JP2005248263A - マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の硬さを有しつつ、耐食性及び冷間加工性に優れ、且つ、十分な靭性を備えるマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼では、
質量％で、Ｃ：０．１５％未満、Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以上３．０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上３．０％以下、Ｃｒ：１３．０％以上２０．０以下、Ｍｏ：０．２％以上４．０％以下、Ｖ：０．０１％以上１．０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、Ｎ：０．４０％以上０．８０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【選択図】 なし
【解決手段】 本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼では、
質量％で、Ｃ：０．１５％未満、Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以上３．０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上３．０％以下、Ｃｒ：１３．０％以上２０．０以下、Ｍｏ：０．２％以上４．０％以下、Ｖ：０．０１％以上１．０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、Ｎ：０．４０％以上０．８０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
本発明は、耐食性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
従来より、シリンダーライナー、シャフト、軸受、歯車、ピン、ボルト、ねじ、ロール、タービンブレード、金型、ダイス、バルブ、弁座、刃物、ノズルなど、ある程度の耐食性を有し、硬さ、耐磨耗性が要求される分野において、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼が一般的に用いられている。
しかしながら、上記マルテンサイト系ステンレス鋼は、硬さを確保するためにＣを多く含有させることから、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、耐食性に劣り、屋外の水滴や水溶液などの付着するような環境下では使用できないという問題がある。そのため、めっきなどの表面処理を施すことによる対応がされているが、傷や剥離などにより腐食が進行する問題がある。
また、上記マルテンサイト系ステンレス鋼では、共晶炭化物が生成しているため、冷間加工性が著しく低いという問題もある。一方、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性に優れているものの、冷間加工により得られる硬さがＨＲＣ４０程度であり、硬さの点でマルテンサイト系ステンレス鋼に遠く及ばない。
以前、本出願人は、上記特許文献１によって、ＳＵＳ４２０Ｊ２以上の冷間加工性と焼戻し硬さ、ＳＵＳ３１６以上の耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼の開示を行った。しかし、当該マルテンサイト系ステンレス鋼では、上記のような機械構造部品として使用される場合に必要な靭性が考慮されていなかった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の硬さを有しつつ、耐食性及び冷間加工性に優れ、且つ、十分な靭性を備えるマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼では、
質量％で、Ｃ：０．１５％未満、Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以上３．０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上３．０％以下、Ｃｒ：１３．０％以上２０．０以下、Ｍｏ：０．２％以上４．０％以下、Ｖ：０．０１％以上１．０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、Ｎ：０．４０％以上０．８０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
質量％で、Ｃ：０．１５％未満、Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以上３．０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上３．０％以下、Ｃｒ：１３．０％以上２０．０以下、Ｍｏ：０．２％以上４．０％以下、Ｖ：０．０１％以上１．０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、Ｎ：０．４０％以上０．８０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
上記本発明では、マルテンサイト系ステンレス鋼において、Ｃ量を低減させる一方でＮ量を増加させ、それとともに、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ量をより低減させ、またＶを添加することによって、焼戻し硬さの確保、耐食性及び冷間加工性の向上、靭性の確保を可能としている。以下、本発明における組成限定理由について説明する。
Ｃ（炭素）：０．１５％未満
Ｃは、侵入型元素であって強度の向上に寄与するとともに、後述のＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａと結合して焼戻し硬さを向上させる。このような効果を得ようとする場合、０．０１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、Ｎの固溶量を低下させるとともに、粗大な一次炭化物の生成によって、焼鈍処理後の冷間加工性、及び焼入れ‐焼戻し後の耐食性、靭性が劣化するばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼戻し硬さの低下を招いてしまう。したがって、０．１５％未満の添加とする。好ましくは、０．１４％以下とする。
Ｃは、侵入型元素であって強度の向上に寄与するとともに、後述のＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａと結合して焼戻し硬さを向上させる。このような効果を得ようとする場合、０．０１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、Ｎの固溶量を低下させるとともに、粗大な一次炭化物の生成によって、焼鈍処理後の冷間加工性、及び焼入れ‐焼戻し後の耐食性、靭性が劣化するばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼戻し硬さの低下を招いてしまう。したがって、０．１５％未満の添加とする。好ましくは、０．１４％以下とする。
Ｓｉ（ケイ素）：０．０５％以上０．２０％未満
Ｓｉは、脱酸元素であり、靭延性の著しい低下を招くＡｌＮを生成するＡｌを抑制するために有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、靭延性を著しく低下させてしまうばかりか、熱間加工性に有害となるので、０．２０％未満の添加とする。好ましくは、０．１８％以下とする。
Ｓｉは、脱酸元素であり、靭延性の著しい低下を招くＡｌＮを生成するＡｌを抑制するために有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、靭延性を著しく低下させてしまうばかりか、熱間加工性に有害となるので、０．２０％未満の添加とする。好ましくは、０．１８％以下とする。
Ｍｎ（マンガン）：０．０５％以上２．０％以下
Ｍｎは、Ｎ固溶量を増加させるのに有効な元素である。また、脱酸、脱硫元素としても有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは０．１０％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招くばかりでなく、耐食性の劣化を招いてしまうので、２．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｍｎは、Ｎ固溶量を増加させるのに有効な元素である。また、脱酸、脱硫元素としても有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは０．１０％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招くばかりでなく、耐食性の劣化を招いてしまうので、２．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｐ（リン）：０．０３％以下
Ｐは、熱間加工性、粒界強度、靭延性を低下させる元素であり、低減させることが好ましいので、０．０３％以下の添加とする。なお、必要以上の低減はコストの上昇を招く。
Ｐは、熱間加工性、粒界強度、靭延性を低下させる元素であり、低減させることが好ましいので、０．０３％以下の添加とする。なお、必要以上の低減はコストの上昇を招く。
Ｓ（硫黄）：０．０３％以下
Ｓは、耐食性や、冷間加工時の靭延性を劣化させるとともに、熱間加工性も低下させる元素であり、低減させることが好ましいので、０．０３％以下の添加とする。好ましくは、０．０２％以下とする。なお、必要以上の低減はコストの上昇を招く。
Ｓは、耐食性や、冷間加工時の靭延性を劣化させるとともに、熱間加工性も低下させる元素であり、低減させることが好ましいので、０．０３％以下の添加とする。好ましくは、０．０２％以下とする。なお、必要以上の低減はコストの上昇を招く。
Ｃｕ（銅）：０．０５％以上３．０％以下
Ｃｕは、冷間加工時の靭性を向上させるとともに、耐食性も向上させる元素である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０８％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招くばかりでなく、熱間加工性を低下させてしまうので、３．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｃｕは、冷間加工時の靭性を向上させるとともに、耐食性も向上させる元素である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０８％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招くばかりでなく、熱間加工性を低下させてしまうので、３．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｎｉ（ニッケル）：０．０５％以上３．０％以下
Ｎｉは、強力なオーステナイト生成元素であるため、窒素ブローの抑制に有効である。また、耐食性、靭性の向上にも寄与する。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０８％以上とする。他方、過度の添加は、焼鈍時の硬さが上昇するため、冷間加工性の劣化を招いてしまう。また、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物が増大して、耐食性、靭延性を著しく低下させるばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼戻し硬さの低下を招いてしまう。したがって、３．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｎｉは、強力なオーステナイト生成元素であるため、窒素ブローの抑制に有効である。また、耐食性、靭性の向上にも寄与する。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０８％以上とする。他方、過度の添加は、焼鈍時の硬さが上昇するため、冷間加工性の劣化を招いてしまう。また、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物が増大して、耐食性、靭延性を著しく低下させるばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼戻し硬さの低下を招いてしまう。したがって、３．０％以下の添加とする。好ましくは、１．０％以下とする。
Ｃｒ（クロム）：１３．０％以上２０．０以下
Ｃｒは、Ｎ固溶量を増加させるため、強度向上に寄与するとともに、耐酸化性や耐食性を向上させるのに有効な元素である。また、焼戻し時にＣ，Ｎと結合して微細な炭窒化物を生成し、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るには、１３．０％以上の添加が必要である。好ましくは、１４．０％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招いてしまうので、２０．０％以下の添加とする。好ましくは、１９．０％以下とする。
Ｃｒは、Ｎ固溶量を増加させるため、強度向上に寄与するとともに、耐酸化性や耐食性を向上させるのに有効な元素である。また、焼戻し時にＣ，Ｎと結合して微細な炭窒化物を生成し、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るには、１３．０％以上の添加が必要である。好ましくは、１４．０％以上とする。他方、過度の添加は、残留オーステナイト量を増大させ、焼戻し硬さの低下を招いてしまうので、２０．０％以下の添加とする。好ましくは、１９．０％以下とする。
Ｍｏ（モリブデン）：０．２％以上４．０％以下
Ｍｏは、Ｎ固溶量を増加させて、耐食性を向上させるとともに、固溶強化元素として強度を向上させる。また、焼戻し時にＣ，Ｎと結合して硬さの向上にも寄与する。このような効果を得るには、０．２％以上の添加が必要である。好ましくは、０．４％以上とする。他方、過度の添加は、窒素ブローの抑制に有効なオーステナイト相の確保が困難になり、また、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物を増大させて靭延性の低下を招いてしまうので、４．０％以下の添加とする。好ましくは、３．５％以下とする。
Ｍｏは、Ｎ固溶量を増加させて、耐食性を向上させるとともに、固溶強化元素として強度を向上させる。また、焼戻し時にＣ，Ｎと結合して硬さの向上にも寄与する。このような効果を得るには、０．２％以上の添加が必要である。好ましくは、０．４％以上とする。他方、過度の添加は、窒素ブローの抑制に有効なオーステナイト相の確保が困難になり、また、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ炭窒化物を増大させて靭延性の低下を招いてしまうので、４．０％以下の添加とする。好ましくは、３．５％以下とする。
Ｖ（バナジウム）：０．０１％以上１．０％以下
Ｖは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与するとともに、固溶元素として靭性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０１％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０２％以上とする。他方、過度の添加は、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性を劣化させてしまうため、１．０％以下の添加とする。好ましくは、０．８％以下とする。
Ｖは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与するとともに、固溶元素として靭性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０１％以上の添加が必要である。好ましくは、０．０２％以上とする。他方、過度の添加は、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性を劣化させてしまうため、１．０％以下の添加とする。好ましくは、０．８％以下とする。
Ａｌ（アルミニウム）：０．０３０％以下
Ａｌは、Ｓｉ，Ｍｎと同様に脱酸元素として有効な元素である。このような効果を得ようとする場合、０．００１％以上の添加が好ましい。しかしながら、本発明では、Ｎ固溶量の増大を目的としており、過度の添加は、ＡｌＮの生成によって靭延性の著しい低下を招いてしまうので望ましくない。したがって、良好な靭性を確保するため、０．０３０％以下の添加とする必要がある。好ましくは、０．０２５％以下とする。
Ａｌは、Ｓｉ，Ｍｎと同様に脱酸元素として有効な元素である。このような効果を得ようとする場合、０．００１％以上の添加が好ましい。しかしながら、本発明では、Ｎ固溶量の増大を目的としており、過度の添加は、ＡｌＮの生成によって靭延性の著しい低下を招いてしまうので望ましくない。したがって、良好な靭性を確保するため、０．０３０％以下の添加とする必要がある。好ましくは、０．０２５％以下とする。
Ｔｉ（チタン）：０．０２０％未満
Ｔｉは、鋼中へ多量の酸化物、窒化物を残存させ、耐食性、靭性を著しく劣化させてしまう。したがって、良好な靭性を確保するために、０．０２０％未満の添加とする必要がある。好ましくは、０．０１８％以下とする。
Ｔｉは、鋼中へ多量の酸化物、窒化物を残存させ、耐食性、靭性を著しく劣化させてしまう。したがって、良好な靭性を確保するために、０．０２０％未満の添加とする必要がある。好ましくは、０．０１８％以下とする。
Ｏ（酸素）：０．０２０％以下
Ｏは、鋼中へ多量の酸化物を残存させ、耐食性、靭性を著しく低下させるので、低減することが好ましい。したがって、０．０２０％以下の添加とする。好ましくは、０．０１０％以下とする。
Ｏは、鋼中へ多量の酸化物を残存させ、耐食性、靭性を著しく低下させるので、低減することが好ましい。したがって、０．０２０％以下の添加とする。好ましくは、０．０１０％以下とする。
Ｎ（窒素）：０．４０％以上０．８０％以下
Ｎは、進入型元素であり、マルテンサイト系ステンレス鋼の硬さ、耐食性を著しく向上させるとともに、焼戻し時に微細なＣｒ窒化物を形成してさらに硬さを向上させる効果を有するので、本発明において最も重要な元素の一つである。このような効果を得るには、０．４０％以上の添加が必要である。好ましくは、０．４２％以上とする。他方、過度な添加は、窒素ブローの生成を誘発するともに、焼入れ処理時に未固溶Ｃｒ炭窒化物を残存させ、耐食性、靭延性の著しく低下を招くばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼入れ‐焼戻し後の硬さの低下を招いてしまうため、０．８０％以下の添加とする。好ましくは、０．７０％以下とする。
Ｎは、進入型元素であり、マルテンサイト系ステンレス鋼の硬さ、耐食性を著しく向上させるとともに、焼戻し時に微細なＣｒ窒化物を形成してさらに硬さを向上させる効果を有するので、本発明において最も重要な元素の一つである。このような効果を得るには、０．４０％以上の添加が必要である。好ましくは、０．４２％以上とする。他方、過度な添加は、窒素ブローの生成を誘発するともに、焼入れ処理時に未固溶Ｃｒ炭窒化物を残存させ、耐食性、靭延性の著しく低下を招くばかりでなく、残留オーステナイト量が増大して、焼入れ‐焼戻し後の硬さの低下を招いてしまうため、０．８０％以下の添加とする。好ましくは、０．７０％以下とする。
次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼では、鋼成分としてさらに、Ｃｏ：０．０５％以上４．０％以下、Ｗ：０．０２０％以上０．２０％以下、Ｔａ：０．０２０％以上０．２０％以下、Ｎｂ：０．０１０％以上０．２０％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有させることができる。以下、組成限定理由について説明する。
Ｃｏ（コバルト）：０．０５％以上４．０％以下
Ｃｏは、強力なオーステナイト生成元素であるため、窒素ブローの抑制に有効であり、耐食性を向上させる効果もある。また、Ｍｓ点を向上させ残留オーステナイト量を低減させるので、焼入れ時の硬さの確保に有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０７％以上とする。他方、過度の添加は、コストの上昇を招くとともに、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ窒化物を増大させ、耐食性、靭延性の低下を招くおそれがあるので、４．０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、２．０％以下とする。
Ｃｏは、強力なオーステナイト生成元素であるため、窒素ブローの抑制に有効であり、耐食性を向上させる効果もある。また、Ｍｓ点を向上させ残留オーステナイト量を低減させるので、焼入れ時の硬さの確保に有効である。このような効果を得るには、０．０５％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０７％以上とする。他方、過度の添加は、コストの上昇を招くとともに、焼入れ処理時の未固溶Ｃｒ窒化物を増大させ、耐食性、靭延性の低下を招くおそれがあるので、４．０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、２．０％以下とする。
Ｗ（タングステン）：０．０２０％以上０．２０％以下
Ｗは、固溶強化元素として、或いは焼戻し時にＣ，Ｎと結合して、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４０％以上とする。他方、過度の添加は、靭延性を低下させるおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｗは、固溶強化元素として、或いは焼戻し時にＣ，Ｎと結合して、硬さの向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４０％以上とする。他方、過度の添加は、靭延性を低下させるおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｔａ（タンタル）：０．０２０％以上０．２０％以下
Ｔａは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４０％以上とする。他方、過度の添加は、Ｔｉと同様に、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性の劣化を招くおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｔａは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４０％以上とする。他方、過度の添加は、Ｔｉと同様に、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性の劣化を招くおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｎｂ（ニオブ）：０．０１０％以上０．２０％以下
Ｎｂは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与する。このような効果を得るには、０．０１０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０２０％以上とする。他方、過度の添加は、Ｔｉと同様に、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性の劣化を招くおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１０％以下とする。
Ｎｂは、Ｃ，Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与する。このような効果を得るには、０．０１０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０２０％以上とする。他方、過度の添加は、Ｔｉと同様に、鋼中へ多量の炭化物、酸化物、窒化物を残存させ、靭性の劣化を招くおそれがあるため、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１０％以下とする。
次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、鋼成分としてさらに、Ｂ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｍｇ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｃａ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｚｒ：０．０２０％以上０．２０％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有させることができる。以下、組成限定理由について説明する。
Ｂ（ホウ素）：０．００１％以上０．０１％以下
Ｂは、靭性の向上に寄与し、また熱間加工性を向上させるために有効である。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｂは、靭性の向上に寄与し、また熱間加工性を向上させるために有効である。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｍｇ（マグネシウム）：０．００１％以上０．０１％以下
Ｍｇは、熱間加工性を向上させるために有効である。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｍｇは、熱間加工性を向上させるために有効である。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｃａ（カルシウム）：０．００１％以上０．０１％以下
Ｃａは、熱間加工性を向上させるために有効である。また、被削性を向上させる効果もある。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｃａは、熱間加工性を向上させるために有効である。また、被削性を向上させる効果もある。このような効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、かえって熱間加工性を害するおそれがあるので、０．０１％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．００８％以下とする。
Ｚｒ（ジルコニウム）：０．０２０％以上０．２０％以下
Ｚｒは、靭性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０３０％以上とする。他方、過度の添加は、かえって靭延性の劣化を招くおそれがあるので、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｚｒは、靭性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２０％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０３０％以上とする。他方、過度の添加は、かえって靭延性の劣化を招くおそれがあるので、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、鋼成分としてさらに、Ｔｅ：０．００５％以上０．０５％以下、Ｓｅ：０．０２％以上０．２０％以下のうちの１種または２種を含有させることができる。以下、組成限定理由について説明する。
Ｔｅ（テルル）：０．００５％以上０．０５％以下
Ｔｅは、被削性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．００５％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０１％以上とする。他方、過度の添加は、靭性、熱間加工性を劣化させるおそれがあるので、０．０５％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４％以下とする。
Ｔｅは、被削性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．００５％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０１％以上とする。他方、過度の添加は、靭性、熱間加工性を劣化させるおそれがあるので、０．０５％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０４％以下とする。
Ｓｅ（セレン）：０．０２％以上０．２０％以下
Ｓｅは、被削性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０５％以上とする。他方、過度の添加は、靭性を劣化させるおそれがあるので、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
Ｓｅは、被削性の向上に寄与する。このような効果を得るには、０．０２％以上の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．０５％以上とする。他方、過度の添加は、靭性を劣化させるおそれがあるので、０．２０％以下の添加が好ましい。さらに好ましくは、０．１５％以下とする。
次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃ含有量をＷC（％）とし、Ｎ含有量をＷN（％）として、ＷC／ＷNが０．３０未満であることが好ましい。さらに好ましくは、０．２９以下である。侵入型元素であるＣとＮの含有量比（ＷC／ＷN）は、硬さ、耐食性に影響を与える。ＷC／ＷNが０．３０以上であると、耐食性が劣化するとともに、必要な硬さが確保できなくなるおそれがある。
次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼戻しマルテンサイト組織中の旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が５０μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、４０μｍ以下である。旧オーステナイト粒の大きさは、靭性に影響を与える。平均結晶粒径が５０μｍを超えると、靭性が低下するおそれがある。
本発明の効果を確認するため、以下の試験を行った。
表１の化学成分の合金を加圧可能な高周波誘導炉により溶解し、均質加熱後、熱間鍛造でφ２４の丸棒とした。その後、Ａｃ３点＋５０℃で４時間加熱後、１５℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却後、空冷する焼鈍処理を行った。
この際、試験片を採取し、以下に記述する焼鈍し硬さと、圧縮試験による限界割れ圧縮率を測定した。
表１の化学成分の合金を加圧可能な高周波誘導炉により溶解し、均質加熱後、熱間鍛造でφ２４の丸棒とした。その後、Ａｃ３点＋５０℃で４時間加熱後、１５℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却後、空冷する焼鈍処理を行った。
この際、試験片を採取し、以下に記述する焼鈍し硬さと、圧縮試験による限界割れ圧縮率を測定した。
１．焼鈍し硬さの測定
焼鈍処理後の試料の硬さの測定は、ＪＩＳ−Ｚ２２４５に規定されているロックウェル硬さ試験によって、ロックウェルＢスケール硬さを測定した。
焼鈍処理後の試料の硬さの測定は、ＪＩＳ−Ｚ２２４５に規定されているロックウェル硬さ試験によって、ロックウェルＢスケール硬さを測定した。
２．限界割れ圧縮率の測定
圧縮試験による限界割れ圧縮率を測定した。圧縮試験片は、直径１５ｍｍ、高さ２２．５ｍｍの円柱状とし、６００ｔ油圧プレスにより圧縮加工した。評価方法は、各減面率で１０個の圧縮試験を行い、割れが発生した個数が５個以下（５０％以下）となる減面率を限界割れ圧縮率とした。
圧縮試験による限界割れ圧縮率を測定した。圧縮試験片は、直径１５ｍｍ、高さ２２．５ｍｍの円柱状とし、６００ｔ油圧プレスにより圧縮加工した。評価方法は、各減面率で１０個の圧縮試験を行い、割れが発生した個数が５個以下（５０％以下）となる減面率を限界割れ圧縮率とした。
次に、１０００〜１１００℃で１時間保持後に油冷する焼入れ処理を行ない、続いて液体窒素中でサブゼロ処理を行った後、４５０℃で１時間保持後に空冷する焼戻し処理を行った。
この際、試験片を採取し、以下に記述する焼入れ焼戻し硬さの測定、塩水噴霧試験、孔食電位の測定、シャルピー衝撃試験を行った。また、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径も測定した。
この際、試験片を採取し、以下に記述する焼入れ焼戻し硬さの測定、塩水噴霧試験、孔食電位の測定、シャルピー衝撃試験を行った。また、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径も測定した。
３．焼入れ焼戻し硬さの測定
焼入れ焼戻し処理後の試料の硬さの測定は、ＪＩＳ−Ｚ２２４５に規定されているロックウェル硬さ試験によって、ロックウェルＣスケール硬さを測定した。
焼入れ焼戻し処理後の試料の硬さの測定は、ＪＩＳ−Ｚ２２４５に規定されているロックウェル硬さ試験によって、ロックウェルＣスケール硬さを測定した。
４．塩水噴霧試験
ＪＩＳ−Ｚ２３７１に規定の方法により実施した。試験後、腐食面積率により以下の４段階にて評価した。Ａ：腐食せず、Ｂ：腐食見られたが５％未満、Ｃ：５％以上２０％以下、Ｄ：２０％超。
ＪＩＳ−Ｚ２３７１に規定の方法により実施した。試験後、腐食面積率により以下の４段階にて評価した。Ａ：腐食せず、Ｂ：腐食見られたが５％未満、Ｃ：５％以上２０％以下、Ｄ：２０％超。
５．孔食電位の測定
ＪＩＳ−Ｇ０５７７に規定の方法により、孔食電位Ｖ（ｍＶ）を測定した。
ＪＩＳ−Ｇ０５７７に規定の方法により、孔食電位Ｖ（ｍＶ）を測定した。
６．シャルピー衝撃試験
本材より切り出した１０Ｒノッチ試験片（ノッチ深さ２ｍｍ、Ｒ径１０ｍｍ）に対し、ＪＩＳ：Ｚ２２４２に規定された方法によりシャルピー衝撃試験を行って、シャルピー衝撃値を測定した。
本材より切り出した１０Ｒノッチ試験片（ノッチ深さ２ｍｍ、Ｒ径１０ｍｍ）に対し、ＪＩＳ：Ｚ２２４２に規定された方法によりシャルピー衝撃試験を行って、シャルピー衝撃値を測定した。
７．旧オーステナイト粒の平均結晶粒径の測定
光学顕微鏡（倍率：約４００倍）により、面積０．１ｍｍ２の視野をランダムに１０個観察し、焼戻しマルテンサイト組織中の旧オーステナイト粒の結晶粒径を測定し、その平均を求めた。
光学顕微鏡（倍率：約４００倍）により、面積０．１ｍｍ２の視野をランダムに１０個観察し、焼戻しマルテンサイト組織中の旧オーステナイト粒の結晶粒径を測定し、その平均を求めた。
また、現用材の代表としてＳＵＳ４４０Ｃついても、比較例１として同様な試験を実施した。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ（比較例１）の製造工程については、高周波誘導炉により溶解し、均質加熱後、熱間鍛造でφ２４の丸棒とした後、８５０℃で４時間加熱後、１５℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却後、空冷する焼鈍処理を行った。次に、１０５０℃で１時間保持後に油冷する焼入れ処理を行ない、続いて液体窒素中でサブゼロ処理を行った後、２００℃で１時間保持後に空冷する焼戻し処理を行った。
また、ＳＵＳ３１６についても、比較例１３として同様な試験を実施した。なお、ＳＵＳ３１６（比較例１３）の製造工程については、高周波誘導炉により溶解し、均質加熱後、熱間鍛造でφ２４の丸棒とした後、１０５０℃で１時間後水冷する溶体化処理を行った。この際、試験片を採取し、上述の塩水噴霧試験、孔食電位の測定を行った。
以上の測定の結果を表２に示す。
表２によると、本発明に属する実施例の鋼はいずれも、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の硬さを有しつつ、耐食性及び冷間加工性に優れ、且つ、十分な靭性を備えることがわかる。すなわち、実施例の鋼は、ＨＲＣ５８以上の焼戻し硬さを確保しつつ、ＳＵＳ４４０Ｃ（比較例１）よりも遥かに優れた冷間加工性を有し、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６（比較例１３）と同等以上の耐食性を確保し、ＳＵＳ４４０Ｃ（比較性１）と同等の衝撃値を有するものであることがわかる。
次に、実施例３及び実施例６について、焼入れ条件を変えて、平均結晶粒径を変化させた３種類を製造し、それぞれにおける衝撃値を測定した。表３に測定結果を示す。
表３によると、旧オーステナイト粒の平均粒径が比較的大きい（ｃ）と比較して、平均粒径が比較的小さい（ａ）（ｂ）は、衝撃値が高く、良好な靭性を有するものとなっていることがわかる。
以上、本発明の実施例を示したが、これはあくまで例示であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、当事者の知識に基づき種々の改良ないし変形を加えた態様でも実施可能であることはいうまでもない。
以上により、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、シリンダーライナー、シャフト、軸受、歯車、ピン、ボルト、ねじ、ロール、タービンブレード、金型、ダイス、バルブ、弁座、刃物、ノズルなど、硬さ、耐磨耗性、耐食性、冷間加工性、靭性が要求される部材に好適である。
Claims (6)
- 質量％で、Ｃ：０．１５％未満、Ｓｉ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｍｎ：０．０５％以上２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以上３．０％以下、Ｎｉ：０．０５％以上３．０％以下、Ｃｒ：１３．０％以上２０．０以下、Ｍｏ：０．２％以上４．０％以下、Ｖ：０．０１％以上１．０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％未満、Ｏ：０．０２０％以下、Ｎ：０．４０％以上０．８０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。
- 鋼成分としてさらに、Ｃｏ：０．０５％以上４．０％以下、Ｗ：０．０２０％以上０．２０％以下、Ｔａ：０．０２０％以上０．２０％以下、Ｎｂ：０．０１０％以上０．２０％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
- 鋼成分としてさらに、Ｂ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｍｇ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｃａ：０．００１％以上０．０１％以下、Ｚｒ：０．０２０％以上０．２０％以下のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
- 鋼成分としてさらに、Ｔｅ：０．００５％以上０．０５％以下、Ｓｅ：０．０２％以上０．２０％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項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。
- Ｃ含有量をＷC（％）とし、Ｎ含有量をＷN（％）として、ＷC／ＷNが０．３０未満であることを特徴とする請求項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。
- 焼戻しマルテンサイト組織中の旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項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。
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