特許 7564695 拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20241002BHJP

   C22C 38/58 20060101ALI20241002BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20241002BHJP

   C21D 9/46 20060101ALN20241002BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 302H

C22C38/58

B23K20/00 310G

C21D9/46 Q

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020200882

(22)【出願日】2020-12-03

(65)【公開番号】P2022088824

(43)【公開日】2022-06-15

【審査請求日】2023-08-31

(73)【特許権者】

【識別番号】503378420

【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100182925

【弁理士】

【氏名又は名称】北村 明弘

(72)【発明者】

【氏名】溝口 太一朗

(72)【発明者】

【氏名】今川 一成

【審査官】山本 佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０６５２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２５９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３５５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５７２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２７４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０７２２４４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００ － ３８／６０

Ｂ２３Ｋ ２０／００ － ２０／２６

Ｃ２１Ｄ ９／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～２．５０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：１．５～５．５％、Ｃｒ：１７．５～２２．０％、Ｃｕ：０．０１～２．０％、Ｓｎ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．０３％以下、Ｎｂ：７×（Ｃ＋Ｎ）～０．７０％、Ｔｉ：０．１％以下及びＡｌ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、下記式（１）で表されるＭ値が、Ｔ値を９５０～１１００（℃）とした場合のいずれかの温度範囲において、３５以上６５以下の範囲にあり、フェライト相とマルテンサイト相の複相組織を有する、拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼。
式（１）：Ｍ値＝－０.２２Ｔ＋３４.５Ｎｉ＋１０.５Ｍｎ＋１３.５Ｃｕ－１７.３Ｃｒ－１７.３Ｓｉ－１８Ｍｏ＋４７５.５
ただし、式（１）の右辺の元素記号の箇所にはそれぞれ質量％で表される当該元素の含有量の値が代入され、ここで、Ｍｏの元素記号の箇所には０（ゼロ）を代入する。

【請求項2】

さらに、質量％で、Ｍｏ：２．０％以下、Ｖ：０．５％以下及びＢ：０．０００１～０．０１％の１種以上を含有する、請求項１に記載の拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼。
ただし、Ｍｏを含有しない場合は、Ｍｏの元素記号の箇所には０（ゼロ）を代入する。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ステンレス鋼の必須金属成分の中でＮｉが高価格であり、製品価格を抑えるために、Ｎｉ含有量の多いオーステナイト系ステンレス鋼からＮｉ含有量の少ないフェライト系ステンレス鋼への材料変更が、実際の使用形態の中で検討されることが多くなっている。しかし、フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比較して、引張強度、硬度が低い傾向がある。したがって、引張強度等の機械的性質を改善するためには、引張強度の高いマルテンサイト相とフェライト相の複相組織を有する複相ステンレス鋼の検討が行われている。

【0003】

一方、ステンレス鋼は構造材料としてだけではなく、いろいろな方面に応用される機会が増えている。多方面への活用が図られるために、所望形状の最終製品を製造するに際して機械加工又は接合加工等が複合的に施されることがある。例えば、機械部品などの用途に好適な、フェライト相とマルテンサイト相を有する複相ステンレス鋼を絞り等の機械加工のほかに固相接合法を重ねて用いることがある。さらには、固相接合法で製造した部品を溶接法で重ねて機械部品等に仕上げることがある。

【0004】

特許文献１では、固相接合法の一種である拡散接合法に好適な結晶粒径を微細に制御した、フェライト相、マルテンサイト相またはオーステナイト相の少なくとも２種以上からなる複相ステンレス鋼が開示されている。さらに、拡散接合条件としては比較的低温、低圧である１０００℃、面圧０．１ＭＰａにて一定の接合性が得られることが示されている。しかし、フェライト相を含む複相ステンレス鋼では、拡散接合に加えて溶接法を施す場合、熱影響部にＣｒ炭化物が析出し、Ｃｒ欠乏領域とよって粒界腐食等が発生しやすくなり、耐食性が低下するという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－０８９２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、Ｎｉの量を減らしながら高い強度を有し、拡散接合性及び溶接性に優れるフェライト相とマルテンサイト相の複相組織を有する複相ステンレス鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、フェライト相とマルテンサイト相の複相の金属組織を有する複相ステンレス鋼について、成分組成、金属組織を制御することで拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼を完成するに至った。

【0008】

具体的には、以下に示している。以下、元素は記号で示している。
［１］本発明は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．０１～１．００％、Ｍｎ：０．０１～２．５０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：１．５～５．５％、Ｃｒ：１７．５～２２．０％、Ｃｕ：０．０１～２．０％、Ｓｎ：０．００１～０．１％、Ｎ：０．０３％以下、Ｎｂ：７×（Ｃ＋Ｎ）～０．７０％、Ｔｉ：０．１％以下及びＡｌ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、下記式（１）で表されるＭ値がＴ値を９５０～１１００の範囲にしたときに３５以上６５以下の範囲にあり、フェライト相とマルテンサイト相の複相組織を有する、拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼である。

【0009】

式（１）：Ｍ値＝－０.２２Ｔ＋３４.５Ｎｉ＋１０.５Ｍｎ＋１３.５Ｃｕ－１７.３Ｃｒ－１７.３Ｓｉ－１８Ｍｏ＋４７５.５
ただし、式（１）の右辺の元素記号の箇所にはそれぞれ質量％で表される当該元素の含有量の値が代入され、ここで、Ｍｏの元素記号の箇所には０（ゼロ）を代入する。

【0010】

［２］本発明は、さらに、質量％で、Ｍｏ：２．０％以下、Ｖ：０．５％以下及びＢ：０．０００１～０．０１％の１種以上を含有する、請求項１に記載の拡散接合性及び溶接性に優れる複相ステンレス鋼である。
ただし、Ｍｏを含有しない場合は、Ｍｏの元素記号の箇所には０（ゼロ）を代入する。

【発明の効果】

【0011】

本発明により、Ｎｉの含有量が小さくとも高い強度を有し、拡散接合性と溶接性に優れるフェライト相とマルテンサイト相の複相組織を有する複相ステンレス鋼を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、マルテンサイト相およびフェライト相で構成される金属組織を示す写真である。

【図2】図２は、接合性試験で使用した測定試験体を示す図である。

【図3】図３は、溶接性試験を説明する図であり、（ａ）は溶接性試験で使用した測定試験体を示す図であり、（ｂ）は耐食性あり（〇）の例であり、（ｃ）は耐食性不良（×）の例である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、各金属元素、式（１）のＭ値について説明する。金属元素の含有量における「％」は特に断らない限り「質量％」を意味する。

【0014】

（Ｃ：０．０３％以下）
Ｃ（炭素）は、オーステナイト生成元素であり、金属組織中のオーステナイト相の体積率を大きくする作用を有する。また、固溶強化により、フェライト相の強度を高め、また、マルテンサイト相の強度に大きな影響を与える。Ｃ含有量はある程度多いほうが好ましいが、Ｃ含有量が多すぎると、Ｃｒ炭化物の生成を招き粒界腐食の原因となる。また、Ｃ含有量が多くなると、急冷しても残留オーステナイトが発生することがある。したがって、Ｃ含有量は、残留オーステナイトの発生を抑えるために、Ｃ含有量は０．０３％以下にする、好ましく０．０２％以下にする。
なお、炭化物とは、Ｃとその他の金属元素１種以上が結合して形成されたものであり、ＣとＮとその他の元素とが結合した炭窒化物も含まれる。

【0015】

（Ｎ：０．０３％以下）
Ｎ（窒素）は、Ｃと同様に、オーステナイト生成元素であり、金属組織中のオーステナイト相の体積率を大きくする作用を有する。また、Ｎは、複相ステンレス鋼に含まれるＣｒと結合してＣｒ窒化物の生成を招き、Ｃｒ欠乏領域を形成して粒界腐食を引き起こす要因となることがある。そのため、一定量以上のＮを添加しても、フェライト相とマルテンサイト相等の体積率や機械的強度へ寄与する程度が飽和することに加えて、形成されたＣｒ窒化物の増加により機械加工性の低下を招くようになる。したがって、Ｎ含有量は、０．０３％以下にする、好ましく０．０２％以下にする。

【0016】

（Ｎｉ：１．５～５．５％）
Ｎｉ（ニッケル)は、オーステナイト生成元素であり、拡散接合法を実施する温度領域でオーステナイト相を形成する元素である。また、複相ステンレス鋼全体の耐食性に貢献することができる。Ｎｉ含有量は１．５％以上が好ましく、２．０％以上がより好ましい。他方、Ｎｉは、高価な元素であり、過度の添加は、製品価格の増大を招くことになる。したがって、これらの観点から、Ｎｉ含有量は、５．５％以下にする、好ましく５．０％以下にする。

【0017】

（Ｃｒ：１７．５～２２．０％）
Ｃｒ（クロム)は、フェライト生成元素であり、複相ステンレス鋼の表面に不働態皮膜を形成して耐食性を発現する元素である。さらに、孔食や隙間腐食などの局部腐食に対する抵抗力の増大をもたらしている。マルテンサイト相に対して耐食性を付与するため、Ｃｒ含有量は、１７．５％以上が好ましく、１８．０％以上がより好ましい。他方、Ｃｒ含有量が多くなるとＣ、Ｎの低減が難しくなり機械的性質や靭性を阻害する。したがって、Ｃｒ含有量を２２．０％以下にする、好ましく２０．５％以下にする。

【0018】

（Ｓｉ：０．０１～１．００％）
Ｓｉ（シリコン）は、フェライト生成元素であり、複相ステンレス鋼の製造工程での脱酸剤として有効な元素である。また、フェライト相に多く固溶し、フェライト相の強度を上昇させる作用を有する。これらの効果を得るため、Ｓｉの含有量は、０．０１％以上が好ましい。他方、過剰なＳｉ含有は、拡散接合法又は溶接法の実施中にＳｉ酸化皮膜を形成し、拡散接合性及び溶接性の低下を招くことがある。したがって、Ｓｉ含有量は、１．００％以下にする、好ましくは０．８０％以下にする。

【0019】

（Ｍｎ：０．０１～２．５０％）
Ｍｎ（マンガン）は、オーステナイト生成元素であり、拡散接合温度でオーステナイト相をフェライト相と共存させるために有効である。Ｍｎ含有量は、０．０１％以上にする。しかし、過剰なＭｎ添加は耐食性低下の原因となること、拡散接合法又は溶接法の実施中にＭｎ酸化皮膜を形成し、拡散接合性及び溶接性の低下を招くことから２．５０％以下にする、好ましくは、１．５０％以下である。

【0020】

（Ｃｕ：０．０１～２．０％）
Ｃｕ（銅）は、はオーステナイト生成元素であり拡散接合温度でのオーステナイト相の体積率を確保する元素である。さらに、Ｓｎとの複合添加によって拡散接合性の向上させる効果がある。これは拡散接合の途中工程において、一時的に低融点化合物であるＣｕＳｎ相が微細析出し、液相状態となって拡散接合性を高めている。ＣｕＳｎ相はその後拡散して接合後の金属組織、機械的特性へ影響を及ぼさない。これら効果を得るためには０.０１％以上のＣｕ含有量を確保する。ただし、Ｃｕ含有量が多過ぎると、εＣｕ相の析出を招き耐食性低下の要因となる。したがって、Ｃｕ含有量は２．０％以下、好ましくは１．５％以下の範囲にする。

【0021】

（Ｓｎ：０．００１～０．１％）
Ｓｎ（すず)は、Ｃｕとの複合添加によって拡散接合性を向上させる効果がある。これは、拡散接合の工程において一時的に低融点化合物であるＣｕＳｎ相が微細析出し、液相状態となって拡散接合性を高めるためである。ＣｕＳｎ相はその後拡散して接合後の組織、特性への影響は及ぼさない。これら効果を得るためにはＳｎは必須の金属元素であり、０.００１％以上のＳｎ含有量を確保する。ただし、Ｓｎ含有量が多すぎると、複相ステンレス鋼の熱間加工性の低下を招くことから０．１％以下にする、好ましく０．０５％以下にする。

【0022】

（Ｎｂ：７×（Ｃ＋Ｎ）～０．７０％）
Ｎｂ（ニオブ）は、複相ステンレス鋼のＣ、Ｎを固定し、複相ステンレス鋼における粒界腐食を防止するために有効な元素である。Ｎｂは、溶鋼中で析出することはなく、そのほとんどが凝固完了後の冷却過程でＮｂ炭化物又は窒化物として複相ステンレス鋼中に微細に分散析出し、より低温で生成するＣｒ炭化物の析出核として機能する。Ｎｂ含有量が、７×（Ｃ＋Ｎ）より少ないと、Ｃｒ炭化物又は窒化物として析出することで、Ｃｒが消費されてしまい、Ｃｒ欠乏領域が発生し粒界腐食が生じて溶接性が劣化する。このため、Ｎｂ含有量は、粒界腐食を防止するために７×（Ｃ＋Ｎ）以上とする。なお、Ｃ、Ｎは、複相ステンレス鋼中の含有量（質量％）を表している。ただし、過剰のＮｂ添加は複相ステンレス鋼を硬化させ、機械加工性の低下の要因となる。したがって、Ｎｂ含有量は０．７０％以下にする、好ましく０．４５％以下にする。

【0023】

（Ｔｉ：０．１％以下）
Ｔｉ（チタン）は、Ｎｂと同様Ｃ、Ｎを固定する作用を有するので必要に応じて添加することができるが、拡散接合法及び溶接法の実施中に複相ステンレス鋼表面にＴｉ酸化皮膜を形成して拡散接合性及び溶接性の低下を招くことから、Ｔｉ含有量は、０．１％以下にする、好ましく０．０３％以下にする。

【0024】

（Ａｌ：０．１％以下）
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸剤として有効な元素であり、必要に応じて添加することができるが、拡散接合法及び溶接法の実施中に複相ステンレス鋼表面にＡｌ酸化皮膜を形成して拡散接合性及び溶接性の低下を招くことから、Ａｌ含有量は、０．１％以下にする、好ましく０．０３％以下にする。

【0025】

（Ｐ：０．０４％以下）
Ｐ（リン）は、固溶強化に寄与する元素である一方で、耐食性を低下させる。そのため、Ｐ含有量は、低いほど好ましい。したがって、Ｐ含有量は、０．０４％以下にする、好ましく０．０３５％以下にする。

【0026】

（Ｓ：０．０１５％以下）
Ｓ（硫黄）は、孔食の起点となりやすいＭｎＳを形成して耐食性を阻害する元素である。また、オーステナイト相の粒界にＳが偏析した場合、熱間加工性が低下する。そのため、Ｓ含有量は、低いほど好ましい。したがって、Ｓ含有量は、０．０１５％以下にする、好ましく０．０１０％以下にする。

【0027】

（Ｍｏ：２．０％以下）
Ｍｏ（モリブデン）は、フェライト生成元素であり、Ｃｒとともに引張強度を低下させることなく耐食性を向上させる作用を有する。他方、Ｍｏが過多であると、機械加工性の低下を招くことがある。したがって、Ｍｏ含有量は、２．０％以下にする、好ましく１．０％以下にする。

【0028】

（Ｖ：０．５％以下）
Ｖ（バナジウム）は、Ｃｒとともに引張強度、機械加工性を低下させることなく耐食性を向上させる作用を有する。また、固溶炭素を炭化物として固定することにより、機械加工性の向上に寄与する元素である。他方、多過ぎると、複相ステンレス鋼を硬化させ製造性の低下を招くことがある。したがって、Ｖ含有量は、０．５％以下にする、好ましく０．３５％以下にする。

【0029】

（Ｂ：０．０００１～０．０１％）
Ｂ（ボロン）は微量の添加で高温での結晶粒界の強度を向上させ、機械加工性の向上に有効である。このため本発明では必要に応じてＢを添加することができる。その作用を十分に得るには０．０００１％以上のＢ含有量を確保することが効果的である。しかし過剰のＢ添加は硼化物の形成を招き、却って高温での変形能を低下させる原因となる。Ｂ含有量は０．０１％以下にする、好ましく０．００６％以下にする。

【0030】

（Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ、ＲＥＭ等）
その他、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、ＲＥＭ（希土類金属元素）等の元素は、原料のスクラップ、溶製設備の耐火物、炉壁の付着物、スラグ等から複相ステンレス鋼中に混入しやすいが、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ、ＲＥＭの不可避的不純物は、合計０．０１％まで混入が許容される。その他の残部がＦｅとなる。

【0031】

（Ｍ値）
本発明の複相ステンレス鋼は、高温領域で生じていたオーステナイト相を常温でマルテンサイト相にして、常温の状態ではフェライト相とマルテンサイト相の複相組織にしている。拡散接合法及び溶接法の実施可能な温度領域でのオーステナイト相の金属組織中における体積率を制御し、かつ、常温におけるマルテンサイト相、および、共存するフェライト相との体積率を制御する。

【0032】

発明者らは、オーステナイト相の体積率に及ぼす影響力の大きい金属元素のＮｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏの含有量を変動させた複相ステンレス鋼を作製し、さらに、溶融する温度を考慮に入れて、オーステナイト相の体積率を表す指標となるＭ値を導き出す下記式（１）を作成した。
式（１）：Ｍ値＝－０.２２Ｔ＋３４.５Ｎｉ＋１０.５Ｍｎ＋１３.５Ｃｕ－１７.３Ｃｒ－１７.３Ｓｉ－１８Ｍｏ＋４７５．５

【0033】

式（１）において、Ｔ値は、９５０～１１００の範囲における温度（℃）を表している。拡散接合法では、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じないように加圧して、接合部の表面皮膜の除去、接合面を密着させた上で接合させている。したがって、適用する温度範囲を９５０～１１００℃とするのは、この温度で評価することで拡散接合性に優れた複相ステンレス鋼を得ることができるからである。

【0034】

含有される金属元素の中で、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕは、拡散接合法の温度領域で、Ｆｅに含まれてオーステナイト相を形成する元素である。一方、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏは、フェライト相を形成する元素である。その他の元素もいずれかの作用があるが、Ｎｉ、Ｃｒ等と比較すると影響が小さい。したがって、この式（１）に挙げるＮｉ、Ｃｒ等の金属元素の含有量を制御することでＭ値を制御することができる。

【0035】

複相ステンレス鋼でオーステナイト相単相になっている場合のＭ値は１００で、フェライト相単相の場合は０とする。ただし、Ｍ値が計算上１００を超える場合は１００と、０以下になる場合は０と定める。なお、複相ステンレス鋼は、高温で存在するオーステナイト相を急冷によりマルテンサイト相を形成するときに、残留オーステナイト相が生じないように、Ｃ、Ｎ含入量をともに０．０３％以下と低くしている。

【0036】

（複相組織）
本発明の複相ステンレス鋼は、常温での金属組織がフェライト相とマルテンサイト相の複相組織を有する。本発明の複相ステンレス鋼では、拡散接合法が適用される温度範囲を９５０～１１００℃で、Ｍ値を３５～６５の範囲にする。好ましくは３７．５～６２．５の範囲にする、さらに好ましくは４０～６０の範囲にする。フェライト相とマルテンサイト相の組成又は結晶構造の異なる相間の界面では、組成又は結晶構造が等しい相間の界面に比べて、フェライト相とマルテンサイト相のそれぞれが移動しにくくなる。したがって、フェライト相とオーステナイト相の比率が等しい場合に最も相間の界面の比率が高くなり移動が制限され、粗大化は抑制される。このために、フェライト相とマルテンサイト相の相比が５０：５０に近いほど粒成長が抑制される。

【0037】

Ｍ値が３５未満の場合はオーステナイト相が少なく、ピン止め効果が不十分となりフェライト相の粒径が粗大化し、粒界すべりが抑制され、拡散接合性が低下する。また、Ｍ値が６５を超える場合はフェライト相が少なくピン止め効果が不十分となりオーステナイト相が粗大化し、粒界すべりが抑制され、拡散接合性が低下する。

【0038】

これは、特許文献１では第二相が１０％存在すれば結晶粒径を微細制御できるとみなしている。しかし、本発明の複相ステンレス鋼では、フェライト相、オーステナイト相が互いに牽制しあって、お互いに３５～６５になる第二相を形成する。これによって、お互いが他方の相に対してピン止め効果を発揮し、他方の相の粒径の粗大化を防止しながら、ある程度の粒界滑りを生じさせることで拡散接合性を獲得している。

【0039】

本発明の複相ステンレス鋼は、インサート溶接材を用いないで、直接法による拡散接合法に用いられる。この複相ステンレス鋼は、拡散接合が進行する温度領域では、フェライト相およびオーステナイト相が互いに高温下で生じる結晶粒成長を抑制することで、微細な組織を維持し、粒界すべりを起因するクリープ変形が容易に生じさせる。その結果、接合面の凹凸部において変形が容易に促進され拡散接合が可能となる。さらに、Ｃｕ、Ｓｎを含有させることで、結晶粒界の滑りやすさを良好にすることで、また、過剰な粒界滑りを抑えることで、拡散接合法による材料の変形を防止し、接合した時に優れた強度を得ることができる。

【0040】

本発明の複相ステンレス鋼において、具体的な拡散接合法としては、例えば、接触面圧０．１～１．０ＭＰａで直接接触させた状態とし、圧力１．０×１０^－２Ｐａ以下、好ましくは１．０×１０^－３Ｐａ以下、露点－４０℃以下の炉内で、加熱温度は９５０～１１００℃、保持時間は０．５～３ｈの範囲で加熱保持することにより、拡散接合を進行させる。

【0041】

本発明の複相ステンレス鋼は、拡散接合法の他に、インサート棒、溶接棒、ろう材等を用いずに、母材自身を溶融してそれを冷却することで接合させる溶接法にも適用する。例えば、ＴＩＧ法、ＭｉＧ法、レーザ法、高周波法等に用いる。

【0042】

複相ステンレス鋼は、溶融し生成されたオーステナイト相が急冷で硬いマルテンサイト相が溶接熱影響部に生成されるとともに、炭化物が局部的に形成されることで溶接部の靭性を低下させる。複相ステンレス鋼は、Ｃｒ炭化物が結晶粒内より結晶粒界に析出し易く、溶接後ではＣｒ炭化物が結晶粒界に優先析出している。結晶粒界にＣｒ炭化物が優先析出した状態では、固溶Ｃｒ量が減少し、結晶粒界に沿ってＣｒ欠乏領域が形成され耐食性が低下する。

【0043】

そこで、本発明の複相ステンレス鋼は、Ｎｂを添加して、Ｃｒ欠乏領域の形成を抑制する優れた溶接性を得ることができる。ＮｂはＣ、Ｎを固定し、粒界腐食を防止する。そのため、本発明の複相ステンレス鋼は、Ｃ、Ｎの含有量も少なくするとともに、Ｃ、Ｎの含有量に対応させたＮｂ含有量を規定している。

【0044】

また、本発明の複相ステンレス鋼は、拡散接合後に溶接により製造された部品に適用することができる。複相ステンレス鋼は、Ｃｕ、Ｓｎ等の金属元素の成分組成を規定し、かつ、フェライト相とマルテンサイト相とのＭ値を規定することで、拡散接合法に対応することができ、さらに、成分組成にＮｂを規定することで、溶接法にも対応することができる。

【0045】

（接合前の平均結晶粒径）
複相ステンレス鋼としては、結晶粒微細化により高強度を達成する。フェライトとマルテンサイトの複相とする場合、結晶粒微細化に加えて、硬質なマルテンサイト相を含むため、さらに高い強度が得ることができる。また、結晶粒径が細かいほど、拡散接合性が良くなる。本発明の複相ステンレス鋼は、細粒組織であるほど、接合面での凸凹が小さくして接合面積を大きくすることで、拡散接合法の過程を迅速に進行させることができる。そのため、接合前の平均結晶粒径は、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。

【0046】

なお、結晶粒径は、複相ステンレス鋼の拡散接合前の平均結晶粒径であり、冷間圧延方向に平行な板厚断面の金属組織を連続した１ｍｍ^２以上で観察し、求積法を用いて単位面積内に含まれる結晶粒の個数を算出し、結晶粒１つ当たりの平均面積を１／２乗した値を用いる。

【0047】

（複相ステンレス鋼の製造）
はじめに、複相ステンレス鋼の原料を溶解し、その溶鋼に酸素を吹き込むことで脱炭し、さらにＳｉを加えて溶鋼中の酸素と反応させて、酸素濃度を低減させる脱酸作業を行う。次いで、溶解した溶鋼を連続鋳造によってスラブとし、そのスラブを１１００～１３００℃に加熱し、熱間圧延を行って熱延鋼帯とする。熱延鋼帯を焼鈍した後酸洗、あるいは焼鈍することなく酸洗する。焼鈍を施す場合は９００～１１５０℃程度の連続焼鈍あるいは６００～９００℃のバッチ焼鈍が好ましい。酸洗後、所定板厚まで冷間圧延し、その後仕上焼鈍を行う。仕上焼鈍温度は７００～１１５０℃の範囲、好ましくは８５０～１１００℃。また、最終板厚が薄い場合など、必要に応じて仕上焼鈍の前に、中間焼鈍および中間圧延を行ってもよい。

【実施例】

【0048】

以下、実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0049】

表１に示す成分組成を有する発明例１～５、比較例１～７の複相ステンレス鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３ｍｍの熱延板を作製した。その後、冷間圧延にて板厚１．０ｍｍとし、仕上焼鈍を１０００～１０７０℃で行い、酸洗を施すことによって供試材とした。

【0050】

図１は、マルテンサイト相およびフェライト相で構成される金属組織を示す写真である。マルテンサイト相およびフェライト相で構成される結晶粒径１０μｍ以下の微細組織を呈していることがわかる。

【0051】

表１の添加量は、すべて質量％であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。また、（－）は添加していないことを、下線は本発明の範囲外の組成であることを示している。また、比較例５では、Ｎｂ量は、Ｃ、Ｎ量から７×（Ｃ＋Ｎ）＝０．４６９と計算できるが、成分組成は０．１０％と本発明の範囲外である。同様に、比較例６は、Ｎｂ量は、７×（Ｃ＋Ｎ）＝０．１４９と計算できるが、成分組成は０．０３％と本発明の範囲外である。

【0052】

【表1】

【0053】

また、表２には、９５０、１０００、１０５０、１１００℃の温度における式（１）におけるＭ値を示している。下線は、Ｍ値が本発明の範囲外にあることを示している。

【0054】

【表2】

【0055】

（拡散接合性試験）
各鋼板から２０ｍｍ×２０ｍｍの平板試験片を取り出し、以下の方法で拡散接合を行った。同一鋼材２枚の試験片を互いに表面同士が接触するように積層した状態とし、２枚の試験片の接触表面に付与される面圧を０．１ＭＰａとなるよう圧力を加えた状態で、初期真空度１．０×１０^－３～１．０×１０^－４Ｐａで１０００℃まで約１ｈで昇温し、その温度で２ｈ保持した後、冷却室に移して冷却した。冷却は９００℃まで上記真空度を維持し、その後Ａｒガスを導入して９０ｋＰａのＡｒガス雰囲気中で約１００℃以下まで冷却した。

【0056】

図２は接合性試験で使用した測定試験体を示す図である。
上記熱処理を終えた積層体について、超音波厚さ計（オリンパス社製；Ｍｏｄｅｌ３５ＤＬ）を用いて、図２に示すように２０ｍｍ×２０ｍｍの積層体表面上に３ｍｍピッチで設けた４９箇所の測定点において厚さ測定を行った。プローブ径は１．５ｍｍとした。ある測定点での板厚測定値が２枚の鋼材の合計板厚を示す場合には、その測定点に対応する両鋼材の界面位置では原子の拡散によって両鋼材が一体化しているとみなすことができる。一方、板厚測定値が両鋼材の合計板厚に満たない場合には、その測定点に対応する両鋼材の界面位置に未接合部（欠陥）が存在する。加熱処理後の積層体の断面組織と、この測定手法により得られた測定結果との対応関係を調べたところ、測定結果が両鋼材の合計板厚となっている測定点の数を測定総数４９で除して、小数点以下を四捨五入した値（これを、以下「接合率」という。）によって、接触面積に占める接合部分の面積率が精度良く評価できることを確認した。そこで、以下の評価基準で拡散接合性を評価した。
さらに、拡散接合温度を９５０℃、１０５０℃、１１００℃とした場合に同様の評価を行った。

【0057】

評価基準は次のとおりである。
◎：接合率１００％（優秀）
○：接合率９０～９９％（良好）
△：接合率６０～８９％（やや不良）
×：接合率０～５９％（不良）
評価基準が（◎）と（〇）となる接合率９０％以上では、両部材間のシール性（連通する欠陥を介する気体の漏れが生じない性質）が良好であり、拡散接合部の強度が十分に確保されていることから、拡散接合性として合格と判定する。

【0058】

（耐食性試験）
溶接部耐食性は冷延焼鈍板をなめ付けＴＩＧ法で溶接し、「塩水噴霧、乾燥、湿潤」を繰り返す塩乾湿繰返し試験を用いた耐食性試験にて外観評価を行った。
供試材を切削加工により２５ｍｍ（板幅方向）×１００ｍｍ（圧延方向）の矩形に切り出し、突き合せて、なめ付けＴＩＧ法で溶接した。耐食性評価に用いる端面（以下、「評価面」という。）を＃６００まで湿式研磨した後、端面をシリコンシーラントで被覆し、ベークライトの台座に固定して耐食試験用の試験片とした。作製した試験片を塩乾湿繰返し試験に供した。耐食性試験は、３５℃の雰囲気で５％ＮａＣｌを１５分噴霧し、次に６０℃、相対湿度３０％の雰囲気で１時間保持して乾燥、続いて５０℃、相対湿度９５％の湿潤環境で３時間保持するサイクルを５０サイクル繰り返す試験である。塩水噴霧は噴霧量が１．５ｍｌ／ｃｍ２・ｈとなるよう調整した。耐食性判断は溶接と母材部の腐食程度を外観から目視することで判断する。図３は、溶接性試験を説明する図であり、（ａ）は溶接性試験で使用した測定試験体を示す図であり、（ｂ）は耐食性ありの例であり、（ｃ）は耐食性不良の例である。

【0059】

評価基準は次のとおりである。
○：耐食性あり
×：耐食性なし
外観で溶接と母材部の腐食程度に差がない場合は耐食性あり（〇）と、外観で溶接と母材部の腐食程度に差がある場合は耐食性なし（×）と判断する。

【0060】

（評価結果）
表３は、発明例１～５と比較例１～７の拡散接合性試験、溶接部耐食性試験の評価結果を示している。

【表3】

【0061】

発明例１～５は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲にあり、Ｃｕ及びＳｎを含むすべての金属元素が適正な範囲内にある。したがって、拡散接合性が接合率優秀（◎）又は接合率良好（〇）であり、拡散接合性に優れていることが示されている。また、Ｎｂを含むすべての金属元素が適正な範囲内にあることで、溶接部耐食性はすべて耐食性あり（〇）となっている。
したがって、発明例１～５は、拡散接合法及び溶接法のいずれにも実用上問題なく使用できることがわかる。

【0062】

一方、比較例１、２は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲を外れているために、金属元素の成分組成が本発明の範囲内にあっても、拡散接合性が低く接合率不良（×）となっている。

【0063】

比較例３は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲にある。しかし、成分組成でＡｌが本発明の範囲より多く、そのために、拡散接合時に高温になることでＡｌ酸化膜を形成し、接合を阻害しているために、拡散接合性が低く接合率はやや不良（△）となっている。比較例４は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲にある。しかし、成分組成でＴｉが本発明の範囲より多く、そのために、拡散接合時に高温になることでＴｉ酸化膜を形成し、接合を阻害しているために、拡散接合性が低く接合率不良（×）となっている。

【0064】

比較例５は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲にあり、拡散接合性が高く接合率優秀（◎）となっている。しかし、成分組成でＣ含有量が多く、かつ、Ｃｒ量、Ｎｂ量が少ないために、溶接部耐食性なし（×）となっている。比較例６は、９５０～１１００℃の温度領域内でＭ値が３５～６５の範囲にあり、拡散接合性が高く接合率優秀（◎）となっている。しかし、成分組成でＮｂ含有量が少なく、そのために、Ｎｂ炭化物の形成が少なく、結果的にＣｒ炭化物を形成することで粒界腐食が発生し、溶接部耐食性なし（×）となっている。

【0065】

比較例７は、Ｎｂを含むことで溶接部耐食性あり（〇）となっているが、Ｃｕ、Ｓｎを含まないことで、拡散接合性が低く接合率やや不良（△）となっている。

【図1】

【図2】

【図3】