JP7566329B2 - 高クロムケイ素耐食鋼及びその用途 - Google Patents

Description

本発明は、合金材料の関連技術分野に係り、特に、高耐腐食の性質を有する高クロムケイ素鋼に関するものである。

１００年程前から、高クロム、低炭素を含み、及びニッケルを添加する各種のステンレス鋼が、その優れた耐腐食特性により種々の産業分野において広汎に応用されている。現在、市場で購入可能なステンレス鋼の品種は、２３０余りの多数に達し、その内、よく使用されている主流の品種は、５０近くあり、それぞれがさらにオーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、二相系、及び析出硬化系などの５種のタイプに分類される。ステンレス鋼製品は、至る所で見受けられ、日常生活用品（例えば、台所用品、給水塔とコンピュータ部品など）から、工業テクノロジー製品（例えば、機械部品と航空宇宙材料）まで、あるいは医療器具に至るまで、いずれもその分野で応用が見られる。

現在、特殊用途ステンレス鋼は、主にオーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、及び析出硬化系ステンレス鋼に分類される。その内、オーステナイト系ステンレス鋼は、良好な耐食性、加工性、溶接性を有するため、最も広汎に応用されている。３１６Ｌステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼の一種であり、それが１８ｗｔ％のクロミウム、８ｗｔ％のニッケル及び２～３ｗｔ％のモリブデンを含有する。３１６Ｌステンレス鋼は、塩素イオン及び酸に抵抗する耐腐食性能が３０４ステンレス鋼に比べて優秀なので、その典型的な応用産物がステンレス鋼製水管であることが既に知られている。ところが、３１６Ｌステンレス鋼の孔食電位は０．３Ｖ～０．６Ｖの間にあるため、３１６Ｌステンレス鋼製水管を海洋環境に適用する場合、依然として海水による隙間腐食（ｃｒｅｖｉｃｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）と孔食（ｐｉｔｔｉｎｇ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）を受けやすい。換言すれば、従来公知の３０４、３１６Ｌステンレス鋼は、いずれも孔食に耐性がない。一方、３０４と３１６Ｌステンレス鋼は、均質化状態での硬度がいずれも約ＨＶ１６０よりも小さい。

総合的に言うと、海水による腐食に起因してステンレス鋼の応用に極めて大きな制限がもたらされているので、化学工業施設及び工程構造に使用されて高耐腐食性を要求される部材への応用に適する新たな合金材料を開発することが現在の重要な課題とされている。特に説明する点は、前述の部材は、引張力または衝撃力を負荷する必要のある構造性部品であり、このため、その製造材料（即ち、合金材料）は、十分な硬度、靭性及び耐食性を同時に兼ね備えなければならない点である。これに対し、均質化ビッカース硬度がＨＶ５００以上の合金材料を塑性変形させる過程において、脆性破壊や剥離が引き起こされやすくなり、前述の構造性部品としては不適当であることが明白になっている。

以上に鑑みて、本願の発明者は、極力研究開発した結果、遂に０．８Ｖより高い孔食電位、及びＨＶ５００より低い硬度を有する一種の高クロムケイ素耐食鋼を完成させた。

本発明の主要な目的は、高クロムケイ素耐食鋼を提供することである。本発明は、その組成の合計を重量百分率で表して、主に２２～３０ｗｔ％のＣｒ、２～１０ｗｔ％のＳｉ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さい。実験データから、本発明の高クロムケイ素耐食鋼の多数個のサンプルは、いずれもＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより高い孔食電位を有することが示された。このため、実験データから、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、従来公知の孔食に耐性のない耐腐食ステンレス鋼（例えば、３０４、３１６Ｌ）を取替えることができることから、化学工業施設及び工程構造などの高耐腐食性を要求される部材及び構造部材の製造に応用されていることが証明された。

上記目的を達成するため、本発明が提供するかかる高クロムケイ素耐食鋼の第１実施例は、ＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより大きい孔食電位を有し、かつその組成の合計を重量百分率で表して、２２～３０ｗｔ％のＣｒ、２～１０ｗｔ％のＳｉ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さい。

実行可能な実施例において、前述の高クロムケイ素耐食鋼の第１実施例の組成の合計を重量百分率で表して、０．３ｗｔ％を超えないＣ及び／または０．２ｗｔ％を超えないＢをさらに含む。

実行可能な実施例において、前述の高クロムケイ素耐食鋼の第１実施例の組成の合計を重量百分率で表して、３ｗｔ％を超えないＭｏ及び／またはＮｂ、及び２ｗｔ％を超えないＭをさらに含み、その内、Ｍは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｓｎ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素を含む。

上記目的を達成するため、本発明が提供するかかる高クロムケイ素耐食鋼の第２実施例は、ＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより大きい孔食電位を有し、かつその組成の合計を重量百分率で表して、２２～３０ｗｔ％のＣｒ、２～１０ｗｔ％のＳｉ、３ｗｔ％を超えないＭｏ及び／またはＮｂ、０．３ｗｔ％を超えないＣ、０．２ｗｔ％を超えないＢ、２ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さく、かつＭは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｓｎ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素を含む。

実行可能な実施例において、かかる高クロムケイ素耐食鋼は、真空アーク融解法、大気アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法及び粉末冶金法からなる群から選択される１種の処理方法を利用して作製される。

実行可能な実施例において、かかる高クロムケイ素耐食鋼の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤ、棒材、管材、板材、及び片材のうちのいずれか１つである。

実行可能な実施例において、かかる高クロムケイ素耐食鋼は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、熱拡散、熱間圧延、三次元積層造形、機械加工、及び化学加工からなる群から選択される１種の処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工される。

実行可能な実施例において、かかる高クロムケイ素耐食鋼は、鋳造状態の合金、または熱処理を経た後の熱処理状態の合金であり、かつかかる熱処理は、時効硬化処理、焼鈍軟化処理及び均質化処理からなる群から選択されるいずれか１種の処理である。

さらに、本発明は、一種の高クロムケイ素耐食鋼の用途を同時に提供し、それが化学工業施設及び工程構造などに使用されて高耐腐食性を要求される部材及び構造部材の製造に応用されている。

本発明にかかる高クロムケイ素耐食鋼及びその用途をより明瞭に記述するために、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を以下に詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１において、かかる高クロムケイ素耐食鋼は、ＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより大きい孔食電位を有し、かつその組成の合計を重量百分率で表して、主に２２～３０ｗｔ％のＣｒ、２～１０ｗｔ％のＳｉ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さい。

（実施例２）
実施例２において、かかる高クロムケイ素耐食鋼は、ＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより大きい孔食電位を有し、かつその組成の合計を重量百分率で表して、主に２２～３０ｗｔ％のＣｒ、２～１０ｗｔ％のＳｉ、３ｗｔ％を超えないＭｏ及び／またはＮｂ、０．３ｗｔ％を超えないＣ、０．２ｗｔ％を超えないＢ、２ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含む。特に、ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さく、かつＭは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｓｎ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素を含む。

現有のステンレス鋼について言えば、そのＣｒ含有量が１３ｗｔ％を超えると、不動態化膜が形成されてとてもよい耐酸効果が得られる。しかし残念ながら、高塩分含有の海洋環境において、この不動態化膜は、かえって一部侵食がされやすくなって隙間腐食及び／または孔食が形成される。このため、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、高含有量のクロム（２２～３０ｗｔ％）、及びケイ素含有量（２～１０ｗｔ％）、並びに一定含有量の添加元素を含有するため、０．８Ｖより大きい孔食電位を有する特殊な性質を持つ。同時に、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、ＨＶ１７０より大きいが、ＨＶ５００を超えない硬度を有する。

実際の応用時、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、真空アーク融解法、大気アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法、あるいは粉末冶金法を利用して製造して得られてもよい。特に説明する点は、本発明においてかかる高クロムケイ素耐食鋼の状態について特に制限はなく、このため、それは、鋳造状態の合金であってもよく、または熱処理を経た後の熱処理状態の合金であってもよい点である。長期間にわたって、合金の設計と製造を行う材料エンジニアであれば、かかる熱処理は、時効硬化処理、焼鈍軟化処理、あるいは均質化処理であってもよいことが理解されるべきである。当然のことながら、本発明においてかかる高クロムケイ素耐食鋼の完成品または半完成品の形態についても制限はない。実行可能な実施例において、かかる高クロムケイ素耐食鋼の完成品または半完成品の形態は、粉末、線材、溶接棒、フラックス入り溶接ワイヤ、棒材、管材、板材または片材であってもよい。

一方、実際の応用時に、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、熱焼結、熱拡散、熱間圧延、三次元積層造形、機械加工、あるいは化学加工などの処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工されてもよい。

特に説明する点は、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、従来公知の孔食に耐性のないステンレス鋼（例えば、３０４、３１６Ｌ）を代替するために用いられ、従って、化学工業施設及び工程構造に使用されて高耐腐食性を要求される部材及び構造部材の製造に応用される点である。一方、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、被覆材として使用されてもよい。

上記本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、これによって的確に実施することが可能であることを実証するために、以下、多数組の実験資料の表現に沿って、実証を行った。

（実験例１）
実験例１において、真空アーク融解炉を利用して本発明の高クロムケイ素耐食鋼の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理、硬度測定及び腐食電位測定を行った。より詳細に説明すると、かかる腐食電位測定は、ポテンショスタット（Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）と、作用電極（Ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と、対極電極（Ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と、参照電極（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）とを備える電気化学的試験システム（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ）を使用して完了する。腐食電位測定を行う時には、サンプル、白金（Ｐｔ）電極及び甘汞電極をそれぞれ作用電極、対極電極及び参照電極として計測を行う。その内、作用電極と対極電極は、３．５％のＮａＣｌ水溶液が充填されている第１容器中に浸漬され、かつポテンショスタットに電気的に接続されている。一方、甘汞電極では、飽和ＫＣｌ水溶液が充填されている第２容器中に浸漬され、かつポテンショスタットに電気的に接続されている。なおかつ、前記第１容器と前記第２容器との間に塩橋が設けられる。次に、ポテンショスタットを操作して分極曲線の測定を行い、その後、ソフトウェア解析を利用して測定して得られた曲線に沿ってサンプルの孔食電位を計測して得ることができる。

本発明の高クロムケイ素耐食鋼の多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（１）にまとめて示す。

上記の表（１）から、１６個のサンプルは、いずれも本発明の高クロムケイ素耐食鋼の実施例１に属することが分かる。同時に、２２～２４ｗｔ％のＣｒを含有する場合、サンプルは、Ｓｉ含有量が高ければ高いほど、硬度表現もよくなることが発見できる。表（１）のデータから、Ａ１５及びＡ１６を除いて、本発明の高クロムケイ素耐食鋼の全てのサンプルの硬度は、いずれもＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にあることが示された。補足説明すると、サンプルＡ１５とＡ１６は、硬度測定を行う過程において、ダイヤモンド針によってサンプルの表面上に形成された圧痕の周囲にき裂が現出され、サンプルＡ１５とＡ１６は、硬度が高すぎるため（即ち、ＨＶ５００よりも大きいため）、構造材としての応用に不適であることが示された。反面、他のサンプルでは、硬度測定の過程においていずれも表面き裂が現出されていない。一方、Ｓｉ含有量が１．５ｗｔ％しかないサンプルＡ５を除いて、本発明の高クロムケイ素耐食鋼の全てのサンプルの孔食電位は、いずれも０．８Ｖよりも高い。説明に値するのは、孔食電位の測定を完了した後、サンプルＡ５の表面に数多くの部分的な孔食が見られた。このため、表（１）の実験データに応じて、本発明の高クロムケイ素耐食鋼のＳｉ含有量を２ｗｔ％より低くすることはできないことが実証された。

（実験例２）
実験例２において、真空アーク融解炉を利用して本発明の高クロムケイ素耐食鋼の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理、硬度測定及び腐食電位測定を行った。本発明の高クロムケイ素耐食鋼の多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（２）にまとめて示す。

上記の表（２）から、１９個のサンプルは、いずれも本発明の高クロムケイ素耐食鋼の実施例２に属することが分かる。より詳細に説明すると、硬度測定を行った後、ダイヤモンド針によって１９個のサンプルの表面上に形成された圧痕の周囲にき裂が現出されていない。一方、孔食電位の測定を完了した後は、１９個のサンプルの表面でも明らかに部分的な孔食が見られなかった。このため、表（２）の実験データに応じて、本発明の高クロムケイ素耐食鋼の実施例２は、確かに０．８Ｖより大きい孔食電位、及びＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度を有することが実証された。補足説明すると、Ｓｉ含有量の増加に伴い、サンプルの均質化状態の硬度もそれにつれて増加すると同時に、耐孔食効果もよくなる。さらに、例えば、Ｂ、Ｃ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｓｎ、Ａｌのような微量元素を添加した後、サンプルの硬度に変化が生じるが、孔食電位は、いずれも０．８Ｖよりも大きいかあるいは等しい。

このため、実際の測定データから、本発明の高クロムケイ素耐食鋼の実施例１と実施例２は、いずれも０．８Ｖより高い孔食電位、及びＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度を有することが発見できる。このため、実験データから、本発明の高クロムケイ素耐食鋼は、従来公知の孔食に耐性のないステンレス鋼（例えば、３０４、３１６Ｌ）を代替することができることから、化学工業施設及び工程構造などに使用されて高耐腐食性を要求される部材及び構造部材の製造に応用されていることが証明された。

上記のように、本発明に開示された高クロムケイ素耐食鋼の全ての実施例を既に明瞭かつ十分に説明してきた。しかしながら、強調すべき点は、前述の本願で開示されるものは、単なる好適な実施例であり、一部の変更または修飾が本願の技術思想をもとにして、本願の特許権の範疇を逸脱しない限り、当該技術に習熟している者であれば、容易に推察できる点である。

Claims (2)

1. ＨＶ１７０～ＨＶ５００の間にある硬度、及び０．８Ｖより大きい孔食電位を有する高クロムケイ素耐食鋼であって、
   組成の合計を重量百分率で表して、
   ２２～２６ｗｔ％のＣｒ、３～１０ｗｔ％のＳｉ、０．３ｗｔ％を超えないＣ、０．２ｗｔ％を超えないＢ、３ｗｔ％を超えないＭｏ及び／またはＮｂ、２ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物からなり、
   ＣｒとＳｉの総量が３７ｗｔ％よりも小さく、
   Ｍは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｓｎ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素であることを特徴とする、
   高クロムケイ素耐食鋼。
2. 高耐腐食性を要求される物品としての、請求項１に記載の高クロムケイ素耐食鋼の使用。