JPH034617B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は安定化フエライトステンレス鋼に関
し、特にろう付接合するフエライトステンレス鋼
物品用として好適なステンレス鋼に関する。 フエライトステンレス鋼は優れた機械的特性を
有し、高温度において酸化及び通常の腐蝕に対す
る抵抗性が大きい。この鋼は熱交換器、排気系、
化学的処理容器等の高い温度及び応力、腐食性雰
囲気に曝される物品の構造部材として理想的に使
用される。これらの部品の製造に際してはフエラ
イトステンレス鋼相互間又は他の異なる金属との
間を、使用される高温度下で有効な接合方法で接
合する必要を生ずることが多い。更に、一般的
に、使用温度を超える温度範囲で鋼を接合する。
ろう付は金属間接合で広く使用される方法であ
り、ろう付充填の融点より高く接合すべき金属の
融点より低い温度範囲として800〓〜2000〜2100
〓（427℃〜1093〜1150℃）で接合する。ろう付
充填材料の温度が融点附近になれば溶融して鋼の
面をぬらし、毛管作用で流れて接合部を充填す
る。少量のベース金属が溶融充填金属内に溶解し
て生ずる緊密な接触によつて接合を行なう。 高温度で接合すべきフエライトステンレス鋼は
カーボン量が少なく、カーボンと窒素に結合する
少量の安定化素子によつてフエライト相を保ち、
耐酸化、耐腐食抵抗性を保つ。安定化元素、例え
ばチタニウム、ニオビウム、タンタルは、カーボ
ンと窒素とに反応してクロム炭化物及び窒化物が
結晶粒界に形成、析出するのを防ぎ、同時にクロ
ムが外周部で濃度が低下するのを防ぐ。安定化元
素は理論必要量を超える量を添加する必要があ
り、カーボン及び窒素の完全な安定化を確実にす
る。チタニウムは好適な安定化元素であり、カー
ボン及び窒素に対する強い親和性を有し、原子量
が小さく入手し易い。他の安定化元素、ニオビウ
ム、タンタル等は高価であり、チタニウムよりは
単位重量当りの有効性が小さく、溶接割れの傾向
があるため望ましくない。 チタニウム安定化フエライト鋼の既知の例とし
て米国特許3250611号記載の鋼は酸素のない銅及
びニツケルベース合金等の充填材料では直にろう
付できない。この鋼はぬれない表面フイルムを形
成し、フエライトステンレス鋼ベースの金属とろ
う付充填材料との間の接合を防ぎ、真空又は不活
性雰囲気下での炉内ろう付でも接合困難である。
高温度ろう付充填材料としての酸素のない銅はこ
の表面フイルム内に浸透しない。ニツケル合金高
温ろう付充填材料は、通常は硼素、珪素の添加物
を含み表面フイルム内に浸透する。鋼のぬれ性は
向上するが、ニツケルベース材料は結晶粒界内に
浸透してベース金属の粒間腐食を生ずる。更に、
ろう付作業を促進するための高温範囲は鋼の結晶
粒を粗大化し、時間を長くすれば表面フイルムの
抵抗性を増すため能率が悪い。このため、銅によ
るろう付が不可能であり、ニツケルベース金属に
よるろう付は品質確保の点から十分実際的ではな
い。かくして、銅被覆フエライトステンレス鋼を
使用して、ろう付温度が2000〜2100〓（1093〜
1150℃）に達する場合のろう付とする。この作業
では鋼のろう付ではなく銅被覆のろう付になる。 本発明は、炉内ろう付法における2000〜2100〓
（1093〜1150℃）の温度で使用される通常のろう
付材料によつてぬらすことができる安定化フエラ
イトステンレス鋼に関するものである。 本発明によるフエライトステンレス鋼は重量％
でクロム10.5〜13.5％、カーボン0.03％以下、窒
素0.050％以下、アルミニウム0.10％以下、モリ
ブデン1.25％以下、マンガン１％以下、シリコン
１％以下を含み、かつ安定化元素としてチタニウ
ム0.12％以下と、タンタル1.8％以下及びニオビ
ウム1.0％以下のうちいずれか一方もしくは両方
を含み、残部鉄および不可避不純物からなり、ま
た上記の安定化元素の量と炭素、窒素の量とが次
式の関係を満足するものである。 Nb％／93＋Ta％／181＋Ti％／48／Ｃ％／12＋
Ｎ％／14＞１ 上記の不等式の不等号の左辺において、各成分
％の除数として記載される数字は、それぞれの成
分元素の原子量と実質的に一致する。各元素が上
述の関係にある時には鋼中の侵入型元素を非湿潤
性のフイルムを形成することなしに充分効果的に
安定させる。またカーボンの量については、鋼中
におけるその含有量が多くなればマルテンサイト
が生じ易いことは周知であり、そのために本発明
ではカーボンの量は0.03％以下とされる。 過剰の窒素は、粒界に窒化クロムを生成させ、
一方では、周辺の領域においてクロムを低減させ
る。0.05％までの窒素は、高価な脱窒処理を必要
とせずに安定化できる。従つて、チタンやニオブ
のような安定化元素は、窒素の含有量との関係に
おいて定められている。窒素が0.05％を越える
と、鋼のフエライト相のバランス、耐酸化性及び
耐食性に悪影響を与え、安定化処理を必要とする
ようになる。 本発明のフエライトステンレス鋼に耐酸化性と
一般的な耐食性とを与えるために、10.5〜13.5％
のクロムが必要である。クロム10.5％未満では、
フエライトステンレス鋼に充分な耐酸化性と耐食
性とを与えることができない。一方、クロム含有
量が13.5％を越えると、硬化可能となり強度が増
すことによつてフエライトステンレス鋼の伸びを
劣化させることになる。 安定化のための関係式を満たす量のニオビウム
とタンタルはフエライトステンレス鋼において非
ぬれ性表面被膜を生ずることなく侵入型元素を充
分に安定化させる。侵入型元素の安定化の程度が
高くなるほど、フエライト組織は安定化する。し
かしながら、ニオビウムとタンタルは共に固溶体
強化剤およびラベス相（Laves phase）形成剤と
して作用してフエライトステンレス鋼を強化す
る。しかしならが、鋼の強度が増すにつれて、伸
びが低減するという好ましくない現象が生ずる。
1.0％以上のニオビウムは、このような強度の増
加と伸びの低下とのバランスという意味で、好ま
しくないので、これ以下に制限される。タンタル
添加の影響はニオビウムのそれと均等であるがニ
オビウムよりも影響が小さいので、1.8％を越え
ると好ましくなく、これ以下に制限される。 なお、上記の侵入型元素とは、例えば遷移金属
の結晶格子または原子格子の〓間に侵入して、侵
入型固溶体或は侵入型化合物を形成する小さい径
の元素、例えば、水素、ホウ素、炭素、または窒
素をいう。侵入型元素が侵入してできる固溶体
は、結晶構造が変わらないか、または多少歪みが
でる程度が普通である。侵入型元素の原子半径
は、金属の原子半径に対してその比が0.59以下で
ある。上述のように、本願発明では、上記の関係
式を満足する量のTa、Nbは、鋼中に存在する水
素、ホウ素、炭素、窒素などの侵入型元素と化合
物を作り、これらを安定化させる。チタニウムは
供給スクラツプから得、又は溶融金属に添加す
る。チタニウムは溶接割れの防止に効果があるが
フイルムの特性に影響し、量が0.12％を超えれば
フイルムは非ぬれ性となる。しかし、TiO₂、
TiS、TiNのようなろう付け温度で安定なチタニ
ウム化合物が形成されてチタニウムのぬれ性に対
する影響が緩和される場合には、上述の量より多
くのチタニウムを含有させることができる。しか
し酸素、窒素、硫黄は他の鋼特性に悪影響がある
ためできるだけ少量とする必要がある。ろう付の
見地からは組成中にチタニウムのないことが望ま
しい。このためにはチタニウムは好ましくは0.01
重量％以下とし、更に好ましくは0.005％以下と
し、更に、機械的特性及び耐蝕性を良くするため
に、アルミニウム0.1％以下、モリブデン1.25％
以下、マンガン１％以下、珪素１％以下を含む。 アルミニウムは、通常脱酸剤として使用され、
鋼に残留する。本願発明では、ろう付け可能な鋼
にぬれ性を与えるために、0.1％より多くないア
ルミニウムの含有量が要求される。 モリブデンは、しばしば耐孔食性の向上のため
に添加されるが、この目的のためには、1.25％の
含有量で充分である。過剰に添加すると経済性を
損うだけでなく、加工性も悪くなるので、1.25％
以下に制限される。 マンガンは、硫黄と化合させてMnSを形成す
るのに必要であるか、過剰量の添加は鋼の加工性
を悪くするので、１％以下に制限される。 シリコンは、脱酸剤として使用され、１％まで
存在し得るが、過剰量においてやはり鋼を脆化さ
せ、延性や加工性を悪くするので、１％以下に制
限される。 この組成した鋼は銅、ニツケル等の合金による
充填材料にぬれ性があり、既知の技法によつて炉
内ろう付できる。 場合によつて、同じ物品で溶接とろう付とを共
に使用することが望ましい。それ故、チタニウム
含有量を0.12％以下として溶接割れを防ぐと共に
ろう付に際してぬれ性を保つ。チタニウム量が多
くなれば、鋼は実用ろう付不可能となる。 本発明の好適な結果を示すために、16種の実験
用鋼材と２種の市販鋼材とのぬれ性試験を行なつ
た。実験用鋼材を第１表にNo.１〜16として示し、
市販鋼材をＡ、Ｂとして示す。 これらの鋼材のうち、No.１〜６、No.14〜16が本
願発明の範囲内にあり、No.７〜13及びＡ、Ｂは本
願発明の範囲外のものである。

【表】

【表】 実験用鋼塊からの試料を高温圧延して約0.100ⁱⁿ
（約2.5mm）とし冷間圧延して0.020ⁱⁿ（約0.5mm）と
した。冷間圧延した試料を焼鈍し標準技法によつ
て酸洗した。直径約1.5ⁱⁿ（約38mm）の円形試片を
冷間圧延した条片から打抜き、抵抗加熱冷壁真空
炉内でろう付ぬれ性を試験した。 試験は各試料の上にろう付充填材料を置いて試
料と充填材料とを充填材料の融点まで加熱した。
試料のぬれ性の評価はパラメータd²／ｈとし、ｄ
は試料面に形成された液滴の平均直径であり、ｈ
は液滴の高さでインチで示す。ぬれ性は液滴の覆
つた面積に比例し、液滴の高さに逆比例する。 各試料は通常の炉雰囲気内で2050〓（1121℃）
で行い、ろう付充填材料として酸素のない鋼を使
用した、フラツクスは使用しなかつた。炉内ろう
付の場合はフラツクスを使用しないのが通常であ
る。直径0.010ⁱⁿ（0.25mm）のワイヤの両端を四角
にし、長さ1/8ⁱⁿ（３mm）の長さのものを各加熱
試料の中央の上に置いた。真空試験では、炉を冷
間で真空とし1050〓（566℃）に加熱し、ろう付
温度に加熱間水銀柱１ミクロン以下の真空度に保
持した。不活性ガス試験では炉内を冷間で真空と
し、1050〓（566℃）に加熱し、1200〓（649℃）
に加熱する間１ミクロン又は以下の真空度に保
ち、窒素を1500ミクロンまで充填し、ろう付温度
に加熱した。 還元雰囲気試験では炉を冷間で排気し、1050〓
（566℃）に加熱し、1200〓（649℃）に加熱間１
ミクロン以下の真空に保ち、乾燥水素、露点−80
〓（−62℃）以下、を300000ミクロンの圧力で充
填し、ろう付温度に加熱する。第２表は試料のぬ
れ性（d²／ｈ）を示す。Ｃは試料が完全にぬれた
ことを示す。

【表】

【表】 研究のために製造した組成相互間及び市販鋼材
Ａ、Ｂを比較してチタニウムの悪影響を定める。
市販鋼材Ａ、Ｂは明らかに湿潤性がない。試料１
〜４、14〜16の安定化組成は0.005％以下のチタ
ニウムを含み、すべての雰囲気で優れたぬれ性を
示す。チタニウム含有量の多くなる場合の影響は
試料５〜７に示される。試料５は0.008％チタニ
ウムを含み、すべての雰囲気で優れたぬれ性を示
す。試料６は0.11％チタニウムを含み、不活性ガ
ス及び真空内ではぬれ性が良いが、還元雰囲気中
ではチタニウムの悪影響が著しい。試料７〜13は
チタニウム含有量が大であり、既知の組成よりも
ぬれ性が良くならない。 乾燥窒素雰囲気内で酸素のない銅と試料との間
のぬれ性の差を第１，２図に示す。第１，２図は
表、に示した試料を支持したろう付テーブル
の斜視図と平面図である。試料Ａ、Ｂは市販の鋼
材であり、充填材料が溶融滴を超えて試料面をぬ
れないことを示す。同様に、試料７、８、９、10
も充填材料との間のぬれ性がない。試料１、２、
３、４は酸素のない銅によつて完全にぬらされ
る。試料５、６のチタニウム含有量は0.008％と
0.11％であるが明らかに溶融滴の範囲を超えて銅
によつてぬらされる。 試料を2000〓（1093℃）で真空状態でニツケル
合金をろう付充填材料として試験した。この試験
においてはニツケル合金粉（AMS−BNi−２）
に1000〓（538℃）までに完全に蒸発する合成樹
脂セメントを混合した。この混合物を直径3/16^i
ｎ、高さ3/16ⁱⁿ（4.8mm）のペレツトに形成し、試
料の上に置いた。炉は冷間で排気し、ろう付温度
に加熱した。フラツクスは使用しなかつた。通常
炉内ろう付ではフラツクスは使用しない。試料の
ぬれ性の指標d²／ｈを第３表に示す。字Ｃは試料
が完全にぬれたことを示す。

【表】

【表】 既知の組成は試験しなかつたが、チタニウム含
有量から見て試料７、９と同程度である。試料
３、５、14〜16はすべて0.1％以下のチタニウム
を含み、優れたぬれ性を有する。試料６は0.11％
のチタニウムを含み、他の0.18％Tiの試料12、こ
れ以上のチタニウムを含む試料７、９に比較して
優れたぬれ性を有する。 本発明は各種の変型が可能であり、実施例は例
示であつて発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は各種試料のろう付ぬれ性を示
す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ろう付可能のフエライトステンレス鋼であつ
   て、重量％でクロム10.5〜13.5％、カーボン0.03
   ％以下、窒素0.050％以下、アルミニウム0.10％
   以下、モリブデン1.25％以下、マンガン１％以
   下、シリコン１％以下を含み、かつ安定化元素と
   してチタニウム0.12％以下と、タンタル1.8％以
   下及びニオビウム1.0％以下のうちいずれか一方
   もしくは両方を含み、残部鉄および不可避不純物
   からなり、また上記の安定化元素の量と炭素、窒
   素の量とが次式の関係を満足する、ろう付け充填
   材料に対してぬれ性をもつことを特徴とするろう
   付性のよい安定化フエライトステンレス鋼。 Nb％／93＋Ta％／181＋Ti％／48／Ｃ％／12＋
   Ｎ％／14＞１ ２ チタニウムを0.01％以下とする特許請求の範
   囲第１項記載のフエライトステンレス鋼。 ３ チタニウムを0.005％以下とする特許請求の
   範囲第１項記載のフエライトステンレス鋼。 ４ チタニウムを少なくとも0.001％とする特許
   請求の範囲第１項記載のフエライトステンレス
   鋼。 ５ チタニウム以外の安定化成分をニオビウムと
   する特許請求の範囲第１項記載のフエライトステ
   ンレス鋼。 ６ チタニウム以外の安定化成分をタンタルとす
   る特許請求の範囲第１項記載のフエライトステン
   レス鋼。 ７ 溶融銅に対してぬれ性を有する特許請求の範
   囲第１項記載のフエライトステンレス鋼。 ８ チタニウムを0.01％以下とし、溶融銅に対し
   てぬれ性を有する特許請求の範囲第１項記載のフ
   エライトステンレス鋼。 ９ チタニウムを0.005％以下とし、溶融銅に対
   してぬれ性を有する特許請求の範囲第１項記載の
   フエライトステンレス鋼。