JP6461363B2 - フェライト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Description
高温特性を向上させる元素であるMo、Nb、W等の合金の影響に関する研究は数多くなされているが、実質的に高温でフェライト系ステンレス鋼の内部に発生する結晶粒と析出物が高温特性に及ぼす影響に関する研究は、足りない状態であり、
次第に高性能化されている排気マニホールド(Exhaust Manifold)用素材への適用のために、前記フェライト系ステンレス鋼の内部に発生する結晶粒と析出物に関する合金成分及び製造条件の最適化が要求されている。
また、ステンレス鋼の再加熱、粗圧延及び仕上げ圧延工程の制御を利用したフェライト系ステンレス鋼の製造方法を提供することである。
(N)0.02%以下、シリコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn)1.20%以
下、リン(P)0.05%以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、モリブデン(M
o)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.01〜0.30%、ニオブ(Nb)0.30
〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からなる。前記フェラ
イト系ステンレス鋼は、ニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase)析出物と
、ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物を含み、前記析出物は、結晶
粒界から1μm以内の領域に30〜70%分布し、前記析出物の平均粒子サイズが0.5
μm以下であることを特徴とする。
i)は、2〜10であることを特徴とする。
リコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn)1.20%以下、リン(P)0.05%
以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、モリブデン(Mo)0.5〜2.0%、チ
タン(Ti)0.01〜0.30%、ニオブ(Nb)0.30〜0.70%を含み、残部
が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からなるステンレス鋼を1,100〜1,300
℃に再加熱する段階と、前記ステンレス鋼を複数回粗圧延する段階と、前記ステンレス鋼
を仕上げ圧延する段階とを含み、
前記粗圧延する段階で、最終2回の粗圧延は、総圧下率50%以上で行い、前記粗圧延の
後、前記仕上げ圧延の前に、下記式(1)の時間保持されることを特徴とする。
8,000/(再加熱温度−1,000)<時間(秒)<120………式(1)
i)は、2〜10であることを特徴とする。
また、フェライト系ステンレス鋼を製造する工程において、再加熱、粗圧延及び仕上げ圧延工程を制御することによって、結晶粒の粗大化を防止し、結晶粒に隣接する領域に微細析出物が分布するように制御できる。
以下、窒素(N)0.02%以下、シリコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn)1
.20%以下、リン(P)0.05%以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、モリ
ブデン(Mo)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.01〜0.30%、ニオブ(Nb
)0.30〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からなる。
前記フェライト系ステンレス鋼は、ニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase
)析出物と、ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物を含み、前記析出
物は、結晶粒界から1μm以内の領域に30〜70%分布し、前記析出物の平均粒子サイ
ズが0.5μm以下である。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
本発明の一実施例によれば、フェライト系ステンレス鋼は、質量%で、炭素(C)0.0
2%以下、窒素(N)0.02%以下、シリコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn
)1.20%以下、リン(P)0.05%以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、
モリブデン(Mo)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.02〜0.30%、ニオブ(
Nb)0.30〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からな
る。
炭素(C)の量は、0.02%以下である。より好ましくは、炭素の量は、0.0005
%〜0.02%である。炭素(C)の量が0.0005%未満であれば、高純度の製品を
作るための精錬価格が高くなり、炭素(C)の量が0.02%を超過すると、素材の不純
物が増加し、延伸率と加工硬化指数(n値)が劣り、延性−脆性遷移温度(DBTT)が
上昇し、衝撃特性が悪くなる。
シリコン(Si)の量は、1.0%以下である。より好ましくは、シリコン(Si)の量は、0.01%〜1.0%である。シリコン(Si)の量が0.01%未満であれば、精錬価格が高くなる問題があり、シリコン(Si)の量が1.0%を超過すると、素材の不純物が増加し、延伸率と加工硬化指数(n値)が劣り、Si系介在物が増加し、加工性が悪くなる。
マンガン(Mn)の量は、1.20%以下である。より好ましくは、マンガン(Mn)の量は、0.01%〜1.20%以下である。マンガン(Mn)の量が0.01%未満であれば、精錬価格が高くなる問題があり、マンガン(Mn)の量が1.2%を超過すると、素材の不純物が増加し、延伸率が劣る問題がある。
硫黄(S)の量は、0.005%以下である。より好ましくは、硫黄(S)の量は、0.0001%〜0.005%である。硫黄(S)の量が0.0001%未満であれば、精錬価格が高くなる問題があり、硫黄(S)の量が0.005%を超過すると、耐食性が悪くなる問題がある。
クロム(Cr)の量は、10.0〜25.0%である。クロム(Cr)の量が10.0%未満であれば、耐食性及び耐酸化性が悪くなる問題があり、クロム(Cr)の量が25.0%を超過すると、延伸率が劣り、熱延スティキング(sticking)欠陥が発生する問題がある。
ニッケル(Ni)の量は、0.01〜0.50%である。ニッケル(Ni)の量が0.01%未満であれば、精錬価格が高くなる問題があり、ニッケル(Ni)の量が0.50%を超過すると、素材の不純物が増加し、延伸率が劣る問題がある。
%未満であれば、素材内に固溶されるモリブデン(Mo)の量があまり少ないため、素材
の高温強度及び熱疲労特性劣化と異常酸化発生確率が高くなり、モリブデン(Mo)の量
が2.0%を超過すると、衝撃特性が劣り、加工時に破断発生危険が大きくなり、素材の
コストが上昇する。
チタン(Ti)の量は、0.01〜0.30%である。チタン(Ti)の量が0.01%
未満であれば、不純物極低精錬のための費用が多くかかり、チタン(Ti)の量が0.3
%を超過すると、Ti系酸化物の増加により連続鋳造スラブの製造時にノズルに目詰まり
が発生する問題がある。
ニオブ(Nb)の量は、0.30〜0.70%である。ニオブ(Nb)の量が0.30%
未満であれば、素材内に固溶されるNbが少ないため、素材の高温強度が劣る問題があり
、ニオブ(Nb)の量が0.70%を超過すると、Nb系析出物と固溶量が過度に増加し
、延伸率と衝撃特性が悪くなる問題がある。
例えば、ニオブ(Nb)/チタン(Ti)の質量比であるニオブ(Nb)/チタン(Ti
)は、2〜10である。
ニオブ(Nb)/チタン(Ti)が2未満である場合には、チタン(Ti)の量が相対的にあまりにも多いため、粗大なチタン(Ti)を含む析出物が析出し、その周辺に大部分のニオブ(Nb)がニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物として析出し、前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物内のニオブ(Nb)の質量が30%以上である場合、微細なサイズを有するニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase)析出物の量が減少し、これにより、高温強度及び熱疲労特性が劣る。
ニオブ(Nb)/チタン(Ti)が10超である場合、チタン(Ti)の量が相対的にあまり少なくて、ニオブ(Nb)の量が相対的にあまりにも多いため、大部分のニオブ(Nb)が前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物として析出され、微細なサイズを有する前記ニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase)析出物の量が減少し、高温強度及び熱疲労特性が劣る。
前記ニオブ(Nb)ラーベス相析出物は、Fe2Nb、FeCrNb、Cr2Nbよりなるグループから選択されるいずれか一つ以上を含む。ラーベス相(laves phase)の組成は、A2B型で稠密充填構造を有する金属間化合物である。前記ニオブ(Nb)ラーベス相析出物の粒子サイズは、0.2μm未満であって、相対的に微細なサイズを有する。
前記炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物は、窒化ニオブ(niobium nitride、NbN)、炭化ニオブ(niobium carbide、NbC)、炭窒化ニオブ(niobium carbonitride、NbCN)よりなるグループから選択されるいずれか一つ以上を含むことができる。前記炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物の粒子サイズは、0.5μm内外のサイズを有する。
TiN)、炭化チタン(titanium carbide、TiC)、炭窒化チタン(
titanium carbonitride、TiCN)、ニオブチタン(niobi
um titanium、NbTi)よりなるグループから選択されたいずれか一つ以上
を含む。前記チタン(Ti)を含む析出物の粒子サイズは、1〜2μm内外の相対的に粗
大なサイズを有する。
したがって、ニオブ(Nb)/チタン(Ti)が2〜10の質量比で添加されたとき、素
材内部の前記析出物の平均粒子サイズが0.5μm以下になり、粗大な析出物の生成を抑
制できる。より好ましくは、前記析出物の平均粒子サイズが0.35μm以下である。
例えば、前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物の全体質量に対して、前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物内のニオブ(Nb)の質量は、30%未満である。前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物内のニオブ(Nb)質量が30%以上である場合、微細なサイズを有するニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase)析出物の量が減少し、これにより、高温強度及び熱疲労特性が劣る。
前記のように、本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼は、900℃で引張強度が30MPa以上である。
また、前記フェライト系ステンレス鋼は、50%拘束率で200〜900℃温度区間で熱疲労サイクルが500回以上である。
本発明によるフェライト系ステンレス鋼(以下発明鋼)及び比較鋼の組成を下記表1に示
した。
組成を満足する。これに対し、比較鋼1は、モリブデン(Mo)の含量から外れ、比較鋼
2は、ニオブ(Nb)/チタン(Ti)の質量比から外れ、比較鋼3は、ニオブ(Nb)
の含量から外れ、比較鋼4は、ニオブ(Nb)/チタン(Ti)の質量比から外れる。
図1には、結晶粒界に隣接して微細なサイズの微細析出物10が分布し、このような微細析出物10の平均粒子サイズは、0.5μm以下である。図2には、結晶粒界と関係なく、粗大析出物20が分布し、このような粗大析出物20の平均粒子サイズは、1μm内外である。
結論として、前記フェライト系ステンレス鋼の組成が、本発明の一実施例による組成を満足し、前記析出物の平均粒子サイズが0.5μm以下であり、前記析出物が結晶粒界から1μm以内の領域に30〜70%分布する場合、900℃で引張強度が30MPa以上であり、50%拘束率で200〜900℃の温度区間で熱疲労サイクルが500回以上である。したがって、本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼では高温強度及び熱疲労特性等の高温特性が改善される。
本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼の製造方法によると、ニオブ(Nb)
ラーベス相(laves phase)析出物と、ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素
(N)を含む析出物を含み、前記析出物は、結晶粒界から1μm以内の領域に30〜70
%分布し、前記析出物の平均粒子サイズが0.5μm以下のフェライト系ステンレス鋼を
製造できる。
本発明の一実施例によるフェライト系ステンレス鋼の高温強度及び熱疲労特性を確保するためには、微細な析出物のサイズ及び分布を制御しなければならないが、これは、成分制御だけでなく、熱延工程の制御を必要とする。
前記フェライト系ステンレス鋼の製造方法によれば、質量%で、炭素(C)0.02%以
下、窒素(N)0.02%以下、シリコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn)1.20%以下、リン(P)0.05%以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、モリブデン(Mo)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.01〜0.30%、ニオブ(Nb)0.30〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からなる溶鋼を利用してスラブ(slab)を製造する。前記スラブを下記の条件によって、再加熱し、熱間粗圧延、熱間仕上げ圧延、巻取を行う。
その後、前記ステンレス鋼に複数回の熱間粗圧延を実施する。
前記粗圧延する段階で、最終2回の粗圧延は、総圧下率50%以上で行い、前記ステンレス鋼を粗圧延した後、仕上げ圧延する前に、下記式(1)の時間保持される。
8,000/(再加熱温度−1,000)<時間(秒)<120………式(1)
最終2回の粗圧延は、総圧下率50%以上で行い、結晶粒界内に微細な析出物を析出させる。
前記ステンレス鋼を粗圧延した後、仕上げ圧延をする前まで維持される時間を、8000/(再加熱温度−1,000)秒以上にして十分な再結晶時間を付与し、前記ステンレス鋼を粗圧延した後、仕上げ圧延をする前まで維持される時間を120秒以下に制御し、結晶粒の粗大化を防止する。
その後、前記ステンレス鋼を仕上げ圧延する。
前記仕上げ圧延した前記ステンレス鋼を巻き取る。前記巻取温度は、500〜700℃である。前記熱延工程中に析出された析出物が粗大化しないように、巻取温度を700℃以下に制御し、板形状及び表面品質のために500℃以上に巻取温度を制御する。
実施例1〜実施例3
発明鋼1〜発明鋼3の組成によってスラブをそれぞれ製造した後、加熱炉で1,200℃の温度で再加熱した。その後、熱間粗圧延を行い、最終2回の粗圧延を総圧下率70%で行った。粗圧延の後、仕上げ圧延の前まで発明鋼を60秒間維持した。発明鋼を仕上げ圧延した後、冷却及び巻取を行い、この際、巻取温度は、550℃に維持した。
発明鋼1〜発明鋼3の組成によってスラブをそれぞれ製造した後、加熱炉で1,000℃の温度で再加熱した。その後、熱間粗圧延を行い、最終2回の粗圧延を総圧下率40%で行った。粗圧延の後、連続的に仕上げ圧延、冷却及び巻取を行い、この際、巻取温度は、550℃に維持した。
Claims (11)
- 質量%で、炭素(C)0.02%以下、窒素(N)0.02%以下、シリコン(Si)1.0%以下、マンガン(Mn)1.20%以下、リン(P)0.05%以下、クロム(Cr)10.0〜25.0%、モリブデン(Mo)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.01〜0.30%、ニオブ(Nb)0.30〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及びその他不可避な不純物からなるフェライト系ステンレス鋼において、
前記フェライト系ステンレス鋼は、ニオブ(Nb)ラーベス相(laves phase)析出物と、ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物を含み、前記析出物は、結晶粒界から1μm以内の領域に30〜70%分布し、前記析出物の平均粒子サイズが0.5μm以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼。 - 前記ニオブ(Nb)及び前記チタン(Ti)の質量比であるニオブ(Nb)/チタン(Ti)は、2〜10であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記ニオブ(Nb)ラーベス相析出物は、Fe2Nb、FeCrNb、Cr2Nbよりなるグループから選択されるいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物は、窒化ニオブ(niobium nitride、NbN)、炭化ニオブ(niobium carbide、NbC)、炭窒化ニオブ(niobium carbonitride、NbCN)よりなるグループから選択されるいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記析出物の平均粒子サイズが0.35μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物の全体質量に対して、前記ニオブ(Nb)と炭素(C)又は窒素(N)を含む析出物内のニオブ(Nb)の質量は、30%未満であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記フェライト系ステンレス鋼は、900℃で引張強度が30MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 前記フェライト系ステンレス鋼は、50%拘束率で200〜900℃の温度区間で熱疲労サイクルが500回以上であることを特徴とする請求項1に記載のフェライト系ステンレス鋼。
- 請求項1乃至8に記載されたフェライト系ステンレス鋼を製造する方法であって
質量%で、炭素(C)0.02%以下、窒素(N)0.02%以下、シリコン(Si)1
.0%以下、マンガン(Mn)1.20%以下、リン(P)0.05%以下、クロム(C
r)10.0〜25.0%、モリブデン(Mo)0.5〜2.0%、チタン(Ti)0.
01〜0.30%、ニオブ(Nb)0.30〜0.70%を含み、残部が鉄(Fe)及び
その他不可避な不純物からなるステンレス鋼を1,100〜1,300℃に再加熱する段
階と、
前記ステンレス鋼を複数回粗圧延する段階と、
前記ステンレス鋼を仕上げ圧延する段階と、を含むフェライト系ステンレス鋼の製造方法
において、
前記粗圧延する段階で、最終2回の粗圧延は、総圧下率50%以上で行い、
前記粗圧延の後、前記仕上げ圧延の前に、下記式(1)の時間保持されることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
8,000/(再加熱温度−1,000)<時間(秒)<120………式(1) - 前記ニオブ(Nb)及び前記チタン(Ti)の質量比であるニオブ(Nb)/チタン(T
i)は、2〜10であることを特徴とする請求項9に記載のフェライト系ステンレス鋼の
製造方法。 - 前記仕上げ圧延する段階の後、巻き取る段階をさらに含み、巻取温度は、500〜700℃であることを特徴とする請求項9に記載のフェライト系ステンレス鋼の製造方法。
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