TWI499465B - 具優異韌性之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延伸鋼板 - Google Patents

具優異韌性之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延伸鋼板 Download PDF

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Description

具優異韌性之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延伸鋼板
本發明係關於一種具優異韌性(toughness)之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板(high-corrosion resistance hot rolled ferritic stainless steel sheet)。
不銹鋼中，由於其優異之耐蝕性及韌性，而廣泛使用奧氏體不銹鋼(Austenitic stainless steel)之SUS304(18%Cr-8% Ni)(日本工業標準，JIS G 4305)。然而，該鋼種由於含有大量Ni故而為昂貴。於未含大量Ni之肥粒鐵系不銹鋼，作為具有與SUS304相當之優異耐蝕性之鋼種，有含有Mo之SUS436L(18%Cr-1%Mo)(JIS G 4305)。然而，此由於Mo亦為昂貴之元素，故即使僅含1%成本仍大幅提高(increase in cost)。而且，該SUS436L並非具有作為構造構件(structural member)之足夠韌性。不含有Mo之肥粒鐵系不銹鋼雖有SUS430J1L(19%Cr-0.5%Cu-0.4%Nb)(JIS G 4305)，但難以稱為具有作為構造構件之足夠韌性。
近年來，要求有一方面具有相當於不銹鋼廣用鋼種的SUS430及SUS304之耐蝕性，一方面於於構造構構件用途亦可適用之韌性優異之肥粒鐵系不銹鋼板。另外，為了安定地使用於構造構件用途，鋼板之厚度宜為5mm以上。
相對於此，作為改善肥粒鐵系不銹鋼鋼板之韌性的技術，於專利文獻1中揭示一種熱水器用之肥粒鐵系不銹鋼鋼板，其特徵為以質量%記含有：C：0.020%以下、Si：0.30~1.00%、Mn：1.00%以下、P：0.040%以下、S：0.010%以下、Cr：20.0~28.0%、Ni：0.6%以下、Al：0.03~0.15%、N：0.020%以下、O：0.0020~0.0150%、Mo：0.3~1.5%、Nb：0.25~0.60%、Ti：0.05%以下，剩餘部分由Fe及不可避免之雜質組成，且滿足25≦Cr+3.3Mo≦30及0.35≦Si+Al≦0.85。
又於專利文獻2揭示一種具優異加工性與韌性之肥粒鐵系不銹鋼鋼板，其化學組成為以質量%記，C：0.1%以下、N：0.003~0.05%、Si：0.03~1.5%、Mn：1.0%以下、P：0.04%以下、S：0.03%以下、Cr：10~30%、Cu：2%以下、Ni：2%以下、Mo：3%以下、V：1%以下、Ti：0.02~0.5%、O：0.001~0.005%、Nb：0.8%以下、Al：0.001~0.15%、Zr：0.3%以下、B：0.1%以下、Ca：0.003%以下、Mg：未達0.0005%、Ti×N：0.0005以上，剩餘部分為Fe及不可避免之雜質，且於鋼中分散有含有Mg與Al之含量比為0.3~0.5之Al及Mg之介隔物與Ti系介隔物之複合介隔物。
然而，專利文獻1係為了防止熱延板燒鈍時或冷壓延時鋼帶之斷裂以確保製造性(productivity)，而改善在0℃之板厚4mm之熱延鋼板韌性之技術，且，由於含有大量Mo，故亦容易生成使韌性降低之金屬間化合物(intermetallic compound)等。因此，於適用於板厚更厚之用途而言被認為韌性不足。又，專利文獻2中，Ti系介隔物之分散控制(dispersion control)亦困難，由於其粗大化而容易使熱延鋼板之韌性降低，無法獲得足夠之韌性。又，於假定使用於寒帶緯度(cold latitudes)之建材領域或放在該視野時，認為-50℃之夏比衝擊值成為100J/cm2 以上之韌性為必要。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]特開2008-190035號公報
[專利文獻2]特開2001-020046號公報
如上述，藉由含有Mo或Ti之技術並無法充分達到肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之韌性改善。
本發明之目的係提供一種-50℃之夏比衝擊值成為100J/cm2 以上之韌性優異之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板。
本發明人等為解決前述課題，而針對如專利文獻1或2之含有Nb，但不含昂貴之Ni或Mo，獲得具優異耐蝕性與韌性之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之方法進行積極檢討。
以下，只要沒有特別說明，則化學成分之%表示全部意指質量%。
首先，針對本發明所發現之實驗結果加以說明。本發明人等為了評價Al對肥粒鐵系不銹鋼韌性之影響，而熔製於21%Cr-0.25%Nb-低C-低N鋼，使Al在0.03~0.50%變化之鋼，製作板厚5mm×6mm之熱延燒鈍板(hot rolled and annealed steel sheet)(熱延鋼板)，且進行於-50℃之夏比衝擊試驗(Charpy impact test)。其結果示於圖1。可知藉由使Al量成為0.20~0.40%之範圍，可使夏比衝擊值成為100J/cm2 以上，而獲得優異之韌性。其理由推測係藉由使Al之量成為0.20%以上，使鋼中之O量降低，使介隔物(inclusion)減少等所致者。又，Al之量超過0.40%之範圍內之韌性降低認為是起因於固溶Al之增加者。
接著，為了評價Ti、N對韌性之影響，而熔製表1及2所示之於21%Cr-0.25%Nb-低C-低N鋼中使Ti、N量變化之鋼，且使用表1之鋼製作板厚5mm之熱延燒鈍板，進行-50℃之夏比衝擊試驗。又，使用表2之鋼製作板厚6mm之熱延燒鈍板，進行-50℃之夏比衝擊試驗。又，該等實驗中之夏比衝擊值(Charpy impact value)係表示由夏氏衝擊試驗獲得之吸收能之值除以衝擊試驗片之凹口部剖面積，藉此換算成每單位面積之吸收能之值。
其結果示於表1、表2及圖2中。可知相當於Ti與N之溶解度乘積常數(Solubility product constant)之Ti(%)×N(%)(以下稱為「溶解度乘積」)若為8.0×10-5 以下，則夏比衝擊值安定而為100J/cm2 以上，可獲得優異之韌性。為了調查其原因，將溶解度成積為8.0×10-5 以下與超過8.0×10-5 之表1之實驗1-5與實驗1-6之試料及表2之實驗2-4與實驗2-5之試料之剖面組織(sectional structure)經研磨後，以王水(aqua regalis)腐蝕，以掃描電子顯微鏡(Electron scanning microscope)(SEM)及能量分散型X射線分析裝置(energy dispersive X-ray analyzer)(EDX)進行析出物之觀察、分析。其結果，在溶解度乘積為8.0×10-5 以下之高韌性之表1之實驗1-5及表2之實驗2-4之試料中觀察到直徑200~300nm之微細球狀之Nb碳化物(carbide)。另一方面，溶解度乘積超過8.0×10-5 之低韌性之表1之實驗1-6及表2之實驗2-5之試料中觀察到大量的直徑2~5μm之粗大長方體狀(rectangular solid like)之Ti氮化物(nitride)。據此，認為溶解度乘積超過8.0×10-5 時，由熔鋼之凝固階段析出Ti氮化物而粗大化，由於切口之效果(notch effect)而使韌性降低者。
由以上之實驗結果，就其耐蝕性與製造性之觀點而言，發現使Cr之含量成為18.0~24.0%，且如上述藉由控制Al量及Ti與N之溶解度乘積，而可抑制成為韌性降低主因之熔鋼之凝固階段中之粗大Al之介隔物或Ti氮化物之生成，獲得韌性優異之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板。本發明係基於該等見解而完成者。
亦即，本發明之構成如下。
(1)一種肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係含有以質量%記為C：0.020%以下、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、P：0.06%以下、S：0.01%以下、Cr：18.0~24.0%、Mo：0.3%以下、Nb：0.15~0.40%、Ti：0.015%以下、N：0.020%以下、Al：0.20~0.40%，且滿足下述式(A)及(B)，且剩餘部份由Fe及不可避免之雜質所構成；
Ti×N≦8.0×10-5 ‧‧‧(A)
10×(C+N)≦Nb≦0.25+(C/12+N/14)×93‧‧‧(B)
其中，各元素記號表示鋼中之成分含量(質量%)。
(2)如(1)所述之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係以質量%記為C：0.015%以下、Si：0.5%以下、Mn：0.8%以下、Nb：0.15~0.35%、Ti：0.010%以下、N：0.015%以下、Al：0.20~0.35%。
(3)如(1)或(2)所述之肥粒解系不銹鋼熱延鋼板，其係進一步含有以質量%記為Cu：0.3~0.8%、Ni：1.0%以下及Co：1.0%以下中所選出之至少一種。
(4)如(1)至(3)中任一項所述之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係進一步含有以質量%記為B：0.0002~0.0020%。
依據本發明，可獲得-50℃之夏比衝擊值成為100J/cm2 之韌性優異之高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板。
以下針對實施本發明之形態加以詳細說明。
首先，說明本發明之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之成分限定理由。
C：0.020%以下
C容易形成Cr碳化物，超過0.020%時在熔接時，在熱影響部(heat-affected zone)中會形成Cr碳化物，成為粒界腐蝕(intergranular corrosion)之原因。因此，C設為0.020%以下。較好為0.015%以下。進一步要求高的耐蝕性時，更好為0.010%以下。又，精練成本(refining cost)成為問題時，較好為0.003%以上。
Si：1.0%以下
Si超過1.0%時會使韌性降低。因此，Si設為1.0%以下。較好為0.5%以下，更好為0.3%以下。又，Si由於為作為脫氧劑(deoxidizing agent)有用之元素，故較好設為0.05%以上。
Mn：1.0%以下
Mn超過1.0%時會形成可溶性硫化物(fusible sulfide)的MnS，且使耐蝕性降低。因此，Mn設為1.0%以下。較好為0.8%以下，更好為0.6%以下。
P：0.06%以下
P超過0.06%時對於耐蝕性有害，或由於固溶強化(solid solution strengthening)使加工性(workability)降低。因此，P設為0.06%以下。考慮加工性及韌性時，較好為0.04%以下。
S：0.01%以下
S超過0.01%時對耐蝕性有害。因此，S設為0.01%以下。就高耐蝕性之觀點而言，較好為0.006%以下。
Cr：18.0~24.0%
Cr為於表面形成鈍態皮膜(passive film)以提高耐蝕性之元素。Cr未達18.0%時無法獲得足夠之耐蝕性。另一方面，超過24.0%時容易造成σ相脆化(sigma phase embrittlement)或475℃脆性，容易使韌性降低。因此，Cr設為18.0~24.0%。就高耐蝕性之觀點而言，較好為20.0~24.0%。
Mo：0.3%以下
Mo超過0.3%時生成拉夫斯相(Laves phase)等粗大之金屬間化合物，使韌性降低。因此，Mo設為0.3%以下。又，於期望不提高成本而進一步提高耐蝕性時，較好為0.1%以上。
Nb：0.15~0.40%
Nb含有0.15%以上時具有固定C或N而抑制敏銳化之效果。另一方面，超過0.40%時會生成拉夫斯相(Laves phase)等粗大的金屬間化合物，使韌性降低。因此，Nb設為0.15~0.40%。考慮韌性時，較好為0.15~0.35%，更好為0.15~0.30%。
Ti：0.015%以下
Ti會形成粗大的氮化物，使韌性降低。因此，Ti設為0.015%以下。較好為0.010%以下。要求進一步提高韌性時，更好為0.005%以下。
N：0.020%以下
N超過0.020%時會形成氮化物，使韌性降低。尤其，Ti共存時，自熔鋼之凝固階段生成粗大之Ti氮化物，且由於其切口效果顯著而造成韌性降低。因此，N設為0.020%以下。較好為0.015%以下。要求更高之耐蝕性時，更好為0.010%以下。
Al：0.20~0.40%
Al為本發明重要之元素，具有提高韌性之效果。對於成為本發明目的之韌性，未達0.20%時其效果不充分。又，超過0.40%時，熱加工性(hot-workability)降低。因此，Al設為0.20~0.40%。較好為0.20~0.35%。要求更高韌性時，更好為0.20~0.30%。
Ti×N≦8.0x10-5
如上述，成為肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之韌性降低要因之粗大Ti氮化物係由熔鋼之凝固階段生成。為抑制該Ti氮化物之生成，溶解度乘積Ti×N必須限定在8.0×10-5 以下。較好為5.0×10-5 以下。其中，Ti、N表示各成分之含量(質量%)。
10×(C+N)≦Nb≦0.25+(C/12+N/14)×93
Nb係將對耐蝕性有害之C或N成為Nb碳化物或Nb氮化物、以使該等複合之析出物加以固定並無害化，具有提高耐蝕性之效果。然而，Nb量低於(C+N)量之10倍時，Nb碳化物或Nb氮化物、使該等複合之析出物之析出變不充分，使Cr碳化物、Cr氮化物、該等複合而成之析出物析出，造成耐蝕性降低。因此，Nb限定在10×(C+N)%以上。較好為12×(C+N)%以上。另一方面，含有超過[0.25+(C/12+N/14)×93]%之Nb，固熔之Nb增加，使韌性降低。因此，Nb限定在[0.25+(C/12+N/14)×93]%以下。其中，C、N、Nb表示各成分之含量(質量%)。
上述化學成分以外之剩餘部份為Fe及不可避免之雜質。又，不可避免之雜質可容許為例如Mg：0.0020%以下；Ca：0.0020%以下、V：0.10%以下，但並不限於該等。
再者，C：0.015%以下、Si：0.5%以下、Mn：0.8%以下、Nb：0.15~0.35%、Ti：0.010%以下、N：0.015%以下、Al：0.20~0.35%時，-50℃之夏比衝擊值成為150J/cm2 以上，藉此可獲得更優異之韌性，同時獲得更優異之耐蝕性。
本發明之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板雖以上述必須元素獲得目的之特性，但亦可依據期望之特性而含有以下之元素。
Cu：0.3~0.8%
Cu為用以提高耐蝕性之有用元素，尤其為在減低裂縫間腐蝕(crevice corrosion)方面有效之元素。為了發揮該效果而有必要為0.3%以上。另一方面，超過0.8%時熱加工性降低。因此，Cu設為0.3~0.8%。較好為0.3~0.5%。
Ni：1.0%以下
Ni具有降低裂縫腐蝕之效果。又，含有Cu時亦有防止熱加工性降低之效果。獲得該效果之Ni較好為0.05%以上，然而，超過1.0%時會導致成本上升，同時其效果達飽和，反而使熱加工性降低。因此，Ni設為1.0%以下。較好為0.05~0.4%。
Co：1.0%以下
Co為有助於改善韌性之元素。獲得此效果之Co較好設為0.05%以上。然而，超過1.0%時會使延展性(ductility)降低。因此，Co設為1.0%以下。
B：0.0002~0.0020%
B為深沖壓加工(deep drawing)時用以改善耐二次加工脆性(resistance to cold-work embrittlement)之有效元素。若未達0.0002%則無法獲得其效果。另一方面，超過0.0020%時，熱加工性與深沖壓性(deep drawability)下降。因此，B設為0.0002~0.0020%。
接著，針對本發明之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之製造方法加以說明。
有效製造本發明之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之方法為連續鑄造(continuous casting)成厚板(slab)，在1100~1300℃之範圍內加熱，進行熱壓延，成為熱壓延線圈。熱間壓延中之線圈捲取溫度超過650℃時，捲取後會析出碳化物或金屬間化合物而使韌性下降，故較好設為650℃以下，要求更高韌性時，更好為450℃以下。所得熱延鋼板利用連續燒鈍，在900~1150℃之範圍燒鈍，接著以酸洗線進行酸洗。該熱延燒鈍板可直接成為製品。又，作為冷壓延用之原料使用，施以冷壓延-整飾燒鈍作成冷延燒鈍板成為製品亦可。
[實施例]
熔製表3-1及表4-1所示之化學成分之肥粒鐵系不銹鋼，以連續鑄造法作成250mm厚之厚板。使該等厚板加熱至1200℃後，粗壓延至35mm厚，以1050℃開始整飾壓延，於900℃結束，且於500℃捲取成線圈狀並冷卻，成為板厚5mm及/或6mm之熱延鋼板。使所得熱延鋼板在1050℃以上保持80秒(最高溫度：1100℃)後，施以放冷之燒鈍，成為熱延燒鈍板(熱延鋼板)。
接著，以JIS Z 2202為準，自熱延燒鈍板採取(壓延方向為採取方向，衝擊方向為壓延寬度方向)平均各5片4號試驗片(其中，板厚5mm時寬度為5mm，板厚6mm時寬度為6mm)，以試驗溫度-50℃之條件進行夏比衝擊試驗，測定夏比衝擊值。將5片試驗片之夏比衝擊值平均作為夏比衝擊值。
且，對由熱延燒鈍板採取之試料，以JIS G 0577為準，在30℃之3.5%NaCl溶液中測定孔蝕電位(pitting potential)，若180mV vs SCE以上則稱為耐蝕性優異。
結果示於表3-2及表4-2。由滿足本發明之成分條件之鋼製造之熱延鋼板任一種之-50℃夏比衝擊值均為100J/cm2 以上，孔蝕電位為180mV vs SCE以上，可知為韌性優異且為高耐蝕性肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板。
[產業上之可能利用性]
本發明提供之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板之耐蝕性及韌性優異，故適合作為卡車之後車斗(Back of the truck)或柵欄(grating)或各種地板材(variety of floor material)、金屬零件(扣環)之土木、建築用(civil engineering and construction)之構造構件之材料。
[表1]
[表2]
[表3-1]
[表3-2]
[表4-1]
[表4-2]
圖1為顯示Al量對-50℃之夏比衝擊值的影響之圖。
圖2為顯示Ti(%)×N(%)對-50℃之夏比衝擊值的影響之圖。

Claims (5)

  1. 一種肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係含有以質量%記為C：0.020%以下、Si：1.0%以下、Mn：1.0%以下、P：0.06%以下、S：0.01%以下、Cr：20.0~24.0%、Mo：0.3%以下、Nb：0.15~0.40%、Ti：0.015%以下、N：0.020%以下、Al：0.20~0.30%且滿足下述式(A)及(B)Ti×N≦8.0×10-5 ...(A) 10×(C+N)≦Nb≦0.25+(C/12+N/14)×93...(B)並由剩餘部分為Fe及不可避免之雜質所構成；在此，各元素記號表示鋼中的成分含量(質量%)。
  2. 如請求項1之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係以質量%記為C：0.015%以下、Si：0.5%以下、Mn：0.8%以下、Nb：0.15~0.35%、Ti：0.010%以下、N：0.015%以下、Al：0.20~0.30%。
  3. 如請求項1或2之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係進一步含有以質量%記為Cu：0.3~0.8%、Ni：1.0%以下及Co：1.0%以下中所選出之至少一種。
  4. 如請求項1或2之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係進一步含有以質量%記為B：0.0002~0.0020%。
  5. 如請求項3之肥粒鐵系不銹鋼熱延鋼板，其係進一步含有以質量%記為B：0.0002~0.0020%。
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