JP3263378B2 - Ｃｏ基合金の熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｃｏ基合金の熱処
理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られているＣｏ基合金とし
て、その化学成分が重量パーセントで、Ｃ：０．９〜
１．４％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓｉ：０．４〜２．０
％、Ｃｒ：２６．０〜３２．０％、Ｗ：３．０〜６．０
％、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｆｅ：
３．０％以下、その他の不純物が０．５％以下であり、
残部がＣｏからなる合金があり、この合金は、一般に
「ステライトＮｏ．６」という商品名で販売されてお
り、耐食性、耐焼付き摩耗性及び耐キャビテーション性
に優れているため主に弁装置の弁座部分に広く使用され
ている。

【０００３】また、更に別のＣｏ基合金として、その化
学成分が重量パーセントで、Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓ
ｉ：０．９〜１．５％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｎｉ：
１．７５〜３．２５％、Ｆｅ：２．０％以下、Ｃｒ：２
５．５〜２９．０％、Ｍｏ：５．０〜６．０％、Ｂ：
０．００７％以下であり、残部がＣｏからなる合金があ
り、この合金は、一般に「ステライトＮｏ．２１」とい
う商品名で販売されており、耐食性及び耐キャビテーシ
ョン性に優れているため調整弁や絞り弁の弁座部分に使
用されている。

【０００４】また、使用に際して、ステライトＮｏ．６
は従来よりガス溶接によって母材に溶接されるのが一般
的であるが、ガス溶接技術者の減少や溶接効率の向上と
いった観点から、最近ではプラズマ・トランスファー・
アーク溶接（以下、「ＰＴＡ溶接」と称する）やティグ
溶接（以下、「ＴＩＧ溶接」と称する）が採用されてい
る傾向がある。また、ステライトＮｏ．２１は従来より
ＰＴＡ溶接やＴＩＧ溶接によって母材に溶接されるのが
殆どである。そして、溶接施工が行われた場合には、後
熱処理が行われ、この熱処理は、溶接によって発生する
熱影響部の軟化と残留応力の除去との双方の効果があっ
て、応力除去焼鈍と称されている。

【０００５】ここで、一般の炭素鋼同士の溶接施工にお
いては、「電気工作物の溶接に関する技術基準を定める
省令（昭和４５年通商産業省令第８１号）」にその熱処
理条件として、５９５℃以上７００℃以下の温度範囲で
溶接後熱処理を行うべき旨が規定されている。

【０００６】したがって、ステライトＮｏ．６やステラ
イトＮｏ．２１（以下、まとめて単に「ステライト」と
も称する）といったＣｏ基合金を炭素鋼に溶接する場合
にも、一般的には、上記省令第８１号に規定の熱処理条
件を適用し、６５０℃±２５℃の温度範囲で後熱処理さ
れるのが従来からの通例であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本出願
人による粒界腐食に関する試験によると、上述したＰＴ
Ａ溶接やＴＩＧ溶接等の電弧溶接によってステライトを
炭素鋼に溶接する場合には、必然的に母材の溶け込みが
生じ、ステライトのＦｅ含有量が増加し、Ｆｅ含有量の
増加に起因して、ステライトの耐粒界腐食性が著しく低
下する問題が確認されている。

【０００８】また、後熱処理においても、炭素鋼同士の
溶接に関する上記省令第８１号に規定の温度範囲は、ス
テライトの溶接においては粒界腐食を著しく促進する温
度範囲であることが分かっている。

【０００９】従って、本発明は、上述した従来の問題を
解決するためになされたものであり、ＰＴＡ溶接やＴＩ
Ｇ溶接等の電弧溶接を用いても、Ｃｏ基合金の耐粒界腐
食性が低下することを抑制できるＣｏ基合金の熱処理方
法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明の熱処理方法は、化学成分が重量パーセント
で、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓ
ｉ：０．４〜２．０％、Ｃｒ：２６．０〜３２．０％、
Ｗ：３．０〜６．０％、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：
３．０％以下、Ｆｅ：３．０％以下、その他の不純物が
０．５％以下であり、残部がＣｏからなるＣｏ基合金
を、炭素鋼にＰＴＡ溶接又はＴＩＧ溶接し、溶接後のＦ
ｅの含有量が１５％以下のものに対して７５０℃以上に
加熱する熱処理を行うことを特徴とする。同目的を達成
する本発明の別の熱処理方法は、化学成分が重量パーセ
ントで、Ｃ：０．９〜１．４％、Ｍｎ：１．０％以下、
Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｃｒ：２６．０〜３２．０
％、Ｗ：３．０〜６．０％、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎ
ｉ：３．０％以下、Ｆｅ：３．０％以下、その他の不純
物が０．５％以下であり、残部がＣｏからなるＣｏ基合
金を、炭素鋼にＰＴＡ溶接又はＴＩＧ溶接し、溶接後の
Ｆｅの含有量が３０％以下のものに対して９００℃以上
に加熱する熱処理を行うことを特徴とする。

【００１１】また、同目的を達成する本発明の別の熱処
理方法は、化学成分が重量パーセントで、Ｃ：０．２〜
０．３％、Ｓｉ：０．９〜１．５％、Ｍｎ：１．０％以
下、Ｎｉ：１．７５〜３．２５％、Ｆｅ：２．０％以
下、Ｃｒ：２５．５〜２９．０％、Ｍｏ：５．０〜６．
０％、Ｂ：０．００７％以下であり、残部がＣｏからな
るＣｏ基合金を、炭素鋼にＰＴＡ溶接又はＴＩＧ溶接
し、溶接後のＦｅの含有量が１９％以下のものに対して
７５０℃以上に加熱する熱処理を行うことを特徴とす
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態とし
て、本発明の熱処理を施したステライトの試験材に関し
て説明する。まず、ステライトの溶接において、母材で
ある炭素鋼がステライトに溶け込む量については、ＰＴ
Ａ溶接の場合、溶接条件を適切にすることによってＦｅ
量を１５％以下に、また、ＴＩＧ溶接の場合でも３０％
以下に管理することが可能である。

【００１３】そこで、ステライトＮｏ．６又はステライ
トＮｏ．２１のＰＴＡ粉末とＦｅ粉末とを混合し、アル
ゴン雰囲気のアーク炉を用いた鋳造により、ステライト
中のＦｅ含有量が約０〜４０％の範囲にある複数の１次
試験材を製作した。図１に、かかる鋳造１次試験材の形
状寸法を示す。すなわち、これらの１次試験材は、上面
の直径が５０ｍｍ、下面の直径が４０ｍｍ及び高さが２
０ｍｍの切頭円錐体である。また、以下の表１に、ステ
ライトＮｏ．６粉末とＦｅ粉末との混合による７種類の
１次試験材Ｓ０，Ｓ５，Ｓ１０，Ｓ１５，Ｓ２０，Ｓ３
０及びＳ４０の化学成分を示し、表２に、ステライトＮ
ｏ．２１粉末とＦｅ粉末との混合による６種類の１次試
験材Ｔ０，Ｔ５，Ｔ１０，Ｔ１５，Ｔ２０，Ｔ３０との
化学成分を示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】これらの１次試験材に、６５０℃、７５０
℃及び９００℃で４時間の熱処理を施工した。ここで、
熱処理時間は、製品厚さ２５ｍｍ当たり１時間が一般的
であるため、４時間の熱処理時間は、板厚１００ｍｍの
製品の熱処理時間に相当している。そして、熱処理後の
鋳造１次試験材を加工して、図２に示すような直径１６
ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板状の２次試験材を製作する。

【００１７】熱処理後のこれら２次試験材に対し、ＪＩ
Ｓ規格Ｇ０５７５に規定するステンレス鋼の硫酸・硫酸
銅の腐食試験方法（以下、「ストラウス試験」と称す
る）を１６時間実施し、２次試験材のＦｅ含有量と熱処
理の温度とが粒界腐食性に及ぼす影響について試験を行
った。図３及び４にそれぞれ、ステライトＮｏ．６から
なる試験材及びステライトＮｏ．２１からなる試験材に
関する試験結果を示す。

【００１８】図３に示されるように、ステライトＮｏ．
６からなる試験材を６５０℃で熱処理した場合、Ｆｅ含
有量が１％程度では粒界腐食は生じないが、Ｆｅ含有量
が５％になると粒界腐食が生じ始め、それよりも更にＦ
ｅ含有量が増加すると粒界腐食が顕著に進行している。
すなわち、これは、含有されたＦｅが粒界腐食を著しく
進行させていることを示している。

【００１９】また、７５０℃で熱処理した場合、Ｆｅ含
有量が１５％までは粒界腐食が生じなかったが、Ｆｅ含
有量が２０％では粒界腐食の発生が認められた。

【００２０】さらに、９００℃で熱処理した場合、Ｆｅ
含有量が３０％までは粒界腐食が生じなく、Ｆｅ含有量
が４０％ではじめて粒界腐食の発生が認められた。

【００２１】このようにステライトＮｏ．６からなる試
験材においては、６５０℃の熱処理では粒界腐食性が著
しく促進されたが、７５０℃及び９００℃のように熱処
理温度が高くなると、粒界腐食感受性はＦｅ含有量が多
い場合でも低くなった。

【００２２】同様に、図４に基づいて、ステライトＮ
ｏ．２１からなる試験材について説明する。まず、６５
０℃で熱処理した場合、Ｆｅ含有量１％程度では粒界腐
食は生じなかったが、Ｆｅ含有量が５％になると粒界腐
食性が生じはじめ、それよりも更にＦｅ含有量が増加す
ると粒界腐食は顕著に進行した。

【００２３】また、７５０℃で熱処理した場合、Ｆｅ含
有量が１９％までは粒界腐食が生じなかったが、Ｆｅ含
有量が３３％では粒界腐食の発生が認められた。

【００２４】さらに、９００℃で熱処理した場合、Ｆｅ
含有量が３３％で０．０５ｍｍ深さの粒界腐食が生じて
いるものの殆ど粒界腐食性は消失した。

【００２５】ステライトの粒界腐食は、ステライトが凝
固する際に晶出する炭化物（以下「１次炭化物」と称す
る）によって生じるものではなく、オーステナイト形ス
テンレス鋼である３００系ステンレス鋼と同様に後熱処
理で析出する炭化物（以下「２次炭化物」と称する）の
隣接部にＣｒ欠乏層が生じることが原因となって発生す
る。

【００２６】粒界腐食感受性は、４２０〜６５０℃に加
熱された場合に認められる。６５０℃では、図５に概念
的に示されるように、２次炭化物中のＣｒ濃度が高く、
このため２次炭化物に隣接するＣｒ欠乏層のＣｒ濃度が
低く粒界腐食が促進される。しかし、７５０℃及び９０
０℃で析出する２次炭化物のＣｒ濃度は低いため、２次
炭化物に隣接するＣｒ欠乏層のＣｒ濃度が高く、また熱
処理温度が高いためＣｒの拡散が生じてＣｒ欠乏層が解
消する。

【００２７】ここで、Ｆｅが粒界腐食を促進する原因
は、第１に、Ｆｅがステライト中に溶け込みステライト
の主元素であるＣｏと固容体を形成してステライト全体
のＣｒ濃度を低減し、ステライトのマトリックス（基
地）の耐食性を低下させることがある。また、第２に、
この耐食性の低下したマトリックスの中からＣｒ濃度の
高い２次炭化物が析出して、２次炭化物隣接部のＣｒを
欠乏させ、この部分の耐食性を更に低下させることがあ
る。この場合に６５０℃では、より高温の熱処理の場合
に比べて２次炭化物のＣｒ濃度が高いためＣｒ欠乏層の
Ｃｒ濃度の低下を一層促進する。さらに、第３に、Ｆｅ
が含有されるとＣｒの拡散を遅延させることがある。ま
た、Ｃｒの拡散は、低温ではより小さく、高温ではより
大きくなるため、６５０℃ではそれ以上の熱処理温度の
場合に比べて時間がかかる。

【００２８】このようにして、Ｆｅ含有量は、ステライ
トの粒界腐食感受性を高める作用を有している。そし
て、上述したように、Ｆｅが含有された場合でも、６５
０℃より更に高温の熱処理は、ステライトの粒界腐食感
受性を低減するが、この効果が実質的に認められる熱処
理温度の下限は７００℃である。

【００２９】そして、この熱処理条件は、６５０℃の熱
処理に比べてステライト溶接部の残留応力の低減にも有
効であり、粒界腐食が発生したことが原因となって生じ
るステライトの割れへの進展を防止することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱処理方法
によれば、ステライト等のＣｏ基合金の粒界腐食感受性
を低減することができ、ＰＴＡ溶接やＴＩＧ溶接等の電
弧溶接を用いた場合でもＣｏ基合金の耐粒界腐食性の低
下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 １次試験材の形状寸法を示す図である。

【図２】 ２次試験材の形状寸法を示す図である。

【図３】 ステライトＮｏ．６からなる試験材の粒界腐
食試験の結果を示す図である。

【図４】 ステライトＮｏ．２１からなる試験材の粒界
腐食試験の結果を示す図である。

【図５】 粒界腐食の発生原因を示す模式的な図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｇ ６５０ ６５０Ｃ ６９１ ６９１Ａ ６９４ ６９４Ｂ (56)参考文献 特開 昭59−169696（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−104473（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−134571（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−162984（ＪＰ，Ａ) 蓮井、森垣 ”現代溶接技術体系＜第 15巻＞肉盛溶接・容射”産報出版株式会 社 昭和55年 １月23日 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/00 - 10/02 C22C 19/07 C22F 1/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学成分が重量パーセントで、 Ｃ：０．９〜１．４％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓｉ：
   ０．４〜２．０％、 Ｃｒ：２６．０〜３２．０％、Ｗ：３．０〜６．０％、
   Ｍｏ：１．０％以下、 Ｎｉ：３．０％以下、Ｆｅ：３．０％以下、その他の不
   純物が０．５％以下であり、残部がＣｏからなるＣｏ基
   合金を、炭素鋼にＰＴＡ溶接又はＴＩＧ溶接し、溶接後の Ｆｅの含有量が１５％以下のものに対して７５
   ０℃以上に加熱する熱処理方法。
2. 【請求項２】 化学成分が重量パーセントで、 Ｃ：０．９〜１．４％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｓｉ：
   ０．４〜２．０％、 Ｃｒ：２６．０〜３２．０％、Ｗ：３．０〜６．０％、
   Ｍｏ：１．０％以下、 Ｎｉ：３．０％以下、Ｆｅ：３．０％以下、その他の不
   純物が０．５％以下であり、残部がＣｏからなるＣｏ基
   合金を、炭素鋼にＰＴＡ溶接又はＴＩＧ溶接し、溶接後の Ｆｅの含有量が３０％以下のものに対して９０
   ０℃以上に加熱する熱処理方法。
3. 【請求項３】 化学成分が重量パーセントで、 Ｃ：０．２〜０．３％、Ｓｉ：０．９〜１．５％、Ｍ
   ｎ：１．０％以下、 Ｎｉ：１．７５〜３．２５％、Ｆｅ：２．０％以下、Ｃ
   ｒ：２５．５〜２９．０％、Ｍｏ：５．０〜６．０％、
   Ｂ：０．００７％以下であり、 残部がＣｏからなるＣｏ基合金を、炭素鋼にＰＴＡ溶接
   又はＴＩＧ溶接し、溶接後の Ｆｅの含有量が１９％以下のものに対して７５
   ０℃以上に加熱する熱処理方法。