JP3911868B2 - 耐食性に優れた高強度・非磁性ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は耐食性に優れた高強度・非磁性ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、例えばドリルを用いて石油掘削を行う場合等において、地表から先端のドリルの位置等を磁気感知により特定、制御するといったことが行われている。
【0003】
ところでこの種掘削装置においてはドリル近傍にドリルカラーと称する部品が装備されているが、このドリルカラーは、上記磁気感知によるドリルの位置等の特定、制御のために非磁性材であることが求められる。
このドリルカラーは、また非磁性であることに加えて耐食性・高強度が必要とされる。
【0004】
従来、かかるドリルカラーを始めとする非磁性且つ耐食性・高強度が求められる用途の材料として、13Cr−18Mn−0.5Mo−2Ni−0.3N,13Cr−21Mn−0.3N,16.5Cr−16Mn−1Mo−1.3Ni−0.5Cu−0.4N等の高Mn系非磁性ステンレス鋼が用いられて来た。
この種非磁性ステンレス鋼において、耐食性及び強度を高める上でNを多く含有させることが有効であるとされている。
【0005】
ところでMn,Crを多く含有する非磁性ステンレス鋼の場合、Mn,Crが溶湯段階ではNを多く溶解させ得るものの、凝固段階ではNの固溶度を低下せしめる性質があることから、鋼中にNを多く含有させることが難しく、Nを多く含有させた場合に凝固過程で窒素ブローを生成せしめ、健全な鋼塊が得られないといった問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願の発明はこのような課題を解決するためになされたものである。
而して請求項1は非磁性ステンレス鋼に係るもので、重量%でC:≦0.08%,Si:≦0.50%,Mn:13〜16%,P:≦0.040%,S:≦0.030%,Cu:0.35〜1.00%,Ni:2.50〜5.50%,Cr:17.0〜19.0%,Mo+W:0.5〜1.0%,N:0.38〜0.60%,O:≦0.0100%,sol-Al:≦0.05%,残部Fe及び不可避的不純物であり且つ次式
86([重量%Ni]+[重量%Cu])≧13[重量%Cr]+19[重量%Mo]+9[重量%W]+2[重量%Mn]
を満足する組成を有することを特徴とする。
【0007】
請求項2の非磁性ステンレス鋼は、請求項1に記載の非磁性ステンレス鋼において、更にB,Ca,Mg,REMの1種又は2種以上を各単独で0.0100%以下含有することを特徴とする。
【0008】
請求項3は非磁性ステンレス鋼の製造方法に係るもので、請求項1又は2に記載のステンレス鋼を製造するに際して、加工時の最終表面温度が700〜900℃の温度条件で且つ減面率が15〜70%の加工条件の下で仕上加工を施すことを特徴とする。
【0009】
【作用及び発明の効果】
非磁性ステンレス鋼において、耐食性確保のためにCr,Mnを一定量以上含有させることは必須である。
一方でこれらCr,Mnを多く含有させると、上記のように凝固時に窒素ブローを生成し易くなる。
ここにおいて本発明は凝固時の窒素ブローを抑制するため、Ni,Cuを所定量鋼中に添加するようになしたものである。
【0010】
本発明者は、Cr,Mo,W,Mnの添加による窒素ブローの生成作用を、Ni,Cuの添加により抑制でき且つそれらCr,Mo,W,Mnの添加量と、Ni,Cuの添加量との間に適正な関係があることを見出し、本発明を完成させた。
【0011】
即ち本発明においては、耐食性確保の点からCr,(Mo+W),Mnを所定量以上含有させたときには、それら成分の添加量に見合った量でNi,Cuを添加するようになしたもので、それらの添加量の関係は次式で表される。
86([重量%Ni]+[重量%Cu])≧13[重量%Cr]+19[重量%Mo]+9[重量%W]+2[重量%Mn]
【0012】
ここで右辺の成分Cr,Mo,W,Mnは凝固の際にNの固溶度の低いδフェライト相を析出させ易い成分で、各係数はその寄与度を示している。
また一方左辺の成分Ni,Cuは凝固の際にNの固溶度の高いオーステナイト相を析出させ易い成分で、各係数はその寄与度を示している。
【0013】
本発明によれば、上記のように鋼中にCr,(Mo+W),Mnを含有させる一方で、これに見合った量でNi,Cuを含有させることにより、鋼中にNを一定量以上多く含有させることが可能となる。即ち凝固時において窒素ブローを抑制して、健全な鋼塊,製品を得られるようになる。
而してNを一定量以上多く含有させ得ることから、非磁性ステンレス鋼の耐食性,強度を従来に増して高めることができる。
【0014】
本発明においては、必要に応じてB,Ca,Mg,REMの1種又は2種以上を上記所定の範囲で含有させることができる(請求項2)。
これにより熱間加工性を向上させることができる。
【0015】
請求項3の非磁性ステンレス鋼の製造方法は、ステンレス鋼を製造するに際して、加工時の最終表面温度が700〜900℃の温度条件で且つ減面率が15〜70%の加工条件の下で仕上加工を施すものである。
この製造方法は、非磁性ステンレス鋼に歪を残留させた状態で使用するようになしたもので、この製造方法によれば非磁性ステンレス鋼に高強度を付与することができる。
【0016】
尚この発明において温度条件の上限を900℃と規定しているのは、これよりも高い温度であると非磁性ステンレス鋼に対して歪を良好に付与することができないからであり、また下限値を700℃と規定しているのは、これより低い温度の下では粒界に炭化物が析出し易くなり、それによって耐食性や靭性が劣化してしまうことによる。
【0017】
一方減面率の上限値を70%と規定しているのは、これより高い加工度では加工が難しく、また下限値を15%と規定しているのは、これより低い加工度の下ではステンレス鋼に対して良好に歪を付与できないことによる。
【0018】
次に本発明における各化学成分の限定理由を詳述する。
C:≦0.08%
CはCrを含む炭化物として析出し、耐食性等の特性を劣化させるため低い方が望ましいが、必要以上の規制は著しいコストの上昇となるため、上限値を0.08%とする。
Cの望ましい含有量は0.05%以下である。
【0019】
Si:≦0.50%
Siは脱酸剤として有効であるが、0.50%より多く含有させるとNの溶解度,固溶度を低める外、金属間化合物の析出を助長する。そこで本発明では上限値を0.50%とする。
Siの望ましい含有量は0.35%以下である。
【0020】
Mn:13〜16%
Mnは非磁性確保,溶湯中のN溶解度確保のために13%以上含有させる。
但し16%より多量の添加は熱間加工性,耐食性を劣化させ、また凝固時の窒素ブローを促進するので、上限値を16%とする。
Mnの望ましい含有量は15%未満である。
【0021】
P:≦0.040%
Pは粒界に偏析して特性を劣化させる。従って低ければ低いほど望ましいが、製造コストとの兼ね合いで上限値を0.040%とする。
【0022】
S:≦0.030%
Sは熱間加工性,耐食性に悪影響を及ぼすため、低ければ低いほど望ましい。
本発明では製造コストとの兼ね合いでSの上限値を0.030%とする。
【0023】
Cu:0.35〜1.00%
Ni:2.50〜5.50%
Cu,Niは耐食性,強度の向上に有効なNを安定して添加するため有効であり、また凝固時にNの固溶度が大きいオーステナイト相量を高め、窒素ブローを抑制する。
また単体でも耐食性の向上に有効であり、本発明ではCu,Niをそれぞれ0.35%以上,2.50%以上含有させる。
但しそれぞれ1.00%,5.50%を超えて過剰に含有させると溶湯中のN溶解度を低め、またコストを上昇せしめるのでそれぞれ上限値を1.00%,5.50%とする。
ここでNiの望ましい含有量は5%未満である。
【0024】
Cr:17.0〜19.0%
Mo+W:0.5〜1.0%
これらの元素は耐食性確保のため必須であり、そのため本発明ではCrを17.0%以上、またMo+Wを0.5%以上含有させる。
但しこれらの元素は凝固時の窒素ブローを促進し、相安定性を低め、またコスト上昇を招くため、Crについては19.0%を、またMo+Wについては1.0%をそれぞれ上限値とし、それより多くの過剰添加は抑制する。
【0025】
N:0.38〜0.60%
Nは上記のように非磁性ステンレス鋼の強度,耐食性を高め、また非磁性を確保するのに非常に有効な元素であり、0.38%以上含有させる。
但しNを0.60%を超えて多く含有させると窒素ブローを発生し易くなり、健全な製品を得ることができなくなるため0.60%を上限値として含有量を規制する。
【0026】
O:≦0.0100%
Oは鋼の清浄度を低くする。また熱間加工性,耐食性,靭性等を劣化させるため0.0100%以下に規制する。
【0027】
sol-Al:≦0.05%
sol-Alは鋼の清浄度を低くする。また熱間加工性,耐食性,靭性等を劣化させるため0.05%以下に規制する。
【0028】
B,Ca,Mg,REMの1種又は二種以上:≦0.0100%
これら元素は熱間加工性の向上に有効であるが、0.0100%より多く添加すると鋼の清浄度を低下させるため、上限値を0.0100%としてそれ以下に規制する。
【0029】
86([重量%Ni]+[重量%Cu])≧13[重量%Cr]+19[重量%Mo]+9[重量%W]+2[重量%Mn]
凝固時の窒素ブローを抑制するため、左辺の数値が右辺の数値と同等以上となるようにNi,Cu,Cr,Mo,W,Mnの各含有量を規制するものである。
【0030】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
表1に示す化学組成の実施例1,2,3,13,14及び比較例5の非磁性ステンレス鋼をAODにて3.6t鋼塊作製し、その後1100℃で300mm角の寸法に熱間鍛造した。
次いで一旦冷却した後再び850〜1100℃に加熱し、850〜900℃の温度で加工開始して、最終表面温度が表1に示す温度となるような温度条件で且つ同表に示す加工率(減面率)で最終加工を行った。
その際の製造性及び得られた加工材の耐食性,強度特性,磁性等の諸特性を測定したところ表2に示す通りであった。
【0031】
一方、表1の他の各実施例については50kg鋼塊作製して、これを50mm角の大きさに1100℃で熱間鍛造し、その後一旦冷却した上で再び加熱して850〜900℃の温度で加工開始し、最終表面温度が表1に示す温度となるような温度条件で且つ同表に示す加工率で最終加工を行った。
その際の製造性及び得られた加工材の各種特性を測定したところ表2に示す通りであった。
【0032】
【表1】
【0033】
尚、表中の各試験及び評価は以下のようにして行った。
<製造性>
鋼塊時点での窒素ブローの有無を調べた。ここで大型鋼塊については引け巣の有無にて判断し、また小型鋼塊についてはγ線照射により観察を行った。
【0034】
<塩水噴霧試験>
35℃で5%NaCl水溶液中に試験片を96時間浸漬した。
その結果腐食が無かったものについてはAを、また僅かに腐食があったものについてはBを、若干腐食があったものについてはCを、更にほぼ全面腐食していたものをDとした。
【0035】
<引張試験>
JIS4号試験片(φ10mm)を用い、JIS Z 2241に準拠して試験を行った。
【0036】
<衝撃試験>
JIS4号2mmVノッチ試験片を用い、JIS Z 2242に準拠して試験を行った。
【0037】
<腐食曲げ>
JIS G 0575に準拠し、硫酸・硫酸銅腐食液の中に20mm×70mm×5mmtの板状の試験片を浸漬させて曲げ試験を行った。但し曲げ角度は150度とした。
この結果、割れの認められなかったものについては○、割れが発生したものについてはその程度に応じて△,×として評価した。
【0038】
<透磁率>
外部磁界を200Oeとし、VSM法に従って透磁率測定を行った。
これらの結果が表2に示してある。
【0039】
【表2】
【0040】
同表の結果に見られるように、Nを本発明の範囲内で含ませる一方でCu,Niを添加していない比較例1のもの、また同じくNを含ませる一方でCu,Niの添加量が本発明の範囲を外れて少ない比較例2,3のものについては窒素ブローが発生し、製造性の悪いものであった。
【0041】
また比較例4のものは、本発明で規定する条件式は満たしているもののNの量が本発明の範囲を外れて少なく、このため塩水噴霧試験及び腐食曲げ試験の結果が悪く、また強度の点でも不十分なものであった。
【0042】
一方実施例13,14のものは、化学組成としては実施例1のものと同様で、化学成分的に本発明の範囲内に属するものであるが、加工条件が請求項3で規定する加工条件から外れている。
【0043】
詳しくは、実施例13の場合には最終表面温度が請求項3で規定する700℃より低い620℃であり、また実施例14のものは、加工温度的には請求項3の条件を満たすものの、加工率が請求項3で規定する下限値15%より低い5%であり、この結果、実施例13のものは比較例のものに比べて特性的に良好であるものの、実施例1〜実施例12のものに対して腐食曲げの試験結果が若干劣ったものとなっている。
また実施例14のものについては加工率が低く、最終的に残留する歪が少ないことから、実施例1〜実施例12のものに比べて強度的に若干低いものとなっている。
【0044】
次に比較例5のものは、Nの量が少なくまたCu,Ni,Crの含有量が本発明の範囲を外れており、尚且つ請求項1で規定する条件式も満たしていない。
このため耐塩水噴霧,耐腐食曲げの各特性で劣っており、また強度的にも十分な値が得られていない。
【0045】
これに対して、化学成分及び加工条件ともに本発明で規定する範囲内に属する実施例1〜実施例12のものについては製造性も良好で、また耐食性,強度ともに、何れも比較例のものに比べて良好な結果が得られている。
【0046】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば本発明は上記ドリルカラー用材料として好適なものであるが、耐食性,高強度,非磁性を要求されるリテナーリング,超電導磁石を使用した粒子加速器,核融合炉部材,リニアモーターカー部材,磁気を嫌う船舶部材等、他の用途の材料としても用いることが可能であるなど、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
Claims (3)
- 重量%で
C :≦0.08%
Si:≦0.50%
Mn:13〜16%
P :≦0.040%
S :≦0.030%
Cu:0.35〜1.00%
Ni:2.50〜5.50%
Cr:17.0〜19.0%
Mo+W:0.5〜1.0%
N :0.38〜0.60%
O :≦0.0100%
sol-Al:≦0.05%
残部Fe及び不可避的不純物であり且つ次式
86([重量%Ni]+[重量%Cu])≧13[重量%Cr]+19[重量%Mo]+9[重量%W]+2[重量%Mn]
を満足する耐食性に優れた高強度・非磁性ステンレス鋼。 - 請求項1に記載の非磁性ステンレス鋼において、更にB,Ca,Mg,REMの1種又は2種以上を各単独で0.0100%以下含有する耐食性に優れた高強度・非磁性ステンレス鋼。
- 請求項1又は2に記載のステンレス鋼を製造するに際して、加工時の最終表面温度が700〜900℃の温度条件で且つ減面率が15〜70%の加工条件の下で仕上加工を施すことを特徴とする耐食性に優れた高強度・非磁性ステンレス鋼の製造方法。
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