JPS5943993B2 - 燃焼器具用ステンレス鋼材料の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼器具に要求される諸特性を兼備した燃焼
器具用ステンレス鋼材料の製法に関する。

最近、石油温風暖房器やガス温風暖房器などの暖房器が
普及している。このような暖房器は、排ガスを屋外に排
出するために燃焼部が密閉型となり、燃焼効率を向上さ
せるための種々の工夫がなされているので、燃焼室の温
度は最高８００〜９００℃にも上がり、かつその構成部
材も複雑化している。このため、旧来の暖房器に比して
、燃焼部近辺の材料には厳しい条件が課されるようにな
つてきたっ また、家庭用ガス器具などのバーナーは、
旧来の鋳物品から加工品への移行が試みられ、この燃焼
器具にも新しい材料が要求されるようになつてきた。こ
のような燃焼器具に対する適用鋼種として、汎用性のあ
るＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４などのα系（フェライト
系）またはγ系（オーステナイト系）ステンレス鋼、あ
るいはこれらの改良鋼が試用された。

だが、α系ステンレス鋼では、高温酸化、赤さびの発生
、変形、熱疲労割れ、などの問題が起つている。またγ
系ステンレス鋼でも、高温酸化、赤さびの発生、熱疲労
割れ、粒界腐食（結露水やバーナーの場合の煮汁などに
基因する）、などの問題が発生している。したがつて、
従来の採り得る手段としては、これに代えて、さらに高
級な特殊材を適用せざるを得なかつた。しかし、この種
の燃焼器具においては製品価格に占める材料費の割合が
高いので、高級材の使用はユーザーにおいてひどく敬遠
される。それ故に、かかる燃焼器具用材料に対する安価
な適材の開発要求が非常に強かつた。すなわち、加熱冷
却がくり返されても熱疲労割れが発生せず、耐酸化性が
高く、赤さびが発生せず、結露水や煮汁による粒界腐食
割れが発生せず、溶接部の高温割れや粒界腐食に対する
抵抗が高いといつた諸性質を兼備するとともに、安価で
なければならない、という多目的を同時に達成する材料
の出現が最近の燃焼器具材分野に強く求められていた。

本発明（ま、かかる燃焼器具に要求される諸要件を同時
に満たす材料の開発を目的としてなされたものである。

この目的において、耐酸化性と耐粒界腐食性の改善に（
まＣｒ量を増しかつＣ（５Ｎを極力低くした上で、適当
な安定元素を添加するのが有益である。

だが、赤さびの発生を防止しまた熱疲労割れを防止し、
溶接性を高めることは簡単に｛まできない。例えば、熱
疲労割れに対して（Ｊ１α系ステンレス鋼の方がγ系ス
テンレス鋼よりも（３るかに有利ではあるが、高温強度
が低いために、局部的に座屈しやすく、この座屈個所が
加熱冷却の熱サイクルを受けると、著しい塑性疲労損傷
を受けて割れることがあり、長期の使用に耐えられなく
なる。このようなことから、本発明者らは、α系ステン
レス鋼をまず選定した上で、上記の多目的を達成すべく
、各種の添加元素の挙動と最適添加量について種々実験
を重ね、赤さび以外についてはほぼその要求を満たす鋼
を見い出すとともに、この「赤さび］について（は後処
理によつて好適に防止できることを知見し、本発明をな
すに至つた。すなわち本発明によれば、前述の如く、燃
焼器具用材料に要求される多数の性質ならびに低価格性
を満たす材料として、Ｃ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．
５０（Ｆｆ）以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｎｉ：１．０
％以下、Ｃｒ；１６．０〜１９．０％、ＭＯ：０．５〜
２．５弧Ｎｂ；（Ｃ（：Ｆｆ）＋−Ｎ％）（５〜０．８
％、Ｔｉ（５Ｚｒの１種または２種；０．０３〜０．１
５０！）、残部；Ｆｅおよび製造上不可避的に混入する
不純物からなるフエライト系ステンレス鋼の表層部に２
μ以上の研磨処理を施すことからなる燃焼器具用ステン
レス鋼材料の製造を提供するものである。ここで、研磨
処理は、加工硬化層が表面に残留するような研磨手段、
例えば、ペーパー研磨、ベルト研磨、またはガラスバー
ズ、合金鋼粒子、ステンレス鋼粒子等を用いたシヨツト
ブラスト加工などによる研磨処理を意味し、これによつ
て本発明材料は燃焼雰囲気刊こおいても赤さびの発生は
好適に抑制される。本発明材料における各元素の添加理
由、特にＣｒｌＭＯ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒについての添加
効果、ならびにその添加量を上記の範囲に定めることが
必要な理由、および研磨処理の要件については、後述の
実施例の結果、ないし第１〜３図に示す結果から、明ら
かであるが、個別にその概要を述べれば次のとおりであ
る。

Ｃ；Ｃは高温強度を改善する上で有効な元素である。

だが、α鋼においてはその効果は７００℃以上では少な
くなるので、本発明鋼の使用温度を考えれば有効には作
用しない。また、Ｃ量が高いと、素材および溶接部の靭
性にとつては有害に咋用するし、耐食性の点でも低くし
た方がよい。そして、Ｃ量が高いと、耐食性を維持する
ための必要Ｎｂ量が多くなつ−Ｃ１靭性低下の原因とも
なる。このような諸理由から、Ｃ％（ま０．０２％以下
とした。Ｓｉ；Ｓｉ（ば、Ｃｒと同様に、耐高温酸化性
を改善する。しかし、含有量が多くなると素材を硬化さ
せかつ靭性を低下させるようになるので、この意味から
は低い方がよい。本発明の製造上においてもＳｉは必要
な元素であるが、このような理由を勘案し、製造上問題
にならない量として、Ｓｉは０．５０／）以下に限定し
た。Ｍｎ；Ｍｎは熱間加工性を良好とし、かつ脱酸効果
があるので本発明材料の製造性を良好にするに（は必要
な元素である。

しかし、多くなると耐高温酸化性に対しては有害に洋用
するので、本発明の目的の１つが満たされ７了くなる。
この意味からＭｎ（は１，０％以下とする。Ｎｉ；Ｎｉ
はフエラノ１卜鋼の靭性を改善させる。

だが、過量に含有すると、高温での長時間使用のさいの
４７５゛Ｃ脆化およびシグマ脆化を促進する。このため
、Ｎｉは１．０％以下とした。Ｃｒ；Ｃｒ（ま耐食性、
耐酸化性を得る基本元素であり、この十分な特性を得る
には、通常は２１０／）以上を必要とする。

しかし本発明の目的においては、１６．０％以上含有さ
せれば十分である。また、１９．０％を超えるような量
で添加すると、素材および溶接部の靭性の点からＮｂ，
ＭＯなどの元素の添加が著しく制限されるようになる。
すなわち、他の元素とのバランスの上で、かつ本発明の
目的を満たすには、Ｃｒ量は１６．０〜１９．０％の範
囲であるのがよい（後記表２、表３）。ＭＯ：ＭＯは、
本発明鋼にあつては、高温強度と熱疲労強度の向上に有
益に作用する（後記表４）。

通常｛まＭＯ（ま耐食性を改善するのに添加されるので
あるが、この点で、ＭＯの使用態様ならびに昨用効果は
従来の通常の場合とは、異つている。第１図にこのＭＯ
の熱疲労特性に及ぼす効果を示した。試験は、板厚１．
０ｍｍの試験片に、先端Ｒが０．０６ｍｍ１深さが０．
５ｍｍのスリツトを形成させ、これを常温と７００℃の
間を３５秒で往復するサイクルを２５０回くり返し、ス
リツトの先端から発生したクラツクの平均長さを測定し
たものであり、ＭＯ添加量とこの平均クラツクの平均長
さとの関係を第１図に示している。第１図から明らかな
ように、Ｔｉ添加材、Ｎｂ添加材を問わず、ＭＯ無添加
では熱疲労割れ抵抗が非常に低いが、ＭＯを０．５％以
上添加すると、このような急激な加熱冷却（燃焼器具の
使用態様）にさいしても、変形部（例えば熱応力による
変形部）に対する熱疲労割れ抵抗を非常に高めることが
でき、その効果はＭＯの増加に従つて高くなる。しかし
、ＭＯ量があまりに多すぎると、素材および溶接部の靭
性が低下し、この材料の使用中に４７５℃脆化およびシ
グマ脆化を促進させることになる。このためＭＯの上限
量は２．５％とした。Ｎ；Ｎは不純物元素ではあるけれ
ども、高温強度に対する寄与率がＣよりも大きいのでそ
の許容量をＣよりも高くする。

しかし、あまり多いとこのＮを固定する元素の必要量が
多くなるので、その上限を０．０５％とした。Ｎｂ：
ＮｂはＣと安定な化合物を生成し、溶接部の粒界腐食感
受性を低下させる。

この効果を本発明の目的において十分得るには、（Ｃ％
＋Ｎ％）の１５倍以上のＮ例を添加する必要がある。ま
た、Ｎｂの添加により形成されたＮｂの炭、窒化物は非
常に安定であるため、高温使用中も粗大化せず、高温強
度の改善と結晶の生長を阻止するのに有効に作用する。
なお、このＮｂの最低必要含有量をＮ量とも関連させて
いるのは、製鋼時に不可避的に含有されてくるＮをＮｂ
で安定な窒化物として固定することが必要であるからで
ある。ＣあるいはＮ（５Ｎｂとの原子量の比（Ｃ／Ｎｂ
あるい（まＮ／Ｎｂ）は約１／８であり、化学量論的、
換言すれば平衡論的には、Ｎｂは（Ｃ％＋Ｎ％）×８倍
で充分であることになるが、溶接部のような熱的に不平
衡な場合は、（ＣＯｌ）＋Ｎ％）×８倍では不充分であ
り、最低１５倍は必要であることが実験的に確認された
ので、Ｎｂ含有量の下限は（Ｃ％＋Ｎ％）Ｘｌ５とした
。しかし、Ｎｂが過量にあると、素材および溶接部の靭
性を低下させることになる（表２）。このため上限値を
０．８％に制限した。なお、Ｎｂの添加は、１１００℃
以上での耐高温酸化性を著しく害することになる。しか
し、このような使用条件は本発明材料の用途では通常あ
り得ないし、８００〜９００℃までの使用条件ではこの
Ｎｂは酸化抵抗およびスケールの剥離抵抗を改善するの
で、Ｔｉ等よりもむしろ、この点では有効に咋用する。
Ｔｉ； ＴｌはＮｂと同様に粒界腐食感受性を低下させ
る。

しかし、Ｔｌ添加鋼は生成するスケールが非常に剥離し
やすいという問題がある。しかも、Ｔｉは高温強度の改
善にはほとんど寄与しない。さらに、過剰に添加すると
、製造中に生成した酸化物が製品に残留し、表面欠陥に
なりやすい。だがＴｉはＮｂ添加で生じやすくなる溶接
高温割れを軽減させるという優れた咋用を供し、その効
果は極微量のＴｉ添加で得られる（表５）。第２図はこ
のＴｌの効果（Ｚｒも同様）を示したものである。第２
図の試験は、表示のＮｂ添加鋼に対して、ＴＩＧ溶接（
電流６０Ａ、アーク長２ｍｍ１アーク時間７秒）による
アークストライクテストを行ない、アークストライクテ
スト後にナゲツトに生じた割れの総長さを測定して割れ
感受性の評価を行なつたものであり、ＴｉとＺｒの単独
または複合添加の添加量の影響を調べたものである。第
２図から明らかなように、Ｔｉを０．０３％以上添加す
ると溶接高温割れが急激に低下する。しかし、多く添加
すると上述の如き悪影響が大きくなるのでその上限は０
．１５％とするのがよい。また靭性の点からは、Ｎｂ＋
Ｔｉは０．８％以下とするのがよい。Ｚｒ；ＺｒはＴｉ
とほとんど同様に機能する。

このため、Ｔｉに代えて、０．０３〜０．１５％の添加
によつて、Ｔｉの場合と同様の効果を得ることができる
（第２図）。ＴｉとＮｂの複合添加の場合も、０．０３
〜０．１５％の範囲がよい。しかし靭性の点からＮｂ＋
ＺｒまたはＮｂ＋Ｚｒ＋Ｔｉの量（ま０．８（ｆ）以下
とするのがよい。研磨代；上記の化学成分値を有する本
発明鋼は、燃焼器具部材に要求される耐高温酸化性、熱
疲労割れ、溶接高温割れ、粒界腐食、などの諸性質が改
善され、安価に製造できる点を合わせもつているので本
発明の目的がほぼ達成できるが、通常のステンレス鋼が
有するところの、燃焼雰囲気中（特に数パーセントのＣ
Ｏガスを含む雰囲気中）での使用により「赤さび」が発
生しやすい、という問題は依然として残されている。

本発明は、これを製造過程の改善により防止し得たもの
である。５すなわち、第３図に示したように、表層部を
２μ以上研磨処理すると赤さびの発生（まほぼ完全に防
止できることがわかつた。

この研磨処理は、冷間加工層が生じるような研磨処理、
例えば、ペーパー研磨、ベルト研磨、また（まガラスビ
ーズ、合金鋼粒子、ステンレス鋼粒子などによるシヨツ
トブラスト加工によつて行なうのがよく、この処理過程
は本発明材料の製造工程の最終熱処理後、または酸洗後
に行なうのが実操業上は有利である。以下に実施例を記
述する。表１に、供試材の化学成分値（重量０１））を
総括して示した。

〔試験結果その一〕

表１の各供試材について、素材と高温脆化処理材との破
面遷移温度を調べた。

高温脆化処理は、１２００℃×１ｍｉｎ後、水冷したも
のであり、溶接熱影響部の脆化の程度を調ぺるための処
理である。評価は、板厚３ｍ７１Ｌ１２７７！７７！ノ
ツチ切欠片によるシヤルピ一衝撃試験によつて行ない、
これにより得られる遷移温度を、表２に示した。表２か
ら明らかなように、Ｃｒ，ＭＯ，Ｎｂが増すと、遷移温
度が高くなる。

つまり靭性が低下する。しかもその傾向は、高温脆化処
理材の方が強い。特に、Ｃｒ，ＭＯ，Ｎｂ量が本発明の
範囲外である比較鋼５および６では素材のままでもかな
り靭性が低い。〔試験結果その二〕 表１の各供試材について、灯油燃焼雰囲気中での断続加
熱による重量変化と赤さびの発生状況を調べた。

前者は９００℃×５時間加熱を１サイクルとしてこれを
２５回くり返した後に重量変化を測定し、後者は受け入
れまま（研磨処理なし）とペーパ一研磨による２μ以上
の研磨代を有するものとについて、７５０℃×２時間の
処理後の表面観察により、赤さび発生せず（○印）、赤
さびわずかに発生（△印）、赤さび著しく発生（×印）
の３段階に評価した。これらの結果を表３に示した。な
お研磨代の深さと赤さび発生との関係（ただし、ＬＰＧ
ガス燃焼雰囲気中、７８０℃×２時間）については第３
図に示した。表３の結果から明らかなように、Ｃｒ量が
１６％以上含まれるものは、異常酸化も認められず重量
変化も少ないが、比較鋼４および７のようにＴｉを多量
に含む鋼は、Ｃｒが１６％以上で異常酸化が少ないと（
ま言つても、スケールの剥離によつて重量がマイナスに
変化している。

すなわち、Ｔｉを多量に含有する鋼は本発明の用途では
長期間の使用に問題がある。また赤さびの発生について
は、研磨による防止刻果が顕著であり、しかも組成によ
る有意差はあられれない。この研磨の効果は第３図から
２μ以上の研磨代で十分に発揮されることがわかる。な
お、この赤さびの防止効果については、５００時間の実
磯テストによつても確認した。

〔試験結果その三〕 表１の各供試鋼について、高温短時間引張試験と熱疲労
試験を行なつた。

前者は５００℃と８００℃における０．２％耐力と引張
強さを測定し、後者は板厚１．０ｍｍの試験片に先端Ｒ
が０．０６ｍｍ１深さが０，５ｍｍのスリツトを形成さ
せ、これを常温と７００℃の間を３５秒で往復するサイ
クルを２５０回くり返し、スリツトの先端から発生した
クラツクの平均長さ（ロ）を測定したものである。これ
らの結果を表４に示した。この表４の結果から、高温強
度はＭＯの添加により改善され、しかもこのＭＯの添加
によつて、熱疲労割れの成長が抑えられて熱疲労強さが
改善されることが明らかであり、この効果は０．５０１
）以上のＭＯの添加で顕著となつている。〔試験結果そ
の四〕 表１の各供試鋼について、電流６０Ａ１アーク長２ｍ７
１Ｌ１アーク時間７秒の溶接条件でＴＩＧ溶接してアー
クストライクテストを実施し、このアークストライクテ
スト後にナゲツトに生じた割れの総長さを測定し、表５
の結果を得た。

第２図とこの結果とから、Ｎｂ含有量が多くなる程高温
割れ感受性が高くなるが、ＴｉまたはＺｒの微量の添加
によつてこれが軽減されることがわかる。

しかし、必要量以上のＴｉを添加すると（比較鋼６）、
表面欠陥が生じて製品価値が低下する。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯ（７）添加量と熱疲労クラツク長さとの関
係図、第２図はＴｉまた（まＺｒの添加量と溶接高温割
れ感受性との関係図、第３図は赤さび発生におよぼす研
磨代の影響を示す試験結果図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．５０％以下、Ｍｎ
   ；１．０％以下、Ｎｉ；１．０％以下、Ｃｒ；１６．０
   〜１９．０％、Ｍｏ；０．５〜２．５％、Ｎ；０．０５
   ％以下、Ｎｂ；０．８％以下でかつ（Ｃ％＋Ｎ％）１５
   以上、ＴｉとＺｒの１種または２種；０．０３〜０．１
   ５％、残部；Ｆｅおよび製造上不可避的に混入する不純
   物からなるフェライト系ステンレス鋼の表層部に２μ以
   上の研磨処理を施すことからなる燃焼器具用ステンレス
   鋼材料の製法。 ２ 研磨処理は、ペーパー研磨、ベルト研磨、ショット
   ブラスト加工のいずれか１種または２種以上によつて施
   される特許請求の範囲第１項記載の燃焼器具用ステンレ
   ス鋼材料の製法。