JP2010100891A

JP2010100891A - 耐疲労特性に優れる高純度鉄合金

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Publication number: JP2010100891A
Application number: JP2008272974A
Authority: JP
Inventors: Kenji Abiko; 兼次安彦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: JP5386705B2

Abstract

【課題】耐疲労特性に優れる高純度鉄合金を提供する。
【解決手段】Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量が１００ｍａｓｓｐｐｍ以下であり、あるいはさらに、Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下およびＷ：１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなり、疲労試験における繰り返し数が１０^７の疲労限度比が０．６以上である高純度鉄合金。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐疲労特性に優れるフェライト系の高純度鉄合金に関するものである。ここで、本発明の上記高純度鉄合金には、極微量のＣ，Ｎ，ＳおよびＯを含有する高純度鉄（純Ｆｅ）も含むものとする。

金属材料は、その引張強さを超える応力を加えると破壊する。しかし、その応力が巨視的降伏応力以下であっても、それが繰り返されると疲労を起こし、ついには破断に至ることがある。何回の繰り返し数で破壊するかは、その応力の大きさによる。繰り返し応力を特定数加えたときに疲労しない最大応力を、その繰り返し数における疲労強度または疲れ強度といい、また、疲労強度と繰り返し数の関係を表した線図をＳ−Ｎ線図といい、この線の下の領域では疲労を起こさない。

鋼のＳ−Ｎ曲線は、右下がりの直線、即ち、繰り返し数が多くなるほど、より小さな応力で疲労を起こすが、繰り返し数が１０^６〜１０^７からは水平の直線となり、繰り返し数がいくら多くなっても疲労を起こす応力は変わらなくなる。この水平の直線の応力は、疲労限度または疲れ限度と呼ばれる。そして、疲労限度未満の繰り返し応力であれば、無限回数、応力を加えても疲労破壊を起こさない。したがって、鋼材は、通常、疲労限度未満の応力下で使用される。

一般に、多くの鉄鋼材料の疲労限度は、引張強さの４０〜６０％、即ち、（疲労限度／引張強さ）で表される「疲労限度比」が０．４〜０．６の範囲にあるといわれている。ここで、降伏比（＝降伏応力／引張強さ）を０．９とすると、疲労限度は、降伏応力の４４〜６７％の範囲であることになる。これは、従来の鉄鋼材料は、降伏応力の約２／３以下の応力下で使用されていることを意味する。したがって、上記疲労限度比を高めることができれば、低強度鋼でも使用可能範囲を拡大することができるので、その効果は計り知れないものがある。

また、原子力発電プラントや火力発電プラント、各種輸送機器等の分野では、安全性に対する要求が極めて厳しいことから、使用される鉄鋼材料が耐疲労特性に優れていることが強く求められている。

そこで、本発明の目的は、耐疲労特性に優れる鉄鋼材料、具体的には、疲労限度比（疲労限度／引張強さ）が０．６以上である耐疲労特性に優れる高純度鉄合金を提供することにある。

発明者らは、かねてから、フェライト系の純ＦｅおよびＦｅ−Ｃｒ系合金を高純度化したときの合金が有する各種特性の変化に着目し、研究を重ねてきた。その結果、純ＦｅやＦｅ−Ｃｒ系合金を、従来の不純物混入レベルを超えてさらに低減し、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計を１００ｍａｓｓｐｐｍ以下に高純度化することにより、加工性や溶接性、耐食性等に優れるだけでなく、耐疲労特性にも優れる材料を得ることができることを知見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量が１００ｍａｓｓｐｐｍ以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなり、疲労試験における繰り返し数が１０^７の疲労限度比が０．６以上である高純度鉄合金である。

本発明の高純度鉄合金は、上記成分組成に加えて、Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下およびＷ：１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。

本発明によれば、疲労試験における繰り返し数が１０^７の疲労強度、即ち、疲労限度が引張強さの０．６倍以上である耐疲労特性に優れる鉄合金（鉄鋼材料）を提供することができる。したがって、本発明の鉄合金は、安全性の向上や鉄合金の使用分野の拡大に大いに寄与する。

本発明に係る高純度鉄合金の成分組成を限定する理由について説明する。
（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ＋Ｏ）：１００ｍａｓｓｐｐｍ以下
Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯは、鋼中に不純物として不可避的に混入してくる元素である。これらの元素は、他の元素と炭窒化物や硫化物、酸化物等を形成し、粒界や粒内に析出して、耐疲労特性を劣化させるだけでなく、加工性や溶接性、耐食性等の低下を引き起こす。特に、これらの元素の合計量が１００ｍａｓｓｐｐｍを超えると耐疲労特性の低下が顕著となるため、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯは、合計で１００ｍａｓｓｐｐｍ以下に制限する。好ましくは、５０ｍａｓｓｐｐｍ以下、より好ましくは、３０ｍａｓｓｐｐｍ以下である。

なお、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯは、合計で１００ｍａｓｓｐｐｍ以下であることが必須であるが、個々の成分については、Ｃ：２０ｍａｓｓｐｐｍ以下、Ｎ：２０ｍａｓｓｐｐｍ以下、Ｓ：１０ｍａｓｓｐｐｍ以下およびＯ：５０ｍａｓｓｐｐｍ以下であることが好ましく、さらには、Ｃ：１０ｍａｓｓｐｐｍ以下、Ｎ：１０ｍａｓｓｐｐｍ以下、Ｓ：５ｍａｓｓｐｐｍ以下およびＯ：３０ｍａｓｓｐｐｍ以下であることがより好ましい。

本発明の高純度鉄合金は、上記Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯ以外の成分として、Ｃｒ，ＷおよびＭｏのうちから選ばれる１種または２種以上を下記範囲で含有することができる。
Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％
Ｃｒは、本発明の高純度鉄合金においては、強度と耐食性を確保するために添加する元素であり、斯かる効果を発現させるためには、１５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。Ｃｒ含有量が１５ｍａｓｓ％未満では、強度や耐食性の向上効果が十分に得られない。一方、Ｃｒの含有量が５０ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和すると共に、靭性も低下するようになる。より好ましくは、２０〜４０ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｗ：１０ｍａｓｓ％以下
Ｗは、合金強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、１０ｍａｓｓ％を超えて添加した場合には、靭性の低下を招く。よって、Ｗは、１０ｍａｓｓ％以下添加するのが好ましい。より好ましくは１〜６ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、合金強度を高めるのに有効な元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、１０ｍａｓｓ％を超えて添加した場合には、靭性の低下を招く。よって、Ｍｏは、１０ｍａｓｓ％以下添加するのが好ましい。より好ましくは２〜６ｍａｓｓ％の範囲である。

本発明の高純度鉄合金は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。しかし、上記以外の成分は、本発明の作用効果を害さない範囲であれば含有することができ、例えば、Ｓｉ：０．０１５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：０．６０ｍａｓｓ％以下の範囲で含有してもよい。
また、ＮｂおよびＴｉは、Ｃ，Ｎと炭窒化物を形成したり、Ｓと硫化物等を形成したりして析出し、高温強度を高める元素であり、Ｎｂ：１ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：１ｍａｓｓ％以下の範囲で必要に応じて添加することができる。なお、これらの元素を同時添加する場合には、合計で１．５ｍａｓｓ％以下に制限するのが好ましい。
また、Ｂは、粒界の強度を高める元素であり、必要に応じて０．００５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含有することができる。
その他の不可避的不純物としては、Ｃｕ，Ｐｂ，Ａｓ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｚｒ等があるが、これらの元素は合計で０．０１ｍａｓｓ％以下に制限することが好ましい。

上記成分組成を満たす本発明の高純度鉄合金は、繰り返し数が１０^７における疲労強度（疲労限度）が引張強さの０．６倍以上、即ち、疲労限度比が０．６以上という優れた耐疲労特性を有するものとなる。特に、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計含有量をさらに低減した場合には、疲労限度比が０．７以上、あるいは、０．８以上とすることも可能であり、さらには、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計含有量を２０ｍａｓｓｐｐｍ以下の超高純度にした場合には、疲労限度比が０．９以上という降伏応力にほぼ匹敵する疲労限度を有する極めて優れた耐疲労特性を有するものとなる。

表１に示した、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの含有量が異なる４種類の２０ｍａｓｓ％Ｃｒ−３ｍａｓｓ％Ｍｏ−２ｍａｓｓ％Ｗ−Ｆｅ合金を溶製し、熱間圧延し、大気雰囲気中で９５０℃×３０ｍｉｎの溶体化処理を施した後、これらの熱延材から圧延方向を引張方向とするＪＩＳＺ２２０１に規定された４号引張試験片と、図１に示した形状の疲労試験片を作製し、引張試験および高サイクル（３０Ｈｚ）の回転曲げ疲労試験に供した。なお、参考例として、市販のＳＵＳ３１６Ｌから、上記と同じ疲労試験片を作製し、同様の試験に供した。
引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して行い、降伏応力ＹＳ、引張強さＴＳおよび伸びＥｌを測定した。
また、回転曲げ疲労試験は、振幅応力６０〜４００ＭＰａで、繰り返し数１０^７の疲労強度（疲労限度）を測定し、下記式から、疲労限度比を求めた。
疲労限度比＝（繰り返し数１０^７の疲労強度／引張強さ）

上記引張試験の結果を表２に、また、疲労試験の結果をＳ−Ｎ線図として図２に、また、図２から求められる繰り返し数１０^７の疲労強度と、疲労限度比を表２に示した。これらの結果から、本発明に適合する高純度鉄合金（Ｎｏ．１〜３）は、繰り返し数が１０^７における疲労限度比が０．６以上であり、耐疲労特性に優れていることがわかる。特に、Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量を２０ｍａｓｓｐｐｍ以下の高純度にしたＮｏ．１の合金では、従来材料では実現不可能であった降伏応力に匹敵する疲労限度を有することがわかる。

本発明の鉄合金は、原子力発電プラントや火力発電プラント、各種輸送機器の分野に用いて有益であるが、その他の一般産業分野にも好適に用いることができる。

本発明の疲労試験片の形状を示す図である。高サイクル疲労試験結果を示すグラフである。

Claims

Ｃ，Ｎ，ＳおよびＯの合計量が１００ｍａｓｓｐｐｍ以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成からなり、疲労試験における繰り返し数が１０^７の疲労限度比が０．６以上である高純度鉄合金。
上記成分組成に加えてさらに、Ｃｒ：１５〜５０ｍａｓｓ％、Ｍｏ：１０ｍａｓｓ％以下およびＷ：１０ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高純度鉄合金。