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技術 ニッケル含有率が極めて低いオースナイト系ステンレス鋼

出願人 アルセロールミタルフランスウジテック
発明者 ロランシェスレジャン―ミシェルオゼール
出願日 1998年7月29日 (22年4ヶ月経過) 出願番号 1998-213910
公開日 1999年4月6日 (21年8ヶ月経過) 公開番号 1999-092885
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード フェライト含有率 粒間腐食 加工鋼 マンガン含有率 原子吸光分光分析法 オーステナイト系鋼 モリブデン含有率 過硬化
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この項目の情報は公開日時点(1999年4月6日)のものです。
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図面 (1)

課題

解決方法

重量組成炭素<0.1%、0.1%<硅素<1%、5%<マンガン<9%、0.1%<ニッケル<2%、13%<クロム<19%、1%<銅<4%、0.1%<窒素<0.40%、5×10−4%<ホウ素<50×10−4%、リン<0.05%、硫黄<0.01%であるオースナイト系ステンレス鋼。

概要

背景

ステンレス鋼はその冶金学的構造によっていくつかのグループに大別される。オーステナイト系鋼重量組成中に一般に3%以上のニッケルを含む鋼である。例えば、NF EN 10 088規格No.1.4301オーステナイト系鋼(AISI 304)は組成中に8%以上のニッケルを含む。ニッケルはコストの高い元素で、その価格は変動するため、鋼のメーカーは組成中にニッケルを殆どあるいは全く含まないオーステナイト系鋼を求めている。

概要

ニッケル含有率が極めて低いオースナイト系ステンレス鋼

重量組成で炭素<0.1%、0.1%<硅素<1%、5%<マンガン<9%、0.1%<ニッケル<2%、13%<クロム<19%、1%<銅<4%、0.1%<窒素<0.40%、5×10−4%<ホウ素<50×10−4%、リン<0.05%、硫黄<0.01%であるオースナイト系ステンレス鋼。

目的

本発明の目的は「ニッケル含有率が極めて低い」オーステナイト系鋼、特に機械特性および溶接特性がニッケル含有率の高いオーステナイト系鋼と同等か、それ以上であるオーステナイト系鋼を提供することにある。また、材料からのニッケルの放出、特に河川や海への放出と皮膚接触時の放出を減らす方針国際的に打ち出されている。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

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請求項1

下記重量組成を特徴とするニッケル含有率が極めて低いオーステナイト系ステンレス鋼炭素<0.1%0.1%<硅素<1%5%<マンガン<9%0.1%<ニッケル<2%13%<クロム<19%1%<銅<4%0.1%<窒素<0.40%5×10−4%<ホウ素<50×10−4%リン<0.05%硫黄<0.01%

請求項2

フェライト指数FI1を用いた下記関係を満足する請求項1に記載のオーステナイト系鋼:FI1=0.034x2+0.284x−0.347 <20ここで、x=6.903[−6.998+Cr%−0.972(Ni%+20.04C%+21.31N%+0.46Cu%+0.08Mn%)]。

請求項3

マルテンサイト定性指数SIを用いた下記関係を満足する請求項1に記載のオーステナイト系鋼:SI=0.0267x2+0.4332x−3.1459 <20ここで、x=250.4−205.4C%−101.4N%−7.6Mn%−12.1Ni%−6.1Cr%−13.3Cu%。

請求項4

組成中に1%以下のニッケルを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項5

組成中に15%〜17%のクロムを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項6

組成中に0.08%以下の炭素を含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項7

組成中に0.5%〜0.7%の硅素を含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項8

組成中に2%以下のモリブデンをさらに含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項9

組成中に0.0020%以下の硫黄をさらに含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

請求項10

組成中に0.030%以下のアルミニウム、好ましくは50×10−4%以下のアルミニウム、および20×10−4%以下のカルシウム、好ましくは5×10−4%以下のカルシウムをさらに含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のオーステナイト系鋼。

--

0001

本発明はニッケル含有率が極めて低いオーステナイト系ステンレス鋼に関するものである。

背景技術

0002

ステンレス鋼はその冶金学的構造によっていくつかのグループに大別される。オーステナイト系鋼重量組成中に一般に3%以上のニッケルを含む鋼である。例えば、NF EN 10 088規格No.1.4301オーステナイト系鋼(AISI 304)は組成中に8%以上のニッケルを含む。ニッケルはコストの高い元素で、その価格は変動するため、鋼のメーカーは組成中にニッケルを殆どあるいは全く含まないオーステナイト系鋼を求めている。

発明が解決しようとする課題

0003

本発明の目的は「ニッケル含有率が極めて低い」オーステナイト系鋼、特に機械特性および溶接特性がニッケル含有率の高いオーステナイト系鋼と同等か、それ以上であるオーステナイト系鋼を提供することにある。また、材料からのニッケルの放出、特に河川や海への放出と皮膚接触時の放出を減らす方針国際的に打ち出されている。

課題を解決するための手段

0004

本発明の対象は下記重量組成を特徴とするニッケル含有率が極めて低いオーステナイト系鋼にある:
炭素<0.1%
0.1%<硅素<1%
5%<マンガン<9%
0.1%<ニッケル<2%
13%<クロム<19%
1%<銅<4%
0.1%<窒素<0.40%
5×10−4%<ホウ素<50×10−4%
リン<0.05%
硫黄<0.01%

0005

本発明の他の特徴は下記の点にある:
1)組成はフェライト指数FI1を用いた下記関係を満足する:
FI1=0.034x2+0.284x−0.347 <20
ここで、
x=6.903[−6.998+Cr%−0.972(Ni%+21.31N%+20.04C%+0.46Cu%+0.08Mn%)]。
2)組成はマルテンサイト定性指数SIを用いた下記関係を満足する:
SI=0.0267x2+0.4332x−3.1459<20
ここで、
x=250.4−205.4C%−101.4N%−7.6Mn%−12.1Ni%−6.1Cr%−13.3Cu%。
3) 鋼は組成中に1%以下のニッケルを含む。
4) 鋼は組成中に15%〜17%のクロムを含む。
5) 鋼は組成中に0.08%以下の炭素を含む。
6) 鋼は組成中に0.5%〜0.7%の硅素を含む。
7) 鋼は組成中に2%以下のモリブデンを含む。
8) 鋼は組成中に0.0020%以下の硫黄を含む。
9) 鋼は組成中に0.030%以下のアルミニウム、好ましくは50×10−4%以下のアルミニウム、および20×10−4%以下のカルシウム、好ましくは5×10−4%以下のカルシウムをさらに含む。

0006

以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明が下記説明に限定されるものではない。組成中のニッケル含有率を制限した本発明のオーステナイト系鋼を精錬した。一般にニッケル元素によって得られるオーステナイト化効果はγ系元素、例えばマンガン、銅、窒素および炭素で補償しなければならず、α系元素、例えばクロム、モリブデンおよび硅素の含有率はできるだけ低くする必要がある。

0007

本発明の鋼はフェライト型凝固をする。凝固したフェライトは鋳造後の鋼の冷却時にオーステナイトに戻る。鋼を冷却する鋳造段階における残留フェライト含有率(%濃度)は実験的で確立された下記指数によって近似的に与えられる:
FI2=0.1106x2+0.0331x−0.403
ここで、
x=2.52[−7.65+Cr%+0.03Mn%−0.864(Ni%+16.10C%+19.53N%+0.35Cu%)]。
上記段階における本発明鋼のフェライト含有率は5%以下である。

0008

次いで、上記鋼を再加熱して1240℃で30分間熱間圧延する。フェライト含有率は下記の式で表される:
FI1=0.034x2+0.284x−0.347<20
ここで、
x=6.903[−6.998+Cr%−0.972(Ni%+21.31N%+20.04C%+0.46Cu%+0.08Mn%)]。
1240℃で30分間再加熱した後の本発明鋼は20%以下のフェライトを含む。熱間圧延および1100℃で30分間過硬化した後の本発明鋼のフェライト含有率は5%以下である。高間加工、焼きなまし、低間加工および焼きなまし後に痕跡量の残留フェライトを有する鋼が得られる。オーステナイト/フェライト比は飽和磁化またはX線回折解析で測定する。

0009

組成中に含まれる元素の役目から、550℃〜800℃の処理後に鋼が粒間腐食に対して敏感になるのを避けるために炭素含有率は0.1%以下に制限されなければならない。炭素含有率は同様な理由で0.08%以下であるのがさらに好ましい。窒素および炭素はフェライトおよびオーステナイト相の凝固、平衡およびマルテンサイト生成に対するオーステナイトの安定性に同様に作用する。窒素のオーステナイト化特性は炭素よりわずかに上回る。

0010

マンガンは窒素の溶解性を向上させる。窒素を十分に溶解し、鋼のオーステナイト構造保証するために、最低でも5%のマンガンを含有する必要がある。本発明鋼の組成中のマンガン含有率が9%を上限とするのは、本発明鋼の精錬で浸炭フェロマンガン、好ましくは精製フェロマンガンを使用することに関連している。フェライトの量に対するマンガンの効果は5%〜9%の含有率で一定である。さらに、マンガン含有率は高温延性を損なわないように制限されなければならない。

0011

硅素はフェライトの生成を防ぎ、酸洗中の鋼の挙動を十分にするために、意図的に1%以下、好ましくは0.7%以下に制限される。精錬ではカンラン石型酸化物の生成を防ぐために、最低でも0.1%、好ましくは最低でも0.5%の硅素を含有する必要がある。熱間圧延による鋼の加工時に、硅素含有率の低い、例えば0.5%以下の融点の低いカンラン石型の酸化物(FeO/SiO2/MnO)が本発明鋼上に生成する。硅素含有率が0.5%以下である場合には、上記酸化物を液状で含む金属マトリクスを有する混成部分が熱間圧延操作中に生成する。その結果、鋼ストリップの特に酸洗後表面仕上げが悪くなる。

0012

上記の融点の低い酸化物の生成を防ぐために、本発明鋼の組成中の硅素含有率を0.5%以上に上げる必要があることが分かった。それによって、融点の高い酸化物が生成し、熱間圧延時の表面仕上げの問題が起こらなくなる。硅素含有率が高い場合はオーステナイト構造の生成に関与しないので、組成中の他の元素を考慮に入れて、硅素の含有率は2%以下、好ましくは1%以下に制限される。

0013

ニッケルは一般のオーステナイト鋼に必須の元素であるが、本発明の課題はニッケルをほとんど含まないオーステナイト鋼を得ることである。この元素は高価で、価格変動は大きく、制御できない。この価格変動によって鋼メーカーの運転が妨げられる。ニッケルはさらに、オーステナイト鋼の応力腐食に対する過敏性を強めるという欠点を有する。本発明者はさらに、ニッケル含有率を制限しても以下に説明する特性の向上した新世代の鋼が製造できることを見いだした。

0014

クロム含有率は、ステンレス鋼の耐腐食性を保証するために13%以上、好ましくは15%以上にする必要がある。クロム含有率の限界が19%、好ましくは17%であることは、過硬化処理後の本発明鋼が5%以下のフェライトを含有しなければならないことに関連している。クロム含有率を19%以上にすると、フェライト含有率が過度に高くなり、十分な引張り伸びを保証できなくなる。

0015

銅含有率はニッケル含有率が減少するので、オーステナイト型構造を保証するために、最低でも1%にする必要がある。4%以上の銅含有率では、鋼の可鍛性がかなり損なわれ、鋼の高温加工が困難になる。銅のオーステナイト化効果はニッケルのほぼ40%である。

0016

さらに、本発明鋼のオーステナイト型構造を保証するために、少なくとも0.1%の窒素含有率が必要である。0.4%以上の窒素含有率では「ブローホール」とよばれる窒素の気泡凝固中の鋼内に生成する。鋼の組成中に2%以下のモリブデンを導入する場合は、耐腐食性を向上させるために窒素含有率を高くする必要があろう。2%以上のモリブデン含有率では、フェライトが存在しないように0.4%以上の窒素を追加する必要がある(標準圧力での鋼の精錬では起こらない)。

0017

本発明鋼は組成中に5×10−4%〜50×10−4%のホウ素を含有する。高温引張試験における温度を関数とする断面での直径減少率の特徴が示すように、組成にホウ素を添加すると、高温延性、特に900〜1150℃の延性が向上する。50×10−4%以上のホウ素では、燃焼点での減少率が大きくなり、圧延前の再加熱時に液体金属領域が形成される危険がある。

0018

鋼の十分な耐点蝕性を保証するために、0.01%以下の硫黄を鋼に導入する。硫黄含有率は20×10−4%以下にして1000℃以上の高温延性を大幅に向上させるのが好ましい。この低い硫黄含有率はカルシウムおよびアルミニウムを制御下に使用することで達成される。生じる最終アルミニウム含有率は0.03%以下、好ましくは50×10−4%以下または30×10−4%以下で、カルシウム含有率は10×10−4%、好ましくは5×10−4%以下である。それから得られる酸素含有率は一般に20×10−4%〜60×10−4%である。

0019

リン含有率は、溶接部の凝固時に起こる高温割れおよび溶接部の冷却中に起こりうる高温破断現象を防ぐために、0.05%以下に制限される。

0020

本発明鋼を「基準」鋼として選んだAISI 304型の鋼と比較して説明する。本発明鋼の組成は〔表1〕〜〔表3〕に示してある。

0021

〔表1〕〜〔表2〕では本発明鋼の組成は星印(*)で示されている。〔表4〕は各鋼のFI1、FI2およびSI指数の計算値を示している。

0022

0023

0024

0025

0026

〔表5〕は30%の引張歪み後に生成したマルテンサイトのFI2、FI1の測定値およびSIの測定値を示している。

0027

0028

本発明鋼の高温特性
高温延性を高温引張り試験で求めた。測定は凝固後の鋼および加工・焼きなまし後の鋼に対して行った。鋼を1250℃の出発温度で鍛造して加工鋼を製造した。その後、1100℃で30分間焼きなました。引張試験熱サイクルは、温度が20℃/秒の速度で1240℃まで上昇し、1240℃で1分間保持し、2℃/秒の速度で変形温度まで下げサイクルである。断面の直径減少率を測定した。これは初期直径に対する、初期直径と最終直径との差の比(%表記)に対応する。

0029

図1〕は本発明の鋼769−(B)および鋼771−(C)の、変形温度を関数とする断面の直径減少率の挙動を低硫黄鋼774−(D)、ホウ素を含まない鋼768−(A)および「基準」鋼である鋼671(AISI 304)と比較して示している。30×10−4%の硫黄を含有し、ホウ素を含まない鋼768−(A)は基準鋼と比べて高温延性が著しく低い。同じことが9×10−4%の硫黄を含有し、ホウ素を含まない鋼774−(D)に対してもいえる。図に示されるように、ホウ素を添加することで900〜1050℃での延性が向上する。さらに、ホウ素が存在する鋼では、硫黄含有率が20×10−4%以下の本発明鋼771−(C)が、900〜1250℃の全温度範囲に亘って優れた高温延性を示す。これは基準鋼671の延性に近いことは理解できよう。

0030

本発明鋼の室温での機械特性
機械特性は、焼きなまし後の加工鋼で測定した。鋼を1250℃で鍛造加工し、その後、1100℃の温度で30分間塩浴中で焼きなました。引張り試験用の試験片は、直径5mmの円形断面を有する長さ50mmの試験片である。それを20mm/分の速度で引張った。本発明鋼の伸びは55〜67%であった。比較のために、本発明鋼、本発明以外のニッケル含有率の低い鋼およびAISI 304型の基準鋼の特性を測定し、〔表6〕に示す。

0031

0032

30%の真の引張歪み後のマルテンサイトの量を測定した(表5)。本発明鋼では20%以下であった。破損するまで変形させた本発明鋼の試験片にはε−マルテンサイトの痕跡が全く見られなかった。SI指数が20以下で、FI1指数が20以下である本発明鋼は、既に述べたように、加工後の引張り伸びが55%以上であった。この伸びは適当な冷間圧延を得るのに必要である。

0033

耐腐食性
粒間腐食の分野では、炭素含有率および窒素含有率を変えた各種の鋼に対してASTM262E規格の試験を行った。被試験鋼は1100℃で焼きなました厚さが3ミリの熱間圧延ストリップ(過硬化)鋼である。次いで、鋼を下記a)あるいはb)のいずれかで増感処理する:
a)700℃で30分間焼きなました後、水で急冷するか、
b)650℃で10分間焼きなました後、水で急冷する。
試験の結果は〔表7〕に示してある。

0034

0035

0.1%以上の炭素を含有する本発明以外の鋼、例えば鋼594および鋼596は許容可能な特性を有していない。組成中に0.1%以下の炭素を含有する本発明鋼、例えば鋼567、鋼592および鋼584は試験bの粒間腐食の点でAISI 304鋼に匹敵している。組成中に0.080%以下の炭素を含有する本発明鋼のみが、試験aでAISI 304に匹敵している。従って、本発明の炭素含有率は0.1%以下、好ましくは0.08%以下に制限するのが好ましい。

0036

〔表3〕で示す組成を有する、アルミニウム、カルシウム、酸素および硫黄含有率を変えた各種の鋼を電気炉でAODを用いて製造した。各含有率は特に正確な方法、例えばカルシウムは原子吸光分光分析法で、アルミニウムはグロー放電分光分析法を用いて測定した。加工製品を用いてpH6.6、23℃の0.02M−NaCl中で点蝕試験を行った。結果は〔表8〕に示してある。電位E1は1cm2当たり1ピットの確率に対応している。

0037

点蝕電位は組成中に50×10−4%を越えないアルミニウムを含有し、さらに10×10−4%以下のカルシウムと、60×10−4%以下の酸素と、20×10−4%以下の硫黄とを含有する鋼ではかなり高いことが理解できよう。走査電子顕微鏡を用いると、組成中に110×10−4%のアルミニウムと、115×10−4%の[lacuna]を含有する鋼Aおよび鋼Bは石灰型およびアルミナマグネシア型の介在物を含み、これらの介在物は硫化カルシウムで取り囲まれ、この寸法は数μmに達することが観察された。硫化カルシウムは30×10−4%以下のアルミニウムと、10×10−4%以下のカルシウムとを含有する鋼Cおよび鋼Dではみられなかった。

0038

図面の簡単な説明

0039

図1各鋼の温度を関数とする断面直径減少率の特徴を示す図。

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