(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０.０５％以下，Ｓｉ：０.１〜２.０％，Ｍｎ：０.１〜２.０％，Ｃｒ：２０.０〜２３.０％，Ｎｉ：３.０〜３.９％，Ｍｏ；０.５〜０.９６％，Ｃｕ：０.２〜１.０％，Ｗ：０.１〜２.０％，Ｎ：０.０５〜０.２％を含有すると共に、式：
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ  ≦２８（％）
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる化学組成を有し、ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）は４５〜８０面積％である耐熱疲労性・耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０.０５％以下，Ｓｉ：０.１〜２.０％，Ｍｎ：０.１〜２.０％，Ｃｒ：２０.０〜２３.０％，Ｎｉ：３.０〜３.９％，Ｍｏ；０.５〜０.９６％，Ｃｕ：０.２〜１.０％，Ｗ：０.１〜２.０％，Ｎ：０.０５〜０.２％、およびＴｉ：０.５％以下,Ｎｂ：０.５％以下,Ｖ：１.０％以下,Ａｌ：０.５％以下,Ｚｒ：０.５％以下,Ｂ：０.５％以下,希土類元素：０.２％以下、Ｃｏ：１.０％以下,Ｔａ：１.０％以下,Ｂｉ：１.０％以下の群から選ばれる１種ないし２種以上の元素を含有すると共に、式：
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ  ≦２８（％）
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる化学組成を有し、ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）は４５〜８０面積％である耐熱疲労性・耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼。
【請求項３】
ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）が、式：
α≧０.２×（％Ｃｒ/％Ｎ）＋２５
を満たし、ミクロ組織のフェライト粒内及び粒界に窒化クロムが析出している請求項１又は請求項２に記載のフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼。
【請求項４】
製紙用サクションロールの胴部材である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼。
【請求項５】
重量％で、Ｃ：０.０５％以下，Ｓｉ：０.１〜２.０％，Ｍｎ：０.１〜２.０％，Ｃｒ：２０.０〜２３.０％，Ｎｉ：３.０〜３.９％，Ｍｏ；０.５〜０.９６％，Ｃｕ：０.２〜１.０％，Ｗ：０.１〜２.０％，Ｎ：０.０５〜０.２％を含有すると共に、式：
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ  ≦２８（％）
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる遠心力鋳造された中空円筒体を、９００〜１１００℃の温度域で溶体化加熱した後、０.５〜５℃/分（ただし、５℃/分を除く）の冷却速度で常温まで冷却してなる、ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）は４５〜８０面積％であることを特徴とするフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼からなる製紙用サクションロール胴部材。
【請求項６】
重量％で、Ｃ：０.０５％以下，Ｓｉ：０.１〜２.０％，Ｍｎ：０.１〜２.０％，Ｃｒ：２０.０〜２３.０％，Ｎｉ：３.０〜３.９％，Ｍｏ；０.５〜０.９６％，Ｃｕ：０.２〜１.０％，Ｗ：０.１〜２.０％，Ｎ：０.０５〜０.２％、およびＴｉ：０.５％以下,Ｎｂ：０.５％以下,Ｖ：１.０％以下,Ａｌ：０.５％以下,Ｚｒ：０.５％以下,Ｂ：０.５％以下,希土類元素：０.２％以下、Ｃｏ：１.０％以下,Ｔａ：１.０％以下,Ｂｉ：１.０％以下の群から選ばれる１種ないし２種以上の元素を含有すると共に、式：
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ  ≦２８（％）
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる遠心力鋳造された中空円筒体を、９００〜１１００℃の温度域で溶体化加熱した後、０.５〜５℃/分（ただし、５℃/分を除く）の冷却速度で常温まで冷却してなる、ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）が４５〜８０面積％であることを特徴とするフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼からなる製紙用サクションロール胴部材。
【請求項７】
ミクロ組織に占めるフェライト含有量（%α）が、式：
α≧０.２×（％Ｃｒ/％Ｎ）＋２５
を満たし、ミクロ組織のフェライト粒内及び粒界に窒化クロムが析出している請求項５又は請求項６に記載の製紙用サクションロール胴部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製紙用サクションロール材等として有用な耐熱疲労性および耐腐食疲労性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼およびサクションロール胴部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製紙用サクションロールは、抄紙された湿潤紙の脱水処理に使用される多孔ロールであり、そのロール胴部は湿潤紙から分離される水分、所謂「白水」（Ｃｌ−，ＳＯ４２−等を含む強酸性腐食液）を吸引排除するための小孔「サクションホール」（開孔率≒２０〜５０面積％，ロール１本当たりの孔数は数十萬個にも及ぶ）が分散穿設された中空円筒体である。ロール胴部の表面には湿潤紙から水分を搾出するプレスロールの強い押圧力（ニップ圧）が作用する。サクションロールはこのように厳しい腐食環境に曝され、かつ荷重の負荷も大きいため、腐食疲労によるクラックを生じ易いことが問題とされてきた。この問題は、二相ステンレス材料をベースとする材質改良、特に腐食疲労強度を高めることにより対処されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、抄紙速度の高速化に伴い、サクションロールの実機使用上の新たな問題として、サクションボックスのシール材とロール胴部との接触界面の摩擦熱で、ロール胴部の内面温度が、例えば３００〜３５０℃に上昇し、熱サイクルに伴う熱疲労によりロール胴部にクラックが生じ易くなっていることが指摘されている。図１において、１はサクションロールの胴部、３はその内部に配置されているサクションボックスである。サクションボックス３は、シール材３１（フェノール樹脂又はグラファイト製等の部材）を介してロール胴部１の内周面に当接している。フェルト４に保持された湿潤紙５はロールの回転周速度に同期してサクションロール１とプレスロール２とのロール間を通過し、搾出される水分は、サクションホール１１を介してサクションボックス３の吸引作用により排除される。
【０００４】
前記したシール材３１の摩擦による発熱は、シール材に対する潤滑水の供給不足、ロール内周面に対するシール材の過度の押付け等、メンテナンスの問題に主として起因している。しかし、抄紙速度の高速化に伴う上記問題を防止するための完全なメンテナンスを確保することは困難であり、シール材の擦れの危険性はますます高まり、サクションロールの熱疲労によるクラック発生・ロール寿命の低下に対処し得る新たなロール材料が要請されている。
本発明は、上記要請に応えるための改良された熱疲労性を有し、またＣｒ，Ｍｏ，Ｎｉなどの高価かつ希少の元素を節減して経済性を高め、かつサクションロールの製作における良好なドリル加工性を具備せしめた二相ステンレス鋼を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼は、
重量％で、Ｃ：０.０５％以下，Ｓｉ：０.１〜２.０％，Ｍｎ：０.１〜２.０％，Ｃｒ：２０.０〜２３.０％，Ｎｉ：３.０〜３.９％，Ｍｏ；０.５〜０.９６％，Ｃｕ：０.２〜１.０％，Ｗ：０.１〜２.０％，Ｎ：０.０５〜０.２％を含有すると共に、下式[１]を満たし、所望により、Ｔｉ：０.５％以下,Ｎｂ：０.５％以下,Ｖ：１.０％以下,Ａｌ：０.５％以下,Ｚｒ：０.５％以下,Ｂ：０.５％以下,希土類元素：０.２％以下、Ｃｏ：１.０％以下,Ｔａ：１.０％以下,Ｂｉ：１.０％以下の群から選ばれる１種ないし２種以上の元素を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる化学組成を有し、ミクロ組織に占めるフェライト含有量（％α）は４５〜８０面積％である。
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ  ≦２８（％）  …[１]
【０００６】
二相ステンレス鋼において、Ｃｒ，Ｍｏ等の元素は腐食抵抗性に大きな影響を与え、一般的にその含有量が多いほど腐食抵抗性を高めるといわれている。しかし、これらは高価かつ希少な元素であり、またその添加量（いずれもフェライトフォーマである）を高くすると、成分バランスの点から、同じく希少元素であるＮｉ（オーステナイトフォーマー）の添加量を増やす必要が生じる。更に、これらの元素の増量はドリル加工性の低下にもつながる。本発明はこれら希少元素を節減しながら、改良された耐熱疲労性，耐腐食疲労特性および良好なドリル加工性等を具備せしめている。
【０００７】
まず、本発明の化学組成の限定理由を説明する。元素の含有量（％）はすべて重量基準である。
Ｃ：０．０５％以下
Ｃは、固溶強化作用により合金の強度を高めるが、含有量が多くなると、クロム炭化物の析出により、靭性の低下および耐食性の劣化をきたす。従って０．０５％を超えてはならない。
【０００８】
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、合金溶製時の脱酸剤であり、また鋳造時の溶湯の湯流れ性を改善する元素である。このために、少なくとも０．１％を必要とするが、多量に添加すると、合金の靭性および溶接性の低下を招くので、２．０％を上限とする。
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、脱酸・脱硫元素として添加される。この効果を得るには、０．１％以上を要するが、２．０％を超えると、耐食性の低下をきたすので、これを上限とする。
【０００９】
Ｃｒ：２０．０〜２３．０％
Ｃｒは、ミクロ組織におけるフェライト相を形成し、合金の強度を高める。また、合金の耐食性、特に孔食および粒界腐食抵抗性を高めるために必要な元素である。このため、少なくとも２０．０％の含有を必要とする。しかし，多量に添加すると、靭性および溶接性が低下するので、２３．０％を上限とする。
【００１０】
Ｎｉ：３．０〜３．９％
Ｎｉは、強力なオーステナイト生成元素で、ミクロ組織におけるフェライト−オーステナイトのバランスをとるために必要な元素であり、オーステナイト相を形成して合金の靭性を高める。このために少なくとも３．０％の含有を必要とする。しかし、Ｎｉは高価な元素であり、３．９％を上限とする。
【００１１】
Ｍｏ：０.５〜０.９６％
Ｍｏは耐食元素であり、特に耐孔食性，耐粒界腐食性の改善に有効である。この効果は０.５％以上の添加により得られる。しかし、該元素はＮｉと同様に高価な元素であり、また増量に伴なって合金の靭性の低下を付随するので、０.９６％以下とする。
【００１２】
Ｃｕ：０.２〜１．０％
Ｃｕは、耐食性,粒界腐食抵抗性を改善する。しかし、２.０％を超えると、靭性、延性の不足をきたし、また耐食性も低下するので、これを越えてはならない。好ましくは、０.２〜１.０％である。
【００１３】
Ｗ：０．１〜２．０％
Ｗは耐食性改善効果を有し、またフェライト相を固溶強化して熱疲労特性の向上に寄与する。この効果を得るために、０．２％以上を必要とする。しかし、過度の添加は、合金の靭性を損ない、かつ耐食性，腐食疲労強度の低下を招くので、２．０％を越えてはならない。
【００１４】
Ｎ：０．０５〜０．２％
Ｎは、オーステナイト生成元素であり、かつオーステナイト相に対するＣｒ，Ｍｏ等の耐食元素の分配率を増し、合金の耐食性を高める。また、後記のようにフェライト粒内及び粒界に窒化クロムを微細析出することにより、熱疲労損傷に対する抵抗性の強化に寄与する。このためには、少なくとも０．０５％を必要とする。０．２％を超えると、鋳造材に引け巣を生じ易くなり、またミクロ組織のフェライト相とオーステナイト相のバランスが損なわれる。好ましくは、０．１〜０．２％である。
【００１５】
本発明の合金は、所望によりＴｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｂ，希土類元素（ＲＥＭ），Ｃｏ，Ｔａ，Ｂｉの１種ないし２種以上の元素が添加される。
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｂ，ＲＥＭ（Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｓｍ等）：
これらの各元素は、微量の添加により、結晶粒を微細化し合金の強度を高める。またドリル加工性の改善効果を有する。多量の添加は経済性を損なうだけでなく、靭性の低下等を招く。このため、Ｔｉ≦０．５％，Ｎｂ≦０．５％，Ｖ≦１．０％，Ａｌ≦０．５％，Ｚｒ≦０．５％，Ｂ≦０．５％，ＲＥＭ≦０．２％、にそれぞれ制限すべきである。
【００１６】
Ｃｏ，Ｔａ：耐食性改善効果を有する。添加量は、Ｃｏ≦１．０％，Ｔａ≦１．０％である。これを越える添加は無駄であり、また増量に伴ってドリル加工性の低下を招く。
Ｂｉ：ドリル加工性の改善効果を有する。この効果は１．０％以下の添加により得られ、これを越える添加は経済性を損なう。
【００１７】
［１］ 式：  ％Ｃｒ+３．３×％Ｍｏ+１６×％Ｎ≦２８（％）
Ｃｒ，ＭｏおよびＮの含有量はドリル加工性に影響を与える。ドリル加工性は、［１］式の値が低いほど良好となり、その値が２８以下となるようにこれら元素の含有量を相互調整することにより、良好なドリル加工性を確保し得ることが判明した。
【００１８】
フェライト含有量（％α）：４５〜８０面積％
ミクロ粗組織（フェライト−オーステナイト二相組織）に占めるフェライト相の量比（面積％）を４５〜８０％とするのは、両相のバランス効果として、強度および靭性を兼備せしめると共に、腐食疲労強度を高め、かつドリル加工性を良好ならしめるためである。フェライト量がこれに満たないと、強度の不足、ドリル加工性の低下をきたす。フェライト量比の増加は腐食疲労強度を高める点で有利であるが、８０％を越えると、靭性の低下が大きくなる。
【００１９】
本発明の二相ステンレス鋼は、好ましくは下記[２]式で示される成分調整が付加される。
フェライト含有量（％α）≧０.２×（％Ｃｒ/％Ｎ）＋２５    …[２]
これは、ミクロ組織のフェライト粒内および粒界を、窒化クロムの微細析出により強化し、熱疲労損傷に対する抵抗性を増強するための成分調整を規定したものである。
【００２０】
すなわち、フェライトとオーステナイトとは、異なる熱膨張率（オーステナイトの熱膨張率＞フェライトの熱膨張率）を有するため、サクションロールの実機使用において、胴部内面がサクションボックスのシール材の摩擦により昇温する過程では、オーステナイト粒に圧縮、フェライト粒に引張りの微視的な熱応力が発生し、冷却過程ではオーステナイト粒に引張り、フェライト粒に圧縮の熱応力が負荷される。ロールの回転に伴う昇温・降温の繰り返しにより、この圧縮／引張りの熱応力が反転しつつ繰り返し負荷される。また粒界には、剪断の熱応力が重畳作用する。
【００２１】
このような粒界およびフェライト粒に対する熱応力の繰り返しに起因して破壊が始まり、その初期過程で発生したマイクロクラックが漸次結合・成長して部材の破損に到る。上記［２］式を満たすことにより、鋳造材の溶体化熱処理における緩徐の冷却過程で窒化クロムが析出し、フェライト粒および粒界が強化される効果として、耐熱疲労性をより高めることが可能となる。
【００２２】
鋳造材の溶体化熱処理：
本発明の二相ステンレス鋼は、鋳造組織中の炭化物の固溶、ミクロ偏析の解消・均質化のための溶体化熱処理が施される。この熱処理は、温度９００〜１１００℃（α-γ二相温度域）に適当時間（約１Ｈｒ／肉厚１インチ）加熱保持した後、５℃／分以下の緩徐の冷却（炉中冷却）を行うことにより達成される。
【００２３】
溶体化加熱温度を９００℃以上とするのは、炭化物の十分な固溶、均質化を行わせるためであり、またこれより低温域ではシグマ相の生成・脆化の危険を伴なう。上限温度を１１００℃とするのは、これを越える高温加熱とする利益はなく、熱経済の無駄、炉のメンテナンスの負担増をきたすほか、高温化に伴いフェライト−オーステナイトの量比のバランスが損なわれるからである。
溶体化温度からの冷却速度を５℃／分以下（５℃／分を除く）に制限しているのは、残留応力をできるだけ少なくするためである。この緩徐の冷却による残留応力の低減、および前述の窒化クロムの析出によるフェライト粒及び粒界の強化により、改良された耐熱疲労性が与えられる。なお、冷却速度は、０.５℃／分より低くする利益はなく、生産性等の点から、これを下限とするのが適当である。
【００２４】
本発明の二相ステンレス鋼からなる製紙用サクションロールのロール胴部材は、遠心力鋳造により中空円筒体を得、上記溶体化熱処理を施し、ドリル加工によるサクションホールの穿設、仕上げ加工を施すことにより製造される。
【００２５】
【実施例】
表１に示す化学組成及び組織を有する遠心力鋳造管材に溶体化熱処理を施して供試材とする。溶体化熱処理は、加熱炉中、１０３０℃に２Ｈｒ加熱保持した後、炉中冷却（冷却速度：約２℃／分）することにより行った。供試管サイズ（機械加工後）は外径250，肉厚50，長さ250（ｍｍ）である。
各供試材の物性を表２に示す。
【００２６】
［腐食試験］
ＡＳＴＭ  Ｇ４８Ａ法に準拠して孔食減量（ｇ／ｍ２ｈ）を測定。
腐食試験液：塩化第二鉄溶液（濃度６％，液温５０℃）
試験時間：７２Ｈｒ
【００２７】
［腐食疲労試験］
小野式回転曲げ疲労試験機により、下記試験条件下に腐食疲労破壊に到る反復回数（破断回数）を測定。
試験片：ＪＩＳ  Ｚ２２７４  １号（平行部φ１０×３５Ｌ）
腐食液（TAPPI  II）：Ｃｌ−1000ppm，ＳＯ４２−1000ppm，ｐＨ 3.5
曲げ応力：３００ＭＰａ
【００２８】
［熱疲労試験］
試験体の加熱・冷却を反復し、クラックが発生するまでの昇・降温の反復回数により耐熱疲労性を評価する。加熱昇温は、試験体の内側面を高周波加熱コイルで加熱することにより、冷却降温は外側面を冷却水パイプを介して強制冷却することにより行った。
試験体：中空円筒体（外径250×肉厚50×長さ250，ｍｍ）
最高温度：４００℃
最低温度：５０℃
昇温速度：１℃／秒
降温速度：１℃／秒
【００２９】
［ドリル加工性試験］
下記の穴あけ加工における刃先摩耗量（ｍｍ）に基づいて加工性を評価する。
ドリル：ガンドリル（超硬合金，ドリル径４．０ｍｍ）
切削長さ：１０ｍ
回転速度：４５００ｒｐｍ
送り速度：６０ｍｍ／分
切削油圧力：５０ｋｇ／ｃｍ２
【００３０】
表１および２に示したように、比較例No.101〜103は、本発明の化学組成,[1]式,又はフェライト量の規定を充足しないために、強度,熱疲労特性が著しく低く、かつNo.101は腐食疲労特性、No.102は耐衝撃性、No.103は耐食性および腐食疲労特性において劣っている。また、いずれもドリル加工性に劣る。
他方、本発明は、強度、延靭性、耐食性、熱疲労特性,腐食疲労特性,ドリル加工性等の改良された諸特性を具備している。
【００３１】
【表１】
0003720223.tif 000002
【００３２】
【表２】
0003720223.tif 000003
【００３３】
【発明の効果】
本発明の二相ステンレス鋼は、強度，靭性等の機械的性質、耐食性，耐腐食疲労性，耐熱疲労性等に優れていると共に、良好なドリル加工性を有し、製紙機サクションロール等の腐食と機械的応力が重畳作用する使用環境に供される部材料として好適である。殊に、サクションロール材として、抄紙速度の高速化に伴うロール胴部材の熱疲労の問題に効果的に対処することを可能とするものであり、しかもＮｉ，Ｍｏ等の高価な元素を節減された成分構成を有していることにより、経済性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】製紙工程におけるサクションロール部を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１：サクションロール胴部
１１：サクションホール
２：プレスロール
３：サクションボックス
３１：シール材
４：フェルト
５：湿潤紙
【図１】
0003720223.tif 000004