JP2019014916A

JP2019014916A - マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2019014916A
Application number: JP2017130443A
Authority: JP
Inventors: 良樹田嶋; Yoshiki Tajima; 直純吉田; Naozumi Yoshida; 伸之船平; Nobuyuki Funahira; 泰弘浅田; Yasuhiro Asada
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の耐食性能を持ちながら、６０ＨＲＣ程度の硬さを有しつつ、疲労強度に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．３７〜０．４５％、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１５．００〜１６．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０〜１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０〜０．４０％、Ｃｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．１０％以下であって、質量ｐｐｍでＯ：５０ｐｐｍ以下、Ｎ：１６００〜２５００ｐｐｍであり、残余がＦｅおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であって、組織中の炭化物を均一に微細化する。【選択図】図５

Description

本発明は、自動車用燃料噴射部品等に適したマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

一般的に、ステンレス鋼の中でもシャフト、軸受部品、金型、刃物など耐食性能および耐摩耗性能が要求される分野では、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどに代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼が多用されている。例えば、特許文献１ないし３には、耐食性能に加えて、加工性能などの諸特性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼に関する発明が開示されている。

特許文献１にはＳＵＳ４２０Ｊ２と同等以上の耐食性能と加工性を有し、ＳＵＳ４４０Ｃと同等以上の表面硬さを兼ね備えたマルテンサイト系ステンレス鋼に関する発明が開示されている。また、特許文献２には、ＳＵＳ４２０Ｊ２と同等以上の耐食性能と加工性を有し、ＳＵＳ４２０Ｊ２と同等以上の表面硬さを有するマルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。さらに、特許文献３では自動車エンジンの燃料噴射装置部品材料として使用されるために、蟻酸や酢酸等の有機酸の環境下で高い耐食性能を有するマルテンサイト系ステンレス鋼に関する発明が開示されている。

特開平１１−６１３５１号公報特開２０００−２３９８０５号公報特開２０１５―４０３０７号公報

しかし、特許文献１ないし３に開示されたマルテンサイト系ステンレス鋼がＳＵＳ４２０Ｊ２と同様の物性を有する場合、その耐食性能は確保できているが、含有する炭素量が少ないために硬さはロックウエル硬さ（Ｃスケール）で５３ＨＲＣ程度となる。

また、上述のマルテンサイト系ステンレス鋼がＳＵＳ４４０Ｃと同様の物性を有する場合、表面硬さは６０ＨＲＣ程度まで向上する。しかし、含有する炭素量が多くなるので、耐食性能はＳＵＳ４２０Ｊ２よりも劣る。

さらに、ＳＵＳ４２０Ｊ２およびＳＵＳ４４０Ｃのいずれの場合であってもミクロ組織中に比較的に大きな炭化物が現れるので、金属材料としての疲労強度はＳＵＳ４０３やＳＵＳ４３１等の他のマルテンサイト系ステンレス鋼種に比べて低下するという問題があった。

そこで、本発明においては、弁座やバルブ部品などに多用されているＳＵＳ４２０Ｊ２に代表される従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の耐食性能を持ちながら、６０ＨＲＣ程度の硬さ（表面および内部）を有しつつ、疲労強度にも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課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明は、重量％で、Ｃ：０．３７〜０．４５％、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１５．００〜１６．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０〜１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０〜０．４０％、Ｃｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．１０％以下であって、質量ｐｐｍでＯ：５０ｐｐｍ以下、Ｎ：１６００〜２５００ｐｐｍであり、残余がＦｅおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であって、組織中に炭化物が均一に微細化されているマルテンサイト系ステンレス鋼とした。また、オーステナイト結晶粒度が１２以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼とすることもできる。なお、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、真空溶解法（真空脱ガス法）やＥＳＲ法（エレクトロスラグ再溶解法）など種々の製鋼方法を用いて製造することができる。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＳＵＳ４２０Ｊ２に代表される従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて組織中の炭化物を均一に微細化させた。その結果、本ステンレス鋼は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と同等の耐食性能を持ちながら、６０ＨＲＣ程度の硬さを有しつつ、優れた疲労強度も有するという効果を奏する。

本発明材のミクロ組織写真（倍率：５００倍）である。比較材１のミクロ組織写真（倍率：５００倍）である。比較材２のミクロ組織写真（倍率：５００倍）である。比較材３のミクロ組織写真（倍率：５００倍）である。実施例３における回転曲げ疲労試験の試験結果（グラフ）である。

次に、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼の各化学成分について、所定の範囲に規定した理由を以下に説明する。まず、Ｃ（炭素）は０．３７〜０．４５％とする。０．３７％を下回ると、組織中の硬質な炭化物の形成量が少なくなり、結果として焼入焼戻し後の硬さが確保できない。また、０．４５％を上回ると、組織中の炭化物の形成量が多量になり、母相中のＣｒ、Ｍｏ等の固溶量が低下するので耐食性が低下する。また、組織中の巨大炭化物が析出して、靱性や疲労強度も低下させる。

Ｓｉ（ケイ素）は０．６０％以下とする。０．６０％を上回ると、マルテンサイト系ステンレス鋼としての熱間および冷間での加工性が低下して、靱性も低下する。また、Ｍｎ
（マンガン）：０．６０％以下についても、０．６０％を上回ると、マルテンサイト系ステンレス鋼としての熱間および冷間での加工性が低下する。

Ｐ（リン）は０．０３０％以下とする。０．０３０％を上回ると、結晶粒界に偏析が起こり、靱性が低下する。また、Ｓ（硫黄）：０．０１０％以下については、０．０１０％を上回ると、組織中に硫化物を形成して、靱性が低下する。

Ｃｒ（クロム）は１５．００〜１６．００％とする。１５．００％を下回るとマルテンサイト系ステンレス鋼として十分な耐食性が得られない。また、１６．００％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靱性が低下する。

Ｎｉ（ニッケル）は０．３０％以下とする。０．３０％を上回ると、組織中に残留オーステナイト量が増加して、寸法の経年変化を起こす。また、冷間での加工性も低下する。また、Ｃｕ（銅）は０．２５％以下とする。０．２５％を上回ると、組織中の残留オーステナイト量が増加して、寸法の経年変化を起こす。また、熱間での加工性も低下する。

Ｍｏ（モリブデン）は１．５０〜１．９０％とする。１．５０％を下回ると耐食性が低下し、合わせて焼戻し2次硬化も充分に得られない。また、１．９０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靱性が低下する。Ｗ（タングステン）は０．４０％以下とする。０．４０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靱性が低下する。

Ｖ（バナジム）は０．２０〜０．４０％とする。０．２０％を下回ると焼戻し2次硬化が充分に得られない。また、０．４０％を上回ると、組織中に巨大炭化物が析出して、靱性が低下する。

Ｃｏ（コバルト）は０．２５％以下とする。０．２５％を上回ると材料費用の増加を招き、製造費用が上昇する。また、Ａｌ（アルミニウム）は０．１０％以下とする。０．１０％を上回ると組織中のＯ（酸素）と結合して粗大な酸化物を形成して、靱性や疲労強度が低下する。

Ｏ（酸素）は質量ｐｐｍで５０ｐｐｍ以下とする。５０ｐｐｍを超えると、組織中のＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａなどの元素と粗大な酸化物を形成して、靱性や疲労強度が低下する。また、Ｎ（窒素）は質量ｐｐｍで１６００〜２５００ｐｐｍとする。１６００ｐｐｍを下回ると耐食性や焼入焼戻し硬さが充分に得られない。また、２５００ｐｐｍを上回ると、材料内部においてブローホール（鋳巣）が発生する。

なお、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼の組織中の炭化物は、主にＭ_２３Ｃ_６（Ｍ＝Ｃｒを主とした金属元素）と表記できる炭化物である。また、オーステナイト結晶粒度は、ＪＩＳ規定（ＪＩＳＧ０２０２）にて定義される結晶粒度であり、ＪＩＳ規定（ＪＩＳＧ０５５１）にて定義される鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法を用いて測定されたものをいう。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼（以下、本発明材という）および従来のマルテンサイト系ステンレス鋼（以下、比較材という）について、各化学成分とその組織との関係について調査した。その調査結果を図面を用いて説明する。本調査では、本発明材および３種類の比較材（すべてマルテンサイト系ステンレス鋼）の計４水準の試験片を使用した。本発明材および比較材１ないし３の化学成分（単位は質量％とする。ただし、Ｎ（窒素）およびＯ（酸素）の単位はｐｐｍとする。）を表１に示す。

本発明材のミクロ組織写真を図１、比較材１ないし３のミクロ組織写真を図２ないし４にそれぞれ示す（倍率はすべて５００倍）。まず、本発明材のミクロ組織は図１に示すように基地組織中に炭化物（主にＭ_２３Ｃ_６）が微細に均一分布していることがわかる。これに対して、比較材１のミクロ組織は図２に示すように炭化物は微細であるが、その分布に均一性がない。また、比較材２および３のミクロ組織は図３および４に示すように、本発明材と同様に炭化物は均一に分布しているが、粒子の大きさが１０μｍを超える炭化物が残存している。

次に、本発明材および比較材を用いて機械的強度に関する比較試験を行ったので、その試験結果について説明する。本実施例で行った比較試験は、引張試験およびシャルピー衝撃試験である。まず、引張試験はＪＩＳ規定の３号試験片を作成して、計５回の試験を行って各試験ごとに引張強さ（単位：ＭＰａ）、伸び（単位：％）および絞り（単位：％）を計測した。また、シャルピー衝撃試験はＪＩＳ規定の試験片（２ｍｍＶノッチ）を作成して、計５回の試験を行い、各試験ごとに衝撃値（単位：Ｊ）をそれぞれ算出した。

なお、引張試験およびシャルピー衝撃試験ともに使用した試験片は、本発明材（オーステナイト結晶粒度：１５）および比較材１（オーステナイト結晶粒度：１４）、比較材３（結晶粒界不明）の計３水準とした。本発明材、比較材１および３の引張試験結果を表２、同供試材を用いたシャルピー衝撃試験結果を表３にそれぞれ示す。

本発明材の引張強度は、表２に示すように５回の引張試験結果の平均値として２２１５ＭＰａ、伸びは２．８％、絞りは３．０％であった。これに対して、比較材１の試験結果は同じく５回の引張試験結果の平均値として２１８２ＭＰａ、伸びは２．０％、絞りは２．４％であった。また、比較材３の試験結果は同じく５回の引張試験結果の平均値として１９２６ＭＰａ、伸びは１．３％、絞りは２．１％であった。以上の試験結果より、本発明材は引張強度、伸びおよび絞りの全ての項目において、比較材１および３の試験結果を上回る結果となった。

また、本発明材のシャルピー衝撃試験結果は、表３に示すように５回のシャルピー衝撃試験結果の平均値として４．２Ｊの衝撃値であった。これに対して、比較材１の試験結果は同じく５回のシャルピー衝撃試験結果の平均値として４．０Ｊの衝撃値であった。また、比較材３の試験結果は同じく５回のシャルピー衝撃試験結果の平均値として２．７Ｊの衝撃値であった。以上の試験結果より、本発明材のシャルピー衝撃値は、比較材１および３のいずれの衝撃値をも上回る結果となった。

次に、本発明材および比較材を用いて、回転曲げ疲労試験を行い、材料の疲労寿命を測定したので、その試験結果について図面を用いて説明する。本疲労試験はＪＩＳ規定（ＪＩＳＺ２２７４）にて定められた試験であり、試験方法は同ＪＩＳ規定に準拠した方法に基づいて行った。図５は、本発明材、比較材１ないし３を用いた本実施例の回転曲げ疲労試験結果を示す。図５のグラフは縦軸に応力（単位：ＭＰａ）、横軸に繰り返し回数（対数表記）をプロットした結果であり、繰り返し回数が１０^７回における応力を疲労寿命限とした。

本発明材の疲労寿命限は、図５に示すように約１０００ＭＰａであった。これに対して、比較材１の疲労寿命限は８００ＭＰａであった。なお、比較材３の試験応力を７００ＭＰａまで下げたが、繰り返し回数が１０^７回には到達しなかった。また、比較材２（オーステナイト結晶粒度：１２）の試験応力は１１００ＭＰａまでしか下げていないが、その分布から疲労寿命限は本発明材に比して劣ることが明らかである。以上の試験結果より、本発明材は従来のマルテンサイト系ステンレス鋼（比較材１〜３）に比して優れた耐疲労特性を有することがわかった。

Claims

重量％で、Ｃ：０．３７〜０．４５％、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：１５．００〜１６．００％、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｕ：０．２５％以下、Ｍｏ：１．５０〜１．９０％、Ｗ：０．４０％以下、Ｖ：０．２０〜０．４０％、Ｃｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｏ：５０ｐｐｍ以下、Ｎ：１６００〜２５００ｐｐｍであり、残余がＦｅおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であって、組織中に炭化物が均一に微細化されていることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。
オーステナイト結晶粒度が１２以上であ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。