JPH11323503A - 孔食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼およびその製品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、孔食を発生しにくい構造用フェライ
ト系ステンレス鋼及び該鋼を用いた溶接鋼管、形材等の
製品を提供する。 【解決手段】本発明はwt% で、Crを16〜25% 以下含むフ
ェライト系ステンレス鋼において、金属部最表層から0.
5 μｍ以上10μｍ以下の深さ部分のCr量が16% 未満であ
ることを特徴とする。上記ステンレス鋼は重量％で、C:
0.005%〜0.1%、Si≦1.0%、Mn≦2.0%、Cr:16 〜25% 、N:
0.005 〜0.05% 、及び必要に応じて、Ni≦3%、Mo≦3%、
Cu≦2%の内１種以上、Ti≦0.5%、Nb≦0.8%の内１種以上
を含有し、残部実質的にFeおよび不可避不純物からなる
鋼を用いることができる。 【効果】本発明により、耐食性を必要とする部分で使用
可能な構造部材の提供が可能となった。この結果、例え
ば海浜地区などの土木建築分野での構造用材料として、
平板の曲げ加工や鋼管の使用が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、孔食を発生しにく
い構造用のフェライト系ステンレス鋼および該鋼で成形
した製品、即ち、溶接鋼管、組立て形材に関するもので
ある。特に、建築構造用に適し、長期間の耐久性を確保
し得るフェライト系ステンレス鋼およびその製品に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、耐食性に優れているこ
とから広範囲に使用されている。建築建材分野では、従
来より壁材や厨房、水周りなどの内装部材に広く用いら
れてきたが、非金属介在物の低減などの効果や合金元素
の新たな活用によって耐銹性の優れた鋼種が開発された
結果、その耐食性を生かして屋根材やバルコーニーなど
の外装部材に用いられるようになってきた。これらの用
途は、耐食性のほかには加工性が要求されることから、
ＳＵＳ４３０鋼を代表とするフェライト系ステンレス鋼
やＳＵＳ３０４鋼を代表とするオーステナイト系ステン
レス鋼が使用されてきた。

【０００３】しかし、強度を必要とする構造用途には、
ステンレス鋼の使用は稀であった。もちろん非磁性が不
可欠な特殊な環境や、構造材を意匠として露出させるよ
うな設計においては、オーステナイト系ステンレス鋼が
用いられてきた。オーステナイト系ステンレス鋼は、強
度が高く溶接部も含めて低温靭性が炭素鋼に比べてはる
かに優れていることから、構造材料としての大きな問題
は長時間のクリープ変形以外になかった。しかし、Niを
多量に含有するために高価格とならざるを得ないことか
ら、外観上の美麗さを強調するような主として公共建造
物に用いられることが多かった。

【０００４】一方、フェライト系ステンレス鋼は母材強
度ではオーステナイト系ステンレス鋼より劣るものの相
応に高いレベルでありかつNiを必須としない分安価では
あるが、溶接部のみならず母材も靭性が十分ではないた
めに構造部材には適用されていなかった。

【０００５】また、マルテンサイト系ステンレス鋼は、
ＳＵＳ４１０鋼のように焼入れ硬化は可能であるが焼鈍
してフェライト相として使用するか、ＳＵＳ４２０鋼の
ように焼入れ硬化をするが刃物などの靭性を要求しない
用途に用いるかのどちらかであった。

【０００６】この他に、溶接構造用に開発された低Ｃ型
の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼があり、マルテ
ンサイト相またはマルテンサイト相とフェライト相で使
用されている。この低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼
の溶接部の強度靭性は、従来のマルテンサイト系ステン
レス鋼の溶接部より良好であり、機械的特性面からは構
造用としての使用に期待がもてるものの、実使用はなさ
れていなかった。

【０００７】構造部材の多くは必ずしも外観上の美麗さ
は要求されないため、これまで構造用材料にはめっきや
塗装を施した炭素鋼が使用されてきた。しかしながら、
構造物の長寿命化を強く求める社会的な動きに応じて、
構造材の耐食性の一層の向上が強く求められることとな
り、従来のめっき材や塗装材では耐食性が不十分となっ
てきた。もちろん、めっき材や塗装材の耐食性向上は、
めっき厚さやめっき金属の高耐食化あるいは塗膜の厚手
化などの重防食塗装によって達成が可能であるが、溶接
を必要とする構造物ではこの手段は溶接後の処理を極め
て困難にする致命的な欠点があり、実用化は不可能であ
った。

【０００８】構造材にステンレス鋼を使用する場合、耐
食性は極めて良好であるために、腐食減肉による強度低
下の懸念はほとんどない。しかし、低Ｃｒステンレス鋼
を使用した場合や高Ｃｒステンレス鋼でも腐食環境が厳
しい場合、腐食が発生する。特に、問題となる腐食が孔
食などの局部腐食である。孔食が発生した場合、局所と
は言え急激な腐食の進行によってその部分の板厚が大き
く減少し強度が低下することとなるだけでなく、軽度で
あっても応力集中のノッチとなり破壊の起点となりやす
い。このような懸念から、外観上の美麗さは要求されず
軽度の発銹は許容できる場合であっても、これまでは構
造用にはフェライト系ステンレス鋼はもちろん低Ｃマル
テンサイト系ステンレス鋼も使用されず、オーステナイ
ト系ステンレス鋼が用いられてきた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】構造用材料は、外観上
の美麗さは要求されない場合が多いので、大きな肉厚減
少に繋がらない軽度の発銹は許容できることが多い。し
かし、逆にこのような軽度の発銹も防止しようとする
と、耐久性は十分であるが高Ｃｒ化せざるを得ず、靭性
などの機械的性質からさらにオーステナイト系ステンレ
ス鋼とする必要が生じ、このためにさらに多量のＮｉが
必要となって、結局極めて高価な材料とならざるを得な
い。

【００１０】耐食性の向上の点からは、Ｃｒを多量に含
むステンレス鋼が望ましいことになるが、多くの構造用
鋼では、全く発銹しないような高耐食性は必ずしも必要
でない場合が多い。しかし、長期間の腐食に対してはス
テンレス鋼としての耐食性は要求される。そして最も重
要なのは、強度低下や破壊を引き起こす孔食などの、局
所的ではあるが急激な肉厚減少を伴う腐食を確実に防止
することである。

【００１１】本発明は、耐食性の点から１６％以上２５
％以下のフェライト系ステンレス鋼に限定し、このよう
な矛盾を解決した構造用フェライト系ステンレス鋼を提
供することにある。すなわち、構造用として多少の発銹
は起きても応力の集中するような局部腐食の発生せず、
しかもフェライト系ステンレス鋼としての長期耐久性の
享受できるフェライト系ステンレス鋼と、それを用いた
製品として構造用溶接鋼管および組立て形材を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、大きな肉
厚減少に繋がらない軽度の錆は発生しても、腐食が最表
層で停留し内部には進行させない材料設計を検討した。
このような材料の例には、Ｚｎめっき鋼板がある。Ｚｎ
めっき鋼板は表層のＺｎが内層の鋼（Ｆｅ）に対して電
気化学的に卑であることからＺｎが優先腐食し鋼が防食
される。そこで、フェライト系ステンレス鋼において、
他の金属を利用することなくこのような電気化学的に平
衡電位を卑にすることを検討した。その結果、表層のみ
Ｃｒを低減することを想起した。

【００１３】この考えに従い、内層をＣｒ：１６．３％
含むフェライト系ステンレス鋼とし表層をＣｒが不可避
不純物レベルの炭素鋼とした鋼板を真空圧延によるクラ
ッド法にて試作した。この試作鋼板と表層に炭素鋼の層
のないＣｒ：１６．３％含むフェライト系ステンレス鋼
板を、室温の人工海水の噴霧１ｈと３５℃での乾燥１ｈ
および５０℃で相対湿度９８％以上の湿潤環境放置２ｈ
を循環的に繰返す腐食試験を実施した。発銹の開始は試
作鋼板の方が圧倒的に短期であった。しかし、腐食減肉
が生ずるほど長時間の発銹をさせた後腐食表面を観察し
たところ、試作鋼板は炭素鋼の部分だけの腐食で停留し
ていたが、表層に炭素鋼の層のないフェライト系ステン
レス鋼板は、部分的に深い孔食の発生が認められた。

【００１４】すなわち、試作鋼板ではほぼ均一に板厚減
少が進行する均一型の全面腐食であったが、表層に炭素
鋼の層のないフェライト系ステンレス鋼板は全面発銹に
加えて孔食が発生していた。この結果、表層に炭素鋼の
層のないフェライト系ステンレス鋼板の肉厚減少は、局
所的ではあるが試作鋼板より深い結果であった。

【００１５】本発明はこの知見を基になされたもので、
表層にＣｒの低下層を存在させるよう成分に濃度差を設
けたことで達成したものである。すなわち、（１）重量
％で、Ｃｒを１６％以上２５％以下含むフェライト系ス
テンレス鋼において、金属部最表層から０．５μｍ以上
１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１６％未満であるこ
とを特徴とする孔食を発生しにくい構造用フェライト系
ステンレス鋼を発明した。

【００１６】本発明を達成するための具体的な成分の組
合わせから、構造用としての強度を確保し得る第２の発
明として、（２）重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｃｒ：１６％以上２５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０５％以下を 含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
さ部分のＣｒ量が１６％未満であることを特徴とする孔
食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼を発
明した。

【００１７】また本発明は、要求される基本的な耐食性
レベルに応じてＮｉ，Ｍｏ，Ｃｕの内１種または２種以
上を、および／または要求される基本的な強度レベルに
応じてＴｉ，Ｎｂの内１種または２種を添加することが
できる。そこで、第３乃至第５の発明として、重量％
で、（３）上記（２）記載の基本成分に加えて、さらに Ｎｉ：３％以下、 Ｍｏ：３％以下、 Ｃｕ：２％以下 の内１種または２種以上を含有し、残部実質的にＦｅお
よび不可避不純物からなり、金属部最表層から０．５μ
ｍ以上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１６％未満で
あることを特徴とする孔食を発生しにくい構造用フェラ
イト系ステンレス鋼。および、（４）上記（２）記載の
基本成分に加えて、さらに Ｔｉ：０．５％以下、 Ｎｂ：０．８％以下 の内１種または２種を含有し、残部実質的にＦｅおよび
不可避不純物からなり、金属部最表層から０．５μｍ以
上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１６％未満である
ことを特徴とする孔食を発生しにくい構造用フェライト
系ステンレス鋼。および、（５）さらに上記（３）に記
載の成分に加えて、 Ｔｉ：０．５％以下、 Ｎｂ：０．８％以下 の内１種または２種を含有し、残部実質的にＦｅおよび
不可避不純物からなり、金属部最表層から０．５μｍ以
上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が１６％未満である
ことを特徴とする孔食を発生しにくい構造用フェライト
系ステンレス鋼。のそれぞれを発明した。

【００１８】構造用部材は、板状やそれをスリットした
平鋼状で使用する他に、溶接鋼管や形材製品にに加工し
た後に組立てることが多い。本発明はこの溶接鋼管や形
材に加工することも可能である。特に、フェライト系ス
テンレス鋼は適切に溶接すると溶接部の機械的特性には
母材と大きな差異が生じない。そこで、本発明の実施態
様として、前記（１）ないし（５）の何れかの項に記載
のフェライト系ステンレス鋼を（６）冷間にて円筒ない
し角筒状に加工しかつ溶接で接合した構造用溶接鋼管。
（７）溶接で接合し組立てた構造用組立て形材。（８）
曲げ加工により組立てた構造用組立て形材。のそれぞれ
を発明した。

【００１９】本発明は、軽度の発銹が起こることを容認
したステンレス鋼であるので、主として外観の美麗さを
重要視しない建築構造物に適用することが望ましいが、
土木構造物などの柱や杭等への適用も可能である。ま
た、自動車や生産機械などの機械構造部品や電機部品等
への適用も問題がない。また、本発明はクラッド法や溶
射あるいはめっき等によって製造可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の限定条件を示す。
金属部最表層のＣｒ量は、１６％以上ではフェライト系
ステンレス鋼特有の孔食を発生しやすくなり、均一型の
全面腐食を継続的に起こすことができなくなって本願発
明の目的を達成できなくなることから、上限とした。Cr
は試験的な試作の結果、不可避不純物レベルまで低減し
ても目的を達成し得ることから、下限は不可避不純物レ
ベルまで含む。

【００２１】金属部表層のＣｒ低減層の厚さは、０．５
μｍ未満の場合、均一型の全面腐食を継続的に起こすこ
とができないことから０．５μｍを下限とした。しか
し、１０μｍを超えると、発銹が激しくなりフェライト
系ステンレス鋼として許容される耐食性の低下のレベル
を超えることから上限とした。

【００２２】次いで、構造用フェライト系ステンレス鋼
として本発明を達成するための具体的な成分の限定条件
を示す。内層のＣｒは、１６％未満ではフェライト系ス
テンレス鋼板としての基本的な耐食性に欠け、長期耐食
性が不十分であることから、下限とした。また２５％を
超えると構造用としては過剰な耐食性レベルとなるだけ
でなく、精練工程での脱炭が極めて困難となるために上
限とした。

【００２３】Ｃは、強度を確保するために０．００５％
以上の添加が必要である。しかし、多量に添加すると、
硬化し過ぎて延性が不足し、曲げ性や靭性が劣化するた
めに、０．１％を上限とした。

【００２４】Ｓｉは、１．０％を超えると冷間での曲げ
性や靭性が劣化するだけでなく、熱間加工性も劣化する
ため上限とした。

【００２５】Ｍｎは、２．０％を超えると高温でγ相が
生成しやすくなり冷却後マルテンサイト変態を起こして
延性や靭性が劣化するために上限とした。

【００２６】Ｎは、強度を確保するために有効である。
しかし、０．００５％未満では強化の効果がないので下
限とした。一方、多量に添加すると、高温でγ相が生成
しやすくなり冷却後マルテンサイト変態を起こして延性
や靭性が劣化するために、０．０５％を上限とした。

【００２７】本発明の請求項３に示した実施態様におい
て、耐食性を確保するために添加し得るＮｉは、多量に
添加するとその分耐食性は向上するが、高温でγ相が生
成しやすくなり冷却後マルテンサイト変態を起こしたり
γ相のまま残留して延性や靭性が劣化させるために、３
％を上限とした。

【００２８】同様に、耐食性を確保するために添加し得
るＭｏは、多量に添加するとその分耐食性は向上する
が、高温で金属間化合物を生成し靭性を劣化しやすいた
めに、３％を上限とした。

【００２９】同様に、耐食性を確保するために添加し得
るＣｕは、多量に添加すると熱間でのいわゆる赤熱脆性
が生ずることから、２％を上限とした。

【００３０】本発明の請求項４、５項に示した実施態様
において、強度を確保するために添加し得るＴｉは、多
量に添加するとその分強度は向上するが、晶出析出した
粗大なＴｉＮが応力集中のノッチとなって破壊の起点と
なりやすいことから、０．５％を上限とした。

【００３１】同様に、強度を確保するために添加し得る
Ｎｂは、多量に添加するとその分強度は向上するが、延
性靭性を低下させることから、０．８％を上限とした。

【００３２】

【実施例】表１に示した成分を含有し残部実質的にＦｅ
および不可避不純物からなるフェライト系ステンレス鋼
を内層とし、クラッド法によってＣｒ１６％未満に低減
した表層を有する厚さ２．０mmのフェライト系ステンレ
ス鋼板を製造し、冷間で角筒状の溶接鋼管に加工した。
腐食による板厚減少の基準部分を残すために、この鋼管
外表面の一部を残してエポキシ樹脂でシールし、室温の
人工海水の噴霧１ｈと３５℃での乾燥１ｈおよび５０℃
で相対湿度９８％以上の湿潤環境放置２ｈを循環的に５
００サイクル繰返す腐食試験を実施した。

【００３３】表２に、ＥＰＭＡで測定した表層のＣｒが
１６％未満の層の厚さと非シール部分の腐食減量から計
算した平均肉厚減少深さおよび顕微鏡的に測定した最大
肉厚減少深さをまとめて示した。いずれの鋼管も非シー
ル部分は赤錆を発生したが、本発明鋼の最大肉厚減少深
さは、平均腐食肉厚減少深さの概ね２倍以内であった。
これに対して、比較鋼の最大肉厚減少深さは、平均腐食
肉厚減少深さに比べて概ね７倍以上あり、大きなもので
は２０倍以上あった。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【発明の効果】本発明の均一型の全面腐食を発生するフ
ェライト系ステンレス鋼板により、軽度の発銹は許容さ
れるが肉厚減少を伴うような腐食に対して耐食性を必要
とする部分で使用可能な構造部材の提供が可能となっ
た。

【００３７】従来のステンレス鋼は耐食性は良いが、孔
食などの急激な腐食による肉厚減少が発生するため、寿
命の予測が困難で構造体の設計が困難であった。しか
し、本発明鋼板は発銹するとは言え、その速度は炭素鋼
に比べて圧倒的に遅く耐久性向上に大きく寄与する。そ
して何より均一型の全面腐食を発生することから、寿命
の予測が容易に可能であり、設計に折り込むことで安心
して用いることができる。

【００３８】この結果、例えば海浜地区などの土木建築
分野での構造用材料として、平板の曲げ加工や鋼管の使
用が可能となった。従来は、高強度炭素鋼にめっきや重
防食を施していたが、溶接が困難な上に溶接部の防食の
補修が困難であったため、構造物の寿命が短くなるとい
う欠点があった。しかし、本発明により溶接後の補修の
必要なく、しかも安心して長寿命が得られるなど社会的
な利益は大きい。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃｒを１６％以上２５％以下
   含むフェライト系ステンレス鋼において、金属部最表層
   から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深さ部分のＣｒ量が
   １６％未満であることを特徴とする孔食を発生しにくい
   構造用フェライト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．１％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｃｒ：１６％以上２５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０５％以下 を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
   り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
   さ部分のＣｒ量が１６％未満であることを特徴とする孔
   食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．１％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｃｒ：１６％以上２５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０５％以下 を含有し、さらに、 Ｎｉ：３％以下、 Ｍｏ：３％以下、 Ｃｕ：２％以下の内１種または２種以上 を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
   り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
   さ部分のＣｒ量が１６％未満であることを特徴とする孔
   食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．１％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｃｒ：１６％以上２５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０５％以下、 を含有し、さらに、 Ｔｉ：０．５％以下、 Ｎｂ：０．８％以下の内１種または２種 を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
   り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
   さ部分のＣｒ量が１６％未満であることを特徴とする孔
   食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼。
5. 【請求項５】 重量％で、 Ｃ ：０．００５％以上０．１％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：２．０％以下、 Ｃｒ：１６％以上２５％以下、 Ｎ ：０．００５％以上０．０５％以下、 を含有し、さらに、 Ｎｉ：３％以下、 Ｍｏ：３％以下、 Ｃｕ：２％以下の内１種または２種以上、 および、 Ｔｉ：０．５％以下、 Ｎｂ：０．８％以下の内１種または２種 を含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からな
   り、金属部最表層から０．５μｍ以上１０μｍ以下の深
   さ部分のＣｒ量が１６％未満であることを特徴とする孔
   食を発生しにくい構造用フェライト系ステンレス鋼。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５の何れか１項に記載の
   鋼を冷間にて円筒ないし角筒状に加工しかつ溶接で接合
   したことを特徴とする孔食を発生しにくいフェライト系
   ステンレス鋼からなる構造用溶接鋼管。
7. 【請求項７】 請求項１ないし５の何れか１項に記載の
   鋼を溶接で接合し組立てたことを特徴とする孔食を発生
   しにくいフェライト系ステンレス鋼からなる構造用組立
   て形材。
8. 【請求項８】 請求項１ないし５の何れか１項に記載の
   鋼を曲げ加工により組立てたことを特徴とする孔食を発
   生しにくいフェライト系ステンレス鋼からなる構造用組
   立て形材。