(57)【要約】【目的】高Ｃｒ含有量にも拘らず、靭性，加工性に優れたＦｅ−Ｃｒ合金を提供する。【構成】Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，残部が実質的にＦｅのＦｅ−Ｃｒ合金系においてＣ，Ｎの合計含有量を０．０１質量％以下に規制し、Ｍ＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％）で定義されるＭ値（μｍ）以下となるようにＣｒ含有量との間で最大結晶粒径が調整されているＦｅ−Ｃｒ合金である。必要に応じ、Ｎｉ，Ａｌの１種又は２種以上を合計で０．１〜１０質量％及び／又はＴｉ，Ｎｂの１種又は２種以上を合計で０．０１〜１質量％を含むことができる。抽出温度：１２００℃以下，仕上げ温度：８００℃以下でＦｅ−Ｃｒ合金を熱間圧延又は熱間鍛造し、３００℃まで平均冷却速度：１０℃／分以上で冷却することにより製造される。冷却後のＦｅ−Ｃｒ合金に１０５０℃以下の熱処理を施しても良い。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，残部が実質的にＦｅのＦｅ−Ｃｒ合金系においてＣ，Ｎの合計含有量を０．０１質量％以下に規制し、Ｍ＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％）で定義されるＭ値（μｍ）以下となるようにＣｒ含有量との間で最大結晶粒径が調整されていることを特徴とする靭性，加工性に優れたＦｅ−Ｃｒ合金。
【請求項２】
更にＮｉ，Ａｌの１種又は２種以上を合計で０．１〜１０質量％含有する請求項１記載のＦｅ−Ｃｒ合金。
【請求項３】
更にＴｉ，Ｎｂの１種又は２種以上を合計で０．０１〜１質量％含有する請求項１又は２記載のＦｅ−Ｃｒ合金。
【請求項４】
請求項１〜３何れかに記載の組成をもつＦｅ−Ｃｒ合金を抽出温度：１２００℃以下，仕上げ温度：８００℃以下で熱間圧延又は熱間鍛造し、３００℃まで平均冷却速度：１０℃／分以上で冷却することを特徴とする靭性，加工性に優れたＦｅ−Ｃｒ合金の製造方法。
【請求項５】
冷却後のＦｅ−Ｃｒ合金に１０５０℃以下の熱処理を施す請求項４記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラント構造材，原子力関連部材，建築材料，産業用機械・器具，民生用機械・器具等、耐熱性，耐食性，靭性，加工性が要求される広範な分野で使用されるＦｅ−Ｃｒ合金及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
Ｆｅ−Ｃｒ合金は、フェライト系ステンレス鋼に代表されるように優れた耐熱性，耐食性を活用し広範な分野で使用されている。通常のＦｅ−Ｃｒ合金は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｓ等の不純物元素に由来する介在物，酸化物，炭化物，窒化物，硫化物等の異相がマトリックスに分散している。異相は、加工性，靭性を劣化させ、加工時に割れ発生の起点になりやすい。不純物元素は、マトリックスを固溶強化し、粒界偏析によって靭性，加工性を低下させる場合もある。
【０００３】
過酷な使用環境におけるＦｅ−Ｃｒ合金の耐久性を高めるため、Ｃｒ含有量を多くして耐熱性，耐食性を向上させているが、Ｃｒの増量に伴って靭性，加工性に与える異相，不純物の影響が強く現れる。そこで、材料に応じた加工方法等が提案されており、Ａｌ−Ｍｇ系介在物の分散制御で加工性，靭性を確保することも知られている（特開２００２−１９４５０５号公報）。しかし、異相，不純物起因の欠陥が依然として解消されていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｃ，Ｎ量を規制すると共にＣｒ含有量に応じて結晶粒径を調整することにより、異相や不純物の影響を極力抑え、Ｃｒ含有量を高めた場合でも優れた靭性，加工性を維持するＦｅ−Ｃｒ合金を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明のＦｅ−Ｃｒ合金は、その目的を達成するため、Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，残部が実質的にＦｅのＦｅ−Ｃｒ合金系においてＣ，Ｎの合計含有量を０．０１質量％以下に規制し、Ｍ＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％）で定義されるＭ値（μｍ）以下となるようにＣｒ含有量との間で最大結晶粒径が調整されていることを特徴とする。
Ｆｅ−Ｃｒ合金は、更にＮｉ，Ａｌの１種又は２種以上を合計で０．１〜１０質量％及び／又はＴｉ，Ｎｂの１種又は２種以上を合計で０．０１〜１質量％を含むことができる。
【０００６】
所定組成に調整されたＦｅ−Ｃｒ合金を抽出温度：１２００℃以下，仕上げ温度：８００℃以下で熱間圧延又は熱間鍛造し、３００℃まで平均冷却速度：１０℃／分以上で冷却することにより製造される。冷却後のＦｅ−Ｃｒ合金に１０５０℃以下の熱処理を施しても良い。
【０００７】
【作用】
本発明者等は、Ｃｒ含有量が３０質量％以上のＦｅ−Ｃｒ合金について、優れた靭性，加工性が安定して得られる手段を種々調査・検討した。その結果、Ｃ，Ｎの合計含有量を低く抑えた上で結晶粒を微細化することが靭性，加工性の向上に有効であることを見出した。更に詳細に調査したところ、優れた靭性，加工性を得る上では平均結晶粒径よりも最大結晶粒径の微細化が有効であり、優れた特性が得られる臨界結晶粒径がＣｒ含有量と相関していることを解明した。
【０００８】
最大結晶粒径は、平均結晶粒径よりも靭性に大きな影響を及ぼし、結晶粒微細化に働く。たとえば、微細粒，粗大粒が混在する混晶組織では、靭性の指標であるシャルピー衝撃値は最も大きな粗大粒の粒径に影響される。したがって、最大結晶粒径を小さくすることによって靭性の向上が図られる。また、Ｃｒ含有量が多くなるほど強度が向上し、靭性が低下しやすくなるため、靭性への結晶粒径感受性が高くなる。換言すれば、高い靭性を確保する上では、Ｃｒ含有量の増加に応じて結晶粒径を小さくする必要がある。
【０００９】
以下、本発明で規定した条件を個別に説明する。
〔Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％〕
耐食性改善に有効な合金成分であり、３０．０質量％以上でＣｒの添加効果が顕著になる。Ｃｒ含有量が多くなるほど耐食性は良くなるが、強度も向上し加工性が低下する。なかでも、５０．０質量％を超える過剰量のＣｒを添加すると、優れた靭性が得がたく加工性も劣化する。
【００１０】
〔Ｃ＋Ｎ：０．０１質量％以下〕
共にマトリックスに固溶してＦｅ−Ｃｒ合金の強度を向上させる成分である。マトリックスに固溶したＣ，Ｎは、熱間圧延時，熱間圧延後の冷却時，熱処理時，熱処理後の冷却時等に炭化物、窒化物等として析出し、粒界や粒内の結合力を弱め加工性を低下させる。このような悪影響は、Ｃ，Ｎの合計含有量を０．０１質量％以下に規制することにより無害化できる。
【００１１】
〔結晶粒径：最大結晶粒径≦８６０−１２×（Ｃｒ質量％）〕
優れた靭性，加工性を得るためには、Ｃｒ含有量及びＣ，Ｎ合計含有量の規制に加え、最大結晶粒径を微細にすることが重要である。本発明者等による調査・研究の結果から、後述の実施例でもみられるように優れた靭性，加工性が得られる臨界の最大結晶粒径はＣｒ含有量と相関しており、Ｍ＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％）で定義されるＭ値（μｍ）以下となるようにＣｒ含有量との関係で最大結晶粒径を調整することが重要である。なお、最大結晶粒径には、エッチングで発現させた金属組織を倍率１００倍の光学顕微鏡で観察した６０視野の中から求められる結晶粒径の最大値を使用できる。
【００１２】
〔Ｎｉ，Ａｌ：０．１〜１０質量％〕
本発明のＦｅ−Ｃｒ合金は、更にＮｉ，Ａｌの１種又は２種を含むことができる。Ｎｉはマトリックスの靭性向上に、ＡｌはＣ，Ｎの捕捉による加工性向上に有効である。Ｎｉ，Ａｌの添加効果は合計含有量０．１質量％以上でみられるが、１０質量％を超える過剰量のＮｉ，Ａｌを添加しても却って固溶硬化に起因した靭性低下が生じがちである。
【００１３】
〔Ｔｉ，Ｎｂ：０．０１〜１質量％〕
本発明のＦｅ−Ｃｒ合金は、更にＴｉ，Ｎｂの１種又は２種を含むことができる。Ｔｉ，Ｎｂは、熱間圧延時，熱間圧延後の冷却時，焼鈍時，焼鈍後の冷却時等にＣ，Ｎを固定し、靭性，加工性を向上させる。Ｔｉ，Ｎｂの添加効果は０．０１質量％以上でみられるが、１質量％を超える過剰添加は却って靭性の低下を引き起こす。
【００１４】
〔製造条件〕
Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，Ｃ＋Ｎ：０．０１質量％以下に調整されたＦｅ−Ｃｒ合金を抽出温度：１２００℃以下，仕上げ温度：８００℃以下で熱間圧延又は熱間鍛造した後、３００℃まで平均冷却速度：１０℃／分以上で冷却するとき、Ｃｒ含有量との関係でＭ値（＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％））以下に最大結晶粒径が微細化された金属組織が得られる。すなわち、熱間圧延時の抽出温度，仕上げ温度及び冷却速度を規制することにより、結晶粒の成長を抑えられる。
【００１５】
熱間圧延後は結晶粒の成長が抑制された微細組織になっており、熱間圧延や熱間鍛造の際にＦｅ−Ｃｒ合金に導入された歪みは、局部的に集中することなく、金属組織全体に分散される。しかも、Ｃ，Ｎ量を適正に規制することにより、炭化物，窒化物の析出が少ない金属組織が熱間圧延又は熱間鍛造後に得られる。結晶粒界の結合強度が炭化物，窒化物で弱められないので、結晶粒界を起点とする割れの発生が少なく、靭性，加工性が向上する。
【００１６】
〔熱間圧延又は熱間鍛造後の熱処理〕
熱間圧延又は熱間鍛造されたＦｅ−Ｃｒ合金をそのまま製品として使用できるが、熱間圧延又は熱間鍛造後、更に１０５０℃以下で熱処理しても良い。１０５０℃以下の熱処理によって熱間歪みが除去されると共に、結晶粒が一層微細化する。しかし、熱処理温度が１０５０℃を超えると、結晶粒が熱間圧延後よりも却って粗大化し、優れた靭性，加工性が得られがたくなる。１０５０℃以下の熱処理でもＣｒ：３０．０〜４０．０質量％のＦｅ−Ｃｒ合金を長時間加熱すると、Ｍ値以上に結晶粒が大きく成長することがあるので、Ｃｒ含有量に応じて熱処理時間を適切に調節することが好ましい。
【００１７】
【実施例１】
表１の組成をもつＦｅ−Ｃｒ合金を３００ｋｇ真空溶解炉で溶解し、２７０ｋｇのインゴットを得た。
【００１８】
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【００１９】
インゴットを厚み７０ｍｍまで熱間鍛造した後、抽出温度：１１５０℃，仕上げ温度：７８０℃で板厚１５ｍｍまで熱間圧延し、平均冷却速度：１５℃／分で３００℃まで冷却した。冷却後の熱延板に１０００℃×１５分の熱処理を施した。
【００２０】
得られた各焼鈍板から試験片を切り出し、エッチングで発現させた金属組織を倍率１００倍の光学顕微鏡で観察した。各試験片につき観察した６０視野の中から結晶粒径の最大値を求めた。この最大値を最大結晶粒径としてＭ値（＝８６０−１２×（Ｃｒ質量％））と比較した結果を表２に示す。
【００２１】
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【００２２】
各焼鈍板から切り出した試験片を衝撃試験，加工試験に供し、靭性，加工性を調査した。
衝撃試験では、鋳造方向又は熱間圧延方向に長手方向を一致させたＪＩＳ  Ｚ２２０２のＶノッチシャルピー衝撃試験片を３００Ｊシャルピー衝撃試験機にかけ、０℃の氷水中で衝撃試験し、０℃におけるシャルピー衝撃値を測定した。
【００２３】
加工試験では、鋳造方向又は熱間圧延方向に長手方向を一致させたＪＩＳ  Ｚ２２０１の棒状試験片を引っ張り、全伸びを測定した。試験温度を室温２０℃，歪み速度を０．２％歪みまで０．３％／分，それ以降は７％／分に設定し、各合金ごとに３本の試験片から得られた測定値を平均化し、全伸びの試験値とした。
【００２４】
表３の調査結果にみられるように、Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，Ｃ＋Ｎ：０．０１質量％以下，最大結晶粒径≦Ｍ値（μｍ）のＦｅ−Ｃｒ合金は，何れもシャルピー衝撃値が１２０Ｊ／ｃｍ２以上，全伸びが２２％以上となっており、靭性，加工性の双方共に優れていることが判る。表３中、試験番号Ａ１，Ａ４の合金は靭性が高くハンマーの打撃によっても試験片が曲るのみで破断に至らなかったため、シャルピー衝撃値３７０Ｊ／ｃｍ２と表記した。
【００２５】
他方、Ｂ１〜Ｂ４のＦｅ−Ｃｒ合金は、シャルピー衝撃値が高いものでも４８Ｊ／ｃｍ２に留まり、全伸びも約２１％以下であった。
この対比から明らかなように、Ｃｒ：３０．０〜５０．０質量％，Ｃ＋Ｎ：０．０１質量％以下，最大結晶粒径≦Ｍ値が靭性，加工性の向上に効いていることが理解できる。
【００２６】
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【００２７】
【実施例２】
表１の合金番号Ａ１を用い、熱間圧延時の抽出温度，仕上げ温度，３００℃までの平均冷却速度及び熱間圧延後の熱処理温度を表４に示すように種々変化させ、製造条件がＦｅ−Ｃｒ合金の靭性，加工性に及ぼす影響を調査した。表４中、熱処理温度が空白の製造条件は、熱処理していないことを示す。
【００２８】
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【００２９】
得られた各Ｆｅ−Ｃｒ合金板の靭性，加工性を実施例１と同じシャルピー衝撃値，全伸びで評価すると共に、最大結晶粒径も測定した。
表５の調査結果にみられるように、抽出温度：１２００℃以下，仕上げ温度：８００℃以下，３００℃までの平均冷却速度：１０℃／分以上で熱間圧延したＦｅ−Ｃｒ合金は、シャルピー衝撃値が３００Ｊ／ｃｍ２以上，全伸びが２８％以上と靭性，加工性共に優れていた。
【００３０】
これに対し、製造条件が本発明で規定した条件を満足していないＦｅ−Ｃｒ合金では、シャルピー衝撃値が高くても１８７Ｊ／ｃｍ２に留まり、全伸びも２８％に達しておらず、熱間加工又は熱処理後の最大結晶粒径がＭ値を越えていた。この結果は、最大結晶粒径がＭ値以下となるように熱間圧延時の抽出温度，仕上げ温度，平均冷却速度及び熱処理温度を適正管理することが靭性，加工性の向上に必要なことを示している。
【００３１】
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【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、３０．０〜５０．０質量％と多量のＣｒを含むＦｅ−Ｃｒ合金であっても、Ｃ，Ｎ合計含有量を０．０１質量％以下に低減しＣｒ含有量に応じて最大結晶粒径を適正管理することにより、炭化物，窒化物等に起因する材質劣化を招くことなく、靭性，加工性を改善できる。このようにして得られたＦｅ−Ｃｒ合金は、本来の耐熱性，耐食性に加えて靭性，加工性も優れているので、プラント構造材，原子力関連部材，建築材料，産業用機械・器具，民生用機械・器具等、広範な分野に適した素材として使用される。