TWI503423B

TWI503423B - 肥粒鐵系不鏽鋼

Info

Publication number: TWI503423B
Application number: TW101149467A
Authority: TW
Inventors: Tomohiro Ishii; Shin Ishikawa; Hiroyuki Ogata
Original assignee: Jfe Steel Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2015-10-11
Also published as: EP2799577B1; EP2799577A4; CN104024458B; WO2013099132A1; US20140363328A1; KR20140098818A; CN104024458A; JPWO2013099132A1; JP5435179B2; KR101658872B1; EP2799577A1; ES2608460T3; TW201337004A

Description

肥粒鐵系不鏽鋼

本發明係關於在利用熔接進行構造體製作的用途，例如消音器等汽車排氣系材料、電熱水器的蓄熱水用罐體材料、或建物裝飾‧換氣口/風管等建築用材料等，不易引發熔接部靈敏化(sensitization)，熔接部的回火色(temper color)耐蝕性優異，且經施行雙層熔接的不易引發熔接焊珠(welding bead)熔接裂痕(weld crack)之肥粒鐵系不鏽鋼(ferritic stainless steel)。

肥粒鐵系不鏽鋼相較於沃斯田鐵系不鏽鋼(austenitic stainless steel)之下，從耐蝕性(corrosion resistance)較高、且成本效益與熱導率(heat thermal conductivity)均良好，熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion)小、不易引發應力腐蝕裂痕(Stress Corrosion Cracking)等各種優異特性而言，頗適合用於汽車排氣系構件、屋頂/建物裝飾等的建材、廚房、蓄水/蓄熱水槽等水周邊用材料等廣範圍用途。

在該等構造物製作時，多數情況係將不鏽鋼鋼板裁剪/成形為適當形狀後，再利用熔接施行接合。但是，肥粒鐵系不鏽鋼中，在由3片板相接合的地方、或圓周熔接的始端與終端等熔接焊珠上，再次施行熔接的雙層熔接部，會發生熔接裂痕。熔接構件的形狀複雜化，且此種雙層熔接部增加，成為發生熔接裂痕的問題。

再者，因為雙層熔接部並非平坦，再度將表面存在有銹皮的部分施行熔接，因而亦有熔接焊珠容易吸入氧、氮等導致耐蝕性降低的問題。但是，習知技術並無有關此種雙層熔接部問題的見解。

專利文獻1揭示有耐蝕性與熔接性均優異的肥粒鐵系不鏽鋼。此技術係藉由Mg的添加、與S含有量適當化，而兼顧耐蝕性與熔接熔入性的肥粒鐵系不鏽鋼，但關於雙層熔接部的裂痕與耐蝕性卻完全無任何觸及。實際上，若將專利文獻1所揭示的肥粒鐵系不鏽鋼施行熔接，則有在雙層熔接部發生裂痕的情況。

專利文獻2揭示有熔接性優異的肥粒鐵系不鏽鋼。但是，此技術係改良熔接熔入性與熔接後加工性的肥粒鐵系不鏽鋼，對熔接裂痕等雙層熔接部的問題並無觸及。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開平8-246105號公報

專利文獻2：日本專利特開2009-91654號公報

鑑於習知技術所困擾之上述問題，本發明目的在於提供：在肥粒鐵系不鏽鋼的熔接中，當施行雙層熔接時，不易引發熔接部靈敏化，且熔接部的回火色耐蝕性優異，且不易引發熔接焊珠熔接裂痕的肥粒鐵系不鏽鋼。

本發明為了解決上述問題，針對對雙層熔接的熔接裂痕造成影響之各種元素進行深入鑽研。另外，所謂「雙層熔接」係指相同地方施行2次或複數次熔接。所謂「雙層熔接部」係指例如在圓周上進行熔接時熔接始端與終端處的熔接焊珠重疊部分，或進行十字熔接時熔接焊珠的重疊部分等，利用雙層熔接重複2次以上熔融/凝固過程的部分及其周邊。

切取因雙層熔接而出現熔接裂痕的部分，並利用SEM(Scanning Eleetron Microscope，掃描式電子顯微鏡)觀察破碎面。於破碎面確認有薄膜狀Nb的析出(precipitation)。為求比較，切取沒有出現熔接裂痕的部分，利用SEM進行觀察，並沒有發現如上述破碎面所出現的薄膜狀Nb析出物。可認為薄膜狀Nb的析出影響熔接裂痕的發生。

經調查對雙層熔接部的熔接裂痕構成影響之各種成分，結果得知P與Nb含有量較少的鋼不引發熔接裂痕。對各種肥粒鐵系不鏽鋼利用堆焊(bead on plate，BOP)施行十字熔接，並利用光學顯微鏡確認雙層熔接部有無出現熔接裂痕。結果如圖1所示。圖1中，「○」係無發現熔接裂痕者，「×」係發現熔接裂痕者。得知若Nb未滿0.05%、P在0.03%以下、 Nb×P在0.0005以下的範圍，便不引發熔接裂痕。

得知藉由降低Nb含有量可防止發生熔接裂痕。但是，因為Nb屬於抑制熔接焊珠靈敏化的有效元素，因而有因減少Nb而導致容易引發靈敏化的顧慮。又，因為雙層熔接部的表面並非平坦而形成銹皮，因而在熔接焊珠中容易混入雜質，由靈敏化而言屬不利的熔接條件。此處對熔接焊珠的靈敏化造成影響之各種元素進行調查。結果，得知除Nb之外，V與Al對熔接部靈敏化抑制均屬有效。其理由可認為藉由V與Al分別形成VN、AlN，而抑制Cr氮化物(Cr nitride)形成的所致。

再者，藉由在熔接焊珠中形成所謂「回火色」的氧化皮膜(oxide layer)，則與靈敏化同樣地出現Cr缺乏、耐蝕性降低，因而針對對回火色的耐蝕性造成影響之各種元素進行評價。結果發現藉由使Si、Al、Ti濃縮成回火色，可成為緻密且保護性佳的氧化皮膜。又，發現為了抑制因熔接造成的氧化量、並抑制氧化造成的Cr缺乏，因而若Si、Al、Ti含有量恰當，可提升熔接焊珠的耐蝕性。

本發明係根據上述發現更進一步深入檢討，本發明主旨係如下。

[1]一種肥粒鐵系不鏽鋼，係依質量%計，含有：C：0.001~0.030%、Si：0.03~0.80%、Mn：0.05~0.50%、P：0.03%以下、S：0.01%以下、Cr：19.0~28.0%、Ni：0.01~未滿0.30%、 Mo：0.2~3.0%、Al：0.15超過~1.2%、V：0.02~0.50%、Cu：未滿0.1%、Ti：0.05~0.50%、N：0.001~0.030%，且Nb：未滿0.05%，並滿足下式(1)，其餘則由Fe及不可避免的雜質構成。

Nb×P≦0.0005.......(1)另外，式中的元素符號係表示各元素的含有量(質量%)。

[2]如上述[1]所記載的肥粒鐵系不鏽鋼，其中更進一步依質量%計，含有從Zr：1.0%以下、W：1.0%以下、REM：0.1%以下、Co：0.3%以下、B：0.1%以下中選擇之1種以上。

藉由本發明可獲得當施行雙層熔接時，不易引發熔接部靈敏化、且熔接部的回火色耐蝕性優異、且不易引發熔接焊珠熔接裂痕的肥粒鐵系不鏽鋼。

以下針對本發明構成要件的限定理由進行說明。

1.相關成分組成

首先，針對本發明規定鋼成分組成的理由進行說明。另外，「成分%」均係指質量%。

C：0.001~0.030%

C係屬於鋼中不可避免均會含有的元素。若C量較多便提升強度，若較少則提升加工性。為了獲得充分強度，含有0.001%以上較屬恰當，但若超過0.030%，則加工性降低趨於明顯，且析出Cr碳化物，導致容易因局部性Cr缺乏而耐蝕性降低。所以，C量設為0.001~0.030%範圍。較佳係0.002~0.018%範圍。更佳係0.002~0.010%範圍。

Si：0.03~0.80%

Si係屬於脫氧的有用元素，在本發明中，係使其與Al、Ti一起濃縮至因熔接所形成的回火色，而提升氧化皮膜的保護性，使熔接部耐蝕性呈良好的重要元素。此項效果係利用添加0.03%便可獲得。但是，添加超過0.80%則加工性降低趨於明顯，成形加工困難。所以，Si量設為0.03~0.80%範圍。更佳係設為0.30超~0.80%範圍。特佳係0.33~0.50%範圍。

Mn：0.05~0.50%

Mn係屬於鋼中不可避免均會含有的元素，具有提高強度的效果。此項效果係利用添加0.05%以上便可獲得，但若添加超過0.50%，便促進成為腐蝕起點的MnS析出，導致耐蝕性降低，因而Mn量設為0.05~0.50%範圍。較佳係0.08~0.40%範圍。

P：0.03%以下

P係屬於鋼中不可避免均會含有的元素，但過剩含有會導致熔接性降低、容易發生晶界腐蝕。又，本發明發現P的增加會使雙層熔接部的熔接裂痕發生。因P增加而導致肥粒鐵系不鏽鋼的凝固溫度降低，因而Nb氮碳化物從液相中析出而形成薄膜狀，造成妨礙凝固過程中的熔融池流動，抑制結晶粒形成，所以可認為P含有量較多的肥粒鐵系不鏽鋼較容易發生熔接裂痕。在雙層熔接中造成熔接裂痕傾向更明顯的情形，可認為係因重複熔融、凝固過程，導致Nb進行濃縮而容易析出的緣故所致。若P含有量超過0.03%，對熔接裂痕的影響便趨於明顯。所以，P含有量設為0.03%以下。較佳係0.025%以下。

S：0.01%以下

S係屬於鋼中不可避免均會含有的元素，但若超過0.01%，便促進CaS、MnS等水溶性硫化物的形成，導致耐蝕性降低。所以，S量設為0.01%以下。更佳係0.006%以下。特佳係0.003%以下。

Cr：19.0~28.0%

Cr係屬於用於確保不鏽鋼耐蝕性的最重要元素。若添加未滿19.0%，便因熔接所造成的氧化，導致無法獲得表層Cr減少的熔接焊珠、以及其周邊的充分耐蝕性。另一方面，若添加超過28.0%，因為加工性、製造性降低，所以Cr量設為19.0~28.0%範圍。較佳係21.0~26.0%範圍。更佳係21.0~24.0%。

Ni：0.01~0.30%未満

Ni係提升不鏽鋼耐蝕性的元素，屬於在無法形成鈍化皮膜、會引發活性溶解(actuated solving)的腐蝕環境中，抑制腐蝕進行的元素。此項效果係添加0.01%以上便可獲得。但是，若添加0.30%以上，除加工性降低之外，尚因為屬於高單價元素，因而成本增加。所以，Ni量設為0.01~未滿0.30%範圍。較佳係0.03~0.24%範圍。更佳係0.03~未滿0.15%範圍。

Mo：0.2~3.0%

Mo係屬於促進鈍化皮膜的再鈍化，提升不鏽鋼耐蝕性的元素。藉由與Cr一併含有便可使此項效果更為明顯。由Mo所造成的耐蝕性提升效果係添加0.2%以上便可獲得。但是，若超過3.0%，則強度增加，導致軋延負荷變大，因而導致製造性降低。所以，Mo量設為0.2~3.0%範圍。較佳係0.6~2.4%範圍。更佳係0.6~2.0%範圍。特佳係0.8~1.3%範圍。

Al：0.15超過~1.2%

Al係屬於脫氧的有用元素，在本發明中，係使其與Si、Ti一起濃縮至因熔接所形成的回火色，而提升熔接部耐蝕性的元素。除此之外，其與氮間的親和力大於與Cr的親和力，因而Al形成AlN，不致妨礙Cr氮化物的形成，所以亦屬於抑制熔接焊珠靈敏化的元素。其效果在添加0.15%超過時可以得到。但是如添加超過1.2%時則肥粒鐵結晶粒增大而加工性或製造性降低。因此Al量設為0.15超過~1.2%範圍。更佳為0.17~0.8%範圍。

V：0.02~0.50%

V係屬於提升耐蝕性與加工性的元素，不易引發熔接裂痕的元素。又，亦屬於藉由與氮相鍵結形成VN，而抑制熔接部靈敏化的元素。已知為了抑制熔接部靈敏化，複合添加Nb與Ti屬有效，在本發明中為了防止雙層熔接部的熔接裂痕，必需抑制Nb含有量。但是，若單獨添加Ti，則有無法獲得充分抑制靈敏化效果的情況。所以，取代Nb，改為添加V與Al便能有效地抑制熔接部靈敏化。此項效果係依添加0.02%以上便可獲得。但是，若添加超過0.50%，反而導致加工性降低。所以，V含有量設為0.02~0.50%範圍。較佳係0.03~0.40%範圍。

Cu：未満0.1%

Cu係屬於不可避免會含有的雜質，具有本發明Cr含有量、Mo含有量的耐蝕性優異肥粒鐵系不鏽鋼，會使鈍化維持電流(passivity maintaining current)增加，導致鈍化皮膜呈不穩定，有使耐蝕性降低的作用。該耐蝕性降低作用在Cu量達0.1%以上時趨於明顯。所以，Cu量未滿0.1%。

Ti：0.05~0.50%

Ti係屬於優先與C、N鍵結，而抑制因Cr氮碳化物析出所造成之耐蝕性降低的元素。在本發明中係屬於用於抑制熔接部靈敏化的重要元素，亦屬於與Si、Al一起複合性濃縮至熔接部回火色，而使氧化皮膜的保護性提升之元素。此項效果係依添加0.05%以上便可獲得。但是，若添加超過0.50%，便導致加工性降低、Ti氮碳化物粗大化、引發表面缺陷。所以，Ti量設為0.05~0.50%範圍。較佳係0.08~0.38% 範圍。更佳係0.25~0.35%範圍。

N：0.001~0.030%

N係與C同樣地均屬於鋼中不可避免均會含有的元素，具有利用固溶強化而提升鋼強度的效果。此項效果係依0.001%以上便可獲得。但是，當析出Cr氮化物時則使耐蝕性降低，因而含有0.030%以下較屬恰當。所以，N量設為0.001~0.030%範圍。較佳係0.002~0.018%範圍。更佳係0.007~0.011%範圍。

Nb：未満0.05%

Nb一般雖屬於優先與C、N相鍵結，而抑制因Cr氮碳化物析出所造成耐蝕性降低的元素，但卻屬於藉由在雙層熔接部析出薄膜狀，而產生雙層熔接部熔接裂痕的元素，其添加量越低越佳。熔接裂痕係在添加0.05%以上時趨於明顯。所以，Nb量設為未滿0.05%。較佳係未滿0.02%。

Nb×P：0.0005以下

另外，式中的元素符號係表示各元素的含有量(質量%)。

因在雙層熔接部上析出薄膜狀Nb而產生熔接裂痕。Nb的析出約略依存於Nb含有量與P含有量的乘積，如圖1所示，若Nb×P超過0.0005則熔接裂痕趨於明顯。所以，Nb×P設為0.0005以下。

以上係屬於本發明的基本化學成分，其餘則由Fe及不可避免的雜質構成，更在提升耐蝕性、韌性之目的下，亦可將 Zr、W、REM、Co、B當作選擇元素添加。

Zr：1.0%以下

Zr係與C、N鍵結而具有抑制靈敏化的效果。此項效果係藉由添加0.01%以上便可獲得。但是，過剩的添加除了導致加工性降低之外，亦因為屬於非常高價位的元素，因而成本增加。所以，當添加Zr時，Zr量較佳係設為1.0%以下。更佳係0.2%以下。

W：1.0%以下

W係與Mo同樣地均具有提升耐蝕性的效果。此項效果係依添加0.01%以上便可獲得。但是，過剩的添加導致強度上升，造成製造性降低。所以，當添加W時，W量較佳係設為1.0%以下。更佳係0.5%以下。

REM：0.1%以下

REM(稀土族元素)係提升耐氧化性而抑制氧化銹皮形成，以抑制熔接部回火色正下方的Cr缺乏區域形成。此項效果係依添加0.001%以上便可獲得。但是，過剩的添加除了導致酸洗性等製造性降低之外，亦使成本增加。所以，當添加REM時，REM量較佳係設為0.1%以下。

Co：0.3%以下

Co係屬於提升韌性的元素。此項效果係依添加0.001%以上便可獲得。但是，過剩的添加導致製造性降低。所以，當添加Co時，Co量較佳係設為0.3%以下。更佳係0.1%以下。下。

B：0.1%以下

B係屬於改善二次加工脆性的元素，為了獲得此項效果，含有達0.0001%以上較屬恰當。但是，過剩的含有會因固溶強化而引發延展性降低。所以，當含有B的情況，B量較佳係設為0.1%以下。更佳係0.01%以下。

2.相關製造條件

其次，針對本發明鋼的較佳適製造方法進行說明。將上述成分組成的鋼，依照轉爐(converter furnace)、電爐(electric furnace)、真空熔解爐(vacuum melting furnace)等公知方法施行熔製，再利用連續鑄造法(continuous casting)或造塊(ingot casting)-分塊法(slabbing)形成鋼素材(鋼胚slab)。然後將該鋼素材加熱至1100~1300℃後，依完軋溫度700℃~1000℃、捲取溫度500℃~850℃施行熱軋，修整為板厚2.0mm~5.0mm的鋼帶。將依此所製作的熱軋鋼帶(hot rolled strip)，依800℃~1200℃溫度施行退火(anneal)、酸洗(acid picking)，接著再施行冷軋，並依700℃~1000℃溫度施行冷軋板退火。經冷軋板退火後再施行酸洗，而去除銹皮。亦可對經去除銹皮過的冷軋鋼帶施行表皮輥軋。

[實施例1]

以下，根據實施例針對本發明進行說明。

真空熔製表1所示不鏽鋼，經加熱至1200℃後，施行熱軋至板厚4mm，再依800~1000℃範圍施行退火，並利用酸洗去除銹皮。再施行冷軋至板厚0.8mm，再依800℃~1000℃範圍施行退火，再施行酸洗便形成試體材料。

對所製作的試體材料利用堆焊的TIG熔接施行如圖2所示之十字熔接。熔接電流設為90A、熔接速度設為60cm/min。保護氣體(shield gas)係表側(焊槍側，torch side)、背側均使用100%Ar氣體，流量係表側設為15L/min、背側設為10L/min。表側的熔接焊珠寬度大約4mm。

針對所製作之熔接焊珠的雙層熔接部使用光學顯微鏡確認有無熔接裂痕。結果如表2所示。

發明例的No.1~No.15、No.22、No.23並無發生熔接裂痕，但比較例的No.16、No.18~No.21中，Nb及Nb×P逾越發明範圍外的No.16、P逾越發明範圍外的No.20、Nb×P逾越發明範圍外的No.21，均發現到熔接裂痕。切取該等熔接裂痕部分，經利用SEM觀察破碎面，任一樣品均發現薄膜狀Nb的析出。

除了發現到熔接裂痕的No.16、No.20、No.21，採取含有所製作之熔接焊珠雙層熔接部的20mm四方試驗片，殘留10mm四方測定面，利用密封材被覆，在利用熔接賦予回火色之狀態下，於30℃的3.5質量%NaCl溶液中測定孔蝕電位。試驗片的研磨與鈍化處理並未實施。除此以外的測定方法均根據JIS G0577(2005)。所測定的孔蝕電位V'_c100 如表2所示。發明例的No.1~No.15、No.22、No.23，均V'_c100 達0mV vs SCE以上，但比較例的No.18~No.19則均V'_c100 未滿0mV vs SCE，確認到發明例的耐蝕性優異。

再者，針對表1的No.1~No.23，採取含有雙層熔接部熔接焊珠的40×40mm試驗片，將表側設為試驗面，實施JIS H 8502(1999)的中性鹽水噴霧循環試驗(neutral salt spray cyclic corrosion test)。循環數設為3次循環。經試驗後，利用目視確認熔接焊珠有無腐蝕。結果如表2所示。發明例的No.1~No.15、No.22、No.23均沒有發現腐蝕，相對地，比較例的No.16、No.18~No.21均發現到腐蝕。確認到發明例的熔接焊珠耐蝕性優異。

(產業上之可利用性)

本發明的肥粒鐵系不鏽鋼係適合用於利用熔接施行構造體製作的用途，例如：消音器等汽車排氣系材料、電熱水器的蓄熱水用罐體材料、建物裝飾‧換氣口/風管等建築用材料等等。

圖1係對雙層熔接部的熔接裂痕造成影響之Nb含有量及P含有量的說明圖。

圖2係十字熔接示意圖。

Claims

一種肥粒鐵系不鏽鋼，係依質量%計，含有：C：0.001~0.030%、Si：0.03~0.80%、Mn：0.05~0.50%、P：0.03%以下、S：0.01%以下、Cr：19.0~28.0%、Ni：0.01~未滿0.30%、Mo：0.2~3.0%、Al：0.15超過~1.2%、V：0.02~0.50%、Cu：未滿0.1%、Ti：0.05~0.50%、N：0.001~0.030%，且Nb：未滿0.05%，並滿足下式(1)，其餘則由Fe及不可避免的雜質所成；Nb×P≦0.0005.........(1)另外，式中的元素符號係表示各元素的含有量(質量%)。
如申請專利範圍第1項之肥粒鐵系不鏽鋼，其中，更進一步依質量%計，含有從Zr：1.0%以下、W：1.0%以下、REM：0.1%以下、Co：0.3%以下、B：0.1%以下中選擇之1種以上。