JP2002317203A - マルテンサイト系ステンレス鋼粒子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイス鋼、あるいは鋳鋼に準じる硬さを有
し、さらに、ピーニング処理における微粒投射物として
使用されても、被投射材表面における耐食性劣化を抑制
するとともに、靭性が良好で割れないくいマルテンサイ
ト系ステンレス鋼粒子を提供する。 【解決手段】 マルテンサイト系ステンレス鋼粒子の組
成として、以下の条件を満足させる。Ｆｅを主成分とし
て含有し、０．３５〜０．８質量％のＣと、８〜２０質
量％のＣｒと、を含有する。さらに、Ｃの含有量をＷC
（質量％）、Ｃｒの含有量をＷCr（質量％）、Ｍｏの含
有量をＷMo（質量％）、Ｓｉの含有量をＷSi（質量
％）、Ｍｎの含有量をＷMn（質量％）、Ｎｉの含有量を
ＷNi（質量％）とし、Ｍ＝５３８−３１７ＷC−３３ＷM
n−２８ＷCr−１７ＷNi−１１ＷSi−１１ＷMo、Ｐ＝ＷC
r＋３．３ＷMo、としたとき、Ｍの値が１５以上で、か
つ、Ｐの値が８以上とする。上記組成を採用し、ガス噴
霧法により球状のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子を
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マルテンサイト
系ステンレス鋼粒子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼等の表面硬さを向上させる
処理として、微粒投射物を被投射材に投射して、該被投
射材の表面硬さを向上させるショットピーニングに代表
されるいわゆるピーニング処理がある。該ピーニング処
理に使用される微粒投射物としては、被投射材の表面を
圧縮するだけの硬さのものを使用するのがよい。これに
より、従来、該微粒投射物を構成する材料としては、ハ
イス鋼、鋳鋼、セラミックス、及びＳＵＳ４４０やＳＵ
Ｓ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼等が使
用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現用の
ハイス、鋳鋼、あるいは上記のようなマルテンサイト系
ステンレス鋼にて微粒投射物を構成すると、被投射材の
表面における耐食性が劣化しやすい。一方、このような
被投射材の耐食性劣化を抑えられるＳＵＳ３１６等にお
いては、硬さが不足し被投射材表面における十分な硬さ
向上の効果が得られない。また、セラミックスにて構成
された微粒投射物の場合においては、被投射材の表面と
の衝突により、該セラミックス微粒投射物が割れやすい
という問題がある。

【０００４】本発明の目的は、ハイス鋼、鋳鋼あるいは
ＳＵＳ４４０等のマルテンサイト系ステンレス鋼に準じ
る硬さを有し、さらに、ピーニング処理における微粒投
射物として使用されても、被投射材表面における耐食性
劣化を抑制するとともに、靭性が良好で割れないくいマ
ルテンサイト系ステンレス鋼粒子を提供することにあ
る。

【０００５】

【発明を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼粒子は、Ｆｅを主成分として含有し、０．３５〜
０．８質量％のＣと、８〜２０質量％のＣｒと、を含有
するとともに、Ｃの含有量をＷC（質量％）、Ｃｒの含
有量をＷCr（質量％）、Ｍｏの含有量をＷMo（質量
％）、Ｓｉの含有量をＷSi（質量％）、Ｍｎの含有量を
ＷMn（質量％）、Ｎｉの含有量をＷNi（質量％）とし、 Ｍ＝５３８−３１７ＷC−３３ＷMn−２８ＷCr−１７ＷN
i−１１ＷSi−１１ＷMo、 Ｐ＝ＷCr＋３．３ＷMo としたとき、Ｍの値が１５以上で、かつ、Ｐの値が８以
上となることを特徴とする。なお、本明細書中におい
て、「主成分」（「主に」あるいは「主体」も同義）と
は、対象となる組織中において、その成分の含有量（質
量％）が最も多いことを意味する。

【０００６】微粒投射物を構成する材料の種類により、
被投射材の耐食性が影響されるのは、微粒投射物を構成
する材料が被投射材の表面と衝突することにより、該表
面に付着するためと考えられる。実際、微粒投射物とし
て、耐食性の優れたものを使用するほうが被投射材表面
において耐食性の劣化が生じにくくなることがわかって
いる。そこで、微粒投射物を耐食性の良好な材料で構成
すれば、被投射材表面における耐食性の劣化が抑えられ
ることとなるが、微粒投射物の材料の耐食性を向上させ
ようとすると、該材料の硬さが劣化し、被投射材に対し
て十分なピーニング処理を施せないものであった。

【０００７】そこで、本発明者等は鋭意検討の結果、上
記のような組成にて構成されたマルテンサイト系ステン
レス鋼粒子にあっては、ピーニング処理に使用される微
粒投射物として良好な硬さを有するとともに、該微粒投
射物として被投射材の表面に衝突させても、該被投射物
表面における耐食性劣化も生じにくいことを見出し本発
明の完成に至った。さらに、本発明のステンレス鋼粒子
は、靭性も良好で被投射材との衝突後に割れ等の微粒投
射物の破壊が発生しにくい。

【０００８】また、本発明のステンレス鋼粒子は、ＪＩ
Ｓ−Ｚ２２４４に規定されているビッカース硬さ試験を
荷重０．４９Ｎにて行ったときのビッカース硬さが６０
０ＨＶ０．０５以上となるのがよい。これにより、ピー
ニング処理に使用される微粒投射物として好適に使用さ
れる。上記ビッカース硬さが６００ＨＶ０．０５未満で
あると、硬さが不足しピーニング用の微粒投射物として
使用しても、被投射材表面の硬さを十分に向上させるこ
とができない場合がある。より望ましくは、上記ビッカ
ース硬さが６５０ＨＶ０．０５以上であるのがよい。

【０００９】上記本発明のマルテンサイト系ステンレス
鋼粒子は、例えば、ガス噴霧法にて作製される。上記ガ
ス噴霧法は、上記組成のステンレス鋼の溶湯流に対し
て、Ｎ _２やＡｒ等のガスを吹き付けることにより、該溶
湯流を微小溶湯に分離し、冷却させるものである。該ガ
ス噴霧法にて作製されたステンレス鋼粒子は、その冷却
過程で、ステンレス鋼溶湯自身の表面張力により、その
外形形状が球状となる。さらに、噴出するガスの圧力を
高圧とすることで、粒度の小さな粒子を精度良く得るこ
とができ、具体的には、その平均粒度を２０〜１００μ
ｍとすることができる。このように、精度良く得られた
平均粒度２０〜１００μｍのステンレス鋼粒子をピーニ
ング処理における微粒投射物として使用することによ
り、被投射材表面に該処理による効果を均一に付与する
ことができる。

【００１０】微粒投射物の硬さ及び平均粒度は、被投射
材の表面におけるマイクロディンプル（微小窪み）の形
成形態に影響を与える。このマイクロディンプルによ
り、例えば、研磨面の加工溝をなくすことができ、被投
射材表面における硬さ及び耐食性の向上に寄与する。一
方で、マイクロディンプルの過剰な形成により被投射物
表面が粗くなると、逆に被投射物表面における硬さ及び
耐食性を劣化させる場合がある。ピーニング処理による
マイクロディンプルの形成は、処理後の被投射材表面粗
さが、研磨面における表面粗さよりも滑らかとなるよう
にするのがよい。前述のようなビッカース硬さ及び平均
粒度の微粒投射物を使用すれば、被投射材の表面粗さが
比較的滑らかとなるようなマイクロディンプルを形成す
ることができる。

【００１１】また、上記ガス噴霧法においては、溶湯を
微小溶湯に分離する際に溶湯が冷却されて、該マルテン
サイト系ステンレス鋼に対する焼入れが行なわれること
になる。本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子に
おいては、上記のようなガス噴霧ままでのビッカース硬
さが６００ＨＶ０．０５以上となる。なお、上記ガス噴
霧法においては、その冷却速度及び冷却温度等が制限さ
れるため、ビッカース硬さ１１００ＨＶ０．０５を超え
るステンレス鋼粒子を得ることは困難である。また、ピ
ーニング処理における微粒投射物として使用する場合、
１１００ＨＶ０．０５を超える硬さは明らかにオーバー
スペックであり、被投射材表面に与える効果の顕著な向
上もそれほど期待できない。また、本発明のステンレス
鋼粒子は、靭性も良好であるため、ピーニング処理をし
ても割れ、欠けの心配もない。

【００１２】また、上記ガス噴霧法により、本発明のマ
ルテンサイト系ステンレス鋼粒子は、該粒子全体に対す
るマルテンサイト相の形成量が、７５体積％以上となる
のがよい。これにより、上記規定したビッカース硬さに
おいて、６００ＨＶ０．０５以上を実現することがで
き、ひいては、ピーニング処理用の微粒投射物として好
適に使用することができる。マルテンサイト相の形成量
は、より望ましくは８５体積％以上であるのがよい。

【００１３】以下、本発明の合金材料における各成分の
含有範囲の限定理由を述べる。 （１）Ｆｅを主成分として含有する。 Ｆｅは、本発明のステンレス鋼粒子を構成するのに必須
の成分である。本発明においては、基本的な組成とし
て、マルテンサイト系ステンレス鋼を採用しているの
で、Ｆｅを主成分として含有させる。

【００１４】（２）０．３５〜０．８質量％のＣ Ｃは、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子を構
成するのに必須の元素であり、該ステンレス鋼粒子の硬
さに影響を及ぼす最も重要な元素である。そのため、上
記範囲内にて含有させる。含有量が０．３５質量％未満
であると、上記規定のビッカース硬さで６００ＨＶ０．
０５以上の硬さを得ることが困難となる。一方、Ｃの含
有量が０．８質量％を超えると、炭化物の形成が顕著と
なる。この炭化物の形成により、例えば、後述するＣｒ
が該炭化物に取り込まれると、マトリクス中に固溶する
Ｃｒの含有量が相対的に減少して、該マルテンサイト相
の耐食性を劣化させるため好ましくない。また、Ｃの含
有量が０．８質量％を超えると、マルテンサイト変態開
始温度（Ｍｓ点）を下げすぎてしまい、焼き入れ性を劣
化させる懸念もある。なお、Ｃの含有量は、より望まし
くは０．４〜０．６質量％の範囲に設定するのがよい。

【００１５】（３）８〜２０質量％のＣｒ Ｃｒは、ステンレス鋼粒子の耐食性を確保する上で必須
の元素であり８質量％以上含有させる。しかしながら、
含有量が２０質量％を超えると、相安定性が損なわれて
靭性の低下を招く。Ｃｒの含有量は、望ましくは９〜１
６質量％の範囲で設定するのが良く、より望ましくは１
０〜１３質量％の範囲で設定するのが良い。

【００１６】また、本発明のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼粒子においては、７質量％以下のＭｏを含有させる
こともできる。さらに、１質量％以下のＳｉを含有させ
ることもできる。 （４）７質量％以下のＭｏ Ｍｏは、耐食性や強度をより向上することができるた
め、必要に応じて添加しても良い。これらの効果を効果
的に得るためには、その含有量を２質量％以上とする。
一方、過剰な添加は、熱間加工性を害するほか、Ｍｓ点
を過剰に低下させ焼入れ性を劣化させる。また、コスト
の上昇を招くため、その上限を７質量％とする。

【００１７】（５）１質量％以下のＳｉ Ｓｉは、鋼の脱酸剤として不可避的に含有される。ま
た、ステンレス鋼溶湯の流動性を向上させ、ガス噴霧法
における生産性を向上させることから、ある程度積極的
に含有させてもよい。溶湯の流動性を向上させる効果を
十分に得るためには、０．１５質量％以上は含有させる
のがよい。一方、含有量が過剰となると、ステンレス鋼
粒子の硬さを低下させるので、その含有量を１質量％以
下に留めておくのがよい。粒子の硬さをより考慮するの
であれば、その含有量を０．７質量％以下に押さえてお
くのがより望ましい。

【００１８】また、本発明のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼においては、Ｍｎの含有量を１質量％以下、Ｎｉの
含有量を１質量％以下とするのがよい。 （７）Ｍｎの含有量を１質量％以下に制限する。 Ｍｎは、鋼の脱酸剤として不可避的に含有される。しか
し、過剰に含有されると、オーステナイト相を安定化さ
せ、残留オーステナイト相を増加させる。その結果、硬
さを低下させるので、その含有量を１質量％以下に制限
するのがよい。

【００１９】（８）Ｎｉの含有量を１質量％以下に制限
する。 Ｎｉの過剰な添加は、マルテンサイト変態開始温度（Ｍ
ｓ点）を低下させるとともに、母相であるオーステナイ
ト相の安定性が過度に高められ、硬さを確保するために
必要なマルテンサイト量を得にくくなる場合がある。そ
のため、１質量％以下にその含有量を制限するのがよ
い。

【００２０】本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼粒
子においては、マルテンサイト変態が、ガス噴霧による
溶湯の冷却により行なわれる。そのため、該方法により
マルテンサイト相が形成されるように、組成の調整を行
う必要がある。さらに、得られるマルテンサイト相の硬
さも要求されるものを実現する必要がある。そこで、本
発明者等は、以下の式Ａにより、マルテンサイト相の安
定性の目安としてＭを規定し、該Ｍの値がある一定値以
上であれば、本発明の条件を満足することを見出した。
すなわち、 Ｍ＝５３８−３１７ＷC−３３ＷMn−２８ＷCr−１７ＷNi−１１ＷSi−１１ＷM o・・・式Ａ、 として、Ｍの値が１５以上となる。上記の式Ａにより規
定されたＭ値は、ステンレス鋼粒子におけるマルテンサ
イト相の安定性の目安となる。そして、該Ｍの値が１５
以上とすることにより、ステンレス鋼粒子におけるマル
テンサイト相を安定化し、その硬さを向上させることが
可能となり、ひいては、前述にて規定されたビッカース
硬さを６００ＨＶ０．０５以上とすることができる。Ｍ
の値が１５未満であると、マルテンサイト相の安定性が
十分に維持されなくなるとともに、要求されるビッカー
ス硬さを実現できなくなる。Ｍの値は、望ましくは２０
以上とするのがよい。なお、必須成分の添加元素（Ｃ及
びＣｒ）の含有量の下限値から、Ｍの値は２０３．０５
を上限とする。

【００２１】さらに、本発明においては、ステンレス鋼
粒子の耐食性も良好なものに維持する必要がある。そこ
で、本発明者等は、ステンレス鋼粒子における耐食性の
目安として、以下の式ＢのようにＰ値を設定し、該Ｐの
値が一定値以上であれば、得られるステンレス鋼粒子の
耐食性も良好となることを見出した。すなわち、 Ｐ＝ＷCr＋３．３ＷMo・・・式Ｂ として、Ｐの値が８以上となる。Ｐが８以上とすること
により、得られるステンレス鋼粒子の耐食性を良好なも
のに維持することができる。上記式Ｂを構成するのは、
Ｃｒ及びＭｏの含有量であって、どちらも耐食性に寄与
する元素であるので、上記式Ｂにて規定されるＰ値は、
得られるステンレス鋼粒子の耐食性の目安となる。な
お、上記Ｐの値が８未満である場合は、十分な耐食性が
得られず、ピーニング用の微粒投射物として使用したと
き、被投射材の表面における耐食性を良好なものとする
ことができない。なお、Ｐの値は、望ましくは１２以上
とするのがよい。また、ＣｒとＭｏの含有量の上限値か
らＰの値は４３．１を上現とする。

【００２２】本発明のステンレス鋼粒子においては、上
記ＭおよびＰの条件を同時に満たすように、構成成分の
組成を調整するようにする。これにより、硬さも良好
で、さらに耐食性も良好なステンレス鋼粒子を得ること
ができ、ひいては、該ステンレス鋼粒子を微粒投射物と
して使用するピーニング処理により、被投射材の表面に
おける硬さひいては耐磨耗性、及び耐食性を良好なもの
とすることができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の効果を確認するために、以下
の実験を行った。 （実施例１）まず、表１に示す配合組織（質量％）によ
り、各々５０ｋｇ鋼塊を高周波誘導炉にて溶融させる。
そして溶融したステンレス鋼溶湯から、ガス噴霧法にて
ステンレス鋼粒子を作製した。ガス噴霧法にて使用され
るガスは、窒素を使用した。得られたステンレス鋼粒子
の平均粒度は、どの組成のステンレス鋼粒子においても
２０〜１００μｍであった。

【００２４】

【表１】

【００２５】上記のようにして得られた各ステンレス鋼
粒子において、ＪＩＳ−Ｚ２２４４に規定されているビ
ッカース硬さを、荷重０．４９Ｎの条件にて測定した。
測定されたビッカース硬さをそれぞれ表２に示す。

【００２６】次に、ピーニング処理の被投射材として、
０．４Ｃ＋８Ｃｒ鋼を採用し、該鋼種を直径１５ｍｍ、
長さ１００ｍｍの棒材に加工して、該棒材に以下の処理
を施すことにより、ピーニング用の被投射試験片とす
る。 ・焼入れ：１０５０℃にて３０ｍｉｎ加熱後、油冷。 ・焼戻し：１５０℃にて６０ｍｉｎ加熱後、水冷。 ・番手＃１０００のエメリーペーパーによって外周研磨
加工。 このようにして得られた被投射試験片に対して、表１に
示すステンレス鋼粒子を微粒投射物として使用し、ピー
ニング処理を行い、処理後の硬さ及び耐食性を調べるた
めの硬さ測定用試験片と湿潤試験片とを採集した。ピー
ニングの条件としては、０．３ｍｍＮカバレージ１５０
％とした。これらのピーイング処理後の試験片表面にお
いて、表面粗さを求め、試験片表面におけるマイクロデ
ィンプルの形成性を評価した。具体的には、研磨面より
も表面粗さがなめらかになったものをマイクロディンプ
ルの形成良好（◎）とし、研磨面よりも粗くなったもの
をマイクロディンプルの形成不良（×）として評価し
た。結果を表２に示す。なお、上記ピーニング処理にお
いて微粒投射物として使用された後でも、本発明にかか
るステンレス鋼粒子には、割れ等が発生しておらず、靭
性が良好であることが確認された。

【００２７】上記硬さ測定用試験片の外周面に対して、
ＪＩＳ−２２４４に規定されているビッカース硬さ試験
により、荷重０．４９Ｎでのビッカース硬さを、微粒投
射物毎にそれぞれ求めた。結果を表２に示す。

【００２８】さらに、上記湿潤試験片に対して、５０℃
の相対湿度９８％ＲＨの雰囲気中に９６時間保持するこ
とにより湿潤試験を行った。試験後の評価は目視によ
り、Ａ：腐食せず、Ｂ：若干の腐食有り、Ｃ：腐食あ
り、Ｄ：全面腐食、の４段階にて評価した。結果を表２
に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２に示すように、本発明にかかるマルテ
ンサイト系ステンレス鋼粒子においては、噴霧ままの状
態でビッカース硬さ６００ＨＶ０．０５以上を実現でき
ることがわかる。さらに、本発明のステンレス鋼粒子に
よりピーニング処理した被投射材においては、その表面
硬さも良好でビッカース硬さ９００ＨＶ０．０５以上を
実現できる。さらに、被投射材表面の耐食性も良好に維
持できることがわかる。

【００３１】また、比較材Ｎｏ．６〜９及びＮｏ．１２
においては、Ｍの値が本発明の条件を満足しないため
に、噴霧ままのビッカース硬さも６００ＨＶ０．０５未
満となり、十分な硬さを得られていない。さらに、比較
材Ｎｏ．１０においては、Ｃの含有量が本発明の条件を
満足せず、同様に十分な硬さが得られていない。その結
果、該鋼粒子により構成された微粒投射物を使用したピ
ーニング処理において、被投射材における表面硬さが、
本発明の場合と比較して十分に得られていないことがわ
かる。また、比較材Ｎｏ．１１及びＮｏ．１３において
は、Ｃｒ含有量及びＰの値がそれぞれ本発明の範囲外と
なり、被投射材表面における耐食性を良好に維持できて
いないことがわかる。

【００３２】また、比較材Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、及
びＮｏ．１６はそれぞれＳＵＳ４４０、ハイス鋼、及び
ＳＵＳ３１６にて構成された鋼粒子である。比較材Ｎ
ｏ．１４においては、Ｍの値が−２７３と本発明材と比
較して著しく低く、噴霧ままのビッカース硬さ及び被投
射材の表面硬さも不足している。比較材Ｎｏ．１５にお
いては、噴霧ままのビッカース硬さ及び被投射材の表面
硬さも本発明材と比較して遜色ないが、被投射材表面に
おける耐食性が良好ではない。さらに、比較材Ｎｏ．１
６においても、噴霧ままのビッカース硬さ及び被投射材
の表面硬さが不足している。なお、比較材Ｎｏ．１４及
びＮｏ．１６においては、被投射材表面におけるマイク
ロディンプルの形成も良好に行なわれていないことがわ
かる。

【００３３】以上示したように、本発明のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼粒子をピーニング用の微粒投射物とし
て使用することにより、被投射材表面の表面硬さを高め
つつ、該表面の耐食性も良好に維持することが可能とな
る。さらに、靭性も良好でピーニング処理使用後に、割
れ等の粒子の破壊も生じない。また、被投射物表面の表
面粗さを滑らかにすることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 泰廣 愛知県名古屋市南区大同町二丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 Ｆターム(参考） 4K017 AA04 BA06 BB04 BB06 BB07 BB16 CA01 CA07 DA09 EK01 4K018 AA33 BA17 BB04 BD06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｆｅを主成分として含有し、０．３５〜
   ０．８質量％のＣと、８〜２０質量％のＣｒと、を含有
   するとともに、 Ｃの含有量をＷC（質量％）、Ｃｒの含有量をＷCr（質
   量％）、Ｍｏの含有量をＷMo（質量％）、Ｓｉの含有量
   をＷSi（質量％）、Ｍｎの含有量をＷMn（質量％）、Ｎ
   ｉの含有量をＷNi（質量％）として、 Ｍ＝５３８−３１７ＷC−３３ＷMn−２８ＷCr−１７ＷN
   i−１１ＷSi−１１ＷMo、 Ｐ＝ＷCr＋３．３ＷMo、 としたとき、Ｍの値が１５以上で、かつ、Ｐの値が８以
   上となることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス
   鋼粒子。
2. 【請求項２】 ７質量％以下のＭｏを含有する請求項１
   に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子。
3. 【請求項３】 １質量％以下のＳｉを含有する請求項１
   又は２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子。
4. 【請求項４】 Ｎｉの含有量が１質量％以下、Ｍｎの含
   有量が１質量％以下とされる請求項１ないし３のいずれ
   か１項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子。
5. 【請求項５】 ビッカース硬さが６００ＨＶ０．０５以
   上となる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマル
   テンサイト系ステンレス鋼粒子。
6. 【請求項６】 外形形状が球状であって、平均粒度が２
   ０〜１００μｍである請求項１ないし５のいずれか１項
   に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼粒子。
7. 【請求項７】 ガス噴霧法にて作製され、 噴霧ままの状態での前記ビッカース硬さが６００ＨＶ
   ０．０５以上となる請求項５又は６に記載のマルテンサ
   イト系ステンレス鋼粒子。
8. 【請求項８】 ショットピーニング処理に代表されるピ
   ーニング用の微粒投射物として使用される請求項１ない
   し７のいずれか１項に記載のマルテンサイト系ステンレ
   ス鋼粒子。