超高純度フェライト系ステンレス鋼の探求：超高純度フェライト系ステンレス鋼の特性、脆性、生成に及ぼす影響

フェライト系ステンレス鋼とは、クロム (Cr)の質量分率が12%～30%のステンレス鋼の一種である。Crの質量分率によって、低Cr、中Cr、高Crに分けられる。

フェライト系ステンレス鋼の耐食性は、 Cr質量分率に比例する。Cr質量分率が高いほど、耐食性は高 い。しかし、全体的な特性を向上させ、Cr炭 化物および窒化物の析出が機械的特性および 耐食性に及ぼす悪影響を低減するため、フェ ライト系ステンレス鋼の開発傾向は、炭素 (C)および窒素(N)の低レベル化に向かって いる。

超高純度フェライト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレ ス鋼のサブカテゴリーで、CとNが非常に少なく (一般的に0.015%以下)、Crの質量分率が中程度から高 い。この種のステン レス鋼は、銅、銅合金、ステンレス鋼と比較し て、耐食性、熱伝導性、耐震性、加工性能に優れ、 価格も手頃なため人気がある。 チタン 材料である。自動車産業、キッチン・家電製品、建築、石油化学産業など、さまざまな産業で広く使用されている。

しかし、超高純度フェライト系ステンレ ス鋼の製造には、いくつかの課題もある。Crの質量分率が高く、モリブデン (Mo)やマンガン (Mn)などの合金元素が存在するため、σ相脆性、475 ℃脆性、高温脆性といった高Crフェライト系ステンレス鋼固有の問題を回避することは困難である。

そのため、製造担当者はこれらの脆性問題の潜在的な害を認識しており、主にσ相、χ相、α'相、ラーベス相、およびCr元素の質量分率の析出によって引き起こされることを発見している。

本稿は、超高純度フェライト系ステンレス鋼のσ相脆性、475℃脆性、高温脆性の主な特徴と影響因子について詳細に検討したものである。また、これらの脆性問題が超高純度フェライト系ステンレス鋼の機械的特性および耐食性に及ぼす影響についても分析し、製造業者およびユーザーの参考資料とする。

1.超高純度フェライト系ステンレス鋼の脆性の主な特徴

超高純度フェライト系ステンレス鋼には様々な成分が含まれている。 合金元素 は、熱間加工中にさまざまな金属間化合物、主にCr、Nb、Tiの炭素および窒素化合物、ならびにσ相、χ相、ラーベス相、α相の金属間化合物が析出しやすい。

σ、χ、Laves、α'の各相の特徴を表1に示す。

表1 超高純度フェライト系ステンレス鋼における金属間化合物の特性

代表的な超高純度フェライト系ステンレス鋼 のσ相、χ相およびラーベス相の析出「C」曲線を図 1および2に示す。

合金組成のばらつきにより、これらの相の析出に最も敏感な温度範囲は800～850℃である。

00Cr25Ni4Mo4NbTi（Monit）合金の場合、σ相とχ相は比較的早く析出するが、ラーベス相は650℃で最も析出しやすく、形成に時間がかかる。

脆性析出物の種類にかかわらず、過剰な析出は鋼を脆くし、衝撃特性を急激に低下させる。

図1 26% Gr - (1%~4%) Mo - (0~4%) Ni フェライト系ステンレス鋼

図2 00Cr25Ni4Mo4TiNb（Monit）フェライト系ステンレス鋼のTTP線図（1000℃固溶後）

1.1 位相の主な特徴 σ 脆性

σ相の脆さの発生は、主にσ相とχ相の析出によるものである。ラーベス相も同様の析出温度を持つため、議論に含める。

1.1.1  σ 相互に

σ相は、ABまたはAxBy配置と体心正方晶構 造を持つサイズ因子化合物である。フェライト系ステンレ ス鋼では、σ相は主にFeCrまたはFeCrMoから 成っている。

Cr含有量(w(Cr))が25%以上30%以下、析出温度が600℃以上1050℃以下の条件では、σ相の生成が促進される。形成された相は、図 3 に示すように Cr 元素を濃縮する。

σ相は非磁性で硬度が高く、ロックウェル硬さ（HRC）は68まである。析出過程で「体積効果」が生じ、鋼の塑性を低下させる。

図3 EDX線分析による447フェライト系ステンレス鋼のo相の構造と組成

σ相の析出はステンレス鋼を著しく弱め、耐食性、衝撃靭性、機械的性質などの特性を低下させる。

σ相の形成は、核生成と成長の2段階で起こる。核生成は通常、α/α'の粒界で始まり、そこからマトリックスへと拡大する。

σ相がある大きさに達すると、粒の中から析出する。

1.1.2 フェーズ χ

超高純度フェライト系ステンレス鋼は、一定量のMo元素を含むと、σ相だけでなく、σ相も形成する。

χ相の構造は体心立方でα-Mn型である。

フェライト系ステンレス鋼では、χ相は主に Fe36Cr12Mo10または(Fe, Ni)36Cr18Mo4から成る。

典型的には、Mo含有量（w）が15%～25%、温度が600～900℃の条件で形成される。

χ相が形成されると、鋼の靭性は著しく低下する。

σ相と比較して、CrとMoはχ相でより急速に濃縮され、σ相よりもχ相でより迅速に析出することがわかった。

一般に、χ相はフェライト・マトリックスと同じ構造を持つ。

核生成ポテンシャル障壁が低いため、核生成は比較的容易であり、図4に示すように、χ相は通常σ相よりも早く析出する。

図4 800 ℃、5分間の時効処理を施した26Crフェライト系ステンレス鋼から析出したχ相

χ相が形成され始めると、χ相中のCrとMoが著しく濃縮され、CrとMoの含有量が減少する。この減少は、σ相の核形成には不十分であり、初期段階でのσ相の形成は困難である。

さらに、χ相は準安定であり、その安定性は時効時間とともに低下する。χ相が分解すると、σ相を核生成するのに十分なCrとMoが供給され、最終的に安定なσ相へと変化する。

χ相もσ相も、析出によって析出相周辺のCr含有量が減少し、Crの乏しい領域が形成され、耐食性が低下する。

1.1.3 レーヴス期

ラーベス相は、図5に描かれているように、AB2配置と六方晶構造を持つサイズ因子化合物である。

フェライト系ステンレス鋼では、ラーベス相は通常 Fe₂チタン、鉄₂NbまたはFe₂モ

フェライト系ステンレス鋼のラーベス相はSi元素に富み、その安定性維持に重要な役割を果たしている。

ラーベス相の析出温度は、合金の組成にもよるが、650～750℃である。

図5 27Gr-4Mo-2Niフェライト系ステンレス鋼に析出したラーベス相。

Andrade Tらは、DIN 1.4575の超高純度フェライト系 ステンレス鋼を850℃で30分間時効処理すると、粒 界にラーベス相が析出するが、ラーベス相とσ相の 両方の析出物が存在するため、粒径は変化しな いことを発見した。σ相の成長速度は速く、一部のラーベス相の成長を妨げている。

その結果、11Cr-0.2Ti-0.4Nbフェライト系ステンレス鋼は、800℃で24-28時間時効処理すると、多数のラーベス相が析出し、時間の経過とともにゆっくりと増加することがわかった。しかし、時効時間が96時間に達すると、ラーベス相変態は粗大化し、その数は減少し、σ相の析出は観察されなくなる。

1.2 475 ℃脆性の主な特徴

クロムの質量分率が12%を超えるフェライト系ステンレス鋼では、クロムの質量分率が著しく増加する。 硬さと強さ340～516℃の温度に長時間曝されると、塑性と衝撃靭性が急激に低下する。これは主に、475℃でフェライト系ステンレス鋼に生じる脆性によるものである。

この特性変化の最も敏感な温度は475℃である。

α相の析出は、フェライト系ステンレス鋼の475℃脆性の主な原因である。

α'相は、体心正方晶構造を持つCrリッチな脆性相である。

フェライト系ステンレス鋼では、w (Cr)が15%以上、析出温度が371～550℃の条件でα'相が生成しやすい。

α'相はFe Cr合金で、Cr含有量は61%～83%、Fe含有量は17.5%～37%。

文献によれば、鋼中のCr含有量が12%質量％以下であれば、α'相の析出がなく、475℃脆性の発生を回避できる。

さらに、溶解中のα'相の析出は可逆的なプロセスである。

鋼を516℃以上に再加熱した後、室温まで急冷すると、α'相はマトリックスに再び溶解し、475℃での脆性は再発しない。

1.3 高温脆性の主な特徴

フェライト系ステンレス鋼のCr含有量が14%～30%の場合、950℃以上に加熱した後に急冷すると、伸び、衝撃靭性、耐熱性が低下することがある。 粒界腐食.これは主にフェライトの高温脆性によるものである。

高温脆性の主な原因は、Cr-炭素およびCr-窒素化合物の析出である。さらに、溶接工程中、Cr-Cr化合物やCr-窒素化合物が析出すると、ラーベス相が析出することがある。 溶接温度 950℃を超え、鋼全体の特性に影響を与える。

この脆弱性は超高純度フェライト系ステンレ ス鋼にも存在し、CrとMoの含有量が高い ため、高温脆性に対してさらに敏感である。

高温脆性のリスクを減らすために、CとNの含有量を減らし、安定化元素を加えることができる。

溶接では、高温脆性は鋼に大きな損傷を与える。これは、溶接中にCとN元素が粒界に析出し、CrとMoと反応してCrとMoに富む炭素と窒化物を形成し、それが徐々に粒界に向かって移動するためである。

さらに、溶接中に950℃でラーベス相が析出すると、転位、粒界、粒内に析出物が生じ、結晶転位や粒界の移動が阻害される。その結果、原子の局所的な配列が規則的になり、鋼の強度は向上するが、塑性と靭性は低下する。

2.超高純度フェライト系ステンレス鋼における脆性析出物の影響因子

2.1 合金元素

超高純度フェライト系ステンレス鋼のCr、 Mo、Ti、Nb、W、Cuは、脆性析出物の形成に 影響を与える。

フェライト系ステンレ ス鋼のCr元素濃度が高くなると、不動態化 が促進され、表面酸化に対する耐性が向上 し、孔食、隙間腐食、粒界腐食に対する耐性 も向上する。

しかし、Crの質量分率が高い ほど、フェライト系ステンレス鋼の脆性相の 形成速度も速くなる。α'相およびσ相の生成および析出速度は、Crの質量分率にも影響され、質量分率が高いほど析出速度が速くなる。この析出相は鋼の靭性を低下させ、脆性遷移温度を著しく上昇させる。

Moは、フェライト系ステンレス鋼で2番目に重 要な元素である。その質量分率があるレベルに達すると、フェライト系ステンレス鋼中のσ相およびχ相の析出量が著しく増加する。

Mouraらの研究によると、25Cr-7Mo フェライト系ステンレス鋼にMoを添加する と、α'相の最大析出温度が低下し、475℃か ら約400℃に下がり、α'相の数が増加した。

金子らは、Moが不動態化皮膜中のCrの迅速な蓄積に寄与し、皮膜の安定性を向上させ、鋼中のCrの耐食性を強化することを発見した。

Maらは次のことを発見した。 アニール 30Cr鋼を1020℃に加熱すると、Fe、Cr、Mo、Si、Nbを主成分とするラーベス相が析出した。ラーベス相中のNbとMoの質量分率は母材に比べて高かった。1020℃で焼鈍した30Cr鋼のラーベス相のX線エネルギースペクトル分析を図6に示す。

30Cr超高純度フェライト系ステンレス鋼では、Mo含有量の増加によりラーベス相の析出が促進されることが観察された。文献によると、Mo含有量の増加は、時効処理後の26Crステンレス鋼のMoリッチχ相の析出をもたらし、時効処理時間の延長により、ラーベス相の一部がσ相に変化する。

図6 30Cr鋼ラーベス相の1020 ℃以降のX線エネルギースペクトル分析（EDS） アニーリング

(a）卑金属のEDS分析 （b）ラーベス相のEDS分析

鋼にNbやTiなどの安定元素をCやNと組み合 わせて添加すると、TiN、NbC、Fe2Nbなどの相 が析出する。これらの相は、粒内および粒界に分布 し、Cr炭化物および窒化物の形成を遅らせ、 フェライト系ステンレス鋼の耐粒界腐食性を 向上させる。

Anttilaらは、430フェライト系ステンレ ス鋼の溶接部にTiとNbを添加した場合の影響 を研究した。彼らは、溶接温度が950 ℃に達すると、ラーベス相の形成が促進され、430フェライト系ステンレス鋼の脆化につながることを発見した。 溶接継手 そして衝撃靭性が低下する。

同様に、Naghaviと他の研究者は、フェライト系 ステンレス鋼のマトリックス中のNbの溶解度が、 高温時効中の温度上昇とともに低下し、ラーベス相 の粗大化と鋼の引張強さの低下を引き起こすことを 発見した。

444フェライト系ステンレス鋼にWを含有させると、1000℃で時効処理したときの高温引張強さが著しく向上することがわかった。しかし、Wの質量分率が増加すると、ラーベス相が粗大化し、析出強化効果が弱まり、高温引張強さが低下した。

フェライト系ステンレス鋼にCuを添加すると、Cuリッチ相が析出し、430Cuの耐食性が著しく向上する。Cuを含むFe-Cu二元合金およびFe-Cu-Ni三元合金は、鋼の強度と靭性を向上させることができる。

Cuリッチ相は主に650 ℃と750 ℃で析出し、時効初期は球状のままである。時効温度と時効時間が長くなるにつれて、図7に示すように、徐々に楕円形と棒状に変化する。

図7 750℃で1時間時効処理した17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb フェライト系ステンレス鋼のCuリッチ相の形態。

2.2 希土類元素

希土類元素（RE）は化学反応性が高く、適量のREを添加することで鋼の特性を向上させることができる。

27Crフェライト系ステンレス鋼の析出物の TEM試験結果を図9に示す。

REを含まないフェライト系ステンレス鋼の析出相は、 より複雑である。図8(a)に示すように、二次相が粒界に析出し、 主にσ相、M23C6、M6C、少量のM2Nとχ相から成る フェライトマトリックス中に鎖状に形成される。

しかし、RE添加後は鎖状析出相が減少し、主にσ相としてマトリックス中に単一形態で存在することが多い。さらに、図8(b)に示すように、炭素と窒化物の析出が減少する。

超高純度フェライト系ステンレス鋼の最適なRE質量分率は0.106%であり、強化特性を向上させることがわかった。この濃度では、REは結晶粒組織を微細化し、衝撃エネルギーを増加させ、衝撃破壊メカニズムを脆性から靭性に変える。

さらに、REは鋼中のSの質量分率を低下させ、孔食の発生源を減らし、耐孔食性を向上させる。

図8 27Crフェライト系ステンレス鋼の析出相のTEM観察結果

(a) 0% RE試料の明視野像、(b) 0.106% RE試料の明視野像

2.3 エージング処理

エージング処理の違いによって、材料の脆性析出物の形成に与える影響は様々である。

純フェライト系ステンレス鋼が脆い析出物を形成すると、機械的特性、耐衝撃性、耐食性、総合性能が低下する。

時効処理は、材料の組織を改善し、塑性を増加させるだけでなく、析出物の形成を効果的に抑制し、鋼材への悪影響を抑えるのに役立つ。

LU HHらは、27Cr-4Mo-2Niフェライト系ステン レス鋼を600～800℃の温度で時効処理すると、 χ相、ラーベス相、σ相が主に析出することを 発見した。

異なる温度で時効処理した27Cr-4Mo-2Niフェライト系 ステンレス鋼におけるこれらの相の形態と分布を図 9に示す。

これらの析出物が存在すると、材料の衝撃靭性、引張強さ、塑性を低下させる一方で、硬度を高めることができる。

600～800℃の温度で時効処理すると、χ相は主に粒界に沿って析出する。ラーベス相は700℃で時効処理すると粒内に析出し、σ相は750℃で時効処理すると一般に粒界に形成される。

この時点で、ラーベス相は部分的にマトリックスに溶解し、σ相の成長に必要なCrとMo原子を供給する。このような結晶粒の粗大化は、鋼の脆性破壊につながる。

図9 異なる温度で時効処理した27Cr-4Mo-2Niフェライト系 ステンレス鋼のx相、ラーベス相およびo相の形態 と分布

(a) 650℃で4時間エージング、(b) 700℃で4時間エージング、(c) 750℃で2時間エージング、(d) 800℃で4時間エージング。

張静は、SUS444超高純度フェライト系ステンレス鋼を850℃で10分間時効処理すると、TiNがTiN/NbC/Nb貧相の複合組織に変化することを発見した。この複合組織はマトリックスとの結合強度が高く、衝撃靭性が著しく向上する。

Luo Yiらは、446超高純度フェライト系ステンレス鋼を800℃で時効処理すると、0.5時間後にσ相が析出し、時効処理時間とともに増加し、網目状組織を形成することを見出した。同時に、σ相にマイクロクラックが発生し、その量が多いほど鋼の靭性が低下した。

Ma Liらは、26% Cr超高純度フェライト系ステンレス鋼を焼鈍し、主に3つの析出物があることを発見した：TiN、NbC、χである。有害なχ相は鋼の脆性に深刻な影響を与えた。焼鈍温度が1020℃まで上昇すると、χ相は徐々に減少し、無視できる量になった。したがって、χ相を除去するためには、高い焼鈍温度が必要である。

QUHPらは、高Crフェライト系ステンレス鋼27.4Cr-3.8Mo-2.1Niについて、950℃で0.5時間時効処理後、σ相およびラーベス相が析出し、鋼の硬さは向上するが延性が低下することを見出した。これらの有害な相は1100℃、0.5時間の溶体化処理でマトリックス中に溶解した。

Wu Minらは、441熱延板を900～950℃で焼鈍すると、多数のラーベス相が析出することを見出した。図10に示すように、(1) (Ti, Nb) (C, N)の複合組織であり、粒径約 5μm の主相と、(2) 粒界、亜粒界、結晶粒内に小さく、多数、高密度に一様に分布するラーベス相である。焼鈍温度を1000～1050℃に上げると、ラーベス相は効果的に消失するが、Nb (C, N)相が少量析出する。

図10 441フェライト系ステンレス鋼熱延板の焼鈍温度別ラーベス相形態

(a）900℃アニール後のラーベス相の様子、（b）950℃アニール後のラーベス相の様子。

3.超高純度フェライト系ステンレス鋼の特性に及ぼす脆性の影響

3.1 機械的性質に及ぼす脆性の影響

研究によると、ミクロ組織中の高レ ベルのCrとMo、および一定量のNbは、(Fe Cr Mo)型σ相、(Fe Cr Mo)型χ相、Fe2Nb型ラーベス相のような脆い金属間化合物の形成につながりやすい。これらの脆い金属間化合物は、超高純度フェライト系ステンレス鋼の塑性靭性を著しく低下させ、硬度を上昇させる。

ドイツの研究者Saha Rらは、C元素の溶解度が低いため、フェライト系ステンレス鋼が高温冷却中に高硬度の(Ti, Nb)Cを析出し、分散した(Ti, Nb)Cが硬度を向上させることを発見した。 強度と硬度 鋼の。

また、合金中の二相粒子であるCr23C6とCr2Nが機械的特性、特に靭性と延性に強い影響を与え、靭性と延性が低下し、破壊のリスクが高くなることもわかった。

α'相の典型的な析出は、フェライトマトリックス中のCrの枯渇をもたらし、鋼の耐食性と靭性を低下させ、硬度を増加させる。

444フェライト系ステンレス鋼を400～475℃で時効処理すると、α'相の析出により硬さが上昇するが、475℃で500時間以上時効処理すると、靭性が急激に低下することを発見した。

図11は、超高純度フェライト系ステンレス鋼441の硬さと時効後の破壊吸収エネルギーを示す。

図11 超高純度フェライト系ステンレス鋼441の400 ℃および450 ℃時効後の硬さと破壊吸収エネルギーの経時変化

(a)硬度はエージング時間によって変化する。(b)破壊によって吸収されるエネルギーはエージング時間によって変化する。

Luo Yiらは、時効処理後にσ相のネットワーク構造が形成されない場合、446超高純度フェライト系ステンレス鋼の引張強さがある程度向上することを発見した。

しかし、σ相析出物が網目構造を形成すると、図12に示すように、材料の引張強さと伸びは著しく低下する。

さらに、網目構造の形成の有無にかかわらず、σ相の析出は材料の衝撃特性に深刻な害をもたらし、衝撃特性の低下を招き、鋼の一定の要件を満たさない。

図12 超高純度フェライト系ステンレス鋼446の800 ℃時効後の引張強さおよび伸びの経時変化

超高純度フェライト系ステンレス鋼におけ るラーベス相の析出は、プラスとマイナスの両 方の影響を及ぼす。

文献によると、時効時間が長くなるとFe2Nb相が鋼中に析出し始め、靭性と高温強度の低下を引き起こす。

しかし、ラーベス相の析出にSiとNb元素を添加すると、鋼の耐クリープ性と高温強度が向上する。ラーベス相中のWの存在は、鋼の高温引張強さの向上にも役立つ。

図13に示すように、非W型444フェライト系ステン レス鋼に比べ、W質量分率が0.5%から11TP3 Tの間にある場合、引張強さが著しく向上する。

900 ℃で時効処理すると、時効時間の増加とともに引張強さはわずかに低下するが、最終的には安定する。1000℃では、引張強さは著しく低下するが、初期の引張強さは非W鋼より高いままである。

図13 フェライト系ステンレス鋼444の900℃および1000℃における高温引張強さの時効時間による変化

（a）900℃；（b）1000℃。

ラーベス相は、850 ℃での時効処理中に 441フェライト系ステンレス鋼から析出し、 急速に成長する。これが粒界に沿って網目構造を形成すると、鋼の塑性と衝撃靭性を低下させる。粒界の数が減少し、粒径が大きくなると、析出速度は低下する。

19Cr-2Mo-Nb-Tiフェライト系ステンレス鋼の時効温度別の機械的性質を図14に示す。850℃～1050℃の時効処理では、(FeCrSi)2(MoNb)および (Fe, Cr)2(Nb,Ti)タイプのラーベス相が(Nb, Ti)(C, N)析出物に変化する。析出物の溶解と粗大化により、溶液中のNbの質量分率が増加し、引張強度が低下する。

しかし、950 ℃で時効処理すると、再結晶粒の均質性が改善され、伸びが急上昇して37.3%に達する。その後、徐々に32.6%で安定する。

図14 19Cr-2Mo-Nb-Tiフェライト系ステンレス鋼の各 時効温度における機械的性質

3.2 耐食性に及ぼす脆性の影響

脆性相の析出は鋼の耐食性に悪影響を及ぼすことが判明している。

さらに、文献によると、27.4Cr-3.8Mo超高純度フェライト系ステンレス鋼の高Cr質量分率は、950℃、0.5時間の時効処理後にσ相およびχ相の形成をもたらし、耐孔食性を低下させる。

しかし、1100℃で0.5時間時効処理すると、σ相とχ相が徐々に消失し、耐孔食性が回復する。孔食電位の変化を図15に示す。

図15 24.7Cr-3.4Moおよび27.4Cr-3.8Moステンレス鋼の孔食電位

ステンレス鋼中のクロム (Cr) およびモリブデン (Mo) の含有量は、その耐食性に重要な役割を果たす。Crの質量分率が25%を超え、温度が700-800℃になると、σ相およびχ相の析出が起こり、耐食性が低下する。

さらに、Crは炭素(C)や窒素(N)元素と容易に結合し、粒界や粒内に析出を引き起こす。これにより、Crリッチな炭素や窒化物が形成され、Cr質量分率が低下し、耐食性が低下する。また、析出物は不動態化皮膜を傷つけ、均一性と安定性を失わせ、鋼の耐食性に影響を与える。

腐食環境における溶接継手は、粒界腐食、 孔食、隙間腐食などの局部腐食を起こしやすい。Huang Zhitao氏などの研究者は、塩化物環境下 で高純度フェライト系ステンレス鋼のMo質量分率を高 めると、M23C6 (MはFe、Cr、Mo)の析出を遅らせ、耐孔食性を 改善できることを発見した。

張恒華らは、26Cr超高純度フェライト系ステン レス鋼に一定量のMoを添加することで、不動態皮膜 中のCrが濃縮され、安定性が向上し、耐孔食 性が向上することを発見した。Tong Lihuaらは、超高純度フェライト系 ステンレス鋼にニオブ(Nb)とチタン(Ti)を添加す ると、Cr炭素と窒素化合物の析出を効果的に防止 し、耐粒界腐食性を向上できることを発見し た。

しかし、他の研究 では、15Cr超高純度フェライト系ステンレ ス鋼中の高濃度のTiとNがTiNの形成につながり、 孔食の成長を促進し、材料の耐食性に悪影響を与 えることが示されている。Wen Guojun氏らは、430Tiフェライト系ステン レス鋼を475℃で0-100時間時効処理すると、 図16に示すように、硬度、α'相およびα相が増加 し、耐食性が著しく低下することを発見した。

図16 430Tiフェライト系ステンレス鋼の耐食性

結論として、超高純度フェライト系ステンレス鋼 は、Cr質量分率が高いほど、耐食性を著しく低下 させる析出物を生成しやすい。適量のニオブ (Nb)、チタン (Ti)、モリブデン (Mo) の添加は、鋼の耐食性を向上させるが、TiからのTiNの形成は、鋼の耐孔食性に悪影響を及ぼす。

4.結論と展望

本論文では、超高純度フェライト系ステンレス鋼のσ相脆性、475℃脆性および高温脆性に影響を及ぼす主な特性および要因を分析した。以下の結論を導く：

(1)超高純度フェライト系ステンレス鋼のσ相の脆さは、クロム元素とモリブデン元素に富むσ相とχ相の析出によるものである。475℃での脆性は、クロムに富むα'-相の析出によるものである。高温脆性は、炭素とクロム窒化物の析出によるものである。

(2) 超高純度フェライト系ステンレス鋼の合金元素、希土類元素(RE)、時効処理は、析出相に一定の影響を与え、σ相脆性、475℃脆性、高温脆性の発生をある程度抑制することができる。

具体的な影響は以下の通り：

CrおよびMo含有量が増加すると、α'相、 σ相、χ相およびラーベス相の析出が増加する。超高純度フェライト系ステンレス鋼では、 安定化元素を添加することで、薄肉部の高温脆 性を低減または除去することができる。高温脆性は、熱処理時の高温を避けること で回避できる。TiとNbの添加は、σ相の析出を遅らせ、脆性を 低減することもできる。しかし、TiとNbの添加はラーベス相の生成につながり、Nbの高含有はラーベス相の粗大化を引き起こす。

REの添加は、σ相とCr相の炭素と窒化物の析出を減少させ、σ相の脆性と高温脆性を低減し、鋼の機械的性質と耐孔食性を改善する。

エージング処理の違いにより、析出物への影響は異なる。析出物はCr含有量によって若干異なる。600～800℃で時効処理すると、少量のσ、χ、ラーベス相が析出する。600℃ではα相がマトリックス中に再溶解し、475℃では脆性が消失する。850-950℃で時効処理すると、多数のσ相、χ相およびラーベス相が析出する。1000～1100℃の時効処理では、σ相、χ相、ラーベス相の析出が減少、あるいは消失する。σ相の脆性は、1000℃以上の時効処理で除去できる。

(3) 超高純度フェライト系ステンレス鋼に は、α'、σ、χ、ラーベスなどの二次相が析出 し、機械的特性および耐食性に大きな影響を与え る。これらの相の析出は、鋼の靭性と塑性を低下させ、強度と硬度を高め、耐食性に影響を与える。

ラーベス相へのSiとW元素の添加は、高温強度と引張強度を向上させる。さらに、Cu元素の添加によりCuリッチ相が析出し、鋼の靭性が向上する。

国内のNi資源は乏しく、過剰な消費は不足を招き、ステンレス鋼産業に深刻な影響を与える。

超高純度フェライト系ステンレス鋼は、省資源鋼として、高い総合性能と低い総合コストを持ち、国内ステンレス鋼業界にとって、低ニッケル含有400系ステンレス鋼を普及させる必然的な選択肢となっている。

超高純度フェライト系ステンレス鋼は、自動車、家電製品、エレベーターなどの産業で、オーステナイト系ステンレス鋼に代わって徐々に使用されるようになった。超高純度フェライト鋼は、空港やスタジアムのような大型建築物の屋根にも使用されている。

超高純度フェライト系ステンレス鋼の市場は、市場規模が大きく、将来性も広く、今後の成長が期待される。

今後、超高純度フェライト系ステンレス鋼の脆性に注目することは極めて重要である。良好な機械的性質と耐食性を確保するためには、製造時および使用時のσ相脆性、475℃脆性、高温脆性の発生を効果的に抑制する必要がある。そうすることで、「省資源」の利点を十分に生かすことができ、ステンレス鋼業界のさらなる進歩・発展につながる。