JP2881361B2 - 高腐食疲労強度ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製紙機のサクシヨンロ
ール材料等として有用な、高耐力、高耐食性を有する、
腐食疲労強度にすぐれたステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】製紙工程における抄紙された湿潤紙を脱
水処理するサクシヨンロールの胴部材（スリーブ）は、
湿潤紙から搾出される水分（白水と称される）を吸引排
除する多数の小孔（サクシヨンホール）が約２０〜５０
％（面積）の開口率（ロール１本当りの孔数は数十萬個
にも及ぶ）を以て分散穿設された中空円筒状部材であ
る。サクシヨンロールのスリーブは、その材料特性とし
て湿潤紙から搾出される白水（塩素イオンＣｌ^- や硫酸
イオンＳＯ₄ ^--等を含む強酸性腐食液である）に対する
腐食抵抗性と、湿潤紙から白水を搾出するためのプレス
ロールの押圧力（ニツプ圧）の反復負荷に耐え得る強
度、およびその腐食因子と繰り返し応力の重量作用によ
る腐食疲労に対する抵抗性を兼ね備えたものであること
が必要である。

【０００３】従来より、上記サクシヨンロールのスリー
ブ材料として、二相ステンレス鋼（ＪＩＳ Ｇ４３０７
ＳＵＳ３２９Ｊ１，Ｇ５１２１ ＳＣＳ１３Ａ，同Ｓ
ＣＳ１４Ａ等）が使用されてきた。二相ステンレス鋼
は、延性に富むオーステナイト相と、強度の高いδ−フ
エライト相とがほぼ等量に混在した二相組織であること
による高強度と高靱性を備えた耐食合金である。その二
相ステンレス鋼の材料特性について、強度、耐食性、腐
食疲労強度等の改善を目的として、例えばＣｏ，Ｃｕ等
を添加したもの（特公昭６０−５９２９１号公報）、Ｍ
ｏ含有量を富化したもの（特公昭６２−８５０５号公
報）、あるいはＣｏ，Ｃｕ，Ｎ等を添加したもの（特公
平２−３２３４３号公報）等が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近時、製紙工程ではラ
インの高速度化がますます進められ、これに伴いサクシ
ヨンロールのスリーブの負荷はますます大きくなつてい
る。この高速度ライン操業においてサクシヨンロールの
折損事故等を防止し、安定な使用を確保するために、そ
のロールスリーブとしてより高い腐食疲労強度を有する
ものが要求されている。サクシヨンロールの高腐食疲労
強度化を実現するには、耐食性、殊に孔食等の局部腐食
に対する抵抗性を強化すると共に、強度を高め、かつス
リーブ表面（サクシヨンホールの孔壁等）に局部腐食や
疲労による微小な初期亀裂が発生した後においても、そ
れを起点とする亀裂の急速な成長を生じないように靱性
に富むものとする等の総合的な材料特性の改善が必要で
ある。そこで、本発明は、上記高負荷操業に供されるサ
クシヨンロールのスリーブをはじめ、耐食性、強度、靱
性等にすぐれ、高腐食疲労強度を有することを要求され
る各種構造材料として有用なステンレス鋼を提供しよう
とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のステンレス鋼
は、Ｃ：０．０８％以下，Ｓｉ：０．２〜２％，Ｍｎ：
０．２〜２％，Ｎｉ：３〜６％，Ｃｒ：１８〜２６％，
Ｍｏ：１〜４％，Ｃｕ：２〜４％，Ｗ：０．５〜３％，
Ｎ：０．１〜０．３％，残部実質的にＦｅからなり、下
式〔Ｉ〕〜〔ＩＩＩ〕： Ｃｒ（％）＋３．３Ｍｏ（％）＋１６Ｎ（％）≧３０（％）…〔Ｉ〕 Ｃｒ（％）＋Ｍｏ（％）＋１．５Ｓｉ（％）≦２７（％） …〔ＩＩ〕 Ｃｕ（％）＋Ｗ（％）≧４（％） …〔ＩＩＩ〕 を満たす化学組成を有し、オーステナイト相とδ−フエ
ライト相を主相とし、δ−フエライト相／オーステナイ
ト相の面積比は３０／７０〜６０／４０で、５〜１５％
（面積）のマルテンサイト相が混在した組織を有するこ
とを特徴としている。本発明のステンレス鋼は、所望に
より、Ｆｅの一部が、Ｔｉ：１％以下，Ｎｂ：１％以
下，Ｖ：１％以下，Ａｌ：１％以下，Ｚｒ：１％以下，
Ｃｏ：１％以下から選ばれる１種ないし２種以上の元素
で置換された化学組成が与えられる。

【０００６】

【作用】本発明のステンレス鋼は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎ等の
含有効果として高度の耐食性を有し、また溶体化熱処理
温度からの急冷過程で、オーステナイト相の一部にマル
テンサイト変態を生じ、オーステナイト相とδ−フエラ
イト相からなる主相に、少量のマルテンサイト相が混在
した組織となり、更に溶体化熱処理後の析出硬化熱処理
でフエライト相が強化される。上記耐食元素による高腐
食抵抗性と、オーステナイト相による高靱性、およびフ
エライト相の強化やマルテンサイト相の混在による高強
度等の総合効果として高度に改良された腐食疲労強度を
発現する。

【０００７】以下、本発明について詳しく説明する。本
発明の鋼の化学組成の限定理由は次のとおりである。元
素含有量を示す％は重量％である。

【０００８】Ｃ：０．０８％以下 Ｃは、固溶強化作用および炭化物の析出強化作用により
鋼の強度を高めるが、クロム炭化物の生成に伴い、靱性
の低下およびＣｒ炭化物粒子の近傍のＣｒ濃度の低下に
よる孔食等の腐食抵抗性を減じるので、０．０８％以下
とする。

【０００９】Ｓｉ：０．２〜２％ Ｓｉは、溶鋼の脱酸および湯流れ性の改善のために０．
２％以上を必要とするが、多量に添加すると、鋼の靱性
の低下、溶接性の低下をきたすので、２％を上限とす
る。

【００１０】Ｍｎ：０．２〜２％ Ｍｎは、溶鋼の脱酸・脱硫元素として、また鋳造性改善
のため０．２％以上添加されるが、多量の添加すると腐
食性が低下するので、２％を上限とする。

【００１１】Ｎｉ：３〜６％ Ｎｉは、強力なオーステナイト生成元素であり、鋼組織
における所定量のオーステナイト相を形成し、靱性を確
保するために、少なくとも３％を必要とする。しかし、
６％を越える添加は、経済性を損なうだけでなく、鋼組
織におけるδ−フエライト相とオーステナイト相の量的
バランスを失するので、６％を上限とする。

【００１２】Ｃｒ：１８〜２６％ Ｃｒは、フエライト生成元素として、また鋼の耐食性、
特に強酸性腐食環境での孔食や粒界腐食等に対する抵抗
性の確保に欠くことができない元素である。その量は少
なくとも１８％を必要とし、増量に伴つて効果を増す。
しかし、多量に添加すると、鋳造性の悪化、および鋼組
織におけるオーステナイト相の量比の不足による靱性の
低下をきたすので、２６％を上限とする。

【００１３】Ｍｏ：１〜４％ Ｍｏは、耐食性、殊に孔食、隙間腐食等に対する抵抗性
の強化に有効な元素である。非酸化性酸、塩素イオン含
有液に対する耐食性改善効果を得るためには１％以上の
添加が必要である。しかし、４％を越えると、その効果
はほぼ飽和し、またσ相の析出による脆化と鋳造割れ等
が生じ易くなるので、４％を上限とする。

【００１４】Ｃｕ：２〜４％ Ｃｕは、オーステナイト相を固溶強化するほか、フエラ
イト相からα’相として析出することにより、フエライ
ト相の強度を高める。この効果は２％以上の添加により
得られる。また、Ｃｕの添加により鋼の耐孔食性も高め
られる。しかし、多量に添加すると、鋼の靱性を損なう
ので、４％を上限とする。

【００１５】Ｗ：０．５〜３％ Ｗは、フエライト相を固溶強化して鋼の強度を高める。
この効果を得るために少なくとも０．５％が必要であ
る。また、Ｗは鋼の耐食性を改善し、その効果は前記Ｃ
ｕとの共存により増大する。しかし、３％を越えると、
これらの効果はほぼ飽和し、経済性を損なうので、これ
を上限とする。

【００１６】Ｎ：０．１〜０．３％ Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、侵入型に
固溶して鋼基地を強化するほか、オーステナイト相に対
するＣｒ，Ｍｏ等の耐食元素の分配率を高め、鋼の耐食
性、殊に孔食抵抗性等を改善する効果を有する。この効
果は０．１％以上の添加により得られる。しかし、０．
３％を越えると、窒化物の生成により却つて耐食性を減
じるので、これを上限とする。

【００１７】〔Ｉ〕式の値：３０（％）以上 式中のＣｒ，Ｍｏ，Ｎはいずれも耐食性、特に耐孔食性
の強化に奏効する元素であり、同式による算出値は、耐
孔食性指数として本発明鋼の孔食抵抗性の評価の目安と
なる。その算出値を３０（％）以上となるように、これ
らの元素の含有量をそれぞれの規定された範囲内で調整
することにより、腐食疲労強度を高めるための高耐食性
が確保される。

【００１８】〔ＩＩ〕式の値：２７（％）以下 式中のＣｒ，Ｍｏ，Ｓｉはいずれもフエライト生成元素
であり、同式は本発明鋼のＣｒ当量を表している。Ｃ
ｒ，Ｍｏの増量により耐食性が高められ、Ｓｉの増量に
より鋳造性が向上するが、〔ＩＩ〕式の値が大きくなる
と、鋼基地中のマルテンサイト相の生成が妨げられ、鋼
の高強度化を十分に達成し得なくなる。このため、〔Ｉ
Ｉ〕式により算出される値を２７（％）以下に制限し、
溶体化処理温度からの急冷（水冷）過程においてオース
テナイト相の一部にマルテンサイト変態を生起させるよ
うにしている。

【００１９】〔ＩＩＩ〕式の値：４（％）以上 式中のＣｕおよびＷはいずれもフエライト強化元素であ
り、Ｃｕの析出強化作用、およびＷの固溶強化作用によ
るフエライト相の強度改善のために、Ｃｕは２％以上、
Ｗは０．５％以上の添加を必要とすることは前記したと
おりであり、更にその合計量を４％以上と規定したの
は、両元素の共存によるフエライト相の強化を十分に達
成するためである。

【００２０】本発明のステンレス鋼は、所望によりＴ
ｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｃｏから任意に選択される
１種ないし２種以上の元素を含有する化学組成に調整さ
れる。 Ｔｉ：１％以下 Ｔｉは、炭化物を形成してＣを固定することにより、Ｃ
ｒ炭化物（Ｃｒ₂₃Ｃ₆等）の析出とそれに伴う耐食性の
低下を防止する。添加量が１％を越えると、効果はほぼ
飽和するだけでなく、鋼の靱性の低下を招くので、１％
以下とする。好ましくは０．０１〜１％である。

【００２１】Ｎｂ：１％以下 Ｎｂは、Ｃとの強い親和力によりＣをＮｂＣとし固定
し、Ｃｒ炭化物（Ｃｒ₂₃Ｃ₆ 等）の析出とそれに伴う耐
食性の低下を防止する。添加量が１％を越えると、その
効果はほぼ飽和するので、１％を上限とする。好ましく
は、０．０４〜１％である。

【００２２】Ｖ：１％以下 Ｖは、結晶粒の微細化作用により鋼の強度を高める。ま
た腐食疲労強度を改善する。１％を越えるとその効果は
ほぼ飽和する。好ましくは、０．０２〜１％である。

【００２３】Ｚｒ：１％以下 Ｚｒは、オーステナイト相を固溶強化するほか、Ｃとの
強い親和力により安定なＭＣ型炭化物を形成して鋼の耐
食性を高める。また、強力な清浄作用や組織の微細化作
用を有し鋼の材質改善に奏効する。多量に添加すると、
鋼の清浄度を害するので、１％以下とする。好ましく
は、０．０２〜１％である。

【００２４】Ａｌ：１％以下 Ａｌは、炭化物を形成し析出強化作用により鋼の強度を
高める。多量に添加すると、鋼の靱性を損なうので、１
％以下とする。好ましくは、０．２〜１％である。

【００２５】Ｃｏ：１％以下 Ｃｏは、オーステナイト相を固溶強化し、また鋼の腐食
疲労強度の改善に有効な元素である。その腐食疲労強度
の改善効果は、Ｃｕ，Ｗとの共存により強められる。添
加量が１％を越えると、効果はほぼ飽和し経済性を損な
うので、これを上限とする。好ましくは、０．１〜１％
である。

【００２６】本発明のステンレス鋼は、オーステナイト
相とδ−フエライト相の２相を主相とし、これに少量の
マルテンサイト相が混在した組織を有する。主相である
オーステナイト相とδ−フエライト相の量比（δ−フエ
ライト相／オーステナイト相）を３０／７０〜６０／４
０（面積比）の範囲に規定したのは、３０／７０に満た
ないと、鋼の強度が不足し、他方６０／４０を越える
と、靱性の不足をきたすからであり、３０／７０〜６０
／４０の量比として強度と靱性のバランスを確保してい
る。また、上記主相に付随するマルテンサイト相の混在
量について、５％（面積）以上としたのは、同相による
鋼の強度改善効果を十分ならしめるためであり、１５％
（面積）を上限としたのは、それを越えると、高靱性の
保持が困難となり、また耐食性の低下をきたすからであ
る。

【００２７】本発明のステンレス鋼は、その鋳造材を溶
体化処理し、ついで析出強化熱処理を行うことにより製
造される。溶体化処理は、通常の二相ステンレス鋼と同
じように、温度 約１０００〜１２００℃に適当な時間
（鋳造材の肉厚１インチ当り、約１〜５Ｈｒ）加熱保持
した後、急冷（水冷が適当である）することにより行わ
れる。この溶体化処理により、鋳造組織はオーステナイ
ト相とδ−フエライト相からなる清浄な二相組織とな
り、同温度からの急冷過程で、オーステナイト相の一部
にマルテンサイト変態が生じることにより、オーステナ
イト相とδ−フエライト相からなる主相にマルテンサイ
ト相が混在した組織となる。析出強化熱処理は、温度
約６００〜７００℃に適当時間（肉厚１インチ当り、約
０．５〜４Ｈｒ）加熱保持した後、空冷することにより
行われる。この熱処理により、フエライト相に固溶して
いたＣｕがα’相として析出し、その析出強化作用によ
り鋼の強度が更に高められる。

【００２８】

【実施例】表１に示す化学組成を有する遠心力鋳造材に
熱処理を施して供試材とし、それぞれについて機械的性
質および腐食試験を行つて表２に示す結果を得た。表
中、Ｎo.１１〜１５は発明例、Ｎo.２１〜２７は比較例
であり、比較例Ｎo.２１〜２４は、発明例に類似してい
るが、〔Ｉ〕〜〔ＩＩＩ〕式のいずれかの規定（表中、
下線）を充足しない化学組成を有する例、Ｎo.２５はＣ
ｕの含有を欠いている例である。Ｎo.２１（二相ステン
レス鋼）を除く各供試材は、１１００℃に２Ｈｒ加熱保
持した後、水冷（約５０℃／分）する溶体化熱処理と、
６００℃に１Ｈｒ加熱保持した後、空冷する析出強化熱
処理を行つた。

【００２９】（ａ）孔食試験 ＡＳＴＭ Ｇ４８Ａ法に準拠して孔食減量（ｇ／ｍ² ・
ｈｒ）を測定。腐食試験液：塩化第二鉄溶液（濃度 ６
％，液温 ５０℃）、試験時間：７２Ｈｒ。 （ｂ）腐食疲労試験 腐食液（Ｃｌ^- ：１００ｐｐｍ，ＳＯ₄ ^--：１０００ｐ
ｐｍ，Ｓ₂ Ｏ₃ ^--：１０ｐｐｍ，ｐＨ：３．５，液温：
室温）中、小野式回転曲げ試験（曲げ応力：１９．６Ｎ
／ｍｍ² ，回転速度：３０００ｒｐｍ）を行い、回転数
５×１０⁸ 後における耐久限度（Ｎ／ｍｍ² ）を測定。

【００３０】表２に示したように、発明例Ｎo.１１〜１
５は、高強度、高靱性を有し、腐食疲労強度も著しく高
く、その諸特性は他の比較例Ｎo.２１〜２５をも大きく
上廻つている。比較例Ｎo.２１の耐孔食性が乏しいの
は、Ｉ式を満足していないからであり、またそのために
腐食疲労強度も低位にとどまつている。Ｎo.２２は強度
および靱性のいずれも低い。強度が低いのはＩＩ式のＣ
ｒ当量値が過剰なため、マルテンサイト相の生成が不足
したからである。このため良好な耐食性を有しながら、
腐食疲労強度は殆ど改善されていない。Ｎo.２３および
Ｎo.２４は、いずれもＩＩＩ式を満足していないため、
強度の不足をきたしている。その強度不足のため、耐食
性および靱性は良好でありながら、腐食疲労強度も低い
ものとなつている。Ｎo.２５はＣｕを含有していないた
め、強度が低く、耐食性も十分でなく、そのため腐食疲
労強度も殆ど改善されていない。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】本発明のステンレス鋼は、強度、靱性、
耐食性等にすぐれ、従来の二相ステンレス鋼等では得ら
れない高度の腐食疲労強度を有しているので、製紙工程
のサクシヨンロールのスリーブ材料として使用すること
により、近時の高負荷操業におけるサクシヨンロールの
耐用寿命の向上、ロールメンテナンスの改善等の効果が
得られる。本発明のステンレス鋼は、サクシヨンロール
のスリーブ材料だけでなく、腐食因子と繰り返し応力が
重量作用する環境で使用される各種の構造部材料として
有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−52464（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−153821（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−162552（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−111847（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−241143（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 302

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．０８％以下，Ｓｉ：０．２〜２
   ％，Ｍｎ：０．２〜２％，Ｎｉ：３〜６％，Ｃｒ：１８
   〜２６％，Ｍｏ：１〜４％，Ｃｕ：２〜４％，Ｗ：０．
   ５〜３％，Ｎ：０．１〜０．３％，残部実質的にＦｅか
   らなり、下式〔Ｉ〕〜〔ＩＩＩ〕： Ｃｒ（％）＋３．３Ｍｏ（％）＋１６Ｎ（％）≧３０（％）…〔Ｉ〕 Ｃｒ（％）＋Ｍｏ（％）＋１．５Ｓｉ（％）≦２７（％） …〔ＩＩ〕 Ｃｕ（％）＋Ｗ（％）≧４（％） …〔ＩＩＩ〕 を満たす化学組成を有し、オーステナイト相とδ−フエ
   ライト相を主相とし、δ−フエライト相／オーステナイ
   ト相の面積比は３０／７０〜６０／４０で、５〜１５％
   （面積）のマルテンサイト相が混在した組織を有するこ
   とを特徴とする高腐食疲労強度ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 Ｆｅの一部が、Ｔｉ：１％以下，Ｎｂ：
   １％以下，Ｖ：１％以下，Ａｌ：１％以下，Ｚｒ：１％
   以下，Ｃｏ：１％以下から選ばれる１種ないし２種以上
   の元素で置換された化学組成を有することを特徴とする
   請求項１に記載の高腐食疲労強度ステンレス鋼。