KR20220036969A - 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 용접 이음 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 용접 이음 Download PDF

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다카히로 오스키
유헤이 스즈키
쇼고 아오타
히로카즈 오카다
마사히로 세토
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제공한다. 본 개시의 강재는, 화학 조성이, 질량%로, C：0.020% 이하, Si：1.50% 이하, Mn：2.00% 이하, P：0.045% 이하, S：0.0300% 이하, Cr：15.00~25.00%, Ni：9.00~20.00%, N：0.05~0.15%, Nb：0.1~0.8%, Mo：0.10~4.50%, W：0.01~1.00%를 함유하고, 식 (1)을 만족하고, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이다.
21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)

Description

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 용접 이음
본 개시는, 강재에 관하고, 더욱 상세하게는, 오스테나이트계 스테인리스 강재, 및, 그 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용한 용접 이음에 관한 것이다.
석유 정제 플랜트나 석유 화학 플랜트 등의 화학 플랜트 설비에 이용되는 강재는, 고온 강도가 요구된다. 이러한 화학 플랜트 설비 용도의 강재로서, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 이용되고 있다.
화학 플랜트 설비는 복수의 장치를 포함한다. 화학 플랜트 설비의 각 장치는 예를 들면, 상압 증류 장치, 감압 증류 장치, 직접 탈황 장치, 접촉 개질 장치 등이다. 이러한 장치는, 가열로관, 반응탑, 조(槽), 열교환기, 배관 등을 포함한다. 이러한 장치는, 강재를 용접하여 형성된 용접 구조물이다.
각 장치의 조업 시의 평균 온도는 상이하다. 이하, 조업 시의 평균 온도를 「평균 조업 온도」라고 한다. 예를 들면, 감압 증류 장치는, 400~450℃에서 조업된다. 직접 탈황 장치는, 400~450℃에서 조업된다. 접촉 개질 장치는, 420~700℃에서 조업된다. 따라서, 이러한 장치의 가열로관, 반응탑, 조, 열교환기, 배관 등에 사용되는 강재에서는, 장치의 조업 시에 있어서, 400~700℃ 정도의 평균 조업 온도에서 장시간 유지되는 경우가 있다. 또한, 화학 플랜트 설비의 장치에는, 700℃ 초과의 온도로 가동하는 장치도 있다.
또한, 화학 플랜트 설비를 신규로 건설하거나, 화학 플랜트 설비를 보수하거나 하는 경우, 화학 플랜트 설비 내의 장치에 사용되는 강재는, 화학 플랜트의 건설 예정지, 또는, 화학 플랜트가 소재하는 현지에서, 용접된다. 최근의 용접 시공에서는, 용접의 패스수를 저감하기 위해, 입열량을 크게 한 대입열 용접이 채용되는 경우가 많다.
그런데, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 용접되었을 경우, 용접열 영향부(이하, HAZ(Heat Affected Zone)라고도 한다)에 있어서 Cr 탄화물에 기인한 예민화가 발생하는 것이 알려져 있다. 예민화가 발생했을 경우, 입계에 있어서 고용 Cr이 결핍된다. 이러한 고용 Cr이 결핍되어 있는 영역을, 「Cr 결핍 영역」이라고 한다. 입계 근방에서의 Cr 결핍 영역은, 입계 부식이나 응력 부식 균열을 발생시킨다.
오스테나이트계 스테인리스 강재의 HAZ에서의 예민화의 억제를 목적으로서, 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재가 개발되고 있다. 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재는, Nb 또는 Ti를 함유한다. C와의 친화성은, Nb 및 Ti가 Cr보다 높다. 그 때문에, 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재에서는, Nb 및 Ti에 의해 Nb 탄화물 및 Ti 탄화물을 생성하고, Cr 탄화물의 생성을 억제한다. 이에 의해, 입계 근방에서의 Cr 결핍 영역의 생성이 억제된다. 그 결과, 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재에서는, HAZ의 예민화를 억제할 수 있다.
그러나, 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재에서는, 대입열 용접을 실시했을 경우에 나이프 라인 어택이 발생할 가능성이 있다. 나이프 라인 어택이란, 다음의 현상을 의미한다. 대입열 용접을 실시했을 때, 안정화 오스테나이트계 스테인리스 강재 중, 용접 금속의 근방 부분(HAZ에 상당하는 부분)의 온도가, 융점 근처까지 오른다. 구체적으로는, 상술의 용접 금속의 근방 부분의 온도가 1200℃ 정도까지 오른다. 이 때, 강재 중에서 C를 고정하고 있던 Nb 탄화물 및 Ti 탄화물이 용융한다. 용접 금속의 응고 단계(냉각 단계)에 있어서, Nb 및 Ti는 다시 C와 결합하려고 한다. 그러나, 응고 단계에서의 상기 근방 부분의 냉각 속도는 빠르다. 그 때문에, 응고 단계에 있어서, Nb 및 Ti가 C와 다 결합하지 못한 채, 상기 근방 부분의 온도가, Cr 탄화물의 생성 온도역인 800~500℃까지 내려간다. 이 경우, Nb 및 Ti가 C와 결합하지 못하고 Cr이 C와 결합하여, Cr 탄화물이 생성된다. 그 결과, HAZ 중 용접 금속과의 경계 근방의 부분에서 날카로운 균열이 발생한다. 이 현상을 나이프 라인 어택이라고 한다. 나이프 라인 어택은, 예민화의 일종이다. 따라서, 대입열 용접을 실시했을 경우에 있어서도, 예민화의 발생을 억제할 수 있는 것이 기대되고 있다.
또한, 상술의 화학 플랜트 설비 중, 평균 조업 온도가 400~700℃가 되는 장치에서 사용되는 강재의 경우, 장치의 조업 기간 중에 있어서도, 예민화를 억제할 수 있는 편이 바람직하다. 종전의 연구에서는, 평균 조업 온도가 400~700℃ 정도의 장치 용도의 강재에 대해서는, 550℃의 온도역에서 1000시간 유지하여, 예민화의 발생 유무를 검토하고 있었다. 그러나, 화학 플랜트의 가동 기간을 고려하면, 550℃에서 1000시간의 유지는 너무 짧다. 따라서, 550℃에서 1000시간보다 훨씬 긴, 550℃에서 10000시간 유지한 후이어도, 강재의 예민화를 억제할 수 있는 편이 바람직하다.
특허문헌 1은, 고온에서 장시간 사용되었을 경우의 HAZ의 내(耐)취화 균열성이 뛰어난 오스테나이트계 스테인리스 강을 제안한다. 특허문헌 1에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.04% 미만, Si：1.5% 이하, Mn：2% 이하, Cr：15~25%, Ni：6~30%, N：0.02~0.35%, sol.Al：0.03% 이하를 함유함과 더불어, Nb：0.5% 이하, Ti：0.4% 이하, V：0.4% 이하, Ta：0.2% 이하, Hf：0.2% 이하 및 Zr：0.2% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, S, Sn, As, Zn, Pb 및 Sb가 각각, P：0.04% 이하, S：0.03% 이하, Sn：0.1% 이하, As：0.01% 이하, Zn：0.01% 이하, Pb：0.01% 이하 및 Sb：0.01% 이하이고, 또한, 하기의 (1) 식 및 (2) 식으로 표시되는 F1 및 F2의 값이 각각, F1≤0.075 및 0.05≤F2≤1.7-9×F1을 만족한다.
F1=S+{(P+Sn)/2}+{(As+Zn+Pb+Sb)/5} (1) 식
F2=Nb+Ta+Zr+Hf+2Ti+(V/10) (2) 식
국제 공개 제2009/044802호
특허문헌 1에 제안된 오스테나이트계 스테인리스 강은, 고온에서 장시간 사용되었을 경우의 HAZ의 내취화 균열성을 높인다. 그러나, 특허문헌 1에서는, 대입열 용접을 상정하고 있지 않다. 그 때문에, 특허문헌 1에서는, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후의 내(耐)예민화 특성에 대해 검토되어 있지 않다.
본 개시의 목적은, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제공하는 것이다.
본 개시에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재는,
화학 조성이, 질량%로
C：0.020% 이하,
Si：1.50% 이하,
Mn：2.00% 이하,
P：0.045% 이하,
S：0.0300% 이하,
Cr：15.00~25.00%,
Ni：9.00~20.00%,
N：0.05~0.15%,
Nb：0.1~0.8%,
Mo：0.10~4.50%,
W：0.01~1.00%,
Ti：0~0.50%,
Ta：0~0.50%,
V：0~1.00%,
Zr：0~0.10%,
Hf：0~0.10%,
Cu：0~2.00%,
Co：0~1.00%,
sol.Al：0~0.030%,
B：0~0.0100%,
Ca：0~0.0200%,
Mg：0~0.0200%,
희토류 원소：0~0.100%,
Sn：0~0.010%,
As：0~0.010%,
Zn：0~0.010%,
Pb：0~0.010%,
Sb：0~0.010%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 만족하고,
추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이다.
21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 상기 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 개시의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다.
도 1은, 본 실시 형태의 용접 이음의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2는, 도 1의 용접 이음을 용접 금속 폭방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은, 도 1의 용접 이음을 용접 금속 연장 방향으로 절단한 단면도이다.
도 4는, 도 3과 상이한, 용접 이음을 용접 금속 연장 방향으로 절단한 단면도이다.
도 5는, 본 실시 형태의 용접 이음에 있어서, 용접 금속 연장 방향에 수직인 방향의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은, 실시예에서 제작한 대입열 용접 이음 모의 시험편의 측면도이다.
본 발명자들은, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해 검토를 행했다.
본 발명자들은 우선, 강재의 화학 조성에 대해 검토를 행했다. 내예민화 특성을 높이기 위해서는, 입계에서의 Cr 결핍 영역의 생성을 억제하는 것이 유효하다. 입계에서의 Cr 결핍 영역의 생성을 억제하기 위해서는, 강재 중에 Cr 탄화물이 생성되는 것을 억제하는 것이 유효하다. Cr 탄화물의 생성을 억제하기 위해서는, 강재의 화학 조성 중의 C 함유량을 저감하는 것이 유효하다. 또한, 강재 중의 C가 Cr과 결합하는 것을 억제하기 때문에, 강재에 Nb를 함유하여 강재 중의 C를 Nb와 결합시키는 것이 유효하다. 그래서, 본 발명자들은 우선, 강재의 내예민화 특성을 높이기 위해, 강재의 화학 조성에 대해 검토를 행했다. 그 결과, 화학 조성이, C：0.020% 이하, Si：1.50% 이하, Mn：2.00% 이하, P：0.045% 이하, S：0.0300% 이하, Cr：15.00~25.00%, Ni：9.00~20.00%, N：0.05~0.15%, Nb：0.1~0.8%, Ti：0~0.50%, Ta：0~0.50%, V：0~1.00%, Zr：0~0.10%, Hf：0~0.10%, Cu：0~2.00%, Co：0~1.00%, sol.Al：0~0.030%, B：0~0.0100%, Ca：0~0.0200%, Mg：0~0.0200%, 희토류 원소：0~0.100%, Sn：0~0.010%, As：0~0.010%, Zn：0~0.010%, Pb：0~0.010%, Sb：0~0.010%, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스 강재이면, Cr 탄화물의 생성을 억제할 수 있다고 생각했다.
그런데, 상술과 같이, 화학 플랜트 설비의 신규 건설 시 또는 보수 시에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해 대입열 용접을 실시하는 경우가 있다. 대입열 용접을 실시했을 경우, 대입열 용접 시의 용접열에 의해, 강재 중, 용접 금속의 근방 부분(HAZ에 상당하는 부분)의 온도는 1200℃를 초과한다. 그 때문에, 대입열 용접 전의 강재에 Cr 탄화물이 그만큼 많이 존재하고 있지 않아도, 대입열 용접 후의 강재 중에, Cr 탄화물이 생성되어 버리는 경우가 있다. 이 경우, 화학 플랜트 설비를 가동하고, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지되었을 경우에, 오스테나이트계 스테인리스 강재에 예민화가 발생할 가능성이 있다.
그래서, 본 발명자들은 또한, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 대입열 용접한 후에, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우이어도, 예민화의 발생을 억제할 수 있는 수단을 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은, 다음의 지견을 얻었다.
상술의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성에 있어서, Fe의 일부를 대신하여, Mo：0.10~4.50%, 및, W：0.01~1.00%를 필수 원소로서 함유한다. 강재의 제조 공정 시 및 대입열 용접 시에 강재 중에 생성되는 Cr 탄화물은, M23C6형의 탄화물이다. Mo 및 W는, M23C6형의 Cr 탄화물의 Cr의 사이트(M 사이트)에 Cr과 치환하여 들어가, Cr 탄화물의 자유 에너지를 떨어뜨린다. 또한, Mo의 확산 속도 및 W의 확산 속도는, Cr의 확산 속도보다 느리다. 그 때문에, Cr과 치환하여 Mo 및/또는 W가 M 사이트에 들어간 Cr 탄화물의 성장 속도는 현저하게 느려진다. 이상의 메커니즘에 의해, Mo 및 W를 함유함으로써, 강재 제조 시 및 대입열 용접 시에 있어서의 Cr 탄화물의 생성 및 성장이 억제된다고 본 발명자들은 생각했다.
그러나, 본 발명자들이 검토한 결과, 강재에 상술의 함유량의 Mo 및 W를 함유해도, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우, 예민화를 충분히 억제할 수 없는 경우가 있었다. 그래서, 본 발명자들은 가일층의 검토를 행했다. 그 결과, 강재 중의 Mo 함유량(질량%) 및 W 함유량(질량%)이 식 (1)을 만족하면, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지되었을 경우이어도, 내예민화 특성이 높아지는 것을 알 수 있었다.
21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 발명자들은 또한, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지되어도, 내예민화 특성을 더욱 높일 수 있는 수단을 검토했다.
여기서, 본 발명자들은, 강재 중의 석출물에 주목했다. 상술의 화학 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중의 석출물 중, CrNb 질화물이 차지하는 비율을 높인다. 즉, 석출물 중에 있어서의 CrNb 질화물의 비율을 높인다. CrNb 질화물은, Cr 및 Nb를 함유하는 미세한 석출물(질화물)이다. CrNb 질화물은, 강재의 결정 입계 면적을 증가시킨다. 결정 입계 면적이 증가하면, 대입열 용접한 후에, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우이어도, 내예민화 특성이 높아진다.
CrNb 질화물은 매우 미세하다. 그 때문에, 주사형 전자현미경 등으로 CrNb 질화물의 개수 밀도를 정량적으로 측정하는 것은 현시점의 측정 기술로는 곤란하다. 그러나, 강재에 대해 추출 잔사법을 실시하고, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사의 화학 조성을 정량하면, 강재 중의 석출물을 예상할 수 있다. 본 발명자들의 검토의 결과, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해 추출 잔사법을 실시하여 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이, 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이면, 강재 중의 석출물 중에 있어서 CrNb 질화물이 차지하는 비율이 충분히 높아진다. 그 결과, 대입열 용접한 후에, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우이어도, 뛰어난 내예민화 특성이 얻어지는 것이 판명되었다.
이상의 지견에 의거하여 완성한 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 다음의 구성을 갖는다.
[1]
오스테나이트계 스테인리스 강재로서,
화학 조성이, 질량%로
C：0.020% 이하,
Si：1.50% 이하,
Mn：2.00% 이하,
P：0.045% 이하,
S：0.0300% 이하,
Cr：15.00~25.00%,
Ni：9.00~20.00%,
N：0.05~0.15%,
Nb：0.1~0.8%,
Mo：0.10~4.50%,
W：0.01~1.00%,
Ti：0~0.50%,
Ta：0~0.50%,
V：0~1.00%,
Zr：0~0.10%,
Hf：0~0.10%,
Cu：0~2.00%,
Co：0~1.00%,
sol.Al：0~0.030%,
B：0~0.0100%,
Ca：0~0.0200%,
Mg：0~0.0200%,
희토류 원소：0~0.100%,
Sn：0~0.010%,
As：0~0.010%,
Zn：0~0.010%,
Pb：0~0.010%,
Sb：0~0.010%, 및,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 만족하고,
추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하인,
오스테나이트계 스테인리스 강재.
21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 상기 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
여기서, 「잔사 중의 Nb 함유량」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량(추출 잔사법으로 본 전해된 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량)에 대한, 잔사 중의 Nb 함유량의 질량의 비율(질량%)을 의미한다. 「잔사 중의 Cr 함유량」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량(추출 잔사법으로 본 전해된 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량)에 대한, 잔사 중의 Cr 함유량의 질량의 비율(질량%)을 의미한다.
상기 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다.
[2]
[1]에 있어서,
상기 화학 조성은,
Mo：2.50~4.50%, 및,
Co：0.01~1.00%,
를 함유하고, 또한, 식 (2) 및 식 (3)을 만족하고,
상기 추출 잔사법에 의해 얻어진 상기 잔사 중의 Nb 함유량은 질량%로 0.065~0.245%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하인,
오스테나이트계 스테인리스 강재.
2≤73W+5Co≤60 (2)
0.20≤Nb+0.1W≤0.58 (3)
상기 [2]의 오스테나이트계 스테인리스 강재는 또한, 뛰어난 내(耐)폴리티온산 SCC성, 뛰어난 내(耐)액화 균열성, 및, 뛰어난 내(耐)나프텐산 부식성을 갖는다.
[3]
[1] 또는 [2]에 있어서,
상기 화학 조성은, 제1군~제5군 중 어느 하나의 군에 속하는 적어도 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
제1군：
Ti：0.01~0.50%,
Ta：0.01~0.50%,
V：0.01~1.00%,
Zr：0.01~0.10%, 및,
Hf：0.01~0.10%,
제2군：
Cu：0.01~2.00%, 및,
Co：0.01~1.00%,
제3군：
sol.Al：0.001~0.030%,
제4군：
B：0.0001~0.0100%,
제5군：
Ca：0.0001~0.0200%,
Mg：0.0001~0.0200%, 및,
희토류 원소：0.001~0.100%.
[4]
용접 이음으로서,
[2] 또는 [3]에 기재된 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재와,
상기 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재 사이에 배치된 용접 금속을 구비하고,
상기 용접 금속의 연장 방향과 수직인 상기 오스테나이트계 스테인리스 강재의 단면 중, 용접열 영향부 내이며 용융선으로부터 상기 용접 금속의 폭방향으로 200μm의 범위에 있어서의 평균 결정 입경을 평균 결정 입경 R1로 정의하고, 상기 용접열 영향부 이외의 부분의 평균 결정 입경을 평균 결정 입경 R2로 정의했을 때,
상기 평균 결정 입경 R1과 상기 평균 결정 입경 R2는 식 (4)를 만족하는,
용접 이음.
R1/R2≤4.8 (4)
이하, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 용접 이음에 대해 상술한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다.
[화학 조성에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.020% 이하
탄소(C)는 불가피하게 함유된다. 즉, C 함유량은 0% 초과이다. C는, 입계에 M23C6형의 Cr 탄화물을 생성한다. C 함유량이 0.020%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, Cr 탄화물이 과잉적으로 생성되어 강재의 내예민화 특성이 현저하게 저하한다. 따라서, C 함유량은 0.020% 이하이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.018%이고, 더욱 바람직하게는 0.016%이며, 더욱 바람직하게는 0.014%이고, 더욱 바람직하게는 0.012%이다. C 함유량은 되도록 낮은 편이 바람직하다. 그러나, C 함유량의 과잉적인 저감은 제조 비용을 높게 한다. 따라서, 공업 생산상, C 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더욱 바람직하게는 0.002%이다.
Si：1.50% 이하
실리콘(Si)은 불가피하게 함유된다. 즉, Si 함유량은 0% 초과이다. Si는, 제강 공정에 있어서, 강을 탈산한다. Si가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Si 함유량이 1.50%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 용접 균열 감수성이 현저하게 높아진다. 또한, Si는 페라이트 안정화 원소이기 때문에, 오스테나이트의 안정성이 저하한다. 이 경우, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 장시간 사용 시에 있어서, 강재 중에 시그마상(σ상)이 생성된다. σ상은, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 사용 시에 있어서의 강재의 인성 및 연성을 저하시킨다. 따라서, Si 함유량은 1.50% 이하이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이고, 더욱 바람직하게는 0.05%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이고, 더욱 바람직하게는 0.15%이며, 더욱 바람직하게는 0.20%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 1.40%이고, 더욱 바람직하게는 1.20%이며, 더욱 바람직하게는 1.00%이고, 더욱 바람직하게는 0.80%이며, 더욱 바람직하게는 0.70%이고, 더욱 바람직하게는 0.60%이며, 더욱 바람직하게는 0.50%이다.
Mn：2.00% 이하
망간(Mn)은 불가피하게 함유된다. 즉, Mn 함유량은 0% 초과이다. Mn은, 강재 중의 S와 결합하여 MnS를 형성하고, 강재의 열간 가공성을 높인다. Mn은 또한, 용접 시에 있어서 강재의 용접부를 탈산한다. Mn이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Mn 함유량이 2.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 사용 시에 있어서, 강재 중에 시그마상(σ상)이 생성되기 쉬워진다. σ상은, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 사용 시에 있어서의 강재의 인성 및 연성을 저하시킨다. 따라서, Mn 함유량은 2.00% 이하이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이고, 더욱 바람직하게는 0.10%이며, 더욱 바람직하게는 0.50%이고, 더욱 바람직하게는 1.00%이며, 더욱 바람직하게는 1.20%이고, 더욱 바람직하게는 1.30%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.80%이고, 더욱 바람직하게는 1.60%이며, 더욱 바람직하게는 1.55%이다.
P：0.045% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, P 함유량은 0% 초과이다. P는, 대입열 용접 시에 있어서, 강재의 입계에 편석한다. 그 결과, 강재의 내예민화 특성이 저하한다. P는 또한, 용접 시에 있어서, 강재의 용접 균열 감수성을 높인다. P 함유량이 0.045%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 내예민화 특성이 저하하여, 용접 균열 감수성이 높아진다. 따라서, P 함유량은 0.045% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.040%이고, 더욱 바람직하게는 0.035%이며, 더욱 바람직하게는 0.030%이다. P 함유량은 되도록 낮은 편이 바람직하다. 그러나, P 함유량의 과잉적인 저감은, 강재의 제조 비용을 인상한다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려하면, P 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 더욱 바람직하게는 0.002%이다.
S：0.0300% 이하
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, S 함유량은 0% 초과이다. S는, 고온 환경 하에서의 강재 사용 중에 있어서, 입계에 편석한다. 그 결과, 강재의 내예민화 특성이 저하한다. S는 또한, 용접 시에 있어서, 강재의 용접 균열 감수성을 높인다. S 함유량이 0.0300%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 내예민화 특성이 저하하여, 용접 균열 감수성이 높아진다. 따라서, S 함유량은 0.0300% 이하이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.0200%이고, 더욱 바람직하게는 0.0150%이며, 더욱 바람직하게는 0.0100%이고, 더욱 바람직하게는 0.0060%이며, 더욱 바람직하게는 0.0050%이고, 더욱 바람직하게는 0.0040%이며, 더욱 바람직하게는 0.0030%이다. S 함유량은 되도록 낮은 편이 바람직하다. 그러나, S 함유량의 과잉적인 저감은, 강재의 제조 비용을 인상한다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려하면, S 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이며, 더욱 바람직하게는 0.0002%이다.
Cr：15.00~25.00%
크롬(Cr)은, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재 사용 시에 있어서, 강재의 내(耐)산화성 및 내식성을 높인다. Cr 함유량이 15.00% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Cr 함유량이 25.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재 중의 오스테나이트의 안정성이 저하한다. 이 경우, 강재의 크리프 강도가 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 15.00~25.00%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 15.50%이고, 더욱 바람직하게는 16.00%이며, 더욱 바람직하게는 16.20%이고, 더욱 바람직하게는 16.40%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 24.00%이고, 더욱 바람직하게는 23.00%이며, 더욱 바람직하게는 22.00%이고, 더욱 바람직하게는 21.00%이며, 더욱 바람직하게는 20.00%이고, 더욱 바람직하게는, 19.00%이다.
Ni：9.00~20.00%
니켈(Ni)은 오스테나이트를 안정화하여, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다. Ni 함유량이 9.00% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Ni 함유량이 20.00%를 초과하면, 상기 효과가 포화하고, 또한, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Ni 함유량은 9.00~20.00%이다. Ni 함유량의 바람직한 하한은, 9.50%이고, 더욱 바람직하게는 9.80%이며, 더욱 바람직하게는 10.00%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 18.00%이고, 더욱 바람직하게는 16.00%이며, 더욱 바람직하게는 15.00%이고, 더욱 바람직하게는 14.50%이며, 더욱 바람직하게는 14.00%이고, 더욱 바람직하게는 13.50%이다.
N：0.05~0.15%
질소(N)는 매트릭스(모상)에 고용하여 오스테나이트를 안정화한다. N은 또한, 강재 중에 CrNb 질화물을 생성한다. CrNb 질화물은, 결정 입계의 총 면적을 증대한다. 그 때문에, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 조업했을 경우이어도, Cr 탄화물의 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. N 함유량이 0.05% 미만이면, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, N 함유량이 0.15%를 초과하면, 결정 입계에 Cr 질화물(Cr2N)이 생성된다. 이 경우, 강재 중의 고용 Cr량이 저감해 버리고, 그 결과, 강재의 내예민화 특성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.05~0.15%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.06%이고, 더욱 바람직하게는 0.07%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.14%이고, 더욱 바람직하게는 0.12%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이고, 더욱 바람직하게는 0.09%이다.
Nb：0.1~0.8%
니오븀(Nb)은, N과 함께, 오스테나이트 결정 입내에 CrNb 질화물을 생성하여, 결정 입계의 총 면적을 증대한다. 그 때문에, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 조업했을 경우이어도, Cr 탄화물의 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Nb는 또한, C와 결합하여 MX형의 Nb 탄화물을 생성한다. Nb 탄화물을 생성하여 C를 고정함으로써, 강재 중의 고용 C량이 저감한다. 이에 의해, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 사용 중에 있어서, 입계에서의 Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Nb 탄화물은 또한, 석출 강화에 의해, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다. Nb 함유량이 0.1% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Nb 함유량이 0.8%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, CrNb 질화물 및 Nb 탄화물이 과잉적으로 생성된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Nb 함유량은 0.1~0.8%이다. Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.2%이며, 더욱 바람직하게는 0.3%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.7%이고, 더욱 바람직하게는 0.6%이며, 더욱 바람직하게는 0.5%이고, 더욱 바람직하게는 0.4%이다.
Mo：0.10~4.50%
몰리브덴(Mo)은, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 사용 중에 있어서, 입계에서 M23C6형의 Cr 탄화물이 생성 및 성장하는 것을 억제한다. Mo는 또한, 고용 강화 원소로서, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다. Mo 함유량이 0.10% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Mo 함유량이 4.50%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 결정 입내에 있어서, LAVES상 등의 금속간 화합물의 생성을 촉진한다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Mo 함유량은 0.10~4.50%이다.
또한, 강재의 화학 조성에 있어서, Mo 이외의 다른 원소의 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 경우, Mo 함유량이 2.50% 이상이면 또한, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 사용되는 강재에 있어서, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높일 수 있다. 따라서, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 사용되는 강재에 있어서 충분한 내폴리티온산 SCC성 및 충분한 내나프텐산 부식성이 필요한 경우, Mo 함유량은 2.50~4.50%이다.
내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 특별히 요구되지 않는 용도에 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하는 경우, Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.15%이고, 더욱 바람직하게는 0.20%이며, 더욱 바람직하게는 0.25%이고, 더욱 바람직하게는 0.27%이며, 더욱 바람직하게는 0.30%이다.
내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 특별히 요구되지 않는 용도에 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하는 경우, Mo 함유량의 바람직한 상한은 2.50% 미만이고, 더욱 바람직하게는 2.45%이며, 더욱 바람직하게는 2.20%이고, 더욱 바람직하게는 2.00%이며, 더욱 바람직하게는 1.70%이고, 더욱 바람직하게는 1.50%이며, 더욱 바람직하게는 1.30%이고, 더욱 바람직하게는 1.00%이며, 더욱 바람직하게는 0.90%이고, 더욱 바람직하게는 0.80%이며, 더욱 바람직하게는 0.70%이고, 더욱 바람직하게는 0.60%이며, 더욱 바람직하게는 0.50%이다.
내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 요구되는 용도에 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하는 경우, Mo 함유량의 바람직한 하한은 상술과 같이 2.50%이고, 더욱 바람직하게는 2.70%이며, 더욱 바람직하게는 2.90%이고, 더욱 바람직하게는 3.00%이며, 더욱 바람직하게는 3.05%이고, 더욱 바람직하게는 3.10%이다. 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 요구되는 용도에 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하는 경우, Mo 함유량의 바람직한 상한은 4.30%이고, 더욱 바람직하게는 4.20%이며, 더욱 바람직하게는 4.15%이고, 더욱 바람직하게는 4.05%이며, 더욱 바람직하게는 3.95%이다.
W：0.01~1.00%
텅스텐(W)은, Mo와 동일하게, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 사용 중에 있어서, 입계에서의 M23C6형의 Cr 탄화물이 생성 및 성장하는 것을 억제한다. W는 또한, 고용 강화 원소로서, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다. W 함유량이 0.01% 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, W 함유량이 1.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 결정 입내에 있어서, LAVES상 등의 금속간 화합물의 생성을 촉진한다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, W 함유량은 0.01~1.00%이다. W 함유량의 바람직한 하한은 0.02%이고, 더욱 바람직하게는 0.04%이며, 더욱 바람직하게는 0.06%이고, 더욱 바람직하게는 0.08%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이다. W 함유량의 바람직한 상한은 0.80%이고, 더욱 바람직하게는 0.60%이며, 더욱 바람직하게는 0.40%이고, 더욱 바람직하게는 0.35%이며, 더욱 바람직하게는 0.30%이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
불순물 중, Sn, As, Zn, Pb 및 Sb의 함유량은 각각, 다음과 같다.
Sn：0~0.010%
As：0~0.010%
Zn：0~0.010%
Pb：0~0.010%
Sb：0~0.010%
주석(Sn), 비소(As), 아연(Zn), 납(Pb) 및 안티몬(Sb)은 모두, 불순물이다. Sn 함유량은 0%이어도 된다. 마찬가지로, As 함유량은 0%이어도 된다. Zn 함유량은 0%이어도 된다. Pb 함유량은 0%이어도 된다. Sb 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, 이들 원소는 모두, 입계에 편석하여 입계의 융점을 내리거나, 입계의 결합력을 저하하거나 한다. Sn 함유량이 0.010%를 초과하는 경우, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 열간 가공성 및 용접성이 저하한다. 마찬가지로, As 함유량이 0.010%를 초과하는 경우, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 열간 가공성 및 용접성이 저하한다. Zn 함유량이 0.010%를 초과하는 경우, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 열간 가공성 및 용접성이 저하한다. Pb 함유량이 0.010%를 초과하는 경우, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 열간 가공성 및 용접성이 저하한다. Sb 함유량이 0.010%를 초과하는 경우, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 열간 가공성 및 용접성이 저하한다. 따라서, Sn 함유량은 0~0.010%이다. As 함유량은 0~0.010%이다. Zn 함유량은 0~0.010%이다. Pb 함유량은 0~0.010%이다. Sb 함유량은 0~0.010%이다. Sn 함유량의 하한은 0% 초과이어도 되고, 0.001%이어도 된다. As 함유량의 하한은 0% 초과이어도 되고, 0.001%이어도 된다. Zn 함유량의 하한은 0% 초과이어도 되고, 0.001%이어도 된다. Pb 함유량의 하한은 0% 초과이어도 되고, 0.001%이어도 된다. Sb 함유량의 하한은 0% 초과이어도 되고, 0.001%이어도 된다.
[임의 원소에 대해]
[제1군 임의 원소]
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Ti, Ta, V, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 그 때문에, 고용 C를 저감하여, 강재의 내예민화 특성이 높아진다.
Ti：0~0.50%
티타늄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ti 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Ti는, 강재 중의 C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 이에 의해, Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Ti가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ti 함유량이 0.50%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 탄화물이 결정 입내에 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Ti 함유량은 0~0.50%이다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.45%이고, 더욱 바람직하게는 0.40%이며, 더욱 바람직하게는 0.35%이고, 더욱 바람직하게는 0.30%이다.
Ta：0~0.50%
탄탈(Ta)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ta 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Ta는, C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 이에 의해, Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Ta가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ta 함유량이 0.50%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 탄화물이 결정 입내에 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Ta 함유량은 0~0.50%이다. Ta 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이다. Ta 함유량의 바람직한 상한은 0.45%이고, 더욱 바람직하게는 0.40%이며, 더욱 바람직하게는 0.35%이고, 더욱 바람직하게는 0.30%이다.
V：0~1.00%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, V 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, V는, C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 이에 의해, Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. V가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, V 함유량이 1.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 탄화물이 결정 입내에 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, V 함유량은 0~1.00%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이고, 더욱 바람직하게는, 0.04%이며, 더욱 바람직하게는 0.06%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.80%이고, 더욱 바람직하게는 0.70%이며, 더욱 바람직하게는 0.50%이고, 더욱 바람직하게는 0.40%이며, 더욱 바람직하게는 0.35%이고, 더욱 바람직하게는 0.30%이다.
Zr：0~0.10%
지르코늄(Zr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Zr 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Zr은, C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 이에 의해, Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Zr이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Zr 함유량이 0.10%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 탄화물이 결정 입내에 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Zr 함유량은 0~0.10%이다. Zr 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이다. Zr 함유량의 바람직한 상한은 0.09%이고, 더욱 바람직하게는 0.08%이며, 더욱 바람직하게는 0.07%이고, 더욱 바람직하게는 0.06%이다.
Hf：0~0.10%
하프늄(Hf)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Hf 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Hf는, C와 결합하여 탄화물을 생성한다. 이에 의해, Cr 탄화물의 생성이 억제되어, 강재의 내예민화 특성이 높아진다. Hf가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Hf 함유량이 0.10%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 탄화물이 결정 입내에 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생하여, 용접 균열이나 취화 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Hf 함유량은 0~0.10%이다. Hf 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이다. Hf 함유량의 바람직한 상한은 0.09%이고, 더욱 바람직하게는 0.08%이며, 더욱 바람직하게는 0.07%이고, 더욱 바람직하게는 0.06이다.
[제2군 임의 원소]
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Cu 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다.
Cu：0~2.00%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Cu는 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Cu는 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 사용 중에 있어서, 입내에 Cu상으로서 석출되고, 석출 강화에 의해 강재의 크리프 강도를 높인다. Cu가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Cu 함유량이 2.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, Cu상이 과잉적으로 석출된다. 이 경우, 용접 후의 HAZ에서의 취화 균열 감수성이 높아진다. 따라서, Cu 함유량은 0~2.00%이다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.03%이고, 더욱 바람직하게는 0.05%이며, 더욱 바람직하게는 0.10%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 1.50%이고, 더욱 바람직하게는 1.00%이며, 더욱 바람직하게는 0.80%이고, 더욱 바람직하게는 0.60%이다.
Co：0~1.00%
코발트(Co)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Co 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Co는 오스테나이트를 안정화하여, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 크리프 강도를 높인다. Co는 또한, W와 동일하게, 강재의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. Co가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Co 함유량이 1.00%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 원료 비용이 높아진다. 따라서, Co 함유량은 0~1.00%이다. Co 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.05%이고, 더욱 바람직하게는 0.10%이며, 더욱 바람직하게는 0.20%이다. Co 함유량의 바람직한 상한은 0.90%이고, 더욱 바람직하게는 0.80%이며, 더욱 바람직하게는 0.70%이고, 더욱 바람직하게는 0.60%이다.
[제3군 임의 원소]
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Al을 함유해도 된다. Al은 제강 공정에 있어서, 강을 탈산한다.
sol.Al：0~0.030%
알루미늄(Al)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Al 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Al은 제강 공정에 있어서, 강을 탈산한다. Al이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, sol.Al 함유량이 0.030%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 강재의 가공성 및 연성이 저하한다. 따라서, sol.Al 함유량은 0~0.030%이다. sol.Al 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.001%이며, 더욱 바람직하게는 0.005%이고, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. sol.Al 함유량의 바람직한 상한은 0.029%이고, 더욱 바람직하게는 0.028%이며, 더욱 바람직하게는 0.025%이다. 본 실시 형태에 있어서 sol.Al 함유량은, 산가용 Al(sol.Al)의 함유량을 의미한다.
[제4군 임의 원소]
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, B를 함유해도 된다. B는, 입계에 편석하여 입계를 강화한다.
B：0~0.0100%
붕소(B)는, 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, B 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, B는, 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재의 사용 중에 있어서, 입계에 편석하여, 입계 강도를 높인다. B가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, B 함유량이 0.0100%를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이어도, 입계에서의 Cr 탄화물의 생성을 촉진한다. 그 때문에, 강재의 내예민화 특성이 저하한다. B 함유량이 0.0100%를 초과하면 또한, 입계의 융점이 저하하고, 용접 시에 있어서, HAZ의 입계에서 액화 균열이 발생한다. 따라서, B 함유량은 0~0.0100%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.0001%이며, 더욱 바람직하게는 0.0005%이고, 더욱 바람직하게는 0.0010%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0050%이고, 더욱 바람직하게는 0.0040%이며, 더욱 바람직하게는 0.0030%이고, 더욱 바람직하게는 0.0020%이다.
[제5군 임의 원소]
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부를 대신하여, Ca, Mg 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1원소 또는 2원소 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 강재의 열간 가공성을 높인다.
Ca：0~0.0200%
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ca 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Ca는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 강재의 열간 가공성을 높인다. Ca는 또한, S를 고정하여, S의 입계 편석을 억제한다. 이에 의해, 용접 시의 HAZ의 취화 균열이 저감한다. Ca가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ca 함유량이 0.0200%를 초과하면, 강재의 청정성이 저하하여, 강재의 열간 가공성이 오히려 저하한다. 따라서, Ca 함유량은 0~0.0200%이다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.0001%이며, 더욱 바람직하게는 0.0002%이고, 더욱 바람직하게는 0.0005%이다. Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0150%이고, 더욱 바람직하게는 0.0100%이며, 더욱 바람직하게는 0.0080%이고, 더욱 바람직하게는 0.0050%이며, 더욱 바람직하게는 0.0040%이다.
Mg：0~0.0200%
마그네슘(Mg)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mg 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, Mg는, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 강재의 열간 가공성을 높인다. Mg는 또한, S를 고정하여, S의 입계 편석을 억제한다. 이에 의해, 용접 시의 HAZ의 취화 균열을 저감한다. Mg가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Mg 함유량이 0.0200%를 초과하면, 강재의 청정성이 저하하여, 강재의 열간 가공성이 오히려 저하한다. 따라서, Mg 함유량은 0~0.0200%이다. Mg 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.0001%이며, 더욱 바람직하게는 0.0002%이고, 더욱 바람직하게는 0.0005%이다. Mg 함유량의 바람직한 상한은 0.0150%이고, 더욱 바람직하게는 0.0100%이며, 더욱 바람직하게는 0.0080%이고, 더욱 바람직하게는 0.0050%이며, 더욱 바람직하게는 0.0040%이다.
희토류 원소：0~0.100%
희토류 원소(REM)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, REM 함유량은 0%이어도 된다. 함유되는 경우, REM은, O(산소) 및 S(황)를 개재물로서 고정하여, 모재의 열간 가공성 및 크리프 연성을 높인다. 그러나, REM 함유량이 너무 높으면, 모재의 열간 가공성 및 크리프 연성이 저하한다. 따라서, REM 함유량은 0~0.100%이다. REM 함유량의 바람직한 하한은 0% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.001%이며, 더욱 바람직하게는 0.002%이다. REM 함유량의 바람직한 상한은 0.080%이며, 더욱 바람직하게는 0.060%이다.
본 명세서에 있어서의 REM은, Sc, Y, 및, 란타노이드(원자 번호 57번의 La~71번의 Lu)의 적어도 1원소 또는 2원소 이상을 함유하고, REM 함유량은, 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다.
[식 (1)에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
F1=21.9Mo+5.9W-5.0으로 정의한다. F1은, 강재 중의 M23C6형의 Cr 탄화물의 생성량의 지표이다. Mo 및 W는 모두, Cr 탄화물의 M 사이트의 Cr과 치환하고, Cr 탄화물의 자유 에너지를 떨어뜨린다. 따라서, Mo 및 W는, Cr 탄화물의 생성을 억제한다. 또한, Mo 및 W의 확산 속도는, Cr의 확산 속도보다 느리다. 그 때문에, M 사이트의 Cr이 Mo 또는 W로 치환된 Cr 탄화물의 성장 속도는 느려진다.
F1이 0 이상이면, Cr 탄화물의 생성을 억제하는 것이 가능한 양의 Mo 및 W가 충분히 함유되어 있다. 그 때문에, 용접 시 및 400~700℃의 평균 조업 온도에서의 강재 사용 시에 있어서의 Cr 탄화물의 생성 및 성장을 충분히 억제할 수 있다. 그 결과, 강재에 대해 대입열 용접을 실시한 후, 강재를 상술의 평균 조업 온도에서 장시간 조업했을 경우이어도, 뛰어난 내예민화 특성이 얻어진다. F1의 바람직한 하한은 0.1이고, 더욱 바람직하게는 0.2이며, 더욱 바람직하게는 0.5이고, 더욱 바람직하게는 1.0이며, 더욱 바람직하게는 1.5이고, 더욱 바람직하게는 2.0이다. F1의 상한은 특별히 한정되지 않는데, 화학 조성 중의 Mo의 최대 함유량 및 W의 최대 함유량을 고려하면, 99.45이다. F1은, 얻어진 수치의 소수 제2위를 반올림하여 얻어진 값(즉, F1은 소수 제1위)으로 한다.
[오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성 분석 방법]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성은, 주지의 성분 분석법에 의해 구할 수 있다. 구체적으로는, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강관인 경우, 드릴을 이용하여, 두께 중앙 위치에서 천공 가공하여 절분을 생성하고, 그 절분을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강판인 경우, 드릴을 이용하여, 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치에서 천공 가공하여 절분을 생성하고, 그 절분을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 봉강인 경우, 드릴을 이용하여 R/2 위치에서 천공 가공하여 절분을 생성하고, 그 절분을 채취한다. 여기서, R/2 위치란, 봉강의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의, 반경 R의 중앙 위치를 의미한다.
채취된 절분을 산에 용해시켜 용액을 얻는다. 용액에 대해, ICP-OES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry)를 실시하여, 화학 조성의 원소 분석을 실시한다. C 함유량 및 S 함유량에 대해서는, 주지의 고주파 연소법에 의해 구한다. 구체적으로는, 상기 용액을 산소 기류 중에서 고주파 가열에 의해 연소하고, 발생한 이산화탄소, 이산화황을 검출하여, C 함유량 및 S 함유량을 구한다. 이상의 분석법에 의해, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성을 구할 수 있다.
[오스테나이트계 스테인리스 강재 중의 석출물(잔사)에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에서는, 또한, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이다.
여기서, 「잔사 중의 Nb 함유량」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량(추출 잔사법으로 본 전해된 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량)에 대한, 잔사 중의 Nb 함유량의 질량의 비율(질량%)을 의미한다. 「잔사 중의 Cr 함유량」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량(추출 잔사법으로 본 전해된 오스테나이트계 스테인리스 강재의 질량)에 대한, 잔사 중의 Cr 함유량의 질량의 비율(질량%)을 의미한다.
추출 잔사법에 의해 추출된 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하인 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재 중의 석출물 중 CrNb 질화물이 차지하는 비율이 많아진다. 즉, 추출 잔사법에 의해 추출된 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하인 경우, CrNb 질화물 이외의 석출물(Cr 탄화물, Cr2N, 그 외의 탄화물, 질화물, 및, 탄질화물 등)의 양은, CrNb 질화물의 양에 대해 충분히 적은 것을 의미한다.
잔사 중의 Nb 함유량이 0.050% 미만인 경우, 강재 중에 CrNb 질화물이 충분히 석출되어 있지 않는 것을 의미한다. 이 경우, 대입열 용접 후의 강재를 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우, 충분한 내예민화 특성을 얻을 수 없다.
한편, 잔사 중의 Nb 함유량이 0.267%를 초과하는 경우, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 0.125%를 초과하는 경우, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 사용하기 전의 강재 중에, 이미, 입계에, 다수의 또는 조대한 CrNb 질화물 또는 다른 석출물이 생성되어 있는 것을 의미한다. 그 때문에, 대입열 용접 후의 강재를 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우, Cr 결핍 영역이 과잉적으로 발생해 버리고, 그 결과, 충분한 내예민화 특성을 얻을 수 없다.
추출 잔사법에 의해 추출되는 잔사에 있어서, Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.052%이고, 더욱 바람직하게는 0.054%이며, 더욱 바람직하게는 0.055%이다. 잔사에 있어서의 Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.265%이고, 더욱 바람직하게는 0.263%이며, 더욱 바람직하게는 0.260%이고, 더욱 바람직하게는 0.250%이며, 더욱 바람직하게는 0.240%이다.
추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Cr 함유량의 바람직한 상한은 0.120%이고, 더욱 바람직하게는 0.110%이며, 더욱 바람직하게는 0.100%이고, 더욱 바람직하게는 0.090%이며, 더욱 바람직하게는 0.080%이다. Cr 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않는다. Cr 함유량의 바람직한 하한은, 0.001%이고, 더욱 바람직하게는 0.003%이며, 더욱 바람직하게는 0.005%이다.
[잔사 중의 화학 조성의 측정 방법]
잔사 중의 Nb 함유량 및 Cr 함유량은 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강재로부터, 시험편을 채취한다. 시험편의 길이 방향에 수직인 단면은, 원형이어도 직사각형이어도 된다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강관인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강관의 두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강판인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강판의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강판의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 봉강인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 봉강의 R/2 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 봉강의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다.
채취한 시험편의 표면을, 예비의 전해 연마로 50μm 정도 연마하여 신생면을 얻는다. 전해 연마한 시험편을, 전해액(10% 아세틸아세톤+1% 테트라암모늄+메탄올)으로 전해(본 전해)한다. 본 전해 후의 전해액을 0.2μm의 필터를 통해 잔사를 포착한다. 얻어진 잔사를 산분해하고, ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석으로, 잔사 중의 Nb 질량, 및, 잔사 중의 Cr 질량을 구한다. 또한, 본 전해된 모재(오스테나이트계 스테인리스 강재)의 질량을 구한다. 구체적으로는, 본 전해 전의 시험편의 질량과, 본 전해 후의 시험편의 질량을 측정한다. 그리고, 본 전해 전의 시험편의 질량으로부터 본 전해 후의 시험편의 질량을 뺀 값을, 본 전해된 모재 질량으로 정의한다.
잔사 중의 Nb 질량을 본 전해된 모재 질량으로 나누어, 잔사 중의 Nb 함유량(질량%)을 구한다. 즉, 다음의 식 (i)에 의거하여, 잔사 중의 Nb 함유량(질량%)을 구한다. 또한, 잔사 중의 Cr 질량을 본 전해된 모재 질량으로 나누어, 잔사 중의 Cr 함유량(질량%)을 구한다. 즉, 다음의 식 (ii)에 의거하여, 잔사 중의 Cr 함유량(질량%)을 구한다.
잔사 중의 Nb 함유량=잔사 중의 Nb 질량/모재 질량×100 (i)
잔사 중의 Cr 함유량=잔사 중의 Cr 질량/모재 질량×100 (ii)
이상과 같이, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족한다. 또한, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이다. 그 때문에, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 시간에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다.
여기서, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 시간에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다는 것은, 다음의 사항을 의미한다.
오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 각(角) 형상 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강관인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강관의 두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, 각 형상 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강판인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강판의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강판의 길이 방향이 되도록, 각 형상 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 봉강인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 봉강의 R/2 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 봉강의 길이 방향이 되도록, 각 형상 시험편을 채취한다.
각 형상 시험편의 길이는 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 100mm이다. 각 형상 시험편의 길이 방향에 수직인 단면(횡단면)은, 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 10mm×10mm의 직사각형이다.
고주파 열 사이클 장치를 이용하여, 각 형상 시험편에 대해 다음의 열 이력을 부여한다. 구체적으로는, 각 형상 시험편의 길이 방향의 중앙 위치의 소정 폭(예를 들면, 10mm)을 갖는 중앙 부분을, 대기 중에서 상온으로부터 70~100℃/초에서 1350~1400℃까지 승온한다. 또한 승온한 온도에서 1~60초 유지한다. 그 후, 각 형상 시험편을 20℃/초의 냉각 속도로 상온까지 냉각한다. 이상의 열 이력을 각 형상 시험편에 부여함으로써, 대입열 용접 이음 모의 시험편을 제작한다.
대입열 용접 이음 모의 시험편을 이용하여, 다음에 나타내는 장시간 예민화 처리를 실시한다. 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로에 장입(裝入)한다. 열처리로에 있어서, 대입열 용접 이음 모의 시험편을 대기 중, 대기압에서, 550℃에서 10000시간 유지한다(예민화 처리). 10000시간 경과 후의 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로로부터 추출하여, 방랭한다.
장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편에 대해, 다음의 스트라우스 시험, 및, 재활성화율 측정 시험을 실시한다.
[스트라우스 시험(황산·황산구리 부식 시험)]
ASTM A262-15 PRACTICE E에 준거한 스트라우스 시험을 다음과 같이 실시한다. 장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편으로부터, 중앙 부분이 판 형상 시험편의 길이 방향의 중앙 위치에 오도록, 판 형상 시험편을 채취한다. 판 형상 시험편의 사이즈는 특별히 한정되지 않는다. 판 형상 시험편의 사이즈는 예를 들면, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 80mm이다. 판 형상 시험편을, 16% 황산을 함유하는 황산구리 시험액 중에 침지하고, 15시간 비등한다. 그 후, 판 형상 시험편을 황산구리 시험액으로부터 꺼낸다. 꺼낸 판 형상 시험편에 대해, 굽힘 시험을 실시한다. 굽힘 시험에서는, 대기 중에 있어서, 대입열 용접 이음 모의 시험편의 길이 방향 중앙 위치를 중심으로서, 판 형상 시험편을 180° 굽힌다. 굽힌 시험편의 굽힘부를 절단한다. 절단면을 20배의 광학 현미경으로 관찰한다. 균열이 관찰되었을 경우, 균열의 길이를 구한다. 균열이 관찰되지 않았을 경우, 또는, 균열이 관찰되어도, 균열의 길이가 100μm 이하인 경우, 내예민화 특성이 뛰어나다고 판단한다.
[재활성화율 측정 시험]
장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편을 이용하여, ASTM G108-94에 준거한 전기 화학적 재활성화율 측정 시험(Electrochemical Reactivation test)을 실시한다. 구체적으로는, 장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편의 중앙 부분(대입열이 가해진 부분)으로부터 판 형상 시험편을 채취한다. 채취한 판 형상 시험편 내에 있어서, 평가 면적 100mm2의 표면 부분 이외의 영역을 마스킹한다. 마스킹된 판 형상 시험편을 전극으로서, 온도 30℃, 용량 200cm3의 0.5mol 황산+0.01mol 티오시안산칼륨 용액에 침지한다. 다음에, 판 형상 시험편에 대해, 분극 속도 100mV/분의 직선 분극으로, 자연 전위로부터 300mV까지 귀(貴)방향으로 주사한다. 포화 칼로멜 전극 기준으로 300mV에 도달 후, 즉시 원래의 자연 전위까지 비(卑)방향으로 주사한다. 귀방향(왕로)으로의 전압 인가 시에 흐른 전류를 측정한다. 그리고, 비방향(귀로)으로의 전압 인가 시에 흐른 전류를 측정한다. 얻어진 전류값에 의거하여, 재활성화율(%)을 다음과 같이 정의한다.
재활성화율=(귀로의 최대 애노드 전류/왕로의 최대 애노드 전류)×100
재활성화율이 낮을수록, 예민화도(Degree Of Sensitization：DOS)가 낮고, 내예민화 특성이 높다. 재활성화율이 10% 이하인 경우, 내예민화 특성이 뛰어나다고 판단한다.
장시간 예민화 처리된 대입열 용접 이음 모의 시험편에 있어서, ASTM A262-15 PRACTICE E에 준거한 스트라우스 시험에 있어서 균열이 관찰되지 않는, 또는, 균열이 관찰되어도 균열의 길이가 100μm 이하이고, 또한, ASTM G108-94에 준거한 전기 화학적 재활성화율 측정 시험으로 얻어진 재활성화율이 10% 이하인 경우, 대입열 용접 후에 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 사용한 후이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다고 판단한다.
[내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 높인 강재에 대해]
최근의 가솔린 가격의 저하에 수반하여, 화학 플랜트 설비에서는, 나프텐산을 함유하는 저가격의 저품위 원유의 사용 비율이 높아지고 있다. 따라서, 화학 플랜트 설비에 이용되는 강재에서는, 뛰어난 내나프텐산 부식성이 요구되는 경우가 있다. 또, 상압 증류 장치나 감압 증류 장치의 가열로관 등에 이용되는 강재에서는, 증류 공정에서 발생하는 다량의 코크스의 부착을 억제하기 위해, 원유 중에 황이 함유된다. 원유에 함유되는 황에 의해, 코크스의 부착은 억제된다. 그러나, 원유에 함유되는 황에 의해, 강재에 폴리티온산 응력 부식 균열(이하, 폴리티온산 SCC라고도 한다)이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 화학 플랜트 설비에 사용되는 강재에서는, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성도 요구되는 경우가 있다.
충분한 내폴리티온산 SCC성 및 충분한 내나프텐산 부식성을 얻는 경우, 바람직하게는, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는 추가로, 다음의 요건을 만족한다.
(I) Mo 함유량이 2.50~4.50%이고, 또한, Co 함유량이 0.01~1.00%이다.
(II) 강재의 화학 조성이, 식 (2) 및 식 (3)을 만족한다.
2≤73W+5Co≤60 (2)
0.20≤Nb+0.1W≤0.58 (3)
(III) 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이며, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하이다.
이하, (I)~(III)에 대해 설명한다.
[(I)에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성에 있어서, Mo 함유량이 2.50% 이상인 경우, 상술과 같이, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 것을 전제로서, 뛰어난 내나프텐산 부식성이 얻어진다. 또한, W 및 Co는, 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 따라서, 충분한 내폴리티온산 SCC성 및 충분한 내나프텐산 부식성을 얻는 것을 목적으로 했을 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서, Mo 함유량은 2.50~4.50%이고, 또한, Co 함유량은 0.01~1.00%이다.
[(II)에 대해]
강재의 화학 조성은 추가로, 식 (2) 및 식 (3)을 만족한다.
2≤73W+5Co≤60 (2)
0.20≤Nb+0.1W≤0.58 (3)
여기서, 식 (2) 및 식 (3) 중의 각 원소 기호에는, 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
이하, 식 (2) 및 식 (3)에 대해 설명한다.
[식 (2)에 대해]
F2=73W+5Co로 정의한다. F2는 내폴리티온산 SCC성과, 대입열 용접 시의 내액화 균열성에 관한 지표이다. F2가 2 미만이면, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성 중의 W 및 Co의 총 함유량이 충분하지 않다. 이 경우, 강재의 내폴리티온산 SCC성이 저하한다. 한편, F2가 60을 초과하면, Mo 함유량이 2.50% 이상인 경우에, W 및 Co가 LAVES상 등의 금속간 화합물의 생성을 촉진한다. 이 경우, 금속간 화합물이 과잉적으로 생성된다. 그 때문에, 결정 입내의 강도가 과잉적으로 높아져, 결정 입내와 결정 입계의 강도차가 커진다. 그 때문에, 입계면에서 응력 집중이 발생한다. 그 결과, 대입열 용접 시에 있어서, 내액화 균열성이 저하한다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성에 있어서, Mo 함유량이 2.50~4.50%이고, 또한, Co 함유량이 0.01~1.00%이며, 또한, F2가 2~60이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 것을 전제로서, 충분한 내폴리티온산 SCC성이 얻어지고, 또한, 대입열 용접 시에 액화 균열의 발생을 억제할 수 있다. F2의 바람직한 하한은 3이고, 더욱 바람직하게는 4이며, 더욱 바람직하게는 5이다. F2의 바람직한 상한은 58이고, 더욱 바람직하게는 55이며, 더욱 바람직하게는 53이고, 더욱 바람직하게는 50이다. F2는, 얻어진 수치의 소수 제1위를 반올림하여 얻어진 값으로 한다.
[식 (3)에 대해]
F3=Nb+0.1W로 정의한다. F3은 유효 Nb량을 의미한다. Nb 및 W는 모두, C와 결합하여 탄화물을 생성하고, 강재 중의 고용 C량을 저감한다. 이에 의해, 강재 중에 Cr 탄화물이 생성되는 것을 억제하여, 강재의 내폴리티온산 SCC성을 높인다. 그러나, 강재 중의 N 함유량이 0.05~0.15%인 경우, Nb 및 W의 총 함유량이 너무 높으면, Laves상으로 대표되는 Nb 석출물이 과잉적으로 생성되어 버린다. 이 경우, 대입열 용접 시에 있어서, HAZ에서의 액화 균열이 발생하여, 내액화 균열성이 저하하는 경우가 있다.
F3이 0.20 미만이면, Cr 탄화물의 생성을 충분히 억제할 수 없어, 강재의 내폴리티온산 SCC성이 저하한다. 한편, F3이 0.58을 초과하면, Laves상으로 대표되는 Nb 석출물이 과잉적으로 생성되고, 대입열 용접 시에 있어서, HAZ에서의 액화 균열이 발생할 수 있다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서 또한, 상기 (I) 및 (II)를 만족하는 경우, 즉, F3이 0.20~0.58%이면, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성이 얻어지고, 또한, 대입열 용접 시에 있어서, HAZ에서의 액화 균열을 억제할 수 있다.
F3의 바람직한 하한은 0.22이고, 더욱 바람직하게는 0.24이며, 더욱 바람직하게는 0.26이다. F3의 바람직한 상한은 0.56이고, 더욱 바람직하게는 0.54이며, 더욱 바람직하게는 0.50이고, 더욱 바람직하게는 0.48이며, 더욱 바람직하게는 0.45이다. F3은, 얻어진 수치의 소수 제3위를 반올림하여 얻어진 값으로 한다.
[(III)에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재가 (I) 및 (II)를 만족하는 경우, 또한, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이며, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하이면, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성이 얻어진다.
추출 잔사법에 의해 추출된 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하이면, 오스테나이트계 스테인리스 강재 중의 석출물 중 CrNb 질화물이 차지하는 비율이 충분히 많아, 입계 면적이 충분히 증대하기 때문에, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성이 얻어진다.
잔사 중의 Nb 함유량이 0.065% 미만인 경우, 충분한 내폴리티온산 SCC성이 얻어질 정도로 강재 중에 CrNb 질화물이 충분히 석출되지 않은 것을 의미한다. 이 경우, 대입열 용접 후의 강재를 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우, 충분한 내폴리티온산 SCC성을 얻을 수 없다.
한편, 잔사 중의 Nb 함유량이 0.245%를 초과하는 경우, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 0.104%를 초과하는 경우, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 사용하기 전의 강재 중에, 이미, 입계에, 내폴리티온산 SCC성을 저하시켜 버릴 정도로 다수의 또는 조대한 CrNb 질화물이 생성되어 있는 것을 의미한다. 그 때문에, 대입열 용접 후의 강재를 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장시간 유지했을 경우, 충분한 내폴리티온산 SCC성을 얻을 수 없다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서, (I) 및 (II)를 만족하고, 또한, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이며, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하이면, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 얻어진다.
추출 잔사법에 의해 추출되는 잔사 중의 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.070%이고, 더욱 바람직하게는 0.075%이며, 더욱 바람직하게는 0.085%이고, 더욱 바람직하게는 0.090%이다. 잔사에 있어서의 Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.240%이고, 더욱 바람직하게는 0.235%이며, 더욱 바람직하게는 0.230%이다.
추출 잔사법에 의해 추출되는 잔사 중의 Cr 함유량의 바람직한 상한은 0.100%이고, 더욱 바람직하게는 0.095%이며, 더욱 바람직하게는 0.090%이고, Cr 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않는다. Cr 함유량의 바람직한 하한은, 0.001%이고, 더욱 바람직하게는 0.003%이며, 더욱 바람직하게는 0.005%이다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하며, 또한, 상술의 (I)~(III)을 만족하면, 뛰어난 내나프텐산 부식성, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성, 및 뛰어난 내액화 균열성이 얻어진다. 여기서, 뛰어난 내나프텐산 부식성, 뛰어난 내폴리티온산 SCC성, 및 뛰어난 내액화 균열성이란, 다음의 사항을 의미한다.
[내나프텐산 부식성]
오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강관인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강관의 두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 강판인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 강판의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 강판의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재가 봉강인 경우, 시험편의 길이 방향에 수직인 단면의 중심이 봉강의 R/2 위치가 되고, 시험편의 길이 방향이 봉강의 길이 방향이 되도록, 시험편을 채취한다. 시험편의 사이즈는 특별히 한정되지 않는다. 시험편의 사이즈는 예를 들면, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 30mm이다. 채취한 시험편을, 상압 하에 있어서, 200℃의 100% 시클로헥산카복실산 용액에 720시간 침지한다. 720시간 침지 후, 아세톤을 이용하여 시험편을 3분간 초음파 세정한다.
시험 전의 시험편의 질량과, 초음파 세정 후의 시험편의 질량의 차를 부식 감량으로서 산출한다. 또한, 시험편의 표면적, 비중, 및, 시험 시간으로부터 부식 속도(mm/년)를 구한다. 부식 속도가 0.01mm/년 이하인 경우, 내나프텐산 부식성이 뛰어나다고 판단한다.
[내폴리티온산 SCC성]
상술의 내예민화 특성의 평가 시험과 동일한 대입열 용접 이음 모의 시험편을 제작한다. 대입열 용접 이음 모의 시험편에 대해, 상술의 장시간 예민화 처리를 실시한다. 장시간 예민화 처리 후의 대입열 용접 이음 모의 시험편으로부터, 중앙 부분이 판 형상 시험편의 길이 방향의 중앙 위치에 오도록, 판 형상 시험편을 채취한다. 판 형상 시험편의 사이즈는 특별히 한정되지 않는다. 판 형상 시험편의 사이즈는 예를 들면, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 75mm이다. 채취한 판 형상 시험편을 이용하여, 내폴리티온산 SCC성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시한다. 판 형상 시험편을, 내측 반경 5mm의 펀치 둘레로 굽혀 U벤드형으로 한다. U벤드형의 시험편을, 황산을 이용하여 PH=2로 조정한 1% K2S4O6 용액 중에 상온에서 100시간 침지한다. 침지 후의 시험편에 있어서, 굽힌 시험편의 굽힘부를, 길이 방향에 수직인 방향으로 절단하고, 절단면을 20배의 광학 현미경으로 관찰한다. 균열이 관찰되었을 경우, 절단면에 있어서의 균열의 깊이를 구한다. 균열이 관찰되지 않았을 경우, 또는, 균열이 관찰되지만, 균열의 깊이가 20μm 미만인 경우, 내폴리티온산 SCC성이 뛰어나다고 판단한다.
[내액화 균열성 평가 시험]
대입열 용접 이음 모의 시험편의 길이 방향의 중앙 위치에서, 길이 방향에 수직인 방향으로 절단한다. 절단면을 관찰면으로 한다. 관찰면을 혼산으로 에칭한다. 에칭된 관찰면의 임의의 3시야(각 시야는 250μm×250μm)를, 400배의 광학 현미경으로 관찰한다. 관찰된 3시야에 있어서, 입계에서의 부분 용융흔의 유무를 판단한다.
3시야의 절단면에 있어서, 입계에 발생한 부분 용융흔 중, 길이가 25μm 이상의 부분 용융흔이 관찰되지 않았을 경우, 또는, 길이가 25μm 이상의 부분 용융흔은 관찰되지만, 길이가 50μm 이상의 부분 용융흔이 관찰되지 않는 경우, 내액화 균열성이 높다고 판단한다.
[본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 형상]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 강관이어도 되고, 강판이어도 되며, 봉강이어도 된다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 단조품이어도 되고, 주조품이어도 된다.
[본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 용도에 대해]
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 사용되는 장치 용도에 적합하다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는 특히, 대입열 용접이 실시된 후, 400~700℃의 평균 조업 온도에서 장기간 사용되는 장치 용도에 적합하다. 400~700℃는 평균의 조업 온도이며, 일시적으로 조업 온도가 700℃를 초과하는 경우가 있어도, 평균의 조업 온도가 400~700℃이면, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 사용에 적합하다. 이러한 장치의 최고 도달 온도는 750℃이어도 된다. 이러한 장치는 예를 들면, 석유 정제나 석유 화학으로 대표되는 화학 플랜트 설비의 장치이다. 이러한 장치는 예를 들면, 가열로관, 조, 배관 등을 구비한다. 또, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재를, 평균 조업 온도가 400℃ 미만의 화학 플랜트 설비에 이용해도 된다.
본 실시 형태의 강재가 상기 (I)~(III)을 만족하는 경우, 즉, 화학 조성에 있어서, Mo：2.50~4.50%, 및, Co：0.01~1.00%를 함유하고, 또한, 식 (2) 및 식 (3)을 만족하며, 또한, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하인 경우, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 요구되는 화학 플랜트 설비 용도에 적합하다.
또한, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 화학 플랜트 설비 이외의 다른 설비에도 당연히 사용 가능하다. 화학 플랜트 설비 이외의 다른 설비는 예를 들면, 화학 플랜트 설비와 동일하게 400~700℃ 정도의 평균 조업 온도에서의 사용이 상정되는, 화력 발전 보일러 설비(예를 들면 보일러 튜브 등) 등이다.
[본 실시 형태의 용접 이음에 대해]
도 1은, 본 실시 형태의 용접 이음의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 1을 참조하고, 본 실시 형태에 의한 용접 이음(1)은, 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재(100)와, 용접 금속(200)을 구비한다. 용접 금속(200)은, 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재(100) 사이에 배치되어 있다. 용접 금속(200)은, 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재(100) 사이에 형성되어 있으며, 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재(100)와 연결되어 있다. 이후의 설명에서는, 오스테나이트계 스테인리스 강재(100)를 「모재」(100)라고도 한다.
한 쌍의 모재(100)의 단부는 예를 들면, 개선 가공되어 있다. 용접 금속(200)은, 단부가 개선 가공된 한 쌍의 모재(100)의 단부끼리 맞댄 후, 일층 용접 또는 다층 용접을 실시하여 형성된다. 용접 방법은 예를 들면, 티그 용접(Gas Tungsten Arc Welding：GTAW), 피복 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding：SMAW), 플럭스 함유 와이어 아크 용접(Flux Cored Arc Welding：FCAW), 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding：GMAW), 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding：SAW)이다.
도 1에 있어서, 용접 금속(200)이 연장되는 방향을 용접 금속 연장 방향 L로 정의한다. 용접 금속 연장 방향 L과 수직인 방향을 용접 금속 폭방향 W로 정의한다. 용접 금속 연장 방향 L 및 용접 금속 폭방향 W와 수직인 방향을 용접 금속 두께 방향 T로 정의한다. 도 2는, 도 1의 용접 이음(1)을 용접 금속 폭방향 W로 절단한 단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 용접 금속(200)은, 한 쌍의 모재(100) 사이에 형성(배치)되어 있다.
도 3은, 도 1의 용접 이음(1)을 용접 금속 연장 방향 L로 절단한 단면도이며, 도 4는, 도 3과 상이한, 용접 이음(1)을 용접 금속 연장 방향 L로 절단한 단면도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 모재(100)는 강판이어도 된다. 또, 도 4에 나타내는 바와 같이, 모재(100)의 길이 방향에 수직인 단면은 원 형상의 관(즉 강관)이어도 된다. 도시하지 않지만, 모재(100)는 봉강이어도 된다.
[모재(100)에 대해]
한 쌍의 모재(100) 각각은, 상술의 뛰어난 내폴리티온산 SCC성 및 뛰어난 내나프텐산 부식성을 갖는 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재이다. 즉, 모재(100)는, 화학 조성이, 질량%로, C：0.020% 이하, Si：1.50% 이하, Mn：2.00% 이하, P：0.045% 이하, S：0.0300% 이하, Cr：15.00~25.00%, Ni：9.00~20.00%, N：0.05~0.15%, Nb：0.1~0.8%, Mo：2.50~4.50%, W：0.01~1.00%, Ti：0~0.50%, Ta：0~0.50%, V：0~1.00%, Zr：0~0.10%, Hf：0~0.10%, Cu：0~2.00%, Co：0.01~1.00%, sol.Al：0~0.030%, B：0~0.0100%, Ca：0~0.0200%, Mg：0~0.0200%, 희토류 원소：0~0.100%, Sn：0~0.010%, As：0~0.010%, Zn：0~0.010%, Pb：0~0.010%, Sb：0~0.010%, 및, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~식 (3)을 만족하고, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이며, Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하이다.
[용접 금속(200)에 대해]
용접 금속(200)의 화학 조성은, 특별히 한정되지 않는다. 용접 금속(200)은, 주지의 용접 재료를 사용하여 형성하면 된다. 주지의 용접 재료는 예를 들면, AWS A5.9에 준거한, 규격명：ER NiCrCoMo-1, ER NiCrMo-3, NiCrCoMo-1, 22Cr-12Co-1Al-9Mo-Ni, NiCrMo-3, 22Cr-8Mo-3.5Nb-Ni 등이다.
[용접열 영향부(HAZ)에서의 평균 결정 입경 R1 및 HAZ 이외의 부분의 평균 결정 입경 R2의 바람직한 범위에 대해]
도 5는, 본 실시 형태의 용접 이음(1)에 있어서, 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하고, 용접 이음(1)의 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면에서는, 모재(오스테나이트계 스테인리스 강재)(100)는, 용접열 영향부(HAZ)(101)와, HAZ(101) 이외의 부분(102)을 포함한다. HAZ(101)는, 모재(100) 중, 용접 금속(200)의 용융선(200E)과 인접한 영역이며, 용접 시의 열영향을 받고 있는 부분이다. 한편, 모재(100) 중, HAZ(101) 이외의 부분을, 통상부(102)로 칭한다. 모재(100) 중, 통상부(102)는, 용접 시의 열영향을 실질적으로 받지 않은 부분이다.
도 5를 참조하고, 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 모재(100)의 단면 중, HAZ(101) 내이며 용융선(200E)으로부터 용접 금속 폭방향 W로 200μm의 범위(도 5 중에서 파선으로 해칭된 영역)를, 범위(Dref)로 정의한다. 범위(Dref)는 HAZ(101)의 일부이다. 범위(Dref)에 있어서의 평균 결정 입경을, 평균 결정 입경 R1(μm)로 정의한다. 또한, 모재(100)의 단면 중, HAZ(101) 이외의 부분(즉, 통상부(102))의 평균 결정 입경을, 평균 결정 입경 R2(μm)로 정의한다. 이 때, 바람직하게는, 평균 결정 입경 R1과 평균 결정 입경 R2는, 식 (4)를 만족한다.
R1/R2≤4.8 (4)
여기서, 평균 결정 입경 R1은 다음의 방법으로 측정한다. 용접 이음(1)으로부터, 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면을 포함하는 시험편을 채취한다. 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면을 관찰면으로 한다. 관찰면을 경면 연마한다. 경면 연마 후, 10% 옥살산 용액으로 에칭을 실시한다. 에칭된 관찰면 중, 범위(Dref) 내의 임의의 3시야를 200배의 광학 현미경으로 관찰하고, 사진 화상을 생성한다. 각 시야는 100μm×100μm로 한다. 각 시야에 있어서, JIS G 0551(2013)에 준거하여, 절단법에 의해 결정 입도 번호를 구한다. 구한 3개의 결정 입도 번호의 산술 평균값을 구하여, 평균 결정 입도 번호로 정의한다. 얻어진 평균 결정 입도 번호로부터 평균 결정 입경 R1(μm)을 구한다.
마찬가지로, 평균 결정 입경 R2는 다음의 방법으로 측정한다. 도 5를 참조하고, 용접 이음(1)의 모재(100)의 통상부(102)로부터, 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면을 포함하는 시험편을 채취한다. 용접 금속 연장 방향 L에 수직인 방향의 단면을 관찰면으로 한다. 관찰면을 경면 연마한다. 경면 연마 후, 10% 옥살산 용액으로 에칭을 실시한다. 에칭된 관찰면 중, 임의의 3시야를 200배의 광학 현미경으로 관찰하고, 사진 화상을 생성한다. 각 시야는 100μm×100μm로 한다. 각 시야에 있어서, JIS G 0551(2013)에 준거하여, 절단법에 의해 결정 입도 번호를 구한다. 구한 3개의 결정 입도 번호의 산술 평균값을 구하여, 평균 결정 입도 번호로 정의한다. 얻어진 평균 결정 입도 번호로부터 평균 결정 입경 R2(μm)를 구한다.
본 실시 형태의 용접 이음(1)에 있어서, 모재(100)가 상술의 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재이고, 또한, 용융선(200E) 근방의 HAZ(101)에서의 평균 결정 입경 R1과 통상부(102)에서의 평균 결정 입경 R2가 식 (4)를 만족하면, 본 실시 형태의 용접 이음(1)은, 대입열 용접 후이어도, 더욱 뛰어난 내폴리티온산 SCC성 및 더욱 뛰어난 내액화 균열성을 갖는다.
[본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법]
이하, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법을 설명한다. 이후에 설명하는 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법의 어디까지나 일례이다. 따라서, 상술의 구성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 이후에 설명하는 제조 방법 이외의 다른 제조 방법에 의해 제조되어도 된다. 그러나, 이후에 설명하는 제조 방법은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법의 바람직한 일례이다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법은, 다음의 공정을 포함한다.
1. 소재를 준비하는 공정(준비 공정)
2. 소재에 대해 열간 가공을 실시하여 중간 강재를 제조하는 공정(열간 가공 공정)
3. 필요에 따라, 열간 가공 공정 후의 중간 강재에 대해 산세 처리를 실시한 후 냉간 가공을 실시하는 공정(냉간 가공 공정)
4. 열간 가공 공정 후 또는 냉간 가공 공정 후의 중간 강재에 대해, CrNb 질화물을 석출시키는 공정(CrNb 질화물 생성 처리 공정)
이하, 각 공정에 대해 설명한다.
[1. 준비 공정]
준비 공정에서는, 상술의 화학 조성을 갖는 소재를 준비한다. 소재는 제3자로부터 공급되어도 되고, 제조해도 된다. 소재는 잉곳이어도 되고, 슬래브, 블룸, 빌릿이어도 된다. 소재를 제조하는 경우, 다음의 방법에 의해, 소재를 제조한다. 상술의 화학 조성을 갖는 용강을 제조한다. 제조된 용강을 이용하여, 조괴법에 의해 잉곳을 제조한다. 제조된 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 슬래브, 블룸, 빌릿을 제조해도 된다. 제조된 잉곳, 슬래브, 블룸에 대해 열간 가공을 실시하여, 빌릿을 제조해도 된다. 예를 들면, 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하여, 원기둥 형상의 빌릿을 제조하고, 이 빌릿을 소재로 해도 된다. 이 경우, 열간 단조 개시 직전의 소재의 온도는 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 1000~1300℃이다. 열간 단조 후의 소재의 냉각 방법은 특별히 한정되지 않는다.
[2. 열간 가공 공정]
열간 가공 공정에서는, 준비 공정에 있어서 준비된 소재에 대해 열간 가공을 실시하여, 중간 강재를 제조한다. 중간 강재는 예를 들면 강관이어도 되고, 강판이어도 되며, 봉강이어도 된다.
중간 강재가 강관인 경우, 열간 가공 공정에서는, 다음의 가공을 실시한다. 우선, 원기둥 소재를 준비한다. 기계 가공에 의해, 원기둥 소재의 중심축을 따른 관통 구멍을 형성한다. 관통 구멍이 형성된 원기둥 소재에 대해, 유진세쥬르네법으로 대표되는 열간 압출을 실시하여, 중간 강재(강관)를 제조한다. 열간 압출 직전의 소재의 온도는 특별히 한정되지 않는다. 열간 압출 직전의 소재의 온도는 예를 들면, 1000~1300℃이다. 열간 압출법을 대신하여, 열간 압발 제관법을 실시해도 된다.
열간 압출을 대신하여, 만네스만법에 의한 천공 압연을 실시하여, 강관을 제조해도 된다. 이 경우, 천공기에 의해 둥근 빌릿을 천공 압연한다. 천공 압연하는 경우, 천공비는 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 1.0~4.0이다. 천공 압연된 둥근 빌릿을 추가로, 맨드릴 밀, 리듀서, 사이징 밀 등에 의해 열간 압연하여 소관(素管)으로 한다. 열간 가공 공정에서의 누적의 감면율은 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 20~80%이다. 열간 가공에 의해 강관을 제조했을 경우, 열간 가공이 완료된 직후의 강관 온도(마무리 온도)는 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는, 900℃ 이상이다.
중간 강재가 강판인 경우, 열간 가공 공정은 예를 들면, 한 쌍의 워크 롤을 구비하는 1 또는 복수의 압연기를 이용한다. 슬래브 등의 소재에 대해 압연기를 이용하여 열간 압연을 실시하고, 강판을 제조한다. 열간 압연 전에 소재를 가열하고, 가열 후의 소재에 대해 열간 압연을 실시한다. 열간 압연 직전의 소재의 온도는 예를 들면, 1000~1300℃이다. 열간 가공에 의해 강판을 제조했을 경우, 열간 가공이 완료된 직후의 강판 온도(마무리 온도)는 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는, 900℃ 이상이다.
중간 강재가 봉강인 경우, 열간 가공 공정은 예를 들면, 조압연 공정과, 마무리 압연 공정을 포함한다. 조압연 공정에서는, 소재를 열간 가공하여 빌릿을 제조한다. 조압연 공정은 예를 들면, 분괴 압연기를 이용한다. 분괴 압연기에 의해 소재에 대해 분괴 압연을 실시하고, 빌릿을 제조한다. 분괴 압연기의 하류에 연속 압연기가 설치되어 있는 경우, 분괴 압연 후의 빌릿에 대해 추가로, 연속 압연기를 이용하여 열간 압연을 실시하고, 추가로 사이즈가 작은 빌릿을 제조해도 된다. 연속 압연기에서는, 예를 들면, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 교대로 일렬로 배열된다. 조압연 공정 직전의 소재 온도는 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 1000~1300℃이다. 마무리 압연 공정에서는, 우선 빌릿을 가열한다. 가열 후의 빌릿에 대해, 연속 압연기를 이용하여 열간 압연을 실시하고, 봉강을 제조한다. 마무리 압연 공정에서의 가열로에서의 가열 온도는 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 1000~1300℃이다. 열간 가공에 의해 봉강을 제조했을 경우, 열간 가공이 완료된 직후의 봉강 온도(마무리 온도)는 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는, 900℃ 이상이다.
[3. 냉간 가공 공정]
냉간 가공 공정은 필요에 따라 실시한다. 즉, 냉간 가공 공정은 실시하지 않아도 된다. 실시하는 경우, 열간 가공 후의 중간 강재에 대해, 산세 처리를 실시한 후, 냉간 가공을 실시한다. 중간 강재가 강관 또는 봉강인 경우, 냉간 가공은 예를 들면, 냉간 추신 또는 냉간 압연이다. 중간 강재가 강판인 경우, 냉간 가공은 예를 들면, 냉간 압연이다. 냉간 가공 공정을 실시함으로써, CrNb 질화물 생성 처리 공정 전에, 중간 강재에 변형을 부여한다. 이에 의해, CrNb 질화물 생성 처리 공정 시에 있어서 재결정의 발현 및 정립화를 행할 수 있다. 냉간 가공 공정에 있어서의 감면율은 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 10~90%이다.
[4. CrNb 질화물 생성 처리 공정]
CrNb 질화물 생성 처리 공정에서는, 열간 가공 공정 후 또는 냉간 가공 공정 후의 중간 강재에 대해, CrNb 질화물 생성 처리를 실시한다. 이에 의해, 다른 석출물(Cr 탄화물, Cr2N, 그 외의 탄화물, 질화물, 및, 탄질화물 등)의 생성을 억제하면서, CrNb 질화물을 적당량 석출시킨다. 그 결과, 제조된 오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량을 질량%로 0.050~0.267%로 할 수 있고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량을 질량%로 0.125% 이하로 할 수 있다.
CrNb 질화물 생성 처리는, 다음의 방법으로 실시한다. 노(爐)내 분위기가 대기 분위기인 열처리로 내에, 중간 강재를 장입한다. 여기서 말하는 대기 분위기는, 대기를 구성하는 기체인 질소를 체적으로 78% 이상, 산소를 체적으로 20% 이상 함유하는 분위기를 의미한다.
[CrNb 질화물 생성 처리의 조건]
CrNb 질화물 생성 처리에서는, 다음의 3개의 조건(제1의 조건, 제2의 조건, 제3의 조건)을 만족한다.
[제1의 조건：CrNb 질화물 생성 처리에서의 열처리 온도 T]
CrNb 질화물 생성 처리에서는, 대기 분위기의 노내에 있어서, 열처리 온도 T(℃)를 다음의 온도 범위로 유지한다.
1000≤T≤Tmax
여기서, Tmax(℃)는, Mo 함유량에 따라, 다음과 같다.
＜1＞ Mo 함유량이 0.10~1.00%인 경우
Tmax=Tx-100(Mo+W)+200C-80Nb
＜2＞ Mo 함유량이 1.00% 초과~2.50% 미만인 경우
Tmax=Tx-50(Mo+W)+200C-80Nb
＜3＞ Mo 함유량이 2.50~4.50%인 경우
Tmax=Tx-20(Mo+W)+200C-80Nb
여기서, Tx=1300이다.
열처리 온도 T가 1000℃ 미만이면, 열간 가공 공정에 있어서 강재 중에 석출된 Cr 탄화물 등의 석출물이 충분히 고용하지 않는다. 이 경우, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 석출물 중에 있어서의 Nb 탄화물 및 Cr 탄화물의 비율이 현저하게 높아져, CrNb 질화물의 비율이 현저하게 낮아진다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.267%를 초과하고, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125%를 초과한다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 열처리 온도 T가 1000℃ 미만이면, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.245%를 초과하고, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104%를 초과한다.
한편, 열처리 온도 T가 Tmax를 초과하면, 열간 가공 공정에서 강재 중에 생성된 Nb 탄화물 및 Cr 탄화물이 고용할 뿐만 아니라, CrNb 질화물 생성 처리 공정에서의 CrNb 질화물의 석출이 부족하다. 그 때문에, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 존재하는 CrNb 질화물의 비율이 현저하게 적어진다. 그 결과, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050% 미만이 된다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 열처리 온도 T가 Tmax를 초과하면, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065% 미만이 된다.
열처리 온도 T가 1000℃ 이상이고, 또한, Tmax 이하이면, 열간 가공 공정에서 생성된 Cr 탄화물을 충분히 고용할 수 있으며, Nb 탄화물의 과도한 생성을 억제하고, 또한, 적절한 양의 CrNb 질화물을 생성할 수 있다. 그 결과, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 있어서, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%가 되고, 또한, Cr 함유량이 0.125% 이하가 된다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내예민화 특성이 높아진다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%가 되고, 또한, Cr 함유량이 0.104% 이하가 된다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내폴리티온산 SCC성이 높아진다.
Tmax에 있어서, 바람직한 Tx는 1290이며, 더욱 바람직하게는 1280이다.
[제2의 조건]
CrNb 질화물 생성 처리는 또한, 열처리 온도 T(℃), 및, 열처리 온도 T에서의 유지 시간 t(분)가, 다음의 조건을 만족한다.
(A) 화학 조성 중의 Mo 함유량이 0.10~1.00%인 경우
f1≤f2, 또한, f2≤f3
여기서, f1~f3은 다음과 같이 정의된다.
f1=760
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=1680
(B) 화학 조성 중의 Mo 함유량이 1.00% 초과~2.50% 미만인 경우
f1≤f2, 또한, f2≤f3
여기서, f1~f3은 다음과 같이 정의된다.
f1=1200
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=1900
(C) 화학 조성 중의 Mo 함유량이 2.50~4.50%인 경우
f1≤f2, 또한, f2≤f3
여기서, f1~f3은 다음과 같이 정의된다.
f1=1520
f2=T×Log10(20Nb+0.1Cr+10Mo+t/60)
f3=2050
f2 중의 T에는, 열처리 온도 T(℃)가 대입되고, t에는 유지 시간 t(분)가 대입된다. f2 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
f2는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내인 강재 중에 있어서, 적절한 양의 CrNb 질화물을 생성하는데 필요한 열처리 온도 T 및 유지 시간 t의 파라미터이다. 이하, f2를 「CrNb 질화물 생성 파라미터」라고 한다. 화학 조성 중의 Cr 및 Nb는 CrNb 질화물을 구성하는 원소이다. 또한, Mo는, CrNb 질화물의 생성에 영향을 줌과 더불어, LAVES상의 생성을 유발하는 원소이다.
f1은, 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량에 의거하여 상이한 값이 적용된다. 구체적으로는, 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 0.10~1.00%의 경우, f1=760이다. 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 1.00% 초과~2.50% 미만인 경우, f1=1200이다. 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 2.50~4.50%인 경우, f1=1520이다.
f1과 동일하게, f3은, 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량에 의거하여 상이한 값이 적용된다. 구체적으로는, 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 0.10~1.00%의 경우, f3=1680이다. 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 1.00% 초과~2.50% 미만인 경우, f3=1900이다. 강재의 화학 조성 중의 Mo 함유량이 2.50~4.50%인 경우, f3=2050이다.
f2가 f1 미만이면, CrNb 질화물 생성 파라미터가 너무 낮다. 이 경우, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 석출물 중에 있어서의 Nb 탄화물 및 Cr 탄화물의 비율이 높아지고, CrNb 질화물의 비율이 현저하게 낮아진다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.267%를 초과하고, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125%를 초과한다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, f2가 f1 미만이면, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.245%를 초과하고, 및/또는, 잔사 중의 Cr 함유량이 0.104%를 초과한다.
f2가 f3을 초과하면, CrNb 질화물 생성 파라미터가 너무 높다. 이 경우, CrNb 질화물의 석출이 부족하다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 존재하는 CrNb 질화물의 비율이 현저하게 적어진다. 그 결과, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 잔사 중의 Nb 함유량이 0.050질량% 미만이 된다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, f2가 f3을 초과하면, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065% 미만이 된다.
f2가 f1 이상이고, 또한, f2가 f3 이하이면, CrNb 질화물 생성 파라미터가 적절한 범위 내가 된다. 이 경우, CrNb 질화물이 적당량 석출된다. 그 때문에, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%가 되고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하가 된다. 그 결과, 오스테나이트계 스테인리스 강재는 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, f2가 f1 이상이고, 또한, f2가 f3 이하이면, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%가 되고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하가 된다. 그 결과, 오스테나이트계 스테인리스 강재는 뛰어난 내폴리티온산 SCC성을 갖는다.
[제3의 조건]
CrNb 질화물 생성 처리는 또한, 열처리 온도 T℃에서 유지 시간 t분 유지한 후, 냉각한다. 이 때, 적어도 강재 온도가 800~500℃의 온도역에서의 평균 냉각 속도 CR을 15℃/초 이상으로 냉각한다. 평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 미만인 경우, 800~500℃의 온도 범위를 냉각하고 있는 동안에, 강재 중에 CrNb 질화물이 입계에도 석출되고, 또한, M23C6형의 Cr 탄화물도 입계에 생성되어 버린다. 그 때문에, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 잔사 중의 Nb 함유량이 0.267질량%를 초과한다. 및/또는, Cr 함유량이 0.125%를 초과한다. 이 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내예민화 특성이 저하한다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 미만이면, 잔사 중의 Nb 함유량이 0.245질량%를 초과한다. 및/또는, Cr 함유량이 0.104%를 초과한다. 이 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내폴리티온산 SCC성이 저하한다.
평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 이상이면, 800~500℃의 온도 범위를 냉각하고 있는 동안에, 강재 중에 Cr 탄화물이 과잉적으로 생성되는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 제1의 조건 및 제2의 조건을 만족하는 것을 전제로서, 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재 중에 있어서, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%가 되고, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하가 된다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내예민화 특성을 높일 수 있다.
또, 강재의 화학 조성 중의 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 또한, Mo 함유량이 2.50~4.50%이며, 또한, Co：0.01~1.00%이고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 이상이면, 제1의 조건 및 제2의 조건을 만족하는 것을 전제로서, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%가 되고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 0.104% 이하가 된다. 그 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내폴리티온산 SCC성이 높아진다.
이상의 공정에 의해, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조할 수 있다. 상술의 제조 방법은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법의 일례이다. 따라서, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법은, 상술의 제조 방법에 한정되지 않는다. 강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이고, 식 (1)을 만족하며, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이면, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 상술의 제조 방법에 한정되지 않는다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 화학 조성 중의 각 원소가 본 실시 형태의 범위 내이며, 식 (1)을 만족한다. 또한, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하이다. 그 때문에, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다.
또한, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재가 추가로 상기 (I)~(III)을 만족하는 경우, 즉, 화학 조성에 있어서, Mo：2.50~4.50%, 및, Co：0.01~1.00%를 함유하고, 또한, 식 (2) 및 식 (3)을 만족하며, 추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하인 경우, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 충분한 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성을 갖는다.
실시예 1
이하, 실시예에 의해 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 효과를 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에서의 조건은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이다. 따라서, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강재는 이 일 조건예에 한정되지 않는다.
[오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조]
표 1의 화학 조성을 갖는 소재(잉곳)를 제조했다.
Figure pct00001
표 1 중의 「0」 및 공백은, 대응하는 원소 함유량이 검출 한계 미만이었던 것을 나타낸다. 검출 한계 미만인 경우, 그 원소는 함유되어 있지 않았다고 간주했다. 예를 들면, 시험 번호 B1의 Mo 함유량은, 소수 제3위를 반올림했을 때에 「0」이었던 것을 의미한다. 또, 시험 번호 B1의 W 함유량은, 소수 제3위를 반올림했을 때에 「0」이었던 것을 의미한다. 또한, 표 1 중의 「임의 원소 등」란에는, 함유되어 있는 임의 원소 또는 불순물 원소와 그 함유량(질량%)이 기재되어 있다. 예를 들면, 시험 번호 A3에서는, Ti가 0.02% 함유되고, V가 0.04% 함유되며, B가 0.0014% 함유되어 있었던 것을 나타낸다. 또한, 불순물 원소인 Sn, As, Zn, Pb, Sb에 관해서는, 어느 시험 번호에 있어서도, Sn 함유량은 0~0.010%이고, As 함유량은 0~0.010%이며, Zn 함유량은 0~0.010%이고, Pb 함유량은 0~0.010%이며, Sb 함유량은 0~0.010%였다.
용강을 이용하여, 표 1의 화학 조성을 갖고, 외경 120mm, 30kg의 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하여, 두께 30mm의 소재로 했다. 열간 단조 전의 잉곳의 온도는 1250℃이었다. 또한, 소재에 대해 열간 압연을 실시하고, 두께 15mm의 중간 강재(강판)를 제조했다. 열간 가공(열간 압연) 직전의 소재 온도는, 1250℃이었다. 열간 압연 후의 중간 강재의 마무리 온도는 모두, 900℃ 이상이었다.
열간 압연 후의 중간 강재에 대해, CrNb 질화물 생성 처리를 실시했다. CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 각 시험 번호의 Tmax는 표 2에 나타내는 바와 같았다. 시험 번호 A1~A18, 및 B1~B6, B9, B10, B13~B17의 열처리 온도 T는 모두, 1000℃ 이상이고, 또한, Tmax 이하였다. 한편, 시험 번호 B8의 열처리 온도 T는 1000℃ 미만이었다. 또, 시험 번호 B7, B11 및 B12의 열처리 온도 T는 Tmax를 초과했다.
또한, 각 시험 번호의 CrNb 질화물 생성 파라미터 f2와, f1 및 f3은, 표 2에 나타내는 바와 같았다. 표 2 중의 「f1≤f2」란에서 「T」는, f1≤f2였던 것을 나타낸다. 「F」는, f1＞f2였던 것을 나타낸다. 표 2 중의 「f2≤f3」란에서 「T」는, f2≤f3였던 것을 나타낸다. 「F」는, f2＞f3였던 것을 나타낸다.
또한, 시험 번호 A1~A18, B1~B5, B7~B14, B16 및 B17의 CrNb 질화물 생성 처리에 있어서의 800~500℃까지의 평균 냉각 속도 CR은 15℃/초 이상이었다. 한편, 시험 번호 B6 및 B15의 800~500℃까지의 평균 냉각 속도 CR은 5℃/초였다. 이상의 공정에 의해, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조했다.
[평가 시험]
이상의 제조 공정에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해, 다음의 평가 시험을 실시했다.
[대입열 용접 이음 모의 시험편의 제작]
제조된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하여, 다음의 방법에 의해, 대입열 용접을 모의한 대입열 용접 이음 모의 시험편을 제작했다.
각 시험 번호의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치를 포함하는, 각 형상 시험편을 채취했다. 각 형상 시험편의 길이 방향은, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 길이 방향에 평행이었다. 각 형상 시험편의 길이는 100mm였다. 각 형상 시험편의 길이 방향에 수직인 단면(횡단면)은, 10mm×10mm의 직사각형이었다. 각 형상 시험편의 횡단면의 중앙 위치는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치에 거의 일치했다.
고주파 열 사이클 장치를 이용하여, 각 형상 시험편에 대해 다음의 열 이력을 부여했다. 구체적으로는, 도 6을 참조하고, 각 형상 시험편의 길이 방향의 중앙 위치의 10mm폭(즉, 길이 방향 중앙 위치로부터 좌우로 5mm씩의 폭)을 갖는 중앙 부분(60)을, 대기 중에서 상온으로부터 70℃/초로 1400℃까지 승온했다. 게다가 1400℃에서 10초 유지했다. 그 후, 각 형상 시험편을 20℃/초의 냉각 속도로 상온까지 냉각했다. 이상의 열 이력을 각 형상 시험편에 부여함으로써, 대입열 용접 이음 모의 시험편을 제작했다.
[장시간 예민화 처리]
대입열 용접 이음 모의 시험편을 이용하여, 다음에 나타내는 장시간 예민화 처리를 실시했다. 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로에 장입했다. 열처리로에 있어서, 대입열 용접 이음 모의 시험편을 대기 중, 대기압에서, 550℃에서 10000시간 유지했다(예민화 처리). 10000시간 경과 후의 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로로부터 추출하고, 방랭했다.
장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편에 대해, 다음의 스트라우스 시험, 및, 재활성화율 측정 시험을 실시했다.
[스트라우스 시험(황산·황산구리 부식 시험)]
ASTM A262-15 PRACTICE E에 준거한 스트라우스 시험을 다음과 같이 실시했다. 장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편으로부터, 중앙 부분(60)이 길이 방향의 중앙 위치에 오도록 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 80mm의 판 형상 시험편을 채취했다. 판 형상 시험편을, 16% 황산을 함유하는 황산구리 시험액 중에 침지하고, 15시간 비등했다. 그 후, 판 형상 시험편을 황산구리 시험액으로부터 꺼냈다. 꺼낸 판 형상 시험편에 대해, 굽힘 시험을 실시했다. 굽힘 시험에서는, 대기 중에 있어서, 대입열 용접 이음 모의 시험편의 길이 방향 중앙 위치를 중심으로서, 판 형상 시험편을 180° 굽혔다. 굽힌 시험편의 굽힘부를 절단했다. 절단면을 20배의 광학 현미경으로 관찰했다. 균열이 관찰되었을 경우, 균열의 길이를 구했다. 균열이 관찰되지 않았을 경우, 또는, 균열이 관찰되어도, 균열의 길이가 100μm 이하인 경우, 스트라우스 시험을 합격이라고 판단했다(표 2 중에서 「E」(Excellent)). 한편, 100μm를 초과하는 균열이 관찰되었을 경우, 스트라우스 시험을 불합격이라고 판단했다(표 2 중에서 「B」(Bad)).
[재활성화율 측정 시험]
장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편을 이용하여, ASTM G108-94에 준거한 전기 화학적 재활성화율 측정 시험(Electrochemical Reactivation test)을 실시했다. 구체적으로는, 장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편의 중앙 부분(60)(대입열이 가해진 부분)으로부터 판 형상 시험편을 채취했다. 채취한 판 형상 시험편 내에 있어서, 평가 면적 100mm2의 표면 부분 이외의 영역을 마스킹했다. 마스킹된 판 형상 시험편을 전극으로서, 온도 30℃, 용량 200cm3의 0.5mol 황산+0.01mol 티오시안산칼륨 용액에 침지했다. 다음에, 판 형상 시험편에 대해, 분극 속도 100mV/분의 직선 분극으로, 자연 전위로부터 300mV까지 귀방향으로 주사했다. 포화 칼로멜 전극 기준으로 300mV에 도달 후, 즉시 원래의 자연 전위까지 비방향으로 주사했다. 귀방향(왕로)으로의 전압 인가 시에 흐른 전류를 측정했다. 그리고, 비방향(귀로)으로의 전압 인가 시에 흐른 전류를 측정했다. 얻어진 전류값에 의거하여, 재활성화율(%)을 다음과 같이 정의했다.
재활성화율=(귀로의 최대 애노드 전류/왕로의 최대 애노드 전류)×100
재활성화율이 낮을수록, 예민화도(Degree Of Sensitization：DOS)가 낮고, 내예민화 특성이 높다. 본 실시예에서는, 재활성화율이 10% 이하인 경우, 합격이라고 판단했다(표 2 중에서 「E」(Excellent)). 한편, 재활성화율이 10%를 초과하는 경우, 불합격이라고 판단했다(표 2 중에서 「B」(Bad)).
상술의 장시간 예민화 처리를 실시한 대입열 용접 이음 모의 시험편에 있어서, 스트라우스 시험이 합격이고, 또한, 재활성화율이 10% 이하이면, 그 오스테나이트계 스테인리스 강재는 뛰어난 내예민화 특성을 갖는다고 판단했다.
[시험 결과]
표 2에 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00002
표 1 및 표 2를 참조하고, 시험 번호 A1~A18에서는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 적절하고, 또한, F1이 식 (1)을 만족했다. 또한, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 잔사 중의 Cr 함유량이 0.125% 이하였다. 또한, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되지 않았다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10% 이하였다. 따라서, 시험 번호 A1~A18의 오스테나이트계 스테인리스 강재에서는, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우이어도, 뛰어난 내예민화 특성을 나타냈다.
한편, 시험 번호 B1~B3에서는, Mo 함유량 및/또는 W 함유량이 낮았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B4에서는, F1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B5에서는, C 함유량이 높았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B6에서는, F1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 또한, CrNb 질화물 처리 공정에서의 800~500℃에서의 평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B7에서는, CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 열처리 온도 T가 Tmax보다 높았다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B8에서는, CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 열처리 온도 T가 1000℃ 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량 및 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되고, 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B9에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f1 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B10에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f3을 초과했다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B11에서는, CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 열처리 온도 T가 Tmax보다 높았다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B12에서는, CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 열처리 온도 T가 Tmax보다 높았다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B13에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f1 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B14에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f3을 초과했다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B15에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, 800~500℃에서의 평균 냉각 속도 CR이 15℃/초 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B16에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f1 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
시험 번호 B17에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f3을 초과했다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 스트라우스 시험에 있어서, 100μm를 초과하는 균열이 확인되었다. 또한, 재활성화율 측정 시험에 있어서, 재활성화율이 10%를 초과했다. 즉, 대입열 용접 후에 550℃에서 10000시간 예민화 처리를 실시했을 경우, 내예민화 특성이 낮았다.
실시예 2
[오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조]
표 3의 화학 조성을 갖는 소재(잉곳)를 제조했다.
Figure pct00003
표 3 중의 공백은, 대응하는 원소 함유량이 검출 한계 미만이었던 것을 나타낸다. 검출 한계 미만인 경우, 그 원소는 함유되어 있지 않았다고 간주했다. 또한, 표 3 중의 「임의 원소 등」란에는, 함유되어 있는 임의 원소 또는 불순물 원소와 그 함유량(질량%)이 기재되어 있다. 예를 들면, 시험 번호 A3에서는, Ti가 0.08% 함유되고, V가 0.16% 함유되며, 불순물인 Sn이 0.005% 함유되어 있었던 것을 나타낸다. 불순물 원소인 Sn, As, Zn, Pb, Sb에 관해서는, 어느 시험 번호에 있어서도, Sn 함유량은 0~0.010%이고, As 함유량은 0~0.010%이며, Zn 함유량은 0~0.010%이고, Pb 함유량은 0~0.010%이며, Sb 함유량은 0~0.010%였다.
용강을 이용하여, 표 3의 화학 조성을 갖고, 외경 120mm, 30kg의 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하여, 두께 30mm의 소재로 했다. 열간 단조 전의 잉곳의 온도는 1150℃이었다. 또한, 소재에 대해 열간 압연을 실시하고, 두께 15mm의 강재(강판)를 제조했다. 열간 가공(열간 압연) 전의 소재 온도는, 1150℃이었다. 열간 압연 후의 강재의 마무리 온도는 900℃ 이상이었다.
열간 압연 후의 강재에 대해, CrNb 질화물 생성 처리를 실시했다. CrNb 질화물 생성 처리에서의 각 시험 번호의 Tmax는 표 4에 나타내는 바와 같았다. 시험 번호 A1~A13 및 B1~B8 및 B11~14에서는, 열처리 온도 T가 1000℃ 이상이고, 또한, Tmax 이하였다. 한편, 시험 번호 B9에서는, 열처리 온도 T가 Tmax를 초과했다. 또, 시험 번호 B10에서는, 열처리 온도 T가 1000℃ 미만이었다.
또한, 각 시험 번호의 CrNb 질화물 생성 파라미터 f2와, f1 및 f3은, 표 4에 나타내는 바와 같았다. 표 4 중의 「f1≤f2」란에서 「T」는, f1≤f2였던 것을 나타낸다. 「F」는, f1＞f2였던 것을 나타낸다. 표 4 중의 「f2≤f3」란에서 「T」는, f2≤f3이었던 것을 나타낸다. 「F」는, f2＞f3이었던 것을 나타낸다.
또한, 시험 번호 A1~A13, B1~B10, B12~B14의 CrNb 질화물 생성 처리에 있어서의 800~500℃까지의 평균 냉각 속도 CR은 15℃/초 이상이었다. 한편, 시험 번호 B11의 800~500℃까지의 평균 냉각 속도 CR은 15℃/초 미만이었다. 이상의 공정에 의해, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조했다.
[내나프텐산 부식성 평가 시험]
각 시험 번호의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치로부터, 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 30mm의 시험편을 채취했다. 시험편의 길이 방향은, 강재의 길이 방향(압연 방향)에 평행이었다. 채취한 시험편을, 상압 하에 있어서, 200℃의 100% 시클로헥산카복실산 용액에 720시간 침지했다. 720시간 침지 후, 아세톤을 이용하여 시험편을 3분간 초음파 세정했다.
시험 전의 시험편의 질량과, 초음파 세정 후의 시험편의 질량의 차를 부식 감량으로서 산출했다. 또한, 시험편의 표면적, 비중, 및, 시험 시간으로부터 부식 속도(mm/년)를 구했다. 부식 속도가 0.01mm/년 이하인 경우, 내나프텐산 부식성이 뛰어나다고 판단했다(표 4 중의 「내나프텐산 부식성」란에 있어서 「E」로 표기). 한편, 부식 속도가 0.01mm/년을 초과했을 경우, 내나프텐산 부식성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「내나프텐산 부식성」란에서 「B」로 표기).
[대입열 용접 이음 모의 시험편의 제작]
제조된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 이용하고, 다음의 방법에 의해, 대입열 용접으로 제조된 용접 이음을 모의한 대입열 용접 이음 모의 시험편을 제작했다.
각 시험 번호의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치를 포함하는, 각 형상 시험편을 채취했다. 각 형상 시험편의 길이 방향은, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 길이 방향에 평행이었다. 각 형상 시험편의 길이는 100mm였다. 각 형상 시험편의 길이 방향에 수직인 단면(횡단면)은, 10mm×10mm의 직사각형이었다. 각 형상 시험편의 횡단면의 중앙 위치는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 판폭 중앙 위치 또한 판두께 중앙 위치에 거의 일치했다.
고주파 열 사이클 장치를 이용하여, 각 형상 시험편에 대해 다음의 열 이력을 부여했다. 구체적으로는, 도 6을 참조하고, 각 형상 시험편의 길이 방향의 중앙 위치의 10mm폭 부분(60)을, 대기 중에서 상온으로부터 100℃/초로 1350℃까지 승온했다. 게다가 1350℃에서 1~60초 유지했다. 그 후, 각 형상 시험편을 20℃/초의 냉각 속도로 상온까지 냉각했다. 이상의 열 이력을 각 형상 시험편에 부여함으로써, 대입열 용접 이음 모의 시험편(50)을 제작했다.
[평균 결정 입경 R1 및 R2 측정 시험]
대입열 용접 이음 모의 시험편(50)을 이용하여, 평균 결정 입경 R1 및 R2를 다음의 방법으로 측정했다. 대입열 용접 이음 모의 시험편(50)의 길이 방향의 중앙 위치의 10mm폭 부분의 영역(60)은, 용접 이음의 HAZ의 범위(Dref)(재현 HAZ 조직)에 상당한다. 그래서, 영역(60)을 HAZ의 범위(Dref(재현 HAZ 조직)60)로 인정했다. 범위(Dref60)의 표면을 관찰면으로 하는 샘플을 채취했다. 관찰면을 경면 연마했다. 그 후, JIS G 0551(2013)에 준거하여, 임의의 3시야에 있어서의 결정 입도 번호를 절단법에 의해 구했다. 각 시야는 100μm×100μm였다. 구한 3개의 결정 입도 번호의 산술 평균값을 구하여, 평균 결정 입도 번호로 정의했다. 얻어진 평균 결정 입도 번호로부터 평균 결정 입경 R1(μm)을 구했다.
마찬가지로, 대입열 용접 이음 모의 시험편(50)의 길이 방향에 있어서의 단부로부터 25mm 위치를 통상부(70)로 인정했다. 통상부(70)에 있어서, 평균 결정 입경 R2를 다음의 방법으로 측정했다. 대입열 용접 이음 모의 시험편(50)의 통상부(70)의 표면을 관찰면으로 하는 샘플을 채취했다. 관찰면을 경면 연마했다. 그 후, JIS G 0551(2013)에 준거하여, 임의의 3시야에 있어서의 결정 입도 번호를 절단법에 의해 구했다. 각 시야는 100μm×100μm였다. 구한 3개의 결정 입도 번호의 산술 평균값을 구하여, 평균 결정 입도 번호로 정의했다. 얻어진 평균 결정 입도 번호로부터 평균 결정 입경 R2(μm)를 구했다.
구한 범위(Dref60)에서의 평균 결정 입경 R1과, 통상부(70)에서의 평균 결정 입경 R2를 이용하여, R1/R2를 구했다. 구한 R1/R2를 표 4의 「R1/R2」란에 나타낸다. 또, 표 4의 「식 (4)」란에서 「T」는, R1/R2가 4.8 이하이며, 식 (4)를 만족하는 것을 의미한다. 한편, 「식 (4)」란에서 「F」는, R1/R2가 4.8을 초과하여, 식 (4)를 만족하지 않았던 것을 의미한다.
[내폴리티온산 SCC성 평가 시험]
대입열 용접 이음 모의 시험편을 이용하여, 다음에 나타내는 장시간 예민화 처리 시험을 실시했다. 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로에 장입했다. 열처리로에 있어서, 대입열 용접 이음 모의 시험편을 대기 중, 대기압에서, 550℃에서 10000시간 유지(예민화 처리)했다. 10000시간 경과 후의 대입열 용접 이음 모의 시험편을 열처리로로부터 추출하고, 방랭했다.
장시간 예민화 처리 후의 대입열 용접 이음 모의 시험편으로부터, 범위(Dref60)가 길이 방향의 중앙 위치에 오도록 두께 2mm, 폭 10mm, 길이 75mm의 판 형상 시험편을 채취했다. 채취한 판 형상 시험편을 이용하여, 내폴리티온산 SCC성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 판 형상 시험편을, 내측 반경 5mm의 펀치 둘레로 굽혀 U벤드형으로 했다. U벤드형의 시험편을, 황산을 이용하여 PH=2로 조정한 1% K2S4O6 용액 중에 상온에서 100시간 침지했다. 침지 후의 시험편에 있어서, 굽힌 시험편의 굽힘부를, 길이 방향에 수직인 방향으로 절단하고, 절단면을 20배의 광학 현미경으로 관찰했다. 균열이 관찰되었을 경우, 절단면에 있어서의 균열의 깊이를 구했다. 균열이 관찰되지 않았을 경우, 내폴리티온산 SCC성이 극히 뛰어나다고 판단했다(표 4 중의 「내(耐)PTA SCC성」란에 있어서 「E」(Excellent)로 표기). 절단면에 있어서 균열이 관찰되었지만, 균열의 깊이가 20μm 미만의 경우, 내폴리티온산 SCC성이 뛰어나다고 판단했다(표 4 중의 「내PTA SCC성」란에 있어서 「G」(Good)로 표기). 절단면에서 균열이 관찰되고, 균열의 깊이가 20μm 이상인 경우, 내폴리티온산 SCC성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「내PTA SCC성」란에 있어서 「B」(bad)로 표기).
[내액화 균열성 평가 시험]
대입열 용접 이음 모의 시험편(50)의 길이 방향의 중앙 위치(즉, 범위(Dref60)의 범위 내)에서, 길이 방향에 수직인 방향으로 절단했다. 절단면을 관찰면으로 했다. 관찰면을 혼산으로 에칭했다. 에칭된 관찰면의 임의의 3시야(각 시야는 250μm×250μm)를, 400배의 광학 현미경으로 관찰했다. 관찰된 3시야에 있어서, 입계에서의 부분 용융흔의 유무를 판단했다.
3시야의 절단면에 있어서, 입계에 발생한 부분 용융흔 중, 길이가 25μm 이상의 부분 용융흔이 관찰되지 않았을 경우, 내액화 균열성이 매우 높다고 판단했다(표 4 중의 「내액화 균열성」란에서 「E」(Excellent)로 표기). 입계에 발생한 부분 용융흔 중, 길이가 25μm 이상의 부분 용융흔은 관찰되지만, 길이가 50μm 이상의 부분 용융흔이 관찰되지 않는 경우, 내액화 균열성이 높다고 판단했다(표 4 중의 「내액화 균열성」란에서 「G」(Good)로 표기). 길이가 50μm 이상의 부분 용융흔이 1개라도 관찰되었을 경우, 내액화 균열성이 낮다고 판단했다(표 4 중의 「내액화 균열성」란에서 「B」(Bad)로 표기).
[시험 결과]
표 4에 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00004
표 3 및 표 4를 참조하고, 시험 번호 A1~A13에서는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 적절하며, 또한, 식 (1)~식 (3)을 만족했다. 또한, 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.065~0.245%이며, Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하였다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성, 및, 내나프텐산 부식성이 뛰어났다. 또한, 내액화 균열성에도 뛰어났다.
또, 시험 번호 A1~A12에서는, 대입열 용접 이음 모의 시험편에 있어서의 범위(Dref)의 평균 결정 입경 R1과, 통상부의 평균 결정 입경 R2가 식 (4)를 만족했다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성이 극히 높고, 내액화 균열 부식성이 극히 높았다.
한편, 시험 번호 B1에서는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량은 적절했지만, F2가 식 (2)의 상한을 초과하고, F3이 식 (3)의 상한을 초과했다. 그 결과, 내액화 균열성이 낮았다.
시험 번호 B2에서는, Mo 함유량이 낮았다. 또한, F3이 식 (3)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성 및 내나프텐산 부식성이 낮았다.
시험 번호 B3에서는, Mo 함유량이 낮았다. 그 때문에, 내나프텐산 부식성이 낮았다.
시험 번호 B4에서는, F3이 식 (3)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B5에서는, F2가 식 (2)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B6에서는, F2가 식 (2)의 상한을 초과했다. 그 결과, 내액화 균열성이 낮았다.
시험 번호 B7에서는, F3이 식 (3)의 하한 미만이었다. 그 결과, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B8에서는, F3이 식 (3)의 상한을 초과했다. 그 결과, 내액화 균열성이 낮았다.
시험 번호 B9에서는, CrNb 질화물 생성 처리의 열처리 온도 T가 Tmax를 초과했다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B10에서는, CrNb 질화물 생성 처리의 열처리 온도 T가 너무 낮았다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 높았다. 그 결과, 내액화 균열성이 낮았다.
시험 번호 B11에서는, CrNb 질화물 생성 처리에 있어서, 평균 냉각 속도 CR이 너무 느렸다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 높고, 잔사 중의 Cr 함유량이 높았다. 그 결과, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B12에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)~식 (3)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f1 미만이었다. 그 때문에, 잔사 중의 Cr 함유량이 너무 높았다. 그 결과, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B13에서는, 화학 조성이 적절하며, 식 (1)~식 (3)을 만족했지만, CrNb 질화 처리 공정에 있어서, CrNb 질화물 생성 파라미터 f2가, f3을 초과했다. 그 때문에, 잔사 중의 Nb 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 내폴리티온산 SCC성이 낮았다.
시험 번호 B14에서는, Mo 함유량이 낮았다. 그 때문에, 내나프텐산 부식성이 낮았다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과하다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
1 용접 이음
100 오스테나이트계 스테인리스 강재(모재)
101 용접열 영향부(HAZ)
102 통상부
200 용접 금속
200E 용융선

Claims (4)

  1. 오스테나이트계 스테인리스 강재로서,
    화학 조성이, 질량%로
    C：0.020% 이하,
    Si：1.50% 이하,
    Mn：2.00% 이하,
    P：0.045% 이하,
    S：0.0300% 이하,
    Cr：15.00~25.00%,
    Ni：9.00~20.00%,
    N：0.05~0.15%,
    Nb：0.1~0.8%,
    Mo：0.10~4.50%,
    W：0.01~1.00%,
    Ti：0~0.50%,
    Ta：0~0.50%,
    V：0~1.00%,
    Zr：0~0.10%,
    Hf：0~0.10%,
    Cu：0~2.00%,
    Co：0~1.00%,
    sol.Al：0~0.030%,
    B：0~0.0100%,
    Ca：0~0.0200%,
    Mg：0~0.0200%,
    희토류 원소：0~0.100%,
    Sn：0~0.010%,
    As：0~0.010%,
    Zn：0~0.010%,
    Pb：0~0.010%,
    Sb：0~0.010%, 및,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    식 (1)을 만족하고,
    추출 잔사법에 의해 얻어진 잔사 중의 Nb 함유량이 질량%로 0.050~0.267%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.125% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
    21.9Mo+5.9W-5.0≥0 (1)
    여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 상기 화학 조성 중의 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Mo：2.50~4.50%, 및,
    Co：0.01~1.00%
    를 함유하고, 또한, 식 (2) 및 식 (3)을 만족하고,
    상기 추출 잔사법에 의해 얻어진 상기 잔사 중의 Nb 함유량은 질량%로 0.065~0.245%이고, 또한, 상기 잔사 중의 Cr 함유량이 질량%로 0.104% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
    2≤73W+5Co≤60 (2)
    0.20≤Nb+0.1W≤0.58 (3)
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은, 제1군~제5군 중 어느 하나의 군에 속하는 적어도 1원소 또는 2원소 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
    제1군：
    Ti：0.01~0.50%,
    Ta：0.01~0.50%,
    V：0.01~1.00%,
    Zr：0.01~0.10%, 및,
    Hf：0.01~0.10%,
    제2군：
    Cu：0.01~2.00%, 및,
    Co：0.01~1.00%,
    제3군：
    sol.Al：0.001~0.030%,
    제4군：
    B：0.0001~0.0100%,
    제5군：
    Ca：0.0001~0.0200%,
    Mg：0.0001~0.0200%, 및,
    희토류 원소：0.001~0.100%.
  4. 용접 이음으로서,
    청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재와,
    상기 한 쌍의 오스테나이트계 스테인리스 강재 사이에 배치된 용접 금속을 구비하고,
    상기 용접 금속의 연장 방향과 수직인 상기 오스테나이트계 스테인리스 강재의 단면 중, 용접열 영향부 내이며 용융선으로부터 상기 용접 금속의 폭방향으로 200μm의 범위에 있어서의 평균 결정 입경을 평균 결정 입경 R1로 정의하고, 상기 용접열 영향부 이외의 부분의 평균 결정 입경을 평균 결정 입경 R2로 정의했을 때,
    상기 평균 결정 입경 R1과 상기 평균 결정 입경 R2는 식 (4)를 만족하는, 용접 이음.
    R1/R2≤4.8 (4)
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