JP6004140B1 - オーステナイトステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態によるオーステナイトステンレス鋼は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、本実施形態において積極的に添加される元素ではない。C含有量が0.10%を超えると炭化物が粒界に析出し、靱性等に悪影響を及ぼす。そのため、C含有量は0.10%以下にする。C含有量は、好ましくは0.04%以下であり、さらに好ましくは0.02%以下である。C含有量はできるだけ少ない方が良いが、極端なC含有量の低減は精錬コストの上昇を招くので、実用上0.001%以上とするのが好ましい。
シリコン(Si)は鋼を脱酸する。しかし、Siが多量に含有されると、Ni、Cr等と金属間化合物を形成したり、シグマ相等の金属間化合物の生成を助長したりして、熱間加工性を著しく低下させる場合がある。そのため、Si含有量は1.0%以下にする。Si含有量は、好ましくは0.5%以下である。なお、Si含有量は少ないほど良いが、精錬コストを考慮すれば、0.01%以上とするのが好ましい。
マンガン(Mn)は、安価なオーステナイト安定化元素である。本実施形態においては、Cr、Ni、N等との適正な組み合わせによって、高強度化と延性及び靱性の向上とに寄与する。また本実施形態では、炭窒化物を微細析出させて結晶粒を微細化するが、Nの溶解量が少ない場合、後述する固溶化熱処理、冷間加工、二次熱処理からなる工程を経ても十分な数密度の炭窒化物を析出させることができない。MnはNの溶解度を高める作用があり、そのため、Mn含有量は3.0%以上にする。一方、Mn含有量が7.0%以上の場合、国際公開第2004/083477号に記載された技術が適用できるので、本実施形態では、Mn含有量を7.0%未満にする。したがって、Mn含有量は3.0%以上7.0%未満である。Mn含有量の下限は好ましくは4%である。Mn含有量の上限は好ましくは6.5%であり、さらに好ましくは6.2%である。
クロム(Cr)は、ステンレス鋼としての耐食性を確保する元素として、必須の成分である。一方、含有量が過剰になると延性及び靱性を低下させる粗大なM23C6等の炭化物が多量に生成しやすくなる。したがって、Cr含有量は15〜30%である。Cr含有量の下限は好ましくは18%であり、さらに好ましくは20%である。Cr含有量の上限は好ましくは24%であり、さらに好ましくは23.5%である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイト安定化元素として添加される。本実施形態においてNiは、Cr、Mn、N等との適正な組み合わせによって、高強度化と延性及び靱性の向上とに寄与する。Ni含有量が12.0%未満では、冷間加工に伴い、オーステナイトの安定性が低下する場合がある。一方、Ni含有量が17.0%以上では前述のNiの効果が飽和し、材料コストの上昇を招く。したがって、Ni含有量は12.0%以上17.0%未満である。Ni含有量の下限は好ましくは13%であり、さらに好ましくは13.5%である。Ni含有量の上限は好ましくは15%であり、さらに好ましくは14.5%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。一方、Al含有量が過剰になると、シグマ相等の金属間化合物の生成が助長される。したがって、Al含有量は0.10%以下である。なお、脱酸の効果を確実にするためには、Alを0.001%以上含有することが好ましい。Al含有量の上限は好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.03%である。なお、本明細書のAlとはいわゆる「sol.Al(酸可溶Al)」を指す。
窒素(N)は、最も重要な固溶強化元素であると同時に、本実施形態においては微細な合金炭窒化物を形成することで結晶粒を微細化し、高強度化に寄与する。一方、N含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成し靱性等の機械的特性が低下する。したがって、N含有量は0.10〜0.50%である。N含有量の下限は好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.30%である。
バナジウム(V)及びニオブ(Nb)は、合金炭窒化物の生成を促進し結晶粒の微細化に寄与するため、どちらか一方、又は両方を含有させる。一方、これらの元素を過剰に含有させても効果は飽和し、材料コストを上昇させる。したがって、V含有量は0.01〜1.0%であり、Nb含有量は0.01〜0.50%である。V含有量の下限は好ましくは0.10%である。V含有量の上限は好ましくは0.30%である。Nb含有量の下限は好ましくは0.15%である。Nb含有量の上限は好ましくは0.28%である。V及びNbの両方を含有させると、より効果的である。
燐(P)は不純物であって、鋼の靱性等に悪影響を及ぼす。P含有量は0.050%以下で、できるだけ少ない方が好ましい。P含有量は、好ましくは0.025%以下であり、さらに好ましくは0.018%以下である。
硫黄(S)は不純物であって、鋼の靱性等に悪影響を及ぼす。S含有量は0.050%以下で、できるだけ少ない方が好ましい。S含有量は、好ましくは0.010%以下であり、さらに好ましくは0.005%以下である。
Mo:0〜3.0%
W :0〜6.0%
第1群に属する元素は、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)である。これらの元素は炭窒化物の生成と安定化を促し、かつ固溶強化にも寄与するという共通の効果を有する。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和する。したがって、これらの元素の上限は、Moは3.0%、Wは6.0%である。これらの元素の好ましい下限は、いずれも0.3%である。
Ti:0〜0.5%
Zr:0〜0.5%
Hf:0〜0.3%
Ta:0〜0.6%
第2群に属する元素は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、及びタンタル(Ta)である。これらの元素は炭窒化物の生成を促進し、結晶粒を微細化するという共通の効果を有する。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和する。したがって、これらの元素の上限は、Ti及びZrは0.5%、Hfは0.3%、Taは0.6%である。Ti及びZrの上限は好ましくは0.1%であり、さらに好ましくは0.03%である。Hfの好ましい上限は0.08%であり、さらに好ましくは0.02%である。Taの好ましい上限は0.4%であり、さらに好ましくは0.3%である。これらの元素の好ましい下限は、いずれも0.001%である。
B :0〜0.020%
Cu:0〜5.0%
Co:0〜10.0%
第3群に属する元素は、ボロン(B)、銅(Cu)、及びコバルト(Co)である。これらの元素は、鋼の高強度化に寄与するという共通の効果を有する。Bは、析出物を微細化し、結晶粒を微細化することによって鋼を高強度化する。一方、含有量が過剰になると低融点の化合物を形成して熱間加工性を低下させる場合がある。したがって、B含有量の上限は0.020%である。Cu及びCoは、オーステナイト安定化元素であり、固溶強化によって鋼を高強度化する。一方、過剰に含有させてもその効果は飽和する。したがって、これらの元素の上限は、Cuは5.0%、Coは10.0%である。Bの好ましい下限は0.0001%であり、Cu及びCoの好ましい下限は0.3%である。
Mg:0〜0.0050%
Ca:0〜0.0050%
La:0〜0.20%
Ce:0〜0.20%
Y :0〜0.40%
Sm:0〜0.40%
Pr:0〜0.40%
Nd:0〜0.50%
第4群に属する元素は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、サマリウム(Sm)、プラセオジム(Pr)、及びネオジム(Nd)である。これらの元素は、鋼の鋳造時の凝固割れを防止する共通の効果を有する。一方、過剰に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、これの元素の上限は、Mg及びCaは0.0050%、La及びCeは0.20%、Y、Sm、及びPrは0.40%、Ndは0.50%である。これらの元素の好ましい下限は、いずれも0.0001%である。
窒素は固溶強化には有効ではあるものの、積層欠陥エネルギーを低くすることにより変形時のひずみを局在化させることで水素環境脆化に対する耐久性を低下させる。また後述のように、本実施形態では冷間加工によって強化を図るが、冷間加工によって、転位密度が上昇し、トラップ水素量が増加するため、水素環境脆化に対する耐久性が低下する。
以下、本発明の一実施形態によるオーステナイトステンレス鋼の製造方法を説明する。
得られた板材から、圧延方向及び肉厚方向に平行な断面が観察できるように試料を採取して樹脂に埋め込み、混酸(塩酸:硝酸=1:1)で腐食した後、ASTM E 112に準拠して結晶粒度番号を測定した。また、同試料からオーステナイト結晶粒の長径に対する短径の比(短径/長径)を求めた。なお、二次熱処理後、二次冷間加工前の板材からも同様に試料を採取して、結晶粒度番号を測定した。
板材の長手方向に平行部直径が3mmの丸棒引張試験片を採取し、常温大気中又は常温の85MPaの高圧水素ガス中でひずみ速度3×10−6/sで引張試験を行い、引張強度、破断伸びを測定した。水素の影響は靱性の低下に顕著に現れることから、大気中破断伸びに対する水素中破断伸びの比を相対破断伸びとし、この相対破断伸びが80%以上、好ましくは90%以上であれば水素による延性低下は軽微であり、耐水素環境脆化特性に優れると解釈した。
板材の長手方向に外径7.5mmの管状の疲労試験片を採取し、常温アルゴンガス中又は常温85MPaの高圧水素ガス中で疲労試験を行い、疲労寿命を測定した。試験片の内表面から発生した亀裂が外表面に到達した繰返し数(cycle)を疲労寿命とした。水素の影響は疲労寿命の低下に顕著に現れることから、アルゴン中の疲労寿命に対する水素中の疲労寿命の比を相対疲労寿命とし、この相対疲労寿命が70%以上であれば水素による疲労寿命の低下は軽微であり、耐水素疲労特性に優れると解釈した。
二次熱処理後の引張強度、二次冷間加工後の引張強度、オーステナイト結晶粒の長径に対する短径の比、二次熱処理後のオーステナイト結晶粒の結晶粒度番号、相対破断伸び、相対疲労寿命、水素中疲労寿命、アルゴン中疲労寿命、及び二次冷間加工後のオーステナイト結晶粒の結晶粒度番号を、前掲の表2に示す。
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C :0.10%以下、
Si:1.0%以下、
Mn:3.0%以上7.0%未満、
Cr:15〜30%、
Ni:12.0%以上17.0%未満、
Al:0.10%以下、
N :0.10〜0.50%、
P :0.050%以下、
S :0.050%以下、
V :0.01〜1.0%及びNb:0.01〜0.50%の少なくとも一種、
Mo:0〜3.0%、
W :0〜6.0%、
Ti:0〜0.5%、
Zr:0〜0.5%、
Hf:0〜0.3%、
Ta:0〜0.6%、
B :0〜0.020%、
Cu:0〜5.0%、
Co:0〜10.0%、
Mg:0〜0.0050%、
Ca:0〜0.0050%、
La:0〜0.20%、
Ce:0〜0.20%、
Y :0〜0.40%、
Sm:0〜0.40%、
Pr:0〜0.40%、
Nd:0〜0.50%、
残部:Fe及び不純物であり、
オーステナイト結晶粒の長径に対する短径の比が0.1よりも大きく、
前記オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が8.0以上であり、
引張強度が1000MPa以上である、オーステナイトステンレス鋼。 - 請求項1に記載のオーステナイトステンレス鋼であって、
前記化学組成が、下記の第1群〜第4群のいずれかの群から選択される1種以上の元素を含有する、オーステナイトステンレス鋼。
第1群元素…Mo:0.3〜3.0%、W:0.3〜6.0%、
第2群元素…Ti:0.001〜0.5%、Zr:0.001〜0.5%、Hf:0.
001〜0.3%及びTa:0.001〜0.6%、
第3群元素…B:0.0001〜0.020%、Cu:0.3〜5.0%及びCo:
0.3〜10.0%、
第4群元素…Mg:0.0001〜0.0050%、Ca:0.0001〜0.005
0%、La:0.0001〜0.20%、Ce:0.0001〜0.20%、Y:0.0
001〜0.40%、Sm:0.0001〜0.40%、Pr:0.0001〜0.40
%及びNd:0.0001〜0.50%。 - 請求項1又は2に記載のオーステナイトステンレス鋼の製造方法であって、
化学組成が、質量%で、C:0.10%以下、Si:1.0%以下、Mn:3.0%以上7.0%未満、Cr:15〜30%、Ni:12.0%以上17.0%未満、Al:0.10%以下、N:0.10〜0.50%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、V:0.01〜1.0%及びNb:0.01〜0.50%の少なくとも一種、Mo:0〜3.0%、W:0〜6.0%、Ti:0〜0.5%、Zr:0〜0.5%、Hf:0〜0.3%、Ta:0〜0.6%、B:0〜0.020%、Cu:0〜5.0%、Co:0〜10.0%、Mg:0〜0.0050%、Ca:0〜0.0050%、La:0〜0.20%、Ce:0〜0.20%、Y:0〜0.40%、Sm:0〜0.40%、Pr:0〜0.40%、Nd:0〜0.50%、残部:Fe及び不純物である鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を1000〜1200℃の固溶化熱処理温度で固溶化熱処理する工程と、
前記固溶化熱処理された鋼材に断面減少率20%以上の冷間加工をする工程と、
前記冷間加工された鋼材を、900℃以上かつ前記固溶化熱処理温度未満の温度で熱処理する工程と、
前記熱処理された鋼材に断面減少率10%以上65%未満の冷間加工をする工程とを備える、オーステナイトステンレス鋼の製造方法。
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