高加工性と高耐食性を併せもつ高クロム鉄合金
九州工業大学大学院工学研究院
物質工学研究系
恵良秀則
1
Fe-Cr合金
Tm(Cr)=1875℃
Tm(Fe)=1537℃
Fig. Fe-Cr二元合金の平衡状態図
2
出発材
Table クロム、]鉄および混合粉末の化学成分 (ppm)
C
S
O
N
Al
Si
P
Cu
Pb
W
Cr powder
47
3
96
14
2
10
3
1
1
17
Fe powder
8
20
483
19
7
16
5
2
5
5
Mixed powder
58
1
2135
19
8
8
4
1
7
66
Cr powder
Fe and Cr powders mixed
③
④
Fig. 粉末の外観
3
粉末の混合方法
Gas inlet
Gas shielding
Cooling water inlet
Cooling tank
Cooling water outlet
Ball
Stirring bar
Fig. アトライター（混合機）の説明図
4
レーザー溶解材の拡大写真
アーク溶解材 (CR: 5%)
レーザー溶解材 (CR: 45%)
Fig. Fe-50Cr合金を冷間圧延したときのクラック発生の様子
5
レーザー溶解
Lens
Shielding glass
Laser Beam
Shielding gas
Mixed powder
Defocused distance (Df)
Fig. レーザー溶解の写真と説明図
6
10mm
10mm
10mm
10mm
7
Fig. (a) 冷間圧延材(CR: 90%).
(b) 引張試験片
(c) 分極測定用冷間圧延材(CR： 60%)
(a)
10mm
(b)
(c)
10mm
8
9
レーザー溶解材のEDS分析
COMP
①
②
Cr
50μm
Fe
①Element Wt%
Fe K
52.3
Cr K
47.7
At%
50.5
49.5
②Element Wt%
Fe K
50.3
Cr K
49.7
At%
48.5
51.5
Fig. EPMA分析結果
10
ミクロ組織
(b)
(a)
200μm
200μm
(c)
(a) 溶解まま材
(b) 熱処理材（1000℃、10分）
50μm
(c) 圧延熱処理材
Fig. 光学顕微鏡組織
11
応力～ひずみ曲線
800
Nominal
stress, MPa
公称応力 (MPa)
700
Fe-18Cr stainless steel
(JIS 430)
600
500
Heat-treated at
1000℃ for 10 min
400
Heat-treated and cold rolled
followed by annealing at
300
1000℃ for 10min
As-melted
200
SUS430
圧延熱処理材 (1000 ℃× 10min)
熱処理材 (1000 ℃× 10min)
溶解まま材
100
00
10
5
10
15
20
Nominal strain, %
25
30
Fig. 引張試験結果
12
セレーションとアコースティックエミッション
(a)
150
(b)
140
Nominal stress, MPa
700
130
600
120
500
110
100
400
90
300
80
200
70
60
100
0
0
Sound intensity, dBA
800
50
50
5
10
15
20
40
Nominal strain, %
Fig. (a) 溶解まま材と(b) 熱処理材の引張試験結果と測音結果
13
不均一変形
ND
TD
(a)
(b)
RD
(c)
Fig. 冷間圧延によるミクロ組織変化
(a) 熱処理材 (1000℃), (b) 冷間圧延材（ 2% ） (c) 冷間圧延材（ 5%））
14
変形初期 (EBSD)
Table Calculated results of rotational angle and rotation axis
Rotational
angle （deg）
Euler” angle (deg）
f1
F
f2
Matrix
181.5
7.7
199.4
Band
223.0
53.0
124.2
Rotation axis, d
q
d1
d2
d3
70.54
0.7
0
-0.7
Table Typical geometrical factors of deformation twin in BCC crystal
10μm
Twin plane
Twin
direction
Rotational
angel (deg)
f
Common
rotation axis
S
{211}
<111>
70.53
<110>
ND
TD
RD
Fig. 5%冷間圧延したとき
の結晶方位マッピング
Deformation band: {211}<111> twin
Mechanism of serrated flow: twin formation
15
変形初期 (TEM)
(b)
(a)
301 B
(c)
1 2 1A
110 B
+
110 A
1 2 1B
301 A
A
B
+
+
2 1 1 A / 2 1 1B
+
+
000
+
+
2 1 1A / 2 1 1B
3 0 1A
+
1 2 1B
1 1 0A
Crystal A
1 1 0B
1 2 1A
3 0 1B
+
Crystal B
Twin spot
B //[ 1 13] A //[1 1 3 ] B
Fig. 5%冷間圧延したときの(a) 明視野像、 (b) 制限視野回折図形、
(ｃ)解析結果
16
変形モードの遷移
800
Nominal stress, MPa
(b)
140
700
130
600
120
500
110
100
400
90
300
80
200
70
60
100
0
Sound intensity, dBA
(a)
150
50
5
10
15
Nominal strain, %
20
40
Fig. 転位組織 (a) 5%圧延材 (b) 10%圧延材
17
硫酸溶液に対する耐食性
10 6
10 6
Solution 5mass%H
2SO4
Fe-Cr 圧延材
Testing Temp.
303K
SUS430
圧延材
圧延材
Sweep rate SUS304
20mV/min
10 4
10 3
10 2
10 5
-2
Current density, i / mAcm
Acm -2
Current density, i / Acm
-2
10 5
SUS430
10
Fe-Cr 圧延熱処理材
SUS430 圧延熱処理材
SUS304 圧延熱処理材
10 4
10 3
SUS430
10 2
SUS304
10
SUS304
1
10 -1
Fe-Cr alloy
-0.8
-0.4
0
+0.4
+0.8
+1.2
Fe-Cr alloy
1
10 -1
Potential , E / V vs SCE
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
Potential
Potential,, E / V vs SCE
Fig. 圧延材 (左) と焼鈍材（右）の陽極分極曲線
18
塩酸溶液に対する耐食性
10 6
10 6
SUS430
3
SUS304
Fe-Cr alloy
10 2
10
1
10 -1
Solution
1N HCl
Testing Temp.
303K
Fe-Cr 圧延材
圧延材
Sweep rateSUS430
20mV/min
SUS304 圧延材
2
10 4
10
10
電流密度, i (μA/cm )
Current density, i /μA/cm-2
電流密度,
mAcm-2-22)
電流密度, ii /(μA/cm
Current density, i /μA/cm
10
5
5
10 4
SUS430
SUS304
10 3
Fe-Cr alloy
10 2
10
1
Fe-Cr 圧延熱処理材
SUS430 圧延熱処理材
SUS304 圧延熱処理材
10 -1
-0.8 -0.4
0
0.4 0.8 1.2
-0.8 -0.4
0
0.4 0.8 1.2
Potential,
vs SCE
Potential,
電位, E / VE/V
vs SCE
電位, E /E/V
V vs vs
SCESCE
電位 , E (V vs SCE)
電位 , E (V vs SCE)
図 1N 塩酸水溶液中における80%圧延材および圧延熱処理材の陽極分極曲線
Fig.圧延材 (左) と焼鈍材（右）の陽極分極曲線
19
高耐食性Fe-５０Cr合金薄板
Fig. 1000時間の塩水噴霧試験（ JIS Z 2137 ）した後の外観
(5mass%NaCl 水溶液)
20
従来技術とその問題点
代表的なステンレス鋼にはSUS304やSUS430など
が挙げられるが、更に過酷な酸化や腐食環境下で
使用されるステンレス鋼への対応が十分ではない。
ステンレス鋼の酸化・耐食性向上にはニッケルやク
ロムなどの合金元素を増やす必要があるが、
ニッケル相場による価格の不安定性
クロム量増加による脆化現象
（高純度化により脆化を回避可能）
等の問題があり、合金元素を増やすことには制限
がある。
21
新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術の問題点であった、高純度は酸素につ
いては必要ないことを見出した。
• 従来は合金の溶解時に、炉壁から進入する不純
物混入を防ぐ目的で、溶融合金を浮遊させて溶解
するコールドクローシブ炉の使用など特殊な方法
が必要であったが、例えばレーザー溶解などの適
用が可能となった。
• 本技術の適用により、熱間鍛造や熱間圧延など
の適用ができることが期待される。
22
想定される用途
• 本合金の特徴は、従来のステンレス鋼より耐食性
に優れていること及び加工が可能であるので、高
耐食性が必要とされる部品に適用することでメリッ
トが大きいと考えられる。
• 上記以外に、加工ままでも焼きなましを行なっても
耐食性は同等であることから、部品の場所で変形
の程度が異なっても耐食性に影響ないと考えられ
る。
• また、本合金は生体材料やバイオリアクターさら
には原子力といった分野や用途に展開することも
可能と思われる。
23
実用化に向けた課題
• 現在、レーザー溶解法で製造が可能なところ
まで確認済み。しかし、大型部品（例えば大口
径パイプなど）の製造法について未解決であ
る。
• 今後、耐火物について実験データを取得し、
大型化のための研究を行っていく。
• 実用化に向けて、他の不純物元素の特定を
行なう必要もある。
24
企業への期待
• 未解決の大型化については、耐火物メーカー
との共同研究により克服できると考えている。
• 鉄鋼製造や部品製造、あるいは金属加工の
技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、バイオリアクターを開発中の企業、生体
材料、または原子力分野への展開を考えてい
る企業には、本技術の導入が有効と思われる。
25
本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称 ：高クロム鋼及びその製造
出願番号 ：特願2016-45919
出願人
：九州工業大学
発明者
：恵良 秀則
26
産学連携の経歴
・2009年-2010年 JST地域イノベーション創出総合支援
事業・重点地域研究開発推進プログラ
ムに採択
・2012年-2013年 A-STEP研究成果展開事業研究成果
最適展開プログラムに採択
27
お問い合わせ先
九州工業大学
イノベーション推進機構
産学連携・ＵＲＡ領域
知的財産部門長（教授） 中村 邦彦
ＴＥＬ 093－884 － 3499
ＦＡＸ 093－884 － 3531
e-mail [email protected]
28
要点
• 本製造法で作製した高クロム鉄合金は,高加工性と高耐食性を
併せもち, 厳しい腐食条件化でも耐える加工用部品として適用
できる.
29
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