JP5880310B2 - オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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0.2Cu+325Sn≧1.5 (1)
Cu−10Sn≧1.9 (2)
Cu+35Sn≦6.5 (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成は、以下の元素を含有する。
炭素(C)は、オーステナイト相を安定化する。Cはさらに、粒内炭化物を形成し、鋼の高温強度を高める。しかしながら、C含有量が高すぎれば、Cr炭化物が析出し、粒界腐食感受性が高まる。そのため、鋼の耐ポリチオン酸SCC性が低下する。したがって、C含有量は0.018%未満である。C含有量の好ましい上限は、0.016%未満であり、さらに好ましくは、0.012%である。
珪素(Si)は、溶製時に鋼を脱酸する。Siはさらに、鋼の耐酸化性及び耐水蒸気酸化性を高める。しかしながら、Siは、フェライト相を安定化するため、Si含有量が高すぎれば、高温での時効後においてシグマ相(σ相)が生成しやすくなる。したがって、Si含有量は0.9%以下である。Si含有量の好ましい下限は、0.02%であり、さらに好ましくは0.1%である。Si含有量の好ましい上限は0.9%未満であり、さらに好ましくは0.5%である。
マンガン(Mn)はオーステナイト相を安定化する。Mnはさらに、Sによる熱間加工性の低下を抑制する。Mnはさらに、鋼を脱酸する。しかしながら、Mn含有量が高すぎれば、シグマ相等の金属間化合物相の析出が促進される。そのため、高温環境下における組織安定性が低下し、鋼の靭性及び延性が低下する。したがって、Mn含有量は1.8%以下である。Mn含有量の好ましい下限は、0.02%であり、さらに好ましくは0.1%である。Mn含有量の好ましい上限は、1.8%未満である。
S:0.01%以下
燐(P)及び硫黄(S)は不純物である。P及びSは溶接凝固時に粒界に偏析し、凝固割れ感受性を高める。したがって、P含有量及びS含有量はできるだけ低い方が好ましい。P含有量は0.04%以下であり、S含有量は0.01%以下である。P含有量の好ましい上限は0.04%未満であり、さらに好ましくは0.03%である。S含有量の好ましい上限は0.01%未満であり、さらに好ましくは0.005%である。
銅(Cu)は鋼中に微細に析出して高温強度(クリープ強度)を高める。Cuはさらに、Snとの相乗効果により、鋼の耐孔食性を高める。しかしながら、Cuは粒界に偏析しやすく、かつ、オーステナイト安定化元素である。そのため、Cu含有量が高すぎれば、溶接凝固中のフェライトの生成が抑制され、凝固割れ感受性が高まる。したがって、Cu含有量は2.0〜4.5%である。Cu含有量の好ましい下限は2.0%よりも高く、さらに好ましくは2.5%である。Cu含有量の好ましい上限は4.5%未満である。
ニッケル(Ni)は鋼組織において、オーステナイトを安定化する。そのため、Niは長時間使用時における鋼組織を安定化し、高温強度(クリープ強度)を高める。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、コストが増大する。したがって、Ni含有量は9〜16%である。Ni含有量の好ましい下限は9%よりも高く、さらに好ましくは9.5%である。Ni含有量の好ましい上限は16%未満であり、さらに好ましくは13%であり、さらに好ましくは12%である。
クロム(Cr)は、高温での鋼の耐酸化性及び耐食性を高める。しかしながら、Cr含有量が高すぎれば、高温でのオーステナイトの安定性が低下し、鋼の高温強度(クリープ強度)が低下する。したがって、Cr含有量は15〜19%である。Cr含有量の好ましい下限は15%よりも高く、さらに好ましくは16%である。Cr含有量の好ましい上限は19%未満であり、さらに好ましくは18%である。
モリブデン(Mo)はマトリクスに固溶して高温強度(クリープ強度)を高める。Moはさらに、Cr炭化物の粒界析出を抑制する。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、オーステナイトの安定性が低下して、高温強度が低下する。したがって、Mo含有量は5%以下である。Mo含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.1%である。Mo含有量の好ましい上限は5%未満であり、さらに好ましくは2.5%であり、さらに好ましくは2%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。しかしながら、Al含有量が高すぎれば、鋼の清浄度が低下し、鋼の加工性及び延性が低下する。したがって、Al含有量は0.04%以下である。Al含有量の好ましい下限は0.0005%以上であり、さらに好ましくは0.001%である。Al含有量の好ましい上限は0.04%未満であり、さらに好ましくは0.03%である。本実施形態においてAl含有量は、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は、マトリクス(母相)に固溶してオーステナイトを安定化する。Nはさらに、粒内に微細な炭窒化物を形成し、高温強度(クリープ強度)を高める。しかしながら、N含有量が高すぎれば、粒内でCr窒化物が形成され、溶接熱影響部(HAZ)での耐ポリチオン酸SCC性が低下する。したがって、N含有量は0.02〜0.3%である。N含有量の好ましい下限は0.02%よりも高く、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.06%である。N含有量の好ましい上限は0.3%未満であり、さらに好ましくは0.2%であり、さらに好ましくは0.15%である。
スズ(Sn)は、鋼の表面の不動態皮膜中に酸化物として存在する。Snはさらに、不動態皮膜下のマトリクスの最表層に固溶した状態で濃化して存在する。そのため、Snは、鋼の耐孔食性を高め、特に、塩化物環境での耐孔食性を高める。しかしながら、Snは強偏析を生じやすい。そのため、Sn含有量が高すぎれば、Snの強偏析により凝固割れ感受性が高まり、高温強度も低下する。したがって、Sn含有量は0.002%〜0.1%である。Sn含有量の好ましい下限は0.002%よりも高く、さらに好ましくは0.004%である。Sn含有量の好ましい上限は、0.1%未満であり、さらに好ましくは、0.03%である。
ボロン(B)は、粒界に偏析して粒界炭化物を微細分散させる。そのため、Bは粒界を強化する。しかしながら、B含有量が高すぎれば、凝固割れ感受性が高まる。したがって、B含有量は0.009%以下である。B含有量の好ましい下限は、0.0005%である。B含有量の好ましい上限は0.009%未満であり、さらに好ましくは0.005%である。
Ti:0.15%以下
V:0.4%以下
ニオブ(Nb)、チタン(Ti)及びバナジウム(V)はいずれも、粒内で炭化物を形成する。これにより、粒界でのCr炭化物の生成が抑制され、鋼の耐粒界腐食性が高まる。さらに、粒内に形成されたNb炭化物、Ti炭化物及びV炭化物は、鋼の高温強度(クリープ強度)を高める。これらの元素のうちの1種以上が少しでも含有されれば上記効果がある程度得られる。上記効果を顕著に得るために、Nb含有量の好ましい下限は0.01%であり、Ti含有量の好ましい下限は0.005%であり、V含有量の好ましい下限は0.005%である。
タングステン(W)は、マトリクスに固溶して鋼の高温強度(クリープ強度)を高める。Wが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。しかしながら、W含有量が高すぎれば、オーステナイトの安定性が低下し、高温強度が低下する。したがって、W含有量は5%以下である。W含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%である。W含有量の好ましい上限は5%未満であり、さらに好ましくは2%である。
コバルト(Co)は、Niと同様にオーステナイトを安定化して鋼の高温強度を高める。Coが少しでも含有されれば、上記効果が得られる。しかしながら、Co含有量が高すぎれば、コストが増大する。したがって、Co含有量は1%以下である。Co含有量の好ましい下限は0.03%である。Co含有量の好ましい上限は1%未満である。
Mg:0.02%以下
REM:0.1%以下
カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)及び希土類元素(REM)はいずれも、Sとの親和力が高い。そのためこれらの元素は、鋼の熱間加工性を高める。これらの元素はさらに、Sの粒界偏析に起因した凝固割れ感受性を低減する。Ca、Mg及びREMの少なくとも1種が少しでも含有されれば、上記効果が得られる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、酸素と結合することにより鋼の清浄性が低下し、熱間加工性が低下する。したがって、Ca含有量は0.02%以下であり、Mg含有量は0.02%以下であり、REM含有量は0.1%以下である。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の化学組成はさらに、式(1)〜式(3)を満たす。
0.2Cu+325Sn≧1.5 (1)
Cu−10Sn≧1.9 (2)
Cu+35Sn≦6.5 (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
F1=0.2Cu+325Snと定義する。上述のとおり、Cu及びSnは相乗して耐孔食性の向上に寄与する。したがって、F1は耐孔食性の指標である。図1に示すとおり、F1値1が1.5以上であれば、優れた耐孔食性が得られる。好ましくは、F1は1.5よりも高く、さらに好ましいF1は1.7以上である。
F2=Cu−10Snと定義する。上述のとおり、Cuは析出強化により高温強度を高めるものの、Snは粒界に偏析して高温強度を低下する。したがって、F2は高温強度の指標である。図2に示すとおり、F2が1.9以上であれば、優れた高温強度が得られる。好ましいF2は1.9よりも高く、さらに好ましいF2は2.0以上であり、さらに好ましいF2は2.2以上である。
F3=Cu+35Snと定義する。上述のとおり、過剰に含有されたCuは凝固割れ感受性を高め、Snも凝固割れ感受性を高める。したがって、F3は、耐凝固割れ性の指標である。図3に示すとおり、F3が6.5以下であれば、優れた凝固割れ感受性が得られる。好ましいF3は6.0以下であり、さらに好ましいF3は5.5以下であり、さらに好ましいF3は5.0以下である。
本実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法の一例を説明する。上述の化学組成であって、式(1)〜式(3)を満たす溶鋼を製造する。たとえば、電気炉やAOD(Argon Oxygen Decarburization)炉、VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)炉を用いて、上記溶鋼を製造する。
断面減少率=(最終加工前の鋼材の断面積−最終加工後の鋼材の断面積)/最終加工前の鋼材の断面積×100
[試験材の製造]
表1に示す試験番号A1〜A7、B1〜B7の溶鋼を電気炉を用いて製造した。
JIS Z2271(2010)に準拠したクリープ破断試験を実施して、高温強度を評価した。具体的には、各試験番号の鋼板から、JIS Z2271(2010)に準拠したクリープ破断試験片を採取した。クリープ破断試験片は円形断面試験片であり、平行部の直径は6mmであり、平行部長さは60mmであった。
JIS G0577(2005)に準拠した孔食電位測定試験を実施して、耐孔食性を評価した。具体的には、各試験番号の厚さ5mmの鋼板から、直径15mmの分極試験片を採取した。分極試験片をすきま腐食防止電極に装着した。すきま腐食防止電極を用いて、アノード分極曲線を測定し、電流密度が100μA/cm2を超えた最も高い電位を孔食電位Vとして求めた。なお、照合電極には、飽和甘こう電極を用いた。
トランスバレストレイン試験を実施して、耐凝固割れ性を評価した。具体的には、各試験番号の厚さ5mmの鋼板から、厚さ4mm、幅100mm、長さ60mmの試験片を採取した。トランスバレストレイン試験では、TIG溶接トーチによりビードオンプレート溶接(溶加材なし)を実施し、試験片表面の一部を溶融した。TIG溶接の条件は、溶接電流を100A、溶接電圧を15V、溶接速度を15cm/minとした。溶接中に、試験片に対して、溶接進行方向と垂直方向に強制的に曲げ変形(付加歪み2%)を加え、発生した割れのうち、最大割れ長さを求めた。
表2に試験結果を示す。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.018%未満、
Si:0.9%以下、
Mn:1.8%以下、
P:0.04%以下、
S:0.01%以下、
Cu:2.0〜4.5%、
Ni:9〜16%、
Cr:15〜19%、
Mo:5%以下、
sol.Al:0.04%以下、
N:0.02〜0.3%、
Sn:0.002〜0.03%、及び、
B:0.009%以下を含有し、さらに、
Nb:0.9%以下、
Ti:0.15%以下、及び、
V:0.4%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(3)を満たし、高温強度を有し、耐孔食性及び耐凝固割れ性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼。
0.2Cu+325Sn≧1.5 (1)
Cu−10Sn≧1.9 (2)
Cu+35Sn≦6.5 (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であってさらに、
前記Feの一部に代えて、
W:5%以下、及び、
Co:1%以下のうちの1種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。 - 請求項1又は請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼であってさらに、
前記Feの一部に代えて、
Ca:0.02%以下、
Mg:0.02%以下、及び、
希土類元素(REM):0.1%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、オーステナイト系ステンレス鋼。
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