JP5746987B2 - 高強度オーステナイト鋼と、それを用いた産業製品 - Google Patents
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Description
本発明は、高強度オーステナイト鋼と、それを用いた産業製品に関する。
これまで、産業製品用の高強度オーステナイト鋼には、ＳＵＨ６６０（国外ではＡ２８６）と呼称される合金が用いられている。
従来、産業製品用の高強度オーステナイト鋼にはＳＵＨ６６０が用いられてきたが、この合金は化学成分のＮｉ量が多いために、熱間加工性と切削加工性が不十分であった。
本発明の目的は、熱間加工性および切削加工性が優れた高強度オーステナイト鋼およびそれを用いた産業製品を提供することにある。
上記課題を解決する本願発明は、Ｎｉ量を従来よりも低減した高強度オーステナイト鋼にある。
高強度オーステナイト鋼は、質量％で、Ｃ：０.０１〜０.０８％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０１〜２.００％、Ｎｉ：１５.００〜２３.００％未満、Ｃｒ：１３.５０〜１６.００％、Ｍｏ：０.５０〜２.００％、Ｖ：０.０１〜０.５０％、Ｔｉ：１.９０〜２.３５％、Ａｌ：０.０１〜０.４０％、残部が不可避の不純物およびＦｅであることを特徴としている。
本発明によれば、熱間加工性および切削加工性に優れているため、製造時の材料歩留まりが向上し、切削加工時の寸法精度が向上する。また、従来のＳＵＨ６６０と同等の機械的性質および磁気的性質を有しているため産業製品一般に利用することができる。
従来用いられてきた高強度オーステナイト鋼は熱間加工性が悪く、材料歩留まりがよくなかった。また、切削加工性が悪く寸法精度が十分ではなかった。しかし、発明者らは、合金の切削加工性に及ぼす成分元素の影響について研究を行い、特定範囲のＮｉを含む場合に切削加工性および熱間加工性を向上する効果のあることを見出した。さらに、不純物の硫黄（Ｓ）が多い場合に、Ｚｒ、Ｍｇなどを含むことにより熱間加工性が向上することを見出した。このようにして得られた合金を用いることにより、高強度オーステナイト鋼の製造が容易となり、かつ優れた機械的・磁気的性質が得られることを見出した。
以下に、高強度オーステナイト鋼を構成する合金に添加されている元素の効果と、その組成の範囲の限定理由を述べる。
炭素（Ｃ）はＴｉＣ化合物粒子形成による結晶粒微細化作用があるので、高強度オーステナイト鋼の０.２％耐力を高めるために必須の元素で、０.０１％以上必要である。しかし、０.０８％を超えると高強度オーステナイト鋼の延性および靭性を低下させるため、炭素の範囲は０.０１〜０.０８％とする。
ケイ素（Ｓｉ）は脱酸効果があり、高強度オーステナイト鋼の清浄度を高めるために必須の元素で、０.０１％以上添加するが、１.００％を超えると非金属介在物が多くなるため、ケイ素の範囲は０.０１〜１.００％にすべきである。
マンガン（Ｍｎ）は脱酸効果があり、高強度オーステナイト鋼の清浄度を高めるために必須の元素で、０.０１％以上添加するが、２.００％を超えると、非金属介在物が多くなるため、マンガンの範囲は０.０１〜２.００％とする。
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト組織を安定化させる効果があり、高強度オーステナイト鋼でオーステナイト相を得るために必須の元素で、１５.００％以上必要である。しかし、２３.００％を超えると切削加工性と熱間加工性を損ねるため、ニッケルの範囲は１６.００〜２３.００％未満とする。
クロム（Ｃｒ）はオーステナイト組織を安定化させ、かつ耐食性を向上する効果があり、高強度オーステナイト鋼でオーステナイト相と耐食性・耐酸化性を得るために必須の元素で、１３.５０％以上必要である。しかし、１６.００％を超えるとデルタ・フェライトを生じて非磁性を損ねるため、クロムの範囲は１３.５０〜１６.００％とする。
モリブデン（Ｍｏ）は耐食性を向上する効果があり、高強度オーステナイト鋼で耐食性・耐酸化性を得るために必須の元素で、０.５０％以上必要である。しかし、２.００％を超えるとデルタ・フェライトを生じて非磁性を損ねるため、モリブデンの範囲はＭｏ：０.５０〜２.００％とする。
バナジウム（Ｖ）は炭化物粒子形成による結晶粒微細化作用があるので、高強度オーステナイト鋼の０.２％耐力を高めるために必須の元素で、０.０１％以上必要である。しかし、０.０５％を超えると高強度オーステナイト鋼の延靭性を低下させるため、バナジウムの範囲は０.０１〜０.５０％とする。
チタン（Ｔｉ）は６５０℃の高温まで安定なＮｉ3Ｔｉ粒子形成による析出強化作用があるので、高強度オーステナイト鋼の０.２％耐力を高めるために必須の元素で、１.９０％以上必要である。しかし、２.３５％を超えると高強度オーステナイト鋼の延靭性を低下させるため、チタンの範囲は１.９０〜２.３５％とする。
アルミ（Ａｌ）はＮｉ3Ｔｉ化合物に固溶して析出強化作用があるので、高強度オーステナイト鋼の０.２％耐力を高めるために必須の元素で、０.０１％以上必要である。しかし、０.４０％を超えると高強度オーステナイト鋼の延靭性を低下させるため、アルミの範囲は０.０１〜０.５０％とする。
ジルコニウム（Ｚｒ）は不純物の硫黄（Ｓ）と結合して硫化物を形成し熱間加工性を向上させる効果があるので、特に硫黄（Ｓの多い高強度オーステナイト鋼の熱間加工性向上に必須の元素で、０.００５％以上必要である。しかし、０.２００％を超えると逆に熱間加工性を損ねるため、ジルコニウムの範囲はＺｒ：０.００５〜０.２５０％とする。
マグネシウム（Ｍｇ）は不純物の硫黄（Ｓ）と結合して硫化物を形成し熱間加工性を向上させる効果があるので、特に硫黄（Ｓの多い高強度オーステナイト鋼の熱間加工性向上に必須の元素で、０.００３％以上必要である。しかし、０.０３０％を超えると逆に熱間加工性を損ねるため、マグネシウムの範囲は０.００３〜０.０４０％とする。
なお、ジルコニウムとマグネシウムは同じ効果があるので、必ずしも両社を同時に含む必要はなく、どちらかを単独で含んでおればよい。しかし、両社を同時に含んでいても同じ効果が得られる。
不可避の不純物としては、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ホウ素（Ｂ）などがある。リンは高強度オーステナイト鋼の延性を低下させるので低目にすべきである。リンは０.０４０％以下にするのが好ましい。硫黄は高強度オーステナイト鋼の熱間加工性を損なうので低目にすべきである。硫黄は０.０３０％以下にするのが好ましい。ホウ素は熱間加工性を損なうので０.０１０％以下にするのが好ましい。
本発明の高強度オーステナイト鋼は、転炉溶解、電気炉溶解、高周波誘導炉溶解、真空誘導炉溶解、エレクトロスラグ再溶解、真空アーク再溶解、電子ビーム再溶解などの方法で溶解した湯を金型に鋳込むことでインゴットを製作する。その後、インゴットを１１５０〜１０５０℃に加熱し種々の形状に熱間鍛成形できる。さらに、１１５０〜１０５０℃に加熱し、圧延、リングローリングミル、芯金を用いた穴広げ鍛造、芯金を用いた絞り鍛造などの方法により種々の形状に成形することも可能である。また、１１５０〜１０５０℃に加熱し圧延して板材を製作後に、この板材を曲げ加工し、その後、フラッシュバット溶接、溶融溶接、拡散接合、摩擦攪拌接合などの方法で曲げ端部を接合してリング形状にすることも可能である。その後、オーステナイト単相組織とするために、８８５〜９９５℃で１時間以上保持後に水冷もしくは油冷の固溶化熱処理を与え、さらに、極低温から６５０℃まで安定で、析出強化作用のあるＮｉ3Ｔｉ粒子を生成させるために、６５０〜７６０℃で１６時間以上保持の時刻処理を与える。特に、７２０℃で１６時間保持、もしくは７６０℃で４時間保持後に６８０℃で１２時間保持の時効処理、もしくは７２０℃で２４時間保持後に６５０℃で１６時間保持の時効処理を与えると高い引張強さと０.２％耐力が得られる。
〔実施例〕
以下、本発明に係る高強度オーステナイト鋼の実施の例を説明する。
以下、本発明に係る高強度オーステナイト鋼の実施の例を説明する。
表１は、本実施例で確認した供試合金の化学成分（質量％）を示す。供試合金Ｎo.２〜８、Ｎo.１１〜１５、Ｎo.１８〜２２およびＮo.２４〜２５が本発明である。供試合金Ｎo.１、９、１０、１６、１７、２３は本発明と比較のために溶製した比較材である。Ｎo.１はＪＩＳ規格材のＳＵＨ６６０である。
各供試合金は、真空溶解炉で１０kgのインゴットとし、インゴットの一部から採取した試験片を用いて１０５０℃で引張試験を実施し、引張伸びを測定した。またインゴットの残りの部分を１１５０〜１０５０℃加熱で、厚さ２７mm、幅８２mmに熱間鍛造した。これらの供試合金に、まず９８０℃で２時間保持後水冷の固溶化熱処理を与え、その後、７２０℃で１６時間保持の時効処理を与えた。
上記熱処理を行った各供試合金から採取した試験片について、引張試験および直流磁気特性試験を実施した。引張試験はＪＩＳ Ｚ ２２０１の４号試験片の縮小サイズ（直径６mm）を用い室温で実施した。直流磁気特性試験は直径２０mm長さ４５mmの試験片を用いＪＩＳ Ｃ ２５０１の方法（電磁石と試験片で閉磁気回路を構成）によって室温で実施した。
各試験の結果を表２に示す。直流磁気特性試験は磁界の強さが７６００Ａ／ｍの時の比透磁率を求めた。比透磁率の値が小さいほど合金は非磁性に近い。また、各供試材の引張試験片を切削加工するのに要する時間を測定し、比較材であるＪＩＳ規格材のＳＵＨ６６０を切削加工するのに要する時間を１００％として、各供試材の切削加工時間を比率で測定した。
図１は熱間加工性の評価指標となる１０５０℃での引張伸びに及ぼすニッケル量の影響を示す。図１に示すように、ニッケル量が２３.００％以上の範囲で引張伸びが低い。このため、ニッケル量は２３.００％未満の範囲がよい。
図２は熱間加工性の評価指標となる１０５０℃での引張伸びに及ぼすジルコニウム量の影響を示す。図２に示すように、ジルコニウム量が０.００５〜０.２５０％の範囲で高い引張伸びを示している。このため、ジルコニウム量は０.００５〜０.２５０％の範囲がよい。
図３は熱間加工性の評価指標となる１０５０℃での引張伸びに及ぼすマグネシウム量の影響を示す。図３に示すように、マグネシウム量が０.００３〜０.０４０％の範囲で高い引張伸びを示している。このため、マグネシウム量は０.００３〜０.０４０％の範囲がよい。
図４は切削加工性に及ぼすニッケル量の影響を示す。図４に示すように、ニッケル量が１５.００〜２３.００％未満の範囲で良好な切削加工性が得られている。
図５は室温下の引張強さと０.２％耐力に及ぼすニッケル量の影響を示す●印が０.２％耐力、○印が引張強さを示す。図５に示すように、ニッケル量が１５.００〜２３.００％の範囲で高い引張強さと０.２％耐力が得られている。このため、ニッケル量は１５.００〜２３.００％の範囲がよい。
図６は室温下の比透磁率に及ぼすニッケル量の影響を示す。図６に示すように、ニッケル量が１５.００〜２３.００％の範囲で低い比透磁率が得られている。このため、ニッケル量は１５.００〜２３.００％の範囲がよい。
本発明の供試合金は表２に示すように、室温下での引張伸びおよび絞りが従来材のＳＵＨ６６０よりも大きく延性にも優れている。
上述の通り、本発明の化学成分は、熱間加工性および切削加工性が良好で、室温下で引張強さとして９００ＭＰａ以上および０.２％耐力として５９０ＭＰａ以上、室温下で磁界の強さが７６００Ａ／ｍの時の比透磁率として１.０２以下の特性を得られるという好ましい化学成分である。また本発明の化学成分は、室温下で引張の伸びとして１５％以上および絞りとして１８％以上を得られるという好ましい化学成分である。
本発明の高強度オーステナイト鋼は、非磁性なので、モータおよび発電機の回転子のリテイニングリングに利用できる。特に、熱間加工性および切削加工性が良好であることを必要とし、かつ室温下での引張強さとして９００ＭＰａ以上および０.２％耐力として５９０ＭＰａ以上、および室温下での比透磁率として１.０２以下の特性を必要とする５０〜５０００ｋＷの鉄道車両用、ダンプトラック用などの産業用モータおよび産業用発電機の回転子のリテイニングリングに利用できる。
図７に、モータおよび発電機の回転子のリテイニングリングの一例を示す。
図８に、モータの回転子の全体図の一例を示す。本図に表されるモータの回転子の全体図はシャフト１、コア２、バー３、エンドリング４、リテイニングリング５を有する。
図９にモータの全体図の一例を示す。
本発明の高強度オーステナイト鋼は、析出相Ｎｉ3Ｔｉが−２９６℃まで安定で、非磁性であるため、０.１〜１０００ＭＷの超電導回転電機（超電導発電機および超電導モータ）の回転子最外部に設けられる円筒状の真空容器や回転子のシャフトに用いることができる。図１０に超電導回転電機の全体図の一例を示す。
本発明の高強度オーステナイト鋼は、析出相Ｎｉ3Ｔｉが６５０℃まで安定であるため、タービンの高温部材として、ブレード、シャフト、アフターバーナ、耐熱ファスナーなどに利用できる。
本発明の高強度オーステナイト鋼は、析出相Ｎｉ3Ｔｉが−２６９℃〜６５０℃の温度範囲にて安定で、溶接可能であるため、上記以外の部品でも使用可能であり、任意の温度で使用される産業製品、例えば、ケーシング、ファン、固定板、ボルト、ナット、スプリングなどに利用できる。
１ シャフト
２ コア
３ バー
４ エンドグリング
５ リテイニングリング
６ 回転子
７ 固定子
８ 真空容器
９ 超電導界磁巻線
２ コア
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Claims (5)
- 質量％で、Ｃ：０.０１〜０.０８％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０１〜２.００％、Ｎｉ：１５.００〜２３.００％未満、Ｃｒ：１３.５０〜１６.００％、Ｍｏ：０.５０〜２.００％、Ｖ：０.０１〜０.５０％、Ｔｉ：１.９０〜２.３５％、Ａｌ：０.０１〜０.４０％、残部が不可避の不純物およびＦｅであることを特徴とする高強度オーステナイト鋼。
- 質量％で、Ｃ：０.０１〜０.０８％、Ｓｉ：０.０１〜１.００％、Ｍｎ：０.０１〜２.００％、Ｎｉ：１５.００〜２３.００％未満、Ｃｒ：１３.５０〜１６.００％、Ｍｏ：０.５０〜２.００％、Ｖ：０.０１〜０.５０％、Ｔｉ：１.９０〜２.３５％、Ａｌ：０.０１〜０.４０％、Ｚｒ：０.００５〜０.２５０％、Ｍｇ：０.００３〜０.０４０％、残部が不可避の不純物およびＦｅであることを特徴とする高強度オーステナイト鋼。
- 請求項１または２において、室温下での引張強さが９００ＭＰａ以上、０.２％耐力が５９０ＭＰａ以上、室温下での比透磁率が１.０２以下であることを特徴とする高強度オーステナイト鋼。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の高強度オーステナイト鋼で構成されていることを特徴とするリテイニングリング。
- 請求項４に記載のリテイニングリングを備えたことを特徴とするモータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012027958A JP5746987B2 (ja) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | 高強度オーステナイト鋼と、それを用いた産業製品 |
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