(57)【要約】      （修正有）【課題】耐キャビテーションエロージョン性に優れるステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法を提供する。【解決手段】母材２と、母材２の表面に形成される被覆材３と、を備え、被覆材３の表面は、原子密度最大の結晶面に配向するステンレス鋼。また、被覆材３は、３Ｄプリンタを用いて形成され、３Ｄプリンタは、熱源４によりステンレス鋼材粉末を溶融させ、溶融したステンレス鋼材を緩冷し、凝固させることにより、被覆層３１を形成し、被覆層３１〜３５を積層して被覆材３を形成するステンレス鋼。【選択図】図１
2015206083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と、
前記母材の表面に形成される被覆材と、を備え、
該被覆材の表面は、原子密度最大の結晶面に配向する
ことを特徴とするステンレス鋼。
【請求項２】
前記被覆材は、３Ｄプリンタを用いて形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項３】
前記３Ｄプリンタは、
熱源によりステンレス鋼材粉末を溶融させ、溶融したステンレス鋼材を緩冷し、凝固させることにより、被覆層を形成し、
該被覆層を積層して前記被覆材を形成する
ことを特徴とする請求項２に記載のステンレス鋼。
【請求項４】
前記３Ｄプリンタは、
熱源として電子ビームを用いる
ことを特徴とする請求項３に記載のステンレス鋼。
【請求項５】
前記被覆層の積層ピッチは、１００ｎｍ〜１μｍの範囲内にする
ことを特徴とする請求項３に記載のステンレス鋼。
【請求項６】
該ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼であり、
前記原子密度最大の結晶面は、（１１１）面である
ことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項７】
該ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼であり、
前記原子密度最大の結晶面は、（１１０）面である
ことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項８】
該ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼であり、
前記原子密度最大の結晶面は、（０１１）面である
ことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のステンレス鋼を用いる
ことを特徴とする流体機器。
【請求項１０】
母材の表面に、３Ｄプリンタを用いて、原子密度最大の結晶面に配向する被覆材を形成する
ことを特徴とするステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼、ステンレス鋼を用いる流体機器、および、ステンレス鋼の製造方法に関し、特に、耐キャビテーションエロージョン性に優れるステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプや蒸気タービンなどの液体を取り扱う機器（以下、「流体機器」と称する。）では、機械的性質および耐食性に優れた材料である鉄を主成分とするステンレス鋼が使用されている。
【０００３】
これらの流体機器では、液体の圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きるキャビテーション現象（空洞現象）が発生する場合がある。また、このキャビテーションが分裂消滅するときの衝撃により、流体機器の表面にエロージョン（壊食）が発生し、流体機器の表面が損傷を受ける場合がある。このキャビテーションエロージョンは、流体機器の寿命の低下に繋がるため、キャビテーションエロージョンの防止が求められている。
【０００４】
キャビテーションエロージョンの防止の方法として、流体機器の構造変更によりキャビテーションの発生を防止する方法や、耐キャビテーションエロージョン性に優れた材料の適用による方法などが用いられている。
【０００５】
特に、耐キャビテーションエロージョン性に優れた材料の適用による方法として、粒界壊食に着目し、結晶粒界で発生し得る粒界壊食に対する強度を向上させるために、Σ値が低い対応粒界の粒界頻度を高めることで耐キャビテーションエロージョン性を向上させるステンレス鋼が開発されている。
【０００６】
ここで、「対応粒界」とは、結晶粒界を挟んだ二つの結晶粒を結晶軸の周りに回転させたときに、双方の結晶格子点の位置が一致するような粒界をいう。また、この一致する格子点を「対応格子点」という。また、対応格子点の数密度と元の結晶格子点の数密度との比を「Σ値」という。
【０００７】
また、従来の研究では、低Σ値の対応粒界は、粒界エネルギーが低く、かつ、格子構造が比較的安定であるため、耐キャビテーションエロージョン性に優れているとされている。
【０００８】
低Σ値の対応粒界の粒界頻度を高める技術として、例えば、特許文献１（特開２００３−２５３４０１号公報）では、圧下率２〜１５％の冷間圧延を施した後、９００℃以上１０００℃以下の温度で５時間以上保持する加工熱処理を施すことにより（請求項３参照）、金属結晶粒間の相対方位関係において、全粒界長さに対する、Σ値が２９以下の粒界長さの和の割合が７５％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている（請求項１参照）。
【０００９】
また、特許文献２（特開２０１１−１６８８１９号公報）には、元材を２〜５％の圧延率で冷間圧延した後、１２００Ｋ〜１５００Ｋの温度で１分〜６０分の熱処理を施すことにより（請求項６，７，８参照）、７５％以上の低シグマ対応粒界頻度を有し、平均粒径が４０〜８０μｍであるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている（請求項１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２５３４０１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６８８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１では、９００℃以上１０００℃以下の温度で５時間以上保持する加工熱処理を施す必要があるため、多大なエネルギーやコストを要する。また、熱処理により結晶が粗大化し、強度が低下するおそれがある。また、特許文献２では、熱処理の時間が短縮されているものの、母材の２倍程度の結晶の結晶粗大化は免れない。
【００１２】
また、特許文献１および特許文献２では、耐キャビテーションエロージョン性の効果はオーステナイト系ステンレス鋼の場合に限定されているが、その他のステンレス鋼（例えば、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼）についても耐キャビテーションエロージョン性の向上が求められている。
【００１３】
そこで、本発明は、耐キャビテーションエロージョン性に優れるステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を解決するために、本発明に係るステンレス鋼は、母材と、前記母材の表面に形成される被覆材と、を備え、該被覆材の表面は、原子密度最大の結晶面に配向することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る流体機器は、前記ステンレス鋼を用いることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るステンレス鋼の製造方法は、母材の表面に、３Ｄプリンタを用いて、原子密度最大の結晶面に配向する被覆材を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、耐キャビテーションエロージョン性に優れるステンレス鋼、流体機器およびステンレス鋼の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る耐キャビテーションエロージョン性ステンレス鋼の構造を示す断面模式図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法の手順を示す断面模式図である。
【図３】３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法によって得られるステンレス鋼の表面におけるＸ線回折結果の一例を示す図である。
【図４】破壊エネルギーの計算方法を示す模式図である。
【図５】γ−鉄のモデルを用い、表面が（１１１）、(１１０)、(１００)面の場合について破壊エネルギーを計算した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２０】
≪ステンレス鋼の構成≫
図１を用いて、本実施形態に係る耐キャビテーションエロージョン性に優れるステンレス鋼１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る耐キャビテーションエロージョン性ステンレス鋼１の構造を示す断面模式図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る耐キャビテーションエロージョン性ステンレス鋼１は、ステンレス鋼材からなる母材２と、母材２の表面に形成されるステンレス鋼材からなる被覆材３と、を備えて構成されている。そして、被覆材３の表面は、実質的に原子密度最大の結晶面で構成されている。
【００２２】
母材２は、キャビテーションエロージョンが発生する流体機器部材の母材であり、例えば、一般的な鋳造を用いて製造される。被覆材３は、母材２のキャビテーションエロージョンが発生する位置の表面に設けられている。なお、母材２の全面に被覆材３が設けられていてもよい。
【００２３】
ここで、「原子密度最大の結晶面」とは、面心立方格子構造を取るオーステナイト系ステンレス鋼では（１１１）面であり、体心立方構造を取るフェライト系ステンレス鋼では（１１０）面であり、体心正方構造を取るマルテンサイト系ステンレス鋼では（０１１）面である。
【００２４】
また、「実質的に」とは、被覆材３の表面が原子密度最大の結晶面のみで構成されることに限定するものではないことを示している。後述するＸ線回折測定において説明するように、原子密度最大の結晶面のピークと比較して、その他の結晶面のピークが、ノイズレベルとみなせるように十分小さければよい。
【００２５】
≪３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法≫
ここで、原子密度最大の結晶面は、粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いて形成することができる。図２の（ａ）から（ｃ）は、３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法の手順を示す断面模式図である。
【００２６】
ここで、「粉末溶融積層方式」とは、従来の「粉末焼結造形（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）方式」の３Ｄプリンタと基本的には同様の構成を有する。但し、本実施形態に係る粉末積層方式では材料を溶融させるため、熱源として、従来の粉末焼結造形方式ではレーザを用いるのに対し、本実施形態に係る粉末溶融積層方式では後述するように電子ビーム４を用いる点で異なっている。また、積層ピッチ（１つの被覆層の膜厚）が、従来の粉末焼結造形方式では０．０２ｍｍ（２０μｍ）程度であるのに対し、本実施形態に係る粉末溶融積層方式では後述するように１００ｎｍ〜１μｍである点で異なっている。
【００２７】
まず、図２（ａ）に示すように、母材２の表面に粉末状のステンレス鋼材をならし、電子ビーム４を照射してステンレス鋼材粉末を昇温し、溶融する。その後、溶融したステンレス鋼材を緩冷し、凝固させることにより、第１層目のステンレス鋼の被覆層３１を形成する。なお、このステンレス鋼の被覆層３１（後述する被覆層３２〜３５についても同様。）の膜厚を１００ｎｍ〜１μｍとする。このような膜厚とすることにより、このステンレス鋼の被覆層３１（後述する被覆層３２〜３５についても同様。）は、後述する原理から、自発的に原子密度最大の結晶面が表面配向として現れる。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示すように、被覆層３１の上に粉末状のステンレス鋼材をならし、電子ビーム４を照射してステンレス鋼材粉末を昇温し、溶融する。その後、溶融したステンレス鋼材を緩冷し、凝固させることにより、第２層目のステンレス鋼の被覆層３２を形成する。以下、この作業を最終層目のステンレス鋼の被覆層（図２（ｃ）では、第５層目のステンレス鋼の被覆層３５）の形成が終わるまで繰り返す。
【００２９】
以上のような手順により、母材２の表面に、粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いてステンレス鋼を積層していくことにより、原子密度最大の結晶面が表面配向として現れる被覆材３（被覆層３１〜３５）を設けることができる。換言すれば、ステンレス鋼１（図１参照）の表面を原子密度最大の結晶面に表面配向することができる。
【００３０】
なお、図２では、被覆層が５層の場合を例にして説明したがこれに限られるものではない。積層する被覆層の数を増やして被覆材３の膜厚を厚くするほど強度が強く、耐キャビテーションエロージョン性も向上する。一方、積層する被覆層の数を増やすほど、消費するエネルギーやコストは上昇する。被覆材３の膜厚（積層する被覆層の数）は、適用される流体機器の特性や所望する強度により決定する。
【００３１】
≪原子密度最大の結晶面の配向原理≫
次に、本実施形態に係る表面成形方法（図２参照）により、自発的に原子密度最大の結晶面が表面配向として現れる配向原理について説明する。
【００３２】
一般的な鋳造を用いたステンレス鋼の製造方法では、圧延や急冷を行うため、表面が安定な結晶面に配向する時間がない。そのため、表面の結晶面方位を制御することが難しく、表面の結晶面方位はランダムになる。
【００３３】
一方、本実施形態に係る３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法（図２参照）では、ステンレス鋼材粉末を溶融し、その後、緩冷して徐々に凝固させることにより、被覆層３１〜３５の表面を安定な原子密度最大の結晶面に配向させることができる。そして、このように形成された被覆層３１〜３５を積層して被覆材３を形成するので、被覆材３の表面を安定な原子密度最大の結晶面に配向することができる。
【００３４】
ここで、非特許文献１『奥田智久他: Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ半導体超ＬＳＩ電極スパッタリング膜の＜１１１＞結晶軸配向性, 電子情報通信学会技術研究報告, CPM, 電子部品・材料, Volume 94 Number 39 (1994) 15-19』には、表面が原子密度最大の結晶面に配向する例として、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて８００ｎｍのＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ半導体膜を堆積した結果、Ｘ線回折測定において（１１１）配向のピークのみが検出された結果が開示されている。
【００３５】
同様に、ステンレス鋼においても、粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いて１００ｎｍ〜１μｍの厚さで粉末状のステンレス鋼材を堆積していくことで、被覆層３１〜３５（被覆材３）の表面を自発的に原子密度最大の結晶面に配向させることができる。
【００３６】
なお、積層ピッチが１μｍより十分に大きくなると（例えば、粉末焼結造形方式の２０μｍ）、表面の結晶面方位はランダムとなり、耐キャビテーションエロージョン性という効果は小さくなる。一方で、積層ピッチが１００ｎｍより小さくなると、被覆材３の膜厚を得るのに要する被覆層の積層回数が大きくなり、コストが上昇する。
【００３７】
また、積層ピッチは、１００ｎｍから１μｍとするものとして説明したが、これに限られるものではない。粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いて形成される被覆層の表面を原子密度最大の結晶面に配向させることができる積層ピッチ（被覆層の膜厚）であればよく、材料に応じて適宜設定してもよい。
【００３８】
≪Ｘ線回折による結晶面方位の特定≫
ステンレス鋼１の表面の結晶面方位は、Ｘ線回折を利用して特定することができる。なお、Ｘ線回折とは、Ｘ線が原子の周りにある電子によって散乱、干渉した結果起こる回折現象である。Ｘ線を分析試料に照射することで得られる回折パターンから結晶面方位を特定することができる。
【００３９】
図３は、３Ｄプリンタを用いた粉末溶融積層方式による表面成形方法（図２参照）によって得られるステンレス鋼１の表面におけるＸ線回折結果の一例を示す図である。なお、図３のグラフにおいて、縦軸はＸ線回折強度を示し、横軸は回折角２θを示す。
【００４０】
図３は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の結果である。図３に示すように、Ｘ線回折の測定のピークが（１１１）面のみに現れ、その他に現れるピークはノイズレベルとなる。このように、粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いて成形したオーストナイト系ステンレス鋼の表面は、実質的に原子密度最大の結晶面である（１１１）面に配向することがわかる。
【００４１】
なお、図示および詳細な説明は省略するが、同様に、粉末溶融積層方式の３Ｄプリンタを用いて成形したフェライト系ステンレス鋼の表面は、実質的に原子密度最大の結晶面である（１１０）面に配向し、マルテンサイト系ステンレス鋼では、表面は実質的に原子密度最大の結晶面である（０１１）面に配向する。
【００４２】
≪結晶面方位と強度との関係≫
ここで、原子密度最大の結晶面において強度が高くなることを説明するために、分子動力学シミュレーションによる解析を行った。なお、分子動力学とは、原子間ポテンシャルから計算される各原子に働く力を用いて、原子ごとにニュートンの運動方程式を解き、各時刻における各原子の位置を計算する方法である。分子動力学に関する解説は、例えば、非特許文献２『Benito deCelis, Ali S. Argon, and Sidney Yip: Molecular dynamics simulation of crack tip processes in alpha-iron and copper, Journal of Applied Physics, Volume 54 (1983) 4864-4878』に記載されている。
【００４３】
以下のシミュレーションでは、γ−鉄、即ち、面心立方構造の鉄のモデルを、分子動力学シミュレーションにより系のエネルギーが十分安定になるまで構造の最適化を行った。系の安定構造を求めた後、破壊エネルギーを計算することで強度の検討を行った。
【００４４】
図４は、破壊エネルギーの計算方法を示す模式図である。
【００４５】
破壊エネルギーは、計算したい破壊面５において、結合している結晶６，７（図４（ａ）参照）から結晶６と結晶７を引き離す（図４（ｂ）参照）のに要するエネルギーである。ここで、結晶６，７が結合している（図４（ａ）参照）ときのエネルギーをＥ0 とし、破壊面５から結晶６と結晶７を引き離した後のそれぞれのエネルギーをＥa ，Ｅb とすると、破壊エネルギーは、
（Ｅa ＋Ｅb ）−Ｅ0 
で計算される。即ち、破壊エネルギーが大きいほど、結晶６と結晶７を引き離し難い、即ち、強度が高いことを表している。
【００４６】
図５は、γ−鉄のモデルを用い、表面が（１１１）、(１１０)、(１００)面の場合について破壊エネルギーを計算した結果を示すグラフである。
【００４７】
図５に示すように、γ−鉄のモデルにおいて、（１１１）面の破壊エネルギーが最も高く、即ち、強度が高いことが分かる。ここで、（１１１）面は、面心立方格子構造における原子密度最大の結晶面であり、最も安定な結晶面である。このため、（１１１）面は破壊強度が高く、耐キャビテーションエロージョン性に優れたものになる。
【００４８】
なお、図示および詳細な説明は省略するが、同様に分子動力学シミュレーションを行うことにより、α−鉄のモデル、即ち、体心立方構造の鉄においては、原子密度最大の結晶面である（１１０）面が最も破壊エネルギーが高く、耐キャビテーションエロージョン性に優れたものになる。また、体心正方構造の鉄においては、原子密度最大の結晶面である（０１１）面が最も破壊エネルギーが高く、耐キャビテーションエロージョン性に優れたものになる。
【００４９】
≪まとめ≫
以上のように、本実施形態に係るステンレス鋼１によれば、キャビテーションエロージョンが問題となる流体機器部材の表面を原子密度最大の結晶面に制御することで、耐キャビテーションエロージョン性を向上させることができる。また、本実施形態は、特許文献１および特許文献２の場合と比較して、母材の表面のみに処理を行えばよいため、エネルギーやコストを低く抑えることができる。また、本実施形態は、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の全てのステンレス鋼において耐キャビテーションエロージョン性を向上させることができる。
【００５０】
また、従来の３Ｄプリンタは、ラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping)や、従来の鋳造などの工法では容易に成形できない形状を成形することを目的として用いられている。即ち、「形状」を目的として３Ｄプリンタを用いている。これに対し、本実施形態は、３Ｄプリンタを用いて、母材の表面に有利な特性を有する被覆層を形成するものである。即ち、「組成（結晶構造）」、ひいては、その結晶構造に起因する「物性」を目的として３Ｄプリンタを用いている点で、従来とは大きく異なっている。
【符号の説明】
【００５１】
１          ステンレス鋼
２          母材
３          被覆材
３１〜３５  被覆層
４          電子ビーム
【図１】
2015206083.tif 000003
【図２】
2015206083.tif 000004
【図３】
2015206083.tif 000005
【図４】
2015206083.tif 000006
【図５】
2015206083.tif 000007