し数15×105回以上100×105回以下で破断
×(不合格):繰り返し数15×105回未満で破断
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、1000℃に加熱保持した大気雰囲気の炉内にサンプルを吊り下げて、300時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、2回とも50g/m2未満の場合を「○」(合格)、1度でも酸化増量が50g/m2以上となった場合は「×」(不合格)、として耐酸化性を評価した。
上記の大気中連続酸化試験と同様の試験片を用いて、大気中において、100℃×1minと1000℃×20minの温度に加熱・冷却を繰り返す熱処理を400サイクル行い、試験前後の試験片の質量差を測定し、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)を算出するとともに、試験片表面から剥離したスケールの有無を確認した。スケール剥離が見られた場合は不合格(表1中の「×」)、スケール剥離が見られなかった場合は合格(表1中の「○」)とした。なお、上記試験における加熱速度および、冷却速度は、それぞれ5℃/sec、1.5℃/secとした。
二分割した上記50kg鋼塊の残りの鋼塊を、1170℃に加熱後、熱間圧延して厚さ30mm×幅150mmのシートバーとした後、このシートバーを鍛造し、35mm角の各棒とし、1030℃の温度で焼鈍後、機械加工し、図2に示した形状、寸法の熱疲労試験片に加工し、下記の熱疲労試験に供した。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.020%以下、Si:3.0%以下、Mn:2.0%以下、P:0.040%以下、S:0.030%以下、Cr:10.0〜20.0%、N:0.020%以下、Nb:0.005〜0.15%、Al:0.20〜3.0%、Ti:5×(C+N)〜0.50%、Cu:0.55〜1.60%、B:0.0002〜0.0050%、Ni:0.05〜1.0%およびO:0.0030%以下を含有し、Al/O≧100を満たして残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。
ここで、5×(C+N)中のC、NおよびAl/O中のAl、Oは各元素の含有量(質量%)を表す。 - さらに、質量%で、REM:0.005〜0.08%、Zr:0.01〜0.50%、V:0.01〜0.50%およびCo:0.01〜0.50%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量%でCa:0.0005〜0.0030%およびMg:0.0010〜0.0030%の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、質量%でMo:0.05〜1.0%以下を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼。
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