JP2007039741A - 耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温、高濃度のハロゲン化物イオンを含む水溶液中での耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０２５％、Ｓｉ：０．２５〜２．０％、Ｍｎ：１５〜３０％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼であって、更に耐すきま腐食性の向上を目的として、必要に応じて、Ｍｏ、ＷおよびＶの群から選ばれる少なくとも１種以上を０．５〜４．０％を含有する高マンガンステンレス鋼。
【選択図】 なし

Description

本発明は、耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼に関し、特に、高温のハロゲン化物イオンを含む水溶液中等で使用されるステンレス鋼に好適な、耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼に関する。

高マンガンステンレス鋼は、値段の高いニッケル系ステンレス鋼の代替として安価な添加元素であるマンガンを用いた非磁性鋼として開発されてきた合金鋼であり、超電導マグネットなどの強磁界を利用する装置部材や装置周辺の構造部材等での使用が期待されている。

また、高マンガンステンレス鋼の耐食性を向上させる目的で鋼中にクロムを添加した高マンガンステンレス鋼も開発されている。また、かかる高マンガンステンレス鋼の耐応力腐食割れ性を改善したＭｎ−Ｎｉ系非磁性鋼が開示されており、７０℃、８％の塩化ナトリウム水溶液中で優れた耐応力腐食割れ性を有することが示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭５７−０２６１４６号公報

しかしながら、高濃度の塩化物イオンのようなハロゲン化物イオンを含む高温の水溶液中では、上記特許文献１に開示されている発明のＭｎ−Ｎｉ系ステンレス鋼と言えども、十分な耐応力腐食割れ性を有していない懸念がある。

そこで、本発明は、上記現状に鑑み、化学プラント、輸送機器、エネルギー関連、食品分野等の部材、構造材料等の用途に好適な、耐食性に優れ、かつ耐応力腐食割れ性を生じにくい高マンガンステンレス鋼を提供することを目的とするものである。

本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１） 質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０２５％、Ｓｉ：０．２５〜２．０％、Ｍｎ：１５〜３０％、Ｐ：０．００１〜０．０４５％、Ｓ：０．０００１〜０．０２％、Ｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：１４〜２５％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼。
（２） さらに、質量％で、Ｍｏ：０．５〜４．０％、Ｗ：０．５〜４．０％、Ｖ：０．５〜４．０％の群から選ばれる少なくとも１種以上を含有し、かつ、その合計が、０．５〜４．０％であることを特徴とする、上記（１）に記載の耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼。

本発明の高マンガンステンレス鋼は、高濃度の塩化物イオンのようなハロゲン化物イオンを含む高温の水溶液中においても極めて優れた耐応力腐食割れ性を有しており、このような過酷な腐食環境での部材、構造部材として使用されるのに適した耐食鋼であり、設備・機器の寿命改善に寄与する。

本発明者らは、高マンガンステンレス鋼の耐応力腐食割れ性を向上すべく各種の検討を実行した結果、高濃度のハロゲン化物イオンを含む水溶液中での高マンガンステンレス鋼の応力腐食割れは、ＡＰＣ（Active Pass Corrosion、活性溶解型）の可能性が高いことを見出した。そこで、さらに、変形時の粗大すべりの防止および割れ先端部での溶解速度の低減を基に各種の合金元素の影響を丹念に調べた結果、鋼中の炭素濃度、ニッケル濃度、銅濃度を低減すると共に、シリコン濃度、クロム濃度、窒素濃度およびマンガン濃度を適当とすることが極めて有効に作用することを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。

以下に、本発明について詳細に説明するが、各元素の詳細な役割については、割れ先端部での皮膜あるいは溶液分析が困難であることなどの理由より、不明な点が多い。

鋼中炭素は、応力腐食割れの発生を促進する元素であり、その含有量は、０．０２５％以下とする必要がある。なお、０．００１％より低い炭素濃度に低減しても、耐応力腐食割れ性の改善効果は、ほぼ飽和していることから鋼中炭素濃度の下限は、０．００１％とする。

鋼中シリコンは、炭素と異なり、耐応力腐食割れ改善に有効に作用する元素であり、少なくともその含有量は０．２５％以上必要となる。ただし、２．０％を超えて添加すると、材料の伸び、靱性を損なうことから、その含有量は、２．０％以下とする。

マンガンは、耐応力腐食割れ性の改善、オーステナイト組織の安定性のために不可欠な元素であり、少なくとも１５％以上は必要である。ただし、３０％を越えて添加すると、溶製段階でのマンガンヒュームの発生等が顕著となり、作業性が低下すること、および耐応力腐食割れ性の改善効果も、ほぼ飽和するため、３０％を上限とする。

燐は、熱間加工性の低下を生じさせるため、その含有量は、０．０４５％以下とする。ただし、０．００１％より低い値としても、熱間加工性は、ほとんど変化しないため、０．００１％を下限値とする。

硫黄は、熱間加工性の低下あるいは硫化物系介在物を形成し、孔食の発生起点となりやすいため、その含有量は、０．０２％以下とする。ただし、０．０００１％より低い値にしても熱間加工性および耐食性に及ぼす影響は小さいため、０．０００１％を下限値とする。

Ｎは、強度増加に有効な元素であり、その含有量は少なくとも０．３％以上必要となる。ただし、１．０％を越えると、強度が高すぎ、加工性が低下するため、１．０％を上限とする。

クロムは、材料表面にクロム酸化物主体の不働態皮膜を形成し、耐食性改善に不可欠な元素であり、その含有量は、少なくとも１４％以上は必要となる。ただし、２５％を越えて添加すると、フェライト相の割合が増大し、伸び、靱性の低下をもたらすので、２５％を上限とする。

ニッケルおよび銅とも、ステンレス鋼の耐食性改善に良く用いられる元素であるが、本発明鋼については、逆に応力腐食割れの発生を促進することを見出しており、いずれの元素の含有量についても１．０％以下とする必要がある。ただし、０．０１％より低減しても、改善効果は、飽和するため、０．０１％を下限とする。

更に、必要に応じて、耐孔食性、耐すきま腐食性を向上させる目的で、モリブデン、タングステンおよびバナジウムの群から選ばれる少なくとも１種以上を合計で０．５％以上添加することが有効に作用する。ただし、４％を越えて添加すると、これらの元素は、いずれもフェライト相を安定にする添加元素であり、母相のオーステナイト相の安定性が低下するため、４％を上限とする。

本発明鋼である高マンガンステンレス鋼の製造は、通常のニッケルを含有するオーステナイト系ステンレス鋼と同様な製造プロセスで製造される。すなわち、通常、電気炉で熔解され、ＡＯＤ（Argon Oxygen Decarburization）あるいはＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarburization）で２次精錬および合金調整を行い、その後、連続鋳造される。さらに、使用される形態に合わせて板、棒、管等の形態に加工される。加工後は、通常、１０００℃から１１００℃の範囲で加熱、水冷される固溶化熱処理を受ける。

表１は、本発明鋼および比較鋼の鋼中成分の分析結果および応力腐食割れ試験の結果を示す。成分が本発明範囲から外れるものはアンダーラインで指す。応力腐食割れの試験片は、厚さ５ｍｍの熱間圧延板の中心部より厚さ２ｍｍ、幅１０ｍ、長さ７５ｍｍの試験片を採取し、ＪＩＳ Ｇ ０５７６に準拠してＵベンド試験片を作製し、２種類の応力腐食割れ試験方法により耐応力腐食割れ性を評価した。

試験法１は、Ｕベンド試験片の頂点部分に０．０１ｃｃの人工海水を載せ、恒温、恒湿槽の中に入れ、温度８５℃、相対湿度３５％の条件で２週間、保持し、試験後、光学顕微鏡を用い、割れの観察を行った。割れたものは×印で、割れなかったものは○印で示す。なお、割れなかったもので、外観観察でさびの発生状況の少ないものは、耐孔食性にも優れることになるため、特に◎印で示している。

試験法２は、ＪＩＳ Ｇ ０５７６の（Ａ）法ｂに準拠して、沸騰４２％塩化マグネシウム溶液中において、Ｕベンド試験片を用いて耐応力腐食割れ性の評価を実施した。試験時間は、２４０時間で、この時間内に割れが発生したものは×印で、割れを生じなかったものは○印で表示している。

これら、２種類の応力腐食割れ試験は、試験法１が、孔食を起点として、割れに至るケースであり、試験法２は、極めて過酷な腐食環境であることから、孔食等を経由せず、試験片表面の変形部分から、直接割れが発生する試験法と考えられているが、表１から、明らかなように、本発明鋼は、このように厳しい高温、高濃度の塩化物溶液中においても割れを発生しておらず、極めて優れた耐応力腐食割れ性を有することが分かる。また、Ｍｏ、Ｗ、Ｖを添加した発明鋼は、耐孔食性も向上し、さび発生が抑制されていることが分かる。

比較鋼１は、マンガン含有量が低くニッケル含有量が高いため、応力腐食割れ試験１，２とも応力腐食割れが発生している。比較鋼２は、ニッケル含有量が２．５％まで下がっているので、試験１では、応力腐食割れが発生していなかったが、試験１より厳しい試験２では、応力腐食割れが発生した。比較鋼３は、銅を２．５％含有しているので、比較鋼２と同様に試験１では、割れなかったが、試験２では割れが発生した。比較鋼４は、炭素含有量が０．２％と高いため、試験１，２とも割れが発生した。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．００１〜０．０２５％、
   Ｓｉ：０．２５〜２．０％、
   Ｍｎ：１５〜３０％、
   Ｐ ：０．００１〜０．０４５％、
   Ｓ ：０．０００１〜０．０２％、
   Ｎ ：０．３〜１．０％、
   Ｃｒ：１４〜２５％、
   Ｎｉ：０．０１〜１．０％、
   Ｃｕ：０．０１〜１．０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼。
2. さらに、質量％で、
   Ｍｏ：０．５〜４．０％、
   Ｗ ：０．５〜４．０％、
   Ｖ ：０．５〜４．０％
   の群から選ばれる少なくとも１種以上を含有し、かつ、その合計が、０．５〜４．０％であることを特徴とする、請求項１に記載の耐応力腐食割れ性に優れた高マンガンステンレス鋼。