(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．７０〜１．５０％、Ｓ：０．００６％以下、Ｃｒ：１７．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．７５〜２．５０％、Ｎｂ：０．６９〜０．８０％、Ｃｕ：０．０２〜０．３％未満、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、更に、Ｃ＋Ｎ：０．０１５〜０．０２５％の条件を満足し、残部をＦｅおよび製造上の不可避的不純物からなる組成を有する、熱延板の低温靭性に優れたＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続鋳造片を熱間圧延したままの、Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼の鋼帯（以下，焼鈍を施した熱延焼鈍板と区別するため、熱延板と称す）の低温靭性に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系に比べて熱膨張係数が低いため、熱疲労特性や高温酸化特性に優れており、熱ひずみが問題となる耐熱用途に使用されている。自動車排ガス経路部材においては、エキゾーストマニホールド、フロントパイプ、触媒担体外筒、センターパイプなどにフェライト系ステンレス鋼が使用されている。近年、排ガス浄化効率の向上や高出力化の観点から排ガスの温度は上昇する傾向にあり、より耐熱性の優れたフェライト系ステンレス鋼が求められている。これに対応するために、Ｎｂ、Ｍｏなどを含有した鋼が開発されており、これらの合金元素の含有量も高くなる傾向にある。
【０００３】
一般に，フェライト系ステンレス鋼は、延性脆性遷移温度を有し、遷移温度域よりも低温側では、脆性的な割れが発生する場合がある。とくに、耐熱性に有効な合金元素である、Ａｌ、Ｓｉ、ＲＥＭ（希土類元素）、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕなどを多量に含む場合には、遷移温度が上昇する。一方、遷移温度は、素材の板厚や金属組織によっても変動し、板厚の薄い冷延焼鈍板よりも冷間圧延前の厚板の熱延焼鈍板の方が、また、再結晶組織である熱延焼鈍板よりも加工組織の残る熱延板の方がそれぞれ高く、低温靭性に劣っている。このため、製品としては優れた耐熱性を有する鋼であっても、製造する段階では低温靭性が低いため、曲げ等が加わる工程で脆性破壊を起こす場合があり、このような鋼は、通板前に、１００℃付近まで加温する必要がある。
【０００４】
熱延板の靭性改善に対しては、おもに、Ｃ、Ｎ量の低減や、熱間圧延条件の規制（例えば熱間圧延後の冷却速度の規制）などの措置が講じられる。前者は、脆性破壊の起点となりうる炭窒化物の量そのものを低減することを、後者は、冷却速度を速めることによる炭窒化物生成の抑制を目的としている。これらの対策は、ＳＵＨ４０９系、ＳＵＳ４３０ＬＸ系、ＳＵＳ４３６系などの比較的合金元素量の少ないＪＩＳ規定の鋼種に対しては有効であると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した措置は、ＪＩＳ規定以外の高合金化したフェライト系ステンレス鋼に対しては、必ずしも有効であるとは言い難い。例えば、Ｎｂを多く含むフェライト系ステンレス鋼では、熱間圧延中およびその後の冷却中に金属間化合物であるＬａｖｅｓ相（Ｆｅ2 Ｎｂが主成分）が析出しやすいため、上述した方法では必ずしも十分な低温靭性の改善は期待できない。したがって、これらの鋼種は、熱間圧延を行った後の製造工程において、加温を余儀なくされているのが実状である。
本発明は、このような現状に対応すべく、現有設備の一般的な製造方法を用い、なおかつ、合金成分の調整だけで、優れた低温靭性を有する熱延板を製造しうるＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的とする、優れた低温靭性を有する熱延板が製造できるＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．７０〜１．５０％、Ｓ：０．００６％以下、Ｃｒ：１７．０〜２０．０％、Ｍｏ：１．７５〜２．５０％、Ｎｂ：０．５５〜０．８０％、Ｃｕ：０．０２〜０．３％未満、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、更に、Ｃ＋Ｎ：０．０１５〜０．０２５％の条件を満足し、残部をＦｅおよび製造上の不可避的不純物からなる組成にすることによって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼の熱延板の低温靭性を改善すべく種々の検討を行った結果、化学成分を上記成分範囲に厳密に規定することにより、低温靭性の優れた鋼を得ることができることが判った。すなわち、Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼の熱延板の低温靭性は、炭窒化物の生成量とＦｅ2 Ｎｂを主体とするＬａｖｅｓ相の生成量に左右されること、両者を比較した場合には、本発明の成分系においては後者の方がより靭性に悪影響を及ぼすことを明らかにした。更に、ＣやＮの低減や熱間圧延方法の調整だけでは靭性の改善は困難なこと、むしろＣとＮを若干含有させることによって低温靭性を改善できることを明らかにした。
【０００８】
ＣとＮは、一般的にはクリープ強さやクリープ破断強さなどの高温強度を向上させるために有効な元素であるものの、古くからフェライト系ステンレス鋼の低温靭性に対しては有害であるとされており、可能な限りの低減化がなされてきた。本発明に至る過程においても、ＣとＮの低減化を図ったものの、熱延板の低温靭性を改善できる結果が必ずしも得られなかった。そこで、発明者等はＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼の熱延板の低温靭性に及ぼすＣ＋Ｎの影響を詳細に検討した。
【０００９】
図１はＦｅ−１８Ｃｒ−１．０Ｍｎ−２．１Ｍｏ−０．７Ｎｂ−０．２Ｃｕを基本成分としたＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼の熱延板の低温靭性に及ぼす（Ｃ＋Ｎ）量の影響を示す結果である。供試材には、４００ｋｇの真空溶解にて作製した厚さ７５ｍｍのインゴットを、１２５０℃で３時間の加熱の後熱間圧延し、厚さ４．５ｍｍ、仕上げ温度８３０℃で熱間圧延を終了した後に水冷したものを用いた。そして、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２（金属材料衝撃試験片）の４号試験片に準拠して、幅４．５ｍｍのサブサイズ試験片を、衝撃方向が圧延方向に平行になるように採取し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２（金属材料衝撃試験方法）に準拠してシャルピー衝撃試験を行った。低温靭性は、２５℃でのシャルピー衝撃値で評価した。なお、熱延板のシャルピー衝撃値は、製造性に支障のない２５Ｊ／ｃｍ2 以上を目標値とした。
【００１０】
図１の結果から、シャルピー衝撃値は、（Ｃ＋Ｎ）量の増加に伴い大きくなり、０．０２質量％付近を最大値としてそれ以降の（Ｃ＋Ｎ）量では小さくなる傾向にある。目標値である、２５Ｊ／ｃｍ2 以上の値を得るためには、（Ｃ＋Ｎ）量を０．０１５〜０．０２５質量％に厳密に規定する必要があることがわかる。（Ｃ＋Ｎ）量の多い領域での衝撃値の低下は、これまでに良く知られているように、固溶Ｃ、Ｎの増大および炭窒化物の面積率の増大によるものと思われる。一般に、（Ｃ＋Ｎ）量の低減は，低温靭性の改善に有効であると言われているが、本発明の成分系においては，逆に低温靭性を劣化する結果となった。この理由は、（Ｃ＋Ｎ）量を低減すると、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ2 Ｎｂが主体）を生成しやすいこと、Ｌａｖｅｓ相はｈｃｐ型構造の棒状析出物であるため破壊の起点となりやすいことなどが考えられる。したがって、（Ｃ＋Ｎ）量を若干増加させることによって、Ｌａｖｅｓ相の量に対して相対的に球状の炭窒化物が増え、靭性低下を緩和するものと思われる。これは、従来にない新しい知見である。また、製鋼効率の点からは、（Ｃ＋Ｎ）量を極端に低減する必要が無くなるため、製鋼段階での脱Ｃ、Ｎに要する時間は短くなる利点がある。
以下に、本発明において条件、各成分の範囲を限定した理由を説明する。
【００１１】
Ｃ＋Ｎ：０．０１５〜０．０２５質量％
上述したように、熱延板の低温靭性はＣ、Ｎ含有量に大きく影響される。熱延板の低温靭性が良好であるシャルピー衝撃値２５Ｊ／ｃｍ2 以上の値は、（Ｃ＋Ｎ）量が０．０１５〜０．０２５質量％の範囲で達成される。
【００１２】
Ｃ、Ｎ：それぞれ０．０２０質量％以下
（Ｃ＋Ｎ）量の規制が示すように、Ｃ、Ｎの含有量が、０．０２５質量％以上になると固溶量の増大や炭窒化物量の増大によって低温靭性が低下する。一方、一般の製鋼段階においてＣ又はＮを０．００５質量％以下に低減することはコスト的に高くなる。そこで、（Ｃ＋Ｎ）量の範囲を満足させるために、それぞれ０．０２０質量％以下に規定する。
【００１３】
Ｓｉ：０．１０〜０．５０質量％
高温酸化特性の改善に有効な元素である。その効果は０．１０質量％以上で顕著になる。しかし、過剰に添加すると、鋼の脆化を招く。このため、Ｓｉの含有量は０．１０〜０．５０質量％とした。
【００１４】
Ｍｎ：０．７０〜１．５０質量％
適量添加すると高温酸化特性，特に表層酸化物の密着性を著しく改善し，とくに０．７０質量％以上の添加でその効果は著しくなる。しかし、過剰に含有すると硬質となり、低温靱性や加工性の低下を招く。そこで、Ｍｎの含有量は、１．５０質量％以下とした。
【００１５】
Ｓ：０．００６質量％以下
溶接高温割れに対して有害であるので可能な限り低い方が望ましいが、低くおさえるには、原料の厳選や脱硫に時間がかかり、製造コストの上昇を招く。本発明においては、Ｓは０．００６質量％まで許容しても十分な耐溶接高温割れ性を有するため、Ｓの範囲を０．００６質量％以下とした。
【００１６】
Ｃｒ：１７．０〜２０．０質量％
耐食性および高温酸化特性の確保に必要不可欠な元素である。Ｓｉ、Ａｌなどの高温酸化特性を改善する元素を多く含まない場合には、酸化特性を確保するために少なくとも１７．０質量％以上の添加が必要となる。一方、Ｃｒを多量に添加すると硬質となり、鋼の低温靭性に悪影響を及ぼす。高温酸化特性を確保し、なおかつ靭性を損なわないように、Ｃｒの含有量は１７．０〜２０．０質量％の範囲とした。
【００１７】
Ｍｏ：１．７５〜２．５０質量％
高温強度の改善に有効な元素である。高温強度の面から１．７５質量％以上の添加が必要である。しかし、多量に添加すると鋼の脆化を招く。また、これらの元素は非常に高価であるため材料のコスト高を招く。高温強度を確保し、なおかつ，靭性を損なわないように、Ｍｏの含有量は、１．７５〜２．５０質量％の範囲とした。
【００１８】
Ｎｂ：０．６９〜０．８０質量％フェライト系ステンレス鋼の高温強度を改善するのに最も有効な合金元素の１つである。通常のＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼は、最大で０．４質量％程度含有しているが、十分な高温強度を得るためには、少なくとも０．６９質量％以上の添加が必要となる。一方、Ｎｂは靭性に悪影響を及ぼす元素であり、０．８０質量％を超えると、連続鋳造片や熱延板の靭性を著しく劣化させる。そこでＮｂの含有量は、０．６９〜０．８０質量％の範囲とした。
（以下余白）
【００１９】
Ｃｕ：０．０２〜０．３質量％未満
適量の添加で低温靱性と加工性の両方を向上させるのに有効な元素であり、その効果は０．０２質量％以上の添加で顕著となる。しかし、Ｃｕを過剰に添加すると加工性に支障をきたす。そこで、Ｃｕの含有量は、０．０２〜０．３質量％未満とした。
【００２０】
なお、熱延板を得るまでの連続鋳造片の冷却条件や、熱間圧延方法については、本発明ではとくに規定しないが、析出物を過剰に生成させない方法が好ましい。すなわち、スラブの冷却条件については、水冷により粗大析出物の生成を抑制し、熱間圧延前の加熱は、１２００℃以上で２時間以上の均熱を行ってスラブ中の析出物を固溶させ、熱間圧延は、８００℃以上で終了してそののち少なくとも６００℃以下まで水冷を施して、析出物の生成を可能な限り抑制するのが好ましい。
【００２１】
また、本発明では熱間圧延以降の製造方法についてもとくに規定はしないが、低温靭性を損なわない範囲で加工熱処理を施して製品とするのが好ましい。すなわち、熱延板および冷延板の焼鈍は１０００℃以上の結晶粒が粗大化しない温度域で行い、析出物を可能な限り固溶させるのが好ましい。また、焼鈍後は、強制空冷もしくは水冷によって冷却中の再析出を抑制するのが好ましい。なお、本発明鋼の製品としての形態はとくに制約されるものでなく、熱延焼鈍板および鋼帯、冷延焼鈍板および鋼帯、鋼管、溶接構造物のいずれにも適用可能である。
【００２２】
【実施例】
高周波真空溶解炉にて４００ｋｇのインゴットを作製し、７５ｍｍ厚とした後、熱間圧延を施して、板厚４．５ｍｍの熱延鋼帯とした。熱間圧延は、１２３０℃で２時間加熱したのちに、８００℃〜８５０℃で熱間圧延を終え、その後水槽に浸漬して冷却した。その合金の化学成分を表１に示す。これらの板は、所定の試験片に加工したのち、前述したシャルピー衝撃試験を実施した。また、ＪＩＳＺ  ２２０４（金属材料曲げ試験片）で規定されている３号試験片を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４８（金属材料曲げ試験方法）の押曲げ法にて曲げ試験を行った。なお、曲げ試験は熱間圧延方向に垂直方向に試験片を採取して曲げ半径４．５ｍｍで密着までの曲げ（以下１ｔ曲げと称す）と、曲げ半径１８０ｍｍで９０°に曲げた後に反対側に９０°に曲げるのを１０回繰り返す曲げ（以下１０回曲げと称す）の２種類の方法で行った。その結果を表２に示す。
【００２３】
【表１】
0003705391.tif 000002
【００２４】
【表２】
0003705391.tif 000003
【００２５】
鋼種Ｎｏ．１〜１０は本発明鋼である。いずれの鋼もシャルピー衝撃値および曲げ特性に優れており、熱延板において良好な低温靭性を有している。これは、上述したように、ＣとＮの含有量を厳密に調整したことによる。鋼種Ｎｏ．１１〜１５は比較鋼であり、いずれの鋼も（Ｃ＋Ｎ）量が本発明の請求範囲から上又は下に外れるため、シャルピー衝撃値の基準（２５Ｊ／ｃｍ2 以上）を満足しない。そして、鋼種Ｎｏ．１１、鋼種Ｎｏ．１３、鋼種Ｎｏ．１５は１t 曲げ試験においても割れが発生する。ただし、鋼種Ｎｏ．１２及び鋼種Ｎｏ．１４はＮｂ含有量が比較的低いため１t 曲げ試験では割れは発生していない。１０回曲げ試験では、（Ｃ＋Ｎ）量が本発明の請求範囲から多い方に外れた鋼種Ｎｏ．１５のみに割れが発生しており、曲げ半径が大きい場合には割れ傾向が小さくなる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、現有設備の一般的な製造方法を用い、なおかつ、合金成分の調整だけで、熱延板の低温靭性が優れたＮｂ含有フェライト系ステンレス鋼を提供することができる。したがって、排ガス経路部材などに使用される、Ｎｂを多く含有する耐熱用フェライト系ステンレス鋼を、特別な手法を用いることなく、安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２５℃のシャルピー衝撃値に及ぼす（Ｃ＋Ｎ）量の影響を示す図。
【図１】
0003705391.tif 000004