JP2004068115A - 窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品 - Google Patents
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Abstract
【課題】難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼の加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足するのできる特性を有するステンレス鋼製製品を製造可能とする、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品を提供する。
【解決手段】フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させる。
【選択図】 図５
【解決手段】フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させる。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼の加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足することのできる特性を有するステンレス鋼製製品を製造可能とする、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
オーステナイト型ステンレス鋼は難加工材であり、それゆえ、所望の形状への加工が難しく、加工コストの高騰を招いている。オーステナイト型ステンレス鋼は耐食性、強度にともに優れるものであるだけに所望の形状品、複雑な形状を有する製品をも安価に提供することが望まれる。
【０００３】
粉末冶金法では、焼結成形時に窒素を吸収させるという試みがなされているが、粉末冶金法により成形された製品を製造するためには大規模な装置が必要であり、製造可能な製品の大きさや形状に制約がある。また、粉末冶金法により得られた製品にはポアと呼ばれる無数の空孔があり、これが製品の機械的特性に反映し、力学的信頼性に問題がある。
【０００４】
一方、溶製により製造されるバルク材については窒素吸収処理は行われていない。その理由は、一般に金属材料を高温度の窒素雰囲気中に長時間保持すると、ミクロ組織が粗大化し、機械的特性が大幅に低下することが常識となっていたからである。つまり、バルク材の力学的信頼性の低下が強く危惧されていたのである。
【０００５】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼の加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足するのできる特性を有するステンレス鋼製製品を製造可能とする、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、以上の課題を解決するものとして、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させることを特徴とする窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法（請求項１）を提供する。
【０００７】
またこの出願の発明は、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品全体がオーステナイト化されたことを特徴とするステンレス鋼製製品（請求項２）を提供する。
【０００８】
さらにこの出願の発明は、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品の一部がオーステナイト化され、フェライトとオーステナイトの２相組織を有することを特徴とするステンレス鋼製製品（請求項３）をも提供する。
【０００９】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品についてさらに詳しく説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法では、前述のとおり、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させる。所望の形状に加工されたバルク状の製品を窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させるという上記手法は、いわゆる固相吸収法に分類される窒素吸収処理に属し、窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で製品を８００℃以上に加熱することにより製品の全体又は一部に窒素が添加される。この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法では、窒素を添加する対象が、フェライト型ステンレス鋼製の溶製された製品であるため、オーステナイト型ステンレス鋼に比べ加工が容易であり、所望の形状を有する製品が得られる。また、粉末冶金法における装置規模及び成形の制約、ならびに溶製についても指摘される力学的信頼性が解消される。
【００１１】
このようにして得られるこの出願の発明のステンレス鋼製製品は、製品全体がオーステナイト化され、又は製品の一部にオーステナイト化が起こり、フェライトとオーステナイトの２相組織化された製品となる。このため、この出願の発明のステンレス鋼製製品は、優れた耐食性及び強度を併せ持ち、また、複雑な形状を有するステンレス鋼製製品であっても、その加工コストは低く抑えられ、安価な製品であるという利点を有する。フェライト型ステンレス鋼のバルク状製品への窒素の添加量は、おおむね０．５質量％以上であれば上記の効果は十分得られる。
【００１２】
【実施例】
真空アーク溶解炉を用いて、図１に示したような３．５ｋｇのフェライト型ステンレス鋼（Ｆｅ−２４質量％Ｃｒ−２質量％Ｍｏ）の鋳塊を溶製した。この鋳塊を４つに分割、切断し、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１１０ｍｍのブロックとした後、１１００℃で熱間鍛造及び室温で冷間鍛造を行い、図２、図３にそれぞれ示したような直径９ｍｍ×９０ｍｍの丸棒材、厚さ１．５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍの板材を作製した。図２に示した丸棒材からは、さらに機械加工により図４に示した断面形状を有する丸棒引張試験片を作製した。これら２種類の試験片に対し、材料窒素化装置を用いて以下に示すような窒素吸収処理を行った。
【００１３】
すなわち、試験片をＳＵＳ３０４製のメッシュ状ボードに載せ、アセトンで脱脂洗浄後、材料窒素化装置の窒素化部内に挿入、配置し、２Ｐａまでロータリーポンプにより真空引きした。次いで窒素化部に２リットル／ｍｉｎの流量で窒素ガスを含む不活性ガスを導入し、室温から５℃／ｍｉｎの速度で１２００℃まで窒素化部を昇温させて試験片と窒素ガスを１２００℃で２４時間接触させた。
【００１４】
以上の窒素吸収処理後、試験片を１２００℃から氷水中に焼入れした。表面のスケールを研磨により除去した後、Ｘ線回折装置を用いてミクロ組織の同定を行った。このＸ線回折においてはＣｕＫα管球を用い、２θ／θ＝４０°〜９０°まで１°／ｍｉｎずつ変化させた。図５（ａ）は得られたＸ線回折パターンである。比較のために、図５（ｂ）に窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品のＸ線回折パターンを示した。図５（ａ）（ｂ）の対比から明らかなように、窒素吸収処理後の試験片は、完全にオーステナイト型ステンレス鋼となっていることが確認される。窒素の添加量はほぼ０．９質量％であった。
【００１５】
次に、容量１００ｋＮのインストロン型引張試験機を用いてクロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで試験片の引張試験を行った。窒素吸収処理後の試験片、窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品及び既存合金の強度及び延性のバランスを図６に示した。図６から確認されるように、窒素吸収処理を行うと、既存合金及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品に比べ、強度及び延性のバランスが優れる。この傾向は、試験片を窒素吸収処理していない冷間圧延材の場合にも同様に認められた。窒素吸収処理の有効性が再確認される。
【００１６】
さらに、試験片について耐食性の評価をも行った。
【００１７】
３７℃に調整し、窒素ガスを用いて脱気した０．９％ＮａＣｌ溶液、ＰＢＳ（−）溶液、Ｈａｎｋｓ溶液、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中に試験片、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品を浸漬した。図７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、耐食性の評価のために行った分極試験の結果である分極曲線ある。図７（ａ）〜（ｄ）から確認されるように、いずれの試験溶液に対しても窒素吸収処理した試験片は、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品に比較して優れた耐食性を示し、また、図８（ａ）に示したように、孔食の発生は認められなかった。３１６Ｌステンレス鋼には、図８（ｂ）に示したように、孔食が発生した。
【００１８】
この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品は、オーステナイト型ステンレス鋼が有する難加工性という欠点を解消し、たとえ複雑な形状を有する製品も低コストで実現可能であり、十分な強度及び耐食性を有する。
【００１９】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例により限定されるものではない。ステンレス鋼の組成、製品の形状及び大きさ、窒素吸収処理条件などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼から形成され、所望の形状を有し、加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足するのできる特性を有するステンレス鋼製製品とその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において、真空アーク溶解炉を用いて溶製した３．５ｋｇのフェライト型ステンレス鋼（Ｆｅ−２４質量％Ｃｒ−２質量％Ｍｏ）の鋳塊を示した図面に代わる写真である。
【図２】図１に示した鋳塊から熱間及び冷間鍛造により作製された丸棒材を示した図面に代わる写真である。
【図３】図１に示した鋳塊から熱間及び冷間鍛造により作製された板材を示した図面に代わる写真である。
【図４】図２に示した丸棒材から作製された丸棒引張試験片を示した断面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、窒素吸収処理後の試験片の、窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品の、Ｘ線回折パターンである。
【図６】試験片、既存合金及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品の強度−延性のバランスを示した相関図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ、０．９％ＮａＣｌ溶液、ＰＢＳ（−）溶液、Ｈａｎｋｓ溶液、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中に試験片、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品を浸漬し、その耐食性を評価した分極試験の結果を示した分極曲線である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中で分極試験した後の試験片の表面、３１６Ｌステンレス鋼の表面を観察した光学顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼の加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足することのできる特性を有するステンレス鋼製製品を製造可能とする、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
オーステナイト型ステンレス鋼は難加工材であり、それゆえ、所望の形状への加工が難しく、加工コストの高騰を招いている。オーステナイト型ステンレス鋼は耐食性、強度にともに優れるものであるだけに所望の形状品、複雑な形状を有する製品をも安価に提供することが望まれる。
【０００３】
粉末冶金法では、焼結成形時に窒素を吸収させるという試みがなされているが、粉末冶金法により成形された製品を製造するためには大規模な装置が必要であり、製造可能な製品の大きさや形状に制約がある。また、粉末冶金法により得られた製品にはポアと呼ばれる無数の空孔があり、これが製品の機械的特性に反映し、力学的信頼性に問題がある。
【０００４】
一方、溶製により製造されるバルク材については窒素吸収処理は行われていない。その理由は、一般に金属材料を高温度の窒素雰囲気中に長時間保持すると、ミクロ組織が粗大化し、機械的特性が大幅に低下することが常識となっていたからである。つまり、バルク材の力学的信頼性の低下が強く危惧されていたのである。
【０００５】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼の加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足するのできる特性を有するステンレス鋼製製品を製造可能とする、窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、以上の課題を解決するものとして、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させることを特徴とする窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法（請求項１）を提供する。
【０００７】
またこの出願の発明は、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品全体がオーステナイト化されたことを特徴とするステンレス鋼製製品（請求項２）を提供する。
【０００８】
さらにこの出願の発明は、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品の一部がオーステナイト化され、フェライトとオーステナイトの２相組織を有することを特徴とするステンレス鋼製製品（請求項３）をも提供する。
【０００９】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品についてさらに詳しく説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法では、前述のとおり、フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させる。所望の形状に加工されたバルク状の製品を窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させるという上記手法は、いわゆる固相吸収法に分類される窒素吸収処理に属し、窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で製品を８００℃以上に加熱することにより製品の全体又は一部に窒素が添加される。この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法では、窒素を添加する対象が、フェライト型ステンレス鋼製の溶製された製品であるため、オーステナイト型ステンレス鋼に比べ加工が容易であり、所望の形状を有する製品が得られる。また、粉末冶金法における装置規模及び成形の制約、ならびに溶製についても指摘される力学的信頼性が解消される。
【００１１】
このようにして得られるこの出願の発明のステンレス鋼製製品は、製品全体がオーステナイト化され、又は製品の一部にオーステナイト化が起こり、フェライトとオーステナイトの２相組織化された製品となる。このため、この出願の発明のステンレス鋼製製品は、優れた耐食性及び強度を併せ持ち、また、複雑な形状を有するステンレス鋼製製品であっても、その加工コストは低く抑えられ、安価な製品であるという利点を有する。フェライト型ステンレス鋼のバルク状製品への窒素の添加量は、おおむね０．５質量％以上であれば上記の効果は十分得られる。
【００１２】
【実施例】
真空アーク溶解炉を用いて、図１に示したような３．５ｋｇのフェライト型ステンレス鋼（Ｆｅ−２４質量％Ｃｒ−２質量％Ｍｏ）の鋳塊を溶製した。この鋳塊を４つに分割、切断し、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１１０ｍｍのブロックとした後、１１００℃で熱間鍛造及び室温で冷間鍛造を行い、図２、図３にそれぞれ示したような直径９ｍｍ×９０ｍｍの丸棒材、厚さ１．５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍの板材を作製した。図２に示した丸棒材からは、さらに機械加工により図４に示した断面形状を有する丸棒引張試験片を作製した。これら２種類の試験片に対し、材料窒素化装置を用いて以下に示すような窒素吸収処理を行った。
【００１３】
すなわち、試験片をＳＵＳ３０４製のメッシュ状ボードに載せ、アセトンで脱脂洗浄後、材料窒素化装置の窒素化部内に挿入、配置し、２Ｐａまでロータリーポンプにより真空引きした。次いで窒素化部に２リットル／ｍｉｎの流量で窒素ガスを含む不活性ガスを導入し、室温から５℃／ｍｉｎの速度で１２００℃まで窒素化部を昇温させて試験片と窒素ガスを１２００℃で２４時間接触させた。
【００１４】
以上の窒素吸収処理後、試験片を１２００℃から氷水中に焼入れした。表面のスケールを研磨により除去した後、Ｘ線回折装置を用いてミクロ組織の同定を行った。このＸ線回折においてはＣｕＫα管球を用い、２θ／θ＝４０°〜９０°まで１°／ｍｉｎずつ変化させた。図５（ａ）は得られたＸ線回折パターンである。比較のために、図５（ｂ）に窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品のＸ線回折パターンを示した。図５（ａ）（ｂ）の対比から明らかなように、窒素吸収処理後の試験片は、完全にオーステナイト型ステンレス鋼となっていることが確認される。窒素の添加量はほぼ０．９質量％であった。
【００１５】
次に、容量１００ｋＮのインストロン型引張試験機を用いてクロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで試験片の引張試験を行った。窒素吸収処理後の試験片、窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品及び既存合金の強度及び延性のバランスを図６に示した。図６から確認されるように、窒素吸収処理を行うと、既存合金及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品に比べ、強度及び延性のバランスが優れる。この傾向は、試験片を窒素吸収処理していない冷間圧延材の場合にも同様に認められた。窒素吸収処理の有効性が再確認される。
【００１６】
さらに、試験片について耐食性の評価をも行った。
【００１７】
３７℃に調整し、窒素ガスを用いて脱気した０．９％ＮａＣｌ溶液、ＰＢＳ（−）溶液、Ｈａｎｋｓ溶液、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中に試験片、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品を浸漬した。図７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、耐食性の評価のために行った分極試験の結果である分極曲線ある。図７（ａ）〜（ｄ）から確認されるように、いずれの試験溶液に対しても窒素吸収処理した試験片は、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品に比較して優れた耐食性を示し、また、図８（ａ）に示したように、孔食の発生は認められなかった。３１６Ｌステンレス鋼には、図８（ｂ）に示したように、孔食が発生した。
【００１８】
この出願の発明の窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法とこれにより得られるステンレス鋼製製品は、オーステナイト型ステンレス鋼が有する難加工性という欠点を解消し、たとえ複雑な形状を有する製品も低コストで実現可能であり、十分な強度及び耐食性を有する。
【００１９】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例により限定されるものではない。ステンレス鋼の組成、製品の形状及び大きさ、窒素吸収処理条件などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、難加工材とされるオーステナイト型ステンレス鋼から形成され、所望の形状を有し、加工コストを十分低く抑えることができ、強度、耐食性のいずれにおいても十分に満足するのできる特性を有するステンレス鋼製製品とその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において、真空アーク溶解炉を用いて溶製した３．５ｋｇのフェライト型ステンレス鋼（Ｆｅ−２４質量％Ｃｒ−２質量％Ｍｏ）の鋳塊を示した図面に代わる写真である。
【図２】図１に示した鋳塊から熱間及び冷間鍛造により作製された丸棒材を示した図面に代わる写真である。
【図３】図１に示した鋳塊から熱間及び冷間鍛造により作製された板材を示した図面に代わる写真である。
【図４】図２に示した丸棒材から作製された丸棒引張試験片を示した断面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、窒素吸収処理後の試験片の、窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品の、Ｘ線回折パターンである。
【図６】試験片、既存合金及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品の強度−延性のバランスを示した相関図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ、０．９％ＮａＣｌ溶液、ＰＢＳ（−）溶液、Ｈａｎｋｓ溶液、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中に試験片、３１６Ｌステンレス鋼及び窒素吸収処理を行わなかった試験片同等品を浸漬し、その耐食性を評価した分極試験の結果を示した分極曲線である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、Ｅａｇｌｅ’ｓ ＭＥＭ溶液中で分極試験した後の試験片の表面、３１６Ｌステンレス鋼の表面を観察した光学顕微鏡写真である。
Claims (3)
- フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品を、窒素ガスを含む不活性ガスと８００℃以上で接触させ、製品全体をオーステナイト化させる又は一部をオーステナイト化させ、フェライトとオーステナイトの２相組織を形成させることを特徴とする窒素吸収処理によるステンレス鋼製製品の製造方法。
- フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品全体がオーステナイト化されたことを特徴とするステンレス鋼製製品。
- フェライト型ステンレス鋼製であり、溶製され、所望の形状に加工されたバルク状の製品に、窒素ガスを含む不活性ガスにより窒素が添加され、製品の一部がオーステナイト化され、フェライトとオーステナイトの２相組織を有することを特徴とするステンレス鋼製製品。
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