(57)【要約】【課題】  析出強化型マルテンサイト鋼において、高い引張強さとシャルピー吸収エネルギーを併せ持った合金を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：２．０〜１６．０％、Ｍｏを必須元素として一部をＷで置換できるものとし、ＭｏとＷの和でＭｏ＋０．５Ｗ：３．５〜８．０％、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする析出強化型マルテンサイト鋼。更に質量％で、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．０５％以下を含んでも良い。好ましくは、不純物Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの総和を０．１質量％以下に規制した析出強化型マルテンサイト鋼である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：２．０〜１６．０％、Ｍｏを必須元素としてＭｏ＋０．５Ｗ：３．５〜８．０％、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする析出強化型マルテンサイト鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の析出強化型マルテンサイト鋼は、質量％で、Ａｌ：０．０１〜０．０５％である析出強化型マルテンサイト鋼。
【請求項３】
請求項１に記載の析出強化型マルテンサイト鋼は、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．０６０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｃｏ：６．５〜１６．０％、Ｍｏ：３．５〜４．９％である析出強化型マルテンサイト鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．０５％以下の何れかまたは両方を更に含有する請求項１乃至３の何れかに記載の析出強化型マルテンサイト鋼。
【請求項５】
質量％で、前記不純物のうちＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａの総和を０．１％以下に規制した請求項１乃至４の何れかに記載の析出強化型マルテンサイト鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、析出強化型マルテンサイト鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電用タービン部品や航空機機体部品には、高強度の鉄基合金が利用されてきた。発電用タービン部品には、高Ｃｒ鋼が種々の部品に利用されている。発電用タービン部品の中でも、特に強度が要求される蒸気タービンの低圧最終段動翼には、強度と耐酸化性、耐食性を兼ね備えた合金として、重量で１２％程度のＣｒを含む１２Ｃｒ鋼が利用されている。発電効率向上のためには、翼長を長くした方が有利であるが、１２Ｃｒ鋼では強度の制限から約１メートルが翼長の限界となっている。
また、ＡＩＳＩ４３４０や３００Ｍといった低合金系高張力鋼が知られている。これらの合金は、１８００ＭＰａ級の引張強さと１０％程度の伸びを得ることができる低合金鋼であるが、耐食性・耐酸化性に寄与するＣｒ量が１％程度と少ないため、蒸気タービンの動翼として用いることはできない。航空機用途に適用されているが、大気中の塩分などによる腐食を防止する目的で、メッキを行うなどの表面処理をして利用する場合が多い。
【０００３】
一方、強度と耐食性・耐酸化性を併せ持つ合金として析出強化型ステンレス鋼がある。代表的な合金としてＰＨ１３−８Ｍｏ等の析出強化型マルテンサイト鋼が知られている。この析出強化型マルテンサイト鋼では、焼入れ後のマルテンサイト組織中に、微細な析出物を分散析出させることで、上述した焼入れ−焼戻し型の１２Ｃｒ鋼に比べて高い強度を得ることができる。また、耐食性に寄与するＣｒは１０％以上含むのが一般的であり、低合金鋼に比べて耐食性・耐酸化性に優れている。例えば、特開２００５−１９４６２６号公報（特許文献１）では、蒸気タービン動翼に適用できる材料とその製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９４６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
析出強化型ステンレス鋼は、その強化機構からも明らかであるが、強化に寄与する析出物を微細かつ多量に分散させた方が高い強度が得られる。反面、靱性が低下する傾向が見られる。特許文献１では、成分の限定によって引張強さと靱性を備える蒸気タービン翼材の発明が開示されており、引張強さが１５００ＭＰａ、靱性の評価基準であるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２０Ｊ以上の材料が示されている。
しかしながら、現行の１２Ｃｒ鋼や低合金高張力鋼には、３５Ｊ以上の吸収エネルギーが得られる合金も存在していることから、現行材と同等の吸収エネルギーを維持しつつ、強度を向上させることが望ましい。前述の特許文献１の中には、吸収エネルギーが５０Ｊ程度で、現行材を上回る靱性を有する合金も示されているが、これらの引張強度は１３５０ＭＰａ級であり、５０インチを超えるような高性能な蒸気タービン動翼を製造するのは困難である。
以上のように、強度と靱性を高い水準で併せ持った材料、例えば引張強さ１７００ＭＰａ、シャルピー吸収エネルギー２０Ｊを有し、なおかつ耐食性にも優れる材料は開発されていないのが実情である。
本発明は、かかる背景に基づいてなされたものであり、高い引張強さとシャルピー吸収エネルギーを併せ持った析出強化型マルテンサイト鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、析出強化型マルテンサイト鋼の強度特性と靱性を両立するために、種々の合金について機械的性質を評価した結果、合金成分を適正な範囲に制御することによって高い引張強さとシャルピー吸収エネルギーを両立する合金が得られることを見出した。
すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：２．０〜１６．０％、Ｍｏを必須元素として一部をＷで置換できるものとし、ＭｏとＷの和でＭｏ＋０．５Ｗ：３．５〜８．０％、残部はＦｅ及び不純物からなる析出強化型マルテンサイト鋼である。
また上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、Ａｌ：０．０１〜０．０５％であることが好ましい。
また上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．０６０、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｃｏ：６．５〜１６．０％、Ｍｏ：３．５〜４．９％であることが好ましい。
さらに上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．０５％以下の何れかまたは両方を更に含有することが好ましい。
本発明のもう一つの様態としては、上記の析出強化型マルテンサイト鋼においてであって、不純物Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの総和を０．１質量％以下に規制することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の析出強化型マルテンサイト鋼は、高強度でありながら、靱性にも優れることから、例えば、発電用タービン部品に用いることで、発電効率の向上が期待できる。また、航空機部品として用いた場合には、機体の軽量化に寄与することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】引張強さとシャルピー吸収エネルギーの相関を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の最大の特徴は、高強度と高靱性を兼備することができる化学組成にあり、従来の析出強化型マルテンサイト鋼で強化元素とされているＡｌ、Ｔｉを強化元素として添加しない点が従来技術との大きな相違点である。本発明の析出強化型マルテンサイト鋼において、各化学組成を規定した理由は以下の通りである。なお、特に記載のない限り質量％として記す。
Ｃ：０．０２〜０．０８％
Ｃは、低合金鋼などでは、焼入れ硬さを向上させ、機械的特性を左右する元素である。本発明においては、強度と靱性を得るために少なくとも０．０２％のＣが必要である。好ましいＣの下限は０．０３０％である。一方、Ｃ含有量が過度に多くなり、ＣがＣｒと結合して炭化物を形成した場合、母相中のＣｒ量が低下して耐食性が劣化する。そのため、Ｃの上限を０．０８％とする。好ましいＣの上限は０．０６０％である。
Ａｌ：０．０５％以下
本発明で規定する組成においては、脱酸元素の添加量が少ない。そのため、鋼中の酸素含有量が高くなりやすい。酸素量が多くなると、酸化物が形成され機械的特性が低下することが考えられる。そのため、Ａｌを０％を超えて必須で添加して鋼中の酸素量を低減する。Ａｌは脱酸作用の強い元素であり、後述のＴｉ等の元素と違って硬質な非金属介在物を形成しないため、Ａｌを脱酸元素として添加する。脱酸効果を十分に発揮するには、０．０１％以上の添加が好ましい。ただし、Ａｌを過剰に添加すると、ＮｉＡｌ、Ｎｉ３Ａｌといった化合物を形成することで、母相中のＮｉ量が低下して材料の靱性が低下する傾向にあるため、Ａｌの上限は０．０５％とする。好ましいＡｌの上限は、０．０３％である。
なお、従来の析出強化型ステンレス鋼では、Ａｌは析出強化の目的で添加されている。例えば、ＰＨ１３−８Ｍｏでは約１．２％、特許文献１でも０．９％以上添加するのが必須となっているが、Ａｌによる強化は、上述のように母相中のＮｉ量を低下させるために、高強度と高靱性の両立は困難となる。そのため、本発明においては、Ａｌを鋼中の酸素低減のために、極微量の添加とする。
【００１０】
Ｃｒ：８．０〜１３．０％
Ｃｒは合金の耐食性、耐酸化性の向上に不可欠な元素である。Ｃｒが８．０％未満では、合金の十分な耐食性、耐酸化性が得られないことから、Ｃｒの下限を８．０％とする。またＣｒは、Ｎｉと同様にマルテンサイト変態温度を低下させる作用がある。過剰なＣｒの添加は、残留オーステナイト量の増加や、δフェライト相の析出による強度低下を引き起こすため、Ｃｒの上限を１３．０％とする。なお、Ｃｒ添加の効果をより確実に得るには、Ｃｒの下限を８．５％とするのが好ましく、さらに好ましい下限は９．０％である。また、好ましいＣｒの上限は１２．７％であり、さらに好ましい上限は１２．４％である。
Ｎｉ：２．０〜８．０％
Ｎｉは、母相に固溶して合金の靱性を向上させる不可欠な元素である。母相の靱性を保つためには、少なくとも２．０％以上のＮｉが必要である。またＮｉは、オーステナイト相を安定化し、マルテンサイト変態温度を低下させる作用がある。そのため、Ｎｉを過剰に添加すると、マルテンサイト変態が不十分となり、残留オーステナイト量が多くなって合金の強度が低下してしまうため、Ｎｉの上限は８．０％とする。なお、Ｎｉ添加の効果をより確実に得るには、Ｎｉの下限を２．５％とするのが好ましく、さらに好ましい下限は３．０％である。また、好ましいＮｉの上限は７．５％であり、さらに好ましい上限は７．２％である。
【００１１】
Ｃｏ：２．０〜１６．０％
Ｃｏは、本発明において強化相の析出を促進し、強度を高める効果を有する必須元素である。Ｃｏによる十分な強度を得るためには、少なくとも２．０％のＣｏが必要である。Ｃｏ量の増加に伴って、強度は向上する傾向が認められることから、好ましい添加量は３．０％以上である。より好ましくは６．５％以上である。一方、本発明の目的である、強度と靱性のバランスの観点から、Ｃｏの上限は１６．０％とする。これを超えると、シャルピー吸収エネルギーが低下する傾向が強くなる。好ましいＣｏの上限は１４．０％であり、より好ましくは１３．０％である。
Ｍｏ（必須）＋０．５Ｗ：３．５〜８．０％
Ｍｏは母相の固溶強化と、析出強化の両方の点で強化に寄与する必須元素である。なお、Ｍｏの一部をＷで置換しても良いが、Ｗの固溶強化と、析出強化の作用効果はＭｏに及ばず、Ｍｏ単独添加で差し支えない。本発明において、強化に寄与する代表的な析出相はＦｅ２Ｍｏ、Ｆｅ３Ｍｏ、Ｆｅ７Ｍｏ６等や、Ｗを添加した場合では、Ｆｅ２（Ｍｏ，Ｗ）、Ｆｅ３（Ｍｏ，Ｗ）、Ｆｅ７（Ｍｏ，Ｗ）６等である。本発明では、Ａｌ、Ｔｉによる析出強化を利用しないため、Ｍｏ単独または、Ｍｏ＋０．５Ｗの添加量がＰＨ１３−８Ｍｏ鋼や特許文献１などの従来技術に比べて多いのが特徴であり、Ｍｏを必須として、Ｍｏ＋０．５Ｗの和が３．５％未満の場合には、強化が不十分であり望ましい材料強度が得られない。好ましい添加量の下限は４．０％であり、より好ましくは４．５％である。一方、８．０％を超えると、マルテンサイト温度の低下による残留オーステナイト相の増加、δフェライト相の析出が起こるため、上限は８．０％とする。好ましい上限は６．０％であり、より好ましくは４．９％である。
残部はＦｅ及び不純物
残部はＦｅ及び製造中に不可避的に混入する不純物元素である。代表的な不純物元素としては、Ｓ、Ｐ、Ｎなどが挙げられる。これらの元素は少ない方が望ましいが、一般的な設備で製造する際に低減できる量として、各元素０．０５％以下であれば差支えない。
【００１２】
本発明の析出強化型マルテンサイト鋼は、上記の成分の他に、Ｓｉ、Ｍｎを微量添加することができる。これらの元素は脱酸効果があり、製造時に添加して介在物を制御することで、より高品位な材料が得られる。  Ｓｉ、Ｍｎは、過剰に添加すると、強度を低下させる脆化相が析出しやすくなるため、いずれも上限は０．０５％とする。好ましくは０．０４％以下である。
【００１３】
さらに、本発明においては、不純物として、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの総和を０．１％以下に規制することが好ましい。これらの元素は、酸化物、窒化物、ホウ化物などの非金属介在物を形成する傾向が強い。これらの介在物は、き裂発生の起点、あるいは進展経路となり、靱性や疲労強度を低下させてしまうことから、総和は０．１％以下に規制する。より好ましくは、０．０５％以下である。これらの値は、製造時の溶解原料の純度を管理することで、十分に達成可能な数値である。
【００１４】
本発明に係る合金を製造する場合、活性元素を合金元素として添加しないため、大気溶解で製造することが可能である。但し、非金属介在物や不純物を低減して、より高品位な合金を得るには、真空溶解を行うことが好ましく、さらに真空アーク再溶解、エレクトロスラグ再溶解などの２次溶解を組み合わせてもよい。
溶解の後に、プレス鍛造、ハンマ鍛造などの熱間塑性加工を施すことで合金組織を均質にするとともに、任意の形状を付与することができる。薄板材として利用する場合には、熱間加工の後に冷間圧延等を行うことができる。
加工後、熱処理によって強度を向上させる。強度の向上は従来の析出強化型ステンレス鋼と同様、固溶化処理と時効処理を行う。固溶化処理は、オーステナイト相中に析出強化元素を固溶させた後に、水、油、冷却ガス等を用いた冷却により、オーステナイト相をマルテンサイトへと変態させるのが目的である。固溶化処理は、８５０〜１０５０℃で、０．５〜３時間の範囲で熱処理条件を選定するのが好ましい。例えば、固溶化処理温度が低すぎたり、または熱処理時間が短すぎると、合金元素の固溶が不十分で、その後の時効で十分な析出強化が得られない。反対に、固溶化処理温度が高すぎたり、または熱処理時間が長すぎると、結晶粒が粗大化することで特性を低下させる。
【００１５】
また、本発明で規定する合金元素の範囲において、合金の成分によってはマルテンサイト変態温度が低く、固溶化処理時の冷却のみでは十分に変態が起こらず、オーステナイト相が残留して、耐力が低下する可能性がある。その場合には、固溶化処理にて室温まで冷却した後に、さらに−５０〜−１００℃でサブゼロ処理を行うことができる。サブゼロ処理の処理時間としては、例えば０．５〜３時間で十分である。サブゼロ処理を行うことで、残留オーステナイトを低減し、耐力などの機械的特性を改善することができる。
固溶化処理、もしくはサブゼロ処理の後に、析出強化のための時効処理を行う。時効処理温度が低すぎると析出が不十分で高い強度が得られない。一方、時効処理温度が高すぎると粗大な析出物が形成され、やはり十分な強度が得られないため、時効処理温度は５００〜６００℃とするのが良い。時効処理時間は１〜２４時間の範囲で選定すれば良い。
【実施例】
【００１６】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
真空溶解により作製した１０ｋｇの鋼塊から、熱間鍛造により断面が４５ｍｍ×２０ｍｍの角材形状の鍛造素材を作製した。溶解した鋼塊の成分を表１に示す。残部はＦｅおよび不純物である。
具体的には、Ｎｏ．Ａ１〜Ａ１０が本発明の析出強化型マルテンサイト鋼であり、Ｎｏ．Ｂ１〜Ｂ４は比較例である。なお、Ｎｏ．Ｂ１は、析出強化ステンレス鋼の代表鋼種であるＰＨ１３−８Ｍｏ鋼に相当する成分である。
これらの合金に、表２に示す熱処理を施した後、試験片加工を行い、引張試験とシャルピー衝撃試験により機械的特性を評価した。引張試験は、平行部直径６．３５ｍｍ、ゲージ長さ２５．４ｍｍの丸棒引張試験片を用い、ＡＳＴＭ−Ｅ８に基づいて室温で実施して０．２％耐力、引張強さ、伸び、及び絞りを評価した。シャルピー衝撃試験は、２Ｖノッチ試験片を用い、室温で実施して衝撃吸収エネルギーを評価した。引張試験、シャルピー衝撃試験の結果を表３に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
【表３】
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【００２０】
表３に示すように、本発明の析出強化型マルテンサイト鋼は、いずれも１６００ＭＰａを超える引張強さが得られている。従来材のＰＨ１３−８Ｍｏ鋼に相当するＮｏ．Ｂ１と比較すると、本発明の析出強化型マルテンサイト鋼は引張強さが向上していることが分かる。また、破断伸び、破断絞りはそれぞれ１０％、４０％以上と、構造材料として十分な延性が得られている。靱性の指標であるシャルピー吸収エネルギーに着目すると、合金Ａ１、Ａ２、Ａ６では、５０Ｊ以上の吸収エネルギーが得られており、従来材に比べて吸収エネルギーが２倍以上に改善されていることから、本発明によって強度を低下させることなく、靱性を高めた材料が得られていることが分かる。これらの材料は、発電用蒸気タービン動翼などとして好適であると考えられる。
【００２１】
また、Ｎｏ．Ａ３、Ａ４などの本発明の析出強化型マルテンサイト鋼は、吸収エネルギーは５０Ｊを下回るものの、２０Ｊ以上と従来材と同等の吸収エネルギーでありながら、引張強さは１７００ＭＰａを超える強度が得られている。これらの析出強化型マルテンサイト鋼は、従来材に対して吸収エネルギーを低下させることなく、引張強さを１００ＭＰａ以上高めた材料と言える。これらの析出強化型マルテンサイト鋼は、より高性能な発電用蒸気タービンの動翼や、航空機エンジン部材、機体部材などの用途に好適であると考えられる。
さらに、本発明の析出強化型マルテンサイト鋼のうち、Ａ５は、吸収エネルギーが１５Ｊ程度と開発材の中では低い合金であるが、引張強さは１８５０ＭＰａ以上と極めて高い強度を示す。締結部材などの強度が必要とされる静止部品や、刃物などの用途に好適と考えられる。
【００２２】
一方、比較例のＮｏ．Ｂ２は、本発明と比べてＣｏ量が少ないため、強化相の析出が十分ではなく、吸収エネルギーは高いものの、強度は１４００ＭＰａと、従来材を下回る結果となった。
合金Ｎｏ．Ｂ３はＴｉを添加することで、高強度化を図ったものであり、１７００ＭＰａ近い引張強さが得られるが、同時に吸収エネルギーも低下するため、強度-靱性のバランスでは、本発明の方が上回っている。
比較例のＮｏ．Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、いずれもＣｏを含んでいない。本発明と比較すると、特性向上に及ぼすＣｏの影響が明瞭に現れている。一方、Ｎｏ．Ｂ４は、Ｎｏ．Ａ１０に対してＣが少ない合金である。Ｃｏを含んではいるが、強度、靱性とも本発明の析出強化型マルテンサイト鋼に比べて低い値となっており、特性を改善するにはＣも適切な成分に制御する必要があることが分かる。
図１に、本発明と比較例の引張強さと吸収エネルギーの相関を示した。図中の右上に行くほど、強度と靱性を兼ね備えており、構造材料として優位な特性を有することを示している。全体的に強度が高くなるほど吸収エネルギーが低下し、靱性を得るのが難しくなる傾向が認められるが、本発明は、比較例に比べて右上に分布しており、強度、靱性のいずれか、あるいは両方で比較例を上回る特性を有していることが明らかである。特に、Ｃ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｏを好ましい範囲に制御した合金Ｎｏ．Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７、Ａ８は、図中の特に好ましい領域で示すように、本発明の中でも一段と強度・靱性が優れており構造材料として極めて有望と考えられる。本発明によれば、引張強さ１７００ＭＰａ以上、吸収エネルギー２０Ｊ以上を両立する合金が可能である。更に、引張強さを１５５０〜１７００ＭＰａに限定するならば、吸収エネルギーは５０Ｊ以上の合金を得ることが出来る。一方強度を重視する場合には、シャルピー吸収エネルギーを１０〜２０Ｊに限定し、１８５０ＭＰａ以上の引張強さを得ることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、高強度でありながら靱性にも優れるため、発電用タービン長翼、タービンローター、タービンディスクに好適である。また、航空機の機体部材、エンジンシャフト、ファスナーなどの締結部材や、刃物等への適用も期待できる。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年7月9日(2013.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明者らは、析出強化型マルテンサイト鋼の強度特性と靱性を両立するために、種々の合金について機械的性質を評価した結果、合金成分を適正な範囲に制御することによって高い引張強さとシャルピー吸収エネルギーを両立する合金が得られることを見出した。
すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：８．０〜１３．０％、Ｎｉ：２．０〜８．０％、Ｃｏ：２．０〜１６．０％、Ｍｏを必須元素として一部をＷで置換できるものとし、ＭｏとＷの和でＭｏ＋０．５Ｗ：３．５〜８．０％、残部はＦｅ及び不純物からなる析出強化型マルテンサイト鋼である。
また上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、Ａｌ：０．０１〜０．０５％であることが好ましい。
また上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．０６０、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｃｏ：６．５〜１６．０％、Ｍｏ：３．５〜４．９％であることが好ましい。
さらに上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．０５％以下の何れかまたは両方を更に含有することが好ましい。
本発明のもう一つの様態としては、上記の析出強化型マルテンサイト鋼において、不純物Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの総和を０．１質量％以下に規制することが好ましい。