JPS62202021A - 溶接性と耐環境腐食性に優れた鋳鋼製品の製造法 - 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） 本発明は溶接性に丁ぐれ、かつ腐食環境において高い疲
労強度と対環境割れ性と対衝撃強度をもつ鋳鋼製品の製
造法に関する。

（従来の技術） 近年総合エネルギー開発の波にのり、水力発電、地熱発
電、海底石油開発、極地エネルギー開発などの各プロジ
ェクトが進み、発電用や油井用など、それぞれの設備に
使用する銑鋼材料は、各種の応力腐食環境に耐えること
を前提に考えることを余儀な（されるに至っている。

例えば水力発電は、原子力の夜間余剰電力使用の揚水発
電所の建設を含む高落差、大径のペンストックを伴う高
効率化と大容量化の方向に進み、それに使用される材料
に要求される特性は、漸次厳しくなっているのが現状で
ある。又一方比較的低落差ではあるが、海岸線に建設さ
れることが検討されている海水使用の揚水発電所には、
塩化物応力腐食に耐える材質のものが要求される。

これらの要求に対して例えばランナーとしては、既に１
３Ｃｒ−４Ｎｉ系のランナーが山岳地帯における揚水発
電所に実際に使用され、更に切欠靭性を中心にした材質
改良も行われている。又１．７Ｃｒ４Ｎｉ系や１６　Ｃ
ｒ　　５　Ｎｉ系と言った材料で造られ之ランナーも開
発されている。

又海水淡水化装置などの高濃度の塩化物に対する耐食材
料としては、現在Ｔｉやキュプロニッケルが使用され、
ＹＵＳ　　１７０　（新日本製鐵規格）などのステンレ
ス鋼の使用が検討されている。

（発明が解決しようとする問題点） これらの方法は耐疲労特性や、耐脆性破壊特性、耐応力
腐食割れ性等は現状の規模のランナー材を例にとると、
はぼ満足すべきものが得られており、各国の水力発電所
のランナーとして使用されているが、今後更に高能率、
大容量の場合や水質、温度など腐食環境が、更にきびし
くなった場合に対しては、必ずしも充分とは言い難く、
更に高溶接性、高靭性、高疲労強度、高耐環境割れ性等
の優れた各種特性をもつランナーが要求さカ、ることは
容易に予想される。

又海水淡水化装置、その他の耐塩化物忘カ腐良性を有す
る装置、構造物や油井、地熱利用等の地殻中の強腐食物
質に対する耐食性を必要どする装置には、今後鋳鋼製品
としても大きな溶接性、高靭性、高疲労強度、耐応力腐
食割れ性が要求されることが予想される。

（問題点を解決するための手段） そこで本発明者らは、上記既存鋳鋼製品の問題点を考慮
し之結果、更にＣｒ量が高＜Ｎｉを適切に添加し、　Ｃ
、Ｓｉ　、　Ｍ０．Ｍｏ等の各種元素を適量配合せしめ
た鋼を適切な熱処理を行うことによって、疲労強度を高
め、しかも高い耐食性を持った鋳鋼製品を製造出来るこ
とを知見した。

本発明はこの知見に基ずくものでその要旨は、化学成分
が重量％でＣ０．０５％以下、Ｓｉ０．４０〜０、８０
　％　、　Ｍｎ　０．５０〜１．００％、８０．０１０
％以下、Ｎｉ　４．５〜７．５　％　、　Ｃｒ　２０〜
２６％、Ｍｏ３．５チ以下、Ｎ０．０８〜０．２０％、
Ｍ０．０１０〜ｏ：ｏｓ。

チを含み、更にＣａ　０．０２％以上がＬａ、Ｃｅ等の
ＲＥ　Ｍ　（Ｒａｒｅ　ＦＪａｒｔｈ　Ｍｅｔａｌ　）
の合計が０１００１％以上のいずれか、又は両方を含み
、残部がＦｅとＰ等の不可避的不純物から成り更に重量
％で計算したＮｉ　＋　３０　Ｃ＋　０．５Ｍｎの値が
５．５〜９．０であり、且つ同じく重量％で計算したＣ
ｒ　＋　Ｍｏ　＋　１．５３ｉの計算値が２４〜３０で
ある組成の鋼を鋳造した後、１０００〜ｌ１００ｒの温
度に加熱し、しかる後９００〜５００Ｃの温度範囲での
平均冷却速度が１０　Ｃ／＃１以上になるように冷却す
ることを特徴とする溶接性と耐環境腐食性に優れた鋳鋼
製品の製造法にある。

（作用） 本発明は以上の如き構成によって達成されるが、これは
低Ｃ１低Ｓで、Ｃｒ、　Ｎｉ　、　Ｍｏ、　Ｓｉ、　Ｍ
ｎ、　Ｎ。

Ｍが適切に配合された成分系の索に、更にＣａ又はＬａ
、　Ｃｅ等のＲＥＭのいずれか又は両方の適量を添加す
ること、砂型又は金型或いはその併用型からなる鋳型に
注入、凝固後冷却し、しかる後１０５０〜１１００Ｃの
温度に加熱し、９００〜５００Ｃの温度範囲を、平均冷
却速度がｌ　Ｑ　ｃ／ｓｉｓ以」二の冷却速度で加速冷
却することにより、高靭性、高溶接性で、しかも強度、
及び腐食環境中での疲労強度や、耐ＳＣＣ性の高い鋳鋼
が得られることを見出したことにある。

即ち基本的には、主としてＣｒ　、　Ｎｉ　、　Ｍｏ等
の元素の含有量のバランスから、組織がオーステナイト
とフェライトの二相であり、高強度特に高降伏点が確保
出来ること、低炭素にすることにより、靭性および耐環
境腐食性力；著るしく向上すること、さらにＣａ又はＬ
ａ、Ｃｅ等のＲＥＭの適正量添加により、更に靭゛性の
向上が可能なこと、低ＳとＣａ又はＬａ、　Ｃｅ等のＲ
ＥＭの相乗効果で熱間延性が向上し、鋳造時の熱間割れ
が防止できること、そして本発明に規定する成分の鋳鋼
を鋳造後一旦冷却し、後１ｏｏｏｃ〜１ｉｏｏｃに加熱
することばより、鋳造−凝固−冷却時に生成した有害炭
窒化物やｄ相を溶解せしめ、続く９００〜５００Ｃの温
度範囲を同温度範囲の平均冷却速度が１０Ｃ／馴以上に
なるように冷却することにより５σ相の著るしい再析出
を防止し、伸び値、靭性値を劣化せしめないことが出来
る。

これによって前述したような従来の鋳鋼製品に比して、
強度的にほぼ等しく、耐環境疲労強度、耐ＳＣＣ性の優
れた鋳鋼製品を製造することが可能である。

次に本発明に規定する化学成分の限定理由にっｂてのべ
る。

ＣはＮ１当量を増加させオーステナイト組織の量を増加
させ、又安定させるのに役立つが本発明で規定し７’ｊ
Ｎｉ量では０．０５％を超えると、オーステナイト量が
増加して強度の確保が出来なくなり、又靭性も低下する
。一方Ｃの増量は耐食性を阻害し、特に鋳鋼の場合結晶
粒径が大きくをる之めにこの傾向が顕著であり０．０５
％を超えると著るしく耐食性が低下する。従って上限量
として０．０５％を定めた。一方下限量は特に規定しな
いが高Ｃｒ鋼と言うこともあり、あまり低（することは
製鋼技術上困難で不経済的でもあり、Ｑ、０１チ以上と
するのが好ましい。

次に５ｉｆｄＣｒ当量を高めフェライトの発生と安定化
を助長するが、あまり高いとδフエライト量が増加し靭
性を低下せしめるので好ましくなく、最高Ｏ１８％を限
界とする。一方Ｓｉは腐食環境中における孔食の発生を
防止する効果があり、ＭＯとの共存においてその効果を
増大させる。従って、Ｓｉを少くすれば特に高Ｃｒ鋼に
於てけ孔食の発生する可能性が生じる。本発明に限定す
る成分鋼ではこの限界が０．４％でちりこれを下限値と
１−た。

Ｍｎは％Ｎ１当量を高めオーステナイトを増量、安定に
し、靭性を向上する効果を有するが、あまり高いとδフ
エライト量が減少１−で強度を低下させひいては疲労強
度をも低下せ１−める。上限を１．０優にしたのはこの
理由からで本発明の対象とする鋳鋼製品としての強度を
、保持出来なくなるからである。また、下限を０．５％
とし友のはδフエライト量の増加例よる靭性の低下を防
止するためである。

Ｓはフェライトおよびオーステナイト中に一部固溶し、
他はＭｎ等を結合して介在物を形成するが靭性を低下さ
せ、又本発明に規定する成分の鋼では、熱間における延
性を著るしく減じるため可能な限り少い方がよい。特に
本発明ではＣａ又はＲＥＭの助長効果により、低Ｓの場
合の延性の向上が著るしいが、０．０１％を超えるとこ
の効果は小さい。従ってＳの上限値は０．０１０％とし
た。

Ｎｉは耐孔食性を向上させ、Ｎｉ当量を決定する主要元
素であり、オーステナイト量の増加と安定化を行うため
に必要であり、本発明に示すＣｒ含有量に対応する量と
して、強度靭性を確保する意味から、４．５〜７．５チ
が必要である。つまり４．５優未満では、オーステナイ
ト量が少なく、靭性を満足することが困難で１りす、一
方７．５％を超えるとフェライト量が少なく、強度を満
足することが困難になる。

Ｃｒは本発明の対象とする鋳鋼製品としての使用環境か
ら、その耐食性を保持するために添加するもので、下限
値を２０％としたのはこれを未満では満足する耐食性を
得ることが、困難であるからである。しかし添加量が多
いと、耐食性は維持出来るが他の元素量とのバランス上
フェライト量が増加し、靭性を低下せしめ、本発明の対
象とする鋳銅製品の製造が不可能になる。これを防止す
るための上限量は２６％である。

Ｍｏけオーステナイトおよびフェライト中に固溶し強度
を上昇させ、又応力腐食環境を特にＣｆを多量に含む環
境中での耐孔食性を向上させる効果がある。特にＳｉと
の共存においてこの効果が大きい。しかしながらあまり
多量に添加すると、炭化物を生成せしめ、靭性を劣化せ
しめることになり、又耐孔食性の向上も飽和的になり経
済性に欠ける。この上限が３．５チであるため上限値全
３．５チときめた。下限値は腐食環境にもより、添加し
ないこともあるため、特に規定から外した。

Ｎは、主としてオーステナイト中に固溶し、強度を向上
させる効果がある。本発明成分系に於いて目的とする鋳
鋼製品としての必要強度？得るための下限号は、０．０
８％である。又添加量が多過ぎると、本発明の成分系で
は、靭性特に衝撃値が著るしく損われる。この限界量が
０．２０チでろりこれを上限値と定めた・ ＡεはＮと結合し、ＭＮとなってオーステナイトの粒成
長を防止するため必要であるが、本発明に規定する成分
を有する鋼の場合、Ｎはその大部分がオーステナイト中
に溶解して強度を上昇せしめる。従ってＭは前述の粒度
調整用として必要かつ充分な量であればよい。この几め
の下限量はｏ、ｏ　ｉ　。

チである。又Ａｌ量が多過ぎる場合はＡＡＮの量が過多
になり介在物を徒らに増加せしめるのみならず。

Ｎを固定してオーステナイト中の固溶Ｎ量を減少させ強
度を低下させる。これを防止するｔめの上限ｌが０．０
５０％である。

Ｃａ又はＬａ、　Ｃｅ等のＲＥＭは硫化物の形態制御を
行い、ノツチ効果を軽減せしめ、衝撃値を向上せしめる
他、粒界へのＳの濃縮を抑制し、ＳＲ権化やＳＲ割れの
発生を防止する効果がある。このための最低含有量はＣ
ａ単独では０．００２％でありＬａ、Ｃｅ等のＲＥＭは
合計量として０．００１％であり、それぞれこれらを下
限値と決め九〇これらの各種元素の含有量の規定値以外
にＮｉ。

Ｃ，Ｍｎ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｓｉは本発明の対象とす
る鋳鋼製品の特性を確保する意味心ら、（１）　Ｎｉ　
＋３　ＱＣ＋０．５Ｍｎ（いずれも重量％）と（２）　
Ｃｒ　＋　Ｍｏ　＋　１．５　Ｓｉ（いずれも重量％）
の削算値の規定が必要である。

即ち（１）及び（２）式による値は、オーステ、ナイト
とフェライト量の量的バランスを規定するものであり、
それぞれの計算値が適正量でなければ本発明の対象とす
る鋳鋼製品の強度および・靭性を満足出来ない。

つまり、（１）式による計算値が規定値の上限を超え、
（２）式による数値が規定値の下限未満であればオース
テナイト量が過度に増加し、強度が満足せず、一方（１
）式による計算値が規定値の下限未満で、（２）式によ
る計算値が規定値の上限を超えれば、フェライト量が過
度に増加して、靭性が満足しない。

これらの限界量が（１）式では５．５〜９．０″ｒ：あ
り、（２）式では２４〜３０である。

更に本発明に規定する元素以外に、Ｃｕ、Ｎｈ。

Ｔｉ等については特に規定しないが、ＣＩＪは耐孔食性
を劣化させるので少い程よく、本発明の対象とする鋳鋼
製品用としては０．５％以下が好ましい。

Ｎｂ、ＴｉはＣを固定し特に粒界のＣ「欠乏相の発生を
防止し、耐食性が劣化するのを防止する効果があるが、
本発明に規定する成分ではＣ量を少くしているため特に
添加の必要はないが、添加しても差支えない。

次に、本発明に規定するプロセス条件についての限定理
由について説明する。

前述の化学組成を示す鋼を鋳造後、一旦冷却し、更に再
加熱により１０００〜１１００Ｃの温度に加熱するので
あるが、加熱温度を１０００〜１１００Ｃに規定したの
は、ｄ相の溶解とオーステナイトの成長防止及びフェラ
イト量の増加防止がその理由である。

即ち、下限温度を１０００ｔｌ？とじたのは、σ相がこ
の温度未満では、充分に溶解しない可能性があるからで
あり、一方上限値を１１００ｔ：’としたのは、これを
超える温度ではオーステナイト粒度が過度に成長する為
と、δフエライト量の増加を来すことから強度と靭性の
バランスを著るしく阻害するからである。

次に９００〜５００ｃの温度範囲を、平均冷却速度をｌ
　Ｑ　Ｃ／ｒｍｔ以上で冷却するのであるが、９００〜
５００Ｃの温度範囲としたのけ、本発明に規定する化学
成分を有する鋼では、冷却速度が小さい場合冷却途中で
σ相が再析出する可能性があり、その温度範囲が９００
〜５ｏｏｃであるためである。冷却速度をｌ　Ｑ　ｌ：
’　／ｒｍ以上としたのは、この値より小さい冷却速度
ではσ相の析出が顕著に起り、着るしく靭性を低下させ
る可能性が大きいからである。

つまり９００〜５００ｃの温度範囲の平均冷却速度が　
Ｉ　Ｑ　℃／ｍｍ以上で冷却することが必要条件であり
、肉厚の大なる素材の場合は、衝風、油冷、気水冷却な
どによる強制冷却を行うことが望ましい。９００ｔ：’
〜５００ｔ：”の前後の温度範囲の冷却は、特に規定し
ないが、事実上９００〜５００Ｃの温度範囲の冷却速度
の確保を阻害する冷却は、避けることが好ましい。

又本熱処理後、更に応力除去焼鈍などの要否及び七の条
件については、特に規定しないが、熱処理後の冷却時、
肉厚の差異等に伴う冷却速度の違いによる残留応力の発
生などを考慮して、６００Ｃ程度の応力除去焼鈍を行う
ことも可能だが、この場合耐食性その他の劣化を伴うこ
ともあるので注意を要する。

一方最近の傾向として、例えば水車ランナーなど構造的
に複雑な鋳鋼製品を一体鋳造でなく、分割して鋳造し、
鋳造後溶接によって組立てることにより、総合製造コス
トの低下を狙う分割型の水車ランナー等を製造すること
も検討されているが、本発明に規定する成分の鋼は、溶
接性が極めて良好で常温で、予熱なしに溶接が可能なた
め、分割型の水車の製造を行うことも好ましい。

この場合溶接方法は、潜弧溶接、被覆金属、アーク溶接
、ＭＩＧ溶接、ＣＯ２溶接等の溶融溶接法が望ましく、
溶接材料は、溶接後の溶接金属部の化学成分が、本発明
の規定に適応する化学成分を有するように、設計製造さ
れｔものを使用することが好ましい。

一方熱処理は、本発明に規定１゛る条件で溶接部につい
ても行うことが好ましいが特に規定はしない。

（実施例） 表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、同表の欄外に
示す方法で鋳造、表２に示す熱処理条件で、熱処理を行
い試験に供した。これらによると、本発明による墓１〜
遥４の鋼は、いずれも本発明の目的とする高い強度と靭
性および３チ食塩水中での高い疲労強度を示した。

これに対しＡ５．６は化学成分が本発明の規定値より外
れｔもの、Ａ７，８は化学成分が規定値に入っているも
のの熱処理条件が本発明の規定から外れているものを示
し、いずれも靭性、強度が本発明の規定内で製造され念
ものに比１−で、材質的に劣っている結果を示しており
、本発明の効果による差が顕著に示されている。

（発明の効果） 以上の実施例からみても明らかな如く、本発明によれば
高い強度と靭性を有し腐食環境中における疲労強度が大
きく、更に高い溶接性を有する溶接性と耐環境腐食性に
優れ几鋳銅製品を製造することが出来、産業上の効果は
顕著なものがある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 成分が重量％で Ｃ　０．０５％以下、Ｓｉ　０．４０〜０．８０％、Ｍ
   ｎ　０．５０〜１．００％、Ｓ　０．０１０％以下、Ｎ
   ｉ　４．５〜７．５％、Ｃｒ　２０〜２６％、Ｍｏ　３
   ．５％以下、Ｎ　０．０８〜０．２０％Ａｌ　０．０１
   ０〜０．０５０％を含み、 更にＣａ　０．００２％以上かＬａ、Ｃｅ等のＲＥＭの
   合計が０．００１％以上のいずれか又は両方を含有し、
   残部がＦｅと不可避的不純物から成り、更にＮｉ＋３０
   Ｃ＋０．５Ｍｎ（重量％）が、５．５〜９．０とＣｒ＋
   Ｍｏ＋１．５Ｓｉ（重量％）が２４〜３０のそれぞれの
   値を共に満足する組成を有する鋼で鋳造した素材を、１
   ，０００〜１，１００℃の温度に加熱後、９００〜５０
   ０℃の範囲を平均冷却速度が１０℃／ｍｍ以上で冷却す
   ることを特徴とする溶接性と耐環境腐食性に優れた鋳鋼
   製品の製造法。