JP2015175026A - 焼結−時効処理後に高強度が得られる析出硬化型ステンレス鋼粉末およびその製造方法並びにその成形体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 質量%で、C:≦0.05%、Si:≦1.0%、Mn:≦1.5%、Ni:3.0〜8.5%、Cr:12.0〜20.0%、Mo:0.1〜2.5%、Cu:1.0〜5.0%、Nb+Ta≧5C、N:≦350ppm、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式(1)のNi−bal.が−4以上である析出硬化ステンレス鋼からなる粉末であって、該鋼粉末からなる焼結体に含有されるマルテンサイト組織が90%以上であることを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。
Ni−bal.=Ni+27C+23N+0.2Mn+0.3Cu−1.2(Cr+Mo)−0.5Si−0.3Nb+10 … (1)
【選択図】 なし
Description
、時効処理を施した場合は硬度確保するが、工程増加、高温・急冷の固溶化熱処理による歪の発生が起こること、その歪除去のための再焼鈍や形状修正加工が必要となる等新たな問題が発生するため、実用に際しての課題解決とはなっていない。このように実用に即した、焼結−時効処理のみで高強度が得られる析出硬化型ステンレス鋼粉末が求められているが、要求事項を満たす粉末がないのが現状である。
い原因について発明者らは鋭意検討した結果、一般的な析出硬化ステンレス鋼粉末(粉砕、水アトマイズ等)は含有窒素量が高く、低酸素化のための還元処理を施しても窒素量は下がらない。また、焼結中に更なる窒素導入もあり、結果として焼結―冷却後の残留オーステナイト量が増加する。そのことで時効硬化に寄与する低炭素マルテンサイト組織が減少し、時効硬化能が低減していることを解明した。
(1)質量%で、C:≦0.05%、Si:≦1.0%、Mn:≦1.5%、Ni:3.0〜8.5%、Cr:12.0〜20.0%、Mo:0.1〜2.5%、Cu:1.0〜5.0%、Nb+Ta≧5C、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式(1)のNi−bal.が−4以上である析出硬化ステンレス鋼からなる粉末であって、該鋼粉末からなる焼結体に含有されるマルテンサイト組織が90%以上であることを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。
Ni−bal.=Ni+27C+23N+0.2Mn+0.3Cu−1.2(Cr+Mo)−0.5Si−0.3Nb+10 … (1)
(3)前記(1)に記載のCuに代え、TiまたはAlの1種または2種を1.0〜5.0%含有させたことを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。
(5)前記(1)〜(3)のいずれか1に記載の鋼粉末を焼結し成形してなる成形体にある。
C:≦0.05%
Cは、析出硬化ステンレス鋼では固溶化状態での加工性改善と焼結体での残留オーステナイト量を低減し、低Cマルテンサイト組織とするため低く抑える必要がある。好ましくは0.03%以下とする。また、多くなると固溶化状態での硬さが増加し、加工性が劣化する。本発明では焼結時、凝固開始時にδフェライト相が多くなるため焼結時の割れやすさも増加する。したがって、上限を0.05%とした。
Siは、脱酸材として有効並びに硬度向上にも有効である元素である。しかし、硬度向上のため焼結時の割れやすさが増大、また耐孔食性も劣化させるため、その上限を1.0%とした。
Mn:≦1.5%
Mnは、強度と靭性を向上させるのに有効な元素であるが、しかし、1.5%を超えると焼結体でのマルテンサイト組織量が減少し、時効硬化硬さが不足するため、その上限を1.5%とした。
Niは、全体の組織調整および、δフェライトの生成を抑制し、かつ析出硬化に必要不可欠な元素である。しかし、3.0%未満ではその効果が得られないことから3.0%以上とした。一方、多すぎると残留オーステナイトが増加し、焼結体の析出硬化能が確保できないため、上限を8.5%とした。
Crは、ステンレス鋼として耐食性を確保するためには12.0%以上必要である。しかし、20.0%を超えると単に耐食性増加にはいいものの、焼結時に低炭素マルテンサイト組織とならず、また残留オーステナイト組織ともならず、フェライト組織となり析出硬化能や素材の靭性が劣化することから、その上限を20.0%とした。
Moは、耐食性を確保するために必要な元素である。しかし、添加しすぎるとNiバランスがマイナス方向になるため焼結時に低炭素マルテンサイト組織とならず、また残留オーステナイト組織ともならず、フェライト組織となり析出硬化能や素材の靭性が劣化する。したがって、その範囲を0.1〜2.5%とした。
Cuは、析出硬化能を確保するための元素である。しかし、1.0%未満ではその効果が得られず、その下限を1.0%とした。好ましくは3%の添加が必要である。しかし、5%を超えると靭性、さらに本発明用途では問題とならない場合が多いが、焼結体の熱間加工性も劣化するため、上限を5%とした。
TiおよびAlは、Cuと複合もしくは単独添加で析出硬化能を発揮する元素である。そのため、最低でも1%の添加が必要である。しかし、5%を超えると靭性劣化およびδフェライト生成傾向が高くなりすぎ焼結時に低炭素マルテンサイト組織とならず、また残留オーステナイト組織にもならないため5%を上限とする。
Nb+Taは、Cの安定化と析出硬化度を向上させるのに必要不可欠な元素である。その量は5Cより多く必要である。具体的には0.1%以上を確保するのが望ましい。5Cを超えるにつれ析出硬化能を向上させる効果がある。但し、靭性劣化傾向もあるがMoが複合添加されている場合は焼戻脆化に伴う靭性劣化が抑制できる。したがって、Nb+Ta≧5Cとした。
Nは、本発明の析出硬化ステンレス鋼ではN量の制御とNi−bal制御により、MIM、粉末焼結および積層造形といった焼結法で製造された造形体の残留オーステナイト量を低く抑えることが出来、結果として高い時効硬化能をもたせることを可能とする役目がある。特に、積層造形法では電子ビームやレーザー光といった高エネルギー源を使用し、極微小領域の粉末を溶融急速凝固させることを繰返すため、本発明粉末が焼結造形物の時効硬化能を持たせることができる。好ましくは275ppm以下とした。
さらに、Ni−balの値を−4にした理由は、Ni−balを大きくずらしたものは残留オーステナイト量が増加した影響、並びに凝固や焼結初期時にδフェライト量が増加する影響で(残留オーステナイト相はFCC、他はBCCと熱膨張係数が異なるため)、焼結体表面にクラックが入りやすい傾向が認められた。しかし、Ni−balの値を−4以上とすることでクラックの発生が見られなかった。したがって、健全な焼結体を得るためにNi−balの値を−4以上とした。
表1に示す本発明鋼の成分組成について、真空溶解した溶湯よりガスアトマイズ法にて低窒素の球状粉末を作製した。特に窒素量は350ppm以下、好ましくは275ppm以下とした粉末を篩目53μmの網を用いて53μm以下に分級した。また、比較材として上記方法と同一で本発明範囲外の球状粉末を作製すると共にNo.30には市販のJIS G 4303 SUS630相当成分となる粉末を用いた。これら本発明による粉末と比較材粉末をそれぞれ粉末焼結法、HIPによる固化法、または積層造形法で焼結し、焼結体を得た。
Paにて仮成形を施し、この仮成形体を真空炉にて1200℃、1時間加熱、保持後、加圧窒素ガスにて急冷して角10mm、長さ35mmを確保できる焼結体を得た。HIPによる固化法では、粉末をφ40mm、長さ45mmの鉄製容器に充填し、蓋を溶接後、中を真空脱気する。その後、真空脱気した容器を1150℃、147MPaにてHIP(熱間静水圧プレス)を施し、φ35mm、長さ35mmを確保できる100%密度の焼結体を得た。
純N2 雰囲気で単純な角形状造形(角10mm、長さ55mm)を行い、当該寸法の焼結体を得た。焼結体は480℃で2時間保持後空冷する条件で時効処理を施し、アルキメデス法やビッカース硬度計にて相対密度と硬度を確認した。また、焼結性評価として、焼結材表面に入った割れ数を目視してカウントし評価した。またX線回折法のFCCとBCCピーク積分値比較により、焼結材の残留オーステナイト量を測定した。
特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊
Claims (3)
- 質量%で、
C:≦0.05%、
Si:≦1.0%、
Mn:≦1.5%、
Ni:3.0〜8.5%、
Cr:12.0〜20.0%、
Mo:0.1〜2.5%、
Cu:1.0〜5.0%、
Nb+Ta≧5C、
N≦350ppm
残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式(1)のNi−bal.が−4以上である析出硬化ステンレス鋼からなる粉末であって、該鋼粉末からなる焼結体に含有されるマルテンサイト組織が90%以上であることを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。Ni−bal.=Ni+27C+23N+0.2Mn+0.3Cu−1.2(Cr+Mo)−0.5Si−0.3Nb+10 … (1) - 請求項1に記載の鋼に加えて、TiまたはAlの1種または2種を1.0〜5.0%含有させたことを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。
- 請求項1に記載のCuに代え、TiまたはAlの1種または2種を1.0〜5.0%含有させたことを特徴とする析出硬化型ステンレス鋼粉末。
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