JP2022027526A - ５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な組成および良好な耐候性効果を有する耐候性鋼を提供する。【解決手段】５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼であって、重量百分率で、以下の化学組成：Ｃ≦０．１２％、Ｓｉ：１．２０～２．００％、Ｍｎ≦１．５０％、Ｐ：０．００５～０．０３０％、Ｓ≦０．０１５％、Ｃｒ：２．２０～３．００％、Ｎｉ：０．１０～０．４０％、Ｃｕ：０．２０～０．６０％、Ａｌｓ≧０．０１０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼である。【選択図】なし

Description

本発明は、鉄冶金の技術分野に属し、特に５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼およびその製造方法に関する。

鋼の腐食は、国の経済および防衛建設のすべての分野において広く深刻な問題である。統計によれば、いくつかの工業先進国では、鋼腐食によって引き起こされる経済的損失は、そのＧＤＰの２％～４％を占め、大気腐食は、鋼構造の腐食の主な形態であり、すべての鋼腐食損失の約半分を占める。したがって、耐候性鋼の研究開発にとって非常に有意である。大気耐食鋼としても知られる耐候性鋼は、大気中で良好な耐食性を有する低合金鋼である。国内および海外での多数の研究に基づいて、耐候性鋼が長期間大気に露出すると、緻密で十分に接着した酸化生成物の層がその表面上に生成されて、外部腐食性物質から鋼マトリックスを隔離し、それによって耐候性鋼の耐食性が大幅に改善すると一般に考えられている。耐候性鋼は、主に中国では圧延材および容器に使用されるが、米国および日本のようないくつかの先進国では、露出した様式で鋼鉄構造建物および都市施設により広く使用されている。耐候性鋼は、米国で橋梁を構築するために最も一般的に使用されており、これは露出鋼が広く使用されているところで拡大しており、５００を超える建物が露出耐候性鋼で構築されている。１９６５年以来、露出耐候性鋼は、日本では建築屋根、ルーバー、鋼リブ、および外装パネルランプなどの外装部品に使用されてきた。

耐候性鋼の応用分野がますます拡大しているため、市場のニーズを満たすために、より多くの種類の耐候性鋼を開発する必要がある。

本発明が解決しようとする技術的問題は、新規な組成および良好な耐候性効果を有する耐候性鋼を開発することである。

上記の技術的問題を解決するために、本発明によって提供される技術的スキームは、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼である。高ケイ素高クロム耐候性鋼の化学組成は、重量百分率で、Ｃ≦０．１２％、Ｓｉ：１．２０～２．００％、Ｍｎ≦１．５０％、Ｐ：０．００５～０．０３０％、Ｓ≦０．０１５％、Ｃｒ：２．２０～３．００％、Ｎｉ：０．１０～０．４０％、Ｃｕ：０．２０～０．６０％、Ａｌｓ≧０．０１０％であり、残部はＦｅおよび不可避不純物である。

好ましくは、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の化学組成は、重量百分率で、Ｃ：０．０６～０．０８％、Ｓｉ：１．６０～１．８０％、Ｍｎ：０．８５～１．００％、Ｐ：０．０１０～０．０２５％、Ｓ≦０．００７％、Ｃｒ：２．６０～２．８０％、Ｎｉ：０．２０～０．３０％、Ｃｕ：０．２８～０．３８％、Ａｌｓ：０．０１５～０．０５０％であり、残部はＦｅおよび不可避不純物である。

５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の耐大気腐食性指標Ｉは、１０．６９～１１．８０である。

５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の相対Ｑ３５５Ｂ腐食速度は、３０％以下である。

５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼は、４５０ＭＰａ以上の降伏強度、５５０～７５０ＭＰａの引張強度、１８％以上の伸びＡ、および－４０℃で６０Ｊ以上の衝撃値を有する。

本発明はまた、以下のステップを含む、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の製造方法を提供する：
溶銑脱硫－転炉精錬－ＬＦ－ＲＨ－ＬＦ－スラブ連続鋳造－熱間圧延－ラミナー冷却－コイル化。

本発明はまた、５４０ＭＰａグレードの高クロム耐候性鋼の使用を提供し、これは、建物または橋梁建設または車両製造の分野において外気に露出してもよく、または湿潤領域で使用するために軽くコーティングされてもよい。

本発明は、以下の有益な効果を有する：
本発明は、新規な組成を有する高ケイ素高クロム耐候性鋼を提供し、高ケイ素高クロム耐候性鋼の耐大気腐食性指標Ｉは、１０．６９～１１．８０に達し、これは６．０よりも著しく高く、したがって製品の優れた耐大気腐食性を達成する。良好な耐大気腐食性、低い保守コスト、長い製品寿命、ならびにフルサイクル使用コスト、環境汚染、および腐食破壊事故のリスクの低減に加えて、本発明の高ケイ素高クロム耐候性鋼は、外気に露出してもよく、または湿潤領域で使用するために軽くコーティングされてもよく、建物、橋梁建設、または車両製造の分野で広く使用されてもよく、良好な利用価値を有する。

本発明は、重量百分率で、以下の化学組成：Ｃ≦０．１２％、Ｓｉ：１．２０～２．００％、Ｍｎ≦１．５０％、Ｐ：０．００５～０．０３０％、Ｓ≦０．０１５％、Ｃｒ：２．２０～３．００％、Ｎｉ：０．１０～０．４０％、Ｃｕ：０．２０～０．６０％、Ａｌｓ≧０．０１０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物である、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼を提供する。

好ましくは、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の化学組成は、重量百分率で、Ｃ：０．０６～０．０８％、Ｓｉ：１．６０～１．８０％、Ｍｎ：０．８５～１．００％、Ｐ：０．０１０～０．０２５％、Ｓ≦０．００７％、Ｃｒ：２．６０～２．８０％、Ｎｉ：０．２０～０．３０％、Ｃｕ：０．２８～０．３８％、Ａｌｓ：０．０１５～０．０５０％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物である。

耐候性鋼の成分のうち、Ｃは、鋼中の有効な強化元素であり、炭素含有量の増加は、鋼の強度を改善し得る。しかしながら、より高い炭素含有量は、以下の結果をもたらし得る：多くの粗大で脆い炭化物粒子が鋼中に生成され、鋼の可塑性および靭性を低下させる；鋼板の中心に偏析帯が生じ、鋼の曲げ性能および成形性が低下し、溶接炭素当量が増加し、溶接加工に悪影響を及ぼす。したがって、本発明の設計によれば、Ｃは、０．１２％以下であり、好ましくは０．０６～０．０８％である。

耐候性鋼の成分のうち、強い固溶強化効果を有するＭｎは、鋼の相変態温度を大幅に低下させ、鋼の微細構造を微細化することができる。Ｍｎは、重要な強化および強靭化元素である。しかしながら、過剰なＭｎの添加は、連続鋳造プロセス中にスラブクラックを引き起こし、鋼の溶接性能の低下をもたらす場合がある。したがって、本発明の設計によれば、Ｍｎは、１．５０％以下であり、好ましくは０．８５～１．００％である。

耐候性鋼の成分のうち、Ｓは、硫化物介在物を形成し、鋼の性能を悪化させる場合がある。一方、腐食中に孔食が伝播し、腐食性能に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、本発明の設計によれば、Ｓは、０．０１５％以下であり、好ましくは０．００７％以下である。

耐候性鋼の成分のうち、Ａｌは、脱酸素剤として鋼に添加される。しかしながら、Ａｌの含有量が高いと、窒素酸化物がオーステナイト粒界に析出しやすく、スラブクラックの生成につながる場合がある。したがって、本発明の設計によれば、Ａｌｓは、０．０１０％以上であり、好ましくは０．０１５～０．０５０％である。

本発明において、鋼中のＳｉ、Ｐ、Ｃｕ、ＣｒおよびＮｉの含有量は、耐候性鋼の耐大気腐食性を改善する目的で、元素Ｃ、Ｍｎ、ＳおよびＡｌの含有量が決定された後、耐大気腐食性構造鋼（Ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌｓ）（ＧＢ／Ｔ４１７１－２００８）に対する付属書Ｄ「低合金鋼の耐大気腐食性評価ガイド（Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｌｏｗ Ａｌｌｏｙ Ｓｔｅｅｌｓ）」の耐大気腐食性指標Ｉ＝２６．０１（％Ｃｕ）＋３．８８（％Ｎｉ）＋１．２０（％Ｃｒ）＋１．４９（％Ｓｉ）＋１７．２８（％Ｐ）－７．２９（％Ｃｕ）（％Ｎｉ）－９．１０（％Ｎｉ）（％Ｐ）－３３．３９（％Ｃｕ）²の計算式に従って決定される。

鋼へのＣｕの添加は、明らかな耐食性を有する緻密で良好に接着したアモルファス酸化物（ヒドロカルビルオキシド）保護層の鋼の表面上への形成に有益である。加えて、ＣｕおよびＳは、不溶性硫化物を形成し、これは鋼の耐食性に対するＳの有害な影響を打ち消す。しかしながら、Ｃｕの融点がスラブの加熱温度よりも低いため、Ｃｕ含有量が多すぎると、析出したＣｕが液体状態のオーステナイト粒界に集合し、析出したＣｕの一定量が加熱時や熱間圧延時にクラックを生じさせる可能性がある。加えて、耐大気腐食性指標Ｉの計算式によれば、Ｃｕ含有量が少なすぎたり多すぎたりすると、耐大気腐食性指標Ｉの計算値が小さくなる。したがって、本発明の設計によれば、Ｃｕは、０．２０～０．６０％であり、好ましくは０．２８～０．３８％である。

鋼へのＮｉの添加は、鋼の耐食性を著しく改善する；一方、元素ＮｉおよびＣｕは、Ｎｉを含有するＣｕリッチ相を形成し、このＣｕリッチ相は固体状態で外側酸化物層中に残存して、マトリックス中のＣｕの濃化および液体Ｃｕリッチ相を形成する機会を減少させ、したがって高温脆性欠陥の発生を回避する。そのため、鋼中のＮｉ／Ｃｕの含有量は、一般に１／２以上に制御される。しかしながら、Ｎｉの含有量が高いと、スケールの接着が増加し、鋼にプレスされたときに熱間圧延欠陥が表面上に形成される。Ｎｉは、貴金属であり、Ｎｉの含有量が多いと鋼合金のコストが著しく増加する。したがって、本発明の設計によれば、Ｎｉは、０．１０～０．４０％であり、好ましくは０．２０～０．３０％である。

Ｐは、鋼の耐大気腐食性を効果的に改善し得る。鋼中のＰおよびＣｕの併用は、良好な組成効果を示し得るが、Ｐの含有量が多いと鋼の可塑性および低温靭性が著しく低下する。したがって、本発明の設計によれば、Ｐは、０．００５～０．０３０％であり、好ましくは０．０１０～０．０２５％である。

Ｓｉは、鋼中への高い固溶度を有し、これは錆層組織を微細化し、鋼の全体的な腐食速度を低下させるのに役立つ。耐大気腐食性指標Ｉの計算式によれば、Ｓｉの含有量が多いとＩ値が大きく上昇する場合がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が多いと、圧延時のデスケーリングが困難となり、溶接性能の低下にもつながる。したがって、本発明の設計によれば、Ｓｉは、１．２０～２．００％であり、好ましくは１．６０～１．８０％である。本発明によれば、出銑（タッピング）温度が上昇し、完全なデスケーリングのために全長粗圧延が使用される。

Ｃｒは、鋼の不動態化能の改善に顕著な効果を有し、鋼の表面上に緻密な不動態化膜または防錆層を形成するのに役立つ。錆層中のＣｒの濃化は、腐食媒体に対する錆層の選択的伝達特性を効果的に改善し得る。耐大気腐食性指標Ｉの計算式によれば、Ｃｒの含有量が多いとＩ値が大きく上昇する場合がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が多いと、製造コストが高くなる。したがって、本発明の設計によれば、Ｃｒは、２．２０～３．００％であり、好ましくは２．６０～２．８０％である。

好ましい組成に基づいて、高ケイ素高クロム耐候性鋼の耐大気腐食性指標Ｉは、１０．６９～１１．８０に達し得、これは６．０を超え、したがって製品の優れた耐大気腐食性を達成する。

５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼は、４５０ＭＰａ以上の降伏強度、５５０～７５０ＭＰａの引張強度、１８％以上の伸びＡ、および－４０℃で６０Ｊ以上の衝撃値を有する。

本発明は、高ケイ素高クロム耐候性鋼の製造方法であって、以下のステップを含む製造方法をさらに提供する：
溶銑脱硫－転炉精錬－ＬＦ－ＲＨ－ＬＦ－スラブ連続鋳造－熱間圧延－ラミナー冷却－コイル化。

高ケイ素高クロム耐候性鋼の製造方法では、各ステップのパラメータは、表１に従って制御される。

上述の高クロム耐候性鋼の製錬プロセスでは、大量の合金が添加され、製錬プロセスにおける温度低下が大きく、合金浸炭および加熱浸炭が生じる；同時に、大きな温度低下は、フェロクロムの不十分な溶融効果およびＲＨプロセスにおける挿入管の深刻な接着を引き起こす場合がある。したがって、一般的なモードである「転炉製錬→ＬＦ→ＲＨ→スラブ連続鋳造」は、この鋼グレードの生産ニーズを満たすことができない。

ダブルＬＦプロセスは、上述の高クロム耐候性鋼の製錬プロセスで使用される。製造コストの必然的な増加にもかかわらず、ＬＦプロセスの追加は、温度、炭素、および合金の効果的な使用（挿入管の接着による合金損失の現象なし）ならびに硫黄精錬を効率的に制御できる点でより有利であり、製造リスクを大幅に低減する。各プロセスで採用した主な技術的手段および制御目標を表に示す。特に、１回目のＬＦプロセスに装入されるフェロクロムは、成分の下限に従って０．１５％減少され、１回目のＬＦに装入される他の合金元素は、低含有量および酸化性に起因して構成されない；代わりに、これらの合金元素は、ＲＨ脱炭および脱酸素後に最初に構成され、２回目のＬＦに装入された後に微調整される。

高ケイ素高クロム耐候性鋼の熱間圧延およびラミナー冷却プロセスでは、スラブは、熱間供給および熱間装入されるか、または直ちに積層されてゆっくりと冷却され、１２４０～１２８０℃の排出温度で、２４時間以内に炉に供給される。粗圧延の全長を完全にデスケーリングし；仕上げ圧延の初期圧延温度は、１０２０℃以下であり、最終圧延温度は、８１０～８５０℃である。複数のミルスタンド間の冷却水は、完全に閉じており、疎冷却は、ラミナー冷却とされ、コイル化温度は、５８０～６２０℃である。

合金含有量が高い鋼の場合、スラブは、長期間の積層後および低い炉温度でエッジクラック欠陥を生じやすい；したがって、スラブは、熱間供給および熱間装入されるか、または直ちに積層され、ゆっくりと冷却され、２４時間以内に装入される。

ケイ素の含有量が高い鋼は、炉内での長時間の加熱中に、酸化鉄スキン層とマトリックスとの間で１１７３℃の融点を有するファヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）に変わる場合がある。ケイ素を含有する鋼のスケーリングの困難さを解消または緩和するための効果的な方法は、スラブの表面温度が、粗デスケーリング中にＦｅ₂ＳｉＯ₄の融点よりも高くなるように出銑温度を上昇させることであり、ＦｅＯ／Ｆｅ₂ＳｉＯ₄のアンカーは、それが液体状態の場合に形成されず、したがってスケーリングが容易になる。

複数のミルスタンド間の冷却水は、圧延速度を低下させるために完全に閉じられており、したがって冷却速度が低下される；同時に、冷却速度を低下させるために、疎冷却はラミナー冷却とされる。高Ｃｒ鋼の高い焼入性のために、製品の靭性および可塑性に悪影響を及ぼすマルテンサイト構造が高い冷却速度で現れやすい。

本発明において、高ケイ素高クロム耐候性鋼の製造方法は、上記方法に限定されず、耐大気腐食性指標Ｉが６を超える耐候性鋼は、他の合理的な方法によって製錬することができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明の具体的な実施形態をさらに説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

実施例および比較例
高ケイ素高クロム耐候性鋼を、従来の製錬、制御された圧延および制御された冷却プロセスによって製造し、鉄道耐候性鋼のサイクル浸透腐食試験方法（Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｙｃｌｅ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｗｅａｔｈｅｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｔｅｅｌ）（ＴＢ／Ｔ２３７５）に従って耐食性について試験した。比較例１（通常耐候性鋼Ｑ４５０ＮＱＲ１）および比較例２（低合金高強度鋼Ｑ３５５Ｂ）における高ケイ素高クロム耐候性鋼具体的な成分、耐大気腐食性指標Ｉ、および相対Ｑ３５５Ｂ腐食速度を表２に示す。

実施例および比較例から、本発明の高ケイ素高クロム耐候性鋼の耐大気腐食性指標Ｉは、６．０を超え、通常の耐候性鋼および低合金高強度鋼よりもはるかに高く、高ケイ素高クロム耐候性鋼は、優れた耐大気腐食性を達成できることが分かる。鋼製品は、外気に露出することができ、または湿潤領域で使用するために軽くコーティングすることができ、これにより、コーティングおよび錆除去コスト、腐食による破壊事故、および環境汚染が低減され、良好な応用見込みがある。

Claims (7)

1. ５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼であって、重量百分率で、以下の化学組成：Ｃ≦０．１２％、Ｓｉ：１．２０～２．００％、Ｍｎ≦１．５０％、Ｐ：０．００５～０．０３０％、Ｓ≦０．０１５％、Ｃｒ：２．２０～３．００％、Ｎｉ：０．１０～０．４０％、Ｃｕ：０．２０～０．６０％、Ａｌｓ≧０．０１０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする、５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼。
2. 前記化学組成が、重量百分率で、Ｃ：０．０６～０．０８％、Ｓｉ：１．６０～１．８０％、Ｍｎ：０．８５～１．００％、Ｐ：０．０１０～０．０２５％、Ｓ≦０．００７％、Ｃｒ：２．６０～２．８０％、Ｎｉ：０．２０～０．３０％、Ｃｕ：０．２８～０．３８％、Ａｌｓ：０．０１５～０．０５０％であり、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする、請求項１に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼。
3. 前記高ケイ素高クロム耐候性鋼の耐大気腐食性指標Ｉが、１０．６９～１１．８０であることを特徴とする、請求項１に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼。
4. 前記高ケイ素高クロム耐候性鋼の相対Ｑ３５５Ｂ腐食速度が、３０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼。
5. 前記高ケイ素高クロム耐候性鋼が、４５０ＭＰａ以上の降伏強度、５５０～７５０ＭＰａの引張強度、１８％以上の伸びＡ、および－４０℃で６０Ｊ以上の衝撃値を有することを特徴とする、請求項１に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の製造方法であって、
   溶銑脱硫－転炉精錬－ＬＦ－ＲＨ－ＬＦ－スラブ連続鋳造－熱間圧延－ラミナー冷却－コイル化を含むことを特徴とする、製造方法。
7. 請求項１～５のいずれか一項に記載の５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼の使用であって、前記５４０ＭＰａグレードの高ケイ素高クロム耐候性鋼が、建築、橋梁建設または車両製造の分野において、外気に露出されるか、または湿潤領域で使用するために軽くコーティングされることを特徴とする、使用。