CN105051233A - 耐热奥氏体系不锈钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐热奥氏体系不锈钢板，其以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：1.0～3.5％、Mn：0.5～2.0％、P：0.04％以下、S：0.01％以下、Cr：23.0～26.0％、Ni：10.0～15.0％、Mo：0.50～1.20％、Ti：0.1％以下、Al：0.01～0.10％、N：0.10～0.30％，C和N的合计量即C+N为0.25～0.35％，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质，所述耐热奥氏体系不锈钢板可在最高温度达到1100℃的高温环境下使用。

Description

耐热奥氏体系不锈钢板
技术领域
本发明涉及可在最高温度达到1100℃的高温环境下使用的耐热奥氏体系不锈钢板。
本申请基于2013年3月28日向日本提出的日本特愿2013-069220号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
伴随着近年来的汽车排气限制的强化，出现追求发动机的高效率化的倾向。如果要提高发动机的燃烧效率，则有排气温度上升的倾向。此外，还有以涡轮增压器为代表的增压器的使用也大大增加的倾向。因此，对于排气集管及涡轮增压器的罩壳等构件要求更优异的耐热性。作为今后的动向，设想排气温度会达到1100℃。以往，如果达到该温度区，则不能使用不锈钢板，而多使用铸钢，但在此种情况下，因重量加重、热容量大，而有热效率下降、下游的排气净化催化剂转换器中的温度下降大、催化剂效率下降等问题。所以，期待着可在最高温度1100℃下使用的不锈钢板。
在耐热奥氏体系不锈钢中，作为代表性的钢，已知有SUS310S(25Cr-20Ni)及SUSXM15J1(19Cr-13Ni-3Si)等，但这些钢种能否在最高温度达到1100℃的环境下使用还有疑问。
作为具有超过SUS310S及SUSXM15J1的耐热性的奥氏体系不锈钢，有专利文献1中公开的钢及专利文献2中公开的钢，但这些钢没有设想直至1100℃下的使用。所以，迄今没有可在最高温度1100℃下使用的不锈钢板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：
专利文献1：日本特公昭56-24028号公报
专利文献2：日本特开2010-202936号公报
发明内容
发明要解决的问题
在以往的奥氏体系不锈钢板中，1100℃下的高温强度或耐氧化性不充分，难以在最高温度达到1100℃的环境下使用。因而本发明的课题是提供一种可在最高温度达到1100℃的高温环境下使用的耐热奥氏体系不锈钢板。
用于解决课题的手段
本发明人等为了开发可在达到1100℃的环境下使用的耐热奥氏体系不锈钢板，首先，对1100℃下必要的奥氏体系不锈钢板的特性进行了调查。其结果是，关于高温强度，由于需要防止变形，因此认为应以0.2％屈服强度为指标进行评价。此外，关于耐氧化性，由于奥氏体系不锈钢板与铁素体系不锈钢钢板相比热膨胀系数大，因此在汽车排气***等温度变化激烈的部位中使用时，与在最高温度下保持的连续氧化试验相比，认为通过重复最高温度、室温的间断氧化试验进行评价更适合，因此考虑通过1100℃和室温下的重复的间断氧化试验进行评价。其结果是，判明了：以往在1000℃的环境下使用的不锈钢板实际上在1100℃下的耐热性不充分。
本发明人等进行了进一步的研究，关于可在达到1100℃的环境下使用的奥氏体系不锈钢的高温强度，发现添加C和N及Mo是有效的。判明了：在奥氏体系不锈钢中，C、N即使单独添加也可提高高温强度，但通过与Mo的复合添加，特别是可提高1000℃以上时的高温强度。推断这不是C、N和Mo的相互作用、例如集聚(cluster)形成所产生的效果。另外，还判明了：在奥氏体系不锈钢中，除了C和N及Mo以外，添加Nb、V、W及Co中的任意1种以上的元素也是有效的。可推断：在奥氏体系不锈钢中添加Nb、V、W及Co中的任意1种以上的元素会相对于C、N起到与Mo的效果同样的作用。可是，如果在奥氏体系不锈钢中过剩地添加Nb、V、W及Co中的任意1种以上的元素，则形成碳氮化物，且粗大化，由此可确认提高高温强度的效果下降。
此外，关于奥氏体系不锈钢的耐氧化性，判明了：除了Cr和Si、Mn以外，添加适当量的Mo、以及抑制Ti的添加量是必要的。特别是，可知：在奥氏体系不锈钢中添加Si、Mo是重要的，可抑制氧化皮的生长及剥离，使1100℃下的间断氧化试验中的氧化损失(厚度减少量)显著减少。此外，还可知：如果在奥氏体系不锈钢中添加Ti，则促进氧化皮生长及剥离，因此最好尽量抑制Ti的添加。
本发明是基于上述见识而作出的发明，解决本发明的课题的手段即本发明的奥氏体系不锈钢板如下。
(1)一种耐热奥氏体系不锈钢板，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：1.0～3.5％、Mn：0.5～2.0％、P：0.04％以下、S：0.01％以下、Cr：23.0～26.0％、Ni：10.0～15.0％、Mo：0.50～1.20％、Ti：0.1％以下、Al：0.01～0.10％、N：0.10～0.30％；C和N的合计量(C+N)为0.25～0.35％；剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。
(2)根据上述(1)所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，以质量％计进一步含有Nb：0.01～0.5％、V：0.01～0.5％、W：0.01～0.5％、Co：0.01～0.5％中的任意1种或2种以上；而且，Mo、Nb、V、W和Co的合计量(Mo+Nb+V+W+Co)为1.5％以下。
(3)根据上述(1)或(2)所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，以质量％计进一步含有Cu：0.1～2.0％、B：0.0001～0.01％、Sn：0.005～0.1％中的任意1种或2种以上。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃高温强度以0.2％屈服强度计为20MPa以上。
(5)根据上述(1)～(3)中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃高温强度以0.2％屈服强度计为30MPa以上。
(6)根据上述(1)～(5)中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃间断氧化试验中的重量损失为50mg/cm2以下。
发明效果
根据本发明的耐热奥氏体系不锈钢，除了高温强度、耐氧化性优异以外，加工性也优异，因此可提供耐热性优异的不锈钢板。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。首先，对限定本实施方式的不锈钢板的钢组成的理由进行说明。再者，有关组成的％的标记，只要不特别说明，都意味着质量％。
(C：0.05～0.15％)
C对于提高奥氏体系不锈钢的高温强度是有效的。特别是，在超过600℃的区域也存在该提高效果。认为这不是C单质的效果，而是N与其它合金元素(Mo、Nb、V等)的相互作用而产生的。可是，过剩的C容易形成Cr碳化物，使成形性和耐腐蚀性、热轧板韧性劣化。因此，将C的适当的添加量规定为0.05～0.15％。C的添加量更优选为0.07％～0.15％。
(N：0.10～0.30％)
N与C同样对于提高奥氏体系不锈钢的高温强度是有效的。特别是，在超过600℃的区域也存在该提高效果。认为这不是N单质的效果，而是N和其它合金元素(Mo、Nb、V等)的相互作用而产生的。可是，过剩的N容易形成Cr氮化物，使成形性和耐腐蚀性、热轧板韧性劣化。因此，将适当的N的添加量规定为0.1～0.30％。N的添加量更优选为0.15％～0.25％。
(C+N：0.25～0.35％)
C及N对于提高高温强度都具有效果，但为了得到充分的效果，C和N的合计量(C+N)需要添加0.25％以上。可是，过剩的添加不仅招致形成粗大的碳氮化物，使提高高温强度的效果降低，而且使加工性下降，因此将0.35％作为上限。C和N的合计量更优选为0.30％～0.35％。
(Si：1.0％～3.5％)
Si作为脱氧剂也是有用的元素，同时也是提高奥氏体系不锈钢的耐氧化性的元素，在本发明中是重要的元素。耐氧化性随着Si量的增加而提高。
在Si含量为1.0％以上时体现该效果，因此将下限规定为1.0％。在超过1.5％时效果更显著。可是，Si是使韧性大大降低的元素，过度的添加使韧性以及常温延展性降低。因此，将Si含量规定为3.5％以下，优选规定为2.0％以下。更优选的Si含量的范围为1.60％～2.0％。
(Mn：0.5～2.0％)
Mn是奥氏体稳定化元素，是作为脱氧剂添加在奥氏体系不锈钢中的元素。此外，是有助于提高中温区的高温强度的元素。为了节约高价的Ni，而添加0.5％以上的Mn。另一方面，Mn的过度的添加因形成MnS而使耐腐蚀性下降，因此将Mn的添加量的上限规定为2.0％。Mn的添加量更优选为0.7％～1.6％。
(P：0.04％以下)
P是制造上不可避免地混入的元素，对焊接性产生不良影响，其含量需要尽量降低。因此，将奥氏体系不锈钢中的P含量规定为0.04％以下。再者，优选为0.03％以下。再者，P的含量的下限值没有特别的限定，但有时不可避地混入0.015％。
(S：0.01％以下)
S是制造上不可避免地混入的元素，对焊接性产生不良影响。此外，形成MnS而使耐腐蚀性、耐氧化性劣化。因此，奥氏体系不锈钢中的S含量需要尽量降低，将其规定为0.01％以下。再者，优选为0.002％以下。再者，S的含量的下限值没有特别的限定，但有时不可避免地混入0.0010％。
(Cr：23.0～26.0％)
Cr对于确保奥氏体系不锈钢的耐氧化性、耐腐蚀性是必需的元素。但是，也是如果过剩地添加则容易产生σ脆性的元素。因此，将Cr的添加量的适当范围规定为23.0～26.0％。Cr的添加量更优选为23.0％～25.0％。
(Ni：10.0～15.0％)
Ni是奥氏体稳定化元素，是提高奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性的元素。如果Ni少则不能稳定地形成奥氏体相，因此添加10.0％以上的Ni。可是，Ni是高价的元素，因此如果过剩地添加则成为高成本。所以，将Ni的添加量的上限规定为15.0％。Ni的添加量更优选为11.0％～14.0％。
(Mo：0.50～1.20％)
Mo在本发明中是重要的元素。是提高奥氏体系不锈钢的高温强度的元素。该作用被认为是固溶强化，但在本发明中，在Mo与C、N共存时，发现了仅仅固溶强化以上的强化能。其机理虽不明确，但认为具有通过Mo和C或N的相互作用，特别是通过集聚的形成而进行强化的可能性。另一方面，Mo的过度的添加容易形成σ相。所以，将Mo的适当的添加范围规定为0.50～1.20％。特别是在需要高温强度时，Mo的添加量更优为1.0％～1.2％。
(Ti：0.1％以下)
Ti是通过与N结合而容易形成粗大的氮化物(TiN)的元素。在本发明中，由于将N用于高温强化，因此粗大的TiN的形成招致高温特性的下降。此外，也是对耐氧化性产生不良影响的元素。所以，在本发明中，需要尽量降低奥氏体系不锈钢中的Ti量，将其上限规定为0.1％。再者，Ti的含量的下限值没有特别的限定，有时不可避免地混入0.010％。
(Al：0.01～0.10％)
Al作为脱氧元素是有用的，在奥氏体系不锈钢中的添加量为0.005％以上时体现该效果。可是，过度的添加招致常温延展性的下降、韧性的下降，因此将添加量的上限规定为0.10％。Al的添加量更优选为0.02％～0.07％。
另外，为了提高高温特性，也可以在奥氏体系不锈钢中添加Nb：0.01～0.5％、V：0.01～0.5％、W：0.01～0.5％、Co：0.01～0.5％中的任意1种或2种以上。这些元素提高高温强度。特别是在需要高温强度时，各元素的添加量更优选为Nb：0.1～0.5％、V：0.1～0.5％、W：0.1～0.5％、Co：0.1～0.5％。可认为此效果也与Mo相同、为固溶强化，但并不只是这些，可推断还存在与C或N的相互作用。所以，形成大的碳氮化物这样的大量添加是不优选的，因此优选将Mo、Nb、W、V及Co的合计量(Mo+Nb+W+V+Co)规定为1.5％以下。此外，Mo、Nb、W、V及Co的合计量的下限值没有特别的限定，但最好为0.1％。特别是在需要高温强度时，Mo、Nb、W、V及Co的合计量更优选超过1.0％。但是，如果大量添加则形成粗大的碳氮化物，反而使高温强度降低，因此即使在需要高温强度时，也更优选低于1.2％。
此外，为了提高奥氏体系不锈钢的中温区(600～800℃)的高温强度，也可以在奥氏体系不锈钢中添加Cu、B、Sn中的1种或2种以上。
(Cu：0.1～2％)
Cu是奥氏体稳定化元素，同时具有提高奥氏体系不锈钢的中温区的高温强度的效果。
在奥氏体系不锈钢中的添加量为0.1％以上时体现该效果。可是，如果过度地添加则在热轧加热时产生异常氧化，成为表面缺陷的原因，因此，对于其添加量，将2％作为上限。优选为0.1～1％，更优选为0.1～0.5％。
(B：0.0001～0.01％)
B是具有提高奥氏体系不锈钢的中温区的高温强度的效果的元素。在奥氏体系不锈钢中的添加量为0.0001％时体现该效果。可是，如果过度地添加则使热加工性劣化，因此对于其添加量，将0.01％作为上限。B的添加量更优选为0.0003％～0.0050％。
(Sn：0.005～0.1％)
Sn对于提高奥氏体系不锈钢的耐腐蚀性及中温区的高温强度是有效的元素。此外，还具有不使奥氏体系不锈钢的常温的机械特性大大劣化的效果。在奥氏体系不锈钢中的添加量为0.005％以上时体现对耐腐蚀性的效果，因此将Sn规定为0.005％以上，更优选为0.01％以上。另一方面，如果过度地添加，则使制造性及焊接性显著劣化，因此将Sn规定为0.1％以下。
基于这些成分的规定的本发明所涉及的不锈钢具有非常优异的耐热性。
本发明所涉及的不锈钢假设1100℃中的使用，以1100℃时的评价作为指标。首先，1100℃时的高温强度以0.2％屈服强度计优选为20MPa以上。1100℃时的高温强度以0.2％屈服强度计更优选为30MPa以上。另外，显示出1100℃间断氧化试验中的重量损失为50mg/cm2以下这一优异的耐热性。再者，1100℃间断氧化试验是将加热到1100℃后的保持时间规定为30分钟，将从1100℃到室温的冷却时间规定为15分钟的循环重复300次的试验。
本发明钢经由熔炼、铸造、热轧、退火、冷轧、退火、酸洗的工序而成为制品。设备没有特别的限制，可使用常规方法的制造设备。
以下，通过实施例对本发明的效果进行说明，但本发明并不限定于以下的实施例中采用的条件。
实施例
在本实施例中，首先，熔炼具有表1A及表1B所示的成分组成的钢，铸造成板坯。在将该板坯加热至1150～1250℃后，将精加工温度规定在850～950℃的范围内，热轧到板厚3～5mm。然后，在1000～1200℃下进行退火，在酸洗后冷轧到1.5mm，然后在1000℃～1200℃下进行退火及酸洗，作为试验钢。在表1A及表1B中，对偏离本发明范围的数值附加下划线。
对如此得到的冷轧退火板，实施常温及高温的拉伸试验、间断氧化试验。常温的拉伸试验用于评价加工性，按照JISZ2201(对应国际标准：ISO6892，1984)，采用将与轧制方向平行的方向作为长度方向的JIS13B号试验片，按照JISZ2241(对应国际标准：ISO6892，1984)进行拉伸试验。将总延伸率作为加工性指标，将总延伸率为40％以上时规定为合格(A)，将低于40％时规定为不合格(C)。
此外，高温拉伸试验采用带凸缘的试验片，按照JISG0567(对应国际标准：ISO6892-2，2011)进行评价。以1100℃时的0.2％屈服强度作为高温强度的指标，将高温强度低于20MPa的钢规定为不合格(C)，将20MPa以上的钢规定为合格(B)，另外将30MPa以上的钢规定为优良钢(A)。
耐氧化性采用间断氧化试验进行评价。从各钢板上采集20mm×20mm的试样，对端面进行600#抛光研磨，作为氧化试验片，将在大气中加热到1100℃后的保持时间规定为15分钟，将从1100℃到室温的冷却时间规定为15分钟，将该循环作为1个循环，将其实施至300个循环，测定氧化损失(氧化皮的生成及脱落导致的厚度减少量)。将该氧化损失为50mg/cm2以下时规定为合格(A)，将超过50mg/cm2时规定为不合格(C)。评价结果示于表2A及表2B。
表2A
No. 加工性 高温强度 耐氧化性
本发明钢 1 A B A
本发明钢 2 A B A
本发明钢 3 A B A
本发明钢 4 A A A
本发明钢 5 A B A
本发明钢 6 A A A
本发明钢 7 A B A
本发明钢 8 A B A
本发明钢 9 A B A
本发明钢 10 A B A
本发明钢 11 A B A
本发明钢 12 A B A
本发明钢 13 A B A
本发明钢 14 A B A
本发明钢 15 A B A
本发明钢 16 A B A
本发明钢 17 A B A
本发明钢 18 A B A
本发明钢 19 A B A
本发明钢 20 A B A
本发明钢 21 A B A
本发明钢 22 A B A
表2B
No. 加工性 高温强度 耐氧化性
比较钢 23 A C A
比较钢 24 C C A
比较钢 25 A B C
比较钢 26 C C A
比较钢 27 A C A
比较钢 28 C C C
比较钢 29 C C A
比较钢 30 C C A
比较钢 31 A C A
比较钢 32 C C A
比较钢 33 A C C
比较钢 34 C C A
比较钢 35 A C C
比较钢 36 C C C
比较钢 37 A C A
比较钢 38 C C A
比较钢 39 C C A
比较钢 40 A C A
比较钢 41 C B A
比较钢 42 A C A
比较钢 43 C C A
比较钢 44 C C A
比较钢 45 C C A
比较钢 46 C C A
比较钢 47 C C A
比较钢 48 C C C
比较钢 49 C B A
比较钢 50 C B A
由表1A～表2B清楚可知，应用了本发明的成分组成的钢板显示出加工性、高温强度、耐氧化性都优异的特性。另一方面，在偏离本发明的比较例中，加工性、高温强度、耐氧化性的任意中都有1个以上不合格。由此得知：本发明钢相对于比较例的奥氏体系不锈钢更优异。
工业上的可利用性
从以上的说明清楚可知，根据本发明的耐热奥氏体系不锈钢，除了高温强度、耐氧化性优异以外，加工性也优异，因此可提供耐热性优异的不锈钢板。也就是说，可以将应用了本发明的材料特别用于汽车的排气管等排气***构件中，可提供能实现汽车等的发动机高效率化的排气管。本发明在产业上是非常有益的。

Claims (6)

1.一种耐热奥氏体系不锈钢板，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：1.0～3.5％、Mn：0.5～2.0％、P：0.04％以下、S：0.01％以下、Cr：23.0～26.0％、Ni：10.0～15.0％、Mo：0.50～1.20％、Ti：0.1％以下、Al：0.01～0.10％、N：0.10～0.30％；
C和N的合计量即C+N为0.25～0.35％；
剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，以质量％计进一步含有Nb：0.01～0.5％、V：0.01～0.5％、W：0.01～0.5％、Co：0.01～0.5％中的任意1种或2种以上；
而且，Mo、Nb、V、W和Co的合计量即Mo+Nb+V+W+Co为1.5％以下。
3.根据权利要求1或2所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，以质量％计进一步含有Cu：0.1～2.0％、B：0.0001～0.01％、Sn：0.005～0.1％中的任意1种或2种以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃高温强度以0.2％屈服强度计为20MPa以上。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃高温强度以0.2％屈服强度计为30MPa以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的耐热奥氏体系不锈钢板，其中，1100℃间断氧化试验中的重量损失为50mg/cm2以下。
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