JP5318763B2 - 低温靭性鋼を製造するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、鋼、特にマルテンサイト鋼を製造するための方法に関する。
今日の機械製造では一般に、鋼が、例えば圧縮機内で、マイナス１００℃未満の低温で利用される。大抵の鋼種はフェライト／マルテンサイト結晶構造を有し、こうした低温ではきわめて脆くなる。従ってこれらの鋼種はマイナス１００℃での多くの応用にはもはや使用することができない。フェライト／マルテンサイト結晶構造を有する鋼種の代わりに別の鋼、つまり低温靭性鋼を利用する救済策を講じることができよう。低温靭性鋼はそれらのオーステナイト構造を特徴としており、比較的柔らかい。さらに、これらの低温靭性鋼の強度は小さい。
固体物体において靭性とは、機械荷重をかけた時に巨視的に測定可能に塑性変形することのできる性質のことである。物体が塑性形状変化に対抗する抵抗の強さ、すなわち変形のために加えられねばならない機械応力および／またはエネルギーの値も、靭性と称することができる。脆性はこれとは逆の性質と称することができる。
それでもなお、要求の厳しい機械製造においてマイナス１００℃以下において鋼を利用できるようにするために、オーステナイト組織割合１０％〜２０％の高強度鋼が使用される。これらの鋼はさらになお良好な低温特性も示す。１０％〜２０％のオーステナイト割合は適切な熱処理と９％ニッケルの合金含有量とによって得られる。この鋼は規格表示Ｘ８Ｎｉ９としても知られている。
しかしながら９％ニッケル鋼の欠点としてこの鋼は機械荷重のもとで比較的早くクリープ現象が生じ始める。さらに、例えば圧縮機の軸は異なる温度に曝されるとき変形することがある。この変形は、なかんずく、オーステナイトが軸中に不規則に分布して現れるとき起きる。
この点を本発明が取り上げ、本発明の課題は、鋼の低温靭性を高める鋼製造方法を明示し、この方法を簡単に実践することである。
この課題は、焼入れと焼戻しとを含む熱処理が実行される鋼を製造するための方法であって、
ａ）９２０℃〜９６０℃の温度で焼入れするステップ、
ｂ）８２０℃〜８６０℃の温度で第２焼入れを実行するステップ
ｃ）６２０℃〜６６０℃の温度で焼戻すステップを含む方法によって解決される。
本方法の利点は、なかんずく、鋼が高い低温靭性を有するように鋼を改善する比較的簡単な可能性が本方法で提供されることにある。本発明は約８５０℃で1回だけの焼入れ過程と空気冷却時に約６３０℃での焼戻し過程が行なわれる標準熱処理では満足のゆく鋼特性が得られないとの観点から出発している。第１温度での第１焼入れと第２温度での第２焼入れとが水焼入れ下に行われ、引き続き上記温度範囲内の温度での焼戻しが行われる本発明に係る熱処理によって、意外なことに、比較的高い低温靭性の鋼が生成される。これによりこの鋼は少なくともマイナス１７０℃まで、例えば圧縮機用軸材料として、使用することができる。
本方法では、好ましくは３．５％Ｎｉおよび１．５％Ｃｒ型のマルテンサイト鋼、特に鉄鋼材料シート（ＳＥＷ）５５５による鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５が使用される。前記ＳＥＷ５５５によれば、前記２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５の質量％で示す組成は、下記のとおりである。即ち、Ｃ：０．２２〜０．３２％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．１５〜０．４０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００７％以下、Ｃｒ：１．２０〜１．８０％、Ｍｏ：０．２５〜０．４５％、Ｎｉ：３．４０〜４．００％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部Ｆｅからなる。
マルテンサイト鋼がこの方法に特別適していることが判明した。さらに、マルテンサイト鋼は特別簡単に、従って比較的安価に製造することができる。
特に鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５は、本発明に係る熱処理によって比較的高い低温靭性を備えることのできる鋼である。特にこの鋼は圧縮機用軸材料として使用することができる。さらに、鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５はタービンおよび発電機用のいわゆる標準軸材料であり、それゆえに例えば表示Ｘ８Ｎｉ９の鋼よりも一層良好に入手可能である。鋼Ｘ８Ｎｉ９は例えば特殊溶融で生成されねばならない。さらに、鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５はその合金元素含有量が低いのでＸ８Ｎｉ９よりも安価である。
他の利点として、マルテンサイト結晶構造は機械荷重のもとで一層好ましい挙動をもたらす。
他の利点として、均一な結晶構造により熱膨張挙動時の特殊性が防止される。
他の有利な１構成において、ステップａ）、ｂ）の焼入れ過程のとき水焼入れが行われる。
これにより、焼入れ過程を特別安価にする可能性が生じる。その際に他の観点として、水焼入れが良好な結果をもたらす。
他の有利な１構成において、焼戻し過程が空気冷却下で実行される。
ここでも特別な利点は、空気冷却によって行なわれる簡単な方法でごく良好な結果が達成されることにある。この方法で生成される鋼はきわめて高い低温靭性を示す。
本発明の実施例が以下で詳しく述べられる。
９％ニッケル鋼の代わりに鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５が使用される。鋼の低温靭性を高めるための方法が応用され、実行される熱処理は以下のステップを特徴としている：
１）９２０℃〜９６０℃の温度で焼入れするステップ、
２）８２０℃〜８６０℃の温度で第２焼入れを実行するステップ
３）６２０℃〜６６０℃の温度で焼戻すステップ。
第１焼入れ過程における温度は特に約９５０℃とすべきであることが判明した。理想的には、第２焼入れ時の温度は約８５０℃である。
同様に、焼戻し過程中の温度は理想的には約６３０℃とすべきであることが判明した。
この特別な熱処理によって、少なくともマイナス１７０℃まで圧縮機用軸材料として使用できるほどに高い低温靭性をマルテンサイト鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５に備えることが可能になる。しかしこの熱処理を施された鋼は別の用途にも利用可能である。十分な装入量の鋼２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５が標準熱処理でも十分な低温靭性を有することがあることが判明した。すなわちこの標準熱処理ではまず約８５０℃で焼入れし、水中急冷し、引き続き６３０℃の温度で空気冷却下で焼戻される。しかし、低温圧縮機において必要とされるような低温靭性に関する良好な値を確保するためには本発明に係る熱処理が必要である。

Claims (3)

  1. 圧縮機用の軸を１つの軸材料から製造する際の熱処理方法であって、下記の特定されたステップを含み、その際、前記熱処理はマルテンサイト鋼に対して実行され、前記マルテンサイト鋼の質量％で示す組成は、Ｃ：０．２２〜０．３２％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．１５〜０．４０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００７％以下、Ｃｒ：１．２０〜１．８０％、Ｍｏ：０．２５〜０．４５％、Ｎｉ：３．４０〜４．００％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部Ｆｅであることを特徴とする方法。
    ａ）９２０℃〜９６０℃の温度で第１焼入れするステップ
    ｂ）８２０℃〜８６０℃の温度で第２焼入れするステップ
    ｃ）６２０℃〜６６０℃の温度で焼戻すステップ
  2. 前記ステップａ）、ｂ）の焼入れ過程のとき水焼入れが行われる請求項１記載の方法。
  3. 前記ステップｃ）の焼戻し過程が空気冷却下で行われる請求項１または２に記載の方法。
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