JP3296554B2 - 耐食性及び被削性を改善したNi―Cr系ステンレス鋼 - Google Patents

耐食性及び被削性を改善したNi―Cr系ステンレス鋼

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JP3296554B2 JP06040590A JP6040590A JP3296554B2 JP 3296554 B2 JP3296554 B2 JP 3296554B2 JP 06040590 A JP06040590 A JP 06040590A JP 6040590 A JP6040590 A JP 6040590A JP 3296554 B2 JP3296554 B2 JP 3296554B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> この発明は、Ni−Cr系SUS304ステンレス鋼をベースと
してその耐食性と被削性を改善し、特に食品用機器の材
料として好ましく利用することができるNi−Cr系ステン
レス鋼に関するものである。
<従来の技術> JISに定められたSUS304の化学成分は表1のとおりで
ある。
SUS304は耐食性材料として広く用いられているが、被
削加工性が非常に悪い。快削性が要求される場合には、
従来、耐食性を大幅に犠牲にして意図的に硫化物系介在
物(MnS)を生成させる方法が一般に採られている。し
かし、耐食性を特に重視して、強腐食環境(例えば、塩
化物環境や酸性飲料環境等)にも対応させるようにする
には、さらにMnSの主成分である鋼中のS及びMnの組成
比Mn/S比を低下させ、MnS中の固溶Cr量を多くすること
が有効とされている(「鉄と鋼」,70(1984),P.74
1)。
<発明が解決しようとする問題点> 上記したMnSの生成及びMn/S比の低下をバランスよく
調整することによって耐食性を損わず被削性を改善する
ことはある程度可能であるが、未だ充分満足できるもの
ではなかった。
そこでこの発明は、SUS304をベースとして、耐食性と
被削性の両方がさらに優れたNi−Cr系ステンレス鋼を提
供することを目的としてなされたものである。
<問題点を解決するための手段および作用> 本発明による耐食性及び被削性を改善したNi−Cr系ス
テンレス鋼は、SUS304ステンレス鋼を基本成分としてこ
れを一部変更した次のような化学組成を有するものであ
る: C 0.08重量%以下、Si 2.0〜4.0重量%、Mn
0.7重量%以下、P 0.04重量%以下、S 0.005重量%
以下、Ni 8.0〜13.0重量%、Cr 17.0〜20.0重量%、M
o 0.40〜0.80重量%、Cu 1.0〜3.0重量%、Sn 0.03
〜0.30重量%、及び残部Fe。
Snは被削性を改善するだけでなく、耐全面腐食性、耐
隙間腐食性、耐孔食性及び耐応力腐食割れ性を改善す
る。その一例として希硫酸水溶液中では、最初にSnが優
先溶解し、次いで溶解したSnが再び鋼表面へ濃縮(析
出)することによってアノード・カソード両反応が抑制
されるため、耐硫酸性(この場合、耐全面腐食性)を改
善する。また、SnとCuを複合添加することにより耐食性
は一層改善される。(「防食技術」,37(1988),P.73
2)。上述したようなSn添加による耐食性改善効果は、
0.03重量%以下では効果がなく、一方あまり多く添加し
た場合には鍛造性を害し、添加量の割には耐食性改善効
果も少なくなるため、被削性及び耐食性を十分改善でき
る添加量範囲0.03〜0.30重量%とした。
S及びMnについては、前述したようにこれらの量を低
減すると耐食性が改善されるが、反面において被削加工
性を低下させる。この発明においてはSを0.005重量%
以下、Mnを0.7重量%以下として耐食性を改善する一
方、被削性の低下はSnを添加することによって補うこと
ができる。
Niはオーステナイト(γ)系ステンレス鋼の基本元素
で、γ相を安定にする。強度面では靭性の改善に寄与す
る。低Niではγ相が不安定となり加工によりマルテンサ
イトを誘発し、硬化して靭性を低下させる。NiはFe,Cr
に比較して電気化学的に貴であるため、活性態域での腐
食を抑制する。また、中性塩化物溶液や非酸化性酸によ
る腐食に対して、顕著な抵抗性を与え、かつ不働態を強
化する。この発明では、フェライト生成元素であるSnを
添加しているため、SUS304規格よりもNiを多くしてγ相
を安定にしている。
Crはステンレス鋼の基本成分で、酸化性環境下におい
てステンレス鋼の不働態化に寄与する。すなわち、ステ
ンレス鋼の耐食性はこの不働態皮膜によって維持される
ものであり、Crはステンレス鋼にとって必須の元素であ
る。
MoおよびCuは耐食性全般において改善効果があるが、
Cuが多すぎると耐有機酸腐食性を低下させることがあ
り、また、3%以上の添加は高温加工性を阻害する。し
かし、Cuを添加させることによる最大の利点は、Ni−Cr
系ステンレス鋼の欠点の一つである応力腐食割れを抑制
することである。例えば低濃度食塩水中(1000ppmCl-
び21000ppmCl-水溶液,80℃)におけるオーステナイトス
テンレス鋼の耐応力腐食割れ性に及ぼすCuの影響につい
て、2%のCuの添加は単独あるいはCuとSi,Moとの複合
添加のいずれにおいても有効であるとする報告(「鉄と
鋼」,69(1983),P.837)があり、また、沸騰MgCl2溶液
中におけるオーステナイトステンレス鋼の耐応力腐食割
れ性に及ぼすCuの影響について、1.07%のCuの添加は沸
騰MgCl2濃度が低い場合、すなわち低温側になると割れ
感受性を減少させるとする報告(「日本金属学会誌」,3
7(1973),P.1320)もある。これらの他、Cuの応力腐食
割れ改善効果を述べている報告は多数ある。
したがって、本発明は、Cuを1.0〜3.0重量%に調整
し、MoやSnそしてその他の元素を調整することにより、
高温加工性を害することなく耐応力腐食割れ性や耐有機
酸腐食性をはじめとした耐食性を向上させている。また
Moは0.40重量%以下では耐食性に無効となる場合があ
り、また0.80重量%以上では耐食性改善への効果が添加
量の割には少くなり、さらにコスト高となるため、この
発明における0.40〜0.80重量%が最適である。
Siは一般に耐食性の改善に効果がある。特に耐酸化性
に優れるため、本発明においては2.0〜4.0重量%添加す
る。Siは非晶性のFe2SiO4,SiO2皮膜をCr2O8下に形成
し、スケールの固着性をよくするので耐酸化性を向上さ
せる(ステンレス鋼便覧,1975年発行,P.360)。また、
耐食性を改善するSiの効果は選択酸化されて初期皮膜中
にはいり、皮膜の非晶質下に寄与するためであると考え
る報告(「日本金属学会会報」,第18巻第8号(197
9),P.547)もある。したがって本発明においては、Si
を2.0〜4.0重量%添加することで、不働態皮膜の強化を
図っている。
本発明におけるその他の合金元素、すなわちC,Pにつ
いては、JIS(SUS304)規格どおりの組成範囲で使用す
ることができる。
<参考実施例> 表2に示した化学組成をもつこの参考実施例の試料1,
2(Mo,Cu,Snの複合添加鋼種)及び比較用の試料3(Mo,
Cu無添加鋼種)を調製した。ここで試料1,2はSnの含有
量が異なるだけで、その他の元素はすべて同量である。
比較用の試料3はSnを約0.2%添加し、Mo,Cuを添加せ
ず、その他の元素は試料1,2と同量である。
(1)耐全面腐食性の改善 腐食速度 第1図は、試料1〜3の希硫酸(5%硫酸,沸騰)及
び乳酸(50%乳酸,50%乳酸+1%食塩,各々沸騰下)
中での腐食速度を示す。どの溶液中においても、Mo,Cu,
Sn複合添加の発明鋼種は、Sn単独添加鋼種より腐食速度
が小さく、耐食性が向上している。特に50%乳酸におい
ては、試料1,2はほとんど腐食していない。
アノード分極曲線 第2図は、試料1〜3の希硫酸(5%硫酸,30℃)中
でのアノード分極曲線である。図中イ〜ハで示された不
働態化限界電流密度(icrit)は、発明鋼種である試料
1,2(イ,ロ)の方が試料3(ハ)より小さく、試料1,2
は活性態溶解域が減少している。したがって、Mo,Cu,Sn
を複合添加すると希硫酸溶液中での耐食性が改善され
る。
第3図は、試料1〜3の乳酸(50%乳酸,30℃)中で
のアノード分極曲線である。図中イ〜ハで示されたicr
itは、発明鋼種である試料1,2(イ,ロ)の方が試料3
(ハ)より小さく、試料1,2は活性態溶解域が減少して
いる。この傾向は第2図の場合と同様である。したがっ
て、Mo,Cu,Snを複合添加すると乳酸溶液中での耐食性が
改善される。
第4図は、試料1〜3の〔乳酸+食塩〕溶液(50%乳
酸+1%Nacl,30℃)中でのアノード分極曲線である。
図中イ,ロで示されたicritは、発明鋼種である試料1,
2(イ)の方が試料3(ロ)より小さく、試料1,2は活性
態溶解域が減少している。同様に図中〜で示された
不働態保持電流密度(Ip)は、試料1,2(,)の方
が試料3()より小さく、試料1,2の不働態は試料3
の不働態より安定である。したがって、Mo,Cu,Snを複合
添加すると〔乳酸+食塩〕溶液中での耐食性が改善され
る。
(2)被削性の改善 第5図は、試料1〜3及び市販のSUS304に対して高速
度鋼SKH−51(φ4)によりドリル穴あけ加工をした場
合の工具寿命を示している。発明鋼種に対する工具寿命
は、Sn単独添加鋼種に対する工具寿命とほぼ同等の値を
示し、SUS304に対する工具寿命の約3〜4倍の値を示し
ている。特に試料2においては、Sn量は試料3と同量で
あるが、Cuの添加が工具寿命を試料3より長くしている
ものと考えられる。したがってMo,Cu,Sn複合添加は被削
性を改善することがわかる。
<本発明の実施例> 表3に示した化学組成を持つ本発明の実施例の試料4
(Si,Mo,Cu,Snの複合添加鋼種)及び比較用の試料5,6
(Si,Sn複合添加鋼種)を調整した。ここで試料4〜6
はSi,Mo,Cu,Snの含有量が異なるが、その他の元素はす
べて同量である。
(1)耐全面腐食性の改善 腐食速度 第6図は、試料4〜6の希硫酸(5%硫酸,沸騰)及
び乳酸(50%乳酸,50%乳酸+1%食塩,各々沸騰)中
での腐食速度を示す。どの溶液中においても、Si,Mo,C
u,Sn複合添加の発明鋼種は、Si,Sn複合添加鋼種より腐
食速度が小さく、耐食性が向上している。特に50%乳酸
においては試料4はほとんど腐食していない。
アノード分極曲線 第7図は、試料4〜6の希硫酸(5%硫酸,30℃)中
でのアノード分極曲線である。図中イ〜ハで示された不
働態化限界電流密度(icrit)は、発明鋼種である試料
4(イ)の方が試料5,6(ロ,ハ)より小さく、試料4
は活性態溶解域が減少している。したがって、Si,Mo,C
u,Snを複合添加すると希硫酸溶液中での耐食性が改善さ
れる。
第8図は、試料4〜6の乳酸(50%乳酸,30℃)中で
のアノード分極曲線である。図中イ,ロで示されたicr
itは、発明鋼種である試料4(イ)の方が試料5,6
(ロ)より小さく、試料4は活性態溶解域が減少してい
る。したがって、Si,Mo,Cu,Snを複合添加すると乳酸溶
液中での耐食性が改善される。
第9図は、試料4〜6の〔乳酸+食塩〕溶液(50%乳
酸+1%Nacl,30℃)中でのアノード分極曲線である。
図中イ〜ハで示されたicritは、発明鋼種である試料4
(イ)の方が試料5,6(ロ,ハ)より小さく、試料4は
活性態溶解域が減少している。したがって、Si,Mo,Cu,S
nを複合添加すると〔乳酸+食塩〕溶液中での耐食性が
改善される。
(2)被削性の改善 第10図は、試料4〜6及び市販のSUS304に対して高速
度鋼SKH−51(φ4)によりドリル穴あけ加工をした場
合の工具寿命を示している。発明鋼種に対する工具寿命
は、Si,Sn複合添加鋼種に対する工具寿命より長く、ま
た、SUS304に対する工具寿命の約4倍の値を示してい
る。したがってSi,Mo,Cu,Sn複合添加は被削性を改善す
ることがわかる。
<発明の効果> 以上の説明からわかるように、この発明のステンレス
鋼は、SUS304ステンレス鋼の耐食性と被削性の両方を大
幅に改善でき、耐食性を重視する食品用機器の材料とし
て特に好ましく使用できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、希硫酸、乳酸及び〔乳酸+食塩〕溶液中にお
ける試料1〜3と腐食速度との関係図である。第2図
は、希硫酸溶液中における試料1〜3のアノード分極特
性図である。第3図は、乳酸中における試料1〜3のア
ノード分極特性図である。第4図は、〔乳酸+食塩〕溶
液中における試料1〜3のアノード分極特性図である。
第5図は、試料1〜3及び市販SUS304に対して高速度鋼
によりドリル穴あけをした場合の工具寿命を示す図であ
る。 第6図は希硫酸、乳酸及び〔乳酸+食塩〕溶液中におけ
る試料4〜6と腐食速度との関係図である。第7図は、
希硫酸溶液中における試料4〜6のアノード分極特性図
である。第8図は、乳酸中における試料1〜3のアノー
ド分極特性図である。第9図は、〔乳酸+食塩〕溶液中
における試料4〜6のアノード分極特性図である。第10
図は、試料4〜6及び市販SUS304に対して高速度鋼によ
りドリル穴あけをした場合の工具寿命を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−274745(JP,A) 特開 昭62−278252(JP,A) 特開 昭64−47817(JP,A) 特開 昭62−228454(JP,A) 特開 昭56−47551(JP,A) 特開 平1−159351(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/44

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C 0.08重量%以下、Si 2.0〜4.0重量
    %、Mn 0.7重量%以下、P 0.04重量%以下、S 0.0
    05重量%以下、Ni 8.0〜13.0重量%、Cr 17.0〜20.0
    重量%、Mo 0.40〜0.80重量%、Cu 1.0〜3.0重量%、
    Sn 0.03〜0.30重量%、及び残部がFeから成ることを特
    徴とする耐食性及び被削性を改善したNi−Cr系ステンレ
    ス鋼。
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