JP3854643B2 - 耐脆化性のステンレス鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の分野】
本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものであって、更に詳しく言えば、高い強度および靭性並びに可逆脆化および不可逆脆化に対する優れた抵抗性を有する新規な高純度ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【発明の背景】
優れた強度、低い脆性−延性転移温度、および厚形材における良好な硬化特性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は、ガスタービンの羽根車材料として長く使用されてきた。しかしながら、それらは高温に暴露された場合に脆化を生じ易い。かかる脆化は、結晶粒内に有害な相が生成することに原因する場合（不可逆脆化）もあれば、結晶粒界にある種の有害な元素が偏析することに原因する場合（可逆脆化）もある。このような問題を解決するため、不可逆脆化が生じる傾向を制限するモリブデン、コバルトおよびその他の強力な炭化物生成元素の添加が試みられた。かかる試みはある程度の成功を収めたとは言え、可逆脆化の問題はなおも残存している。なぜなら、可逆脆化を緩和するための熱処理は製品における所望の性質および寸法安定性を低下させることがあるからである。また、合金組成（特にリン含量）を変化させることによって得られた結果も、リンを除去するための特別な処置がほとんど無駄であることを示していた。
【０００３】
【発明の概要】
下記に記載されるような発見に基づいて完成された本発明に従えば、高純度Ｍ１５２（ＨＰ Ｍ１５２）と呼ばれる新規なステンレス鋼が提供される。かかるステンレス鋼は従来のステンレス鋼が有する望ましい性質の全てを有するばかりでなく、優れた耐脆化性をも有している。更にまた、かかるステンレス鋼は機械的性質または耐食性の低下を示すことがなく、しかも製造費の僅かな上昇をもたらすに過ぎない。その結果、かかるステンレス鋼はガスタービン、蒸気タービンおよびジェットエンジン用途において特に有利に使用することができる。
【０００４】
本発明の完成の過程において、上記のごとき先行技術の欠点はステンレス鋼のある種の微量成分の量を更に低減させることによって解消し得ることが見出された。すなわち、リン、スズ、アンチモンおよびヒ素の含量を痕跡量よりも僅かに多いレベルにまで制限すれば、脆化の程度が大幅に低下するのである。前述のごとき従来の経験を考慮すれば、かかる系中におけるリンの重要性は意外なものである。更にまた、マンガン含量を０．７重量％から約０．０５０重量％にまで低減させかつケイ素含量を０．３重量％から約０．０５０重量％にまで低減させれば、なお一層の利益が得られる。
【０００５】
また、ステンレス鋼中におけるマンガン、ケイ素およびその他の微量元素の含量が上記の値から変動した場合においても、本発明の新規な結果および利点が一貫して得られることも見出された。すなわち、本発明のステンレス鋼は上記のごとき各種の微量元素を実質的に含有しないことが理想的であるが、実際問題としては、商業的用途または商業的生産に際してそれらの全てがある検出可能な量で存在することは避けられない。しかしながら、全ての微量元素の含量が上記の最大値を越えない限り、所望の性質が顕著な悪影響を受けることはないのである。
【０００６】
簡単に述べれば、本発明の範囲内に含まれるステンレス鋼は下記のごとき基本組成を有している。
元 素 重 量 ％
炭素（Ｃ） ０．０８〜０．１５
硫黄（Ｓ） 最大０．００４
クロム（Ｃｒ） １１．００〜１２．５０
バナジウム（Ｖ） ０．２５〜０．４０
モリブデン（Ｍｏ） １．５０〜２．００
ニッケル（Ｎｉ） ２．５〜３．１０
アルミニウム（Ａｌ） ０．００１〜０．０２７
マンガン（Ｍｎ） ０．０３〜０．１３
鉄（Ｆｅ） 残部
リン（Ｐ） 最大０．０１
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１０〜０．１０
好適な実施の態様に従えば、本発明のステンレス鋼は約０．０５０重量％以下のマンガン、０．０５０重量％以下のケイ素、０．００２０重量％以下のリン、０．００１０重量％以下のスズ、０．０００５重量％以下のアンチモンおよび０．００３０重量％以下のヒ素を含有する。
【０００７】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
上記に略述されかつ図１および２に関連して下記に詳述されるごとく、本発明の新規なステンレス鋼においては組成の僅かな変化が望ましい性質の大幅な変化をもたらすことがあるから、それらの処方および生産には特に注意を払う必要がある。すなわち、最良の融解および鋳造操作に従えば、微量成分の最終含量を綿密に管理しかつ制限するため、精製状態または純粋な状態の合金成分を混合することによって本発明のステンレス鋼が製造される。化学的に純粋な合金成分を使用することが望ましいとは言え、実際には、経済上の理由からそれらは使用されない。その代り、それぞれの微量成分の合計含量が上記の限界を越えないように主要成分の選択が行われる。
【０００８】
かかる管理を怠れば、本発明の主要な利点が実質的に失われる。たとえば、微量成分含量の限界を越えると、得られるステンレス鋼の脆化特性が顕著な悪影響を受けることがある。実際、１種以上の微量成分が限界を越えた場合には、ステンレス鋼を再融解しかつ本発明に従って溶融物の組成を調整する以外に矯正方法は無いのである。
【０００９】
本発明のステンレス鋼と基本的に同じ組成を有する従来のステンレス鋼との間における特に重要な性質の違いは、図１および２のグラフ中に示されている。本明細書中においては、脆化の主たる測度としてＦＡＴＴの変化が使用されるが、これは破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）を測定することによって合金の破壊靭性を評価する方法の１つである。ＦＡＴＴとは、Ｖノッチ付きのシャルピー衝撃試験片が破断して５０％の脆性破壊を示すような温度である。ＦＡＴＴが高くなるほど、材料の延性は小さくなり、従って破壊靭性も小さくなる。
【００１０】
脆化は、高温下における時効から生じるＦＡＴＴの変化を測定することによって定量される。先ず最初に、温度暴露に先立って製造されたままの材料のＦＡＴＴが測定される。この値は「受入れたままのＦＡＴＴ」と呼ばれる。次いで、試験すべき材料に時効を施すため、所望の時効温度を有する炉内に試験ブロックが配置される。一定の時間にわたって時効温度に暴露した後、試験ブロックが取出され、そしてＦＡＴＴが測定される。脆化が起こっていれば、時効後のＦＡＴＴは受入れたままのＦＡＴＴよりも実質的に高くなるはずである。２つの測定値の差［すなわち、（時効後のＦＡＴＴ）−（受入れたままのＦＡＴＴ）］はΔＦＡＴＴと呼ばれる。ΔＦＡＴＴが大きくなるほど、脆化の程度は高くなる。
【００１１】
図１および２に示された２つの場合におけるデータ点並びに特に１００００時間領域において見られるようなデータ点間の顕著な差からわかる通り、本発明のステンレス鋼は従来のステンレス鋼に比べて優れた耐脆化性を示す。
本発明のステンレス鋼から製造された製品は、従来の１２−クロムステンレス鋼から製造されたものに比べ、図面中に例示された耐脆化性の結果として、脆化に原因する靭性の顕著な低下を示すことなしに６００°Ｆ以上の温度下で遥かに長い時間にわたって使用することができる。製造費の僅かな上昇を負担しさえすれば、他の望ましい性質を犠牲にすることなしにこのような利益が得られることは、当業技術における大きな進歩を成すものである。
【００１２】
本発明の新規なステンレス鋼から成る製品は、当業技術に従って適宜に製造することができる。たとえば、ガスタービンの羽根車は現在常用されている鋳造および鍛造技術によって所定の形状および寸法通りに製造することができる。
当業界が本発明を一層明確に理解し得るようにするため、以下に従来のものの比較例と本発明の実施例を示す。比較例と実施例中に記載された実際の実験操作を詳しく検討すれば、本発明の重要な利点および新規な結果が十分に理解されよう。
【００１３】
【比較例】
下記のごとき公称組成を有する市販のマルテンサイト系１２−クロムステンレス鋼［ジェセス(JETHESE) Ｍ１５２］からガスタービンサイズの円板を製造した。
元 素 重量％
炭素 ０．１０
クロム １２．０
マンガン ０．７
ケイ素 ０．３
モリブデン １．８
ニッケル ２．４
リン ０．０２５
バナジウム ０．３５
硫黄 ０．０２５
鉄 残部
かかる円板から作製された試験片を用いて上記のごときＦＡＴＴ脆化試験を行った。その際には、下記表１中に示される時効温度および時効時間を使用した。
【００１４】
【表１】
上記表１中の代表的なデータが図１のグラフ上にプロットされている。なお、図１には１５０００時間以下の時効時間において得られたデータのみが示されている。
【００１５】
【実施例】
本発明に基づくステンレス鋼ＨＰ Ｍ１５２からガスタービンサイズの円板２個および試験鍛造品１個を製造した。それらから作製された試験片に関し、実施例１の場合と同様にして試験を行った。得られたデータを下記表２中に示す。なお、代表的なデータは図２のグラフ上にプロットされている。
【００１６】
【表２】
表１および２並びに図１および２に示されたデータから明らかなごとく、本発明の新規なステンレス鋼は耐脆化性の点で従来の同等なステンレス鋼よりも遥かに優れている。従って、本発明のステンレス鋼はガスタービン、蒸気タービンおよびジェットエンジン環境中において遥かに長い実用寿命を示し得るのである。
【００１７】
本明細書中においては、特に記載の無い限り、百分率は重量百分率である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマルテンサイト系ステンレス鋼を試験することによって得られたデータに関し、破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）の変化を時効時間（×１０3 時間単位）に対してプロットしたグラフである。
【図２】本発明のステンレス鋼を試験することによって得られたデータに関し、破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）の変化を時効時間（×１０3 時間単位）に対してプロットしたグラフである。
【発明の分野】
本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものであって、更に詳しく言えば、高い強度および靭性並びに可逆脆化および不可逆脆化に対する優れた抵抗性を有する新規な高純度ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【発明の背景】
優れた強度、低い脆性−延性転移温度、および厚形材における良好な硬化特性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は、ガスタービンの羽根車材料として長く使用されてきた。しかしながら、それらは高温に暴露された場合に脆化を生じ易い。かかる脆化は、結晶粒内に有害な相が生成することに原因する場合（不可逆脆化）もあれば、結晶粒界にある種の有害な元素が偏析することに原因する場合（可逆脆化）もある。このような問題を解決するため、不可逆脆化が生じる傾向を制限するモリブデン、コバルトおよびその他の強力な炭化物生成元素の添加が試みられた。かかる試みはある程度の成功を収めたとは言え、可逆脆化の問題はなおも残存している。なぜなら、可逆脆化を緩和するための熱処理は製品における所望の性質および寸法安定性を低下させることがあるからである。また、合金組成（特にリン含量）を変化させることによって得られた結果も、リンを除去するための特別な処置がほとんど無駄であることを示していた。
【０００３】
【発明の概要】
下記に記載されるような発見に基づいて完成された本発明に従えば、高純度Ｍ１５２（ＨＰ Ｍ１５２）と呼ばれる新規なステンレス鋼が提供される。かかるステンレス鋼は従来のステンレス鋼が有する望ましい性質の全てを有するばかりでなく、優れた耐脆化性をも有している。更にまた、かかるステンレス鋼は機械的性質または耐食性の低下を示すことがなく、しかも製造費の僅かな上昇をもたらすに過ぎない。その結果、かかるステンレス鋼はガスタービン、蒸気タービンおよびジェットエンジン用途において特に有利に使用することができる。
【０００４】
本発明の完成の過程において、上記のごとき先行技術の欠点はステンレス鋼のある種の微量成分の量を更に低減させることによって解消し得ることが見出された。すなわち、リン、スズ、アンチモンおよびヒ素の含量を痕跡量よりも僅かに多いレベルにまで制限すれば、脆化の程度が大幅に低下するのである。前述のごとき従来の経験を考慮すれば、かかる系中におけるリンの重要性は意外なものである。更にまた、マンガン含量を０．７重量％から約０．０５０重量％にまで低減させかつケイ素含量を０．３重量％から約０．０５０重量％にまで低減させれば、なお一層の利益が得られる。
【０００５】
また、ステンレス鋼中におけるマンガン、ケイ素およびその他の微量元素の含量が上記の値から変動した場合においても、本発明の新規な結果および利点が一貫して得られることも見出された。すなわち、本発明のステンレス鋼は上記のごとき各種の微量元素を実質的に含有しないことが理想的であるが、実際問題としては、商業的用途または商業的生産に際してそれらの全てがある検出可能な量で存在することは避けられない。しかしながら、全ての微量元素の含量が上記の最大値を越えない限り、所望の性質が顕著な悪影響を受けることはないのである。
【０００６】
簡単に述べれば、本発明の範囲内に含まれるステンレス鋼は下記のごとき基本組成を有している。
元 素 重 量 ％
炭素（Ｃ） ０．０８〜０．１５
硫黄（Ｓ） 最大０．００４
クロム（Ｃｒ） １１．００〜１２．５０
バナジウム（Ｖ） ０．２５〜０．４０
モリブデン（Ｍｏ） １．５０〜２．００
ニッケル（Ｎｉ） ２．５〜３．１０
アルミニウム（Ａｌ） ０．００１〜０．０２７
マンガン（Ｍｎ） ０．０３〜０．１３
鉄（Ｆｅ） 残部
リン（Ｐ） 最大０．０１
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１０〜０．１０
好適な実施の態様に従えば、本発明のステンレス鋼は約０．０５０重量％以下のマンガン、０．０５０重量％以下のケイ素、０．００２０重量％以下のリン、０．００１０重量％以下のスズ、０．０００５重量％以下のアンチモンおよび０．００３０重量％以下のヒ素を含有する。
【０００７】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
上記に略述されかつ図１および２に関連して下記に詳述されるごとく、本発明の新規なステンレス鋼においては組成の僅かな変化が望ましい性質の大幅な変化をもたらすことがあるから、それらの処方および生産には特に注意を払う必要がある。すなわち、最良の融解および鋳造操作に従えば、微量成分の最終含量を綿密に管理しかつ制限するため、精製状態または純粋な状態の合金成分を混合することによって本発明のステンレス鋼が製造される。化学的に純粋な合金成分を使用することが望ましいとは言え、実際には、経済上の理由からそれらは使用されない。その代り、それぞれの微量成分の合計含量が上記の限界を越えないように主要成分の選択が行われる。
【０００８】
かかる管理を怠れば、本発明の主要な利点が実質的に失われる。たとえば、微量成分含量の限界を越えると、得られるステンレス鋼の脆化特性が顕著な悪影響を受けることがある。実際、１種以上の微量成分が限界を越えた場合には、ステンレス鋼を再融解しかつ本発明に従って溶融物の組成を調整する以外に矯正方法は無いのである。
【０００９】
本発明のステンレス鋼と基本的に同じ組成を有する従来のステンレス鋼との間における特に重要な性質の違いは、図１および２のグラフ中に示されている。本明細書中においては、脆化の主たる測度としてＦＡＴＴの変化が使用されるが、これは破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）を測定することによって合金の破壊靭性を評価する方法の１つである。ＦＡＴＴとは、Ｖノッチ付きのシャルピー衝撃試験片が破断して５０％の脆性破壊を示すような温度である。ＦＡＴＴが高くなるほど、材料の延性は小さくなり、従って破壊靭性も小さくなる。
【００１０】
脆化は、高温下における時効から生じるＦＡＴＴの変化を測定することによって定量される。先ず最初に、温度暴露に先立って製造されたままの材料のＦＡＴＴが測定される。この値は「受入れたままのＦＡＴＴ」と呼ばれる。次いで、試験すべき材料に時効を施すため、所望の時効温度を有する炉内に試験ブロックが配置される。一定の時間にわたって時効温度に暴露した後、試験ブロックが取出され、そしてＦＡＴＴが測定される。脆化が起こっていれば、時効後のＦＡＴＴは受入れたままのＦＡＴＴよりも実質的に高くなるはずである。２つの測定値の差［すなわち、（時効後のＦＡＴＴ）−（受入れたままのＦＡＴＴ）］はΔＦＡＴＴと呼ばれる。ΔＦＡＴＴが大きくなるほど、脆化の程度は高くなる。
【００１１】
図１および２に示された２つの場合におけるデータ点並びに特に１００００時間領域において見られるようなデータ点間の顕著な差からわかる通り、本発明のステンレス鋼は従来のステンレス鋼に比べて優れた耐脆化性を示す。
本発明のステンレス鋼から製造された製品は、従来の１２−クロムステンレス鋼から製造されたものに比べ、図面中に例示された耐脆化性の結果として、脆化に原因する靭性の顕著な低下を示すことなしに６００°Ｆ以上の温度下で遥かに長い時間にわたって使用することができる。製造費の僅かな上昇を負担しさえすれば、他の望ましい性質を犠牲にすることなしにこのような利益が得られることは、当業技術における大きな進歩を成すものである。
【００１２】
本発明の新規なステンレス鋼から成る製品は、当業技術に従って適宜に製造することができる。たとえば、ガスタービンの羽根車は現在常用されている鋳造および鍛造技術によって所定の形状および寸法通りに製造することができる。
当業界が本発明を一層明確に理解し得るようにするため、以下に従来のものの比較例と本発明の実施例を示す。比較例と実施例中に記載された実際の実験操作を詳しく検討すれば、本発明の重要な利点および新規な結果が十分に理解されよう。
【００１３】
【比較例】
下記のごとき公称組成を有する市販のマルテンサイト系１２−クロムステンレス鋼［ジェセス(JETHESE) Ｍ１５２］からガスタービンサイズの円板を製造した。
元 素 重量％
炭素 ０．１０
クロム １２．０
マンガン ０．７
ケイ素 ０．３
モリブデン １．８
ニッケル ２．４
リン ０．０２５
バナジウム ０．３５
硫黄 ０．０２５
鉄 残部
かかる円板から作製された試験片を用いて上記のごときＦＡＴＴ脆化試験を行った。その際には、下記表１中に示される時効温度および時効時間を使用した。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【実施例】
本発明に基づくステンレス鋼ＨＰ Ｍ１５２からガスタービンサイズの円板２個および試験鍛造品１個を製造した。それらから作製された試験片に関し、実施例１の場合と同様にして試験を行った。得られたデータを下記表２中に示す。なお、代表的なデータは図２のグラフ上にプロットされている。
【００１６】
【表２】
【００１７】
本明細書中においては、特に記載の無い限り、百分率は重量百分率である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマルテンサイト系ステンレス鋼を試験することによって得られたデータに関し、破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）の変化を時効時間（×１０3 時間単位）に対してプロットしたグラフである。
【図２】本発明のステンレス鋼を試験することによって得られたデータに関し、破壊出現転移温度（ＦＡＴＴ）の変化を時効時間（×１０3 時間単位）に対してプロットしたグラフである。
Claims (3)
- 下記の組成を持ち、高い強度、低い脆性−延性転移温度および優れた硬化特性に加えて優れた耐脆化性を有する結果としてガスタービン、蒸気タービンおよびジェットエンジン用途において特に有用であることを特徴とする高純度のマルテンサイト系ステンレス鋼。
元 素 含 量
炭素 ０．０８〜０．１５重量％
マンガン ０．０３〜０．１３重量％
ケイ素 ０．０２０〜０．１０重量％
クロム １１．００〜１２．５０重量％
モリブデン １．５０〜２．００重量％
ニッケル ２．００〜３．１０重量％
バナジウム ０．２５〜０．４０重量％
リン 最大０．０１０重量％
硫黄 最大０．００４重量％
窒素 最大０．０６０重量％
水素 最大２ppm
酸素 最大５０ppm
アルミニウム ０．００１〜０．０２５重量％
ヒ素 最大０．００６０重量％
アンチモン 最大０．００３０重量％
スズ 最大０．００５０重量％
鉄 残部 - ０．０５０重量％以下のマンガン、０．０５０重量％以下のケイ素、０．００２０重量％以下のリン、０．００２０重量％以下のスズ、０．００１０重量％以下のアンチモンおよび０．００３０重量％以下のヒ素を含有する請求項１記載のステンレス鋼。
- ０．０５０重量％以下のマンガン、０．０５０重量％以下のケイ素、０．００５０重量％以下のリン、０．００４０重量％以下の硫黄、０．００５０重量％以下のスズ、０．００３０重量％以下のアンチモンおよび０．００６０重量％以下のヒ素を含有する請求項１記載のステンレス鋼。
Applications Claiming Priority (3)
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| US936090 | 1992-08-26 | ||
| US07/936,090 US5320687A (en) | 1992-08-26 | 1992-08-26 | Embrittlement resistant stainless steel alloy |
| CA002105456A CA2105456C (en) | 1992-08-26 | 1993-09-02 | Embrittlement resistant stainless steel alloy |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06179953A JPH06179953A (ja) | 1994-06-28 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20734493A Expired - Lifetime JP3854643B2 (ja) | 1992-08-26 | 1993-08-23 | 耐脆化性のステンレス鋼 |
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| Country | Link |
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| CA (1) | CA2105456C (ja) |
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