JPH02236220A - ステンレス鋼鋳造材の溶体化熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ステンレス鋼鋳造材の溶体化熱処理方法、特
に、冷却過程での熱応力による残留応力を生じ易い厚肉
太径長尺サイズの鋳造材の残留応力を低減することがで
きる溶体化熱処理方法に関する。

〔従来の技術〕

ステンレス鋼鋳造材の耐食性等の材質改善を目的として
炭化物の固溶・合金元素の均一拡散固溶等を図る溶体化
熱処理は、その鋳造材を所定の固溶化温度（概ね、１０
００　〜１１５０゜ｃ）に適当時間（例えば１〜２　Ｄ
ｒ／　２５ｍａ＋　）加熱保持して均一なＴ相とし、つ
いで急冷することにより行われる。固溶化温度に加熱保
持した後の冷却を急冷とするのは、むろんその冷却途中
におけるクロム炭化物の析出（Ｃｒの消耗により耐食性
の著しい低下を招く）を阻止するためであり、その象、
冷手段として一般に水冷が適用される。被処理材が極低
Ｃステンレス鋼である場合は、水冷に代え強制空冷（送
風冷却）を採用することも可能であるが、その場合でも
、厚肉太径長尺サイズの被処理材に対しては、肉厚中心
部の冷却が緩慢とならないようにミスト空冷を適用し中
空孔内面側からの冷却を促進させることが必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記溶体化熱処理材の固溶化温度（約１１００’ｃ）か
らの水冷、強制空冷またはミスト冷却等による冷却過程
において、被処理材の内外部の温度差により熱応力が発
生し、その熱応力に起因して冷却完了後の被処理材に残
留応力が発生する。残留応力の発生は厚肉長尺サイズの
ものほど顕著であることは言うまでもない。

被処理材に生じた残留応力は、その後の機械加工時の変
形を誘起し、また疲労強度の低下や応力腐食割れ等によ
る製品の耐用寿命を大きく損なう原因となる。その残留
応力は、焼鈍処理により除去することは可能であるが、
工数の増加・コスト上昇等を免れない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、厚肉大径長
尺サイズの被処理材に対しても、冷却過程での熱応力と
それによる残留応力の発生を可及的に少なくするように
した溶体化熱処理方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明に係る
ステンレス鋼鋳造材の溶体化熱処理方法は、固溶化温度
からの冷却過程において、８００〜９００℃までの冷却
を徐冷とし、それ以降の冷却を急冷とすることを特徴と
している。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明の溶体化熱処理は、固溶化温度からの冷却過程の
初期段階（８００〜９００℃に到るまでの隆温過程）を
徐冷とし、その後象、冷を行うこととしている。初期段
階の徐冷は、空冷または炉冷とすればよく、冷却速度は
概ねｉｏ’ｃ／分以下（例えば５〜８゛Ｃ／分）である
。被処理材が厚肉大径長尺の中空体であってその徐冷を
空冷により行う場合は、外周面側と内周面側の温度差緩
和のために中空孔に軽度の送風（例えば、４００〜６０
０ｒｒ？／分）を行うのが好ましい。徐冷につづいて行
われる急冷は、通常の溶体化熱処理で行われる急冷と同
義であり、水冷またミスト冷却等であって、代表的には
被処理材を冷却水中に浸漬するか、あるいは被処理材を
ターニングローラ上に水平に担持して適当な回転速度（
例えば、１〜５ｒｐｌｌ１）の回転下に中空札内にミス
トをブロア送風することにより行えばよく、その冷却速
度は概ね２０“Ｃ／分以上（例えば３０〜４０℃／分）
である。

本発明において冷却過程の初期段階を徐冷としたのは、
冷却過程で生じる熱応力による被処理材の塑性変形を防
止するべく、その熱応力の大きさを被処理材の各温度に
おける耐力以下に抑制するためである。すなわち、固溶
化温度からの冷却速度が大きい程、その冷却過程の被処
理材に生じる肉厚方向および長手方向の温度差とそれに
よる熱応力は大であり、また被処理材の耐力は高温度域
であるほど小さい。そこで、本発明は、冷却過程の初期
段階である被処理材の耐力が極めて小さい高温域の冷却
を徐冷とすることにより、被処理材に生じる熱応力の大
きさを、その温度域での被処理材の耐力をこえないよう
にしている。また、初期段階を通過して比較的低い温度
域（８００〜９００℃以下）に到った被処理材は水冷や
ミスト冷却等の急冷で生じる熱応力をこえる耐力（約１
０　ｋｇ　／　ｍ　”以上）を保有しているので塑性変
形のおそれはなく、従って初期段階通過後の降温過程は
急冷としている。

このように、固溶化温度からの冷却パターンを徐冷と急
冷の組合せとし、被処理材に生じる熱応力を、冷却過程
の全温度域に亘って被処理材の耐力をニないようにする
ことにより、熱応力による望性変形が回避され、結果と
して冷却完了時の残留応力が抑えられる。

上記被処理材の冷却過程における固溶化温度からの徐冷
は、９００℃以下の温度（例えば８５０℃）に降下する
まで行うのがよい。９００℃に到達する前に徐冷から急
冷の切換え行うと、徐冷を付加したことによる残留応力
低減効果が不十分となるからである。また、その徐冷は
８００″Ｃより低い温度域に亘って行うべきではない。

８００℃より低い温度域の冷却を徐冷としたのでは、炭
化物の析出が生じ溶体化熱処理の目的が達成できな《か
らである。むろん、徐冷から急冷への移行の最適温度は
、対象とする被処理材の材質により個々に異なるが、例
えばＪＩＳ　Ｇ　５１２１　ＳＣＳ１３．　１４．　１
９，　２３，または２４等の各種ステンレス鋼の厚肉太
径長尺サイズの鋳造材（外径；約３００［１１１以上、
肉厚；約３０１ｌＩＩＩＩ以上、胴長：約２０００一以
上）について、８５０℃±５０℃の温度域で徐冷から急
冷に移行する冷却パターンにより、所期の溶体化熱処理
を達成しつつ、残留応力を大きく低減させ得ることが本
発明者の実験により確かめられている。

第２図（Ａ）はステンレス鋼（ＪＩＳ　Ｇ５１２１　Ｓ
ＣＳ１４相当材）からなる厚肉大径長尺サイズの中空筒
状遠心力鋳造材（外径：１０４０ｕｕｎ，肉厚：８０ｍ
ｍ，軸長：７３００ｍｍ）を供試材（「供試材ＳＩＪ　
）とし、その溶体化熱処理（固溶化温度：１１００℃）
における冷却を本発明の徐冷と急冷の冷却パターンによ
り行ったときの冷却過程における肉厚方向の温度分布の
経時変化を示している（図中の数字は、冷却開始後の経
過時間（分）である）。同図〔Ｂ１〕はその徐冷途中（
冷却開始１２分後、温度約１０００”Ｃ）における肉厚
方向の熱応力分布、同図〔Ｂ２〕は急冷途中（冷却開始
４０分後、温度約８００℃）における肉厚方向の熱応力
分布をそれぞれ示し、また同図（Ｃ）は冷却完了後の肉
厚方向の残留応力の分布を示している。測定位置はいず
れも被処理材の軸方向中央部である。なお、徐冷および
急冷条件は次のとおりである。

徐冷：被処理材を炉中に水平保持し８５０℃まで冷却（
冷却速度　約６〜９゛Ｃ／分） 急冷：被処理材をクーニングローラ上に載置し、水平軸
を中心に回転（　３　ｒｐｍ）させながら、中空孔内に
ブロアでミストを送通（流量：約２０００　ｒｒｆ　／
分）して４００℃まで冷却。

第３図（Ａ）は前記供試材（Ｓ１）と同じ鋼種および鋳
造サイズの中空円筒状鋳造材（以下、「供試材Ｓ２」）
について固溶化温度（１１００℃）から直ちにミスト空
冷（ミスト冷却方法は前記と同一）に付して４００″Ｃ
まで降下させる従来法により冷却したときの肉厚方向温
度分布の経時変化（図中の数値は、冷却開始後の経過時
間（分））、同図〔Ｂ〕は、その冷却途中（冷却開始１
５分後、温度約７５０℃）における肉厚方向の熱応力分
布、同図〔Ｃ〕は冷却完了後の残留応力の肉厚方向分布
をそれぞれ示している。

第１図は、ステンレス鋼（上記供試材と同一鋼種）の耐
力の温度変化と、上記各供試材Ｓ１およびＳ２の冷却過
程での熱応力を示したグラフであり、グラ７　（ＹＰ）
は耐力、グラ７　（Ｓｌ）および（ｓ２）はそれぞれ供
試材ＳｌおよびＳ２の冷却過程で生じた熱応力である。

図示のように、固溶化温度から直ちに急冷する従来法に
おける被処理材（Ｓ２）には、高温度域において生じる
熱応力がその温度域の被処理材の耐力を大きく越えてい
るのに対し、徐冷とその後の２，冷の組合せになる本発
明の冷却が施された供試材Ｓ１の熱応力は、冷却の全温
度域において耐力より低く抑えられている。この熱応力
抑制効果によって、冷却完了後の供試材ｓ１の残留応力
は前記第２図（Ｃ）に示したように極く軽微であり、こ
れに対して従来法による供試材Ｓ２のそれ（第３図〔Ｃ
］）は著しく大きく、本発明による残留応力低減効果を
明瞭にみ゛ることができる。

〔実施例］ ステンレス鋼中空円筒体（遠心力鋳造材）の溶体化熱処
理を行い、それぞれについて、残留応力の測定、および
耐食試験を行った。

第１表に供試材鋼種、鋳造サイズ、および溶体化熱処理
条件を示す。表記のＮＬｌｌおよび２は固溶化温度から
の冷却を徐冷とその後の急冷の組合せとした発明例であ
る。Ｎα１０１〜１０６は比較例であり、Ｎｏ．１０１
とＮα１０２は固溶化温度から直ちに急冷（ミスト空冷
）した従来例、Ｎｏ．　１０　３〜１０６は固溶化温度
からの冷却が発明例と同じく徐冷と急冷の組合せパター
ンであるが、前二者（　Ｎｏ．　１０　３と１０４）は
徐冷効果が不足し、後二者（Ｎａｌ０５と１０６）は徐
冷過剰（急冷効果不足）の例である。

表中、「網種」欄の各記号および「溶体化熱処理条件」
欄の炉冷、およびミスト冷却条件は次のとおりである。

仮跋赳徨 Ａ　：　０．ＯＩＣ　−１４．５Ｎ　ｉ　−１８．５Ｃ
　ｒ　−　２．５Ｍ　ｏ　　（ＳＣＳ　１６相当材） Ｂ　：０．０２Ｃ−６　Ｎ　ｉ−２４Ｃ　ｒ　−　２．
５Ｍ　ｏ　　（ＳＣＳ相当材） 更盈 被処理材を炉中に水平保持。冷却速度　約６〜９℃／分 １ノ」く１准 被処理材をターニングローラに水平担持し、軸心を中心
に回転（　３　ｒｐｍ）させながら、中空孔内にブロア
によりミストを送通（流ｉｉ：約１５００〜２０００ｄ
／分）。

（１）残留応力測定 溶体化熱処理後の各供試材の残留応力をリングカット法
により測定した（測定個所はいずれも、軸長方向中央部
）。第２表の右欄に、その残留応力測定結果を示す。

（ｎ）耐食性試験 溶体化熱処理後の各供試材の軸方向中央部から試験片を
切り出し、それぞれにつき下記の全面腐食試験および孔
食試験を行い、第２表右欄の結果を得た． （ｉ）全面腐食試験 ５％硫酸水溶液に試験片（試験面積：１６ｍｊ）を６時
間沸騰浸漬し、腐食減量（ｇ／ｒｒｆ／Ｈ）を測定． （ｉｉ）孔食試験 ６％塩化第二鉄水溶液（液温：５０℃）に試験片（試験
面積：１６ｄ）を７２時間浸漬し、腐食減量（ｇ／ｒｄ
／Ｈ）を測定。

上記試験結果に示したように、発明例（Ｎｏ．１〜２）
の残留応力は、従来例（固溶化温度から直ちに急冷）で
あるＮα１０１．　Ｎα１０２の残留応力に比べて大幅
に低減している。また、発明例（Ｎ（１１〜２）は、従
来例（Ｎα１０１．　１０２）と同等の耐食性を有して
いることから、十分に溶体化熱処理が達成されているこ
ともわかる。なお、比較例Ｎα１０３〜１０６は発明例
と同じく徐冷と象、冷の組合せにより冷却されたにも拘
らず、Ｎａｌ０３とＮα１０４は徐冷効果が不足してい
るため、残留応力の低減効果が少なく、一方徐冷が過剰
であるＮａｌ０５とＮＱｌ０６は耐食性が著しく悪く（
冷却途中の炭化物の析出による）、所定の固溶化熱処理
は達成されていない。

〔発明の効果〕

本発明方法によれば、厚肉太径長尺サイズのステンレス
鋼鋳造材を被処理材とする場合にも、残留応力の少ない
溶体化熱処理材を得ることができる。むろんその溶体化
熱処理効果は十分に保証される。従って、例えば抄紙機
用サクションロール、その他厚肉大径長尺サイズのロー
ル材等の溶体化熱処理材の残留応力低減効果により、機
械加工時の変形が少なくなるのみならず、実使用時の疲
労強度や、応力腐食割れ抵抗性の向上等により、耐久性
の改善・メンテナンス軽減等の諸効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は被処理材の耐力の温度変化と冷却過程の熱応力
を示すグラフ。第２図〔Ａ〕、第３図（Ａ〕は被処理材
の冷却過程における肉厚方向温度分布の経時変化を示す
図、第２図（３１１　　（８２：ｌおよび第３図（Ｂ）
は被処理材の冷却過程における肉厚方向熱応力分布を示
す図、第２図〔Ｃ〕、第３図（Ｃ）は被処理材の冷却完
了後の肉厚方向残留応力分布を示す図である。 Ｓ士ｒｅｓｓ　（ｋｇ／ｍｍ２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステンレス鋼鋳造材を固溶化温度に加熱保持した後
   の冷却を、８００〜９００℃までは徐冷とし、それ以降
   は急冷とすることを特徴とするステンレス鋼鋳造材の溶
   体化熱処理方法。 ２、請求項１において、固溶化温度から８００〜９００
   ℃までの徐冷を空冷もしくは炉冷とし、それ以降の急冷
   を水冷もしくはミスト空冷とするステンレス鋼鋳造材の
   溶体化熱処理方法。