JP2010229474A - 耐食性に優れた焼入れ強化型マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】 焼入れ前には軟質で加工性に富み、焼入れ後には十分な硬さを有するマルテンサイト系ステンレス鋼板を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｃｕ：１．０〜３．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるとともに、ε―Ｃｕとして析出しているＣｕが０．２体積％以上である焼入れ処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。

【選択図】 なし

Description

本発明は、焼鈍処理後の素材のままでは軟質で、プレス加工などを加えた後焼入れ処理を施し、耐食性が要求される焼入れ強化型マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

従来より刃物、工具類、織機部材、電子・電気機器部材等の素材にはＣ含有量が高いＳＵＳ４２０Ｊ２系をはじめとする高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。それら部品の寿命は素材の耐摩耗性のみならず、使用環境によっても異なることから耐食性に優れていることが要求特性の一つである。本件発明者らが発明した特許文献１では、耐磨耗鋼について開示してある。耐食性を向上させるためにＣｒ含有量を高くすると、オーステナイト単相域が狭くなるため、鋼材の焼入れ性が低下するので、硬さが求められる用途には適さない。一方、Ｃ添加量を高めることで焼入れ性は向上するが、Ｃｒ炭化物の生成により有効Ｃｒ量が減少し耐食性は低下する。一方、Ｃ添加量を下げると本来求められる性質である耐摩耗性が得られない。

特開２０００−１９２１９７号公報

高い焼入れ硬さを得るためにＣ含有量を高めた鋼材は、Ｃｒ炭化物が多量に析出するため有効Ｃｒ量が減少し、耐食性を低下させる。また、Ｃ含有量が高くなるにつれて熱間加工性が低下し、特に熱延工程にて割れなどを生じやすい。
耐食性を改善するにはＣｒ含有量を高めることが有効であるが、高い焼入れ硬さを得るためにＣ含有量をも高めた場合には前述の通りＣｒ炭化物が生成するため、問題の解決には至らない。
Ｎｉの添加も耐食性改善には有効であるが、焼鈍後のフェライト相中では固溶Ｎｉにより硬質化し、焼鈍後の素材ままでの加工性に問題がある。

本発明はこのような問題を解消すべく案出したものであり、Ｃｕ添加により焼鈍状態では軟質に、焼入れ処理後はＣｒ炭化物の析出を抑え、耐食性に優れた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。

Ｃｕは焼入れ温度域であるオーステナイト相中では固溶限が３％と高いのに対し、７００〜８００℃では焼鈍温度域のフェライト相中では固溶限が１％以下まで低下する。そのため、素材のままではε―Ｃｕを析出させて固溶Ｃｕを低減し、軟質にすることが可能である。
更に、Ｃｒ含有量を高くしても焼入れ処理後にＣｒ炭化物の生成しない領域を確保することが可能である。

本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｃｕ：１．０〜３．０％、更に必要に応じて、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ及びＭｏの少なくとも１種以上を合計で０．０５〜１．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるとともに、マルテンサイト組織を呈し、焼入れ後の炭化物の析出量が２質量％以下となることを特徴とする。
上記化学組成を持つ鋼材を、７００〜８００℃で保持することによって得られる焼鈍板はビッカース硬さで２００ＨＶ以下の硬さで加工性に富み、それを１０００〜１１５０℃で保持した後焼入れ処理することによってビッカース硬さで４５０ＨＶ以上の硬さを有するものが得られる。

本発明によりＣｕ添加によって焼入れ時のＣｒ炭化物の析出を抑制することで耐食性低下により部品の寿命が問題となる刃物、工具類、織機部材、電子・電気機器部材用途に、耐食性に優れる素材を低コストで提供することができる。

本発明者等は、工具類、織機部材、電子・電気機器部材等の素材に求められる耐食性に対して、熱処理条件等の影響を調査した。その結果、焼入れ処理条件を制御することにより硬さ、炭化物析出量を調整し、耐食性に優れる焼入れ強化型マルテンサイト系ステンレス鋼を提供できることを見出した。

焼入れ処理とは、鋼を加熱して高温でオーステナイト組織にした後、冷却して室温でマルテンサイト組織を得るために行うものである。本発明で規定する範囲の成分組成を有する鋼は、１０００〜１１５０℃の範囲でマルテンサイト組織となる。そこで、焼入れ温度の範囲は１０００〜１１５０℃とした。

以下に、本発明耐食性に優れる焼入れ強化型マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成、組織、その製造条件等について詳しく説明する。

Ｃ：０．０５〜０．５質量％
Ｃは焼入れ硬さを支配する元素であり、焼入れ処理によりマルテンサイト組織を得るためには、０．０５質量％以上含有させる必要がある。しかし、過剰なＣ含有量は共晶炭化物の多量析出に起因して熱間加工性が低下するので、Ｃ含有量の上限を０．５質量％とした。好ましくは、０．０５〜０．４質量％の範囲でＣ含有量を選定する。

Ｓｉ：１．０質量％以下
Ｓｉは溶解精錬時における鋼の脱酸に必要な成分であり、焼入れ処理時の酸化スケール生成を抑制するのに有効である。しかし、過剰な添加はその効果を飽和させるばかりでなく、製造コストの上昇を招くことにもなる。したがって、その上限は１．０質量％とした。

Ｍｎ：２．０質量％以下
ＭｎはＳｉと同様、鋼の脱酸剤としてまた、オーステナイト安定化元素として高温でのオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために必要な成分である。しかし、過剰な添加はその効果を飽和させるばかりでなく、製造コストの上昇さらには、粗大なＭｎＳを形成して成形性や耐食性を低下させることにもなる。したがって、その上限は２．０質量％とした。

Ｎｉ：０．０５〜１．０質量％
ＮｉはＭｎと同様、オーステナイト安定化元素であり高温でオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な成分であり、その効果を得るためには０．０５質量％以上の添加が必要である。一方、焼鈍後のフェライト相中では固溶Ｎｉにより硬質化し、さらにNiは高価でありコスト上昇を招くため、その上限は１．０質量％とした。

Ｃｒ：１０〜１６質量％
Ｃｒは耐食性を付与するために必要な成分である。本発明鋼が用いられる環境を考慮すると、１０質量％以上含まれることが必要である。しかし、過剰な添加は製造コストの上昇を招くので、上限を１６質量％とした。好ましくは、１２〜１５質量％の範囲でＣｒ含有量を選定する。

Ｃｕ：１．０〜３．０質量％
Ｃｕは高温でのオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために必要な成分であり、高温域でのＣｒ炭化物の生成を抑制する。また、フェライト相が安定となる８００℃以下での固溶限が低く、固溶Ｃｕを抑えることでこの温度域での熱処理により軟質化を図ることが可能である。耐食性を向上させるための有効Ｃｒ量を確保するためには、１．０質量％以上含有させる必要がある。しかし、過剰な添加は熱間加工性が低下するので、その上限を３．０質量％とした。

Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏの一種または二種以上の合計：０．０５〜１．０質量％
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ及びＭｏは、その炭化物を鋼の基地中に分散させることにより、硬さを増加させる作用を有しているので必要に応じて添加される。ただし、炭化物の分散量が少ないとその効果は低いため、その一種または二種以上を合計で０．０５質量％以上添加することが好ましい。しかし、過剰な添加は金属間化合物の生成量を増加させて靭性の低下を招くので、その上限は１．０質量％とした。

本発明で規定される成分範囲の鋼を焼入れ処理することにより、マルテンサイト組織を得ることができる。マルテンサイト組織は、高密度の転位を内蔵するとともに過飽和の炭素を固溶しているため、高い硬さを有している。フェライト組織やオーステナイト組織では、焼入れ処理によりビッカース硬度で４５０ＨＶ以上の硬さを得ることは困難であることから、組織はマルテンサイト組織に限定した。

ε―Ｃｕとして析出しているＣｕ：０．２体積％以上
焼鈍板の状態では、ε―Ｃｕとして析出しているＣｕが０．２体積％以上である必要がある。本発明に係る鋼板は、焼入れ前の状態では加工性が良好であることが求められる、Ｃｕの大半が固溶していると鋼材が硬化し、加工性を損ねる。そのため、７００〜８００℃の温度域での焼鈍によって、含有しているＣｕを０．２体積％以上析出させる必要がある。この析出処理は、前記温度域において焼鈍時間１〜２４時間を確保することによって達成される。

焼鈍状態での鋼材のビッカース硬さ：２００ＨＶ以下
焼入れ処理前の鋼材には、良好な加工性を有することが求められる。そのため、焼鈍状態ではビッカース硬さで２００ＨＶ以下であることが必要である。焼鈍により固溶Ｃｕを極力少なくなることで、達成される。

焼入れ処理後の炭化物の総析出量：２質量％以下
Ｃｒが炭化物として対象に析出すると有効Ｃｒが減少し耐食性を損ねるため、これを２質量％以下に制限する。

焼入れ処理後のビッカース硬さ：４５０ＨＶ以上
マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れによって十分な硬さが得られることが必須である。そのため、焼入れ後のビッカース硬さは４５０ＨＶ以上あることが求められる。本発明ではＣｕを含有している成分系のため、Ｃ含有量を０．０５％まで低減しても十分な焼入れ硬さを得ることが出来る。

焼鈍温度：７００〜８００℃
Ｃｕ含有量の全体の０．２体積％以上をε―Ｃｕとして析出させるためには、Ｃｕの固溶限が小さいフェライト相を保つ７００〜８００℃に保持する必要がある。Ｃｕをε―Ｃｕとして十分な量析出させるためには、前述の通り１〜２４時間の保持時間が必要である。

焼入れ温度：１０００℃〜１１５０℃
焼入れ温度（焼入れ前に鋼材を加熱保持する温度）は、１０００〜１１５０℃とする必要がある。この温度域では組織はオーステナイトとなるが、この温度域から冷却することで十分な量の焼入れマルテンサイトを生成させることが出来る。この温度域でＣｒ炭化物を固溶させることで耐食性に有効なＣｒ量を確保する。また、加熱前にはε―Ｃｕとして析出していたＣｕは、この温度域では再固溶し、その後の冷却によって焼入れ硬さを向上させる作用を発揮する。Ｃｕを完全固溶させるためには、加熱時間は１０分以上とすることが好ましい。

表1に示す成分組成を有する鋼３０ｋｇを真空溶解炉にて溶解し、各鋼とも熱間圧延を経て板厚３．０ｍｍの熱延板を製造した。各熱延板を７００〜８００℃で７時間加熱した後、炉冷、酸洗し冷間圧延にて板厚１．０ｍｍの冷延板とした。その後７００〜８００℃に1分保持した後、空冷する焼鈍処理後、酸洗し供試鋼板を得た。その後、１０００〜１１５０℃１０分均熱した後水冷する焼入れ処理を施し、酸洗し試験片とした。

［耐食性試験］
ＪＩＳ Ｚ２３７１に準拠したキャス試験を行った。各試験片を脱脂洗浄した後、試験温度５０℃の酢酸でｐＨ３に調整した５質量％塩化ナトリウム＋０．０２６質量％塩化第二銅の混合水溶液噴霧環境に４８時間暴露させた。試験後の試験片表面を目視観察し、発銹が全く認められなかったものを○（良好）、発銹が認められたものを×（不良）と評価し、○評価のものを合格と判定した。

［ε―Ｃｕの析出量］
前述した焼鈍処理後の各試験片を透過電子顕微鏡で観察し、ε−Ｃｕの析出量を定量した。
〔炭化物の析出量］
各試験片を１ｇ採取し、１４質量％の沃素アルコール７５ｍｌに入れ、水温５５℃で１６時間超音波溶解した後、０．０５μｍのフィルターで吸引ろ過し、抽出残渡量を測定した。前述のキャス試験において４８時間後に発銹が認められたものは、炭化物の析出量が２質量％を超えるため、炭化物の析出量が２質量％以下のものを合格と判定した。

表２からわかるように、本発明例のマルテンサイト系ステンレス鋼材は焼鈍処理後のビッカース硬度で２００ＨＶ以下と軟質で、耐食性も良好であった。 これに対し、比較例６〜９は焼鈍処理後のビッカース硬度が高く、そのうち比較例６，７，９は耐食性が不良であった。また、比較例１０は焼鈍処理後のビッカース硬度は軟質なものの焼入れ処理後の硬さが低く、耐食性が不良であった。さらに、熱処理条件の異なる比較例１１、１２はいずれも本発明を満足する特性が得られなかった。
このように、本発明鋼は適正な焼鈍、焼入れ処理をすることにより、焼入れ処理後の炭化物の析出量が2質量％以下となることを特徴とし、焼鈍処理後の素材のままでは軟質で、焼入れ処理を施し、耐食性が良好な焼入れ強化型マルテンサイト系ステンレス鋼材を提供することができる。

本発明に係る鋼材は焼入れ前には軟質で加工性に富み、焼入れ後には十分な硬さを有するため、工具、織機部材、電子・電気機器部材としての使用に適している。

Claims (7)

1. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｃｕ：１．０〜３．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるとともに、ε―Ｃｕとして析出しているＣｕが０．２体積％以上である焼入れ処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。
2. 更に質量％で、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ及びＭｏの少なくとも１種以上を合計で０．０５〜１．０％を含有する請求項１に記載の焼入れ処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。
3. ビッカース硬さが２００ＨＶ以下である、請求項１，２に記載の焼入れ処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。
4. 焼入れ処理後に炭化物の総析出量が２質量％以下となる請求項１乃至３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
5. 焼入れ処理後のビッカース硬さが４５０ＨＶ以上となる請求項１乃至４に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
6. ７００〜８００℃で１時間以上焼鈍することにより、Ｃｕを０．２体積％以上ε―Ｃｕとして析出させることを特徴とする、請求項１乃至５に記載の焼入れ処理用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
7. 請求項１乃至５に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼を、１０００℃〜１１５０℃に加熱した後に焼入れすることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れ方法。