JP4691621B2

JP4691621B2 - 高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金の製造方法

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Publication number: JP4691621B2
Application number: JP2001049864A
Authority: JP
Inventors: 龍二広田; 広森川; 隆山内
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002249826A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱処理で極低Ｃ化及び極低Ｎ化したＦｅ−Ｃｒ系合金を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃ及びＮ含有量を極力抑えたＦｅ−Ｃｒ系合金は、耐食性，機械的特性，磁気特性に優れた材料である。この種のＦｅ−Ｃｒ系合金は、一般的には精錬プロセス、具体的には転炉で粗脱炭した後，真空脱ガスで目標炭素濃度まで脱炭する転炉−真空脱炭法（ＶＯＤプロセス）で製造されている。
精錬プロセス以外にも、Ｆｅ−Ｃｒ合金を水素雰囲気下で８５０〜１２００℃の温度に５分〜２０時間保持することによりＣ量を０．０１５質量％以下に下げる方法（特開昭４９−６３６１８号公報），Ｆｅ−Ｃｒ合金を水素雰囲気下で８５０〜１２００℃の温度に５分〜２０時間保持することによりＣ量及びＮ量を０．０１質量％以下に下げる方法（特開昭５０−７９４１９号公報）等の雰囲気熱処理プロセスを利用した方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＶＯＤプロセスでは，目標Ｃ濃度に到達するためには真空脱ガスにおいて極めて長時間の脱炭処理が必要となる。そのため、作業効率が著しく低下し、製造コストの上昇を招く。
熱処理で脱炭・脱窒する方法では、熱処理雰囲気の露点によっては脱炭反応が生じないことがあり、また開示されている合金成分及び熱処理条件では必ずしも脱窒が生じないこともある。しかも、特開昭５０−７９４１９号公報によるとき、Ｎ量は最低で０．００２質量％まで低減されているものの、Ｃ量は最低で０．００５質量％に低減されているに過ぎず、十分に極低Ｃ化・極低Ｎ化されたとは言い難い。
【０００４】
ところで、Ｆｅ−Ｃｒ系合金の耐食性，機械的特性及び磁気特性を向上させるためには、Ｃ量及びＮ量共に０．００３質量％以下が要求される。たとえば、Ｆｅ−１６％Ｃｒ鋼は、Ｃ量及びＮ量が少ないほどビッカース硬さＨＶが低くなる（図１）。部品形状に加工する打抜き加工等を考慮すると、Ｆｅ−１６％Ｃｒ鋼等のステンレス鋼は軟質であることが要求され、ビッカース硬度で１４０ＨＶ未満が好ましいとされている。ビッカース硬さ１４０ＨＶ未満は、Ｃ量及びＮ量が共に０．００３質量％以下のときに得られる。しかし、従来の熱処理による極低Ｃ化・極低Ｎ化は、ビッカース硬さ１４０ＨＶ未満を達成するためには不充分である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、熱処理条件の適正管理により、低コストで且つ安定してＣ量及びＮ量を共に０．００３質量％以下に低減した高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金を製造することを目的とする。
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｔｉ：０．０１質量％以下，Ａｌ：０．０１質量％以下のＦｅ−Ｃｒ系の合金帯又は合金板を式（１）を満足する窒素濃度P_N2（％）の水素雰囲気中で脱炭焼鈍する際、熱処理温度Ｔ（℃）を７００〜１２００℃の範囲に保ち、雰囲気の露点Ｄ_P（℃）及び熱処理温度Ｔとの間に式（２）の関係を成立させ、Ｃ量を０．００３質量％以下，Ｎ量を０．００３質量％以下に低減することを特徴とする。
P_N2（％）≦40.2×exp(−0.005T) ・・・・（１）
−0.041T−46.2≦D_P≦0.063T−86.9 ・・・・（２）
【０００６】
更に、Ｆｅ−Ｃｒ系の合金帯又は合金板の板厚をｔ（ｍｍ），熱処理保持時間をＨ（時）とするとき、式（３）又は（４）の条件を満足させることが好ましい。
96≧H≧a・t+b （-13.4＋2.1・lnT≦t≦9.0のとき）・・・（３）
96≧H≧a・(-13.4＋2.1・lnT)+b （t≦-13.4＋2.1・lnTのとき）・・（４）
ただし、a＝128.2−17.4・lnT, b＝94.6−13.9・lnT
【０００７】
【実施の形態】
本発明者等は、脱炭反応及び脱窒反応に及ぼす熱処理条件の影響を種々調査検討した。その結果、熱処理されるＦｅ−Ｃｒ系合金の成分・組成を調整すると共に、熱処理雰囲気の露点Ｄ_P及び熱処理温度Ｔを適正管理することにより、Ｃ量及びＮ量が共に０．００３質量％以下の高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金が得られることを見出した。更に板厚ｔとの関係で熱処理保持時間Ｈを管理するとき、脱炭反応及び脱窒反応が効果的に進行し、Ｃ：０．００３質量％以下，Ｎ；０．００３質量％以下の高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金が安定して製造されることを見出した。
【０００８】
熱処理で脱炭・脱窒されるＦｅ−Ｃｒ系合金は、Ｃ：０．１０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｔｉ：０．０１質量％以下，Ａｌ：０．０１質量％以下に調整される。初期Ｃ量及び初期Ｎ量が高いと脱炭・脱窒に必要な熱処理保持時間Ｈが長くなるので、生産性及び経済性を考慮してＣ：０．１０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下に規制する。Ｔｉ及びＡｌは、合金中Ｎと反応して窒化物としてＮを固定し、脱窒反応を阻害する原因となるので共に０．０１質量％以下に規制する。
【０００９】
脱炭反応は、合金中Ｃの酸化反応、すなわち合金中Ｃと雰囲気中の酸素又は水蒸気との気相／固相反応であり、雰囲気中の露点Ｄ_Pが高いほど容易に進行する。本発明者等による調査結果から、水蒸気雰囲気では露点Ｄ_Pと熱処理温度Ｔとの間にＤ_P≧−０．０４１Ｔ−４６．２の関係が成立する範囲が合金中Ｃの酸化領域となり、脱炭反応が進行することが判った（図３）。他方、Ｄ_P＞０．０６３Ｔ−８６．９の範囲は、Ｃｒの酸化物が生成する領域であり、生成したクロム酸化物皮膜が脱炭反応を阻害する。
【００１０】
したがって、クロム酸化物を生成することなく脱炭反応を進行させるためには、Ｄ_P≦０．０６３Ｔ−８６．９のＣｒ非酸化領域に維持することが必要となる。このようなことから、熱処理雰囲気の露点Ｄ_Pと熱処理温度Ｔとの間に式（１）の関係を成立させる。また、７００℃未満の熱処理温度Ｔでは脱炭反応が進行しがたく、逆に１２００℃を超える熱処理温度Ｔでは高温雰囲気に耐える加熱炉の構築が困難になる。以上のことから、図３に示す斜線領域に露点Ｄ_P及び熱処理温度Ｔを設定することが重要である。
【００１１】
一方、脱窒反応は、合金中Ｎの活量及び雰囲気中の窒素分圧によって決定され、合金中Ｎの活量が高く雰囲気の窒素分圧が低いほど容易に進行する。したがって、脱窒反応を効果的に進行させる上で、窒素分圧が極めて低い水素雰囲気を使用することが必要である。熱処理後の鋼中Ｎ濃度を０．００３質量％以下に低減する上では、熱処理に使用される雰囲気ガスの窒素濃度P_N2（％）と熱処理温度Ｔ（℃）との間に次式の関係を成立させることが必要である。
P_N2（％）≦40.2×exp(−0.005T)
【００１２】
式（１）は、本発明者等による多数の実験結果から見出されたものであり、図２に示すように熱処理温度Ｔ−窒素濃度P_N2のグラフ上で式（１）を境として熱処理後の鋼中Ｎ量がＮ＞０．００３質量％又はＮ≦０．００３質量％となる。また、式（１）によるとき、７００〜１２００℃の熱処理温度域でＮ₂濃度を０．１〜１．２％とする必要がある。このようなＮ₂濃度は、工業的に十分実現可能な値である。
【００１３】
また、合金中Ｎの活量は、Ｎに結合して固定化しやすいＴｉ及びＡｌを含んでいると低下する。Ｆｅ−Ｃｒ系合金のＡｌ含有量及びＴｉ含有量は、Ｎ：０．００３質量％以下を達成するために、Ａｌ：０．０１質量％以下，Ｔｉ：０．０１質量％以下に下げる必要がある。
【００１４】
Ｆｅ−Ｃｒ系合金の脱炭・脱窒反応は、合金中のＣ及びＮの拡散によっても律速される。この点、熱処理温度Ｔを高く、熱処理保持時間Ｈを長く、板厚ｔを薄くするほどＣ量及びＮ量が効果的に低減される。しかし、Ｆｅ−Ｃｒ系合金中のＮ拡散はＣ拡散に比較して遅い。したがって、Ｃ量及びＮ量共に０．００３質量％以下の高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金を得るために、少なくともＮ：０．００３質量％以下になる熱処理温度Ｔ，熱処理保持時間Ｈ，板厚ｔに設定する。
【００１５】
初期Ｎ量が０．０１２質量％のＦｅ−１６％Ｃｒ系合金を水素雰囲気中で熱処理し，Ｎ量が０．００３質量％以下になる熱処理温度Ｔ、熱処理保持時間Ｈ及び板厚ｔを調査した結果を図４に示す。図４から，熱処理温度Ｔが高いほど、Ｎ量が０．００３質量％以下になる熱処理保持時間Ｈ及び板厚ｔの範囲が広がることが判る。板厚ｔが薄いほどＮ量の低減には有利であるが，各熱処理温度Ｔにおいて板厚ｔがある値を下回ると、Ｎ量が０．００３質量％以下になる熱処理保持時間Ｈはほとんど変化しない。図４の関係を回帰式で一般化して図５に示す。熱処理保持時間Ｈが長時間になるほど生産性、経済性が低下するので、熱処理保持時間Ｈの上限を好ましくは９６時間に設定する。また、厚すぎる板厚ｔではＦｅ−Ｃｒ系合金の巻取りが困難になるので、板厚ｔの上限を好ましくは９．０ｍｍに設定する。このような熱処理保持時間Ｈ及び板厚ｔに加わる条件を考慮すると、熱処理保持時間Ｈ及び板厚ｔの間に前掲の式（１）及び（２）の関係を成立させることが好ましい。
【００１６】
【実施例】
表１に示す組成のＦｅ−Ｃｒ系合金を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鍛造，熱間圧延，熱延板焼鈍，表面検索，冷間圧延，仕上げ焼鈍及び酸洗の各工程を経て、板厚０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍの合金帯を製造した。表１中、Ａは本発明で既定した成分条件を満足するＦｅ−Ｃｒ系合金であり、ＢはＡｌ及びＴｉを含むＦｅ−Ｃｒ系合金である。
【００１７】

【００１８】
各合金帯を水素雰囲気中で熱処理し、熱処理されたＦｅ−Ｃｒ系合金のＣ量及びＮ量に及ぼす熱処理条件の影響を調査した。表２の調査結果にみられるように、本発明で規定した熱処理条件を満足する試験番号１〜６では、熱処理後のＣ量及びＮ量が共に０．００３質量％以下に低減した。
これに対し、同じ合金Ａを熱処理した場合でも、熱処理温度Ｔ及び露点Ｄ_Pが本発明で規定した条件を満足しない試験番号７，８では、Ｃ量が全く低減しなかった。熱処理保持時間Ｈが短い試験番号９では、Ｃ量及びＮ量共に０．００３質量％を超えていた。また、熱処理保持時間Ｈが十分でない試験番号１０では、Ｃ量が０．００３質量％まで低下したものの、Ｎ量は０．００５質量％と依然として高い含有量であった。２５体積％の窒素を含む水素雰囲気で熱処理した試験番号１１，１２では、Ｃ量は０．００３質量％以下に低減するものの、Ｎ量は低減することなく逆に窒化されていた。Ｔｉ及びＡｌを含む合金Ｂを熱処理した試験番号１３，１４では、本発明で規定した熱処理条件を満足するにも拘らず、Ｎ量が全く低減しなかった。
【００１９】
この対比から明らかなように、熱処理前のＦｅ−Ｃｒ系合金の成分・組成を規定し且つ特定された条件下で熱処理することにより、Ｃ量及びＮ量を共に０．００３質量％以下に低減した高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金が製造されることが確認された。
【００２０】

【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、脱窒反応に悪影響を及ぼすＡｌ及びＴｉを実質的に含まないＦｅ−Ｃｒ系合金を特定条件下の水素雰囲気中で熱処理することにより脱炭・脱窒反応を促進させ、Ｃ量及びＮ量を共に０．００３質量％以下に低減した高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金を製造している。得られた高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金は、本来の優れた耐食性，機械的特性，磁気特性等を活用し、加工性にも優れているため建築用，自動車用，高耐食用，高加工用，高磁気特性用，電磁用等、種々の分野で使用される。また、精錬プロセスのように長時間の処理を必要としないため、生産性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｆｅ−Ｃｒ系合金の硬さに及ぼすＣ量及びＮ量の影響を表したグラフ
【図２】熱処理後の鋼中Ｎ量に及ぼす雰囲気ガスのＮ₂濃度及び熱処理温度の影響を表したグラフ
【図３】Ｆｅ−Ｃｒ系合金の脱炭焼鈍が可能な熱処理雰囲気の露点と温度との関係を示すグラフ
【図４】各熱処理温度に応じて熱処理後のＦｅ−Ｃｒ系合金のＮ量を０．００３質量％以下に下げることが可能な板厚及び熱処理保持時間の領域を示すグラフ
【図５】熱処理によりＦｅ−Ｃｒ系合金のＮ量を０．００３質量％以下に下げることが可能な板厚及び熱処理保持時間の関係を示したグラフ

Claims

Ｃ：０．１０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｔｉ：０．０１質量％以下，Ａｌ：０．０１質量％以下のＦｅ−Ｃｒ系の合金帯又は合金板を式（１）を満足する窒素濃度P_N2（％）の水素雰囲気中で脱炭焼鈍する際、熱処理温度Ｔ（℃）を７００〜１２００℃の範囲に保ち、雰囲気の露点Ｄ_P（℃）及び熱処理温度Ｔとの間に式（２）の関係を成立させ、Ｃ量を０．００３質量％以下，Ｎ量を０．００３質量％以下に低減することを特徴とする高純度Ｆｅ−Ｃｒ系合金の製造方法。
P_N2（％）≦40.2×exp(−0.005T) ・・・・（１）
−0.041T−46.2≦D_P≦0.063T−86.9 ・・・・（２）
Ｆｅ−Ｃｒ系の合金帯又は合金板の板厚をｔ（ｍｍ），熱処理保持時間をＨ（時）とするとき、次式を満足する条件下で脱炭焼鈍する請求項１記載の製造方法。
96≧H≧a・t+b （-13.4＋2.1・lnT≦t≦9.0のとき）
96≧H≧a・(-13.4＋2.1・lnT)+b （t≦-13.4＋2.1・lnTのとき）
ただし、a＝128.2−17.4・lnT, b＝94.6−13.9・lnT