(57)【要約】本発明は冶金に関する。極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼材は、重量％で以下の元素比を有する。Ｃ：０．０５〜０．０７、Ｃｒ：１８．０〜２０．０、Ｎｉ：５．０〜７．０、Ｍｎ：９．０〜１１．０、Ｍｏ：１．８〜２．２、Ｓｉ：０．２５〜０．３５、Ｎ：０．３０〜０．３８、Ｃｕ：０．６〜１．４、Ｂ：０．００５〜０．０１５、Ａｌ：０．０１５〜０．０３５、Ｓ：≦０．００２５、Ｐ：≦０．０１５、Ｓｎ：≦０．００５、Ｐｂ：≦０．００５、Ｂｉ：≦０．００５、Ａｓ：≦０．００５、Ｆｅ：残部。上記構造用鋼材の熱変形加工方法は、鋼材インゴットを加熱する工程と、少なくとも５０％の総歪み率で１２４０〜１０５０℃の温度範囲においてインゴットをワークピースに変形する工程と、上記ワークピースを空冷する工程と、少なくとも４０％の総圧縮率で１１８０〜１０８０℃の温度範囲において、得られた板に歪みを与える工程と、１１５０〜１０８０℃の温度範囲において３０〜８０％の総圧縮率で２〜３回最終歪みを与え、最終圧延温度を１０５０〜１０８０℃とし、２０〜１００℃／秒の速度で室温に急冷する工程と、を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ケイ素、窒素、アルミニウム、鉄および不純物を含み、
上記不純物は、硫黄、リン、スズ、鉛、ビスマスおよびヒ素であり、
銅およびホウ素をさらに含み、
重量％で以下の元素比を有し、
Ｃ：０．０５〜０．０７；
Ｃｒ：１８．０〜２０．０；
Ｎｉ：５．０〜７．０；
Ｍｎ：９．０〜１１．０；
Ｍｏ：１．８〜２．２；
Ｓｉ：０．２５〜０．３５；
Ｎ：０．３０〜０．３８；
Ｃｕ：０．６〜１．４；
Ｂ：０．００５〜０．０１５；
Ａｌ：０．０１５〜０．０３５；
Ｓ：≦０．００２５；
Ｐ：≦０．０１５；
Ｓｎ：≦０．００５；
Ｐｂ：≦０．００５；
Ｂｉ：≦０．００５；
Ａｓ：≦０．００５；
Ｆｅ：残部、
１０５０〜１３００℃の温度範囲において、γ＋Ｃｒ２Ｂ構造の存在と、要求される特性の組み合わせとを銅およびホウ素と共にもたらす窒素の濃度は、Ｃｕ＝０．６〜１．０％およびＢ＝０．００５〜０．０１０％においてＮ＝０．３４〜０．３８％；Ｃｕ＝１．１〜１．４％およびＢ＝０．０１１〜０．０１５％においてＮ＝０．３０〜０．３４％の割合から選択される、極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼材。
【請求項２】
インゴットを加熱する工程と、
少なくとも５０％の総歪み率で１２４０〜１０５０℃の温度範囲においてインゴットをワークピースに変形する工程と、
上記ワークピースを空冷する工程と、
少なくとも４０％の総圧縮率で１１８０〜１０８０℃の温度範囲において、得られた板に歪みを与える工程と、
１１５０〜１０８０℃の温度範囲において３０〜８０％の総圧縮率で２〜３回最終歪みを与え、最終圧延温度を１０５０〜１０８０℃とし、２０〜１００℃／秒の速度で室温に急冷する工程と、
を含む、請求項１に記載の極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼材の熱変形加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既定の比率で合金元素と不純物元素とを有する鉄をベースとして含む構造用鋼材の冶金に関する。本発明は、産業の様々な分野において、より具体的には、液化ガスの輸送に使用される極低温用高強度溶接構造の製造に使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
ステンレスのオーステナイト系鋼材が知られている（RU 2102522 C1、公開日１９９８年１月２０日）。既知のステンレスは、炭素、クロム、ニッケル、マンガン、窒素、ケイ素、バナジウム、銅、モリブデン、セリウム、セレン、および鉄を、以下の重量率（重量％）で含む。炭素：０．０１〜０．０６、クロム：１８〜２２、ニッケル：１５〜１８、マンガン：２〜１０、窒素：０．２〜０．５、ケイ素：０．０１〜０．４５、バナジウム：０．１〜０．５、銅：０．１〜１．５、モリブデン：０．１〜２．５、セリウム：０．００５〜０．２５、セレン：０．０５〜０．２５、残部として鉄。マンガン濃度が５％未満であるときは窒素濃度が約０．３％であり、マンガン濃度が５％超のときは窒素濃度が０．４〜０．５％である。
【０００３】
上記既知のオーステナイト系鋼材は、複数の技術的特性と機械的特性および安定したオーステナイト組織を有し、極低温用機械および装置の高負荷部品の製造に使用され得る。
【０００４】
上記既知のオーステナイト系鋼材は、以下の欠点を有する。
【０００５】
この鋼材は、ニッケル（１８％以下）およびモリブデン（２．５％以下）等の高価な元素の濃度が高いために経済的ではない。例えば、この鋼材のニッケル含有量は、従来のオーステナイト系ステンレス鋼材の１９〜１０％よりも高い。オーステナイト組織の安定化には、現在、マンガンおよび窒素が用いられている。特許請求の範囲に記載された元素含有量の範囲を有する多くの鋼材組成物は、実現可能ではない。例えば、この鋼材中のマンガン含有量が５％より高い場合、窒素含有量は０．４〜０．５％で許容される。実際、銅含有量が１．０％を超え、マンガン含有量が１０％未満の場合、窒素含有量は特許請求の範囲に記載された範囲よりも低くなければならず、さもなければ、窒素含有量が０．４〜０．５％のインゴットの凝固中に気泡が形成される。
【０００６】
本発明の第１の課題のプロトタイプは、高強度耐食性非磁性鋼材である（RU 2392348 C2、公開日２０１０年６月２０日）。この鋼材は、以下の組成（重量％）を有する。０．０２〜０．０６：炭素、０．１０〜０．６０：ケイ素、９．５〜１２．５：マンガン、１９．０〜２１．０：クロム、４．５〜７．５：ニッケル、１．２〜２．０：モリブデン、０．０８〜０．２２：バナジウム、０．００５〜０．０１０：カルシウム、０．００５〜０．０１０：ナトリウム、０．０５〜０．１５：ニオブ、０．０００５〜０．００１：マグネシウム、０．４０〜０．６０：窒素、０．００５〜０．０１：アルミニウム、バランスである鉄および不純物。この鋼材中の上記不純物は、以下の通りである（重量％）。０．００３〜０．０１２：硫黄、０．００４〜０．０２５：リン、０．０００２〜０．００５：鉛、０．０００２〜０．００５：ビスマス、０．０００２〜０．００５：スズ、０．０００２〜０．００５：ヒ素、０．０５〜０．２：銅。
【０００７】
この鋼材の欠点は、以下の通りである。
【０００８】
この鋼材は、γ相およびδ相の形成と共に結晶化する。上記発明の化学組成物中にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、ＮｂおよびＭｏ等の多数の主要元素の組み合わせが利用可能である。しかしながら、従来技術を使用して、特許請求の範囲に記載される窒素濃度を得ることはできない。なぜなら、化学組成の組み合わせにおける鋼材中の示唆される窒素含有量０．４０〜０．６０％は、溶融温度において金属中の窒素の標準溶解度を超えるからである。また、液体金属中に導入することができる窒素量は、凝固中に析出するγ相およびδ相中の窒素の溶解度を超えるからである。それゆえ、過剰の窒素が気相を形成し、インゴット中に気泡および孔が形成される。さらに、活性元素Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｃａ、ＭｇおよびＮａを特許請求の範囲に記載された比率で鋼材中に同時に存在させることは複雑な技術的課題であり、工業生産の場合には不可能である。これらの元素のオフ分析および金属製品の完成品の特性の脱落は、これらのパラメータがこれらの元素の濃度および比率に依存する場合、実際に避けられないであろう。
【０００９】
本発明の第２の課題のプロトタイプは、上述の高強度耐食性非磁性鋼材の熱変形加工方法である（RU 2392348 C2、公開日２０１０年６月２０日）。
【００１０】
高強度耐食性非磁性鋼材の熱変形加工方法は、インゴットの加熱、４０〜９４％の総歪み率で１２４０〜１０００℃の温度範囲においてインゴットを板に変形し、表面の品質制御および洗浄のための板の空冷、１２４０〜１０００℃の温度範囲において得られた板の変形、４５〜６５％の最終総歪み率を一度に１０〜１４％とし、板厚よりも２．５〜３．５倍薄い厚さであるシート形状にする処理、シートを１０００〜９５０℃に空冷し、表面温度を制御し、一度に８〜１２％までに２〜３回最終歪みを与え、シート表面を１０〜５０℃／秒の速度で１００〜１５０℃で急冷し、さらに空冷することを含む。
【００１１】
上記既知の鋼材は、標準的な技術に従って炉内で溶融される。高強度、機械的特性の安定性、低粒界腐食感受性、氷結条件における高耐摩耗性、溶接性の改善、低透磁率および高熱間加工塑性を提供するために、鋼材は、特殊モードで熱変形加工に供される。
【００１２】
熱変形加工技術の欠点はプロセス工程の過剰な細分化であり、これは技術の実施および制御を複雑にする。さらに、推奨される予歪み加熱モードおよびいくつかの元素比において、≧１２００℃への加熱中の鋼材の構造がδフェライトを含むいくつかの相を通過する。例えば、特許請求の範囲に記載された最も高いＣｒ、ＭｎおよびＮｂ濃度、最も低いＣおよびＮｉ濃度、並びに０．４０〜０．５％の窒素濃度、および１２００〜１３２０℃では、鋼材はα＋γ＋（Ｎｂ，Ｃｒ）Ｎ構造を有する。したがって、特許請求の範囲に記載された加熱温度（１２４０℃）では、圧延前に均質なγ組織を得ることは不可能であり、オーステナイト系鋼材の完成品は製造されない。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の第１の課題の技術成果は、極低温での高強度および腐食性に関する：
室温における強度σв≧８００ＭＰａおよびσ０，２≧６００ＭＰａ；
極低温における靭性ＫＣＵ（−１７０）℃≧１．５Ｊ／ｃｍ２；
良好な溶接性；
ニッケル含有量が低いことによる低コスト；
−１７５〜１００℃で安定なオーステナイト組織；
酸性媒体および海水中での耐食性。
【００１４】
本発明の第１の課題の上記技術成果は、以下のように達成される。
【００１５】
極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼材は、重量％で以下の元素比を有し、
Ｃ：０．０５〜０．０７；
Ｃｒ：１８．０〜２０．０；
Ｎｉ：５．０〜７．０；
Ｍｎ：９．０〜１１．０；
Ｍｏ：１．８〜２．２；
Ｓｉ：０．２５〜０．３５；
Ｎ：０．３０〜０．３８；
Ｃｕ：０．６〜１．４；
Ｂ：０．００５〜０．０１５；
Ａｌ：０．０１５〜０．０３５；
Ｓ：≦０．００２５；
Ｐ：≦０．０１５；
Ｓｎ：≦０．００５；
Ｐｂ：≦０．００５；
Ｂｉ：≦０．００５；
Ａｓ：≦０．００５；
Ｆｅ：残部、
１０５０〜１３００℃の温度範囲において、γ＋Ｃｒ２Ｂ構造の存在と、要求される特性の組み合わせとを銅およびホウ素と共にもたらす窒素の濃度は、Ｃｕ＝０．６〜１．０％およびＢ＝０．００５〜０．０１０％においてＮ＝０．３４〜０．３８％；Ｃｕ＝１．１〜１．４％およびＢ＝０．０１１〜０．０１５％においてＮ＝０．３０〜０．３４％の割合から選択される。
【００１６】
本発明の第２の課題の技術成果は、上記方法の単純化による工業における実施、比較的低いマンガン濃度と組み合わせた鋼材の良好な加工性、および既存の装置において常圧での溶融中に必要な窒素濃度を得ることができることである。
【００１７】
本発明の第２の課題の技術成果は、以下のように達成される。
【００１８】
請求項１に記載の極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼材の熱変形加工方法は、インゴットを加熱する工程と、少なくとも５０％の総歪み率で１２４０〜１０５０℃の温度範囲においてインゴットをワークピースに変形する工程と、上記ワークピースを空冷する工程と、少なくとも４０％の総圧縮率で１１８０〜１０８０℃の温度範囲において得られた板に歪みを与え、１１５０〜１０８０℃の温度範囲において３０〜８０％の総圧縮率で２〜３回最終歪みを与え、最終圧延温度を１０５０〜１０８０℃とし、２０〜１００℃／秒の速度で室温に急冷する工程と、を含む。
【００１９】
本発明で提案した鋼材およびその処理方法の利点は、以下の通りである。本発明における主要元素С、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＣｕおよびＢの濃度において、窒素含有量Ｎ＝０．３４〜０．３８％ならびに銅およびホウ素含有量Ｃｕ＝０．６〜１．０％およびＢ＝０．００５〜０．０１０％の場合、ならびに、窒素含有量Ｎ＝０．３０〜０．３４％ならびに銅およびホウ素含有量Ｃｕ＝１．１〜１．４％およびＢ＝０．０１１〜０．０１５％の場合、１０５０〜１３００℃の鋼材の平衡構造は、微細なホウ化クロムＣｒ２Ｂ粒子を有するオーステナイトである。これは、実際の工業プロセス条件での基本オーステナイト構造および要求される特性の組み合わせを保証する。
【００２０】
提案した鋼材はまた、低ニッケル含有量により良好な経済的パラメータを有し、少数の合金添加により加工性が高い。そして、本発明における濃度において、必要な窒素含有量は、既存の装置において常圧で溶融することによって得ることができる。
【００２１】
０．０５〜０．０７％の範囲の炭素含有量は、鋼材中のオーステナイト組織の形成に有利であり、窒素と一緒になって、熱および熱変形加工中の、良好な耐食性および溶接性と組み合わされた、鋼材の必要な硬化を提供する。鋼材中の高炭素含有量では、その耐食性が低下し、粒界腐食に対する感受性の増加、脆性破壊に対する感受性の増加、および溶接性の低下を伴う。
【００２２】
０．００５〜０．０１５重量％のホウ素含有量および０．３０〜０．３８重量％の窒素含有量におけるクロム、ニッケル、マンガン、モリブデンおよび銅の濃度範囲は、本発明で限定される組成範囲内のこれらの元素組成のあらゆる可能な組み合わせにおいて、安定なオーステナイト組織を有する鋼材の完成品を提供する。当該鋼材の完成品は、少量の微細なホウ素粒子を有し、必要とされる機械的特性、酸性媒体および海水中での耐食性並びに液化ガス輸送に使用される耐冷性高強度溶接構造の製造のための適合性を有する。
【００２３】
主要元素（Ｃｒ、Ｎｉ、ＭｎおよびＭｏ）の濃度が本発明における濃度範囲の下限を下回ると、本発明において必要とされる窒素濃度と同じように、必要とされるオーステナイト組織と特性に達成できない。これらの元素が高濃度ではオーステナイト組織が形成されるが、得られたγ固溶体は高熱間塑性変形強度を有する。
【００２４】
ＣｒおよびＭｏ濃度の増加は、高温でα＋γ相の存在範囲を広げ、過剰相の溶解を妨げる。マンガン濃度が高くなると、鋼材の溶融プロセスが複雑になる。ニッケル濃度が高くなると、鋼材は経済的要件を満たさない。
【００２５】
本発明におけるＣｒ、Ｎｉ、ＭｎおよびＭｏの濃度は、液相およびオーステナイト中において高い窒素溶解度を提供し、本発明における組成範囲の元素濃度のあらゆる可能な組み合わせおよび０．３０〜０．３８重量％の窒素濃度をもたらす。鋼材は、インゴットまたは連続鋳造ワークピース中に気泡または孔がなく結晶化した。窒素濃度が低いと、必要とされる機械的特性に達成しない。一方、窒素含有量が高いと、気泡および孔がインゴット中に形成され得る。
【００２６】
銅はこの組成物の鋼材をより耐食性にし、本発明における他の元素の濃度では、γ領域の高温度範囲を上昇させる。銅濃度０．６〜１．４重量％では、１０５０〜１３００℃の温度範囲の平衡鋼材構造がγ＋Ｃｒ２Ｂである。これはオーステナイト組織の工業製造および必要とされる特性の組み合わせを保証する。銅濃度が低いと、鋼材の耐食性が酸性媒体および海水中で減少する。また、銅濃度が高いと、オーステナイト領域および溶融物の下限温度の上昇のために望ましくなく、鋼材は不均一な化学組成および特性を獲得する可能性がある。
【００２７】
０．００５〜０．０１５％の濃度のホウ素および本発明における合金元素の濃度は、固相線温度未満で固体金属中にホウ化クロムを形成する。これは、熱間歪み前および焼入れ前のオーステナイト領域での鋼材加熱中の結晶粒成長を防止する。ホウ素濃度が低いと、非効率的である。ホウ素濃度が高いと、結晶化中に、液体金属中にホウ化クロムが形成される。ホウ化クロムの粒子のサイズは大きく、鋼材の特性に悪影響を及ぼす。
【００２８】
本発明における濃度範囲である０．０１５〜０．０３５重量％のアルミニウムは、必要とされる鋼材の脱酸素度および酸素含有量を提供する。アルミニウム濃度が低いと、必要とされる鋼材の脱酸素度に達成せず、酸化クロムが形成されることがある。アルミニウム濃度が高いと、鋼材の特性に悪影響を及ぼす高温窒化アルミニウムの形成につながる。
【００２９】
本発明における濃度範囲であるケイ素は、効率的な鋼材脱酸素および非金属介在物の除去に有利であり、典型的には、許容可能な等価濃度のクロミウムＣｒЭを提供する。ケイ素濃度が高いと、ＣｒЭ含有量が増加し、δフェライトが鋼材構造中に形成され得る。ケイ素濃度が低いと、鋼材の脱酸素が妨げられる。
【００３０】
これらの不純物の存在は、鋼材の必要な構造と特性の達成を複雑にし、窒素添加の効率を低減させる。したがって、窒素合金鋼材は、通常、純粋な鋼材技術に従って溶融される。本発明において必要とする不純物濃度範囲、すなわち、鋼材中のＰ≦０．０１５、Ｓ≦０．００２５、Ｓｎ≦０．００５、Ｐｂ≦０．００５、Ａｓ≦０．００５およびＢｉ≦０．００５は、この組成で達成可能な最良の鋼材特性を提供する。不純物濃度が高いと、それらは鋼材の構造と特性、ならびに鋼材の構造形成プロセスに悪影響を及ぼす。技術的な理由から、現在、著しく低い不純物濃度を達成することは困難である。
【００３１】
本発明による熱変形加工では、鋼材は、基本のオーステナイト組織と、機械的特性と物理的特性との必要な組み合わせとを有する。歪みの前および熱変形加工操作の開始と完了において必要な加熱温度、ならびに、異なる加工工程における圧縮率および冷却速度を維持にすることに失敗すると、本発明の必要なオーステナイト系鋼材および特性に達成することができない。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
鋼材の溶融および加工技術の例は、以下の通りである。
【００３３】
本発明の組成の鋼材を、試験目的のために、５０ｋｇの液体金属容量を有する真空誘導炉中で溶融した。アームコ鉄、電解銅および電解ニッケル、金属クロムおよび金属マンガン、ニトロ化フェロクロムおよびニトロ化フェロボロンの純帯電材料を用いた。
【００３４】
インゴットを１２５０℃に加熱し、１２５０〜１０５０℃の温度範囲で７０％歪みまで鍛造した。次いで鍛造ピースを空冷し、洗浄した。
【００３５】
次に、鍛造ピースを１１８０℃に加熱し、９回の暫定加熱で１１８０〜１０８０℃の温度範囲で総歪み６０％まで（厚さ１０ｍｍまで）圧延した。圧延後、ピースを空冷した。
【００３６】
最終圧延は、高温熱機械処理セットアップに従った。１１５０℃に加熱し、１１５０〜１０８０℃において総歪み６０％（厚さ６ｍｍ）のシートに暫定加熱において圧延した。圧延ピースの最終冷却は、水中において１００℃／秒の速度で行った。次に、圧延したピースを洗浄し、必要なピースサイズに切断した。鋼材の化学組成を表１に要約する。合金の機械的特性を表２に示す。
【００３７】
【表１】
2020509225.tif 000002
【００３８】
【表２】
2020509225.tif 000003
【００３９】
本発明で提供する合金の酸性媒体（０．５Ｍ Ｈ２ＳＯ４、рＨ＝０．４４）および海水（３％ＮａＣｌ）中の耐食性は、異なるパラメータ（粒界腐食、総腐食、孔食およびすきま腐食）を用いて検証した。（０５−１２）Ｃｒ１８Ｎｉ（８−１０）および０６Ｃｒ１８ＮＮｉ（８−１０）グレードの耐食性ステンレス鋼材と比較して、本発明の合金の耐食性は低くもなく、高くもなかった。
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月3日(2019.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ケイ素、窒素、アルミニウム、鉄および不純物を含み、
上記不純物は、硫黄、リン、スズ、鉛、ビスマスおよびヒ素であり、
銅およびホウ素をさらに含み、
重量％で以下の元素比を有する、極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼インゴット：
Ｃ：０．０５〜０．０７；
Ｃｒ：１８．０〜２０．０；
Ｎｉ：５．０〜７．０；
Ｍｎ：９．０〜１１．０；
Ｍｏ：１．８〜２．２；
Ｓｉ：０．２５〜０．３５；
Ｎ：０．３０〜０．３８；
Ｃｕ：０．６〜１．４；
Ｂ：０．０１超〜０．０１５；
Ａｌ：０．０１５〜０．０３５；
Ｓ：≦０．００２５；
Ｐ：≦０．０１５；
Ｓｎ：≦０．００５；
Ｐｂ：≦０．００５；
Ｂｉ：≦０．００５；
Ａｓ：≦０．００５；
Ｆｅ：残部。
【請求項２】
インゴットを１２４０〜１０５０℃に加熱する工程と、
少なくとも５０％の総歪み率でインゴットをワークピースに鍛造する工程と、
上記ワークピースを空冷する工程と、
１１８０〜１０８０℃において上記ワークピースを加熱し、少なくとも４０％の総圧縮率で圧延し、空冷して圧延したピースを得る工程と、
１１５０〜１０８０℃において上記圧延したピースを加熱し、３０〜８０％の総圧縮率で２〜３回最終圧延を与え、２０〜１００℃／秒の速度で室温に急冷し、上記最終圧延の温度は１０５０〜１０８０℃である、工程と、
を含む、請求項１に記載のインゴットの熱変形加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既定の比率で合金元素と不純物元素とを有する鉄をベースとして含む構造用鋼材の冶金に関する。本発明は、産業の様々な分野において、より具体的には、液化ガスの輸送に使用される極低温用高強度溶接構造の製造に使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
ステンレスのオーステナイト系鋼材が知られている（RU 2102522 C1、公開日１９９８年１月２０日）。既知のステンレスは、炭素、クロム、ニッケル、マンガン、窒素、ケイ素、バナジウム、銅、モリブデン、セリウム、セレン、および鉄を、以下の重量率（重量％）で含む。炭素：０．０１〜０．０６、クロム：１８〜２２、ニッケル：１５〜１８、マンガン：２〜１０、窒素：０．２〜０．５、ケイ素：０．０１〜０．４５、バナジウム：０．１〜０．５、銅：０．１〜１．５、モリブデン：０．１〜２．５、セリウム：０．００５〜０．２５、セレン：０．０５〜０．２５、残部として鉄。マンガン濃度が５％未満であるときは窒素濃度が約０．３％であり、マンガン濃度が５％超のときは窒素濃度が０．４〜０．５％である。
【０００３】
上記既知のオーステナイト系鋼材は、複数の技術的特性と機械的特性および安定したオーステナイト組織を有し、極低温用機械および装置の高負荷部品の製造に使用され得る。
【０００４】
上記既知のオーステナイト系鋼材は、以下の欠点を有する。
【０００５】
この鋼材は、ニッケル（１８％以下）およびモリブデン（２．５％以下）等の高価な元素の濃度が高いために経済的ではない。例えば、この鋼材のニッケル含有量は、従来のオーステナイト系ステンレス鋼材の１９〜１０％よりも高い。オーステナイト組織の安定化には、現在、マンガンおよび窒素が用いられている。特許請求の範囲に記載された元素含有量の範囲を有する多くの鋼材組成物は、実現可能ではない。例えば、この鋼材中のマンガン含有量が５％より高い場合、窒素含有量は０．４〜０．５％で許容される。実際、銅含有量が１．０％を超え、マンガン含有量が１０％未満の場合、窒素含有量は特許請求の範囲に記載された範囲よりも低くなければならず、さもなければ、窒素含有量が０．４〜０．５％のインゴットの凝固中に気泡が形成される。
【０００６】
本発明の第１の課題のプロトタイプは、高強度耐食性非磁性鋼材である（RU 2392348 C2、公開日２０１０年６月２０日）。この鋼材は、以下の組成（重量％）を有する。０．０２〜０．０６：炭素、０．１０〜０．６０：ケイ素、９．５〜１２．５：マンガン、１９．０〜２１．０：クロム、４．５〜７．５：ニッケル、１．２〜２．０：モリブデン、０．０８〜０．２２：バナジウム、０．００５〜０．０１０：カルシウム、０．００５〜０．０１０：ナトリウム、０．０５〜０．１５：ニオブ、０．０００５〜０．００１：マグネシウム、０．４０〜０．６０：窒素、０．００５〜０．０１：アルミニウム、バランスである鉄および不純物。この鋼材中の上記不純物は、以下の通りである（重量％）。０．００３〜０．０１２：硫黄、０．００４〜０．０２５：リン、０．０００２〜０．００５：鉛、０．０００２〜０．００５：ビスマス、０．０００２〜０．００５：スズ、０．０００２〜０．００５：ヒ素、０．０５〜０．２：銅。
【０００７】
この鋼材の欠点は、以下の通りである。
【０００８】
この鋼材は、γ相およびδ相の形成と共に結晶化する。上記発明の化学組成物中にＣｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、ＮｂおよびＭｏ等の多数の主要元素の組み合わせが利用可能である。しかしながら、従来技術を使用して、特許請求の範囲に記載される窒素濃度を得ることはできない。なぜなら、化学組成の組み合わせにおける鋼材中の示唆される窒素含有量０．４０〜０．６０％は、溶融温度において金属中の窒素の標準溶解度を超えるからである。また、液体金属中に導入することができる窒素量は、凝固中に析出するγ相およびδ相中の窒素の溶解度を超えるからである。それゆえ、過剰の窒素が気相を形成し、インゴット中に気泡および孔が形成される。さらに、活性元素Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｃａ、ＭｇおよびＮａを特許請求の範囲に記載された比率で鋼材中に同時に存在させることは複雑な技術的課題であり、工業生産の場合には不可能である。これらの元素のオフ分析および金属製品の完成品の特性の脱落は、これらのパラメータがこれらの元素の濃度および比率に依存する場合、実際に避けられないであろう。
【０００９】
本発明の第２の課題のプロトタイプは、上述の高強度耐食性非磁性鋼材の熱変形加工方法である（RU 2392348 C2、公開日２０１０年６月２０日）。
【００１０】
高強度耐食性非磁性鋼材の熱変形加工方法は、インゴットの加熱、４０〜９４％の総歪み率で１２４０〜１０００℃の温度範囲においてインゴットを板に変形し、表面の品質制御および洗浄のための板の空冷、１２４０〜１０００℃の温度範囲において得られた板の変形、４５〜６５％の最終総歪み率を一度に１０〜１４％とし、板厚よりも２．５〜３．５倍薄い厚さであるシート形状にする処理、シートを１０００〜９５０℃に空冷し、表面温度を制御し、一度に８〜１２％までに２〜３回最終歪みを与え、シート表面を１０〜５０℃／秒の速度で１００〜１５０℃で急冷し、さらに空冷することを含む。
【００１１】
上記既知の鋼材は、標準的な技術に従って炉内で溶融される。高強度、機械的特性の安定性、低粒界腐食感受性、氷結条件における高耐摩耗性、溶接性の改善、低透磁率および高熱間加工塑性を提供するために、鋼材は、特殊モードで熱変形加工に供される。
【００１２】
熱変形加工技術の欠点はプロセス工程の過剰な細分化であり、これは技術の実施および制御を複雑にする。さらに、推奨される予歪み加熱モードおよびいくつかの元素比において、≧１２００℃への加熱中の鋼材の構造がδフェライトを含むいくつかの相を通過する。例えば、特許請求の範囲に記載された最も高いＣｒ、ＭｎおよびＮｂ濃度、最も低いＣおよびＮｉ濃度、並びに０．４０〜０．５％の窒素濃度、および１２００〜１３２０℃では、鋼材はα＋γ＋（Ｎｂ，Ｃｒ）Ｎ構造を有する。したがって、特許請求の範囲に記載された加熱温度（１２４０℃）では、圧延前に均質なγ組織を得ることは不可能であり、オーステナイト系鋼材の完成品は製造されない。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の第１の課題の技術成果は、極低温での高強度および腐食性に関する：
室温における強度σв≧８００ＭＰａおよびσ０，２≧６００ＭＰａ；
極低温における靭性ＫＣＵ（−１７０）℃≧１．５Ｊ／ｃｍ２；
良好な溶接性；
ニッケル含有量が低いことによる低コスト；
−１７５〜１００℃で安定なオーステナイト組織；
酸性媒体および海水中での耐食性。
【００１４】
本発明の第１の課題の上記技術成果は、以下のように達成される。
【００１５】
極低温用高強度オーステナイト系耐食性溶接構造用鋼インゴットは、炭素、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ケイ素、窒素、アルミニウム、鉄および不純物を含み、上記不純物は、硫黄、リン、スズ、鉛、ビスマスおよびヒ素であり、銅およびホウ素をさらに含み、重量％で以下の元素比を有する：
Ｃ：０．０５〜０．０７；
Ｃｒ：１８．０〜２０．０；
Ｎｉ：５．０〜７．０；
Ｍｎ：９．０〜１１．０；
Ｍｏ：１．８〜２．２；
Ｓｉ：０．２５〜０．３５；
Ｎ：０．３０〜０．３８；
Ｃｕ：０．６〜１．４；
Ｂ：０．０１超〜０．０１５；
Ａｌ：０．０１５〜０．０３５；
Ｓ：≦０．００２５；
Ｐ：≦０．０１５；
Ｓｎ：≦０．００５；
Ｐｂ：≦０．００５；
Ｂｉ：≦０．００５；
Ａｓ：≦０．００５；
Ｆｅ：残部。
【００１６】
本発明の第２の課題の技術成果は、上記方法の単純化による工業における実施、比較的低いマンガン濃度と組み合わせた鋼材の良好な加工性、および既存の装置において常圧での溶融中に必要な窒素濃度を得ることができることである。
【００１７】
本発明の第２の課題の技術成果は、以下のように達成される。
【００１８】
請求項１に記載のインゴットの熱変形加工方法は、インゴットを１２４０〜１０５０℃に加熱する工程と、
少なくとも５０％の総歪み率でインゴットをワークピースに鍛造する工程と、
上記ワークピースを空冷する工程と、
１１８０〜１０８０℃において上記ワークピースを加熱し、少なくとも４０％の総圧縮率で圧延し、空冷して圧延したピースを得る工程と、
１１５０〜１０８０℃において上記圧延したピースを加熱し、３０〜８０％の総圧縮率で２〜３回最終圧延を与え、２０〜１００℃／秒の速度で室温に急冷し、上記最終圧延の温度は１０５０〜１０８０℃である、工程と、を含む。
【００１９】
本発明で提案した鋼材およびその処理方法の利点は、以下の通りである。本発明における主要元素С、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＣｕおよびＢの濃度において、窒素含有量Ｎ＝０．３４〜０．３８％ならびに銅およびホウ素含有量Ｃｕ＝０．６〜１．０％およびＢ＝０．００５〜０．０１０％の場合、ならびに、窒素含有量Ｎ＝０．３０〜０．３４％ならびに銅およびホウ素含有量Ｃｕ＝１．１〜１．４％およびＢ＝０．０１１〜０．０１５％の場合、１０５０〜１３００℃の鋼材の平衡構造は、微細なホウ化クロムＣｒ２Ｂ粒子を有するオーステナイトである。これは、実際の工業プロセス条件での基本オーステナイト構造および要求される特性の組み合わせを保証する。
【００２０】
提案した鋼材はまた、低ニッケル含有量により良好な経済的パラメータを有し、少数の合金添加により加工性が高い。そして、本発明における濃度において、必要な窒素含有量は、既存の装置において常圧で溶融することによって得ることができる。
【００２１】
０．０５〜０．０７％の範囲の炭素含有量は、鋼材中のオーステナイト組織の形成に有利であり、窒素と一緒になって、熱および熱変形加工中の、良好な耐食性および溶接性と組み合わされた、鋼材の必要な硬化を提供する。鋼材中の高炭素含有量では、その耐食性が低下し、粒界腐食に対する感受性の増加、脆性破壊に対する感受性の増加、および溶接性の低下を伴う。
【００２２】
０．００５〜０．０１５重量％のホウ素含有量および０．３０〜０．３８重量％の窒素含有量におけるクロム、ニッケル、マンガン、モリブデンおよび銅の濃度範囲は、本発明で限定される組成範囲内のこれらの元素組成のあらゆる可能な組み合わせにおいて、安定なオーステナイト組織を有する鋼材の完成品を提供する。当該鋼材の完成品は、少量の微細なホウ素粒子を有し、必要とされる機械的特性、酸性媒体および海水中での耐食性並びに液化ガス輸送に使用される耐冷性高強度溶接構造の製造のための適合性を有する。
【００２３】
主要元素（Ｃｒ、Ｎｉ、ＭｎおよびＭｏ）の濃度が本発明における濃度範囲の下限を下回ると、本発明において必要とされる窒素濃度と同じように、必要とされるオーステナイト組織と特性に達成できない。これらの元素が高濃度ではオーステナイト組織が形成されるが、得られたγ固溶体は高熱間塑性変形強度を有する。
【００２４】
ＣｒおよびＭｏ濃度の増加は、高温でα＋γ相の存在範囲を広げ、過剰相の溶解を妨げる。マンガン濃度が高くなると、鋼材の溶融プロセスが複雑になる。ニッケル濃度が高くなると、鋼材は経済的要件を満たさない。
【００２５】
本発明におけるＣｒ、Ｎｉ、ＭｎおよびＭｏの濃度は、液相およびオーステナイト中において高い窒素溶解度を提供し、本発明における組成範囲の元素濃度のあらゆる可能な組み合わせおよび０．３０〜０．３８重量％の窒素濃度をもたらす。鋼材は、インゴットまたは連続鋳造ワークピース中に気泡または孔がなく結晶化した。窒素濃度が低いと、必要とされる機械的特性に達成しない。一方、窒素含有量が高いと、気泡および孔がインゴット中に形成され得る。
【００２６】
銅はこの組成物の鋼材をより耐食性にし、本発明における他の元素の濃度では、γ領域の高温度範囲を上昇させる。銅濃度０．６〜１．４重量％では、１０５０〜１３００℃の温度範囲の平衡鋼材構造がγ＋Ｃｒ２Ｂである。これはオーステナイト組織の工業製造および必要とされる特性の組み合わせを保証する。銅濃度が低いと、鋼材の耐食性が酸性媒体および海水中で減少する。また、銅濃度が高いと、オーステナイト領域および溶融物の下限温度の上昇のために望ましくなく、鋼材は不均一な化学組成および特性を獲得する可能性がある。
【００２７】
０．０１超〜０．０１５％の濃度のホウ素および本発明における合金元素の濃度は、固相線温度未満で固体金属中にホウ化クロムを形成する。これは、熱間歪み前および焼入れ前のオーステナイト領域での鋼材加熱中の結晶粒成長を防止する。ホウ素濃度が低いと、非効率的である。ホウ素濃度が高いと、結晶化中に、液体金属中にホウ化クロムが形成される。ホウ化クロムの粒子のサイズは大きく、鋼材の特性に悪影響を及ぼす。
【００２８】
本発明における濃度範囲である０．０１５〜０．０３５重量％のアルミニウムは、必要とされる鋼材の脱酸素度および酸素含有量を提供する。アルミニウム濃度が低いと、必要とされる鋼材の脱酸素度に達成せず、酸化クロムが形成されることがある。アルミニウム濃度が高いと、鋼材の特性に悪影響を及ぼす高温窒化アルミニウムの形成につながる。
【００２９】
本発明における濃度範囲であるケイ素は、効率的な鋼材脱酸素および非金属介在物の除去に有利であり、典型的には、許容可能な等価濃度のクロミウムＣｒЭを提供する。ケイ素濃度が高いと、ＣｒЭ含有量が増加し、δフェライトが鋼材構造中に形成され得る。ケイ素濃度が低いと、鋼材の脱酸素が妨げられる。
【００３０】
これらの不純物の存在は、鋼材の必要な構造と特性の達成を複雑にし、窒素添加の効率を低減させる。したがって、窒素合金鋼材は、通常、純粋な鋼材技術に従って溶融される。本発明において必要とする不純物濃度範囲、すなわち、鋼材中のＰ≦０．０１５、Ｓ≦０．００２５、Ｓｎ≦０．００５、Ｐｂ≦０．００５、Ａｓ≦０．００５およびＢｉ≦０．００５は、この組成で達成可能な最良の鋼材特性を提供する。不純物濃度が高いと、それらは鋼材の構造と特性、ならびに鋼材の構造形成プロセスに悪影響を及ぼす。技術的な理由から、現在、著しく低い不純物濃度を達成することは困難である。
【００３１】
本発明による熱変形加工では、鋼材は、基本のオーステナイト組織と、機械的特性と物理的特性との必要な組み合わせとを有する。歪みの前および熱変形加工操作の開始と完了において必要な加熱温度、ならびに、異なる加工工程における圧縮率および冷却速度を維持にすることに失敗すると、本発明の必要なオーステナイト系鋼材および特性に達成することができない。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
鋼材の溶融および加工技術の例は、以下の通りである。
【００３３】
本発明の組成の鋼材を、試験目的のために、５０ｋｇの液体金属容量を有する真空誘導炉中で溶融した。アームコ鉄、電解銅および電解ニッケル、金属クロムおよび金属マンガン、ニトロ化フェロクロムおよびニトロ化フェロボロンの純帯電材料を用いた。
【００３４】
インゴットを１２５０℃に加熱し、１２５０〜１０５０℃の温度範囲で７０％歪みまで鍛造した。次いで鍛造ピースを空冷し、洗浄した。
【００３５】
次に、鍛造ピースを１１８０℃に加熱し、９回の暫定加熱で１１８０〜１０８０℃の温度範囲で総歪み６０％まで（厚さ１０ｍｍまで）圧延した。圧延後、ピースを空冷した。
【００３６】
最終圧延は、高温熱機械処理セットアップに従った。１１５０℃に加熱し、１１５０〜１０８０℃において総歪み６０％（厚さ６ｍｍ）のシートに暫定加熱において圧延した。圧延ピースの最終冷却は、水中において１００℃／秒の速度で行った。次に、圧延したピースを洗浄し、必要なピースサイズに切断した。鋼材の化学組成を表１に要約する。合金の機械的特性を表２に示す。
【００３７】
【表１】
2020509225.tif 000004
【００３８】
【表２】
2020509225.tif 000005
【００３９】
本発明で提供する合金の酸性媒体（０．５Ｍ Ｈ２ＳＯ４、рＨ＝０．４４）および海水（３％ＮａＣｌ）中の耐食性は、異なるパラメータ（粒界腐食、総腐食、孔食およびすきま腐食）を用いて検証した。（０５−１２）Ｃｒ１８Ｎｉ（８−１０）および０６Ｃｒ１８ＮＮｉ（８−１０）グレードの耐食性ステンレス鋼材と比較して、本発明の合金の耐食性は低くもなく、高くもなかった。
【国際調査報告】
2020509225.tif 000006