JPH1060598A - 耐海水性用析出強化型二相ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐海水性、強度／靭性のバランスに優れ、且つ
圧延製造時の熱間加工性に優れた耐海水性用析出強化型
二相ステンレス鋼を提供する。 【解決手段】実質的に、重量% で、C:0.03% 以下、Si:1
% 以下、Mn:1.5% 以下、P:0.04% 以下、S:0.01% 以下、
Cr:20 〜26% 、Ni:3〜7%、Sol.Al:0.03%以下、N:0.25%
以下、Cu:1〜4%、Mo:2〜6%及びW:4 〜10% の１種または
２種、Ca:0〜0.005%、Mg:0〜0.05% 、B:0 〜0.03% 、Z
r:0〜0.3%、Y,La及びCeを合計含有量として0 〜0.03%
とを含有し、耐海水性の指標PT値がPT≧35, オーステナ
イト分率G 値が70≧G ≧30を満たす耐海水性用析出強化
型二相ステンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に臨海構造物、
橋梁、水門、海水利用熱交換器、海水淡水化装置等の、
耐海水性と構造強度を同時に要求される用途向けの析出
強化型二相ステンス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、臨海地域の利用開発、水回り用途
の構造材もしくは海水利用装置等のメンテナンスフリー
化等の需要増大に伴い、耐海水性を有し構造材として使
用できる高強度材が求められている。現在、主として海
洋構造物等の部材は、構造用鋼に重防食塗装をして使用
されているが、頻繁な塗り替え等で発生する莫大なラン
ニングコストの低減が課題となっており、また、機能上
あるいは外観上の理由から無塗装使用せざるを得ない場
合もあり、耐海水性が高く応力腐食割れの問題も少ない
二相ステンレス鋼での対応には期待がかかっている。し
かし、一般に、海水に耐える高耐食性を有する合金鋼種
は強度が高くなく、ＡＳＴＭ Ｎ０６６２５（２１％Ｃ
ｒ−９％Ｍｏ−４％Ｎｂ−６４％Ｎｉ）、Ｎ０８８２５
（２２％Ｃｒ−３％Ｍｏ−１．７％Ｃｕ−３０％Ｆｅ−
４２％Ｎｉ）など、いずれも引張破断強度では高々５０
０ＭＰａ程度を有するに過ぎない上、耐力は２５０〜３
００ＭＰａと低い。従来型の二相ステンレス鋼も強度的
には７００ＭＰａ強と、構造物として有望であるが、高
価な材料であるため、今後、薄肉／軽量化という観点か
ら、強度向上が期待されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上を背景に、二相ス
テンレス鋼を時効析出により強化させることで、耐食性
と高強度を両立させようとする試みが行なわれている。
特開昭６１−１５７６２６号公報に開示されている油井
管向け二相ステンレス鋼は、時効熱処理により、高耐食
性の母相を析出強化しているものである。しかしこの技
術では強度の向上は１００ＭＰａ程度にとどまるのみな
らず、靭性の低下を伴う等の問題がある。また高強度油
井管に関しては特開昭６１−２３７１３号公報、特開平
６−２７１９３９号公報、特開平７−２０７３３７号公
報に開示されている鋼等もあるが、高耐食性と高強度は
両立させているものの、靭性に関する配慮はいずれも不
十分である。さらに、特開昭６３−４０４５号公報に開
示されている鋼でも、耐全面腐食性、強度の両立を図っ
ているものの、部品製作時の機械加工性を重視している
ためオーステナイト率が１５〜３５％と低く、やはり靭
性に問題が残る。特開平５−３０２１５１号公報に開示
されている鋼は耐孔食性への配慮が定量的でなく、安定
した耐食性を期待することはできない。

【０００４】本発明の目的は、耐海水用途の構造材料に
適用可能な耐海水性、強度／靭性のバランスに優れ、且
つ圧延製造時の熱間加工性に優れた耐海水性用析出強化
型二相ステンレス鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。

【０００６】（１）本発明の耐海水性用析出強化型二相
ステンレス鋼は、実質的に、重量％で、Ｃ：０．０３％
以下と、Ｓｉ：１％以下と、Ｍｎ：１．５％以下と、
Ｐ：０．０４％以下と、Ｓ：０．０１％以下と、Ｃｒ：
２０〜２６％と、Ｎｉ：３〜７％と、Sol.Al：０．０３
％以下と、Ｎ：０．２５％以下と、Ｃｕ：１〜４％とを
含み、さらに、Ｍｏ：２〜６％及びＷ：４〜１０％のう
ち１種または２種と、Ｃａ：０〜０．００５％（無添加
の場合も含む）と、Ｍｇ：０〜０．０５％（無添加の場
合も含む）と、Ｂ：０〜０．０３％（無添加の場合も含
む）と、Ｚｒ：０〜０．３％（無添加の場合も含む）
と、Ｙ、Ｌａ及びＣｅを合計含有量として０〜０．０３
％（無添加の場合も含む）とを含有し、下記の（１）、
（２）式を満たす鋼である。

【０００７】ＰＴ＝Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１．７Ｗ％
＋１６Ｎ％とするとき、 ＰＴ≧３５…（１） Ｇ＝１５２Ｃ％−６．１Ｓｉ％−２．８Ｍｎ％−５．７
Ｃｒ％＋６．５Ｎｉ％−３．８Ｍｏ％−１．９Ｗ％＋
０．６Ｃｕ％＋２０９Ｎ％＋１３０とするとき、 ７０
≧Ｇ≧３０…（２）

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明者は、二相ステンレス鋼を
時効析出させて、耐海水用途の構造材料に適用可能な耐
海水性、強度／靭性のバランスに優れ、且つ圧延製造時
の熱間加工性に優れた耐海水性用析出強化型二相ステン
レス鋼について鋭意研究を重ねた。

【０００９】その結果、まず母相の十分な耐海水性を確
保する為には十分なＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎの添加が必要で
あるとの知見から、Ｃｒ≧２０％、Ｍｏ≧２％、Ｗ≧４
％、Ｎ≦０．２５％の添加が必要であり、しかもこれら
の添加量が（１）式を満足するとき、即ちＰＴ＝Ｃｒ％
＋３．３Ｍｏ％＋１．７Ｗ％＋１６Ｎ％≧３５…（１）
であれば十分な耐海水性が確保できることを確認した。
しかも、同時に、フェライト安定化元素とオーステナイ
ト安定化元素のバランスをとり、オーステナイト分率を
３０％〜７０％とすれば、材料の強度と靭性が良好にバ
ランスし、構造材料として十分な信頼性を発揮できる事
を見いだした。これは、元素の添加量からオーステナイ
ト分率を表すＧ値：Ｇ＝１５２Ｃ％−６．１Ｓｉ％−
２．８Ｍｎ％−５．７Ｃｒ％＋６．５Ｎｉ％−３．８Ｍ
ｏ％−１．９Ｗ％＋０．６Ｃｕ％＋２０９Ｎ％＋１３０
と計算するとき、７０≧Ｇ≧３０…（２）が成立するこ
とが必要である。

【００１０】実際の鋼材製造過程においては、熱間加工
性が重要であり、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃ
ｅの添加は、すべて熱間加工時の粒界割れの低減に有効
であることが明かとなったが、これらはいずれも、鋼が
厚板圧延等の熱間加工＋徐冷過程を経て製作される場
合、選択添加できる元素である。発明者らの解析によれ
ば、析出強化するタイプの高強度二相ステンレス鋼にお
いて、熱間加工に問題がある場合、一部の析出相が冷却
中に析出し、結晶粒内強度が上昇しているケース、もし
くはフェライト／オーステナイトの各相の強度に食い違
いを生じて、相界面に亀裂を生じるケースがあるが、こ
れらのいずれについても、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｚｒ、Ｙ、
Ｌａ、Ｃｅの添加は、粒界強度、相境界強度を上げるの
に有効であったものと考えられた。

【００１１】以上の知見に基づき、本発明者は特定の条
件の下で、ＰＴ値（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎの総量）の下限
値を規定して耐海水性を確保し、Ｇ値（オーステナイト
分率）を特定値に制御して材料の強度と靭性を良好にバ
ランスさせることにより、耐海水性、強度／靭性のバラ
ンスに優れ、且つ圧延製造時の熱間加工性に優れた耐海
水性用析出強化型二相ステンレス鋼を見出だし、本発明
を完成させた。

【００１２】すなわち、本発明は特定の条件の下でＰＴ
値（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎの総量）及びＧ値（オーステナ
イト分率）を下記範囲に限定することにより、耐海水
性、強度／靭性のバランスに優れ、且つ圧延製造時の熱
間加工性に優れた耐海水性用析出強化型二相ステンレス
鋼を得ることができる。

【００１３】以下に本発明の合金の成分添加理由及び成
分限定理由について説明する。

【００１４】（１）成分組成範囲 Ｃは、Ｃｒ炭化物を形成して合金の耐食性を低下させる
元素であり、添加量は少ないほうがよいが、０．０３％
以下であれば耐食性の劣化は許容できるので、その含有
量は０．０３％以下である。

【００１５】Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるため１％
以下を含んでもよいが、１％を超えて含有すると熱間加
工性を阻害するため、含有量は１％以下である。

【００１６】Ｍｎは、相安定性に有効な元素であるため
１．５％以下を含んでよいが、１．５％を超えて含有す
ると熱間加工性を阻害するため、含有量は１．５％以下
である。

【００１７】Ｐは、粒界偏析して圧延時の延性を害する
元素であって、その含有量は少ないほど良い。圧延時に
おける延性の低下による割れを防止するため、その含有
の許容量は０．０４％以下である。

【００１８】ＳもＰ同様に、粒界偏析して圧延時の延性
を害する元素である。その含有量は少ないほど良い。圧
延時における延性の低下による割れを防止するため、そ
の含有の許容量は０．０１％以下である。

【００１９】Ｃｒは、合金に耐海水性を与える基本元素
として重要である。その含有量は２０％未満の場合は、
耐海水性への作用が十分でない。一方、２６％を超えて
含有すると、後出の限定式によっても相バランスを適性
に維持するのが困難となるため、含有量は２０％以上、
２６％以下である。

【００２０】Ｎｉは、オーステナイト安定性を高める主
要元素であり、含有量は、鋼の靭性維持の観点から少な
くとも３％以上を必要とするが、７％を超えて添加する
と、後出の限定式によっても相バランスを適性に維持す
るのが困難となる上、経済性を著しく阻害するため、含
有量は３％以上、７％以下である。

【００２１】Ａｌは、脱酸に有効な元素であるためＳｏ
ｌ．Ａｌで０．０３％以下を含んでもよいが、０．０３
％を超えて含有すると、熱間加工性、地疵等の問題が発
生するため、含有量は０．０３％以下である。

【００２２】Ｎは、添加によってオーステナイト安定性
を高め、耐孔食性を高める元素であるが、０．２５％を
超えて添加すると、靭性、熱間加工性を劣化させるた
め、含有量は０．２５％以下である。

【００２３】Ｃｕは、母相に均一析出し、強化作用を持
つ元素である。しかし、過剰の添加は合金の靭性、延
性、熱間加工性低下につながることから、添加量は１％
以上、４％以下である。

【００２４】Ｍｏ、Ｗは、合金に耐海水性を与える元素
である。その含有量が少なすぎる場合は十分な特性を得
ることができず、過剰に含有するとオーステナイト相が
不安定になり靭性の不足に繋がるため、２〜６％のＭｏ
及び４〜１０％のＷのうち１〜２種を含有する。Ｃａは
微量添加すると脱硫、脱酸効果により熱間加工性を改善
する元素として有効であるが、０．００５％を超えると
清浄性を損ない熱間加工性を低下するため、含有量は
０．００５％以下である。

【００２５】Ｍｇは微量添加すると脱酸効果により熱間
加工性を改善する元素として有効であるが、０．０５％
を超えると熱間加工性を低下するため０．０５％以下で
ある。 Ｂ、Ｚｒは、粒界を強化し熱間加工性を改善す
るのに有効な元素であるが、過剰に添加すると熱間加工
性、溶接性を劣化させるので、Ｂは０．０３％以下、Ｚ
ｒは０．３％以下である。

【００２６】Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等の希土類元素は、脱硫、
脱酸効果により熱間加工性を改善する元素であり、これ
らのうち一種以上を含有してもよい。含有量は、合計で
０．０３％を超えて含有すると、逆に熱間加工性を害す
るので、合計量０．０３％以下である。

【００２７】また、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｌａ、
Ｃｅは必要に応じて添加することができるため、無添加
の場合も含む。以上に加え、前述したように耐海水性に
ついては（１）式を満足することが必要である。即ちＰ
Ｔ＝Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１．７Ｗ％＋１６Ｎ％とす
るとき、 ＰＴ≧３５…（１） また、強度特性、靭性バランスの確保には、さらに
（２）式の規定範囲内に添加しフェライト／オーステナ
イトの分率を抑制することが必要である。即ちオーステ
ナイト分率は、Ｇ＝１５２Ｃ％−６．１Ｓｉ％−２．８
Ｍｎ％−５．７Ｃｒ％＋６．５Ｎｉ％−３．８Ｍｏ％−
１．９Ｗ％＋０．６Ｃｕ％＋２０９Ｎ％＋１３０と表す
ことができ、次の（２）式を満足することが必要であ
る。

【００２８】７０≧Ｇ≧３０…（２） 上記の成分組成範囲に調整することにより、耐海水性、
強度／靭性のバランスに優れ、且つ圧延製造時の熱間加
工性に優れた特性を得ることが可能である。

【００２９】以下に本発明の実施例を挙げ、本発明の効
果を立証する。

【００３０】

【実施例】表１と表３に検討を行った鋼の化学成分を示
す。表１は本発明の成分範囲を満足する発明鋼種（No.1
〜21）であり、表３は比較鋼種（No.26 〜47）である。

【００３１】表２、４には、各々の鋼種の（１）式で定
義されるＰＴ値、（２）式で定義されるＧ値、適用した
溶体化熱処理温度（ＴＳ）（時間は全て１５分水冷）を
示す。 これらの鋼は、５０ｋｇｗ真空溶解炉で溶製／
鋳造後、１１２５℃に加熱して熱間圧延し、複数パスで
圧下比１０を加えて板厚１２ｍｍとして冷却後、圧延に
伴う板の耳割れ最大長さを測定し、耐圧延割れ性を評価
した。溶体化熱処理につづき時効熱処理（４８０℃×４
時間）後、試験片を切り出し、引張試験、衝撃試験、孔
食試験を実施した。

【００３２】引張試験は平行部寸法φ６×１３ｍｍＬの
丸棒引張試験片を用い、引張強さ（ＴＳ）および０．２
％耐力（ＰＳ）を測定した。衝撃試験はＶノッチシャル
ピー（ＪＩＳ４号）フルサイズ試験片を用い、−１６５
〜５０℃の結果から破面遷移温度を求めた。孔食試験は
ＪＩＳ Ｇ０５７８に準拠し、温度５０℃で実施し腐食
減量で評価した。

【００３３】試験結果も同じ表２、４中に、引張強さ、
耐力（以上単位ＭＰａ）、圧延板の耳割れ最大長さから
評価した耐圧延割れ性（◎：良好、△：微小割れ発生
（＜１ｍｍ）、×：割れ発生（≧１ｍｍ）で示す。）、
シャルピー衝撃試験に於ける破面遷移温度（単位℃）、
孔食試験における腐食減量（単位ｇ／ｍ² ．ｈ）の順に
まとめて示す。表２から判るように、Ｎｏ．１〜２１の
発明鋼は、耐圧延割れ性は良好で、引張強度と靭性のバ
ランスが特に優れているのが特徴である。これは前述の
Ｇ値の制御に因るところのものであり、図１にＧ値とＴ
Ｓ、ＰＳ、破面遷移温度の関係を示す。また、耐食性も
良好で、孔食試験での腐食減量はいずれも０．２ｇ／ｍ
² ．ｈ以下と、耐孔食性も良好である。これは一定量以
上のＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎを含有して十分なＰＴ値を満た
していることによるもので、ＰＴ値と孔食試験での腐食
減量の関係を図２に示す。以上、発明鋼は強度と靭性の
バランス、耐食性との両立の何れの観点からも優れてい
る。

【００３４】これに対し、表３、４を参照すると、比較
鋼Ｎｏ．２６はＣの過多により、ＰＴ値は十分であるに
も拘らず十分な耐食性が得られていない。比較鋼Ｎｏ．
２７、２８、２９、３０は、それぞれＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、
Ｓの添加量が多すぎ、圧延時に割れを生じ、加工性の低
下が示された。比較鋼Ｎｏ．３５、４１、４２、４３、
４７も、過剰に添加すると熱間加工性を劣化させる元素
であるＡｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｙ＋Ｌａ＋Ｃｅ（合計
量）のそれぞれの添加量過多により、熱間圧延時に大き
な耳割れが生じた点で同様である。

【００３５】比較鋼Ｎｏ．３１、３７、３９では、それ
ぞれＣｒ、Ｍｏ、Ｗ量が不足したため耐孔食性が十分で
なく、またそれぞれの添加量が規定範囲内に収まってい
る場合も、ＰＴ値が十分大きくない比較鋼Ｎｏ．４４で
は、耐孔食性は不十分である。 一方、前述したように
Ｇ値で定量化されるオーステナイト分率が適性範囲内に
ないと、構造物としての機械的性質が損なわれる。比較
鋼Ｎｏ．３２、４６はＧ値が不足し靭性が良くない。比
較鋼Ｎｏ．３４、４５では逆にＧ値が大きすぎ、十分な
強度や耐力が得られていない。また、Ｎｉは単独でも靭
性への影響が大きく、比較鋼Ｎｏ．３３ではＧ値が規定
範囲内でも靭性が劣化している。比較鋼Ｎｏ．３８、４
０では、それぞれＭｏ、Ｗの添加が過多で、やはり靭性
が不足している。

【００３６】以上の実施例及び比較例から明らかなよう
に、発明鋼の成分設定によれば、経済性の高い成分であ
りながら、高い耐孔食性、強度／靭性バランスが得ら
れ、かつ圧延製造時の熱間加工性の優れた合金を得るこ
とが出来る。なお、本発明鋼は溶接時には既存の二相系
の溶接材料を適用することが可能で、溶接性は良好であ
る。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】

【発明の効果】本発明は、合金組成を特定することによ
り、耐海水用途の構造材料として適性があり、溶接が可
能で９００ＭＰａレベルの高強度を有するＦｅ−Ｃｒ−
Ｎｉ系析出強化型二相ステンレス鋼を、安価に、また歩
留まり良く提供することができ、工業上、有益な効果を
もたらすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るオーステナイト分率（Ｇ
値）と、引張強さ（ＴＳ）、耐力（ＰＳ）及びシャルピ
ー破面遷移温度の関係を示す図。

【図２】本発明の実施例に係る鋼成分のパラメータＰＴ
値と、孔食試験における腐食減量（ΔＷ）の関係を示す
図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に、重量％で、Ｃ：０．０３％以
   下と、Ｓｉ：１％以下と、Ｍｎ：１．５％以下と、Ｐ：
   ０．０４％以下と、Ｓ：０．０１％以下と、Ｃｒ：２０
   〜２６％と、Ｎｉ：３〜７％と、Sol.Ａｌ：０．０３％
   以下と、Ｎ：０．２５％以下と、Ｃｕ：１〜４％とを含
   み、さらに、Ｍｏ：２〜６％及びＷ：４〜１０％のうち
   １種または２種と、Ｃａ：０〜０．００５％（無添加の
   場合も含む）と、Ｍｇ：０〜０．０５％（無添加の場合
   も含む）と、Ｂ：０〜０．０３％（無添加の場合も含
   む）と、Ｚｒ：０〜０．３％（無添加の場合も含む）
   と、Ｙ、Ｌａ及びＣｅを合計含有量として０〜０．０３
   ％（無添加の場合も含む）とを含有し、下記の（１）、
   （２）式を満たす耐海水性用析出強化型二相ステンレス
   鋼。ＰＴ＝Ｃｒ％＋３．３Ｍｏ％＋１．７Ｗ％＋１６Ｎ
   ％とするとき、 ＰＴ≧３５…（１） Ｇ＝１５２Ｃ％−６．１Ｓｉ％−２．８Ｍｎ％−５．７
   Ｃｒ％＋６．５Ｎｉ％−３．８Ｍｏ％−１．９Ｗ％＋
   ０．６Ｃｕ％＋２０９Ｎ％＋１３０とするとき、 ７０
   ≧Ｇ≧３０…（２）