JPH0244896B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明はフエライト系ステンレス鋼に関する。 ［従来の技術］ ステンレス鋼は化学、石油化学およびエネルギ
ーの各分野で多く使用されており、それらの分野
での使用量は増大しつつある。さらに、将来かな
りの量のステンレス鋼が核エネルギー装置、精製
装置、汚染制御システムさらには石炭のガス化、
液化プラントに使用されるであろう。これらの用
途には多数の熱交換システムが採用されているた
め、ステンレス鋼パイプまたはチユーブ（管）は
かつてなかつた程の量必要とされる。多くの場
合、そのような用途に使われるパイプまたはチユ
ーブは圧延ストリツプから連続溶接法によつて製
造している。さらに、継目なし（溶接されない）
管を使用する場合でも管体の組立にはしばしば溶
接を用いる。例えば、熱交換管をチユーブシート
に接合する場合である。したがつて、パイプ、チ
ユーブおよびその他の溶接物として使用するステ
ンレス鋼の溶接性は極めて重要な特性である。 化学、石油化学および同様な用途に使用するス
テンレス鋼は、良好な溶接性、強度、延性および
靭性等各種機械的特性とともに全体的な孔食、〓
間および応力腐食に対する良好な抵抗性を備えて
いなければならない。例えば、組立中あるいは使
用中に衝撃が与えられたときの脆性破壊を防止す
るために、そのような溶接物のシヤルピーＶ−ノ
ツチ遷移温度は周囲温度、例えば32F（０℃）以
下でなければならない。これらの特性は溶接が行
われる場合でも溶接が行われない場合でも重要で
あるが、大部分のステンレス鋼では特微仕様で溶
接の場合にもそのような特性が保持されるように
しなければならない。例えば、ステンレス鋼溶接
物は、一般に、他の場合の製品と比較して粒間腐
食あるいは応力腐食に対し感受性が高く、そのた
め溶接されるときのステンレス鋼組成はそれ以外
の場合の組成のときよりもより一層正確に制御し
なければならない。また、ステンレス鋼の溶接部
は溶接されない母体と比較して延性および切欠靭
性がかなり小さいときがしばしばあり、そのため
溶接用のステンレス鋼の組成には特別の配慮をし
なければならない。さらに、ステンレス鋼は、容
易に溶接できるものでなければならず、溶接後も
空孔または割れ等の欠陥が生じてはならない。 ［発明が解決しようとする課題］ 高価であるにもかかわらず、溶接を行う用途に
はオーステナイト系ステンレス鋼のほうがフエラ
イト系ステンレス鋼よりも好まれているのは、そ
れは主として溶接したままの状態で靭性、延性、
成形性および耐食性の点でオーステナイト系のも
のがすぐれているからである。従来の高クロムフ
エライト系ステンレス鋼の多くは（例：
AISI442、446）焼鈍状態では良好な機械的特性
および耐食性を備えているが、前述のような理由
のいくつかのために、通常は“溶接不適格”とい
われている。例えば、AISI446は溶接後は著しく
脆性破壊および粒間腐食を起こし易い。したがつ
て、溶接条件で使われるようなことがあれば、焼
鈍処理によつて耐食性を回復させるとともに機械
的特性も改善しなければならない。さらに、
AISI446ステンレス鋼の溶接物の耐食性は、焼鈍
後であつても、孔食あるいは〓間腐が多くみられ
るため海洋環境下で使用するには十分でなく、さ
らには無機酸のような強力な還元性酸媒質の全体
への過度な攻撃がみられるため多くの化学の分野
の環境下で使用するのは十分でない。 ［発明の目的］ 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、
溶接のままで例外的に良好な耐食性および機械的
特性を与えることができる高クロムフエライト系
ステンレス鋼を提供することを目的としている。 ［課題を解決するための手段およびその作用］ この発明のフエライト系ステンレス鋼は、重量
で、炭素0.04％以下、窒素0.04％以下、炭素と窒
素との総計が0.02〜0.07％、クロム23.0〜28.0％、
ニツケル2.00〜4.75％、モリブデン0.75〜3.50％
およびチタン0.12〜0.42％および残部鉄および付
随的成分および不純物から構成し、チタンの量を
炭素と窒素との総計量の少なくとも６倍に等しく
したものであり、その組成を第１表に示す。 当業者には周知のように、AISI442、446のよ
うな高クロムフエライト系ステンレス鋼の炭素お
よび窒素含有量を低下させると、溶接後あるいは
熱処理後切欠靭性および、脆性および粒間腐食に
対する抵抗性を実質上改善することができる。例
えば、米国特許第2624671号はクロム含量が25〜
30％に合金が炭素および窒素の総計が約0.025％
以下のときは比較的靭性に富んでいることを示し
ている。しかし、本発明者らは、溶接後に粒間腐
食に対する感受性をなくすために、炭素および窒
素含量をそれぞれ0.003％程度にまでさらに低下
させることが必要であるとの知見を得た。炭素お
よび窒素がそのような水準にある高クロムフエラ
イト系ステンレス鋼を製造することは非常に困難
であり、またそのための方法も現在のところ実際
的でなく、非常に高価なものとなる。 チタンあるいはニオブによる安定化方法は高ク
ロムフエライト系ステンレス鋼の粒間腐食に対す
る感受性を低下させるための良く知られた方法で
ある。さらに、安定化法は炭素および窒素の含量
を低下させる方法よりもより実際的であり経済的
である。安定化法が従来の溶解・精錬法で得られ
る水準の炭素および窒素量で行ない得るからであ
る。しかし、本発明者らは高クロムフエライト系
ステンレス鋼のチタンまたはこれにニオブを加え
る安定化法は、鋼組成、特に炭素および窒素含量
がある臨界的限定内に制御されない限り溶接割れ
を引き起こしあるいは溶接成形法（weld
formability）を著しく低下させてしまうことを
見出した。 モリブデンは、高クロムフエライト系ステンレ
ス鋼の孔食および〓間腐食に対する抵抗性を実質
上改善するため、一般にそれらの鋼種に添加され
る。モリブデンも本発明に係る溶接物に非常に有
利であるが、ある臨界量以上に存在すると溶接時
あるいは処理時にクロム、チタン、ニオブ、ケイ
素および鉄と結合してアルフアプライム相あるい
はシグマ相のような望ましくない二次相となり、
切欠靭性を実質上低下させてしまう。チタンおよ
びニオブの存在によつて、本発明の安定化溶接物
中にアルフアプライム相あるいはシグマ相を与え
るモリブデンの臨界量は、同様なクロム、ケイ素
量の非安定化フエライト系ステンレス鋼溶接物の
場合よりも小さくなる。 ニツケルは強力なオーステナイト生成元素であ
るが、米国特許第3837847号および第3929473号に
示されているように高クロムフエライト系ステン
レス鋼の切欠靭性あるいは耐酸性を改善するため
に使用され得る。しかし、本発明者らの知見によ
れば、ニツケルを添加してモリブデン含有チタン
（あるいはニオブ）安定化フエライト系ステンレ
ス鋼で構成した溶接物の特性を改善する場合、ニ
ツケルおよびモリブデン含量は、切欠靭性および
耐酸性を改善するとともに耐応力腐食性および他
の特性を低下させないようにするために、正確に
調整されなければならない。さらに、過剰量のニ
ツケルはオーステナイトを生成させてしまい。こ
れは耐孔食性に有害な影響を与える。 海水およびその他の厳しい環境下において例え
ば104〓（40℃）というわずかに高い温度で特に
すぐれた耐孔食性および耐〓間腐食性を示す実質
完全に腐食のみられないステンレス鋼を与えるこ
とが特に望ましい。 以上のような観点から本発明のフエライト系ス
テンレス鋼は前記のような組成としたものであ
る。すなわち、炭素および窒素がそれぞれ0.04％
を越える場合、粒間腐食を防止して良好な切欠靭
性を得ることは困難となる。さらに、過剰量の炭
素および窒素は複炭化物あるいは複窒化物を形成
し、それらが母地中のクロム量を減じあるいは孔
食の核生成位置となるため、耐食性を劣化させ
る。 また、本発明のフエライト系ステンレス鋼はチ
タン安定化鋼であり、炭素と窒素との総計が約
0.07％を越えると、これらと結合して安定化させ
るためのチタンを多く必要とするとともに介在物
の量が増加し、表面特性が劣化してしまう。さら
に、本発明に係るチタン安定化鋼においては、炭
素と窒素との総計が0.02％を下回ると溶接成形性
（weld formability）が実質上低下する。チタン
は上述のように溶接物中の炭素および窒素と化合
して溶接後の耐粒間腐食性および靭性を改善する
のに必要である。ニオブを含まない溶接物の場
合、最少チタン含量は、粒間腐食に対する良好な
抵抗性を確保するめには少なくとも炭素と窒素と
の総計の６倍に等しくすることが必要である。チ
タンが前記上限と越えると、過剰量のチタンが存
在することになり靭性が劣化して溶接物は脆化に
対し非常に感受性が高くなる。 クロム23％という最少量は良好な耐食性を得る
のに必要である。これよりクロムが１％上昇する
毎に耐食性は著しく改善されるが、クロム量は28
％以下、最も好ましくは27％以下に抑えて、溶接
中あるいは処理中の、アルフアプライムあるいは
シグマ相のような脆い二次相の生成を最少とすべ
きである。すなわち、クロム含量が27.0〜28％の
ときにはさらに耐食性が改善されるが、この範囲
のクロム含量では脆い二次相の生成をさけること
がかなり困難となり、通常の焼鈍温度より高い温
度および非常に急速な冷却温度というような特別
の処理操作が必要となる。クロム28％以上では、
脆化を最少とするに必要な処理操作のため、商業
ベースで連続して大量に製造するのが実際的でな
くなる。 ニツケルは溶接物品の切欠靭性および耐酸性を
実質上改善する。良好な低温切欠靭性を得るため
にまた強還元性酸中での満足のいく耐食性を与え
るためには最少量として少なくとも2.00％、好ま
しくは3.00％のニツケルが必要である。しかし、
約4.75％を越えるニツケル量では孔食および応力
腐食に対する抵抗性が低下する。 本発明に係るフエライト系ステンレス鋼の耐食
性を改善するためには最少限少なくとも0.75％の
モリブデンを必要とする。モリブデンが約0.75％
を越えると孔食および〓間腐食に対する抵抗性は
ますます改善されるが、約3.50％を越えるとアル
フアプライムあるいはシグマ相のような望ましく
ない二次相が生成し、耐食性および靭性の両方が
低下してしまう。良好な耐応力腐食性が必要とさ
れる場合には、モリブデンは約2.75％以下に制限
すべきである。わずかに高い温度、例えば104〜
122〓（40〜50℃）での海洋環境および化学分野
の環境下のように、耐応力腐食性が必ずしも必要
とされずに孔食および〓間腐食に対する抵抗性が
要求される場合には、2.00〜3.50％のモリブデン
含量が必要となる。 なお、第１表中のマンガンは残留元素であつ
て、溶接物の切欠靭性および耐食性を低下させる
ため、好ましくは約1.00％以下に制限される。ま
た、ケイ素は耐食性をわずかに改善する靭性およ
び溶接成形性を低下させるため、前記の上限1.00
％以下に制限するのが最良である。 ［実施例］ 本発明のフエライト系ステンレス鋼における組
成の臨界性を説明するために、多数の合金を各種
方法で溶解し、いくつかの機械的試験および腐食
試験によつて評価した。 第表の１〜３は、上記試験に用いられた種々
のステンレス鋼の組成を示すもので、そのうちア
ーク溶解鋼はベース材として鋼種番号930594の材
料を使用して溶解した。したがつて、その組成
は、Ｃ−１鋼（窒素を低下した）およびTi−１
鋼（チタンを溶解中に故意に添加した）を除い
て、本質的に鋼種番号630594のものと同一であ
る。 本発明に係るフエライト系ステンレス鋼では、
粒間クロム炭化物又は窒化物の析出による粒間腐
食（溶接劣化）に対する感受性は、硝酸10％およ
びフツ化水素３％を含む70℃の水溶液で評価し
た。この試験は特に選んだものであつて、
ASTM262−70に示されている硫酸−硫酸第二鉄
試験および硝酸試験と異なつて、クロムの炭化物
または窒化物の析出（これはステンレス鋼の粒間
腐食の一次的そして一般的原因として良く知られ
ている）によつてもたらされるクロムの濃度低下
または消失（depletion）に対し非常に敏感な試
験である。その一方で、この試験は、例えば非常
に高い酸化性のいくつかの化学分野の環境下にお
けるように、非常に制限された条件のもとでのみ
粒間腐食の原因になるにすぎないチタンの炭化物
あるいは窒化物の析出に対しては余り敏感ではな
いからである。 試験片は第表に掲げられた鋼種から作つた厚
さ0.060インチのTIG溶接物から得た。この溶接
物の耐食性は、粒間腐食の程度および位置によつ
て顕微鏡検査（30倍）によつて評価した。この結
果を第表に示す。 （Ti≧６（Ｃ＋Ｎ）の根拠） 第表に示す溶接物の腐食データからは、溶接
後の粒間腐食に対し非安定化フエライト系ステン
レス鋼において比較的感受性が高いことがよく分
かる。しかし、炭素および窒素の含量を低くする
ことによつて、この感受性は大きく低下する。例
えば、溶接によつて厳しい腐食をうけているCb
−３鋼（炭素＋窒素＝0.06％）と、溶接によつて
わずかながら腐食を受けている930594鋼種（炭素
＋窒素＝0.012％）と、溶接によりほとんど腐食
を受けていないＣ−１鋼（炭素＋窒素＝0.006％）
とをそれぞれ比較することによつて明らかとな
る。したがつて、従来のフエライト系ステンレス
鋼の粒間腐食を防止するために、炭素と窒素との
総計を少なくとも0.006％としなければならない
が、これは良く知られているように余り低すぎて
実際的でない。 第表から、チタンによる有利な効果は、炭素
と窒素を総計で約0.05〜0.06％含むCb−３、Ti−
３、Ti−５鋼および溶製番号161079のものにつ
いての溶接による腐食データによつて明らかに示
される。Cb−３鋼は、Ti−３鋼（炭素と窒素の
総計の約２倍に等しい量のチタン0.15％を含む）
と同様に、溶接による著しい腐食を示した。溶製
番号161079のものは炭素と窒素の総計の約５倍に
等しい量のチタンを含み、わずかであるが腐食が
まだ見られる。このことから溶接劣化に対する良
好な抵抗性を実現するのに必要な最少チタン量が
炭素と窒素の総計の５倍よりも大きいことが分か
る。これに対して、炭素と窒素の総計の６倍にほ
とんど等しいチタン量を含むTi−５鋼は溶接に
よる腐食を全く示さなかつた。 （Ni、Moの影響） チタン安定化フエライト系ステンレス鋼のニツ
ケルおよびモリブデン含量を本発明におけるよう
に増大させても、ニツケル4.11％およびモリブデ
ン0.97％を含む3A48A鋼、ニツケル3.96％および
モリブデン2.49％を含む3B82鋼およびニツケル
3.94％およびモリブデン2.87％を含む3B78A鋼の
参考例によつて示されるように、粒間腐食に対す
る抵抗性を低下させることはない。ニツケルはオ
ーステナイト形成元素であり、高クロムフエライ
ト系ステンレス鋼に多く含有させると耐孔食性を
劣化させるとされていたが、Ti、Ｃ、Ｎを上記
の範囲とすることによりそのような不具合が解消
されている。 なお、第表の3778A鋼のデータから、溶接腐
食を防止するにはニオブとチタンを組合わせて使
用してもよいことが分かる。そのような組合せに
より、安定化に必要なチタン量を少なくしてチタ
ンに富む介在物を少なくすることができ、そのよ
うな介在物によつて引き起こされる表面欠陥の可
能性を少なくすることができる。その結果、溶接
靭性を改善することができる。 ステンレス鋼溶接物は、溶接後の粒間腐食に対
し良好な低抗性を有するほかに、溶接中および続
いて行なう加工操作の段階でも良好な耐割れ性を
有しなければならない。溶接中の割れに関して本
発明に係るフエライト系ステンレス鋼の組成の臨
界性を説明するために、第表に掲げたうちのい
くつかの合金について、同じ溶接条件で0.060イ
ンチ厚さのTIG溶接物を得、健全であるかどうか
顕微鏡で検査した。例えば本発明の範囲外である
930594鋼およびCb−３鋼のように非安定化鋼の
いずれの溶接物も、また例えばTi−５鋼および
3775鋼のようにチタン安定化鋼のいずれの溶接物
も、使用した全ての溶接条件で、完全に割れがみ
られなかつた。すでに指摘したように、炭素と窒
素の総計が0.07％以下であるチタン安定化鋼は溶
接後も割れがみられなかつた。 本発明に係るフエライト系ステンレス鋼の溶接
成形性（weld formability）は、溶接割れを試験
するために得た0.060インチ厚さのTIG溶接物の
うちのいくつかについてオルゼンカツプ試験を行
ない、焼鈍した材料および溶接されなかつた母材
について行なつた同様の試験の結果と比較するこ
とにより、評価した。結果は次の第表に示す。 （0.02≦Ｃ＋Ｎの根拠） これらのデータからは、高クロムステンレス鋼
の炭素と窒素の総計量を少なくすると溶接延性お
よび靭性が改善されるという良く知られた事項が
確認される。例えば、炭素と窒素を総計でわずか
0.012％しか含まない930594鋼のオルゼンカツプ
延性は焼鈍したおよび溶接しない母材のそれと等
しかつた。一方、炭素と窒素を総計で0.06％含む
Cb−３鋼は上記延性が低く、焼鈍した母材のそ
れよりもかなり低かつた。より重要なことは、こ
のオルゼンカツプデータからは、溶接した状態で
の腐食を最少とするに必要な量のチタンを添加す
ることは、炭素と窒素の総計量の少なくとも６倍
に等しい量だけチタンが存在するときには、炭素
と窒素の総計が約0.02％以上であれば非安定化鋼
の溶接成形性（weld formability）を実質上改善
できる。この点チタン安定化による有利な効果
は、Cb−３鋼、3775鋼およびTi−５鋼で作つた
溶接物のカツプ高さの差とした明瞭に示される。 炭素と窒素の含量の総計が約0.02％以下でチタ
ン安定化したものにおいては、Ti−１鋼および
Ti−６鋼の溶接状態の低いオルゼンカツプ延性
によつて明らかなように、溶接物の延性が害され
ている。 なお、炭素と窒素の総計が0.04％以上である場
合、ニオブおよびチタンの両者を使つて安定化さ
れると良好な溶接成形性を得ることができる。た
とえば、3778A鋼は、炭素と窒素の総計0.056％、
チタン0.25％およびニオブ0.29％を含む3778A鋼
が良好なカツプ延性を示している。 （Niの影響） 溶接物の低温靭性を改善するために必要な量の
ニツケルは、溶接したままでも焼鈍状態とほとん
ど同一のオルゼンカツプ高さを示す3A48A鋼
（ニツケル4.11％）の良好な実施例によつて示さ
れるように、オルゼンカツプ成形性を劣化させる
ことはない。 ［発明の効果］ かくして、本発明に係るフエライト系ステンレ
ス鋼は、石油化学産業、化学産業、脱塩産業、パ
ルプ・製紙産業および電力産業に各分野にみられ
る塩水、化学物質を含む厳しい環境下で広く使用
できるものである。溶接性および耐食性が良好で
あることから、塩分を含む冷却水を使う溶接チユ
ーブおよび熱交換器として、また溶接したままの
化学プロセス設備として特に有用である。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 ※ 破壊を起こさない最大カツプ高さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で、炭素0.04％以下、窒素0.04％以下、
   炭素と窒素との総計が0.02〜0.07％、クロム23.0
   〜28.0％、ニツケル2.00〜4.75％、モリブデン
   0.75〜3.50％およびチタン0.12〜0.42％および残
   部鉄および付随的成分および不純物からなり、前
   記チタンの量は、前記炭素と窒素との総計量の少
   なくとも６倍に等しい完全なフエライト系ステン
   レス鋼。 ２ 前記ニツケル含量が3.00〜4.75重量％の範囲
   内にある特許請求の範囲第１項記載のフエライト
   系ステンレス鋼。