JP7066997B2 - 鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼材に関する。
化学プラントの設備等に用いられる鋼材には、高い耐酸性が要求される。このため、ＭｏまたはＷ等の高価な元素を含有させることで、鋼材の耐食性を確保することが一般的である。近年、硫酸アンモニウム混入液等のアンモニウムイオンを含む環境に晒される鋼材において、高価な元素を含有させているにもかかわらず、腐食により配管等が大きな損傷を受けることがわかってきた。
このような問題に対し、従来、種々の高耐食ステンレス鋼が提案されている。例えば、特許文献１では、Ｍｏ、Ｗなどを含有する、石炭焚火力発電プラント煙突内筒用耐食鋼が提案されている。
Ｗ、Ｍｏなどを含有する鋼材は耐酸性に優れ、焼却施設の排ガス煙突などの腐食環境において、優れた耐食性を発揮する。しかし、本発明者らの研究により、硫酸アンモニウムが生成する環境では、ＭｏおよびＷを含有するにもかかわらず、耐食性が十分ではないことがわかってきた。
本発明は、上記の課題を解決し、耐硫酸アンモニウム混入液等のアンモニウムイオンを含む環境において、安価で長期の耐食性を備える鋼材を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の鋼材を要旨とする。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１～０．１５％、
Ｓｉ：０．０５～０．５０％、
Ｍｎ：０．１０～２．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００２０～０．１０％、
Ｃｒ：０．１０～９．０％、
Ｎｂ：０．００１～０．１０％、
Ｍｏ：０．２０％以下、
Ｗ：０．２０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３５％以下、
Ｃｕ：０～０．４０％、
Ｎｉ：０～０．４０％、
Ｔｉ：０～０．１０％、
Ｚｒ：０～０．１０％、
Ｖ：０～０．２０％、
Ｂ：０～０．００３０％、
Ｃａ：０～０．０１０％、
Ｍｇ：０～０．０１０％、
ＲＥＭ：０～０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で表わされるＡＩの値が０～２．５であり、かつ下記（ii）式で表わされるＥＩの値が０～１５．０である、
鋼材。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
但し、式中の元素記号は各元素の含有量（質量％）を表し、含有しない場合は０とする。
Ｃ：０．０１～０．１５％、
Ｓｉ：０．０５～０．５０％、
Ｍｎ：０．１０～２．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００２０～０．１０％、
Ｃｒ：０．１０～９．０％、
Ｎｂ：０．００１～０．１０％、
Ｍｏ：０．２０％以下、
Ｗ：０．２０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３５％以下、
Ｃｕ：０～０．４０％、
Ｎｉ：０～０．４０％、
Ｔｉ：０～０．１０％、
Ｚｒ：０～０．１０％、
Ｖ：０～０．２０％、
Ｂ：０～０．００３０％、
Ｃａ：０～０．０１０％、
Ｍｇ：０～０．０１０％、
ＲＥＭ：０～０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で表わされるＡＩの値が０～２．５であり、かつ下記（ii）式で表わされるＥＩの値が０～１５．０である、
鋼材。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
但し、式中の元素記号は各元素の含有量（質量％）を表し、含有しない場合は０とする。
（２）前記化学組成が、質量％で、
Ｃｕ：０．０３～０．４０％、および、
Ｎｉ：０．０３～０．４０％、
から選択される１種または２種を含有する、
上記（１）に記載の鋼材。
Ｃｕ：０．０３～０．４０％、および、
Ｎｉ：０．０３～０．４０％、
から選択される１種または２種を含有する、
上記（１）に記載の鋼材。
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００１～０．１０％、
Ｚｒ：０．００５～０．１０％、および、
Ｖ：０．００５～０．２０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
Ｔｉ：０．００１～０．１０％、
Ｚｒ：０．００５～０．１０％、および、
Ｖ：０．００５～０．２０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）または（２）に記載の鋼材。
（４）前記化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．０００３～０．００３０％、
を含有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の鋼材。
Ｂ：０．０００３～０．００３０％、
を含有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の鋼材。
（５）前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５～０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０１０％、および、
ＲＥＭ：０．０００１～０．０１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の鋼材。
Ｃａ：０．００００５～０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０１０％、および、
ＲＥＭ：０．０００１～０．０１０％、
から選択される１種以上を含有する、
上記（１）から（４）までのいずれかに記載の鋼材。
本発明によれば、化学プラントなどの硫酸アンモニウム混入液等のアンモニウムイオンを含む腐食環境において優れた耐食性を発現する鋼材を得ることが可能になる。
本発明者らは、製鉄所内で発生するコークスガスの配管で、激しく腐食が生じる原因について調査を行った。特に、腐食が激しい部位の堆積物およびドレン水の成分を調査したところ、ＮＨ４
＋およびＳＯ４
２－が多量に含まれることが判明した。
そこで、各種元素を鉄に含有させて硫酸アンモニウム、塩化アンモニウムをそれぞれ含む水溶液中で分極測定を行い、腐食抑制について調査した。その結果、Ｃｒがアンモニウムイオンの還元を抑制することを見出した。また、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ等の元素は、通常の耐食鋼では耐食性を向上させる有利な元素であるものの、含有量が過剰であると、硫酸アンモニウム混入液等のアンモニウムイオンを含む環境において著しく耐食性を劣化させることが明らかになった。さらに、Ｃの含有量によっては、耐食性が劣化することがわかった。
本発明者らによるさらなる検討の結果、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃの含有量のバランスが重要であり、下記（ｉ）式で表わされる第１の耐食性指数ＡＩを適正な範囲とすることが必要であることがわかった。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
また、さらなる耐食性を確保するためには、Ｃｒ、ＣｕおよびＮｉの含有量の割合が重要であるという知見を得た。ＣｕおよびＮｉはアンモニウムイオンを含む環境においては耐食性劣化元素であり、含有させない方が好ましい。しかし、例えば、母材の機械的特性または溶接性を向上させる理由等で、これらの元素を含有させる必要がある。
そして、ＣｕおよびＮｉを含む場合においても、所定量のＣｒを含有させ、下記（ii）式で表わされる第２の耐食性指数ＥＩを適正な範囲とすることにより、アンモニウムイオンを含む環境における耐食性を確保できることがわかった。
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
ＥＩの値を制御することによって耐食性を確保できる理由については明らかではないが、以下の理由が考えられる。すなわち、ＣｕおよびＮｉは、アンモニウムイオンを含む環境中ではアンモニウムイオンとの錯体を形成しやすいため、鋼材の腐食を助長する作用がある。一方、ＣｒはＦｅと同様に、アンモニウムイオンとの錯体は形成しにくいため、耐食性を向上させる。さらに、Ｃｒは鋼表面に不動態皮膜を形成させる能力を有し、鋼中のＮｉおよびＣｕが鋼材表面でアンモニウムイオンと錯体を形成することを抑制するため、ＣｕおよびＮｉによる耐食性の劣化を抑制する。
また、ＣｒはＣｕに対しては同量以上含有させればよいが、Ｎｉに対しては２．５倍以上含有させる必要がある。これは、Ｃｕに比べてＮｉの方が地鉄から溶解しやすいためであると考えられる。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０１～０．１５％
Ｃは、強度を向上させる元素であり、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると炭化物が増加し、耐酸性が劣化するため、Ｃ含有量を０．１５％以下とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１０％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ｃは、強度を向上させる元素であり、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると炭化物が増加し、耐酸性が劣化するため、Ｃ含有量を０．１５％以下とする。Ｃ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０３％以上であるのがより好ましい。また、Ｃ含有量は０．１０％以下であるのが好ましく、０．０８％以下であるのがより好ましい。
Ｓｉ：０．０５～０．５０％
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与する元素であり、また、酸化物の形態を制御するため、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、０．５０％を超える量のＳｉを含有させると酸化物が増加し、耐酸性を損なうため、Ｓｉ含有量を０．５０％以下に制限する。Ｓｉ含有量は０．０７％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。
Ｓｉは、脱酸および強度の向上に寄与する元素であり、また、酸化物の形態を制御するため、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、０．５０％を超える量のＳｉを含有させると酸化物が増加し、耐酸性を損なうため、Ｓｉ含有量を０．５０％以下に制限する。Ｓｉ含有量は０．０７％以上であるのが好ましく、０．１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は０．４０％以下であるのが好ましい。
Ｍｎ：０．１０～２．００％
Ｍｎは、強度および靭性を向上させる元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、２．００％を超える量のＭｎを含有させると、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化するため、Ｍｎ含有量を２．００％以下とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．５０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎは、強度および靭性を向上させる元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、２．００％を超える量のＭｎを含有させると、粗大なＭｎＳが生成し、耐食性および機械特性が劣化するため、Ｍｎ含有量を２．００％以下とする。Ｍｎ含有量は０．６０％以上であるのが好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．５０％以下であるのが好ましく、１．００％以下であるのがより好ましい。
Ａｌ：０．００１～０．１００％
Ａｌは、脱酸剤であり、０．００１％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌを過剰に含有させると、介在物の増加によって、耐酸性を損なうため、Ａｌ含有量を０．１００％以下とする。Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０８０％以下であるのが好ましい。
Ａｌは、脱酸剤であり、０．００１％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌを過剰に含有させると、介在物の増加によって、耐酸性を損なうため、Ａｌ含有量を０．１００％以下とする。Ａｌ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０８０％以下であるのが好ましい。
Ｎ：０．００２０～０．１０％
Ｎは、微細な窒化物によって圧延時のスラブ加熱におけるγ粒の粗大化抑制に有効であり、０．００２０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎを過剰に含有させると粗大な窒化物が形成し母材の機械特性を劣化させることから、Ｎ含有量は０．１０％以下とする。高温加熱時においても窒化物のピン止め効果によるγ粒の粗大化抑制を十分作用させるためには、Ｎ含有量を０．００３５％以上とすることが好ましい。
Ｎは、微細な窒化物によって圧延時のスラブ加熱におけるγ粒の粗大化抑制に有効であり、０．００２０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎを過剰に含有させると粗大な窒化物が形成し母材の機械特性を劣化させることから、Ｎ含有量は０．１０％以下とする。高温加熱時においても窒化物のピン止め効果によるγ粒の粗大化抑制を十分作用させるためには、Ｎ含有量を０．００３５％以上とすることが好ましい。
Ｃｒ：０．１０～９．０％
Ｃｒは、アンモニウムイオンの還元を抑制する元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、過剰に含有させても、アンモニウムイオンを含む環境での耐食効果は飽和するため、Ｃｒ含有量は９．０％以下とする。Ｃｒ含有量は０．５０％以上であるのが好ましい。また、Ｃｒ含有量は８．０％以下であるのが好ましく、７．０％以下であるのがより好ましく、６．０％以下であるのがさらに好ましい。
Ｃｒは、アンモニウムイオンの還元を抑制する元素であり、０．１０％以上含有させる必要がある。一方、過剰に含有させても、アンモニウムイオンを含む環境での耐食効果は飽和するため、Ｃｒ含有量は９．０％以下とする。Ｃｒ含有量は０．５０％以上であるのが好ましい。また、Ｃｒ含有量は８．０％以下であるのが好ましく、７．０％以下であるのがより好ましく、６．０％以下であるのがさらに好ましい。
Ｎｂ：０．００１～０．１０％
Ｎｂは、窒化物を形成する元素であり、結晶粒の微細化および強度の向上を目的として、０．００１％以上含有させる。一方、０．１０％を超える量のＮｂを含有させると、機械特性が劣化するため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。
Ｎｂは、窒化物を形成する元素であり、結晶粒の微細化および強度の向上を目的として、０．００１％以上含有させる。一方、０．１０％を超える量のＮｂを含有させると、機械特性が劣化するため、Ｎｂ含有量は０．１０％以下とする。Ｎｂ含有量は０．００５％以上であるのが好ましい。また、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましく、０．０３０％以下であるのがより好ましく、０．０２０％以下であるのがさらに好ましい。
Ｍｏ：０．２０％以下
Ｗ：０．２０％以下
ＭｏおよびＷは、アンモニウムイオンを含む環境では、多量に含有させると耐食性を大きく劣化させるため、その含有量を制限する必要がある。そのため、ＭｏおよびＷの含有量はそれぞれ、０．２０％以下とする。ＭｏおよびＷの含有量はそれぞれ、０．１０％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。
Ｗ：０．２０％以下
ＭｏおよびＷは、アンモニウムイオンを含む環境では、多量に含有させると耐食性を大きく劣化させるため、その含有量を制限する必要がある。そのため、ＭｏおよびＷの含有量はそれぞれ、０．２０％以下とする。ＭｏおよびＷの含有量はそれぞれ、０．１０％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させるため、Ｐ含有量を０．０２０％以下とする。Ｐ含有量の下限は限定せず、０％でもよいが、コストの観点からＰ含有量は０．００１％以上であってもよい。
Ｐは、不純物であり、鋼材の機械特性および生産性を低下させるため、Ｐ含有量を０．０２０％以下とする。Ｐ含有量の下限は限定せず、０％でもよいが、コストの観点からＰ含有量は０．００１％以上であってもよい。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、一般に不純物として含有され、熱間加工性および鋼材の機械特性を低下させるため、Ｓ含有量を０．０１５％以下とする。Ｓ含有量の下限は限定せず、０％でもよい。Ｓは、Ｃｕとともに含有させると、酸性環境での耐食性を向上させることから、Ｓ含有量は０．００１％以上であってもよい。上記の効果を得たい場合は、Ｓ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。
Ｓは、一般に不純物として含有され、熱間加工性および鋼材の機械特性を低下させるため、Ｓ含有量を０．０１５％以下とする。Ｓ含有量の下限は限定せず、０％でもよい。Ｓは、Ｃｕとともに含有させると、酸性環境での耐食性を向上させることから、Ｓ含有量は０．００１％以上であってもよい。上記の効果を得たい場合は、Ｓ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましい。
Ｏ：０．００３５％以下
Ｏは、一般に不純物として含有され、酸化物を生成する元素である。酸性環境において腐食の起点となる粗大な酸化物の生成を抑制するため、Ｏ含有量を０．００３５％以下とする。Ｏ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましく、０．００２５％以下であるのがより好ましい。Ｏ含有量の下限は限定せず、０％でもよいが、コストの観点からＯ含有量は０．０００５％以上であってもよい。
Ｏは、一般に不純物として含有され、酸化物を生成する元素である。酸性環境において腐食の起点となる粗大な酸化物の生成を抑制するため、Ｏ含有量を０．００３５％以下とする。Ｏ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましく、０．００２５％以下であるのがより好ましい。Ｏ含有量の下限は限定せず、０％でもよいが、コストの観点からＯ含有量は０．０００５％以上であってもよい。
以下に示す元素は任意添加元素であるため、下限値は０％でもよい。
Ｃｕ：０～０．４０％
Ｃｕは、アンモニウムイオンを含む環境では耐食性を劣化させる元素である。特に、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えるとアンモニウムイオンを含む環境において耐食性が著しく低下するため、０．４０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．３０％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。但し、ＣｕをＳとともに含有させることで酸性環境での耐食性を向上させることから、Ｃｕ含有量は０．０３％以上であることが好ましい。
Ｃｕは、アンモニウムイオンを含む環境では耐食性を劣化させる元素である。特に、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えるとアンモニウムイオンを含む環境において耐食性が著しく低下するため、０．４０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．３０％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。但し、ＣｕをＳとともに含有させることで酸性環境での耐食性を向上させることから、Ｃｕ含有量は０．０３％以上であることが好ましい。
Ｎｉ：０～０．４０％
Ｎｉは、Ｃｕと同様、アンモニウムイオンを含む環境では耐食性を劣化させる元素である。特に、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えるとアンモニウムイオンを含む環境において耐食性が著しく低下するため、０．４０％以下とする。Ｎｉ含有量は０．３０％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。但し、Ｎｉは酸性環境での耐食性を向上させる効果を有するため、Ｎｉ含有量は０．０３％以上であることが好ましい。
Ｎｉは、Ｃｕと同様、アンモニウムイオンを含む環境では耐食性を劣化させる元素である。特に、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えるとアンモニウムイオンを含む環境において耐食性が著しく低下するため、０．４０％以下とする。Ｎｉ含有量は０．３０％以下であるのが好ましく、０．２０％以下であるのがより好ましい。但し、Ｎｉは酸性環境での耐食性を向上させる効果を有するため、Ｎｉ含有量は０．０３％以上であることが好ましい。
Ｔｉ：０～０．１０％
Ｔｉは、Ｎｂと同様に窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．１０％を超える量のＴｉを含有させると、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化することがあるため、Ｔｉ含有量は０．１０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０５０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に窒化物を形成し、結晶粒の微細化および強度の向上に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．１０％を超える量のＴｉを含有させると、窒化物が粗大になり、機械特性が劣化することがあるため、Ｔｉ含有量は０．１０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０５０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｚｒ：０～０．１０％
Ｚｒは、Ｎｂ、Ｔｉと同様、窒化物を形成する元素であり、主に、析出強化による強度の改善に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒは高価な元素であり、また、過剰に含有させると、機械特性が劣化するため、Ｚｒ含有量は０．１０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０５０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｚｒ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。
Ｚｒは、Ｎｂ、Ｔｉと同様、窒化物を形成する元素であり、主に、析出強化による強度の改善に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｚｒは高価な元素であり、また、過剰に含有させると、機械特性が劣化するため、Ｚｒ含有量は０．１０％以下とする。Ｚｒ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましく、０．０５０％以下であるのがより好ましく、０．０４０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｚｒ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。
Ｖ：０～０．２０％
Ｖは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒと同様、窒化物を形成する元素であり、主に、析出強化による強度の改善に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、機械特性が劣化するため、Ｖ含有量は０．２０％以下とする。Ｖ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましく、０．０５０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｖ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。
Ｖは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒと同様、窒化物を形成する元素であり、主に、析出強化による強度の改善に寄与する元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、機械特性が劣化するため、Ｖ含有量は０．２０％以下とする。Ｖ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましく、０．０５０％以下であるのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｖ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。
Ｂ：０～０．００３０％
Ｂは、焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．００３０％を超える量のＢを含有させても、効果が飽和し、母材、ＨＡＺの靭性が低下するため、Ｂ含有量は０．００３０％以下とする。Ｂ含有量は０．００２０％以下であるのが好ましく、０．００１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量を０．０００３％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｂは、焼入性を向上させ、強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．００３０％を超える量のＢを含有させても、効果が飽和し、母材、ＨＡＺの靭性が低下するため、Ｂ含有量は０．００３０％以下とする。Ｂ含有量は０．００２０％以下であるのが好ましく、０．００１０％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｂ含有量を０．０００３％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましい。
Ｃａ：０～０．０１０％
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、また、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．０１０％を超える量のＣａを含有させると機械特性が損なわれるため、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃａ含有量は０．００００５％以上であるのが好ましく、０．０００１％以上であるのがより好ましく、０．０００１５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｃａは、主に硫化物の形態の制御に用いられる元素であり、また、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、０．０１０％を超える量のＣａを含有させると機械特性が損なわれるため、Ｃａ含有量は０．０１０％以下とする。Ｃａ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｃａ含有量は０．００００５％以上であるのが好ましく、０．０００１％以上であるのがより好ましく、０．０００１５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｍｇ：０～０．０１０％
Ｍｇは、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、製造コストの観点から、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｍｇは、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、製造コストの観点から、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とする。Ｍｇ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ＲＥＭ：０～０．０１０％
ＲＥＭ（希土類元素）は、主に脱酸に用いられる元素であり、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、製造コストの観点から、ＲＥＭ含有量は０．０１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ＲＥＭ（希土類元素）は、主に脱酸に用いられる元素であり、微細な酸化物を形成させるため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、製造コストの観点から、ＲＥＭ含有量は０．０１０％以下とする。ＲＥＭ含有量は０．００５％以下であるのが好ましく、０．００３％以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＲＥＭ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
ここで、ＲＥＭとは、ランタノイドの１５元素にＹおよびＳｃを合わせた１７元素の総称である。これらの１７元素のうちの１種以上を鋼材に含有することができ、ＲＥＭ含有量は、これらの元素の合計含有量を意味する。
本発明の鋼材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明においては、上述の化学組成を有することに加えて、以下に示す耐食性指数ＡＩおよびＥＩが所定の条件を満足する必要がある。
ＡＩ：０～２．５
第１の耐食性指数ＡＩは、下記（ｉ）式で表わされる値であり、Ｍｏ原子、Ｗ原子およびＮｉ原子の数の合計と、炭素原子の数との比である。鋼材表面で腐食起点となりやすい炭化物を抑制するため、ＡＩの値を適正な範囲にする必要がある。ＭｏおよびＷは、特に耐酸性の向上に有効であるものの、含有量が過剰であると腐食の起点となる炭化物を形成しやすく耐食性を大きく劣化させる原因となるため、耐酸性を顕著に向上させるには、耐食性指数ＡＩを２．５以下にする必要がある。ＡＩの値は、２．０以下であるのが好ましく、１．５以下であるのがより好ましい。下限値は０である。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
第１の耐食性指数ＡＩは、下記（ｉ）式で表わされる値であり、Ｍｏ原子、Ｗ原子およびＮｉ原子の数の合計と、炭素原子の数との比である。鋼材表面で腐食起点となりやすい炭化物を抑制するため、ＡＩの値を適正な範囲にする必要がある。ＭｏおよびＷは、特に耐酸性の向上に有効であるものの、含有量が過剰であると腐食の起点となる炭化物を形成しやすく耐食性を大きく劣化させる原因となるため、耐酸性を顕著に向上させるには、耐食性指数ＡＩを２．５以下にする必要がある。ＡＩの値は、２．０以下であるのが好ましく、１．５以下であるのがより好ましい。下限値は０である。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ：０～１５．０
第２の耐食性指数ＥＩは、下記（ii）式で表わされる値である。上述のように、ＣｕおよびＮｉによる耐食性の劣化を抑制するためには、ＣｕおよびＮｉの含有量に対して、Ｃｒを所定量含有させる必要があり、耐食性指数ＥＩを０以上とする必要がある。一方、ＣｕおよびＮｉを含有させずにＣｒを７．５％以上含有させると、母材の機械特性、製造性および加工性が低下するため、ＥＩは１５．０以下とする。下限値は０である。
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
第２の耐食性指数ＥＩは、下記（ii）式で表わされる値である。上述のように、ＣｕおよびＮｉによる耐食性の劣化を抑制するためには、ＣｕおよびＮｉの含有量に対して、Ｃｒを所定量含有させる必要があり、耐食性指数ＥＩを０以上とする必要がある。一方、ＣｕおよびＮｉを含有させずにＣｒを７．５％以上含有させると、母材の機械特性、製造性および加工性が低下するため、ＥＩは１５．０以下とする。下限値は０である。
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
（Ｂ）用途
本発明に係る鋼材の用途について、特に制限を設ける必要はないが、上述のように、アンモニウムイオンを含む環境で用いるのに好適である。具体的には、本発明に係る鋼材は、硫酸アンモニウムに晒される化学工場の設備等で使用される材料として好適である。
本発明に係る鋼材の用途について、特に制限を設ける必要はないが、上述のように、アンモニウムイオンを含む環境で用いるのに好適である。具体的には、本発明に係る鋼材は、硫酸アンモニウムに晒される化学工場の設備等で使用される材料として好適である。
より具体的には、本発明に係る鋼材は、（１）硫酸とアンモニアとの中和合成による医薬品、試薬等の製造工場の設備、（２）コークス炉ガスから副産硫酸アンモニウムを回収する工場の設備、（３）ナイロンの原料であるカプロラクタムの合成設備、（４）アクリルアミドの合成設備、（５）石炭ボイラーの排ガス設備、（６）粉末消火薬剤の再生設備（リン酸アンモニウムおよび硫酸アンモニウム使用）、（７）窒素酸化物の還元設備、（８）ウレタン生成設備、等の化学プラントで使用される材料として好適である。
（Ｃ）形状・寸法
本発明に係る鋼材の形状および寸法についても特に制限は設けない。鋼材には例えば、鋼板、形鋼、鋼管が含まれる。鋼板として用いる場合には、板厚が３ｍｍ以上であるのが好ましく、６ｍｍ以上であるのがより好ましい。また、鋼管として用いる場合にも同様に、肉厚が３ｍｍ以上であるのが好ましく、６ｍｍ以上であるのがより好ましい。
本発明に係る鋼材の形状および寸法についても特に制限は設けない。鋼材には例えば、鋼板、形鋼、鋼管が含まれる。鋼板として用いる場合には、板厚が３ｍｍ以上であるのが好ましく、６ｍｍ以上であるのがより好ましい。また、鋼管として用いる場合にも同様に、肉厚が３ｍｍ以上であるのが好ましく、６ｍｍ以上であるのがより好ましい。
（Ｄ）製造方法
本発明に係る鋼材の製造条件について特に制限はないが、例えば、以下に示す方法により、製造することができる。
本発明に係る鋼材の製造条件について特に制限はないが、例えば、以下に示す方法により、製造することができる。
鋼板を製造する場合は、まず、上述の化学組成を有する鋼を常法で溶製し、鋳造して鋼片とする。続いて得られた鋼片を熱間圧延し、さらに必要に応じて冷間圧延を施す。熱間圧延後は、そのまま水冷するか、または空冷した後、再加熱して焼入れてもよい。熱間圧延後は、コイル状に巻き取ってもよい。熱間圧延後、冷間圧延して、さらに熱処理を施してもよい。
鋼管を製造する場合は、上記の方法で得られた鋼板を管状に成形して溶接してもよく、ＵＯ鋼管、電縫鋼管、鍛接鋼管、スパイラル鋼管などにすることができる。または、鋼片に熱間押出または穿孔圧延を施してシームレス鋼管としてもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、鋼塊を１１５０℃で２時間加熱後、厚さが２０ｍｍとなるように熱間圧延し、その後、空冷して鋼板を製造した。
得られた鋼板から長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を板幅中央部、板厚１／４ｔ部から採取し、湿式＃６００研磨で仕上げ、耐食性評価用の試験片とした。耐食性の評価は硫酸アンモニウム浸漬試験によって行った。硫酸アンモニウム水溶液の濃度を１モル、液温を８０℃に加熱して１週間浸漬させた後、腐食減量を測定した。そして、上記の腐食減量を指標として、耐食性を評価した。比液量は２０ｍＬ／ｃｍ２とした。
耐食性の評価においては、比較例の試験Ｎｏ．２７を基準として、腐食減量が５０％以下に低下したものを◎、５０％超７０％以下に低下したものを○、７０％超であるものを×とした。結果を表２に示す。
表２から明らかなように、本発明で規定される化学組成を満たす試験Ｎｏ．１～２６の鋼材は、良好な耐食性を有していることがわかる。これに対して、本発明の規定から外れる比較例の試験Ｎｏ．２８～３３の鋼材は、耐食性が劣る結果となった。
本発明によれば、化学プラントなどの硫酸アンモニウム混入液等のアンモニウムイオンを含む腐食環境において優れた耐食性を発現する鋼材を得ることが可能になる。
Claims (5)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０１～０．１５％、
Ｓｉ：０．０５～０．４０％、
Ｍｎ：０．５０～２．００％、
Ａｌ：０．００１～０．１００％、
Ｎ：０．００２０～０．１０％（但し、０．０１３０％以上を除く。）、
Ｃｒ：０．１０～９．０％（但し、０．３０％以下を除く。）、
Ｎｂ：０．００１～０．１０％、
Ｍｏ：０．２０％以下、
Ｗ：０．２０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２０％以上０．０１５％以下、
Ｏ：０．００３５％以下、
Ｃｕ：０～０．４０％、
Ｎｉ：０～０．４０％、
Ｔｉ：０～０．１０％、
Ｚｒ：０～０．１０％、
Ｖ：０～０．２０％、
Ｂ：０～０．００３０％、
Ｃａ：０～０．０１０％、
Ｍｇ：０～０．０１０％、
ＲＥＭ：０～０．０１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式で表わされるＡＩの値が０～２．５（但し、０を除く。）であり、かつ下記（ii）式で表わされるＥＩの値が０～１５．０（但し、０．０を除く。）である、
鋼材。
ＡＩ＝｛（Ｍｏ／９６）＋（Ｗ／１８４）＋（Ｎｉ／５９）｝／（Ｃ／１２） ・・・（ｉ）
ＥＩ＝２×Ｃｒ－（２×Ｃｕ＋５×Ｎｉ） ・・・（ii）
但し、式中の元素記号は各元素の含有量（質量％）を表し、含有しない場合は０とする。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｃｕ：０．０３～０．４０％、および、
Ｎｉ：０．０３～０．４０％、
から選択される１種または２種を含有する、
請求項１に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｔｉ：０．００１～０．１０％、
Ｚｒ：０．００５～０．１０％、および、
Ｖ：０．００５～０．２０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１または請求項２に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．０００３～０．００３０％、
を含有する、
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量％で、
Ｃａ：０．００００５～０．０１０％、
Ｍｇ：０．０００１～０．０１０％、および、
ＲＥＭ：０．０００１～０．０１０％、
から選択される１種以上を含有する、
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の鋼材。
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