奥氏体系不锈钢的制作方法

本发明涉及奥氏体系不锈钢。

背景技术：

美国机械工程师学会(asme)sa213以及sa213m中规定的tp316h含有mo，在高温下的耐腐蚀性优异，因此，广泛用作火力发电设备以及石油化学设备中的导热管以及热交换器的原材料。

例如，专利文献1中提出了与tp316h同样地含有mo，进而含有ce而提高了高温耐腐蚀性的奥氏体系不锈钢。此外，专利文献2中提出了含有nb、ta、ti而进一步提高了高温强度的奥氏体系不锈钢等。

然而，如非专利文献1以及2所公开的那样，广泛已知将含有mo的tp316h作为厚壁的结构构件在高温下使用时，产生由σ相析出导致的蠕变损伤。例如，在非专利文献2中，为了抑制σ相析出，提出了提高ni平衡、降低nv-nc值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭57-2869号公报

专利文献2：日本特开昭61-23749号公报

非专利文献

非专利文献1：t.c.mcgough等：weldingjournal、january(1985)，第29页

非专利文献2：johnfdelong等：火力核能发电，vol.35no.11、(1984)，第1249页

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，根据非专利文献2中记载的对策，提高奥氏体相的稳定程度的情况下，容易在焊接热影响部产生裂纹。明确了，特别是在用作实际的大型设备那样的厚壁的焊接结构物的情况下，在拘束强的焊接接头形状等中，有时不能防止在焊接热影响部的裂纹。因此，谋求抑制在焊接施工时产生的裂纹、实现优异的焊接性。

此外，另一方面，即便在达成优异的焊接性的情况下，也有时在制成焊接结构物时蠕变强度变差。因此，谋求在焊接性的基础上实现作为结构物的稳定的蠕变强度。

本发明的目的在于提供一种奥氏体系不锈钢，其能够兼具被焊接施工时优异的焊接性和作为结构物的稳定的蠕变强度。

用于解决问题的方案

本发明是为了解决上述课题而成的，以下述的奥氏体系不锈钢为主旨。

(1)一种奥氏体系不锈钢，其化学组成以质量％为

c：0.04～0.12％、

si：0.25～0.55％、

mn：0.7～2.0％、

p：0.035％以下、

s：0.0015％以下、

cu：0.02～0.80％、

co：0.02～0.80％、

ni：10.0～14.0％、

cr：15.5～17.5％、

mo：1.5～2.5％、

n：0.01～0.10％、

al：0.030％以下、

o：0.020％以下、

sn：0～0.01％、

sb：0～0.01％、

as：0～0.01％、

bi：0～0.01％、

v：0～0.10％、

nb：0～0.10％、

ti：0～0.10％、

w：0～0.50％、

b：0～0.005％、

ca：0～0.010％、

mg：0～0.010％、

rem：0～0.10％、

余量：fe以及杂质，

且满足下述(i)式以及(ii)式。

18.0≤cr+mo+1.5×si≤20.0···(i)

14.5≤ni+30×(c+n)+0.5×(mn+cu+co)≤19.5···(ii)

其中，上述式中的元素标记表示钢中所含的各元素的含量(质量％)。

(2)根据上述(1)所述的奥氏体系不锈钢，其中，前述化学组成以质量％计含有总计大于0％且为0.01％以下的选自sn、sb、as以及bi中的1种以上。

(3)根据上述(1)或(2)所述的奥氏体系不锈钢，其中，前述化学组成以质量％计含有选自

v：0.01～0.10％、

nb：0.01～0.10％、

ti：0.01～0.10％、

w：0.01～0.50％、

b：0.0002～0.005％、

ca：0.0005～0.010％、

mg：0.0005～0.010％、以及

rem：0.0005～0.10％中的1种以上。

发明的效果

根据本发明，能够得到能够兼具被焊接施工时的优异的焊接性和作为结构物的稳定的蠕变强度的奥氏体系不锈钢。

附图说明

图1为示出实施例中实施了坡口加工的试验材的形状的截面示意图。

具体实施方式

本发明人等为了兼具被焊接施工时的优异的焊接性和作为结构物的稳定的蠕变强度而进行了详细的调查。其结果得到了以下的见解。

对于使用厚壁的奥氏体系不锈钢而在焊接接头产生的裂纹进行调查，结果发现：(a)裂纹在与熔融边界相邻的位置和从熔融边界稍微偏离的位置产生；(b)前者在晶界确认到熔融痕，在奥氏体相的稳定性变高的成分体系中容易发生；(c)对于后者未确认到晶界的熔融痕，s含量变多时容易发生。

由此，认为前者为所谓液化裂纹，为奥氏体相的稳定性高，从而在焊接中的热循环中p以及s容易发生晶界偏析，晶界附近的熔点降低，发生熔融，由于热应力发生开口而产生的裂纹。此外，认为后者为所谓的延展性降低裂纹，为在焊接中的热循环中发生了晶界偏析的s使晶界的固结力降低，热应力超过固结力，发生开口而产生的裂纹。

于是，进过反复研究的结果，明确了在具有作为本发明的对象的组成的厚壁的奥氏体系不锈钢中，为了稳定地防止焊接热影响部的裂纹，需要将cr+mo+1.5×si设为18.0以上，并且，将ni+30×(c+n)+0.5×(mn+cu+co)设为19.5以下，同时将s含量限制为0.0015％以下。此外可知，为了充分地得到降低焊接裂纹敏感性的效果，需要含有规定量以上的cu以及co。

然而，明确了虽然用这些对策能够防止焊接时的裂纹，但在cr+mo+1.5×si超过20.0、或、ni+30×(c+n)+0.5×(mn+cu+co)不足14.5的情况下，反而会使奥氏体相变得不稳定，在高温下的使用中会生成σ相，大幅降低蠕变强度。

此外，s一方面会对焊接裂纹带来不良影响，另一方面，具有使焊接时的熔深深度增大、尤其提高初层焊接时的焊接施工性的效果。得知从焊接裂纹的观点出发而将s含量管理至0.0015％以下的情况下，有时也无法充分地得到熔深深度。为了解决该问题，虽然可以单纯地增大焊接线能量，但线能量的增大会提高焊接时的高温裂纹敏感性。

因此，同时发现了在希望充分地得到该效果的情况下，以规定的范围含有选自sn、sb、as以及bi中的1种以上是有效的。认为这是由于，这些元素会对焊接中的熔融池的对流产生影响，此外，由于从熔融池表面蒸发而有助于通电路径的形成，会促进深度方向的熔融。

本发明是基于上述见解而成的。以下，对于本发明的各技术特征进行详细的说明。

(a)化学组成

各元素的限定理由如下所述。需要说明的是，在以下的说明中，涉及含量的“％”表示“质量％”。

c：0.04～0.12％

c使奥氏体相稳定并且与cr结合而形成微细的碳化物，会提高高温使用中的蠕变强度。然而，在c过量地含有的情况下，会大量地析出碳化物，导致焊接部的敏化。因此，c含量设为0.04～0.12％。c含量优选为0.05％以上，更优选为0.06％以上。此外，c含量优选为0.11％以下，更优选为0.10％以下。

si：0.25～0.55％

si为具有脱氧作用、并且对确保高温下的耐腐蚀性以及耐氧化性而言是必要的元素。然而，在si过量地含有的情况下，奥氏体相的稳定性降低，会导致蠕变强度的降低。因此，si含量设为0.25～0.55％。si含量优选为0.28％以上，更优选为0.30％以上。此外，si含量优选为0.45％以下，更优选为0.40％以下。

mn：0.7～2.0％

mn为与si同样地具有脱氧作用的元素。此外，会使奥氏体相稳定，有助于蠕变强度的提高。然而，mn含量过量时，会导致蠕变延性的降低。因此，mn含量设为0.7～2.0％。mn含量优选为0.8％以上、更优选为0.9％以上。此外，mn含量优选为1.9％以下，更优选为1.8％以下。

p：0.035％以下

p作为杂质而被含有，为在焊接中在焊接热影响部的晶体晶界偏析、提高液化裂纹敏感性的元素。进而，也使蠕变延性降低。因此，对p含量设置上限，设为0.035％以下。p含量优选为0.032％以下，更优选为0.030％以下。需要说明的是，p含量优选尽可能降低，即含量可以为0％，但极度的降低会导致制钢成本的增大。因此，p含量优选为0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。

s：0.0015％以下

s与p同样地作为杂质而被包含在合金中，在焊接中在焊接热影响部的晶体晶界偏析，提高液化裂纹敏感性以及延展性降低裂纹。因此，对s含量设置上限，设为0.0015％以下。s含量优选为0.0012％以下，更优选为0.0010％以下。需要说明的是，s含量优选尽可能降低，即含量可以为0％，但另一方面，为对焊接时的熔深深度的增大而言是有效的元素。因此，s含量优选为0.0001％以上，更优选为0.0002％以上。

cu：0.02～0.80％

cu会提高奥氏体相的稳定性，有助于蠕变强度的提高。此外，与ni以及mn相比，对p以及s等的偏析能造成的影响小，能够期待减轻晶界偏析，降低焊接裂纹敏感性的效果。然而，在cu过量地含有的情况下，会导致热加工性的降低。因此，cu含量设为0.02～0.80％。cu含量优选为0.03％以上，更优选为0.04％以上。此外，cu含量优选为0.60％以下，更优选为0.40％以下。

co：0.02～0.80％

co与cu同样地为提高奥氏体相的稳定性、有助于蠕变强度的提高的元素。此外，与ni以及mn相比，对p以及s等的偏析能造成的影响小，能够期待减轻晶界偏析，降低焊接裂纹敏感性的效果。然而，co为昂贵的元素，因此过量含有会导致成本增加。因此，co含量设为0.02～0.80％。co含量优选为0.03％以上，更优选为0.04％以上。此外，co含量优选为0.75％以下，更优选为0.70％以下。

ni：10.0～14.0％

ni为用于确保长时间使用时的奥氏体相的稳定性的必要元素。然而，ni为昂贵的元素，大量的含有会导致成本的增大。因此，ni含量设为10.0～14.0％。ni含量优选为10.2％以上，更优选为10.5％以上。此外，ni含量优选为13.8％以下，更优选为13.5％以下。

cr：15.5～17.5％

cr是用于确保高温下的耐氧化性和耐腐蚀性的必需元素。此外，还会形成微细的碳化物从而有助于确保蠕变强度。然而，大量的含有会使奥氏体相的稳定性降低，反而损害蠕变强度。因此，cr含量设为15.5～17.5％。cr含量优选为15.8％以上，更优选为16.0％以上。此外，cr含量优选为17.2％以下，更优选为17.0％以下。

mo：1.5～2.5％

mo为在基质中固溶从而有助于提高高温下的蠕变强度以及拉伸强度的元素。并且，对耐腐蚀性的提高也是有效的。然而，过量地含有时，会使奥氏体相的稳定性降低、损害蠕变强度。进而，mo为昂贵的元素，因此过量的含有会导致成本的增大。因此，mo含量设为1.5～2.5％。mo含量优选为1.7％以上，更优选为1.8％以上。此外，mo含量优选为2.4％以下，更优选为2.2％以下。

n：0.01～0.10％

n使奥氏体相稳定，并且发生固溶、或以氮化物的形式析出，有助于高温强度的提高。然而，过量地含有时，会导致延性的降低。因此，n含量设为0.01～0.10％。n含量优选为0.02％以上，更优选为0.03％以上。此外，n含量优选为0.09％以下，更优选为0.08％以下。

al：0.030％以下

al作为脱氧剂而被添加。然而，含有大量的al时，钢的洁净性劣化，热加工性降低。因此，al含量设为0.030％以下。al含量优选为0.025％以下，更优选为0.020％以下。需要说明的是，对于al含量不需要特别地设置下限，即含量可以为0％，但极度的降低会导致制钢成本的增大。因此，al含量优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。

o：0.020％以下

o(氧)作为杂质而被含有。其含量为过量时，会降低热加工性、并且导致韧性以及延性的劣化。因此，o含量设为0.020％以下。o含量优选为0.018％以下，更优选为0.015％以下。需要说明的是，对于o含量不需要特别地设置下限，即含量可以为0％，但极度的降低会导致制钢成本的增大。因此，o含量优选为0.0005％以上，更优选为0.0008％以上。

如上所述，cr、mo以及si会对奥氏体相的稳定性产生影响。因此，各元素的含量不仅设为上述的范围内，而且需要满足下述(i)式。(i)式中间式的值超过20.0时，奥氏体相的稳定性降低，在高温下的使用中生成脆的σ相，蠕变强度降低。另一方面，不足18.0时，虽然奥氏体相的稳定性高，但容易产生焊接时的高温裂纹。(i)式左边值优选为18.2，更优选为18.5。另一方面，(i)式右边值优选为19.8，更优选为19.5。

18.0≤cr+mo+1.5×si≤20.0···(i)

其中，上述式中的元素标记表示钢中所含的各元素的含量(质量％)。

此外，ni、c、n、mn、cu以及co会对奥氏体相的稳定性产生影响。因此，各元素的含量不仅设为上述的范围内，而且需要满足下述(ii)式。(ii)式中间式的值不足14.5时，奥氏体相的稳定性不充分，在高温下的使用中会生产脆的σ相，蠕变强度降低。另一方面，超过19.5时，奥氏体相变得过度稳定，容易发生焊接时的高温裂纹。(ii)式左边值优选为14.8，更优选为15.0。另一方面，(ii)式右边值优选为19.2，更优选为19.0。

14.5≤ni+30×(c+n)+0.5×(mn+cu+co)≤19.5···(ii)

其中，上述式中的元素标记表示钢中所含的各元素的含量(质量％)。

在本发明的钢的化学组成中，在上述元素的基础上，还可以在以下所示的范围内含有选自sn、sb、as以及bi中的1种以上。对于其理由进行说明。

sn：0～0.01％

sb：0～0.01％

as：0～0.01％

bi：0～0.01％

sn、sb、as以及bi具有如下效果：对焊接中的熔融池的对流产生影响，促进熔融池的垂直方向的热输送，或从熔融池表面蒸发而形成通电路径，提高电弧的集中度，从而增大熔深深度。因此，可以根据需要含有选自这些元素中的1种以上。然而，过量的含有会提高在焊接时的热影响部的裂纹敏感性，因此任意元素的含量均设为0.01％以下。各元素的含量优选为0.008％以下，更优选为0.006％以下。

在希望得到上述效果的情况下，优选将选自上述元素中的1种以上的含量设为大于0％，更优选设为0.0005％以上，进一步优选设为0.0008％以上，更进一步优选设为0.001％以上。此外，复合地含有选自这些元素中的2种以上的情况下，优选将其总含量设为0.01％以下，更优选设为0.008％以下，进一步优选设为0.006％以下。

在本发明的钢的化学组成中，在上述元素的基础上，还可以在以下所示的范围内含有选自v、nb、ti、w、b、ca、mg以及rem中的1种以上。对于各元素的限定理由进行说明。

v：0～0.10％

v会与c和/或n结合，形成微细的碳化物、氮化物或碳氮化物，有助于蠕变强度，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时，碳氮化物会大量析出，导致蠕变延性的降低。因此，v含量设为0.10％以下。v含量优选为0.09％以下，更优选为0.08％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，v含量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上。

nb：0～0.10％

nb与v同样地为会与c和/或n结合，以微细的碳化物、氮化物或碳氮化物的形式在晶粒内析出从而有助于高温下的蠕变强度以及拉伸强度的提高的元素，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时，碳氮化物会大量析出，导致蠕变延性的降低。因此，nb含量设为0.10％以下。nb含量优选为0.08％以下，更优选为0.06％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，nb含量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上。

ti：0～0.10％

ti与v以及nb同样地会与c和/或n结合，形成微细的碳化物、氮化物或碳氮化物，有助于蠕变强度，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时，碳氮化物会大量析出，导致蠕变延性的降低。因此，ti含量设为0.10％以下。ti含量优选为0.08％以下，更优选为0.06％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，ti含量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上。

w：0～0.50％

w为与mo同样地会在基质中固溶而有助于高温下的蠕变强度以及拉伸强度的提高的元素，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时，会使奥氏体相的稳定性降低，反而导致蠕变强度降低。因此，w含量设为0.50％以下。w含量优选为0.40％以下，更优选为0.30％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，w含量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上。

b：0～0.005％

b对于使晶界碳化物微细分散从而提高蠕变强度、并且在晶界偏析、使晶界强化、降低焊接热影响部的延展性降低裂纹敏感性也具有一定的效果，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时，反而会提高液化裂纹敏感性。因此，b含量设为0.005％以下。b含量优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下，进一步优选为0.002％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，b含量优选为0.0002％以上，更优选为0.0005％以上。

ca：0～0.010％

ca具有改善制造时的热加工性的效果，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时会与氧结合，使洁净性显著地降低，反而使热加工性劣化。因此，ca含量设为0.010％以下。ca含量优选为0.008％以下，更优选为0.005％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，ca含量优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。

mg：0～0.010％

mg与ca同样地具有改善制造时的热加工性的效果，因此可以根据需要含有。然而，过量地含有时会与氧结合，使洁净性显著地降低，反而使热加工性劣化。因此，mg含量设为0.010％以下。mg含量优选为0.008％以下，更优选为0.005％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，mg含量优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。

rem：0～0.10％

rem与ca以及mg同样地具有改善制造时的热加工性的效果，可以根据需要含有。然而，过量地含有时会与氧结合，使洁净性显著地降低，反而使热加工性劣化。因此，rem含量设为0.10％以下。rem含量优选为0.08％以下，更优选为0.06％以下。需要说明的是，在希望得到上述效果的情况下，rem含量优选为0.0005％以上，更优选为0.001％以上。

在此，rem是指sc、y以及镧系元素的总计17种元素，前述rem的含量是指这些元素的总含量。

在本发明的钢的化学组成中，余量为fe以及杂质。在此，“杂质”是指：在工业上地制造钢时，由矿石、废料等原料、制造工序的各种的原因而混入的成分，其在不对本发明产生不良影响的范围内是允许的。

(b)制造方法

对于本发明所述的奥氏体系不锈钢的制造方法，没有特别地设置限制，例如对于具有上述化学组成的钢，可以利用常规方法，依次实施热锻、热轧、热处理以及机械加工从而制造。

以下，利用实施例更具体地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。

实施例

从将具有表1所示的化学组成的钢进行熔解、浇铸而成的铸锭，利用热锻、热轧、热处理以及机械加工，制作板厚15mm、宽度50mm、长度100mm的试验材。使用所得到的试验材，进行以下示出的各种性能评价试验。

[表1]

＜焊接施工性＞

对上述试验材的长度方向的端部实施图1所示的形状的坡口加工。之后，使2个形成有坡口的试验材对接，不使用填充金属，利用tig焊接使其对接进行焊接。以线能量8kj/cm对各试验材分别制作2个焊接接头。将所得到的焊接接头之中，2个均在焊接线的整个长度上形成了背面焊缝的试验材视为焊接施工性良好，作为“合格”。其中，将在整个长度上背面焊缝宽度为2mm以上的试验材判定为“良”，将哪怕局部具有低于2mm的部分的试验材判定为“可”。此外，将2个焊接接头之中哪怕局部存在未形成背面焊缝的部分的情况判定为“不合格”。

＜耐焊接裂纹性＞

之后，将仅焊接了初层的上述焊接接头在市售的钢板上拘束焊接四周。需要说明的是，上述市售的钢板为sm400b的jisg3160(2008)中规定的钢板，厚度为30mm、宽度为200mm、长度为200mm。此外，上述的拘束焊接使用jisz3224(2010)中规定的电弧焊焊条eni6625来进行。

之后，在坡口内利用tig焊接进行层叠焊接。上述的层叠焊接使用jisz3334(2011)中规定的sni6625相当的焊接材料来进行。以线能量10～15kj/cm对各试验材分别制作2个焊接接头。并且，对于由各试验材所制作的焊接接头之中的1个，从5个位置采取试验片。对采取的试验片的横截面进行镜面研磨，之后进行腐蚀，利用光学显微镜进行观察，调查焊接热影响部中有无裂纹。并且，将全部5个试验片中没有裂纹的焊接接头判断为“合格”，将观察到裂纹的焊接接头判断为“不合格”。

＜蠕变断裂强度＞

进而，从由在耐焊接裂纹性的评价中判定为“合格”的试验材所制作的焊接接头的剩余的1个上以焊接金属成为平行部的中央的方式采取圆棒蠕变断裂试验片，在母材的目标断裂时间成为约1000小时的650℃、167mpa的条件下进行蠕变断裂试验。接着，将在母材中发生断裂、且其断裂时间为母材的目标断裂时间的90％以上的情况设为“合格”。

将这些结果总结示于表2。

[表2]

表2

由表2可知，在使用满足本发明的规定的钢a～f的试验no.1～6中，呈现出在焊接接头的制作时具有所需的施工性以及耐焊接裂纹性、并且蠕变强度优异的结果。此外，将试验no.4与试验no.5和6进行比较可知，在降低s的情况下，含有选自sn、s、as以及bi中的1种以上，从而确认到焊接施工性的改善。

与之相对，作为比较例的钢g的s含量在规定之外，因此，使用其的试验no.7中，在焊接热影响部产生判断为延展性降低裂纹的裂纹。此外，钢h低于(i)式的下限，并且大于(ii)式的上限，因此在使用其的试验no.8中，奥氏体相的稳定性过高，助长由于焊接热循环导致的s以及p的偏析，在焊接热影响部产生判断为液化裂纹的裂纹。

钢i低于(ii)式的下限，钢j高于(i)式的上限，因此，奥氏体相的稳定性不充分，因此，在使用它们的试验no.9以及10中，在高温的蠕变试验中生成σ相，不能得到所需的蠕变强度。此外，钢k低于(i)式的下限，钢l大于(ii)式的上限，因此，在使用它们的试验no.11以及12中，奥氏体相的稳定性过高，助长由焊接热循环导致的s以及p的偏析，在焊接热影响部产生判断为液化裂纹的裂纹。

进而，钢m、n以及o不含有cu以及co的一者或两者，因此，在使用它们的试验no.13～15中，不能得到减轻p以及s的晶界偏析的效果，在焊接热影响部产生判断为液化裂纹的裂纹。

如上所述，可知仅在满足本发明的特征的情况下，能够得到所需的焊接施工性、耐焊接裂纹性以及优异的蠕变强度。

产业上的可利用性

根据本发明，能够得到能够兼具被焊接施工时的优异的焊接性和作为结构物的稳定的蠕变强度的奥氏体系不锈钢。