JP2023046414A - マルテンサイト系ステンレス鋼板およびマルテンサイト系ステンレス鋼部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】洋食器ナイフ、織機、工具、ディスクブレーキ等の製造に用いられる空冷焼き入れを行っても優れた耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼板及び部材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０～０．１７％、Ｓｉ：０．３０～０．６０％、Ｍｎ：０．１０～０．６０％、Ｃｒ：１１．０～１５．０％、Ｎｉ：０．０５～０．６０％、Ｃｕ：０．００６～０．５０％、Ｖ：０．０１０～０．１０％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０４～０．０６％未満、Ｃ＋１／２Ｎ：０．１３～０．１９％であり、（１）式で示されるγｐが１２０以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼板において、前記マルテンサイト系ステンレス鋼板を焼き入れし、焼き戻したとき、鋼板の板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満となる。【選択図】図１
Description
本発明は焼き入れ後の耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板およびマルテンサイト系ステンレス鋼部材に関する。より詳しくは、本発明は洋食器ナイフ、織機、工具、ディスクブレーキ等の製造に用いられる空冷焼き入れを行っても優れた耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
洋食器ナイフ（テーブルナイフ）やはさみ、織機、ノギス等の工具には、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２鋼等のマルテンサイト系ステンレス鋼板が一般に用いられている。このような用途においては、めっきや塗装、防錆油の使用が困難であり、素材そのものに耐銹性が求められる。また、摩耗しくにいことも重要で高い硬度が必要とされているからである。
洋食器ナイフ等の製造工程は、通常、鋼板から型抜きし、加熱、焼き入れ後、研磨工程を経てナイフとなる。焼き入れ工程は空冷程度で行われることが多く、これも焼き入れ性の優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板の特性に依存している。
特許文献１は、空冷で焼き入れ時に耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。ここで、耐食性を向上させる元素としてＮを０．０６％程度まで添加している。
特許文献２には、さらにＮを添加した鋼が開示されている。また、特許文献３には、特殊な設備を用いてさらにＮを高めた鋼が開示されている。
近年、欧州を中心に洋食器の耐食性に対する要求が高度化してきている。その結果、耐銹性評価試験において、テーブルナイフの刃の背または刃先、持ち手部の中央部に発銹が見られる場合が散見されており、その改善が求められている。
日本金属学会誌、１９６２年、第２６巻、第７号、４７２－４７８頁
近年、欧州を中心に洋食器の耐食性に対する要求の高度化に伴い、厳格な耐食性試験でのテーブルナイフの刃の背または刃先、持ち手部の中央部に発銹に対する改善要求が高まっている。本発明では、テーブルナイフなどの洋食器用等のマルテンサイト系ステンレス鋼の用途に対して使用に耐えうる十分な硬さを保持しつつ、端面耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板およびマルテンサイト系ステンレス鋼部材を提供することを目的とした。
本発明者らは、上記目的を達成するために、まず、テーブルナイフの発銹状況を詳細に調査した。その結果、発銹部位は鋼板端面、詳しくは、鋼板厚み中央部が起点となっていることが明らかになった。さらに、マクロ偏析に起因するδフェライト相（δＦｅ相）の生成が確認され、このδＦｅの粒界が炭化物の集積サイトとなり、その炭化物が焼き入れ時の加熱で溶解し、その後の冷却時に粒界析出し、その結果、鋭敏化が起こり、粒界腐食を引き起こすことが発銹のメカニズムであることが判明した。
また、その発銹は焼き入れ時の冷却速度にも依存することを見出した。冷却速度は、焼き入れ設備に大きく依存し変わるものの、焼き入れ温度から炭化物析出が概ね完了する温度である６００℃までの平均冷却速度で評価すると、水焼き入れでは１００℃／ｓを超える冷却速度が得られるので、炭化物析出が抑制され発銹は起こりにくいが、テーブルナイフの製造工程で多く用いられる空冷では、その冷却速度が５℃／ｓ程度に過ぎず、炭化物析出が抑制できず発銹が起こりやすいことが分かった。
本発明者らは、これらの知見に基づき、その改善方法を検討した結果、鋼板成分にＮを添加することと、製造工程の最適化により、通常の工程では一定程度存在することが避けられないδＦｅを減少させて、鋼中のδＦｅを一定量に制限することにより、成形・熱処理後の洋食器ナイフにおいて、この発銹が抑制できることを見出した。
その後、さらに詳細な検討を行い、発明を完成させるに至った。
すなわち、
（１）質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１７％、
Ｓｉ：０．２５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．６０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｃｒ：１１．０～１５．０％、
Ｎｉ：０．０５～０．６０％、
Ｃｕ：０．００６～０．５０％、
Ｖ：０．０１０～０．１０％、
Ａｌ：０．０５％以下
Ｎ：０．０４～０．０６％未満、
Ｃ＋１／２Ｎ：０．１３～０．１９％であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼組成を有し、
下記式（１）で示されるγｐが１２０以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼板において、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼板を１０５０℃で３０分保持後空冷焼き入れし、１５０℃、３０分の焼き戻しを行ったとき、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満となることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋３０Ｎｉ＋７Ｍｎ＋９Ｃｕ＋１１．５Ｃｒ＋１１．５Ｓｉ－１２Ｍｏ－２３Ｖ－４７Ｎｂ－５２Ａｌ＋１８９ ・・・ 式（１）
式（１）中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
（２）前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｍｏ：０．０１～１．０％、
Ｔｉ：０．００５～０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５～０．０５０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼板。
（３）前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｓｎ：０．０１～０．１０％、
Ｂｉ：０．０１～０．２０％
の１種または２種を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼板。
（４）（１）～（３）の何れか１項に記載の鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼部材において、
前記式（１）で示されるγｐが１２０以上であり、
さらに、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満であることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼部材。
すなわち、
（１）質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１７％、
Ｓｉ：０．２５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．６０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｃｒ：１１．０～１５．０％、
Ｎｉ：０．０５～０．６０％、
Ｃｕ：０．００６～０．５０％、
Ｖ：０．０１０～０．１０％、
Ａｌ：０．０５％以下
Ｎ：０．０４～０．０６％未満、
Ｃ＋１／２Ｎ：０．１３～０．１９％であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼組成を有し、
下記式（１）で示されるγｐが１２０以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼板において、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼板を１０５０℃で３０分保持後空冷焼き入れし、１５０℃、３０分の焼き戻しを行ったとき、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満となることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋３０Ｎｉ＋７Ｍｎ＋９Ｃｕ＋１１．５Ｃｒ＋１１．５Ｓｉ－１２Ｍｏ－２３Ｖ－４７Ｎｂ－５２Ａｌ＋１８９ ・・・ 式（１）
式（１）中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。
（２）前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｍｏ：０．０１～１．０％、
Ｔｉ：０．００５～０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５～０．０５０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼板。
（３）前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｓｎ：０．０１～０．１０％、
Ｂｉ：０．０１～０．２０％
の１種または２種を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼板。
（４）（１）～（３）の何れか１項に記載の鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼部材において、
前記式（１）で示されるγｐが１２０以上であり、
さらに、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満であることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼部材。
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼板はテーブルナイフなどの洋食器用等のマルテンサイト系ステンレス鋼の用途に対して使用に耐えうる十分な硬さを保持しつつ、耐食性、特に端面耐食性に優れる。よって洋食器ナイフ等のマルテンサイト系ステンレス鋼部材として使用された場合、耐食性が向上し製品寿命が長くなる効果も期待できる。
さらに、詳細に説明する。
＜鋼板および鋼部材の化学成分＞（％は質量％を意味する。）
Ｃ：０．１０～０．１７％
ＣはＮとともに焼き入れ硬さを決める元素であり、洋食器ナイフに必要な硬さを得るためには０．１０％以上必要である。一方、過度に添加すると焼き入れ硬さが必要以上に大きくなり、研磨時の負荷が増えるほか、靱性も低下させる。また、本発明をもってしても空冷焼き入れ時にＣｒ炭化物が析出し耐食性を損なうことも起こりやすくなるため、０．１７％以下とする。
＜鋼板および鋼部材の化学成分＞（％は質量％を意味する。）
Ｃ：０．１０～０．１７％
ＣはＮとともに焼き入れ硬さを決める元素であり、洋食器ナイフに必要な硬さを得るためには０．１０％以上必要である。一方、過度に添加すると焼き入れ硬さが必要以上に大きくなり、研磨時の負荷が増えるほか、靱性も低下させる。また、本発明をもってしても空冷焼き入れ時にＣｒ炭化物が析出し耐食性を損なうことも起こりやすくなるため、０．１７％以下とする。
Ｓｉ：０．２５～０．６０％
Ｓｉは製鋼での脱酸のために必要であるほか、焼き入れ熱処理後の酸化スケールの生成を抑制するにも有効であるため、０．２５％以上含有させる。０．２５％未満であると酸化スケールが過度に生成し、最終の研磨負荷を増大させる。しかし、過剰の添加はオーステナイト生成を抑制し、焼き入れ性を損ねるために、０．６０％以下とする。
Ｓｉは製鋼での脱酸のために必要であるほか、焼き入れ熱処理後の酸化スケールの生成を抑制するにも有効であるため、０．２５％以上含有させる。０．２５％未満であると酸化スケールが過度に生成し、最終の研磨負荷を増大させる。しかし、過剰の添加はオーステナイト生成を抑制し、焼き入れ性を損ねるために、０．６０％以下とする。
Ｍｎ：０．１０～０．６０％
Ｍｎはオーステナイト安定元素であり、焼き入れ時の硬さとマルテンサイト量確保のために必要である。そのため、０．１０％以上含有させる。しかし、焼き入れ時の酸化スケール生成を促進させ、その後の研磨負荷を増大させるため、０．６０％以下とする。また、過剰に添加するとＭｎＳが多く生成し耐食性も低下させる。
Ｍｎはオーステナイト安定元素であり、焼き入れ時の硬さとマルテンサイト量確保のために必要である。そのため、０．１０％以上含有させる。しかし、焼き入れ時の酸化スケール生成を促進させ、その後の研磨負荷を増大させるため、０．６０％以下とする。また、過剰に添加するとＭｎＳが多く生成し耐食性も低下させる。
Ｐ：０．０３５％以下
Ｐは原料である溶銑やフェロクロム等の合金中に不純物として含まれる元素である。熱延焼鈍後や焼き入れ後の鋼板の靱性に対して有害な元素であるため、その含有量は０．０３５％以下とする。過剰に添加すると熱間加工性や耐食性を低下させる。
Ｐは原料である溶銑やフェロクロム等の合金中に不純物として含まれる元素である。熱延焼鈍後や焼き入れ後の鋼板の靱性に対して有害な元素であるため、その含有量は０．０３５％以下とする。過剰に添加すると熱間加工性や耐食性を低下させる。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓはオーステナイト相に対する固溶度が小さく、粒界に偏析して熱間加工性の低下を促進する。また、過剰に含有するとＭｎＳが多く生成し耐食性も低下させる。そのため、Ｓの含有量が０．０１５％以下とする。
Ｓはオーステナイト相に対する固溶度が小さく、粒界に偏析して熱間加工性の低下を促進する。また、過剰に含有するとＭｎＳが多く生成し耐食性も低下させる。そのため、Ｓの含有量が０．０１５％以下とする。
Ｃｒ：１１．０～１５．０％
Ｃｒは洋食器ナイフとして耐食性を保持するために、少なくとも１１．０％以上必要である。一方、オーステナイト安定温度を狭める効果もあるため、１５．０％以下とする。好ましくは、１２．０～１４．０％とするのが良い。
Ｃｒは洋食器ナイフとして耐食性を保持するために、少なくとも１１．０％以上必要である。一方、オーステナイト安定温度を狭める効果もあるため、１５．０％以下とする。好ましくは、１２．０～１４．０％とするのが良い。
Ｎｉ：０．０５～０．６０％
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト安定元素であり、焼き入れ時の硬さとマルテンサイト量確保のために必要である。また、耐食性を向上させる効果もある。そのため、０．０５％以上含有させる。しかし、過剰の添加はγ相の安定度を増加させマルテンサイト量が減少することもあり、また、Ｎｉは他の元素と比較して高価であるため、その上限は０．６０％とする。
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト安定元素であり、焼き入れ時の硬さとマルテンサイト量確保のために必要である。また、耐食性を向上させる効果もある。そのため、０．０５％以上含有させる。しかし、過剰の添加はγ相の安定度を増加させマルテンサイト量が減少することもあり、また、Ｎｉは他の元素と比較して高価であるため、その上限は０．６０％とする。
Ｃｕ：０．００６～０．５０％
Ｃｕは、Ｍｎ、Ｎｉと同様にオーステナイト安定元素であり、また、耐食性を向上させる元素である。製鋼時のスクラップからの混入が避けられない元素でもあるが、耐食性向上のために、０．００６％以上含有させる。０．０２％以上含有させるのが好ましい。０．０５％以上の含有がより好ましい。一方、過度の含有は熱間加工性等を低下させるので、０．５０％以下とする。Ｎｉよりは安価であるが比較的高価であるため、その添加はできるだけ低くしたい元素である。
Ｃｕは、Ｍｎ、Ｎｉと同様にオーステナイト安定元素であり、また、耐食性を向上させる元素である。製鋼時のスクラップからの混入が避けられない元素でもあるが、耐食性向上のために、０．００６％以上含有させる。０．０２％以上含有させるのが好ましい。０．０５％以上の含有がより好ましい。一方、過度の含有は熱間加工性等を低下させるので、０．５０％以下とする。Ｎｉよりは安価であるが比較的高価であるため、その添加はできるだけ低くしたい元素である。
Ｖ：０．０１０～０．１０％
Ｖは合金元素であるフェロクロム等から不可避的に混入する場合が多い元素である。その削減は困難であり、製鋼工程に負荷を掛けすぎるので、０．０１０％以上を含有させる。しかし、過度の含有はオーステナイト形成温度域を狭めるので、０．１０％以下とした。また、過剰に添加するとＶＮを形成し、Ｎを固定化するため、硬さ低下や耐食性低下を引き起こすため好ましくない。
Ｖは合金元素であるフェロクロム等から不可避的に混入する場合が多い元素である。その削減は困難であり、製鋼工程に負荷を掛けすぎるので、０．０１０％以上を含有させる。しかし、過度の含有はオーステナイト形成温度域を狭めるので、０．１０％以下とした。また、過剰に添加するとＶＮを形成し、Ｎを固定化するため、硬さ低下や耐食性低下を引き起こすため好ましくない。
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは脱酸のために有効な元素であるが、過度の含有は熱延時に可溶性介在物であるＣａＳを生成させ、耐食性を低下させるので、その含有は０．０５％以下とする。Ａｌ含有量が０．００１％以上であると好ましい。Ａｌは含有しなくても良い。
Ａｌは脱酸のために有効な元素であるが、過度の含有は熱延時に可溶性介在物であるＣａＳを生成させ、耐食性を低下させるので、その含有は０．０５％以下とする。Ａｌ含有量が０．００１％以上であると好ましい。Ａｌは含有しなくても良い。
Ｎ：０．０４～０．０６％未満
ＮはＣとともに焼き入れ硬さを決める元素であるとともに、耐食性を向上させる本発明では重要な元素である。そのため、本発明では０．０４％以上含有させる。しかし、Ｎを過剰に含有させると、スラブ中に気泡欠陥ができやすく逆に耐食性を低下させるとともにＶＯＤ等による二次精錬では製造コストを増加させる元素である。特に連続鋳造では気泡欠陥を避けて安定に製造することが難しいため、Ｎは低めが良く、その含有量は０．０４％以上、０．０６％未満とする。
ＮはＣとともに焼き入れ硬さを決める元素であるとともに、耐食性を向上させる本発明では重要な元素である。そのため、本発明では０．０４％以上含有させる。しかし、Ｎを過剰に含有させると、スラブ中に気泡欠陥ができやすく逆に耐食性を低下させるとともにＶＯＤ等による二次精錬では製造コストを増加させる元素である。特に連続鋳造では気泡欠陥を避けて安定に製造することが難しいため、Ｎは低めが良く、その含有量は０．０４％以上、０．０６％未満とする。
Ｃ＋１／２Ｎ：０．１３～０．１９％
鋼中のマルテンサイト相の硬さを決める元素はＣとＮであり、その合計が硬さに寄与する。本発明者の検討によれば、硬さに対するＮの寄与はＣの半分であり、洋食器ナイフとして必要な硬さを得るにはＣ＋１／２Ｎが０．１３％以上であることが必要である。一方、Ｃ＋１／２Ｎが過剰になると、焼き入れ硬さが上がりすぎて、製品や製造工程における中間材（鋳片等）の靱性を損ねるために、０．１９％以下とする。
鋼中のマルテンサイト相の硬さを決める元素はＣとＮであり、その合計が硬さに寄与する。本発明者の検討によれば、硬さに対するＮの寄与はＣの半分であり、洋食器ナイフとして必要な硬さを得るにはＣ＋１／２Ｎが０．１３％以上であることが必要である。一方、Ｃ＋１／２Ｎが過剰になると、焼き入れ硬さが上がりすぎて、製品や製造工程における中間材（鋳片等）の靱性を損ねるために、０．１９％以下とする。
さらに、焼き入れた時に硬さが安定して発現するように、前記（１）式で記載されたγｐが１２０以上となるように相互調整を行う必要がある。γｐが１２０未満であると焼き入れ条件によっては硬さのばらつきが大きくなる。また、鋼中のδＦｅも多くなる。
本発明の鋼組成は、上記成分を含有するほか、残部はＦｅ及び不純物からなる。
加えて、本発明では、鋼組成が、上記に説明してきた元素に加えて、前記Ｆｅの一部に替えて、耐銹性、耐食性を向上させるために、Ｍｏ、Ｎｂ、ＴｉおよびＳｎ、Ｂｉの元素を添加できる。
加えて、本発明では、鋼組成が、上記に説明してきた元素に加えて、前記Ｆｅの一部に替えて、耐銹性、耐食性を向上させるために、Ｍｏ、Ｎｂ、ＴｉおよびＳｎ、Ｂｉの元素を添加できる。
Ｍｏ：０．０１～１．０％
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であり、０．０１％以上の添加でその効果を発現する。しかし、Ｍｏは高価な元素でもあり、過度に添加しても効果が明確でなく、１．０％を上限とする。
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であり、０．０１％以上の添加でその効果を発現する。しかし、Ｍｏは高価な元素でもあり、過度に添加しても効果が明確でなく、１．０％を上限とする。
Ｔｉ：０．００５～０．０５０％
Ｔｉは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は０．００５％で発現する。しかし、過度に添加すると、マルテンサイト相を不安定にし、硬さが低下するため、０．０５０％を上限とする。
Ｔｉは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は０．００５％で発現する。しかし、過度に添加すると、マルテンサイト相を不安定にし、硬さが低下するため、０．０５０％を上限とする。
Ｎｂ：０．００５～０．０５０％
Ｎｂは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は０．００５％で発現する。しかし、過度に添加すると、マルテンサイト相を不安定にし、硬さが低下するため、０．０５０％を上限とする。
Ｎｂは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素である。その効果は０．００５％で発現する。しかし、過度に添加すると、マルテンサイト相を不安定にし、硬さが低下するため、０．０５０％を上限とする。
Ｓｎ：０．０１％以上０．１０％
Ｓｎは焼入れ後の耐食性向上に有効な元素であり、０．０１％以上が好ましく、必要に応じて０．０５％以上添加することが好ましい。但し、過度な添加は熱延時の耳割れを促進するため０．１０％以下にすることが好ましい。
Ｓｎは焼入れ後の耐食性向上に有効な元素であり、０．０１％以上が好ましく、必要に応じて０．０５％以上添加することが好ましい。但し、過度な添加は熱延時の耳割れを促進するため０．１０％以下にすることが好ましい。
Ｂｉ：０．０１％～０．２０％
Ｂｉは、耐食性を向上させる元素である。その機構については明確になっていないが、発銹起点となり易いＭｎＳをＢｉ添加により微細化する効果あるため、発銹起点となる確率を低下させると考えている。０．０１％以上の添加で効果を発揮する。０．２０％超添加しても効果は飽和するだけなので、上限を０．２０％とする。
Ｂｉは、耐食性を向上させる元素である。その機構については明確になっていないが、発銹起点となり易いＭｎＳをＢｉ添加により微細化する効果あるため、発銹起点となる確率を低下させると考えている。０．０１％以上の添加で効果を発揮する。０．２０％超添加しても効果は飽和するだけなので、上限を０．２０％とする。
＜鋼板および鋼部材のδフェライト相比率＞
本発明者らは鋼板の板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）が鋼板の端面耐食性に大きく影響することを見出した。鋼板を冷却速度の遅い空冷程度で焼き入れた場合、δＦｅと母相（γ相）との粒界が冷却中のＣｒ炭化物の析出サイトとなり、析出したＣｒ炭化物近傍の鋭敏化を引き起こし、端面耐食性を低下させると考えている。また、Ｎが端面耐食性を向上させる理由として、Ｃｒ炭化物の析出を抑制する効果もあると推定している。
したがって、本発明ではＮ含有とともに、鋼中のδＦｅの抑制が有効である。
本発明者らは鋼板の板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）が鋼板の端面耐食性に大きく影響することを見出した。鋼板を冷却速度の遅い空冷程度で焼き入れた場合、δＦｅと母相（γ相）との粒界が冷却中のＣｒ炭化物の析出サイトとなり、析出したＣｒ炭化物近傍の鋭敏化を引き起こし、端面耐食性を低下させると考えている。また、Ｎが端面耐食性を向上させる理由として、Ｃｒ炭化物の析出を抑制する効果もあると推定している。
したがって、本発明ではＮ含有とともに、鋼中のδＦｅの抑制が有効である。
本発明の鋼板は、焼き入れ前の鋼板である。焼き入れ前の鋼板に存在するδＦｅを測定できれば良いが、周辺もすべてフェライト相であり、測定は困難である。その代わりに焼き入れ・焼き戻し後の鋼板に存在するδＦｅは周辺がマルテンサイト相であるため、比較的測定しやすいため、本発明の鋼板（焼き入れ前）について、焼き入れ・焼き戻し処理を行った上でδＦｅ量を評価する。評価のための焼き入れ条件は１０５０℃に加熱して３０分保持した後、空冷する条件とし、焼き戻し条件は１５０℃、３０分とする。焼き入れ温度が低すぎ、時間が短すぎるとフェライト相が残りδＦｅ相と区別できないため好ましくなく、焼き入れ温度が高すぎ、時間が長すぎるとδＦｅ相が変化して初期状態と異なるため好ましくない。焼き入れ方法は空冷とする。鋼板について、上記評価条件で焼き入れ・焼き戻しを行った上で、板厚断面でのδＦｅ層の存在面積率（δＦｅ量）で評価する。
本発明の鋼板及び鋼部材は、前述のとおりＮ含有量を十分に高いレベルとはしていない。そのため、Ｎ含有量がより高い場合に比較し、δＦｅをより減少させる必要がある。本発明のＮ量であれば、δＦｅ量を０．１％未満とすると良好な端面耐食性が得られる。δＦｅ量を低減させるほど耐食性が向上するが、後述のようにより長時間の熱処理が必要となるため、０．０５％以上０．１％未満が望ましい。
＜鋼板の製造方法＞
本発明の鋼板の製造方法は、常法が使用される。溶解・鋳造により、成分が調整されたスラブを得、それを熱間圧延したのち、箱焼鈍を行い、ショット、酸洗して製品とする。
ただし、δＦｅ量を０．１％未満に制御するために、スラブの予備加熱を行う。これによりδＦｅの生成量をこれまでより低減でき、良好な端面耐食性をえることができる。この時の加熱条件は、１１００～１１５０℃で、均熱時間５０時間超１００時間以下とすることが良い。加熱温度が１１５０℃超であると、二相（γ＋δ）が安定となり、δＦｅ量が急増し好ましくない。また、急増したδＦｅはこの後工程でも多量に残存するため硬さも低下させる要因となる。一方、１１００℃未満であると、長時間加熱してもδＦｅが減少せず、好ましくない。δＦｅ量は１１５０℃超の場合よりも少ないため、後工程次第で硬さを維持できる場合もある。また、５０時間以下ではδＦｅが多くなりすぎて好ましくなく、１００時間超では高コストなり好ましくない。
この予備加熱は熱間圧延前のスラブ加熱として行い、そのまま熱間圧延しても良い。
本発明の鋼板の製造方法は、常法が使用される。溶解・鋳造により、成分が調整されたスラブを得、それを熱間圧延したのち、箱焼鈍を行い、ショット、酸洗して製品とする。
ただし、δＦｅ量を０．１％未満に制御するために、スラブの予備加熱を行う。これによりδＦｅの生成量をこれまでより低減でき、良好な端面耐食性をえることができる。この時の加熱条件は、１１００～１１５０℃で、均熱時間５０時間超１００時間以下とすることが良い。加熱温度が１１５０℃超であると、二相（γ＋δ）が安定となり、δＦｅ量が急増し好ましくない。また、急増したδＦｅはこの後工程でも多量に残存するため硬さも低下させる要因となる。一方、１１００℃未満であると、長時間加熱してもδＦｅが減少せず、好ましくない。δＦｅ量は１１５０℃超の場合よりも少ないため、後工程次第で硬さを維持できる場合もある。また、５０時間以下ではδＦｅが多くなりすぎて好ましくなく、１００時間超では高コストなり好ましくない。
この予備加熱は熱間圧延前のスラブ加熱として行い、そのまま熱間圧延しても良い。
＜鋼部材の製造方法＞
本発明では、得られた鋼板を打ち抜き、焼き入れ、焼き戻しを行い、研磨して鋼部材を作成する。打ち抜き後焼き入れ前に、鍛造を行い、形を整えることを行うこともある。なお、焼き入れ、焼き戻しの条件として以下が好ましい。焼き入れ温度は１０００～１１５０℃が好ましい。１０００℃未満であると、高温時にオーステナイト相が少なく、焼き入れ後の硬さが低くなるため好ましくなく、１１５０℃超であると、δ相や安定オーステナイト相が増加し、この場合も硬さが低下するため好ましくない。また、焼き入れ時の保持時間は、１分～１時間が好ましい。１分未満であると、高温時にオーステナイト相が少なく、焼き入れ後の硬さが低くなるため好ましくなく、１時間超であると、安定オーステナイト相が増加し、この場合も硬さが低下するため好ましくない。焼き入れ時の冷却速度は、焼き入れ温度から６００℃までの平均冷却速度で、１℃／ｓｅｃ以上が好ましい。これ未満であると、硬さが低下するため好ましくない。焼き戻しは、１００℃～２５０℃が好ましい。１００℃未満では焼き戻しの効果が乏しく、２５０℃を超えると、硬さ低下が大きくなりすぎるため、好ましくない。
本発明では、得られた鋼板を打ち抜き、焼き入れ、焼き戻しを行い、研磨して鋼部材を作成する。打ち抜き後焼き入れ前に、鍛造を行い、形を整えることを行うこともある。なお、焼き入れ、焼き戻しの条件として以下が好ましい。焼き入れ温度は１０００～１１５０℃が好ましい。１０００℃未満であると、高温時にオーステナイト相が少なく、焼き入れ後の硬さが低くなるため好ましくなく、１１５０℃超であると、δ相や安定オーステナイト相が増加し、この場合も硬さが低下するため好ましくない。また、焼き入れ時の保持時間は、１分～１時間が好ましい。１分未満であると、高温時にオーステナイト相が少なく、焼き入れ後の硬さが低くなるため好ましくなく、１時間超であると、安定オーステナイト相が増加し、この場合も硬さが低下するため好ましくない。焼き入れ時の冷却速度は、焼き入れ温度から６００℃までの平均冷却速度で、１℃／ｓｅｃ以上が好ましい。これ未満であると、硬さが低下するため好ましくない。焼き戻しは、１００℃～２５０℃が好ましい。１００℃未満では焼き戻しの効果が乏しく、２５０℃を超えると、硬さ低下が大きくなりすぎるため、好ましくない。
＜鋼板及び鋼部材の鋼組織＞
上述のとおり、本発明の鋼板は、熱間圧延したのち、箱焼鈍を行い、ショット、酸洗して製品とする。さらに、得られた鋼板について、鋼板を打ち抜き、焼き入れ、焼き戻しを行い、研磨して、本発明の鋼部材を作成する。即ち、本発明の鋼板は、焼き入れ前であって、鋼板の鋼組織はフェライト等を主体とした結晶組織を有している。一方、鋼板について加工を行った後に焼き入れ、焼き戻しを行った本発明の鋼部材は、その鋼組織がマルテンサイトを主体とした組織となる。このような性質を有する鋼については、焼き入れ熱処理前の鋼板（鋼組織はフェライトを主体とする）であっても、一般に「マルテンサイト系ステンレス鋼板」と呼ばれている。そのような事情から、本発明について、鋼板に関しても「マルテンサイト系ステンレス鋼板」と記載することとした。
上述のとおり、本発明の鋼板は、熱間圧延したのち、箱焼鈍を行い、ショット、酸洗して製品とする。さらに、得られた鋼板について、鋼板を打ち抜き、焼き入れ、焼き戻しを行い、研磨して、本発明の鋼部材を作成する。即ち、本発明の鋼板は、焼き入れ前であって、鋼板の鋼組織はフェライト等を主体とした結晶組織を有している。一方、鋼板について加工を行った後に焼き入れ、焼き戻しを行った本発明の鋼部材は、その鋼組織がマルテンサイトを主体とした組織となる。このような性質を有する鋼については、焼き入れ熱処理前の鋼板（鋼組織はフェライトを主体とする）であっても、一般に「マルテンサイト系ステンレス鋼板」と呼ばれている。そのような事情から、本発明について、鋼板に関しても「マルテンサイト系ステンレス鋼板」と記載することとした。
以下、実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
本実施例では、まず、表１－１、表１－２に示す成分組成の鋼を溶製して２５０ｍｍ厚のスラブに鋳造した。次に、これらのスラブを予備加熱として１１５０℃、６０時間の熱処理を行い、δＦｅ量を一定範囲とした。ただし、Ａ２鋼に対しては、１１７５℃、６０時間および９５０℃、６０時間の予備加熱を行い、それぞれＡ２’鋼、Ａ２”鋼とした。
その後、１１５０℃に加熱して、熱間圧延を経て板厚３～８ｍｍの熱延鋼板とした。引き続き熱延鋼板の焼鈍を箱焼鈍で行った。最高加熱温度を８００℃以上、９００℃以下の温度域とした。焼鈍後の鋼板表面のスケールをショットブラストで除去し、酸洗した。
＜実施例１＞
得られた鋼板を評価するため、評価用の焼き入れ・焼き戻し処理として１０５０℃に加熱して３０分保持した後、空冷し、１５０℃、３０分の焼き戻しを行って鋼部材とした。その後、δＦｅ量測定、硬さ測定、端面耐食性の各評価を行った。得られた結果を表２に示す。
得られた鋼板を評価するため、評価用の焼き入れ・焼き戻し処理として１０５０℃に加熱して３０分保持した後、空冷し、１５０℃、３０分の焼き戻しを行って鋼部材とした。その後、δＦｅ量測定、硬さ測定、端面耐食性の各評価を行った。得られた結果を表２に示す。
δＦｅ量は、鋼部材端面を鏡面研磨、エッチングを行い、組織を現出させて、測定した。エッチング液は、王水等でもδＦｅ現出可能であるが、非特許文献１に記載されている改良村上試薬と呼ばれる試薬を用いるとδＦｅが茶色に濃くエッチングされるので好ましく、これを用いて評価した。図１に代表例を示す。
改良村上試薬で現出させた組織を検鏡し、一定幅（本実施例では２ｍｍ）の全厚からδＦｅの写真を撮影し、その画像解析からδＦｅ面積を求め、それから面積率（δＦｅ面積（ｍｍ２）／２ｍｍ×全厚（ｍｍ）×１００（％））を算出してδＦｅ量とした。本発明の成分の鋼部材が優れた耐食性を示すには、その値が、０．１％未満であることが必要である。さらに、好ましくは、０．０５％以上０．１％未満である。δＦｅ面積率（δＦｅ量）：０．１％未満を合格（○）とし、それ以上を不合格（×）とした。
鋼部材の硬度は、表面を＃８０研磨仕上げした後、表面硬度（焼入れ硬度）をＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠してロックウエル硬度計Ｃスケールで評価し、５０以上を合格（○）、それ以外を不合格（×）とした。
端面耐食性の評価は、鋼部材表面および端面を＃６００研磨仕上げした後、端面を評価面として上面にして、塩水噴霧試験を２４時間（ＪＩＳ Ｚ ２３７１「塩水噴霧試験方法」）行い、発銹点を数えた。２点以下を合格（○）とし、それを超えた場合を不合格（×）とした。特に発銹点がゼロであったものは、合格（◎）とした。なお、２４時間以上塩水噴霧試験を行っても、それ以上錆が進展することは少ないため、２４時間の結果をもって、端面耐食性を判断した。
本発明の鋼板に規定の焼き入れ・焼き戻しを施した試料（本発明の鋼部材に相当）は、いずれも端面耐食性に優れているだけでなく、他の特性も優れており、洋食器ナイフ用鋼板として好ましい。これに対し、比較鋼では、端面耐食性が劣位か、その他の特性が劣位であり、洋食器ナイフ用鋼板として好ましくないことが明らかである。
＜実施例２＞
得られた鋼板を用いて、表３に示す条件で焼き入れ焼き戻しを行い、鋼部材とした。焼き入れは１０５０～１１５０℃で加熱し、その後焼き入れ温度から６００℃までの冷却速度を制御して冷却した。さらに、１５０～２５０℃で１～２ｈの焼き戻し処理を実施して、鋼部材とした。また、Ａ２’鋼、Ａ２”鋼も同様に処理した。
得られた鋼板を用いて、表３に示す条件で焼き入れ焼き戻しを行い、鋼部材とした。焼き入れは１０５０～１１５０℃で加熱し、その後焼き入れ温度から６００℃までの冷却速度を制御して冷却した。さらに、１５０～２５０℃で１～２ｈの焼き戻し処理を実施して、鋼部材とした。また、Ａ２’鋼、Ａ２”鋼も同様に処理した。
得られた鋼部材のδＦｅ量測定、硬さ測定、端面耐食性評価を熱処理条件とともに表３に示す。尚、評価方法および評価基準は実施例１と同一とした。
本発明の鋼部材はいずれも端面耐食性に優れているだけでなく、他の特性も優れており、洋食器ナイフ用鋼部材として好ましい。これに対し、比較鋼では、端面耐食性が劣位か、その他の特性が劣位であり、洋食器ナイフ用鋼部材として好ましくないことが明らかである。
本発明によれば、空冷焼き入れ後の端面耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材及びその素材となるマルテンサイト系ステンレス鋼板を生産性良く製造することが可能となり、それを用いて製造した洋食器ナイフの耐食性が向上し、産業上、非常に有用である。
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１７％、
Ｓｉ：０．２５～０．６０％、
Ｍｎ：０．１０～０．６０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｃｒ：１１．０～１５．０％、
Ｎｉ：０．０５～０．６０％、
Ｃｕ：０．００６～０．５０％、
Ｖ：０．０１０～０．１０％、
Ａｌ：０．０５％以下
Ｎ：０．０４～０．０６％未満
Ｃ＋１／２Ｎ：０．１３～０．１９％
であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼組成を有し、
下記式（１）で示されるγｐが１２０以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼板において、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼板を１０５０℃で３０分保持後空冷焼き入れし、１５０℃、３０分の焼き戻しを行ったとき、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満となることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ＝４２０Ｃ＋４７０Ｎ＋３０Ｎｉ＋７Ｍｎ＋９Ｃｕ＋１１．５Ｃｒ＋１１．５Ｓｉ－１２Ｍｏ－２３Ｖ－４７Ｎｂ－５２Ａｌ＋１８９ ・・・ 式（１）
式（１）中の元素記号は、当該元素の含有量（質量％）を意味する。 - 前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｍｏ：０．０１～１．０％、
Ｔｉ：０．００５～０．０５０％、
Ｎｂ：０．００５～０．０５０％
の１種または２種以上を含有す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板。 - 前記鋼組成が、さらに前記Ｆｅの一部に替えて、質量％で、
Ｓｎ：０．０１～０．１０％、
Ｂｉ：０．０１～０．２０％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼板。 - 請求項１～請求項３の何れか１項に記載の鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼部材において、
前記式（１）で示されるγｐが１２０以上であり、
さらに、板厚中央部に存在するδフェライト（δＦｅ）の板厚断面における面積率が０．１％未満であることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼部材。
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