JP5609571B2 - 耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
C:0.006%、N:0.007%、P:0.03%、S:0.003%、Mn:0.2%、Cr:15%、Nb:0.49%、Cu:0.5%、Ti:0.005%、Mo:0.01%、W:0.01%の成分組成をベースとし、Si含有量を0.1〜1.5%の範囲、Al含有量を0.02〜1.5%の範囲で種々変化させた鋼を、実験室的に溶製して50kg鋼塊とし、この鋼塊を熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、仕上げ焼鈍して、板厚2mmの冷延焼鈍板とした。上記のようにして得た冷延鋼板から30mm×20mmの試験片を切り出し、この試験片上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、下記の酸化試験に供した。
上記試験片を、1000℃に加熱された大気雰囲気の炉中に200時間保持し、加熱試験前後における試験片の質量の差を測定し、単位面積当たりの酸化増量(g/m2)を求めた。試験は各2回実施し、1回でも酸化増量が50g/m2以上の結果が得られた場合を異常酸化と評価した。
まず、本発明の成分組成について説明する。
Cは、鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、0.015%を超えて含有すると、靭性および成形性の低下が顕著となる。よって、本発明では、C含有量を0.015%以下とする。なお、成形性を確保する観点からは、C含有量は低いほど好ましく、0.008%以下とするのが望ましい。一方、排気系部材としての強度を確保するには、C含有量は0.001%以上含有することが好ましく、より好ましくは、0.002〜0.008%の範囲である。
SiおよびAlは、ともに耐酸化性向上のために重要な元素である。図1に示したように、1000℃において優れた耐酸化性を得るためには、Si:0.40%以上、Al:0.20%以上、かつSi≧Alを同時に満たす必要がある。ただし、Si含有量が1.00%を超えると、加工性が低下するとともにスケール剥離性も低下する。また、Al含有量が1.00%を超えると、加工性が低下するとともに却って酸化が促進されてしまう。このため、Si含有量を0.40〜1.00%の範囲、Al含有量を0.20〜1.00mass%の範囲とし、Si≧Alを満たすこととした。より厳しい環境下での耐酸化性を必要とする場合は、Si含有量を0.50%以上とすることが好ましい。
Siを0.40%以上とすることにより鋼板表面に緻密なSi酸化物相が連続的に生成し、外部からの酸素侵入を抑制する。さらにSi酸化物相を通過して内部に侵入してきた一部の酸素も、Alを0.20%以上とすることでAlと結びついて酸化物を形成する。このため、CrやFeの酸化が抑制され、耐酸化性が向上する。しかし、Si≧Alを満たさない場合、酸化物生成標準エネルギーの小さいAlがSiよりも優先的に酸素と結びついてしまうため、Si酸化物相が十分に形成されなくなり、酸素の内方への拡散を抑制することができなくなる。このため、AlやCr、Feの酸化が著しく進行してしまうことになり、異常酸化が発生しやすくなる。
Mnは、鋼の強度を高める元素であり、脱酸剤としての作用も有するが、過剰に含有すると高温でγ相が生成しやすくなり、耐熱性を低下させる。このため、Mn含有量を1.00%以下とする。好ましくは、0.70%以下である。また、強度を高める効果および脱酸効果を得るためには、0.05%以上が好ましい。
Pは、靭性を低下させる有害元素であり、可能な限り低減するのが望ましい。このため、P含有量を0.040%以下とする。好ましくは、0.030%以下である。
Sは、伸びやr値を低下させ、成形性に悪影響を及ぼすとともに、ステンレス鋼の基本特性である耐食性を低下させる有害元素でもあるため、できるだけ低減するのが望ましい。このため、S含有量を0.010%以下とする。好ましくは、0.005%以下である。
Crは、ステンレス鋼の特徴である耐食性、耐酸化性を向上させるのに有効な重要元素であるが、その含有量が12.0%未満では、十分な耐酸化性が得られない。一方、Crは、室温において鋼を固溶強化し、硬質化、低延性化する元素であり、特にその含有量が23.0%を超えると、上記弊害が顕著となる。このため、Cr含有量を12.0〜23.0%の範囲とする。より好ましくは、14.0〜20.0%の範囲である。
Nは、鋼の靭性および成形性を低下させる元素であり、0.015%を超えて含有すると、上記低下が顕著となる。このため、N含有量を0.015%以下とする。なお、Nは、靭性、成形性を確保する観点からは、できるだけ低減するのが好ましく、0.010%未満とするのが望ましい。
Nbは、C,Nと炭化物、窒化物または炭窒化物を形成して固定し、耐食性や成形性、溶接部の耐粒界腐食性を高める作用を有するとともに、高温強度を上昇させて熱疲労特性を向上する効果を有する元素である。このような効果は、0.30%以上含有させることで認められる。一方、その含有量が0.65%を超えると、Laves相が析出しやすくなり、脆化を促進する。このため、Nb含有量を0.30〜0.65%の範囲とする。好ましくは、0.40〜0.55%の範囲である。
Moは、高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.10%以下の範囲で混入することがある。このため、Mo含有量を0.10%以下とする。
Wは、Moと同様に高価な元素であり、本発明の趣旨からも積極的な添加は行わない。しかし、原料であるスクラップ等から0.10%以下の範囲で混入することがある。このため、W含有量を0.10%以下とする。
Cuは、熱疲労特性の向上には非常に有効な元素であるが、耐酸化性および加工性の著しい低下を招く。これはε−Cuの析出に起因したものであり、このε−CuはCu含有量が1.00%以上において顕著な析出が認められる。一方、Cuは固溶強化元素としても作用し、含有量が1.00%未満の場合、ε−Cuの析出駆動力が小さくなるため、Cuは析出せず固溶状態が保たれ、耐酸化性や加工性の著しい低下を伴うことなく鋼の強化に寄与することができる。このため、Cu含有量を1.00%未満とする。好ましくは、0.30〜0.80%の範囲である。
Tiは、Nbと同様、C,Nを固定して、耐食性や成形性、溶接部の粒界腐食性を向上させる作用を有する。しかし、そのような効果は、Nbを含有している本発明の成分系では、その含有量が0.150%を超えると飽和するとともに、固溶硬化によって鋼が硬質化する。このため、Ti含有量を0.150%以下とする。TiはNbと比べてNと結合しやすく粗大なTiNを形成しやすい。粗大なTiNは亀裂の起点となりやすく靭性を低下させるので、熱延靭性が必要な場合には0.010%以下とするのが好ましい。なお、本発明ではTiは積極的に含有させる必要はなく、したがって、下限は0を含むものである。
Bは、加工性、特に2次加工性を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.0030%を超えると、BNを生成して加工性を低下させる。このため、Bを含有させる場合は、その含有量を0.0030%以下とする。上記効果は0.0004%以上で有効に発揮されるため、0.0004〜0.0030%の範囲が好ましい。
REM(希土類元素)およびZrはいずれも、耐酸化性を改善する元素であり、本発明では、必要に応じて含有させることができる。しかし、REM含有量(複数混合する場合は合計量)が0.08%を超えると鋼が脆化し、また、Zr含有量が0.50%を超えるとZr金属間化合物が析出してやはり鋼が脆化する。このため、REMを含有させる場合はその含有量を0.08%以下、Zrを含有させる場合はその含有量を0.50%以下とする。上記効果は、REMが0.01%以上、Zrが0.05%以上で有効に発揮されるため、REM含有量は0.01〜0.08%、Zr含有量は0.05〜0.50%の範囲が好ましい。
Coは、靭性の向上に有効な元素である。しかし、Coは、高価な元素であり、また、その含有量が0.50%を超えても、上記効果は飽和する。このため、Coを含有させる場合は、その含有量を0.50%以下とする。上記効果は0.02%以上で有効に発揮されるため、0.02〜0.50%の範囲が好ましい。より好ましくは、0.02〜0.20%の範囲である。
Niは、靭性を向上させる元素である。しかし、Niは、高価であり、また、強力なγ相形成元素であるため、高温でγ相を生成し、その含有量が0.50%を超えると耐酸化性を低下させる。このため、Niを含有させる場合は、その含有量を0.50%以下とする。上記効果は0.05%以上で有効に発揮されるため、0.05〜0.50の範囲が好ましい。より好ましくは、0.05〜0.40%の範囲である。
本発明のステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼の通常の製造方法により製造することができ、その製造条件は特に限定されるものではない。例えば、転炉、電気炉等の公知の溶解炉で鋼を溶製し、あるいはさらに取鍋精錬、真空精錬等の2次精錬を経て上述した本発明の成分組成を有する鋼とし、次いで、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼片(スラブ)とし、その後、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗等の各工程を経て冷延焼鈍板とする方法を好適な製造方法として挙げることができる。なお、上記冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延を行ってもよく、また、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗の各工程は、繰り返して行ってもよい。さらに、場合によっては、熱延板焼鈍は省略してもよく、鋼板表面の光沢性が要求される場合には、冷延後あるいは仕上焼鈍後、スキンパスを施してもよい。
熱間圧延工程および冷間圧延工程の一部条件を特定条件とすることが好ましい。また、製鋼においては、前記必須成分および必要に応じて含有させる成分を含有する溶鋼を、転炉あるいは電気炉等で溶製し、VOD法により二次精錬を行うのが好ましい。溶製した溶鋼は、公知の製造方法に従って鋼素材とすることができるが、生産性および品質の観点から、連続鋳造法によるのが好ましい。連続鋳造して得られた鋼素材は、例えば、1000〜1250℃に加熱され、熱間圧延により所望の板厚の熱延板とされる。もちろん、板材以外として加工することもできる。この熱延板は、必要に応じて、600〜800℃のバッチ式焼鈍あるいは900〜1100℃の連続焼鈍を施した後、酸洗等により脱スケールされ熱延板製品となる。また、必要に応じて、酸洗の前にショットブラストしてスケール除去してもよい。
表1に示す成分組成を有するNo.1〜18の鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して50kg鋼塊とした。これを1170℃に加熱後、熱間圧延して板厚5mmの熱延板とし、1040℃の温度で熱延板焼鈍し、酸洗した。この熱延焼鈍板を圧下率60%の冷間圧延し、1040℃の温度で仕上焼鈍し、平均冷却速度10℃/secで冷却し、酸洗して板厚が2mmの冷延焼鈍板とした。No.1〜5,7〜10は本発明の範囲内の本発明例、No.6は参考例、No.11〜18は本発明の範囲から外れる比較例である。なお、比較例のうち、No.11は、SUS444の組成に相当するものであり、No.12は、Type429の組成に相当するものであり、No.16、17、18は、それぞれ特許文献2の発明例3、特許文献3の発明例3、特許文献4の発明例5の組成に相当するものである。以上のようにして得られたNo.1〜18の冷延焼鈍板について、以下に示す耐酸化性試験に供した。
上記のようにして得た各種冷延焼鈍板から30mm×20mmのサンプルを切り出し、サンプル上部に4mmφの穴をあけ、表面および端面を#320のエメリー紙で研磨し、脱脂後、1000℃に加熱保持された大気雰囲気の炉内に吊り下げて、200時間保持した。試験後、サンプルの質量を測定し、予め測定しておいた試験前の質量との差を求め、酸化増量(g/m2)を算出した。なお、試験は各2回実施し、その平均値で耐連続酸化性を評価した。
Claims (2)
- mass%で、C:0.015%以下、Si:0.40〜1.00%、Mn:1.00%以下、P:0.040%以下、S:0.010%以下、Cr:12.0〜23.0%、N:0.015%以下、Nb:0.30〜0.65%、Ti:0.150%以下、Mo:0.10%以下、W:0.10%以下、Cu:1.00%未満、Al:0.20〜1.00%を含有し、かつSi≧Alを満たし、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
- さらに、mass%で、B:0.0030%以下、REM:0.08%以下、Zr:0.50%以下、Co:0.50%以下およびNi:0.50%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐酸化性に優れたフェライト系ステンレス鋼。
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