(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素：０．０６重量％以下、シリコン：２．５重量％以下、マンガン：２．５重量％以下、ニッケル：１．０〜６．０重量％、クロム：１０．０〜１９．０重量％、タングステン：０．５〜６．０重量％、モリブデン：３．５重量％以下、ニオブ：０．８重量％以下、バナジウム：０．８重量％以下、銅：３．０重量％以下、窒素：０．１１〜０．２５重量％を含み、残りは鉄と不可避な不純物からなる高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項２】
前記ステンレス鋼にチタニウム：０．８重量％以下またはタンタル：１．０重量％以下を全てまたはいずれか一つをさらに添加することを特徴とする請求項１に記載の高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
炭素：０．０３５重量％以下、シリコン：２．０重量％以下、マンガン：２．０重量％以下、ニッケル：１．５〜４．５重量％、クロム１２．０〜１６．０重量％、タングステン：０．５〜４．５重量％、モリブデン：２．５重量％以下、ニオブ：０．３重量％以下、バナジウム：０．３重量％以下、銅：２．０重量％以下、窒素：０．１１〜０．２５重量％を含み、残りは鉄と不可避な不純物からなる高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
前記ステンレス鋼にチタニウム：０．８重量％以下またはタンタル：１．０重量％以下を全てまたはいずれか一つをさらに添加することを特徴とする請求項３に記載の高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
炭素：０．０６重量％以下、シリコン：２．５重量％以下、マンガン：２．５重量％以下、ニッケル：１．０〜６．０重量％、クロム：１０．０〜１９．０重量％、タングステン：０．５〜６．０重量％、モリブデン：３．５重量％以下、ニオブ：０．８重量％以下、バナジウム：０．８重量％以下、銅：３．０重量％以下、窒素：０．１１〜０．２５重量％を含み、残りは鉄と不可避な不純物からなる鋳造製品を鋳造する段階と、
前記鋳造製品を８００〜１１５０℃の温度範囲で均質化処理する段階または３５０〜５７５℃の温度範囲でテンパリングする段階のうちのいずれか一つの熱処理あるいは二つの熱処理を順次に実施する段階と、
を含むことを特徴とする高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項６】
前記ステンレス鋼にチタニウム：０．８重量％以下またはタンタル：１．０重量％以下を全てまたはいずれか一つをさらに添加することを特徴とする請求項５に記載の高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項７】
炭素：０．０６重量％以下、シリコン：２．５重量％以下、マンガン：２．５重量％以下、ニッケル：１．０〜６．０重量％、クロム：１０．０〜１９．０重量％、タングステン：０．５〜６．０重量％、モリブデン：３．５重量％以下、ニオブ：０．８重量％以下、バナジウム：０．８重量％以下、銅：３．０重量％以下、窒素：０．１１〜０．２５重量％を含み、残りは鉄と不可避な不純物からなる鋳造物を鋳造する段階と、
前記鋳造物に対し、加工硬化を起こす程度に機械加工する段階と、
前記機械加工された製品を８００〜１１５０℃の温度範囲で均質化処理する段階または３５０〜５７５℃の温度範囲でテンパリングする段階のうちのいずれか一つの熱処理あるいは二つの熱処理を順次に実施する段階と、
を含むことを特徴とする高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
【請求項８】
前記ステンレス鋼にチタニウム：０．８重量％以下またはタンタル：１．０重量％以下を全てまたはいずれか一つをさらに添加することを特徴とする請求項７に記載の高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステンレス合金に係り、より詳しくは、ボイラーフィードポンプ（Boiler feed pump）用インペラ及びシャフトまたはナイフなどのように強度及び耐食性を同時に要求する部品に適用される高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ステンレス鋼は主成分によってクロム系とクロム−ニッケル系に大別され、金属組織上ではマルテンサイト（Martensite）系、オーステナイト（Austenite）系、フェライト（Ferrite）系、デュプレックス（Duplex）系と析出硬化（Precipitation hardening）系などに区分され、ここにスーパーステンレス鋼がさらに加わる。
【０００３】
このように区分されるステンレス鋼は耐酸化性及び耐腐食性が優れているため、このような特性が要求される産業用設備構造物及びその部品を製造することに基本素材として広く使用されている。
【０００４】
このようなステンレス鋼のうち、特にマルテンサイト系である４１０系または４２０系ステンレス鋼は強度が非常に優れているとともに、ある程度の耐食性を有しているため、摩耗を誘発する粒子を含有する流体移送用パイプラインまたは速い回転によって強い遠心力を受けるポンプ用インペラの材料として多く利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近の発電所設備は燃料効率を向上させるためにボイラータービンの入口の温度を増加させる傾向があり、また、ボイラータービン用ポンプの場合にも回転速度がより一層増加していて次第に使用環境が苛酷化している。
【０００６】
特に、ボイラーフィードポンプに使用される部品の場合、砂や石炭のような微細な固体粒子または酸化スケールのような摩耗粒子が含まれている流体を移送しなければならないので高い耐摩耗性を備えなければならず、さらに、移送される流体の種類によって必要な耐腐食性を備えなければならない。
【０００７】
しかし、既存のボイラーフィードポンプに使用される部品を製作する時に適用される一般４１０系あるいは４２０Ｊ系マルテンサイトステンレス鋼は、強度は非常に優れているが耐食性が劣るという問題点がある。
【０００８】
これは、マルテンサイト系ステンレス鋼の場合、比較的高い炭素量と１２〜１８％のクロムを含有しているため、熱処理によってマルテンサイト組織を有するようになるので相当水準の高強度を得ることができる反面、高い炭素含量のため結晶粒界にクロム炭化物が析出し粒界周囲のクロム欠乏層が容易に形成されることにより耐腐食性が相対的に低くなるからである。
【０００９】
ボイラーフィードポンプのように高強度及び高耐食性が同時に要求される部品を製作する時に使用される他の材料としては、アヴェスタシェフィールド（Avesta Sheffield）社で開発したスーパーマルテンサイト系２４８ＳＶ合金がある。
【００１０】
この合金は炭素の含量を減少させることによって炭化物偏在による腐食を抑制し、クロムの含量を増加させることによって耐食性をより向上させようとしたものである。しかし、この合金は高強度のマルテンサイト組織を得ることが難しいため、オーステナイト安定化元素としてニッケルを多量添加することによって強度が多少増加するが、高強度ではなく、むしろ耐食性をより向上させたものである。
【００１１】
一方、日本国特許ＪＰ−６１０３０６６５号には、海水による腐食と流体による腐食を改善するためのステンレス鋼が開示されている。しかし、この合金はコバルトが３．５〜７．０％含まれているため非常に高価であり、炭素含有量が０．０８％以上で高いため耐腐食性が多少低いという短所がある。
【００１２】
以上のようにボイラーフィードポンプのような高い耐摩耗性と耐腐食性が要求される部品に使用される従来のステンレス鋼は強度と耐食性のうちのいずれか１つの特性のみを満たすだけであり、ボイラーフィードポンプなどの使用環境に適した２種類の特性を全て備えたステンレス鋼は開発されていない。
【００１３】
本発明は前記問題点を解決するためのものであって、その目的は、ボイラーフィードポンプ用インペラ及びシャフトなどの部品製造に使用される耐摩耗性及び耐腐食性を備えた高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、炭素（Ｃ）： ０．０６重量％以下、シリコン（Ｓｉ）：２．５重量％以下、マンガン（Ｍｎ）：２．５重量％以下、ニッケル（Ｎｉ）：１．０〜６．０重量％、クロム（Ｃｒ）：１０．０〜１９．０重量％、タングステン（Ｗ）：０．５〜６．０重量％、モリブデン（Ｍｏ）：３．５重量％、ニオブ（Ｎｂ）：０．８重量％以下、バナジウム（Ｖ）：０．８重量％以下、銅（Ｃｕ）：３．０重量％以下、窒素（Ｎ）：０．１１〜０．２５重量％を含み残りは鉄（Ｆｅ）と不可避な不純物からなる高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【００１５】
さらに、本発明は、 炭素：０．０３５重量％以下、シリコン：２．０重量％以下、マンガン：２．０重量％以下、ニッケル：１．５〜４．５重量％、クロム１２．０〜１６．０重量％、タングステン：０．５〜４．５重量％、モリブデン：２．５重量％以下、ニオブ：０．３重量％以下、バナジウム：０．３重量％以下、銅：２．０重量％以下、窒素：０．１１〜０．２５重量％を含み残りは鉄と不可避な不純物からなる高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【００１６】
また、本発明は前記の組成を有するステンレス鋼に結晶粒界腐食敏感性をより抑制するためにチタニウム（Ｔｉ）０．８重量％以下またはタンタル（Ｔａ）１．０重量％以下をそれぞれまたは共に添加した高強度及び高耐食性のマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【００１７】
このような組成を有する本発明の合金は、鋳造した状態で８００〜１１５０℃の温度範囲で均質化処理し、均質化処理された製品を３５０〜５７５℃の温度範囲でテンパリング処理してボイラーフィードポンプ用インペラ及びシャフトなどの部品を製造する。ここで、均質化処理またはテンパリング処理は二つの熱処理を順次に全て行うこともでき、いずれか一つの熱処理のみを選択的に行うこともできる。
【００１８】
そして、本発明の組成を有する合金を鋳造した後、合金組織が加工硬化を起こす程度に機械加工する場合には、まず、８００〜１１５０℃の温度範囲で均質化処理し、このように均質化処理された製品を３５０〜５７５℃でテンパリングして必要とする製品を製造する。ここで、このような均質化処理またはテンパリング処理は二つを順次に全て行うこともでき、いずれか一つの熱処理のみを選択的に行うこともできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
本発明の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は海水設備または化学、発電所用設備部品など高強度及び高耐食性が同時に要求される部品を製造する時に主に使用することができる。このようなステンレス鋼は鍛造または鋳造された状態そのままで使用したりこれを機械的に加工して使用することができる。以下、本発明の構成成分の限定理由についてそれぞれ説明する。
【００２１】
まず、炭素はクロム、モリブデン、タングステン、ニオブ及びバナジウムなどのような炭化物形成元素と結合して高硬度の炭化物を形成し、このような炭化物はステンレス鋼の強度を増加させる。特に、炭素はマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）を低くするが、硬化能を向上させる役割を果たす。炭素は一般マルテンサイト系４１０系合金のように０．１５重量％程度に多く添加されると結晶粒界に粗大なクロム炭化物を容易に析出させ耐腐食性を減少させるので、本発明ではその含量を０．０６重量％以下に添加する。本発明で炭素添加効果が最も良い範囲は０．０３５重量％以下である。
【００２２】
シリコンは主に基地金属に残留元素として含まれたり鋳造品製造時に流動性を増加させるために添加されるが、２．５重量％以上になれば機械的特性を大きく減退させるので前記範囲以下で添加しなければならない。シリコンの添加による流動性増加効果は２．０重量％以下に添加する場合が最も大きい。
【００２３】
マンガンはシリコンと同様に基地金属に残留元素として含まれるが、２．５重量％を超過すると延性のような機械的特性を低下させる。このようなマンガンの添加量は２．０重量％以下が好ましい。
【００２４】
ニッケルはオーステナイトを形成させる元素である。また、本発明によるステンレス鋼は炭素の含量が０．０６重量％以下で一般４１０系合金に比べて低い。このような点を考慮すれば、ニッケルの添加量は少なくとも１．０重量％以上が必要である。しかし、その添加量が６．０重量％以上になればマルテンサイト変態開始温度及び共析変態温度（Ａｃ１）を大幅低下させるだけでなく、過時効（over aging）を促進して焼入抵抗性を低下させることがある。従って、ニッケルの添加量は１．０乃至６．０重量％とする。しかし、均一なマルテンサイト組織を形成させ強度の増加を図るために添加されるニッケルの含量は１．５〜４．５重量％であるのが最も好ましい。
【００２５】
クロムは高温酸化及び腐食を効果的に防止して耐食性を向上させるのに不可避な元素である。しかし、クロム含有量が１０重量％以下になれば耐腐食性を維持することが難しく、１９．０重量％以上になればデルタ−フェライト（δ-Ferrite）を安定化させて強度特性を低下させる。本発明で好ましいクロムの添加量は１２．０〜１６．０重量％の範囲である。
【００２６】
タングステンは炭素と結合してＭ2Ｃ（ここでＭは金属元素）のような炭化物を形成させて高温強度及びテンパリング抵抗性を向上させる。特に、耐腐食性合金であるステンレス鋼において、タングステンの添加は与えられた酸度（ｐＨ）で臨界孔食（pitting）抵抗性を改善する。しかし、タングステンの添加量が０．５重量％以下になればその効果が小さく、６．０重量％以上になればその効果が飽和するだけでなく多量のフェライト形成が容易になることにより強度が低下する問題点がある。また、６．０重量％以上添加される場合、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）を大幅に低くすることによってマルテンサイト組織を得ることが難しくなる。本発明でタングステン添加効果が最も良い範囲は０．５〜４．５重量％である。
【００２７】
モリブデンはタングステンと複合添加することによって強度を向上させると共に孔食抵抗性をさらに改善することができる。このようなモリブデン添加効果は３．５重量％以下で期待することができ、２．５重量％以下が最も好ましい。
【００２８】
ニオブとバナジウムはそれぞれＮｂＣとＶ4Ｃ3などのような炭化物を形成して高温強度を向上させることに必要な元素である。しかし、それぞれ０．８重量％以上添加すると靭性及び軟性が減少するので、０．８重量％以上添加しないのが良い。ニオブとバナジウムの好ましい添加量はそれぞれ０．３重量％以下である。
【００２９】
銅は高温水蒸気に対する耐食性と焼入性を向上させて組織の微細化に寄与し、銅複合物を析出させて強度を増加させることができる。しかし、その添加量が３．０重量％以上になれば鋳塊で凝固偏析などを誘発して材料を脆化させる。銅の添加量は２．０重量％以下が最も好ましい。
【００３０】
本発明における特徴のうちの一つは、従来のステンレス鋼とは異なり炭素添加量を減少させ窒素を添加したことである。本発明によるステンレス鋼において窒素はデルタ−フェライトを減少させオーステナイトを安定化させる役割を果たす。また、窒素は合金鋼内でＭ23Ｃ6のような粗大な炭化物への遷移を遅延させてクロム欠乏による耐腐食性をより向上させることができる。しかし、窒素は上記の効果を得るためには少なくとも０．１１重量％以上添加しなければならず、その添加量が０．２５重量％以上になればマルテンサイト変態開始温度を低くしステンレス鋼の靭性を低下させる。このような窒素の添加量は０．１１〜０．２０重量％の範囲内であるのが好ましい。
【００３１】
本発明の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は多様な鋳造法によって鋳造した状態で直接使用することができる。また、鋳造されたインゴット（ingot）を使用して鍛造、圧延または押出しなどのような加工法で機械加工して板材や棒材などとして製造され得る。
【００３２】
また、本発明の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は一般炭素鋼の表面に高機能素材を育成する育成熔接用ワイヤーとしても使用され得る。
【００３３】
本発明の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を鋳造品として製造したり、製造して加工硬化が発生しない範囲内で最小限の機械的加工のみで製品を製造する場合、８００〜１１５０℃の温度範囲で均質化処理して鋳造組織内の鋳造偏析を除去し鋳造組織を改善する。また、このように均質化処理された鋳造製品は選択的に３５０〜５７５℃の温度範囲でテンパリングすることによって最終製品に必要な強度を付与することができる。
【００３４】
また、鋳造された本発明の組成を有する合金を鍛造、圧延または押出しなどのような加工法で加工硬化が発生する程度に機械的加工する場合には、加工方法に関係なしに８００〜１１５０℃の温度で均質化処理した後に３５０〜５７５℃でテンパリングする時、製品の機械的特性が大幅改善される。
【００３５】
以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明をより容易に理解するために提供されるものにすぎず、本発明が下記の実施例に限定されるのではない。
【００３６】
実施例１
下記の表１のような組成を有する原料を真空溶解炉に装入して溶融した後、１５０×１５０×３００ｍｍのサイズのマルテンサイト系ステンレス鋼インゴットを鋳造した。
【表１】
0003768091.tif 000002
【００３７】
鋳造されたインゴットを７５×７５×１５０ｍｍのサイズに切断した。次いで、切断されたインゴットを熱処理炉に入れて１１００℃で２時間均質化処理して試片を制作した。
【００３８】
実施例によって製造された試片の機械的特性はビッカース硬度計で硬度を測定し、万能試験器（Universal Testing Machine）で降伏強度と延伸率を測定し、腐食特性は臨界孔食温度を測定して評価した。
【００３９】
一方、製造された試片の腐食試験は１０％ＦｅＣｌ3．６Ｈ2Ｏ溶液を使用してＡＳＴＭ Ｇ４８Ａ基準によって氷水を用いて０℃から１０℃間隔で臨界孔食温度を測定した。また、腐食速度の測定は１０％ＦｅＣｌ3．６Ｈ2Ｏ溶液を使用してＡＳＴＭ Ｇ４６Ａ基準によって測定した。
【００４０】
本発明の実施例によって製造されたマルテンサイト系ステンレス鋼の硬度と引張特性、腐食特性を表２に示した。
【表２】
0003768091.tif 000003
【００４１】
表２に示されているように、本発明の実施例によって製造されたステンレス鋼は比較例に比べて硬度及び降伏強度が同等であったり３０％まで増加する優れた機械的特性を有しており、延伸率も比較例とほぼ同等な水準を維持している。
【００４２】
また、腐食特性は比較例の場合は全て０℃以下で臨界孔食温度が形成される反面、実施例によって製造されたステンレス鋼は全て１０〜３０℃以下で臨界孔食が発生するので比較例に比べて非常に優れた耐腐食性を有していることが分かる。
【００４３】
本発明の実施例によって製造されたマルテンサイト系ステンレス鋼の腐食速度を表３に示した。
【表３】
0003768091.tif 000004
【００４４】
表３に示されているように、製造されたステンレス鋼は炭素含量が増加するほど腐食速度が増加することが分かる。したがって、本発明の実施例のように炭素含量が少ない場合、腐食速度を大幅に減少させることができる。
【００４５】
本発明の実施例によって製造されたマルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理による腐食速度を表４に示した。
【表４】
0003768091.tif 000005
【００４６】
表４に示されているように、鋳造状態の試片は均質化熱処理を行った試片より腐食速度が約７倍程度速いことが分かる。従って、均質化熱処理を行うことによって製造されたステンレス鋼の耐食性を大幅に向上させることができる。
【００４７】
次に、製造された試片のテンパリング熱処理による機械的特性の変化を実験するために前記均質化処理された試片を３５０〜７５０℃の温度範囲でそれぞれ２時間テンパリング処理し降伏強度と延伸率を測定した。
【００４８】
図１は均質化処理した後にテンパリング処理した実施例６の試片に対して加熱温度によって降伏強度（Yield  stress）を測定したグラフである。図１に示されているように、約３５０〜５７５℃範囲で最も高い強度を維持することが分かる。このような降伏強度パターンは他の実施例によって製造された試片でも同一であったりまたは類似しているように示される。
【００４９】
図２は製造された実施例６の試片に対して熱処理による延伸率（Elongation）変化を示したグラフである。図２に示されているように、均質化またはテンパリングした試片の場合、鋳造状態の試片より延伸率が大幅上昇したことが分かる。このような延伸率変化パターンは他の実施例によって製造された試片でも同一であったりまたは類似しているように示される。
【００５０】
本発明の単純な変形乃至変更はこの分野における通常の知識を有する者によって容易に実施されることができ、このような変形あるいは変更は全て本発明の領域に含まれるものと見なすことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は一般４１０系または４２０Ｊ系ステンレス鋼より機械的特性が少なくとも同等であったりまたは向上しており、耐腐食性も非常に優れているので化学、発電所及び海水露出設備に使用される各種部品に使用することができ、これら部品の耐腐食性及び耐磨耗性を増加させて寿命を向上させることができる非常に経済的な素材を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による試片の熱処理による降伏強度の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例による試片の熱処理による延伸率の変化を示すグラフである。
【図１】
0003768091.tif 000006
【図２】
0003768091.tif 000007