(57)【要約】【課題】ＳＵＳ４３０より良好な機械的性質を有するとともに、ＳＵＳ３０４と同等以上の耐候性を有する低Ｎｉ高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼材を提供する。【解決手段】上記課題を、質量％で、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１．０％超え２．０％以下、Ｍｎ：３．０〜７．０％、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％未満、Ｃｒ：１８．０％超え２２．０％以下、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．８〜２．０％、Ｎ：０．１〜０．３５％であり、必要に応じてさらにＭｏ：１．５％以下およびＴｉ：０．８％以下の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐候性およびコストパフォーマンスに優れた低Ｎｉ高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼材によって達成する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１．０％超え２．０％以下、Ｍｎ：３．０〜７．０％、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％未満、Ｃｒ：１８．０％超え２２．０％以下、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．８〜２．０％、Ｎ：０．１〜０．３５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼材。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１．０％超え２．０％以下、Ｍｎ：３．０〜７．０％、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％未満、Ｃｒ：１８．０％超え２２．０％以下、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．８〜２．０％、Ｎ：０．１〜０．３５％、かつＭｏ：１．５％以下およびＴｉ：０．８％以下の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＵＳ４３０より良好な機械的性質を有するとともに、ＳＵＳ３０４と同等以上の耐候性を有し、かつ高価なＮｉを節減した低Ｎｉ高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、加工性、溶接性等の特性がフェライト系ステンレス鋼に比べて優れることから、種々の幅広い分野で多用されている。しかし、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼は高価で価格変動の大きいＮｉを多量に含有するため、フェライト系ステンレス鋼に比べて経済的に不安定かつ不利となる問題があった。
ＳＵＳ４３６ＬやＳＵＳ４４４はＳＵＳ４３０の耐食性を改善した鋼として提供されてきたが、加工性がＳＵＳ３０４に及ばないため、その適用には限界があった。
一方、オーステナイト系ステンレス鋼ではＭｎ、Ｃｕ、Ｎなどのオーステナイト生成元素を増加させＮｉの節減を図った鋼が開発されたが、耐食性がＳＵＳ３０４レベルに達しておらず、発銹しやすいなどの欠点があり、一般の市場では受け入れられていないのが現実である。
【０００３】
Ｎｉを低減した高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を向上させた鋼として、特許文献１（「耐食性に優れたＣｒ−Ｍｎ−Ｎ系オーステナイトステンレス鋼」）ではＣ、Ｐ、Ｓ、Ｏの合計量を０．０２００％未満に制限した高純度鋼が提案されている。しかし、商用鋼としてみると、Ｃ、Ｓ、Ｏを低減するには、ステンレス鋼の製造プロセスで長時間の精錬を必要とする。さらにＰの低減については、現在の精錬技術では脱Ｐコストが極めて高く、Ｐ含有量の少ない高価な原料を用いることになりコスト増が不可避であり、現実的ではない。
また、特許文献２（「ニッケル節減型オーステナイト系ステンレス鋼」）では、ＳＵＳ３０４と同等な性質を有する鋼が開示されたが、不純物の規制や耐食性を阻害する元素に関する記述が不十分であり、耐食性、とくに耐候性は必ずしもＳＵＳ３０４同等とはいえず、更なる耐食性改善が求められる。
【特許文献１】特開平９−１９５００７号公報
【特許文献２】特開平３−００２３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｎｉを低減した高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼の最大の特徴はフェライト系ステンレス鋼の及ばない良好な加工性にある。しかし、耐食性はＳＵＳ４３０レベルであるため、Ｎｉを低減した高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼の適用は耐食性の要求レベルの低い、マイルドな一般環境に限定される。
しかし、近年の環境問題、生活レベルの向上、省資源等を背景に、Ｎｉを低減した高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼のニーズが高まり、特性改善の要求が強くなった。本系鋼は器機に加工した状態で市場に適用される場合が多く、Ｎｉを低減した低コストのオーステナイト系ステンレス鋼ではあるが、一定レベルの耐候性が要求される。
本発明は、これらの課題を解決し耐候性が改善された低コストのＣｒ−Ｍｎ−Ｎ系の低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎ系のオーステナイト系ステンレス鋼の耐候性の改善に取り組み、本系鋼において、耐食性を阻害する不純物を可能な限り低減することに加え、Ｃｒ量を増加し、Ｓｉ添加量およびＣｕ添加量を制限することが耐候性向上に有効であるという新しい知見を得て、これらの知見をもとに本発明を完成したものである。
【０００６】
すなわち、上記目的は、質量％で、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１．０％超え２．０％以下、Ｍｎ：３．０〜７．０％、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％未満、Ｃｒ：１８．０％超え２２．０％以下、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．８〜２．０％、Ｎ：０．１〜０．３５％であり、必要に応じてさらにＭｏ：１．５％以下およびＴｉ：０．８％以下の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる耐候性に優れた低Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼材によって達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明鋼材は、後述の実施例で示すように、従来の低Ｎｉ高Ｍｎオーステナイト系ステンレス鋼材の欠点であった耐食性、特に耐候性の向上を図ったもので、ＳＵＳ３０４同等以上の耐候性を有しており、器物、外装品など種々の幅広い用途に適用できる。さらに、本発明鋼材は、高価で価格変動の大きいＮｉの添加量がＳＵＳ３０４に比べて少ないため、ユーザーの経済的負担および限られた資源の使用を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明鋼材組成の各成分元素の作用とその含有量の限定理由について説明する。なお、各成分元素の含有量の単位を示す「％」は特に示さない限り「質量％」を意味する。
【０００９】
〔成分元素〕
Ｃは鋼中に不可避的に含まれる元素であるが、強力なオーステナイト生成元素であり、０．０７％以下の添加を行う。ただし、溶接性および溶接部の耐食性が要求される用途においては、溶接部耐食性を阻害しない範囲として０．０６％以下の添加が望ましい。
【００１０】
Ｓｉは本発明鋼材においては重要な元素であって、脱酸作用のほか、ステンレス鋼の不動態皮膜に酸化物として濃化することで耐候性向上に寄与する。Ｓｉ酸化物の不動態皮膜への濃化はＳｉ１．０％を超える添加で顕著となり、塩化物環境での孔食電位を貴にし耐孔食性を向上させる。しかし、Ｓｉはフェライト生成元素であるため、添加量が多くなるとオーステナイト組織を維持するためにＮｉやＭｎの添加量を増やす必要が生じるため、上限は２．０％とする。
【００１１】
Ｍｎは、Ｎｉ低減のためこれに代わるオーステナイト生成元素として本発明では重要な元素であり、この作用を有効に得るため３．０％以上添加する。しかし、Ｍｎはステンレス鋼の耐食性を阻害する元素であり、また鋼の製造性を阻害しコストの上昇を招くため、Ｍｎ含有量は７．０％を上限とする。
【００１２】
Ｐは母材および溶接部靭性を損なうので低い方が望ましいが、含Ｃｒ鋼の脱リンは困難でありかつ製造コストの上昇を招くので上限を０．０４５％とする。
【００１３】
ＳはＭｎと結合して硫化物を形成し孔食の起点となり耐食性を阻害し、また、溶接部の高温割れに悪影響を及ぼすため、その含有量は低い方が好ましい。本発明鋼では耐候性を重視し、Ｓ含有量を０．００３％未満とする。
【００１４】
Ｎｉはオーステナイト生成元素であるとともに、耐食性についても腐食の進行を抑制する作用を有する。本発明では耐食性の観点からＭｎの添加量を制限しているため、オーステナイト組織の維持と耐食性のためにＮｉを添加するものであって、鋼の製造コストを勘案し、Ｎｉ含有量を３．０〜５．０％とする。
【００１５】
Ｃｒは不動態皮膜の構成元素で、耐孔食性、耐隙間腐食性および一般の耐食性向上に大きな役割を担っている。特に耐候性を向上させるためには１８．０％を超える添加が必要であり、望ましくは１９．０％以上の添加が好ましい。しかし、Ｃｒ量が多くなるとオーステナイト組織を維持するためにＭｎ、Ｎｉの添加量が増しコスト増に繋がるため、Ｃｒ量上限を２２．０％とする。
【００１６】
ＭｏはＣｒとともに耐食性を高める有効な元素である。Ｍｏの耐食性改善効果はＣｒ量が多いほど大きくなることから、１８．０％を超えるＣｒ量の鋼に添加することでより大きな効果が得られる。ただし、本発明の特徴は低コストにあるので、要求される耐候性レベルに応じて１．５％を上限に添加する。
【００１７】
Ｃｕはオーステナイト生成元素であるため、本発明では所定量の添加を行う。耐食性に及ぼすＣｕの作用としては孔食や隙間腐食の進行を抑制し、中性の塩化物環境で耐応力腐食割れ性を高める。しかし、多すぎると鋼の孔食電位を低下させ孔食の発生を促進するので、良好な耐候性を保つため本発明では添加量を制限し、下限を０．８％、上限を２．０％とする。
【００１８】
Ｎは本来不純物元素であるがオーステナイト相の安定化に有効な元素であり、０．１％以上の添加で耐孔食性を向上させる作用を有している。しかし、多く添加すると、鋼を硬質にして加工性を損ね、鋼の表面疵の原因となるなどの問題があり、本発明では、Ｎ含有量を０．１〜０．３５％とする。
【００１９】
Ｔｉは耐候性に有害な鋼中Ｓを安定な硫化物として固定することで、発銹の起点を少なくして耐発銹性を改善する。さらに、固溶したＴｉは不動態皮膜をより安定にし孔食の発生を抑制することで、耐候性を改善する作用を有している。本発明では、Ｎｉ量低減のため、ステンレス鋼の耐食性を低下させるＭｎを多く添加するので、耐食性改善の観点からＴｉの添加は有効である。ただし、Ｔｉ添加量が多くなると表面疵が多発し、鋼の製造過程で研磨工程の負荷が増大し、製造コスト増に繋がる。したがって、Ｔｉ量の上限を０．８％とする。
【実施例】
【００２０】
以下に、実施例をあげて本発明の作用効果を具体的に示す。表１に示す化学成分を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３ｍｍの熱延板を作成した。その後、板厚１ｍｍにまで冷間圧延し、１０５０〜１１００℃で仕上げ焼鈍を施し、酸洗したのち試供材とした。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１中、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.７は本発明鋼材であって、１９Ｃｒ−４Ｎｉ−４．５Ｍｎをベースとし、Ｎｉの低減を図ったもので、Ｎ、Ｃｕ、Ｓｉ、必要に応じてさらにＭｏ、Ｔｉを添加している。Ｎｏ.１とＮｏ.２はＣｒの影響をみた鋼材、Ｎｏ.３とＮｏ.４はＭｏの添加量を変えた鋼材、Ｎｏ.５とＮｏ.６はＴｉを添加した鋼材、Ｎｏ.７はＭｏとＴｉを添加した鋼材である。
Ｎｏ.８〜Ｎｏ.１３の比較鋼材のうち、Ｎｏ.８〜Ｎｏ.１１は製造履歴が上記本発明鋼材と同じである。Ｎｏ.１２とＮｏ.１３はＪＩＳに規定される商用鋼材である。比較鋼材のうち、Ｎｏ.８鋼材はＣｒ％が本発明の組成範囲外の低い鋼材であり、Ｎｏ.９鋼材はＳｉ％が本発明の組成範囲外の低い鋼材であり、Ｎｏ.１０鋼材はＣｕ％が本発明の組成範囲を超えた鋼材、Ｎｏ.１１鋼材はＣ％が本発明の組成範囲外の高い鋼材であり、Ｎｏ.１２鋼材はＳＵＳ３０４であり、Ｎｏ.１３鋼材はＳＵＳ４３０である。
【００２３】
前記のようにして製造した各鋼材について、孔食電位の測定、塩噴霧−乾燥−湿潤の繰返し試験（Cyclic  Corrosion  Test、以下ＣＣＴということがある。）および溶接部の粒界腐食試験を行った。
孔食電位の測定はＪＩＳＧ０５７７「ステンレス鋼の孔食電位測定方法」に準じて行った。
【００２４】
ＣＣＴは、５％ＮａＣｌを１５分間噴霧→６０℃、３０％ＲＨ（相対湿度）で１時間乾燥→５０℃、９５％ＲＨで３時間湿潤を繰返す条件とし、試験は５０サイクルまで行った。板厚１ｍｍの冷延焼鈍材から１００ｍｍ×５０ｍｍの短冊片を切り出し、試験面および切断端面を６００番手まで研磨し試験片とした。試験後の耐発銹性の評価は目視で行い、表２に３段階で表示した。すなわち、ＳＵＳ３０４を基準とし、赤さび発生が多く劣るものを△、同等のものを□、優れるものを○で表示した。
溶接部の粒界腐食試験はＪＩＳＧ０５７５「ステンレス鋼の硫酸・硫酸銅腐食試験方法」に準じて行った。溶接は、１００ｍｍ×２５０ｍｍ、板厚１ｍｍの板にＴＩＧ溶接を２度繰返して行い、腐食試験片を切り出した。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
表２に腐食性および機械的性質の試験結果を一覧にして示す。
表２より本発明鋼材の孔食電位（単位：Ｖ vs  ＳＣＥ）はＳＵＳ３０４の孔食電位の０．２６Ｖ vs  ＳＣＥ以上であることがわかる。とくにＭｏを添加したＮｏ.３鋼、Ｎｏ.４鋼は０．３Ｖ vs  ＳＣＥ以上の高い孔食電位を示した。同様に、Ｔｉを添加したＮｏ.６鋼およびＴｉとＭｏを添加したＮｏ.７鋼の孔食電位も０．３Ｖ vs  ＳＣＥ以上であり、これらの鋼は良好な孔耐食性を有している。
【００２７】
ＣＣＴ５０サイクルでの耐発銹性は孔食電位の結果と同様に、本発明鋼はいずれもＳＵＳ３０４と同等または良好な耐候性を示した。比較例のＮｏ.８〜Ｎｏ.１０鋼の耐発銹性はＳＵＳ３０４より劣る結果となったが、Ｃｒ、Ｓｉが本発明の組成範囲に及ばない（Ｎｏ.８、Ｎｏ.９鋼）、Ｃｕが本発明の組成範囲を超えて添加されている（Ｎｏ.１０鋼）ことによるものである。
溶接部の耐粒界腐食性についての粒界腐食感受性の判定は、試験後にＵ字曲げを行い、２０倍のルーペで割れの有無を調べて行った。表２に示すように、本発明鋼には粒界腐食の発生は認められず、溶接施工が可能であることがわかる。一方、比較例のＮｏ.１１鋼はＣ量が０．０８５％と高く、溶接熱影響部で粒界腐食が生じていた。
【００２８】
表２の機械的性質から明らかなように、本発明鋼材はＣｒ量が多いうえにＮを０．２％程度含有しているため、ＳＵＳ３０４に比べて若干硬質になったが、４０％以上の伸びが得られており、オーステナイト系ステンレス鋼材のもつ良好な成形性を有していることがわかった。