(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：８〜２５％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｍｏ：０〜７％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｎ：０．０６％以下、およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＹ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２％含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記▲１▼式で定義されるＴ値が１１５０〜１３００であり、かつ｛Ｙ（％）＋０．７０４Ｌａ（％）＋０．７６１Ｃｅ（％）＋０．９２５Ｎｄ（％）｝／Ｓ（％）が２０〜３００であることを特徴とする熱間加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｔ＝７５０Ｃ（％）−１０Ｓｉ（％）−１１Ｍｎ（％）−４５Ｃｒ（％）＋３４Ｎｉ（％）−３２Ｍｏ（％）＋７００Ｎ（％）＋１６５０・・・・・・・▲１▼
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱間加工性に優れたオーステナイト（以下、「γ」と記す）系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＵＳ３１６Ｌ等のγ系ステンレス鋼は耐食部材として幅広く用いられている。近年、主に半導体製造分野において、鋼の表面から放出される微粒子を極力低減した材料への要求が高まり、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ等の含有率を制限することにより非金属介在物を低減した鋼が提案されている（特開昭６３−１６１１４５号公報）。同公報に開示されているように、Ｍｎは溶接時に耐食性劣化の根源であるヒュームを発生させるため、半導体製造分野で使用される鋼はＭｎ含有率１％以下とすることが必須となっている。しかし、Ｍｎは熱間加工性を阻害するＳを固定し、熱間加工性を向上させる作用を有するために、Ｍｎを低減した鋼は熱間加工性が著しく低下し、商業規模での実製造上、大きな問題となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、良好な熱間加工性を有する低Ｍｎ含有率のγ系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記の課題を解決するため、低Ｍｎのγ系ステンレス鋼の熱間加工性についてγ粒径とＳの偏析に着目して鋭意研究を行った結果、下記の事項を確認することができた。
【０００５】
（ａ）γ系ステンレス鋼の熱間加工性が低下するのは、粗大なγ粒であることおよびそのγ粒界にＳが偏析することが主要な原因である。
【０００６】
（ｂ）γ系ステンレス鋼の熱間加工性を向上させるには組織を微細化することが必要である。組織の微細化は、下式▲１▼で定義されるＴ値を一定範囲に制御することにより実現される。その理由はγ単相化温度の低下や凝固時の初相がδ相になる等の効果により凝固組織の粗大化が防止されるからである。
【０００７】
Ｔ＝７５０Ｃ（％）−１０Ｓｉ（％）−１１Ｍｎ（％）−４５Ｃｒ（％）＋３４Ｎｉ（％）−３２Ｍｏ（％）＋７００Ｎ（％）＋１６５０・・・・・・・▲１▼
（ｃ）Ｓの粒界への偏析は、Ｔ−｛Ｍｎ(％)／Ｓ(％)｝を一定範囲に制御することにより実現される。
【０００８】
通常は、上記（ｂ）および（ｃ）を組み合わせることにより、低Ｍｎ含有率でも良好な熱間加工性が得られるが、さらに優れた熱間加工性を確保するためには、下記の方法が有効である。
【０００９】
（ｄ）希土類元素Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄを含ませ、Ｓと結合させてＳの害を徹底して除き、同時に硫化物等の微細分散により組織の微細化を図る。
【００１０】
本発明は上記事項をもとに実際の試作を経て完成されたもので、その発明の要旨は下記の組成を有するγ系ステンレス鋼にある。
【００１１】
質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：８〜２５％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｍｏ：０〜７％、Ａｌ：０．０３％以下、Ｎ：０．０６％以下、およびＯ：０．０１％以下を含有し、さらにＹ、Ｌａ、ＣｅおよびＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．０１〜０．２％含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、下記▲１▼式で定義されるＴ値が１１５０〜１３００であり、かつ｛Ｙ（％）＋０．７０４Ｌａ（％）＋０．７６１Ｃｅ（％）＋０．９２５Ｎｄ（％）｝／Ｓ（％）が２０〜３００であることを特徴とする熱間加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
Ｔ＝７５０Ｃ（％）−１０Ｓｉ（％）−１１Ｍｎ（％）−４５Ｃｒ（％）＋３４Ｎｉ（％）−３２Ｍｏ（％）＋７００Ｎ（％）＋１６５０・・・・・・・▲１▼
【００１２】
上記の本発明において、「熱間加工」は、熱間圧延、熱間鍛造、熱間での押し出し、穿孔、孔拡げ等が該当する。γ系ステンレス鋼は上記の各合金元素の範囲を満たすものは全て含まれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の合金の組成範囲を上記のように限定した理由について説明する。以後の説明において、各合金元素についての「％」は「質量％」を表す。
【００１４】
Ｃ：０．０６％以下
Ｃは炭化物を形成し特に粒界近傍の耐食性を劣化させるとともに、熱間加工性も低下させるので０．０６％以下とする。さらに良好な耐食性を確保するために望ましくは０．０３％以下とする。ただし、耐食性はある程度にとどめて、強度上昇や溶接熱影響部（ＨＡＺ）でのγ相安定化を重視する場合には、上記にかかわらず、Ｃは０．０３％以上とすることが望ましい。
【００１５】
Ｓｉ：０．８％以下
Ｓｉは脱酸作用を有し製鋼上不可欠なので精錬時に添加するが、鋼中に留まらなくてもよい。鋼中にＳｉが含まれる場合、０．８％を超えると熱間加工性が低下し、かつ酸化物系介在物を形成し半導体製造分野等で使用される場合の耐食性を劣化させるので０．８％以下とする。さらに良好な熱間加工性および耐食性を確保するには０．１％以下とすることが望ましい。ただし、Ｓｉは脱酸のために添加されるので、通常は下限は０．０２％程度となる。
【００１６】
Ｍｎ：０．５％以下
Ｍｎは脱酸作用を有し、かつ熱間加工性を阻害するＳを固着し、熱間加工性を改善するのに有効であるが、半導体製造分野等で用いられる場合には、溶接時に耐食性劣化の根源であるヒュームを発生させるのでＭｎは低減させることが必須である。本発明においては、Ｍｎに依存しないで熱間加工性を改善するため、Ｍｎは脱酸のために溶湯中に添加するが鋼中に含まれるＭｎはできるだけ低くするのがよい。そのためＭｎの上限は０．５％とする。さらにヒューム発生を抑制するためには、望ましくは０．１以下とするのがよい。
【００１７】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物として鋼の清浄度を低下させ、さらに溶接性も低下させる。しかしステンレス鋼のＰ含有率を極度に低下させるには製造コストが大幅に上昇し、経済的に不利になるので、溶接性と経済性の両者から許容できる範囲として０．０３％以下とする。
【００１８】
Ｓ：０．００３％以下
Ｓは熱間加工性を阻害するので、できるだけ低減するのがよく、０．００３％以下とする。さらに望ましくは０．００２％以下とする。
【００１９】
Ｎｉ：８〜２５％
Ｎｉは安定してγ相単相とする上で必須の元素である。Ｎｉの最適な含有率は、鋼中に含まれるＣｒ、Ｍｏ等のフェライト生成元素やＣ、Ｎ等のγ相生成元素の含有率によって決まる。本発明鋼ではＮｉ８％未満ではγ相の安定化が困難であり、一方、２５％を超えると熱間加工中に発生する疵等の表面手入れの工数等の増加および高価なＮｉの増加の両方の要因により製造コストが上昇するので、Ｎｉは８〜２５％とする。
【００２０】
Ｃｒ：１５〜３０％
Ｃｒは耐食性を確保するために必須の元素であり、含有率が増加するほど耐食性は向上する。１５％未満では目的とする耐食性の効果が得られない。一方、３０％を超えると前記Ｎｉの範囲では安定なγ相単相組織が得られない。そのためＣｒは１５〜３０％とする。
【００２１】
Ｍｏ：０〜７％
Ｍｏは無添加でもよい。Ｍｏは耐食性向上に有効であり、本発明においても必要に応じて含有させるが、１％未満では耐食性向上の効果は小さいので、含有させる場合には１％以上とすることが望ましい。しかし、７％を超えと熱間加工性が低下するため、含有させる場合の上限は７％とする。耐食性と熱間加工性の両者ともに良好にするには、２〜５％とすることが望ましい。
【００２２】
Ａｌ：０．０３％以下
ＡｌはＳｉと同じく脱酸元素として必ず添加されるが鋼中に留めなくてもよい。しかし、ある程度鋼中に留めないと凝固時に酸素が微小なピンホールを形成して内部欠陥を形成する場合があるので、０．００２％程度以上は留めることが望ましい。一方、０．０３％を超えると酸化物系介在物を形成し半導体製造分野等で使用される場合の耐食性を劣化させるため０．０３％以下とする。さらに良好な耐食性を得るために望ましくは０．０１％以下とする。
【００２３】
Ｎ：０．０６％以下
Ｎは窒化物を形成し、とくに粒界近傍の耐食性を劣化させるとともに、熱間加工性も低下させるので０．０６％以下とする。さらに良好な耐食性を確保するには、望ましくは０．０２％以下とする。ただし、耐食性よりも強度上昇やＨＡＺでのγ相安定化を重視する場合には、上記にかかわらず、０．０２％程度以上とすることが望ましい。
【００２４】
Ｏ：０．０１％以下
Ｏは鋼中で酸化物系介在物を形成するため半導体製造分野等における耐食性向上のために、０．０１％以下とする。さらに望ましくは０．００５％以下とする。
【００２５】
Ｔ：１１５０〜１３００
▲１▼式で定義されるＴ値が１１５０未満の場合、δフェライト相が過多となり粒成長抑制やＳの偏析抑制といった改善効果よりも、強度差の大きい、δフェライト相とγ相の界面が増加するという悪影響がまさり、熱間加工性が劣化する。一方、１３００を超えると凝固に際して初相がδフェライト相とならずγ相となるため、δフェライト相とγ相との混合組織状態における粒径成長抑制効果が期待できず、粗大なγ粒が生成し、熱間加工性は劣化する。また、１３００を超えると、たとえ初相がδフェライト相であっても、γ相単相となる温度が高温になりやはり混合組織による粒径成長抑制効果が高温域で期待できないためγ粒径の成長が生じ、粗大なγ粒径となる。このため、Ｔは１１５０〜１３００とする。
【００２６】
通常の熱間加工条件に対しては上記合金元素の範囲およびＴ−｛Ｍｎ（％）／Ｓ（％）｝：２００〜１２５０の指標を満たすγ系ステンレス鋼は容易に加工することができる。耐食性向上のためにＭｎは低いものの、ＳはＭｎで固定される。しかし、ＳのＭｎによる固定はＭｎが低く完全を期しがたいので、組織の微細化の程度、すなわちＴ値との関係で制限を設ける。Ｔ値が上記１１５０〜１３００の範囲内にあることを前提にして、指標Ｔ−｛Ｍｎ（％）／Ｓ（％）｝が１２５０を超える場合、γ粒径はある程度微細であるがＭｎによるＳの固定がその粒径に対してさえ不完全であるため、熱間加工性が低下する。一方、２００未満のときには、熱間加工性は良好であるがＳに比してＭｎが高すぎ耐食性が低下する。このため、上記指標は２００〜１２５０とすることができる。
【００２７】
本発明は、上記指標を必須としない。本発明は、加工条件がさらに厳しい場合に対処し得るγ系ステンレス鋼であり、下記の合金元素および条件が付加される。
【００２８】
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ：０．０１〜０．２％
これらの元素はＳと硫化物等を形成し、かつその硫化物等の溶解度積はＭｎの硫化物等のそれよりも小さいので、Ｓの固定がより強固になされ、熱間加工性をさらに改善する。また、これら元素の硫化物等はＭｎの硫化物等に比べて微細に分散するのでγ粒径の成長抑制にも有効に作用する。０．０１％未満ではこれら効果が小さいので、これら作用を発揮させるためにその下限を０．０１％とする。しかし、０．２％を超えると硫化物等が凝集粗大化して熱間加工時にこれを起点に割れを生じる場合があり、逆に熱間加工性が低下するので上限は０．２％とする。したがって、これら元素の含有率は０．０１〜０．２％とする。熱間加工性をさらに良好にする場合には、０．０３〜０．１５％とすることが望ましい。
【００２９】
これらの元素は１種だけ含有させてもよく、また、２種以上複合して含有させてもよい。本発明においてこれらの元素は、いずれも同様な作用効果を持っているので２種以上同時に含有させる場合、これら元素の合計で０．０１〜０．２％の範囲とする。
【００３０】
｛Ｙ（％）＋０．７０４Ｌａ（％）＋０．７６１Ｃｅ（％）＋０．９２５Ｎｄ（％）｝／Ｓ（％）：２０〜３００
Ｓを完全に硫化物等として固定するためには、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの各元素の単独添加の場合も複合添加の場合も、｛Ｙ（％）＋０．７０４Ｌａ（％）＋０．７６１Ｃｅ（％）＋０．９２５Ｎｄ（％）｝／Ｓ（％）が２０〜３００を満たす必要がある。２０未満の場合には、Ｓの固定が不完全となり微量のＳの粒界偏析が生じ、熱間加工性が低下する。一方、３００を超えると前記硫酸化物等が凝集粗大化してγ粒径の成長抑制が不完全となり、かつ凝集粗大化した硫酸化物自体により熱間加工性が劣化する。このため、上記の指標は２０〜３００とする。
【００３１】
【実施例】
つぎに本発明の効果を、実施例により説明する。
【００３２】
表１および表２は、本実施例に用いた試験材の化学組成を示す。
【００３３】
【表１】
0003539120.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003539120.tif 000003
【００３５】
試験材番号１〜２３は本発明例であり、試験材番号ｉ〜ｒは比較例である。
【００４７】
各試験材は鋳造ままの５０ｋｇインゴット（真空高周波誘導炉によって溶製）から切り出し、実施例１と同じ引張試験および熱間圧延試験を行った。
【００３６】
表３は、引張試験での絞り率と２０ｍｍ厚鋳片を１０ｍｍ厚まで熱間圧延した場合の割れ発生状況を示す。
【００３７】
【表３】
0003539120.tif 000004
【００３８】
比較例の鋼の絞り率は全て６０％以下であり、熱間圧延時に割れも発生し、熱間加工性が不良であった。具体的に比較するとＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄを全く含有しない比較例ｉ、ｌ、ｒの鋼はＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ以外の成分や、Ｔ値が同程度である本発明例５の鋼と比較して絞り率が低く、熱間圧延時の割れも顕著であり熱間加工性が低かった。また、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄを含有していてもその含有率が本発明の範囲外である比較例ｊ、ｍの鋼は、他の成分やＴ値が同程度の本発明例１２の鋼よりも絞り率が低く、熱間加工性が悪い結果となった。また、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの含有率が本発明の範囲内であっても、Ｔ値が本発明の範囲外である比較例ｋ、ｎ 、ｏ、ｐ、ｑの鋼は絞り率が６０％以下であり、熱間圧延時に割れが発生した。
【００３９】
これに対して、本発明例の鋼１〜２３は全て６０％以上の絞り率を示し、熱間圧延時の割れも発生せず、良好な熱間加工性を示した。
【００４０】
図１は、絞り率に及ぼすＴ値の影響を示す図面である。この図よりＴ値を本発明の範囲内に制御することにより、６０％以上の良好な絞り率が得られ、熱間加工性が向上することが分かる。
【００４１】
以上の比較によりＴ値を１１５０〜１３００に制御し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄを｛Ｙ（％）＋０．７０４Ｌａ（％）＋０．７６１Ｃｅ（％）＋０．９２５Ｎｄ（％）｝／Ｓ（％）が２０〜３００を満たすよう含有させることにより熱間加工性の大幅な改善が可能であることが分かった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明鋼はＭｎ含有率を低くしながら非常に良好な熱間加工性を有するγ系ステンレス鋼であり、各種耐食部材、とくに半導体関連産業で低ヒュームが要求される環境の部材に幅広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】絞り率に及ぼすＴ値の影響を示す図である。
【図１】
0003539120.tif 000005