JP2011523679A

JP2011523679A - ステンレス鋼製品、その製品の使用およびその製造方法

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Publication number: JP2011523679A
Application number: JP2011508964A
Authority: JP
Inventors: マッツリルヤス、; ヤンオルッソン、; ペテルサミュエルッソン、; ミカエルウィルフォル、
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: ES2797953T3; FI20080360A; MX343938B; US20110064601A1; EP2279276A4; EP2279276A1; SI2279276T1; JP5613152B2; CN104988427A; TW200951232A; MX2010012226A; FI20080360A0; FI125458B; EA027733B1; TWI490345B; EA201001571A1; AU2009247934B2; PL2279276T3; EP2279276B1; AU2009247934A1

Abstract

本発明は、ステンレス鋼製品、とくに高い被削性を有する複相ステンレス鋼鋳造物、その製品の使用、およびその製品の製造方法に関するものである。その製品は、重量パーセントで、0.07％までの炭素、2％までのケイ素、3〜8％のマンガン、19〜23％のクロム、0.5〜1.7％のニッケル、1％までのモリブデンおよび／または数式（Mo＋1/2 W）による1パーセントより少ないタングステン、1パーセントまでの銅および0.15〜0.30の窒素を含有し、残りは鉄および付随的不純物である。

Description

詳細な説明

本発明は、複相のフェライト−オーステナイト系の微細組織を有し、構造上の安定性が高く、特性、とくに被削性および溶接性の改善された組み合わせを有する、ステンレス鋼で製造された鋳造物に関するものである。さらに本発明は、その製品の使用および鋳造物の製造方法に関するものである。

フェライト系−オーステナイト系の、または複相のステンレス鋼鋳造物は、通常、10〜15％に及ぶフェライトを主に含有するオーステナイト系鋳造物と対比して、フェライトとオーステナイトとがほとんど等しい割合の混合物を有する合金として定義される。ASTM A890の規格による複相鋳造物に対して、フェライトレベルは明記されていないが、リストにある合金は、約30〜60％の範囲のフェライトを呈し、残りはオーステナイトになる。二相構造によって、興味深い特性プロフィールを設計することができる。第１の複相ステンレス鋼は、約80年前から開発されていて、たいていおそらくそれらはオーステナイト鋳造物から出てくるもので、微細組織における一定の量のフェライトが利点であると証明された。実際には、複相成分は、通常、オーステナイト系のものより鋳造性がよい。複相材料の他の有利な特性は、機械的強度が高く、疲労強度に優れ、摩耗抵抗が良好で、腐食抵抗が良好なことである。したがって、鋳造および鍛造された製品の両方で、多くの魅力的な適用性を見出している。いくつかの複相合金成分が、さまざまに最適化されて説明されている。また多くの場合では、鋳造品も複相成分の特許において品物として含まれている。近年では、非常に増加した原料のコストに対して、合金におけるニッケルおよびモリブデンのレベルを減少し、適切な特性をなお維持するために、特別な関心が払われている。

複相ステンレス鋼の有利な特性は、30〜70％の範囲のフェライトおよびオーステナイトの相バランスに対して達成できる。主な合金元素、とくにクロム、窒素、ニッケルおよびモリブデンの相互作用はかなり複雑である。処理および製造に対して良好に反応する安定的な複相構造を達成するために、これらの元素のそれぞれの正しいレベルを得ることに注意を払う必要がある。相バランスに比べて、高温における有害な金属間相の形成は、複相ステンレス鋼に対する第２の主な関心事である。シグマおよびカイ相は高クロム、高モリブデンのステンレス鋼において形成され、フェライトにおいて優先的に沈殿する。窒素の追加は相バランスを有利な方向に変えて、そのような相の形成を回避する。

米国特許第4,500,351号は、鋳造された複相ステンレス鋼に関するもので、鋳造物における微細組織は、1200℃での溶体処理、および水焼入れによる急速冷却の後で、少なくとも約30％のオーステナイトを包含するフェライト系母相を含み、シグマ相の形成を回避する。その鋳造物は、重量パーセントで、約0.02パーセントの炭素と、24パーセントのクロムと、約9.5パーセントのニッケルと、約6パーセントのモリブデンと、約0.5パーセントのマンガンと、約0.2パーセントのケイ素と、約0.25パーセントの窒素とを含有する。この米国特許第4,500,351号の鋳造物は、羽根車およびハウジングなどのポンプ部品に、ならびにシートおよびゲートなどのバルブ部品に有用である。

鋳放し状態における特性の良好な組み合わせを有し、マルテンサイトへの熱変態に耐性のある複相ステンレス鋼が、米国特許第4,828,630号に記載されている。その鋼は、重量パーセントで、0.07パーセントまでの炭素と、17〜21.5パーセントのクロムと、1〜4パーセントのニッケルと、4〜8パーセントのマンガンと、0.05〜0.15パーセントの窒素と、2パーセントより少ないケイ素と、2パーセントより少ないモリブデンと、1.5パーセントより少ない銅とを含有する。この特許の鋼は、30〜60％のフェライトを含有し、とくに、自動車の床下部品用の薄い壁の鋳造に適している。その鋼は鋳放し特性を有し、10％の最小の伸張と、50 ksi（350 N/mm²）より大きい0.2％の耐力と、0℃で少なくとも20 ft・lbs（30 Nm）のじん性と、窒素気孔率がないこととを含む。

米国特許第6,033,497号は、改善された被削性を有する耐孔食性の複相鋼合金に関するもので、鉄に加えて、重量パーセントで、0.1パーセントより少ない炭素と、25〜27パーセントのクロムと、5〜7.5パーセントのニッケルと、0.5パーセントより少ないモリブデンと、0.15パーセントより少ない窒素と、1.5パーセントより少ないケイ素と、2.0パーセントより少ないマンガンと、1.5〜3.5パーセントの銅とを含有する。この米国特許の従来技術では、オーステナイト系のステンレス鋼の被削性は、腐食性能を低減する硫黄およびセレンなどの合金元素を追加することによって、高めることができると述べられている。さらに、モリブデンなしで銅を追加すると、複相ステンレス鋼合金を、堅く閉じた熱処理炉において、非常にゆっくりと冷却制御させることができ、優れた延性および耐食性が維持される間に、有害な引張の残留応力が最小となる。

米国特許第6,033,497号によれば、その鋼種は、独立した遅い熱処理工程を用いない鋳造の後で、加速型インモールド熱処理によって処理される。その特許の鋼種は、とくに、中空円筒の遠心鋳造用のもので、たとえば、抄紙機のサクションロールシェルの適用に用いられる。インモールド熱処理は、約260℃〜約1090℃の範囲の温度で鋳造冷却の割合を制御し、および鋳型における合金の温度を鋳型の外側の温度である約450℃の範囲内に保つことを含む。その鋼種は、堅く閉じた熱処理炉でゆっくりと冷却制御された同じ合金成分に比べて、加速型熱処理による鋳造の後で、鋳型において処理されたときに、改善された被削性を有する。鋳造後に鋳型で処理された合金のそれぞれの値が52 MPaである間は、インモールド処理のない合金は、名目上の内径の引張の残留応力が24 MPaである。

欧州特許第1,327,008号では、35〜65 vol ％のフェライトと35〜65 vol ％のオーステナイトとを実質的に含有する微細組織を有するフェライト−オーステナイト系のステンレス鋼を記載している。この鋼種の成分は、主な合金構成物として、重量パーセントで、0.02〜0.07パーセントの炭素、19〜23パーセントのクロム、1.1〜1.7パーセントのニッケル、0.15〜0.30パーセントの窒素、3〜8パーセントのマンガン、任意のモリブデンおよび／または1パーセントより少ない銅を含有する。この欧州特許の鋼は、商標LDX 2101（登録商標）においてオウトクンプによって製造されるもので、鍛造製品を大きな営利的利益とともに受けている。

通常、複相ステンレス鋼の鋳造は、良好な鋳造性を示す。しかし、鋼溶解から複相ステンレス鋼合金の成分とともに正常に凝固するフェライト相において窒素可溶性が限られているので、凝固する間に窒素ガス孔を形成する恐れがある。通常、たいていのステンレス鋼鋳造は、さまざまな機械操作を受けて、鋳造が用いられるシステムに適合するようにされていると言える。これに関して、複相ステンレス鋼は、たとえばオーステナイト系ステンレス鋼よりも、機械で作ることが難しいと考えられている。前者の鋼タイプのより高い強度レベルがこの性質を説明する。炭素および窒素の両方の追加は、鋼のひずみ硬化の強度および程度を増加し、したがって良好な被削性を達成するために低くするべきである。しかし、現代の複相ステンレス鋼は、良好な溶接性および最良な溶接性の特性のために、被削性を犠牲にして、高い窒素含有量で合金されている。

鋳造または鍛造された複相ステンレス鋼が用いられる一つの適用には、抄紙器のサクションロール用の鋼シェルがある。また、鋳造または鍛造された鋼シェルが実質的な機械製作を受けて最終サクションロールを製造するので、この適用の一つの重要な材料特性は被削性である。米国特許第6,033,497号に関して述べたように、被削性を改善する一つのやり方は、硫黄またはセレンを追加することであるが、その元素は腐食性能を低減する。

国際公開第2006/041344号では、紙器のサクションロール用の鋼シェルを記載し、ここで欧州特許第1,327,008号の鍛造された鋼種LDX 2101（登録商標）は、硫黄を追加することなく用いられている。さらに、被削性を改善するいかなる処理も行われず、銅およびモリブデンの任意の追加は、米国特許第6,033,497号に比べて非常に少ない。

シュラムらは、2007年11月６〜８日にマーストリヒトでのステンレス鋼世界会議2007において、ポンプ特有の適用のためのリーンな複相材料を研究した結果である「Lean Duplex Stainless Steels for Pump Applications」なる発表を公表した。一つの合金「cast 2010」は鋳造バーで作られ、それは重量パーセントで、0.028パーセントの炭素、0.97パーセントのケイ素、5.04パーセントのマンガン、0.011パーセントのリン、0.004パーセントの硫黄、20.73パーセントのクロム、0.31パーセントのモリブデン、1.73パーセントのニッケル、0.20パーセントの窒素および0.30パーセントの銅からなる成分を有する。温度1050℃での溶体の焼なましおよび水焼入れの後のこの合金「cast 2010」の結果として、シュラムらは、たとえば0.2％の耐力および37.3％のA5伸張に対する値473 Mpaを述べている。腐食特性に関して、シュラムらは、合金「cast 2010」が合金2304よりも低い孔食電位を有することを述べていて、それは重量パーセントで、0.024パーセントの炭素、0.64パーセントのケイ素、1.32パーセントのマンガン、0.015パーセントのリン、0.001パーセントの硫黄、22.50パーセントのクロム、0.28パーセントのモリブデン、4.92パーセントのニッケル、0.09パーセントの窒素および0.26パーセントの銅からなる成分を有する。しかし、シュラムらは、所望される適用に対するこの合金「cast 2010」の適応性のいかなる情報も述べていない。

本発明は、従来技術の欠点を除去して、複相ステンレス鋼の鋳造物を達成することを目的とし、ここで、鋳造物を製造する方法は、金属間相などの有害な沈殿物の形成に反して十分に安定的であり、特性として、高い強度および良好な腐食抵抗、良好な鋳造性および高い被削性を有する。本発明の実質的な特徴は、添付の特許請求の範囲において挙げられる。

本発明は、ステンレス鋼製品、好ましくは高い被削性を有する複相ステンレス鋼鋳造物に関するもので、それは重量パーセントで、0.07パーセントまでの炭素と、2パーセントまでのケイ素と、3より多く8パーセントまでのマンガンと、19より多く23パーセントまでのクロムと、0.5より多く1.7パーセントまでのニッケルと、0.15より多く0.30パーセントまでの窒素とを含む。前述の範囲の複相ステンレス鋼鋳造物の製品で用いられる合金は、少量の他の元素または不純物、および1パーセントまでの銅、全部で1パーセントまでのモリブデンおよび／または数式（Mo＋1/2 W）による1パーセントより少ないタングステンなどの任意の元素を含有してよく、残りは鉄および付随的不純物でよい。本発明の複相ステンレス鋼鋳造物の微細組織は、30〜70 vol ％のフェライトと、30〜70 vol ％のオーステナイトとを含有する。また本発明は、その鋳造物を製造する鋳造方法およびその鋳造物の使用に関するものである。

大きなステンレス鋼鋳造物の製造において、金属間相などの有害な沈殿物の形成に反して十分に安定的である微細組織を有することが重要であり、このような相は特性に逆効果を及ぼす。このため、本発明の鋳造物のリーンで釣り合いのとれた複相成分が望ましい。好ましくは、本発明の複相ステンレス鋼の微細組織は、50 vol ％のフェライトと、50 vol ％のオーステナイトとを含有する。

鋼鋳造物の他の重要な特性は、補修溶接の実行を容易にすることである。それらの良好な鋳造性に加えて、本発明の鋳造物は、溶接中の高温割れに対してかなりの抵抗力がある。補修溶接が必要なとき、ほとんどの場合には後溶接熱処理を実行する必要があり、小さな溶接箇所が大きな鋳造領域に囲まれているために、溶接金属および熱が影響した区域を急速冷却に容易に受けさせる。これにより、割れに敏感な高いフェライト含有量を有し、熱処理が続かなければならない特性を減少する微細組織にすることができる。この理由のために、本発明の複相ステンレス鋼成分は、溶接などの急速な熱循環中に、オーステナイトの再形成を高めることが望ましい。このような特徴を得るためには、本発明の複相ステンレス鋼鋳造物において高い窒素含有量が得策である。

本発明の複相ステンレス鋳造物は、有利には、重量パーセントで、好ましくは0.05パーセントまでの炭素、より好ましくは0.03パーセントまでの炭素と、好ましくは1パーセントまでのケイ素と、好ましくは4より多く6パーセントまでのマンガンと、好ましくは1.1より多く1.7パーセントまでのニッケル、より好ましくは1.35より多く1.7パーセントまでのニッケルと、好ましくは0.20より多く0.26パーセントまでの窒素とを含有することができ、任意の元素である1パーセントまでの銅、全部で1パーセントまでのモリブデンおよび／または数式（Mo＋1/2 W）による1パーセントより少ないタングステンを含有し、残りは鉄および付随的不純物にすることができる。

本発明を、図面を参照して以下でより詳細に説明する。

本発明の鋳造物の被削性を従来技術のオーステナイトステンレス鋼と比べた場合の試験結果を示す図である。本発明の鋳造物においてシミュレートした溶接補修の微細組織を示す図である。

本発明の複相ステンレス鋼鋳造物は、被削性および溶接、とくに溶接補修において試験された。

被削性の試験の間、鋳造物は、表１における重量パーセントで以下の化学的成分を有して製造された：

140 mm平方の断面を有する鋳造鋼片について、先行熱処理をすることなく、鋳放し状態においてさまざまな試験を受けさせた。その鋳造物の機械的特性は、表２における以下の通りである：

強度レベルはオーステナイト系鋳造物のものよりはるかに高く、典型的には、約200 MPaの降伏強度および約500 MPaの極限強度を示す。被削性の試験は、円筒状の試験片の旋削でなされ、その結果は図１に示される。図面では、旋削において15分の工具寿命に対する許容切削速度を図示する。工具インサートは超硬合金タイプであった。本発明による鋳造物の被削性は、304Lタイプのオーステナイト系鋼のものより優れている。これは、オーステナイト系鋼がよりよい被削性を有すると考慮された期待された結果とは反対である。

さらに試験は、表３における重量パーセントで以下の化学的成分を有して製造された本発明による鋳造物で実行された：

厚さ140 mmの鋳造物断面から厚さ30 mmの四角形サンプルが取り除かれ、そのサンプルについて、被覆金属アーク溶接を用いるシミュレートした補修溶接を受けさせた。卑金属は鋳放し状態にあった。溝がそのサンプルに作られ、その後、この合金に適した充填材料を用いる溶接によって満たされた。アークエネルギーは0.7〜0.8 kJ/mmであった。その溶接の結果、熱が影響した区域においても、割れはなく、正常の微細組織が示された。これは図２において図示される。

本発明による鋳造物は、遠心鋳造、チル鋳造、ダイカスト鋳造、インベストメント鋳造、加圧鋳造、金型鋳造、砂型鋳造および真空鋳造などのさまざまな鋳造処理によって鋳造することができる。その鋳造性は、高い窒素含有量にも拘らず、割れまたは気孔を形成する傾向がないことをよく示している。これは、鋼におけるマンガンが高レベルで、3〜8％であるからであり、好ましくは4〜6％の範囲を用いることができる。鋳造種目は、好ましくは、急速冷却に続く1020〜1100℃の温度で焼なまされた溶体である。しかし、より薄い領域は鋳放し状態において用いることができる。微細組織は特性ではなく、正しく測定することは困難であるが、本発明は、オーステナイトおよびフェライトをほぼ等しい量で含有し、その許容相の範囲は30〜70％である。さらに、微細組織は金属間相の沈殿物に対して非常に抵抗力があり、脆化に対して低い感度を順に与える。本発明の鋳造物は、鋳放しならびに焼なまされた溶体の状態において、優れた被削性を示す。

このように、本発明の複相鋳造物は、高い被削性、高い強度および良好な溶接性のために、オーステナイト系鋳造材料に対して、望ましくてコストの安い代替品を提供する。本発明の鋳造物は、ポンプ、バルブ、羽根車用のさまざまな装置および部品での使用にとって、あるいは鋳造物における高い被削性、高い強度および良好な溶接性の組み合わせが、鋳放し状態として、または溶体の焼なましおよび焼入れの状態などのさらなる処理の後で必要とされる他の装置での使用にとって、とくに有利になり得る。

Claims

ステンレス鋼製品、とくに高い被削性を有する複相ステンレス鋼鋳造物において、重量パーセントで：0.07％までの炭素、2％までのケイ素、3〜8％のマンガン、19〜23％のクロム、0.5〜1.7％のニッケル、1％までのモリブデンおよび／または数式（Mo＋1/2 W）による1パーセントより少ないタングステン、1パーセントまでの銅および0.15〜0.30の窒素を含有し、残りは鉄および付随的不純物であることを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１に記載のステンレス鋼製品において、0.05％までの炭素を含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項２に記載のステンレス鋼製品において、0.03％までの炭素を含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１ないし３のいずれかに記載のステンレス鋼製品において、4〜6％のマンガンを含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１ないし４のいずれかに記載のステンレス鋼製品において、21〜22％のクロムを含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１ないし５のいずれかに記載のステンレス鋼製品において、1.1〜1.7％のニッケルを含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１ないし６のいずれかに記載のステンレス鋼製品において、0.20〜0.26％の窒素を含有することを特徴とするステンレス鋼製品。
請求項１ないし７のいずれかに記載のステンレス鋼製品のポンプにおける使用。
請求項１ないし７のいずれかに記載のステンレス鋼製品のバルブにおける使用。
請求項１ないし７のいずれかに記載のステンレス鋼製品の羽根車における使用。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品を遠心鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品をチル鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品をダイカスト鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品をインベストメント鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品を加圧鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品を金型鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品を砂型鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。
請求項１ないし１０のいずれかに記載のステンレス鋼製品の製造方法において、前記製品を真空鋳造によって製造することを特徴とする製造方法。