技術論文

二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響
庄篤史*

Effect of Austenite Phase Content on Pitting Resistance of Duplex Stainless SteelAtsushi Sho

Synopsis: In order to examine the effect of austenite ( γ ) phase content on pitting resistance of duplex stainless steels, pitting
corrosion test for SUS329J4L duplex stainless steels, which had different α / γ phase ratio by changing Ni content
with comparable PRE (Pitting Resistance Evaluation number, Cr% + 3.3Mo% + 16N%), was conducted in accordance with JIS G 0578. The dependence of pitting resistance on γ phase content was considered on basis of the
microscopic observation of corrosion sites and the EPMA analysis of chemical compositions in α and γ phases. In
spite of SUS329J4L steels with comparable PRE, the steels showed different pitting resistance and corrosion site.
These differences corresponded to N and Cr contents differences in α phase originated from Ni addition. It wasconsidered that Cr and N contents in α phase were determined by Ni content in matrix and Cr content in α phase,respectively.
Key words: duplex stainless steel, pitting, pitting resistance, austenite content, chemical composition

1．緒言

観察ならびにEPMAにて α 及び γ 相の組成分析を行い，α/ γ 量比の変化がどのような機構を通して耐食性に影響を高いCr，MoおよびNを含有するフェライト（ α ）・オ

及ぼしているかについて考察した。

ーステナイト（ γ ）二相系ステンレス鋼は，優れた強度と2．実験方法耐食性を有しているため，海水機器，化学プラント，油井
環境用部材等の広範な用途に様々な形状で使用されている。二相系ステンレス鋼の特性は α / γ 量比によって大き2・1

供試材と試験片

く変化し，それは量比の変化によって各相に分配される合

Table1に供試材の化学成分を示す。供試材はJIS

金組成が変化するためにおこる。特にNは，耐孔食性改善

SUS329J4Lの規格成分内でNiのみを変化させて γ 相量をに大きく寄与し，しかも α 相，γ 相への固溶限の違いが大変化させたJ4L-L γ とJ4L-H γ ，及び比較材として同じ二きく，高温での拡散が速いことなどから，二相系の諸特性

相系ステンレス鋼のSUS329J1と，オーステナイト系スに対して最も大きな関わりがある。

テンレス鋼SUS316の4鋼種とした。γ 相量の影響を検討するためJ4L-L γ とJ4L-H γ は，材料の耐孔食性（耐孔食

二相系ステンレス鋼の特性に及ぼす各相比の影響に関する研究は，特に1980年代に精力的に行われており

1-3)

，α

性指数，以下PRE4)）が同等となるようにした。

および γ 相中の化学組成を分析し，特性に及ぼす影響とそ

Table2に供試材の調製工程と γ 相量を示す。100kg-の機構を明らかにしている。しかしこれらは，熱処理温度

VIM炉鋼塊（J4L-L γ ，J4L-H γ ）ならびに量産の圧延ビ

あるいはNi量を変化させることにより α / γ 量比を変化さ

レット（SUS329J1，SUS316）を1150〜900℃の間

せて α 相，γ 相の組成を分析し，その傾向を特性の変化とで幅60mm，厚さ10mmまで鍛伸し，1050℃-20分保持結びつけた研究であり，α / γ 量比の変化がどのような機

後水冷（J4L-L γ ，J4L-H γ ，SUS329J1）及び1100℃-

構でおこり，二相系の耐食性を変化させたかについて明ら

20分保持後水冷（SUS316）の条件で固溶化熱処理を行かにしたものではない。

った。γ 相量はフィッシャー・インストルメンツ社製フェ本研究では，JIS SUS329J4LのNi量を変化させること

ライトスコープMP30にて供試材の α 相量を任意に5ヶ所により α / γ 量比の異なる試料を溶製し，耐孔食性に及ぼ測定し平均してその値を100から差し引いたものとした。

す α / γ 量比の影響を調査した。そして孔食試験後の組識

Table3に試験片の調製条件を示す。試験片は幅20mm，*研究・開発センター

高合金鋼グループ

42

Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響

Table1. Chemical compositions of steels. /mass%
Grade

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

N

PRE＊

J4L-L γ

0.03

0.40

0.78

0.024

0.001

6.05

24.84

2.96

0.151

37.0

J4L-H γ

0.03

0.40

0.78

0.023

0.001

7.08

24.87

2.99

0.145

37.1

SUS329J1

0.01

0.26

0.78

0.034

0.003

5.01

24.93

1.46

0.136

31.9

SUS316

0.05

0.30

1.21

0.039

0.002

11.24

16.66

2.08

0.041

24.2

＊PRE（Pitting Resistance Equivalent number）/ mass%＝Cr%＋3.3Mo%＋16N%

Table2. Histories and γ contents in volume fraction of specimens.
Grade

Material

ForgingHeat treatment

γ content＊

J4L-L γ100kg-ingot

1050℃-20min→W.Q.

40.7%

J4L-H γ100kg-ingot

Temperature：1150〜900℃

1050℃-20min→W.Q.

46.4%

SUS329J1

BilletSize：W60mm×T10mm

1050℃-20min→W.Q.

34.9%

SUS316

Billet1100℃-20min→W.Q.

100%＊Measured by ferrite scope MP30 of Fisher Instruments Co., Ltd. / vol%Table3. Preparation of specimens.
Procedure

Dimension / mm

Cutting→Grinding→Polishing to #600→Ultrasonic cleaning in acetone

W20×L30×T3.5→Drying→Leaving for 24h in the air

Table4. Pitting corrosion test conditions.
Item

Condition

MethodJIS G 0578（Method of ferric chloride tests for stainless steels）

Temperature

65℃ ± 1℃

Time

24 h

長さ30mm，厚さ3.5mmとし，供試材を切削・研削し，塩酸100ml＋硝酸10〜15ml＋界面活性剤2〜3ml）にて耐水研磨紙600番まで研磨後，超音波脱脂洗浄（アセトン

エッチングの後に光学顕微鏡400倍で観察を行った。

中）・乾燥して調製した。試験片は研磨後に実試験片寸法

2・4

EPMAによる組成分析

α / γ 量比を変えたJ4L-L γ ，J4L-H γ 及びSUS329J4Lを測定し，脱脂・乾燥の後24h大気中で保持した後に試験
に供した。

の α

2・2

EPMA1600）にて分析を行った。分析は定量ライン分析

孔食試験

相及び γ

相 の 組 成 を EPMA（ 島 津 製 作 所 ，Table4に孔食試験条件を示す。孔食試験はJIS G 0578

で，1 µ mのダイアモンドペーストまで研磨バフで研磨後に規定されているステンレス鋼の塩化第二鉄腐食試験方法

ただちに，加速電圧15kV，ビーム径1 µ m，走査速度0.2に準じて行った。規定されている50℃±1℃の条件では，µ m/s，分析範囲100 µ mの条件で相分配の大きなNi，Cr，

腐食しなかったため試験温度を65℃±1℃とした。試験後

Mo及びNについて定量分析を行った。Ni，Cr，Moについに重量減量を求め，実試験片寸法，試験時間で除して腐食ては大まかな精度で定量分析可能であったが，Nについて

度（g/m ･h）を求めた。

は標準試料がなかったので，検出器で検出される単位時間

2・3

当たりの特性X線のカウント数を求めて比較評価した。

2

孔食試験後試験片の観察

試験片の腐食状況を調べるため，試験片から孔食が生じ

3．実験結果た部位を切断し熱硬化性樹脂に埋め込んだ試料を用いて腐食損傷部に関する横断面の観察を行った。観察用の試料は埋め込み後，耐水研磨紙を経て，1 µ mのダイアモンドペ

3・1

ーストまで研磨バフで研磨し，王水系腐食液（水100ml＋

孔食試験結果Fig.1にPREにて整理した二相系ステンレス鋼の孔食試

43

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二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響

験結果を示す。試験結果は文献5)で紹介されているように傾向を示した。また α 相・γ 相の縞状組識において α 相

概ね材料組成のPREで整理できる。しかし，J4L-L γ とあるいは γ 相の一方が優先的に腐食されている様相から，

J4L-H γ とを注目すれば，J4L-H γ の方がPREが0.1%高Fig.2で示した二相系の試験片に生じたピットの中にさらいにも関わらず低い耐孔食性を示した。この結果は，例えに小さなピットが認められたのは，α 相あるいは γ 相の優ば藤原ら が示した，同等のPREをもつニ相の鋼種系で，先的な腐食によってもたらされた凸凹が原因であると考え

Niによる α / γ 量比の変化によって耐孔食性が顕著に変化られる。

する傾向と一致する。Fig.2に孔食試験後の試験片の外観

3・3

2)

α 相及び γ 相の化学組成

Fig.4に α 相及び γ 相中の各元素含有量に及ぼす γ 相量写真を示す。PREの優劣で腐食された孔の大きさが異なり，の影響を示す。

二相系の3鋼種はオーステナイト系のSUS316に対してマ

供試材のNi添加による γ 相量の増加に伴い，Crおよびクロ的なピットの中にさらに針で刺したような小さなピットが数多く認められる傾向にあった。

Mo量は α・γ 両相で増加する傾向にあった。さらにCrに

3・2

ついて， γ 量の増加に伴う各相におけるCr量の増加の傾き

孔食試験後試験片の観察

Fig.3に孔食部断面のミクロ組識写真を示す。PREが同は，α 相の方が γ 相よりも大きかった。N量は γ 相量の増等のJ4L-L γ とJ4L-H γ は，腐食減量が異なるだけでなく加に伴い，α 相で増加する一方，γ 相では増減が認められ優先的に腐食される相が異なっていて，J4L-L γ においてなかった。

は α 相が，J4L-H γ においては γ 相がそれぞれ選択腐食したがって α / γ 量比により優先的に腐食される相が変される傾向にあった。J4L-L γ およびJ4L-H γ に加え化したのは，γ 相量の変化にともなって γ 相，α 相それぞ

SUS329J1を含む二相系ステンレス鋼においては，γ 相量れの耐孔食性が変化したために生じたものと考えられる。

が少なくなるほど γ 相に対して α 相の耐食性が劣化する

すなわち，Fig.3に示したように γ 相量の増加にともなっ（1）Result of all materials（2）Result of J4L-L γ and J4L-H γ
10100
J4L-L γJ4L-H γSUS329J1
SUS316

Corrosion rate / g/m2･h

80
70

9
8
Corrosion rate / g/m2･h

90

60
50
40
30

7
6
5
4
3

20

2

10

1

0
20

25

30

35

0
35

40

PRE of matrix / %J4L-L γJ4L-H γ
36

37

38

39

40

PRE of matrix / %PRE（Pitting Resistance Evaluation number）＝Cr％＋3.3Mo％＋16N％
Fig.1. Results of pitting corrosion test at 65℃ in accordance with JIS G 0578.

（1）J4L-L γ（γ ＝40.7％）（2）J4L-H γ（γ ＝46.4％） （3）SUS329J1（γ ＝34.9％） （4）SUS316（γ ＝100％）

Fig.2. Appearances of specimens after pitting corrosion test.

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二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響（1）J4L-L γ（γ ＝40.7％）（2）J4L-H γ（γ ＝46.4％）

Resin

γ

γ

α

γ

γ
α

α

MatrixMatrix

α

γ

α

γ

α
Resin

（3）SUS329J1（γ ＝34.9％）（4）SUS316（γ ＝100％）

γ
α

Resin

γ

Matrixα

Matrix

γ
Resin

α

25µ m

Fig.3. Effect of γ content on preferential corrosion site.

（a）Nickel
10

J4L-H γ34

J4L-L γ7

Cr content / mass%

Ni content / mass%

98（b）Chromium
35

γ phase654

α phase3
2
1
40

Mo content / mass%（c）Molybdenum
43

42 44 46γ content / vol%J4L-L γ48

J4L-L γJ4L-H γ3130

α phase29
28

γ phase27

J4L-H γα phase1γ phase

40

25
38

50

42 44 46γ content / vol%40（d）Nitrogen
600

2

0
38

32

26

Count number of N / cps

0
38

33

48

500

48

50

γ phase550
J4L-L γJ4L-H γ450400

α phase

350
300
38

50

42 44 46γ content / vol%40

42 44 46γ content / vol%48

50

Fig.4. Microanalytical values of Ni, Cr, Mo, and N for α and γ phases in SUS329J4L steels as a function of γ content.
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二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響て γ 相が α 相よりも優先的に腐食されたことは，γ 相量の次に γ 相量の増加による α 相中のN量の増加ならびに γ増加によって α 相中のCrおよびNの固溶量が特に増大した相のN量の減少について考察する。本章冒頭で述べたよう

結果，α 相の耐食性が γ 相を上回り，腐食速度が γ 相よりに，γ 相中のN固溶量は α 相のN溶解度に深く関わっていも低下したために生じたものと考えられる。

るので，α 相のN溶解度に着目して考察した。
今回の成分に近いFe-Cr-Ni-Nの4元系状態図8)（Fig.6）

４．考察によると，α 相へのN溶解度はマトリクス中のNi量及びCr量に依存し，α 相中のN溶解度はNi量の増加にともない減二相系ステンレス鋼には，高温で安定な α 相から冷却の少し，一方Cr量の増加にともない増大する。そこで今回行

過程で粒界を起点として γ 相が析出し，このとき拡散速度

ったEPMA分析結果を用いて α 相のN固溶量に対しどの元の速いNが冷却による α 相中N溶解度の低下にともない，

素が強く影響を及ぼしているか検討した。

α 相から γ 相へ拡散移動する性質がある 。本章では，γ 相Fig.7に α 相中のN量に及ぼす α 相中のNi，Cr，Mo量の量の増加によってCr，N量が α 相で特に増加し，優先的な影響を示す。Ni，Cr，Moの内，α 相中へのN固溶量の変化

腐食相が α 相から γ 相に変化した機構について考察する。

に対して，Cr含有量が最も強い相関を示していた。この傾向

まず γ 相量の増加（Niの添加）によって α および γ 相

はCr量の増加に対し α 相中のN溶解度が増大するという中のCr量が増加し，さらに α 相中のCr量の増加傾向が γ

Fig.6の状態図が示している傾向とも合致している。一方，

相よりも大きかったことは，Fe-Cr-Ni 3元系状態図から推NiはJ4L-L γ およびJ4L-H γ においてN固溶量と関係がある察できる。Fig.5に1100℃におけるFe-Cr-Ni 3元系計算状と見えるものの，この傾向は状態図が示す傾向に合致してい態図 を示す。Fig.5においてat%表示でおよそ6%Ni-ない。したがって本系においては，α 相中のN溶解度に対し

4)

6)

27%Cr-Fe bal.で表されるJ4L-L γ およびJ4L-H γ は，Niて α 相のCr量が大きな影響を及ぼしているものとみられる。

の増加に伴い α → α ＋ γ の二相分離の際に α および γ 相

すなわち，γ 相量の増加（Niの添加）によって優先的な中のCr量は増加の傾向をとり，さらにその増加傾向は γ 相

腐食相が α 相から γ 相に変化したのは，Niの添加によりよりも α 相の方が大きい。例えば6%Ni-27%Cr-Fe bal.

α 相中のCr量が特に増加し，さらにその影響で α 相中のN

（A点▲）と10%Ni-27%Cr-Fe bal.（B点■）について考溶解度が著しく増加したことによって α 相の耐孔食性が γ

えると，Ni量が6%から10%に増加するにともない，二相相を上回り，腐食速度が γ 相よりも低下したために生じた分離した γ 相のCr量は約19%から約22%になるのに対し，ものと考えられる。

α 相のCr量は約27%から約32%に増加している。このこ

５．結言とは3.3節（Fig.4）における結果と合致しており，本供試鋼においてNiの添加により α および γ 相中のCr量が増加
し，さらに α 相中のCr量増加の割合が γ 相よりも大きか

SUS329J1およびNiにより α / γ 量比を変化させた

ったことは，高温におけるそれぞれの材料中成分の活量係

SUS329J4Lについて，孔食試験および二相の組成分析を数変化に伴う相平衝分配現象に由来するものと推察される。
50
Cr

45

Hasebe, Nishizawa7）
10

80
α ＋γ

α

60

50

50

）

60

70
80
90

Cr（mass %）

％
at
（

70

％
at

Fe

40

40
A

10

γ

20

70

80 90

γ ＋ε

5

10
40 50 60
Ni（at ％）

（mass % Ni）

25

10

20

B

0

15

30

20 30

5

30

0
Fe

10

35

（
Cr

）

30

α ＋γ

40

90

20

30
25
20
15

Ni

Fig.5. Phase diagram of Fe-Cr-Ni alloy at 1100℃ in
calculation6）γ
0Hertzman 9）
5 ％ Ni
10 ％ Ni
15 ％ Niγ ＋ CrN

0.2

0.4

0.6 0.8 1.0
N（mass %）

1.2

1.4

1.6

Fig.6. Phase diagram of Fe-Cr-Ni-N alloy at 1000℃
in calculation8）

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二相系ステンレス鋼の耐食性に及ぼす γ 相量の影響

J4L-L γJ4L-H γ

450
400

n＝28
r＝0.551＊＊350
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Ni content in α / mass%Count number of N in α / cps（2）SUS329J1（a）Nickel（c）Molybdenum

550
J4L-L γJ4L-H γ

500
450
400

n＝28
r＝0.635＊＊350
29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0 32.5

Cr content in α / mass%（b）Chromium

500
n＝9
r＝0.081

450
400
350

SUS329J1300
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
Ni content in α / mass%Count number of N in α / cps

500Count number of N in α / cps

Count number of N in α / cps

550

Count number of N in α / cps（b）Chromium

550
500

J4L-L γJ4L-H γ

450
400

n＝28
r＝0.384＊

350
2.0
2.5
3.0
Mo content in α / mass%（c）Molybdenum

550
SUS329J1
500
450
400

n＝9
r＝0.795＊

350

Count number of N in α / cps（1）J4L-L γ and J4L-H γ（a）Nickel

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0

Cr content in α / mass%

550
SUS329J1
500
450
400

n＝9
r＝0.529

350
0.5
1.0
1.5
Mo content in α / mass%＊＊：Correlation with 99％ reliance, ＊：Correration with 95％ reliance No superscript：No correlation
Fig.7. Effect of Ni, Cr and Mo contents on count number of N in ferrite phase of duplex stainless steels.

行った結果，以下の事柄が明らかとなった。

4）二相ステンレス鋼の上手な使い方, 社団法人日本材料学会腐食防食部（1）二相系ステンレスの耐孔食性は α / γ 量比（Niの添加）により変化する。

門委員会編, 京都 (1999), 14.
5）例えば工藤赳夫, 東（2）α / γ 量比によって耐孔食性ならびに優先的に腐食さ

茂樹 : 日本材料学会腐食防食部門委員会第177回例会資料, No.177, 34 (1997), 11.

れる相が変化する現象は，α / γ 量比による α，γ 各6）Y.-Y. Chuang and Y.A. Chang : Metall. Trans. A, 18A (1987),

相のCr，N固溶量の変化によって生じる。

733.

（3）γ 相量の増加（Niの添加）によって優先的な腐食相が7）M. Hasebe, T. Nishizawa : National Bureau of Standards,

α 相から γ 相に変化したのは，Niの添加により α 相SP496, Proceedings of Workshop, NBS, (1977) Jan. 10-12,中のCr量が特に増加し，さらにその影響で α 相中の911.

N溶解度が著しく増加したことによって α 相の耐孔

8）K. Frisk : Z. Metallkd., 82 (1991), 108.

食性が γ 相を上回り，腐食速度が γ 相よりも低下し

9）S. Hertzman : Metall. Trans. A, 18A (1987), 1767.

たために生じたものと考えられる。
■著者

文
1）原

基, 品田

献

豊, 木村豪志, 橋浦広吉 : 防食技術, 36 (1987),650.
2）藤原最仁, 佐藤昌男, 津田正臣 : 鉄と鋼, 73 (1987), A91.
3）橋爪修司, 千野 淳, 酒井潤一, 松島 巖 : 鉄と鋼, 73 (1987), A95.

庄 篤史

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