(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径９００mm以上、肉厚４０mm以上、長さ３０００mm以上のステンレス鋼管を溶体化熱処理する方法において、ステンレス鋼管が、重量％にて、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：０.５〜１.４％、Ｃｕ：２.０％以下、Ｎ：０.０５〜０.２％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、溶体化温度に加熱した後の管の冷却を、加熱炉の中で管を回転させながら炉冷により行なうことを特徴とするステンレス鋼管の溶体化熱処理方法。
【請求項２】
溶体化温度は１０００〜１１００℃であり、溶体化温度での保持時間は、鋼管の肉厚２５ｍｍ当たり１〜５時間である請求項１に記載のステンレス鋼管の溶体化熱処理方法。
【請求項３】
鋼管の回転速度は、１.０〜５.０ｒｐｍであり、炉冷の降温速度は、１.０〜３.０℃／分である請求項１又は２に記載のステンレス鋼管の溶体化熱処理方法。
【請求項４】
ステンレス鋼管は、ミクロ組織に占めるフェライト含有量(％α)は４５〜８０面積％であり、ステンレス鋼管の組成及びミクロ組織のフェライト含有量(％α)は、次の式(ｉ)及び式(ii)を満足する、請求項１乃至３の何れかに記載のステンレス鋼管の溶体化熱処理方法。
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ≦２８（％） ……式(ｉ) 
％α≧０.２×（％Ｃｒ／％Ｎ）＋２５ ……式(ii)
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製紙機械用サクションロール等に用いられる大型ステンレス鋼管の溶体化熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製紙工程において抄紙された湿潤紙を脱水処理するサクションロールは、塩素イオンや硫酸イオンを含む強酸性の環境下で使用されるため、高耐食性と高強度が要求される。
このサクションロール用材料として、従来より、Ｃｒ−Ｎｉ系のフェライト−オーステナイトの混相組織からなる二相ステンレス鋼が好適に使用されている。このステンレス鋼は、所望の耐食性と強度を具備させるために、炭化物を基地中に固溶させて組織を均一にする溶体化熱処理が施される。
【０００３】
ところで、サクションロールは、外径約９００mm以上、肉厚約４０mm以上もある大口径、厚肉で、しかも長さ約３０００mm以上もある長尺の管体であるため、質量効果が大きく、溶体化加熱温度からの冷却を十分な冷却速度で行わせることが困難である。
冷却速度が緩慢であると、基地中に固溶したＣｒ炭化物が冷却過程で析出する。Ｃｒ炭化物は脆いため、材質の脆化を招き、靱性が低下する。また、Ｃｒ炭化物近傍ではＣｒ濃度が低下するため、局部的にＣｒが不足し、耐食性が損なわれる。
【０００４】
溶体化加熱温度からの冷却を水冷で行なうと、冷却速度が速いため、Ｃｒ炭化物の析出は回避されるが、製品としてのサクションロールに大きな残留応力が残る問題がある。残留応力が大きいと、短期間の使用でロールの折損事故を招く虞れがあるため、残留応力を取り除くための焼きなまし処理がさらに必要となり、製造コストが上昇する。
【０００５】
溶体化加熱温度からの冷却を空冷(強制空冷を含む)で行なうと、管の外面側に比べて、内面側では熱が充満して冷却速度が遅くなり、Ｃｒ炭化物が析出する。このため、管内面の冷却速度を速くするために、一般的には、管内にミスト含有空気を送給することが行われている。しかし、長尺管であるから、管全体を均一に冷却するには、上流側と下流側でミスト量を変えねばならず、冷却条件の調節作業に多大の工数を要し、溶体化処理工程の能率低下を招いていた。
【０００６】
そこで、出願人は、約１０℃以下の緩慢な冷却であっても、Ｃｒ炭化物が析出しにくい二相ステンレス鋼を提案している(特願平１１−１６８０８０)。
この二相ステンレス鋼は、ＣとＣｒの含有量を必要最少限に抑えており、Ｃ：０.０５％(％は重量％、以下同様)以下、Ｓｉ：０.１〜２.０％、Ｍｎ：０.１〜２.０％、Ｃｒ：２０.０〜２３.０％、Ｎｉ：３.０〜３.９％、Ｍｏ：０.５〜１.４％、Ｃｕ：２.０％以下、Ｎ：０.０５〜０.２％、残部実質的にＦｅからなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記二相ステンレス鋼からサクションロール用管を作製することにより、管内面にミスト含有空気を供給しなくても、Ｃｒ炭化物の析出を回避することができ、所定の耐食性及び強度を確保することができた。
しかしながら、管の内面側は、外面側と比べて冷却速度が遅く、外面側との冷却速度の違いから、管に大きな残留応力が残ってしまう。このため、前記二相ステンレス鋼の場合も、管全体の冷却速度を均一にする必要があり、内面側の冷却速度を速くするために、管内にミスト含有空気を送り込まねばならなかった。
本発明の目的は、大型ステンレス鋼管の溶体化熱処理工程において、簡易な方法で管全体の冷却速度を均一にすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、厚肉、長尺の大型ステンレス鋼管の溶体化熱処理方法において、溶体化温度に加熱した後の管の冷却を、加熱炉の中で管を回転させながら炉冷により行なうようにしたものである。
なお、ステンレス鋼管は、その材質が、少なくともＣとＣｒについて、Ｃが０.０５重量％以下、Ｃｒが２３.０重量％以下のステンレス鋼で形成されることが望ましい。
【０００９】
【作用】
加熱炉内でステンレス鋼管を回転させながら炉冷することにより、管の肉厚中央、内面及び外面の温度差、並びに管軸方向の温度差が少なくなり、管の全体に亘って均一な冷却を行なうことができるので、残留応力を低減することができる。
また、ステンレス鋼に含まれるＣが０.０５重量％以下、Ｃｒが２３.０重量％以下であれば、炉冷のような緩慢な冷却であっても、Ｃｒ炭化物の生成は抑えられるので、靱性の低下を招くことはない。また、Ｃｒ炭化物の生成に起因する局部的なＣｒ濃度の低下もないので、Ｃｒの有するすぐれた耐食性が確保される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、溶体化熱処理を行なう熱処理炉の一例について説明する。
図１は、熱処理炉の横断面図を示しており、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１を参照すると、熱処理炉(10)の中には、一端が駆動モータ(14)に連繋され、回転自由に軸支された一対の回転軸(12)(12)が水平方向に平行に配備されており、各回転軸(12)は、軸方向に間隔をあけて配備された複数のローラ(16)(16)(16)を軸承している。溶体化処理されるべきステンレス鋼管(18)は、ローラ(16)によって回転可能に支持される。
なお、熱処理炉には、図示はしないが、炉内温度を調節する燃料及び空気の各調節弁と、炉内温度を検知する熱電対が配備されている。熱電対は炉外の温度計に接続されており、温度計の設定温度と熱電対の検知温度との差に基づいて、燃料及び空気の各調節弁の開度が制御され、炉内の温度が制御されるようになっている。
【００１１】
溶体化処理されるべきステンレス鋼管は、駆動モータ(14)の回転により、前記熱処理炉の中で回転させながら加熱される。なお、昇温時の回転は溶体化処理品質と直接の関係はないが、主として、回転軸の加熱変形を防止するために行われる。
【００１２】
ステンレス鋼管は、溶体化温度で十分加熱された後、回転させながら炉冷される。
溶体化温度は、一般的には、約１０００〜１１００℃である。
溶体化温度での保持時間は、鋼管の肉厚２５mm当たり約１〜５時間が適当である。
管の回転速度は、回転による冷却均一効果を得るために、約１.０〜５.０rpmとすることが好ましい。
炉冷の降温速度は、約１.０〜３.０℃／分である。
【００１３】
管材として用いられるステンレス鋼は、炉冷のような緩慢な冷却でもＣｒ炭化物を析出し難いものが選択され、少なくともＣとＣｒについては、Ｃ：０.０５重量％以下、Ｃｒ：２３.０重量％以下であることが好ましい。
このステンレス鋼として、重量％にて、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：０.５〜１.４％、Ｃｕ：２.０％以下、Ｎ：０.０５〜０.２％、残部実質的にＦｅからなり、好ましくは、ミクロ組織に占めるフェライト含有量(％α)は４５〜８０面積％であると共に、次の式(ｉ)及び式(ii)を満足するように成分バランスされたものを挙げることができる。
％Ｃｒ＋３.３×％Ｍｏ＋１６×％Ｎ≦２８（％）  ……式(ｉ)
％α≧０.２×（％Ｃｒ／％Ｎ）＋２５  ……式(ii)
【００１４】
このステンレス鋼に含まれる各元素の含有理由は次のとおりである。
Ｃはオーステナイト相を固溶強化するために含められるが、Ｃｒ炭化物の生成を抑制するために、０.０５％を越えないようにしている。
Ｓｉ及びＭｎは脱酸剤として含有させる。
Ｃｒは耐食性を確保し、フェライト相生成による強度付与効果を得るために不可欠の元素であり、２０.０％以上含有させる。なお、前述のようにＣの含有量が０.０５％以下と極めて少ない場合であっても、Ｃｒ含有量があまり多くなると、Ｃｒ炭化物が生成されるため、２３.０％を上限とする。
Ｎｉはオーステナイト相の安定化させ、靱性と耐食性を確保するために含有させる。
Ｍｏ及びＣｕは、耐食性改善のために添加される。
Ｎは、オーステナイト相に固溶して基地を強化させるために含有させる。
このステンレス鋼は、さらに式(ｉ)及び式(ii)を満たすことにより、良好な耐熱疲労性、耐腐食疲労性及びドリル加工性を具備している。
【００１５】
例えば、製紙機械用サクションロールの製造においては、ステンレス鋼製素管としての中空円筒体を遠心力鋳造により作製し、上記の溶体化処理を施した後、ドリル機械加工により多数のサクションホールを開設し、所定サイズへ仕上げ加工した後、別途用意した軸部材に嵌合して組み立てることにより行われる。
【００１６】
【実施例】
ステンレス鋼管を遠心力鋳造により２本作製し、溶体化熱処理(発明例と比較例)を施して供試管を得た。各供試管について、腐食試験と残留応力を測定した。
ステンレス鋼の合金化学成分は、重量％にて、Ｃ：０.０１８％、Ｓｉ：０.６４％、Ｍｎ：０.６８％、Ｃｒ：２０.１７％、Ｎｉ：３.０６％、Ｍｏ：０.７８％、Ｃｕ：０.３９％、Ｎ：０.１５２％、残部実質的にＦｅである。
鋼管サイズは、外径１２８８mm、肉厚８１mm、長さ５０００mmである。
溶体化処理は、１０３０℃×２Hrで加熱保持した後、炉冷した。炉冷の冷却速度は２.５℃／分である。
発明例は２.０rpmで鋼管を回転させながら冷却した。比較例は回転なしで冷却した。
【００１７】
供試鋼管の軸方向中央部と端部について、外表面、肉厚中央部、内表面の各部位における冷却中の温度分布を測定した。表１は発明例(回転有り)、表２は比較例(回転なし)の温度分布の測定結果を示している。
【００１８】
【表１】
0004004706.tif 000002
【００１９】
【表２】
0004004706.tif 000003
【００２０】
表１及び表２を参照すると、外表面と内表面との温度差は、発明例及び比較例とも、冷却開始後２時間後が最大であるが、発明例では管軸中央部で６℃、端部で４℃であるのに対し、比較例では、管軸中央部で３８℃、端部で２５℃となっており、発明例の方は冷却が略均一に行われていることを示している。
【００２１】
腐食試験
供試管から試験片(サイズ：２０×２０×厚さ１０mm)を切り出し、液温５０℃の腐食液(塩化第二鉄６％溶液)に７２時間浸漬し、腐食減量を求め、腐食速度(g/m2h)を算出した。
発明例の腐食速度は９.８g/m2h、比較例は１０.１g/m2hであった。両方とも、冷却速度が緩慢であるにも拘わらず、所定の耐食性を具備している。
なお、試験片のミクロ組織観察をしたところ、Ｃｒ炭化物の析出は殆んど認められなかった。
【００２２】
残留応力の測定
残留応力の測定は、リングカット法により行なった。その測定結果を表３に示している。発明例の残留応力が小さかったのは、冷却中の回転により、冷却が均一に行われたためと考えられる。これに対し、比較例の残留応力が大きかったのは、管の冷却速度が外表面と内表面とでは不均一であることによる。
【００２３】
【表３】
0004004706.tif 000004
【００２４】
【発明の効果】
本発明の熱処理方法によれば、溶体化加熱後の冷却を均一に行なうことができるので、残留応力を低減することができる。また、緩慢な冷却条件下であっても、Ｃｒ炭化物を殆んど析出することがないので、所定の強度と耐食性を確保できる。
これまでの熱処理方法のように、管全体の冷却速度を均一にするために、管内にミスト含有空気を送給しなくてもよいから、溶体化熱処理工程の効率を高めることができ、製紙機械用サクションロール等に用いられる大型ステンレス鋼管の製造コストの低減化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶体化熱処理を行なう熱処理炉の説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
(10)  熱処理炉
(12)  回転軸
(16)  ローラ
(18)  ステンレス鋼管
【図１】
0004004706.tif 000005
【図２】
0004004706.tif 000006