JP2007031777A

JP2007031777A - 摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材

Info

Publication number: JP2007031777A
Application number: JP2005216836A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 聡鈴木; Hideki Tanaka; 秀記田中; Taichiro Mizoguchi; 太一朗溝口
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】プレス加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、加工・窒化処理後に高硬度を発現して摺動特性に優れたステンレス鋼製部材を得る。
【解決手段】 C+N：0.06質量%以下，Si：1.0質量%以下，Mn：5.0質量%以下，Ni：5.0〜15.0質量%，Cr：15.0〜20.0質量%，Cu：0.5〜5.0質量%，Mo：O〜3.0質量%を含み、加工誘起マルテンサイト生成量指標Ｍｄ₃₀が-60〜-10，積層欠陥難易度指数SFIが30以上となる組成を有する鋼板を、所定形状に加工後に窒化処理して加工・窒化処理部に2.0〜50.0体積%の加工誘起マルテンサイトを有する組織と600Hv以上の硬さを発現させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、プレス加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板を素材とし、プレス加工に引続いて窒化処理が施された後に高硬度を発現させて摺動特性を高めたオーステナイト系ステンレス鋼製部材に関する。

建物用ドア，家具用ドアから携帯電話やパソコンに至るまで、各種の摺動部品が使用されている。これらの摺動部品には、表面の硬質化が必要であるため、普通鋼や特殊鋼を加工した後に硬質Ｎｉめっきや浸炭処理などよる表面処理が施されてきた。
一方、環境負荷の低減等、近年、環境にやさしい素材が求められているが、硬質Ｎｉめっき等はその廃液が有害であり、環境への負荷が大きい。また、浸炭処理は硬質化が図れる点で有意な技術ではあるが、浸炭製品は耐食性に劣るために腐食環境では使用し難いという問題点がある。

そこで、耐食性に優れたステンレス鋼板を素材とし、加工後に窒化処理を施すことで硬質化を図る技術が、特許文献１，２で提案されている。
この技術によれば、めっき処理による環境負荷を低減できるばかりでなく、その製品は耐食性に優れるために腐食環境下でも使用できるという利点がある。
特許第２９１６７５１号公報特許第２９１６７５２号公報

しかしながら、ステンレス鋼板は普通鋼に比べて硬質で加工し難く、生産性に劣るため、ステンレス鋼板の使用は加工コストのアップに繋がる。すなわち、窒化処理を施すことにより表面の硬質化を図ることができても、その基材となるステンレス鋼板の加工にコストがかかるため、全体としては経済性に劣るという問題がある。
しかも、オーステナイト相を主体とした安定オーステナイト系ステンレス鋼は加工誘起マルテンサイト相を有する鋼と比べて窒化処理が施し難いとされている。さらに、加工誘起マルテンサイト相を生成しやすい鋼はより多く加工硬化するため、プレス加工自体が困難になるという問題がある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、プレス加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、加工後に窒化処理されやすく、しかも窒化処理後に高硬度を発現して摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材を提供することを目的とする。

本発明の摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材は、その目的を達成するため、Ｃ＋Ｎ：０.０６質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：５.０質量％以下，Ｎｉ：５.０〜１５.０質量％，Ｃｒ：１５.０〜２０.０質量％，Ｃｕ：０.５〜５.０質量％，Ｍｏ：０〜３.０質量％を含み、さらに必要に応じてＢ：０.０００１〜０.０１００質量％を含み，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、次の式(１)で定義される加工誘起マルテンサイト生成量指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０，式(２)で定義される積層欠陥難易度指数ＳＦＩが３０以上となる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼板から構成され、加工後に窒化処理されて、加工・窒化処理部が２.０〜５０.０体積％の加工誘起マルテンサイトを有する組織と６００ＨＶ以上の硬さを呈していることを特徴とする。
Md₃₀＝551−462(C＋N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni＋Cu)−13.7Cr−18.5Mo・・・(１)
SFI＝2.2Ni＋6Cu−1.1Cr−13Si−1.2Mn＋32 ・・・(２)

本発明で提供される摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材は、加工誘起マルテンサイト生成量指標Ｍｄ₃₀及び積層欠陥難易度指数ＳＦＩなる指標で適正に管理された素材が用いられていることにより、高加工性が要求される各種形状部材にもオーステナイト系ステンレス鋼板を使用できる。しかも、加工により適正量の加工誘起マルテンサイト相が形成されており、その後、容易に窒化処理される。
加工・窒化処理後に高硬度を呈しているため、その特性が向上された摺動部材として好適に用いられる。

本発明者等は、加工時には軟質で金型への負荷が小さくて加工しやすく、さらにその加工品を窒化しやすくすることにより表面の硬質化が図れる鋼を見出すべく、オーステナイト系ステンレス鋼の材質面の影響を調査検討した。
加工誘起マルテンサイトへの変態は、加工時に導入される歪によってオーステナイト相の結晶格子が変形することが原因である。加工誘起マルテンサイトの生成は、前掲の式（１）で定義されるオーステナイト安定指数、すなわち加工誘起マルテンサイト生成量指標Ｍｄ₃₀が−１０以下となるように成分設計することによって制御される。

一方、加工誘起マルテンサイト相がより多く生成すれば、窒化による硬質化が容易になる。したがって、上記Ｍｄ₃₀値の下限値を−６０以上にして窒化に必要な加工誘起マルテンサイト生成量を確保する。
プレス加工した後の段階での加工誘起マルテンサイト相量を２.０〜５０.０体積％になるようにすることで、後記積層欠陥難易度指数ＳＦＩの作用による加工硬化と相俟って、摺動部材として用いる際に必要な６００ＨＶ以上の硬さを確保することができる。加工誘起マルテンサイト相量が２.０％に満たないと窒化処理による硬質化が不十分になり、逆に、５０.０体積％を超えるほどに多くなると過度に硬質化してしまう。
この加工誘起マルテンサイト量は、前記Ｍｄ₃₀値とプレス加工時の加工割合により調整される。Ｍｄ₃₀値が小さい、すなわちマイナスの値であってその絶対値が大きい場合には、プレス加工時の加工度合いを高くすることが好ましく、Ｍｄ₃₀値の大きい、すなわちマイナスの値であってその絶対値が小さい場合には、加工度の小さいプレス加工であっても所望量の加工誘起マルテンサイト相が生成する。

ところで、苛酷な成形加工を経て製品化される用途では、オーステナイト相の安定化だけでは依然として加工割れや硬質化を完全には防止できない。未変態のオーステナイト相であっても、加工硬化する。この場合の加工硬化挙動はＦＣＣ構造を採るオーステナイト相における転位の増殖形態に影響され、積層欠陥の生成難易度によって加工硬化量が決まってくる。
そして、積層欠陥の生成傾向は、前掲の式（２）で定義される積層欠陥難易度指数ＳＦＩで表すことができる。なかでも、マトリックスに固溶されたＣｕは、積層欠陥難易度指数ＳＦＩを大きく上昇させる。この点、Ｃｕは、Ｎｉ代替による原料費のコストダウンに留まらず、加工硬化を一層低減させて加工性を向上させる上で有効な成分である。積層欠陥難易度指数ＳＦＩが小さいと僅かなエネルギーによって積層欠陥が生成し、転位の伝播が積層欠陥によって抑えられる。その結果，転位が蓄積し、加工硬化が大きくなる。
そこで、前記ＳＦＩ値を３０以上として積層欠陥エネルギーを高く設定する。

以下に、本発明で素材となる軟質ステンレス鋼板に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ＋Ｎ：０.０６質量％以下
Ｃ，Ｎは、多量に含まれると固溶硬化により０.２％耐力や硬さを上昇させる作用を発揮する。また、加工誘起マルテンサイト相を過度に硬質化し、成形性や二次加工性に悪影響を及ぼす。そこで、それらの合計含有量を０.０６質量％以下に規制する。

Ｓｉ：１.０質量％以下
Ｓｉはステンレス鋼の脱酸剤として添加される。その効果を発現させるために、０.１質量％以上のＳｉを含有させることが好ましい。しかし、あまり多く添加すると鋼を硬質化するとともに、加工硬化が大きくなって二次加工性が低下する。そこで、本発明においては、１.０質量％以下に規制する。

Ｍｎ：５.０質量％以下
Ｍｎ含有量の増加に伴って加工誘起マルテンサイト相が生成し難くなり、０.２％耐力や加工硬化率が低下する。しかし、過剰量のＭｎ含有は、製鋼時に耐火物損傷を促進させ、加工割れの起点となるＭｎ系介在物を増加させる。そこで、本発明においては、５.０質量％以下に規制する。

Ｃｒ：１５.０〜２０.０質量％
Ｃｒはステンレス鋼の表面に不動態皮膜を形成して耐食性を向上させる上で必須の合金成分である。１５.０質量％以上のＣｒ含有でその効果が顕著になる。Ｃｒの耐食性改善効果は、Ｎｉとの共存によって一層顕著になる。しかし、Ｃｒ含有量の増加に伴って硬質化し、曲げ性や伸縮性が損なわれることから、Ｃｒ含有量の上限を２０.０質量％に設定した。

Ｎｉ：５.０〜１５.０質量％
Ｃｒと複合添加することにより耐孔食性等の耐食性改善に有効な合金成分である。５.０質量％以上のＮｉ含有でその効果が顕著になる。また、Ｎｉ含有量の増加に伴って軟質化し、加工誘起マルテンサイト相の生成に起因する加工硬化も抑えられ、変形抵抗が抑制される。しかし、高価な元素であることから、経済性とプレス成形性の改善効果を勘案し、Ｎｉ含有量の上限を１５.０質量％に設定した。

Ｃｕ：０.５〜５.０質量％
加工誘起マルテンサイト量の生成に起因する加工硬化を抑制し、オーステナイト系ステンレス鋼板を軟質化することにより、金型負荷を低減させる合金成分である。０.５質量％以上でＣｕの添加効果が顕著になる。また、オーステナイト生成元素であることから、Ｃｕ含有量の増加に応じてＮｉ含有量の設定自由度が増す。具体的には、２.００質量％以上のＣｕを含有させることにより、Ｎｉ含有量を下限値５.００質量％近くまで低減できる。さらに、積層欠陥難易度指数ＳＦＩを高める上でも最も有効な元素であり、オーステナイト相の加工硬化を抑制，積層欠陥生成抑制による窒化性の向上等、非常に有益な元素である。しかし、５.０質量％を超える過剰量のＣｕを添加すると、熱間加工性に悪影響が現れやすい。したがって、Ｃｕ含有量は０.５〜５.０質量％の範囲に設定するが、好ましいＣｕ含有量は、０.８〜３.５質量％の範囲である。

Ｍｏ：０〜３.０質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、耐食性を改善する作用を呈する。０.３質量％以上の添加で耐食性改善効果が顕著になる。しかし、過剰量のＭｏ添加は変形抵抗を上昇させる原因となるので、Ｍｏを添加する場合には上限を３.０質量％に規定する。
Ｂ：０.０００１〜０.０１００質量％
必要に応じて添加される合金成分であり、窒化時に化合物を形成して表面の硬質化に大きく寄与する。その効果は、０.０００１質量％の含有で顕著になる。しかし、多量に含有させると窒化処理後の製品表面の粗度が大きくなるので、Ｂを添加する場合には上限を０.０１００質量％に規定する。

成形加工
本発明製品に用いられる加工法に制限はない。次の実施例で採用した絞り・張出し成形の他に、バーリング加工，冷間鍛造加工，打抜き加工等、あらゆる塑性加工法を含む。
ただし、窒化処理を行いやすくして所定の硬さを発現させるため、加工後に所定割合の加工誘起マルテンサイト相を生成させる必要がある。このため、加工誘起マルテンサイト相の生成しやすさ、すなわち、Ｍｄ₃₀値に応じて適切な加工度を設定する必要がある。

窒化処理
本発明製品に用いられる窒化処理方法にも制限はない。次の実施例で採用したアンモニア分解ガスによる窒化のみならず、イオン窒化法，塩浴軟窒化法などの一般的に使用される窒化方法が採用される。

実施例１
表１の組成をもつ各種ステンレス鋼を溶製し、連鋳スラブを得た後、抽出温度１２３０℃で熱間圧延することにより板厚３ｍｍの熱延鋼帯を製造した。熱延鋼帯に１１００℃×均熱１分の焼鈍を施し、酸洗後に板厚０.８ｍｍまで冷間圧延した。次いで、冷延鋼帯を１０５０℃×均熱１分で仕上げ焼鈍した後に酸洗を施し、焼鈍酸洗冷延鋼帯を作製した。

各ステンレス鋼板を用いて、図１に示す形状の深絞り品を連続プレス加工により１００００個製造した。
得られた成形品の高さの１／２位置における外径寸法を４箇所測定し、設計寸法φ１５ｍｍに対して±１０μｍの寸法を超えた場合には成形不良とした。

これらのプレス品を、一辺が５００ｍｍの立方体形状の雰囲気炉中にてアンモニアガスを７００ｃｃ／ｓの割合で供給しながら、５６０℃×１０時間保持する窒化処理を施した。窒化処理後、プレス品側面のフランジ面より高さ２ｍｍの位置で製品を切り出し、外側表面から２０μｍ断面位置で、組織観察を行って加工誘起マルテンサイト相量（α’量）を測定するともにビッカース硬さを測定した。なお、加工誘起マルテンサイト相量（α’量）の測定は２０μｍ角の視野を４００倍に拡大し、ＥＢＳＰ（Electron Back Scattering Pattern，後方散乱電子回折像）によりα’相の生成部を検出し、その面積率を測定した。なお、測定は異なる４視野で行い、その平均値をα’生成量とした。またビッカース硬さ測定時の荷重は０.１ｋｇとした。
製品寸法外れが出たプレス回数と、窒化処理断面の加工誘起マルテンサイト量及びビッカース硬さを表２に示す。

表２の結果からわかるように、Ｍｄ₃₀値が−６０〜−１０、ＳＦＩ値が３０以上、かつ（Ｃ＋Ｎ）含有量が０.０６質量％以下である本発明鋼種Ｎｏ.１〜３を素材としたものにあっては、連続プレス時に最後の１００００個まで寸法精度良くプレス成形ができた。さらに窒化処理後の製品断面調査によると、十分な加工誘起マルテンサイト量が確保でき、所望の表面硬さを有する製品が得られていた。

これに対して、Ｍｄ₃₀値が−６０に満たなかった鋼種Ｎｏ.４では、連続プレス性は良好であったが、加工誘起マルテンサイト量が少ないために十分な窒化が進行せず、所望の表面硬さが得られなかった。
また、Ｍｄ₃₀値が−１０を超える鋼種Ｎｏ.５では、過度にα’相が生成したためプレス加工時に硬質化し、金型負荷が増大するため、連続プレス１００００個まで良好な寸法精度を得ることができなかった。

さらに、（Ｃ＋Ｎ）量が０.０６％を超える鋼種Ｎｏ.６では、α’相の生成量は適正であるものの、過度に硬質化したために金型負荷の増大を招き、寸法精度を維持する連続プレス数量が不十分であった。また、ＳＦＩ値が３０を下回る鋼種Ｎｏ.７では、α’生成量，窒化処理による硬質化ともに十分であったが、γ相が過度に硬質化したため、金型負荷が増大し、寸法精度を維持する連続プレス数量が不十分であった。

実施例２
表３の組成をもつ各種ステンレス鋼を、実施例１と同様な工程で溶製・鋳造・圧延し、板厚０.８ｍｍの冷延焼鈍鋼帯を得た。これらの鋼帯に、実施例１と同様なプレス加工と窒化処理を施して、連続プレス性と窒化処理後の加工誘起マルテンサイト相量及び表面硬さを調査した。
また、製品寸法を測定した製品壁部周方向における表面粗さＲａを接触式粗さ計で測定した。

さらに、各鋼種の摺動性を評価した。
図１に示すプレス品を用い、そのフランジ端面から高さ２ｍｍの部分を起点として、一定荷重を負荷した外径φ１／４インチの硬球を、速度５０ｍｍ／ｓで軸方向にストローク５ｍｍで１０００回往復運動させ、焼付きが発生する荷重を摺動限界とした。
それらの測定結果を併せて表４に示す。

表４に示す結果からもわかるように、いずれの鋼種も連続プレス性は良好であった。
Ｂ含有量が０.０００１％以上である鋼種Ｎｏ.１２〜１５の断面硬さはいずれも８５０ＨＶを超えており、また摺動限界荷重も５０ｇ以上の高い値を示し、Ｂ含有量が０．０００１％に満たない鋼種Ｎｏ.１１よりも、より硬質化されて摺動特性が向上されていた。ただし、Ｂ含有量が０.０１％を超える鋼種Ｎｏ.１６は表面粗さＲａが０.５６μｍを呈し、他の鋼種に比べて製品表面の表面が粗くなるため、摺動限界荷重が４０ｇに低下していた。

プレス加工品の形状と寸法測定位置を示す図

Claims

Ｃ＋Ｎ：０.０６質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：５.０質量％以下，Ｎｉ：５.０〜１５.０質量％，Ｃｒ：１５.０〜２０.０質量％，Ｃｕ：０.５〜５.０質量％，Ｍｏ：０〜３.０質量％を含み，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、次の式(１)で定義される加工誘起マルテンサイト生成量指標Ｍｄ₃₀が−６０〜−１０，式(２)で定義される積層欠陥難易度指数ＳＦＩが３０以上となる組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼板から構成され、加工後に窒化処理されて、加工・窒化処理部が２.０〜５０.０体積％の加工誘起マルテンサイトを有する組織と６００ＨＶ以上の硬さを呈していることを特徴とする摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材。
Md₃₀＝551−462(C＋N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni＋Cu)−13.7Cr−18.5Mo・・・(１)
SFI＝2.2Ni＋6Cu−1.1Cr−13Si−1.2Mn＋32 ・・・(２)
さらに、Ｂ：０.０００１〜０.０１００質量％を含むものである請求項１に記載の摺動特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼製部材。