(57)【要約】    【課題】熱間鍛造または熱間圧延により製造され、または鋳造ままの二相ステンレス鋼片の軟化熱処理に際し、機械加工が十分に実施できる程度に残留応力の発生を抑制し、かつ内部割れを防止できる熱処理方法を提供する。    【解決手段】直径が３００〜５００ｍｍまたは相対する面までの長さが３００〜５００ｍｍで中実の二相ステンレス鋼片を、１０５０℃以上の温度で均熱した後、鋼片の外表面温度で９２０〜１０００℃（Ｔ1）までを１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下の冷却速度Ｖ1で冷却し、さらにその温度から少なくとも３００℃（Ｔ2）までを３０〜４０℃／ｍｉｎの冷却速度Ｖ2で冷却する。前記９２０〜１０００℃までの冷却は、熱処理炉内で、または断熱材等で保温することにより行うことができる。【選択図】図３
2008231464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が３００〜５００ｍｍまたは相対する面までの長さが３００〜５００ｍｍで中実の二相ステンレス鋼片を、１０５０℃以上の温度で均熱した後、鋼片の外表面温度で９２０〜１０００℃までを１５０℃／ｈｒ以下の冷却速度で冷却し、さらにその温度から少なくとも３００℃までを３０〜４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却することを特徴とする二相ステンレス鋼片の熱処理方法。
【請求項２】
前記１５０℃／ｈｒ以下の冷却速度での９２０〜１０００℃までの冷却を熱処理炉内で行うことを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼片の熱処理方法。
【請求項３】
前記１５０℃／ｈｒ以下の冷却速度での９２０〜１０００℃までの冷却を断熱材等による保温で行うことを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼片の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造や熱間圧延により製造された、または鋳造ままの二相ステンレス鋼片の軟化熱処理を実施する際に、機械加工が十分に実施できる程度に軟化し、かつ内部割れを防止することができる熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二相ステンレス鋼のビレットやブルーム等の鋼片は、例えば、鋼塊から熱間鍛造または熱間圧延によって製造された長尺の鋼片を素材とし、この素材に軟化熱処理、並びに切断および切削等の機械加工が施されて製造される。軟化熱処理を施すのは、予めシグマ相を消去し、機械加工が可能な硬度とするためである。
【０００３】
従来、軟化熱処理では、固溶化温度（１０５０〜１１５０℃）で均熱した後、シグマ（σ）相の生成を防止するため、水冷等の急速冷却をしている。しかし、冷却過程で、鋼片の表層部と内部の温度差により熱応力が発生し、特に断面積が大きい鋼片では残留応力が大きくなり、鋼片中心部にほぼ全長にわたって内部割れが発生する場合がある。
【０００４】
この残留応力による割れを抑制する方法として、特許文献１には、１０００℃以上に加熱した後、５〜１２．５℃／ｍｉｎの冷却速度で５００℃まで冷却し、その後少なくとも３００℃までを１０℃／ｍｉｎ以上の速度で冷却することにより、熱処理後の急速冷却により発生する残留応力を抑制し、さらに４７５脆性を回避して、耐食性、靭性に優れた二相ステンレス鋼の大型鋳造品、鍛造品を製造する方法が開示されている。さらに、その中で、５００℃までは原則として徐冷（５〜１２．５℃／ｍｉｎ）してもよいが、好ましくはシグマ相析出温度である９８０〜７００℃の範囲についてだけは、１０℃／ｍｉｎ以上で急冷すると記載されている。
【０００５】
しかし、本発明者の検討では、５〜１２．５℃／ｍｉｎの冷却速度では残留応力の抑制が不十分であり、確実な割れ防止には至らない。また、シグマ相析出温度域では１０℃／ｍｉｎ以上で急冷するとしているが、１０〜２０℃／ｍｉｎ程度の冷却速度ではシグマ相が析出し、十分な軟化ができないという問題がある。
【０００６】
また、特許文献２には、ステンレス鋼中空鋳造材を、固溶化温度に加熱保持した後、８００〜９００℃までは徐冷（冷却速度１０℃／分以下、例えば５〜８℃／分）し、それ以降は急冷（水冷またはミスト冷却；冷却速度２０℃／分以上、例えば３０〜４０℃／分）することにより、溶体化熱処理後の冷却過程での熱応力による残留応力を低減させる厚肉大径のステンレス鋼鋳造材の溶体化熱処理方法が開示されている。ここでは、９５０℃まで炉冷した後、急冷した場合は残留応力の低減効果が少ないため、それよりも低い８００〜９００℃まで炉冷する必要があるとしている。
【０００７】
しかし、この熱処理方法で扱っている材料は中空鋳造材であり、中実鋼片に比べると、発生する残留応力は小さいと考えられる。さらに、この方法では、固溶化温度に加熱保持した後、８００〜９００℃まで徐冷するとしているが、本発明者の検討によると、９００℃以下まで徐冷した場合は、シグマ相の析出を完全に防止することはできず、機械加工性が低下する。また、冷却速度５〜８℃／分の徐冷では、残留応力の抑制が不十分であり、確実な割れ防止には至らない。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２１７１４９号公報
【特許文献２】特開平２−２３６２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、熱間鍛造または熱間圧延により製造された、または鋳造ままの中実の二相ステンレス鋼片の軟化熱処理を実施するに際し、切断および切削等の機械加工が十分に実施できる程度に残留応力の発生を抑制し、かつ内部割れを防止できる熱処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するにあたり、本発明者は、まず、内部割れ発生の原因を明確にするため、二相ステンレス鋼のビレットに熱処理を施した場合のビレット中心部応力の変化について検討した。
【００１１】
図１は、クロムモリブデン鋼のビレット（ＪＩＳ  ＳＣＭ４４０Ｈ相当材、２７０ｍｍφ）を加熱し、急速冷却した場合の熱応力解析結果の一例を示す図である。冷却過程（水冷時および放冷時）におけるビレット半径方向の応力分布を模式的に示す図も併記している。この図から、従来の軟化熱処理時におけるビレット中心部応力の変化を推測することができる。
【００１２】
すなわち、加熱後、急速冷却した時に、ビレットの外表部が急冷され収縮しようとするが、中心部は高温のままのため収縮できず、ビレット１の中心部に圧縮応力が発生する（図１に併記した応力分布図（ａ）参照）。一方、急速冷却後、放冷した時点で中心部が冷却されて収縮しようとするが、既に２００℃以下に冷却され、かなりの強度を有する外表部に拘束されるため、ビレット１の中心部に大きな引張応力が生じる（同（ｂ）参照）。このビレット中心部の引張応力は、加熱過程におけるよりも冷却過程において大きいことが判明した（図１において、Ｆｃ［冷却時における引張応力の最高値］＞Ｆｈ［加熱時における引張応力の最高値］）。したがって、内部割れは冷却過程で材料の中心部に大きな引張応力が作用することにより発生すると考えられる。
【００１３】
図２は、内部割れの発生状態を模式的に示す図である。鋳片２の中心部近傍のシグマ相析出域３が素材鋼片（丸鋼４）においても残存し、軟化熱処理時に、シグマ相析出域３に対し最も破断しやすい垂直方向に内部割れ５が発生すると推測される。
【００１４】
この応力解析結果から、本発明者は、二相ステンレス鋼の長尺の素材鋼片（以下、単に「鋼片」という）中心部の成分偏析や、均熱時の固溶化が十分でないことによるシグマ相の残存等で、中心部に脆いシグマ相が残っている場合は、鋼片の中心部に大きな引張応力が生じたとき、内部割れが発生すると推定した。
【００１５】
そこで、鋼片のサイズ、均熱温度、均熱後の冷却条件等を変更して試験、検討を重ねた結果、二相ステンレス鋼片の軟化熱処理を実施するに際し、鋼片の内部割れや切削加工時の機械加工性の劣化を防止するために必要な条件に関して下記の知見を得た。
【００１６】
（ａ）固溶化温度に加熱保持した後、急冷（水冷）した場合、断面積が大きい二相ステンレス鋼片では内部割れが発生するが、断面積が小さい場合は熱応力が小さく、割れは発生しない。
【００１７】
（ｂ）鋼片中心部に発生する内部割れを防止するには、冷却過程での鋼片内部と外表部の温度差に起因して発生する残留応力をできるだけ小さくする必要がある。そのためには、特に、加熱完了後の冷却初期（すなわち、高温域）での鋼片の内外部の温度差による熱応力をできるだけ小さくすることが必要であり、高温域での冷却をできるだけ低い冷却速度で行う（緩冷却する）ことが有効である。
【００１８】
（ｃ）水冷開始時の鋼片温度を低下させれば、熱応力が低減し、鋼片中心部の引張応力が軽減するが、シグマ相を消去するためには水冷開始時温度の低下は困難である。したがって、シグマ相析出開始温度（９００℃）に達する前まで低い冷却速度で緩冷却するのがよい。
【００１９】
（ｄ）さらに、二相ステンレス鋼は切削等の機械加工性を劣化させる硬いシグマ相が生成し易く、また、４００〜５５０℃の範囲に加熱することにより脆化する（４７５℃脆性）。したがって、シグマ相の生成や４７５℃脆性が問題となる温度域ではできるだけ速く冷却（急速冷却）する必要がある。
【００２０】
本発明は、上記の検討結果に基づいて完成されたものであり、下記の二相ステンレス鋼片の熱処理方法を要旨としている。
【００２１】
すなわち、直径が３００〜５００ｍｍまたは相対する面までの長さが３００〜５００ｍｍで中実の二相ステンレス鋼片を、１０５０℃以上の温度で均熱した後、鋼片の外表面温度で９２０〜１０００℃までを１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下の冷却速度で冷却し、さらにその温度から少なくとも３００℃までを３０〜４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却することを特徴とする熱処理方法である。
【００２２】
この熱処理方法において、前記１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下の冷却速度での９２０〜１０００℃までの冷却は、熱処理炉内で、または断熱材等で保温することによって行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の二相ステンレス鋼片の熱処理方法によれば、熱間鍛造または圧延により製造された、または鋳造ままの中実の二相ステンレス鋼片の軟化熱処理を実施するに際し、切断および切削等の機械加工が十分に実施できる程度に残留応力の発生を抑制し、かつ内部割れを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明が対象とする二相ステンレス鋼片は、例えば、鋼塊から熱間鍛造または熱間圧延によって製造された長尺の鋼片、または鋳造ままの鋼片で、直径が３００〜５００ｍｍのビレット等の丸材、または相対する面までの長さが３００〜５００ｍｍ、言い換えれば、短辺が３００ｍｍ以上で長辺が５００ｍｍ以下のブルーム等の角材である。いずれも中実材とするのは、中空材であれば、熱処理時に生じる熱応力が小さく、本発明の熱処理方法の適用を要しないからである。
【００２５】
また、鋼片の大きさを前記のように限定するのは、直径または相対する面までの長さが５００ｍｍを超えると、熱処理時に生じる熱応力が大きく、本発明の熱処理方法を適用しても残留応力の発生を抑制し、かつ内部割れを防止するのが困難であり、一方、３００ｍｍに満たない場合は、熱応力が小さく、本発明の熱処理方法を用いなくても割れは発生しないからである。
【００２６】
二相ステンレス鋼としては、ＪＩＳ  ＳＵＳ３２９Ｊ１で代表されるオーステナイト−フェライトの二相組織からなる二相ステンレス鋼、またはこの二相ステンレス鋼の化学組成を基本とする二相ステンレス鋼が挙げられる。なお、この二相ステンレス鋼の鋼片は、前記の形状を満たすものであればよく、鍛造または圧延された鋼片、鋳造ままの鋼片を含むものである。
【００２７】
本発明の二相ステンレス鋼の熱処理方法において、均熱温度を１０５０℃以上とするのは、１０５０℃未満では鋼片が十分に固溶化（オーステナイト化）されず、シグマ相が残存し、軟化熱処理後の機械加工性が劣るからである。均熱温度の上限は特に限定しないが、過度に高めると、加熱に要するコストが上昇し、設備上の制約もあるので、１２５０℃程度以下とするのが望ましい。
【００２８】
本発明の熱処理方法においては、このように均熱処理を施した後、鋼片の外表面温度で９２０〜１０００℃までを１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下の冷却速度で緩冷却し（ここでは、この冷却を「一次冷却」という）、さらにその温度から少なくとも３００℃までを３０〜４０℃／ｍｉｎの冷却速度で急速冷却する（これを「二次冷却」という）。
【００２９】
図３は、本発明の熱処理方法における熱処理パターンを模式的に示す図である。図示するように、前記の形状を満たす鋼片を、均熱温度Ｔ0で均熱した後、一次冷却速度Ｖ1で一次冷却停止温度Ｔ1まで緩冷却し、その後二次冷却速度Ｖ2で二次冷却停止温度Ｔ2まで急速冷却する。
【００３０】
このように、対象とする鋼片の寸法を規定し、前記所定の冷却速度での緩冷却と急速冷却を組み合わせた熱処理を行う点に本発明の特徴があり、これによって、鋼片中心部に発生する残留応力をできるだけ小さくするとともに、シグマ相の残存や生成、４７５℃脆性を抑えて、機械加工性の劣化および内部割れの発生を防止することができる。
【００３１】
均熱後の一次冷却速度Ｖ1を、１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下とするのは、冷却速度がこれより速いと、鋼片の内外部の温度差が大きくなり、熱応力で割れが発生するからである。下限は特に規定しないが、余り遅いと冷却に時間がかかり過ぎ、生産性が阻害されるので、５０℃／ｈｒ（０．８３℃／ｍｉｎ）以上とするのが望ましい。
【００３２】
一次冷却停止温度Ｔ1の上限を１０００℃とするのは、緩冷却（一次冷却）後の急速冷却（二次冷却）を１０００℃を超える高い温度から行うと、急速冷却に伴う鋼片の内外部の温度差による熱応力が大きくなり内部割れが発生しやすいだけでなく、鋼片外部には圧縮、内部には引張の大きな残留応力が存在することとなり、切削時に鋼片に刃が噛み込み、加工できなくなる等、機械加工性が低下するからである。一方、下限を９２０℃とするのは、この温度より低いとシグマ相析出温度領域となり、その後いくら急冷してもシグマ相の析出を完全には防止することができず、機械加工性が低下するからである。
【００３３】
二次冷却速度Ｖ2の下限を３０℃／ｍｉｎとするのは、冷却速度が３０℃／ｍｉｎより遅いと、シグマ相が生成し、鋼片の外表面の硬度が高くなり、切削加工等の機械加工性が低下することによる。一方、上限を４０℃／ｍｉｎとするのは、冷却速度がこれより速いと、鋼片の内外部の温度差による熱応力が大きく、内部割れ発生までは至らないが、鋼片外部には圧縮、内部には引張の大きな残留応力が存在することとなり、切削時に鋼片に刃が噛み込み、加工できなくなる等、機械加工性が低下するからである。
【００３４】
また、二次冷却停止温度Ｔ2を少なくとも３００℃まで、すなわち鋼片の外表面温度が３００℃以下になるまで急冷するのは、シグマ相の析出、並びに４７５℃脆性を回避するためである。下限については特に限定はない。
【００３５】
本発明の熱処理方法において、前記１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）以下の冷却速度での９２０〜１０００℃までの冷却（つまり、一次冷却）のための手段について何ら限定はない。例えば、鋼片を一旦熱処理炉から排出した後、炉内温度を適宜調整した別の熱処理炉内に装入して冷却してもよい。
【００３６】
また、鋼片を一旦熱処理炉から排出した後、断熱材等を用いて保熱する方法を採用することもできる。断熱材等としては、イソウール（イソライト工業（株）製）などが使用できる。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
３９０ｍｍ×７００ｍｍ角に連続鋳造したＳＵＳ３２１Ｊ１相当の二相ステンレス鋼ブルームを、熱間鍛造して、直径が２５０ｍｍ、３００ｍｍおよび３５０ｍｍの３種の鋼片（ビレット）を製造した。これらのビレットを、均熱温度Ｔ0を１０５０℃として均熱した後、一次冷却停止温度Ｔ1は１０００℃、二次冷却速度Ｖ2は３０℃／ｍｉｎ、二次冷却停止温度Ｔ2は３００℃でそれぞれ一定とし、一次冷却速度Ｖ1のみを変更して軟化熱処理を行い、中心部における割れ発生の有無を調査した。
【００３８】
調査結果を表１に示す。なお、試験に供したビレット本数は各条件とも１０本である。
【００３９】
【表１】
2008231464.tif 000003
【００４０】
表１の結果から明らかなように、直径Ｄが２５０ｍｍのビレットでは一次冷却速度を１００℃／ｈｒ（１．６７℃／ｍｉｎ）〜２００℃／ｈｒ（３．３３℃／ｍｉｎ）の範囲内で変更しても内部割れは発生しなかった。しかし、直径Ｄが３００ｍｍまたは３５０ｍｍの場合は、一次冷却速度Ｖ1が１００℃／ｈｒ（１．６７℃／ｍｉｎ）、１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）では割れがなかったが、２００℃／ｈｒ（３．３３℃／ｍｉｎ）では、１０本中１本に内部割れが発生した。
【００４１】
（実施例２）
実施例１で用いた二相ステンレス鋼ビレットのうち、同様に製造した直径Ｄが３００ｍｍの鋼片（ビレット）を用い、一次冷却速度Ｖ1を実施例１で割れが発生しなかった１５０℃／ｈｒ（２．５℃／ｍｉｎ）で一定とし、均熱温度Ｔ0、一次冷却停止温度Ｔ1、二次冷却速度Ｖ2および二次冷却停止温度Ｔ2を適宜変更して軟化熱処理を行った後の機械加工性または割れ発生率を調査した。
【００４２】
調査結果を表２に示す。表２における「機械加工性」の欄の「良好」は、支障なく加工できた場合であり、「不芳」は、ビレット外表面の硬度が上昇し、あるいは切削時に鋼片に刃が噛み込み、加工できなかった場合を表す。
【００４３】
【表２】
2008231464.tif 000004
【００４４】
表２に示した結果から、本発明で規定する範囲内の条件で軟化熱処理を行った場合（Ｎｏ．１〜１６）、内部割れの発生もなく、外表面の切削加工を支障なく実施できた。しかし、均熱温度Ｔ0が低い場合（Ｎｏ．１７）、一次冷却停止温度Ｔ1が低すぎる場合（Ｎｏ．１８）、二次冷却速度Ｖ2が遅すぎる場合（Ｎｏ．２０）、または二次冷却停止温度Ｔ2が高すぎる場合（Ｎｏ．２２）は、ビレット外表面の硬度が上昇しており、切削加工が行えなかった。また、一次冷却停止温度Ｔ1が高すぎる場合（Ｎｏ．１９）、または二次冷却速度Ｖ2が速すぎる場合（Ｎｏ．２１）は、内部割れは発生しなかったが、残留応力により切削時に鋼片に切削刃が噛み込み、加工できなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の二相ステンレス鋼片の熱処理方法は、所定の寸法範囲の鋼片を均熱した後、鋼片の外表面温度で９２０〜１０００℃までを１５０℃／ｈｒ以下の冷却速度で冷却し、さらにその温度から少なくとも３００℃までを３０〜４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する方法で、切断および切削等の機械加工が十分に実施できる程度に残留応力の発生を抑制し、かつ内部割れを防止することができる。
【００４６】
したがって、本発明の熱処理方法は、鍛造または圧延された長尺の鋼片や、鋳造ままの鋼片を素材として二相ステンレス鋼のビレットやブルーム等を製造する際に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】クロムモリブデン鋼のビレット（ＳＣＭ４４０Ｈ相当材、２７０ｍｍφ）を加熱し、急速冷却した場合の熱応力解析結果の一例を示す図である。
【図２】内部割れの発生状態を模式的に示す図である。
【図３】本発明の熱処理方法における熱処理パターンを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：ビレット
２：鋳片
３：シグマ相析出域
４：丸鋼
５：内部割れ
【図１】
2008231464.tif 000005
【図２】
2008231464.tif 000006
【図３】
2008231464.tif 000007