技術論文

二相系ステンレス鋼の靭性に及ぼす相組成の影響
Effect of Phase Composition on Toughness of Duplex Stainless Steel
美谷 章生＊
Akio Mitani

Synopsis: With the object of realizing well-balanced strength and toughness of duplex stainless steel, mechanism that
controls toughness should be clarified. In this paper, the influence of alloy distribution in ferrite and austenite
phase on charpy impact value was investigated with SUS329J1 duplex stainless steel by heating at different
temperatures before hot working. Higher charpy impact value was obtained when heated at higher temperature.
Major factor for this improvement was due to high Ni concentration in ferrite phase. Propagation paths of crack by
impact fracture were mainly through ferrite phase regardless of heating temperature. This indicates that ferrite
phase is poorer in toughness than austenite phase and controls the entire toughness of duplex stainless steels
such as SUS329J1. In addition, the impact values of ferritic stainless steels whose chemical composition was
similar to that of SUS329J1 were improved with increasing of Ni concentration. Above-mentioned fracture
behavior and strengthening mechanism indicates that increasing Ni concentration of ferrite phase in SUS329J1
duplex stainless steel improves toughness.

Key words: duplex stainless steel, heating, charpy, alloy concentration, distribution
これらは溶質元素の拡散及びこれに伴う析出に起因して生

1. 緒言

じるものであり、フェライト相またはオーステナイト相中フェライト（α）相およびオーステナイト（γ）相からにおける溶質元素の存在状態が衝撃特性へ影響を及ぼすも成る二相系ステンレス鋼は、比較的多量のCr,MoおよびNのと考えられる。

を含有し、優れた強度と耐食性を有することから、化学プ

そこで本報告では二相系ステンレス鋼SUS329J1を用ラント用配管、油井環境用部材、船舶用シャフトの海水機いて、相中溶質元素の存在状態とそれらが衝撃特性に及ぼ器など、様々な形状で広範な用途に使用されている。またす影響について調査した結果を報告する。

二相系ステンレス鋼は、耐孔食性指数PRE（Cr％＋3.3Mo％＋16N％）の高いスーパー二相系ステンレス鋼に代表され2. 実験方法

るように、合金元素量の増加によって耐食性向上を図るこ
2.1 供試材との他に、オーステナイト生成能の高いNiなどの添加量や熱処理条件を調整することによってα/γ相比率の制御を供試材として用いた二相系ステンレス鋼JIS SUS329J1行うなどの、二相共存の特徴を活用した耐食性を向上させの化学成分をTable 1に示す。供試材はVIM炉にて100kg。さらにはWやCuなどの固溶強のインゴットを溶製した後、溶質元素の存在状態を変化さ化元素の添加により、耐食性のみならず強度を向上させた

せるため加熱温度を1175〜1300℃と変化させ、熱間加ASTM UNS S32760に代表される二相系ステンレス鋼が工により幅60mm×厚さ35mmの板材を作製した。さらに規格化されている。しかし熱処理条件や製造プロセスが適1050℃−20分保持後水冷の条件で固溶化熱処理を行った切でない場合、粗大な析出相が生成し特性の低下を招くこものを供試材とした。

る試みも行われている

1-4）とがある。たとえば、冷却過程においてフェライト相の分
Table 1 Chemical composition (mass%)

解によって析出するσ相や、凝固過程または熱処理時に生成する（Al,Cr）NやCr2（C,N）などが、フェライト相およびオーステナイト相のマトリックスと異なって破壊の起点となり、衝撃特性を悪化させることが報告されている5-6）。
＊

SSSU （元研究・開発センター

高合金鋼グループ）

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2.2 フェライト量測定た。しかし加熱温度1250℃以上では衝撃値の上昇が見ら

固溶化熱処理後の供試材について、電磁誘導法を利用れたことから、フェライト量が靭性への直接的な影響因したフェライトスコープ（フィッシャー・インストルメ子ではないことが示唆された。そこでシャルピー衝撃試

ンツ社製,MP30）を用いて、任意に5箇所のフェライト

験後の試験片について光学顕微鏡観察を行い、衝撃値に相体積率を測定し、その平均値をもってフェライト量と影響を及ぼす加熱温度によるミクロ組織の変化を調査しした。

た。

2.3 衝撃特性評価
固溶化熱処理後の供試材を用い、常温にてシャルピー衝撃試験を行った。試験片はJIS Z 2242に従い幅10mm、2mm−Vノッチの形状とし、Fig.1に示すL方向ノッチとなるよう採取した。また、衝撃試験による破壊形態を調査するため、試験後の破面観察を行った。観察用の試料は樹脂に埋め込み後、1µmバフにて鏡面研磨を行い、シュウ酸エッチングを施し、光学顕微鏡を用いて観察を行った。

Fig.2 Effect of heating temperature before hot working
on charpy impact value

Fig.1 Schematic of specimens sampled for charpy
impact test

2.4 EPMAによる組成分析
各相中の溶質元素の存在形態を調査するため、固溶化熱処理後の試料を用いてEPMA（島津製作所製,EPMA1600）による溶質元素の定量分析を行った。

3.実験結果Fig.3 Effect of ferrite content and heating temperatureon charpy impact value

3.1 シャルピー衝撃試験結果
Fig.2にシャルピー衝撃値及び硬さに及ぼす熱間加工時の加熱温度の影響を示す。1100〜1175℃では、ほぼ同等の衝撃値であったが、加熱温度をさらに上昇させた場

3.2 加熱温度による衝撃破断面のミクロ組織変化合に衝撃値が上昇した。なお、硬さは加熱温度によらずFig.4に各加熱温度によるシャルピー衝撃試験後の試験ほぼ同等であった。また、このときのフェライト量と衝片における、破面起点部近傍のミクロ組織を示す。いず撃値の関係をFig.3に示す。フェライト量は加熱温度がれの加熱温度においても破断部にはボイドが散見され、1100℃のとき、他の加熱温度のものと比較して僅かに多加熱温度の低いものほど大きなボイドが多数観察されるかったが、1175℃以上ではほとんど差異は見られなかっ傾向にあった。ボイドの生成・成長のしやすさと衝撃値

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Fig.4 Cross-sectional microstructure near fractured
surface of charpy impact test specimenには逆相関があると考えられる。また、いずれの加熱温度においても破断はフェライト粒内で生じており、フェライト相が衝撃負荷時の亀裂伝播経路となっていた。このことはすなわち、衝撃値の高低はオーステナイト相より靭性の低いフェライト相の強度に律速されていることを示唆している。
3.3 熱間加工前加熱温度による相中合金元素濃度の変化
Fig.5 Elemental mapping by EPMA for the specimens
heated at 1100℃ and 1250℃ followed bysolution treatment

加熱温度の差異により衝撃値が異なったが、衝撃負荷時の破壊形態は近似しており、加熱温度によらずフェライト粒内で亀裂が伝播していた。そこで相中合金元素濃度の差
異 を 確 認 す る た め、 衝 撃 値 に 差 の 見 ら れ た 加 熱 温 度
1100℃および1250℃の試料においてEPMAによる元素
マ ッ ピ ン グ を 行 っ た 結 果 をFig.5に 示 す。 こ の 結 果、Cr,Moについてはフェライト相への濃化が見られたが、加熱温度による差異はなかった。またC,Nの偏析は見られず、加熱温度による差異もなかった。一方でNiについてはオーステナイト相への濃化が確認されたが、加熱温度によってオーステナイト相およびフェライト相におけるNi濃度差が異なっており、衝撃値の高かった1250℃ではオーステナイト相とフェライト相間のNi濃度差は小さかった。そこで
加熱温度による差異の見られたNiに着目し、線分析を行った結果をFig.6に示す。加熱温度1100℃の場合、オーステナイト相中のNi濃度のピークが高く、フェライト相中のNi濃度が低くなっており、オーステナイト相へのNi分配率

Fig.6 Line profile of Ni concentration

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二相系ステンレス鋼の靭性に及ぼす相組成の影響が 高 く な っ て い た。 一 方、 加 熱 温 度1250 ℃ の 場 合 は、を超えると顕著な上昇が見られた。したがってフェライト

1100℃の場合と比較するとオーステナイト相中のNi濃度相中Ni濃度の高い場合、衝撃負荷時の亀裂伝播経路でありのピークは低く、またフェライト相中のNi濃度下限が高くかつ衝撃特性を律速するフェライト相の強化によって、二なっていた。すなわち加熱温度が高い場合フェライト相中相系ステンレス鋼においても衝撃値が向上すると考えられへのNi分配率が高くなり、これが靭性の上昇に影響を及ぼる。

している可能性がある。

また、SUS329J1において加熱温度の上昇によりフェライト相中のNi濃度が向上した現象について考察するため、平衡状態におけるフェライト相およびオーステナイト

4. 考察

各相中のNi濃度におよぼす温度の影響をThermo-Calcを用
熱間加工前加熱温度の上昇により靭性が向上した要因いて計算により求めた。Fig.8にその結果を示す。フェラは、衝撃負荷時の亀裂伝播経路となったフェライト相におイト相中のNi濃度は、温度の上昇にともなって上昇していける、Ni濃度の向上によるものと考えられた。そこで二相る。これは温度の上昇にともなってオーステナイト相が系ステンレス鋼におけるフェライト相中のNi濃度上昇によフェライト相へ変態し、オーステナイト相中に含まれていり衝撃値が向上した現象について検証を行うため、TableたNiがフェライト相に分配されるためと考えられる。実際

2に示すSUS329J1の化学成分に近似したフェライト単相に加熱温度を変化させた場合のSUS329J1の組織をFig.9鋼を用いて、フェライト相中のNi濃度と衝撃値の関係を調に示す。温度の上昇にともない、凝固組織由来の樹枝状オー査した結果をFig.7に示す。この結果、Ni含有量の増加にステナイト相のフェライト相への変態が進み、1275℃で伴い室温における衝撃値が上昇しており、特にNi量が2%120分以上または1300℃の加熱で完全に固溶する。しかし加熱温度の低い1175℃ではオーステナイト相が固溶せTable 2 Chemical composition of samples with varied
Ni content (mass%)

ず、凝固組織に近い組織を呈していた。以上の結果から、加熱温度の上昇によってフェライト相中のNi濃度が高まるのは、オーステナイト相がフェライト相へ変態しNiがフェライト相に拡散した後、熱間加工後に析出するオーステナイト相へのNi濃化が低減されたためと考えられる。この結果、1050℃での固溶化熱処理後の状態においても、熱間加工前加熱温度が高い場合にフェライト相中のNi濃度が高くなり、衝撃値が上昇したと考えられる。

Fig.7 Effect of Ni concentration in Cr-Mo-Ni ferritic
steels on charpy impact valueFig.8 Changes of Ni concentration and the amount offerrite and austenite phase with respect totemperature

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Fig.9 Change in microstructure after heat treatments on SUS329J1 as-cast specimen

5. 結言

参考文献

SUS329J1の熱間加工前加熱温度を変化させ、靭性へ

1）原及ぼす相中合金元素の影響を調査した結果、以下の知見を基, 品田豊, 木村豪志, 橋浦広吉 : 防食技術,

36 （1987）, 650-656.

得た。

2）藤原最仁, 佐藤昌男, 津田正臣 : 鉄と鋼, 73（1）熱間加工前加熱温度の上昇に伴い靭性は向上した。

（1987）, A91-94.

これは熱間加工前加熱温度の上昇により、フェライ

3）橋爪修司, 千野

ト相中へのNi分配率が増加したことによるものと考淳, 酒井潤一, 松島巖 : 鉄と鋼,73 （1987）, A95-98.

えられ、フェライト単相鋼へのNi組成増加による靭4）庄篤史 : 山陽特殊製鋼技報, Vol.10 （2003）, 42.

性向上と同様の傾向を示した。

5）深浦健三 : 2相ステンレス鋼の組織と強度特性に関（2）シャルピー衝撃試験時の衝撃負荷による亀裂伝播経する研究（博士論文）, （1985）.

路はフェライト相であり、靭性を律速するものはオー

6）大坪宏, 野原清彦, 中沢正敏 : 2相ステンレス鋼の衝ステナイト相より靭性の低いフェライト相と考えら

撃特性, CAMP-ISIJ, S482 （1985）, 196.

れた。したがってフェライト相の強化により靭性は向上すると考えられた。

■著者

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