JP3508095B2 - 耐熱疲労性・耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼および製紙用サクションロール胴部材 - Google Patents

耐熱疲労性・耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス鋼および製紙用サクションロール胴部材

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JP3508095B2 JP16808099A JP16808099A JP3508095B2 JP 3508095 B2 JP3508095 B2 JP 3508095B2 JP 16808099 A JP16808099 A JP 16808099A JP 16808099 A JP16808099 A JP 16808099A JP 3508095 B2 JP3508095 B2 JP 3508095B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、製紙用サクション
ロール材等として有用な耐熱疲労性および耐腐食疲労性
等に優れたフェライト−オーステナイト二相ステンレス
鋼およびサクションロール胴部材に関する。
【0002】
【従来の技術】製紙用サクションロールは、抄紙された
湿潤紙の脱水処理に使用される多孔ロールであり、その
ロール胴部は湿潤紙から分離される水分、所謂「白水」
(Cl ,SO 2−等を含む強酸性腐食液)を吸引排
除するための小孔「サクションホール」(開孔率≒20
〜50面積%,ロール1本当たりの孔数は数十萬個にも
及ぶ)が分散穿設された中空円筒体である。ロール胴部
の表面には湿潤紙から水分を搾出するプレスロールの強
い押圧力(ニップ圧)が作用する。サクションロールは
このように厳しい腐食環境に曝され、かつ荷重の負荷も
大きいため、腐食疲労によるクラックを生じ易いことが
問題とされてきた。この問題は、二相ステンレス材料を
ベースとする材質改良、特に腐食疲労強度を高めること
により対処されてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】近年、抄紙速度の高速
化に伴い、サクションロールの実機使用上の新たな問題
として、サクションボックスのシール材とロール胴部と
の接触界面の摩擦熱で、ロール胴部の内面温度が、例え
ば300〜350℃に上昇し、熱サイクルに伴う熱疲労
によりロール胴部にクラックが生じ易くなっていること
が指摘されている。図1において、1はサクションロー
ルの胴部、3はその内部に配置されているサクションボ
ックスである。サクションボックス2は、シール材3
(フェノール樹脂又はグラファイト製等の部材)を介し
てロール胴部1の内周面に当接している。フェルト4に
保持された湿潤紙5はロールの回転周速度に同期してサ
クションロール1とプレスロール2とのロール間を通過
し、搾出される水分は、サクションホール1を介して
サクションボックス3の吸引作用により排除される。
【0004】前記したシール材3の摩擦による発熱
は、シール材に対する潤滑水の供給不足、ロール内周面
に対するシール材の過度の押付け等、メンテナンスの問
題に主として起因している。しかし、抄紙速度の高速化
に伴う上記問題を防止するための完全なメンテナンスを
確保することは困難であり、シール材の擦れの危険性は
ますます高まり、サクションロールの熱疲労によるクラ
ック発生・ロール寿命の低下に対処し得る新たなロール
材料が要請されている。本発明は、上記要請に応えるた
めの改良された熱疲労性を有し、またCr,Mo,Ni
などの高価かつ希少の元素を節減して経済性を高め、か
つサクションロールの製作における良好なドリル加工性
を具備せしめた二相ステンレス鋼を提供するものであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のフェライト−オ
ーステナイト二相ステンレス鋼は、重量%で、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%、および所望により、T
i:0.5%以下,Nb:0.5%以下,V:1.0%
以下,Al:0.5%以下,Zr:0.5%以下,B:
0.5%以下,希土類元素:0.2%以下,Co:1.
0%以下,Ta:1.0%以下,Bi:1.0%以下の
群から選ばれる1種ないし種以上の元素を含有し、残部
は実質的にFeからなり、金属組織に占めるフェライト
含有量(%α)は45〜80面積%であり、下式[1]
および[2]: %Cr+3.3×%Mo+16×%N≦28(%)…[1] %α≧0.2×(%Cr/%N)+25 …[2] を満足する成分バランスを有している。
【0006】二相ステンレス鋼において、Cr,Mo等
の元素は腐食抵抗性に大きな影響を与え、一般的にその
含有量が多いほど腐食抵抗性を高めるといわれている。
しかし、これらは高価かつ希少な元素であり、またその
添加量(いずれもフェライトフォーマである)を高くす
ると、成分バランスの点から、同じく希少元素であるN
i(オーステナイトフォーマ)の添加量を増やす必要が
生じる。更に、これらの元素の増量はドリル加工性の低
下にもつながる。本発明はこれら希少元素を節減しなが
ら、改良された耐熱疲労性,耐腐食疲労特性および良好
なドリル加工性等を具備せしめている。
【0007】まず、本発明の化学組成の限定理由を説明
する。元素の含有量(%)はすべて重量基準である。 C:0.05%以下 Cは、固溶強化作用により合金の強度を高めるが、含有
量が多くなると、クロム炭化物の析出により、靭性の低
下および耐食性の劣化をきたす。従って0.05%を超
えてはならない。
【0008】Si:0.1〜2.0% Siは、合金溶製時の脱酸剤であり、また鋳造時の溶湯
の湯流れ性を改善する元素である。このために、少なく
とも0.1%を必要とするが、多量に添加すると、合金
の靭性および溶接性の低下を招くので、2.0%を上限
とする。 Mn:0.1〜2.0% Mnは、脱酸・脱硫元素として添加される。この効果を
得るには、0.1%以上を要するが、2.0%を超える
と、耐食性の低下をきたすので、これを上限とする。
【0009】Cr:20.0〜23.0% Crは、ミクロ組織におけるフェライト相を形成し、合
金の強度を高める。また、合金の耐食性、特に孔食およ
び粒界腐食抵抗性を高めるために必要な元素である。こ
のため、少なくとも20.0%の含有を必要とする。し
かし,多量に添加すると、靭性および溶接性が低下する
ので、23.0%を上限とする。
【0010】Ni:3.0〜3.9% Niは、強力なオーステナイト生成元素で、ミクロ組織
におけるフェライト−オーステナイトのバランスをとる
ために必要な元素であり、オーステナイト相を形成して
合金の靭性を高める。このために少なくとも3.0%の
含有を必要とする。しかし、Niは高価な元素であり、
3.9%を上限とする。
【0011】Mo:0.5〜1.4% Moは耐食元素であり、特に耐孔食性,耐粒界腐食性の
改善に有効である。この効果は0.5%以上の添加によ
り得られる。しかし、該元素はNiと同様に高価な元素
であり、また増量に伴って合金の靭性の低下を付随する
ので、1.4%以下とする。
【0012】Cu:2.0%以下 Cuは、耐食性,粒界腐食抵抗性を改善する。しかし、
2.0%を超えると、靭性,延性の不足をきたし、また
耐食性も低下するので、これを越えてはならない。好ま
しくは、0.2〜1.0%である。
【0013】N:0.05〜0.2% Nは、オーステナイト生成元素であり、かつオーステナ
イト相に対するCr,Mo等の耐食元素の分配率を増
し、合金の耐食性を高める。また、後記のようにフェラ
イト粒内及び粒界に窒化クロムを微細析出することによ
り、熱疲労損傷に対する抵抗性の強化に寄与する。この
ためには、少なくとも0.05%を必要とする。0.2
%を超えると、鋳造材に引け巣を生じ易くなり、またミ
クロ組織のフェライト相とオーステナイト相のバランス
が損なわれる。好ましくは、0.1〜0.2%である。
【0014】本発明の合金は、所望によりTi,Nb,
V,Al,Zr,B,希土類元素(REM),Co,T
a,Biの1種ないし2種以上の元素が添加される。 Ti,Nb,V,Al,Zr,B,REM(Y,La,
Ce,Sm等):これらの各元素は、微量の添加によ
り、結晶粒を微細化し合金の強度を高める。またドリル
加工性の改善効果を有する。多量の添加は経済性を損な
うだけでなく、靭性の低下等を招く。このため、Ti≦
0.5%,Nb≦0.5%,V≦1.0%,Al≦0.
5%,Zr≦0.5%,B≦0.5%,REM≦0.2
%、にそれぞれ制限すべきである。
【0015】Co,Ta:耐食性改善効果を有する。添
加量は、Co≦1.0%,Ta≦1.0%である。これ
を越える添加は無駄であり、また増量に伴ってドリル加
工性の低下を招く。 Bi:ドリル加工性の改善効果を有する。この効果は
1.0%以下の添加により得られ、これを越える添加は
経済性を損なう。
【0016】[1] 式: %Cr+3.3×%Mo+1
6×%N≦28(%) Cr,MoおよびNの含有量はドリル加工性に影響を与
える。ドリル加工性は、[1]式の値が低いほど良好と
なり、その値が28以下となるようにこれら元素の含有
量を相互調整することにより、充分なドリル加工性を確
保し得ることが判明した。
【0017】フェライト量比(α):45〜80面積% ミクロ組織(フェライト−オーステナイト二相組織)に
占めるフェライト相の量比(面積%)を45〜80%と
するのは、両相のバランス効果として、強度および靭性
を兼備せしめると共に、腐食疲労強度を高め、かつドリ
ル加工性を良好ならしめるためである。フェライト量が
これに満たないと、強度の不足、ドリル加工性の低下を
きたす。フェライト量比の増加は腐食疲労強度を高める
点で有利であるが、80%を越えると、靭性の低下が大
きくなる。
【0018】[2]式: %α(フェライト面積率)≧
0.2×(%Cr/%N)+25 これは、ミクロ組織のフェライト粒内および粒界を、窒
化クロムの微細析出より強化し、熱疲労損傷に対する抵
抗性を増強するための成分調整を規定したものである。
すなわち、フェライトとオーステナイトとは、異なる熱
膨張率(オーステナイトの熱膨張率>フェライトの熱膨
張率)を有するため、サクションロールの実機使用にお
いて、胴部内面がサクションボックスのシール材の摩擦
により昇温する過程では、オーステナイト粒に圧縮、フ
ェライト粒に引張りの微視的な熱応力が発生し、冷却過
程ではオーステナイト粒に引張り、フェライト粒に圧縮
の熱応力が負荷される。ロールの回転運動に伴う昇温・
降温の繰り返しにより、フェライト粒とオーステナイト
粒には圧縮/引張りの熱応力が反転しつつ繰り返し負荷
される。また粒界には、これに加えて剪断の熱応力が重
畳作用する。
【0019】実機に供された材料の詳細な調査結果か
ら,このような粒界およびフェライト粒に対する熱応力
の繰り返しに起因して破壊が始まり、その初期過程で発
生したマイクロクラックが漸次結合・成長して部材の破
損に到ることが判明した。更に検討を重ねた結果、上記
[2]式を満たすように成分調整することにより、鋳造
材の溶体化熱処理における緩徐の冷却過程で、窒化クロ
ムが析出してフェライト粒および粒界が強化される効果
として、熱疲労損傷を低減させ得ることが判明した。
【0020】鋳造材の溶体化熱処理:本発明の二相ステ
ンレス鋼は、鋳造組織中の炭化物の固溶、ミクロ偏析の
解消・均質化のための溶体化熱処理が施される。この熱
処理は、温度900〜1100℃(フェライト−オース
テナイト二相温度域)に適当時間(約1Hr/肉厚1イ
ンチ)加熱保持した後、5℃/分以下の緩徐の冷却(炉
中冷却)を行うことにより達成される。
【0021】溶体化加熱温度を900℃以上とするの
は、炭化物の十分な固溶、均質化を行わせるためであ
り、またこれより低温域ではシグマ相の生成・脆化の危
険を伴う。上限温度を1100℃とするのは、これを越
える高温加熱とする利益がなく、熱経済の無駄、炉のメ
ンテナンスの負担増をきたすほか、高温化に伴いフェラ
イト−オーステナイトの量比のバランスを損なわれるか
らである。溶体化温度からの冷却速度を5℃/分以下に
制限しているのは、残留応力をできるだけ少なくするた
めである。この緩徐の冷却による残留応力の低減、およ
び前述の窒化クロムの析出によるフェライト粒及び粒界
の強化により、改良された熱疲労性が与えられる。な
お、冷却速度は、0.5℃/分より低くする利益はな
く、生産性等の点から、これを下限とするのが適当であ
る。
【0022】本発明の二相ステンレス鋼からなる製紙用
サクションロールのロール胴部材は、遠心力鋳造により
中空円筒体を得、上記溶体化熱処理を施し、ドリル加工
によるサクションホールの穿設、仕上げ加工を施すこと
により製造される。
【0023】
【実施例】表1および2に示す化学組成及び組織を有す
る遠心力鋳造材(中空円筒体)に熱処理を施して供試材
とする。各供試材の溶体化加熱温度は1030℃、加熱
保持時間は2Hrである。各供試材の物性を表3および
4に示す。 供試材(機械加工後):外径250,肉厚50,長さ25
0(mm)
【0024】[腐食試験]ASTM G48A法に準拠
して孔食減量(g/mh)を測定。 腐食試験液:塩化第二鉄溶液(濃度6%,液温50℃) 試験時間:72Hr
【0025】[熱疲労試験]試験体の加熱・冷却を反復
し、クラックが発生するまでの昇・降温の反復回数によ
り耐熱疲労性を評価する。加熱昇温は、試験体の内側面
を高周波加熱コイルで加熱することにより、冷却降温は
外側面を冷却水パイプを介して強制冷却することにより
行った。 試験体:中空円筒体(外径250×肉厚50×長さ25
0,mm) 最高温度:400℃ 最低温度:50℃ 昇温速度:1℃/秒 降温速度:1℃/秒
【0026】[腐食疲労試験]小野式回転曲げ疲労試験
機により、下記試験条件下に腐食疲労破壊に到る反復回
数(破断回数)を測定。 試験片:JIS Z2274 1号(平行部φ10×3
5L) 腐食液(TAPPI II):Cl1000ppm,S
2−1000ppm pH 3.5 回転速度:3000rpm 応力振幅:300MPa(一定)
【0027】[ドリル加工性試験]下記の穴あけ加工に
おける刃先摩耗量(mm)に基づいて加工性を評価す
る。 ドリル:ガンドリル(超硬合金,ドリル径4.0mm) 切削長さ:10m 回転速度:4500rpm 送り速度:60mm/分 切削油圧力:50kg/cm
【0028】[残留応力の測定]リングカット法によ
る。 試験材 中空円筒体(外径250×肉厚50×長さ25
0,mm)
【0029】比較例を示す表2及び表4中、No.21
〜23は従来の二相ステンレス鋼相当材であり、いずれ
も発明例に比しCr,Ni,Mo等の含有量が多く、ま
た[1]式,[2]式の値が本発明の規定から外れてい
る。No.24〜26は発明例に類似する組成を有する
が、No.24はフェライト量が不足すると共に、
[2]式を充足せず、No.25はフェライト量が過剰
であり、No.26は[2]式の規定を充足しない例で
ある。また、No.27およびNo.28はフェライト
量,[2]式等の規定を満たしているが、No.27は
Cr,Ni量、No.28はNi量がそれぞれ不足して
いる例である。なお、No.29は各元素の含有量,フ
ェライト量,[2]式等の各規定を充足しているが、溶
体化加熱温度からの冷却速度が高過ぎる例である。
【0030】比較例No.21〜23はいずれも耐熱疲
労性,耐腐食疲労性にに乏しく、ドリル加工性も低い。
No.24〜26はドリル加工性は良好であるが、耐熱
疲労性の改善効果が不足し、腐食疲労強度も十分でな
い。No.27および28は耐食性が低く、耐熱疲労
性,腐食疲労強度も不十分である。No.29は、腐食
疲労強度が高く,ドリル加工性も良好であるが、耐熱疲
労性に乏しい。他方、発明例は耐熱疲労性、腐食疲労強
度およびドリル加工性等に優れ、機械性質等も良好であ
る。
【0031】
【表1】
【0032】
【表2】
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】
【発明の効果】本発明のフェライト−オーステナイト二
相ステンレス鋼は、強度,靭性等の機械的性質、耐食
性,耐腐食疲労性,耐熱疲労性等に優れていると共に、
良好なドリル加工性を有し、製紙機サクションロール等
の腐食と機械的応力が重畳作用する使用環境に供される
部材料として好適である。殊に、サクションロール材と
して、抄紙速度の高速化に伴うロール胴部材の熱疲労の
問題に効果的に対処することを可能とするものであり、
しかもNi,Mo等の高価な元素を節減された成分構成
を有していることにより、経済性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】製紙工程におけるサクションロール部を示す断
面説明図である。
【符号の説明】
1:サクションロール胴部 1:サクションホール 2:プレスロール 3:サクションボックス 3:シール材 4:フェルト 5:湿潤紙

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.05%以下,Si:
    0.1〜2.0%,Mn:0.1〜2.0%,Cr:2
    0.0〜23.0%,Ni:3.0〜3.9%,Mo:
    0.5〜1.4%,Cu:2.0%以下,N:0.05
    〜0.2%を含有し、残部は実質的にFeからなり、ミ
    クロ組織に占めるフェライト含有量(%α)は45〜8
    0面積%であると共に、下式[1]および[2]: %Cr+3.3×%Mo+16×%N≦28(%)…[1] %α≧0.2×(%Cr/%N)+25 …[2] を満足するように成分バランスされてなる耐熱疲労性・
    耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト
    −オーステナイト二相ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:0.05%以下,Si:
    0.1〜2.0%,Mn:0.1〜2.0%,Cr:2
    0.0〜23.0%,Ni:3.0〜3.9%,Mo:
    0.5〜1.4%,Cu:2.0%以下,N:0.05
    〜0.2%、およびTi:0.5%以下,Nb:0.5
    %以下,V:1.0%以下,Al:0.5%以下,Z
    r:0.5%以下,B:0.5%以下,希土類元素:
    0.2%以下,Co:1.0%以下,Ta:1.0%以
    下,Bi:1.0%以下の群から選ばれる1種ないし種
    以上の元素を含有し、残部は実質的にFeからなり、ミ
    クロ組織に占めるフェライト含有量(%α)は45〜8
    0面積%であると共に、下式[1]および[2]: %Cr+3.3×%Mo+16×%N≦28(%)…[1] %α≧0.2×(%Cr/%N)+25 …[2] を満足するように成分バランスされてなる耐熱疲労性・
    耐腐食疲労性およびドリル加工性等に優れたフェライト
    −オーステナイト二相ステンレス鋼。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載のフェライ
    ト−オーステナイト二相ステンレス鋼からなる遠心力鋳
    造された中空円筒体を、900〜1100℃の温度域で
    溶体化加熱した後、0.5〜5℃/分の冷却速度で冷却
    してなる製紙用サクションロール胴部材。
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