JP2602015B2

JP2602015B2 - 耐腐食疲労性、耐海水性に優れたステンレス鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2602015B2
Application number: JP61204763A
Authority: JP
Inventors: 義信本蔵; 徹松尾
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1986-08-30
Filing date: 1986-08-30
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: EP0260022A2; JPS63199851A; EP0260022B1; US5000801A; DE3774050D1; US5000797A; EP0260022A3

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は船舶用のプロペラシャフト、ポンプシャフ
ト、モーターシャフトおよび撹拌器のシャフト等に用い
られる耐腐食疲労強度、耐力、耐海水性、延性に優れた
オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関
するものである。

（従来技術）従来、上記の船舶用のプロペラシャフト、ポンプシャ
フト、モーターシャフト等に用いられる鋼としてSUS 30
4、SUS 316、SUS 630、SUS 329 JI等が使用されていた
が、上記鋼は腐食疲労強度が不充分であり、かつ海水、
水道等の孔食発生環境での使用に対して満足し得るもの
ではなかった。即ち、SUS 304は腐食疲労強度が18kg f/
mm²程度、孔食電位が280mV程度、かつ耐力が27kg f/mm²
程度といずれについても低いものであり、またSUS 304
のNiを12％に高め、かつMoを2.5％含有させたSUS 316は
孔食電位が420mV程度と耐海水性については優れている
が、腐食疲労強度が20kg f/mm²程度、耐力が28kg f/mm²
程度と低いものであり、さらにNi量を4.5％とし、3.5％
のCuと0.35％のNbを含有させたSUS 630は腐食疲労強度
が32kg f/mm²程度、耐力が102kg f/mm²程度と優れてい
るが、孔食電位が170mV程度と耐海水性については劣る
ものであり、さらに25Cr−4 Ni−1 Moからなるオーステ
ナイト−フェライト２相ステンレス鋼であるSUS 329 JI
は孔食電位が550mV程度と耐海水性については優れてい
るが、腐食疲労強度が28kg f/mm²程度、耐力が48kg f/m
m²程度と低いものである。このように、従来、耐腐食疲
労強度、耐海水性および耐力の何れについても満足する
ステンレス鋼はなかった。

（発明の目的）本発明は船舶用のプロペラシャフト、ポンプシャフト
等の材料に要求される腐食疲労強度が30kg f/mm²以上、
孔食電位が300mV以上、かつ耐力が55kg f/mm²以上とい
う条件を満足する耐腐食疲労性、耐海水性、耐力に優れ
たステンレス鋼を得ることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明はかかる従来鋼の欠点を克服するためになした
もので、本発明はオーステナイト系ステンレス鋼のＣ量
を低減するとともに適量のＮ、Nbを添加することにより
耐腐食疲労性、耐海水性、耐力を改善し得ることを見出
したものである。

さらに本発明はこれらの低Ｃ化と、Ｎ、Nbの添加した
鋼を所定の温度に加熱し、粗圧延御、所定の冷却速度で
冷却し、静的再結晶により微細な再結晶組織となし、つ
いで仕上圧延を施した後、所定の冷却速度で冷却するこ
とにより、その組織をミクロ組織とサブ組織から構成さ
れ、サブ組織中に高密度の転位を有する再結晶加工二重
構造組織とし、耐腐食疲労性、耐海水性、耐力を大幅に
向上させることに成功したものである。すなわち第１発
明鋼は、重量比にしてC0.03％以下、Si2.0以下、Mn5.0
％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30％、Nb0.
02〜0.25％を含有し、残部Feならびに不純物元素からな
るもので、第２発明鋼は第１発明鋼にさらにMo4％以
下、Cu4％以下のうち１種ないし２種を含有させるか、
あるいはＳを0.002％以下とすることにより第１発明鋼
の耐食性をさらに向上させたもので、第３発明鋼は第１
発明鋼にさらにV0.30％以下、Ti0.30％以下、W0.30％以
下、Ta0.30％以下、Hf0.30％以下、Zr0.30％以下、Al0.
30％以下のうち１種ないし２種以上を含有させ第１発明
鋼の強度をさらに向上させたもので、第４発明鋼は第１
発明鋼にさらにB0.0020〜0.0100％、Ca0.0020〜0.0100
％、Mg0.0020〜0.0100％、希土類元素0.0020〜0.0100％
のうち１種ないし２種以上を含有させ第１発明鋼の熱間
加工性をさらに向上させたものである。また、第５、６
発明鋼は１、２発明鋼を第１図に示した制御圧延工程す
なわち、1100〜1300℃に加熱し、粗圧延温度1000〜1200
℃で加工量50％以上の圧延を行い、粗圧延後４℃／分以
上の冷却速度で冷却し、ついで仕上圧延温度800〜1000
℃で加工量20％以上の加工を行い、さらに圧延後の冷却
速度を４℃／分以上で冷却し、第１、第２発明鋼の強度
をさらに向上させたものである。

また、本発明における再結晶加工二重構造組織は、本
発明の組成を有する鋼を本発明の制御圧延を施すことに
より得られたものである。すなわち、一般にオーステナ
イト系ステンレス鋼の組織は、光学顕微鏡で観察される
100μ程度のミクロ組織と、電子顕微鏡で観察される１
μ程度のサブ組織から構成されている。

前記鋼の固溶化処理を施した200倍と２万倍の組織を
第４図に、また、第５図にさらに制御圧延を施した200
倍と２万倍の組織を示す。第５図より知られるように制
御圧延後のミクロ組織は混粒の加工組織であり、サブ組
織も加工組織である。しかし、本発明の制御圧延を施し
た200倍と２万倍の組織は第６〜８図に示したようにミ
クロ組織は数十μの再結晶組織からなり、さらにサブ組
織は数μのサブ再結晶組織から構成されており、このサ
ブ組織のサブ結晶粒は高密度の転位を有している加工組
織である。

しかし、仕上圧延温度が1050℃の場合は、第９図に示
したようにサブ組織には転位が殆ど見られなく、強度の
向上が少なく、また仕上圧延温度が770℃の場合は、第1
0図に示したようにサブ再結晶組織の形成が見られなく
なり靭性の向上が少ないものである。

本発明による再結晶加工二重構造組織を有する鋼の特
性について説明すると、第２図は腐食疲労強度に及ぼす
仕上圧延開始温度の影響について示したものであり、第
２図より知られるように、仕上圧延温度が800〜1000℃
すなわち、再結晶加工二重構造組織を有する鋼は、オー
ステナイト系ステンレス鋼の通常の熱処理方法である固
溶化熱処理を施したもの（図にはST.と記載）に比べ腐
食疲労強度が向上することがわかる。

また、第３図は腐食疲労強度に及ぼすＮ含有量につい
て示したものであり、第３図より知られるように、Ｎ含
有量が0.10％以上になると腐食疲労強度が32kg f/mm²以
上と向上している。

なお、第２、３図に示した腐食疲労強度は、海水中で
回転曲げ疲労試験を実施し、10⁸回転における耐久限度
を示したものである。

以下に本発明鋼の成分限定理由について説明する。

Ｃは制御圧延後の耐食性を大きく損なう元素であり、
その含有量を規制する必要があり、上限を0.03％とし
た。Siは脱酸剤として添加する他に強度をも向上させる
元素であるが、反面、高温でのδ／γバランスを損ない
熱間加工性を低下し、かつ耐食性を損ない、さらに凝固
時のＮ固溶量を減少させる元素でもあり、その上限を2.
0％とした。

Mnは脱酸剤として添加する他にＮの固溶量を増加さ
せ、かつγ相形成元素であるが、反面含有量が増加する
と熱間加工性、耐食性を損なうので上限を5.0％とし
た。

Niはオーステナイト系ステンレス鋼の基本元素であ
り、優れた耐食性と耐腐食疲労性およびオーステナイト
組織を得るためには６％以上含有させる必要があり、そ
の下限を6.0％とした。

しかし、Ni量が増加しすぎると溶接時の溶接割れ性、
熱間加工性等を低下させるのでその上限を13％とした。

Crはステンレス鋼の基本元素であり、優れた耐食性、
耐腐食疲労性を得るには少なくとも16％以上の含有が必
要であり、その下限を16％とした。しかし、Cr量が増加
しすぎると高温でのδ／γバランスを損ない熱間加工性
を低下するのでその上限を21％とした。

Ｎはオーステナイト形成元素であるとともに固溶強化
作用、結晶粒の微細化および耐腐食疲労性を改善する元
素であり、これらの効果を得るには0.10％以上の含有が
必要であり下限を0.10％とした。しかし、Ｎ含有量が増
加すると熱間加工性が低下し、さらに凝固時、溶接時に
プローホールが発生し易くなるのでその上限を0.30％と
した。

Nbは残存Ｃを固定することにより耐食性を改善し、か
つ耐腐食疲労性をも改善する元素であり、少なくとも0.
02％以上の含有量が必要である。

しかし、必要以上にNbを含有させると熱間加工性を損
なうので上限を0.25％とした。

Mo、Cuはいずれも本発明鋼の耐食性、耐腐食疲労性を
さらに改善する元素であり、しかし、Mo、Cuは高価な元
素であり、かつ４％を超えて含有させると熱間加工性を
損なうので上限をそれぞれ4.0％とした。

Ｓはその含有量を大幅に低減することにより耐食性を
向上させることが可能な元素であり、かつ、延性、靭性
を向上させる元素でもあり、その含有量は少ないほど望
ましく上限を0.002％とした。

Se、Te、Ｓ、Ｐは本発明鋼の被削性を改善することが
できる元素であり、必要に応じ添加することができる。
ただし、Se、Te、Ｓはいずれも0.080％、Ｐは0.100％を
超えて含有させると熱間加工性、耐食性を低下させるの
でその上限がSe、Te、Ｓは0.080％、Ｐは0.100％の範囲
内で添加することが望ましい。Ｖ、Ti、Ｗ、Ta、Hf、Z
r、Alは制御圧延材の強度を向上させる元素である。

しかし、必要以上に含有させても効果の向上が少な
く、かつ熱間加工性を低下させるのでそれぞれ上限を0.
30％とした。

Bi、Pbは本発明鋼の被削性をさらに改善することがで
きる元素であり、必要に応じ添加することができる。た
だし、Bi、Pbともに多く含有させると熱間加工性を低下
させるので上限がそれぞれ0.30％の範囲内で添加するこ
とが望ましい。Ｂ、Ca、Mg、希土類元素は本発明におい
て熱間加工性を改善する元素であり、少なくとも0.0020
％以上含有させる必要がある。

しかし、必要以上に含有させるとかえって熱間加工性
を低下させるのでその上限を0.0100％とした。

また、制御圧延において加熱温度を1100〜1300℃とし
たのは、圧延時の変形抵抗を小さくするとともに、Nbを
十分に固溶させるためであり、1100℃未満ではNb析出物
を完全に固溶させることができず、かつ十分に変形抵抗
を小さくすることができなく、かつ1300℃を越えて加熱
すると粒界の一部が溶解し、かつ結晶粒が粗大化して圧
延が困難になるためである。

粗圧延温度を1000〜1200℃としたのは、微細再結晶組
織を得るためであり、1000℃未満では微細再結晶組織を
得ることができなく、かつ1200℃を越えると再結晶によ
り、結晶粒が粗大化するためである。

また粗圧延において加工量を50％以上としたのは、加
工量50％未満では格子欠陥のエネルギーが少なく、微細
組織が得られないためである。

粗圧延後４℃／分以上の冷却速度で冷却としたのは、
静的再結晶により、微細な再結晶組織を得るためであ
る。

仕上圧延温度を800〜1000℃としたのは、再結晶加工
二重構造組織を得るためであり、800℃未満では変形抵
抗が増加し、制御圧延が困難となるとともに加工組織に
なってしまい再結晶加工二重構造組織を得ることができ
なく、かつ1000℃を越えると再結晶により、再結晶組織
になってしまうためである。

さらに、仕上圧延時の加工量を20％以上としたのは、
20％未満では加工歪が小さく、十分な強度を有する再結
晶加工二重構造組織が得られないためである。

さらに、仕上圧延後の冷却速度を４℃／分以上とした
のは、４℃／分未満では粒界炭化物が析出し、耐食性が
低下するためである。

つぎに、本発明鋼の特徴を従来鋼、比較鋼と比べて実
施例でもって明らかにする。第１表は、これらの供試鋼
の化学成分を示したものである。

第１表において、１〜10鋼、19〜32鋼は本発明鋼で、
11〜18鋼は本発明鋼に被削性改善元素を添加して機械加
工性を改善させた比較鋼で、33〜35鋼はさらにＶ、Ti、
Zr等を添加して強度を改善させた比較鋼で、36〜40鋼は
従来鋼で、41〜45鋼は本発明の構成のうち、一部の条件
が満足しない比較鋼である。

第２表は第１表の鋼のうち36〜40の従来鋼および比較
鋼である41鋼については1050℃で30分保持し、ついで水
冷するという固溶化熱処理を施し、１〜35鋼の本発明鋼
と42〜45鋼の比較鋼については、制御圧延条件、すなわ
ち、第２表に明記していないものについては、加熱温度
1200℃、粗圧延温度1100℃、加工量80％、冷却速度50℃
／分以上仕上圧延温度900℃、加工量50％、仕上圧延後
の冷却速度50℃／分以上で処理を施した鋼について、組
織、仕上圧延温度、腐食疲労強度、耐力、耐海水性、伸
び、切削性、熱間加工性を測定して示したものである。

組織については、制御圧延後の組織を示したものであ
り、Ｄは再結晶加工二重構造組織で、Ｒは再結晶組織
で、Ｗは加工組織である。

腐食疲労強度の評価方法は前記した第２、３図の方法
と同様である。

耐力、伸びについては、JIS 4号試験片を用いて測定
したものである。

耐海水性は30℃の35％NaCl水溶液中での孔食電位を測
定したものである。切削性については、20mmの試験片
を、SKH9,5mmのドリル用いて、回転数527rpm、送り速度
0.16mm/revでドリル寿命試験を行い、その結果を示した
ものである。

熱間加工性については、グリープル装置を用いて1100
℃で、引張り速度50mm/secという条件で高速高温引張り
試験を行い、絞り値（％）を測定したものである。

第２表から知られるように、本発明鋼である１〜35鋼
は本発明の制御圧延を施すことによりその組織は何れも
再結晶加工二重構造組織を有しており、腐食疲労強度は
32kg f/mm²以上、耐力は62kg f/mm²以上、孔食電位は31
0mV以上、伸びは30％以上と耐腐食疲労性、耐海水性、
強度の何れにしても優れている。

また、Mo、Cu、Ｓを１種以上含有させた６〜10鋼はさ
らに耐食性が優れており、さらにＳ、Te、Ｐ、Seを１種
以上含有させた11〜15鋼は被削性が優れており、Bi、Pb
を１種以上とＢを含有させた16〜18鋼は熱間加工性を低
下させることなく被削性を向上でき、Ｖ、Ti、Ｗ、Ta、
Hf、Zr、Alを１種以上含有させた19〜27鋼はさらに耐力
が向上し、Ｂ、Ca、Mg、希土類元素を１種以上含有させ
た28〜32鋼は熱間加工性が向上し、さらに前記の合金元
素を添加した33〜35鋼は耐食性、被削性、強度、熱間加
工性が向上した。

これらに対して、従来鋼で固溶化熱処理を施した36〜
40鋼のうち36鋼は腐食疲労強度が18kg f/mm²、耐力が24
kg f/mm²、さらに孔食電位が280mVと低いものであり、
また37、38鋼は孔食電位については300mV以上と優れて
いるが、腐食疲労強度、耐力については低いものであ
り、さらに39鋼は腐食疲労強度、耐力については優れて
いるが、孔食電位が170mVと低いものであり、40鋼は孔
食電位については680mVと優れているが、腐食疲労強
度、耐力については低いものである。

また、本願発明と同一組成で、固溶化熱処理を施した
41鋼、仕上圧延温度を1050℃で行った42鋼はその組織は
再結晶組織であり、孔食電位、伸びについては優れてい
るが、腐食疲労強度、耐力については低いものであり、
また仕上圧延温度を700℃とした43鋼はその組織は加工
組織であり、腐食疲労強度、孔食電位については優れて
いるが、伸びが低いものであり、さらに44鋼は本発明の
制御圧延と同一の条件で処理を施した鋼であるがＣ量が
高いことにより、孔食電位が低いものであり、また45鋼
はCr量が低いことにより孔食電位が低いものである。

（発明の効果）上述のように本発明は、オーステナイト系ステンレス
鋼に適量のＮとNbを同時に添加し、かつＣ量を低減する
とともに制御圧延によりその組織を再結晶加工二重構造
組織とすることにより、腐食疲労強度が32kg f/mm²以
上、耐力が62kg f/mm²以上、孔食電位が310mV以上とい
う耐腐食疲労性、耐海水性、耐力が優れたオーステナイ
ト系スチレン鋼を得ることができ、本発明鋼は船舶用の
プロペラシャフト、ポンプシャフト等に適したステンレ
ス鋼であり産業上寄与するところは極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法による制御圧延工程を温度と時間との
関係について示した図、第２図は腐食疲労強度に及ぼす
仕上圧延温度の影響について示した線図、第３図は腐食
疲労強度とＮ含有量との関係を示した線図、第４図
（イ）（ロ）は固溶化熱処理を施した後のミクロ組織と
サブ組織を示した図、第５図（イ）（ロ）はさらに制御
圧延を施した後のミクロ組織とサブ組織とを示した図、
第６〜８図（イ）（ロ）は本発明の制御圧延を施して得
られた再結晶加工二重構造組織の200倍で示したミクロ
組織と、２万倍で示したサブ組織図、第９図は仕上圧延
温度が1050℃、第10図は仕上圧延温度が770℃の場合に
ついてミクロ組織、サブ組織を示した図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5.0％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30
％、Nb0.02〜0.25％を含有して、残部Feならびに不純物
元素からなり、ミクロ組織とサブ組織から構成され、サ
ブ組織中に高密度の転位を有する再結晶加工二重構造組
織からなることを特徴とする耐腐食疲労性、耐海水性に
優れたステンレス鋼。
【請求項２】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5.0％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30
％、Nb0.02〜0.25％を含有し、さらにMo4％以下、Cu4％
以下、S0.002％以下のうち１種ないし２種以上を含有
し、残部Feならびに不純物元素からなり、ミクロ組織と
サブ組織から構成され、サブ組織中に高密度の転位を有
する再結晶加工二重構造組織からなることを特徴とする
耐腐食疲労性、耐海水性に優れたステンレス鋼。
【請求項３】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5.0％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30
％、Nb0.02〜0.25％を含有し、さらにV0.30％以下、Ti
0.30％以下、W0.30％以下、Ta0.3％、Hf0.30％以下、Zr
0.30％以下、Al0.30％以下のうち１種ないし２種以上を
含有し、残部Feならびに不純物元素からなり、ミクロ組
織とサブ組織から構成され、サブ組織中に高密度の転位
を有する再結晶加工二重構造組織からなることを特徴と
する耐腐食疲労性、耐海水性に優れたステンレス鋼。
【請求項４】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5.0％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30
％、Nb0.02〜0.25％を含有し、さらにB0.0020〜0.0100
％、Ca0.0020〜0.0100％、Mg0.0020〜0.0100％、希土類
元素0.0020〜0.0100％以下のうち１種ないし２種以上を
含有し、残部Feならびに不純物元素からなり、ミクロ組
織とサブ組織から構成され、サブ組織中に高密度の転位
を有する再結晶加工二重構造組織からなることを特徴と
する耐腐食疲労性、耐海水性に優れたステンレス鋼。
【請求項５】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5.0％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30
％、Nb0.02〜0.25％を含有し、残部Feならびに不純物元
素からなる鋼を、1100〜1300℃に加熱し、粗圧延温度10
00〜1200℃で加工量50％以上の圧延を施し、粗圧延後４
℃／分以上の冷却速度で冷却し、ついで仕上圧延温度80
0〜1000℃で加工量20％以上の加工を行い、さらに圧延
後の冷却速度を４℃／分以上で冷却し、その組織がミク
ロ組織とサブ組織から構成され、サブ組織中に高密度の
転位を有する再結晶加工二重構造組織からなり、固溶化
熱処理せず、圧延のままの組織状態で使用することを特
徴とする耐腐食疲労性、耐海水性に優れたステンレス鋼
の製造方法。
【請求項６】重量比にしてC0.03％以下、Si2.0％以下、
Mn5％以下、Ni6〜13％、Cr16〜21％、N0.10〜0.30％、N
b0.02〜0.25％を含有し、さらにMo4％以下、Cu4％以
下、S0.002％以下のうち１種ないし２種以上を含有し、
残部Feならびに不純物元素からなる鋼を、1100〜1300℃
加熱し、粗圧延温度1000〜1200℃で加工量50％以上の圧
延を施し、粗圧延後４℃／分以上の冷却速度で冷却し、
ついで仕上圧延温度800〜1000℃で加工量20％以上の加
工を行い、さらに圧延後の冷却速度を４℃／分以上で冷
却し、その組織がミクロ組織とサブ組織から構成され、
サブ組織中に高密度の転位を有する再結晶加工二重構造
組織からなり、固溶化熱処理せず、圧延のままの組織状
態で使用することを特徴とする耐腐食疲労性、耐海水性
に優れたステンレス鋼の製造方法。