JP3747585B2 - 加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents
加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼の改良に関し、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の機械類の部品の中で、高い硬度を要求されるものの材料とするステンレス鋼としては、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどが代表的な材料として使用されて来た。 しかし、ＳＵＳ４２０Ｊ２は耐食性が高いとはいえない上に、焼入れ後の硬度が不十分であり、一方、ＳＵＳ４４０Ｃは焼入れ後の硬度は良好であるが、耐食性が劣る上、製造時に巨大な共晶炭化物が鋼中に残留しやすく、そのため熱間および冷間の加工性が劣るという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＪＩＳで規格化されているマルテンサイト系ステンレス鋼の中で最も高い硬度をもつ、ＳＵＳ４４０Ｃの硬さ規格ＨＲＣ≧５８を満たす硬さと、ＳＵＳ４２０Ｊ２の耐食性を超える耐食性とを有し、さらに熱間および冷間の加工性を向上させた、高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼は、基本的な合金組成としては、重量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：１０．０〜１５．０％およびＮ：０．０６〜０．２０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、かつＯ：０．０１０％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼は、上記の基本的な合金組成に加えて、下記のグループの成分を、少なくともひとつ含有することができる。
【０００６】
（１）Ｍｏ：０．１０〜１．０％およびＮｉ：０．１０〜１．０％の１種または２種、
（２）Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％およびＣａ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上、
（３）Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｗ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％およびＮｂ：０．０５〜０．５０％の１種または２種以上、
（４）ＲＥＭ：０．０１０〜０．０５０。
【０００７】
本発明鋼における各合金成分の役割と組成範囲の限定理由を述べれば、つぎのとおりである。
【０００８】
Ｃ：０．２９〜０．５０％
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼の硬さを得るために最も重要な元素の一つである。０．２９％未満では、焼入れ焼戻し後の硬さが前記したＳＵＳ４４０Ｃの焼入れ焼戻し硬さ下限であるＨＲＣ５８を超える硬さを得ることができず、０．５０％を超える添加は、粗大な炭化物を生成させて、加工性および耐食性を低下させる。
【０００９】
Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは脱酸剤であり、必要な限度で添加するが、靱性を低下させる成分であるから、その上限を１．５％とした。
【００１０】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、同時に、鋼中のＳを固定するはたらきをする。 多量の添加は、焼入れ時の残留オーステナイトを増加させ、硬度の低下を招く。 そこで、上限を２．０％とした。
【００１１】
Ｃｕ：０．５〜２．０％
Ｃｕもオーステナイト生成元素のひとつであり、耐食性および靱性の向上に寄与する。 とくに本発明においては、耐食性の向上への寄与が著しい。 ０．５％未満では効果が低く、２．０％を超える添加は、熱間加工性を劣化させるとともに、焼入れ時の残留オーステナイトを増加させ、やはり硬度を低下させる。 これらの兼ね合いで、上記の範囲０．５〜２．０％をえらんだ。
【００１２】
Ｃｒ：１０．０〜１５．０％
Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素であり、十分な耐食性をもたせるためには１０．０％以上の添加が必要であるが、１５．０％を超えるとＭ７Ｃ３型の粗大な炭化物が晶出し、加工性を下げる。この理由で、１０．０〜１５．０％の範囲を定めた。
【００１３】
Ｎ：０．０６〜０．２０％
Ｎは、強度の向上に大きく寄与し、Ｃを低減して炭化物の生成を抑えつつ硬度を高めることを可能にする結果、耐食性および加工性が向上する。 ０．０６％未満の添加ではその効果が小さく、０．２０％を超えて添加すると、凝固時に窒素ブローが発生して、製造が困難となる。 従って含有量の範囲を０．０６〜０．２０％とした。
【００１４】
本発明の鋼において不純物の含有量を規制する理由は、つぎのとおりである。
【００１５】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、粒界腐食性を劣化させるので含有量は低い方が望ましいが、極度に低下させることは製造コストを上昇させる。 許容できる限度として、０．０３％を設けた。
【００１６】
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは、Ｍｎと化合物をつくり耐食性を劣化させるため、やはり含有量は低い方が望ましい。 しかしこれも、極度に低下させようとすると製造コストの上昇につながるので、許容限度０．００５０％を設けた。
【００１７】
Ａｌ：０．０３０％以下
Ａｌは脱酸剤として使用されるが、多量の添加は多量の酸化物が生成する結果を招き、冷間加工性を低くするので、その上限を０．０３０％とした。
【００１８】
Ｏ：０．０１０％以下
Ｏは金属元素と結合して介在物をつくり、冷間加工性を劣化させる。 許容限度が０．０１０％である。
【００１９】
任意に添加することのできる合金成分の作用と組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【００２０】
Ｍｏ：０．１０〜１．０％
Ｍｏは、マトリクスに固溶し、耐食性をいっそう向上させ、固溶強化により硬さを高める。 その効果は０．１０％未満では小さい。 １．０％を超えると、炭化物中にＭｏが含まれることにより炭化物が粗大化する。 結局、その範囲を０．１０〜１．０％とした。
【００２１】
Ｎｉ：０．１０〜１．０％
Ｎｉは、耐食性の向上に寄与し、他方で凝固時の窒素ブローを抑制する効果がある。 ０．１０％未満ではほとんど効果がなく、１．０％を超えると焼入れ硬さを低下させるので、その範囲を０．１０〜１．０％とした。
【００２２】
Ｂ：０.００１〜０.０１０、Ｍｇ:０.００１〜０.０１０％、Ｃａ:０．００１〜０．０１０％
Ｂ，ＭｇおよびＣａは、いずれも熱間加工性を向上させる元素である。 その効果は、０．００１％未満では小さく、０．０１０％を超えると、かえって熱間加工性を害するため、その範囲を０．００１〜０．０１０％とした。
【００２３】
Ｖ：０.０５〜０.５０、Ｗ：０．０５〜０．５０、Ｔｉ：０．０５〜０．５０、Ｎｂ：０．０５〜０．５０
Ｖ，Ｗ，ＴｉおよびＮｂは、安定化した微細な炭化物を形成し、それによって結晶粒を微細化して、強度、靱性等の機械的性質を向上させる。 ０．０５％未満ではほとんど効果がなく、０．５０％を超えると、加工性および靱性が低下する。
【００２４】
ＲＥＭ：０．０１０〜０．０５０
ＲＥＭは、鋼の脱硫、脱酸に有効な元素であり、また熱間加工性を改善する目的で添加してもよい。 ０．０１０％未満では効果が乏しく、０．０５０％を超えると、逆に熱間加工性を害する。
【００２５】
【実施例】
本発明を具体的に説明するため、以下にその実施例を示す。 表１Ａおよび表１Ｂに示す化学成分（重量％、残部Ｆｅ）の鋼を高周波誘導炉で溶製し、５０kg鋼塊に鋳造した。
【００２６】
【表１Ａ】
【表１Ｂ】
これらの鋼塊から、まずグリーブル試験片を採取した。残りの鋼材を直径２０mmの丸棒に鍛伸し、８５０℃×４Ｈｒ加熱・空冷の焼鈍し処理を施して、焼鈍し後の硬さをしらべるための試料と、限界割れ試験の試験片とを採取した。それらに対して、１０５０℃×３０分間加熱・油冷後、１５０℃×６０分間加熱・空冷の条件で焼入れ・焼戻しを実施し、焼入れ・焼戻し後の硬さをしらべるための試料と、湿潤試験片とを採取した。
【００２７】
グリーブル試験は、Ｍ６×１１０mmの試験片を、１００sec.の間に所望の温度に加熱し、その温度に６０sec.保持した後に、２in／sec.の速度で引っ張ることにより行なった。 そのときの絞り値が６０％以上である温度範囲がどうであるかによって、熱間加工性を評価した。 評価は、つぎの四段階とした：
Ａ：３００℃以上、
Ｂ：２５０℃〜３００℃、
Ｃ：２００℃〜２５０℃、および
Ｄ：２００℃以下。
【００２８】
限界割れ試験は、径１５mm×高さ２２．５mmの試験片を使用して、端面拘束圧縮試験を行なって、５０％に割れが発生する限界の圧縮率を求めた。
【００２９】
湿潤試験は、径１５mm×高さ１１５mmの試験片を使用して、５０℃×９５％ＲＨ雰囲気中で９６Hr保持した後の、腐食の有無を確認することにより行なった。試験後の評価は、つぎの四段階とした：
Ａ：腐食せず、
Ｂ：若干の腐食あり、
Ｃ：腐食あり、および
Ｄ：全面腐食。
【００３０】
上記の各試験の結果を、表２Ａおよび表２Ｂに示す。
【００３１】
表２Ａ 実施例
表２Ｂ 比較例
【００３２】
比較例１は、ＣとＮの添加量が少ないため、硬さの要求を満足しない。 比較例２は、Ｃの添加量が多すぎるため、熱間および冷間の加工性と、耐食性において劣る。 比較例３は、Ｃｕを添加しないため耐食性が劣る。 その他の比較例についても、熱間加工性、硬さ、耐食性のいずれかに問題があることが、表２Ａおよび２Ｂのデータからわかる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼が提供される。 この材料を使用することにより、各種機械類の部品（たとえば、軸受け、シャフト等）において、高硬度と耐食性の要求を、同時に満たすことができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼の改良に関し、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の機械類の部品の中で、高い硬度を要求されるものの材料とするステンレス鋼としては、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどが代表的な材料として使用されて来た。 しかし、ＳＵＳ４２０Ｊ２は耐食性が高いとはいえない上に、焼入れ後の硬度が不十分であり、一方、ＳＵＳ４４０Ｃは焼入れ後の硬度は良好であるが、耐食性が劣る上、製造時に巨大な共晶炭化物が鋼中に残留しやすく、そのため熱間および冷間の加工性が劣るという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ＪＩＳで規格化されているマルテンサイト系ステンレス鋼の中で最も高い硬度をもつ、ＳＵＳ４４０Ｃの硬さ規格ＨＲＣ≧５８を満たす硬さと、ＳＵＳ４２０Ｊ２の耐食性を超える耐食性とを有し、さらに熱間および冷間の加工性を向上させた、高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼は、基本的な合金組成としては、重量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：１０．０〜１５．０％およびＮ：０．０６〜０．２０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、かつＯ：０．０１０％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼は、上記の基本的な合金組成に加えて、下記のグループの成分を、少なくともひとつ含有することができる。
【０００６】
（１）Ｍｏ：０．１０〜１．０％およびＮｉ：０．１０〜１．０％の１種または２種、
（２）Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％およびＣａ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上、
（３）Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｗ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％およびＮｂ：０．０５〜０．５０％の１種または２種以上、
（４）ＲＥＭ：０．０１０〜０．０５０。
【０００７】
本発明鋼における各合金成分の役割と組成範囲の限定理由を述べれば、つぎのとおりである。
【０００８】
Ｃ：０．２９〜０．５０％
Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼の硬さを得るために最も重要な元素の一つである。０．２９％未満では、焼入れ焼戻し後の硬さが前記したＳＵＳ４４０Ｃの焼入れ焼戻し硬さ下限であるＨＲＣ５８を超える硬さを得ることができず、０．５０％を超える添加は、粗大な炭化物を生成させて、加工性および耐食性を低下させる。
【０００９】
Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは脱酸剤であり、必要な限度で添加するが、靱性を低下させる成分であるから、その上限を１．５％とした。
【００１０】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、同時に、鋼中のＳを固定するはたらきをする。 多量の添加は、焼入れ時の残留オーステナイトを増加させ、硬度の低下を招く。 そこで、上限を２．０％とした。
【００１１】
Ｃｕ：０．５〜２．０％
Ｃｕもオーステナイト生成元素のひとつであり、耐食性および靱性の向上に寄与する。 とくに本発明においては、耐食性の向上への寄与が著しい。 ０．５％未満では効果が低く、２．０％を超える添加は、熱間加工性を劣化させるとともに、焼入れ時の残留オーステナイトを増加させ、やはり硬度を低下させる。 これらの兼ね合いで、上記の範囲０．５〜２．０％をえらんだ。
【００１２】
Ｃｒ：１０．０〜１５．０％
Ｃｒは、耐食性の確保に必須の元素であり、十分な耐食性をもたせるためには１０．０％以上の添加が必要であるが、１５．０％を超えるとＭ７Ｃ３型の粗大な炭化物が晶出し、加工性を下げる。この理由で、１０．０〜１５．０％の範囲を定めた。
【００１３】
Ｎ：０．０６〜０．２０％
Ｎは、強度の向上に大きく寄与し、Ｃを低減して炭化物の生成を抑えつつ硬度を高めることを可能にする結果、耐食性および加工性が向上する。 ０．０６％未満の添加ではその効果が小さく、０．２０％を超えて添加すると、凝固時に窒素ブローが発生して、製造が困難となる。 従って含有量の範囲を０．０６〜０．２０％とした。
【００１４】
本発明の鋼において不純物の含有量を規制する理由は、つぎのとおりである。
【００１５】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、粒界腐食性を劣化させるので含有量は低い方が望ましいが、極度に低下させることは製造コストを上昇させる。 許容できる限度として、０．０３％を設けた。
【００１６】
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは、Ｍｎと化合物をつくり耐食性を劣化させるため、やはり含有量は低い方が望ましい。 しかしこれも、極度に低下させようとすると製造コストの上昇につながるので、許容限度０．００５０％を設けた。
【００１７】
Ａｌ：０．０３０％以下
Ａｌは脱酸剤として使用されるが、多量の添加は多量の酸化物が生成する結果を招き、冷間加工性を低くするので、その上限を０．０３０％とした。
【００１８】
Ｏ：０．０１０％以下
Ｏは金属元素と結合して介在物をつくり、冷間加工性を劣化させる。 許容限度が０．０１０％である。
【００１９】
任意に添加することのできる合金成分の作用と組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【００２０】
Ｍｏ：０．１０〜１．０％
Ｍｏは、マトリクスに固溶し、耐食性をいっそう向上させ、固溶強化により硬さを高める。 その効果は０．１０％未満では小さい。 １．０％を超えると、炭化物中にＭｏが含まれることにより炭化物が粗大化する。 結局、その範囲を０．１０〜１．０％とした。
【００２１】
Ｎｉ：０．１０〜１．０％
Ｎｉは、耐食性の向上に寄与し、他方で凝固時の窒素ブローを抑制する効果がある。 ０．１０％未満ではほとんど効果がなく、１．０％を超えると焼入れ硬さを低下させるので、その範囲を０．１０〜１．０％とした。
【００２２】
Ｂ：０.００１〜０.０１０、Ｍｇ:０.００１〜０.０１０％、Ｃａ:０．００１〜０．０１０％
Ｂ，ＭｇおよびＣａは、いずれも熱間加工性を向上させる元素である。 その効果は、０．００１％未満では小さく、０．０１０％を超えると、かえって熱間加工性を害するため、その範囲を０．００１〜０．０１０％とした。
【００２３】
Ｖ：０.０５〜０.５０、Ｗ：０．０５〜０．５０、Ｔｉ：０．０５〜０．５０、Ｎｂ：０．０５〜０．５０
Ｖ，Ｗ，ＴｉおよびＮｂは、安定化した微細な炭化物を形成し、それによって結晶粒を微細化して、強度、靱性等の機械的性質を向上させる。 ０．０５％未満ではほとんど効果がなく、０．５０％を超えると、加工性および靱性が低下する。
【００２４】
ＲＥＭ：０．０１０〜０．０５０
ＲＥＭは、鋼の脱硫、脱酸に有効な元素であり、また熱間加工性を改善する目的で添加してもよい。 ０．０１０％未満では効果が乏しく、０．０５０％を超えると、逆に熱間加工性を害する。
【００２５】
【実施例】
本発明を具体的に説明するため、以下にその実施例を示す。 表１Ａおよび表１Ｂに示す化学成分（重量％、残部Ｆｅ）の鋼を高周波誘導炉で溶製し、５０kg鋼塊に鋳造した。
【００２６】
【表１Ａ】
【００２７】
グリーブル試験は、Ｍ６×１１０mmの試験片を、１００sec.の間に所望の温度に加熱し、その温度に６０sec.保持した後に、２in／sec.の速度で引っ張ることにより行なった。 そのときの絞り値が６０％以上である温度範囲がどうであるかによって、熱間加工性を評価した。 評価は、つぎの四段階とした：
Ａ：３００℃以上、
Ｂ：２５０℃〜３００℃、
Ｃ：２００℃〜２５０℃、および
Ｄ：２００℃以下。
【００２８】
限界割れ試験は、径１５mm×高さ２２．５mmの試験片を使用して、端面拘束圧縮試験を行なって、５０％に割れが発生する限界の圧縮率を求めた。
【００２９】
湿潤試験は、径１５mm×高さ１１５mmの試験片を使用して、５０℃×９５％ＲＨ雰囲気中で９６Hr保持した後の、腐食の有無を確認することにより行なった。試験後の評価は、つぎの四段階とした：
Ａ：腐食せず、
Ｂ：若干の腐食あり、
Ｃ：腐食あり、および
Ｄ：全面腐食。
【００３０】
上記の各試験の結果を、表２Ａおよび表２Ｂに示す。
【００３１】
表２Ａ 実施例
比較例１は、ＣとＮの添加量が少ないため、硬さの要求を満足しない。 比較例２は、Ｃの添加量が多すぎるため、熱間および冷間の加工性と、耐食性において劣る。 比較例３は、Ｃｕを添加しないため耐食性が劣る。 その他の比較例についても、熱間加工性、硬さ、耐食性のいずれかに問題があることが、表２Ａおよび２Ｂのデータからわかる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼が提供される。 この材料を使用することにより、各種機械類の部品（たとえば、軸受け、シャフト等）において、高硬度と耐食性の要求を、同時に満たすことができる。
Claims (5)
- 重量％で、Ｃ：０．２９〜０．５０％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：１０．０〜１５．０％およびＮ：０．０６〜０．２０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、かつＯ：０．０１０％以下であって、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる組成を有する、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 請求項１に記載の合金成分に加え、Ｍｏ：０．０５〜１．０％およびＮｉ：０．１０〜１．０％の１種または２種を含有する、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 請求項１または２に記載の合金成分に加え、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、およびＣａ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上を含有する、加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の合金成分に加え、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｗ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％およびＮｂ：０．０５〜０．５０％の１種または２種以上を含有する加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載の合金成分に加え、ＲＥＭ：０．０１０〜０．０５０％を含有する加工性および耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
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