JP7428953B1 - マルテンサイト系ステンレス鋼材 - Google Patents
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Abstract
Description
質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0050%以下、
Cr:11.00~14.00%、
Ni:4.00~7.50%、
Mo:1.50~4.50%、
Co:0.01~0.50%、
Ti:0.05~0.30%、
V:0.01~1.00%、
Ca:0.0005~0.0050%、
Mg:0.0005~0.0050%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、
O:0.0500%以下、
Cu:0~3.50%、
Nb:0~0.50%、
Zr:0~0.050%、
W:0~2.00%、
B:0~0.0050%、
希土類元素:0~0.0050%、及び、
残部:Fe及び不純物からなり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量の範囲内において、前記元素の含有量が、式(1)を満たし、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中において、
円相当径が2.0μm以上のCa酸化物と、円相当径が2.0μm以上のCa硫化物と、円相当径が2.0μm以上のMg酸化物とに対する、前記円相当径が2.0μm以上のMg酸化物の個数比率が45.0%以上である。
0.0010≦Ca+Mg≦0.0050 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
0.0010≦Ca+Mg≦0.0050 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
マルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0050%以下、
Cr:11.00~14.00%、
Ni:4.00~7.50%、
Mo:1.50~4.50%、
Co:0.01~0.50%、
Ti:0.05~0.30%、
V:0.01~1.00%、
Ca:0.0005~0.0050%、
Mg:0.0005~0.0050%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、
O:0.0500%以下、
Cu:0~3.50%、
Nb:0~0.50%、
Zr:0~0.050%、
W:0~2.00%、
B:0~0.0050%、
希土類元素:0~0.0050%、及び、
残部:Fe及び不純物からなり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量の範囲内において、前記元素の含有量が、式(1)を満たし、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中において、
円相当径が2.0μm以上のCa酸化物と、円相当径が2.0μm以上のCa硫化物と、円相当径が2.0μm以上のMg酸化物とに対する、前記円相当径が2.0μm以上のMg酸化物の個数比率が45.0%以上である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
0.0010≦Ca+Mg≦0.0050 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
[1]に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
Cu:0.01~3.50%、
Nb:0.01~0.50%、
Zr:0.001~0.050%、
W:0.01~2.00%、
B:0.0001~0.0050%、及び、
希土類元素:0.0001~0.0050%からなる群から選択される1元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
[1]又は[2]に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量の範囲内において、前記元素の含有量が、式(2)を満たし、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中において、
前記円相当径が2.0μm以上のCa酸化物と、前記円相当径が2.0μm以上のCa硫化物と、前記円相当径が2.0μm以上のMg酸化物との総個数密度が1000個/cm2以上である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
Ca/S≧0.80 (2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、次の元素を含有する。
炭素(C)は不可避に含有される。つまり、C含有量の下限は0%超である。Cは、鋼材の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。一方、C含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎる。その結果、鋼材の耐食性が低下する。したがって、C含有量は0.030%以下である。C含有量の好ましい上限は0.028%であり、さらに好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.018%である。C含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、C含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、C含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。
ケイ素(Si)は不可避に含有される。つまり、Si含有量の下限は0%超である。Siは、鋼を脱酸する。一方、Si含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は1.00%以下である。上記効果を有効に得るためのSi含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%である。Si含有量の好ましい上限は0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.45%である。
マンガン(Mn)は不可避に含有される。つまり、Mn含有量の下限は0%超である。Mnは、鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材の強度を高める。一方、Mn含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Mn含有量は1.00%以下である。上記効果を有効に得るためのMn含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%である。Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%である。
燐(P)は不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量の下限は0%超である。P含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Pが結晶粒界に偏析して、鋼材の耐食性が低下する。したがって、P含有量は0.030%以下である。P含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.018%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。つまり、S含有量の下限は0%超である。S含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Sが結晶粒界に偏析して、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.0050%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0005%である。
クロム(Cr)は鋼材の表面に不働態皮膜を形成して、鋼材の耐食性を高める。Cr含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、フェライトが組織中に含まれ、十分な強度が確保し難くなる場合がある。したがって、Cr含有量は11.00~14.00%である。Cr含有量の好ましい下限は11.20%であり、さらに好ましくは11.40%であり、さらに好ましくは11.60%であり、さらに好ましくは11.80%であり、さらに好ましくは12.00%である。Cr含有量の好ましい上限は13.80%であり、さらに好ましくは13.60%であり、さらに好ましくは13.50%である。
ニッケル(Ni)は鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Niはさらに、鋼材の熱間加工性を高める。Ni含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐食性が低下する場合がある。したがって、Ni含有量は4.00~7.50%である。Ni含有量の好ましい下限は4.20%であり、さらに好ましくは4.50%であり、さらに好ましくは5.00%であり、さらに好ましくは5.20%であり、さらに好ましくは5.30%であり、さらに好ましくは5.50%である。Ni含有量の好ましい上限は7.40%であり、さらに好ましくは7.20%であり、さらに好ましくは7.00%であり、さらに好ましくは6.50%である。
モリブデン(Mo)は不働態皮膜を安定化して、鋼材の耐食性を高める。Mo含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトが安定化しにくくなる。その結果、焼戻し後のミクロ組織中にフェライトが多く含まれ、鋼材の耐食性が低下する場合がある。したがって、Mo含有量は1.50~4.50%である。Mo含有量の好ましい下限は1.80%であり、さらに好ましくは2.00%であり、さらに好ましくは2.30%である。Mo含有量の好ましい上限は4.30%であり、さらに好ましくは4.00%であり、さらに好ましくは3.80%である。
コバルト(Co)は不働態皮膜を安定化して、鋼材の耐食性を高める。Coはさらに、鋼材の焼入性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Co含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Co含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。したがって、Co含有量は0.01~0.50%である。Co含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Co含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%である。
チタン(Ti)はC及び/又はNと結合して炭化物又は窒化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度を高める。Ti含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ti含有量は0.05~0.30%である。Ti含有量の好ましい下限は0.06%であり、さらに好ましくは0.08%である。Ti含有量の好ましい上限は0.25%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.18%である。
バナジウム(V)は鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。V含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、V含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の耐食性が低下する。したがって、V含有量は0.01~1.00%である。V含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.04%である。V含有量の好ましい上限は0.80%であり、さらに好ましくは0.60%である。
カルシウム(Ca)は鋼材中のSを硫化物として固定することで無害化し、鋼材の熱間加工性を高める。Ca含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ca含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に粗大なCa酸化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Ca含有量は0.0005~0.0050%である。Ca含有量の好ましい下限は0.0006%であり、さらに好ましくは0.0008%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%である。
マグネシウム(Mg)は鋼材中のOを酸化物として固定することで無害化し、鋼材の耐食性を高める。Mg含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mg含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中に粗大なMg酸化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Mg含有量は0.0005~0.0050%である。Mg含有量の好ましい下限は0.0006%であり、さらに好ましくは0.0007%であり、さらに好ましくは0.0008%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物が生成して、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Al含有量は0.001~0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.015%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.055%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%である。本明細書でいうAl含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は不可避に含有される。つまり、N含有量の下限は0%超である。NはTiと結合して微細なTi窒化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度を高める。一方、N含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、N含有量は0.0500%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0450%であり、さらに好ましくは0.0400%であり、さらに好ましくは0.0350%であり、さらに好ましくは0.0300%である。上記効果をより有効に得るためのN含有量の好ましい下限は0.0015%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0040%である。
酸素(O)は、不可避に含有される不純物である。つまり、O含有量の下限は0%超である。Oは酸化物を形成して、鋼材の耐食性を低下させる。そのため、O含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐食性が顕著に低下する。したがって、O含有量は0.0500%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0400%であり、さらに好ましくは0.0300%であり、さらに好ましくは0.0200%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、O含有量の極端な低減は、製造コストを高める。したがって、工業生産を考慮すれば、O含有量の好ましい下限は0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0015%である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材はさらに、Feの一部に代えて、Cu、Nb、及び、Zrからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、鋼材の強度を高める。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Cu含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0~3.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cu含有量の好ましい上限は3.30%であり、さらに好ましくは3.10%であり、さらに好ましくは2.90%であり、さらに好ましくは2.70%である。なお、後述のとおり、Cu含有量の下限は0.50%であってもよい。この場合、Cu含有量のさらに好ましい下限は0.60%であり、さらに好ましくは0.65%であり、さらに好ましくは0.70%である。また、後述のとおり、Cu含有量の上限は0.50%未満であってもよい。この場合、Cu含有量のさらに好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.43%であり、さらに好ましくは0.40%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、NbはC及び/又はNと結合して炭化物及び/又は炭窒化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度を高める。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Nb含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物及び/又は炭窒化物が過剰に形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Nb含有量は0~0.50%である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Nb含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.10%である。
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Zr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Zrは炭化物及び/又は炭窒化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度を高める。Zrが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Zr含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、炭化物及び/又は炭窒化物が過剰に形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、Zr含有量は0~0.050%である。Zr含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。Zr含有量の好ましい上限は0.045%であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.030%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.010%である。
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、W含有量は0%であってもよい。含有される場合、Wは不働態皮膜を安定化して、鋼材の耐食性を高める。Wが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、W含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な炭化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する場合がある。したがって、W含有量は0~2.00%である。W含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。W含有量の好ましい上限は1.70%であり、さらに好ましくは1.50%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.40%である。
ホウ素(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、B含有量は0%であってもよい。含有される場合、Bは結晶粒界を強化して、鋼材の熱間加工性を高める。Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、B含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Cr炭硼化物が生成して、鋼材の耐食性が低下する。したがって、B含有量は0~0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。B含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%である。
希土類元素(REM)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、REM含有量は0%であってもよい。含有される場合、REMは介在物の形態を制御して、鋼材の熱間加工性を高める。REMが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、REM含有量が高すぎれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物が形成され、鋼材の耐食性が低下する。したがって、REM含有量は0~0.0050%である。REM含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。REM含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%であり、さらに好ましくは0.0025%である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有することを前提に、次の式(1)を満たす。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、本実施形態の他の構成を満たすことを条件に、高強度と、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性とを有する。
0.0010≦Ca+Mg≦0.0050 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有した上で、式(1)を満たし、さらに、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率を45.0%以上とする。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、862MPa以上の降伏強度を有していても、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性を有する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有した上で、式(1)を満たし、さらに、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率が45.0%以上である。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、862MPa以上の降伏強度と、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性とを有する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有した上で、式(1)を満たし、862MPa以上の降伏強度を有し、さらに、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率を45.0%以上とする。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性を有する。本実施形態において、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性を有するとは、以下に記載の150℃における腐食速度試験において、腐食速度が0.100mm/年以下であり、かつ、孔食が確認されないことを意味する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織は、マルテンサイトを主体とする。本明細書において「マルテンサイトを主体とする」とは、ミクロ組織が、体積率で、0~5%の残留オーステナイト、0~5%のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなることを意味する。本明細書において、「残留オーステナイト、フェライト、及び、マルテンサイトからなる」とは、残留オーステナイト、フェライト、及び、マルテンサイト以外の相が無視できるほど少ないことを意味する。たとえば、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の化学組成においては、析出物や介在物の体積率は、残留オーステナイト、フェライト、及び、マルテンサイトの体積率と比較して、無視できるほど小さい。すなわち、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材のミクロ組織には、残留オーステナイト、フェライト、及び、マルテンサイト以外に、析出物や介在物等を微小量含んでもよい。
鋼材のミクロ組織中の残留オーステナイトの体積率を、X線回折法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、残留オーステナイトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、R/2位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。試験片の大きさは特に限定されない。試験片はたとえば、15mm×15mm×厚さ2mmである。鋼材が鋼管の場合、試験片の厚さ方向は、管径方向である。鋼材が丸鋼の場合、試験片の厚さ方向は、径方向である。鋼材が鋼板の場合、試験片の厚さ方向は、板厚方向である。作製した試験片を用いて、α相(マルテンサイト)の(110)面、α相の(200)面、α相の(211)面、γ相(残留オーステナイト)の(111)面、γ相の(200)面、及び、γ相の(220)面の各々のX線回折強度を測定し、各面の積分強度を算出する。
Vγ=100/{1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)} (I)
ここで、Iαはα相の積分強度である。Rαはα相の結晶学的理論計算値である。Iγはγ相の積分強度である。Rγはγ相の結晶学的理論計算値である。各面でのRα及びRγの値は、株式会社リガク製、商品名RINT-TTRに付属の残留γ定量解析システムに組み込まれた値を使用することができる。なお、残留オーステナイトの体積率は、得られた数値の小数第一位を四捨五入する。
鋼材のミクロ組織中のフェライトの体積率を、点算法により求める。具体的には、本実施形態による鋼材から、フェライトの体積率測定用の試験片を作製する。鋼材が鋼管の場合、肉厚中央位置から試験片を採取する。鋼材が丸鋼の場合、R/2位置から試験片を採取する。鋼材が鋼板の場合、板厚中央位置から試験片を採取する。なお、試験片の大きさは特に限定されない。また、鋼材が鋼管の場合、試験片の観察面は、鋼管の管軸方向と平行な面とする。鋼材が丸鋼の場合、試験片の観察面は、丸鋼の軸方向と平行な面とする。鋼材が鋼板の場合、試験片の観察面は、鋼板の圧延方向と平行な面とする。観察面を機械研磨した後、観察面を電解エッチングして組織現出を行う。電解エッチングは、電解液:30%水酸化ナトリウム水溶液、電流密度:1A/cm2、電解時間:1分間として実施する。
マルテンサイトの体積率(%)=100.0-{残留オーステナイトの体積率(%)+フェライトの体積率(%)}
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、以下に説明する構成を有していてもよい。つまり、以下に説明する構成は、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材において、任意の構成である。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有し、上述の式(1)を満たし、862MPa以上の降伏強度を有し、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率が45.0%以上を満たすことを前提に、特定介在物の総個数密度が1000個/cm2以上であってもよい。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が、特定介在物の総個数密度1000個/cm2以上を満たす場合、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、高強度、及び、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性に加えて、優れた熱間加工性も有する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有し、上述の式(1)を満たし、862MPa以上の降伏強度を有し、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率が45.0%以上を満たすことを前提に、次の式(2)を満たしてもよい。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が、式(2)を満たす場合、特定介在物の総個数密度を、安定して1000個/cm2以上に高めることができる。
Ca/S≧0.80 (2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
好ましくは、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上述の化学組成を有した上で、式(1)及び(2)を満たし、862MPa以上の降伏強度を有し、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率を45.0%以上とし、さらに、特定介在物の総個数密度を1000個/cm2以上とする。その結果、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、高強度と、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性とだけでなく、優れた熱間加工性も有する。本実施形態において、優れた熱間加工性を有するとは、以下に記載の熱間加工性試験によって得られる絞り値Raが70%以上であることを意味する。
上述のとおり、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の形状は特に限定されない。具体的に、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、鋼管であってもよく、丸鋼(中実材)であってもよく、鋼板であってもよい。また、鋼管は継目無鋼管であってもよく、溶接鋼管であってもよい。本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材は、たとえば、CCUSの貯留技術用途に適する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法は、以下の説明に限定されない。つまり、上述の構成を有する本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材が製造できれば、以下に説明する製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼材を製造する好適な製造方法である。
製鋼工程では、溶鋼を製造する工程(精錬工程)と、溶鋼を用いて鋳造法により素材を製造する工程(素材製造工程)とを含む。
精錬工程では初めに、Crを含有する溶鋼を取鍋に収納して、取鍋内の溶鋼に対して、大気圧下で脱炭処理を実施する(粗脱炭精錬工程)。粗脱炭精錬工程での脱炭処理により、スラグが生成する。粗脱炭精錬工程後の溶鋼の液面には、脱炭処理により生成したスラグが浮上している。粗脱炭精錬工程において、溶鋼中のCrが酸化してCr2O3が生成する。Cr2O3はスラグ中に吸収される。そこで、取鍋に脱酸剤を添加して、スラグ中のCr2O3を還元し、Crを溶鋼中に回収する(Cr還元処理工程)。粗脱炭精錬工程及びCr還元処理工程はたとえば、電気炉法、転炉法、又は、AOD(Argon Oxygen Decarburization)法により実施する。Cr還元処理工程後、溶鋼からスラグを除滓する(除滓処理工程)。
τ=800×ε-0.4 (A)
ここで、εはLTにおける溶鋼の撹拌動力密度であり、式(B)により定義される。
ε=28.5(Q/W)×T×log(1+H/1.48) (B)
ここで、Qは上吹きガス流量(Nm3/min)である。Wは溶鋼質量(t)である。Tは溶鋼温度(K)である。Hは取鍋内の溶鋼の深さ(鋼浴深さ)(m)である。
tA/tB>1.0 (C)
上述の精錬工程により製造された溶鋼を用いて、素材(鋳片又はインゴット)を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。鋳片はスラブでもよいし、ブルームでもよいし、ビレットでもよい。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットとしてもよい。鋳片又はインゴットに対してさらに、分塊圧延等を実施して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により、素材を製造する。以下、熱間加工工程について詳述する。
熱間加工工程では、素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が継目無鋼管の場合、中間鋼材は素管に相当する。鋼材が継目無鋼管の場合、初めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、1100~1300℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管(継目無鋼管)を製造する。熱間加工の方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。
熱処理工程は、焼入れ工程及び焼戻し工程を含む。
熱処理工程では、初めに、熱間加工工程で製造された中間鋼材に対して、焼入れを実施する(焼入れ工程)。焼入れは周知の方法で実施する。具体的には、熱間加工工程後の中間鋼材を熱処理炉に装入し、焼入れ温度で保持する。焼入れ温度はA3点以上であり、たとえば、900~1000℃である。中間鋼材を焼入れ温度で保持した後、急冷(焼入れ)する。焼入れ温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、10~60分である。焼入れ方法はたとえば、水冷である。焼入れ方法は特に制限されない。中間鋼材が素管の場合、たとえば、水槽又は油槽に浸漬して素管を急冷してもよいし、シャワー冷却又はミスト冷却により、素管の外面及び/又は内面に対して冷却水を注いだり、噴射したりして、素管を急冷してもよい。
焼入れ後の中間鋼材に対してさらに、焼戻し工程を実施する。焼戻し工程では、鋼材の降伏強度を調整する。本実施形態では、焼戻し温度を540~620℃とする。焼戻し温度での保持時間(焼戻し時間)は特に限定されないが、たとえば、10~180分である。ここで、焼戻し温度とは、焼戻しが実施される熱処理炉の温度を意味する。また、焼戻し時間とは、中間鋼材が焼戻し温度で保持される時間を意味する。なお、化学組成に応じて焼戻し温度を適宜調整することにより、鋼材の降伏強度を調整することができることは当業者に周知である。すなわち、本実施形態では、鋼材の降伏強度が862MPa以上となるように焼戻し条件を調整する。
製造された各試験番号の鋼板に対して、引張試験、特定介在物個数測定試験、熱間加工性試験、及び、耐食性試験を実施した。
各試験番号の鋼板に対して、ASTM E8/E8M(2021)に準拠して、引張試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、平行部の直径を8.9mm、標点距離を35.6mmとする丸棒引張試験片を作製した。丸棒引張試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向と平行であった。各試験番号の丸棒引張試験片を用いて、常温(24±3℃)、大気中にて引張試験を実施して、0.2%オフセット耐力(MPa)を求めた。求めた0.2%オフセット耐力を降伏強度(MPa)と定義した。得られた各試験番号の降伏強度を、表3の「YS(MPa)」欄に示す。
各試験番号の鋼板について、上述の方法で、円相当径が2.0μm以上のCa酸化物(粗大Ca酸化物)と、円相当径が2.0μm以上のCa硫化物(粗大Ca硫化物)の総個数密度(個/cm2)と、円相当径が2.0μm以上のMg酸化物(粗大Mg酸化物)の個数密度(個/cm2)とを求めた。得られた各試験番号の粗大Ca酸化物と粗大Ca硫化物との総個数密度を、表3の「Ca(O,S)(個/cm2)」欄に示す。さらに、得られた各試験番号の粗大Mg酸化物の個数密度を、表3の「MgO(個/cm2)」欄に示す。さらに、各試験番号の粗大Ca酸化物と、粗大Ca硫化物と、粗大Mg酸化物との総個数密度を、表3の「特定介在物(個/cm2)」欄に示す。さらに、各試験番号における特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率を、表3の「MgO比率(%)」欄に示す。
各試験番号のブロックに対して、上述の方法で熱間加工性試験(グリーブル試験)を実施した。なお、上述のとおり、各試験番号のブロックとは、各試験番号の溶鋼から製造されたインゴットに対して熱間鍛造を実施することで得られたブロックを意味する。各試験番号のブロックから、丸棒試験片を作製した。具体的に、各試験番号のブロックについて、熱間圧延が実施される方向(製造された鋼板の圧延方向に相当する)を特定した。さらに、各試験番号のブロックの表面のうち、熱間圧延を実施した面(鋼板の板厚方向に垂直な面)を特定した。各試験番号のブロックのうち、熱間圧延を実施した方向(鋼板の圧延方向)に垂直な断面において、2本の対角線の交点と、熱間圧延を実施した面との中央位置から、丸棒試験片を作製した。
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で耐食性試験(腐食速度試験)を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、長さ30mm、幅20mm、厚さ2mmの試験片を作製した。なお、試験片の長手方向は、圧延方向と平行とした。各試験番号の試験片を、オートクレーブ内で5.0質量%塩化ナトリウム水溶液に浸漬した。オートクレーブ内に、全圧:130bar、SO2濃度:10ppm、NO2濃度:10ppmとする混合ガス(SO2、NO2、及び、CO2)を加圧封入した。オートクレーブ内の温度を150℃に維持して、96時間の腐食速度試験を実施した。
表1-1、表1-2、表2及び表3を参照して、試験番号1~19の鋼板は、化学組成が適切であり、Fn1が0.0010~0.0050であった。これらの鋼板はさらに、862MPa以上の降伏強度を有していた。これらの鋼板はさらに、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率が45.0%以上であった。その結果、これらの鋼板は、耐食性試験において、SOxやNOxが混入した腐食環境における優れた耐食性を有していた。なお、これらの鋼板は、これらの評価結果から、体積率で、0~5%の残留オーステナイト、0~5%のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織を有すると判断された。
製造された各試験番号の鋼板に対して、引張試験、特定介在物個数測定試験、熱間加工性試験、及び、耐食性試験を実施した。
各試験番号の鋼板に対して、ASTM E8/E8M(2021)に準拠して、引張試験を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、平行部の直径を8.9mm、標点距離を35.6mmとする丸棒引張試験片を作製した。丸棒引張試験片の長手方向は、鋼板の圧延方向と平行であった。各試験番号の丸棒引張試験片を用いて、常温(24±3℃)、大気中にて引張試験を実施して、0.2%オフセット耐力(MPa)を求めた。求めた0.2%オフセット耐力を降伏強度(MPa)と定義した。得られた各試験番号の降伏強度を、表6の「YS(MPa)」欄に示す。
各試験番号の鋼板について、上述の方法で、円相当径が2.0μm以上のCa酸化物(粗大Ca酸化物)と、円相当径が2.0μm以上のCa硫化物(粗大Ca硫化物)の総個数密度(個/cm2)と、円相当径が2.0μm以上のMg酸化物(粗大Mg酸化物)の個数密度(個/cm2)とを求めた。得られた各試験番号の粗大Ca酸化物と粗大Ca硫化物との総個数密度を、表6の「Ca(O,S)(個/cm2)」欄に示す。さらに、得られた各試験番号の粗大Mg酸化物の個数密度を、表6の「MgO(個/cm2)」欄に示す。さらに、各試験番号の粗大Ca酸化物と、粗大Ca硫化物と、粗大Mg酸化物との総個数密度を、表6の「特定介在物(個/cm2)」欄に示す。さらに、各試験番号における特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率を、表6の「MgO比率(%)」欄に示す。
各試験番号のブロックに対して、上述の方法で熱間加工性試験(グリーブル試験)を実施した。なお、上述のとおり、各試験番号のブロックとは、各試験番号の溶鋼から製造されたインゴットに対して熱間鍛造を実施することで得られたブロックを意味する。各試験番号のブロックから、丸棒試験片を作製した。具体的に、各試験番号のブロックについて、熱間圧延が実施される方向(製造された鋼板の圧延方向に相当する)を特定した。さらに、各試験番号のブロックの表面のうち、熱間圧延を実施した面(鋼板の板厚方向に垂直な面)を特定した。各試験番号のブロックのうち、熱間圧延を実施した方向(鋼板の圧延方向)に垂直な断面において、2本の対角線の交点と、熱間圧延を実施した面との中央位置から、丸棒試験片を作製した。
各試験番号の鋼板に対して、上述の方法で耐食性試験(腐食速度試験)を実施した。具体的には、各試験番号の鋼板の板厚中央位置から、長さ30mm、幅20mm、厚さ2mmの試験片を作製した。なお、試験片の長手方向は、圧延方向と平行とした。各試験番号の試験片を、オートクレーブ内で5.0質量%塩化ナトリウム水溶液に浸漬した。オートクレーブ内に、全圧:130bar、SO2濃度:10ppm、NO2濃度:10ppmとする混合ガス(SO2、NO2、及び、CO2)を加圧封入した。オートクレーブ内の温度を175℃に維持して、96時間の腐食速度試験を実施した。
表4-1、表4-2、表5及び表6を参照して、試験番号28~45の鋼板は、化学組成が適切であり、Fn1が0.0010~0.0050であった。これらの鋼板はさらに、862MPa以上の降伏強度を有していた。これらの鋼板はさらに、特定介在物に対する粗大Mg酸化物の個数比率が45.0%以上であった。その結果、これらの鋼板は、耐食性試験において、SOxやNOxが混入した腐食環境におけるさらに優れた耐食性を有していた。なお、これらの鋼板は、これらの評価結果から、体積率で、0~5%の残留オーステナイト、0~5%のフェライト、及び、残部がマルテンサイトからなるミクロ組織を有すると判断された。
Claims (3)
- マルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0050%以下、
Cr:11.00~14.00%、
Ni:4.00~7.50%、
Mo:1.50~4.50%、
Co:0.01~0.50%、
Ti:0.05~0.30%、
V:0.01~1.00%、
Ca:0.0005~0.0050%、
Mg:0.0005~0.0050%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、
O:0.0500%以下、
Cu:0~3.50%、
Nb:0~0.50%、
Zr:0~0.050%、
W:0~2.00%、
B:0~0.0050%、
希土類元素:0~0.0050%、及び、
残部:Fe及び不純物からなり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量の範囲内において、前記元素の含有量が、式(1)を満たし、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中において、
円相当径が2.0μm以上のCa酸化物と、円相当径が2.0μm以上のCa硫化物と、円相当径が2.0μm以上のMg酸化物とに対する、前記円相当径が2.0μm以上のMg酸化物の個数比率が45.0%以上である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
0.0010≦Ca+Mg≦0.0050 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。 - 請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
Cu:0.01~3.50%、
Nb:0.01~0.50%、
Zr:0.001~0.050%、
W:0.01~2.00%、
B:0.0001~0.0050%、及び、
希土類元素:0.0001~0.0050%からなる群から選択される1元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材であって、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材の元素の含有量の範囲内において、前記元素の含有量が、式(2)を満たし、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼材中において、
前記円相当径が2.0μm以上のCa酸化物と、前記円相当径が2.0μm以上のCa硫化物と、前記円相当径が2.0μm以上のMg酸化物との総個数密度が1000個/cm2以上である、
マルテンサイト系ステンレス鋼材。
Ca/S≧0.80 (2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量が質量%で代入される。
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