JPS6353210A - ステンレス鋼の耐応力腐食割れ性改善方法 - 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〉 この発明は、ステンレス鋼の応力腐食割れを簡単な操作
で安定して防止する方法に関するものである。

〈前景技術〉 一般に、ステンレス鋼を溶接すると、溶接部では含有炭
素が溶接時の加熱により炭化物として結晶粒界に析出し
、粒界近傍のクロム量の減少を来たして耐食性劣化や粒
界腐食を発生し易くなると言う所謂“鋭敏化現象”を生
じることが知られており、また溶接金属では溶接後の凝
固時に成分元素の偏析が生じ母材に比べて耐食性（耐粒
界腐食性、耐孔食性）が劣化すると言う現象も知られて
いた。

そこで、このような耐食性劣化現象を改善するため、通
常は溶接部を固溶化熱処理する方法が採用されている。

ところで、耐食性、溶接性並びに靭性等に優れているこ
とからステンレス鋼の中でも高い生産量を誇るオーステ
ナイト系ステンレス鋼は、一方で鋭敏化状態にあるとＣ
１−イオンの存在する環境で粒界応力腐食割れを発生し
易い鋼種とされており、しかもこの鋼種は固溶化熱処理
状態であっても応力腐食割れ（粒内割れ）の発生を防止
出来ないものであった。そこで、−Ｆ１９には「通常の
オーステナイト系ステンレス鋼は応力腐食割れを防止す
ることが殆ど不可能であって、応力腐食割れに対処する
ためにはＮｉを多量に含有した超合金を使用する必要が
ある」と考えられていたのである。

次の第１表は、オーステナイト系ステンレス鋼及び超合
金につき、（１−イオン：　１０　”ｐｐｍ、　？８存
酸素：８ｐｐｍを含有する高温水（２５０℃）中におい
てダブルＵベンド応力腐食割れ試験（試験時間：５００
ｈｒ）を行い、割れの有無を調査した結果を表したもの
であるが、超合金では割れが発生しなくても通常のオー
ステナイト系ステンレス鋼（、Ｓ［ｌ５３０４．５ＩＩ
Ｓ　３１６．　ＳＵＳ　３１０Ｓ）では応力腐食割れが
発生することを示している。

第１表 〈問題点を解決するための手段〉 このようなことから、本発明者等は、上述のように鋭敏
化状態はもとより固溶化状態であってもＣ１−イオン含
有環境下での応力腐食割れを抑えることが出来ない“オ
ーステナイト系ステンレス＠”についても、高価な合金
元素の多量添加を要することなくその耐応力腐食割れ性
を十分に改善し、腐食性環境に格別な制限を受けること
のない幅広い用途を付与すべく種々の観点から研究を続
けてきたが、その結果、 「特にＮｉ当量（Ｎｉｅｑ）がＣｒ当量（Ｃｒｅｑ）と
の関係で特定範囲にあるステンレス鋼に対しては、その
表面部にレーザ光を照射して該表層部を溶融した後レー
ザ光照射を停止すると、レーザ光照射による溶融層は極
（薄くて照射停止後には母材等の抜熱作用により急冷さ
れることからオーステナイトの微細凝固セル間に６−フ
ェライトが微細に分散した凝固組織が形成され、凝固層
にクロム炭化物の析出が起って鋭敏化を来たしたり成分
の偏析を生じるような事態を引き起こさない上、レーザ
の投与入熱量の調整等によって上記δ−フェライトの粒
径を特定値以下に抑えると、オーステナイト系ステンレ
ス鋼であっても母材或いは溶接部等の部位に関わりなく
応力腐食割れが生じなくなる」との知見を得るに至った
のである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 Ｎ１ｅｑ　＝　Ｎｉ　（χ）　＋　０．５Ｍｎ　（Ｘ）
　＋　３０　Ｃ（χ）＋３ＯＮ（χ）で表されるＮｉ当
量（Ｎｉｅｑ）が式 ０式％ を満足するステンレス鋼（但し、Ｃ「当量（Ｃｒｅｑ）
は、Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ　（χ）＋Ｍｏ（Ｚ）　＋１．５Ｓ
ｉ（χ）＋０．５Ｎｂ（χ）＋２Ｔｉ（χ）＋Ａｌ（χ
）で表される）の表面部にレーザ光による溶融処理を施
し、該ステンレス鋼表面部に粒径：０．５μｍ以下の微
細δ−フェライトを生成せしめることによって、固溶化
熱処理によっても十分に改善できなかったオーステナイ
ト系ステンレス鋼においても耐応力腐食割れ性を顕著に
向上させ得るようにした点、 に特徴を有するものである。

以下、この点を具体的に説明する。

例えば第１図に示されるように、レーザ光線１をレンズ
やミラー等で集光して一般ステンレス鋼の母材２或いは
溶接部３の表面を溶融処理しなからレーザトーチ４又は
鋼材を移動させると、薄い層として形成される溶融部は
母材等の抜熱作用により順次急冷凝固され帯状の凝固層
５を生成する。

このとき、先にも説明したように、溶融部は母材等の抜
熱作用により急冷凝固するため偏析を生じたりクロム炭
化物の析出を起こして鋭敏化したりすることがないので
、通常の溶接部における如くＣｒ−イオンの存在する溶
液中においても孔食や粒界応力腐食割れを生じることが
無くなる。しかも、ここでステンレス鋼として上記特定
Ｎｉ当量のものを対象とすると、レーザ表面溶融処理に
よって形成された擬固Ｍｉ織はオーステナイトの凝固セ
ル間に６−フェライトが微細分散したものとなり、更に
該δ−フェライトの粒径を特に０．５μｍ以下に調整す
ると応力腐食が抑制されて耐応力腐食割れ性は著しく向
上するようになる。

従って、このような条件を心掛けなからレーザ表面溶融
処理を続けて帯状凝固層を若干型なり合うように平行形
成すれば鋼材全面の改質処理が漏れなくなされることと
なり、オーステナイト系ステンレス鋼であったとしても
全体として優れた耐応力腐食割れ性を備えたステンレス
鋼材を得ることが出来る。

さて、この発明の方法において、処理対象とするステン
レス鋼をＮｉ当１（Ｎｉｅｑ）を基準にして０．６８Ｃ
ｒｅｑ　−５，９≦Ｎ１ｅｑ≦１．３Ｃｒｅｑ　−９，
３を満たすものに限定した理由は次の通りである。

即ち、第２図はステンレス鋼の成分（Ｎｉ当量とＣｒ当
量で表わす）とレーザ表面溶融部の凝固時組織との関係
を示すグラフであるが、この第２図からも明らかなよう
に、Ｎｉ当量が（０，６８Ｃｒｅｑ　　５．９　）未満
であると前記凝固時＆ｌｌ織がフェライト単相となり、
またＮｉ当量が（１，３Ｃｒｅｑ−９，３”Ｊを越える
とオーステナイト単相となって何れもオーステナイトの
マトリックス中に微細なδ−フェライトが分散した組織
を得られず、従って所望の耐応力腐食割れ性改善効果を
獲得することが出来ない。

なお、耐応力腐食割れ性以外の耐食性をも加味してステ
ンレス鋼としての性能を確保しようとの観点からは、対
象とするステンレス鋼はＣｒ：１５〜２６重景％、Ｍｏ
ｎｏ〜６重量％を含有するものであることが望ましい。

ここで、規格化されたステンレス鋼に照らして上記条件
を検討すると、例えば５ｔｌＳ３０４及び５ＵＳ３１６
は母材（固溶化熱処理材）ではオーステナイト組織であ
るが、レーザ溶融部では凝固時に若干のδ−フェライト
が生成して〔オーステナイト＋δ−フェライト〕組織を
呈し、十分に耐応力腐食割れ性改善効果を得られること
が確認出来る。

一方、例えば５ＵＳ３２９Ｊ１は母材では〔オーステナ
イト＋フェライト〕の２相組織であるが、溶融部では冷
却過程でオーステナイトがフェライトに一部変態してフ
ェライト単相で凝固するので、凝固時に微細なδ−フェ
ライトが生成しない。同じ＜、ＮＣＦ６００では母材及
び溶融部ともオーステナイト単相でありδ−フェライト
は生成しない。

従って、後者２つは当然のことながら本発明の方法によ
る耐応力腐食割れ性改善効果を期待することは出来ない
。

また、レーザ溶融部に生成させるδ−フェライトの粒径
（δ−フェライトは島状に生成するため、ここでは粒径
を“最小幅”と定義する）を特に０．５μｍ以下に調整
することは、この発明の方法において極めて重要なこと
である。なぜなら、δ−フェライトの粒径が０．５μｍ
を越えると、例え溶接部の鋭敏化や偏析が解消されて耐
粒界腐食性や耐孔食性が改善されたとしても応力腐食割
れ（粒内割れ）を十分に防止することが出来ないからで
ある。

ところで、上記“δ−フェライトの粒径”は溶融部の冷
却速度、即ちレーザ光の投与入熱量に大きく依存し、咳
人熱量が過大な場合はδ−フェライトが粗大化して応力
腐食割れ防止効果がなくなる。つまり、δ−フェライト
の粒径調整は、実際作業上、レーザ光の投与入熱量調整
によって実施するのが最も有利である。

第３図は、５ｌｌＳ３０４Ｅにおける“レーザ光の投与
入熱４１（Ｐ／ｖ）”と“δ−フェライトの粒径”との
関係を示したグラフである。なお、ここで投与入熱＠（
Ｐ／ν）はレーザ出力をＰ、レーザトーチ又は被処理調
材の移動速度をＶとして表わされるものである。

この第３図からは、前記入熱ｆＷ（Ｐ／ｖ）を３０００
０Ｊ／ｃｎ以下に制限しなければδ−フェライトの粒径
：０．５μｍ以下を達成出来ないことが分かる。従って
、このような観点からは Ｐ／ｖ≦　３００００Ｊ／ｃ＋＋＋ なる作業条件を設定することが好ましい。

更に、この発明の処理方法では、第４図に示すように、
帯状の凝固層５に隣接して次の溶融・凝固層が形成され
ることから、レーザ光の投与入熱ｉ（Ｐ／ｖ）を大きく
するとその熱影響部６も大きくなり、既に形成されてい
る凝固層５までもが熱影響のために鋭敏化を起こすよう
になる。そして、種々の実験の結果は、熱影響を許容し
得る投与入熱ｆｆ１（Ｐ／ｖ）の限度は３００００Ｊ／
ｃｍ迄であることを示し、従って、実用上不都合を生じ
る程にまで熱影響の害を抑えるとの観点からも Ｐ／ｖ　　≦　　３００００Ｊ／Ｃ１１なる作業条件が
望ましいことが明らかとなった。

一方、作業能率を考慮すると、第１図で説明したところ
の「１回のレーザ光照射で得られる帯状凝固層の幅（処
理幅）」は広いことが好ましく、処理幅を広くするには
レーザ光の投与入熱量を大きくする必要がある。そして
、実際上必要とされる能率面からは一回の溶融幅として
少なくとも０．５１１を確保することが望ましく、これ
を達成するためにはレーザ光の投与入熱量（Ｐ／ｖ）を
５００Ｊ／ｃｍ以上に設定することが必要となる。

そこで、レーザ光の照射条件は、δ−フェライトの微細
化達成、熱影響による鋭敏化防止並びに作業能率の面を
総合的に考慮して ５００Ｊ／ｅ１１　≦Ｐ／ｖ≦　３００００Ｊ１０ｎに
設定することが推奨される。

以上に説明した方法によって、これまで満足出来る成果
が得られなかったオーステナイト系ステンレス鋼の応力
腐食割れ抑制策に対する既成概念を一掃することができ
、比較的安価でかつ優れた耐応力腐食割れ性を備えた材
料を提供することが可能となるが、続いて、この発明を
実施例により比較例と対比しながら更に具体的に説明す
る。

〈実施例〉 まず、第２表に示される如き化学成分組成を有する厚さ
：６ｕの鋼板を用意し、アーク電圧＝１５Ｖ、電流：３
５０Ａ、溶接速度：１０ｃｍ／分の条件でＴＩＧなめ付
は溶接を施して試験材とした。

次いで、ＣＯｚレーザ発生装置を使用し、第１図に示す
如く上記試験材の全面（溶接部及び母材部）にレーザ光
照射による溶融処理を施した。このときのレーザ光照射
条件を第３表に示す。

なお、レーザ光照射によって溶融した表面部はレーザト
ーチを移動するのみで直ちに急冷・凝固したが、該凝固
層のδ−フェライト生成状況並びに生成したδ−フェラ
イトの最大粒径（粒径は最小幅とする）を観察した結果
を第３表に併せて示した。

次に、レーザ光による溶融処理が終了した試験材を応力
腐食割れ試験に供し、応力腐食割れ発生状況を調査した
。応力腐食割れ試験には、ＩＯ３ｐｐｍのＣＺ−イオン
及び８　ｐｐｍの溶存酸素を含有する２５０℃の高温水
中に５００時間浸漬すると言うダブルビベンド試験法を
採用した。

このようにして得られた応力腐食割れ試験結果も、第３
表に併せて示した。

第３表に示される結果からも明らかなように、本発明の
条件通りに素材を選び、しかも本発明の条件通りにレー
ザ光による表面溶融処理を施せば、これまで格別に有効
な方策が無かったオーステナイト系ステンレス鋼に対し
ても、その応力腐食割れを十分にかつ安定して防止し得
ることが分かる。

上述のように、この発明によれば、ステンレス鋼の耐応
力腐食割れ性を極めて簡単な操作により安定確実に改善
することができ、ステンレス鋼材の適用分野をより以上
に拡大することが可能となるなど、産業上極めて有用な
効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、レーザ光による表面溶融処理実施状況を示す
概略模式図、 第２図は、“ステンレス鋼成分”と“レーザ光照射表面
溶融部の凝固時Ｍｉ織”との関係を示すグラフ、 第３図は、レーザの投与入熱量とδ−フェライト粒径と
の関係を示すグラフ、 第４図は、レーザ光により大入熱で表面溶融処理を行っ
た場合に生じる熱影響部の状況を説明した概略模式図で
ある。 図面において、 １・・・レーザ光線、　　　　２・・・母材、３・・・
溶接部、　　　　　　４・・・レーザトーチ、５・・・
帯状凝固層、　　　　６・・・熱影響部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ）が式 ０．６８Ｃｒｅｑ−５．９≦Ｎｉｅｑ≦１．３Ｃｒｅｑ
   −９．３を満足するステンレス鋼（但しＣｒｅｑはＣｒ
   当量）の表面部にレーザ光による溶融処理を施し、該ス
   テンレス鋼表面部に粒径：０．５μｍ以下の微細δ−フ
   ェライトを生成せしめることを特徴とする、ステンレス
   鋼の耐応力腐食割れ性改善方法。