特許 7236168 高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-01

(45)【発行日】2023-03-09

(54)【発明の名称】高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材

(51)【国際特許分類】

   C22C 30/00 20060101AFI20230302BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20230302BHJP

   C22C 27/06 20060101ALI20230302BHJP

   C22C 30/02 20060101ALI20230302BHJP

   C22C 30/04 20060101ALI20230302BHJP

   C22C 38/56 20060101ALI20230302BHJP

   C22C 1/04 20230101ALI20230302BHJP

   C22C 33/02 20060101ALI20230302BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20230302BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20230302BHJP

【ＦＩ】

C22C30/00

C22C38/00 302Z

C22C27/06

C22C30/02

C22C30/04

C22C38/56

C22C1/04 E

C22C33/02 C

B22F3/105

B23K35/30 340B

B23K35/30 340Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021122386

(22)【出願日】2021-07-27

(65)【公開番号】P2023007265

(43)【公開日】2023-01-18

【審査請求日】2021-07-28

(31)【優先権主張番号】110124028

(32)【優先日】2021-06-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】595064050

【氏名又は名称】國立清華大學

(74)【代理人】

【識別番号】100082418

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 朔生

(74)【代理人】

【識別番号】100167601

【弁理士】

【氏名又は名称】大島 信之

(74)【代理人】

【識別番号】100201329

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 真二郎

(74)【代理人】

【識別番号】100220917

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 忠大

(72)【発明者】

【氏名】葉均蔚

【審査官】川口 由紀子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２６８５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１６８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２８５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平１０－５００１７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３０／００

Ｃ２２Ｃ ３８／００

Ｃ２２Ｃ ２７／０６

Ｃ２２Ｃ ３０／０２

Ｃ２２Ｃ ３０／０４

Ｃ２２Ｃ ３８／５６

Ｃ２２Ｃ １／０４

Ｃ２２Ｃ ３３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熔解及び凝固を経て得られる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材であって、
硬度がＨＶ４００より大きく、
組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、及びバランス量のＦｅからなり、
Ｎｉのｗｔ％に対するＦｅのｗｔ％の比率は、５～１０、かつＣのｗｔ％に対するＣｒのｗｔ％の比率は、１０～３３の条件を満足することを特徴とする、
高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材。

【請求項2】

高強度及び高耐腐食性を要求される物品の製造に応用されることを特徴とする、請求項１に記載の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材。

【請求項3】

熔解及び凝固を経て得られる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材であって、
硬度がＨＶ４００より大きく、
組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、５ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅからなり、
Ｎｉのｗｔ％に対するＦｅのｗｔ％の比率は、５～１０、かつＣのｗｔ％に対するＣｒのｗｔ％の比率は、１０～３３の条件を満足し、
Ｍは、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の微量添加元素を含み、
ＭとしてＳｉを含有する場合には、Ｓｉの含有量が１．５ｗｔ％を超えないことを特徴とする、
高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材。

【請求項4】

高強度及び高耐腐食性を要求される物品の製造に応用されることを特徴とする、請求項３に記載の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、合金材料の関連技術分野に係り、特に、熔解及び凝固を経て得られる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材に関するものである。

【背景技術】

【0002】

１００年程前から、クロミウム、ニッケルを主に含む各種のステンレス鋼が、その優れた耐腐食特性により種々の産業分野において広汎に応用されている。現在、市場で購入可能なステンレス鋼の品種は、２３０余りの多数に達する。その内、よく使用されている主流の品種は、５０近くあり、それぞれがさらにオーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、二相系、及び析出硬化系などの５種のタイプに分類される。

【0003】

航空宇宙（例えば、タービン羽根）と海洋工程（例えば、海洋施設部材）を満足するためには、特殊用途ステンレス鋼（Ｓｐｅｃｉａｌ ｕｓｅ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ，ＳＵＳ）の需要に対応して、１９４０年代以来、各国政府は、いずれも特殊用途ステンレス鋼の開発上、とりわけオーステナイト系ステンレス鋼（Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、マルテンサイト系ステンレス鋼（Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）と析出硬化系ステンレス鋼（Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ（ＰＨ）ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）の開発に莫大な労力と資金を投資している。

【0004】

より詳細に説明すると、常用のオーステナイト系ステンレス鋼として、例えば、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４が挙げられ、その内、ＳＵＳ３０１中に１６～１８ｗｔ％のクロミウム及び６～８ｗｔ％のニッケルを含有し、そしてＳＵＳ３０４中には１８～２０ｗｔ％のクロミウム及び８～１０．５ｗｔ％のニッケルを含有する。オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工を行ってその硬度を向上させることができるものの、最高硬度は約ＨＶ５００までである。説明に値するのは、ＳＵＳ３０１のクロミウムの含有量がＳＵＳ３０４のクロミウムの含有量よりも低いため、ＳＵＳ３０１の耐腐食性は、ＳＵＳ３０４に比べてやや劣る点である。

【0005】

一方、マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ、焼戻しなどの処理方法によって優れた機械的性質を得る鋼種と指称される。一般的に言えば、マルテンサイト系ステンレス鋼は、１２～１７ｗｔ％のクロミウム及び十分な炭素を含有し、かつ焼戻し及び／または焼入れなどの熱処理を通じてさらに硬化させることができる。マルテンサイト系ステンレス鋼の性能は、オーステナイト化処理によって大まかに決定され、異なる硬度、耐摩耗性と耐腐食性などの特性は、焼入れ組織によって決定される。このため、オーステナイト化過程を正確に制御することが非常に重要となる。例えば、ＳＵＳ４４０はマルテンサイト系ステンレス鋼の一種であり、ＨＶ８００まで高い硬度に達する。しかし残念ながら、限定されたクロミウムの含有量とすることで、マルテンサイト系ステンレス鋼の耐腐食性にはまだ改善の余地があった。

【0006】

また、析出硬化系ステンレス鋼を、ＰＨステンレス鋼と略称し、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ三元系合金中に少なくとも１種の析出強化元素（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ）を添加することにより、その後に時効熱処理を利用してそれに析出硬化を発生させる鋼種と指称する。例えば、ＳＵＳ６３０は、析出硬化系ステンレス鋼の一種であり、その内部微構造は、マルテンサイト相及びＣｕ－Ｎｉ合金析出物を含む。また、ＳＵＳ６３０の硬度は、異なる質別（ｔｅｍｐｅｒ）に応じてＨＶ２９０～ＨＶ３８０の間にある。

【0007】

総合的に言うと、オーステナイト系ステンレス鋼とマルテンサイト系ステンレス鋼は、いずれも優れた硬度を有するものの、両者の耐腐食性を強化することが求められている。一方、ＰＨステンレス鋼は、優良な耐食性を持つものの、含炭素量が低いため、ＰＨステンレス鋼の硬度は、オーステナイト系ステンレス鋼とマルテンサイト系ステンレス鋼の硬度よりも大幅に低い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

前述の説明から分かるように、合金製造メーカーにとって、如何にして高強度と高耐腐食性を兼ね備えた合金材料を開発するかが現段階における重要な課題となっている。以上に鑑みて、本願の発明者は、極力研究発明した結果、遂に一種の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材を開発して完成させた。

【0009】

本発明の主要な目的は、熔解及び凝固を経て得られる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材を提供することである。本発明は、その硬度がＨＶ４００より大きく、かつその組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、５≦Ｆｅ／Ｎｉ≦１０、かつ１０≦Ｃｒ／Ｃ≦３３の条件を満足する。実験データから、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材的多数個のサンプルの硬度は、いずれもＨＶ４００よりも高いと同時に、Ｃｒの含有量が高いので、高耐腐食性能をも有することが示された。このため、実験データから、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、従来公知の高強度ステンレス鋼に代替でき、例えば、航空、運輸、海洋施設部材、化学工業設備及び配管材、発動機部品、タービン羽根、バルブ、軸受、建材、スポーツ器具などの種々の産業分野において応用することができることが実証された。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の目的を達成するため、本発明が提供するかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の第１実施例は、その硬度がＨＶ４００より大きく、かつその組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、５≦Ｆｅ／Ｎｉ≦１０、かつ１０≦Ｃｒ／Ｃ≦３３の条件を満足する。

【0011】

また、本発明がさらに提供するかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の第２実施例は、その硬度がＨＶ４００より大きく、かつその組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、５ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、５≦Ｆｅ／Ｎｉ≦１０、かつ１０≦Ｃｒ／Ｃ≦３３の条件を満足し、その内、Ｍは、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の微量添加元素を含み、その内、ＭとしてＳｉを含有する場合には、Ｓｉの含有量が１．５ｗｔ％を超えない。

【0012】

実行可能な実施例において、かかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、真空アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、機械的合金法と放電プラズマ焼結法の併用、及び粉末冶金法からなる群から選択される１種の処理方法を利用して作製される。

【0013】

実行可能な実施例において、かかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、三次元積層造形、機械加工、及び化学加工からなる群から選択される１種の処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工される。

【0014】

実行可能な実施例において、かかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、熔解凝固を経た鋳造状態の合金、または熱処理を経た後の熱処理状態の合金であり、かつかかる熱処理は、時効硬化処理、焼鈍軟化処理及び均質化処理からなる群から選択されるいずれか１種の処理である。

【発明の効果】

【0015】

本発明は、一種の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の用途を同時に提供し、これが高強度及び高耐腐食性を求められる、例えば、航空、運輸、海洋施設部材、化学工業設備及び配管材、発動機部品、タービン羽根、バルブ、軸受、建材、スポーツ器具などの物品の産業分野に応用される。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明にかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材及びその用途をより明瞭に記述するために、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を以下に詳細に説明する。

【0017】

（実施例１）
実施例１において、本発明は、熔解及び凝固を経て得られるかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材を提供する。その硬度はＨＶ４００より大きく、かつその組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、５≦Ｆｅ／Ｎｉ≦１０、かつ１０≦Ｃｒ／Ｃ≦３３の条件を満足する。

【0018】

（実施例２）
実施例２において、本発明は、熔解及び凝固を経て得られるかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材を提供する。その硬度はＨＶ４００より大きく、かつその組成の合計を重量百分率で表して、３０～６８ｗｔ％のＣｒ、１．５～８ｗｔ％のＮｉ、１．６～６ｗｔ％のＣ、５ｗｔ％を超えないＭ、及びバランス量のＦｅと不可避不純物を含み、その内、５≦Ｆｅ／Ｎｉ≦１０、かつ１０≦Ｃｒ／Ｃ≦３３の条件を満足する。実行可能な実施例において、Ｍは、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の微量添加元素を含む。特に、本発明の設計によれば、ＭとしてＳｉを含有する場合には、Ｓｉの含有量が１．５ｗｔ％を超えない。

【0019】

実際の応用時、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、真空アーク融解法、電熱糸加熱法、誘導加熱法、急速凝固法、あるいは粉末冶金法を利用して製造して得られてもよく、または機械的合金法と放電プラズマ焼結法を併用して製造して得られてもよい。中国特許公開第１０６１６７８７０（Ａ）号には、その内、機械的合金法と放電プラズマ焼結法を併用して合金バルク材を製作する製造工程が既に開示されている。特に説明する点は、本発明においてかかる高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の状態について特に制限はなく、このため、それは、熔解凝固を経た鋳造状態の合金であってもよく、または熱処理を経た後の熱処理状態の合金であってもよい点である。長期間にわたって、合金の設計と製造を行う材料エンジニアであれば、かかる熱処理は、時効硬化処理、焼鈍軟化処理、あるいは均質化処理であってもよいことが理解されるべきである。

【0020】

一方、実際の応用時に、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、鋳造、アーク溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、熱スプレー、三次元積層造形、機械加工、あるいは化学加工などの処理方法を利用して目標ワークの表面上に被覆加工されてもよい。

【0021】

特に説明する点は、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、従来公知の高強度ステンレス鋼に代替するために用いられ、従って、例えば、航空、運輸、海洋施設部材、化学工業設備及び配管材、発動機部品、タービン羽根、バルブ、軸受、建材、スポーツ器具などの種々の産業分野において応用される点である。

【0022】

上記本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の実施例１及び実施例２は、的確に実施することが可能であることを実証するために、多数組の実験資料の表現に沿って、実証を行ったものである。

【0023】

（実験例１）
実験例１において、真空アーク融解炉を利用して本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理及び硬度測定を行った。かかる多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（１）にまとめて示す。

【0024】

【表1】

【0025】

表（１）から、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、主要元素としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＣを含み、かつ各個のサンプルの硬度は、いずれもＨＶ７５０よりも大きいことが容易に発見できる。説明に値するのは、高含有量のクロミウムと炭素により、大量の高強度炭化物が合金中に散在分布するように形成され、従って、本発明の合金バルク材の強度を大幅に高めることができる点である。

【0026】

さらに、上記の表（１）から、７種のサンプルは、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の実施例１及び実施例２の成分組成を同時に含むことが発見できる。このため、表（１）の実験データからは、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、確かにＨＶ４００より大きい高硬度を有することが実証された。

【0027】

（実験例２）
実験例２において、真空アーク融解炉を同様に利用して本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の多数個のサンプルを製造すると共に、次に、各個のサンプルに対して均質化処理及び硬度測定を行った。かかる多数個のサンプルの組成及びその関連実験データを下記の表（２）～表（８）にまとめて示す。

【0028】

【表2】

【0029】

【表3】

【0030】

【表4】

【0031】

【表5】

【0032】

【表6】

【0033】

【表7】

【0034】

【表8】

【0035】

上記の表（２）～表（８）から、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の５４種のサンプルは、いずれもＨＶ４００より大きい高硬度を有することが発見できる。

【0036】

以上、実際の測定データから、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材的多数個のサンプルの硬度は、いずれもＨＶ４００よりも高いと同時に、Ｃｒの含有量が高いので、高耐腐食性能をも有することが既に実証されている。このため、本発明の高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材は、従来公知の高強度ステンレス鋼に代替することができることから、例えば、航空、運輸、海洋施設部材、化学工業設備及び配管材、発動機部品、タービン羽根、バルブ、軸受、建材、スポーツ器具などの種々の産業分野において応用されうる。

【0037】

以上、本発明に開示された高強度耐腐食鉄クロム合金バルク材の全ての実施例を明瞭かつ十分に説明してきた。しかしながら、強調すべき点は、上記で開示されるものは、単なる好適な実施例であり、一部の変更または修飾は、本願の技術思想をもとにして、本願の特許権の範疇を逸脱しない限り、当該技術に習熟している者であれば、容易に推察できる点である。