JP2000239803A - 耐遅れ破壊性に優れた高強度・高靭性ステンレス鋼 - Google Patents

耐遅れ破壊性に優れた高強度・高靭性ステンレス鋼

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 建築・建材等用の、特に耐遅れ破壊性と靭性
を向上した高強度・高耐食性ステンレス鋼、例えばステ
ンレスタッピンねじを安価な成分系で提供する。 【解決手段】 重量％で、C:0.01-0.2%,Si:0.05-1.0%,M
n:0.1-2.0%,Ni:0.1-3.0%,Cr:11-16%,N:0.01-0.15%,Mo:
0.01-3.0%を含有し、素材の中心部において10% 未満の
フェライトを有し、最外表面から少なくとも１μｍの深
さの表層部がマルテンサイトと3-20% のオーステナイト
の混合組織で有していることを特徴とする耐遅れ破壊性
に優れた高強度・高靭性ステンレス鋼。また重量％で,
C:0.01%以上,0.06%未満で、素材の中心部において10-80
%のフェライト組織を有することを特徴とする。更に重
量％で、B:0.001-0.05% 含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、建築・建材等用
の、特に耐遅れ破壊性と靭性を向上させえた高強度・高
耐食性ステンレス鋼に関するものであり、例えばステン
レスタッピンねじに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、マルテンサイト系ステンレス製の
高強度・高耐食のステンレスタッピンネジは中心部の強
度が高く、靭性が低く、遅れ破壊等の頭飛びの懸念があ
った。マルテンサイト系ステンレス鋼の靭性を向上させ
遅れ破壊性を向上させるために、例えば特願平０９−２
０６７９２号明細書ではＮｉを添加することが提案され
ている。一方、特開平７−３１６７４０号公報では、最
表層がマルテンサイトで中心部がマルテンサイト＋フェ
ライトの複相鋼は延性と強度を兼ね備えていることが記
載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のでは靭性や遅れ破壊特性を向上することができるが、
締結力が高いタッピンねじへの適用は不十分な場合があ
った。そこで本発明は、これらの課題を解決し、耐食性
・強度を兼ね備え、更に靭性・耐遅れ破壊性を向上させ
たステンレス鋼を安価に提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために種々検討した結果、複相ステンレス鋼
において、成分調整と窒化処理等の表面改質により表面
の組織（マルテンサイト＋オーステナイト）を調整する
ことで、耐遅れ破壊性に優れた高強度・高靭性ステンレ
ス鋼を安定して得ることを見出した。また、組織制御に
より表面窒化促進を行い、更に表面硬化し易くし、中心
部硬さを低くすることで、耐遅れ破壊性に優れた高強度
・高靭性ステンレス鋼を安定して得ることを見出した。
本発明は、この知見に基づいてなされた。
【０００５】すなわち本発明は、上記目的を達成するた
め、以下の構成を要旨とする。 （１）重量％で、 Ｃ ：０．０６〜０．２％、 Ｓｉ：０．０５〜１．０％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｎｉ：０．１〜３．０％、 Ｃｒ：１１．０〜１６．０％、 Ｎ ：０．０１〜０．１５％、 Ｍｏ：０．０１〜３．０％ を含有し、素材の中心部において１０％未満のフェライ
トを有し、最外表面から少なくとも１μｍの深さの表層
部がマルテンサイトと３〜２０％のオーステナイトの混
合組織を有していることを特徴とする耐遅れ破壊特性に
優れた高強度・高靭性ステンレス鋼。 （２） また、重量％で、 Ｃ ：０．０１％以上、０．０６％未満、 Ｓｉ：０．０５〜１．０％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｎｉ：０．１〜３．０％、 Ｃｒ：１１．０〜１６．０％、 Ｎ ：０．０１〜０．１５％、 Ｍｏ：０．０１〜３．０％ を含有し、素材の中心部において１０〜８０％のフェラ
イト組織を有し、最外表面から少なくとも１μｍの深さ
の表層部がマルテンサイトと３〜２０％のオーステナイ
トの混合組織を有していることを特徴とする耐遅れ破壊
性に優れた高強度・高靭性ステンレス鋼である。 （３） 更に、重量％で、 Ｂ ：０．００１〜０．００５％ を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記
載の耐遅れ破壊性に優れた高強度・高靱性ステンレス鋼
である。
【０００６】
【発明の実施の形態】先ず、本発明請求項１のマトリッ
クスの鋼の成分範囲について述べる。成分の含有量は全
て重量％である。Ｃはマトリックスのマルテンサイトの
強度を得るために０．０６％以上添加する。しかしなが
ら、０．２％を超えて添加すると靭性が劣化し、また耐
遅れ破壊性も劣化する。そのため上限を０．２％に限定
した。好ましくは０．０１０〜０．１８％である。
【０００７】Ｓｉは鋼の脱酸に必要なため、０．０５％
以上添加する。しかしながら、１．０％を超えて添加し
ても固溶強化により軟化焼鈍後の硬さが高くなり、冷間
加工性が劣化する。そのため上限を１．０％に限定し
た。好ましくは０．１〜０．６％である。
【０００８】Ｍｎは鋼の脱酸に必要なため、また窒化を
促進させ、短時間の窒化処理にて表面をマルテンサイト
＋オーステナイトの混合組織にするために０．１％以上
添加する。しかしながら、２．０％を超えて添加しても
その効果は飽和するし、また軟化抵抗が増大し、冷間加
工性が劣化する。そのため上限を２．０％に限定した。
好ましくは０．２〜１．０％である。
【０００９】Ｎｉは鋼の靭性を高め、耐遅れ破壊性を高
めるために、０．１以上添加する。但し、３．０％を超
えて添加すると、軟化抵抗が増大し冷間加工性が劣化す
る。そのため、上限を３．０％に限定した。好ましくは
０．２〜２．０％である。
【００１０】Ｃｒはステンレス組織を得て、かつ窒化を
促進させ、表面をマルテンサイト＋オーステナイトの混
合組織を得るために１１．０％以上添加する。しかしな
がら１６％超えて添加すると、表層でマルテンサイト＋
オーステナイト組織の混合組織が得られない。そのため
上限を１６．０％に限定した。好ましくは１２〜１５％
である。
【００１１】Ｎはマトリックスのマルテンサイトの強度
を得るために０．０１％以上添加する。しかしながら、
０．１５％を超えて添加するとブローホールが発生し、
製造性が著しく劣化する。そのため上限を０．１５％に
限定した。好ましくは０．０１〜０．１２％である。
【００１２】Ｍｏは鋼の耐食性を向上させるために０．
０１％以上添加する。しかしながら３．０％を超えて添
加すると、表層でマルテンサイト＋オーステナイトの混
合組織が得られなくなる。そのため上限を３．０％に限
定した。好ましくは０．５〜２．５％である。
【００１３】次に、素材中心部のフェライト組織量の限
定理由について述べる。素材中心部のフェライト量が１
０％以上になると、フェライト界面にＣｒ炭窒化物が析
出し、靭性を劣化させる。図１に０．１６Ｃ−０．２Ｓ
ｉ−０．３Ｍｎ−１．１Ｎｉ−１３〜１６Ｃｒ−２Ｍｏ
−０．０９Ｎ系材料のねじの素材中心部のフェライト量
と頭飛び（ねじ込み時の衝撃およびその後の遅れ破壊に
よる）発生率の関係を示す。フェライト量が１０％以上
になると頭飛び発生率が急激に上昇する。そのため、素
材中心部のフェライト量を１０％未満に限定した。好ま
しくは５％以下である。ここで、素材中心部の残部はマ
ルテンサイト相またはマルテンサイト＋オーステナイト
相である。
【００１４】次に、表層の組織を限定した理由について
述べる。最外表面から少なくとも１μｍ以上の深さの組
織がマルテンサイト単相であると靭性および耐遅れ破壊
性が劣化する。従って、靭性及び耐遅れ破壊性を向上さ
せるため、マルテンサイト組織に加え、３％以上のオー
ステナイト組織を含有することにした。
【００１５】図２に、図１と同じ成分系材料のねじの素
材表層のオーステナイト量と頭飛び（ねじ込み時の衝撃
およびその後の遅れ破壊による）発生率の関係を示す。
表層のオーステナイト量が３％以上で頭飛びの発生率が
急激に上昇している。しかしながら、オーステナイト組
織が２０％を超えて含有すると、表面の硬さが軟化し、
表面の強度が劣化する。そのため、表層のオーステナイ
ト相の含有率を２０％以下に限定した。好ましくは５％
〜１５％である。本発明例では窒化により表面改質を実
施しているが、本発明では浸炭や表面めっき（＋合金化
処理）等、その他の表面改質による効果も含まれる。
【００１６】次に、請求項２記載の組織の限定理由につ
いて述べる。素材中心部に１０％以上のフェライトが存
在する場合、Ｃが０．０６％を超えて添加されると、フ
ェライト界面にＣｒ炭窒化物が析出し、靭性及び耐遅れ
破壊性が劣化する。そのため０．０６％未満に限定し
た。好ましくは０．０２〜０．０５％である。
【００１７】次に、素材中心部のフェライト組織の限定
理由について述べる。素材中心部の組織が１０〜８０％
のフェライトとマルテンサイトの混合組織であると、９
５０℃〜１１００℃での窒化時の結晶粒径が３０μｍ以
下と微細になり、粒界拡散により窒化が促進され、素材
中心部の強度が低い状態で、表面強度を効率的にあげる
ことができ、且つ、最外表面から少なくとも１μｍの深
さでマルテンサイト＋オーステナイトの２相組織にする
ことができ、靭性および耐遅れ破壊性が向上する。その
ため、必要に応じて、素材中心部の組織を１０〜８０％
のフェライト組織にすることとした。好ましくは２０〜
６０％のフェライト組織である。ここで、素材中心部の
残部の組織はマルテンサイト相、またはマルテンサイト
＋オーステナイト相である。
【００１８】次に、請求項３記載の組織の限定理由につ
いて述べる。素材の靱性を更に高めるために、必要に応
じてＢを０．００１％以上添加する。しかしながら、
０．００５％を超えて添加するとボライドを生成し、逆
に靱性を低下させる。そのため上限を０．００５％に限
定した。好ましくは０．００１５〜０．００４％であ
る。
【００１９】
【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１に、本発明適用鋼Ａ〜Ｉ、Ｔ〜Ｗ、ＡＢ，ＡＣ，比較
鋼Ｊ〜Ｓ，Ｘ〜Ｚ，ＡＡ、ＡＤ、ＡＥの化学成分を示
す。
【００２０】
【表１】
【００２１】本発明適用鋼Ａ〜Ｄと比較鋼Ｊ〜Ｏは請求
項１の実施例に関し、０．２Ｓｉ−１３Ｃｒ−２Ｍｏを
基本成分として、表面の組織および靭性，遅れ破壊性に
影響を及ぼすＣ量（％），Ｍｎ量（％），Ｎｉ量
（％），Ｎ量（％）を変化させたものである。
【００２２】本発明適用鋼Ｅ，Ｆと比較鋼Ｐは請求項１
の実施例に関し、０．１６Ｃ−０．３Ｍｎ−１．１Ｎｉ
−１３Ｃｒ−２Ｍｏ−０．０９Ｎを基本成分として、靭
性，冷間加工性に影響を及ぼすＳｉ量（％）を変化させ
たものである。
【００２３】本発明適用鋼Ｇ〜Ｉと比較鋼Ｑ〜Ｓは請求
項１の実施例に関し、０．１６Ｃ−０．２Ｓｉ−１．２
Ｎｉ−０．０８Ｎを基本成分として、表面の組織および
靭性，遅れ破壊性に影響を及ぼすＣｒ量（％），Ｍｏ量
（％）を変化させたものである。
【００２４】本発明適用鋼Ｔ〜Ｗと比較鋼Ｘ〜Ｚ，ＡＡ
は請求項２の実施例に関し、０．２Ｓｉ−０．４Ｍｎ−
１３Ｃｒ−２Ｍｏを基本成分として、組織，強度，靭
性，耐遅れ破壊性に影響を及ぼすＣ量（％），Ｎｉ量
（％），Ｎ量（％）を変化させたものである。
【００２５】本発明適用鋼Ｂ、ＡＢと比較鋼ＡＤは請求
項３の実施例に関し、０．１６Ｃ−０．３Ｓｉ−０．３
Ｍｎ−１．０Ｎｉ−１３．１Ｃｒ−２．１Ｍｏ−０．０
８Ｎを基本成分として、靱性に影響を与えるＢ量（％）
を変化させたものである。本発明適用鋼Ｕ、ＡＣと比較
鋼ＡＥは請求項３の実施例に関し、０．０２Ｃ−０．２
Ｓｉ−０．３Ｍｎ−１．１Ｎｉ−１３Ｃｒ−２．１Ｍｏ
−０．０８Ｎを基本成分として、靱性に影響を与えるＢ
量（％）を変化させたものである。
【００２６】これらの鋼は通常のステンレス線材の製造
工程でφ５．５mmまで線材圧延を行い、１０００℃で熱
延を終了した。得られた熱延材をバッチ炉で軟化焼鈍及
び酸洗を行い、Φ３．９mmまで冷間伸線加工し、その
後、バッチ炉で軟化焼鈍および酸洗を行い、引き続きΦ
３．８５mmまで冷間伸線加工を行い、切り刃先形状のド
リリングタッピンねじに冷間加工を施した。その後、真
空引き後、１気圧の窒素雰囲気に置換した炉において１
０３０℃で１００分の窒化処理を行い、窒素冷却により
焼入れ処理を行い、２００℃で焼戻し処理を行った。そ
の後、ねじ込み性（強度の代表値），靭性，遅れ破壊特
性，素材中心部のフェライト量，最外表面のオーステナ
イト量を評価した。
【００２７】ねじ込み性は、厚さ１．６mmのＳＳ４００
鋼板に荷重１８kg，２５００rpm の回転数で１０本のね
じでねじ込み試験を行い、第１ねじ山がねじ込まれるま
での時間で評価した。平均で３．５秒以内であれば、ね
じ込み性（強度）は○、３．５秒超であれば×と評価し
た。本発明例のねじ込み性（強度）はいずれも○であっ
た。
【００２８】靭性は、厚さ５mmのＳＳ４００鋼板に荷重
２７kg，２５００rpm の回転数で回転数を落とすことな
く、５本のねじを完全にねじ込み、衝撃を与え、ねじ頭
が飛ぶか否かで評価した。頭飛びが発生しなかった場合
は○，１本でも頭飛びが生じた場合は×と評価した。本
発明例の靭性（頭飛び）はいずれも○であった。
【００２９】遅れ破壊試験は、厚さ５mmのＳＳ４００鋼
板にステンレス座金をつけた５本のねじで完全にねじ込
みを行い、その後、２００kg−cmのトルクをかけてねじ
込み、塩水噴霧試験（５％ＮａＣｌ，３５℃，４８ｈ）
を実施し、その後、ねじ頭が飛ぶか否かで評価した。頭
飛びが発生しなかった場合は○，１本でも頭飛びが生じ
た場合は×と評価した。本発明例の遅れ破壊性（頭飛
び）はいずれも○であった。
【００３０】素材中心部のフェライト量は、ねじの縦断
面を鏡面研磨し、村上エッチにてフェライトに着色し、
その後、画像解析により面積率より求めた。本発明例は
請求項１のフェライト量は１０％未満、請求項２のフェ
ライト量は１０〜８０％であった。
【００３１】最外表面のオーステナイト量は、Ｘ線回折
によりオーステナイトとフェライトの（２００）のピー
ク強度比より算出した。本発明例の最外表面のオーステ
ナイト量は３〜２０％であった。
【００３２】表２に、請求項１の本発明適用鋼の評価結
果を示す。本発明例はいずれも素材中心部のフェライト
量が１０％未満で、表層のオーステナイト量が３〜２０
％であり、ねじ込み性（強度），靱性，耐遅れ破壊性に
優れている。同表に、請求項１の本発明適用鋼の特性評
価結果を併せて示す。前述したように、本発明例 No.１
〜９は素材中心部のフェライト量が１０％未満で、最外
面のオーステナイト量が３〜２０％であり、ねじ込み
性，靭性（頭飛び），遅れ破壊性に優れている。
【００３３】
【表２】
【００３４】表３に、請求項１の比較鋼の評価結果を示
す。比較例 No.１０はＣ量が低いため、ねじ込み性に劣
っていた。比較例 No.１１はＣ量が高いため、靭性（頭
飛び），遅れ破壊性に劣っていた。比較例 No.１２はＭ
ｎ量が低く、窒化が促進されなかったため、最外表面の
オーステナイト量が３％未満と低く、ねじ込み性，靭性
（頭飛び），遅れ破壊性に劣っていた。比較例 No.１
３，１４はＭｎ量またはＮｉ量が高く、最外表面のオー
ステナイト量が２０％以上であり、ねじ込み性に劣って
いた。比較例 No.１５はＮ量が高く、鋳造段階でブロー
ホールが発生したため、製造性に著しく劣っていた。そ
のため、ねじまで製造ができなかった。比較例 No.１６
はＳｉ量が高く、靭性（頭飛び），遅れ破壊性に劣って
いた。比較例 No.１７はＣｒ量が低く、最外表面のオー
ステナイト量が３％未満であり、靭性（頭飛び），遅れ
破壊性に劣っていた。比較例 No.１８，１９はＣｒ量、
またはＭｏ量が高く、素材中心部のフェライト量が１０
％を超え、靭性（頭飛び），遅れ破壊性に劣っていた。
【００３５】
【表３】
【００３６】次に、請求項２の特性評価結果について記
述する。表４に、請求項２の本発明例の特性評価結果を
示す。前述したように、本発明例 No.２０〜２３は素材
中心部のフェライト量が１０％〜８０％で、最外面のオ
ーステナイト量が３〜２０％であり、ねじ込み性，靭性
（頭飛び），遅れ破壊性に優れている。
【００３７】
【表４】
【００３８】表５に、請求項２の比較例の特性評価結果
を示す。比較例 No.２４はＣ量が高いため、靭性（頭飛
び），遅れ破壊性に劣っていた。比較例 No.２５はＣ量
が低いため、ねじ込み性に劣っていた。比較例 No.２６
は素材中心部のフェライト量が８０％を超えており、ね
じ込み性に劣っていた。比較例 No.２７は素材中心部の
フェライト量が１０％未満であり、ねじ込み性に劣って
いた。
【００３９】
【表５】
【００４０】表６に、請求項３の実施例の評価結果を示
す。本発明例 No.２８，２９はねじ込み性，靱性（頭飛
び），遅れ破壊性に優れていた。一方、比較例 No.３
０，３１はＢ量が０．００５％を超えており、靱性（頭
飛び），遅れ破壊性に劣っていた。以上の実施例から分
かるように、本発明鋼の優位性が明らかである。
【００４１】
【表６】
【００４２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、建築・建材等用の、特に耐遅れ破壊性と靭性を
向上させえた高強度・高耐食性ステンレス鋼、例えばス
テンレスタンピンねじを安価に、且つ安定して提供する
ことが可能であり、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ねじ素材中心部のフェライト量と頭飛び（ねじ
込み時の衝撃およびその後の遅れ破壊による）発生率の
関係を示す図。
【図２】表層のオーステナイト量と頭飛び（ねじ込み時
の衝撃およびその後の遅れ破壊による）発生率の関係を
示す図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．０６〜０．２％、 Ｓｉ：０．０５〜１．０％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｎｉ：０．１〜３．０％、 Ｃｒ：１１．０〜１６．０％、 Ｎ ：０．０１〜０．１５％、 Ｍｏ：０．０１〜３．０％ を含有し、素材の中心部において１０％未満のフェライ
    トを有し、最外表面から少なくとも１μｍの深さの表層
    部がマルテンサイトと３〜２０％のオーステナイトの混
    合組織を有していることを特徴とする耐遅れ破壊性に優
    れた高強度・高靭性ステンレス鋼。
  2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ：０．０１％以上、０．０６％未満、 Ｓｉ：０．０５〜１．０％、 Ｍｎ：０．１〜２．０％、 Ｎｉ：０．１〜３．０％、 Ｃｒ：１１．０〜１６．０％、 Ｎ ：０．０１〜０．１５％、 Ｍｏ：０．０１〜３．０％ を含有し、素材の中心部において１０〜８０％のフェラ
    イト組織を有し、最外表面から少なくとも１μｍの深さ
    の表層部がマルテンサイトと３〜２０％のオーステナイ
    トの混合組織を有していることを特徴とする耐遅れ破壊
    性に優れた高強度・高靭性ステンレス鋼。
  3. 【請求項３】 重量％で、さらに Ｂ ：０．００１〜０．００５％ を含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐
    遅れ破壊性に優れた高強度・高靱性ステンレス鋼。
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