JPWO2021095183A1 - 鋼材 - Google Patents
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Abstract
化学組成が、質量％で、C：0.01〜0.10％、Si：0.04〜0.40％、Mn：0.50〜1.50％、Cu：0.05〜0.50％、Sb：0.01〜0.30％、Al：0.005〜0.050％、Mo+W：0.01〜0.30％、P：0.020％以下、S：0.0005〜0.015％、N：0.005％以下、O：0.0005〜0.0035％、Ca：0％超0.010％以下、Ni：0〜0.30％、Sn：0〜0.50％、As：0〜0.30％、Co：0〜0.30％、Cr：0〜0.70％、Ti：0〜0.050％、Nb：0〜0.10％、V：0〜0.10％、Zr：0〜0.050％、Ta：0〜0.050％、B：0〜0.010％、Mg：0〜0.010％、REM：0〜0.010％、残部：Feおよび不純物であり、Si/Al：6.0〜16.0、AI：0.06〜0.21、EI：2.5〜6.0および／またはCu+Sb：0.10〜0.25％、Ceq：0.180〜0.330であり、鋼材中に含まれるMnSの個数密度が50/mm2未満である、鋼材。
Description
本発明は、鋼材に関する。
ボイラーの火炉および廃棄物焼却施設の焼却炉等では、水蒸気、硫黄酸化物、塩化水素等を含む排ガスが発生する。この排ガスは、排ガス煙突等において冷却されると、凝縮して硫酸および塩酸となり、硫酸露点腐食および塩酸露点腐食として知られるように、排ガス流路を構成する鋼材に対し、著しい腐食を引き起こす。
このような問題に対し、耐硫酸・塩酸露点腐食鋼および高耐食ステンレス鋼が提案されている。例えば、特許文献１〜４では、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｃｒなどを添加した耐硫酸露点腐食性に優れた鋼材が提案されている。また、特許文献５では、ＣｒおよびＮｉなどを添加した高耐食ステンレス鋼が提案されている。
Ｃｕ、Ｓｂ、Ｃｒ等を含有する鋼材は、排ガス煙突のような硫酸腐食環境において、優れた耐食性を発揮する。しかし、ボイラーおよび焼却設備を長寿命化するために、さらなる耐食性の向上が期待されている。
また、排ガス煙突に加えて、ガス化溶融炉、熱交換器、ガス−ガスヒータ、脱硫装置、電気集塵機等の焼却炉煙道に使用される鋼材には、施工性および生産性の観点から、耐食性だけでなく、熱間加工性および溶接性も要求される。
本発明は、上記の問題を解決し、硫酸腐食環境および塩酸腐食環境において優れた耐食性を有し、かつ、熱間加工性および溶接性に優れた鋼材を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０４〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：０．０１〜０．３０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０００５〜０．０１５％、
Ｎ：０．００５％以下、
Ｏ：０．０００５〜０．００３５％、
Ｃａ：０％を超えて０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜０．３０％、
Ｓｎ：０〜０．５０％、
Ａｓ：０〜０．３０％、
Ｃｏ：０〜０．３０％、
Ｃｒ：０〜０．７０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｖ：０〜０．１０％、
Ｚｒ：０〜０．０５０％、
Ｔａ：０〜０．０５０％、
Ｂ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０〜０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｓｉ含有量とＡｌ含有量との質量比Ｓｉ／Ａｌが６．０〜１６．０であり、
下記（ｉ）式で定義されるＡＩが０．０６〜０．２１であり、
下記（ii）式で定義されるＥＩが２．５〜６．０であるか、ＣｕおよびＳｂの合計含有量が、質量％で０．１０〜０．２５％であるかの少なくともいずれかを満足し、
下記（iii）式で定義されるＣｅｑが０．１８０〜０．３３０であり、
鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０／ｍｍ２未満である、
鋼材。
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
Ｃ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０４〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：０．０１〜０．３０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０００５〜０．０１５％、
Ｎ：０．００５％以下、
Ｏ：０．０００５〜０．００３５％、
Ｃａ：０％を超えて０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜０．３０％、
Ｓｎ：０〜０．５０％、
Ａｓ：０〜０．３０％、
Ｃｏ：０〜０．３０％、
Ｃｒ：０〜０．７０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｖ：０〜０．１０％、
Ｚｒ：０〜０．０５０％、
Ｔａ：０〜０．０５０％、
Ｂ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０〜０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｓｉ含有量とＡｌ含有量との質量比Ｓｉ／Ａｌが６．０〜１６．０であり、
下記（ｉ）式で定義されるＡＩが０．０６〜０．２１であり、
下記（ii）式で定義されるＥＩが２．５〜６．０であるか、ＣｕおよびＳｂの合計含有量が、質量％で０．１０〜０．２５％であるかの少なくともいずれかを満足し、
下記（iii）式で定義されるＣｅｑが０．１８０〜０．３３０であり、
鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０／ｍｍ２未満である、
鋼材。
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．００１〜０．５０％、を含有する、
上記（１）に記載の鋼材。
Ｓｎ：０．００１〜０．５０％、を含有する、
上記（１）に記載の鋼材。
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
下記（iv）式で定義されるＸＩが５．０〜１６．０である、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
ＸＩ＝（Ｓｉ／２８）／（（Ａｌ／２７）＋（Ｃａ／４０）） ・・・（iv）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
下記（iv）式で定義されるＸＩが５．０〜１６．０である、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
ＸＩ＝（Ｓｉ／２８）／（（Ａｌ／２７）＋（Ｃａ／４０）） ・・・（iv）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
（４）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
Ｃａ含有量とＯ含有量との質量比Ｃａ／Ｏが１．００以下である、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
Ｃａ含有量とＯ含有量との質量比Ｃａ／Ｏが１．００以下である、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
本発明によれば、酸腐食環境において良好な耐食性を有し、熱間加工性および溶接性の双方に優れた鋼材を提供することが可能となる。
本発明者らは前記した課題を解決するために、鋼材の耐食性、熱間加工性、溶接性を詳細に調査した結果、以下の知見を得るに至った。
本発明者らは、腐食の起点となる酸化物および炭化物に着目し、酸腐食環境における鋼材の耐食性を向上させるために検討を行った。そして、Ｓｉ／Ａｌ比を適切な範囲にすることで、腐食の起点となる酸化物の生成が抑制されることが分かった。
また、ＭｏおよびＷは、酸腐食環境での耐食性の向上には有効であるが、過剰に含有させると、それらの炭化物が腐食起点となることを見出した。そこで、Ｍｏ、ＷおよびＣの含有量の関係性についてさらに詳細な検討を行い、下記（ｉ）式で定義される耐酸性腐食指数ＡＩの関係式を導出した。そして、耐酸性腐食指数ＡＩを適切な範囲にすることで、予想を超える耐食性が発現されるという知見を得た。
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
さらに、ＣｕおよびＳｂを同時に含有させると酸腐食環境での耐食性は向上するものの、熱間加工性を低下させる。これに対し、下記（ii）式で定義される加工性係数ＥＩおよびＣｕ＋Ｓｂの少なくともいずれか、ならびに下記（iii）式で定義されるＣｅｑ適切な範囲にすることで、優れた耐食性、熱間加工性および溶接性が得られるという知見を得た。
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
Ｍｎは鋼の強度および靱性を確保する上で必須の元素であるが、一方でＭｎＳを形成し酸腐食環境での耐食性を劣化させる。また、本発明においては、ＳはＣｕおよびＳｂとともに含有させることで耐食性を向上させる効果を有するため、極端な低減は好ましくない。
この問題を解決するため本発明者らがさらなる検討を重ねた結果、Ｃａを必須添加し、鋼材中に含まれるＳの一部または全部をＣａＳとして固定するとともに、ＭｎＳを微細化し、酸素と結合させ、ＭｎＳ酸化物とすることで無害化できることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃは、鋼材の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が増加し、耐食性が劣化する。そのため、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０％とする。Ｃ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．０９％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、鋼材の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｃが過剰に含有された場合、炭化物が増加し、耐食性が劣化する。そのため、Ｃ含有量は０．０１〜０．１０％とする。Ｃ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．０９％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０４〜０．４０％
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与し、酸化物の形態を制御する元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合、酸化物が増加し、耐食性を損なう。そのため、Ｓｉ含有量は０．０４〜０．４０％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与し、酸化物の形態を制御する元素である。しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合、酸化物が増加し、耐食性を損なう。そのため、Ｓｉ含有量は０．０４〜０．４０％とする。Ｓｉ含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｍｎ：０．５０〜１．５０％
Ｍｎは、強度および靱性を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎが過剰に含有された場合、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．５０〜１．５０％とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましく、０．８０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎは、強度および靱性を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎが過剰に含有された場合、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化する。そのため、Ｍｎ含有量は０．５０〜１．５０％とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましく、０．８０％以上であるのがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．２０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％
Ｃｕは、Ｓｂと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｃｕ含有量は０．０５〜０．５０％とする。Ｃｕ含有量は０．１０％以上、０．１５％以上または０．２０％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。
Ｃｕは、Ｓｂと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｃｕ含有量は０．０５〜０．５０％とする。Ｃｕ含有量は０．１０％以上、０．１５％以上または０．２０％以上であるのが好ましい。また、Ｃｕ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。
Ｓｂ：０．０１〜０．３０％
Ｓｂは、Ｃｕと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｓｂが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｓｂ含有量は０．０１〜０．３０％とする。Ｓｂ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０６％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｓｂ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１５％以下であるのがより好ましい。
Ｓｂは、Ｃｕと同時に含有させると、硫酸および塩酸に対する耐食性を顕著に発現する元素である。しかしながら、Ｓｂが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下し、生産性を損なう。そのため、Ｓｂ含有量は０．０１〜０．３０％とする。Ｓｂ含有量は０．０３％以上であるのが好ましく、０．０６％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｓｂ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１５％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸剤として添加される。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、介在物の増加によって耐食性を損なう。そのため、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５０％とする。Ａｌ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましい。また、Ａｌ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。
Ａｌは、脱酸剤として添加される。しかしながら、Ａｌが過剰に含有された場合、介在物の増加によって耐食性を損なう。そのため、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５０％とする。Ａｌ含有量は０．０１０％以上であるのが好ましく、０．０２０％以上であるのがより好ましい。また、Ａｌ含有量は０．０４５％以下であるのが好ましく、０．０４０％以下であるのがより好ましい。
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：０．０１〜０．３０％
ＭｏおよびＷは、ＣｕおよびＳｂと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素である。しかしながら、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰な含有は経済性の低下を招く。そのため、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．０１〜０．３０％とする。ＭｏおよびＷは、一方を単独で含有させてもよく、両方を同時に含有させてもよい。ＭｏおよびＷの合計含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。
ＭｏおよびＷは、ＣｕおよびＳｂと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素である。しかしながら、ＭｏおよびＷは高価な元素であるため、過剰な含有は経済性の低下を招く。そのため、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．０１〜０．３０％とする。ＭｏおよびＷは、一方を単独で含有させてもよく、両方を同時に含有させてもよい。ＭｏおよびＷの合計含有量は０．０５％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、ＭｏおよびＷの合計含有量は０．２５％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて０．０２０％以下とする。Ｐ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．００１％以上としてもよい。
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｐ含有量に上限を設けて０．０２０％以下とする。Ｐ含有量は０．０１５％以下であるのが好ましく、０．０１０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｐ含有量は可能な限り低減することが好ましく、つまり含有量が０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量は０．００１％以上としてもよい。
Ｓ：０．０００５〜０．０１５％
Ｓは、一般的に不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。しかしながら、本発明において、Ｓは、ＣｕおよびＳｂと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる効果を有する。そのため、Ｓ含有量は０．０００５〜０．０１５％とする。Ｓ含有量は０．００１０％以上、０．００５０％以上、または０．０１０％以上であるのが好ましい。また、Ｓ含有量は０．０１３％以下であるのが好ましく、０．０１１％以下であるのがより好ましい。
Ｓは、一般的に不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。しかしながら、本発明において、Ｓは、ＣｕおよびＳｂと同時に含有させることにより、酸腐食環境での耐食性を向上させる効果を有する。そのため、Ｓ含有量は０．０００５〜０．０１５％とする。Ｓ含有量は０．００１０％以上、０．００５０％以上、または０．０１０％以上であるのが好ましい。また、Ｓ含有量は０．０１３％以下であるのが好ましく、０．０１１％以下であるのがより好ましい。
Ｎ：０．００５％以下
Ｎは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｎ含有量に上限を設けて０．００５％以下とする。Ｎ含有量は０．００４％以下であるのが好ましい。なお、Ｎ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎ含有量は０．００１％以上としてもよい。また、Ｎは、微細な窒化物として析出することで機械特性等の向上に寄与する効果を有する。その効果を得たい場合は、Ｎ含有量は０．００２％以上としてもよい。
Ｎは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させる。そのため、Ｎ含有量に上限を設けて０．００５％以下とする。Ｎ含有量は０．００４％以下であるのが好ましい。なお、Ｎ含有量は０％でもよいが、極度の低減は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎ含有量は０．００１％以上としてもよい。また、Ｎは、微細な窒化物として析出することで機械特性等の向上に寄与する効果を有する。その効果を得たい場合は、Ｎ含有量は０．００２％以上としてもよい。
Ｏ：０．０００５〜０．００３５％
Ｏは、ＭｎＳと結合することで、ＭｎＳを無害化し、耐食性および機械特性の悪化を防ぐ効果を有する元素である。しかしながら、Ｏが過剰に含有された場合、酸腐食環境において腐食の起点となる粗大な酸化物を生成する。そのため、Ｏ含有量は０．０００５〜０．００３５％とする。Ｏ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００１５％以上であるのがより好ましい。また、Ｏ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましく、０．００２５％以下であるのがより好ましい。
Ｏは、ＭｎＳと結合することで、ＭｎＳを無害化し、耐食性および機械特性の悪化を防ぐ効果を有する元素である。しかしながら、Ｏが過剰に含有された場合、酸腐食環境において腐食の起点となる粗大な酸化物を生成する。そのため、Ｏ含有量は０．０００５〜０．００３５％とする。Ｏ含有量は０．００１０％以上であるのが好ましく、０．００１５％以上であるのがより好ましい。また、Ｏ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましく、０．００２５％以下であるのがより好ましい。
Ｃａ：０％を超えて０．０１０％以下
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、また、微細な酸化物を形成させる効果を有する。しかしながら、Ｃａが過剰に含有された場合、機械特性が損なわれる場合がある。そのため、Ｃａ含有量は０％を超えて０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００００５％以上、０．０００１％以上または０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましく、０．００２％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃａ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、また、微細な酸化物を形成させる効果を有する。しかしながら、Ｃａが過剰に含有された場合、機械特性が損なわれる場合がある。そのため、Ｃａ含有量は０％を超えて０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００００５％以上、０．０００１％以上または０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１％以上であるのがより好ましく、０．００２％以上であるのがさらに好ましい。また、Ｃａ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。
本発明の鋼の化学組成において、上記の元素に加えて、酸腐食環境での耐食性を向上させるために、さらにＮｉ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｃｏから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。なお、これらの元素は、鋼材において必ずしも必須ではないことから、含有量の下限値は０％である。各元素の限定理由について説明する。
Ｎｉ：０〜０．３０％
Ｎｉは、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であり、加えてＣｕを含有する鋼において、製造性を高める効果を有する。Ｃｕは、耐食性を向上させる効果が大きいが、偏析し易く、単独で含有させると鋳造後の割れを助長する場合がある。これに対して、ＮｉはＣｕの表面偏析を軽減する作用がある。Ｎｉを含有させることで、Ｃｕの偏析および鋳片割れの抑制に加えて、偏析に起因する局部腐食の発生も抑制されるため、耐食性を向上させる効果が得られる。そのため、必要に応じてＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量を０．３０％以下とする。Ｎｉ含有量は０．２５％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｎｉ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。
Ｎｉは、酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であり、加えてＣｕを含有する鋼において、製造性を高める効果を有する。Ｃｕは、耐食性を向上させる効果が大きいが、偏析し易く、単独で含有させると鋳造後の割れを助長する場合がある。これに対して、ＮｉはＣｕの表面偏析を軽減する作用がある。Ｎｉを含有させることで、Ｃｕの偏析および鋳片割れの抑制に加えて、偏析に起因する局部腐食の発生も抑制されるため、耐食性を向上させる効果が得られる。そのため、必要に応じてＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｎｉ含有量を０．３０％以下とする。Ｎｉ含有量は０．２５％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｎｉ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０５％以上であるのがより好ましく、０．１０％以上であるのがさらに好ましい。
Ｓｎ：０〜０．５０％
Ｓｎは、Ｃｕと同時に含有させると酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は０．５０％以下とする。Ｓｎ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましく、０．２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｓｎ含有量は０．００１％以上、０．００５％以上、０．０１％以上、０．０２％以上または０．０５％以上であるのが好ましい。
Ｓｎは、Ｃｕと同時に含有させると酸腐食環境での耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｓｎが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ｓｎ含有量は０．５０％以下とする。Ｓｎ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましく、０．２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｓｎ含有量は０．００１％以上、０．００５％以上、０．０１％以上、０．０２％以上または０．０５％以上であるのが好ましい。
Ａｓ：０〜０．３０％
Ａｓは、ＳｂおよびＳｎに比べて顕著な効果はないが、酸腐食環境における耐食性の向上に有効な元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ａｓが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｓ含有量は０．３０％以下とする。Ａｓ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ａｓ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ａｓは、ＳｂおよびＳｎに比べて顕著な効果はないが、酸腐食環境における耐食性の向上に有効な元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ａｓが過剰に含有された場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｓ含有量は０．３０％以下とする。Ａｓ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ａｓ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｃｏ：０〜０．３０％
Ｃｏは、ＳｂおよびＳｎに比べて顕著な効果はないが、酸腐食環境における耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏが過剰に含有された場合、経済性が低下する。そのため、Ｃｏ含有量は０．３０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｃｏは、ＳｂおよびＳｎに比べて顕著な効果はないが、酸腐食環境における耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｏが過剰に含有された場合、経済性が低下する。そのため、Ｃｏ含有量は０．３０％以下とする。Ｃｏ含有量は０．２０％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃｏ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
本発明の鋼の化学組成において、上記の元素に加えて、機械特性等を向上させるために、さらにＣｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｂから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。なお、これらの元素は、鋼材において必ずしも必須ではないことから、含有量の下限値は０％である。各元素の限定理由について説明する。
Ｃｒ：０〜０．７０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｒは耐候性を高める元素であるが、酸腐食環境での耐食性を低下させる場合がある。そのため、Ｃｒ含有量は０．７０％以下とする。Ｃｒ含有量は０．５０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましく、０．１０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度を向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｒは耐候性を高める元素であるが、酸腐食環境での耐食性を低下させる場合がある。そのため、Ｃｒ含有量は０．７０％以下とする。Ｃｒ含有量は０．５０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましく、０．１０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃｒ含有量は０．０１％以上であるのが好ましく、０．０２％以上であるのがより好ましく、０．０５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｔｉ：０〜０．０５０％
Ｔｉは、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｔｉは、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｎｂ：０〜０．１０％
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｖ：０〜０．１０％
Ｖは、Ｔｉ、Ｎｂと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｖは、Ｔｉ、Ｎｂと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｖが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｖ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｚｒ：０〜０．０５０％
Ｚｒは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。加えて、Ｚｒが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｚｒ含有量は０．０５０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｚｒ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｚｒは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと同様に、窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。加えて、Ｚｒが過剰に含有された場合、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化する。そのため、Ｚｒ含有量は０．０５０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｚｒ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００２％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｔａ：０〜０．０５０％
Ｔａは、強度の向上に寄与する元素であり、また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、耐食性の向上にも寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔａは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｔａ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔａ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔａ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
Ｔａは、強度の向上に寄与する元素であり、また、メカニズムは必ずしも明らかでないが、耐食性の向上にも寄与するため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｔａは高価な元素であり、多量の含有は製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｔａ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔａ含有量は０．０４０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔａ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００５％以上であるのがより好ましい。
Ｂ：０〜０．０１０％
Ｂは焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させても効果が飽和し、母材およびＨＡＺの靱性が低下する場合がある。そのため、Ｂ含有量は０．０１０％以下とする。Ｂ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．０００３％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましい。
Ｂは焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させても効果が飽和し、母材およびＨＡＺの靱性が低下する場合がある。そのため、Ｂ含有量は０．０１０％以下とする。Ｂ含有量は０．００５０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量は０．０００３％以上であるのが好ましく、０．０００５％以上であるのがより好ましい。
本発明の鋼の化学組成において、上記の元素に加えて、脱酸および介在物の制御を目的として、Ｍｇ、ＲＥＭから選択される１種以上を、以下に示す範囲において含有させてもよい。なお、これらの元素は、鋼材において必ずしも必須ではないことから、含有量の下限値は０％である。各元素の限定理由について説明する。
Ｍｇ：０〜０．０１０％
Ｍｇは、微細な酸化物を形成させるために、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に添加することは製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｍｇは、微細な酸化物を形成させるために、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に添加することは製鋼コストの増大を招く。そのため、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ＲＥＭ：０〜０．０１０％
ＲＥＭ（希土類元素）は、主に脱酸に用いられる元素であり、微細な酸化物を形成させるために、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に添加することは製鋼コストの増大を招く。そのため、ＲＥＭ含有量は０．０１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ＲＥＭ（希土類元素）は、主に脱酸に用いられる元素であり、微細な酸化物を形成させるために、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に添加することは製鋼コストの増大を招く。そのため、ＲＥＭ含有量は０．０１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ここで、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。なお、ランタノイドは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加される。
本発明の鋼材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分であって、本発明に係る鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Ｓｉ／Ａｌ：６．０〜１６．０
Ｓｉ／Ａｌ比（質量比）は、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を抑制するために重要な指標である。酸化物の生成を抑制するには、Ａｌに比べて酸化力が弱いＳｉを活用することが有効であり、Ｓｉ／Ａｌを６．０以上にすることによって耐食性が顕著に向上する。一方、Ｓｉ／Ａｌ比が１６．０を超えても効果が飽和し、また、Ａｌ量の減少に伴って脱酸が不十分になり、酸化物によって耐食性が低下する場合がある。したがって、Ｓｉ／Ａｌ比は６．０〜１６．０とする。Ｓｉ／Ａｌ比は、６．７以上、８．０以上、８．５以上または９．０以上であるのが好ましい。また、Ｓｉ／Ａｌ比は、１４．０以下、１３．５以下、１３．０以下または１２．０以下であるのが好ましい。
Ｓｉ／Ａｌ比（質量比）は、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を抑制するために重要な指標である。酸化物の生成を抑制するには、Ａｌに比べて酸化力が弱いＳｉを活用することが有効であり、Ｓｉ／Ａｌを６．０以上にすることによって耐食性が顕著に向上する。一方、Ｓｉ／Ａｌ比が１６．０を超えても効果が飽和し、また、Ａｌ量の減少に伴って脱酸が不十分になり、酸化物によって耐食性が低下する場合がある。したがって、Ｓｉ／Ａｌ比は６．０〜１６．０とする。Ｓｉ／Ａｌ比は、６．７以上、８．０以上、８．５以上または９．０以上であるのが好ましい。また、Ｓｉ／Ａｌ比は、１４．０以下、１３．５以下、１３．０以下または１２．０以下であるのが好ましい。
ＡＩ：０．０６〜０．２１
耐酸性腐食指数ＡＩは、鋼材表面で腐食起点となりやすい炭化物を抑制するために導出された指標である。ＭｏおよびＷは、耐食性の向上に有効であるが、それらの含有量が過剰であると腐食の起点となる炭化物を形成しやすくなる。酸腐食環境での耐食性を顕著に向上させるには、耐酸性腐食指数ＡＩは０．０６〜０．２１とする。耐酸性腐食指数ＡＩは、０．０８以上であるのが好ましく、０．１０以上であるのがより好ましく、０．１２以上であるのがさらに好ましい。また、耐酸性腐食指数ＡＩは、０．２０以下であるのが好ましく、０．１９以下であるのがより好ましく、０．１８以下であるのがさらに好ましい。
耐酸性腐食指数ＡＩは、鋼材表面で腐食起点となりやすい炭化物を抑制するために導出された指標である。ＭｏおよびＷは、耐食性の向上に有効であるが、それらの含有量が過剰であると腐食の起点となる炭化物を形成しやすくなる。酸腐食環境での耐食性を顕著に向上させるには、耐酸性腐食指数ＡＩは０．０６〜０．２１とする。耐酸性腐食指数ＡＩは、０．０８以上であるのが好ましく、０．１０以上であるのがより好ましく、０．１２以上であるのがさらに好ましい。また、耐酸性腐食指数ＡＩは、０．２０以下であるのが好ましく、０．１９以下であるのがより好ましく、０．１８以下であるのがさらに好ましい。
耐酸性腐食指数ＡＩは、下記（ｉ）式で定義されるように、Ｍｏ原子およびＷ原子の数の合計と、炭素原子の数との比である。すなわち、Ｍｏ／９６、Ｗ／１８４、Ｃ／１２は、それぞれ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃの含有量を各元素の質量数で除した項である。
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
本発明においては、耐食性と熱間加工性とを両立させるため、ＥＩ：２．５〜６．０およびＣｕ＋Ｓｂ：０．１０〜０．２５％の少なくともいずれかを満足する必要がある。それぞれの規定について詳しく説明する。
ＥＩ：２．５〜６．０
加工性指数ＥＩは、Ｃｕによる熱間加工性の低下を助長するＳｂおよびＳｎの影響を考慮した指標である。Ｃｕの含有量に対してＳｂおよびＳｎの含有量が多過ぎると熱間加工性が低下する場合がある。一方、加工性指数ＥＩを大きくすることが、熱間加工性を確保するためには好ましいが、その値が過剰であっても効果が飽和する。また、ＳｂおよびＳｎが不足すると、酸腐食環境での耐食性の向上の効果が不十分になる場合がある。熱間加工性および耐食性を両立する観点から、加工性指数ＥＩは２．５〜６．０とすることが好ましい。加工性指数ＥＩは、２．５５以上であるのが好ましく、２．６以上であるのがより好ましい。また、加工性指数ＥＩは、５．９以下であるのが好ましく、５．７以下であるのがより好ましい。
加工性指数ＥＩは、Ｃｕによる熱間加工性の低下を助長するＳｂおよびＳｎの影響を考慮した指標である。Ｃｕの含有量に対してＳｂおよびＳｎの含有量が多過ぎると熱間加工性が低下する場合がある。一方、加工性指数ＥＩを大きくすることが、熱間加工性を確保するためには好ましいが、その値が過剰であっても効果が飽和する。また、ＳｂおよびＳｎが不足すると、酸腐食環境での耐食性の向上の効果が不十分になる場合がある。熱間加工性および耐食性を両立する観点から、加工性指数ＥＩは２．５〜６．０とすることが好ましい。加工性指数ＥＩは、２．５５以上であるのが好ましく、２．６以上であるのがより好ましい。また、加工性指数ＥＩは、５．９以下であるのが好ましく、５．７以下であるのがより好ましい。
加工性指数ＥＩは、下記（ii）式で定義されるように、Ｃｕ原子の数と、Ｓｂ原子の数およびＳｎ原子の数との比である。すなわち、Ｃｕ／６４、Ｓｂ／１２２、Ｓｎ／１１９は、それぞれ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｓｎの含有量を各元素の質量数で除した項である。
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｕ＋Ｓｂ：０．１０〜０．２５％
ＣｕおよびＳｂを複合的に含有させることによって、鋼の耐酸性が向上する。この効果を得るためには、その合計含有量は０．１０％以上、０．１２％以上、０．１４％以上または０．１６％以上であるのが好ましい。一方、ＣｕとＳｂの合計量が多過ぎると熱間加工性が低下する場合があるため、ＣｕおよびＳｂの合計含有量は０．２５％以下、０．２２％以下または０．２０％以下であるのが好ましい。
ＣｕおよびＳｂを複合的に含有させることによって、鋼の耐酸性が向上する。この効果を得るためには、その合計含有量は０．１０％以上、０．１２％以上、０．１４％以上または０．１６％以上であるのが好ましい。一方、ＣｕとＳｂの合計量が多過ぎると熱間加工性が低下する場合があるため、ＣｕおよびＳｂの合計含有量は０．２５％以下、０．２２％以下または０．２０％以下であるのが好ましい。
Ｃｅｑ：０．１８０〜０．３３０
Ｃｅｑは、硬さの上昇による溶接性の劣化を示す指標である。Ｃｅｑが過剰であると溶接性が確保できなくなる。一方、Ｃｅｑが低すぎると機械特性が不十分になる。そのため、Ｃｅｑは０．１８０〜０．３３０とする。Ｃｅｑは０．２００以上であるのが好ましく、０．２２０以上であるのがより好ましい。また、Ｃｅｑは０．３３０以下であるのが好ましく、０．３００以下であるのがより好ましい。Ｃｅｑは、下記（iii）式で定義される。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
Ｃｅｑは、硬さの上昇による溶接性の劣化を示す指標である。Ｃｅｑが過剰であると溶接性が確保できなくなる。一方、Ｃｅｑが低すぎると機械特性が不十分になる。そのため、Ｃｅｑは０．１８０〜０．３３０とする。Ｃｅｑは０．２００以上であるのが好ましく、０．２２０以上であるのがより好ましい。また、Ｃｅｑは０．３３０以下であるのが好ましく、０．３００以下であるのがより好ましい。Ｃｅｑは、下記（iii）式で定義される。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
ＸＩ：５．０〜１６．０
ＣａはＡｌと同様に酸化物を形成する元素である。そのため、Ｃａを０．００００５％以上含む場合において、酸化物の生成を抑制するには、ＡｌおよびＳｉに加えてさらにＣａも考慮して、具体的には下記（iv）式で定義されるＸＩを５．０〜１６．０とすることが好ましい。ＸＩは６．０以上であるのがより好ましく、７．０以上であるのがさらに好ましい。また、ＸＩは１５．０以下であるのがより好ましく、１４．０以下であるのがさらに好ましい。
ＸＩ＝（Ｓｉ／２８）／（（Ａｌ／２７）＋（Ｃａ／４０）） ・・・（iv）
ＣａはＡｌと同様に酸化物を形成する元素である。そのため、Ｃａを０．００００５％以上含む場合において、酸化物の生成を抑制するには、ＡｌおよびＳｉに加えてさらにＣａも考慮して、具体的には下記（iv）式で定義されるＸＩを５．０〜１６．０とすることが好ましい。ＸＩは６．０以上であるのがより好ましく、７．０以上であるのがさらに好ましい。また、ＸＩは１５．０以下であるのがより好ましく、１４．０以下であるのがさらに好ましい。
ＸＩ＝（Ｓｉ／２８）／（（Ａｌ／２７）＋（Ｃａ／４０）） ・・・（iv）
Ｃａ／Ｏ：１．００以下
Ｃａ／Ｏ比（質量比）は、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を抑制するための指標である。Ｃａは耐食性に影響を及ぼさない微細な酸化物を形成することで鋼の清浄度を高めるが、鋼中のＯの量に対してＣａを過剰に含有させると粗大な酸化物が過剰に生成し、耐食性を低下させる。特にＣａを０．００００５％以上含む場合において、過剰な粗大酸化物の生成を抑制するには、Ｃａ／Ｏ比を１．００以下とすることが好ましい。Ｃａ／Ｏ比は、０．９０以下、０．８５以下または０．８３以下であるのがより好ましい。Ｃａ／Ｏ比の下限値は特に限定されないが、Ｃａ／Ｏ比が低すぎるとＣａ以外の酸化物が生成し、耐食性を低下させるため、Ｃａ／Ｏ比は、０．００５以上、０．０１０以上または０．０１５以上であるのが好ましい。
Ｃａ／Ｏ比（質量比）は、鋼材表面で腐食起点となりやすい酸化物を抑制するための指標である。Ｃａは耐食性に影響を及ぼさない微細な酸化物を形成することで鋼の清浄度を高めるが、鋼中のＯの量に対してＣａを過剰に含有させると粗大な酸化物が過剰に生成し、耐食性を低下させる。特にＣａを０．００００５％以上含む場合において、過剰な粗大酸化物の生成を抑制するには、Ｃａ／Ｏ比を１．００以下とすることが好ましい。Ｃａ／Ｏ比は、０．９０以下、０．８５以下または０．８３以下であるのがより好ましい。Ｃａ／Ｏ比の下限値は特に限定されないが、Ｃａ／Ｏ比が低すぎるとＣａ以外の酸化物が生成し、耐食性を低下させるため、Ｃａ／Ｏ比は、０．００５以上、０．０１０以上または０．０１５以上であるのが好ましい。
なお、上記（ｉ）〜（iv）式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。
（Ｂ）介在物
本発明に係る鋼材においては、鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０／ｍｍ２未満である。
本発明に係る鋼材においては、鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０／ｍｍ２未満である。
なお、最大長さが２．０μｍ未満のＭｎＳは鋼材の耐食性にはほとんど影響を与えないため、本発明においては、最大長さが２．０μｍ以上の介在物を対象とすることとする。
ＭｎＳは腐食の起点となり酸腐食環境での耐食性を劣化させる。一方、ＭｎおよびＳの含有量の極端な低減は、本発明の鋼材においては、強度、靱性および耐食性を向上させる観点から好ましくないため、これらを両立する必要がある。
そのため、上述のように、本発明の鋼材においては、Ｃａを含有させることで、鋼材中に含まれるＳの一部または全部をＣａＳとして固定する。加えて、ＭｎＳについては、酸素と結合させ、ＭｎＳ酸化物とすることで無害化させる。ＭｎＳ酸化物となると無害化され、腐食の起点とはなりづらくなる。
これにより、鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度を５０／ｍｍ２未満に制限する。以下の説明では、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳを単にＭｎＳとも呼び、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物を単にＭｎＳ酸化物とも呼ぶ。ＭｎＳの個数密度は４０／ｍｍ２以下であるのが好ましく、３０／ｍｍ２以下であるのがより好ましい。
また、ＭｎＳを十分に無害化するためには、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度に対する、最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳ酸化物の個数密度の比を０．１０以上とすることが好ましい。上記の比は０．１２以上であるのが好ましく、０．１５以上であるのがより好ましい。
ＭｎＳの個数密度、およびＭｎＳ酸化物の個数密度は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が備えるエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により測定する。測定倍率は１０００倍とし、視野内に検出されるＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の最大長さを測定する。そして、それぞれ最大長さが２．０μｍ以上である介在物の個数を数え、視野面積で除することで、個数密度を求める。
介在物の同定は、ＥＤＳにより行い、ＭｎとＳとの合計含有量が９０質量％以上である介在物をＭｎＳと判断し、さらにＯのピークが検出され、ＭｎとＳとＯとの合計含有量が９０質量％以上である介在物をＭｎＳ酸化物と判断する。
（Ｃ）製造方法
本発明の一実施形態に係る鋼材の製造方法について説明する。本実施形態に係る鋼材には、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される鋼板、形鋼、鋼管等が含まれる。好ましくは板厚が３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上の厚鋼板である。
本発明の一実施形態に係る鋼材の製造方法について説明する。本実施形態に係る鋼材には、熱間圧延を施し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される鋼板、形鋼、鋼管等が含まれる。好ましくは板厚が３ｍｍ以上、より好ましくは６ｍｍ以上の厚鋼板である。
本実施形態に係る鋼材は、常法で鋼を溶製し、成分の調整後、鋳造して得られた鋼片を熱間圧延し、さらに必要に応じて冷間圧延を施して製造される。鋼材中に存在するＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の個数密度の比を上述した範囲に制御するためには、熱間圧延前の加熱温度を比較的低温とすることが重要であり、具体的には１０００〜１１３０℃とすることが好ましい。
熱間圧延前の加熱温度を低くすることで、ＭｎＳの成長を抑制するとともに、圧延時に微細化することが可能となる。微細化されたＭｎＳは相対的に表面積が大きいため、酸素と結合しやすくなり、ＭｎＳ酸化物となりやすくなる。ＭｎＳの個数密度を３０／ｍｍ２未満とし、ＭｎＳに対するＭｎＳ酸化物の個数密度の比を０．１２以上とするためには、熱間圧延前の加熱温度は１０８０℃以下とすることがより好ましい。
熱間圧延後の熱延鋼板に対しては、切断またはコイル巻取り等の次工程が加えられる。その際、鋼板は温度低下するが、熱延完了から４００℃に達するまでの時間は４時間以上であることが望ましい。この温度域にさらされることでＭｎＳと酸素の結合が促進される。熱間圧延後、冷間圧延して冷延鋼板としてもよい。さらに冷間圧延後には熱処理を施してもよい。
得られた鋼板から鋼管を製造する場合は、鋼板を管状に成形して溶接すればよく、例えば、ＵＯ鋼管、電縫鋼管、鍛接鋼管、スパイラル鋼管等にすることができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。なお、以下に示す実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。また本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
表１〜３に示す化学組成を有する鋼（Ａ１〜２９，Ｂ１〜２６，Ｃ１〜１４）を溶製し、鋼塊に対して表４〜６に示す条件で熱間圧延を行い、厚さが２０ｍｍの熱延鋼板を製造した。一部の鋼板については、熱延後に巻き取りを模擬した冷却を行った後、さらに冷間圧延を行い、厚さが３．４ｍｍの冷延鋼板とした。
得られた各鋼板からＳＥＭ観察用の試験片を切り出し、ＳＥＭが備えるＥＤＳにより介在物の個数密度の測定を行った。測定倍率は１０００倍とし、視野内に検出されるＭｎＳおよびＭｎＳ酸化物の最大長さを測定し、それぞれ最大長さが２．０μｍ以上である介在物の個数を数え、視野面積で除することで、個数密度を求めた。
さらに、得られた各鋼板を用いて、以下に示す各種の性能評価試験を行った。
＜耐硫酸性、耐塩酸性＞
各鋼板から板厚３ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を板厚中央部から採取し、湿式＃４００研磨で仕上げ、耐食性評価用の試験片とした。耐食性の評価は硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験によって行った。硫酸浸漬試験では、試験片を７０℃の５０％硫酸水溶液に６時間浸漬し、塩酸浸漬試験では、試験片を８０℃の１０％塩酸水溶液中に５時間浸漬した。
各鋼板から板厚３ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの試験片を板厚中央部から採取し、湿式＃４００研磨で仕上げ、耐食性評価用の試験片とした。耐食性の評価は硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験によって行った。硫酸浸漬試験では、試験片を７０℃の５０％硫酸水溶液に６時間浸漬し、塩酸浸漬試験では、試験片を８０℃の１０％塩酸水溶液中に５時間浸漬した。
その後、硫酸浸漬試験および塩酸浸漬試験による試験片の腐食減量から、それぞれ腐食速度を算出した。本実施例においては、硫酸浸漬試験による腐食速度が２０．０ｍｇ／ｃｍ２／ｈ以下である場合に、耐硫酸性に優れると判断し、塩酸浸漬試験による腐食速度が１５．０ｍｇ／ｃｍ２／ｈ以下である場合に、耐塩酸性に優れると判断した。
＜熱間加工性＞
上記条件で圧延した熱間圧延材の表面を外観目視し、割れが生じていたものを×、割れが生じていないものを〇として、熱間加工性を評価した。
上記条件で圧延した熱間圧延材の表面を外観目視し、割れが生じていたものを×、割れが生じていないものを〇として、熱間加工性を評価した。
＜溶接割れ＞
ＪＩＳ Ｚ ３１５８：２０１６に準拠して、ｙ型溶接割れ試験を行った。厚さ３ｍｍの試験片を用い、電流１７０Ａで片面側から溶接後、４８時間が経過してから表面および断面の割れの有無を確認した。
ＪＩＳ Ｚ ３１５８：２０１６に準拠して、ｙ型溶接割れ試験を行った。厚さ３ｍｍの試験片を用い、電流１７０Ａで片面側から溶接後、４８時間が経過してから表面および断面の割れの有無を確認した。
＜引張強さ＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して引張試験片を作製し、引張試験を行い、引張強さを求めた。なお、厚さ２０ｍｍの熱延鋼板からは１２ｍｍ厚の試験片を、厚さ３．４ｍｍの冷延鋼板からは３．４ｍｍ厚の試験片を採取し、引張試験に供した。引張強さが４００ＭＰａ以上のものを○、４００ＭＰａ未満のものを×とした。
ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して引張試験片を作製し、引張試験を行い、引張強さを求めた。なお、厚さ２０ｍｍの熱延鋼板からは１２ｍｍ厚の試験片を、厚さ３．４ｍｍの冷延鋼板からは３．４ｍｍ厚の試験片を採取し、引張試験に供した。引張強さが４００ＭＰａ以上のものを○、４００ＭＰａ未満のものを×とした。
表７〜９に、介在物の個数密度の測定結果、ならびに耐硫酸浸漬試験、耐塩酸浸漬試験、熱間加工性、溶接割れ試験および引張試験の評価結果をまとめて示す。
表７〜９に示すように、本発明の規定をすべて満足する試験Ｎｏ．１〜５５では、いずれの性能評価試験においても優れた結果となった。これに対して、比較例である試験Ｎｏ．５６〜７２では、耐硫酸性、耐塩酸性、熱間加工性および溶接性の少なくともいずれかにおいて、悪化する結果となった。
本発明の鋼材は、重油、石炭等の化石燃料、液化天然ガスなどのガス燃料、都市ごみなどの一般廃棄物、廃油、プラスチック、排タイヤ等の産業廃棄物および下水汚泥等を燃焼させるボイラーの排煙設備に使用することができる。具体的には、排煙設備の煙道ダクト、ケーシング、熱交換器、２基の熱交換器（熱回収器および再加熱器）で構成されるガス−ガスヒータ、脱硫装置、電気集塵機、誘引送風機、回転再生式空気予熱器のバスケット材および伝熱エレメント板などに好適に使用することができる。
Claims (4)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０４〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、
ＭｏおよびＷの一方または両方の合計：０．０１〜０．３０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０００５〜０．０１５％、
Ｎ：０．００５％以下、
Ｏ：０．０００５〜０．００３５％、
Ｃａ：０％を超えて０．０１０％以下、
Ｎｉ：０〜０．３０％、
Ｓｎ：０〜０．５０％、
Ａｓ：０〜０．３０％、
Ｃｏ：０〜０．３０％、
Ｃｒ：０〜０．７０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｖ：０〜０．１０％、
Ｚｒ：０〜０．０５０％、
Ｔａ：０〜０．０５０％、
Ｂ：０〜０．０１０％、
Ｍｇ：０〜０．０１０％、
ＲＥＭ：０〜０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
Ｓｉ含有量とＡｌ含有量との質量比Ｓｉ／Ａｌが６．０〜１６．０であり、
下記（ｉ）式で定義されるＡＩが０．０６〜０．２１であり、
下記（ii）式で定義されるＥＩが２．５〜６．０であるか、ＣｕおよびＳｂの合計含有量が、質量％で０．１０〜０．２５％であるかの少なくともいずれかを満足し、
下記（iii）式で定義されるＣｅｑが０．１８０〜０．３３０であり、
鋼材中に含まれる最大長さが２．０μｍ以上のＭｎＳの個数密度が５０／ｍｍ２未満である、
鋼材。
ＡＩ＝（（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４））／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝（Ｃｕ／６４）／（（Ｓｂ／１２２）＋（Ｓｎ／１１９）） ・・・（ii）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／１５ ・・・（iii）
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表し、含有されない場合は０を代入するものとする。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．００１〜０．５０％、を含有する、
請求項１に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
下記（iv）式で定義されるＸＩが５．０〜１６．０である、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５〜０．０１０％、を含有し、
Ｃａ含有量とＯ含有量との質量比Ｃａ／Ｏが１．００以下である、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。
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