JP2005163126A

JP2005163126A - 時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼の部品とその製造方法

Info

Publication number: JP2005163126A
Application number: JP2003404876A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Kono; 正道河野
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼の強靱化手段として実施されているオースフォームの改良であって、操業に要する時間を短縮するとともに、残留γ量の増大を抑制して特性の低下を回避するだけでなく、従来のオースフォーム加工製品よりさらに強靱化されたステンレス鋼またはマルエージング鋼の部品を製造する方法を提供すること。
【解決手段】１）時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼を、昇温速度０．１〜１０００℃／秒で９５０〜１２００℃に、保持時間３０分間以内で加熱してオーステナイト化し、２）１２００℃以下、８５０℃以上の温度で、累積加工率が３０〜９０％の予変型を与えることにより、再結晶により形成されるγ組織を微細化し、３）８５０℃未満であって、マルテンサイト変態点およびベイナイト変態点以上の温度で、少なくとも１０％以上の加工率で加工して加工硬化を生じさせ、４）冷却してマルテンサイトまたはベイナイト組織とし、５）時効処理を施すこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼から、各種の機械部品を製造する方法に関し、その方法により製造された部品にも関する。

ＳＵＳ６３０を代表的な鋼種とする時効硬化型ステンレス鋼およびマルエージング鋼は、強度および耐食性があわせて要求される用途に適している。この種の鋼で各種の機械部品を製造するときは、強靱化を図って、「オースフォーム」と呼ばれる、熱処理と加工とを組み合わせた操作が行なわれる。オースフォームは、（１）鋼を高温に加熱することからなる、オーステナイト（以下「γ」と略記する）単相化、（２）冷却による準安定化γ域への到達、（３）加工による転移の導入、および（４）マルテンサイト（以下「Ｍ」と略記する）化またはベイナイト（以下「Ｂ」と略記する）化、の４段階からなる。出願人は、マルテンサイト系析出強化型ステンレス鋼の高強度ボルトおよびねじの製造方法を発明し、すでに開示した（特許文献１）。一般に、段階１のγ化は、温度１０００〜１２００℃で、段階３の加工は、温度４００〜８５０℃で行なわれる。

オースフォームの主要な問題点は、（ａ）γ化後の冷却に時間がかかり、これが生産性を低くしていること、および（ｂ）残留γ量が著しく増大したときに、特性が低下すること、の２点である。時効硬化型ステンレス鋼およびマルエージング鋼の強靱化に対する要求はますます強く、それに対して、たとえば合金組成の選択により対応する試みもあるが（特許文献２）、現行の技術では、なお十分とはいえない。
特開平８−２１８１２２号公報特開平６−２４８３８９号公報

本発明の目的は、時効硬化型ステンレス鋼およびマルエージング鋼の強靱化手段として実施されているオースフォームを改良し、上記したその問題点を解消し、準安定γ域に到達する時間を短縮するとともに、残留γ量の増大を抑制して特性の低下を回避するだけでなく、従来のオースフォーム加工製品よりさらに強靱化されたステンレス鋼部品と、その製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決する、本発明の時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼から強靱な部品を製造する方法は、下記の諸工程からなる。
１）時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼を、昇温速度０．１〜１０００℃／秒で９５０〜１２００℃に加熱して、実質上オーステナイト（γ）単相にすること（ただし、この温度域にある時間を６０分間以内とする）、
２）９５０〜１２００℃以下、８５０℃以上の温度で加工し、累積加工率が３０〜９０％の予変型を与えることにより、再結晶により形成されるγ組織を微細化すること、
３）８５０℃未満であって、マルテンサイト変態点およびベイナイト変態点以上の温度で、少なくとも１０％以上の加工率で加工し、加工硬化を生じさせること、
４）冷却してマルテンサイトまたはベイナイト組織とすること、および
５）時効処理を施すこと。

本発明の製造方法の諸工程を概念的に図示すると、図１のようになる。工程１）のγ化を適切な加熱速度と加熱温度で実施し、かつ、高温に維持する時間を限定することにより、形成されるγ組織の結晶粒径が、過度に粗大になることが避けられる。続いて、もっともよく本発明を特徴付ける工程２）において、３０％以上の累積加工率の予変型を与えることにより、再結晶により形成されるγ組織が微細になる。材料の断面は、加工前にくらべて小さくなるから、準安定γ域への冷却が短時間で達成でき、これは生産性の向上に有効である。

工程３）の準安定γ域における加工は、高い変型抵抗に抗して行われるため、それほど大きい加工率でなくても加工硬化が著しく、効果的に高められた転位密度が実現する。この仕上げ加工の加工度が比較的小さいということは、残留γ量の増加が引き起こすことのある特性劣化を避けるのに役立つ。このようにして、きわめて微細な再結晶γ組織の加工硬化状態からマルテンサイト変態またはベイナイト変態が起こるため、最終的に部品中に存在する組織は微細であって、従来のオースフォーム製品を超える高い靱性をもったステンレス鋼部品またはマルエージング鋼が得られる。

組織の微細さを平均結晶粒径で表して横軸にとり、靱性を代表とする特性を縦軸にとったとき、両者の関係は、左上がりの曲線（実際は、ほぼ直線状であるが）となる。在来の、溶体化処理と時効処理の組み合わせに対し、オースフォームを行なった場合は、この曲線が上方に平行移動した関係となるが、本発明に従って前述の工程を実施すれば、曲線は、さらに上方に移動した形になるわけである。

本発明の方法は、オースフォームが可能な鋼すなわち時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼を対象にしたとき、その意義を発揮する。具体的な鋼は、ステンレス鋼としてはＪＩＳ鋼種のＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１およびＤＳＰ１Ｈであり、それらの合金組成は、下記の表１に示すとおりである（重量％、残部Ｆｅ）。

マルエージング鋼としては、１０〜１８％Ｎｉマルエージング鋼があり、名称の示すように、１０〜１８％前後のＮｉを含有するとともに、若干のＣｏおよびＭｏを主たる時効硬化元素として添加し、少量のＴｉおよびＡｌを添加した合金である

図１を、時効硬化型ステンレス鋼について説明すると、工程１）における昇温は、高温に保持する時間を制限する関係で、高い速度で行なった方がよいが、あまり高速ではオーステナイト変態が間に合わないことがある。適切な昇温速度は、通常、５〜５０℃／秒の範囲である。加熱温度は、前記のように９５０〜１２００℃の範囲からえらぶが、通常は１０００〜１１５０℃の範囲内が適当である。時効処理は、この種の鋼に関して知られている技術にしたがって条件を選択し、実施することができる。適切な条件の例を示せば、１０００〜１１００℃に加熱し、０．５時間保持することである。

［予備実験］
本発明の諸工程の条件を決定するため、ＳＵＳ６３０を対象に、下記の予備実験を行なった。まず、工程１）における昇温速度の適切な範囲を定めるため、１０^-2〜１０⁴℃/秒の範囲内で、種々の昇温速度で１０５０℃まで加熱し、直ちに冷却して、γ組織の平均結晶粒径（ｄγ）を測定した。昇温速度と、ｄγとの関係をプロットして、図２のグラフを得た。この段階のｄγとして許容できる、最大７５μｍまでのγ組織を与える昇温速度として、下限値０．１（１０^-1）℃/秒を定めた。一方、上限値１０００（１０³）℃/秒は、昇温速度の上昇がもはやｄγを小さくする効果が飽和するとともに、実操業において実現が困難である領域を切り捨てる形で決定した。前記の、通常は好適であるとした５〜５０℃/秒という昇温速度は、このグラフから明らかなように、ｄγを十分に小さく（３０μｍ以下）することができ、しかも実操業で実現することが容易な範囲である。

つぎに、γ化のための加熱保持時間は、結晶の成長を避ける意味で、原理的には短い方がよいが、上記の昇温速度との関連において、ある程度経過することは免れない。そこで、どこまで許容されるかを、室温から１０５０℃まで１０００℃/秒の昇温速度で加熱し、一定時間保持したのち、直ちに冷却して、それぞれの保持時間（秒）におけるｄγを測定して、図３のグラフを得た。ここでも、許容できる最大７５μｍのｄγを与える保持時間として、１８００秒＝３０分間を決定した。

工程２）の予変型を行なう加工の加工率とその温度に関しては、昇温速度を１０℃/秒、保持時間を１５秒間とするγ化を経た鋼に、累積加工率１０〜６０％の範囲内で１０％刻みの加工率と、８５０〜１１５０℃の範囲内で１００℃刻みの温度とを組み合わせ、各組み合わせにおけるγ組織の再結晶の模様を調べた。結果は図４のグラフに見るとおりであって、加工率３０％以上であって、温度が８５０℃以上である組み合わせの場合、１００％の再結晶化が認められた。図において、黒丸のプロットは完全再結晶化、白丸は未再結晶化、白黒丸は再結晶組織と未再結晶組織の混合を意味する。

図４の各プロットに付記した数字は、そのγ組織の再結晶粒子が示した平均結晶粒径を表す。この段階で好ましい平均結晶粒径である５０μｍ以下を与えるのは、予変型の累積加工率が３０％以上であって、加工時の温度が８５０℃である場合の組み合わせである。これが、前記の条件を定めた理由である。
［実施データ］

ＪＩＳ鋼種のＳＵＳ６３０を対象に、本発明の製造方法を実施した。９４mm角の鋼片に分塊したものを、表２の第一の欄に記載した、０．０５〜１００℃／秒の範囲内にある種々の昇温速度で、やはり表２に記載した９００〜１２５０℃の範囲内の温度に加熱し、記載の時間である５〜３６００秒保持した。これを、表２の第二の欄に記載の温度において、８０％または５％の累積加工率で圧延する予変型を行ない、つづいて第三の欄に記載の条件で、直径３３mmの丸棒に加工した。最後に、３６０〜６５０℃で１〜８時間保持する時効処理を施して、サンプルを得た。

上記のサンプルについて、機械的性質における引張り特性（０．２％耐力）および靱性（伸び）を測定した。結果を、表３およびそれらの値の相関をプロットしたグラフである、図５に示す。図５から明らかなように、本発明の実施例においては、比較例に比べて、同様な靱性（伸び）においても、より高い引張り特性（０．２％耐力）が得られている。

本発明の製造方法は、時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼を材料として部品を製造するに当たって、材料が発揮し得る強靱性を、最大限に引き出すことができる。したがって、時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼で、強度および耐食性をあわせて要求される部品を製造する場合、本発明は有用である。

本発明に従う時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼の部品の製造方法について、その工程を概念的に示す図。本発明の完成に至るまでに実施した予備実験のデータであって、本発明の工程１）における昇温速度と、得られたγ組織の平均結晶粒度ｄγとの関係を示すグラフ。同じく予備実験のデータであって、本発明の工程１）における加熱保持時間と、得られたγ組織の平均結晶粒度ｄγとの関係を示すグラフ。同じく予備実験のデータであって、本発明の工程２）における予変型の累積加工率と加熱温度との種々の組み合わせにおいて、得られた組織がどの程度再結晶化しているかを、γ組織の平均結晶粒径の値とともに表したグラフ。本発明の実施例のデータであって、表３に掲げた引張り特性（０．２％耐力）の値と靱性（伸び）の値との関係を、実施例と比較例とで対比して示したグラフ。

Claims

時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼から強靱な部品を製造する方法であって、下記の諸工程からなる製造方法。
１）時効硬化型ステンレス鋼またはマルエージング鋼を、昇温速度０．１〜１０００℃／秒で９５０〜１２００℃に加熱して、実質上オーステナイト（γ）単相にすること（ただし、この温度域にある時間を６０分間以内とする）、
２）１２００℃以下、８５０℃以上の温度で加工し、累積加工率が３０〜９０％の予変型を与えることにより、再結晶により形成されるγ組織を微細化すること、
３）８５０℃未満であって、マルテンサイト変態点およびベイナイト変態点以上の温度で、少なくとも１０％以上の加工率で加工し、加工硬化を生じさせること、
４）冷却してマルテンサイトまたはベイナイト組織とすること、および
５）時効処理を施すこと。
工程１）における昇温速度を５〜５０℃／秒の範囲からえらび、加熱温度を１０００〜１１５０℃とする請求項１の製造方法。
時効硬化型ステンレス鋼が、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１またはＤＳＰ１Ｈから選んだものであり、マルエージング鋼が、１０〜１８％Ｎｉマルエージング鋼である請求項１の製造方法。
請求項１ないし３のいずれかの製造方法により製造された機械部品。