JP2011149047A

JP2011149047A - マルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト・フェライト系ステンレス鋼の熱処理方法

Info

Publication number: JP2011149047A
Application number: JP2010010598A
Authority: JP
Inventors: Berntz Hans; ハンス・ベルンズ
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】表面焼入時に、化学組成を変化させずに、マルテンサイト系ステンレス鋼の心部の硬度を低下させる方法が提供する。
【解決手段】本発明の熱処理方法は、その表面層の窒素含有量が増大されたマルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト・フェライト系ステンレス鋼の心部の硬度を低下させるための熱処理方法であって、（ａ）前記鋼を加熱してオーステナイト状態とした後に、前記鋼を前記表面層のマルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓＲ）よりも若干高い温度に冷却して、前記心部を焼入れするステップと、（ｂ）前記鋼を前記心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）まで加熱して、前記心部を焼き戻すステップと、（ｃ）前記鋼を室温に冷却して、前記表面層を焼き入れするステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト・フェライト系ステンレス鋼の熱処理方法に関し、より詳しくは、窒素によってマルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト・フェライト系ステンレス鋼を表面焼入れする際の、心部の硬度を低下させる方法に関する。

DE第4033706 C2号（特許文献１）に、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理方法が記載されている。この方法は、浸炭工程が、窒素含有量を増大させる工程（窒化処理）に置き換えられている。この窒化処理に適した鋼がDE第4411795 Al号（特許文献２）に記載されており、その鋼は次の重量％の化学組成を有している。０．０３％以下の炭素（Ｃ）、０．０５〜０．１８％の窒素（Ｎ）、１．０％以下のケイ素（Ｓｉ）、１．５％以下のマンガン（Ｍｎ）、１〜４％のコバルト（Ｃｏ）、１１〜１６％のクロム（Ｃｒ）、１〜３％のニッケル（Ｎｉ）、０．５〜２．５％のモリブテン（Ｍｏ）、０．４％以下のバナジウム（Ｖ）。このオーステナイト組織を急冷することにより、所望のマルテンサイト組織が生成される。元素Ｃ、Ｎ、Ｍｎ、ＣｏおよびＮｉは、焼入工程において、オーステナイト組織を安定させる働きをする。元素Ｓｉ、ＣｒおよびＭｏは、それらの量の何倍もの量の望ましくないフェライト組織を安定させる働きをする。従って、表面焼入後に、体積％が１０％未満の十分にマルテンサイト系の心部組織である、δ−フェライトを得るためには、化学組成を極めて狭い範囲で調整することが求められる。

例えば大きい半径を有する転がり軸受などの、心部の硬度が高い表面焼入された部品のための用途、および、例えば歯底の粘性が高い歯車などの、心部の硬度が低い表面焼入された部品のための用途が存在する。低合金の表面焼入鋼では、鋼の炭素含有量を低減することによって、心部の硬度を低下させることが可能である。高合金のステンレス表面焼入鋼では、δ−フェライトの発生を回避する必要があるならば、窒素および炭素（Ｎ＋Ｃ）の含有量を、残りの合金含有量を調整することによってのみ減少させることが可能である。さらに、格子間の含有量が同一の場合、高合金の心部の硬度は、低合金の心部の硬度よりも高くなる。このため、表面焼入時に、化学組成を変化させずに、マルテンサイト系ステンレス鋼の心部の硬度を低下させる方法が求められている。

独国特許第ＤＥ４０３３７０６Ｃ２号明細書独国特許第ＤＥ４４１１７９５Ａｌ号明細書

Gavriljuk，V．G，Berns，H；High Nitrogon Steels．Springer Verlag，Berlin，1999年10月

本発明の熱処理方法は、周辺部の窒素含有量が増大されたマルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系−フェライト系ステンレス鋼の心部の硬度を低下させるための熱処理方法において、２０℃〜５０℃の温度に直接焼入または単一焼入する際に、上記周辺部のマルテンサイト初期温度Ｍ_ｓＲよりも高い温度に冷却し、その後５３０℃〜５９０℃の温度に加熱し、最後に室温に冷却することを特徴とする。

また、本発明の熱処理方法は、その後、残留オーステナイトを変態させるために低温凍結することを特徴とする。

また、本発明の熱処理方法は、その後、１５０℃と５００℃との間の温度において焼き戻すことを特徴とする。

また、本発明の熱処理方法は、上記周辺部の窒素含有量を増大させることを、周辺部の炭素含有量が周辺部の窒素含有量を超えないように、周辺部を浸炭することによってさらに行うことを特徴とする。

公知のマルテンサイト系ステンレス鋼の表面焼入れ方法が、DE第4033706 C2号（特許文献１）に記載されている。この方法は、（１）Ａｃ１変態点温度よりも高い温度で窒素含有量を増大させる（窒化処理を行う）ステップ（任意に浸炭を伴う）と、（２）室温に冷却することによって、直接焼入、単一焼入、または二重焼入するステップと、（３）残留オーステナイトを変態させるために低温凍結するステップと、（４）１５０℃ないし６００℃の焼戻し温度Ｔ_Ａで焼き戻すステップとを含む。

本発明に係る方法は、ステップ（２）に大きな変更を加えることを特徴とする。本方法は、表面焼入時において、心部のマルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓＫ）の方が表面層のマルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓＲ）よりも高い（Ｍ_ｓＫ＞Ｍ_ｓＲ）ということを利用するものである。

本発明に係る方法における新たなステップ（２）は、次の（ａ）〜（ｃ）のサブステップを含む。

（ａ）：表面層のマルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓＲ）よりもわずかに高い温度に冷却して鋼の心部を焼入れするサブステップ。Ｍ_ｓＫ＞Ｍ_ｓＲであるため、Ｍ_ｓＲよりもわずかに高い温度では、心部は部分的にマルテンサイト変態するが、表面層はマルテンサイト変態しない。

（ｂ）：心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）に加熱して心部を焼き戻すサブステップ。このとき、マルテンサイト状態にある心部は焼き戻されるが、オーステナイト状態にある表面層は変化しない。なお、心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）は、具体的には、５３０℃ないし５９０℃である。

（ｃ）：室温に冷却して鋼の表面層を焼入れするサブステップ。このサブステップでは、Ｍ_ｓＲよりも低い温度である室温に冷却されるため、表面層のマルテンサイト変態が開始される。なお、室温は、具体的には、２０℃ないし５０℃である。

その後、残留オーステナイトを変態させるために低温冷却するステップ（ｄ）と、表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＲ）に加熱して表面層を焼き戻すステップ（ｅ）とが続く。Ｔ_ＡＲ＜Ｔ_ＡＫであるため、Ｔ_ＡＲでは表面層は焼き戻されるが、既に焼き戻されている心部の状態はほとんど変化しない。なお、表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＲ）は、具体的には、１５０℃ないし５００℃である。

公知の熱処理工程では、表面焼入した後、焼戻し温度Ｔ_Ａで、表面層と心部とを同時に焼き戻すが、本発明に係る方法では、心部の焼戻しと表面層の焼戻しとを、互いに異なる温度Ｔ_ＡＫ、Ｔ_ＡＲで別個に行う。表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＲ）は、所望する表面層硬度Ｈ_Ａによって決定される。心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）の方が表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＲ）よりも高いため（Ｔ_ＡＫ＞Ｔ_ＡＲ）、心部の焼戻しを行った後に、表面層だけを焼き戻すことが可能である。したがって、サブステップ（ａ）において低い心部硬度Ｈ_Ｋを得た後に、ステップ（ｅ）において所望の表面層硬度Ｈ_Ａを得ることができる。

本発明は、焼戻し温度Ｔ_Ａを、心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）と表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＲ）とに分割することを特徴とする。また、本発明は、高クロム合金鋼において、Ｎまたは（Ｎ十Ｃ）によって凝縮することによって原子短距離秩序が形成されるという認識に基づいている。この原子短距離秩序が、オーステナイトの安定性を大幅に向上させる（非特許文献１参照）。これによって、Ｔ_ＡＫは６００℃まで上昇し、Ｔ_ＡＲ＜Ｔ_ＡＫ＜６００℃となる。

本発明に係る方法は、マルテンサイト系−フェライト系ステンレス鋼にも有効である。ただし、心部の硬度の低下は、主に、マルテンサイト組織の部分に関連する。

本発明に係る熱処理方法（Ａ）の有効性について、公知の方法（Ｂ）と比較して説明する。重量％で、０．０３％のＣ、０．０７％のＮ、１３．５％のＣｒ、１．５％のＭｏ、３％のＣｏ、２％のＮｉ、０．１５％のＶを含むマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた。１１５０℃で鋼の表面層の酸素含有量を増大させる（窒化処理する）ことによって、このマルテンサイト系ステンレス鋼の表面層のＮ含有量を０．５重量％に凝縮させた。以下、単一焼入の場合における結果を対比する。

※１１７×１０×５５（ｍｍ）の寸法のＩＳＯ‐Ｖ‐切り欠き衝撃試料または平滑衝撃試料を用いて、振子衝撃試験機において測定した。
※２折れていない。

表１に示すように、表面層の硬度が測定精度の範囲内で同一の場合、本発明に係る方法（Ａ）では、心部の硬度Ｈ_Ｋは公知の方法（Ｂ）よりも１５％低くなる。このため、本発明に係る方法（Ａ）では、心部の粘性Ｊは公知の方法（Ｂ）よりも大幅に高くなる。具体的には、平滑試料の場合、粘性Ｊは公知の方法（Ｂ）よりも約５倍高くなり、切り欠き試料の場合、粘性Ｊは公知の方法（Ｂ）よりも約１０倍高くなる。

したがって、心部の硬度がより低くかつ心部の粘性がより高いことが求められる用途では、本発明に係る方法を用いることにより、既存の鋼を、化学組成を変化させることなく熱処理することができる。

Claims

その表面層の窒素含有量が増大されたマルテンサイト系ステンレス鋼またはマルテンサイト・フェライト系ステンレス鋼の心部の硬度を低下させるための熱処理方法であって、
（ａ）前記鋼を加熱してオーステナイト状態とした後に、前記鋼を前記表面層のマルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓＲ）よりも若干高い温度に冷却して、前記心部を焼入れするステップと、
（ｂ）前記鋼を前記心部の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）まで加熱して、前記心部を焼き戻すステップと、
（ｃ）前記鋼を室温に冷却して、前記表面層を焼き入れするステップとを含むことを特徴とする熱処理方法。
前記（ｃ）ステップの後に、（ｄ）残留オーステナイトを変態させるために低温凍結するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
前記（ｄ）ステップの後に、（ｅ）前記表面層の焼戻し温度（Ｔ_ＡＫ）まで加熱して、前記表面層を焼き戻すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の熱処理方法。
前記（ａ）ステップにおいて、前記表面層を、炭素含有量が窒素含有量を超えない範囲で浸炭することをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の熱処理方法。