(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、
Ｃ：０．００１〜０．０７％
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
Ｐ：０．０１〜０．０５％
Ｓ：０．０００１〜０．０１％
Ｃｒ：１１〜２５％
Ｎｉ：０．０１〜０．７％
Ａｌ：０．０００５〜０．１％
Ｎ：０．００１〜０．０５％
Ｎｂ：０．００１〜０．８％
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ１式で示されるγｐｏｔ．が−６０以上２０以下を満足するフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法において、
前記フェライト系ステンレス鋼を連続鋳造し、
連続鋳造時における１２００〜９００℃の温度域の平均冷却速度を０．２５℃／秒以上に制御し、
続いて少なくとも２００℃以上温度を確保して再加熱炉に装入し、
続いて６５０〜１０００℃の温度範囲で１〜１０時間再加熱することを特徴とする、
フェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
γｐｏｔ．＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋２３Ｎｉ＋９Ｃｕ＋７Ｍｎ−１１．５Ｃｒ−
１１．５Ｓｉ−１２Ｍｏ−４７Ｎｂ−５２Ａｌ＋１８９≦２０          １式
【請求項２】
さらに、質量％にて、
Ｍｏ：０．３〜５．０％
Ｃｕ：０．３〜１．０％
の１種以上含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の再加熱後の再加熱温度から５００℃以下までの平均冷却速度が５℃／ｈｒ以上４０℃／ｈｒ以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフェライト系ステンレス鋼連続鋳造鋳片における課題である内部割れが無くスケールロスを低減し、かつコスト，能率への阻害を最小限とする製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＵＳ４３０鋼で代表されるフェライト系ステンレス鋼は高価なＮｉを大量に含まず安価であるため、自動車外装部品や建築内装品などの比較的マイルドな腐食環境で表面の美麗さを要求される用途に広く用いられている。ＳＵＳ３０４鋼で代表されるオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一般的に耐食性が劣るため用途が限定されていたが、近年では例えば特許文献１に示されているごとく高Ｃｒ化およびＮｂ，Ｔｉ，Ｍｏ等の添加により、ＳＵＳ３０４や鋼種によってはＳＵＳ３１６と同レベルの耐銹性を持った鋼種が登場し、オーステナイト系ステンレス鋼と全く同様もしくは応力腐食割れ感受性がない利点を生かした用途に広く使用されている。
【０００３】
上記の高耐食鋼種の場合、耐食性を劣化させるＣ，Ｎを極力低減させる必要があり、これらはオーステナイト生成元素であるため低減すると全温度でオーステナイト相に変態しないオールフェライト鋼となる。フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系と比べ元々靱性に劣るが、オールフェライト鋼もしくはごく少量のオーステナイト相のみ生じる鋼は鋳造時に固相変態を生じないかごく少量であることから鋳片粒のサイズがｍｍ単位の非常に大きなものとなり、特に低靱性となる。それに加え、耐食性向上のために添加するＮｂ等は靱性を更に低下させる。
【０００４】
この低靱性のフェライト系ステンレス鋼の場合、製造時に問題となるのが、連続鋳造による鋳片が冷却時に割れる内部割れである。これは、鋳片冷却時の外内面の温度差に起因して生じる引張残留応力により、鋳片の横断面もしくは表面と平行に生じる大きな割れであり、再加熱中に鋳片が折損する等の重大な事故の原因となる。
【０００５】
この対策として従来は、徐冷炉等により８００℃付近から１００℃付近までを徐冷する方法、鋳片の延性―脆性遷移温度が３００℃付近にあることから３００℃以下に冷却することなく再加熱する方法（特許文献１）や、３００℃になる前に再加熱し軽圧下をする方法（特許文献２）、更には３００℃になるまでに再加熱し８００〜１３００℃で１〜１０時間加熱後３００℃まで平均４０℃／ｈｒ以下で徐冷する方法（特許文献３）が開示されている。
【０００６】
しかしながらこれらの方法は、上記問題を解決するには不適切であったり、他の問題を生じるものである。まず徐冷するという方法は、その速度を５℃／ｈｒ程度まで低下しても効果がなく、たとえそれ以下にすることで効果があったとしてもコスト的に不利である。３００℃以下に冷却しないという対策は、当該鋼において延性−脆性遷移温度が２００℃程度であり、従って、脆性域を一度も通らずに済ますという意味で確実かつ適切な方法ではあるが、鋳造と圧延を必ず同一タイミングで行うという製造制約の非常に大きい方法をとるのでない限り、数日〜数週間に渡って３００℃以上をキープする保定熱処理を行う必要があり、該当鋼鋳片を全て熱処理する大規模な設備を必要とするのみならず、製造工程の自由度とコストを大きく阻害する方法であると言える。軽圧下をする方法は上記の阻害を解決することは出来るが、軽圧下の設備を設置する必要がある。
【０００７】
一方、特許文献４に示される方法は、該処理を行った後は冷片に出来るため製造工程の自由度が高く、設備として必要なのは熱処理炉だけであり、熱処理時間も数時間のみのためコスト、能率の阻害も最小限度であることから、最も効果的な方法と言える。しかしながら残った問題として、８００〜１３００℃という高温の熱処理を実施するためスケールロスが無視出来ないことがある。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５７−１４０８６０号公報
【特許文献２】特開昭５８−３９７３２号公報
【特許文献３】特開昭５９−１０７０２２号公報
【特許文献４】特開昭６０−２６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は全温度でほとんど全てがフェライト相となるため靱性が非常に低く、鋳造後の冷却時に残留応力による内部割れを生じるフェライト系ステンレス鋼連続鋳造鋳片において、設備費、製造費、製造工程の自由度への阻害を最小限度としつつ、内部割れが無く、キャビティー酸化起因欠陥を低減した製造方法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】
【００１０】
本発明は上記課題を達成するための方策として、従来技術で検討されてきた鋳造後の温度パターン制御に加え、鋳片鋳造時の条件を規定することに着目し、それによりキャビティー酸化起因欠陥を抑制可能な条件を見出し具現化したものである。
【００１１】
本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％にて、
Ｃ：０．００１〜０．０７％
Ｓｉ：０．０１〜１．０％
Ｍｎ：０．０１〜２．０％
Ｐ：０．０１〜０．０５％
Ｓ：０．０００１〜０．０１％
Ｃｒ：１１〜２５％
Ｎｉ：０．０１〜０．７％
Ａｌ：０．０００５〜０．１％
Ｎ：０．００１〜０．０５％
Ｎｂ：０．００１〜０．８％
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ１式で示されるγｐｏｔ．が−５０以上２０以下を満足するフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法において、
前記フェライト系ステンレス鋼を連続鋳造し、
連続鋳造時における１２００〜９００℃の温度域の平均冷却速度を０．２５℃／秒以上に制御し、
続いて少なくとも２００℃以上温度を確保して再加熱炉に装入し、
続いて６５０〜１０００℃の温度範囲で１〜１０時間再加熱する。フェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
γｐｏｔ．＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋２３Ｎｉ＋９Ｃｕ＋７Ｍｎ−１１．５Ｃｒ−
１１．５Ｓｉ−１２Ｍｏ−４７Ｎｂ−５２Ａｌ＋１８９          １式
（２）さらに、質量％にて、
Ｍｏ：０．３〜５．０％
Ｃｕ：０．３〜１．０％
の１種以上含有することを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
（３）（１）又は（２）に記載の再加熱後の再加熱温度から５００℃以下までの平均冷却速度が５℃／ｈｒ以上４０℃／ｈｒ以下であることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、全温度でオーステナイト相が生じないかもしくは極少量で残りがフェライト相となるため靱性が非常に低く、鋳造後の冷却時に残留応力による内部割れを生じるようなフェライト系ステンレス鋼連続鋳造鋳片において、設備費、製造費、製造工程の自由度への阻害を最小限度にした上で、内部割れの防止と、キャビティー酸化起因欠陥の低減を両立する事が出来、効率的に高品質の鋼材を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、発明を詳細に説明する。
【００１４】
当該鋼の内部割れは、前述の通り、鋳片冷却時の外内面の温度差に起因して生じる引張残留応力による脆性割れであるが、割れの起点は粒界等に析出する粗大炭窒化物である。従って、内部割れを低減するには残留応力を低減するか粗大炭窒化物の形態を変更することが有効と言える。
【００１５】
そのうち炭窒化物の形態を制御することについては、前述の特許文献４では後熱処理によって形態制御をしているが、鋳造後の冷却によって析出する際に微細化するのが最も効果的であるにも関わらずこれまで検討されたことは無かった。
【００１６】
そこで発明者らは、鋳造後炭窒化物が析出する温度域を急冷することで炭窒化物を微細析出させ、割れ感受性を低める事を考え実験を行った結果、必要な後熱処理温度を低減出来、前述の高温酸化による鋳片キャビティー酸化欠陥を抑制できることを見出し本発明に至ったものである。
【００１７】
一方残留応力は、冷却時に表層と中心の温度差がある場合、熱収縮の不均一が起きることから生じるものである。連続鋳造の場合、凝固時の冷却で十分大きな引張応力が発生するため、上述のような炭窒化物の微細化を図って割れ感受性を高めても割れ防止出来ず、どちらにしても除去工程を加える必要はある。そのためには鋳片をある一定の条件で熱処理すればよい。一定温度以上の熱処理により材料にクリープ現象が生じ残留応力が消失するためである。これに要する温度は材料がクリープする温度以上であり、時間については鋳片全体が一定温度になってさえいれば極短時間で終了する。従って、析出物の形態制御に要するような高温長時間は要しない。
【００１８】
一方、熱処理による酸化状況については、実験を行ったところ、通常の燃焼雰囲気熱処理の場合、１０００℃超で急速に酸化量が増え、１０００℃以下における酸化量は比較的少量であることが判明した。これは１０００℃以下の場合Ｃｒリッチスケールが保護被膜の役割を果たし、酸化は一定以上あまり進まないのに対し、１０００℃超ではこの保護効果が消失するためである。
【００１９】
以下に本発明の製造方法について工程順を追って説明する。
【００２０】
まず、当該鋼の鋳片を鋳造すると、固溶したＣとＮが１２００〜９００℃の温度域でＮｂまたはＣｒの炭窒化物となって析出する。この析出温度域を平均０．２５℃／秒以上の冷却速度で冷却することにより炭窒化物を微細析出させる。ここで、鋳片温度は鋳片表面温度を意味する。
【００２１】
次に脆性域となり割れが発生する２００℃以下にすることなく加熱炉に挿入する。この際の冷却速度、加熱炉における昇温速度については特に規定はない。なぜなら、炭窒化物は既に析出しており、残留応力については以降の熱処理で消失出来る上、２００℃以上の場合になっている限り高応力でも割れを生じないためである。
【００２２】
更に成分に応じた適正温度、時間で熱処理を行う。これは熱処理以前に発生した残留応力をクリープ効果によって消失させるためである。酸化によるスケールロス、中心キャビティー酸化起因欠陥を抑制するため必要以上の高温では熱処理を行わないことが望ましい。
【００２３】
再加熱処理が完了した後、冷片とするまでの冷却については、それによって生じる残留応力がさほど大きくはないため必須ではないが、出来る限り低減するためには再加熱温度から５００℃までの平均冷却速度を４０℃／ｈｒ以下の徐冷をし冷片とすればよい。
【００２４】
この結果、鋳片を常温まで冷却しても割れを起こすことは無くなる。
【００２５】
次に本発明の構成要件の限定理由を示す。
【００２６】
Ｃは、加工性と耐食性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がるため、０．００１〜０．０７％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．００２〜０．０５％が望ましい。
【００２７】
Ｓｉは、脱酸元素であるため精錬中に添加されるが、１．０％を超えると加工性が劣化し、０．０１％未満では精錬コストの増加につながる。従って、Ｓｉの範囲は０．０１〜１．０％とした。更に、材質特性を考慮すると０．１〜０．６％が望ましい。
【００２８】
Ｍｎは、加工性と耐食性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がると共に、Ｓｉ同様脱酸効果を有することから、０．０１〜２．０％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．１〜０．５％が望ましい。
【００２９】
Ｐは、加工性と耐食性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がるため、０．０１〜０．０５％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．０２〜０．０４％望ましい。
【００３０】
Ｓは、Ｐと同様で含有量が少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がる。従って、Ｓの範囲は０．０００１〜０．０１％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．０００５〜０．００５％が望ましい。
【００３１】
Ｃｒは、耐食性確保のために１１％以上の添加が必要であるが、２５％超の添加により靱性の劣化が生じ、本発明の方法を持ってしても内部割れを抑えることが出来ない。従って、Ｃｒの範囲は１１〜２５％とした。更に、耐食性と加工性の確保という観点では１２〜２０％が望ましい。
【００３２】
Ｎｉは、高価であること、耐応力腐食割れ性を劣化させることから、その含有量は少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がるため、０．０１〜０．７％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．０１〜０．５％が望ましい。
【００３３】
Ａｌは、脱酸元素であるため精錬中に添加されるが、０．１％を超えると加工性が劣化し、０．０００５％未満では精錬コストの増加につながる。従って、Ａｌの範囲は０．０００５〜０．１％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．００１〜０．０７％が望ましい。
【００３４】
Ｎは、Ｃと同様に加工性と耐食性を劣化させるため、その含有量は少ないほど良いが、過度の低下は精錬コストの増加に繋がるため、０．００１〜０．０５％とした。更に、経済性と特性を考慮すると０．００５〜０．０２％が望ましい。
【００３５】
Ｎｂは、Ｃ，Ｎと析出物を形成し、固溶Ｃ，Ｎを低減し、耐食性を向上させる作用が有るが、過度の添加は激しく靱性低下を生じるため、０．００１〜０．８％とした。更に経済性と特性を考慮すると０．００１〜０．５％が望ましい。
【００３６】
Ｍｏ，Ｃｕは必要に応じて添加する。
【００３７】
Ｍｏは、耐食性を向上させる効果があるが、その効果は０．３％以上からで、５．０％を超えると加工性の低下につながる。従って、Ｍｏの望ましい範囲は０．３〜５．０％とした。更に、経済性と耐食性を考慮すると０．５〜２．５％がより望ましい。
【００３８】
Ｃｕも耐食性を向上させる効果があるが、その効果は０．３％以上からで、１．０％を超えると加工性、耐応力腐食割れ性の低下につながる。従って、Ｃｕの望ましい範囲は０．３〜１．０％とした。更に、特性を考慮すると０．３〜０．７％がより望ましい。
【００３９】
更に、本発明で示す残留応力低減工程を必要とするのは、フェライト系ステンレス鋼の中で特に低靱性である、鋳造から室温まで全温度でフェライトとなるか、あるいは極少量のオーステナイト相しか生じない鋼種である。これ以外の鋼種は鋳造後せいぜい炉内徐冷をすることで内部割れを防止できる。
【００４０】
どの成分系の鋼種が該工程を必要とするかは式１で計算出来るγｐｏｔ．で判断でき、この式の値が２０以下となる成分系の鋼種について本発明の処理が必要となる。
【００４１】
一方、γｐｏｔ．が−６０未満の場合、本発明の処理を持ってしても内部割れを生じるほど靱性が低下する。従って、γｐｏｔ．の範囲は−６０以上２０以下とする。
γｐｏｔ．＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋２３Ｎｉ＋９Ｃｕ＋７Ｍｎ−１１．５Ｃｒ
−１１．５Ｓｉ−１２Ｍｏ−４７Ｎｂ−５２Ａｌ＋１８９・・・式１
なお、式１において、各元素記号はその元素の含有量（質量％）を表す。
【００４２】
次に、鋳造時の冷却速度については、１２００から９００℃までの間を平均０．２５℃／秒以上とする。この温度範囲はＮｂまたはＣｒの炭窒化物が析出する温度であり、この間を０．２５℃／秒以上で冷却すると析出する炭窒化物が微細化し、割れ感受性を低めることが出来る。
【００４３】
加熱炉に挿入するまでの最低温度を２００℃としたのは、２００℃より低温にすると延性領域から脆性領域に遷移しこの時点で割れが発生するためである。
【００４４】
加熱温度については、６５０℃未満ではクリープ現象が事実上全く起きず、残留応力を低減出来ないため、１０００℃を超えると急速に酸化が進みキャビティー酸化起因欠陥が生じるため６５０℃以上１０００℃以下とした。
【００４５】
加熱時間については１時間未満では鋳片中心部の温度が上がりきらず残留応力の低減に至らないため、１０時間を超えても効果が飽和しコストの悪化、スケール量の増加を招くだけなので１時間以上１０時間以下とした。
【００４６】
熱処理後の冷却速度については、平均４０℃／ｈｒを超えると、冷却時に再度残留応力が発生し、内部割れの原因となる可能性があるため平均４０℃／ｈｒ以下とした。また、平均５℃／ｈｒ未満では残留応力の低下効果はほとんど無いが徐冷時間が非常に長くなり能率の低下を招くことから平均５℃／ｈｒ以上とした。５００℃未満では熱収縮が塑性変形ではなく弾性変形となり残留応力が増加しないため、上記冷却速度の限定は５００℃までとした。但し、当該規定を外すことによる残留応力の増加は比較的少ないので必須事項ではない。
【実施例】
【００４７】
次に実施例を示す。フェライト系ステンレス鋼連続鋳造鋳片を鋳造した後、種々の条件で熱処理を行い冷片とし、再び加熱して熱間圧延を行い線材を製造した。内部割れの有無については鋳片を冷片とした時点で一部を切り出し断面を観察することにより評価し、内部割れのあった鋳片の本数から発生率を算出した。内部キャビティー酸化起因欠陥は線材の一部を切り出し断面を観察することにより評価し、線材の本数から発生率を算出した。供試鋼の成分を表１、冷片にするまでの熱処理条件および評価結果を表２に示す。鋳造後の冷却速度は鋳片表面温度を実測することにより求めた。
【００４８】
表１のＮｏ．１、２は本発明請求項１の実施例、３〜５は本発明請求項２の実施例である。
【００４９】
Ｎｏ．６〜２７は請求項１の比較例である。Ｎｏ．６はＣが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．７は高すぎるため加工性、耐食性が劣化する。Ｎｏ．８はＳｉが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．９は高すぎるため加工性が劣化する。Ｎｏ．１０はＭｎが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．１１は高すぎるため加工性、耐食性が劣化する。Ｎｏ．１２はＰが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．１３は高すぎるため加工性、耐食性が劣化する。Ｎｏ．１４はＳが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．１５は高すぎるため加工性、耐食性が劣化する。Ｎｏ．１６はＣｒが低すぎるため耐食性が不良であり、Ｎｏ．１７は高すぎるため靱性が劣化する。Ｎｏ．１８はＮｉが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．１９は高すぎるため原料コストが増大し、また耐応力腐食割れ性が劣化する。Ｎｏ．２０はＡｌが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．２１は高すぎるため加工性が劣化する。Ｎｏ．２２はＮが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．２３は高すぎるため加工性、耐食性が劣化する。Ｎｏ．２４はＮｂが低すぎるため精錬コストが増大し、Ｎｏ．２５は高すぎるため靱性が劣化する。
【００５０】
Ｎｏ．２６はγ．ｐｏｔ値が低すぎるため靱性が不良であり、Ｎｏ．２７は高いことから本発明のような再熱処理を行わずに徐冷のみで内部割れを生じないため除外される。
【００５１】
【表１】
0004624691.tif 000002
【００５２】
次に表２については、Ｎｏ．Ａ〜Ｅが本発明例である。加熱パターンを所定のものとすることによって、内部割れ、内部キャビティー酸化起因欠陥どちらも無いものを製造することが可能である。
【００５３】
Ｎｏ．Ｆ〜Ｎは比較例である。Ｎｏ．Ｆは鋳造後１２００〜９００℃の平均冷却速度が０．２５℃／秒未満の場合であるが、その後に８００℃加熱処理を行っても内部割れを生じた。Ｎｏ．Ｉのように高温加熱をすれば内部割れは防止できるが、内部キャビティー酸化起因欠陥を生じる。Ｎｏ．Ｇは加熱炉装入前に２００℃未満に温度が低下しているため、Ｎｏ．Ｈは加熱温度が６５０℃未満のため、Ｎｏ．Ｊは加熱時間が１時間未満のため、何れも内部割れを生じた。Ｎｏ．Ｉは加熱時間が１０時間超のため内部キャビティー酸化起因欠陥を生じた。
【００５４】
Ｎｏ．Ｌは加熱後の平均冷却速度が５℃／ｈｒ未満であり、特性上は問題ないが徐冷炉取出まで数日を要し能率が非常に低下する。Ｎｏ．Ｍは加熱後の平均冷却速度が４０℃／ｈｒ超のため、Ｎｏ．Ｎは徐冷終了温度が５００℃超となり、その後が空冷となるため、極少量ではあるが内部割れを生じるため、内部割れを一切生じさせないためには回避すべきである。
【００５５】
【表２】
0004624691.tif 000003