JP6116019B2 - Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents
Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼 Download PDFInfo
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Description
本発明は、Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼に関する。Ｃｕろう付けにより接合されたプレート式熱交換器等のような耐食性が必要とされるＣｕろう付け用途に適したオーステナイト系ステンレス鋼に関する。
プレート式熱交換器等の熱交換器は、水、温水、蒸気の流体が循環し、配管や壁を介して熱交換が行われる。例えば、プレート式熱交換器は、プレス加工により流路を形成したプレートを複数枚を重ね合わせて積層された構造を備えており、プレート壁を介して液相／液相又は気相／液相の間で熱交換が行われる。このような水を含む使用環境にあるため、熱交換器の構造材として従来から耐食性や加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。
ステンレス鋼プレートの接合には、Ｃｕろう、Ｎｉろう等の母材よりも低融点のろう材によるろう付け手段が用いられる。この接合方法は、ろう材をプレート基材の間に配置し、真空中またはＡｒや水素の雰囲気ガス中で１１２０℃程度の高温に加熱することで溶融したろう材が基材間を埋めることによりプレート基材同士が接合される。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系が用いられる。例えば、特許文献１は、ろう材で接合される構造物に用いられるオーステナイ系ステンレス鋼に関して、ろう付け性と耐食性を両立させるために、［Ｃｕ］×［Ｓｉ］、２［Ｎ］＋［Ｍｏ］の各範囲を規定している。
ステンレス鋼プレートの接合には、Ｃｕろう、Ｎｉろう等の母材よりも低融点のろう材によるろう付け手段が用いられる。この接合方法は、ろう材をプレート基材の間に配置し、真空中またはＡｒや水素の雰囲気ガス中で１１２０℃程度の高温に加熱することで溶融したろう材が基材間を埋めることによりプレート基材同士が接合される。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系が用いられる。例えば、特許文献１は、ろう材で接合される構造物に用いられるオーステナイ系ステンレス鋼に関して、ろう付け性と耐食性を両立させるために、［Ｃｕ］×［Ｓｉ］、２［Ｎ］＋［Ｍｏ］の各範囲を規定している。
製品において高耐熱性が不要なステンレス鋼のろう付けにはＣｕろう材を使用することが多い。オーステナイト系ステンレス鋼の基材にＣｕろう付け処理を施すと、基材およびＣｕろうは、所定の温度と時間で保持されて、溶融したＣｕろうは、基材同士の隙間を埋めるが、その際に基材との界面から基材の粒界に浸透（侵入）する現象が発生する（図４）。粒界に浸透したＣｕは、選択的に粒界と反応を起こしやすい。これは、Ｃｕと基材界面の保護皮膜を生成できないので、粒界に浸透したＣｕが、粒界に析出した炭素（Ｃ）と結合したり、ＣｕろうによりＣを溶出させることによると考えられている。
この場合、基材粒界にＣｕろう材が混在した組織を有しているので、ろう付けされたプレート式熱交換器を組み上げた際、流路で発生する脈圧、ウォーターハンマーのような水圧変動や蒸気圧によりプレートに応力が付加されると、Ｃｕろうが混在した粒界部分で応力集中が起きて、プレート基材に亀裂が発生し易くなり、そのことにより、内容物の漏れや熱交換器の耐久性を劣化させるといった不具合が生じる原因となり得る。
オーステナイト系ステンレス鋼を基材に用いたプレート式熱交換器は、従来から使用されているが、Ｃｕろうの粒界浸透を抑制する手法は知られていない。特許文献１は、ろう付け性について、Ｓｉ、Ｃｕが一定量以上で添加されると、濡れ性が過剰に良好となり、被接合材同士の隙間からろう材が流出するという問題を記載しているが（段落００１７）、ろう材の粒界浸透に関する課題は開示されておらず、具体的には銀ろうを用いたろう付け性試験によってろう付け性を評価している。
このように、オーステナイト系ステンレス鋼の基材を用いて、Ｃｕろう材でろう付け接合する場合、Ｃｕろうの粒界浸透を抑制可能なオーステナイト系ステンレス鋼が望まれていた。
この場合、基材粒界にＣｕろう材が混在した組織を有しているので、ろう付けされたプレート式熱交換器を組み上げた際、流路で発生する脈圧、ウォーターハンマーのような水圧変動や蒸気圧によりプレートに応力が付加されると、Ｃｕろうが混在した粒界部分で応力集中が起きて、プレート基材に亀裂が発生し易くなり、そのことにより、内容物の漏れや熱交換器の耐久性を劣化させるといった不具合が生じる原因となり得る。
オーステナイト系ステンレス鋼を基材に用いたプレート式熱交換器は、従来から使用されているが、Ｃｕろうの粒界浸透を抑制する手法は知られていない。特許文献１は、ろう付け性について、Ｓｉ、Ｃｕが一定量以上で添加されると、濡れ性が過剰に良好となり、被接合材同士の隙間からろう材が流出するという問題を記載しているが（段落００１７）、ろう材の粒界浸透に関する課題は開示されておらず、具体的には銀ろうを用いたろう付け性試験によってろう付け性を評価している。
このように、オーステナイト系ステンレス鋼の基材を用いて、Ｃｕろう材でろう付け接合する場合、Ｃｕろうの粒界浸透を抑制可能なオーステナイト系ステンレス鋼が望まれていた。
本発明は、ＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系等のオーステナイト系ステンレス鋼が備える本来の耐食性レベルを確保したままで、Ｃｕろう付け時に発生するＣｕろうの粒界浸透が抑制された耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決すべく、オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成について鋭意検討した結果、フェライト形成元素であるＳｉ，Ｃｒ，Ｍｏの含有量を調整することにより、オーステナイト系ステンレス鋼であってもＣｕろう付けをする際に、Ｃｕろうとステンレス鋼基材のステンレス鋼側の界面にフェライト相からなる拡散層が形成され、Ｃｕの粒界浸透抑制できることを見出し、当該拡散層の形成に適した成分組成を知見することにより、本発明を完成するに至った。
本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）本発明は、重量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：１．０〜５．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：８．０〜１７．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜２．５％、Ｃｕ：４．０％以下、Ｎ：０．１％以下と、Ａｌ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｔｉ：０．２％以下のうちの１種以上を、Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧２０％で含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる、Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼である。
（１）本発明は、重量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：１．０〜５．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：８．０〜１７．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜２．５％、Ｃｕ：４．０％以下、Ｎ：０．１％以下と、Ａｌ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｔｉ：０．２％以下のうちの１種以上を、Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧２０％で含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる、Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼である。
（２）本発明は、さらに、重量％で、Ｂ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．５％以下の１種または２種を含む上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼である。
（３）本発明は、Ｃｕろうの粒界浸透深さを厚み方向で界面から１０μｍ以下に抑制する耐Ｃｕ粒界浸透性を有する上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼である。
（４）本発明は、上記（１）〜（３）のいずれかに記載されたオーステナイト系ステンレス鋼のろう継手であって、粒界に浸透したＣｕろうが厚み方向で界面から１０μｍ以下であるオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手である。
（５）本発明は、Ｃｕろうと前記ステンレス鋼基材との界面において、前記ステンレス鋼の基材側の界面に２μｍ以上のＳｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧１４ｍａｓｓ％からなる拡散層を有する上記（４）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手である。
（６）本発明は、Ｃｕろうと前記ステンレス鋼基材との界面において２μｍ以上のフェライト層が生成されて、当該界面から１０μｍ以内の前記ステンレス鋼基材側の粒界のＣｕ濃度が５０％以下に抑制された上記（５）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手である。
（７）前記ステンレス鋼基材の体積の１／３以下となる量のＣｕろうを使用して接合された上記（４）〜（６）のいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手である。
本発明によれば、Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼が提供された。このステンレス鋼材を用いることにより、Ｃｕろう付け時に、ステンレス鋼基材の粒界に対するＣｕろうの浸透が抑制されるので、Ｃｕ粒界浸透に起因する亀裂発生を防止することができる。エコキュート等に使用される熱交換器等のようにＣｕろう付け接合される製品のろう継手として広く適用できるものであり、製品の耐久性向上に寄与する。
本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼をＣｕろう付けする際、Ｃｕろう付け時に発生するＣｕろうの粒界浸透を抑制してオーステナイト系ステンレス鋼本来の耐食性レベルを維持させる手段について鋭意検討を重ねてきた。その過程で、接合界面に形成された拡散層にＣｕろうの粒界浸透抑制効果があることを確認し、本発明に至った。
すなわち、本発明のＳｉ，Ｃｒ，Ｍｏの含有量が調整されたオーステナイト系ステンレス鋼を用いることで、Ｃｕろう付けの際に、Ｃｕろうとステンレス鋼基材のステンレス側界面に２μｍ以上のＳｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧１４ｍａｓｓ％からなる拡散層を有することを見出した。その拡散層をＸ線回折により解析したところ、フェライト相であることを確認した。この拡散層であるフェライト相を２μｍ以上生成することにより、界面より１０μｍ以内のステンレス基材側粒界のＣｕ濃度を５０％ｍａｓｓ以下に抑制することが可能である。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼が含有する各元素について説明する。各元素の含有量の「％」は、特に断らない限り「重量％」を意味する。
Ｃ：０．０６％以下
Ｃは、その含有量が多くなると、ろう付け温度やろう付け温度からの冷却速度によってはＣｒ炭化物の生成を招き、粒界にＣｒ欠乏層を形成して粒界腐食の原因となることがある。また、粒界に浸透したＣｕろうとの反応により炭化物を生成して亀裂の原因となることがある。そのため、Ｃ含有量を０．０６％以下に低減させる必要がある。
Ｃ：０．０６％以下
Ｃは、その含有量が多くなると、ろう付け温度やろう付け温度からの冷却速度によってはＣｒ炭化物の生成を招き、粒界にＣｒ欠乏層を形成して粒界腐食の原因となることがある。また、粒界に浸透したＣｕろうとの反応により炭化物を生成して亀裂の原因となることがある。そのため、Ｃ含有量を０．０６％以下に低減させる必要がある。
Ｓｉ：１．０〜５．０％
Ｓｉは、Ｃｕろうの濡れ性の改善のために添加される。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。１．０％未満であると、それら効果が十分に得られない。５．０％を超えると、濡れ性が過剰に発現されて流動が過多になるので、ろう付け性が低下する。さらにオーステナイト相の安定化に影響する。そのため、Ｓｉ含有量は、１．０〜５．０％が好ましい。さらに、２．０〜４．０％が好ましい。
Ｓｉは、Ｃｕろうの濡れ性の改善のために添加される。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。１．０％未満であると、それら効果が十分に得られない。５．０％を超えると、濡れ性が過剰に発現されて流動が過多になるので、ろう付け性が低下する。さらにオーステナイト相の安定化に影響する。そのため、Ｓｉ含有量は、１．０〜５．０％が好ましい。さらに、２．０〜４．０％が好ましい。
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、脱酸に有効な元素であるが、過剰に添加するとＭｎ化合物を形成して耐食性を低下させる。また、Ｃｕろうとの界面におけるフェライト相形成を阻害する。そのため、Ｍｎ含有量は、１．０％以下とする。
Ｍｎは、脱酸に有効な元素であるが、過剰に添加するとＭｎ化合物を形成して耐食性を低下させる。また、Ｃｕろうとの界面におけるフェライト相形成を阻害する。そのため、Ｍｎ含有量は、１．０％以下とする。
Ｐ：０．００４５％以下
Ｐは、鋼の靭性の低下や加工性の低下を招く元素である。Ｐ含有量は、０．００４５％以下に制限される。
Ｐは、鋼の靭性の低下や加工性の低下を招く元素である。Ｐ含有量は、０．００４５％以下に制限される。
Ｓ：０．００３％以下
Ｓは、孔食の原因となりやすいＭｎＳを生成して耐食性を阻害する元素である。また、ろう付け部の高温割れの要因にもなりやすい。Ｓ含有量は、０．００３％以下に制限される。
Ｓは、孔食の原因となりやすいＭｎＳを生成して耐食性を阻害する元素である。また、ろう付け部の高温割れの要因にもなりやすい。Ｓ含有量は、０．００３％以下に制限される。
Ｎｉ：８．０〜１７．０％
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化して耐食性を維持するに必須の元素であり、加工性にも効果的である。８．０％未満では、これらの効果が十分でなく、また、１７．０％を超えるとその効果が飽和しコスト高となることから、Ｎｉ含有量は、８．０〜１７．０％とした。
Ｎｉは、オーステナイト相を安定化して耐食性を維持するに必須の元素であり、加工性にも効果的である。８．０％未満では、これらの効果が十分でなく、また、１７．０％を超えるとその効果が飽和しコスト高となることから、Ｎｉ含有量は、８．０〜１７．０％とした。
Ｃｒ：１６．０〜２０．０％
Ｃｒは、不働態被膜を形成して耐食性を付与する元素である。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。１６．０％未満では、それらの効果が十分でない。また、２０．０％を超えると、フェライト相が内部でも形成されて加工性の低下を招くことから、Ｃｒ含有量は、１６．０〜２０．０％とした。
Ｃｒは、不働態被膜を形成して耐食性を付与する元素である。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。１６．０％未満では、それらの効果が十分でない。また、２０．０％を超えると、フェライト相が内部でも形成されて加工性の低下を招くことから、Ｃｒ含有量は、１６．０〜２０．０％とした。
Ｍｏ：０．５〜２．５％
Ｍｏは、不働態膜を補修する作用があり耐食性を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。０．５％未満では、これらの効果が十分でない。また、２．５％を超えると、フェライト相が内部でも形成されて加工性の低下を招くことから、Ｍｏ含有量は、０．５〜２．５％とした。
Ｍｏは、不働態膜を補修する作用があり耐食性を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕろうとの界面にフェライト相を生成する作用を有する。０．５％未満では、これらの効果が十分でない。また、２．５％を超えると、フェライト相が内部でも形成されて加工性の低下を招くことから、Ｍｏ含有量は、０．５〜２．５％とした。
Ｃｕ：４．０％以下
Ｃｕは、固溶強化により強度の向上に寄与する元素であるが、多量のＣｕ含有は、加工性や耐食性を低下させる要因となることから、その範囲を４．０％以下とした。
Ｃｕは、固溶強化により強度の向上に寄与する元素であるが、多量のＣｕ含有は、加工性や耐食性を低下させる要因となることから、その範囲を４．０％以下とした。
Ｎ：０．１％以下
Ｎは、Ｃｒ窒化物を粒界に析出させて、粒界近傍のＣｒ固溶量の低減を招き、耐粒界腐食性を低下させることから、０．１％以下が好ましい。
Ｎは、Ｃｒ窒化物を粒界に析出させて、粒界近傍のＣｒ固溶量の低減を招き、耐粒界腐食性を低下させることから、０．１％以下が好ましい。
Ｎｂ：０．２％以下
Ｎｂは、炭窒化物を形成してＣｒ炭化物の形成を抑制するので、Ｃｒ固溶量により低減するのを抑制し耐粒界腐食性に有効な元素である。過剰に含有すると、粒界からＣｒ系炭窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性や加工性に悪影響を招くことがあるので、０．２％以下とした。
Ｎｂは、炭窒化物を形成してＣｒ炭化物の形成を抑制するので、Ｃｒ固溶量により低減するのを抑制し耐粒界腐食性に有効な元素である。過剰に含有すると、粒界からＣｒ系炭窒化物の析出を促進して耐粒界腐食性や加工性に悪影響を招くことがあるので、０．２％以下とした。
Ｔｉ：０．２％以下
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、炭窒化物を形成し、耐粒界腐食性に有効な元素であるが、過剰に添加すると、Ｔｉ窒化物により熱間加工性の低下を招き、また、表面酸化物の形成によりＣｕろう濡れ性を低下させることから、０．２％以下とした。
Ｔｉは、Ｎｂと同様に、炭窒化物を形成し、耐粒界腐食性に有効な元素であるが、過剰に添加すると、Ｔｉ窒化物により熱間加工性の低下を招き、また、表面酸化物の形成によりＣｕろう濡れ性を低下させることから、０．２％以下とした。
Ａｌ：０．２％以下
Ａｌは、脱酸に使用される元素であり、高温酸化性を向上させる効果がある。過剰に添加すると、加工性の低下を招き、また、表面酸化物の形成によりＣｕろう濡れ性を低下させることから、０．２％以下とした。
Ａｌは、脱酸に使用される元素であり、高温酸化性を向上させる効果がある。過剰に添加すると、加工性の低下を招き、また、表面酸化物の形成によりＣｕろう濡れ性を低下させることから、０．２％以下とした。
Ｂ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．５％以下
Ｂ、ＲＥＭは、熱間加工性を向上に有効な元素である。過剰に添加すると、耐食性や加工性を損なう場合があるので、Ｂ含有量を０．００５％以下、ＲＥＭ含有量を０．５％以下とした。
Ｂ、ＲＥＭは、熱間加工性を向上に有効な元素である。過剰に添加すると、耐食性や加工性を損なう場合があるので、Ｂ含有量を０．００５％以下、ＲＥＭ含有量を０．５％以下とした。
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、フェライト相を形成する元素であり、ステンレス鋼基材においてＣｕろうとの界面から２μｍ以上の厚みでフェライト相の生成に寄与し、当該フェライト相によってＣｕろうの浸透を抑制する効果をもたらす。この効果を発現させるには、基材におけるＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量を２０％以上にする必要がある。
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量をこのようにしておくと、ろう付け時にＣｕろうとステンレス鋼基材のステンレス鋼側の界面にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量が１４ｍａｓｓ％以上のフェライト相からなる拡散層が形成され、Ｃｕの粒界浸透抑制効果を得ることができる。
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、フェライト相を形成する元素であり、ステンレス鋼基材においてＣｕろうとの界面から２μｍ以上の厚みでフェライト相の生成に寄与し、当該フェライト相によってＣｕろうの浸透を抑制する効果をもたらす。この効果を発現させるには、基材におけるＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量を２０％以上にする必要がある。
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量をこのようにしておくと、ろう付け時にＣｕろうとステンレス鋼基材のステンレス鋼側の界面にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの総量が１４ｍａｓｓ％以上のフェライト相からなる拡散層が形成され、Ｃｕの粒界浸透抑制効果を得ることができる。
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、公知の製造方法により、溶製、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍等の各処理を行って、所定の形状および寸法の鋼材を製造することができる。
ろう付け時のＣｕろう材は、Ｃｕを主成分とするろう材であればよく、無酸化銅（Ｃｕ濃度：約１００ｍａｓｓ％、固相温度１０８３℃）からなるものを使用できる。Ｃｕろう材の形態としては、ペ一スト状のもの、シート箔状のものを使用できる。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で適宜変更して実施できる。
表１に示す成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼について、３０ｋｇの真空溶解で溶製し、得られた鋼塊を３０ｍｍ厚の板に鍛造した後、熱間圧延を行って４ｍｍ厚の熱延板を得た。次いで、焼鈍、酸洗および冷間圧延を行って０．３ｍｍ厚の冷延板を得た。その後、該冷延板に１０５０℃の焼鈍処理を施して冷延焼鈍板を製造し、これを供試材とした。
（ろう付け性試験）
板厚０．３ｍｍの当該供試材から１０ｍｍ×２０ｍｍろう付け試験片を各鋼種２枚ずつ切り出した。２枚の試験片の間に、７０μｍ厚で２００ｍｍ２の初期面積のシート箔からなるＣｕろう材を挟んで、試験片／Ｃｕろう材／試験片の３層からなる試験体を構成し、これを水平に保ったまま０．０１ＭＰａ程度の面圧をかけて真空炉に装入した。そして、メカニカルブースターで真空引きし、初期真空度を１×１０−２Ｐａ以下に保持した。次いで、炉内に不活性ガスを１００Ｐａ程度充填させた後、加熱して昇温を開始した。昇温は、Ｃｕろう材の固相温度（１０８３℃）に達する前の１０５０℃で一旦５分保持した。次いで、ろう付け温度の１１２０℃に昇温し、その温度で１５分保持した。その後、炉内に不活性ガスを９０ｋＰａ程度に充填して冷却を行った後、炉内から取り出すことで、Ｃｕろう付けを施した試験体を作製した。なお、Ｃｕろう材として無酸素銅（ＪＩＳＺ３２６３の１００ｍａｓｓ％Ｃｕ）を使用した。
板厚０．３ｍｍの当該供試材から１０ｍｍ×２０ｍｍろう付け試験片を各鋼種２枚ずつ切り出した。２枚の試験片の間に、７０μｍ厚で２００ｍｍ２の初期面積のシート箔からなるＣｕろう材を挟んで、試験片／Ｃｕろう材／試験片の３層からなる試験体を構成し、これを水平に保ったまま０．０１ＭＰａ程度の面圧をかけて真空炉に装入した。そして、メカニカルブースターで真空引きし、初期真空度を１×１０−２Ｐａ以下に保持した。次いで、炉内に不活性ガスを１００Ｐａ程度充填させた後、加熱して昇温を開始した。昇温は、Ｃｕろう材の固相温度（１０８３℃）に達する前の１０５０℃で一旦５分保持した。次いで、ろう付け温度の１１２０℃に昇温し、その温度で１５分保持した。その後、炉内に不活性ガスを９０ｋＰａ程度に充填して冷却を行った後、炉内から取り出すことで、Ｃｕろう付けを施した試験体を作製した。なお、Ｃｕろう材として無酸素銅（ＪＩＳＺ３２６３の１００ｍａｓｓ％Ｃｕ）を使用した。
（耐Ｃｕ粒界浸透性の評価）
Ｃｕろう付け後の当該試験体は、板厚方向に切断し、樹脂に埋め込み、その断面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡により５視野観察を行い、ステンレス鋼基材の粒界におけるＣｕろうの浸透深さを測定し、最大浸透深さを求めた。この最大浸透深さを平均化した数値に基づいて、Ｃｕろうに関する耐粒界浸透性を評価した。評価基準は、浸透深さが１０μｍ以下のものを合格と判定し、１０μｍを超えるものを不合格と判定した。
Ｃｕろう付け後の当該試験体は、板厚方向に切断し、樹脂に埋め込み、その断面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡により５視野観察を行い、ステンレス鋼基材の粒界におけるＣｕろうの浸透深さを測定し、最大浸透深さを求めた。この最大浸透深さを平均化した数値に基づいて、Ｃｕろうに関する耐粒界浸透性を評価した。評価基準は、浸透深さが１０μｍ以下のものを合格と判定し、１０μｍを超えるものを不合格と判定した。
（ろう流れ性（ろう広がり性）の評価）
Ｃｕろうの流れ性に関しては、Ｃｕろう付けされた上記試験体の表面を観察し、表面のうちＣｕろう材で濡れ広がった面積を測定した。具体的には、板厚０．３ｍｍの当該供試材から４０ｍｍ×４０ｍｍろう付け試験片を作製し、当該試験片の表面に初期面積０．４ｃｍ２のＣｕろうを置いて、加熱処理後に広がったＣｕろうの面積を測定した。この測定面積を加熱前のＣｕろう初期面積で除して、ろう広がり率（％）を求めた。ろう広がり率が３００％以上のものを合格と判定し、３００％未満のものを不合格と判定した。
Ｃｕろうの流れ性に関しては、Ｃｕろう付けされた上記試験体の表面を観察し、表面のうちＣｕろう材で濡れ広がった面積を測定した。具体的には、板厚０．３ｍｍの当該供試材から４０ｍｍ×４０ｍｍろう付け試験片を作製し、当該試験片の表面に初期面積０．４ｃｍ２のＣｕろうを置いて、加熱処理後に広がったＣｕろうの面積を測定した。この測定面積を加熱前のＣｕろう初期面積で除して、ろう広がり率（％）を求めた。ろう広がり率が３００％以上のものを合格と判定し、３００％未満のものを不合格と判定した。
（試験結果）
表２に示すように、本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、基材界面からのＣｕろうの浸透深さが１０μｍ以下であり、また、ろう広がり率が３００％以上を示していた。このように、本発明例は、耐Ｃｕ粒界浸透性及びろう流れ性の両方において優れていることを確認した。
表２に示すように、本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、基材界面からのＣｕろうの浸透深さが１０μｍ以下であり、また、ろう広がり率が３００％以上を示していた。このように、本発明例は、耐Ｃｕ粒界浸透性及びろう流れ性の両方において優れていることを確認した。
それに対し、比較例Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１６は、Ｃｕろうの浸透深さが１０μｍを大きく超えており、耐粒界浸透性が本発明よりも劣っていた。
比較例９で用いた鋼Ｉは、ＳＵＳ３０４の鋼組成に相当し、比較例１０で用いた鋼Ｊは、ＳＵＳ３１６Ｌの鋼組成に相当し、Ｓｉ含有量がそれぞれ０．５０％、０．５１％であり、本発明よりも低い範囲にある。また、比較例Ｎｏ．１０は、Ｍｎ含有量が１．７６％であり、本発明よりも高い範囲にある。本発明は、従来のステンレス鋼に比べて、耐Ｃｕ粒界浸透性に優れることが分かる。
さらに、比較例Ｎｏ．１１（鋼Ｋ）は、Ｃ、Ｍｎ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１２（鋼Ｎｏ．Ｌ）は、Ｓｉ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１４（鋼Ｎ）は、Ｃｒ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１６（鋼Ｐ）は、Ｍｏ含有量の点で、それぞれ本発明の範囲を外れたものである。
比較例９で用いた鋼Ｉは、ＳＵＳ３０４の鋼組成に相当し、比較例１０で用いた鋼Ｊは、ＳＵＳ３１６Ｌの鋼組成に相当し、Ｓｉ含有量がそれぞれ０．５０％、０．５１％であり、本発明よりも低い範囲にある。また、比較例Ｎｏ．１０は、Ｍｎ含有量が１．７６％であり、本発明よりも高い範囲にある。本発明は、従来のステンレス鋼に比べて、耐Ｃｕ粒界浸透性に優れることが分かる。
さらに、比較例Ｎｏ．１１（鋼Ｋ）は、Ｃ、Ｍｎ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１２（鋼Ｎｏ．Ｌ）は、Ｓｉ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１４（鋼Ｎ）は、Ｃｒ含有量の点で、比較例Ｎｏ．１６（鋼Ｐ）は、Ｍｏ含有量の点で、それぞれ本発明の範囲を外れたものである。
比較例Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１５は、浸透深さが１０μｍ以下であったが、ろう広がり率が３００％未満を示した。比較例Ｎｏ．１３（鋼Ｍ）のＡｌ含有量、比較例Ｎｏ．１５（鋼Ｏ）のＴｉ含有量は、本発明よりも高い範囲にある。そのため、Ｃｕろう濡れ性の点で本発明のステンレス鋼よりも劣っていた。これらのＣｕろうの流れ性（ろう広がり性）が悪いステンレス鋼基材は、ろう接合が不十分であるため、Ｃｕろう付けされた製品に不適合であると評価される。
（界面組織の組織観察と成分分析）
実施例の浸透深さが小さいことに関して説明する。図１に、本発明例１（鋼Ａ）の鋼材について観察した界面組織を示す。図１に示すように、Ｃｕろうとプレート基材との界面において、Ｃｕの基材粒界浸透の発生が認められなかった。この界面には、１２μｍ厚程度の基材と異なる層（拡散層）の存在が確認された。この拡散層を含む界面付近の表面について、図２に示す測定箇所で、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による成分分析を行った。その結果、図２のＢ部には、表２に示すように、Ｓｉ、ＣｒおよびＭｏの各元素の含有量が多く、拡散層は、これらの元素が濃化した領域であることを確認できた。さらに、当該拡散層の構造をＸ線回折した結果、図３に示すようにフェライト相のステンレス鋼組織であることを確認した。また、界面から１０μｍ以内のステンレス鋼基材側の粒界のＣｕ濃度が５０％以下であることを確認できた。それ以外の本発明例および比較例の鋼材についても同様に測定した結果を表２に示す。
実施例の浸透深さが小さいことに関して説明する。図１に、本発明例１（鋼Ａ）の鋼材について観察した界面組織を示す。図１に示すように、Ｃｕろうとプレート基材との界面において、Ｃｕの基材粒界浸透の発生が認められなかった。この界面には、１２μｍ厚程度の基材と異なる層（拡散層）の存在が確認された。この拡散層を含む界面付近の表面について、図２に示す測定箇所で、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による成分分析を行った。その結果、図２のＢ部には、表２に示すように、Ｓｉ、ＣｒおよびＭｏの各元素の含有量が多く、拡散層は、これらの元素が濃化した領域であることを確認できた。さらに、当該拡散層の構造をＸ線回折した結果、図３に示すようにフェライト相のステンレス鋼組織であることを確認した。また、界面から１０μｍ以内のステンレス鋼基材側の粒界のＣｕ濃度が５０％以下であることを確認できた。それ以外の本発明例および比較例の鋼材についても同様に測定した結果を表２に示す。
このように、本発明例は、Ｃｕろうとステンレス鋼基材のステンレス鋼側界面に、Ｓｉ、ＣｒおよびＭｏが濃化したフェライト相からなる拡散層を有していた。この拡散層がＣｕの粒界浸透を抑制する保護皮膜の働きをしたものと考えられる。それに対し、比較例は、Ｃｕろう付け時に、本発明例の拡散層のような保護皮膜が基材界面側に生成できないため、Ｃｕが粒界に浸透したものと考えられる。
（参考例）
ところで、図５に、既存のＳＵＳ３１６を用いて、Ｃｕろう材を通常の約４倍も多い量で使用し、ろう付けした場合の界面組織を示す。図５に示すように、ステンレス鋼基材とＣｕろうとの界面には、Ｃｕろうが基材を浸食した現象が生じていた。
そこで、表１に示す鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｅ、鋼Ｆを用いて、Ｃｕろう材の使用量を通常よりも多くして、耐Ｃｕ粒界浸透性の評価試験を行った。具体的には、２８０μｍのシート箔からなるＣｕろう材を使用した以外は、本発明例１と同様の条件でろう付けされた試験体を作製し、本発明例１と同様の方法で浸透深さを測定した。その試験結果を表３に示す。
ところで、図５に、既存のＳＵＳ３１６を用いて、Ｃｕろう材を通常の約４倍も多い量で使用し、ろう付けした場合の界面組織を示す。図５に示すように、ステンレス鋼基材とＣｕろうとの界面には、Ｃｕろうが基材を浸食した現象が生じていた。
そこで、表１に示す鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｅ、鋼Ｆを用いて、Ｃｕろう材の使用量を通常よりも多くして、耐Ｃｕ粒界浸透性の評価試験を行った。具体的には、２８０μｍのシート箔からなるＣｕろう材を使用した以外は、本発明例１と同様の条件でろう付けされた試験体を作製し、本発明例１と同様の方法で浸透深さを測定した。その試験結果を表３に示す。
表３に示すように、参考例Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０は、浸透深さが１０μｍを超えていた。当該参考例の鋼材は、実施例の本発明例Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６と同じ鋼材であって、Ｃｕろうによる粒界浸透の抑制が可能なステンレス鋼であるが、過多のＣｕろう材を使用した場合には１０μｍ以上の浸透が起きた。界面組織を観察したところ、図５に示したものと同様の浸食現象が生じていた。
これは、Ｃｕろう材の使用量が多いと、Ｃｕろうが濡れ広がる前にその場で溜まって対流が起きると推測され、この対流によりステンレス鋼基材に溶融（エロージョン）が生じて、実施例の拡散層が浸食される結果、Ｃｕろうの浸透を抑制する機能が低下したものと推測される。
それに対し、実施例で使用されたＣｕろう材（７０μｍ厚）は、ステンレス鋼基材（０．３ｍｍ厚）に比べて１／３程度の量である。そのため、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を、例えば熱交換器の構造材に使用してＣｕろうで接合する場合は、Ｃｕろう材の使用量をステンレス鋼基材の体積の１／３以下にすることが好ましい。
これは、Ｃｕろう材の使用量が多いと、Ｃｕろうが濡れ広がる前にその場で溜まって対流が起きると推測され、この対流によりステンレス鋼基材に溶融（エロージョン）が生じて、実施例の拡散層が浸食される結果、Ｃｕろうの浸透を抑制する機能が低下したものと推測される。
それに対し、実施例で使用されたＣｕろう材（７０μｍ厚）は、ステンレス鋼基材（０．３ｍｍ厚）に比べて１／３程度の量である。そのため、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を、例えば熱交換器の構造材に使用してＣｕろうで接合する場合は、Ｃｕろう材の使用量をステンレス鋼基材の体積の１／３以下にすることが好ましい。
Claims (7)
- 重量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：１．０〜５．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：８．０〜１７．０％、Ｃｒ：１６．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５〜２．５％、Ｃｕ：４．０％以下、Ｎ：０．１％以下と、Ａｌ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｔｉ：０．２％以下のうちの１種以上を、Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧２１．０４％で含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる、Ｃｕろう付け時の耐Ｃｕ粒界浸透性に優れたことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
- さらに、重量％で、Ｂ：０．００５％以下、ＲＥＭ：０．５％以下の１種または２種を含むことを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 板厚０．３ｍｍの２枚のステンレス鋼板の間に、７０μｍ厚のＣｕろう材を挟んだ試験体を、不活性ガス雰囲気において、１０５０℃で５分保持した後、１１２０℃で１５分のろう付けをした後に測定されたＣｕろうの粒界浸透深さを厚み方向で界面から１０μｍ以下に抑制する耐Ｃｕ粒界浸透性を有することを特徴とする請求項１または２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載されたオーステナイト系ステンレス鋼のろう継手であって、粒界に浸透したＣｕろうが厚み方向で界面から１０μｍ以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手。
- Ｃｕろうと前記ステンレス鋼の基材との界面において、前記ステンレス鋼の基材側の界面に２μｍ以上のＳｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≧１４ｍａｓｓ％からなる拡散層を有することを特徴とする請求項４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手。
- Ｃｕろうと前記ステンレス鋼の基材との界面において２μｍ以上のフェライト層が生成されて、当該界面から１０μｍ以内の前記ステンレス鋼基材側の粒界のＣｕ濃度が５０ｍａｓｓ％以下に抑制されたことを特徴とする請求項４または５に記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手。
- 前記ステンレス鋼の基材の厚みの１／３以下となる厚みのＣｕろうを使用して接合されたことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼ろう継手。
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