JPS633947B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、水力発電用水車ランナ、ガイド・ベ
ーン、ステー・ベーン、船舶用プロペラ、および
各種ポンプ等に使用される耐キヤビテーシヨン・
エロージヨン性に優れた鋼に関する。 （従来の技術） 近年、エネルギーの有効利用の見地から、比較
的短時間で出力調整が可能な水力発電、特に夜間
の余剰電力を有効に利用できる揚水発電プラント
の建設が盛んである。しかも水力発電プラントは
建設地点の限定、単機容量に対する建設費の低
減、発電効率の向上などの点から、大容量化され
る傾向にあり、揚水発電においては高落差、高揚
程化が進んでいる。 しかしながら、高揚程化や流速の増大をまねく
高落差化はキヤビテーシヨンの発生を増大させ水
車ランナのキヤビテーシヨン・エロージヨンを加
速させるという問題を生じていた。 また船舶の大型化、高速化に伴い、推進器の大
型化、高速化が行なわれているが、この高速化は
船舶用プロペラのキヤビテーシヨン・エロージヨ
ンを加速させている。 従来、水車ランナ材、ガイド、ベーン材、ステ
ー・ベーン材などには比較的多量のNiを含むマ
ルテンサイト系13％Crステンレス鋳鋼が使用さ
れているが、高揚程化や高落差化によりキヤビテ
ーシヨン・エロージヨンが加速されており、さら
に優れた耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を
有するものが要望されている。また、船舶におい
ては、推進器の大型化、高速化に伴い、プロペラ
材は銅合金から、より軽量化が可能な13％Crス
テンレス鋳鋼への移行が行なわれているが、ここ
でも耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性に優れ
たものが要望されている。 マルテンサイト系13％Crステンレス鋳鋼の耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性はNi量が９
％程度までの範囲においては、Ni量の増加とと
もに改善されることは知られているが、９％程度
のNiを含む鋳鋼でもその耐キヤビテーシヨン・
エロージヨン性はオーステナイト系ステンレス鋼
であるSUS304程度である。 一般にオーステナイト系ステンレス鋼の耐キヤ
ビテーシヨン・エロージヨン性は、マルテンサイ
ト系13％Crステンレス鋳鋼よりも優れているが、
この材料は耐力が低いことから水車ランナなどの
キヤビテーシヨン・エロージヨン損耗の著しい部
位に肉盛溶接されて使用されている。 （発明が解決しようとする問題点） このように水力発電用材料、船舶用推進器、各
種ポンプ等の使用状態が苛酷になるにつれ、従来
材よりも耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性が
さらに優れた材料が要望されてきた。 このような点に鑑み、本発明は耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性がSUS304より優れた耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性に優れた鋼を提
供することを目的とする。 ［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明はCr―Ni系ステンレス鋼に所定量のMn
を含有せしめ素地中に実質的にフエライト相を含
むことなくイプシロン相を必須とし、かつイプシ
ロン相（以下ε相と記す）あるいはオーステナイ
ト相（以下γ相と記す）を主体とすることによ
り、耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上
させるものである。すなわち、重量パーセントで
0.20％以下のＣ、0.2〜1.0％のSi、11〜15％のCr、
0.5〜10％のNi、４％を越え15％以下のMn、2.0
％以下のMoを含有せしめ、素地はイプシロン相
（ε相）を必須とし、かつイプシロン相（ε相）
あるいはオーステナイト相（γ相）を主体とした
鋼の耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性が
SUS304オーステナイト系ステンレス鋼の耐キヤ
ビテーシヨン・エロージヨン性より優れているこ
とを見い出したものである。この場合、素地中に
フエライト相が混在すると、その耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性は著しく劣化することから
素地中にはフエライト相を含まないことが必要で
ある。 また、優れた耐キヤビテーシヨン・エロージヨ
ン性を示すε相あるいはγ相を形成するに必要な
組成領域（以下最適組成領域と記す）はＣの増量
により拡大できる。すなわち、特許請求の組成範
囲内にあるマルテンサイト系ステンレス鋼のＣ量
を高めると素地組成中にはε相やγ相が形成され
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は著しく改
善される。またMoを添加することで耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性はさらに改善される。 （作用） 以下、本発明に係る特許請求範囲の限定理由を
述べる。 組成：特許請求の範囲にある組成を有する鋼の
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は、ε相を
必須とし、かつε相あるいはγ相を主体とする場
合に著しい効果を示す。この場合、組成中にフエ
ライト相が混在すると、耐キヤビテーシヨン・エ
ロージヨン性は著しく劣化することから組成中に
はフエライト相を含まない必要がある。 本発明においては靭性に優れたε相、γ相を主
体とした本体の表面のみが、キヤビテイ崩壊時に
加わる衝撃力によるマルテンサイト相に相変態を
おこすことにより、耐キヤビテーシヨン・エロー
ジヨン特性に優れる効果を奏する。しかし鋼の内
部は相変態を生じないため、材料特性上必要な靭
性は損われず、鋼全体は高い靭性を有している。
いわば外部環境に応じて鋼自体が保護作用を示す
自己補修型の合金と言える。従つて材料に必要な
靭性を有しつつ、耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン特性に優れるものである。 従来のマルテンサイト鋼を用いた場合は、その
靭性の悪さから実用上は焼戻しを行なつている。
しかしながらこの様な焼戻し処理を行なうと耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン特性が低下してし
まう。本発明においては本体は靭性に優れるため
特にこのような処理を施す必要はない。 炭素（Ｃ）：炭素はε相やγ相を形成させ、耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上させる
ために必要な元素であるが、過剰の添加は靭性、
耐食性を害することから上限を0.2％とするが実
用上は0.03〜0.15％とすることが望ましい。 ケイ素（Si）：ケイ素は鋼溶製時の湯流れ性を
改善し、また溶接性を改善させる為には0.2％以
上必要であるが、過剰の添加は靭性を害すること
から上限を１％とするが実用上は0.2〜0.8％とす
ることが望ましい。 クロム（Cr）：クロムは耐食性を向上させるた
めに11％以上の添加が必要であるが、過剰の添加
は溶着層中にフエライト層を生成させ、耐キヤビ
テーシヨン・エロージヨン性を低下させることか
ら上限を15％とするが、さらに実用上は12％から
15％とすることが望ましい。 ニツケル（Ni）：ニツケルはマンガンとあいま
つて鋼の組成をε、γ化し、キヤビテイの衝撃力
により鋼表面を相変態しやすくし、ひいては耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性を良くするため
に必要であり耐キヤビテーシヨン・エロージヨン
性、靭性を向上させるために、0.5％以上の添加
が必要である。多量に添加しても効果は大きくな
く、かえつて相変態を阻害し耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性が低下し、またコスト上昇に
なることから上限を10％とするが、実用上は２％
から８％とし、さらに好ましくは4.5％を越え８
％以下とすることが望ましい。 マンガン（Mn）：マンガンはニツケルとあい
まつて鋼の組成をε、γ化し、キヤビテイの衝撃
力により鋼表面を相変態しやすくし、ひいては耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性、靭性を向上
させるために特に重要な元素であるが、４％以下
ではその効果は十分でなく、４％を越える添加が
必要である。しかし過剰の添加はかえつて相変態
を阻害し耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性が
低下し、また湯流れ性を悪くすることから上限を
15％とするがさらに実用上は4.5〜10％とするこ
とが望ましい。 モリブデン（Mo）：モリブデンは耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性を向上させるが、過剰
の添加は靭性を害することから上限を２％とす
る。 本発明は高い耐力を必要としない耐キヤビテー
シヨン・エロージヨン用部材としてはもちろん、
水車ランナ、ガイド・ベーン、ステー・ベーン等
の水力発電用機器、船舶用プロペラ、各種ポンプ
等のキヤビテーシヨン・エロージヨン発生部位へ
の肉盛溶接材として使用できる他、発電プラント
のモイスチヤ・セパレータ・リヒータのパイプ等
耐エロージヨン性が要求される部位にも幅広く使
用できる耐食材料である。 （実施例） 以下実施例をもつて本発明鋼を詳細に説明す
る。真空高周波誘導溶解炉により第１表に示す組
成の試料を溶製した。実施例１〜６の試料につい
ては1100℃、２時間の溶体化処理後空冷した。比
較例１は市販のSUS304で上記と同様の熱処理を
施して使用した。また、比較例２〜４は、従来ラ
ンナ材に適用されている熱処理相当の熱履歴とし
て1100℃、２時間の溶体化を行なつたのち、さら
に650℃、２時間の焼戻しを行なつたものである。

【表】

【表】 キヤビテーシヨン・エロージヨン試験は電歪振
動法により、周波数6.5KHz、振幅100μm、25℃
の純水中で180分行ない、次式によりキヤビテー
シヨン・エロージヨン指数（C.E.I.）を求めた。 C.E.I.＝キヤビテーシヨン・エロージヨン減量（ｇ）
／試験時間（分）×比重×10⁶ また、光学顕微鏡観察、熱膨張測定、Ｘ線回折
により各試料の主体的な相を決定した。 第２表の実施例１〜６は本発明に係る耐食材料
であり、また比較例１は従来肉盛溶接材として使
用されているSUS304オーステナイト系ステンレ
ス鋼（γ相）、比較例２は水車ランナ用材料とし
て使用されている13％Cr―3.5％Niマルテンサイ
ト系ステンレス鋼（α′相）である。

【表】 実施例１〜６の組成中にはε相を必須としε相
あるいはγ相を含んでおり、そのC.E.I.は従来耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性に優れている
とされているSUS304（比較例１）より著しく小
さく、本発明に係る耐食材料は優れた耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性を有していることがわ
かる。 なお、実施例１、２の組成中には多少のα′相
（マルテンサイト相）を含むこともあるが、ε相
の存在により優れた耐キヤビテーシヨン・エロー
ジヨン性を示す。また、実施例３、４、５の組成
はγ相を主体とするが必ずε相を含む。このよう
に本発明に係る耐キヤビテーシヨン・エロージヨ
ン材料はフエライト相を含むことなく、ε相を必
須とし、かつε相、γ相が主体相であれば優れた
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を示す。 ［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明に係る鋼は優れた耐
キヤビテーシヨン・エロージヨン性を有し、水力
発電用水車ランナ、ガイド・ベーン、ステー・ベ
ーン船舶用プロペラ、および各種ポンプ等、耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性を要求される部
材として適用したものとえいえる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量パーセントで0.20％以下の炭素、0.2〜
   1.0％のケイ素、11〜15％のクロム、0.5〜10％の
   ニツケル、４％を越え15％以下のマンガン、2.0
   ％以下のモリブデン、残部が実質的に鉄からな
   り、かつ実質的にフエライト相を含む事なくイプ
   シロン相を必須とし、かつイプシンロ相あるいは
   オーステナイト相を主体とした事を特徴とする耐
   キヤビテーシヨン・エロージヨン性に優れた鋼。