(57)【要約】【課題】  析出強化型ステンレス鋼に適した酸化防止剤を素材表面に被覆して酸化を大幅に抑制することが可能な析出強化型ステンレス鋼素材を提供する。【解決手段】  析出強化型ステンレス鋼の熱間鍛造用素材に、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物のうち２種類以上を含有し、下記式（１）の硼酸化指数を満足する酸化防止剤で被覆された熱間鍛造用素材である。  ［硼酸化指数］＝１７７．４７−１０．８８（［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］）−２．９４［質量％ＳｉＯ２］−３．５５［質量％ＣｏＯ］−０．１１［質量％ＺｎＯ］−１．４７［質量％ＺｒＯ２］−３．３８［質量％Ｔ−Ｆｅ］≦４０…（１）【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
析出強化型ステンレス鋼の熱間鍛造用素材であって、少なくとも表面の一部に、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物のうち２種類以上を含有し、下記式（１）の硼酸化指数を満足する酸化防止剤が被覆されていることを特徴とする熱間鍛造用素材。
［硼酸化指数］＝１７７．４７−１０．８８（［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］）−２．９４［質量％ＳｉＯ２］−３．５５［質量％ＣｏＯ］−０．１１［質量％ＺｎＯ］−１．４７［質量％ＺｒＯ２］−３．３８［質量％Ｔ−Ｆｅ］≦４０…（１）
ここで、Ｔ−ＦｅはＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３のいずれか１種以上の酸化鉄の質量％を、酸素を除いたＦｅに換算して合算した総鉄含有量を表す。
【請求項２】
前記酸化防止剤は、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％以上で、且つＴ−Ｆｅが２質量％以下である請求項１に記載の熱間鍛造用素材。
【請求項３】
前記酸化防止剤が被覆されている部分の単位面積当たりの酸化防止剤の塗布量が４５ｇ／ｍ２以上である請求項１または２に記載の熱間鍛造用素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造用素材に関し、特に高温酸化に優れた析出強化型ステンレス鋼からなる熱間鍛造用素材に関する。さらに詳しくは、室温で析出強化型ステンレス鋼の表面に酸化防止剤を被覆して、熱間鍛造前の加熱および熱間鍛造における酸化を抑制した析出強化型ステンレス鋼からなる熱間鍛造用素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、排出ＣＯ２ガスの抑制、省エネルギー化を目的とした石炭火力発電の高効率化が求められている。石炭火力発電の高効率化に対して、低圧タービンの最終段動翼（以下、長翼という）の大型化が最も有効な手段の一つである。従来、長翼用材料として１２Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｖ鋼が用いられてきたが、近年、大型化に必要な高温強度や耐酸化性に優れたＴｉ−６質量％Ａｌ−４質量％Ｖなどのチタン合金や、チタン合金と比較して低コストである析出強化型ステンレス鋼やが用いられている。析出強化型ステンレス鋼を適用した長翼の熱間鍛造工程では、歩留向上、研削工程削減を目的としたニアネットシェイプの型打ち鍛造が行われるが、型打ち鍛造のための加熱時あるいは加熱後型打ち鍛造に素材表面に生成した酸化物（以下、スケールという）が金型に付着して堆積し、長翼にスケール堆積物が転写されて寸法不良を生じる場合がある。
このステンレス鋼を含む金属の加熱時の酸化を防止する方法として特開２０１２−２１１２１号公報（特許文献１）に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２１１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に開示された酸化防止剤は、４００℃〜１５５０℃で軟化するガラスフリットと、６００℃以下の融点を有する無機化合物の混合物から成り、その酸化防止剤を金属素材表面に塗布する。金属素材表面に塗布された酸化防止剤は、４００℃〜１５５０℃温度域で軟化して金属素材表面に濡れ広がり、金属素材表面が外気に接触するのを抑制してスケールの生成を抑制する。ここで、前述のガラスフリットとは、複数の周知の無機成分を混合して溶融し、更に溶融後に水冷又は空気中で急冷したガラスを粉砕した粉末である。
【０００５】
特許文献１に開示された酸化防止剤を析出強化型ステンレス鋼に適用することで、素材表面のスケールの生成をある程度抑制することができるが、未だ不十分である。これは、析出強化型ステンレス鋼は他のステンレス鋼と異なり、析出強化元素としてＮｂ、Ｔｉ、あるいは固溶強化元素としてＭｏなどの強化元素を多く含有しており、特許文献１に記載の酸化防止剤中に含まれるＢ２Ｏ３を還元してＮｂＢなどの強化元素の硼化物が生成し、その硼化物と酸化防止剤とのぬれ性が悪いため、酸化防止剤が素材表面を十分に覆うことが出来なくなるためである。
本発明の目的は、析出強化型ステンレス鋼に適した酸化防止剤を素材表面に被覆して酸化を大幅に抑制することが可能な析出強化型ステンレス鋼からなる熱間鍛造用素材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、析出強化型ステンレス鋼の熱間鍛造用素材であって、少なくとも表面の一部に、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物のうち２種類以上を含有し、下記式（１）の硼酸化指数を満足する酸化防止剤が被覆されている熱間鍛造用素材である。
［硼酸化指数］＝１７７．４７−１０．８８（［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］）−２．９４［質量％ＳｉＯ２］−３．５５［質量％ＣｏＯ］−０．１１［質量％ＺｎＯ］−１．４７［質量％ＺｒＯ２］−３．３８［質量％Ｔ−Ｆｅ］≦４０…（１）
ここで、Ｔ−Ｆｅは、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３のいずれか１種以上の酸化鉄の質量％を、酸素を除いたＦｅに換算して合算した総鉄含有量を表すものである。この換算は、例えば酸化鉄がＦｅＯである場合を例にして説明すると、ＦｅＯの質量％が１％であった場合、ＦｅとＯの質量からＦｅ／ＦｅＯの比率を算出し（例：５５．８４５／（５５．８４５＋１５．９９９４）＝０．７７７）、それをＦｅＯの質量％にかけること（１％×０．７７７＝０．７７７％）により得るものである。
前記酸化防止剤は、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％以上で、且つＦｅ酸化物が２質量％以下であることが好ましい。
また、前記酸化防止剤が被覆されている部分の単位面積当たりの酸化防止剤の塗布量が４５ｇ／ｍ２以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、析出強化型ステンレス鋼に適した酸化防止剤を素材表面に被覆して酸化を大幅に抑制することが可能な熱間鍛造用素材を提供することができる。その結果、表面酸化が抑制された析出強化型ステンレス鋼を熱間鍛造用素材として用いることで、スケールの発生が抑制され、金型へのスケール付着と堆積を抑制し、スケール堆積物の転写を軽減した熱間鍛造用の析出強化型ステンレス鋼素材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施の酸化質量と酸化防止剤の硼酸化指数との関係
【図２】本実施における、析出強化型ステンレス鋼素材の酸化後の外観
【発明を実施するための形態】
【０００９】
先ず、本発明で用いる析出強化型ステンレス鋼の熱間鍛造用素材について説明する。
本発明でいう「析出強化型ステンレス鋼」とは、質量％で５０％以上のＦｅ、４％以上のＮｉおよび７％以上のＣｒを必須で含有し、更に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂなどの析出強化元素の１種類以上を合計で０．９％以上含有するステンレス鋼を言う。Ｎｉ−Ａｌ系金属間化合物、Ｎｉ−Ｔｉ系金属間化合物などの析出物によって高い高温強度を示すことが特徴である。またその他の元素として、Ｗ、Ｍｏなどの固溶強化元素を含有するものも本発明の範疇である。
そして、熱間鍛造用素材としては、所謂「鋼片」であり、仕上げ鍛造を行って型打ち鍛造用の素材が最良の形態である。上記のように、ニアネットシェイプの型打ち鍛造に本発明を適用することで、型打ち鍛造時のスケール剥離を防止できるためである。
【００１０】
次に、本発明で規定する酸化防止剤について説明する。
本発明における酸化防止剤は、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物のうち２種類以上を含有する。これは、これらの酸化物の組合わせが、析出強化型ステンレス鋼の酸化防止において有効であるからである。そのため、前記の酸化物の総量は５０質量％以上とするのが好ましい。他の含有する成分は特に限定されるものではないが、熱間鍛造温度で安定な酸化物あるいは熱間鍛造温度で大気中の酸素と結合して安定な酸化物に変化する金属、炭化物、窒化物等が望ましい。なお、Ｆｅ酸化物は、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３のいずれか１種以上からなるの酸化鉄を指す。
【００１１】
本発明で規定する硼酸化指数は、析出強化型ステンレス鋼と酸化防止剤との反応によって生成する硼化物について、酸化防止に対する影響を指数化したものである。硼酸化指数は、硼化物の生成し易さの指標である［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］比と、硼化物の濃度を低下させるＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物の質量％項から成る。
まず、硼化物の生成し易さの指標である［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］比について以下に述べる。酸化防止剤中にＫ２Ｏが一定以上存在する場合、熱間鍛造温度ではＫ２ＯとＢ２Ｏ３とが反応してＢＫＯ２が生成する。このＢＫＯ２は熱間鍛造温度ではＢ２Ｏ３よりも安定で、硼化物に変化し難い。そこで酸化防止剤中の［質量％Ｋ２Ｏ］／［質量％Ｂ２Ｏ３］が大きければ、ＢＫＯ２が生成し易くなり、硼化物が生成し難くなる。
また、硼酸化指数中のＳｉＯ２、ＣｏＯ、ＺｎＯ、、ＺｒＯ２、Ｆｅ酸化物は、析出強化型ステンレス鋼素材表面に硼化物が生成した場合に、素材表面に酸化被膜を形成して素材表面の硼化物濃度を低下させるための酸化剤である。なお、Ｆｅ酸化物としては、上記のようにＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３があるが、中でもＦｅ２Ｏ３を選択するのが良い。
【００１２】
上記の酸化防止剤としては、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％以上で、且つＴ−Ｆｅが２質量％以下を含むものが好ましい。これは、熱間鍛造温度で酸化防止剤が溶融するため、酸化防止効果に加えて、潤滑剤としての効果も付加されるからである。
また、酸化防止剤が被覆されている部分の単位面積当たりの酸化防止剤の塗布量が４５ｇ／ｍ２以上であることが好ましい。これは、単位面積当たりの酸化防止剤の塗布量が４５ｇ／ｍ２未満であると、大気中の酸素が酸化防止剤の被覆層中を拡散して素材表面を酸化し易くなる、あるいは酸化防止剤が溶融して凝集した際、素材の被覆ムラが生じて素材を十分に被覆出来ないという問題が生じる場合があるからである。なお、単位面積当たりの酸化防止剤の塗布量の上限については特に限定しないが、１５０ｇ／ｍ２を超えて被覆しても、更なる酸化防止効果が得られず、かえって生産性を劣化させることから上限は１５０ｇ／ｍ２をとすると良い。
また、酸化防止剤の平均粒径は特に限定されるものではないが、素材表面へ一様に塗布するという観点から、２５μｍ以下が好ましい。
なお、本発明の酸化防止剤の被覆は、例えば、塗布、噴霧、浸漬等の常法を適用することができる。なかでも均一な酸化防止剤の被覆としては、噴霧を選択すると良い。
また、製品歩留りの観点から、酸化防止剤を素材全面に被覆することが好ましい。但し、素材形状が複雑、全面に被覆することが生産工程において非効率的等である場合には、製品歩留りおよびスケールが金型へ及ぼす影響等を最小化して部分的に被覆しても良い。
【実施例】
【００１３】
析出強化型ステンレスのＰＨ１３−８Ｍｏ（質量％で、８．２％Ｎｉ−２．２％Ｍｏ−１．２％Ａｌ−残部Ｆｅ）において耐酸化性に及ぼす、酸化防止剤の組成の影響を調査した。
酸化防止剤は、本発明の実施例の酸化防止剤を６種類（Ｎｏ．１〜６）、比較例として、現在長翼の型打ち鍛造に使用されている市販ので酸化防止剤（Ｎｏ．１１）を１種類用意した。
酸化テスト用素材には、直径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍの円筒状のＰＨ１３−８Ｍｏを準備した。表面は＃３２０で研磨し、ショットブラストを施した後、表面をアルコールで脱脂した。水、有機溶媒またはその混合溶液でスラリー状になっている酸化防止剤を素材表面に塗布した後、十分乾燥させて水、有機溶媒を除去した。
塗布した酸化防止剤の単位面積当たりの量は、いずれも５０〜１２０ｇ／ｍ２であった。その酸化防止剤で被覆された素材を、大気中で１１００℃の電気抵抗炉に投入し、９０分保持して酸化試験を実施した。
酸化試験後、室温まで冷却し、スケールを除去して素材重量を測定した。その重量測定結果および試験前の素材重量から、試験前後の重量変化率を算出した。この重量変化率が大きい程、スケールがより多く生成したという事である。
【００１４】
表１に酸化防止剤の組成を示し、表２に硼酸化指数の計算結果と酸化試験結果を示す。また図１には表２中の硼酸化指数の計算結果と、本酸化テスト結果である酸化重量率との関係示し、図２には試験後の素材の外観写真を示した。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【表２】
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【００１７】
表２中の本発明の酸化防止剤（Ｎｏ．１〜６）で被覆した析出強化型ステンレス鋼素材は酸化重量率が低く、良好な耐酸化性を示し、図１に示したように硼酸化指数の計算結果と、酸化重量率との関係は直線関係にあり、硼酸化指数で耐酸化性を正確に評価出来ることが分かった。図２に示したように、本発明の析出強化型ステンレス用素材は表面にスケールがほとんど確認されず、酸化防止剤で被覆された状態、あるいは酸化防止剤が冷却後に剥離した部位に金属肌が確認され、耐酸化性が良好である事が分かる。
以上、本発明の酸化防止剤で被覆した析出強化型ステンレス鋼素材はスケールが発生し難いことが分かった。よって本発明の析出強化型ステンレス鋼の熱間鍛造用素材は、スケールの発生が抑制され、金型へのスケール付着と堆積を抑制し、スケール堆積物の転写を軽減できる。
【図１】
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【図２】
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