JP5404280B2 - 溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
二相ステンレス鋼の直近のトピックとして、省合金タイプの開発とその使用量の増加がある。省合金タイプとは、従来の二相ステンレス鋼より高価な合金の含有量を抑え、合金コストが低いというメリットを更に増大させた鋼種で、特許文献1〜3などに開示された鋼が該当する。このうち特許文献1と2に開示された鋼はASTM−A240で規格化されており、前者の鋼はS32304(代表成分23Cr−4Ni−0.17N),後者の鋼はS32101(代表成分22Cr−1.5Ni−5Mn−0.22N)に対応する。従来の二相ステンレス鋼のメイン鋼種は、JIS SUS329J3LやSUS329J4Lであるが、これらはオーステナイト系の高耐食鋼SUS316Lよりも更に高耐食であり、高価なNiやMoをそれぞれ約6〜7%(以下成分についての%は質量%を意味する)、約3〜4%添加している。これに対し省合金二相ステンレス鋼は、耐食性をSUS316Lもしくは汎用鋼のSUS304に近いレベルとした代わりに、Moをほぼ0とし、NiをS32304では約4%、S32101では約1%と大幅に低減している。
特許文献3の鋼は、特許文献1の鋼S32304の改良型として、酸性環境における耐食性を高めるためにCuを、強度を高めるためにNb,V,Tiの何れかを添加したものである。また特許文献4は、延性および深絞り性に優れたオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼として、省合金二相鋼の成分系を規定しているが、その中で、選択元素として0.5%以下のV添加をしており、その効果として鋼の組織を微細化し強度を高める元素とされている。
省合金タイプの鋼は元々、従来の二相鋼よりは耐食性に劣るものの、SUS304やSUS316Lに近いレベルになるようには設計されており、溶体化熱処理後かつ溶接の無い状態ではSUS304やSUS316Lと比べ遜色ない耐食性を有する。ところが特にS32101レベルの場合、溶接を行った際、溶接部近傍の熱影響部(いわゆるHAZ)において、ある限界以上の入熱量を受けた場合に、SUS304を下回る極端な耐食性の低下を起こすことがある。そのためS32101レベルの省合金二相ステンレス鋼は、合金コストがかなり安価であるにもかかわらず、耐食性があまり問題にならない用途に限定するか、もしくは低入熱、すなわち、溶接速度を低めた溶接を行わざるを得なくなり、オーステナイト系ステンレス鋼の代替として広く使用するには課題が残されている。
この課題を解決する手法として、N添加の上限を抑制することが考えられるが、この場合、強度、特に耐力が低下する問題がある。
一般に、ステンレス鋼の耐食性を維持しつつ強度を向上させるためには、Nの添加が有効である。Nは鋼中に固溶することで材料の強度を向上させるだけでなく、耐食性も向上させる元素として知られている。しかしながら、二相ステンレス鋼、特に省合金タイプの場合、Nの多量添加は、溶接HAZにおいて耐食性を低下させる原因となってしまう。
Cr窒化物は溶接による加熱後冷却時にHAZが500〜900℃程度の窒化物析出温度域に数秒〜数十秒といった短時間晒されることにより析出する。VおよびNbのNに対する親和性は高く、Nの活量を下げるため、Vの微量添加はCr窒化物の析出を遅延させ、数十秒といった短時間ではCr窒化物析出を抑制することが可能となる。上記のようなV添加の効果を発揮させるためにはVが固溶状態にあるようにしなければならない。そのためにはいわゆる固溶度積[V]×[N]を一定以下とする必要がある。
[V]×[N]の制御に関しては、Vの過剰な添加を抑制することに加え、溶接後の冷却時におけるフェライト中のN量を可能な限り低減することにより、比較的多量のV添加を許容することが出来る。また、溶接後冷却時のフェライト中のN量を可能な限り低減するために、Nをより多く固溶するオーステナイト相を十分確保することが必要である。
当該ヒートパターンは、ステンレスで一般的に用いられている溶接の熱サイクルを模擬し簡略化したものになっている。2)の最高温度領域は窒素固溶限の小さいフェライト相の増加域、3)の中程度の温度領域は、フェライト相の一部のオーステナイト相への変態域、4)の低温域は、窒化物の析出域にそれぞれ大まかに対応している。各々の経過時間は実際の測温データを元に作成した。すなわち、このヒートパターンによって、実際の溶接時の窒化物の析出条件を模擬することができる。
以上の結果からこれらの制御因子の適正化により、上記課題を解決しうる成分系の省合金二相ステンレス鋼を発明するに至った。
(1)質量%にて、C:0.06%以下、Si:0.1〜1.0%、Mn:4.0%超〜7.0%以下、P:0.05%以下、S:0.005%以下、Cr:20.0〜23.0%、Ni:1.0〜4.0%、Mo:1.0%以下、Cu:0.5〜3.0%、V:0.05〜0.35%、Al:0.003〜0.050%、O:0.007%以下、N:0.15〜0.30%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、オーステナイト相面積率が40〜70%であり、かつ(2)式で示されるCr窒化物の平衡析出温度Npreと(3)式で示されるオーステナイト相の平衡析出温度γpreが(1)式を満足し、更にγpreが1370以上1450以下であることを特徴とする溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。
Npre≦0.8×γpre−180・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
γpre=−15Cr−28Si−12Mo+19Ni+4Mn+19Cu+770N+1160C+1475・・・(2)
Npre=12Cr+50Si+36Mo−20Ni−15Mn+28Cu+470N−290C+620 ・・・(3)
なお、元素名はその元素の重量%を示す。
(3)更に,質量%にて、W:0.03〜1.0%、Co:0.02〜1.0%のうちの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または2に記載の溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。
(4)更に,質量%にて、B:0.0005〜0.0040%、Ca:0.0005〜0.0050%、Mg:0.0001〜0.0030%、REM:0.005〜0.050%のうちの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1〜3のいずれか1項に記載の溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。
以下に先ず、(1)に記載の本発明の限定理由について説明する。なお、成分についての%は、質量%を意味する。
Cは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために、0.06%以下に含有量を制限する。0.06%を超えて含有させるとCr炭化物が生成し、耐食性が劣化する。好ましくは、0.04%以下である。一方、含有量を極端に減ずることは大幅なコストアップになるため、好ましくは下限を0.001%とする。
前述のように溶接熱影響部における耐食性の低下は、溶接加熱によるオーステナイト量の減少を引き金にし、冷却中にCr2Nが析出してα粒界にCr欠乏層が形成されることによる。従って、γpreとNpreを調整することによりCr2Nの析出を抑制すれば耐食性の低下は回避できる。具体的には、下記(1)式を満たせばよい。
Npre≦0.8×γpre−180・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
γpre=−15Cr−28Si−12Mo+19Ni+4Mn+19Cu+770N+1160C+1475・・・(2)
Npre=12Cr+50Si+36Mo−20Ni−15Mn+28Cu+470N−290C+620 ・・・(3)
上記適正範囲を図2に示した。なお、図2における各プロットに対応するサンプルの成分組成は、C:0.008〜0.044%、Si:0.12〜0.81%、Mn:4.25〜6.65%、P≦0.033、S≦0.0021、Ni:1.35〜3.10%、Cr:20.33〜22.66%、Mo:0.10〜0.65%、V:0.082〜0.253%、Al:0.003〜0.031%、N:0.173〜0.264の範囲で、残部がFe及び不可避的不純物である。
Tiは、前述のとおり、極微量でNの活量を下げCr窒化物の析出を抑制する効果がある。但し、少量の添加でTi窒化物を析出してしまうので注意が必要である。
上記効果を発揮するには0.003%以上の添加が必要である。一方0.03%を超えて含有させると粗大なTiNが生成して鋼の靭性を阻害するようになる。このためその含有量を0.003〜0.03%とする。Tiの好適な含有量は0.003〜0.020%である。
Wは、Moと同様にステンレス鋼の耐食性を付加的に向上させる元素であり、Vに比べて固溶度が大きく、必要に応じて添加される。本発明鋼において耐食性を高める目的のためには0.03〜1.0%を含有させる。
B,Ca,Mg,REMは、いずれも鋼の熱間加工性を改善する元素であり、その目的で必要に応じて1種または2種以上添加される。B,Ca,Mg,REMいずれも過剰な添加は逆に熱間加工性および靭性を低下する。このためその含有量の上下限を次のように定める。Bについては0.0005〜0.0040%、Caについては0.0005〜0.0050%、Mgについては0.0001〜0.0030%、REMについては0.005〜0.050%である。ここで、REMはLaやCe等のランタノイド系希土類元素の含有量の総和とする。
表1に供試鋼の化学組成を示す。なおこの表1に記載されている成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物元素である。また、表1中に記載のγpre、Npreは夫々、
γpre=−15Cr−28Si−12Mo+19Ni+4Mn+19Cu+770N+1160C+1475・・・(2)
Npre=12Cr+50Si+36Mo−20Ni−15Mn+28Cu+470N−290C+620 ・・・(3)
による値を意味するものである。
なお、空欄は当該元素を意図的に添加していないため測定していないことを示す。また、表中のREMはランタノイド系希土類元素を意味し、含有量はそれら元素の合計である。これらの成分を有する供試鋼を実験室の50kg真空誘導炉によりMgOるつぼ中で溶製し、厚さが約100mmの扁平鋼塊に鋳造した。鋼塊の本体部分より熱間圧延用素材を加工し、1180℃の温度に1〜2h加熱後、仕上温度950℃狙いの条件にて圧延し、12mm厚×約700mm長の熱間圧延鋼板を得た。なお、圧延直後の鋼板温度が800℃以上の状態より200℃以下までスプレー冷却を実施した。最終の溶体化熱処理は、1000℃×20分均熱後、水冷の条件で実施した。
母材(熱間圧延鋼板)の引張特性については、圧延直角方向よりJISZ2201に規定された14号A試験片を切り出し、JISZ2241に規定された方法で引張試験を行った。母材の衝撃特性については、JIS4号Vノッチシャルピー試験片を圧延直角方向より各3本切り出し、破壊が圧延方向に伝播するようにVノッチを加工して、最大エネルギー500J仕様の試験機にて衝撃試験を行い−20℃での衝撃値を測定した。熱間圧延鋼板および溶接シミュレーション材のオーステナイト面積率については、圧延方向と平行な断面を埋込み鏡面研磨し、KOH水溶液中で電解エッチングを行った後、光学顕微鏡観察により画像解析により着色されたフェライト相の面積率を測定し、残りの部分をオーステナイト面積率とした。更に、溶接シミュレーション材の耐食性を評価するために、表層から採取した試験片の表面を#600研磨し、JIS G 0577に規定された孔食電位測定を行った。
本発明鋼では、熱間圧延材の耳割れ、母材(熱間圧延鋼板)の耐力、母材(熱間圧延鋼板)の衝撃特性、母材及び溶接シュミレーション材のオーステナイト相面積率、溶接シミュレーション材の孔食電位は、いずれも良好な値を示した。
母材の靱性については、Si、S、Al、Vを過剰添加した鋼No.E、I、P、Tは150J/cm2を下回り、不良であった。逆に、Si、Alが少なすぎる鋼No.D、Oは脱酸不良となったため高Oとなり、多量の介在物起因の靱性不良となった。また、Niが少なすぎる鋼No.Jおよび、Crが過剰でオーステナイト量の少ないNo.Lも靱性不良であった。
以上の実施例からわかるように、本発明により溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼が得られることが明確となった。
Claims (4)
- 質量%にて、
C:0.06%以下、
Si:0.1〜1.0%、
Mn:4.0%超〜7.0%以下、
P:0.05%以下、
S:0.005%以下、
Cr:20.0〜23.0%、
Ni:1.0〜4.0%、
Mo:1.0%以下、
Cu:0.5〜3.0%、
V:0.05〜0.35%、
Al:0.003〜0.050%、
O:0.007%以下、
N:0.15〜0.30%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
オーステナイト相面積率が40〜70%であり、かつ(2)式で示されるCr窒化物の平衡析出温度Npreと(3)式で示されるオーステナイト相の平衡析出温度γpreが(1)式を満足し、更にγpreが1370以上1450以下であることを特徴とする溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。
Npre≦0.8×γpre−180・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
γpre=−15Cr−28Si−12Mo+19Ni+4Mn+19Cu+770N+1160C+1475・・・(2)
Npre=12Cr+50Si+36Mo−20Ni−15Mn+28Cu+470N−290C+620 ・・・(3)
なお、元素名はその元素の重量%を示す。 - 更に、質量%にて、
Ti:0.003〜0.03%、
Nb:0.02〜0.07%
のうちの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に記載の溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。 - 更に,質量%にて、
W:0.03〜1.0%、
Co:0.02〜1.0%
のうちの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または2に記載の溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。 - 更に,質量%にて、
B:0.0005〜0.0040%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0001〜0.0030%、
REM:0.005〜0.050%のうちの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1〜3のいずれか1項に記載の溶接熱影響部の耐食性に優れた高強度省合金型二相ステンレス鋼。
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