JP4758430B2

JP4758430B2 - サクションロール用鋼シェルおよび鉄鋼製品の製造方法

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Publication number: JP4758430B2
Application number: JP2007531111A
Authority: JP
Inventors: マッツリルヤス、; ペルレヨハンソン、; コニーベルグクヴィスト、
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: CN101806009A; CN101806009B; SI1786975T1; PL1786975T3; CN101018908B; WO2006041344A8; ES2333737T3; JP2008512579A; CA2584275C; CN101018908A; US20070248484A1; EA010540B1; EP1786975B1; BRPI0514969B1; KR20070110246A; EP1786975A1; EA200700421A1; US20150252529A1; SE0402141D0; SE0402141L

Description

本発明は、サクションロール用鋼シェルと、鉄鋼材料をフライス削り、旋削、および/または穴あけ等の切削作業によって加工する鉄鋼製品の製造方法とに関するものである。

ステンレス鋼は、高耐食性が必要とされる分野で用いられる。高耐食性は、海洋環境、紙パルプ工業、および化学工業で必要とされることがある。一つの例が抄紙機用サクションロールシェルであり、それらはステンレス鋼で製造される。ステンレス鋼の一種に、フェライトとオーステナイトとを含む、いわゆる二相鋼がある。二相鋼は、機械的高強度および強靱性と優れた耐食性とを、とくに応力腐食および腐食疲労について兼ね備えていることで知られている。溶接性等の機械的性質と同様、耐食性にとって、鋼の必須の構成要素であるオーステナイトおよびフェライトについて釣合いがとれていることが重要である。現代の二相鋼開発において、35〜65%のフェライトを含み、残余がオーステナイトであるミクロ組織が望まれている。高強度と優れた耐久性とが要求される分野においては、二相鋼と従来のオーステナイトステンレス鋼との競合がますます激しさを増している。そのような鉄鋼材料が米国特許出願公開公報第2003/0172999号に記載されている。この公報に記載されている鉄鋼材料は、本質的に35〜65体積％のフェライトおよび35〜65体積％のオーステナイトからなるミクロ組織を有するフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼である。当該鋼は、重量％で、炭素を0.005〜0.07、ケイ素を0.1〜2.0、マンガンを3〜8、クロムを19〜23、窒素を0.15〜0.30、およびニッケルを0.5〜1.7含む化学組成を有している。いくつかの他の成分を含有してもよい。

窒素は主要なオーステナイト形成要素であり、鋼の耐食性とともにその強度にも寄与するため、米国特許出願公開公報第2003/0172999号に記載の鋼にとってかなり重要である。このため、上記鋼の窒素含有量は、0.15〜0.30％の範囲内、好ましくは0.20〜0.24％の範囲内にすべきであろうと評価された。しかし、そのような窒素含有量の多い鋼種が被削性に乏しいことは、すでに明らかになっている。ほとんどの場合、特定製品での使用を意図するステンレス鋼は、フライス削り、旋削、または穴あけ等の切削作業が必要である。オーステナイト系ステンレス鋼および二相ステンレス鋼は、それら自体では被削性に乏しく、それゆえステンレス鋼の被削性を向上させるために各種対策がとられている。ステンレス鋼中に窒素が存在することによって被削性が低下することはすでに知られている。たとえば米国特許第4,769,213号において、炭素および窒素の合計含有量が0.05重量％以下になるよう炭素および窒素の含有量を削減することによってマルテンサイト系ステンレス鋼の被削性を向上させる方法が提唱されている。しかし、マルテンサイト系ステンレス鋼は、二相ステンレス鋼と比較すると耐食性に乏しい。オーステナイト系ステンレス鋼について、米国特許第5,482,674号において、炭素および窒素の含有量がともに0.035重量％以下となるように炭素および窒素の含有量を削減するよう提唱している。硫黄の添加が被削性を増進させることがあることも知られている。それゆえ、米国特許第4,784,828号では、オーステナイト系ステンレス鋼に硫黄を添加して被削性を向上させるよう提唱している。炭素および窒素の含有量は極少、合計で0.065重量％までにすべきであることも述べられている。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、二相ステンレス鋼と比較すると強度が弱い。

米国特許第4,964,924号では、サクションロールにマルテンサイト系ステンレス鋼を用いることを提唱している。その公報において、フェライト・オーステナイト二相ステンレス鋼は、穴あけ加工が困難なため、サクションロール用材料として不適当であることが述べられている。代わりに、サクションロールシェルに適するステンレス鋼として、マルテンサイト系で、とりわけ炭素を0を超えて0.06以下のある重量％、ケイ素を0を超えて2以下のある重量％、マンガンを0を超えて2以下のある重量％、ニッケルを3〜6重量％、クロムを14〜17重量％、モリブデンを1〜3重量％、銅を0.5から1.5までのある重量％含有するものを提唱している。

本発明は、優れた耐食性とともに高強度を示し、さらに硫黄の添加処理なしで切削操作に適する鉄鋼材料を見出すという問題に対する回答を提供することを目的とする。また本発明は、優れた耐食性を有し、切削操作によって加工しやすいサクションロールシェルを提供することも目的とする。

本発明者らは、意外にも、上述した米国特許出願公開公報第2003/0172999号に記載されている種類の鉄鋼材料が高強度および優れた耐食性を有するだけでなく、当該材料の硫黄添加処理なしで旋削、フライス削り、および穴あけ等の切削操作に適していることを発見した。また本発明者らは、当該材料が抄紙機のサクションロール用材料としてとくに適し、そのような材料のサクションロールシェルを製造することが好都合であることも発見した。したがって、本発明はこの材料のサクションロールシェルに関するものである。本発明は、とくにサクションロールシェルを加工するとき、そして他の製品、たとえばシャフト等の回転機械部品の加工における切削操作の方法としても理解できる。本発明は、鋼の切削操作において前記鋼を被加工物として使用することから規定することもできる。

そのため、本発明は、多数の貫通穴を有するサクションロールシェルに関するものでもある。本発明のサクションロールシェルは、本質的に35〜65体積％のフェライトおよび35〜65体積％のオーステナイトからなるミクロ組織を有するフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼製である。前述の鋼の組成については、詳細な説明の項においてより詳細に述べる。

また本発明は、本発明のサクションロールシェルを含むサクションロールに関するものでもある。

好ましい実施形態において、切削操作は少なくとも１つの貫通穴を含み、好ましくは多数の穴を含む。とくに好都合な実施形態においては、数十万個の穴の穴あけ加工を含む。穴あけ延べ長さは数kmに及ぶ。切削操作にシェルの外表面および内表面の旋削も含んでよい。

発明の詳細な説明

以下に、サクションロールシェルの製造の概略を示す。図１を参照して、サクションロールシェルの製造の第１ステップを説明する。図１に示すように、基本的に平面状のブランク１が２つのローラの間でローラ曲げ加工されるが、それ自体は公知であり、ここでさらに詳細に説明する必要はない。基本的に円形に曲げ加工された後、ブランク１の両端は溶接継手がブランク１を接合してセグメント９を形成するよう溶接接合される。複数のセグメントは次に円形継手によって接合され、溶接後熱処理されるシェルが形成される。図３に、この出来上がったシェル９がどのように旋削等の加工操作を受けうるかを示す。図３には、シェル９の表面に作用するバイト５を示してある。旋削操作の目的は、シェル９の表面を平滑にすることである。図４に、製造プロセスにおける次のステップを図解的に示してあり、ここでシェル９がドリル６によって穴あけされ、それによってシェルには多数の貫通穴７が設けられる。図５に、円筒型シェル９およびその貫通穴７を備えた、完成したサクションロールシェル８を示す。また図５に、サクションロールシェル８の両端がサイドカバー10によって閉鎖できることを図解的に示す。サクションロールシェル８が使用されるとき、その内部は真空供給源（図示せず）に接続され、貫通穴７を介して外部から空気が吸引されることになる。図面には少数の穴だけを示してある。しかし、実際使用時の穴の数は非常に多数、たとえば100,000以上になることがあるのを理解すべきである。サクションロールシェルは、これまで3RE60 Avesta SRGという名称で市販されている材料で製造されてきた。この鋼は、硫黄処理によって被削性を改善され、以下の代表的な化学組成（重量％）を有するフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼である。
C ：0.02
Si ：1.50
Cr ：18.5
Ni ：4.90
Mo ：2.80
N ：0.08
S ：0.02
結果が良好であったため、鋼3RE60は約30年間サクションロールシェルの製造に使用され、約10年前に被削性の改善のため添加剤が加えられ、その名称が3RE60 SRGに変更された。現在は、その鋼は3RE60 Avesta SRGと呼ばれている。意外にも、さらに窒素を多量に含有し、改善された3RE60 SRGと同等、あるいはある点においてはそれ以上に良好でさえある被削性を有する別のフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼が存在することが分かってきた。この鋼は、本質的に35〜65体積％のフェライトおよび35〜65体積％のオーステナイトからなるミクロ組織を有し、その化学組成は重量％にて下記を含む。
C ：0.005
Si ：0.1〜2.0
Mn ：3〜8
Cr ：19〜23
Ni ：0.5〜1.7
N ：0.15〜0.3
本用途にとくに適する鋼は下記を適度に含有する。任意選択によりモリブデンおよび／またはタングステンの合計量をMo+W/2として1.0以下、任意選択により銅を最大Cuとして1.0まで含有し、残余は鉄および不純物とする。合金中のフェライトおよびオーステナイトの形成要素、すなわちクロムおよびニッケル等価物については、下記の条件を満たすことが好ましい。
20 < Cr_eeq < 24.5
10 < Ni_eq、
ただし、Cr_eq = Cr + 1 .5 Si + Mo + 2 Ti + 0.5 Nb
Ni_eq = Ni + 0.5 Mn + 30 (C+N) + 0.5 (Cu + Co)
有利な実施形態においては、前記鋼は炭素を0.02〜0.05含有する。適切には、前記鋼は、窒素を0.18〜0.26含有し、有利にはクロムを20〜23含有する。好ましい実施形態においては、前記鋼は、ニッケルを0.8〜1.70、さらにより好ましくは1.35〜1.7含有する。

この組成の鋼が、米国特許出願公開公報第2003/0172999号に記載されている。

本発明のとくに有利な実施形態においては、鋼は、窒素を0.22、クロムを2l.5 、ニッケルを1.5、モリブデンを0.3、マンガンを5、炭素を0.04以下含む。そのような鋼が、アヴェスタ、SE-774 22、私書箱74のオウトクンプ・ステンレス・アーベーから販売されている。その鋼は、オウトクンプ社から商品名LDX2101（登録商標）として販売されている。その商品名は、欧州連合における登録商標である。したがって、LDX2101（登録商標）鋼は、サクションロールシェルにおける使用にとくに適している。銅およびケイ素の最適な含有量は、それぞれ銅が0.3、ケイ素が0.7である。指針値、銅：0.3、ケイ素：0.7（重量％にて）はLDX2101（登録商標）に対して適用される。

たとえば、3RE60 Avesta SRGと比較した場合、上述した種類の鋼は相対的に高い窒素含有量を有している。窒素によって被削性が損なわれる傾向があることが知られているため、被削性がより乏しいことが予測された。しかし、意外にも、本発明に従って使用された前記鋼の被削性が予想を大幅に上まわることが明らかになった。

図６に、鋼LDX 2101（登録商標）と他の２つの被削性を改善したオーステナイト鋼、すなわち304L PRODEC（登録商標）および316L PRODEC（登録商標）との比較をそれぞれ行なった比較試験の結果を示す。鋼304L PRODEC（登録商標）は、以下の化学組成（重量％）を有する。
C ：0.02
Si ：0.5
Mn ：1.5
Cr ：18.2
Ni ：8.4
Mo ：原則的に不含
N ：0.07
S ：0.02
鋼316L PRODEC（登録商標）は、以下の化学組成を有する。
C ：0.02
Si ：0.5
Mn ：l.5
Cr ：17.2
Ni ：11.2
Mo ：2.3
N ：0.05
S ：0.02
被削性を改善した両オーステナイト鋼304L PRODEC（登録商標）および316L PRODEC（登録商標）の窒素含有量はLDX 2101（登録商標）鋼よりかなり低く、通常、これらの鋼の被削性はLDX 2101鋼より良好であることが予想されるであろう。しかし、加工時間30分間、高速度鋼バイトを使用した旋削試験において、LDX 2101（登録商標）鋼が他の２つの鋼と比較してかなり速い切削速度で加工できることが明らかとなり、その結果を図６に示してある。

図７に、LDX 2101（登録商標）鋼と304L PRODEC（登録商標）および316L PRODEC（登録商標）との追加の比較試験結果を示す。図７には、加工時間15分間、超硬合金の刃先による旋削試験結果を示してある。この場合においては、LDX 2102（登録商標）鋼の切削速度は、他の２つの鋼と比較して若干低かった。しかしその差はほんのわずかである。

図８に、鋼LDX 2101（登録商標）を、2205の名称で市販されている従来の二相鋼と比較した別の試験を示す。この鋼は、LDX 2101（登録商標）よりも高度に合金化され、規格(EN 14462)化され、多数の用途に使用されている。この鋼は、被削性改善添加剤を含まず、この種のサクションロールシェルには使用されていない。2205は以下の組成を有している。
C ：0.02
Si ：0.4
Mn ：1.5
Cr ：22.2
Ni ：5.7
Mo ：3.l
N ：0.17
S ：0.00l
この試験において、超硬合金の刃先を用いてフライス削りを行なう場合の工具の使用寿命について比較を行なった。図８から明らかなように、工具の使用寿命は、LDX 2101鋼を加工する場合は鋼2005の加工と比較して相当長かった。

最後に、さらにもう１つの試験を図９に示す。図９に示す試験において、DX 2101（登録商標）鋼とサクションロールシェルに用いられる他の３つの鋼種、すなわち2304 Avesta SRG、3RE60 Avesta SRG、および 2205 Avesta SRGとの比較を行なった。SRG（サクションロールグレード）と明示されているすべての鋼は、硫黄添加によって被削性が改善されている。鋼2304 Avesta SRGは、以下の代表的な組成を有している。
C ：0.02
Si ：0.8
Mn ：1.5
Cr ：22.7
Ni ：4.7
Mo ：0.3
N ：0.09
S ：0.02
鋼2205 Avesta SRGは、以下の代表的な組成を有している。
C ：0.017
Si ：0.6
Mn ：1.35
Cr ：22.0
Ni ：5.7
Mo ：2.9
N ：0.l3
S ：0.02
図９に示す試験において、工具の不具合がない場合に切削長さ1000mmを達成できる切削速度に関して異なる金属の比較を行なった。図９から明らかなように、 LDX 2101（登録商標）は被削性改善鋼2205 Avesta SRGおよび2304 Avesta SRGよりかなり優れ、 3RE60 Avesta SRGよりかなり多量の窒素を含んでいるにもかかわらず、この点において被削性改善鋼3RE60 Avesta SRGと同等に良好である。硫黄等のいわゆる被削性改善添加剤なしで材料の被削性が得られるとすると明白な技術上の利点となるが、それは添加剤が圧延性の低下、耐食性の低下等の複数の欠点をもたらすためである。

本発明について、１つのサクションロールシェルと１つの方法とについて説明してきたが、本発明による方法は、本発明のサクションロールシェルの製造に使用するのに適しているため、それらは同一の発明の異なった側面にすぎないことを理解すべきである。

本発明によって、とりわけ、完成したロールシェルの非常に良好な耐食性が達成されるという利点が得られる。

サクションロールシェル用ブランクの曲げ加工を示す図である。曲げ加工および溶接接合されてシェルを形成したブランクを示す図である。図２のシェルの加工の第１ステップを図解的に示す図である。シェルの加工の第２ステップを示す図である。完成したサクションロールシェルを示す図である。ないし被削性について本発明による鋼と他の鋼との比較を行なった比較試験の結果を示す図である。

Claims

多数の貫通穴が設けられたサクションロールシェルにおいて、該シェルは、本質的に35〜65体積％のフェライトと35〜65体積％のオーステナイトとからなるミクロ組織を有するフェライト・オーステナイト系ステンレス鋼で形成され、その化学組成が重量％で、炭素を0.005〜0.07、ケイ素を0.1〜2.0、マンガンを3〜8、クロムを19〜23、ニッケルを0.5〜1.7、窒素を0.15〜0.30含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼は、
a) 任意選択によりモリブデンおよび/またはタングステンの合計量をMo+W/2として1.0以下、
b) 任意選択により銅をCuとして最大1.0まで、残余は鉄および不純物
を含み、
合金中のフェライトおよびオーステナイトの形成要素、すなわちクロムおよびニッケル等価物については、下記の条件、
c) 20 < Cr_eq < 24.5
d) 10 < Ni_eq、
を満足する量であり、
e) ただし、Cr_eq = Cr + 1 .5 Si + Mo + 2 Ti + 0.5 Nb
f) Ni_eq = Ni + 0.5 Mn + 30 (C+N) + 0.5 (Cu + Co)
であることを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１または２に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼は炭素を0.02〜0.05含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１または２に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼は窒素を0.18〜0.26含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１または２に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼はクロムを20〜23含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１または２に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼はニッケルを0.8〜1.70含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項６に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼はニッケルを1.35〜1.7含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１または２に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼は、窒素を0.22、クロムを21.5、ニッケルを1.5、モリブデンを0.3、マンガンを5、炭素を0.04以下含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項８に記載のサクションロールシェルにおいて、前記鋼は、銅を0.3および／またはケイ素を0.7含むことを特徴とするサクションロールシェル。
請求項１ないし９のいずれかに記載のサクションロールシェルを有することを特徴とするサクションロール。
被加工鋼材を用意し、該被加工鋼材を切削操作によって加工する、多数の貫通穴が設けられたサクションロールシェルの製造方法において、前記被加工材の鋼は、本質的に35〜65体積％のフェライトおよび35〜65体積％のオーステナイトからなるミクロ組織を有し、重量％で炭素を0.005〜0.07、ケイ素を0.1〜2.0、マンガンを3〜8、クロムを19〜23、ニッケルを0.5〜1.7、窒素を0.15〜0.30含む化学組成を有することを特徴とする製造方法。
請求項11に記載の方法において、前記鋼は、
a) 任意選択によりモリブデンおよび／またはタングステンの合計量をMo+W/2として1.0以下、
b) 任意選択により銅をCuとして最大1.0まで、残余は鉄および不純物
を含み、
合金中のフェライトおよびオーステナイトの形成要素、すなわちクロムおよびニッケル等価物については、下記の条件、
c) 20 < Cr_eq < 24.5
d) 10 < Ni_eq
を満足する量であり、
e) ただし、r_eq = Cr + 1 .5 Si + Mo + 2 Ti + 0.5 Nb
f) Ni_eq = Ni + 0.5 Mn + 30 (C+N) + 0.5 (Cu + Co)
ことを特徴とする製造方法。
請求項12に記載の方法において、前記鋼は炭素を0.02〜0.05含有することを特徴とする製造方法。
請求項12に記載の方法において、前記鋼は窒素を0.18〜0.26含有することを特徴とする製造方法。
請求項12に記載の方法において、前記鋼はクロムを20〜23含有することを特徴とする製造方法。
請求項12に記載の方法において、前記鋼はニッケルを0.8〜1.70含有することを特徴とする製造方法。
請求項12に記載の方法において、前記鋼は窒素を0.22、クロムを21.5、ニッケルを1.5、モリブデンを0.3、マンガンを5、炭素を0.04以下含有することを特徴とする製造方法。
請求項11ないし17のいずれかに記載の方法において、前記切削操作に少なくとも１つの貫通穴の穴あけを含むことを特徴とする製造方法。
請求項11ないし18に記載の方法において、前記切削操作に旋削を含むことを特徴とする製造方法。
請求項18に記載の方法において、旋削した後で少なくとも１つの貫通穴の穴あけを行なうことを特徴とする製造方法。