JP2022029344A - マルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐腐食摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼材を提供する。【解決手段】Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材である。このマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上、平均粒径が５．０μｍ以下の炭窒化物を含む金属組織を有する。【選択図】なし
Description
本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材に関する。
軸受などの摺動部材は、回転運動や往復運動する相手部品の軸などを支持する部品であり、様々な分野で広く用いられている。例えば、自動車、産業機械などにおいては、部品の回転軸を支持するために転がり軸受が一般に用いられている。また、高圧ポンプやインジェクタなどにおいては、往復運動するシャフトを支持するために保持部材が一般に用いられている。
摺動部材は、用途によっては腐食し易い環境下で用いられることがあるため、使用環境に適した素材から形成する必要がある。例えば、特許文献１には、異物や泥水が混入し易い環境下で用いられる軸受の素材として、Ｃ：０．６０～０．９５ｗｔ％、Ｃｒ：１０．０～１３．０ｗｔ％、Ｓｉ：０．２～１．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２～１．０ｗｔ％を含有し、且つ、Ｍｏ：０．５～２．０ｗｔ％及びＶ：０．５～２．０ｗｔ％のうち少なくとも一種を添加して５０～３００ｎｍのＭｏ系又はＶ系の微細な炭化物を分散析出させ、残部がＦｅや不可避的不純物よりなる鋼を用いることが提案されている。
しかしながら、摺動部材に用いられる従来の素材は、塩分を含む環境下で用いられる場合に腐食して摩耗し易くなるため、摺動部材の寿命が低下するという問題があった。そのため、塩分を含む環境をはじめとする各種環境下で好適に用いることが可能な摺動部材の素材の開発が求められていた。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、耐腐食摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材を提供することを目的とする。
本発明者らは、マルテンサイト系ステンレス鋼材に着目して鋭意研究を行った結果、組成、並びに金属組織に含まれる炭窒化物の成分及び平均粒径を制御することにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、
Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上、平均粒径が５．０μｍ以下の炭窒化物を含む金属組織を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材である。
Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上、平均粒径が５．０μｍ以下の炭窒化物を含む金属組織を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材である。
また、本発明は、Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有するステンレス鋼を１２００℃以上に加熱した後、９０％以上の減面率で熱間加工して加工材を得る熱間加工工程と、
前記加工材を焼鈍する焼鈍工程と、
焼鈍された前記加工材を１０５０～１２００℃で焼入れする焼入れ工程と、
焼入れされた前記加工材をサブゼロ処理するサブゼロ処理工程と、
サブゼロ処理された前記加工材を、下記の式（１）で表されるＬＭＰが７０００～１７０００となる条件で焼戻しする焼戻し工程と
を含む、マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法である。
ＬＭＰ＝（ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇ ｔｒ） （１）
式中、ｔは加熱温度（℃）、Ｃは材料定数、ｔｒは前記加熱温度での保持時間（ｈ）である。
前記加工材を焼鈍する焼鈍工程と、
焼鈍された前記加工材を１０５０～１２００℃で焼入れする焼入れ工程と、
焼入れされた前記加工材をサブゼロ処理するサブゼロ処理工程と、
サブゼロ処理された前記加工材を、下記の式（１）で表されるＬＭＰが７０００～１７０００となる条件で焼戻しする焼戻し工程と
を含む、マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法である。
ＬＭＰ＝（ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇ ｔｒ） （１）
式中、ｔは加熱温度（℃）、Ｃは材料定数、ｔｒは前記加熱温度での保持時間（ｈ）である。
さらに、本発明は、前記マルテンサイト系ステンレス鋼材を含む摺動部材である。
本発明によれば、耐腐食摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有する。
ここで、本明細書において「不純物」とは、マルテンサイト系ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、不純物には、不可避的不純物も含まれる。不純物の具体例としては、Ｏ：０．０１質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．４０質量％以下、Ｓｎ：０．３質量％以下、Ｔａ：０．１質量％以下、ＲＥＭ：０．０１質量％以下、Ｂｉ：０．１質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下が挙げられる。
ここで、本明細書において「不純物」とは、マルテンサイト系ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、不純物には、不可避的不純物も含まれる。不純物の具体例としては、Ｏ：０．０１質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．４０質量％以下、Ｓｎ：０．３質量％以下、Ｔａ：０．１質量％以下、ＲＥＭ：０．０１質量％以下、Ｂｉ：０．１質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下が挙げられる。
また、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｎｉ：０．０５～２．０質量％、Ｃｕ：０．０１～２．０質量％、Ａｌ：０．１質量％以下から選択される１種以上を更に含んでもよい。
また、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｂ：０．１質量％以下を更に含んでもよい。
さらに、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｃａ：０．０２質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下、Ｚｒ：０．０２質量％以下、Ｈｆ：０．０２質量％以下、Ｃｏ：０．１０質量％以下から選択される１種以上を更に含んでもよい。
また、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｂ：０．１質量％以下を更に含んでもよい。
さらに、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、Ｃａ：０．０２質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下、Ｚｒ：０．０２質量％以下、Ｈｆ：０．０２質量％以下、Ｃｏ：０．１０質量％以下から選択される１種以上を更に含んでもよい。
＜Ｃ：０．２８～０．７０質量％＞
Ｃは、焼入れ処理によってマルテンサイト組織（金属組織がマルテンサイト相を含む組織）を得るとともに炭窒化物を形成するために必要な元素である。この効果を十分に得るために、Ｃの含有量は、０．２８質量％以上、好ましくは０．３５質量％以上に制御される。一方、Ｃの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｃの含有量は、０．７０質量％以下、好ましくは０．５５質量％以下、より好ましくは０．４５質量％以下に制御される。
ここで、本明細書において「炭窒化物」とは、炭素及び／又は窒素が金属元素（例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉなど）と結合した化合物を意味する。なお、窒素がほとんど含まれない炭化物や、炭素がほとんど含まれない窒化物についても、本明細書の「炭窒化物」に該当する。
Ｃは、焼入れ処理によってマルテンサイト組織（金属組織がマルテンサイト相を含む組織）を得るとともに炭窒化物を形成するために必要な元素である。この効果を十分に得るために、Ｃの含有量は、０．２８質量％以上、好ましくは０．３５質量％以上に制御される。一方、Ｃの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｃの含有量は、０．７０質量％以下、好ましくは０．５５質量％以下、より好ましくは０．４５質量％以下に制御される。
ここで、本明細書において「炭窒化物」とは、炭素及び／又は窒素が金属元素（例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉなど）と結合した化合物を意味する。なお、窒素がほとんど含まれない炭化物や、炭素がほとんど含まれない窒化物についても、本明細書の「炭窒化物」に該当する。
＜Ｓｉ：２．０質量％以下＞
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるが、過剰の添加は製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｓｉの含有量は、２．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、更に好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｓｉの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるが、過剰の添加は製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｓｉの含有量は、２．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、更に好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｓｉの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
＜Ｍｎ：２．０質量％以下＞
ＭｎもＳｉと同様に、脱酸に有効な元素であるが、過剰の添加は製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｍｎの含有量は、２．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、更に好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｍｎの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
ＭｎもＳｉと同様に、脱酸に有効な元素であるが、過剰の添加は製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｍｎの含有量は、２．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、更に好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｍｎの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
＜Ｃｒ：１０～１７質量％＞
Ｃｒは、耐食性を付与するために必須の元素である。また、Ｃｒは、炭窒化物を生成させて耐腐食摩耗性を低下させる元素でもある。塩分を含む環境をはじめとする各種環境を考慮すると、Ｃｒ含有量は、１０質量％以上、好ましくは１０．５質量％以上に制御される。一方、Ｃｒの含有量が多すぎると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｃｒの含有量は、１７質量％以下、好ましくは１６質量％以下、更に好ましくは１５質量％以下に制御される。
Ｃｒは、耐食性を付与するために必須の元素である。また、Ｃｒは、炭窒化物を生成させて耐腐食摩耗性を低下させる元素でもある。塩分を含む環境をはじめとする各種環境を考慮すると、Ｃｒ含有量は、１０質量％以上、好ましくは１０．５質量％以上に制御される。一方、Ｃｒの含有量が多すぎると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｃｒの含有量は、１７質量％以下、好ましくは１６質量％以下、更に好ましくは１５質量％以下に制御される。
＜Ｍｏ：３．０質量％以下＞
Ｍｏは、マルテンサイト系ステンレス鋼材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ｍｏは高価であるため、Ｍｏの含有量が多すぎると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｍｏの含有量は、３．０質量％以下、好ましくは２．８質量％以下、より好ましくは２．５質量％以下に制御される。一方、Ｍｏの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
Ｍｏは、マルテンサイト系ステンレス鋼材の耐食性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ｍｏは高価であるため、Ｍｏの含有量が多すぎると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｍｏの含有量は、３．０質量％以下、好ましくは２．８質量％以下、より好ましくは２．５質量％以下に制御される。一方、Ｍｏの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
＜Ｎ：０．００８～０．４０質量％＞
Ｎは、炭窒化物を形成して耐腐食摩耗性を向上させるのに必要な元素である。Ｎの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｎの含有量は、０．４０質量％以下、好ましくは０．１８質量％以下に制御される。また、Ｎの含有量の過剰な低減は、精練コストの上昇につながるため、０．００８質量％以上、好ましくは０．０１質量％以上に制御される。
Ｎは、炭窒化物を形成して耐腐食摩耗性を向上させるのに必要な元素である。Ｎの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｎの含有量は、０．４０質量％以下、好ましくは０．１８質量％以下に制御される。また、Ｎの含有量の過剰な低減は、精練コストの上昇につながるため、０．００８質量％以上、好ましくは０．０１質量％以上に制御される。
＜Ｔｉ：０．１質量％以下＞
Ｔｉは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｔｉの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｔｉの含有量は、０．１質量％以下、好ましくは０．０９質量％以下に制御される。一方、Ｔｉの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００５質量％以上である。
Ｔｉは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｔｉの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｔｉの含有量は、０．１質量％以下、好ましくは０．０９質量％以下に制御される。一方、Ｔｉの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００５質量％以上である。
＜Ｎｂ：０．５質量％以下＞
Ｎｂは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｎｂの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｎｂの含有量は、０．５質量％以下、好ましくは０．４５質量％以下に制御される。一方、Ｎｂの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
Ｎｂは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｎｂの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｎｂの含有量は、０．５質量％以下、好ましくは０．４５質量％以下に制御される。一方、Ｎｂの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０５質量％以上、更に好ましくは０．１質量％以上である。
＜Ｖ：１．０質量％以下＞
Ｖは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｖの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｖの含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｖの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
Ｖは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｖの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｖの含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｖの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
＜Ｗ：１．０質量％以下＞
Ｗは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｗの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｗの含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｗの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
Ｗは、ＣやＮと結合して炭窒化物を形成することにより、耐腐食摩耗性を向上させる元素である。Ｗの含有量が多すぎると、炭窒化物が過度に粗大化し、所望の耐腐食摩耗性が得られない。そのため、Ｗの含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下に制御される。一方、Ｗの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０３質量％以上、更に好ましくは０．０５質量％以上である。
＜Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量：０．１～２．０質量％＞
Ｎｂ、Ｖ及びＷは、上記したようにＣやＮと結合して炭窒化物を形成する。炭窒化物は耐腐食摩耗性の向上に寄与するが、炭窒化物に含まれる元素（特に、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＷ）の含有量によっては耐腐食摩耗性が十分に得られないことがある。耐腐食摩耗性に優れる炭窒化物を形成する観点から、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量は０．１～２．０質量％、好ましくは０．２～２．０質量％、より好ましくは０．３～１．５質量％に制御される。
Ｎｂ、Ｖ及びＷは、上記したようにＣやＮと結合して炭窒化物を形成する。炭窒化物は耐腐食摩耗性の向上に寄与するが、炭窒化物に含まれる元素（特に、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＷ）の含有量によっては耐腐食摩耗性が十分に得られないことがある。耐腐食摩耗性に優れる炭窒化物を形成する観点から、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量は０．１～２．０質量％、好ましくは０．２～２．０質量％、より好ましくは０．３～１．５質量％に制御される。
＜Ｎｉ：０．０５～２．０質量％＞
Ｎｉは、強度の向上に寄与する元素である。Ｎｉによる効果を得る観点から、Ｎｉの含有量は、好ましくは０．０５質量％以上、より好ましくは０．０６質量％以上に制御される。ただし、Ｎｉを過剰に含有させると、製造コストが上昇するとともに、焼入れ時に残留オーステナイト相が生成して靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｎｉの含有量は、好ましくは２．０質量％以下、より好ましくは０．５０質量％以下、更に好ましくは０．３０質量％以下に制御される。
Ｎｉは、強度の向上に寄与する元素である。Ｎｉによる効果を得る観点から、Ｎｉの含有量は、好ましくは０．０５質量％以上、より好ましくは０．０６質量％以上に制御される。ただし、Ｎｉを過剰に含有させると、製造コストが上昇するとともに、焼入れ時に残留オーステナイト相が生成して靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｎｉの含有量は、好ましくは２．０質量％以下、より好ましくは０．５０質量％以下、更に好ましくは０．３０質量％以下に制御される。
＜Ｃｕ：０．０１～２．０質量％＞
Ｃｕは、強度や耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｕによる効果を得る観点から、Ｃｕの含有量は、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０２質量％以上に制御される。一方、Ｃｕを過剰に含有させると、靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｃｕの含有量は、好ましくは２．０質量％以下、より好ましくは０．５０質量％以下、更に好ましくは０．２０質量％以下に制御される。
Ｃｕは、強度や耐食性の向上に寄与する元素である。Ｃｕによる効果を得る観点から、Ｃｕの含有量は、好ましくは０．０１質量％以上、より好ましくは０．０２質量％以上に制御される。一方、Ｃｕを過剰に含有させると、靭性が低下する恐れがある。そのため、Ｃｕの含有量は、好ましくは２．０質量％以下、より好ましくは０．５０質量％以下、更に好ましくは０．２０質量％以下に制御される。
＜Ａｌ：０．１質量％以下＞
Ａｌは、脱酸に有効であるとともに、耐酸化性や耐食性を向上させる元素である。また、Ａｌは、介在物の清浄度を上げて耐摩耗性を向上させる効果も有する。ただし、Ａｌを過剰に含有させると、耐酸化性や耐食性の向上が飽和するとともに、ＡｌＮやＡｌ系酸化物が凝集粗大化して摩耗時の鳴きの原因となる。そのため、Ａｌの含有量は、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．０８０質量％以下、更に好ましくは０．０５質量％以下に制御される。一方、Ａｌの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００５質量％以上、更に好ましくは０．０１質量％以上である。
Ａｌは、脱酸に有効であるとともに、耐酸化性や耐食性を向上させる元素である。また、Ａｌは、介在物の清浄度を上げて耐摩耗性を向上させる効果も有する。ただし、Ａｌを過剰に含有させると、耐酸化性や耐食性の向上が飽和するとともに、ＡｌＮやＡｌ系酸化物が凝集粗大化して摩耗時の鳴きの原因となる。そのため、Ａｌの含有量は、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．０８０質量％以下、更に好ましくは０．０５質量％以下に制御される。一方、Ａｌの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００５質量％以上、更に好ましくは０．０１質量％以上である。
＜Ｂ：０．１質量％以下＞
Ｂは、ＢＮを形成して耐摩耗性を向上させる元素である。ただし、Ｂを過剰に含有させると、焼き入れ性が過度に向上して靭性が劣化する。そのため、Ｂの含有量は、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．００４０質量％以下に制御される。一方、Ｂの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．００１質量％以上である。
Ｂは、ＢＮを形成して耐摩耗性を向上させる元素である。ただし、Ｂを過剰に含有させると、焼き入れ性が過度に向上して靭性が劣化する。そのため、Ｂの含有量は、好ましくは０．１質量％以下、より好ましくは０．００４０質量％以下に制御される。一方、Ｂの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．００１質量％以上である。
＜Ｃａ：０．０２質量％以下＞
Ｃａは、マルテンサイト系ステンレス鋼材の熱間加工性を向上させる元素である。ただし、Ｃａを過剰に含有させると、耐食性が劣化する。そのため、Ｃａの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｃａの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
Ｃａは、マルテンサイト系ステンレス鋼材の熱間加工性を向上させる元素である。ただし、Ｃａを過剰に含有させると、耐食性が劣化する。そのため、Ｃａの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｃａの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
＜Ｍｇ：０．０２質量％以下＞
Ｍｇは、汎用精錬法を用いて製造されるステンレス鋼に不可避的に入ってくる元素である。また、Ｍｇを過剰に含有させると、大型且つ硬質のＭｇＯが生成し、マルテンサイト系ステンレス鋼材の研磨性に悪影響を及ぼす。そのため、Ｍｇの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｍｇの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
Ｍｇは、汎用精錬法を用いて製造されるステンレス鋼に不可避的に入ってくる元素である。また、Ｍｇを過剰に含有させると、大型且つ硬質のＭｇＯが生成し、マルテンサイト系ステンレス鋼材の研磨性に悪影響を及ぼす。そのため、Ｍｇの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｍｇの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
＜Ｚｒ：０．０２質量％以下＞
Ｚｒは、耐食性や耐熱性を向上させる元素である。ただし、Ｚｒを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｚｒの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｍｇの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
Ｚｒは、耐食性や耐熱性を向上させる元素である。ただし、Ｚｒを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｚｒの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｍｇの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
＜Ｈｆ：０．０２質量％以下＞
Ｈｆは、高温における耐食性や耐酸化性を向上させる元素である。ただし、Ｈｆを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｈｆの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｈｆの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
Ｈｆは、高温における耐食性や耐酸化性を向上させる元素である。ただし、Ｈｆを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｈｆの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下、より好ましくは０．００５０質量％以下に制御される。一方、Ｈｆの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．０００２質量％以上、より好ましくは０．０００５質量％以上である。
＜Ｃｏ：０．１０質量％以下＞
Ｃｏは、靭性や耐高温腐食性を向上させる元素である。ただし、Ｃｏを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｃｏの含有量は、好ましくは０．１０質量％以下、より好ましくは０．０５０質量％以下に制御される。一方、Ｃｏの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００３質量％以上である。
Ｃｏは、靭性や耐高温腐食性を向上させる元素である。ただし、Ｃｏを過剰に含有させると、製造コストが増大する要因となる。そのため、Ｃｏの含有量は、好ましくは０．１０質量％以下、より好ましくは０．０５０質量％以下に制御される。一方、Ｃｏの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．００１質量％以上、より好ましくは０．００３質量％以上である。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、炭窒化物を含む金属組織を有する。
炭窒化物は、Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上である。このような含有量に制御することにより、耐腐食摩耗性に優れる炭窒化物を形成することができる。
炭窒化物による耐腐食摩耗性を安定して得る観点から、炭窒化物におけるＣｒの含有量は、好ましくは２３質量％以下、より好ましくは２０質量％以下である。一方、Ｃｒの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは１質量％以上、より好ましくは３質量％以上、更に好ましくは５質量％以上である。また、炭窒化物におけるＮｂ、Ｖ及びＷの合計量は、好ましくは１５質量％以上、より好ましくは２０質量％以上である。一方、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量の上限は、特に限定されないが、好ましくは６０質量％以下、より好ましくは５０質量％以下である。
炭窒化物は、Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上である。このような含有量に制御することにより、耐腐食摩耗性に優れる炭窒化物を形成することができる。
炭窒化物による耐腐食摩耗性を安定して得る観点から、炭窒化物におけるＣｒの含有量は、好ましくは２３質量％以下、より好ましくは２０質量％以下である。一方、Ｃｒの含有量の下限は、特に限定されないが、好ましくは１質量％以上、より好ましくは３質量％以上、更に好ましくは５質量％以上である。また、炭窒化物におけるＮｂ、Ｖ及びＷの合計量は、好ましくは１５質量％以上、より好ましくは２０質量％以上である。一方、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量の上限は、特に限定されないが、好ましくは６０質量％以下、より好ましくは５０質量％以下である。
ここで、本明細書において、炭窒化物におけるＣｒの含有量、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量は、マルテンサイト系ステンレス鋼材から炭窒化物を抽出し、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）・ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて分析することによって算出されるものを意味する。炭窒化物の抽出は、後述の方法を用いて行うことができる。
炭窒化物は、平均粒径が５．０μｍ以下である。このような範囲に平均粒径を制御することにより、耐腐食摩耗性を向上させることができる。炭窒化物の平均粒径の下限は、特に限定されないが、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．３μｍ以上、更に好ましくは０．５μｍ以上である。
ここで、本明細書において、炭窒化物の平均粒径は、マルテンサイト系ステンレス鋼材の鏡面加工された断面をショットキー走査電子顕微鏡によって観察し、測定される円相当直径の平均値のことを意味する。円相当直径とは、観察面に現れている炭窒化物の面積と等しい面積を持つ円の直径のことを意味する。
ここで、本明細書において、炭窒化物の平均粒径は、マルテンサイト系ステンレス鋼材の鏡面加工された断面をショットキー走査電子顕微鏡によって観察し、測定される円相当直径の平均値のことを意味する。円相当直径とは、観察面に現れている炭窒化物の面積と等しい面積を持つ円の直径のことを意味する。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、ビッカース硬さが好ましくは６００ＨＶ以上、より好ましくは６５０ＨＶ以上、更に好ましくは７００ＨＶ以上である。このような範囲のビッカース硬さであれば、耐腐食摩耗性を向上させることができる。なお、ビッカース硬さの上限は、特に限定されないが、好ましくは１０００ＨＶ、より好ましくは９００ＨＶ、更に好ましくは８００ＨＶである。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、板材であっても線材であってもよいが、線材であることが好ましい。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、上記の組成を有するステンレス鋼を溶製すること以外は、当該技術分野において公知の方法に準じて製造することができる。本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材の典型的な製造方法は、上記の組成を有するステンレス鋼を加熱した後、熱間加工して加工材を得る熱間加工工程と、加工材を焼鈍する焼鈍工程と、焼鈍された加工材を焼入れする焼入れ工程と、焼入れされた加工材をサブゼロ処理するサブゼロ処理工程と、サブゼロ処理された加工材を焼戻しする焼戻し工程とを含む。
＜熱間加工工程＞
熱間加工工程は、上記の組成を有するステンレス鋼を溶製して鍛造又は鋳造した後、１２００℃以上に加熱し、９０％以上の減面率で熱間加工して加工材を得る工程である。
加熱温度を１２００℃以上とすることにより、炭窒化物を十分に固溶させるとともに、加熱（均熱）時間を短くすることができる。なお、加熱温度の上限は、特に限定されないが、好ましくは１２５０℃以下である。また、加熱時間は、加熱温度などに応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。
減面率を９０％以上とすることにより、炭窒化物の変形が促進され、偏析領域を少なくすることができる。減面率は、炭窒化物の微細化及び均一分散性を得る観点から、９５％以上であることが好ましい。なお、減面率の上限は、特に限定されないが、好ましくは９９．９％以下、より好ましくは９９．８％以下である。
熱間加工工程は、上記の組成を有するステンレス鋼を溶製して鍛造又は鋳造した後、１２００℃以上に加熱し、９０％以上の減面率で熱間加工して加工材を得る工程である。
加熱温度を１２００℃以上とすることにより、炭窒化物を十分に固溶させるとともに、加熱（均熱）時間を短くすることができる。なお、加熱温度の上限は、特に限定されないが、好ましくは１２５０℃以下である。また、加熱時間は、加熱温度などに応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。
減面率を９０％以上とすることにより、炭窒化物の変形が促進され、偏析領域を少なくすることができる。減面率は、炭窒化物の微細化及び均一分散性を得る観点から、９５％以上であることが好ましい。なお、減面率の上限は、特に限定されないが、好ましくは９９．９％以下、より好ましくは９９．８％以下である。
＜焼鈍工程＞
焼鈍工程は、熱間加工工程で得られた加工材を焼鈍する工程である。
焼鈍を行うことにより、炭窒化物を析出させることができる。
焼鈍方法としては、特に限定されないが、所定の焼鈍温度に加熱した後、徐冷すればよい。
焼鈍温度は、特に限定されないが、好ましくは８００～９５０℃、より好ましくは８２０～９００℃である。焼鈍時間は、焼鈍温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、一般的に１～１０時間である。
徐冷の冷却速度は、特に限定されないが、好ましくは３０℃／ｈ以下である。
焼鈍工程は、熱間加工工程で得られた加工材を焼鈍する工程である。
焼鈍を行うことにより、炭窒化物を析出させることができる。
焼鈍方法としては、特に限定されないが、所定の焼鈍温度に加熱した後、徐冷すればよい。
焼鈍温度は、特に限定されないが、好ましくは８００～９５０℃、より好ましくは８２０～９００℃である。焼鈍時間は、焼鈍温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、一般的に１～１０時間である。
徐冷の冷却速度は、特に限定されないが、好ましくは３０℃／ｈ以下である。
＜焼入れ工程＞
焼入れ工程は、焼鈍された加工材を１０５０～１２００℃で焼入れする工程である。
焼入れを行うことにより、マルテンサイト組織を得ることができる。
焼入れ方法としては、特に限定されないが、焼鈍された加工材を１０５０～１２００℃、好ましくは１０９０～１１５０℃で保持した後、急冷すればよい。
焼入れ温度が１０５０℃未満であると、Ｃの固溶量が不足し、硬さが低下する。また、焼入れ温度が１２００℃を超えると、結晶粒が粗大化して靭性が低下するとともに、過剰な残留オーステナイトが形成される。
焼入れ温度での保持時間は、焼入れ温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、一般的に１０分～２時間である。
急冷方法としては、特に限定されないが、空冷、水冷、油冷などを用いることができる。
焼入れ工程は、焼鈍された加工材を１０５０～１２００℃で焼入れする工程である。
焼入れを行うことにより、マルテンサイト組織を得ることができる。
焼入れ方法としては、特に限定されないが、焼鈍された加工材を１０５０～１２００℃、好ましくは１０９０～１１５０℃で保持した後、急冷すればよい。
焼入れ温度が１０５０℃未満であると、Ｃの固溶量が不足し、硬さが低下する。また、焼入れ温度が１２００℃を超えると、結晶粒が粗大化して靭性が低下するとともに、過剰な残留オーステナイトが形成される。
焼入れ温度での保持時間は、焼入れ温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、一般的に１０分～２時間である。
急冷方法としては、特に限定されないが、空冷、水冷、油冷などを用いることができる。
＜サブゼロ処理工程＞
サブゼロ処理は、焼入れされた加工材をサブゼロ処理する工程である。
サブゼロ処理を行うことにより、焼入れ後に残留するオーステナイト（以下、「残留オーステナイト」という）の量を低減することができる。すなわち、残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態し、残留オーステナイトの減少によって硬さを増大させることができる。
サブゼロ処理の方法としては、特に限定されないが、焼入れされた加工材を０℃以下の温度、好ましくは－７７～－１９６℃の温度に保持すればよい。例えば、焼入れされた加工材を液体窒素（－１９６℃）に所定の時間浸漬すればよい。
保持時間は、温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、３０分～１時間である。
サブゼロ処理は、焼入れされた加工材をサブゼロ処理する工程である。
サブゼロ処理を行うことにより、焼入れ後に残留するオーステナイト（以下、「残留オーステナイト」という）の量を低減することができる。すなわち、残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態し、残留オーステナイトの減少によって硬さを増大させることができる。
サブゼロ処理の方法としては、特に限定されないが、焼入れされた加工材を０℃以下の温度、好ましくは－７７～－１９６℃の温度に保持すればよい。例えば、焼入れされた加工材を液体窒素（－１９６℃）に所定の時間浸漬すればよい。
保持時間は、温度に応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、３０分～１時間である。
＜焼戻し工程＞
焼戻し工程は、サブゼロ処理された加工材を焼戻しする工程である。
焼戻しを行うことにより、焼入れ工程及びサブゼロ処理工程によって生成したマルテンサイト組織に靭性を付与することができる。
焼戻し工程は、ＬＭＰが７０００～１７０００、好ましくは８０００～１５０００となる条件で行われる。
ここで、ＬＭＰはラーソン・ミラー・パラメータであり、下記の式（１）で表される。
ＬＭＰ＝（ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇ ｔｒ） （１）
式中、ｔは加熱（焼戻し）温度（℃）、Ｃは材料定数、ｔｒは前記加熱温度での保持時間（ｈ）である。なお、材料定数Ｃは、多くの耐熱鋼では２０前後となる。
ＬＭＰが７０００未満であると、靭性の回復が不十分となる。また、ＬＭＰが１７０００を超えると、硬さ及び残留オーステナイト量が低下する。
典型的な焼戻し工程は、１２０～３００℃の加熱温度、３０分～２時間の保持時間にて行われる。
焼戻し工程は、サブゼロ処理された加工材を焼戻しする工程である。
焼戻しを行うことにより、焼入れ工程及びサブゼロ処理工程によって生成したマルテンサイト組織に靭性を付与することができる。
焼戻し工程は、ＬＭＰが７０００～１７０００、好ましくは８０００～１５０００となる条件で行われる。
ここで、ＬＭＰはラーソン・ミラー・パラメータであり、下記の式（１）で表される。
ＬＭＰ＝（ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇ ｔｒ） （１）
式中、ｔは加熱（焼戻し）温度（℃）、Ｃは材料定数、ｔｒは前記加熱温度での保持時間（ｈ）である。なお、材料定数Ｃは、多くの耐熱鋼では２０前後となる。
ＬＭＰが７０００未満であると、靭性の回復が不十分となる。また、ＬＭＰが１７０００を超えると、硬さ及び残留オーステナイト量が低下する。
典型的な焼戻し工程は、１２０～３００℃の加熱温度、３０分～２時間の保持時間にて行われる。
本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、耐腐食摩耗性に優れている。また、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は耐食性にも優れている。そのため、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、耐腐食摩耗性や耐食性が要求される各種用途に用いることができる。特に、本発明の実施形態に係るマルテンサイト系ステンレス鋼材は、軸受などの摺動部材に用いるのに好適である。
以下に、実施例を挙げて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
＜実験１＞
表１に示す組成を有するステンレス鋼１００ｋｇを真空溶解炉で溶製し、Φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造した。次に、鋳片を１２３０℃に加熱した後、Φ１０ｍｍまで熱間加工（減面率９９．７％）し、室温まで冷却して線材（加工材）を得た。次に、線材をバッチ炉にて８５０℃で２時間焼鈍し、徐冷した。次に、焼鈍された線材を長さ１００ｍｍに切断し、表２に示す焼入れ温度で１０分間保持し、５０℃以下の温度まで空冷した。次に、焼入れされた線材を液体窒素に３０分間浸漬してサブゼロ処理を行った。次に、表２に示すＬＭＰとなるように焼戻し温度を制御して焼戻し処理を行った後、空冷することにより、供試材（マルテンサイト系ステンレス鋼材）を得た。なお、焼戻し処理では、保持時間を６０分とし、ＬＭＰの算出のための材料定数Ｃを２０とした。
＜実験１＞
表１に示す組成を有するステンレス鋼１００ｋｇを真空溶解炉で溶製し、Φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造した。次に、鋳片を１２３０℃に加熱した後、Φ１０ｍｍまで熱間加工（減面率９９．７％）し、室温まで冷却して線材（加工材）を得た。次に、線材をバッチ炉にて８５０℃で２時間焼鈍し、徐冷した。次に、焼鈍された線材を長さ１００ｍｍに切断し、表２に示す焼入れ温度で１０分間保持し、５０℃以下の温度まで空冷した。次に、焼入れされた線材を液体窒素に３０分間浸漬してサブゼロ処理を行った。次に、表２に示すＬＭＰとなるように焼戻し温度を制御して焼戻し処理を行った後、空冷することにより、供試材（マルテンサイト系ステンレス鋼材）を得た。なお、焼戻し処理では、保持時間を６０分とし、ＬＭＰの算出のための材料定数Ｃを２０とした。
上記で得られた供試材について以下の評価を行った。
（炭窒化物の組成）
供試材から長さ５ｍｍの試験片を切り出し、全面を＃４００研磨した後、非水溶液中（１０質量％の無水マレイン酸＋２質量％のテトラメチルアンモニウムクロリド＋残部メタノール）で電解（１００ｍＶ定電圧）し、マトリックスを１ｇ溶解させた。次に、穴径０．２μｍのフィルターでろ過し、残渣物を抽出した。得られた残渣物は、フィルター上で乾燥させた後にＸ線回折装置で同定した。同定の結果、介在物及び酸化物は検出されず、残渣物は炭化物及び窒化物であることを確認した。
炭窒化物の組成は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）・ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて、残渣物を５箇所任意に選択し、面分析によってＣｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＷの含有量を求め、その平均値を結果とした。
供試材から長さ５ｍｍの試験片を切り出し、全面を＃４００研磨した後、非水溶液中（１０質量％の無水マレイン酸＋２質量％のテトラメチルアンモニウムクロリド＋残部メタノール）で電解（１００ｍＶ定電圧）し、マトリックスを１ｇ溶解させた。次に、穴径０．２μｍのフィルターでろ過し、残渣物を抽出した。得られた残渣物は、フィルター上で乾燥させた後にＸ線回折装置で同定した。同定の結果、介在物及び酸化物は検出されず、残渣物は炭化物及び窒化物であることを確認した。
炭窒化物の組成は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）・ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて、残渣物を５箇所任意に選択し、面分析によってＣｒ、Ｎｂ、Ｖ及びＷの含有量を求め、その平均値を結果とした。
（炭窒化物の平均粒径）
供試材から長さ１０ｍｍの試験片を切り出し、圧延方向と平行に半割切断し、切断面を鏡面研磨加工した後、ショットキー走査電子顕微鏡（株式会社日立ハイテク製ＳＵ５０００）を用い、観察面積５０×５０μｍの中に存在する炭窒化物の大きさ（円相当直径）を１０視野で測定した。手法としては、自動粒子解析により、画像取り込み後、粒子を認識させ、炭窒化物の大きさを測定した。炭窒化物の平均粒径は、１０視野で測定された炭窒化物の大きさ平均値を結果とした。
供試材から長さ１０ｍｍの試験片を切り出し、圧延方向と平行に半割切断し、切断面を鏡面研磨加工した後、ショットキー走査電子顕微鏡（株式会社日立ハイテク製ＳＵ５０００）を用い、観察面積５０×５０μｍの中に存在する炭窒化物の大きさ（円相当直径）を１０視野で測定した。手法としては、自動粒子解析により、画像取り込み後、粒子を認識させ、炭窒化物の大きさを測定した。炭窒化物の平均粒径は、１０視野で測定された炭窒化物の大きさ平均値を結果とした。
（ビッカース硬さ）
ビッカース硬さは、ビッカース硬さ試験機を用い、供試材から試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９に準拠してビッカース硬さを求めた。試験力は２９４．２Ｎとした。ビッカース硬さは、任意の５箇所で求め、その平均値を結果とした。
ビッカース硬さは、ビッカース硬さ試験機を用い、供試材から試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９に準拠してビッカース硬さを求めた。試験力は２９４．２Ｎとした。ビッカース硬さは、任意の５箇所で求め、その平均値を結果とした。
（耐腐食摩耗試験）
供試材から試験片（ピン）を切り出し、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により耐腐食摩耗性を評価した。ディスクには、ＳＵＳ４４０Ｃ（鋼種Ｍ）を用いた。ピンオンディスク摩擦摩耗試験は、摺動速度２．０ｍ／ｓ、負荷荷重５．０ｋｇｆ、時間３０分とし、３質量％ＮａＣｌ溶液を滴下させながら実施した。また、評価は、試験前後のピンの高さを測定して試験前後のピンの体積を求め、試験前のピンの体積から試験後のピンの体積を引くことにより、摩耗体積を求めた。ピンの体積は、以下の（２）式によって算出した。
Ｖ＝πｒ2ｈ （２）
式中、Ｖは試験片（ピン）の体積（ｍｍ3）、ｒは試験片の半径（ｍｍ）、ｈ：試験片の高さ（ｍｍ）
この評価では、ピンの摩耗体積が２０ｍｍ3以下のものを◎、２０ｍｍ3超え３０ｍｍ3以下のものを○、３０ｍｍ3超えのものを×と判断した。
供試材から試験片（ピン）を切り出し、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により耐腐食摩耗性を評価した。ディスクには、ＳＵＳ４４０Ｃ（鋼種Ｍ）を用いた。ピンオンディスク摩擦摩耗試験は、摺動速度２．０ｍ／ｓ、負荷荷重５．０ｋｇｆ、時間３０分とし、３質量％ＮａＣｌ溶液を滴下させながら実施した。また、評価は、試験前後のピンの高さを測定して試験前後のピンの体積を求め、試験前のピンの体積から試験後のピンの体積を引くことにより、摩耗体積を求めた。ピンの体積は、以下の（２）式によって算出した。
Ｖ＝πｒ2ｈ （２）
式中、Ｖは試験片（ピン）の体積（ｍｍ3）、ｒは試験片の半径（ｍｍ）、ｈ：試験片の高さ（ｍｍ）
この評価では、ピンの摩耗体積が２０ｍｍ3以下のものを◎、２０ｍｍ3超え３０ｍｍ3以下のものを○、３０ｍｍ3超えのものを×と判断した。
上記の各評価結果を表２に示す。
表２に示されるように、所定の組成を満たし、所定の炭窒化物を含む金属組織を有する試験Ｎｏ．１～１６（本発明例）は、耐腐食摩耗試験及びビッカース硬さの評価結果が良好であった。
これに対して所定の組成及び金属組織を有していない試験Ｎｏ．１７～２６（比較例）は、耐腐食摩耗試験の評価結果が十分でなかった。また、試験Ｎｏ．２４及び２６は、ビッカース硬さも十分でなかった。
これに対して所定の組成及び金属組織を有していない試験Ｎｏ．１７～２６（比較例）は、耐腐食摩耗試験の評価結果が十分でなかった。また、試験Ｎｏ．２４及び２６は、ビッカース硬さも十分でなかった。
＜実験２＞
実験２では、熱間加工工程における加熱温度及び減面率、焼入れ温度及び焼戻し温度を変えて実験を行った。具体的には、鋼種Ａ３のステンレス鋼１００ｋｇを真空溶解炉で溶製し、Φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造した。次に、鋳片を表３に示す加熱温度に加熱した後、表３に示す減面率となるように熱間加工し、室温まで冷却して線材（加工材）を得た。次に、線材をバッチ炉にて８５０℃で２時間焼鈍し、徐冷した。次に、焼鈍された線材を長さ１００ｍｍに切断し、表３に示す焼入れ温度で１０分間保持し、５０℃以下の温度まで空冷した。次に、焼入れされた線材を液体窒素に３０分間浸漬してサブゼロ処理を行った。次に、表３に示すＬＭＰとなるように焼戻し温度を制御して焼戻し処理を行った後、空冷することにより、供試材（マルテンサイト系ステンレス鋼材）を得た。なお、焼戻し処理では、保持時間を６０分とし、ＬＭＰの算出のための材料定数Ｃを２０とした。
実験２では、熱間加工工程における加熱温度及び減面率、焼入れ温度及び焼戻し温度を変えて実験を行った。具体的には、鋼種Ａ３のステンレス鋼１００ｋｇを真空溶解炉で溶製し、Φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造した。次に、鋳片を表３に示す加熱温度に加熱した後、表３に示す減面率となるように熱間加工し、室温まで冷却して線材（加工材）を得た。次に、線材をバッチ炉にて８５０℃で２時間焼鈍し、徐冷した。次に、焼鈍された線材を長さ１００ｍｍに切断し、表３に示す焼入れ温度で１０分間保持し、５０℃以下の温度まで空冷した。次に、焼入れされた線材を液体窒素に３０分間浸漬してサブゼロ処理を行った。次に、表３に示すＬＭＰとなるように焼戻し温度を制御して焼戻し処理を行った後、空冷することにより、供試材（マルテンサイト系ステンレス鋼材）を得た。なお、焼戻し処理では、保持時間を６０分とし、ＬＭＰの算出のための材料定数Ｃを２０とした。
上記で得られた供試材について、実験１と同様の評価を行った。その結果を表３に示す。
表３に示されるように、９０％以上の減面率で熱間加工した試験Ｎｏ．２７及び２８（本発明例）では、炭窒化物の平均粒径が小さくなり、耐腐食摩耗試験の評価結果が良好であった。
これに対して９０％未満の減面率で熱間加工した試験Ｎｏ．２９及び３０（比較例）では、炭窒化物の平均粒径が大きくなり、耐腐食摩耗試験の評価結果が十分でなかった。
これに対して９０％未満の減面率で熱間加工した試験Ｎｏ．２９及び３０（比較例）では、炭窒化物の平均粒径が大きくなり、耐腐食摩耗試験の評価結果が十分でなかった。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、耐腐食摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材を提供することができる。
Claims (13)
- Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有し、
Ｃｒが２５質量％以下、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が１０質量％以上、平均粒径が５．０μｍ以下の炭窒化物を含む金属組織を有するマルテンサイト系ステンレス鋼材。 - Ｎｉ：０．０５～２．０質量％、Ｃｕ：０．０１～２．０質量％、Ａｌ：０．１質量％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- Ｂ：０．１質量％以下を更に含む、請求項１又は２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- Ｃａ：０．０２質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下、Ｚｒ：０．０２質量％以下、Ｈｆ：０．０２質量％以下、Ｃｏ：０．１０質量％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- ビッカース硬さが６００ＨＶ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼材が線材である、請求項１～５のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼材が摺動部材に用いられる、請求項１～６のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材。
- Ｃ：０．２８～０．７０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：２．０質量％以下、Ｃｒ：１０～１７質量％、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｎ：０．００８～０．４０質量％、Ｔｉ：０．１質量％以下、Ｎｂ：０．５質量％以下、Ｖ：１．０質量％以下、Ｗ：１．０質量％以下を含み、Ｎｂ、Ｖ及びＷの合計量が０．１～２．０質量％であり、残部がＦｅ及び不純物からなる組成を有するステンレス鋼を１２００℃以上に加熱した後、９０％以上の減面率で熱間加工して加工材を得る熱間加工工程と、
前記加工材を焼鈍する焼鈍工程と、
焼鈍された前記加工材を１０５０～１２００℃で焼入れする焼入れ工程と、
焼入れされた前記加工材をサブゼロ処理するサブゼロ処理工程と、
サブゼロ処理された前記加工材を、下記の式（１）で表されるＬＭＰが７０００～１７０００となる条件で焼戻しする焼戻し工程と
を含む、マルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
ＬＭＰ＝（ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇ ｔｒ） （１）
式中、ｔは加熱温度（℃）、Ｃは材料定数、ｔｒは前記加熱温度での保持時間（ｈ）である。 - 前記ステンレス鋼が、Ｎｉ：０．０５～２．０質量％、Ｃｕ：０．０１～２．０質量％、Ａｌ：０．１質量％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項８に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
- 前記ステンレス鋼が、Ｂ：０．１質量％以下を更に含む、請求項８又は９に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
- 前記ステンレス鋼が、Ｃａ：０．０２質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下、Ｚｒ：０．０２質量％以下、Ｈｆ：０．０２質量％以下、Ｃｏ：０．１０質量％以下から選択される１種以上を更に含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造方法。
- 請求項１～７のいずれか一項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼材を含む摺動部材。
- 前記摺動部材が軸受である、請求項１２に記載の摺動部材。
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| JP2020132642A JP2022029344A (ja) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | マルテンサイト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに摺動部材 |
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|---|---|---|---|---|
| CN115449717A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-12-09 | 山东泰山钢铁集团有限公司 | 一种强韧持久耐磨刀具钢及其宽幅卷板制备方法 |
-
2020
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Cited By (2)
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| CN115449717A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-12-09 | 山东泰山钢铁集团有限公司 | 一种强韧持久耐磨刀具钢及其宽幅卷板制备方法 |
| CN115449717B (zh) * | 2022-08-10 | 2023-11-03 | 山东泰山钢铁集团有限公司 | 一种强韧持久耐磨刀具钢及其宽幅卷板制备方法 |
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