JPS582265B2 - フエライトゴウキン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルミニウムと共にニオブを含有せしめるこ
とによって炭素と窒素による脆性効果が抑制された鉄一
クロム合金およびそれを溶接製品の製造に使用すること
に関するものである。

多年にわたり、ニッケル含有オーステナイトステンレス
鋼は、その含有ニッケルにより高価格につくにもかかわ
らず、好ましいものとして広く用いられている。

フエライトタイプの合金は、完全にまたはほとんど完全
にニッケルが存在していない故に、価格は比較的低いけ
れども、脆い欠点、特に溶接されその後に焼きなましを
行なわないときに、脆いという大きな欠点を有している
。

最近、本発明者は、アメリカ合衆国特許 ３，６ ７ ２，８ ７ ６号およびフランス特許７１
．２３６７８号に記すように、フエライトクロム合金中
の炭素および窒素（ＣおよびＮ）の影響を抑制するため
のいくつかの処理を講じるならば、溶接した後焼きなま
しを行なう必要なしに、延性を保持している新規合金を
製造し得ることを見出した。

特に、アメリカ合衆国特許３，６ ７ ２，８ ７ ６
号は、２８〜３５％のクロムおよび最大で０．０７％の
炭素プラス窒素を含有するフエライト合金に対してアル
ミニウムを加えると、脆性を防ぐためには、０．９％ま
での量のアルミニウムで充分であるということを明示し
ている。

さらにフランス特許７１．２３６７８号によれば、１９
〜３５％のクロムおよび０．２８％までの炭素と窒素を
含有する溶接したフエライト合金の脆化性は、チタン及
びアルミニウムの添加によって防止される。

このような合金は、粒間亀裂に対してもまた抵抗性を有
し、それ故多くの用途に対して適している。

しかしながら、ある種の用途に対しては、合金中におけ
るチタンの存在は、特に高度に研摩した表面を必要とす
る場合に、表面に班点を与える。

その上、硝酸による溶接部の腐食は、チタンを含有する
公知の合金のいくつかにおいては激しい。

本発明者はここに、さらに別の新規な成分グループを見
出した。

即ちその成分を特定の範囲において用いると、溶接した
ままの状態での延性、粒間試食に対する抵抗性、一般に
モリブデンの存在に基づく腐食に対する耐性、応力腐食
割れに対する抵抗性およびその他の望ましい性質を達成
することができ、しかも同時に、ある種の従来の合金の
いくつかの望ましくない性質を除くと共に、実際的な冶
金操作条件下に、実際的な原材料および再循環スクラッ
プを使用することができる。

本発明によれば、この合金は、本質的に、重量で２５乃
至２８％のＣｒ、０乃至１．５％のＭｏ、２％に至るま
でのＮｂ、０．０５乃至１．０％のｋｌ、および０．１
８％（１８００ｐｐｍ）に至るまでのＣ十Ｎ合計を含有
し、さらにニオブ含量はＣ十Ｎ合計含量の１１倍以上で
あるものとし、組成の残部は鉄および付随的な不純物で
あるところの、フエライト合金から成っている。

ここで使用する表現としての“付随的な不純物“とは、
再循環金属スクラップ中で普通に認められる量の燐、硫
黄、銅およびニッケル、ならびに溶融工程において脱酸
素剤として用いる珪素およびマンガンから成るものとす
る。

付随的な不純物は、本発明の合金の望ましい性質に対し
て何らの顕著な影響をも与えることがないような通常の
量に限定されるということを了解すべきである。

本発明の合金は、たとえば、化学プロセスおよびその他
の容器、パイプおよびその他類似の装置の製造における
ように、溶接が必須である場合の工業製品の製造におい
て有用である。

臨界的限度を正確に確立するため、組成領域全体にわた
る、２２個の合金試料を多くは２個づつ複製し、調製し
た。

これらの試料は、純粋な材料から調製してインゴットの
形態に鋳造した。

鋳造したインゴットを、試験材料に圧延し、熱処理し、
溶接したのち、後記の如東屈曲延性および粒間耐腐食性
について試験した。

合金の調製および試験 １．仕込み 合金は、下記の高純度の材料から製造した：鉄一プラス
トー鉄級ＡＩＯＩ（グリツデン社製）、これに対する典
型的な分析値は次のごとくである：Ｃ １６ｐｐｍ，
Ｎ ４３ｐｐｍ，Ｍｎ０．００２重量％、Ｓｉ Ｏ
．００５重量％，ＳＯ．００４重量％およびＰ０．００
５重量％。

クロムーＨＰ（高純度級）フレーク：Ｃ １６ｐｐｍ，
Ｎ ７ｐｐｍｏ アルミニウムー純度９９．８％，６メッシュ、ベーカー
−アダムソン社製。

ニオブー純度９９．８％，−３２５メッシュの大きさ、
マテリャルズ・フォー・インダストリー社製。

高炭素フエロクロムー約９％のＣを含有する市販材料。

高窒素フエ口クロムー約６％のＮを含有する市販材料。

正確なＣ十Ｎの添加は、高炭素および高窒素フエ口クロ
ムを使用することによって、または、高純度の黒鉛およ
びＣｒ２Ｎの添加によって行なうことが便利である。

２，溶融および加工 合金成分を真空誘導電気炉中において高純度アルミナる
つぼ中で溶融した。

この電気炉は、電力を通ずる前に、密閉し１０″″３乃
至１０−５トールまで真空吸引した。

熱衝撃をできるだけ小さくするため電力を徐々に上げ、
且つ溶融が始まったときに合金成分の気化を抑制するた
め約５“Ｈｇ（約１２．３ポンド／平方インチ（０．８
６ｋｇ／ｃｍ）の絶対圧に相当〕の真空までゲツター
ドアルゴン（特に酸素および窒素含量の低い、精製した
工業級アルゴン）を炉内に満した。

溶融操作の完了後に、溶融物を、耐火練瓦漏斗を通じて
、アルゴン雰囲気中に置いた垂直に配置せしめた円筒形
の銅製金型中に鋳込んだ。

冷却後に、インゴットを取出し、収縮空所を含有する上
部を切り去り、健全なインゴット（Ｑ６９７およびＱ６
９８の試料を除く）を、フォース：Ｉ （ Ｆｏｓｅｃ
ｏ ）社、クリーブランド、オハイオ州、によって上市
されている保護コーティング、′メトルシール（Ｍｅｔ
ｌｓｅａｌ）Ａ２４９“で被覆したのち、電気炉（空気
雰囲気）中で２２００’Ｆ（１２０４°Ｃ）で３時間加
熱した。

次いで後記のものを除けば全体で１０００ｇのの量の熱
インゴットを、１インチ（２．５Ｇｍ）の厚さまで鍛造
して約２−’／２“×２−１４“（６．４ｃｍ× ６．
４ｃｍ）の寸法の板とした。

次いでそれぞれの板を２２００°Ｆ（１２０４°Ｃ）に
おいて空気中で一方向に熱間圧延して５”（ １ ２．
２ｃｍ）の長さとしたのち、他の方向において横に圧延
して約ｆ× ｆ× ０．２ ２″（ １ ２．２ｃｍ×
１ ２．２ｃｍ×０．５６ｃｍ）の寸法を有する“ホ
ットバンド“片を与えた。

このホットバンドを、１６５０°Ｆ（９００°Ｃ）で６
０分焼きなましたのち、水で急冷した。

この焼きなましたホットバンドの小片を冷間圧延した。

亀裂が認められないとき、すなわちツウインニング（
ｔｗｉｎｎｉｎｇ）が聞えたときは、焼きなましたホッ
トバンドの残りの大きな片を冷間圧延して、幅約５″（
１２．２ｃｍ）、長さ１ ２”（ ３ ０．５ｃｍ）、
厚さ０．１“（０．２５ｃｍ）のシートとした。

焼きなましたホットバンドの小さな試験片が冷間圧延の
間に亀裂を生じた場合には、大きな試験片を２２００°
Ｆ（１２０４．℃）に予熱したのち、０．０９５〜０．
１σ′（ ０．２ ４〜０．２ ５Ｇｍ）の厚さに熱間
圧延した。

熱間または冷間圧延工程の後に、シートを後記のように
して焼きなました。

それぞれ５００ｇの大きさの試験片Ｑ６９７およびＱ６
９８は、上記の試験片に対して説明した方法と実質的に
同様に加工したが、但しこれらの試験片は、大部分の試
験片の重量の半分にすぎないから、圧延した試験片の長
さおよび幅の寸法を前記の約１／！（厚さは同じ）とし
た。

同じく５００ｇの重さの他の試料（＃６６，１４４，１
６９，２６０，３２９）を、仕込みおよび仕込みの上部
中心に近く位置せしめた非消耗性タングステン電極の間
に保持したアークによってヘリウム減圧下に行なう加熱
による水冷銅るつぼを使用する溶融方法を応用した炉中
でアーク溶融し、それによって溶融物がるつぼ壁から金
属をとり上げるのを効果的に防いだ。

アーク溶融段階からの塊を、約２２００°Ｆ（１２０４
°Ｃ）において約１００ミルの厚さまで別々に熱間圧延
し、かくして得たシートを３０分間焼きなまししたのち
水冷した。

後提の表中に示すように、いくつかの試料に対しては、
試料を１６５０’Ｆ（９００℃）に３０分間保つことに
よって焼きなましを行なったのち、水冷した。

他のすべての試料に対しては、保持温度は１７５０°Ｆ
（９９５°Ｃ）で２時間であった。

数種の組成物に対しては、一部の試料にこのような焼き
なましを与え、一方、同じ組成の他の試料に別の焼きな
ましを与えた。

３．溶接 溶接物の底面への不活性ガスの循環を与える保持具申に
試料を狭んだ。

溶接速度を調節する動力駆動架台に取り付けたクランプ
中に、溶接トーチを保持せしめた。

各通過に対して、電流、電圧および溶接速度をすべて記
録した。

各試料は、３／３２“（０．２４ｃ１ｒＬ）の先端に酸
化トリウムを付したタングステンチップ、５Ａ“（１．
６ｃｍ）のガスカップおよび溶接物の上面および下面を
保護するためのアルゴンパージガスを用いて、タングス
テンー不活性ガス溶接した。

大部分の試料に対しては、冷間圧延し且つ焼きなました
０．１”（ ０．２ ５ｃｍ）のシート材料を保持具中
に狭んで、９“乃至１２“（２３乃至３０．５ｃｍ）の
長さの溶接ビードを与えた。

次いでこの試料に３または４の等間隔の平行な縦の溶接
ビードを順次与えた。

溶接後に、溶接した各ビードに適当に表示を付したのち
、試料を、それぞれ中心に位置する縦の溶接ビードを有
しているおおよそ１“×３“×０．１“（ ２．５ ４
ｃｍ× ７． ６ ３ｃｍ×０．２５ｃｍ）の寸法の
別々の帯状片に切断した。

溶接速度、電圧および電流を記録したから、すべての溶
接試料に対する熱入力は既知である。

一般に、７， ５ ０ ０乃至１１，５００ジュール／
インチ（３，０００乃至４，５２８ジュール／ｃｍ）の
範囲内の熱入力において、良好な溶接浸透が達成される
。

４．試験 （ａ） 溶接したままの試料の延性または脆性延性は
、Ａ．Ｓ．Ｍ．Ｅ．耐圧容器規準、１９６５年、第９部
門、５６頁に記されている標準誘導屈曲試験装置を用い
、溶接物を焼きなまししない状態で受け入れたまま試験
し、平らな試料が溶接軸を横切る線に沿う１８０゜の角
度にわたり屈曲する経過において認めうる亀裂が生ずる
か否かによって、確かめた。

溶接試料に対するＡＳＭＥボイラー仕様基準試験に適合
する屈曲試験装置は、１００ミル（ ０．２ ５ ４ｃ
ｍ）の厚さの試料に対して２００ミル（０．５１ｃｍ）
の半径を有し、かくして試料厚さに対する屈曲半径の２
という比率を与えるものであった。

屈曲試験の観察結果を表に示す。

肉眼で認めることができる亀裂の徴候を示す全試料を、
亀裂が生じたものとして記録し、ラベルＣによって標示
する。

亀裂の徴候が全く認められない屈曲試料を延性として記
録し、Ｄのラベルを付す。

（ｂ） 分析 表中には、大部分の組成を、仕込み基準および（少なく
とも部分的に）分析基準として示す。

炭素は燃焼法によって分析して、発生ＣＯ２をガスクロ
マトグラフによって測定した。

窒素はミクロケルダールおよびガス融解法によって分析
したが、前者の方法においては窒素化合物をアンモニア
に還元したのち、それを満足し、後者の方法においては
、試料を融解して窒素を追い出し、次いでそれをガスク
ロマトグラフィーによって測定する。

（ｃ） 粒間腐食試験 溶接試料の屈曲しない末端から腐食試片を切断し、８０
グリットの湿潤ベルト仕上げを与えたのち、ＡＳＴＭ−
２６２−７０ ．１９７１年標準書、方法Ｂ、による腐
食試験にかけた。

この方法は、抑制剤として１リットル当り４１，６グラ
ムの硫酸第二鉄を含有する沸とうしている５０％Ｈ２Ｓ
Ｏ４中に、２４時間継続する繰返し浸漬サイクルを全体
で１２０時間の浸漬時間となるまで、試料を浸漬するこ
とから成っている。

酸中における２４時間の浸漬ごとに各試料を洗浄し、乾
燥し、計量して、重量減からの計算によって腐食速度を
求める。

加うるに、試料を、特に溶接区域において、グレンの移
動または移動に先立つ割れによって示されるような、腐
食の徴候に対して、肉眼により、また４０Ｘの倍率で観
察して、試験片を後記のように格付けした。

（ａ） 腐食結果の解釈 何らの攻撃をも受けない試料、または溶接金属に局限さ
れた軽いエッチングを受けるにすぎない試料、あるいは
最悪の場合でも、溶接金属上においてのみ微小の亀裂を
示すにすぎない試料、および１２０時間の全浸漬時間後
に１年当り４０ミル（ １．０ １ ６ｍｍ）よりも小
さい重量減を示す試料は、合格とみなした。

それよりも大きな重量減を示す試料、またはグレンの落
下あるいは溶接部の溶解を伴なう相当程度および激しい
腐食を示す試料は不合格と見なした。

比較試験結果は、下表においてもつとよく示される。

５，試験結果 結果の考察 添付図面は合金中のアルミニウム含量とニオブ含量対全
Ｃ十Ｎ含量の比との関係を示すグラフであり、前掲表に
示した実験結果を一層見え易く且つ本発明の評価に便な
らしめるためプロットしたものである。

図の横軸は、各合金組成物中のアルミニウムの百分率で
ある。

図の縦軸は、ニオブ含量対Ｃ十Ｎの合計含量の重量比（
可能な限り、分析値に基づく）を示す。

プロットした情報は、粒間腐食に対する耐性ならびに溶
接後の延性の組合わせである。

Ｘは、溶接したままの状態、溶接と試験の間で焼きなま
しを行なわないときの、粒間腐食耐性および延性の一方
または両方の試験に不合格の試料を表わす。

点を囲む円は、両試験に合格したモリブデンを含有しな
い試料であり、横棒を有する円で示したその他の点は、
１％のＭｏを含有する合格試料を表わす。

これら各プロット個所に横書きに付した記号の意味は次
の通りである。

最初の記号は粒間腐食１４０ミル／年）試験に関しＰは
合格、Ｆは不合格、二番目及び三番目の記号はそれぞれ
１６５０°Ｆ（９００℃）及び１７５０°Ｆ（９５５℃
）で焼きなました溶接したままの試料の延性試験に関し
Ｃは亀裂生成、Ｄは延性なることをあらわし、それに続
く数字は合金試料番号をあらわす。

なおＮは試験しなかったことを示している。

図中の水平破線は、ニオブ対Ｃ＋Ｎの比が１１よりも大
きい試料（線より上）と、１１よりも小さい比率を有す
る試料（線より下）とを区分するために、この比率１１
のところに引いた線である。

図および表から１１よりも小さい比率を有する試料は一
般に、少なくとも一方の試験に不合格となることが認め
られる。

１１よりも大きい比率のＮｂを有するアルミニウム含有
試料は、両試験に合格する。

それ故、水平線は本発明の一境界を確立する。

垂直破線は、０．０５％のアルミニウム含量において引
いた線である。

２試料を除けば、アルミニウムを含有しない試料は、何
れも試験に不合格であることが認められた。

これらの試料は全部縦軸上にある。

縦軸値６．５における一試料（アルミニウムおよびモリ
ブデンを含有しない合金番号６６）は、この種のその他
の全試料とは対照的に、延性および耐粒間腐食性の両方
に合格した。

別の試料（アルミニウムを含有しないが１％のモリブデ
ンを含有するＱ６９７号合金）も合格したが、これはニ
オブ対Ｃ十Ｎの比が１５９にあるものであった。

これらの矛盾する結果の何れに対しても説明を与えるこ
とはできない。

しかしニオブ対Ｃ＋Ｎの比が１１またはそれより大きく
且つ０．０５％よりも多いアルミニウムを含有する試料
は、すべて腐食試験および延性試験の両者に合格した。

それ故、０．０５％のＡｌの線は、本発明の別の限界を
示している；すなわち、ニオブ対Ｃ十Ｎの比が１１以上
であると共に、少なくとも０．０５％のアルミニウムが
必要であることを示している。

試料に対して加える１％の量のモリブデンは、たとえば
点食のような、その他の腐食環境に対し向上した耐性を
与える。

合金Ｑ６９７およびＱ６９８を、それらの耐点食性を測
定するための試験に付した。

これらの試験は、２％の過マンガン酸カリおよび２％の
塩化ナトリウムを含有する水溶液中に５０℃で６９６日
間試料を浸漬することによって行なった。

両合金とも、この点食試験に耐えた。

加うるに、これらの両試料（且つまた−＄５ ７ ５
’）を、Ｑの両試料は２４２３時間の浸漬後に、また＃
５７５は１１９３時間の浸漬後に、応力腐食試験によっ
て試験したが、亀裂は生じなかった。

使用した応力亀裂試験は、ＡＳＴＭによりＧ３６−７３
の標準試験方法として規定されている方法であり、これ
は次のようにして行なう：試験溶液は、沸とうしている
（１５５°Ｃ）４５％ＭｇＣｌ２溶液である。

溶接した試験片は溶接してない試験よりも容易に応力腐
食に対する感受性を表わすから、縦方向の自然溶接を有
している、３“Ｘ３／４”の大きさの厚さ８０ミルのも
のを試験片とした。

溶接した試験片を直径０． ３ ６ ６“の円筒形のマ
ンドンル上で１８０゜屈曲させた。

試験片の両端における穴を通してハステロイＣボルトを
締めることによって応力を加えるが、このボルトはポリ
テトラフルオロエチレンのブシュによって試験片から電
気的に絶縁させてある。

表中には別の効果が示されている；すなわち工作後の溶
接前焼きなましを行なった温度は、少なくとも合金がア
ルミニウムを含有していない場合に、後の溶接後の製品
の延性に影響を与えるものと思われる。

特に、この焼きなましは、材料の所望の形状への鍛造お
よび圧延における最後段階の後で、しかも溶接操作前で
あることに注目すべきである。

溶接と試験の間で焼きなました試料は全くなく、従って
、記録した性質はすべて、溶接したままの材料に対する
ものである。

表の最後の２欄は、溶接後の延性の観測に関するもので
あり、一方の場合は１６５０°Ｆ（９００℃）における
焼きなまし後に溶接を行ない、他方においては、焼きな
ましを１７５０’Ｆ（ ９ ５ ５°Ｃ）で行なった場
合である。

１６５０’Ｆ（９００°Ｃ）の焼きなまし後に溶接する
場合には脆かった＃５６０および＃５６６の両試料は、
１７５０’Ｆ（９５５℃）で行なった焼きなまし後に溶
接する場合には延性であった。

なお次のこともまた特記する価値がある。

従来実際の暴露挙動の知識に欠けていたため１％の如き
多量のアルミニウムを含有する組成物は応力腐食亀裂に
対して抵抗性がないであろうと思われていた。

この抵抗はフエライト系合金一般の物性であり、それら
合金にとって大きい価値を有するものである。

１％のアルミニウムを含有する表中の＃５７５合金は、
溶接したままの状態で、沸とう塩化マグネシウムに対し
て１１９３時間の長時間にわたって暴露せしめることが
できた。

前記のように、応力腐食亀裂は生ぜず、このことは１％
程度の量のアルミニウムを含有する合金が、このきわめ
て厳しい試験下に亀裂に対して耐性であることを示して
いる。

本発明の主な実施態様を示せば次のとおりである。

■．重量で下記百分率の成分、即ち クロム ２５〜２８ モリブデン ０〜１．５ アルミニウム ０．０５〜１．０ 炭素士窒素 最高０．１８ ニオブ 最高２．０、但しＣ＋Ｎ含量の１１倍
以上 残部は鉄および付随する不純物 から本質的に成ることを特徴とする溶接したままで良好
な延性を有し且つ耐腐食性を有するフエライト合金。

２． ０．５〜１．５％のモリブデンが存在している
前記１。

のフエライト合金。３．０．１〜０．８％のアルミニウ
ムが存在している前記２，のフエライト合金。

４．前記１．，２．または３，の組成を有する合金から
成る溶接製品。

５．ＡＳＴＭ試験Ａ２６２７７０ ，１９７１、方法Ｂ
を受けたときに粒間腐食に対して耐性である前記４．の
製品。

【図面の簡単な説明】

図面は、合金中のアルミニウム含量とニオフ含量対全Ｃ
＋Ｎ含量の比との間の関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で下記百分率の成分、即ち クロム ２５〜２８ アルミニウム ０．０５〜１．０ 炭素＋窒素 最高０．１８ ニオブ 最高２．０、但しＣ十Ｎ含量の１
   １倍以上 残部は鉄および付随する不純物 から本質的に成ることを特徴とする溶接したままで良好
   な延性を有し且つ耐腐食性を有するフエライト合金。 ２ 重量で下記百分率の成分、即ち クロム ２５〜２８ モリブデン １．５以下 アルミニウム ０．０５〜１．０ 炭素＋窒素 最高０．１８ ニオブ 最高２．０、但しＣ＋Ｎ含量の１
   １倍以上 残部は鉄および付随する不純物 から本質的に成ることを特徴とする溶接したままで良好
   な延性を有し且つ耐腐食性を有するフエライト合金。