JP2008525636A - ニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
相対的に低い含有量のNi成分を含有し、かつ、α相とγ相との分率が約50:50になるように、Cr−Mo−Mn−N成分を厳しく制限することにより、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、工程負荷を低下させることのできる二相ステンレス鋼を提供する。19.5〜22.5%のCr、0.5〜2.5%のMo、1.0〜3.0%のNi,1.5〜4.5%のMn、0.15〜0.25%のN、その他のFe及び不可避元素からなる合金成分を有し、当該合金成分の組成範囲を関数とするCPTが20°C以上となるように、前記合金成分の組成範囲が調節される。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本発明は、S32205二相ステンレス鋼に比べて、相対的にMnの含有量は高いが、Cr、Mo、N、及びNi成分の含有量は低い二相ステンレス鋼に関し、より詳細には、クロム、モリブデン、窒素、及びニッケルの含有量を低減することで製造原価を低減することができる一方、STS304及び316L鋼の水準以上に耐食性が良好で、熱間圧延時におけるエッジクラックの発生危険度が低い二相ステンレス鋼に関する。
一般的に、加工性及び耐食性が良好であるとされているオーステナイト系ステンレス鋼は、鉄(Fe)を卑金属とし、Cr、Niを主原料として含有しており、Mo及びCuなどのその他の元素を添加させ、各種用途に合わせた様々な鋼種として開発されている。
オーステナイト系ステンレス鋼のうち、316L鋼種は、耐食性、耐孔食性及び高温強度に優れた鋼種である。316L鋼種は、低炭素で、かつ、10wt%以上のNi及び2wt%以上のMo成分を含有しているため、ニッケル及びモリブデンの値上げによる原価の変動幅が大きく、値段が不安定で、競争力が低下するという短所がある。
したがって、鉄鋼業界では、これを補完するため、ニッケル及びモリブデンの含有量を下げる一方、316L鋼種以上の耐食性を確保することのできる新しい鋼種の開発のために努力している。
常温でオーステナイト相とフェライト相との混合組織を有する二相ステンレス鋼の代表的な鋼種の1つであるS32205二相ステンレス鋼(以下、「2205鋼」とする。)は、高耐食性の確保のため、多量のCr、Mo、及びNを含有しており、相分率の確保のため、約5wt%以上のNi成分を含有している。
このような二相ステンレス鋼は、Niを10%含有するSTS316L鋼に比べて、Niの含有量が相対的に低減しているため、製造原価が安く、販売価格において競争力のある高付加価値の鋼種である。しかし、2205鋼は、熱間加工性が悪いため、製品歩留まりが80%以下と非常に低く、さらに、Cr及びMoの含有量が高いため、鋼の特性を低下させる脆弱なシグマ相の析出速度が速く、巻取及び冷却工程における工程負荷が大きいといった短所があることから、316L鋼種の代用としての需要拡大は困難である。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、2205鋼種に比べて、Cr、Mo、N、及びNi成分の含有量を下げることで原価負担を軽減する一方、熱間圧延工程におけるエッジクラックの発生危険度を低下させることで製品歩留まりを高め、STS304及び316L鋼以上の耐食性を保持する二相ステンレス鋼を提供することである。
本発明者は、相対的に低い含有量のNi成分を含有し、かつ、α相とγ相の分率が約50:50になるように、Cr−Mo−Mn−Nの成分を厳しく制限することにより、生産原価を軽減する一方、STS304及び316L鋼のCPTよりも良好な20°C水準以上を確保し、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、工程負荷を低下させることのできる二相ステンレス鋼を開発した。
したがって、本発明の目的を達成するため、二相ステンレス鋼は、重量%で、19.5〜22.5%のCr、0.5〜2.5%のMo、1.0〜3.0%のNi、0.03%以下のC、0.03%以下のP、0.003%以下のS、2%以下のSi、1.5〜4.5%のMn、0.15〜0.25%のNを含有し、その他のFe及び不回避元素からなることを特徴とする。
本発明によると、2205二相ステンレス鋼に比べて、Cr、Mo、及びNi成分の含有量を低減させながら、Mnの含有量は若干増加させた二相ステンレス鋼は、原価負担を軽減する一方、STS304及び316L鋼以上の耐食性を保持し、熱間圧延過程におけるエッジクラックの発生量が非常に小さいため、後続工程の負荷を低減し、表面欠陥率を下げることで製品歩留まりを高めることができる。
以下、本発明の特徴及び作用を説明する。まず、本発明において必須成分を限定した理由について説明する。
C:Cは、高溶強化による材料強度の増加に有効な元素である。しかし、Cの含有量が多すぎると、フェライト−オーステナイト系相の境界において耐食性に有効なCrのような炭化物形成元素と結合し易いため、結晶粒界周辺のクロム含有量を下げることで耐食性を低下させる。したがって、耐食性を極大化するためには、Cの含有量を0.03%以下とすることが好ましい。
N:二相ステンレス鋼において、Nは、Niとともに、オーステナイト相の安定化に大きく寄与する元素の1つであり、Nの含有量の増加は、付随的に耐食性の増加及び高強度化を図ることができる。しかし、Nの含有量が高すぎると、熱間加工性を低下させることで製品歩留まりを低下させる。逆に、Nの含有量が低すぎると、相分率の確保のため、Cr及びMoの含有量も下げなければならず、溶接部の強度及び相安定性の確保が困難である。したがって、Nの含有量は、0.15〜0.25%に制限することが好ましい。
Mn:Mnは、金属流量(metal flow rate)を調節するため、1.5%程度を含有することが一般的であるが、高価なNiの代用として含有量を増加させることができ、この場合、付随的に熱間加工性の向上効果を得ることができる。Mnの含有量が多すぎると、鋼中のSと結合してMnSを形成し、耐食性を低下させるだけでなく、熱間加工性も悪くなるため、Mnの含有量の上限を4.5%に制限する。したがって、Mnの組成範囲は、1.5〜4.5%に制限する。
Cr:Crは、Moとともに、フェライト相の安定化元素であって、二相ステンレス鋼のフェライト相の確保に主な役割を果たすだけでなく、高耐食性の確保のための必須元素である。Crの含有量を増加させると、耐食性が増加するものの、相分率の維持のためには、高価なNiの含有量を増加させなければならない。したがって、二相ステンレス鋼の相分率を維持しつつ、STS304及び316L鋼以上の耐食性の確保のため、Crの含有量を19.5〜22.5%に制限する。
Mo:Moは、Crと同様、フェライト相の安定化元素であると同時に、強力な耐食性を向上させる元素である。しかし、Moの含有量が多すぎると、熱処理時にシグマ相を形成し易いため、耐食性及び耐衝撃性を低下させるという短所がある。本発明鋼において、Moは、フェライト相分率を確保するためにCrを補助する役割、及び適正な耐食性を確保する役割を果たすため、その含有量を0.5〜2.5%に制限する。
Ni:Niは、Mn及びNとともに、オーステナイト相の安定化元素であって、二相ステンレス鋼のオーステナイト相の確保のため主な役割を果たす。原価低減のため、高価な高いNiの含有量の減少は、他のオーステナイト相の形成元素であるMn及びNの含有量の増加で相殺することができる。しかし、Niの含有量が過度に減少すると、Mn及びNの含有量が過剰となり、かえって耐食性及び熱間加工性の低下、またはCr及びMoの含有量の減少につながり、316L鋼以上の耐食性の確保が困難となる。したがって、Niの含有量を1.0〜3.0%に制限する。
P:Pは、粒界または相境界に偏析して耐食性及び靱性を低下させ得ることから、できるだけ低く維持することが好ましい。したがって、精錬工程の効率性のため、0.03%を上限値とすることが好ましい。
S:Sは、熱間加工性を悪化させるか、MnSを形成させることにより、耐食性を低下させることから、できるだけその含有量を低く維持することが好ましい。したがって、0.003%以下に維持することが好ましい。
Si:Siは、脱酸効果のために一部添加されるが、同時にフェライト相の安定化元素としても作用する。しかし、Siの含有量が多すぎると、衝撃靭性に関連する機械的特性を低下させるため、2%以下に制限する。
本発明に係る成分の組成範囲に対する二相ステンレス鋼の試片を用意し、相分率、耐食性、熱間加工性を測定した。図2は、試験鋼種に対する合金組成、及び1050°Cでの焼鈍後のα相分率を示している。合金において、α相分率は、約40〜60%の範囲である。溶接や相安定性などを考慮する際、二相ステンレス鋼のα相分率が44〜51%の鋼は「優秀(O)」、44%以下または54%以上の鋼は「不良(×)」、51〜54%の鋼は「良好(△)」として判定することができる。
図2の試片において、合金成分中、Cr、Mo、Mn、及びN以外の成分の組成範囲は、二相ステンレス鋼に通用する組成範囲を満足するように統一させたのに対し、Ni成分の組成範囲は、試験の便宜のため、2.5wt%に制限した。
図3は、試験鋼種に対する耐食性を表すCPT(CPT:critical pitting temperature)の測定結果を示している。このとき、CPT20°C以下の鋼は「不良(×)」、20〜25°Cの鋼は「良好(△)」、25°C以上の鋼は「優秀(O)」として判定した。
CPTの測定は、ASTM G48法にしたがって、50mm(長さ)×25mm(幅)×3mm(厚さ)の大きさを有する熱間圧延試片を1050°Cで焼鈍処理し、酸性塩化第二鉄(acidified ferric chloride)溶液に24時間沈積した後、孔食(pitting)の発生温度を観察することによって行われた。
ここで、ASTM G48法によると、CPTの測定開始温度は、下記式:
CPT(°C)=(2.5×%Cr)+(7.6×%Mo)+(31.9×%N)−41.0
によって計算した後、5°C間隔で最も近い値を選択して試験を行うように提示している。
CPT(°C)=(2.5×%Cr)+(7.6×%Mo)+(31.9×%N)−41.0
によって計算した後、5°C間隔で最も近い値を選択して試験を行うように提示している。
しかし、ASTM G48法にしたがって予測したCPTの測定開始温度は、偏差が非常に顕著であることが分かった。これは、Mnによる耐食性の低下効果を考慮していないからである。すなわち、Niの含有量を下げた二相ステンレス鋼は、Mnの含有量が相対的に高いため、前記ASTM G48法にて求めたCPT予測温度に偏差が生じるのである。
したがって、このような偏差を補正するため、本発明者は、Mnの影響を考慮したCPT予測式を下記のようにまとめた。
CPT(°C)=−50.47+2.65Cr+11.71Mo−1.3Mn+64.58N
本発明に係るCPT予測式を適用した結果、実際測定されたCPT値とほとんど一致している。
一方、Cr及びMoの含有量が相対的に低いか、若しくは多量のMnを含有する鋼の実際のCPT値は、予測値よりも大きく低かった。したがって、Ni低減型二相ステンレス鋼における相分率の確保のために多量のMnを添加することは、耐食性を低下させる結果を招くため、好ましくない。さらに、Cr及びMoを過度に低減することも好ましくない。
Ni低減型二相ステンレス鋼の生産にあたり、エッジクラックの発生量を最小化することで製品歩留まりを高め、固定負荷を最小化するためには、良好な熱間加工性の確保を優先させなければならない。図2に示している成分を有する鋼種の50kgのインゴットを20mm及び3mmの厚さに圧延した後、エッジクラックの発生の可否を観察し、2205鋼に比べてエッジクラックの状態が顕著に改善した鋼を選別し、図1に示すような判定結果を得た。
すなわち、エッジクラックの状態が2205鋼水準の鋼は「不良(×)」、エッジクラックの状態が局所的にやや激しい鋼は「良好(△)」、エッジクラックがほとんどない鋼は「優秀(O)」として判定した。
図4は、上述した相分率、耐食性及び熱間加工性を総合した結果であって、鋼番が3、4、14、15の計4つの鋼は、二相ステンレス鋼の組織学的特性を満足しており、316L鋼以上の良好な耐食性を保持しつつ、優れた熱間加工性を有する鋼である。また、鋼番が1、2、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16、20、21、22の16の鋼は、前記4つの鋼よりはやや劣るものの、好ましい鋼として選択可能であることが分かった。この結果から、Mnの含有量が高いほど、熱間加工性及び耐食性は低下し、Nの含有量が高いほど、熱間加工性は低下し、Mnの含有量の高い鋼は、比較的多量のMoの含有量を添加しなければならないことが分かる。
図5は、本発明において良好及び優秀として判定された鋼と、比較鋼のSTS304、STS316L、及び2205鋼の熱間圧延のためのスラブの再加熱時における高温酸化量を示している。高温酸化量の測定は、10mm(長さ)×10mm(幅)×3mm(厚さ)の大きさを有する熱間圧延試片を用意し、当該試片を1250°Cで加熱し、加熱炉にて180分間維持した後、酸化増量を測定することによって行われた。
このとき、加熱炉の雰囲気ガスにおいて、硫黄(S)の含有量は、200ppmに調整した。結果的に、従来の2205鋼に比べて4〜6倍、316L鋼に比べて約1/3〜1/2倍の水準であることを分かる。再加熱されたスラブ表面に形成される酸化層により、熱間圧延時における表面潤滑効果による熱間圧延板の表面欠陥が減少し、発明鋼は、従来の2205鋼に比べて良好な表面品質を確保することができることが分かる。
上述した内容は、本発明の好ましい実施形態を例示したものに過ぎず、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求の範囲に記載された本発明の思想及び要旨から逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更が可能であることを認識しなければならない。
Claims (2)
- 19.5〜22.5%のCr、0.5〜2.5%のMo、1.0〜3.0%のNi、1.5〜4.5%のMn、0.15〜0.25%のN、その他のFe及び不回避元素からなる合金成分を有し、
当該合金成分の組成範囲を関数とする下記式:
CPT(°C)=−50.47+2.65Cr+11.71Mo−1.3Mn+64.58N
で表されるCPTが20°C以上になるように、前記合金成分の組成範囲が調節されることを特徴とするニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼。 - 0.03%以下のC、0.03%以下のP、2%以下のSiをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のニッケル低減型高耐食性二相ステンレス鋼。
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