(57)【要約】【課題】加工性が確保された耐食性に優れる高クロム鋼及びその製造方法を提供する。【解決手段】当該高クロム鋼は、Ｃｒを２５〜９９質量％、Ｏを０．０００１〜１質量％、Ｏを除く不可避的不純物を０．０５質量％以下含有し、残部がＦｅである。そして、その製造方法は、Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである粉体群１１を容器１０に収容する工程と、粉体群１１を、容器１０に接触している部分を残して溶解する工程と、粉体群１１の溶解した部分を固化して高クロム鋼を得る工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒを２５〜９９質量％、Ｏを０．０００１〜１質量％、Ｏを除く不可避的不純物を０．０５質量％以下含有し、残部がＦｅであることを特徴とする高クロム鋼。
【請求項２】
請求項１記載の高クロム鋼において、Ｃｒの含有率が３５質量％以上であることを特徴とする高クロム鋼。
【請求項３】
Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである粉体群を容器に収容する工程と、
前記粉体群を、前記容器に接触している部分を残して溶解する工程と、
前記粉体群の溶解した部分を固化して高クロム鋼を得る工程とを有することを特徴とする高クロム鋼の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の高クロム鋼の製造方法において、前記粉体群は、Ｃｒ粉体及びＦｅ粉体を混合してなることを特徴とする高クロム鋼の製造方法。
【請求項５】
Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである固体の原材料を、内側に酸化鉄の層又は酸化クロムの層もしくはＦｅ、Ｃｒ及びＯからなる酸化物の層が設けられた炉内に収容する工程と、
前記炉内で前記原材料を溶解する工程と、
溶解した前記原材料を固化して高クロム鋼を得る工程とを有する高クロム鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロム及び鉄を含有する高クロム鋼及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な製品や設備で用いられるステンレス鋼は、クロムの含有量を増加させることにより、耐食性が向上する反面、もろくなって加工性が低下することが知られている。そのため、ステンレス鋼におけるクロムの含有率は、従来、２３質量％以下とされており、その具体例が、例えば特許文献１、２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０４１３５１号公報
【特許文献２】特開２０１３−２４４４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、製品や設備の使用環境によっては、加工性が確保された上で、従来のステンレス鋼よりも耐食性に優れる合金が望まれていた。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、加工性が確保された耐食性に優れる高クロム鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係る高クロム鋼は、Ｃｒを２５〜９９質量％、Ｏを０．０００１〜１質量％、Ｏを除く不可避的不純物を０．０５質量％以下含有し、残部がＦｅである。
本願の発明者は、種々の検証を重ね、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下に抑えることで、Ｃｒを２５質量％以上含む高クロム鋼において、耐食性に加えて加工性が確保されることを確認した。また、当該高クロム鋼は、Ｏを１質量％含んでいても、加工性が確保されることも確認している。
【０００６】
第１の発明に係る高クロム鋼において、Ｃｒの含有率が３５質量％以上であるのが好ましい。
【０００７】
前記目的に沿う第２の発明に係る高クロム鋼の製造方法は、Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである粉体群を容器に収容する工程と、前記粉体群を、前記容器に接触している部分を残して溶解する工程と、前記粉体群の溶解した部分を固化して高クロム鋼を得る工程とを有する。
【０００８】
第２の発明に係る高クロム鋼の製造方法において、前記粉体群は、Ｃｒ粉体及びＦｅ粉体を混合してなるのが好ましい。
【０００９】
前記目的に沿う第３の発明に係る高クロム鋼の製造方法は、Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである固体の原材料を、内側に酸化鉄の層又は酸化クロムの層もしくはＦｅ、Ｃｒ及びＯからなる酸化物の層が設けられた炉内に収容する工程と、前記炉内で前記原材料を溶解する工程と、溶解した前記原材料を固化して高クロム鋼を得る工程とを有する。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明に係る高クロム鋼は、Ｏを除く不可避的不純物の含有率が０．０５質量％以下であるので、加工性及び耐食性を確保することができる。また、第２、第３の発明に係る高クロム鋼の製造方法は、加工性及び耐食性を有する高クロム鋼を製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る高クロム鋼の加工性の実験結果を示す説明図である。
【図４】各試料の加工性の実験結果を示す説明図である。
【図５】各試料の硫酸水溶液に対する耐食性の実験結果を示す説明図である。
【図６】各試料の塩酸水溶液に対する耐食性の実験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法は、容器１０内で粉体群１１を溶解して、高クロム鋼を得る方法である。以下、詳細に説明する。
【００１３】
高クロム鋼の原材料として用いられる粉体群１１は、Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物（即ち、Ｃｒ、Ｆｅ及びＯ以外の成分）の含有率を０．０５質量％以下に抑え、残部がＦｅである。本実施の形態において、粉体群１１は、高純度のＣｒ粉体（例えば、Ｃｒの含有率が９９質量％以上）及び高純度のＦｅ粉体（例えば、Ｆｅの含有率が９９質量％以上）をアルゴン雰囲気で混合して得られたものである。但し、粉体群１１の代わりに、個々の粉体がＦｅ及びＣｒを共に含む粉体群を採用してもよい。
【００１４】
第１の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法においては、まず、粉体群１１を、図１（Ａ）に示すように、上部が開放された容器１０内に収容する。その後、図１（Ｂ）に示すように、容器１０の上方に配したレーザ照射機１２から粉体群１１にレーザ光Ｌを照射して、容器１０内の粉体群１１を溶解する。レーザ光Ｌの照射による粉体群１１の溶解は、粉体群１１において、容器１０に接触している部分（以下、「溶解非対象部」とも言う）を残し、溶解非対象部の内側の部分（以下、「溶解対象部」とも言う）のみに対して行われる。
【００１５】
そして、溶鋼１３（粉体群１１の溶解した部分）を、容器１０内で自然冷却によって、固化して高クロム鋼を得る。そのため、粉体群１１の溶解対象部は、溶解して溶鋼１３となり、固化して高クロム鋼となるまで、容器１０に接触しない。よって、高クロム鋼には、容器１０の成分が混入せず、高クロム鋼は、実質的に、Ｃｒを２５〜９９質量％、Ｏを０．０００１〜１質量％、Ｏを除く不可避歴不純物を０．０５質量％以下含有し、残りがＦｅとなる。
ここで、容器内の粉体群に対し、粉体群の容器に接触している溶解非対象部を残し、溶解非対象部の内側の溶解対象部のみを溶解して、溶解物への不純物の混入を抑制することは、高クロム鋼の製造に限定されるものではない。
【００１６】
高クロム鋼において、Ｏの含有率を０．０００１質量％以上としているのは、粉体群１１を構成する個々の粉体の表面積の合計が、他のタイプの原材料（例えば、それぞれ１ｃｍ以上の粒径を有する複数の粒状物からなる原材料）に比べて大きく、空気中のＯに接触する機会が多くＯを取り込むためと考えられる。また、Ｏが１質量％を超えると、鋼材としての特性（例えば靭性等）を保てなくなることから、Ｏの含有率の上限値を１質量％としている。
なお、本実施の形態では、レーザ光Ｌによって、粉体群１１を溶解しているが、これに限定されず、例えば、アーク加熱による溶解であってもよい。
【００１７】
ここで、高クロム鋼は、Ｃｒを２５質量％以上含み、Ｏを１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物を０．０５質量％以下にそれぞれ抑えることで、クロム鋼の製品として要求される加工性及び耐食性を充足することが種々の検証によって確認されている。
そして、耐食性を向上させる観点においては、Ｃｒの含有率が３５質量％以上であるのが好ましい。なお、Ｃｒの含有率の上限を９９質量％としているのは、高クロム鋼が、Ｃｒ以外に、ＦｅやＯを含有するためである。
そして、高クロム鋼に対して、焼鈍処理や圧延処理を行って、歪を除去することで、加工性を向上させることができる。
【００１８】
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法について説明する。
第２の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法は、炉２０を用いて固体の原材料２１を溶解するもので、炉２０は、図２に示すように、主として耐火煉瓦によって形成された上部開口の収容体２２を有し、収容体２２の内側は、酸化鉄層２３（酸化鉄の層）によって覆われている。本実施の形態では、酸化鉄層２３が溶射によって形成されているがこれに限定されない。なお、収容体２２で用いられる耐火煉瓦には、アルミナ系、マグネシア系等、様々なタイプのものを採用可能である。
【００１９】
本実施の形態では、まず、Ｃｒを２５〜９９質量％含み、Ｏの含有率を１質量％以下、Ｏを除く不可避的不純物の含有率を０．０５質量％以下にそれぞれ抑え、残部がＦｅである固体の原材料２１を、内側に酸化鉄層２３が設けられた炉２０内に収容する。固体の原材料２１は、形状や大きさに限定はなく、例えばフレーク状であってもよいし、粒径が１ｃｍ程度の粒塊であってもよい。その後、炉２０内で原材料２１を溶解し、溶解した原材料２１を固化して高クロム鋼を得る。原材料２１の固化は、炉２０内で行ってもよいし、炉２０外で行ってもよい。
【００２０】
ここで、収容体２２の内側を酸化鉄層２３で覆っているのは、原材料２１を溶解する際に、収容体２２を形成している耐火煉瓦等の成分が原材料２１に混入するのを抑制するためである。そして、酸化鉄層２３の成分であるＦｅ及びＯは、仮に酸化鉄層２３の一部が原材料２１に混入したとしても、高クロム鋼の加工性や耐食性を実質的に低下させることがないことを確認している。
【００２１】
また、酸化鉄の層の代わりに、酸化クロムの層やＦｅ、Ｃｒ及びＯからなる酸化物の層で、収容体の内側を覆った場合でも、製造される高クロム鋼の加工性及び耐食性は実質的に低下しないことを確認している。よって、酸化クロムの層やＦｅ、Ｃｒ及びＯからなる酸化物の層を内側に設けた炉を用いて原材料を溶解して高クロム鋼を製造してもよい。
そして、原材料２１を溶解して固化した高クロム鋼は、必要に応じて、熱間圧延や冷間圧延がなされる。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った引張り実験及び耐食実験について説明する。
各実験で用いた高クロム鋼は、質量比で、Ｃｒ、Ｆｅを略同じ割合で含み、残りが、Ｃ：５８ｐｐｍ、Ｓ：１ｐｐｍ、Ｏ：２１３５ｐｐｍ、Ｎ：１９ｐｐｍ、Ａｌ：８ｐｐｍ、Ｓｉ：８ｐｐｍ、Ｐ：４ｐｐｍ、Ｃｕ：１ｐｐｍ、Ｗ：６６ｐｐｍである粉体群を原材料に、上述した第１の実施の形態に係る高クロム鋼の製造方法を適用して製造したものである。
【００２３】
引張り実験においては、固化した後に熱処理（１０００℃）を行った高クロム鋼を試料１とし、試料１を引張った際の公称歪に対する公称応力及び発生する音を計測した。計測結果を図３に示す。図３において、公称歪に対する公称応力の計測結果はグラフＰで示され、試料１を引張った際に発生する音の音圧レベルを計測した結果はグラフＱで示されている。グラフＰより、公称歪が０〜約２．５％の範囲で、公称歪に対し公称応力が比例して増加した後（即ち、弾性変形した後）、公称歪が約２．５〜約４％の範囲でセレーションが生じ、同範囲で顕著に音が発生して（即ち、不均一変形が生じて）いたのが確認できる。そして、公称歪が約４〜２２％の範囲で塑性変形が生じ、公称歪が約２２％に達した際に、試料１が切断された。
【００２４】
また、試料１、試料１に対し圧延（圧延率５０％）した後、更に熱処理（１０００℃）した試料２、及び、ＳＵＳ４３０である試料３のそれぞれについて、試料を引張り、公称歪に対する公称応力を計測した結果を図４に示す。図４において、試料１、２、３の計測結果はそれぞれグラフＰ、Ｒ、Ｓで記す。なお、グラフＰ、Ｒ、Ｓの最も公称歪が大きい値は、その値で、各試料が切断したことを意味する。
【００２５】
図４に示す結果より、試料１に比べ試料２は加工性に優れること、試料２には、試料３と同様に、セレーションが生じなかったこと、及び、試料２が試料１、３に比べ剛性（ヤング率）が大きいことが確認できる。なお、剛性については、弾性変形の段階におけるグラフの上昇率が高いほど剛性が高いことを意味する。
試料１は、試料３と比較し、切断時の公称歪が小さかったものの、試料１の値（約２２％）は、試料３の値（約２５％）の約８８％に当たり、加工性の点で大きな遜色はないことが分かった。そして、試料２は、試料３に比べ、切断時の公称歪の値が大きく、この点において、試料３より優れていた。
【００２６】
次に、硫酸水溶液（５質量％濃度）に対する耐食性を計測した結果を図５に、塩酸水溶液（１Ｎ濃度）に対する耐食性を計測した結果を図６にそれぞれ示す。図５、図６において、縦軸は電流密度（ｉ／μＡｃｍ−２）であり、横軸は電位（Ｅ／Ｖ  ｖｓ  ＳＣＥ）であり、図５、図６それぞれの左のグラフｒ、ｓ、ｔは、溶液中における以下の試料４、５、６それぞれの陽極分極曲線を示し、図５、図６それぞれの右のグラフｒ’、ｓ’、ｔ’は、試料４、５、６を熱処理した試料４’、５’、６’の溶液中における陽極分極曲線を示す。
試料４：試料１を圧延率８０％で圧延した試料
試料５：ＳＵＳ４３０を圧延率８０％で圧延した試料
試料６：ＳＵＳ３０４を圧延率８０％で圧延した試料
【００２７】
図５の各グラフにおいて、電位の変化に対して電流密度の変化が微量となる不動帯域に着目すると、グラフｒの電流密度が、グラフｓ、ｔの電流密度より小さく、グラフｒ’の電流密度が、グラフｓ’、ｔ’の電流密度より小さいことが確認できる。よって、試料４は試料５、６と比較して、試料４’は試料５’、６’と比較して、それぞれ腐食速度が遅く、耐食性に優れていることが分かる。
そして、図６に示す結果から、試料４が試料５、６と比較して、試料４’が試料５’、６’と比較して、それぞれ耐食性に優れていることが分かる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
【符号の説明】
【００２９】
１０：容器、１１：粉体群、１２：レーザ照射機、１３：溶鋼、２０：炉、２１：原材料、２２：収容体、２３：酸化鉄層、Ｌ：レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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