JPWO2017056619A1 - オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
40×[%Nb]+100≦T×log(1.2+t/60)≦−200×[%Nb]+700…(1)
式(1)において、[%Nb]には前記素材のNb含有量が質量%で代入され、Tには固溶化熱処理温度が℃で代入され、tには固溶化熱処理時間が分で代入される。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、オーステナイトを安定化するのに有効な元素である。さらに、Nbの炭化物を生成し、強度確保にも寄与する。この効果を十分に得るためには、C含有量を0.005%以上にする必要がある。しかしながら、C含有量が高すぎると、Nb炭化物が過剰に生成され、鋼の延性が低下する。そのため、C含有量は0.005〜0.07%である。C含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。C含有量の上限は、好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.05%である。
シリコン(Si)は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、耐食性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Si含有量を0.1%以上にする必要がある。しかしながら、Si含有量が高すぎると、オーステナイト組織の安定性を低下させるとともに、鋼の延性が低下する。そのため、Si含有量は0.1〜1.2%である。Si含有量の下限は、好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.2%である。Si含有量の上限は、好ましくは1.1%であり、さらに好ましくは1.0%である。
マンガン(Mn)は、製造時の脱酸に寄与するとともに、オーステナイトを安定化するのにも有効な元素である。Mnはさらに、Nの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Mn含有量を3.2%以上にする必要がある。一方、Mn含有量が高すぎると、これらの効果が飽和するだけでなく、溶接時にヒュームとなって溶接部に付着し、耐食性を低下させる。そのため、Mn含有量は3.2〜6.5%である。Mn含有量の下限は、好ましくは3.4%であり、さらに好ましくは3.5%である。Mn含有量の上限は、好ましくは6.3%であり、さらに好ましくは6.0%である。
ニッケル(Ni)は、安定なオーステナイトを得るために必須の元素であり、積層欠陥エネルギーを高め、水素環境下での脆化感受性を低下させる。この効果を十分に得るためには、Ni含有量を9%以上にする必要がある。しかしながら、Niは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。そのため、Ni含有量は9〜14%である。Ni含有量の下限は、好ましくは9.5%であり、さらに好ましくは10%である。N含有量の上限は、好ましくは13.5%であり、さらに好ましくは13%である。
Cu(銅)及びCo(コバルト)は、Niと同様、安定なオーステナイト組織を得るために有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Cu及びCoの合計の含有量を0.005%以上にする必要がある。Cu及びCoは、いずれか一方のみが含有されていてもよく、両方が含有されていてもよい。しかしながら、Cu及びCoは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Cu及びCoの含有量が過剰になると、鋼の延性が低下する。したがって、Cu及びCoの含有量の合計は、0.005%以上3%未満である。Cu及びCoの含有量の合計の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Cu及びCo含有量の合計の上限は、好ましくは2%であり、さらに好ましくは1%である。
クロム(Cr)は、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素である。Crはさらに、母材製造時にNの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Cr含有量を19%以上にする必要がある。しかしながら、Cr含有量が高すぎると、オーステナイト組織が不安定になる。そのため、Cr含有量は19〜24%である。Cr含有量の下限は、好ましくは19.5%であり、さらに好ましくは20%である。Cr含有量の上限は、好ましくは23.5%であり、さらに好ましくは23%である。
モリブデン(Mo)は、使用環境下での耐食性の向上、及び、強度を高めるために有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Mo含有量を1%以上にする必要がある。しかしながら、Moは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Mo含有量が高すぎるとオーステナイト組織が不安定になる。そのため、Mo含有量は1〜4%である。Mo含有量の下限は、好ましくは1.2%であり、さらに好ましくは1.5%である。Mo含有量の上限は、好ましくは3.8%であり、さらに好ましくは3.5%である。
ニオブ(Nb)は、マトリックスに微細な炭窒化物や窒化物として析出し、強度を向上させるのに有効な元素である。また、微細に析出した炭窒化物や窒化物は溶接時の熱影響部の結晶粒の粗大化を抑制し、液化割れ感受性を低減する。その効果を十分に得るためには、Nb含有量を0.05%以上にする必要がある。しかしながら、Nb含有量が高すぎると、溶接熱影響部の割れ感受性が高まるとともに、炭窒化物や窒化物が多量に析出して、材料の延性が低下する。そのため、Nb含有量は0.05〜0.4%である。Nb含有量の下限は、好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.15%である。Nb含有量の上限は、好ましくは0.38%であり、さらに好ましくは0.35%である。
窒素(N)は、マトリックスに固溶するとともに、Nb等と微細な炭窒化物や窒化物を形成し、高強度化に寄与する。Nはさらに、オーステナイト組織の安定化にも有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、N含有量を0.15%以上にする必要がある。しかしながら、N含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、Nbの析出物が過剰に析出し、鋼の延性を低下させる。そのため、N含有量は0.15〜0.50%である。N含有量の下限は、好ましくは0.22%であり、さらに好ましくは0.25%である。N含有量の上限は、好ましくは0.48%であり、さらに好ましくは0.45%である。
Al(アルミニウム)は、Siと同様、脱酸剤として含有される。しかしながら、Al含有量が高すぎると、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Al含有量は0.05%以下である。Al含有量は、好ましくは0.04%以下であり、さらに好ましくは0.03%以下である。なお、Al含有量の下限は特に設ける必要はないが、極端な低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Al含有量の下限は、好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。
リン(P)は、鋼中に不純物として含まれる。P含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。P含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、P含有量は0.03%以下である。P含有量は、好ましくは0.025%以下であり、さらに好ましくは0.02%以下である。
硫黄(S)は、鋼中に不純物として含まれる。S含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、鋼の延性が低下する。S含有量が高すぎるとさらに、溶接時に溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。S含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、S含有量は0.002%以下である。S含有量は、好ましくは0.0018%以下であり、さらに好ましくは0.0015%以下である。
酸素(O)は、鋼中に不純物として含まれる。O含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、鋼の清浄性が劣化して延性が低下する。そのため、O含有量は、0.02%以下である。O含有量は、好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.01%以下である。O含有量の下限は特に設ける必要はないが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、O含有量の下限は、好ましくは0.001%、さらに好ましくは0.002%である。
バナジウム(V)は、Nbと同様に、炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる。Vが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、V含有量が高すぎると、炭窒化物が過剰に析出し、鋼の延性が低下する。そのため、V含有量は0〜0.5%である。V含有量の下限は、好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.01%である。V含有量の上限は、好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.40%である。
チタン(Ti)は、V、Nbと同様に、炭窒化物として析出し、鋼の強度を向上させる。Tiが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ti含有量が高すぎると、炭窒化物が過剰に析出し、鋼の延性が低下する。そのため、Ti含有量は0〜0.5%である。Ti含有量の下限は、好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。Ti含有量の上限は、好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.40%である。
ボロン(B)は、粒界に偏析して粒界固着力を高め、強度向上に寄与するとともに、延性を改善する。Bはまた、水素環境下での脆化を抑制する。Bが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、B含有量が高すぎると、溶接熱影響部の液化割れ感受性が高まる。そのため、B含有量は0〜0.01%である。B含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0005%である。B含有量の上限は、好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.005%である。
カルシウム(Ca)は、鋼の熱間加工性を改善する。Caが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Ca含有量が高すぎると、CaがOと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Ca含有量は0〜0.05%である。Ca含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Ca含有量の上限は、好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.01%である。
マグネシウム(Mg)は、Caと同様に、鋼の熱間加工性を改善する。Mgが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、Mg含有量が高すぎると、MgがOと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、Mg含有量は0〜0.05%である。Mg含有量の下限は、好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.001%である。Mg含有量の上限は、好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.01%である。
希土類元素(REM)は、Sとの親和力が強く、鋼の熱間加工性を改善する。REMが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。しかしながら、REM含有量が高すぎると、REMがOと結合し、鋼の清浄性が劣化して熱間加工性が低下する。そのため、REM含有量は0〜0.5%である。REM含有量の下限は、好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.005%である。REM含有量の上限は、好ましくは0.3%であり、さらに好ましくは0.1%である。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、電解抽出残渣として分析されるNb量が、0.01〜0.3質量%である。
以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法を説明する。本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼は、素材を準備する工程と、素材を熱間加工する工程と、熱間加工された素材を固溶化熱処理する工程とを備える。
40×[%Nb]+100≦T×log(1.2+t/60)≦−200×[%Nb]+700…(1)
式(1)において、[%Nb]には前記素材のNb含有量が質量%で代入され、Tには固溶化熱処理温度が℃で代入され、tには固溶化熱処理時間が分で代入される。なお、log(x)はxの常用対数である。
各供試材から10mm角、長さ50mmの試験材を採取し、上述の実施形態で説明した方法によって、電解抽出残渣として分析されるNb量を測定した。
各供試材から、平行部径8mm、平行部長55mmのJIS Z2201(2013)に示されている14A号丸棒試験片を採取し、常温での引張試験を実施した。引張強さが、水素設備に要求される690MPa以上のものを合格とした。このうち、引張強さが800MPa以上のものを、引張強さが特に優れていると評価した。また、延性については、引張試験における破断伸びが35%以上のものを合格とした。このうち、破断伸びが40%以上のものを、延性が特に優れていると評価した。
引張試験に合格した供試材に対して、高圧水素環境下における耐水素脆化特性を評価するため、低歪速度引張試験を実施した。具体的には、供試材から板状低歪速度引張試験片を採取し、大気中、及び45MPaの高圧水素環境中で低歪速度引張試験を実施した。歪速度は3×10−5/秒とした。高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の90%以上となるものを合格とした。
引張試験及び低歪速度引張試験に合格した供試材に対して、溶接性を評価するための試験を実施した。具体的には、幅50mm、長さ100mmの鋼板を準備し、その長手方向に沿った断面に、開先角度30°、ルート厚さ1mmのV開先を加工した。この鋼板を、厚さ25mm、幅200mm、長さ200mmのJIS G 3106(2008)に規定のSM400B鋼板上に、JIS Z 3224(2010)に規定の被覆アーク溶接棒ENi6625を用いて、四周を拘束溶接した。その後、開先内にJIS Z 3334(2011)に規定のSNi6082該当のティグワイヤを用いて、開先内に入熱10〜15kJ/cmで積層溶接を行い、溶接継手を作製した。
Claims (5)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.005〜0.07%、
Si:0.1〜1.2%、
Mn:3.2〜6.5%、
Ni:9〜14%、
Cu及びCoの少なくとも1種の合計:0.005%以上3%未満、
Cr:19〜24%、
Mo:1〜4%、
Nb:0.05〜0.4%、
N :0.15〜0.50%、
Al:0.05%以下、
P :0.03%以下、
S :0.002%以下、
O :0.02%以下、
V :0〜0.5%、
Ti:0〜0.5%、
B :0〜0.01%、
Ca:0〜0.05%、
Mg:0〜0.05%、
REM:0〜0.5%、
残部:Fe及び不純物であり、
電解抽出残渣として分析されるNb量が、0.01〜0.3質量%である、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記化学組成が、質量%で、
V :0.001〜0.5%、
Ti:0.001〜0.5%、
B :0.0001〜0.01%、
Ca:0.0001〜0.05%、
Mg:0.0001〜0.05%、
REM:0.001〜0.5%、
からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1又は2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、常温で690MPa以上の引張強度と35%以上の破断伸びとを有する、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、高圧水素ガス機器又は液体水素機器に使用される、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法であって、
化学組成が、質量%で、C:0.005〜0.07%、Si:0.1〜1.2%、Mn:3.2〜6.5%、Ni:9〜14%、Cu及びCoの少なくとも1種の合計:0.005%以上3%未満、Cr:19〜24%、Mo:1〜4%、Nb:0.05〜0.4%、N:0.15〜0.50%、Al:0.05%以下、P:0.03%以下、S:0.002%以下、O:0.02%以下、V:0〜0.5%、Ti:0〜0.5%、B:0〜0.01%、Ca:0〜0.05%、Mg:0〜0.05%、REM:0〜0.5%、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、
前記素材を熱間加工する工程と、
前記熱間加工された素材を、950〜1300℃の固溶化熱処理温度で、下記の式(1)を満たす条件で固溶化熱処理する工程とを備え、
前記熱間加工と前記固溶化熱処理との間に、冷間加工を実施しない、オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
40×[%Nb]+100≦T×log(1.2+t/60)≦−200×[%Nb]+700…(1)
式(1)において、[%Nb]には前記素材のNb含有量が質量%で代入され、Tには固溶化熱処理温度が℃で代入され、tには固溶化熱処理時間が分で代入される。
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