JP5755153B2

JP5755153B2 - 高耐食オーステナイト鋼

Info

Publication number: JP5755153B2
Application number: JP2011553279A
Authority: JP
Inventors: ヴェーバーセバスティアン; ミュジカロンスリライス
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung GmbH
Current assignee: Max Planck Institut fuer Nachhaltige Materialien GmbH
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: JP2012519780A; DE102009003598A1; US20120000580A1; CN102365382A; WO2010102601A1; KR20110136840A; EP2406405A1

Description

本発明は、高耐食オーステナイト鋼、その製造方法及びこの鋼の使用に関する。

オーステナイト鋼の強さは、特に炭素及び窒素の元素の格子間に溶解された原子により高められる。揮発性元素である窒素を溶融物中に溶解させるために、通例、クロム及びマンガンが合金化される。クロムが単独でフェライト形成を促進するのに対し、マンガンと共にいわゆる固溶化焼きなましによりオーステナイト構造が得られ、この構造は室温までの焼入れにより安定化される。

オーステナイト鋼の一種は、塑性変形の際に集中的な双晶形成が行われる、いわゆるＴＷＩＰ鋼（双晶誘起塑性、Twinning Induced Plasticity、ドイツ語ではZwillingsbildung induzierte Platistizitaet）である。この過程は通例既に僅かな負荷で行われ、かつ前記鋼を硬化させ、その際に破断伸びは６０％を上回る。これらの特性により、前記鋼は卓越して自動車工業における薄板の製造に、特に車体の事故に関わる範囲に適している。ＴＷＩＰ鋼は通例約０．０２〜０．５質量％の炭素含量を有し、合金元素として、マンガンが２０〜３０質量％の量で、並びに特定のＴＷＩＰ鋼中ではアルミニウム及びケイ素がそれぞれ３質量％までを有して使用される。

欧州特許(EP)第0 889 144号明細書には、いわゆるＴＷＩＰ鋼、軽量構造鋼が開示されており、前記鋼は１,１００MPaまでの引張強さを示し、かつＳｉ１〜６質量％、Ａｌ１〜８質量％（ここでＡｌ及びＳｉの全含量は１２質量％以下である）並びにＭｎ１０〜３０質量％を含有する。開示された鋼は、４００MPaのより高い流動応力並びに７０％までの一様伸び値及び９０％までの破断伸びにより特徴付けられる。この印刷物に開示された鋼に不利であるのは、僅かな耐食性である。

DE 101には、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼は、約１barの通常の大気圧下に溶融され、かつ鉄に加えてクロム１２〜１５質量％、マンガン１７〜２１質量％、ケイ素＜０．７質量％、炭素及び窒素合計で０．４〜０．７質量％及び製造に関連した別の元素合計で＜１．０質量％を含有し、その際に炭素含量及び窒素含量の比は０．６〜１．０であることにより特徴付けられる。開示された鋼は、ＴＷＩＰ作用を示さず、かつ強い変形の際にマルテンサイトを形成しうるものであり、このことはとりわけより僅かな公称ひずみで現れる。

国際公開(WO)第2006/025412号には、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＮｉを主要元素として含有する高耐食ＴＷＩＰ鋼が開示されている。得られた鋼は、５０％を上回る一様伸び値及び６００〜８００MPaの引張強さを示す。機械的性質は、欧州特許(EP)第0 889 144号明細書に開示されたＦｅ、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｎをベースとする鋼のそれと匹敵しうるものであるが、しかしながらニッケルの添加は製造コストを高め、かつ格子間原子の欠如は、より僅かな強さをまねく。Ｃ及びＮを合金元素として含有する別のオーステナイト鋼は、国際公開(WO)第2006/027091号に開示されており、そこに記載された鋼は、それぞれ１６〜２１質量％の量のクロム及びマンガンの合金金属に加えて、モリブデン０．５〜２．０質量％並びに０．５〜１．１の炭素／窒素比を有する全部で０．８〜１．１質量％の炭素及び窒素も含有する。開示された鋼は、機械的な強さ、延性、耐摩耗性及び耐食性を示し、かつ強磁性を示さない。しかしながら不利であるのは、これらの合金の製造の際に、凝固する際に一次フェライト形成が行われることであり、このことは、溶融及び／又は溶接中に窒素の漏出をまねきうる。

本発明には、高い耐力及びまた高い引張強さ並びに９０％を上回る破断伸びを有し、かつ同時に耐食性である、溶接可能な高耐食オーステナイト鋼を提供するという課題が基礎となっていた。

本発明の対象は、それぞれ１００質量％を基準とし、鉄に加えて、
マンガン２０〜３２％、
クロム１０〜１５％、
炭素及び窒素全部で０．５〜１．３％、その際に窒素に対する炭素の比は０．５〜１．５であり、
並びに溶融に関連した(erschmelzungsbedingt)不純物を含有する、高耐食オーステナイト鋼である。

本発明によるオーステナイト鋼は、ＴＷＩＰ特性（TWIP=Twinning Induced Plasticity）並びに良好な耐食性を示す。このＴＷＩＰ鋼の本質的な性質は、良好な耐食性を有する双晶粒界の形成により塑性、すなわち、変形の際に多数の双晶粒界をそのミクロ構造中で形成し、それにより強力にかつ均一に硬化し、引張試験において高い公称ひずみを有し、並びにマルテンサイトを形成することなく完全にオーステナイトのままである鋼を得ることである。

本発明による鋼は、主要合金元素Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｒ並びに格子間元素Ｃ及びＮの組合せにより形成される安定化されたオーステナイト構造を有する。本発明による鋼は、引張試験において９０％を上回る破断伸び、４００MPaを上回る耐力及び９００MPaを上回る引張強さを示す。高い破断伸び及び耐力の組合せに基づいて、本発明による鋼は極度に変形可能である。さらにまた、本発明による合金は、意図的な変形後にＸ線回折を用いて検出可能なα−マルテンサイト又はε−マルテンサイトの形成を示さない。

本発明による合金が、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃ及びＮの前記の割合で一次オーステナイト凝固を可能にし、それにより溶融物が得られ、これから窒素が凝固及び／又は溶接中に漏出しないことが確認された。前記合金は、それゆえ、常圧下に製造され、かつまた加工されることができる。本発明による合金は、フェライトの形成を防止する安定なオーステナイト構造を示す。合金金属Ｃｒ及び存在しているＮは、技術水準からのＴＷＩＰ鋼と比べてより高い耐食性を生じさせる。

合金金属Ｃｒ及びＭｎ並びに添加剤Ｎ及びＣの個々の量比は、Ｃｒの量が溶融物へのＮの溶解度を改善するだけでなく、溶融物の凝固の際に一次フェライトを形成することなく合金の耐食性にも有利な作用を及ぼすような比に調節されている。フェライトの形成は不利である、それというのも、このフェライトは、窒素についてより僅かな溶解度、ひいては細孔形成の結果となりうるからである。さらに、本発明による合金中で、沈殿物、例えば、炭化物及び窒化物の形成はより低い温度にシフトされた。これは、オーステナイト化温度からのよりゆっくりとした冷却並びにより大きな構成部材断面積の問題のない製造を可能にする。

また、本発明による合金の溶接性は、融接後の凝固中の窒素ガス漏出を回避することにより並びに室温への溶接継目及び熱の影響を受けた帯域の固体材料のその後の冷却中の沈殿物の形成を回避することにより有利な影響を受ける。これはとりわけ技術的に重要である、それというのも、溶接後に前記材料は相対的にゆっくりと冷却され、かつ溶接継目で及び熱の影響を受けた帯域中の沈殿物の形成は望ましくないからである。

Ｍｎの量は、変形性（塑性、変形能）を改善する。別の成分Ｃ及びＮは、窒化物及び炭化物が形成されることなく、機械的性質及び耐食性を改善する。本発明によるＣ及びＮの比は、溶融中にガスが漏出することなく又は炭化物もしくは窒化物が促進された冷却中に形成されることなく、完全オーステナイト凝固を可能にする。溶融物への所望の量の窒素の溶解度は、好ましくは１５００℃及び圧力１barで与えられている。

好ましい一実施態様において、２２．０〜３０．０質量％の量のＭｎ及び１１．０〜１３．０質量％、特に１２．０〜１３．０質量％の量のクロムの合金金属が存在する。０．５〜０．８の窒素に対する炭素の比を有する０．５〜０．８質量％の炭素及び窒素の全含量が特に好都合であることが判明している。この実施態様の合金は、有利な材料特性を示すので、これらは軽量構造建築における使用に適している。

さらなる一実施態様において、本発明による合金は、二次合金金属を含有し、前記合金を用いて機械的性質をさらに変えることができる。二次合金元素は、好ましくは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｄから選択されている。これらの合金金属のうち、Ｍｏは好ましくは１．０〜２．０質量％の量で、Ｓｉは０．１〜２質量％の量で含まれている。金属Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｄは、より僅かな量で含まれていてよく、かつミクロ合金元素とも呼ばれる。ミクロ合金元素の中では、Ｎｂは０．０２〜０．１質量％の量で、金属Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｄはそれぞれ互いに独立して０〜０．５質量％の量で存在していてよい。

本発明のさらなる対象は、ＴＷＩＰ特性を有する高耐食オーステナイト鋼の製造方法であり、前記方法において個々の合金金属が常圧下に溶融され、かつ拡散焼きなましが１,０００〜１,２５０℃の温度範囲で１〜７２時間の期間にわたって、その後の焼入れ及び熱間加工／冷間加工を伴い実施される。

溶融過程は、８００〜１０００mbarの圧力で純窒素中で又は開放炉中で、約８００mbarの窒素分圧に相当する周囲圧力で、実施されることができる。

本発明のさらなる対象は、建造物における、特に自動車工業における構造部材の製造のための、本発明によるオーステナイト鋼の使用に関する。

ＴＷＩＰ鋼２５Ｍｎ１２ＣｒＣＮの応力ひずみ線図温度の関数としての切欠き衝撃曲げ値一次オーステナイト凝固を有する高耐食ＴＷＩＰ鋼の状態図

以下の第１表には、本発明による合金の例が示されている：

機械的性質は、第２表に示されている。

以下の図中で、室温での負荷下での伸び曲線（図１）、衝撃強さ（図２）及び一次オーステナイト形成を読み取ることができる計算された状態図（図３）が、図示されている。

Claims

１００質量％を基準とし、鉄に加えて、
マンガン２２〜３０％、
クロム１２〜１３％、
炭素及び窒素全部で０．５〜０．８％、その際に窒素に対する炭素の比が０．５〜０．８であり、
並びに溶融に関連した不純物
からなる、ＴＷＩＰ特性、耐力＞４００MPa及び破断伸び＞９０％を有する高耐食オーステナイト鋼。
Ｍｏが１．０〜２．０質量％の量で含まれている、請求項１記載の高耐食オーステナイト鋼。
Ｓｉが０．１〜２．０質量％の量で含まれている、請求項１又は２のいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼。
Ｎｂが０．０２〜０．１質量％の量で含まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼。
Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＮｄがそれぞれ０．５質量％までの量で含まれている、請求項１から４までのいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼。
９００MPaを上回る引張強さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼。
請求項１から６のいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼の製造方法であって、
ａ）請求項１から５のいずれか１項記載の化学組成を有するオーステナイト鋼を常圧下に溶融させ、
ｂ）１,０００〜１,２５０℃の温度範囲内で１〜７２時間の期間にわたって焼きなましし、かつ
ｃ）引き続き焼入れする
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼の製造方法。
処理工程ｃ）に引き続いて熱間加工及び／又は冷間加工を実施する、請求項７記載の方法。
自動車工業における、構造部材の製造のための、請求項１から６のいずれか１項記載の高耐食オーステナイト鋼の使用方法。