構造用素材として優れたコストパフォーマンスを持つ省合金型二相ステンレス鋼(NSSC2120)の開発
及 川 雄 介柘 植 信 二江 目 文 則3)
1)
2)
本村洋
井 上 裕 滋
4)

3Mo0.18N)に代表される従来の二相ステンレス鋼は，汎用.

は じめにオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304, SUS316L より耐孔食性の高い材料であり，高価なモリブデンを多く含有する

近年我が国においては，様々な自然災害の発生が相次ぎ，ことから合金コストが高く，ケミカルタンカーのような特にこれに備えた社会資本の充実，即ち「国土強靭化」のための高い耐食性を要する限定的な用途に使われてきた．それに対インフラ整備が全国で進行している．構造用素材としてのスし省合金型(リーン)二相ステンレス鋼は，耐食性をテンレス鋼は，耐食性に関して，メンテナンスに関わるコスSUS304, SUS316L 並みとした上で，ニッケルおよびモリブトを大幅に抑えることができる非常に優れた特性を有する反デンの一部をクロム，マンガン，窒素に置き換えている鋼種

面，SUS304 等の既存鋼ではニッケル等の高価な原料を大量で あ る ． SUS316L 相 当 材 と し て は ASTM で 規 定 さ れ たに必要とするため，初期投資が高く限定的な使用に留まって

UNS S32304††(23Cr4Ni0.15N)，SUS304 相当材としてはいた．

同じく UNS S32101(21Cr1.5Ni5Mn0.22N)等がある．

著者らは，構造用素材として優れたコストパフォーマンス

省 合 金 型 二 相 ス テ ン レ ス 鋼 の う ち SUS304 相 当 材 は ，を持つ省合金型二相ステンレス鋼 NSSC2120†( 21Cr 2Ni  溶接継SUS304 以下の合金コストでかつ高強度であるが，◯3Mn1Cu0.2N)を開発した．本鋼は SUS304 並みの耐食性

手の特性，例えば耐食性の低下が特に大入熱の溶接の場合にを有し SUS304 よりニッケル含有量が少ないことに加え，

 製造が難しく，合金コストの低減分を製造コスト大きい，◯

高い強度を活かして薄肉化による軽量化を図れることから，上昇分が上回る等の課題が有り，構造用鋼としてそのまま適二重の意味でレアメタル使用量の低減が可能である．

用することは難しかった．以下，それぞれの課題を如何に克

本稿では NSSC2120 の開発経緯と諸特性および実用例について紹介する．

.

NSSC
2120 の開発経緯



二相ステンレス鋼の概要と課題服し，新材料の開発に至ったかを述べる．


溶接部特性低下を抑制した省合金型二相ステンレス鋼の開発

二相ステンレス鋼において窒素は，耐孔食性指標 PREN
(Pitting Resistance Equivalent NumberCr＋3.3Mo＋16N)

二相ステンレス鋼は，常温でオーステナイト相とフェライの向上，オーステナイト相の増加等のために積極的に添加さト相の二相組織を持ち，高強度(高耐力)でニッケルの含有量れる重要な元素である．更に，安価な元素であることから，が少ない特長があり，レアメタル節減の観点から近年注目が省合金型ではモリブデン，ニッケルの一部を代替すべく積極高まっている材料である．ただ， SUS329J3L ( 22Cr 5Ni 的に添加されており，0.20以上添加されている鋼種も開発

新日鐵住金ステンレス株式会社
1)研究センター 主任研究員 2)研究センター長3)商品開発部 マネジャー 4)光製造所 製鋼技術室 部長代理
新日鉄住金株式会社 鉄鋼研究所接合研究部上席主幹研究員
Development of Lean Duplex Stainless Steel that is Costeffective as a Material for Structure; Yusuke Oikawa, Shinji Tsuge,
Fuminori Gohnome, Hiroshi Motomura and Yuji Inoue(
Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corporation.
Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation)
2015年10月30日受理[doi:10.2320/materia.55.70]



されている．一方，以下の通り溶接部の特性低下を引き起こす元素でもある．
一般の二相ステンレス鋼溶接部の特性低下は次のような機構で起こる(1)．溶体化状態の母材では窒素はほとんどがオーステナイト相中に分配している．二相ステンレス鋼は融点近† ASTM 規 格  S82122 ( A240 ) JIS 規 格  SUS821L1 (G4304,G4305)†† JIS 規格SUS323L(G4304, G4305)

新技術・新製品図1

S32101 における孔食発生位置の特徴．

図2

母材と再現熱サイクル材の孔食電位に及ぼす平衡析出温度の影響(4)．

傍の高温ではフェライト単相になることから，溶接時の加熱によってオーステナイト相は減少または消失し，フェライト相中の固溶窒素量が増加する．その後の冷却時には，急冷さ上限温度である窒化物平衡析出温度を算出し，これを低めるれる過程でオーステナイト相は元の量まで戻らず，フェライと大入熱溶接を模擬した熱影響部の耐食性が向上することをト相中に過飽和に固溶した窒素の一部がクロム窒化物となり見出した(図参照)．そこで孔食電位 0.25 V 以上に対応す析出することで特性低下を引き起こす．

る析出温度約 1203 K 以下を狙った成分設計を行った(5)．◯

省合金型二相ステンレス鋼の場合，窒素を多く添加していについては，窒素以外のオーステナイト安定元素であるニッることに加え，クロム，モリブデン，ニッケルの節減によりケル，マンガン，銅の調整によりオーステナイト相の比率を窒素の固溶限が低下し，さらにクロム窒化物が析出しやすく高め，結果，NSSC2120 の成分系導出に至った．

なっている．従来の SUS304 代替省合金型二相ステンレス鋼は入熱の上限が 1.5 MJ / m と小入熱溶接のみ可能であった(2)． NSSC2120 では以下の取り組みにより入熱の上限を大幅に拡大した．



安定的生産体制の確立

 高窒素含有による鋳片へ
省合金型二相ステンレス鋼は，◯
 高温強度が低いことによる加熱，圧延，熱処の気泡発生，◯まず，著者らは省合金型二相ステンレス鋼の溶接部組織を 逆に室温での強度が高い
理時の鋼板曲がりおよび疵発生，◯

詳細観察し，以下の知見を得た．従来の二相ステンレス鋼に

 脱スケール性の不良等の製造課ことによる形状矯正不良．◯

おいて適正な溶加材を適用した場合，特性低下が顕著となる題が有り，疵取り等の工程の付加のため，製造開始当初は高位置は，一旦フェライト単相化温度まで加熱され最も窒化物製造コストが課題であった．これに対し，鋳造条件の全面見が析出する溶融線の最近傍であることから，これまでは，特直しや各熱間工程での条件最適化，高性能レベラー，高能率性低下抑制のためには，当該部位のオーステナイト相再析出酸洗設備の導入等により，汎用ステンレス鋼レベルの生産性を促進すべく，できるだけ窒素を高めたほうが良いとされてを実現した．

きた(1)(3)．しかしながら省合金型においては，窒素が過剰に添加された場合，溶融線最近傍より外側の，最高加熱温度で.

NSSC
2120 の諸特性も二相が維持され窒化物析出量が比較的少ない領域でより耐食性が低下することわかった(4)(図参照)。これは，溶融線

図に NSSC2120 の母材とフラックスワイヤを用いたマ

最近傍では粒界のほとんどがフェライト/オーステナイト粒

グ溶接( FCAW )および S32101 の推奨入熱量上限を超えた界となり，クロム窒化物はフェライト粒内に微細析出するの

3.5 MJ / m のサブマージアーク溶接( SAW )継手の臨界孔食に対し，二相加熱域では残存しているフェライト/フェライ

温度評価結果を S32101, SUS304 と比較して示す．溶接部

ト粒界にフィルム状に析出するため，生じるクロム欠乏層のも含め，SUS304 以上の耐食性が得られている．また耐硫酸サイズがより大きいことが影響したものと推定される．二相性や耐 SCC 性にも優れている(6) ．図に 10 mm 厚板を素加熱域では溶接熱影響によるオーステナイト相の変化は少な材とした溶接継手について，靭性を評価した結果を示す．

く，対策には窒化物の析出駆動力そのものを抑制する必要がNSSC2120 の靭性低下は比較的少ない．

ある．
そこで NSSC2120 では以下のような成分設計を行った．

.

実用

例

 クロム窒化物の析出駆動力を抑制
ポイントは，上述の通り◯
 フェライト単相加熱域のオーステナイト析出量すること，◯

 304 と同等以下の素材コストに加え，◯
NSSC2120 は◯

 については，窒素の低減が有効では確保することである．◯

 溶接作業性も良好であるこ
高強度を活用した軽量化設計や◯あるのは勿論であるが，それだけでなく他の元素の相互作用とから，水インフラなど土木分野の素材として，ライフサイやオーステナイト相率も影響することから， ThermoCalc

クルコストで最も優位な素材と認知されつつあり，ステンレによる状態図計算により，平衡的にクロム窒化物が析出するス鋼の需要創出に貢献している．厚板の適用例から水門，おま て り あ 第55巻 第 2 号(2016)
Materia Japan



図3

図4

溶接部耐食性評価結果．

用途例(浮上式フラップゲート)．

図6

用途例(ソーラーパネル架台)．

溶接熱影響部靱性評価結果(4)．


よび薄板の適用例からソーラーパネル架台について述べる．


図5

水門

本鋼及び S32304 は，ステンレス鋼材として初めて，国土交通省の新技術情報提供システム NETIS に登録された．従ソーラーパネル架台

太陽光発電パネルを支持する架台へ，高強度かつ腐食減量分を付加する必要の無い NSSC2120 を適用することにより部材を軽量化出来，組立施工性を大幅に向上出来た(図)．
当該架台は第 15 回ステンレス協会賞( 2013 年度)を受賞している．

来の普通鋼＋塗装の構造物を置き換えることでメンテナンス負荷の軽減が可能となり，ステンレス鋼の採用事例が増加し

.

特許つつある．
SUS304 ( 設 計 強 度 205 N / mm2 ) の 場 合 ， 一 般 構 造 用 鋼SS400 ( 235 N / mm2 )などからの置換の際，強度が不足する

本開発に関わる特許を国内外に 24 件出願しており，基本特許の特許第5345070号をはじめ 9 件が登録されている．

ため厚肉設計する必要があり，鋼材単価と重量増加の二重のコストアップとなる上，基本設計を抜本的に見直すことによ文

献り設計費用も割高となる．
本鋼の強度( 400 N / mm2 )は， SS400 などで設計された構造物に適用しても，強度が上回るため単純な置換が出来るだ
けでなく，更に軽量化と重量削減も可能である．特に，東日
本大震災以降，水門の設計基準がより大型化していることから軽量化への需要がより増大しており，復興工事に大量使用されるなど，全国のインフラ施設で採用の動きが広がっている(図)．

( 1 ) 幸 英昭，東 茂樹，小川和博，工藤赳夫，西 馗夫住友金属，42(1990), 272
288.
( 2 ) B. Holmberg, M. Liljas and F. H äaag: Duplex 2007 Int. Conf. &Expo.
( 3 ) R. 
I. Hsieh, H. Y. Liou and Y. T. Pan: J. Mater. Eng. Perform., 10(2001), 526536.
( 4 ) 及川雄介，柘植信二，梶村治彦，井上裕滋溶接学会誌， 82(2013), 435
438.
( 5 ) S. Tsuge, Y. Oikawa, H. Kajimura, H. Inoue and R. Matsuhashi: 7th European Stainless Steel Conference Science &Market, (2011).
( 6 ) M. Anto, M. Wada, K. Onishi and K. Fujita材料と環境
2015 講演集，143144.

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