JP2003253401A - 耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】化学成分の変更なしに、製造プロセスの最適化
により、粒界腐食を顕著に防止できる、耐粒界腐食性に
優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。 【解決手段】金属結晶粒間の相対方位関係において、全
粒界長さに対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割
合が７５％以上のオーステナイト系ステンレス鋼とす
る。また、金属結晶粒間の相対方位関係において、全粒
界長さに対する、Σ値が３、９及び２７の粒界長さの和
の割合が７０％以上であるオーステナイト系ステンレス
鋼とする。そして、オーステナイト系ステンレス鋼は、
溶体化熱処理を施した鋼に、圧下率２〜１５％の冷間圧
延を施した後、９００℃以上１０００℃以下の温度で５
時間以上保持する加工熱処理を施すことにより製造され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属結晶粒子間の
相対方位関係を制御することにより、耐粒界腐食性を顕
著に改善したオーステナイト系ステンレス鋼及びその製
造方法に関するものである。本発明は、耐食性に優れた
ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ス
テンレス鋼が使用されている化学プラントや温水器など
で、特に耐粒界腐食性が懸念される場合に利用される。

【０００２】

【従来の技術】ＳＵＳ３０４を代表とするオーステナイ
ト系ステンレス鋼は、通常、溶体化熱処理を施されたま
まの状態で使用され、優れた耐食性及び耐粒界腐食性を
有しており、化学用等の種々の用途に使用されている。
しかし、溶体化熱処理を施されたオーステナイト系ステ
ンレス鋼でも、溶接や高温加熱がなされた場合には、そ
の溶接や高温加熱による熱影響部には、顕著な粒界腐食
を生じる場合がある。この粒界腐食を生じる現象は鋭敏
化と呼ばれ、粒界へのＣｒ炭化物析出に伴うＣｒ欠乏層
領域の発生が原因である。

【０００３】従来、この鋭敏化対策として、鋼の化学成
分の面からは、Ｃｒ炭化物の析出を抑制するために、炭
素含有量の低減や炭素を化合物として固定するＴｉやＮ
ｂの添加が行われた。しかし、これらの手法によっても
Ｃｒ炭化物の析出による粒界腐食を防止するのに十分で
はない場合があった。また、これらの手法では、脱炭処
理時間が増加して生産性が悪くなり、また、ＴｉやＮｂ
の追加元素の添加により、素材コストが高くなる問題が
あった。

【０００４】一方、施工面からの鋭敏化対策としては、
鋭敏化した溶接部に対してＣｒおよびＣを再固溶させる
後熱処理が行われることがあったが、化学プラントなど
の規模の大きい設備に対して後熱処理を行うのは実質的
に不可能であった。これらの対策として、特開平３−１
０７４１９号公報には、溶体化熱処理後溶接前に、ステ
ンレス鋼の溶接熱の影響を受けることになる部位表面
に、加工度にして少なくとも１０％以上の冷間加工を予
め付与するステンレス鋼の耐粒界腐食特性の向上方法が
開示されている。この方法によれば、溶接熱の影響を受
けることになる部位表面に予め冷間加工を付与すること
で、溶接時に、結晶粒内にＣｒ炭化物の析出サイトを多
数発生させることができ、Ｃｒ炭化物は粒内で分散析出
せしめられ、粒界へのＣｒ炭化物析出が押えられること
になる。

【０００５】また、特開平１−２５５６２１号公報に
は、溶体化熱処理の後、表面層を３〜２０％の加工率で
冷間加工し、その後、鋭敏化温度領域で加熱して非鋭敏
化領域にもたらす耐粒界腐食処理方法が開示されてい
る。この方法によれば、ＣｒをマトリックスからＣｒ欠
乏層に拡散させてＣｒ欠乏層のＣｒ濃度を回復させるこ
とができると共に、表面層を３〜２０％の加工率で冷間
加工することで、ＣｒをマトリックスからＣｒ欠乏層に
拡散させる時間が大幅に速くなり、過時効処理時間を大
幅に短縮できることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−１０７４１９号公報に開示された方法にあっては、
冷間加工後において最終的に保持される温度がＣｒ炭化
物が析出する温度になるため、鋭敏化を十分に防止する
ことができず、粒界腐食を十分には防止できなかった。
また、素材に１０％以上の冷間加工を施したまま製品に
すると、伸びが低くなり、かつ強度が高くなるため、加
工性が低下するという問題があった。

【０００７】また、特開平１−２５５６２１号公報に開
示された方法にあっては、Ｃｒ炭化物析出温度で加熱す
るため、回復させたＣｒ欠乏層のＣｒ含有量はマトリッ
クスと完全には同等にならず、マトリックスに比べて耐
食性が低いため、粒界腐食を十分には防止できなかっ
た。従って、本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、化学成分の変更なし
に、製造プロセスの最適化により、粒界腐食を顕著に防
止できる、耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステ
ンレス鋼及びその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、この目的
を達成すべく、溶体化熱処理が施された鋼に、冷間圧延
と熱処理（以下、加工熱処理という）を組み合わせて施
し、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界性格及び構造
分布を変化させ、粒界構造の違いが粒界腐食に及ぼす影
響を詳細に調査した。

【０００９】調査の結果、溶体化熱処理後のオーステナ
イト系ステンレス鋼に最適な加工熱処理を施した場合に
は、金属結晶粒間の相対方位関係において、全粒界長さ
に対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割合が著し
く増加し、耐粒界腐食性が顕著に改善されることを見出
した。即ち、金属結晶粒間の相対方位関係において、全
粒界長さに対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割
合が７５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼と
すれば、粒界腐食を顕著に防止できる、耐粒界腐食性に
優れたオーステナイト系ステンレス鋼とすることができ
る。

【００１０】また、金属結晶粒間の相対方位関係におい
て、全粒界長さに対する、Σ値が３、９及び２７の粒界
長さの和の割合が７０％以上であるオーステナイト系ス
テンレス鋼とすれば、粒界腐食を顕著に防止できる、耐
粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼とす
ることができる。ここで、Σ値とは、粒界で隣接する２
つの結晶粒の結晶格子が作る対応格子点密度の逆数で定
義され、粒界における原子配列の規則性に関係し、一般
に、Σ値が小さいほど粒界での原子配列の乱れが小さく
粒界エネルギーが低いと考えられている。

【００１１】Σ値の詳細説明については、ステンレス鋼
便覧第３版（ステンレス協会編、日刊工業新聞社発行、
１９９５年１月２４日初版１版発行、ｐ４６〜４７）に
記載されている。このΣ値によって規定される粒界はす
べて対応粒界であるが、ここではΣ値が２９以下の粒界
を特に「対応粒界」（Σ≦２９、理論的対応方位関係の
ずれ角Δθ≦１５Σ^-1/2）と呼び、その他の粒界を「ラ
ンダム粒界」と呼んで区別する（D.G.Brandon,Acta Met
allurgica,Vol.14,No.11,p1479-1484(1966) 参照）。全
粒界に対する、対応粒界の比率の増加により耐粒界腐食
性が顕著に改善されるメカニズムは、まだ完全には明確
になっていないが、対応粒界はランダム粒界に比べて粒
界エネルギーが低いため、Ｃｒ炭化物が析出しにくく、
耐粒界腐食性に優れると考えられる。そのため、ランダ
ム粒界に沿った粒界腐食の連続性を対応粒界が分断し、
粒界腐食の進行を停止していると推定される。

【００１２】また、本発明の耐粒界腐食性に優れたオー
ステナイト系ステンレス鋼の製造方法は、溶体化熱処理
を施した鋼に、圧下率２〜１５％の冷間圧延を施した
後、９００℃以上１０００℃以下の温度で５時間以上保
持する加工熱処理を施すものである。この加工熱処理
は、全粒界に対する、対応粒界比率を最大にするもので
ある。最終熱処理は、鋭敏化温度領域（約７００℃）を
超えた溶体化温度域（９００℃以上１０００℃以下の温
度）で行うため、Ｃｒは析出状態ではなくマトリックス
に固溶しており、Ｃｒの耐食性改善効果が十分に発揮さ
れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。本発明の実施形態のオーステナイト系ステン
レス鋼は、溶体化熱処理を施した鋼に、圧下率２〜１５
％の冷間圧延を施した後、９００℃以上１０００℃以下
の温度で５時間以上保持する加工熱処理を施すことによ
り製造され、金属結晶粒間の相対方位関係において、全
粒界長さに対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割
合が７５％以上であると共に、金属結晶粒間の相対方位
関係において、全粒界長さに対する、Σ値が３、９及び
２７の粒界長さの和の割合が７０％以上となっている。

【００１４】ここで、全粒界長さに対する、Σ値が２９
以下の粒界長さの和の割合を７５％以上としたのは、前
記割合が７５％未満であると、十分な耐粒界腐食性改善
効果が得られないからである。耐粒界腐食性改善効果を
より発揮させるためには、前記割合を８０％以上とする
ことが好ましい。また、全粒界長さに対する、Σ値が
３、９及び２７の粒界長さの和の割合を７０％以上とし
たのは、前記割合が７０％未満であると、十分な耐粒界
腐食性改善効果が得られないからである。耐粒界腐食性
改善効果をより発揮させるためには、前記割合を７５％
以上とすることが好ましい。

【００１５】また、冷間圧延における圧下率を２〜１５
％としたのは、前記圧下率が２％未満であったり、ある
いは１５％を超えた場合には、十分な耐粒界腐食性改善
効果が得られないため、圧下率を２〜１５％とした。耐
粒界腐食性改善効果をより発揮させるためには、前記圧
下率を４％以上１０％未満とすることが好ましい。さら
に、熱処理温度を９００℃以上１０００℃以下としたの
は、前記温度が９００℃未満であったり、１０００℃を
超える場合には、保持時間によらず、十分な耐粒界腐食
性改善効果が得られないからである。また、熱処理にお
ける保持時間を５時間以上としたのは、９００℃以上１
０００℃以下の温度で５時間以上保持した場合のみ、十
分な耐粒界腐食性改善効果が得られるからである。な
お、耐粒界腐食性改善効果をより発揮させるためには、
熱処理温度を９２０℃以上、また保持時間を２４時間以
上とすることが好ましい。このうち、熱処理温度を９５
０℃以上、保持時間を５０時間以上とすると、一層耐粒
界腐食性が改善される。ただし、過度に長時間の熱処理
を施しても、耐粒界腐食性改善効果が飽和し、生産性が
低下するだけであるため、保持時間を９６時間以下にす
ることが好ましい。

【００１６】なお、冷間圧延と熱処理との組み合わせで
ある加工熱処理は１回だけ行うことが好ましい。加工熱
処理を２回以上繰り返し行っても、製品として問題にな
ることはないが、耐粒界腐食性改善効果は飽和し、製造
コストが高くなるだけであるからである。加工熱処理を
繰り返す場合でも、２回以下とすることが好ましい。本
発明の実施形態のオーステナイト系ステンレス鋼によれ
ば、溶体化熱処理を施した鋼に、圧下率２〜１５％の冷
間圧延を施した後、９００℃以上１０００℃以下の温度
で５時間以上保持する加工熱処理を施すことにより、金
属結晶粒間の相対方位関係において、全粒界長さに対す
る、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割合が７５％以上
であると共に、金属結晶粒間の相対方位関係において、
全粒界長さに対する、Σ値が３、９及び２７の粒界長さ
の和の割合が７０％以上となり、粒界腐食を完全に防止
できる、耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ステン
レス鋼とすることができる。従って、化学成分を変更す
ることなしに、製造工程の変更のみで、粒界腐食を完全
に防止できる、優れた耐粒界腐食性を有するオーステナ
イト系ステンレス鋼を容易に得ることが可能となる。本
発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、耐粒界腐食性
以外の耐食性（耐孔食性、耐応力腐食割れ性など）や、
加工性などについては、従来のオーステナイト系ステン
レス鋼と遜色ない特性を有している。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例及び比較例を挙げ、本
発明をより具体的に説明する。表１に示す化学成分を有
するＳＵＳ３０４の１００ｋｇの鋼塊を真空溶解炉で溶
製し、通常の熱間圧延により厚さ９ｍｍの熱延板とし、
１０５０℃で３０分保持する溶体化熱処理をした後、酸
洗でスケールを除去し、供試材とした。この供試材を複
数用意し、それぞれの供試材に表２に示す冷間圧延及び
熱処理を施し、それぞれの供試材について、Σ値２９以
下の粒界長さの和の割合及びΣ値３，９，２７の粒界長
さの和の割合を調べると共に、耐粒界腐食性を調べた。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】Σ値２９以下の粒界長さの和の割合及びΣ
値３，９，２７の粒界長さの和の割合については、供試
材における厚さ方向に垂直な断面に対してＯＩＭ（Orie
ntation Imaging Microscopy）解析を行って結晶粒界の
Σ値を測定し、その結果をもとに、全粒界長さに対す
る、Σ値２９以下の粒界長さの和の割合及びΣ値３，
９，２７の粒界長さの和の割合を算出した。なお、ＯＩ
Ｍ解析の詳細説明については、粉川らによる「ＥＢＳＰ
による表面・界面の解析技術」（材料科学、Ｖｏｌ３
５、Ｎｏ．３、１９９８年、ｐ４６）に記載されてい
る。

【００２１】また、耐粒界腐食性については、ＪＩＳ
Ｇ ０５７２の硫酸・硫酸第二鉄腐食試験方法に準拠
し、供試材に、６５０℃で２時間加熱後水冷する鋭敏化
処理を施した後、連続７２時間の沸騰試験での単位面
積、単位時間当たりの腐食減少量を調べた。以上の結果
を表２に示す。

【００２２】表２を参照すると、本発明例である供試材
番号１〜１２については、単位面積、単位時間当たりの
腐食減少量が５．１ｇ/ ｍ² ・ｈ〜９．６ｇ/ ｍ² ・ｈ
の範囲に収まり、１０．０ｇ/ ｍ² ・ｈより小さいの
で、優れた耐粒界腐食性を有するオーステナイト系ステ
ンレス鋼であることが理解される。一方、比較例を構成
する圧下率が１％と低い供試材番号１３及び圧下率が１
８％と高い供試材番号１４については、それぞれ、Σ値
２９以下の粒界長さの和の割合が６５．１％、６０．３
％と小さく請求項１の要件を満たさず、かつ、Σ値３，
９，２７の粒界長さの和の割合が５８．３％、５４．２
％と小さく請求項２の要件を満たさない。そして、それ
ぞれ単位面積、単位時間当たりの腐食減少量が２０．５
ｇ/ ｍ² ・ｈ、２５．８ｇ/ ｍ² ・ｈであって１０．０
ｇ/ ｍ² ・ｈよりも大きく、耐粒界腐食性に劣る。

【００２３】また、比較例を構成する熱処理温度が８８
８℃と低い供試材番号１５及び熱処理温度が１０１５℃
と高い供試材番号１６については、それぞれ、Σ値２９
以下の粒界長さの和の割合が６２．２％、７３．９％と
小さく請求項１の要件を満たさず、かつ、Σ値３，９，
２７の粒界長さの和の割合が５７．３％、６８．７％と
小さく請求項２の要件を満たさない。そして、それぞれ
単位面積、単位時間当たりの腐食減少量が２２．４ｇ/
ｍ² ・ｈ、１２．８ｇ/ ｍ² ・ｈであって１０．０ｇ/
ｍ² ・ｈよりも大きく、耐粒界腐食性に劣る。

【００２４】さらに、比較例を構成する熱処理保持時間
が３時間と短い供試材番号１７及び熱処理温度が１０３
０℃と高くかつ保持時間が０．５時間と短い供試材番号
１８については、それぞれ、Σ値２９以下の粒界長さの
和の割合が７２．５％、７４．３％と小さく請求項１の
要件を満たさず、かつ、Σ値３，９，２７の粒界長さの
和の割合が６５．７％、６８．７％と小さく請求項２の
要件を満たさない。そして、それぞれ単位面積、単位時
間当たりの腐食減少量が１４．１ｇ/ ｍ² ・ｈ、１３．
０ｇ/ ｍ² ・ｈと大きく、耐粒界腐食性に劣る。

【００２５】また、比較例を構成する冷間圧延及び熱処
理を施さない供試材番号１９については、Σ値２９以下
の粒界長さの和の割合が６０．５％と小さく請求項１の
要件を満たさず、かつ、Σ値３，９，２７の粒界長さの
和の割合が５３．２％と小さく請求項２の要件を満たさ
ない。そして、単位面積、単位時間当たりの腐食減少量
が２１．３ｇ/ ｍ² ・ｈと大きく、耐粒界腐食性に劣
る。

【００２６】なお、上述の実施例にあっては、ステンレ
ス鋼の鋼種は、ＳＵＳ３０４であるが、本発明はこれに
限らず、ＳＵＳ３１６など面心立方結晶構造を有するそ
の他の全てのオーステナイト系ステンレス鋼に適用する
ことができる。一方、体心立方結晶構造を有するＳＵＳ
４３０等のフェライト系ステンレス鋼では、本発明の効
果は得られない。

【００２７】また、上述の実施例にあっては、加工熱処
理を施す素材として、熱延板を対象としているが、本発
明はこれに限らず、溶体化熱処理を施したオーステナイ
ト系ステンレス鋼であれば、冷延板、厚板、鋼管など全
てに適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、化学成分を変更しなく
ても、製造工程を変更すれば、粒界腐食を顕著に防止で
き、優れた耐粒界腐食性を有するオーステナイト系ステ
ンレス鋼を容易に得ることが可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古君 修 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 粉川 博之 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学大学院工学研究科内 (72)発明者 嶋田 雅之 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学大学院工学研究科内 (72)発明者 佐藤 裕 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉02 東北大 学大学院工学研究科内 Ｆターム(参考） 4K032 AA04 AA13 AA16 AA21 AA24 AA27 AA29 AA31 CG01 CL03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属結晶粒間の相対方位関係において、
   全粒界長さに対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の
   割合が７５％以上であることを特徴とする耐粒界腐食性
   に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 金属結晶粒間の相対方位関係において、
   全粒界長さに対する、Σ値が３、９及び２７の粒界長さ
   の和の割合が７０％以上であることを特徴とする耐粒界
   腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 溶体化熱処理を施した鋼に、圧下率２〜
   １５％の冷間圧延を施した後、９００℃以上１０００℃
   以下の温度で５時間以上保持する加工熱処理を施すこと
   を特徴とする耐粒界腐食性に優れたオーステナイト系ス
   テンレス鋼の製造方法。