JP3535299B2 - 耐食性および靱性に優れた二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品およびその製造方法 - Google Patents
耐食性および靱性に優れた二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品およびその製造方法Info
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Description
よび硝酸環境などの腐食環境中において高い耐食性およ
び耐応力腐食割れ性を呈する耐食性および靱性に優れた
二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品およびその製造
方法に関するものである。
最終焼鈍工程では、耐食性や靱性の劣化をもたらすσ相
の析出や 475脆性を避けるために、焼鈍温度から室温ま
で水冷などの急冷処理が施される。その際、板や帯、管
など薄肉材については、焼鈍後急冷しても特に問題はな
いが、鋳造品や鍛造品など厚肉材については過大な残留
応力が発生するため、引き続く切削工程で割れや変形を
生じたり、使用時の環境によっては応力腐食割れを発生
するおそれがあった。
鍛造品では、焼鈍後の冷却を徐冷として残留応力を軽減
させる方法が採用されている。しかしながら、この場合
には靱性が著しく損なわれる。一方、焼鈍後急冷した場
合には、残留応力を除去するため、 475脆性の回避が可
能な 300℃以下の低温で長時間の応力除去熱処理が施さ
れる。しかしながら、たとえかような応力除去熱処理を
施したとしても、満足いく効果は望み得なかった。
品および鍛造品における熱処理後の急冷の目的は、その
冷却過程における脆化域を速やかに通過させることにあ
るが、この高温からの急冷が材料の残留応力を高くして
いる要因であり、逆に焼鈍温度からの徐冷では室温付近
での冷却速度が極端に遅くなるため 475脆性域にかか
り、靱性を劣化させる要因となっていた。また 300℃以
下の低温での応力除去熱処理は、その効果があまり期待
できない上に、工程増によるコスト上の問題を残してい
た。
留応力を抑制すると共に、 475脆性域については速やか
に通過できるようにすれば、応力除去熱処理を行う必要
がないため、コスト上の問題もなくなり、また切削工程
において割れを生じることのない優れた靱性ならびに腐
食環境下において応力腐食割れを生じることのない高い
耐食性を有する、二相ステンレス鋳造品、鍛造品が安定
して得られることになる。
した二相ステンレス鋼の熱処理冷却過程で生じる2種類
の脆性、すなわち 980〜700 ℃の温度範囲におけるσ相
の析出による脆性および 500〜300 ℃の温度範囲で生じ
る 475脆性について綿密な研究を行った結果、両脆性の
冷却速度依存性が素材の結晶粒度によって著しく異なる
ことを新たに知見した。すなわち、板、帯材のように数
μm 程度の微細な結晶粒からなる素材では、σ相は極め
て短時間で析出するが、 475脆性は比較的長時間を要す
るのに対し、特にフェライト相が50μm 以上の粗大な結
晶粒からなる鋳造品や鍛造品では、σ相の析出は抑えら
れ、逆に 475脆性が加速されることが知見されたのであ
る。
を 500℃を境にして、 1) 高温域を急冷し低温域を徐冷した場合と、 2) 高温域を徐冷し低音域を急冷した場合の各残留応力
について比較したところ、後者の方が50%以上小さい値
を示すことが見出された。この違いは、高温域でのフェ
ライト相からオーステナイト相への変態に起因するもの
と考えられるが、いずれにしても二相ステンレス鋼の場
合、 500℃を境にして高温域と低温域で残留応力に及ぼ
す冷却速度の影響が同一ではないことが新規に究明され
たのである。
ものであって、その発明の要旨構成は次のとおりであ
る。 1.C:0.10wt%以下、 Si:2.0 wt%以下、Mn:3.0 w
t%以下、 Ni:3〜10wt%、Cr:20〜35wt%、 Mo:
6.0 wt%以下、N:0.3 wt%以下を含有し、残部はFeお
よび不可避不純物の組成になり、かつフェライト相の平
均結晶粒径が50μm 以上で、製品中の残留応力は 300 N
/mm 2 以下であることを特徴とする耐食性および靱性に優
れた二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品。 2.上記1において、Moは 0.5〜6.0 wt%とすることが
好ましく、より好ましくは 1.0〜4.0 wt%の範囲とす
る。
t%以下、 Ni:3〜10wt%、Cr:20〜35wt%、 Mo:
6.0 wt%以下、N:0.3 wt%以下を含有し、残部はFeお
よび不可避不純物の組成になる溶鋼を、鋳造し、さらに
必要に応じて鍛造した後、1000〜 1100 ℃の温度に加熱
し、980 〜 700 ℃の温度範囲を 10 ℃/ min 以上の速度で
冷却し、ついで500 ℃までは冷却速度:5〜12.5 ℃/m
inの速度で徐冷し、その後少なくとも 300℃までを10℃
/min以上の速度で急冷することを特徴とする耐食性お
よび靱性に優れた二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造
品の製造方法を提案する。
レス鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説
明する。 C:0.10wt%以下 Cが多量に含有されると、耐孔食性の劣化や炭化物の析
出による熱間加工性の低下が懸念されるので、0.10wt%
以下に限定した。好ましい範囲は0.08wt%以下であり、
またより好ましい範囲は0.03wt%以下である。
悪影響を及ぼすことから、2.0 wt%以下に限定した。好
ましい範囲は 1.0wt%以下である。
く、γ相量が必要以上に増加する不利が生じるので、3.
0 wt%以下に限定した。
3wt%に満たないとγ相が消失して二相ステンレス鋼の
特長が発揮されず、一方、10wt%を超えると粗大な必要
量以上のγ相が発生し、熱間加工性が劣化するだけでな
く製造コストの上昇を招くので、Niは3〜10wt%の範囲
に限定した。
満たないと耐食性が劣化し、一方、35wt%より多いとσ
相の析出により著しく靱性が劣化するので、Crは20〜35
wt%の範囲に限定した。好ましい範囲は23〜27wt%であ
る。
wt% Moは、フェライト形成元素であるが、6.0 wt%を超える
とσ相の生成により靱性の劣化および耐局部腐食性が劣
化するだけでなく、製造コストの上昇を招く。ただし、
この含有量が0.5 wt%に満たないと耐局部腐食性が劣化
するので、下限は0.5 〜6.0 wt%とすることが好まし
い。より好ましい範囲は1〜4wt%である。
る。このためN含有量は他のオーステナイト形成元素お
よびフェライト形成元素とのバランスで定める。このN
が、0.3 wt%より多いとブローホールなどの鋼塊の欠陥
を生じたり、γ相が安定に存在することにより熱間加工
性が劣化するので、0.3 wt%以下とする必要がある。一
方、Nは、γ相に多く固溶して耐孔食性を向上するのに
有効な元素であり、N量の増加と共に耐食性が向上する
ので、0.08wt%以上の添加が望ましい。好適範囲は0.08
〜0.14wt%である。
た上で、製品のフェライト相の平均結晶粒径を50μm 以
上にすることが重要である。というのは、フェライト相
の平均結晶粒径が50μm 以上であれば、前述したとおり
σ相の析出が抑制されるため、かかる脆化温度域におけ
る徐冷が可能となり、その結果、従来に比べて残留応力
の発生を格段に低減することができ、ひいては切削工程
における割れや変形の発生、さらには使用環境下におけ
る応力腐食割れの発生を効果的に防止できるからであ
る。ここに、残留応力は 300 N/mm2以下に抑制すること
が好ましい。というのは、残留応力が 300 N/mm2を超え
ているとやはり上記弊害の発生が完全には免れ得ないか
らである。なお、上記の粒径制御は鋳造条件や鍛練比を
制御することによって実現する。例えば、鍛練比を5以
下に制御すると平均結晶粒径を50μm以上にすることが
できる。
明する。鋳造および鍛造方法については特に制限はな
く、従来公知の方法いずれもが使用できる。熱処理につ
いては、加熱温度が1000℃より低いと、完全に再結晶が
終了せず、また鋳造工程の冷却時または熱間加工時に受
けた歪みを十分に取り去ることができず、さらに冷却過
程で析出するσ相を完全に消失させることができないの
で、加熱温度は1000℃以上とする必要がある。なお、冷
却速度を考慮すると上限は1100℃以下とすることが望ま
しい。
して徐冷 (5 〜12.5℃/min.) してもよいが、好ましく
はσ相析出温度域である 980℃〜700 ℃の範囲について
だけは、10℃/min.以上で急冷する。そして、475 脆性
の発生が懸念される 500℃までを、残留応力の低減を目
的として5〜12.5℃/minの速度で徐冷することが好まし
い方法である。というのは、本発明のようなフェライト
相が50μm 以上の粗大な結晶粒からなる大型の鋳造品、
鍛造品では、前述したとおり、高温域を徐冷してもσ相
の析出が抑制されるからである。一方、 500℃以下の温
度域については、 475脆性域を避けるため、少なくとも
300 ℃(好ましくは 100℃)までは10℃/min以上の速度
で急冷する必要がある。
の二相ステンレス鋼鋳造品および鍛造品を作製した。つ
いで、表2に示す種々の条件で冷却した。なお、表2の
冷却パターンにおける加熱温度はいずれも1020℃とし
た。
力、切削加工性、靱性および耐食性について調べた結果
を表3に示す。なお、結晶粒径の測定位置は素材表面か
ら 100mm中央へ入った部分とし、測定方法は断面ミクロ
組織写真で縦横5本の直線にかかるフェライト相の粒径
だけを測定し、10視野における平均を算出し平均結晶粒
径とした。この時、写真には1視野に10個以上の結晶粒
が入るように倍率を設定している。また、各特性は以下
の実験で評価した。 ・切削加工性... 150mm φの穴開け加工時おける割れ発
生の有無 ・靱性... シャルピー試験による衝撃値 ・耐食性... 30%MgCl2 ×300 hの沸騰浸漬試験におけ
る応力腐食割れの有無(MgCl2 沸騰試験は 150mmφの穴
開け後、下部をシールし、投げ込みヒーターにより溶液
を沸騰させて実験を行った。)
50μm 以上でかつ本発明法に従う熱処理を施したものは
いずれも、その残留応力は 300 N/mm2以下であり、また
衝撃値は 100〜300 J/cm2 程度の高い値を示し、さらに
切削加工およびMgCl2 沸騰試験を行っても靱性の劣化や
残留応力に起因する応力腐食割れの発生は認められなか
った。これに対し、比較例の場合は、衝撃値が 50J/cm2
以下であるか、または残留応力が340J/cm2以上の高い値
を示した。残留応力の高いものは切削工程で割れを生じ
ない場合もあるが、応力腐食割れは発生しており、靱性
および耐食性とも本発明法で得たものよりも劣ってい
た。なお、平均結晶粒径が50μm 以下のものは、本発明
法を適用した場合でも衝撃値は低く、また切削時に割れ
を生じた。
テンレス鋼の製造時に懸念されたσ脆性や 475脆性の発
生のおそれなしに、残留応力を格段に低減することがで
きるので、残留応力に起因した機械加工時の割れや応力
腐食割れの発生を効果的に防止することができ、その結
果、耐食性および靱性に優れた大型鋳造品、鍛造品を安
定して得ることができる。また、従来行われていた低温
での長時間の残留応力除去熱処理も省略することができ
るので、製造コスト的にも有利である。
Claims (2)
- 【請求項1】C:0.10wt%以下、Si:2.0 wt%以下、 Mn:3.0 wt%以下、 Ni:3〜10wt%、 Cr:20〜35wt%、 Mo:6.0 wt%以下、 N:0.3 wt%以下を含有し、残部はFeおよび不可避不純
物の組成になり、かつフェライト相の平均結晶粒径が50
μm 以上で、製品中の残留応力が 300 N/mm 2 以下である
ことを特徴とする耐食性および靱性に優れた二相ステン
レス鋼の大型鋳造品、鍛造品。 - 【請求項2】C:0.10wt%以下、 Si:2.0 wt%以下、 Mn:3.0 wt%以下、 Ni:3〜10wt%、 Cr:20〜35wt%、 Mo:6.0 wt%以下、 N:0.3 wt%以下を含有し、残部はFeおよび不可避不純
物の組成になる溶鋼を、鋳造し、さらに必要に応じて鍛
造した後、1000〜 1100 ℃の温度に加熱し、980 〜 700 ℃
の温度範囲を 10 ℃/ min. 以上の速度で冷却し、ついで5
00 ℃までは冷却速度:5〜12.5 ℃/minの速度で徐冷
し、その後少なくとも 300℃までを10℃/min以上の速
度で急冷することを特徴とする耐食性および靱性に優れ
た二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品の製造方法。
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