JP6307100B2 - 低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板及びその製造方法 - Google Patents
低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
まず、PI値が30未満である14種類の鋼を鋳造し、熱間圧延した後に、焼鈍と冷間圧延を行って鋼板を製造するにあたり、焼鈍温度、冷却速度等の製造条件を変化させた。得られた鋼板は、Md値が+27〜−115のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板であった。鋼の成分を表1に示す。
なお、一般的な冷蔵・冷凍コンテナの使用温度は−50℃〜+5℃であり、−100℃〜+10℃において十分な耐破壊性を有していれば問題ないと考えられる。
Md値はオーステナイト粒内の化学組成によって決定される。したがってオーステナイト粒内の化学組成を例えば焼鈍温度や焼鈍時間等で変えることでMd値を調整することができる。
オーステナイト相が20%以上存在し、オーステナイト相中の化学組成より式(2)で計算されるMd値が−110以上20以下であり、
静的引張において耐力と引張強さの平均値と全伸びの積が−100℃〜10℃の温度範囲で0.350J/mm 3 以上であることを特徴とする低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板。
PI値={Cr}+3.3{Mo}+16{N} ・・・(1)
Md値=551−462({C}+[N])−9.2[Si]−8.1[Mn]−13.7[Cr]−29[Ni]−29[Cu]−18.5[Mo] ・・・(2)
[但し、式(1)及び式(2)中の{ }で囲まれた元素記号は、当該元素の鋼板全体での含有率(質量%)であり、[ ]で囲まれた元素記号は、当該元素のオーステナイト相中での含有量(質量%)であり、式(1)及び式(2)において当該元素を含有しない場合は0を代入する。]
<2>質量%で、前記Niを1.00〜6.00%含有し、更に質量%で、Cu:0.10〜3.00%、Mo:0.10〜2.50%、Sn:1.00%以下、W:0.01〜1.00%、V:0.01〜1.00%の1種または2種以上からなる第1群、
Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、B:0.0050%以下の1種または2種以上からなる第2群、および、
Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、Al:0.50%以下、希土類元素:0.50%以下の1種または2種以上からなる第3群のうち、
少なくともいずれかの群を含有することを特徴とする<1>に記載の低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板。
<3><1>または<2>に記載の構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法であって、<1>または<2>に記載の成分の鋼を連続鋳造し、得られた鋼片を1150℃〜1250℃に加熱し、圧下率が35%超のパスが1パス以上あり、かつ仕上温度が950℃以上である熱間圧延を行い、熱延板を975℃〜1125℃で焼鈍し、冷延圧下率が60%以上である1回の冷間圧延、または、中間焼鈍を挟みすべての回で冷延圧下率が60%以上である2回以上の冷間圧延を行ない、最終焼鈍を1000(℃)〜1000+0.8×r℃で実施することを特徴とする低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。ここで冷延圧下率(%)は、(冷延前の板厚−冷延後の板厚)/冷延前の板厚×100で計算される値であり、rは冷延圧下率と同値の温度(℃)である。ただし、冷間圧延を複数回行い、冷間圧延の間で中間焼鈍を行った場合は、rの計算に最終の冷間圧延の圧下率を用いる。
一般に、耐破壊性を評価する方法としてシャルピー衝撃試験があるが、シャルピー衝撃試験を実施するには小型試験片でも板厚5mmが必要であり、薄板の評価には適さない。そこで、耐破壊性が材料が破断に至るまでに受けられる仕事量、すなわち、引張試験によって得られた応力ひずみ曲線で囲まれた面積の大きさで評価できることに着目した。耐破壊性の向上には、引張試験における耐力(YP)、引張強さ(TS)の高強度化および、伸びの向上を同時に達成する必要があり、耐破壊性の指標となる評価項目として、引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積を用いた。
図1に1.5mm厚の本発明鋼の引張試験における応力ひずみ曲線の一例を示す。表2に発明鋼の一例として、試料3−1の各温度での耐力(YP)、引張強さ(TS)、全伸び、耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の値を示す。
また、表3に1.5mm厚の市販のSUS304冷延板の各温度での引張試験における耐力(YP)、引張強さ(TS)、全伸び、耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の値を示す。
表3で示されたSUS304の耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積について、−100℃〜10℃の温度範囲で最も低い値は0.348J/mm3であるため、引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積が0.350J/mm3以上であれば、低温環境でSUS304と同等以上の耐破壊性を有すると言える。より好ましくは0.370J/mm3である。引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積が大きくなるほど耐破壊性は高くなるため、上限は特に定めない。
PI値は、ステンレス鋼板の耐孔食性を示す一般的な指標であり、鋼板の平均組成から下式(1)で計算される。PI値が30以上では、鋼板が硬質化して加工性、耐衝撃性を損なうとともに、合金コストが高くなるため、30未満を上限とする。下限は特に規定する必要はないが、SUS304相当の耐食性を得るためには20以上が望ましい。より望ましくは23以上である。
ただし、(1)式中の{ }で囲まれた元素記号は、鋼板全体での平均含有量(質量%)を意味する。
Md値は、オーステナイト粒の安定性の指標であり、下式(2)で計算される。実施例およびMd値が請求項から外れた比較例における、Md値と試験温度−100℃〜10℃の引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値の関係を図2に示す。Md値が20超および−110未満の鋼板は、引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の−100℃〜10℃での最低値が0.350J/mm3を超えなかった。これらの結果から、オーステナイト相中の化学組成より計算されるMd値を20〜−110とした。より好ましくは−20〜−80である。
ただし、(2)式中の[ ]は鋼板のオーステナイト相中の組成(質量%)であり、{ }は鋼板全体の平均組成(質量%)である。
実施例およびγ相率が請求項から外れた比較例における、γ相率と試験温度−100℃〜10℃の引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値の関係を図3に示す。γ相率が20%未満ではMd値が最適な範囲内であっても、引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値が0.350J/mm3未満となる。よって、製品のオーステナイト相の比率を20%以上とした。上限は特に制限されず、全てオーステナイト相であっても良いが、合金コストの観点からオーステナイト相の上限は90%が望ましい。
Cはオーステナイト相の安定度に大きな影響を及ぼす元素である。0.050%超のCを添加すると、鋼板の伸びが低下する場合がある。また、0.050%超のCを添加すると、クロム炭化物の析出を促進するために粒界腐食の発生をもたらす。従って、Cの添加量は0.050%以下とするのが好ましく、より好ましくは0.040%以下である。また、耐食性の点からCは低くするほうが好ましいが、現存の製鋼設備ではC量を0.002%以下に低下させるには大きなコスト増加を招くため、Cは0.002%以上であることが好ましい。
NはCと同様にオーステナイト相の安定度に大きな影響を及ぼすとともに、高強度化や耐食性の向上に有効な元素である。0.080%未満の添加量では強度および耐食性が劣るため、これを下限とする。一方、0.300%超の添加はクロム窒化物の生成による耐食性の劣化および高強度化による伸びの低下が問題となるためこれを上限とする。好ましくは0.15%〜0.25%である。
Siは脱酸元素として使われたり、耐酸化性向上のために添加されたりする場合がある。しかし、2.00%超のSiの添加は、鋼板の硬質化をもたらし、伸びが低下する。従ってSiは2.00%以下とするのが好ましく、1.50%以下がより好ましく、1.00%以下が更に好ましい。またSi量を極少量まで低減するためには鋼の精錬時のコスト増加を招くため、Siは0.03%以上がよい。
Mnは、オーステナイト相に濃化し、Md値を変化させるのに重要な役割を持つ。しかし、Mnの多量の添加は伸びを低下させ、また、耐食性や熱間加工性を低下させる。従って、Mn量は8.00%以下とするのが好ましく、6.00%以下がより好ましく、また、Mn量を1.00%未満とするには、鋼の精錬工程におけるコストの増加とMd値の増加とを招くため、Mn量は1.00%以上とするのが好ましく、2.00%以上とすることがより好ましい。
Pは、不可避的に混入する元素であり、またCrなどの原料にも含有されているため、低減することが困難であるが、Pを多量に含有すると成形性を低下させる。P量は少ないほど好ましく、0.050%以下とするのが好ましく、0.040%以下とすることがより好ましい。
Sは不可避的に混入する元素であり、Mnと結合して介在物をつくり、発銹の基点となる場合がある。従ってSは、0.050%以下とするのが好ましい。S量は低いほど耐食性が向上するので、0.0030%以下とすることがより好ましい。
Crは耐食性を確保するために必要な元素であり、17.0%以上の添加が好ましい。しかし、Crの多量の添加は熱間加工割れをもたらしたり、精錬工程のコスト増加につながったりするため、上限を25.0%とするのが好ましい。Cr量はより好ましくは20.0〜23.0%である。
Niは、オーステナイト安定化元素であり、オーステナイト相の安定度を調整するために重要な元素である。また、Niは窒化物の析出を抑制し、耐食性を向上させる効果を持つ。従ってNiは0.10%以上添加することが好ましく、1.00%以上添加することがより好ましい。一方、6.00%を超えるNiの添加は、原料コストの増加をもたらし、またオーステナイト、フェライトの2相組織を得ることが困難になるので、Niは6.00%以下とするのが好ましく、3.00%以下とするのがより好ましく、2.50%以下とするのが更に好ましい。
Cuはオーステナイト安定化元素であり、Md値を調整するために重要な元素である。また、Cuは窒化物の析出を抑制し耐食性を向上する効果を持つ。従ってCuは0.10%以上添加してもよい。ただし、3.00%を超えるCuの添加は減量コストの増加をもたらし、また熱間加工性を悪化させる。そのため、Cuは3.00%以下が好ましく、1.5%以下がより好ましい。
Moは耐食性を向上させる元素であるため、0.10%以上添加してもよい。ただし、Moの添加量が2.50%を超えると、原料コストが大きく増加するため、Moは2.50%以下が好ましく、1.00%以下がより好ましく、0.6%以下とするのが更に好ましい。
Snは耐食性を向上させる元素である。0.030%以上のSnの添加で効果が発揮されるため、これを下限とすることが好ましい。ただし、Snが1.00%を超えると熱間加工性を悪化させるため、これを上限とすることが好ましい。
Vは耐食性を向上させる元素であるため、0.01%を下限として添加しても良い。ただし、Vが1.00%を超えると圧延時の負荷を増大させて製造疵を生成させやすくなるためこれを上限とする。Vのより好ましい上限は0.50%以下である。
Wは耐食性を向上させる元素であるため、0.01%を下限として添加しても良い。ただし、Wが1.00%を超えると圧延時の負荷を増大させて製造疵を生成させやすくなるためこれを上限とする。Wのより好ましい上限は0.50%以下である。
Nbは、溶接熱影響部の粗大化を防止する効果があるため、添加してもよい。Nbの効果を発揮するためには0.005%以上の添加が必要であるため、これを下限として添加してもよい。ただし、Nbの0.50%超の添加は、伸びを低下させるので、Nbは0.50%以下がよい。
TiはNbと同様に、溶接熱影響部の粗大化を防止したり、さらには凝固組織を微細等軸晶化する効果がある。このような効果を発揮させるためには、Tiは0.005%以上添加することが好ましい。ただし、0.50%超のTiの添加は、伸びを低下させるため、Tiは0.50%以下がよい。
Bは、熱間加工性を向上させる効果を持ち、添加される場合がある。これらの効果を発揮するためには、Bは0.0003%以上の添加が好ましい。しかし、Bが0.0050%を超えると耐食性が著しく劣化するため、Bは0.0050%以下が好ましく、より好ましくは0.0030%以下である。
Caは脱硫、脱酸のために若干添加されることがある。0.0001%以上のCaの添加で効果が発揮されるため、これを下限として添加してもよい。但し、0.0050%超のCaの添加によって熱間加工割れが生じやすくなり、また耐食性が低下するため、Caは0.0050%以下がよい。
Mgは、脱酸だけでなく、凝固組織を微細化する効果を持ち、添加される場合がある。これらの効果を発揮するためには、0.0001%以上のMgの添加が必要であり、これを下限として添加すればよい。また0.0050%超のMgの添加は製鋼工程でのコスト増加をもたらすため、Mgは0.0050%以下がよい。
Alは、脱硫、脱酸のために若干添加されることがある。0.0030%以上のAlの添加によって効果が発揮されるため、これを下限として添加すればよい。ただし、0.50%超の添加によって製造疵の増加ならびに原料コストの増加を招くため、0.50%以下がよい。
希土類元素は、Sc、YおよびLa〜Luまでの15元素(ランタノイド)の総称であり、熱間加工性を向上させるために添加されることがある。希土類元素の添加量が合計0.005%以上の添加によって効果が発揮されるため、これを下限として添加してもよい。しかし、希土類元素の添加量が合計0.50%を超えると製造性を損なうとともにコスト増加をもたらすため、上限は0.50%とする。より好ましい希土類元素の添加範囲は、0.020〜0.20%である。
最終焼鈍温度が規定範囲内の場合は−100℃〜10℃の引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値が0.350J/mm3以上となる。最終焼鈍温度が1000℃未満の場合、再結晶が完了しないため全伸びが小さくなり−100℃〜10℃の引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値が0.350J/mm3未満となる。最終焼鈍温度が1000+0.8×r(℃)超の場合、粒が粗大化し耐力および引張強さが小さくなるため、−100℃〜10℃の引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値が0.350J/mm3未満となる。最終焼鈍温度のより好ましい範囲は、1020(℃)〜1000+0.5×r℃である。
表4に製造条件およびこれらの測定結果を示す。
PI値:鋼の平均組成から下記式で計算される値。
PI値={Cr}+3.3{Mo}+16{N}
ここで{ }は平均組成(質量%)である。
N:熱間圧延における、圧下率が35%超のパスの回数(回)
FT:熱間圧延の最終仕上げ温度(℃)
HA:熱延板焼鈍温度(℃)
冷延率:冷延圧下率(%)
FA:最終焼鈍温度(℃)
Md値:オーステナイト相中の組成(Cのみ平均組成)より、下記式で計算される値。
Md値=551−462({C}+[N])−9.2[Si]−8.1[Mn]−13.7[Cr]−29[Ni]−29Cu−18.5[Mo]
上記式において[ ]はオーステナイト相中の当該元素の含有量(質量%)であり、{ }は鋼全体の当該元素の平均含有量(質量%)である。
γ相率:オーステナイト相率
Xmin:10℃〜−100℃の温度範囲での引張試験における耐力(YP)と引張強さ(TS)の平均値と全伸びの積の最低値(J/mm3)
Claims (3)
- 質量%で、C:0.050%以下、Si:2.00%以下、Mn:1.00〜8.00%、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Cr:17.0〜25.0%、Ni:0.10〜6.00%、N:0.080〜0.223%を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、式(1)で表されるPI値が30未満のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板であって、
オーステナイト相が20%以上存在し、オーステナイト相中の化学組成より式(2)で計算されるMd値が−110以上20以下であり、
静的引張において耐力と引張強さの平均値と全伸びの積が−100℃〜10℃の温度範囲で0.350J/mm 3 以上であることを特徴とする低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板。
PI値={Cr}+3.3{Mo}+16{N} ・・・(1)
Md値=551−462({C}+[N])−9.2[Si]−8.1[Mn]−13.7[Cr]−29[Ni]−29[Cu]−18.5[Mo] ・・・(2)
[但し、式(1)及び式(2)中の{ }で囲まれた元素記号は、当該元素の鋼板全体での含有率(質量%)であり、[ ]で囲まれた元素記号は、当該元素のオーステナイト相中での含有量(質量%)であり、式(1)及び式(2)において当該元素を含有しない場合は0を代入する。] - 質量%で、前記Niを1.00〜6.00%含有し、
更に質量%で、Cu:0.10〜3.00%、Mo:0.10〜2.50%、Sn:1.00%以下、W:0.01〜1.00%、V:0.01〜1.00%の1種または2種以上からなる第1群、
Nb:0.50%以下、Ti:0.50%以下、B:0.0050%以下の1種または2種以上からなる第2群、および、
Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、Al:0.50%以下、希土類元素:0.50%以下の1種または2種以上からなる第3群のうち、
少なくともいずれかの群を含有することを特徴とする請求項1に記載の低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板。 - 請求項1または2に記載の構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法であって、
請求項1または2に記載の成分の鋼を連続鋳造し、
得られた鋼片を1150℃〜1250℃に加熱し、圧下率が35%超のパスが1パス以上あり、かつ仕上温度が950℃以上である熱間圧延を行い、
熱延板を975℃〜1125℃で焼鈍し、
冷延圧下率が60%以上である1回の冷間圧延、または、中間焼鈍を挟みすべての回で冷延圧下率が60%以上である2回以上の冷間圧延を行ない、
最終焼鈍を1000(℃)〜1000+0.8×r℃で実施することを特徴とする低温での耐破壊性に優れた構造部材用フェライト・オーステナイト系ステンレス鋼板の製造方法。
ここで冷延圧下率(%)は、(冷延前の板厚−冷延後の板厚)/冷延前の板厚×100で計算される値であり、rは冷延圧下率と同値の温度(℃)である。ただし、冷間圧延を複数回行い、冷間圧延の間で中間焼鈍を行った場合は、rの計算に最終の冷間圧延の圧下率を用いる。
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