JP2013103271A - ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ステンレス鋼材同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させる双方のステンレス鋼材の少なくとも一方に昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ac1点を650〜950℃に持ちオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼を適用し、接触面圧1.0MPa以下、加熱温度880〜1080℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
【選択図】図1
Description
(A)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.0%、Mn:0.001〜1.0%、Ni:0.05〜2.5%、Cr:13.0〜18.5%、Cu:0〜0.2%、Mo:0〜0.5%、Al:0〜0.05%、Ti:0〜0.2%、Nb:0〜0.2%、V:0〜0.2%、B:0〜0.01%、N:0.005〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示されるX値が650〜950である。
X値=35(Cr+1.72Mo+2.09Si+4.86Nb+8.29V+1.77Ti+21.4Al+40.0B−7.14C−8.0N−3.28Ni−1.89Mn−0.51Cu)+310 …(1)
〔パターン1〕拡散接合に供する双方のステンレス鋼材がいずれも上記(A)の化学組成を有する2相系鋼である場合。
〔パターン2〕拡散接合に供する双方のステンレス鋼材のうち一方が上記(A)の化学組成を有する2相系鋼であり、他方が下記(B)の化学組成を有する鋼である場合。
〔パターン3〕拡散接合に供する双方のステンレス鋼材のうち一方が下記(A)の化学組成を有する2相系鋼であり、他方が下記(C)の化学組成を有する鋼である場合。
γmax=420C−11.5Si+7Mn+23Ni−11.5Cr−12Mo+9Cu−49Ti−50Nb−52Al+470N+189 …(2)
[1]接触面の凹凸が変形して密着し、接触面積が増大する過程。
[2]接触面に存在していた双方の鋼材の表面酸化皮膜が分解および拡散消失する過程。
[3]原子の相互拡散および結晶粒の成長が生じる過程。
[4]接触面に介在するボイド内の残留ガスが金属素地との反応により消失する過程。
ステンレス鋼材の表面酸化皮膜は強固な不動態皮膜であるため、特に[2]の過程を完了させるためには高い接触面圧や高温での長時間保持が必要となる。これがステンレス鋼材の直接拡散接合法の工業的な普及を阻む要因となっている。
図1(a)に見られるように、保持時間10minの段階で、界面位置を跨ぐ結晶粒が生じている。それらの結晶粒は昇温前のフェライト相と炭化物から変態により生成したオーステナイト相に相当するものである(写真は保持温度から急冷後に撮影したので、前記オーステナイト相はマルテンサイト相となっている)。この例では拡散接合前の金属組織がフェライト相+炭化物であるため、オーステナイト相への変態は炭化物を起点として生じる。生成したオーステナイト結晶はフェライト相中に粒界を拡げながら成長する。すなわち、フェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながらオーステナイト結晶粒が成長する。
本発明では、低温・低接触面圧下で直接法による拡散接合を実現するために、拡散接合に供する双方のステンレス鋼材のうち少なくとも一方に、拡散接合が進行する温度域でオーステナイト+フェライト2相組織となる鋼(2相系鋼)を適用する。具体的には昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ac1点を650〜950℃に持ちオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼が好適な対象となる。ここで、Ac1点が880℃以上であれば必然的に880℃以上の範囲に2相温度域を有することとなるが、Ac1点があまり高いとそれに伴って2相温度域の下限が上昇するので、加熱温度の設定下限も高くなり、2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を利用して比較的低温でインサート材を使わずに拡散接合を行うという本発明のメリットが活かせない。種々検討の結果、Ac1点が950℃以下の範囲にある鋼を適用することが有効であり、900℃以下の鋼がより好適である。
(A)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.0%、Mn:0.001〜1.0%、Ni:0.05〜2.5%、Cr:13.0〜18.5%、Cu:0〜0.2%、Mo:0〜0.5%、Al:0〜0.05%、Ti:0〜0.2%、Nb:0〜0.2%、V:0〜0.2%、B:0〜0.01%、N:0.005〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示されるX値が650〜950である。
X値=35(Cr+1.72Mo+2.09Si+4.86Nb+8.29V+1.77Ti+21.4Al+40.0B−7.14C−8.0N−3.28Ni−1.89Mn−0.51Cu)+310 …(1)
γmax=420C−11.5Si+7Mn+23Ni−11.5Cr−12Mo+9Cu−49Ti−50Nb−52Al+470N+189 …(2)
γmaxは1100℃程度に加熱保持した場合に生成するオーステナイト相の量(体積%)を表す指標である。γmaxが100以上となる場合、その鋼は高温でオーステナイト単相となる鋼種であるとみなすことができる。γmaxが20〜100未満である鋼においては、γ単相域を避ける温度設定が容易であり、より低温、低接触面圧側に適正条件の自由度が拡がる。γmaxが50〜80である鋼を適用することが一層好ましい。
上記2相系鋼からなる鋼材と拡散接合により一体化させる相手材としては、上記2相系鋼を適用できる他、拡散接合の加熱温度域でオーステナイト単相となるオーステナイト系鋼種やフェライト単相となるフェライト系鋼種を適用することができる。2相系鋼以外を相手材に用いても、一方の2相系鋼内で変態により成長するオーステナイト相は界面位置から相手材の方へも成長するので、界面位置を跨ぐ結晶粒を介する健全な拡散接合部を構築することが可能である。
拡散接合に供する両部材間の接触面圧は1.0MPa以下とする。接触面圧が1.0MPa以下であれば、比較的簡便な設備にてインサート材を用いない拡散接合が実施できる。適用する鋼種や加熱保持温度・保持時間に応じて拡散接合が進行するに足る接触面圧を1.0MPa以下の範囲で設定すればよい。特に上記2相系鋼としてγmaxが100未満の鋼を適用する場合には0.8MPa以下の接触面圧にて良好な結果を得やすい。一方、接触面圧が極端に低いと加熱保持時間が長くなり生産性が低下する。工業的には0.03MPa以上の接触面圧を確保することが好ましく、0.1MPa以上となるように管理してもよい。なお、拡散接合に供するステンレス鋼材の接合面となる表面は、Raが0.30μm以下に平滑であることが望ましい。表面の仕上は、酸洗、光輝焼鈍、研磨のいずれであっても構わない。
表1に示す化学組成を有する鋼板を用意した。D−1〜D−3はγmaxが100未満の鋼、M−1〜M−2はいわゆるマルテンサイト系ステンレス鋼に分類される鋼、F−1はフェライト単相鋼、A−1はオーステナイト単相鋼である。鋼板の板厚、表面仕上、表面粗さRaも表1に記載してある。用意した各鋼板の金属組織は、D−1〜D〜3はフェライト相+炭化物、M−1、M−2はフェライト相+マルテンサイト相、M−3はマルテンサイト単相、F−1はフェライト単相、A−1はオーステナイト単相である。
拡散接合を試みる2枚の試験片を互いの表面同士が接触するように積層した状態とし、てこの原理を利用した治具を用いてこれら2枚の試験片の接触表面に付与される面圧(接触面圧)を所定の大きさに調整した。この治具はカーボンコンポジット製の支柱にカーボンコンポジット製のアームが水平方向の固定軸周りに回転可能な状態で取付けられており、そのアームに吊り下げた錘の重力によって積層した試験片に荷重を付与するものである。すなわちこの治具は、アームの前記固定軸位置を支点、積層した試験片に荷重を付与する位置を作用点、錘を吊す位置を力点とし、支点と力点の間に作用点が位置するてこを構成しており、錘にかかる重力が増幅されて試験片の接触面に作用するようになっている。以下、積層した2枚の試験片を「鋼材1」および「鋼材2」と呼び、鋼材1と鋼材2が積層した状態のものを「積層体」と呼ぶ。
◎:接合率100%(拡散接合性;優秀)
○:接合率90〜99%(拡散接合性;良好)
△:接合率60〜89%(拡散接合性;やや不良)
×:接合率0〜59%(拡散接合性;不良)
種々検討の結果、○評価において拡散接合部の強度は十分に確保され、かつ両部材間のシール性(連通する欠陥を介する気体の漏れが生じない性質)も良好であることから、○評価以上を合格と判定した。
評価結果を表2に示す。
表3に示す化学組成の鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚3〜4mmの熱延板とし、焼鈍、酸洗、冷間圧延、仕上焼鈍、酸洗を順次行う工程により板厚1.0mmの供試鋼板とした。D−11〜D−15は本発明対象の2相系鋼、F−11はフェライト単相鋼、A−11はオーステナイト単相鋼である。鋼板の板厚、表面仕上、表面粗さRaも表3に記載してある。各鋼板の金属組織は、D−11〜D〜15はフェライト相+炭化物、F−11はフェライト単相、A−11はオーステナイト単相である。
パターンA;[1]〜[5]全てが本発明対象の2相系同一鋼種。
パターンB;[1][3][5]が本発明対象の2相系同一鋼種、その相手材に相当する[2][4]がオーステナイト系同一鋼種またはフェライト系同一鋼種。
上記のステンレス鋼拡散接合製品(図14(b)の形状のもの)について、大気中800℃で24hの加熱試験に供した。その後、図14(b)のa−a’の位置で積層方向に切断し、内部の空洞表面(内表面)の酸化の有無を目視で調査した。拡散接合部に外部と繋がる空隙が存在していた場合や、当該加熱処理時に拡散接合部に破損が生じた場合には、内部に酸素が侵入するため加熱試験後の内表面は酸化され、当初の金属光沢が失われる。一方、拡散接合部の健全性が維持され内部が高真空の状態に保たれている場合は加熱試験後の内表面はステンレス鋼特有の金属光沢を呈する。そこで、内表面が当初の金属光沢を維持しているステンレス鋼拡散接合製品を○(拡散接合部の信頼性;良好)、それ以外を×(拡散接合部の信頼性;不良)と評価した。結果を表4に示す。
Claims (6)
- ステンレス鋼材同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させる双方のステンレス鋼材の少なくとも一方に昇温過程でのオーステナイト変態開始温度Ac1点を650〜950℃に持ちオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼を適用し、接触面圧1.0MPa以下、加熱温度880〜1080℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
- ステンレス鋼材同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させる双方のステンレス鋼材の少なくとも一方に下記(A)の化学組成を有しオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼を適用し、接触面圧1.0MPa以下、加熱温度880〜1080℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
(A)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.0%、Mn:0.001〜1.0%、Ni:0.05〜2.5%、Cr:13.0〜18.5%、Cu:0〜0.2%、Mo:0〜0.5%、Al:0〜0.05%、Ti:0〜0.2%、Nb:0〜0.2%、V:0〜0.2%、B:0〜0.01%、N:0.005〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示されるX値が650〜950である。
X値=35(Cr+1.72Mo+2.09Si+4.86Nb+8.29V+1.77Ti+21.4Al+40.0B−7.14C−8.0N−3.28Ni−1.89Mn−0.51Cu)+310 …(1) - ステンレス鋼材同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させる双方のステンレス鋼材の一方に下記(A)の化学組成を有しオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼、他方に下記(B)の化学組成を有するステンレス鋼をそれぞれ適用し、接触面圧1.0MPa以下、加熱温度880〜1080℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
(A)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.0%、Mn:0.001〜1.0%、Ni:0.05〜2.5%、Cr:13.0〜18.5%、Cu:0〜0.2%、Mo:0〜0.5%、Al:0〜0.05%、Ti:0〜0.2%、Nb:0〜0.2%、V:0〜0.2%、B:0〜0.01%、N:0.005〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示されるX値が650〜950である。
X値=35(Cr+1.72Mo+2.09Si+4.86Nb+8.29V+1.77Ti+21.4Al+40.0B−7.14C−8.0N−3.28Ni−1.89Mn−0.51Cu)+310 …(1)
(B)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜4.0%、Mn:0.001〜2.5%、P:0.001〜0.045%、S:0.0005〜0.03%、Ni:6.0〜28.0%、Cr:15.0〜26.0%、Mo:0〜7.0%、Cu:0〜3.5%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.1%、N:0〜0.3%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなる。 - ステンレス鋼材同士を直接接触させて拡散接合により一体化させるに際し、接触させる双方のステンレス鋼材の一方に下記(A)の化学組成を有しオーステナイト+フェライト2相温度域を880℃以上の範囲に持つ2相系鋼、他方に下記(C)の化学組成を有するステンレス鋼をそれぞれ適用し、接触面圧1.0MPa以下、加熱温度880〜1080℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる、ステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
(A)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.0%、Mn:0.001〜1.0%、Ni:0.05〜2.5%、Cr:13.0〜18.5%、Cu:0〜0.2%、Mo:0〜0.5%、Al:0〜0.05%、Ti:0〜0.2%、Nb:0〜0.2%、V:0〜0.2%、B:0〜0.01%、N:0.005〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなり、下記(1)式で示されるX値が650〜950である。
X値=35(Cr+1.72Mo+2.09Si+4.86Nb+8.29V+1.77Ti+21.4Al+40.0B−7.14C−8.0N−3.28Ni−1.89Mn−0.51Cu)+310 …(1)
(C)質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.2%、Mn:0.001〜1.2%、P:0.001〜0.04%、S:0.0005〜0.03%、Ni:0〜0.6%、Cr:11.5〜32.0%、Mo:0〜2.5%、Cu:0〜1.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.2%、N:0〜0.025%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物からなる。 - 前記(A)の化学組成を有する2相系鋼として、下記(2)式で示されるγmaxが20〜100未満である鋼を適用する請求項2〜4のいずれかに記載のステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
γmax=420C−11.5Si+7Mn+23Ni−11.5Cr−12Mo+9Cu−49Ti−50Nb−52Al+470N+189 …(2) - 前記(A)の化学組成を有する2相系鋼として、下記(2)式で示されるγmaxが20〜100未満である鋼を適用し、接触面圧0.03〜0.8MPa、加熱温度880〜1030℃の条件範囲で前記2相系鋼のフェライト相がオーステナイト相へ変態するときの粒界移動を伴いながら拡散接合を進行させる請求項2〜4のいずれかに記載のステンレス鋼拡散接合製品の製造方法。
γmax=420C−11.5Si+7Mn+23Ni−11.5Cr−12Mo+9Cu−49Ti−50Nb−52Al+470N+189 …(2)
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