JP7486339B2 - ステンレス鋼、シームレスステンレス鋼管、及びステンレス鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ステンレス鋼、シームレスステンレス鋼管、及びステンレス鋼の製造方法に関する。特に、フューエルレールに好適に用いられるシームレスステンレス鋼管及びそのシームレスステンレス鋼管の素材として好適なステンレス鋼、並びに、このステンレス鋼の製造方法に関する。
エンジンの燃焼室内に高圧の燃料を供給するフューエルインジェクタ（燃料噴射装置）へ燃料を分配するための部品として、フューエルレールがある。このフューエルレールのうち、特に直噴内燃機関用フューエルレールは、一般に、ステンレス鋼管とインジェクタカップとをＣｕろう付けして製造される。
近年、このフューエルレールに対しては、品質の安定性の向上、及び処理条件の緩和を目的として、ろう付けによる密着性の向上が求められている。
近年、このフューエルレールに対しては、品質の安定性の向上、及び処理条件の緩和を目的として、ろう付けによる密着性の向上が求められている。
また、近年、エンジンの燃焼効率の向上のために、燃料の高圧化が検討されており、それに伴って、フューエルレールに使用されるステンレス鋼管に対しても、強度の向上が求められている。材料板厚を上げることによって耐圧強度を確保する方法も選択肢としてはあるが、板厚を上げることによるフューエルレールのコスト増、重量増および大型化などの課題が生じるので、材料板厚を上げて耐圧強度を確保する以外の方法として、材料自体を高強度化する方法が要望されている。
このような課題に対し、例えば、特許文献１には、インジェクタカップがステンレス鋼製パイプに銅ろう付けされてなる、直噴内燃機関用フューエルレールが開示されている。また、特許文献１では、オーステナイト系ステンレス鋼の０．２％耐力が４００ＭＰａ以上であって、Ｓｉ濃度（Ｓｉ％）とＣ濃度（Ｃ％）とが、所定の関係式を満たす場合に、オーステナイト系ステンレス鋼の銅ろう付け性が特に良好であると開示されている。
特許文献１では、ろう付け性がＳｉＯ２の生成により支配されるので、Ｓｉと、Ｓｉの拡散に影響を及ぼすＣと、の関係式を満足させることで、ろう付け性を向上させると記載されている。しかしながら、本発明者らの検討の結果、ろう付け性には、Ｓｉよりも酸化物生成自由エネルギが低いＡｌ等の元素、Ｓｉよりは酸化物生成自由エネルギは高いものの含有量が数十倍あるＣｒ、その他のＣｕ、Ｎｉ等の元素、表面粗さ等が影響し、特許文献１の技術では、必ずしも十分なろう付け性が得られないことが分かった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされた。本発明は、Ｃｕろう付けを行った際の密着性（以下ろう付け密着性という場合がある）が高い高強度シームレスステンレス鋼管及びそのシームレスステンレス鋼管の素材として好適なステンレス鋼、並びに、このステンレス鋼の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、ステンレス鋼（例えばステンレス鋼管）にＣｕろう付けを行った際の密着性について、Ｃｕろうと、ろう付けされるステンレス鋼の組成に着目して検討を行った。
その結果、Ｃｕろうと同じ元素であるＣｕ及び、Ｃｕと全率固溶するＮｉは、Ｃｕとの親和性が高く、これらの元素の含有量を高めることで、ろう付け密着性が向上することを見出した。
また、本発明者らがさらに検討を行った結果、ろう付けされるステンレス鋼の表面にＣｒの酸化物皮膜が形成されていたり、このＣｒ酸化物皮膜を除去するために、酸洗等が行われて表面粗さが粗くなると、ろう付け密着性が劣化することが分かった。
また、ステンレス鋼の高強度化に対しては、Ｎ含有量を高めることが有効であることも分かった。
その結果、Ｃｕろうと同じ元素であるＣｕ及び、Ｃｕと全率固溶するＮｉは、Ｃｕとの親和性が高く、これらの元素の含有量を高めることで、ろう付け密着性が向上することを見出した。
また、本発明者らがさらに検討を行った結果、ろう付けされるステンレス鋼の表面にＣｒの酸化物皮膜が形成されていたり、このＣｒ酸化物皮膜を除去するために、酸洗等が行われて表面粗さが粗くなると、ろう付け密着性が劣化することが分かった。
また、ステンレス鋼の高強度化に対しては、Ｎ含有量を高めることが有効であることも分かった。
本発明は、上記の知見に基づいてなされ、その要旨は以下のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．８０～３．００％、Ｃｒ：１８．７～２５．０％、Ｎｉ：７．０～２０．０％、Ｃｕ：０．１０～１．００％、Ｎ：０．１５～０．３５％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、質量％での、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］、Ｃｕ含有量を［Ｃｕ］としたとき、以下の式（１）を満足し、表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、
０．２％耐力が４１０ＭＰａ以上である、ステンレス鋼。
［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］≧７．５ 式（１）
［２］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、Ｎｂ：０．１５％以下、を含有し、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上である、［１］に記載のステンレス鋼。
［３］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、Ａｌ：０．１００％以下、を含有する、［１］または［２］に記載のステンレス鋼。
［４］前記化学組成が、前記不純物としてＴｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄを合計含有量で、質量％で、０．０２０％以下含む、［１］～［３］のいずれかに記載のステンレス鋼。
［５］［１］～［４］のいずれかに記載のステンレス鋼からなる、シームレスステンレス鋼管。
［６］［１］に記載のステンレス鋼の製造方法であって、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．８０～３．００％、Ｃｒ：１８．７～２５．０％、Ｎｉ：７．０～２０．０％、Ｃｕ：０．１０～１．００％、Ｎ：０．１５～０．３５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するステンレス鋼に、１０５０～１１５０℃かつ、９０％以上の水素及び０～１０％の窒素を含む雰囲気で熱処理する、ステンレス鋼の製造方法。
［７］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、Ｎｂ：０．１５％以下、を含有する、［６］に記載のステンレス鋼の製造方法。
［１］質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．８０～３．００％、Ｃｒ：１８．７～２５．０％、Ｎｉ：７．０～２０．０％、Ｃｕ：０．１０～１．００％、Ｎ：０．１５～０．３５％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、質量％での、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］、Ｃｕ含有量を［Ｃｕ］としたとき、以下の式（１）を満足し、表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、
０．２％耐力が４１０ＭＰａ以上である、ステンレス鋼。
［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］≧７．５ 式（１）
［２］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、Ｎｂ：０．１５％以下、を含有し、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上である、［１］に記載のステンレス鋼。
［３］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、Ａｌ：０．１００％以下、を含有する、［１］または［２］に記載のステンレス鋼。
［４］前記化学組成が、前記不純物としてＴｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄを合計含有量で、質量％で、０．０２０％以下含む、［１］～［３］のいずれかに記載のステンレス鋼。
［５］［１］～［４］のいずれかに記載のステンレス鋼からなる、シームレスステンレス鋼管。
［６］［１］に記載のステンレス鋼の製造方法であって、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．８０～３．００％、Ｃｒ：１８．７～２５．０％、Ｎｉ：７．０～２０．０％、Ｃｕ：０．１０～１．００％、Ｎ：０．１５～０．３５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するステンレス鋼に、１０５０～１１５０℃かつ、９０％以上の水素及び０～１０％の窒素を含む雰囲気で熱処理する、ステンレス鋼の製造方法。
［７］前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、Ｎｂ：０．１５％以下、を含有する、［６］に記載のステンレス鋼の製造方法。
本発明によれば、Ｃｕろう付けを行った際の密着性が高い高強度シームレスステンレス鋼管及び、そのシームレスステンレス鋼管の素材として好適なステンレス鋼、並びに、このステンレス鋼の製造方法を提供できる。
本発明のシームレスステンレス鋼管は、ろう付け密着性が高いので、ろう付けによって製造されるフューエルレール等の素材として好適である。
本発明のシームレスステンレス鋼管は、ろう付け密着性が高いので、ろう付けによって製造されるフューエルレール等の素材として好適である。
以下、本発明の一実施形態に係るステンレス鋼（本実施形態に係るステンレス鋼）、本発明の一実施形態に係るシームレスステンレス鋼管（本実施形態に係るシームレスステンレス鋼管）、及びそれらの好ましい製造方法について説明する。
本実施形態に係るステンレス鋼は、所定の化学組成を有し、表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、０．２％耐力が４１０ＭＰａ以上である。本実施形態に係るステンレス鋼は、フューエルレールに適用されるシームレスステンレス鋼管の素材として好適である。
また、本実施形態に係るステンレス鋼は、例えば、ＪＩＳＧ０２０３：２００９に記載された、オーステナイト系ステンレス鋼である。
また、本実施形態に係るステンレス鋼は、例えば、ＪＩＳＧ０２０３：２００９に記載された、オーステナイト系ステンレス鋼である。
＜化学組成＞
本実施形態に係るステンレス鋼の化学組成について説明する。下記する「～」を挟む数値限定範囲には、下限値及び上限値がその範囲に含まれる。ただし、「超」または「未満」と示す数値は、その値が数値範囲に含まれない。各元素の含有量に関する「％」は、断りがない限り「質量％」を意味する。
本実施形態に係るステンレス鋼の化学組成について説明する。下記する「～」を挟む数値限定範囲には、下限値及び上限値がその範囲に含まれる。ただし、「超」または「未満」と示す数値は、その値が数値範囲に含まれない。各元素の含有量に関する「％」は、断りがない限り「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０５％以下、
ＣはＣｒと結合して炭化物を形成し、粒界腐食を助長する元素である。熱処理やろう付け時で加熱された後は冷却速度が遅く、Ｃｒの炭化物が形成されやすい。本実施形態に係るステンレス鋼では、Ｃｒ炭化物の生成を抑制するため、Ｃ含有量を０．０５％以下とする。好ましくは０．０３％以下である。
Ｃ含有量は、好ましい特性を得るという観点からは、下限を設定する必要はない。しかしながら、過度のＣ含有量の低減は、コストアップを招くので、Ｃ含有量を０．００５％以上または０．０１％以上としてもよい。
ＣはＣｒと結合して炭化物を形成し、粒界腐食を助長する元素である。熱処理やろう付け時で加熱された後は冷却速度が遅く、Ｃｒの炭化物が形成されやすい。本実施形態に係るステンレス鋼では、Ｃｒ炭化物の生成を抑制するため、Ｃ含有量を０．０５％以下とする。好ましくは０．０３％以下である。
Ｃ含有量は、好ましい特性を得るという観点からは、下限を設定する必要はない。しかしながら、過度のＣ含有量の低減は、コストアップを招くので、Ｃ含有量を０．００５％以上または０．０１％以上としてもよい。
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉは酸素との親和力が強く、酸化物を生成し易い元素である。酸化物が生成するとろう付け密着性が損なわれる。そのため、Ｓｉ含有量を１．００％以下とする。
一方、Ｓｉは脱酸元素として有用な元素である。そのため、含有させてもよい。脱酸効果を得たい場合には、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とすることが好ましい。
Ｓｉは酸素との親和力が強く、酸化物を生成し易い元素である。酸化物が生成するとろう付け密着性が損なわれる。そのため、Ｓｉ含有量を１．００％以下とする。
一方、Ｓｉは脱酸元素として有用な元素である。そのため、含有させてもよい。脱酸効果を得たい場合には、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とすることが好ましい。
Ｍｎ：１．８０～３．００％
Ｍｎは、オーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｍｎは、Ｎの溶解度を高める元素であり、Ｍｎ含有量が低いと、凝固時にＮ２のブロホールが形成されやすい。そのため、組織の安定性向上、ブロホールの形成抑制のため、Ｍｎ含有量を１．８０％以上とする。
一方、Ｍｎ含有量が高くなると、熱間加工性が悪くなる。Ｍｎ含有量が３．００％を超えると、熱間加工性の劣化が顕著になるので、Ｍｎ含有量を３．００％以下とする。
Ｍｎは、オーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｍｎは、Ｎの溶解度を高める元素であり、Ｍｎ含有量が低いと、凝固時にＮ２のブロホールが形成されやすい。そのため、組織の安定性向上、ブロホールの形成抑制のため、Ｍｎ含有量を１．８０％以上とする。
一方、Ｍｎ含有量が高くなると、熱間加工性が悪くなる。Ｍｎ含有量が３．００％を超えると、熱間加工性の劣化が顕著になるので、Ｍｎ含有量を３．００％以下とする。
Ｃｒ：１８．７～２５．０％
Ｃｒは、ステンレス鋼として必須の元素であり、耐食性の向上に寄与する元素である。また、Ｃｒは、Ｎの溶解度を高めて、凝固時のＮ２のブロホールの形成を抑制する効果を有する元素である。これらの効果を得るため、Ｃｒ含有量を１８．７％以上とする。
一方、Ｃｒ含有量が高くなると、熱間加工性が悪くなる。Ｃｒ含有量が２５．０％を超えると、熱間加工性の劣化が顕著になるので、Ｃｒ含有量を２５．０％以下とする。
Ｃｒは、ステンレス鋼として必須の元素であり、耐食性の向上に寄与する元素である。また、Ｃｒは、Ｎの溶解度を高めて、凝固時のＮ２のブロホールの形成を抑制する効果を有する元素である。これらの効果を得るため、Ｃｒ含有量を１８．７％以上とする。
一方、Ｃｒ含有量が高くなると、熱間加工性が悪くなる。Ｃｒ含有量が２５．０％を超えると、熱間加工性の劣化が顕著になるので、Ｃｒ含有量を２５．０％以下とする。
Ｎｉ：７．０～２０．０％
Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｎｉは第１０族元素（周期表における第１０族に属する元素）であり、第１１族元素であるＣｕとは近い性質を持つ。ＮｉとＣｕとは全率固溶するので、Ｃｕろう付けを行う際に、ステンレス鋼がＮｉを含有すると、ろう付け密着性が向上する。
これらの効果を得るため、Ｎｉ含有量を７．０％以上とする。好ましくは７．５％以上である。
一方で、ろう付け密着性の観点では、Ｎｉ含有量が高い方が好ましいが、Ｎｉは高価な元素である。そのため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は２０．０％以下とする。
Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｎｉは第１０族元素（周期表における第１０族に属する元素）であり、第１１族元素であるＣｕとは近い性質を持つ。ＮｉとＣｕとは全率固溶するので、Ｃｕろう付けを行う際に、ステンレス鋼がＮｉを含有すると、ろう付け密着性が向上する。
これらの効果を得るため、Ｎｉ含有量を７．０％以上とする。好ましくは７．５％以上である。
一方で、ろう付け密着性の観点では、Ｎｉ含有量が高い方が好ましいが、Ｎｉは高価な元素である。そのため、コストの観点から、Ｎｉ含有量は２０．０％以下とする。
Ｃｕ：０．１０～１．００％
ＣｕはＮｉと類似の性質をもつ元素である。また、Ｃｕろう付けを行う場合、Ｃｕろうと同一の元素であるため、ステンレス鋼がＣｕを含有すると、ろう付け密着性が向上する。
これらの効果を得るため、Ｃｕ含有量を０．１０％以上とする。
一方で、ろう付け密着性の観点では、Ｃｕ含有量の上限を定める必要はないが、コストの観点から、Ｃｕ含有量は１．００％以下とする。
ＣｕはＮｉと類似の性質をもつ元素である。また、Ｃｕろう付けを行う場合、Ｃｕろうと同一の元素であるため、ステンレス鋼がＣｕを含有すると、ろう付け密着性が向上する。
これらの効果を得るため、Ｃｕ含有量を０．１０％以上とする。
一方で、ろう付け密着性の観点では、Ｃｕ含有量の上限を定める必要はないが、コストの観点から、Ｃｕ含有量は１．００％以下とする。
［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］≧７．５
上述したように、Ｃｕろうと同じ元素であるＣｕ及び、Ｃｕと全率固溶するＮｉは、Ｃｕとの親和性が高く、これらの元素の含有量を高めることで、ろう付け密着性が向上する。しかしながら、上記の通り、Ｃｕ含有量及びＮｉ含有量を設定しただけでは、必ずしも十分なろう付け密着性が得られない場合がある。十分なろう付け密着性を得るためには、Ｃｕ含有量、Ｎｉ含有量のそれぞれに加えて、Ｃｕ含有量とＮｉ含有量との合計を７．５％以上とする。すなわち、質量％での、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］、Ｃｕ含有量を［Ｃｕ］としたとき、以下の式（１）を満足する。
［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］≧７．５ 式（１）
上述したように、Ｃｕろうと同じ元素であるＣｕ及び、Ｃｕと全率固溶するＮｉは、Ｃｕとの親和性が高く、これらの元素の含有量を高めることで、ろう付け密着性が向上する。しかしながら、上記の通り、Ｃｕ含有量及びＮｉ含有量を設定しただけでは、必ずしも十分なろう付け密着性が得られない場合がある。十分なろう付け密着性を得るためには、Ｃｕ含有量、Ｎｉ含有量のそれぞれに加えて、Ｃｕ含有量とＮｉ含有量との合計を７．５％以上とする。すなわち、質量％での、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］、Ｃｕ含有量を［Ｃｕ］としたとき、以下の式（１）を満足する。
［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］≧７．５ 式（１）
Ｎ：０．１５～０．３５％
Ｎはオーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｎは固溶強化元素でありステンレス鋼の高強度化に有効な元素である。これらの効果を得るため、Ｎ含有量を０．１５％以上とする。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、熱間加工性が損なわれるとともに、凝固時にブロホールが形成されたり、圧延、鍛造および熱間押出し時にきずが発生し易くなったりする。そのため、Ｎ含有量を０．３５％以下とする。
Ｎはオーステナイト安定化元素であり、ステンレス鋼の組織の安定化に寄与する元素である。また、Ｎは固溶強化元素でありステンレス鋼の高強度化に有効な元素である。これらの効果を得るため、Ｎ含有量を０．１５％以上とする。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、熱間加工性が損なわれるとともに、凝固時にブロホールが形成されたり、圧延、鍛造および熱間押出し時にきずが発生し易くなったりする。そのため、Ｎ含有量を０．３５％以下とする。
残部：Ｆｅ及び不純物
以上が本実施形態に係るステンレス鋼の基本的な化学成分であり、本実施形態に係るステンレス鋼の化学組成は、上記の元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなっていてもよい。本実施形態において、不純物とは、原料としての鉱石、スクラップから、または製造環境等から混入されるものであって、本実施形態に係るステンレス鋼の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本実施形態に係る鋼板は、各種特性の向上を目的として、さらにＦｅの一部に替えて後述する範囲で、Ｎｂ及び／またはＡｌを含有することができる。Ｎｂ、Ａｌは、必ずしも含有する必要はないので、含有量の下限は０％である。
以上が本実施形態に係るステンレス鋼の基本的な化学成分であり、本実施形態に係るステンレス鋼の化学組成は、上記の元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなっていてもよい。本実施形態において、不純物とは、原料としての鉱石、スクラップから、または製造環境等から混入されるものであって、本実施形態に係るステンレス鋼の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本実施形態に係る鋼板は、各種特性の向上を目的として、さらにＦｅの一部に替えて後述する範囲で、Ｎｂ及び／またはＡｌを含有することができる。Ｎｂ、Ａｌは、必ずしも含有する必要はないので、含有量の下限は０％である。
Ｎｂ：０．１５％以下
Ｎｂは、ＣやＮと結合して、炭化物、窒化物または炭窒化物を生成することで、結晶粒の微細化や高強度化に寄与する元素である。この目的のため、Ｎｂを含有させてもよい。
特に、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上となるように制御する場合、Ｎｂ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。
一方で、Ｎｂ含有量が過剰になると、Ｎｂの炭窒化物が増加し、却って熱間加工性が損なわれる。そのため、含有させる場合でも、Ｎｂ含有量を０．１５％以下とすることが好ましい。
Ｎｂは、ＣやＮと結合して、炭化物、窒化物または炭窒化物を生成することで、結晶粒の微細化や高強度化に寄与する元素である。この目的のため、Ｎｂを含有させてもよい。
特に、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上となるように制御する場合、Ｎｂ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。
一方で、Ｎｂ含有量が過剰になると、Ｎｂの炭窒化物が増加し、却って熱間加工性が損なわれる。そのため、含有させる場合でも、Ｎｂ含有量を０．１５％以下とすることが好ましい。
Ａｌ：０．１００％以下
Ａｌは脱酸元素として有効である。そのため、含有させてもよい。この効果を得る場合、Ａｌ含有量を０．００２％以上とすることが好ましい。
一方で、Ａｌは酸化物を生成し易い元素である。ステンレス鋼の表面にＡｌ酸化物が存在するとろう付け密着性が劣化する。そのため、含有量させる場合でもＡｌ含有量は０．１００％以下とすることが好ましい。
Ａｌは脱酸元素として有効である。そのため、含有させてもよい。この効果を得る場合、Ａｌ含有量を０．００２％以上とすることが好ましい。
一方で、Ａｌは酸化物を生成し易い元素である。ステンレス鋼の表面にＡｌ酸化物が存在するとろう付け密着性が劣化する。そのため、含有量させる場合でもＡｌ含有量は０．１００％以下とすることが好ましい。
Ｔｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄの合計含有量：０．０２０％以下
Ｔｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄは、本実施形態に係るステンレス鋼では不純物等として含有されうる元素である。これらの元素は、酸化物の生成自由エネルギが低い元素であり、安定な酸化物を生成しやすい元素である。これらの酸化物が表面に存在するとろう付け密着性が損なわれるので、これらの元素の合計含有量を０．０２０％以下とすることが好ましい。
これらの元素についてはそれぞれの含有量が０．０１０％以下であることがより好ましい。
Ｔｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄは、本実施形態に係るステンレス鋼では不純物等として含有されうる元素である。これらの元素は、酸化物の生成自由エネルギが低い元素であり、安定な酸化物を生成しやすい元素である。これらの酸化物が表面に存在するとろう付け密着性が損なわれるので、これらの元素の合計含有量を０．０２０％以下とすることが好ましい。
これらの元素についてはそれぞれの含有量が０．０１０％以下であることがより好ましい。
上記した鋼成分は、鋼の一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、鋼成分は、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すればよい。Ｃは燃焼－赤外線吸収法を用い、Ｎは不活性ガス融解－熱伝導度法を用いて測定すればよい。
＜表面における算術平均粗さＲａ：１．０μｍ以下＞
ろう付けに供されるステンレス鋼は、ろう付けの際に強度が低下することを避けるため、ろう付け処理に近い温度で行う熱処理を経て製造される。しかしながら、ステンレス鋼はＣｒを多く含有していることから、この熱処理の際に、ステンレス鋼の表面には、緻密なＣｒ酸化物が形成される。表面にＣｒ酸化物が形成されたステンレス鋼に対してろう付けを行う場合、ろう付け雰囲気が水素を含む雰囲気であれば、Ｃｒ酸化物が還元されて酸素又は水蒸気が生成し、この酸素分子によって材料中のＡｌ等の酸化物生成元素が酸化し、この酸化物がろう付け密着性を阻害する。また、ろう付けを行う雰囲気がＮ２ガス雰囲気であった場合には、Ｃｒ酸化物を介して界面でのＣｕの拡散によりろう付けが進行することになり、ろう付け密着性が劣化する。そのため、ステンレス鋼の表面にはＣｒ酸化物が形成されていないことが好ましい。
熱処理後にステンレス鋼の表面のＣｒ酸化物を除去する手段として、一般には酸洗が行われる。しかしながら、本発明者らが検討した結果、Ｃｒ酸化物を除去するために酸洗を行うと、表面の粗さが大きくなり（例えば算術平均粗さで３μｍ程度）、表面積の増加や凹凸が大きくなって単位時間のろうの移動距離が長くなることで、ろう付け密着性が低下することが分かった。
そのため、本実施形態に係るステンレス鋼では、後述するように水素雰囲気で熱処理を行うことで、表面におけるＣｒ酸化物の形成を抑制し、かつ、酸洗を必須としない製造方法によって、表面粗さを小さくすることで、ろう付け密着性を向上させる。
具体的には、本実施形態に係るステンレス鋼では、表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。
ろう付けに供されるステンレス鋼は、ろう付けの際に強度が低下することを避けるため、ろう付け処理に近い温度で行う熱処理を経て製造される。しかしながら、ステンレス鋼はＣｒを多く含有していることから、この熱処理の際に、ステンレス鋼の表面には、緻密なＣｒ酸化物が形成される。表面にＣｒ酸化物が形成されたステンレス鋼に対してろう付けを行う場合、ろう付け雰囲気が水素を含む雰囲気であれば、Ｃｒ酸化物が還元されて酸素又は水蒸気が生成し、この酸素分子によって材料中のＡｌ等の酸化物生成元素が酸化し、この酸化物がろう付け密着性を阻害する。また、ろう付けを行う雰囲気がＮ２ガス雰囲気であった場合には、Ｃｒ酸化物を介して界面でのＣｕの拡散によりろう付けが進行することになり、ろう付け密着性が劣化する。そのため、ステンレス鋼の表面にはＣｒ酸化物が形成されていないことが好ましい。
熱処理後にステンレス鋼の表面のＣｒ酸化物を除去する手段として、一般には酸洗が行われる。しかしながら、本発明者らが検討した結果、Ｃｒ酸化物を除去するために酸洗を行うと、表面の粗さが大きくなり（例えば算術平均粗さで３μｍ程度）、表面積の増加や凹凸が大きくなって単位時間のろうの移動距離が長くなることで、ろう付け密着性が低下することが分かった。
そのため、本実施形態に係るステンレス鋼では、後述するように水素雰囲気で熱処理を行うことで、表面におけるＣｒ酸化物の形成を抑制し、かつ、酸洗を必須としない製造方法によって、表面粗さを小さくすることで、ろう付け密着性を向上させる。
具体的には、本実施形態に係るステンレス鋼では、表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下である。
表面における算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１に沿って、触針式表面粗測定機を用いて測定する。
＜０．２％耐力：４１０ＭＰａ以上＞
近年、エンジンの燃焼効率の向上のために、燃料の高圧化が検討されており、それに伴って、フューエルレールに使用されるステンレス鋼管に対しても、強度の向上が求められている。本実施形態に係るステンレス鋼では、フューエルレールに使用されるステンレス鋼管の素材として使用される場合を考慮し、燃料の高圧化に対応できる強度として、現状のＳＵＳ３０４等のステンレス鋼のＹＳ（≧２０５ＭＰａ）の２倍である、０．２％耐力で４１０ＭＰａ以上とする。
近年、エンジンの燃焼効率の向上のために、燃料の高圧化が検討されており、それに伴って、フューエルレールに使用されるステンレス鋼管に対しても、強度の向上が求められている。本実施形態に係るステンレス鋼では、フューエルレールに使用されるステンレス鋼管の素材として使用される場合を考慮し、燃料の高圧化に対応できる強度として、現状のＳＵＳ３０４等のステンレス鋼のＹＳ（≧２０５ＭＰａ）の２倍である、０．２％耐力で４１０ＭＰａ以上とする。
０．２％耐力は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に沿って、圧延方向が長手方向になるように全厚試験片を採取し、引張試験を行って求める。ステンレス鋼がシームレスステンレス鋼管であるときは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に沿って、管状試験片に対して引張試験を行って求める。
＜結晶粒度番号：６以上＞
本実施形態に係るステンレス鋼では、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上であることが好ましい。結晶粒度番号が６以上であると、より高強度化に有利である。
結晶粒度の制御には、Ｎｂを含有させることや、加工・熱処理条件を制御することが有効である。
本実施形態に係るステンレス鋼では、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上であることが好ましい。結晶粒度番号が６以上であると、より高強度化に有利である。
結晶粒度の制御には、Ｎｂを含有させることや、加工・熱処理条件を制御することが有効である。
次に、本実施形態に係るシームレスステンレス鋼管について説明する。
本実施形態に係るシームレスステンレス鋼管は、上述した本実施形態に係るステンレス鋼からなる。例えば、本実施形態に係るステンレス鋼を加工の際に、シームレスステンレス鋼管の形状に加工したものである。そのため、化学組成、表面粗さ、結晶粒度番号、０．２％耐力等の範囲及び限定理由については、本実施形態に係るステンレス鋼と同じである。
本実施形態に係るシームレスステンレス鋼管は、上述した本実施形態に係るステンレス鋼からなる。例えば、本実施形態に係るステンレス鋼を加工の際に、シームレスステンレス鋼管の形状に加工したものである。そのため、化学組成、表面粗さ、結晶粒度番号、０．２％耐力等の範囲及び限定理由については、本実施形態に係るステンレス鋼と同じである。
溶接管と異なり、シームレス（継目無）ステンレス鋼管は溶接部を有していない。溶接部は、母材部とは異なる非定常部であり、例えばフューエルレールへの適用を考えた場合、燃料が漏れるリスクなどは、非定常部を有しないシームレスステンレス鋼管の方が低い。そのため、フューエルレール用のステンレス鋼は、シームレスステンレス鋼管であることが好ましい。
＜製造方法＞
本実施形態に係るステンレス鋼は、例えば以下の工程を含む製造方法によって得られる。
すなわち、電気炉及びＡＯＤ炉で所定の化学組成（上記の化学組成）に調整された溶鋼を、鋳造して鋼片を作製し、この鋼片に対し、圧延または鍛造を行ってビレットとする。このビレットに機械加工を施し熱間押出し用ビレットとし、さらに冷間加工（冷間圧延や冷間引抜）を行って最終形状と同じステンレス鋼を得て、さらに、所定の条件で熱処理を行うことで、本実施形態に係るステンレス鋼のシームレスステンレス鋼管が得られる。
本実施形態に係るステンレス鋼の製造方法では、熱処理以外については、求められる特性や形状等に応じて、公知の方法で行えばよい。一方、熱処理については、後述する条件で行う。
熱処理後のステンレス鋼の表面には、Ｃｒ欠乏層が形成される場合があり、Ｃｒが平均組成よりも低くなる場合がある。これらの影響を取り除く目的で、外面研磨は有効であり、実施しても良い。ただし、研磨する場合、表面粗さＲａが１．０μｍを超えないように実施する。
本実施形態に係るステンレス鋼は、例えば以下の工程を含む製造方法によって得られる。
すなわち、電気炉及びＡＯＤ炉で所定の化学組成（上記の化学組成）に調整された溶鋼を、鋳造して鋼片を作製し、この鋼片に対し、圧延または鍛造を行ってビレットとする。このビレットに機械加工を施し熱間押出し用ビレットとし、さらに冷間加工（冷間圧延や冷間引抜）を行って最終形状と同じステンレス鋼を得て、さらに、所定の条件で熱処理を行うことで、本実施形態に係るステンレス鋼のシームレスステンレス鋼管が得られる。
本実施形態に係るステンレス鋼の製造方法では、熱処理以外については、求められる特性や形状等に応じて、公知の方法で行えばよい。一方、熱処理については、後述する条件で行う。
熱処理後のステンレス鋼の表面には、Ｃｒ欠乏層が形成される場合があり、Ｃｒが平均組成よりも低くなる場合がある。これらの影響を取り除く目的で、外面研磨は有効であり、実施しても良い。ただし、研磨する場合、表面粗さＲａが１．０μｍを超えないように実施する。
＜熱処理＞
冷間加工後のステンレス鋼に対し、１０５０℃～１１５０℃の９０％以上の水素を含む雰囲気で熱処理する。熱処理温度が低いほど強度を向上させることができるが、熱処理温度が１０５０℃未満では、一般的なろう付けの温度（１１００℃程度）との差が大きく、ろう付け前の強度が高くても、ろう付け後の強度の低下が懸念される。そのため、熱処理温度を１０５０℃以上とする。好ましくは１０７０℃以上である。
一方、熱処理温度が高すぎると強度が低下するので、熱処理温度は１１５０℃以下とする。
また、熱処理の雰囲気は、水素に例えば窒素１０％以下を混合したものでもよい。すなわち、９０％以上の水素及び０～１０％の窒素を含む雰囲気とする。
熱処理時間は限定しないが、２～１０分であることが好ましい。
また、露点は、表面の酸化物の生成を抑制するため、－２０℃以下であることが好ましい。
本実施形態に係るステンレス鋼の製造方法では、熱処理後に酸洗を行うことは必須ではないが、表面に軽微なスケールが生成した場合、これを除去する目的で熱処理後に短時間の軽酸洗を行うことは許容する。ただし、通常の酸洗では表面粗さＲａが１．０μｍを超えるので、表面粗さＲａが１．０μｍを超えないように条件を設定して実施する。
冷間加工後のステンレス鋼に対し、１０５０℃～１１５０℃の９０％以上の水素を含む雰囲気で熱処理する。熱処理温度が低いほど強度を向上させることができるが、熱処理温度が１０５０℃未満では、一般的なろう付けの温度（１１００℃程度）との差が大きく、ろう付け前の強度が高くても、ろう付け後の強度の低下が懸念される。そのため、熱処理温度を１０５０℃以上とする。好ましくは１０７０℃以上である。
一方、熱処理温度が高すぎると強度が低下するので、熱処理温度は１１５０℃以下とする。
また、熱処理の雰囲気は、水素に例えば窒素１０％以下を混合したものでもよい。すなわち、９０％以上の水素及び０～１０％の窒素を含む雰囲気とする。
熱処理時間は限定しないが、２～１０分であることが好ましい。
また、露点は、表面の酸化物の生成を抑制するため、－２０℃以下であることが好ましい。
本実施形態に係るステンレス鋼の製造方法では、熱処理後に酸洗を行うことは必須ではないが、表面に軽微なスケールが生成した場合、これを除去する目的で熱処理後に短時間の軽酸洗を行うことは許容する。ただし、通常の酸洗では表面粗さＲａが１．０μｍを超えるので、表面粗さＲａが１．０μｍを超えないように条件を設定して実施する。
電気炉で溶解し、ＡＯＤで精錬した表１に記載の化学組成を有する溶鋼からインゴットを得た。このインゴットに対し、１２５０℃で圧延及び鍛造を行ってφ１８０ｍｍのビレットを作成した。
このビレットに対し、１２２０℃で熱間押出しを行い、冷間圧延を行い、途中熱処理を含む複数回の冷間引抜を行って、φ１１．０ｍｍ×ｔ２．５ｍｍの鋼管（継目無鋼管）を得た。途中熱処理については、１０５０～１１００℃の温度域で行った。
得られた鋼管に対し、表２に記載の条件（温度、時間、雰囲気）で、熱処理を行った。Ｎｏ．２０については、熱処理後に表面にＣｒ酸化物が形成されたので、除去するために酸洗を行った。表中雰囲気の「水素」は実質的に水素のみからなる雰囲気である。水素雰囲気及び水素９０％＋窒素１０％の雰囲気における露点は、いずれも－２０℃以下であった。
このビレットに対し、１２２０℃で熱間押出しを行い、冷間圧延を行い、途中熱処理を含む複数回の冷間引抜を行って、φ１１．０ｍｍ×ｔ２．５ｍｍの鋼管（継目無鋼管）を得た。途中熱処理については、１０５０～１１００℃の温度域で行った。
得られた鋼管に対し、表２に記載の条件（温度、時間、雰囲気）で、熱処理を行った。Ｎｏ．２０については、熱処理後に表面にＣｒ酸化物が形成されたので、除去するために酸洗を行った。表中雰囲気の「水素」は実質的に水素のみからなる雰囲気である。水素雰囲気及び水素９０％＋窒素１０％の雰囲気における露点は、いずれも－２０℃以下であった。
得られた鋼管に対し、上述した方法で、表面粗さ、結晶粒度を測定した。また、鋼管から管状試験片（管軸方向が引張試験片の長手方向）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に沿って引張試験を行って、０．２％耐力、引張強度を測定した。
結果を表２に示す。
結果を表２に示す。
また、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って結晶粒度番号を測定した。
さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１に沿って、触針式表面粗測定機を用いて表面における算術平均粗さＲａを測定した。
さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１に沿って、触針式表面粗測定機を用いて表面における算術平均粗さＲａを測定した。
また、得られた鋼管に対し、ろう付け密着性を評価するために、以下の要領でろう付け試験を行った。
得られたステンレス鋼管（φ１１．０で肉厚２．５ｍｍ）を３０ｍｍの長さに切断したものを、３５ｍｍ角に切断したＳＵＳ３０４鋼板の上に線接触させ、ＪＩＳＺ３２６２：１９９８で規定するろう、ＢＣｕ－１Ｂを０．３ｇ配設し、ろう付け試験を行った。ＳＵＳ３０４鋼板は、あらかじめ＃６００の耐水エメリー研磨紙を用いて湿式研磨処理した。
ろう付け接合は、水素雰囲気、材料温度１１００℃、雰囲気の露点－４０℃に制御した水素炉を用いた。温度コントロールは、昇温３分、１１００℃で２分保持、降温２分とした。評価は、ろう付けされた供試材の断面を、＃１０００の耐水エメリー研磨紙を用いて湿式研磨した後、金属顕微鏡（１００倍観察）観察により、すき間部にろうが完全に充填されていた場合（隙間無）はろう付け性良好（ぬれ性良好）、すき間部に空隙が残っていた場合（隙間有）はろう付け性不良（ぬれ性不良）とした。
得られたステンレス鋼管（φ１１．０で肉厚２．５ｍｍ）を３０ｍｍの長さに切断したものを、３５ｍｍ角に切断したＳＵＳ３０４鋼板の上に線接触させ、ＪＩＳＺ３２６２：１９９８で規定するろう、ＢＣｕ－１Ｂを０．３ｇ配設し、ろう付け試験を行った。ＳＵＳ３０４鋼板は、あらかじめ＃６００の耐水エメリー研磨紙を用いて湿式研磨処理した。
ろう付け接合は、水素雰囲気、材料温度１１００℃、雰囲気の露点－４０℃に制御した水素炉を用いた。温度コントロールは、昇温３分、１１００℃で２分保持、降温２分とした。評価は、ろう付けされた供試材の断面を、＃１０００の耐水エメリー研磨紙を用いて湿式研磨した後、金属顕微鏡（１００倍観察）観察により、すき間部にろうが完全に充填されていた場合（隙間無）はろう付け性良好（ぬれ性良好）、すき間部に空隙が残っていた場合（隙間有）はろう付け性不良（ぬれ性不良）とした。
表１、表２から分かるように、本発明例である試験番号１～１０では、４１０ＭＰａ以上の０．２％耐力と、優れたろう付け密着性を有するステンレス鋼を含むシームレスステンレス鋼管が得られた。
一方、化学組成や熱処理条件が本発明範囲外であった試験番号１１～２１では、化学組成や熱処理条件が本発明範囲外であり、強度またはろう付け密着性に劣っていた。
一方、化学組成や熱処理条件が本発明範囲外であった試験番号１１～２１では、化学組成や熱処理条件が本発明範囲外であり、強度またはろう付け密着性に劣っていた。
Claims (7)
- 質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：１．８０～３．００％、
Ｃｒ：１８．７～２５．０％、
Ｎｉ：７．０～２０．０％、
Ｃｕ：０．１０～１．００％、
Ｎ：０．１５～０．３５％、
を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
質量％での、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］、Ｃｕ含有量を［Ｃｕ］としたとき、以下の式（１）を満足し、
表面における算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下であり、
０．２％耐力が４１０ＭＰａ以上である
ことを特徴とするステンレス鋼。
［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］≧７．５ 式（１） - 前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｎｂ：０．１５％以下、
を含有し、
ＡＳＴＭ Ｅ１１２に沿って測定された結晶粒度番号が、６以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼。 - 前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ａｌ：０．１００％以下、
を含有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のステンレス鋼。 - 前記化学組成における、前記不純物がＴｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｙ、Ｎｄを合計含有量で、質量％で、０．０２０％以下含む、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のステンレス鋼。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載のステンレス鋼からなる、シームレスステンレス鋼管。
- 請求項１に記載のステンレス鋼の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．８０～３．００％、Ｃｒ：１８．７～２５．０％、Ｎｉ：７．０～２０．０％、Ｃｕ：０．１０～１．００％、Ｎ：０．１５～０．３５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有するステンレス鋼に、１０５０～１１５０℃かつ、９０％以上の水素及び０～１０％の窒素を含む雰囲気で熱処理する
ことを特徴とする、ステンレス鋼の製造方法。 - 前記化学組成が、Ｆｅの一部に替えて、
Ｎｂ：０．１５％以下、
を含有する
ことを特徴とする、請求項６に記載のステンレス鋼の製造方法。
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