WO2007138815A1

WO2007138815A1 - オーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: WO2007138815A1
Application number: PCT/JP2007/059094
Authority: WO
Inventors: Kiyoko Takeda; Masayuki Sagara; Masaaki Terunuma
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-12-06
Also published as: JP5071384B2; JPWO2007138815A1; US20090081069A1; CN101460643A

Abstract

　質量％で、C：0.10％以下、Si：0.01～1.0％、Mn：0.01～2％、Cr：16～18％、Ni：10％を超えて14％未満、Mo：2.0%を超えて3.0％以下、N：0.03～0.10％、ならびにＶ、NbおよびTiの1種または2種以上を下記(1)式および(2)式を満たす量で含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物であるＰが0.04％以下、Ｓが0.003％以下であるオーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、特に耐粒界腐食性に優れている。　　　0.0013≦（V／51）＋（Nb／93）＋（Ti／48）≦0.0025・・・(1) 　　｛(C／12)＋(N／14)｝－｛(V／51)＋(Nb／93)＋(Ti／48)｝≦0.0058・・・(2) 　ただし、(1)式および(2)式の中の元素記号は、その元素の含有量（質量％）である。なお、Nbは0.030％以下、Tiは0.050％以下であることが望ましい。

Description

明細書技術分野

[0001] 本発明は、原子力プラントやィ匕学プラント等の構造部材に用いられる、耐食性、特に耐粒界腐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

背景技術

[0002] Moを含有する SUS316ステンレス鋼は、 SUS304ステンレス鋼と比べて耐孔食性や耐全面腐食性といった耐食性に優れ、加工性や機械的特性も優れるため、原子力プラントやィ匕学プラント等の構造部材として用いられている。しかし、溶接されたり高温加熱がなされた場合には、その溶接や高温加熱による熱影響部には顕著な粒界腐食を生じる場合がある。この粒界腐食を生じる現象は鋭敏化と呼ばれ、粒界への C r炭化物の析出に伴い、その周囲の Cr濃度が低下して、耐食性が不十分な Cr欠乏層が生成するのが原因である。さらに、材料の応力状態によっては粒界応力腐食割れが生じること〖こなる。

[0003] 従来、この鋭敏化対策として、 C含有量を低く抑えたり、 Cを Ήや Nbの化合物として粒内に固定して粒界での Cr炭化物の析出を抑制し、 Cr欠乏層の生成を抑制する手法が取られているが、それでもなお粒界腐食の防止には不十分な場合があった。

[0004] C含有量を低く抑えたり、 V、 Nb、 Ti等を添カ卩したオーステナイト系ステンレス鋼が、例えば下記の文献に開示されている。

[0005] 特許文献 1 (特開昭 55— 89458号公報）には、 Nに基づく耐応力腐食割れ性の劣化を防止することを目的として、 Ti、 Nb、 Ta、 Zrおよび Vの 1種以上を 0.1〜1%含有させた高温低塩素濃度環境用オーステナイト系ステンレス鋼が開示されて、る。これは、比較的 Nが多く含まれる鋼において、 Ti、 Nb、 Ta、 Zrおよび Vにより窒化物を形成させることで、ステンレス鋼の母相中に固溶する Nの量を低下させることにより、 Nに基づく耐応力腐食割れを防止するというものである。しかし、 Cによる鋭敏化に起因する耐応力腐食割れ性の劣化にっ、ては、 C含有量の低減だけしか考慮されて、な、。

[0006] 特許文献 2 (特開 2003— 213379号公報）には、 Tiまたは Zおよび Nbを含有することにより粒界への Cr窒化物の析出が抑制された耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。し力し、同文献には Ήまたは Zおよび Nbが Nのみならず Cも粒内に固定ィ匕すること、さらに Vにも同様の効果のあることは考慮されていない。また、 Cおよび Nの含有量に応じた適切な Tiや Nbの添カ卩量についても開示されていない。

[0007] 特許文献 3 (特開平 5— 59494号公報）には、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nbおよび Taの 1種以上を含有する耐照射誘起偏祈に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。この鋼では、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nbおよび Taは、中性子照射によって生成される点欠陥を減少させ、粒界からの Crの移動や粒界への Ni、 Si、 Pおよび Sの移動を抑制すると記載されているだけで、上記元素が Cや Nを炭窒化物として粒内に固定する役割を有することは考慮されていない。また、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nbおよび Taの多量の含有が必要とされている。

[0008] 特許文献 4 (特開 2005— 23343号公報）には、 V、 Nb、 Tiおよび Zrの 1種または 2種以上を含有し、表面が細粒のオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。この鋼には、 V、 Nb、 Tiおよび Zrは、結晶粒を細粒ィ匕するために添加されている力それらの添カ卩量に関して Cや Nなど他元素との相互作用は考慮されてヽな、。

[0009] 特許文献 5 (特開昭 57— 158359号公報）には、 Nb+Taを 0.05〜0.10%含有させた耐食性オーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。同文献では、 Nbと Taの複合添加で炭化物や窒化物の粒界析出が抑制されると記載されている力 Nbを 0.05%以上含有させた場合は、孔食ゃ地キズの発生が懸念される。

[0010] 特許文献 1 :特開昭 55— 89458号公報

特許文献 2 :特開 2003— 213379号公報

特許文献 3：特開平 5— 59494号公報

特許文献 4：特開 2005— 23343号公報

特許文献 5：特開昭 57— 158359号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] 本発明の目的は、耐食性、特に耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明の基本思想は、 Cを粒内の炭窒化物として析出させることにより、粒界への C r炭窒化物の析出を抑制して、オーステナイト系ステンレス鋼の鋭敏化による粒界腐食を防止する点にある。

[0013] SUS316系ステンレス鋼における粒界への Cr系炭窒化物の析出の抑制には、炭窒化物形成の源となる Cや Nを、 Crよりも Cや Nとの親和力の高い V、 Nb、 Tiと結合させて粒内に炭窒化物として固定ィ匕することが好ましい。標準生成自由エネルギーからは、 V、 Nb、 Tiは炭化物よりも窒化物を形成しやすい。

[0014] また、 SUS316系ステンレス鋼を構造部材に用いる場合、強度確保のため Nを 0.03 〜0.10%程度含有させている力 Nを添カ卩した SUS316系ステンレス鋼に V、 Nb、 Tiを添加した場合は窒化物を優先的に形成する。従って、 Cを炭化物として粒内に固定化して粒界腐食を抑制するためには、 Nを窒化物として固定ィ匕する量にカ卩えて、さらに Cを炭化物として固定することができる多量の V、 Nb、 Tiの添カ卩が必要と考えられていた。

[0015] 一方、 V、 Nb、 Tiの含有量が増え、粒内析出物 (炭窒化物）が多くなると、耐孔食性の低下ゃ地キズと、つた製造欠陥が助長されるおそれがある。このことを考慮すれば、 V、 Nb、 Tiの多量添カ卩は好ましくない。

[0016] そこで、炭窒化物形成元素である V、 Nb、 Tiに着目して鋭敏化抑制効果が得られる適切な含有量にっ、て検討したところ下記の新し、知見が得られた。

[0017] (a) 実際に鋼材を製造した際の炭窒化物の析出状況を確認した結果、 Nと窒化物を形成する量の V、 Nb、 Tiを添カ卩した場合でも、 V、 Nb、 Tiは Cとも結合し、炭窒化物を形成していることが確認された。これは、上記の平衡論だけでなく速度論が加わるため、平衡論による Nとの結合のみが優先的に行われるのではなぐ V、 Nb、 Tiは Nのみならず Cとも結合して、るものと考えられる。

[0018] (b) 次いで、種々の V、 Nb、 Tiの含有量の SUS316系ステンレス鋼を用いて而粒界腐食性を調査した結果、下記の (1)式を満たすような適切な量の V、 Nb、 Tiを含有させた上で、下記の (2)式を満たすように Cおよび Nの含有量と V、 Nb、 Tiの含有量との関係も特定範囲とすることで、耐粒界腐食性に優れたステンレス鋼を得られることが確 f*i¾ れ。

[0019] 0.0013≤ (V/51) + (Nb/93) + (Ti/48)≤ 0.0025 · · -(1)

{(C/12) + (N/14)} { (V/51) + (Nb/93) + (Ti/48) }≤ 0.0058 · · -(2) ただし、（1)式および (2)式の中の元素記号は、その元素の含有量 (質量％)である。

[0020] 上記 (1)式の（VZ51) + (Nb/93) + (Ti/48)の値が 0.0013より小さ!/、と、耐粒界腐食性の効果が得られない。一方、 V、 Nb、 Tiの含有量が増えすぎて、粒内析出物が多くなると、耐孔食性の低下ゃ地キズと、つた製造欠陥が助長されるため好ましくない。従って、（VZ51) + (Nb/93) + (ΉΖ48)の値の上限を 0.0025とした。

[0021] さらに、 Cおよび Nの含有量と V、 Nb、 Tiの含有量との関係で、（2)式の左辺の値が 0.

0058を超えると、粒界に析出する炭窒化物が多くなり耐粒界腐食性が劣化する。

[0022] また、 Nbおよび Tiは、 Vと比べて Cとの親和力が強いため、炭化物の形成が容易であるが、粒内析出物が成長し耐孔食性が劣化するため、 Nbおよび Tiの過剰な添カロは避け、 Nbは 0.030%以下、 Tiは 0.050%以下とするのがより好ましい。

[0023] 本発明は、上記の知見を基礎としてなされたもので、その要旨は下記のオーステナイト系ステンレスま岡にある。

[0024] (1)質量％で、 C : 0.10%以下、 Si: 0.01〜1.0%、 Mn: 0.01〜2%、 Cr: 16〜18%、 Ni

: 10%を超えて 14%未満、 Mo : 2.0%を超えて 3.0%以下、 N: 0.03〜0.10%、ならびに V 、 Nbおよび Tiの 1種または 2種以上を下記 (1)式および (2)式を満たす量で含み、残部が Feおよび不純物力なり、不純物である Pが 0.04%以下、 Sが 0.003%以下であるォーステナイト系ステンレスま岡。

[0025] 0.0013≤ (V/51) + (Nb/93) + (Ti/48)≤ 0.0025 · · -(1)

[0026] (2)質量⁰ /₀で、 Nbが 0.030%以下もしくは Tiが 0.050%以下、または Nbが 0.030%以下で、かつ Tiが 0.050%以下であることを特徴とする上記（1)のオーステナイト系ステンレス鋼。

発明の効果 [0027] 上記本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、特に耐粒界腐食性に優れている。従って、粒界腐食が懸念される環境で使用する部材としてきわめて好適である。発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下に本発明のオーステナイト系ステンレス鋼の化学糸且成を規定した理由を述べる。なお、各成分の含有量に関する「％」は「質量％」を意味する。

[0029] C : 0.10%以下

cは、鋼の脱酸および強度確保の目的で用いられる。しかし、耐食性の観点から炭化物の析出を防止するために、その含有量はできる限り低くするのがよい。従って、 0 .10%を上限とした。より好ましいのは 0.05%以下である。しかし、 Cで構造部材としての強度を確保する場合は、 0.01%以上、さらには 0.015%以上の含有が好ましい。

[0030] Si: 0.01〜1.0%

Siは、鋼の脱酸の目的で用いられる。本発明鋼では、その含有量を 0.01%以上とする。ただし、 Siを過剰に含有すると介在物の生成を促すので、その含有量はできるだけ低い方が望ましぐ 0.01〜1.0%とした。

[0031] Mn: 0.01〜2%

Mnは、鋼の脱酸およびオーステナイト相の安定に有効な元素で、 0.01%以上の含有でその効果が得られる。一方、 Mnは Sと硫ィ匕物を形成し、その硫ィ匕物は非金属介在物となる。また、鋼材が溶接される際には溶接部の表面に優先的に濃化して鋼材の耐食性を低下させる。従って、 Mnの適正な含有量は 0.01〜2%である。

[0032] Cr: 16〜18%

Crは、鋼の耐食性を保っために不可欠な元素である。 16%未満では十分な耐食性が得られな、。本発明鋼の想定される使用環境では 18%までの含有量であれば十分であり、これを超えるとカ卩ェ性の低下、実用鋼としての価格およびオーステナイト相安定の面から問題がある。従って、含有量の上限は 18%とした。より好ましいのは 1 7.5%以下である。

[0033] Ni: 10%を超えて 14%未満

Niは、オーステナイト相を安定させ耐食性を維持するために重要な元素である。耐食性の観点から 10%を超える含有量が必要である。 Ni含有量の上限は溶接性の観点から Cr含有量との相関があり、 14%未満とした。より好ましい下限は 10.5%、より好ましい上限は 13%である。

[0034] Mo : 2.0%を超えて 3.0%以下

Moは、不働態皮膜の安定化に効果があり、耐孔食性ゃ耐全面腐食性を維持するためには不可欠な元素である。ただし、 Fe、 Ni、 Cr等と一緒に金属間化合物として粒界に析出すると、耐粒界腐食性を低下させる。そこで、耐粒界腐食性に悪影響がなく全面腐食性を維持する範囲として 2.0%を超えて 3.0%以下とする。より好ましい上限は 2.5%である。

[0035] N: 0.03〜0.10%

Nの含有量は、鋼の強度確保のために 0.03%以上とする。ただし、 Nは鋼中のと結合して窒化物を形成し、耐粒界腐食性を低下させるので、その含有量は 0.10%以下とする。より好ましい下限は 0.04%、より好ましい上限は 0.08%である。

[0036] V、 Tiおよび Nb： 1種以上で前記 (1)式と (2)式を満たす範囲

V、 Tiおよび Nbの含有量を前記 (1)式および (2)式を満たす範囲の含有量とする理由は、前述のとおりである。また、 Nbおよび Tiがそれぞれ 0.030%以下、 0.050%以下であることが望ましい理由も前述のとおりである。

[0037] 本発明のステンレス鋼は、上記の成分のほか、残部が Feと不純物からなる。ただし

、不純物の Pと Sは、下記のように規制する必要がある。

[0038] P : 0.04%以下

Pの含有量が多くなると耐食性が低下するので、その含有量はできるだけ少な、ことが望ましい。従って、上限を 0.04%とした。

[0039] S : 0.003%以下

Sは、非金属介在物である硫化物を形成し、また、熱間加工性を阻害する元素であるので、できるだけ少ないことが望ましい。従って、上限を 0.003%とした。

実施例

[0040] 表 1に示す化学組成のステンレス鋼を溶解し、熱間鍛造および熱間圧延で厚さ 6m mの板を作製した。この熱間圧延材を厚さ 4mmに冷間圧延し、 1060°Cにて 15分保持した後に水冷する溶体化処理を施した。その後、 650°Cにおいて 2時間加熱してから空冷する鋭敏化処理を施し、代表的な耐粒界腐食性の評価法である硫酸 ·硫酸第二鉄腐食試験 (JIS G 0572)にて腐食速度を測定した。表 1には (1)式の「(VZ51) + ( Nb/93) + (Ti/48)Jの値と (2)式の左辺の値も合わせて示す。

[表 1]

表 2に、耐粒界腐食性の試験結果およびその評価結果を示す。耐粒界腐食性試験において、本発明例は、繰り返し数 2でバラツキが小さ力つたが、比較例は、繰り返し数 2でバラツキが大き力つたため、さらに 4ケの試験を追加し、繰り返し数 6で評価した。比較例でバラツキが大きいのは、耐粒界腐食性が劣り、脱粒が起きるためである oなお、耐粒界腐食性の評価は、腐食速度が複数の試験全てで 3gZm²'h未満の場合を「〇」、複数の試験の中で一つでも 3g/m²'h以上であった場合を「 X」とした

[0043] [表 2] 表 2

[0044] 表 2から明らかなように、 No.l〜5の本発明例は、いずれも低い腐食速度を呈し、耐粒界腐食性に優れている。一方、比較例の No.6および No.7は、化学組成が本発明で規定する（1)式または (2)式力外れている鋼であり、そのために耐粒界腐食性が不良であった。

産業上の利用可能性

[0045] 本発明によれば、耐粒界腐食性に優れ、優れた耐孔食性および耐全面腐食性も備えたオーステナイト系ステンレス鋼が得られる。このステンレス鋼は、原子力プラントや化学プラント等の構造部材として優れた効果を発揮する。

Claims

請求の範囲

質量％で、 C:0.10%以下、 Si:0.01〜1.0%、 Mn:0.01〜2%、 Cr:16〜18%、 Ni:10 %を超えて 14%未満、 Mo :2.0%を超えて 3.0%以下、 N:0.03〜0.10%、ならびに V、 N bおよび Tiの 1種または 2種以上を下記 (1)式および (2)式を満たす量で含み、残部が F eおよび不純物からなり、不純物である Pが 0.04%以下、 Sが 0.003%以下であるォーステナイト系ステンレスま岡。

0.0013≤ (V/51) + (Nb/93) + (Ti/48)≤ 0.0025·· -(1)

{(C/12) + (N/14)} { (V/51) + (Nb/93) + (Ti/48) }≤ 0.0058 · · -(2) ただし、（1)式および (2)式の中の元素記号は、その元素の含有量 (質量％)である。質量％で、 Nbが 0.030%以下もしくは Ήが 0.050%以下、または Nbが 0.030%以下で、かつ Tiが 0.050%以下であることを特徴とする請求項 1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。