JPH09195004A

JPH09195004A - ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH09195004A
Application number: JP12824396A
Authority: JP
Inventors: Yukirou Shimobatake; 幸郎下畠; Hirofumi Furukawa; 洋文古河; Hideaki Honma; 秀明本間; Kenichi Kubo; 久保　　健一; Kiyoshi Watanabe; 潔渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1997-07-29

Abstract

(57)【要約】【課題】オーステナイト系のステンレス鋼に関し、特
に耐キャビテーション性が要求される水力発電プラント
用の水車ランナ、ガイドベーン、ステーベーン及び各種
ポンプ等を製造する場合、更には船舶用プロペラを製造
する場合に使用して有用なものを提供する。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼は、重量
パーセントで、炭素（Ｃ）が０．１０〜０．２０％、ケ
イ素（Ｓｉ）が０．３０〜１．００％、マンガン（Ｍ
ｎ）が５〜１５％、クロム（Ｃｒ）が１４〜１８％、ニ
ッケル（Ｎｉ）が０．５〜４．０％、窒素（Ｎ）が０．
１０〜０．３５％、モリブデン（Ｍｏ）が２％以下含有
されてなり、且つフェライト相が５％以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はオーステナイト系の
ステンレス鋼に関し、特に耐キャビテーション性が要求
される水力発電プラント用の水車ランナ、ガイドベー
ン、ステーベーン及び各種ポンプ等を製造する場合、更
には船舶用プロペラを製造する場合に使用して有用なも
のである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
水力プラントは初値効率の向上などの点から高落差の方
向に進んでいる。しかしながら、高落差化によって流速
が増大し、水車ランナにキャビテーションによるエロー
ジョンの発生が生じるという問題がある。

【０００３】従来、水力発電プラント用の水車ランナ、
ガイドベーン、ステーベーンなどの製造に使用する材料
としては、Ｎｉを含有する１３％Ｃｒマルテンサイト系
ステンレス鋼が使用されているが、高落差による効率化
により、キャビテーションによるエロージョンの問題が
大きくなってきており、現在使用されている材料よりも
耐キャビテーション性に優れたものが要望されている。

【０００４】これに対し、１３％Ｃｒマルテンサイト系
ステンレス鋼よりも優れた耐キャビテーション性を示す
材料としてオーステナイト系ステンレス鋼が知られてい
るが、その差はさほど大きくなく、しかも、このオース
テナイト系ステンレス鋼は耐力が低いために設計強度上
の制約が大きく、大型部材への適用が難しいという問題
がある。

【０００５】また、１７−４ＰＨステンレス鋼に代表さ
れる析出硬化型ステンレス綱は１３Ｃｒマルテンサイト
系ステンレス綱より優れたキャビテーション性と高い耐
力を有することが知られているが、この材料は特に厚肉
にした時の靱性低下が著しい上に熱処理時に変形、割れ
が生じ易いという問題があり、大型部材には適用されて
いない。

【０００６】さらに、耐キャビテーション性に優れた材
料としてはステライトがあり、キャビテーションによる
エロージョンが特に生じ易い部分に肉盛溶接して用いれ
ることがある。しかし、該ステライトは高価であると共
に、延性、靱性に乏しく単一部材としての使用は困難で
ある。

【０００７】近年、効率化の追求に伴い、水力発電に使
用される水車ランナなどの使用条件は厳しくなってきて
おり、従来の材料よりも耐キャビテーション性に優れ、
且つ従来の材料と同等の機械的設計強度の要件を充足す
る低コストの材料の出現が要望されている。

【０００８】従って本発明は上記従来技術に鑑み、優れ
た耐キャビテーション性及び耐力を有すると共に、マル
テンサイト系ステンレス綱焼戻し材並の強度規格を満足
し、且つ鋳造などにより例えばペルトン水車のノズル部
品等を一体部材として低コストで製造可能であるステン
レス鋼を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のステンレス鋼は、１８−８オーステナイト系ステン
レス鋼のＮｉをＭｎ及びＮで置換し、オーステナイト相
が加工による変形によりイプシロン相に変態しやすい状
態にすることで高い加工硬化性と引張強さが得られるこ
とを利用して、耐キャビテーション性を向上させるもの
である。また、オーステナイト系ステンレス綱は耐力が
低いことから固溶強化により耐力を向上させるものであ
り、具体的には以下のように特定されている。

【００１０】即ち、本発明の〔請求項１〕に係るステン
レス鋼は、重量パーセントで、炭素（Ｃ）が０．１０〜
０．２０％、ケイ素（Ｓｉ）が０．３０〜１．００％、
マンガン（Ｍｎ）が５〜１５％、クロム（Ｃｒ）が１４
〜１８％、ニッケル（Ｎｉ）が０．５〜４．０％、窒素
（Ｎ）が０．１０〜０．３５％、モリブデン（Ｍｏ）が
２％以下含有されてなり、且つフェライト相が５％以下
であることを特徴とするものである。

【００１１】〔請求項２〕のオーステナイト系ステンレ
ス鋼は、〔請求項１〕のステンレス鋼において、重量パ
ーセントでＭｎが８〜１５％含有されてなることを特徴
とするものである。

【００１２】〔請求項３〕のオーステナイト系ステンレ
ス鋼は、〔請求項２〕のステンレス鋼において、重量パ
ーセントでＳｉが０．５０〜１．００％であることを特
徴とするものである。

【００１３】〔請求項４〕のオーステナイト系ステンレ
ス鋼は、〔請求項２〕のステンレス鋼において、重量パ
ーセントでＮが０．２０〜０．３５％含有されてなると
共に炭素及び窒素の含有総量が０．４〜０．５５％、Ｖ
が０．２〜１．００％含有されてなることを特徴とする
ものである。

【００１４】〔請求項５〕のオーステナイト系ステンレ
ス鋼は、〔請求項２〕のステンレス鋼において、重量パ
ーセントでＮが０．２５〜０．３５％含有されてなると
共に炭素及び窒素の含有総量が０．４５〜０．５５％で
あることを特徴とするものである。

【００１５】〔請求項６〕のオーステナイト系ステンレ
ス鋼は、〔請求項１〕のステンレス鋼において、重量パ
ーセントでＭｎが５〜１４％、Ｃｒが１５〜１８％、Ｎ
ｉが０．５〜３．０％、Ｎが０．１５〜０．３５％含有
されてなると共に炭素及び窒素の含有総量が０．３５〜
０．５５％であることを特徴とするものである。

【００１６】上記構成のステンレス鋼は、ステライト並
の優れた耐キャビテーション性を有し、また上記のＣ，
Ｓｉ，Ｎ，Ｍｏの添加量を組成範囲内で増量すると耐力
を改善することができる。また、特に、Ｖを添加した場
合には、Ｃ＋Ｎ≧0.４０の条件、あるいはＶ添加をしな
い場合には、Ｃ及びＮ≧0.３５の条件とする所定の範囲
内とすることで、耐キャビテーション性を維持したまま
強度をマルテンサイト系ステンレス鋼と遜色ないほど向
上させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００１８】本発明の実施の形態に係るステンレス鋼
は、重量パーセントで、炭素（Ｃ）が０．１０〜０．２
０％、ケイ素（Ｓｉ）が０．３０〜１．００％、マンガ
ン（Ｍｎ）が５〜１５％、クロム（Ｃｒ）が１４〜１８
％、ニッケル（Ｎｉ）が０．５〜４．０％、窒素（Ｎ）
が０．１０〜０．３５％、モリブデン（Ｍｏ）が２％以
下含有されてなり、且つフェライト相が５％以下とする
ものである。

【００１９】ここで、各成分の含有量を上記の如く限定
する理由について説明する。なお、以下の説明において
％は重量％を示す。

【００２０】炭素（Ｃ）はオーステナイト相を安定化さ
せると共に高い加工硬化性を与える元素である。高い加
工硬化性を与えるためには０．０５％以上含有すること
が必要であり、耐力を向上させるためには０．１０％以
上含有することが必要である。一方、０．２０％を超え
て含有させると耐食性を劣化させたり、溶接性を損なう
ことになる。よって、Ｃは下限を０．１０％とし、上限
を０．２０％とした。

【００２１】ケイ素（Ｓｉ）は脱酸剤として必要な元素
であり、溶湯の流動性を向上させると共に耐力も向上さ
せるが、含有量が０．３０％未満では耐力向上の効果は
なく、一方、１．００％を超えて含有させても、脱酸剤
としての効果は１．００％の場合と同様であり且つ靱性
を劣化させる。よって、Ｓｉは下限を０．３０％とし、
上限を１．００％とした。なお、強度向上のためには、
下限値を0.５％とするのが好ましい。但し、後述するＶ
を添加した場合に、Ｃ＋Ｎ≧0.４０の場合、あるいはＶ
添加をしない場合に、Ｃ及びＮ≧0.３５の場合には、こ
の限りではない。

【００２２】マンガン（Ｍｎ）はオーステナイト相を安
定させると共に高い加工硬化性を与える。更に、多くの
Ｎの固溶量を必要とする本発明においてはＭｎは重要な
元素であり、この効果を得るには５％以上含有させる必
要がある。しかし１５％を超えて含有させるとオーステ
ナイト相の安定性が強くなり、オーステナイト相の加工
硬化性が下がって、耐キャビテーション性が悪化すると
共に、溶湯の流動性が悪化する。よって、Ｍｎは下限を
５％、上限を１５％とするが、また、好適には８〜１５
％である。なお、下限値の５％とする場合には、Ｃ＋Ｎ
≧0.３５と規定することにより、オーステナイト単相組
織となり、耐キャビテーション性が悪化しないので、よ
り好ましい。

【００２３】クロム（Ｃｒ）は耐食性を与えるために不
可欠な元素であり、且つ上記のＭｎと同様にＮの固溶度
を増加させる作用があるが、１４％未満の含有量では耐
食性が急激に劣化する。一方、１８％を超えて含有させ
るとオーステナイト相組織を維持するのが難しくなる。
よって、Ｃｒは下限を１４％とし、上限を１８％とし
た。また、Ｃｒは靱性を向上させる効果があるため、特
に１５％以上を添加すると伸びと靱性が良好となり更に
好適である。

【００２４】ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト相を安
定化させる元素であり、少なくとも０．５％以上含有さ
せる必要があるが、４％を超えて含有させるとオーステ
ナイト相の加工硬化性が低下し、耐キャビテーション性
が悪化する。よって、Ｎｉは下限を０．５％とし、上限
を４％とした。なお、ニッケルの添加は１％の増加で４
０Ｎ／ｍｍ²以上の引張り強さが低下し、その傾向はＮ
ｉの添加量が増大するに従い、大きくなるので、特に好
適にはその添加量の上限を３％とするのがよい。

【００２５】窒素（Ｎ）はオーステナイト相を安定化さ
せ、加工硬化性を高めると共に耐力を向上させ、且つ耐
食性を付与する元素である。十分な加工硬化性を得るた
めには０．１０％以上含有させる必要があるが、０．３
５％を超えて含有させると鋳造時にブロホールが発生し
やすくなる。よって、Ｎは下限を０．１０％とし、上限
を０．３５％とした。なお、充分な耐力を有するために
は０．１５％以上の添加とするのが、好ましい。

【００２６】バナジウム（Ｖ）はＮ及びＣと化合物を形
成せず、オーステナイト相中に固溶し、0.２以上の添加
で0.１％当たり６Ｎ／ｍｍ²以上の耐力向上を示し、そ
の効果はＣ及びＮの添加量が多いほど大きくなる。しか
し過度のＶの添加は溶接性の低下を引き起こすため、そ
の上限を１％とした

【００２７】モリブデン（Ｍｏ）は耐食性の向上に寄与
するが、過度の添加はオーステナイト相の安定性を阻害
するので、その上限を２％とし、２％以下の含有量とし
た。なお、このＭｏは０％でもよい。

【００２８】また、Ｃ及びＮの添加量に関しては、0.１
％の添加量の増加で４５Ｎ／ｍｍ²の耐力の増加と４０
Ｎ／ｍｍ²の引張り強度の向上を示すため、マルテンサ
イト系ステンレス鋼の強度規格を満たす機械的性質を本
発明の材料に付与するためには、両者の総添加量を以下
のように規定するのがよい。先ず、Ｖを添加する場合には、Ｍｎの下限が８％の
場合でＮは下限を０．２０％とし、両者の総量を0.４０
％以上とする必要がある。一方、Ｖを添加しない場合には、Ｍｎの下限が８％
の場合でＮは下限を０．２５％とし、且つ両者の総量を
0.４５％以上とする。また、Ｍｎの下限が５％及びＣｒ
の下限が１５％の場合でＶを添加しない場合には、Ｎは
下限を０．１５％とし、且つ両者の総量を0.３５％以上
とするのが好ましい。上述したように窒素（Ｎ）等の添
加を制限することにより、耐キャビテーション性の向上
及び強度の低下の防止更には、伸びと靱性の確保を図る
ことができる。

【００２９】また、組織としてはオーステナイト相単相
を基本とするが、フェライト相を含むことにより耐力が
向上する。しかし過度のフェライト量の含有は、耐キャ
ビテーション性を急激に悪化させるため、その上限を５
％とした。

【００３０】なお、Ｎｂ，Ｔｉ及びＺｒの添加は、Ｃ及
びＮと化合物を生成し、析出硬化により耐力の向上を示
すが、急激な加工硬化性の低下により、耐キャビテーシ
ョン性が悪化するため、これらの元素は添加しないこと
が望ましい。

【００３１】以上のような組成のステンレス鋼は、十分
な鋳造性を有し、比較的高い耐力を必要とする耐キャビ
テーション用部材として水車ランナやガイドベーン等の
水力発電プラント用機器や各種ポンプに幅広く使用でき
る耐食材料である。

【００３２】

【実施例】次に本発明の実施例について以下に説明す
る。

【００３３】〈実施例１〉Ａｒ雰囲気のもとで高周波誘
導溶解炉により下記［表１］に示す組成の試料を溶製し
た。試料１〜１６については１０５０℃で５時間の溶体
化処理後水冷した。このうちの試料１５は市販のＳＵＳ
３０４（＊₁）であり、試料１６はＳＣＳ１３（＊₂）
である。また試料１７は従来のランナ材に適用されてい
るＳＣＳ６（１３Ｃｒ−４Ｎｉ：＊₃）であり、１１０
０℃で５時間の溶体化を行った後、更に６５０℃で２時
間の焼戻しを行ったものである。またフェライト量はマ
グネゲージで磁気的に測定した。

【００３４】上記試料１〜１７のキャビテーション試験
は、磁気ひずみ振動法にて純水中で実施し、１０時間後
の質量減量を測定して、相対的に評価した。また、各試
料１〜１７について、引張試験片を切出し、引張試験を
行った。キャビテーション試験の質量減量と０．２％耐
力とを［表２］にまとめて示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】［表２］に示すように、試料１〜１１のキ
ャビテーション試験による質量減量は、従来耐キャビテ
ーション性に優れているとされているＳＵＳ３０４（試
料１５）及びＳＣＳ１３（試料１６）より著しく小さ
い。このことから本発明に係るステンレス鋼は優れた耐
キャビテーション性を有していることがわかる。また試
料１〜１１の０．２％耐力は、３３７ＭＰａ以上の比較
的高い耐力を示し、特に試料４，１１のようにＮもしく
はＭｏの添加量を増大した場合は、３６１ＭＰａ以上と
耐力が向上している。ただし、試料１１の場合は、フェ
ライト量の含有によるものである。

【００３８】以上説明したように、本発明に係るステン
レス鋼は、優れたキャビテーション性を有し、かつ比較
的高い耐力を有している。

【００３９】〈実施例２〉［表１］に示す試料３の成分
系にて鋳造試験を実施した。鋳造したのは水力発電プラ
ント用のペルトン水車のノズル部品であり、鋳込重量は
１０００ｋｇである。図１に鋳込時の概略形状を示す。
同図において、１は製品（ノズル部品）、２は押湯、３
は湯口、４は湯道である。また、鋳型は鋳物砂に珪砂、
バインダに重量比でアルカリフェノール樹脂０．１５
％、硬化材０．３５％を使用した砂型金型であり、乾燥
温風にて４０時間鋳型を乾燥し、鋳込温度１５７０℃で
鋳造を行った。その結果、鋳造欠陥はなく健全な鋳物を
製造することができた。従って本発明のステンレス鋼は
優れた鋳造性を有している。

【００４０】〈実施例３〉Ａｒ雰囲気のもとで高周波誘
導溶解炉により下記［表３］及び［表５］に示す組成の
試料を溶製した。試料１８〜３４については１０５０℃
で５時間の溶体化処理後水冷した。

【００４１】上記試料１８〜３４のキャビテーション試
験は、磁気ひずみ振動法にて純水中で実施し、１０時間
後の質量減量を測定して、相対的に評価した。また、各
試料１８〜３１について、引張試験片を切出し、引張試
験を行った。キャビテーション試験の質量減量と０．２
％耐力とを［表４］及び［表６］にまとめて示す。な
お、実施例１の比較例のＳＣＳ１３（試料番号１６：＊
₂）及びＳＣＳ６（試料番号１７：＊₃）の0.２％耐力
の規格値並びにＳＣＳ１（＊₄）の0.２％耐力の規格値
を［表４］及び［表６］に併せて示した。

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】

【表５】

【００４５】

【表６】

【００４６】［表４］及び［表６］に示すように、試料
１８〜３４のキャビテーション試験による質量減量は、
従来耐キャビテーション性に優れているとされているＳ
ＣＳ１３（試料１６）より著しく小さく、本発明に係る
ステンレス鋼は優れた耐キャビテーション性を有してい
ることがわかる。また試料１８〜２５の０．２％耐力
は、ＳＣＳ２の規格値３９０Ｎ／ｍｍ²以上の高い耐力
を示し、特に試料２０，２１のようにＶ，Ｎの添加量を
増大した場合は、４６８Ｎ／ｍｍ²以上と耐力が向上し
ている。

【００４７】以上説明したように、本発明に係るステン
レス鋼は、優れたキャビテーション性を有し、かつ比較
的高い耐力を有している。

【００４８】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態及び実施例と共
に具体的に説明したように、本発明によれば、優れた耐
キャビテーション性と比較的高い耐力を有し、且つ鋳造
性の良好なステンレス鋼を低コストで供給することが可
能であり、特に、このステンレス鋼は、耐キャビテーシ
ョン性を要求される部材、例えば水力発電プラント用の
水車ランナやガイドベーン等に適した材料である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステンレス鋼にて鋳造したノズル
部品の鋳込時の概略形状を示す斜視図である。

【符号の説明】

１製品（水力発電プラント用ペルトン水車のノズル部
品）２押湯３湯口４湯道

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久保健一兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者渡辺潔兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量パーセントで、炭素（Ｃ）が０．１
０〜０．２０％、ケイ素（Ｓｉ）が０．３０〜１．００
％、マンガン（Ｍｎ）が５〜１５％、クロム（Ｃｒ）が
１４〜１８％、ニッケル（Ｎｉ）が０．５〜４．０％、
窒素（Ｎ）が０．１０〜０．３５％、モリブデン（Ｍ
ｏ）が２％以下含有されてなり、且つフェライト相が５
％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。
【請求項２】請求項１記載のステンレス鋼において、重量パーセントでＭｎが８〜１５％含有されてなること
を特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項３】請求項２記載のステンレス鋼において、重量パーセントでＳｉが０．５０〜１．００％含有され
てなることを特徴とするオーステナイト系ステンレス
鋼。
【請求項４】請求項２記載のステンレス鋼において、重量パーセントでＮが０．２０〜０．３５％含有されて
なると共に炭素及び窒素の含有総量が０．４〜０．５５
％、Ｖが０．２〜１．００％含有されてなることを特徴
とするオーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項５】請求項２記載のステンレス鋼において、重量パーセントでＮが０．２５〜０．３５％含有されて
なると共に炭素及び窒素の含有総量が０．４５〜０．５
５％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。
【請求項６】請求項１記載のステンレス鋼において、重量パーセントでＭｎが５〜１４％、Ｃｒが１５〜１８
％、Ｎｉが０．５〜３．０％、Ｎが０．１５〜０．３５
％含有されてなると共に炭素及び窒素の含有総量が０．
３５〜０．５５％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。