JPS6353213A - ステンレス鋼の耐食性向上方法 - 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、ｉＪ　ｊｉ′Ｌな操作によってステンレス
鋼表面に超微細凝固組織層を形成することにより、該ス
テンレス鋼の耐高温腐食性並びに耐水蒸気酸化性を改善
する方法に関するものである。

〈背景技術〉 近年、ボイラの高温高圧比・大容量化に伴い、過熱器管
や再熱器管等の高温域にオーステナイト系ステンレス鋼
管が数多く使用されている。

しかし、これら高温部位へのステンレス鋼の適用に当っ
ては、高温強度の確保は勿論のこと、管外面の燃焼ガス
による高温腐食や管内面の水蒸気酸化の問題に細かい注
意を払うことが要求されていた。

高温腐食は燃料中のＶ、　Ｎａ、　　Ｓ等から成る低融
点化合物の付着に起因した著しい局部的減肉現象であり
、これに対してはＣｒの安定な酸化物層を形成すること
が有効であることから、成分面ではＣｒ含有量の高い高
級材料の使用が要求されるほか、結晶粒の微細化も効果
的な手段とされている。

一方、水蒸気酸化による障害は、水蒸気酸化スケール外
層に発達したＦｅ３Ｏ４がボイラの起動や停止時の熱応
力等によって剥離し、曲管等に堆積することに伴う管の
閉塞として現われるものであり、これに対しては水蒸気
酸化スケール内層のＣｒ酸化物層を強化することが有効
であって、実際にはステンレス鋼表面へのＣｒ拡散を促
進するための鋼材組繊細粒化やショツトブラスト加工等
の改善策が採られている。

ところが、上述のように、“鋼材組織の細粒化”は高温
腐食対策や水蒸気酸化対策として有効な手段であること
が知られてはいるが、他方、この細粒化はボイラ等の高
温装置材料に欠かせない“高温強度の確保”と言う観点
からは決して好ましいものではなかった。

なぜなら、細粒ステンレス鋼材を得るには、通常、ステ
ンレス鋼に必要特性（耐食性）を付与するために欠かせ
ない“固溶化処理”の温度を低く抑えて粒成長を抑制す
る必要があるのに対して、高温強度の方は固溶化温度を
上昇する程増大するものであり、固溶化処理温度が低い
と十分な高温強度を達成することができなかったからで
ある。

その上、前記「ショツトブラスト加工」は水蒸気酸化に
は有効であるものの高温腐食に対しては効果がなく、こ
の種用途のステンレス鋼材では組織の細粒化は欠くこと
のできない要素となっていた。

従って、ボイラの高温部位等に使用するステンレス鋼材
においては、耐食性と高温強度とを両立させることが極
めて困難であるとされていた。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、従来のステンレス鋼材に見られる上述のよ
うな問題点を踏まえた上で、耐高温腐食性並びに耐水蒸
気酸化性に優れると共に十分な高温強度をも兼備したス
テンレス鋼材を、高価な合金元素の添加を必要とするこ
とがなく、しかも簡単な手段にて提供できる方法を見出
すべくなされたところの、本発明者等による各種観点か
らの研究によって完成されたものであって、 ステンレス鋼表面部に冷間歪を付与した後、該表面部に
高エネルギー線による溶融処理を施して微細な急冷凝固
組織層を形成することにより、母材部の良好な高温強度
と表面部の優れた耐高温腐食性・耐水蒸気酸化性とを併
せ持ち、全体としてこれら何れの特性にも十分優れたス
テンレス鋼材を簡単・確実に実現できるようにした点、
に特徴を有するものである。

つまり、この発明は［ステンレス調表層部の冷間加工と
レーザ光等の高エネルギー線による表面溶融処理とを組
合わせると、表面のみに微細Ｍｉ織が安定して形成され
、耐高温腐食性、耐水蒸気酸化性並びに高温強度が共に
優れたステンレス鋼材が得られる」との本発明者等の知
見事項を骨子として生み出されたものである。

いま、第１図に示されるように、通常の結晶粒度を有す
るところの十分な高温強度を備えたステンレス鋼を準備
し〔第１図（ａ））、この表面にショツトブラスト、冷
間圧延、ピーニング加工等によって加工歪を付与してか
ら〔第１図（′ｂ）〕　レーザ光等の高エネルギー線を
照射すると、加工歪付与層の表層のみが極く短時間で溶
融を始める。ここで高エネルギー線照射を停止する（ビ
ームを横にずらせても良い）と、上記溶融層は掻く薄く
て照射停止により母材等の抜熱作用で急冷されるので直
ちに凝固組織を形成する〔第１図（Ｃ）〕。

急冷・凝固によって形成される凝固組織は、第２図に示
すように、セル状のサブグレイン１が１つの柱状結晶粒
の中に多数発生する形態となる。

しかし柱状結晶粒自体は溶融境界における母材の結晶粒
２から成長するので、柱状結晶粒の粒度は溶融境界の母
材側の結晶粒度と同一である。但し、溶融境界では通常
は溶融時の熱影響により結晶粒が粗粒化するので、形成
される柱状結晶粒は溶融処理前の母材の結晶粒よりも大
きくなる〔第２図（ａ）〕。

しかしながら、この発明の方法では、表面の溶融処理前
に母材に冷間加工を加えてお（ので、溶融処理を施すと
溶融境界の近くでは加工歪を受けた母材の結晶粒が熱影
響により再結晶して細粒化する。そして、引き続（溶融
部の凝固時には、この細粒化した母材の結晶粒３を路盤
して柱状結晶粒が成長するので表層部の結晶粒自体も極
めて微細なものとなり〔第２図（ｂ））、表面の耐食性
（特に耐高温腐食性や耐水蒸気酸化性）が向上する。

なお、第２図において符号４で示されるものは凝固部の
結晶粒界であるが、ステンレス鋼材の耐食性は柱状結晶
粒の大きさく第２図においてＷで示す）に影響される。

そして、高エネルギー線（例えばレーザ光）照射によっ
て得られる帯状凝固層を若干型なり合うように平行形成
すれば、鋼材所望回全面の改質処理を漏れな〈実施する
ことができる。

このように、本発明の方法を適用して処理されたステン
レス鋼材は、母材部の高温強度が劣化することなく表層
部の耐食性が向上するので、優れた高温強度、耐高温腐
食性並びに耐水蒸気酸化性を兼備したものとなるが、こ
の発明の方法を適用するステンレス鋼は格別にその種類
が制限されるものではない。しかし、高温強度の面でオ
ーステナイト系ステンレス鋼を対象とするのが望ましい
。

また、前記表層部の冷間歪付与には冷間圧延、ショツト
ブラスト、ピーニング処理その他何れを採用しても良く
、更に高エネルギー線としてはレーザ光が好ましいが、
電子ビーム、イオンビーム或いは光ビーム等を使用する
こともできる。

ところで、得られる表面凝固層の結晶粒径（第２図のＷ
で示される）は小さければ小さい程良く、できれば２５
μｍ以下（高エネルギー線投与大熱量で２００００Ｊ／
Ｃｌ１１以下に対応し、水蒸気酸化で形成されるスケー
ル厚を３０μｍ以下に抑えることができる）とするのが
好ましい。

次いで、この発明の効果を実施例によって具体的に説明
する。

〈実施例〉 まず、ＳＯ３３０４相当ステンレス鋼板（結晶粒度Ｎｏ
、４）を供試鋼材とし、これに各種圧下率で冷間圧延を
施して表面に冷間歪を付与した後、レーザ光で表面の溶
融処理を行った（レーザ出カニ５に一、レーザトーチ移
動速度：　１　ｍ　／ｍｉｎ　）　、なお、レーザ光に
よる表面の溶融処理では、レーザトーチを移動すると母
材等の抜熱によって直ちに急冷凝固層が形成された。

続いて、このように処理された鋼板について耐高温腐食
性を調査した結果を第３図に、そして耐水蒸気酸化性を
調査した結果を第４図にそれぞれ示した。ここで、「耐
高温腐食性」は６５０℃のアルカリ硫酸塩主体の合成灰
中に５時間保持したときの腐食減量で評価し、また「耐
水蒸気酸化性」は６５０℃の高温水蒸気に３０００時間
曝したときの平均スケール厚で評価した。

第３図に示される結果からも、単なるレーザ光による表
面溶融処理を施すだけでも母材（何の処理も施さない供
試Ｎ）に比して高温合成灰中の腐食減量は低下するが、
表面溶融処理の前に冷間圧延を加えておくと（特に５％
以上の圧下を加えるのが好ましい）腐食減量は著しく改
善されることが明らかであり、また第４図に示される結
果は、レーザ光による表面溶融処理を施すのみでも母材
に比べて高温水蒸気中で形成されるスケール厚みが減少
するが、更に表面溶融処理の前に冷間圧延を加えておく
と（特に５％以上の圧下を加えるのが好ましい）水蒸気
酸化が一層抑制されてスケールの形成は著しく少なくな
る事実を明らかにしている。

ところで、次に示した第５図は、ＳＯ３３０４相当ステ
ンレス鋼板（結晶粒度Ｎｏ、　４　）を供試鋼材とし、
これにショツトブラスト加工を施して（冷間圧延の圧下
率３０％に対応する表面加工度）表面に冷間歪を付与し
た後、レーザ光で表面の溶融処理を行った（レーザ出カ
ニ５ｋＷ、　レーザトーチ移動速度：　１　ｍ／ｍｉｎ
　）ものについて、ル−ザ光による表面溶融処理時の大
熱量”と“形成される表面凝固部柱状晶の粒径゛との関
係を調査した結果を示しているが、表面溶融処理時の大
熱量が増加するにつれて第２図Ｃｂ）に示した柱状結晶
粒の粒径（Ｗ）も増加することが明らかである。これは
、大熱量が大き過ぎると再結晶後に粗粒が発生し柱状結
晶粒の粒径（Ｗ）が大きくなるためである。

つまり、この発明の方法は冷間加工歪の残るステンレス
鋼表面のみを溶融後急冷し、得られる微細組織表層によ
って耐食性を改善することを狙ったものであり、上記柱
状結晶粒の粒径（Ｗ）は小さい程好ましいくできれば２
５μｍ以下にするのが良い）から、第５図は「本発明の
方法を実施する際に表面溶融処理時の大熱量をなるべく
抑制するのが望ましい」ことを物語るものでもある。

現に、第６図は前記“表面溶融処理時の大熱量”と“先
に述べたと同一条件の水蒸気酸化試験で形成されたスケ
ール厚み”との関係を調査したグラフであるが、前記入
熱量が大きくなるに従ってスケール厚みも増加すること
を示している。

この第５乃至６図から表面溶融・凝固層の柱状結晶粒の
粒径が２５μｍ（溶融処理時の大熱量で２００００Ｊ／
ａｍ）を越えると耐水蒸気酸化性改善効果に顕著性がや
や薄れることが分かり、一方、作業能率から見て一回の
高エネルギー線照射によって形成される溶融幅がＱ、５
ｍ以上（溶融処理時の大熱量で５００Ｊ／ｃｍ以上）で
あることが好ましいことをも考慮すれば、実用的には高
エネルギー線の投与大熱量を ５００Ｊ／ｃｍ≦投与人熱量≦２００００Ｊ／ｃｍに調
整することが推奨される。

以上に説明した如く、この発明によれば、極めて簡単な
処理によりステンレス鋼の高温強度を損なうことなくそ
の耐高温腐食性並びに耐水蒸気酸化性を顕著に改善する
ことができ、例えばボイラ管外面等の燃焼ガスによる高
温腐食や管内面の水蒸気酸化等を安定・確実に防止する
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、この発明の方法を適用した場合のステンレス
鋼表層部組織の概略模式図であって、第１図（ａｌは処
理前を、第１図（ｂ）は冷間歪付与後を、そして第１図
（Ｃ）は表面溶融処理後をそれぞれ示す、第２図は、表
面溶融部の凝固形態の模式図であって、第２図ｆａ）は
冷間歪を付与しなかったものの例を、そして第２図（ｂ
）は冷間歪を付与したものの例をそれぞれ示す、 第３図は、表面溶融部の耐高温腐食性に及ぼす冷間加工
の影響を示したグラフ、 第４図は、表面溶融部の耐水蒸気酸化性に及ぼす冷間加
工の影響を示したグラフ、 抛５図は、表面溶融部の結晶粒径に及ぼす投与大熱量の
影響を示すグラフ、 第６図は、表面溶融部の耐水蒸気酸化性に及ぼす投与大
熱量の影響を示すグラフである。 図面において、 １・・・サブダレイン、　　　２・・・母材の結晶粒、
３・・・細粒化された母材の結晶粒、 ４・・・結晶粒界。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステンレス鋼表面部に冷間歪を付与した後、該表面部に
   高エネルギー線による溶融処理を施して微細な急冷凝固
   組織層を形成することを特徴とするステンレス鋼の耐食
   性向上方法。