(57)【要約】【課題】大型の構造物にも使用できる高強度・高耐食性を有し、低コストでの製造が可能な高窒素オーステナイト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の組成を、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜７．０％未満、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜４．０％、Ｎ：０．４〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．０２％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避の不純物よりなるものとする。所望により、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｃｕ：０．５〜３．０％の１種以上を含有させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜７．０％未満、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜４．０％、Ｎ：０．４〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．０２％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなることを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項１記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｗ：０．０５〜０．５％を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｃｕ：０．５〜３．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高窒素オーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度・高耐食性が要求される大型の産業用機器や大型の海洋、化学、原子力などの各種プラントの構造部材として好適に使用される高窒素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】
従来、耐食性と加工性に優れた鋼として、ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６といったオーステナイト系ステンレス鋼が用いられており、特に、耐食性とともに強度の要求されるような海洋構造物や圧力容器などの構造部材にはＳＵＳ３１６やその類似鋼種が用いられている。上記のオーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れているが、大型の産業用機器や海洋、化学プラントなどの厳しい腐食環境においては、さらなる高耐食性と高強度化が求められている。また、高価なＮｉの使用量が多いことからより安価な材料が求められている。
【０００３】
近年、オーステナイト系ステンレス鋼の強度を増し、かつ耐熱性や耐孔食性を改善する方策として、侵入型固溶元素である窒素を添加した、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献５、特許文献６に示したようなオーステナイト系ステンレス鋼が製造されており、ＪＩＳにもＳＵＳ３０４Ｎ１、ＳＵＳ３０４Ｎ２、ＳＵＳ３０４ＬＮ、ＳＵＳ３１６Ｎ、ＳＵＳ３１６ＬＮが規定されている。
さらに、強力なオーステナイト相安定化元素である窒素の特性に着目して、高濃度の窒素を添加しＮｉの大部分を削減した高窒素オーステナイト系ステンレス鋼が注目されている。特許文献４や特許文献７に示したような高窒素オーステナイト系ステンレス鋼はＮｉを削減しても硬度と耐食性は従来のオーステナイト系ステンレス鋼と同等ないしそれ以上の特性を有している。
【特許文献１】特開昭５９−２２９４７１号公報
【特許文献２】特開平０６−２９３９４２号公報
【特許文献３】特開平１１−３０２７９８号公報
【特許文献４】特表平２００３−５０３５９５号公報
【特許文献５】特開２００４−２２５０８２号公報
【特許文献６】特開２００５−２８１８５５号公報
【特許文献７】特開２００６−５２４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献５、特許文献６のオーステナイト系ステンレス鋼は窒素を含有しているものの、Ｎｉを質量％で７．０％以上必要としており、高価なＮｉの使用により製造コストを下げることが出来ない。
また、特許文献３、特許文献４、特許文献６の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｎｉや窒素と同様にオーステナイト相安定化元素であるＭｎが多く添加されている。このような高Ｍｎ組成を採用すると、溶鋼の窒素溶解度を著しく増加させるため窒素を多く添加できるようになるが、耐食性の劣化や強度不足を招く可能性がある。
さらに、特許文献７の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、多量の窒素添加によりＮｉを大幅に削減しているが、溶解設備に１０気圧前後の高圧環境を維持する付帯設備が必要となることから、設備コストの増大につながるとともに生産量に制限が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、大型の構造物にも使用できる高強度・高耐食性と製造性を有しつつ、過分な高圧環境を必要としない低製造コストの高窒素オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼のうち、請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜７．０％未満、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜４．０％、Ｎ：０．４〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．０２％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の発明は、請求項１記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の発明は、請求項１または２記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｗ：０．０５〜０．５％を含有することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の成分組成に、さらに、質量％で、Ｃｏ：０．５〜３．０％、Ｃｕ：０．５〜３．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする。
【００１０】
以下に、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼において規定する成分の作用および含有量の限定理由について説明する。なお、以下の含有量はいずれも質量％で示される。
【００１１】
Ｃ：０．０１〜０．１％
Ｃは、強力なオーステナイト相安定化元素であると同時に固溶強化成分として非常に有効である。ただし、これらの作用を十分に得るためには０．０１％以上の含有が必要である。一方、０．１％を超える含有は、溶鋼の窒素溶解度を減少させるとともに、Ｃｒ炭化物の形成によりマトリックス中のＣｒ量を減少させ粒界腐食を著しく促進させるなどの耐食性の劣化を招くので、上限を０．１％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、有効な脱酸剤として製鋼工程に不可欠であり、Ｓｉよりも強力な脱酸剤であるＡｌを用いると高温強度や延靭性に悪影響を及ぼすＡｌＮの生成を招く可能性があるため、主要な脱酸剤として使用することが望ましく、そのため０．１％以上の含有を必要とする。しかし、１．０％を超えて含有すると製造時に疵や割れを生じやすいので、上限を１．０％とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．１〜３．０％
Ｍｎは、脱酸や脱硫剤として作用するとともに、オーステナイト相安定化元素であり溶鋼の窒素溶解度を著しく高める。この作用を十分に得るため、０．１％以上の含有を必要とする。一方、３．０％を超えて含有すると耐食性の劣化を招くので、上限を３．０％とする。なお、同様の理由で下限を０．５％、上限を２．５％とするのが望ましい。
【００１４】
Ｎｉ：４．０〜７．０％未満
Ｎｉは、耐食性を得るのに重要な元素でありオーステナイト相安定化元素である。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、オーステナイト単相を得るために少なくとも４．０％以上必要である。しかし、必要以上の含有は、効果は飽和するばかりで原材料コストの増加を招くため、７．０％未満とする。
【００１５】
Ｃｒ：１５．０〜２０．０％
Ｃｒは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高め、マトリックスの耐食性や強度の向上に大きく寄与する。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、０．４％以上の窒素量を確保するためには１５．０％以上の含有が必要である。しかし、Ｃｒはフェライト相安定化元素であるためにオーステナイト相の不安定化を招くため、上限を２０．０％とする。なお、同様の理由で下限を１６．０％、上限を１９．０％とするのが望ましい。
【００１６】
Ｍｏ：０．５〜４．０％
Ｍｏは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高めるとともに固溶強化成分として非常に有効である。さらに、Ｃｒよりも少量で耐食性を向上させる効果があることから、その効果を得るために本発明では０．５％以上含有させる。しかし、必要以上の含有は原材料コストの増加を招くとともに、脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうことから、上限を４．０％とする。なお、同様の理由で下限を１．０％、上限を３．５％とするのが望ましい。
【００１７】
Ｎ：０．４〜１．０％
Ｎは、侵入型固溶元素であり極めて高い固溶強化能を有するとともに、オーステナイト相の安定化および耐食性の向上に有効な本発明の基本となる含有成分である。そのため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼においては、０．４％未満の窒素量ではオーステナイト相が不安定化し、強度の低下や耐食性の劣化を招くので、０．４％以上を含有させる。ただし、１．０％を超えると、窒素ブローホールの生成を抑制するために１０気圧以上の高圧環境下に格納された溶解設備が必要となることから製造コストの増大を招くので、上限を１．０％とする。なお、同様の理由で下限を０．５％、上限を０．９％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、０．０３％を超えて含有すると粒界に偏析したＰが熱間加工性と耐食性を著しく劣化させるので、０．０３％以下に制限する必要がある。
【００１９】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、０．０１％を超えて含有すると熱間加工性が低下するとともに、ＭｎＳなどの硫化物の形成により耐食性が著しく損なわれるので、０．０１％以下に制限する必要がある。
【００２０】
Ａｌ：０．０１％以下
Ａｌは、脱酸剤として有効な元素であるが、高窒素鋼ではＡｌを過剰に添加するとＡｌＮが形成され、熱間加工性の劣化や耐食性の著しい低下を招くので、０．０１％以下に制限する必要がある。
【００２１】
Ｏ：０．０２％以下
Ｏは、含有量が過剰になると鋼塊の清浄度を低下させ、延靭性の低下や耐食性の劣化を招くので、０．０２％以下に制限する必要がある。
【００２２】
以下、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼にさらに添加可能な成分について説明する。
【００２３】
Ｔｉ：０．０５〜０．５％
Ｖ：０．０５〜０．５％
Ｎｂ：０．０５〜０．５％
Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂは、溶鋼の窒素溶解度を高め、炭窒化物を形成して強度の向上に寄与するとともに結晶粒成長を抑制する効果があるので所望により１種または２種以上を含有させる。上記効果を得るには、それぞれ０．０５％以上の含有が必要となるが、上限値を超える添加を行なうと炭窒化物が高温で安定となるために溶体化が困難になり、熱間加工性の劣化や耐食性の低下を招くので、それぞれ所望に含有させる際の含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、それぞれ下限を０．０５％、上限を０．４％とするのが望ましい。
【００２４】
Ｗ：０．０５〜０．５％
Ｗは、Ｍｏと同様に耐食性の向上や固溶強化成分として有効であるので所望により含有させる。その作用を十分に得るために０．０５％以上の含有が必要である。一方で、Ｗは、脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうとともに、溶体化処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物を成長させ耐食性を著しく低下させることから、上限を０．５％とする。
なお、同様の理由で、それぞれ下限を０．０５％、上限を０．４％とするのが望ましい。
【００２５】
Ｃｏ：０．５〜３．０％
Ｃｏは、Ｎｉと同様にオーステナイト相安定化元素であり耐食性に寄与する成分であるので所望により含有させる。０．５％未満では効果が乏しいので０．５％以上含有させるが、必要以上の含有は原材料コストの増加を招くため、上限を３．０％とする。なお、同様の理由で、それぞれ下限を１．０％、上限を２．５％とするのが望ましい。
【００２６】
Ｃｕ：０．５〜３．０％
Ｃｕは、オーステナイト相安定化元素でありＮｉやＣｏと同様にオーステナイト相の安定化に寄与するので所望により含有させる。この作用を十分に得るためには０．５％以上の含有が必要である。一方、３．０％を超える含有は熱間加工性を損なうことから、上限を３．０％とする。なお、同様の理由で、それぞれ下限を０．５％、上限を２．０％とするのが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｎｉ：４．０〜７．０％未満、Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜４．０％、Ｎ：０．４〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．０２％以下に制限し、残部がＦｅおよび不可避の不純物よりなるので、Ｃｒ含有量が同様である公知のオーステナイト系ステンレス鋼よりもＮｉを大幅に削減しながらも、オーステナイト相を安定化する窒素を多量に含有することから、強度と耐食性はほぼ同等かそれ以上の特性を有することができる。
【００２８】
さらに、高価なＮｉやＣｏなどのオーステナイト相安定化元素の使用量を低減して原材料コストの増大を抑え、適度な窒素添加量を採用したことから１０気圧を超える高圧設備を必要としないため、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は大型鋼塊を製造することができ大型構造部材を供給することができる。
この結果、本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、大型構造部材が要求される大型産業用機器や海洋、化学プラントなどにも使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本発明の組成範囲に調整した高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、常法により溶製することができ、本発明としては特に製造方法は特定されるものではない。高窒素の添加は、例えば加圧窒素雰囲気下とした加圧溶解炉において材料を溶解、鋳造することにより行うことができる。
該高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、熱間圧延、熱間鍛造などの熱間加工を経て、必要に応じて冷間加工を行う。また、高窒素オーステナイト系ステンレス鋼には、所望の熱処理を行うことができる。例えば、溶体化処理を行うことができる。好適には、１０００〜１２００℃の溶体化処理が挙げられる。
【００３０】
所定の製造工程を経た本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、海洋構造物や圧力容器などの種々の用途の構造部材として用いることができ、さらに、厳しい腐食環境における高耐食性や高強度特性が要求される大型の産業用機器や海洋、化学プラントなどに好適に用いることができる。上記のように本発明の高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、高耐食性、高強度特性が要求される用途に好適であるが、本発明としては特定の用途に使用目的が限定されるものではない。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は、上記説明の内容に限定をされるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。
【実施例１】
【００３１】
以下に、本発明の実施例について説明する。
表１の成分組成になるように、原料を配合し真空誘導溶解炉で溶解して合金鋼を作製した。次いで、得られた合金鋼から溶解母材を分割し、耐圧容器内に雰囲気加熱炉を設置した加圧溶解炉にて、窒素分圧が１０気圧以下となるように再溶解し、鋳造して鋼塊を得た。この鋼塊を熱間鍛造で２５ｍｍ厚の板材とし、１２００℃×４ｈｒ加熱後水冷する溶体化処理を実施した。
【００３２】
【表１】
2008174789.tif 000002
その後、上記板材より試験片を切り出して常温引張試験を実施した。表２にその結果を示す。表２に示したように、本発明の実施例の０．２％耐力は比較例よりも約２〜３倍高く、引張強度は比較例よりも約１．５〜２倍高くなっている。
【００３３】
【表２】
2008174789.tif 000003
【００３４】
また、上記板材から機械加工により切り出した幅２０ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を用いて耐孔食性の評価試験を実施した。試験は、実施例Ｎｏ．１と比較例Ｎｏ．８及びＮｏ．９において、３０℃における３．５％塩化ナトリウム溶液中の孔食電位を測定した。その際、孔食電位は１０μＡ／ｃｍ２に達する電位と１００μＡ／ｃｍ２に達する電位を測定した。表３にその結果を示す。
表３に示したように、本発明の実施例Ｎｏ．１は、比較例Ｎｏ．９が孔食腐食する電位を大きく上回る電位においても全く孔食が発生せず、比較例Ｎｏ．８及びＮｏ．９よりも優れた耐食性を有していた。
以上のように、本発明は窒素を多量に含有することにより、高価なＮｉの含有量が多い従来鋼と比較して室温強度、耐食性が高くなるという優れた性能を有していることが明らかとなった。
【００３５】
【表３】
2008174789.tif 000004