JPWO2020090936A1 - オーステナイト系ステンレス鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1によれば、NbとNを添加することで400℃での高温疲労強度を向上することが可能である。特許文献2によれば、NbとSiを添加することで600℃での高温疲労強度を向上させることが可能である。
(1)質量%で、
C:0.0020〜0.3000%、
Si:1.00〜4.00%、
Mn:0.05〜3.00%、
Ni:5.00〜15.00%、
Cr:15.00〜30.00%、
Mo:0.50〜4.00%、
N:0.010〜0.300%、
V:0.05〜1.00%、
Cu:0.10〜2.50%、
Al:0.002〜0.100%以下、
P:0.05%以下、
S:0.0100%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、かつSi+Mo≧1.80%を満たし、かつ、粒界長さが(式1)を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼板。
A+B>2.5mm/mm2 ・・・(式1)
ここで、Aは1mm2当たりの一般粒界長さの総和、Bは1mm2当たりのΣ3対応粒界長さの総和、である。
(2)更に、質量%で、
Nb:0.005〜0.300%、
Ti:0.005〜0.300%、
B:0.0002〜0.0050%、
Ca:0.0005〜0.0100%、
W:0.05〜3.00%、
Zr:0.05〜0.30%、
Sn:0.01〜0.50%、
Co:0.03〜0.30%、
Mg:0.0002〜0.0100%、
Sb:0.005〜0.500%、
REM:0.001〜0.200%、
Ga:0.0002〜0.3000%、
Ta:0.001〜1.000%、
Hf:0.001〜1.000%、
から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
(3)400℃〜600℃大気中平面曲げ疲労試験における疲労限が250MPa以上であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
(4)排気部品に使用されることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れかに記載の高温疲労特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板。
(5)二重管エキゾーストマニホールドに使用されることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
(6)上記(1)〜(3)の何れかに記載のステンレス鋼板からなる排気部品。
ひずみ時効硬化は、大角粒界(相対方位差15度以上を有する粒界)の長さが長いほど大きくなると考えられる。冷延焼鈍後のオーステナイト系ステンレス鋼は一般的に結晶粒内に焼鈍双晶を含む組織を有する。冷延焼鈍後のオーステナイト系ステンレス鋼中のΣ3対応粒界は、その大部分が焼鈍によって生じる双晶、すなわち、焼鈍双晶であると考えられる。本発明者らは、冷延焼鈍後のオーステナイト系ステンレス鋼のΣ3対応粒界もひずみ時効硬化に寄与できる粒界であることを見出したので、単位面積当たりにおける、一般粒界長さAの総和に焼鈍双晶(Σ3対応粒界)の粒界長さBの総和を足した値A+Bを、ひずみ時効硬化の目安として採用することとした。
次に、成分範囲について説明する。成分含有量に関する%は、特に断りの無い限り質量%を示す。
Cはオーステナイト組織形成と高温強度および高温疲労強度の確保のために0.0020%を下限とする。一方、過度な添加は加工硬化が過大に大きくなる他、Cr炭化物形成により耐食性、特に溶接部の粒界腐食性が劣化するため、上限を0.3000%とする。
更に、製造コストと熱間加工性、高温疲労強度の確保を考慮すると、Cの含有量の下限は0.0100%、上限は0.2500%であることが望ましい。更に下限は0.0200%,上限は0.1500%であることが望ましい。
Siは脱酸元素として添加される場合がある他、Siの内部酸化によりスケール剥離性、高温強度および高温疲労強度の向上に寄与する元素である。特に本発明では、400℃〜600℃における固溶Siのひずみ時効が高温疲労強度上昇に有効であるため、1.00%を下限とする。一方、4.00%超の添加により過度に硬質して鋼板の製造性やパイプ等部品の製造性を悪くすることから上限を4.00%とする。
尚、製造コスト、鋼板製造時の酸洗性、溶接時の凝固割れ性を考慮すると、Si含有量の上限は3.50%にすることが望ましい。更に、高温強度や高温疲労強度を考慮するとSiの下限は1.50%にすることが望ましい。更に、下限は2.00%、上限は3.30%にすることが望ましい。
Mnは脱酸元素として利用する他、オーステナイト組織形成およびスケール密着性を確保するために0.05%以上添加する。一方、3.00%超の添加により加工硬化が大きくなるとともに、介在物清浄度や酸洗性が悪くなるため上限を3.00%とする。
更に、製造コストを考慮するとMn含有量の下限は0.10%が望ましい。更にスケール密着性、加工硬化性を考慮するとMn含有量の上限は2.00%が望ましい。更に、下限は0.50%、上限は1.50%が望ましい。
Pは製造時の熱間加工性や凝固割れを助長する元素であるため、上限を0.05%とする。P含有量の下限は0%であっても良い。精錬コストを考慮して、下限を0.01%とすることが好ましい。さらに製造コストを考慮すると、P含有量の上限は0.04%、下限は0.02%とすることが望ましい。
Sは製造時の熱間加工を低下させるほか、耐食性を劣化させる元素である。また、粗大な硫化物(MnS)が形成されると介在物清浄度が著しく悪化するため、上限を0.0100%とする。S含有量の下限は0%であっても良い。過度な低減は精錬コストの増加に繋がることから、下限を0.0001%とすることが好ましい。
更に、製造コストや耐酸化性を考慮すると、S含有量の上限は0.0050%、下限は0.0003%にすることが望ましい。更に上限は0.0020%、下限は0.0005%にすることが望ましい。
Niはオーステナイト組織形成元素であるとともに、耐食性や耐酸化性を確保する元素である。また、5.00%未満ではオーステナイト組織の安定度が低下し、結晶粒の粗大化が顕著に生じてしまうため、5.00%以上添加する。一方、過度な添加はコスト上昇と硬質化を招くことから上限を15.00%とする。
更に、製造性、高温強度および耐食性を考慮すると、Ni含有量の下限は8.00%、上限は14.00%にすることが望ましい。更に、下限は10.00%、上限は13.00%にすることが望ましい。
Crは耐食性、耐酸化性を向上させる元素であり、排気部品環境を考慮すると異常酸化抑制の観点から15.00%以上の添加が必要である。一方、過度な添加は、硬質となる他、コストアップに繋がることから上限を30.00%とする。
更に製造コスト、鋼板製造性、加工性を考慮すると、Cr含有量の下限は16.00%、上限は25.00%にすることが望ましい。更に、下限は17.00%、上限は24.00%にすることが望ましい。
Moは耐食性を向上させる元素であるとともに、高温強度および高温疲労強度の向上に寄与する元素である。特に本発明では、400℃〜600℃における固溶Moのひずみ時効が高温疲労強度上昇に有効であるため、下限を0.50%、上限を4.00%とする。
更にMoは効果な元素であること、介在物清浄度を考慮すると、Mo含有量の下限は0.80%、上限は3.00%にすることが望ましい。更に下限は1.00%、上限は2.50%にすることが望ましい。
NはCと同様にオーステナイト組織形成、高温強度、高温疲労強度の確保に有効な元素である。そのため下限を0.01%とする。一方、0.300%超のNの添加により常温材質が著しく硬質化し、鋼板製造段階の冷間加工性が悪くなる他、パイプなどの部品製造性が悪くなるため、上限を0.300%とする。
更に、溶接時のピンホール抑制、溶接部の粒界腐食抑制の観点から、N含有量の下限は0.020%、上限は0.25%にすることが望ましい。更に、下限は0.040%、上限は0.230%にすることが望ましい。
Vは耐食性を向上させる元素であるとともに、V炭化物を形成し高温強度を向上させるため、0.01%以上添加する。一方、過度な添加は合金コストの増加や異常酸化限界温度の低下を招くことから、上限を1.00%とする。
更に、製造性や介在物清浄度を考慮するとV含有量の下限は0.05%、上限は0.80%にすることが望ましい。更に下限は0.09%、上限は0.50%にすることが好ましい。
Cuはオーステナイト組織安定化や耐酸化性向上に有効な元素であるため、0.10%以上添加する。一方、過度な添加は耐酸化性の劣化や製造性の悪化に繋がるため、上限を2.50%とする。
更に、耐食性や製造性を考慮すると、Cu含有量の下限は0.14%、上限は2.0%にすることが望ましい。更に、下限は0.20%、上限は1.50%にすることが望ましい。
Alは、脱酸元素として添加し、介在物清浄度を向上させる元素であるため、0.002%以上添加する。Al量の好ましい下限は0.010%であり、更に好ましい下限は、0.030%である。一方、過度の添加は熱間加工性の悪化、酸洗性の低下による表面疵の発生を起こりやすくする。特に表面疵は疲労亀裂の起点となるため、Al含有量の上限は0.100%に規定する。
更に、Al含有量の上限は0.060%にすることが望ましい。
以上が、主要元素であり、残部はFe及び不純物からなる。さらに、Feの一部の代替として以下の元素の1種または2種以上を任意添加元素として0%以上含有しても良い。
Nbは、C、Nと結合して耐食性、耐粒界腐食性を向上させる他、高温強度を向上させる元素である。C、N固定作用は0.005%から発現するため、Nbを0.005%以上含有しても良い。また、0.3%超の添加は、鋼板製造段階での熱間加工性が著しく劣化することから、上限を0.3%とする。
更に、高温強度、溶接部の粒界腐食性および合金コストを考慮すると、Nb含有量の下限は0.01%、上限は0.15%未満にすることが望ましい。加えて、Nbは再結晶を鈍化させる元素である。十分な高温疲労強度を得るために必要な粒界長さを満たすためには短時間で再結晶完了させる必要があるため、Nb含有量の上限は0.02%未満にすることが望ましい。
Tiは、Nbと同様にC、Nと結合して耐食性、耐粒界腐食性を向上させるために添加する元素である。C、N固定作用は0.005%から発現するため、Tiを0.005%以上含有しても良い。また、0.30%超の添加は鋳造段階でのノズル詰まりが生じ易くなり、製造性を著しく劣化させることから、上限を0.30%とする。
更に、高温強度、溶接部の粒界腐食性および合金コストを考慮すると、Ti含有量の下限は0.01%、上限は0.20%にすることが望ましい。
Bは、鋼板製造段階での熱間加工性を向上させる元素であるとともに、常温での加工硬化を抑制する効果があるため、0.0002%以上含有しても良い。但し、過度な添加はホウ炭化物の形成により清浄度の低下、粒界腐食性の劣化をもたらすため、上限を0.0050%とした。
更に、精錬コストや延性低下を考慮すると、B含有量の下限は0.0016%、上限は0.0020%にすることが望ましい。
Caは、脱硫のために必要に応じて添加される。この作用は0.0005%未満では発現しないため、0.0005%以上含有しても良い。また、0.0100%超添加すると水溶性の介在物CaSが生成して清浄度の低下および耐食性の著しい低下を招くため、上限を0.0100%とする。
更に、製造性、表面品質の観点から、Ca含有量の下限は0.0040%、上限は0.0030%にすることが望ましい。
Wは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて0.05%以上添加しても良い。3.00%超の添加により硬質化、鋼板製造時の靭性劣化やコスト増につながるため、上限を3.00%とする。
更に、精錬コストや製造性を考慮すると、W含有量の下限は0.10%、上限は2.00%にすることが望ましい。
Zrは、CやNと結合して溶接部の粒界腐食性や耐酸化性を向上させるため、必要に応じて0.05%以上添加しても良い。但し、0.30%超の添加によりコスト増になる他、製造性を著しく劣化させるため、上限を0.30%とする。
更に、精錬コストや製造性を考慮すると、Zr含有量の下限は0.05%、上限は0.10%にすることが望ましい。
Snは、耐食性と高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて0.01%以上添加しても良い。0.03%以上で効果が顕著になり、更に0.05%以上でより顕著となる。0.50%超の添加により鋼板製造時のスラブ割れが生じる場合があるため上限を0.50%とする。
更に、精錬コストや製造性を考慮すると、上限は0.30%にすることが望ましい。
Coは、高温強度の向上に寄与するため、必要に応じて0.03%以上添加しても良い。0.30%超の添加により、硬質化、鋼板製造時の靭性劣化やコスト増につながるため、上限を0.3%とする。
更に、精錬コストや製造性を考慮すると、Co含有量の下限は0.03%、上限は0.10%にすることが望ましい。
Mgは、脱酸元素として添加させる場合がある他、スラブの組織を酸化物の微細化分散化により介在物清浄度の向上や組織微細化に寄与する元素である。これは、0.0002%以上から発現するため、下限を0.0002%としてMgを添加しても良い。但し、過度な添加は、溶接性や耐食性の劣化、粗大介在物による部品加工性の低下につながるため、上限を0.0100%とした。
精錬コストを考慮すると、Mg含有量の下限は0.0003%、上限は0.0050%にすることが望ましい。
Sbは、粒界に偏析して高温強度を上げる作用をなす元素である。添加による効果を得るため、Sb含有量を0.005%以上としても良い。但し、0.500%を超えると、Sb偏析が生じて、溶接時に割れが生じるので、上限を0.500%とする。高温特性と製造コスト及び靭性を考慮すると、Sb含有量の下限は0.030%、上限は0.300%にすることが望ましい。
更に望ましくはSb含有量の下限は0.050%、上限は0.200%にすることが望ましい。
REM(希土類元素)は、耐酸化性の向上に有効であり、必要に応じて0.001%以上添加しても良い。また、0.2%を超えて添加してもその効果は飽和し、REMの硫化物による耐食性低下を生じるため、0.001〜0.2%で添加することが好ましい。製造コストを考慮すると、下限を0.002%とし、上限を0.10%とすることが望ましい。
REM(希土類元素)は、一般的な定義に従う。スカンジウム (Sc)、イットリウム (Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu) までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。単独で添加しても良いし、混合物であっても良い。
Gaは、耐食性向上や水素脆化抑制のため、0.3000%以下で添加しても良いが、0.3000%超の添加により粗大硫化物が生成してr値が劣化する。硫化物や水素化物形成の観点から下限は0.0002%とする。
更に、製造性やコストの観点から0.0020%以上が更に好ましい。
高温強度向上のために、Ta、Hfのそれぞれを0.001〜1.0%添加しても良い。Ta又はHfのうち1種の含有量0.001%以上で効果があり、0.010%以上でさらに高強度が得られる。
As、Pb等の一般的な有害な元素や不純物元素は、できるだけ低減することが望ましい。ここで、不純物元素とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから必然的に或いは不可避的に鋼に混入する元素である。このような不純物元素の含有は、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼板に悪影響を与えない範囲で許容される。不純物元素として、前述のP、Sを始め、Zn、Pb、Se、H、Tl、Bi等を例示することができる。
SiとMoは400℃〜600℃における疲労強度を高めるために添加される。この疲労強度の向上は、固溶したSiおよびMoがひずみ時効を生じるためと考えている。本発明者らは、ひずみ時効は単独添加でも発現するが元素によって発現しやすい温度域が異なるため、SiおよびMoを複合添加すると、適用温度域を広げることができ、高温疲労強度向上に効果的であると考えた。表1−1にSiとMoの添加量(単位:質量%)を変化させた場合の疲労強度を示す。表1−2は、SiとMoの複合添加による高温疲労強度向上を調査する際に用いた鋼の基本的な鋼組成(単位:質量%)である。
大角粒界にはひずみが蓄積して硬化を生む働きがある。そのため、一般粒界長さが長いほど、ひずみ時効硬化の発現頻度が高くなり、ひずみ時効硬化は大きくなると考えられる。オーステナイト系ステンレス鋼は一般的に結晶粒内に焼鈍双晶が導入された組織を有する。本発明者らは、Σ3対応粒界がひずみ時効硬化に寄与できる粒界であること見出した。
そこで、単位面積当たりの一般粒界長さとΣ3対応粒界長さの総和が2.5mm/mm2より長いことを規定する。
次に製造方法について説明する。本発明の鋼板の製造方法は、製鋼−熱間圧延−焼鈍・酸洗あるいは製鋼−熱間圧延−焼鈍・酸洗−冷間圧延−焼鈍・酸洗の一連の工程を含む。製鋼においては、前記主要元素成分および必要に応じて添加される任意添加元素成分を含有する鋼を、電気炉溶製あるいは転炉溶製し、続いて2次精錬を行う方法が好適である。溶製した溶鋼は、公知の鋳造方法(連続鋳造など)に従ってスラブとする。スラブは、所定の温度に加熱され、所定の板厚に連続圧延で熱間圧延される。熱間圧延後の鋼板は、一般的には熱延板焼鈍と酸洗処理が施されるが、熱延板焼鈍を省略しても構わない。本願発明の対象となる鋼板には熱延板焼鈍後(焼鈍は省略可能)の工程にて必要な結晶粒界長さを担保するための製造工程が実施される。
これらの比較例は、成分組成が本発明例のA2と同じA2−1〜A2−4の4例と、いずれかの成分元素範囲が発明範囲を充足していないB1〜B7の7例である。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.0020〜0.3000%、
Si:1.00〜4.00%、
Mn:0.05〜3.00%、
Ni:5.00〜15.00%、
Cr:15.00〜30.00%、
Mo:0.50〜4.00%、
N:0.010〜0.300%、
V:0.05〜1.00%、
Cu:0.10〜2.50%、
Al:0.002〜0.100%以下、
P:0.05%以下、
S:0.0100%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、かつSi+Mo≧1.80%を満たし、かつ、粒界長さが(式1)を満たすことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼板。
A+B>2.5mm/mm2 ・・・(式1)
ここで、Aは1mm2当たりの一般粒界長さの総和、Bは1mm2当たりのΣ3対応粒界長さの総和、である。 - 更に、質量%で、
Nb:0.005〜0.300%、
Ti:0.005〜0.300%、
B:0.0002〜0.0050%、
Ca:0.0005〜0.0100%、
W:0.05〜3.00%、
Zr:0.05〜0.30%、
Sn:0.01〜0.50%、
Co:0.03〜0.30%
Mg:0.0002〜0.0100%、
Sb:0.005〜0.500%、
REM:0.001〜0.200%、
Ga:0.0002〜0.3000%、
Ta:0.001〜1.000%、
Hf:0.001〜1.000%、
から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。 - 400℃〜600℃大気中平面曲げ疲労試験における疲労限が250MPa以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
- 排気部品に使用されることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
- エキゾーストマニホールド二重管に使用されることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板。
- 請求項1〜3の何れか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼板からなる排気部品。
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