JP2023061553A - マルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工温度から冷却しマルテンサイト組織とした後に焼戻し処理により硬さを調整する一連の工程を効率良くなし得るマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法の提供。【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．３～１．２％、Ｃｒ：１０．０～１８．０％を少なくとも含むマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法である。Ａｃ１点を超えＡｃ１点＋１５０℃以下の温度範囲にある加工温度で熱間加工する熱間加工工程と、Ｍｓ点以下且つＭｆ点＋５０℃以下の温度まで冷却しマルテンサイトを形成させる冷却工程と、Ａｃ１点－３００℃～Ａｃ１点＋５０℃の範囲の保持温度にて所定時間保持した後に空冷する焼戻し工程と、を連続して行い、４００ＨＶ以下の硬さのカーバイドを含むマルテンサイト＋フェライトの金属組織にすることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、加工温度から冷却してマルテンサイト組織とした後に熱処理にて硬さを調整したマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法に関する。

マルテンサイト系ステンレス鋼は優れた機械強度を有する鋼材料ではあるが、冷却後のマルテンサイト組織のままでは非常に硬く、機械加工が難しい。そこで、炭素を炭化物として均一に分散させておく球状化焼きなましを行って軟質化させた後に機械加工を行うことも考慮されるが、熱処理コストが掛かる。

例えば、特許文献１では、Ｃを０．４％、Ｃｒを１１～１４％で含むマルテンサイト系ステンレス鋼において、再結晶温度以下である未再結晶オーステナイト域で加工歪みを与えておくことで、この加工歪みがオーステナイトからカーバイドを含むフェライトへの変態を促進させること（制御熱延）を利用し、硬さを調整するマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を開示している。スラブの熱間圧延終始温度を９００℃以下となるように制御熱延を行って、８００℃以上で焼きなましを施し、５０℃／時間以下で徐冷することで、工程を簡略化し省エネルギー的に有利で熱処理能率を向上できるとしている。

また、特許文献２では、ＪＩＳに規定されるＳＵＳ４１０Ｊ１やＳＵＳ４２０Ｊ２のようなマルテンサイト系ステンレス鋼において、従来、約９３０℃に加熱又は熱間圧延した後、約２４時間かけて約１５０℃まで徐冷し、その後８４０～８７０℃に加熱して５～８時間保持し、約３０℃／時間で約６００℃まで炉冷した後、空冷し所定の硬さを得るとして約４８時間以上の長時間の工程を要していたところ、これを約半分の２４時間程度の工程とする製造方法を開示している。詳細には、熱間鍛造又は熱間圧延後の９００～１０００℃から、Ｍ_ｓ～Ｍ_ｆ点の温度域まで空冷又は衝風冷却してマルテンサイト変態させた後に、Ａｃ_１点直下の７００～７７０℃の温度に再加熱して３～１０時間保持してから空冷するとしている。つまり、従来法と比べて、最初の冷却時にＭ_ｓ点以上のより高い温度域を冷却の終了点にしつつベーナイト変態又はパーライト変態させることなくマルテンサイト変態させる一方、Ａｃ_１点以下のより低い温度に再加熱している。

特開昭５９－１５３８３２号公報 特開平８－３１１５３６号公報

熱間加工により導入された加工歪みによる再結晶化を利用した制御熱延によって、効率的に所定の硬さのマルテンサイト系ステンレス鋼を得られるが、より一層の工程の効率化が望まれるところである。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、加工温度から冷却しマルテンサイト組織とした後に焼戻し処理により硬さを調整する一連の工程を効率良くなし得るマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法を提供することにある。

本発明による製造方法は、質量％で、Ｃ：０．３～１．２％、Ｃｒ：１０．０～１８．０％を少なくとも含むマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法であって、Ａｃ_１点を超えＡｃ_１点＋１５０℃以下の温度範囲にある加工温度で熱間加工する熱間加工工程と、Ｍ_ｓ点以下且つＭ_ｆ点＋５０℃以下の温度まで冷却しマルテンサイトを形成させる冷却工程と、Ａ_ｃ１点－３００℃～Ａ_ｃ１点＋５０℃の範囲の保持温度にて所定時間保持、その後、冷却する焼戻し工程と、を連続して行い、４００ＨＶ以下の硬さのカーバイドを含むマルテンサイト＋フェライトの金属組織にすることを特徴とする。

かかる特徴によれば、熱間加工による残留ひずみを利用し、マルテンサイトの形成後、連続して短時間の熱処理でカーバイドを含むマルテンサイト＋フェライトの金属組織を与えて所定の硬さに調整し得るのである。

本発明によるマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法を示す熱処理線図である。 模擬試験に使用した鋼の成分組成の表である。 模擬試験において得られた模擬材の断面組織写真である。

本発明による１つの実施例としてのマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法について、図１を用いて説明する。

対象とするマルテンサイト系ステンレス鋼素材は、質量％で、Ｃ：０．３～１．２％、Ｃｒ：１０．０～１８．０％を少なくとも含むマルテンサイト系ステンレス鋼からなる線材であるが、後述する熱処理を円滑にできる限りにおいて、製品形状は特に限定されない。また、成分組成も特に限定しないが、典型的には、質量％で、Ｃ：０．３～１．２％、Ｓｉ：０．１～０．５％、Ｍｎ：０．２～０．５％、Ｃｒ：１１．０～１７．０％、Ｃｕ：０～０．７％、残部をＦｅ及び不可避的不純物とする成分組成である。かかる成分組成において、更に、質量％で、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：０．７％以下でいずれかの一方又は双方を含むものとしてもよい。

図１に示すように、上記した成分組成を有する鋼塊を予加熱温度Ｔ１にて加熱保持する（Ｓ１：均質処理工程）。かかる工程は、後述するように、オーステナイト温度域で行われる熱間加工工程Ｓ２に先立って鋼材を予加熱しておくとともに、必要に応じて、冷却工程Ｓ３でのマルテンサイトの形成量を制御するものである。

つまり、熱間加工は鋼材を加工装置に搬送してから行われるので、予加熱温度Ｔ１は熱間加工工程Ｓ２で目標とする加工温度Ｔ２よりも高い温度に設定される。また、鋼材の炭素量が比較的多い場合など、炭化物の少なくとも一部を未固溶のまま残しておくよう、予加熱温度Ｔ１を設定される。これにより、オーステナイト母相に固溶する炭素量を調整でき、後の冷却工程Ｓ３で形成されるマルテンサイト量の調整を図ることができるのである。

次いで、未再結晶オーステナイト温度域にある加工温度Ｔ２で鋼材の熱間加工を行う（Ｓ２：熱間加工工程）。つまり、加工温度Ｔ２は、通常の熱間圧延などを行う再結晶オーステナイト温度域よりも比較的低温であるＡｃ_１点を超えＡｃ_１点＋１５０℃以下の温度範囲である。かかる比較的低温での熱間加工によって、後述する冷却工程Ｓ３の後に鋼材に加工ひずみを多く残留させることができる。かかる残留ひずみにより、マルテンサイトの焼戻し処理において、いわゆる加工誘起を生じさせて、ＣＣＴ線図上のパーライトノーズを短時間側に移動させ、パーライト変態を促進させ得る。なお、本実施例におけるカーバイドは、フェライト＋パーライト組織におけるセメンタイトのほか、焼戻し工程で析出する炭化物や、未固溶炭化物等が含まれる。つまり、上記したパーライト変態を促進させることに例示されるように、カーバイドの量を調整することで、焼き戻し処理以後におけるマルテンサイトの量を調整し得るのである。

なお、熱間加工工程Ｓ２における加工温度Ｔ２をＡｃ_１点～Ａｃ_１点＋１５０℃以下の温度範囲とするため、均質処理工程Ｓ１における予加熱温度Ｔ１は、加工装置への搬送時の冷却などを考慮して、少なくとも加工温度Ｔ２よりも高い温度、例えば、Ａｃ_１点＋２００℃とすることができる。

次いで、Ｍ_ｓ点以下且つＭ_ｆ点＋５０℃以下の冷却温度Ｔ３まで冷却しマルテンサイトを形成させる（Ｓ３：冷却工程）。ここでは、焼入れを行うが、冷却時の最低温度である冷却温度Ｔ３は、Ｍ_ｓ点以下又はＭ_ｆ点＋５０℃のいずれか低い温度以下である。これによって、熱間加工工程Ｓ２においてオーステナイトとして残った部分をマルテンサイト変態させる。なお、完全にマルテンサイト組織とする必要はなく、他の組織との混合組織であってもよい。つまり、上記したようにカーバイドを生成させてもよい。また、冷却速度に制限は特になく、カーバイドの生成が起こらないように急冷してもよいし、カーバイドを生成させるような冷却速度であってもよい。冷却工程においてもカーバイドを生成させるようにすることで、後述の焼戻し工程Ｓ４の処理時間を短縮することも可能である。冷却方法としては、空冷や衝風冷却等の公知の方法を適用することができる。また、後述する焼戻し処理を効率的に連続して行うには、冷却温度Ｔ３は室温よりも高い温度であって、例えば５０℃以上である。特に、個別に製造条件を調整する大型の鋼塊と比較し、線材では連続して加工および熱処理を行うことが望まれることも多く、連続した焼戻し処理を行うことで製造効率の向上を図ることができて好ましい。

続いて、冷却工程Ｓ３に連続してインラインにて焼戻し処理を行う（Ｓ４：焼戻し工程）。ここでは、再加熱してＡｃ_１点－３００℃～Ａｃ_１点＋５０℃の範囲内の保持温度Ｔ４に加熱して保持し、その後、冷却する。冷却方法としては、空冷や衝風冷却等の公知の方法を適用することができる。昇温中や保持中、又は保持後の冷却においてカーバイドを含むマルテンサイト及びフェライト組織を生成させるように保持温度Ｔ４と保持時間を調整する。ここで、上記したようにＣＣＴ線図上のパーライトノーズは加工誘起によって短時間側に移動することになる。そのため、パーライトのセメンタイトを上記したカーバイドとして生成させる場合においては、比較的短時間でフェライト＋パーライト組織を必要なだけ生成させ得る。このようにして、カーバイドを含むマルテンサイト＋フェライトの金属組織にすることにより、冷却後に４００ＨＶ以下の硬さとし得るのである。例えば、保持温度Ｔ４における保持時間は０．５時間以内と比較的短時間とし得るが、典型的には２０分間とすることができる。なお、マルテンサイト組織は、このように焼き戻しされたものとなる。

より詳細には、保持温度Ｔ４をＡｃ_１点よりも高くした場合、その昇温中あるいは冷却中にパーライトノーズに掛かるよう処理することで、オーステナイトが比較的短時間の冷却でフェライト＋パーライト組織、すなわちカーバイドを含むフェライト組織となるのである。焼戻し工程Ｓ４における保持温度Ｔ４は、焼き戻しの観点からは高温とすることが好ましいが、上記した加工誘起を維持する観点からはオーステナイト単相としないことが好ましい。ここで、処理温度としての保持温度Ｔ４の上限値をＡｃ_１点＋５０℃として定めたが、比較的短時間の保持時間のために鋼材がオーステナイト単相とはならないことを考慮したものである。また、保持温度Ｔ４をＡｃ_１点よりも低くした場合について、パーライトノーズに掛かる温度に保持して炭化物を含むフェライト組織を生成させるようにしてもよい。いずれにしても、上記したように加工誘起によってＣＣＴ線図上でのパーライトノーズを短時間側に移動させたことで、これらの処理を比較的短時間で行うことができる。

その結果、カーバイドを含むマルテンサイト＋フェライト組織からなる混合組織を得て、４００ＨＶ以下の硬さにすることができる。なお、保持温度Ｔ４をＡｃ_１点よりも低くする場合、冷却時にパーライトノーズにかかる温度とすることができるよう、保持温度Ｔ４の下限値をＡｃ_１点－３００℃と定めた。

以上のようにしてマルテンサイト系ステンレス鋼素材を得ることができる。上記した方法によれば、加工温度Ｔ２で熱間加工してから冷却しマルテンサイト変態させつつ、適宜、カーバイドを生成させた後に、連続した焼戻し工程で硬さを４００ＨＶ以下に調整することができるとともに、かかる一連の工程を効率良くなし得る。

なお、焼戻し工程Ｓ４の後において残留オーステナイトを減じることも好ましく、これによってその後の起き割れのリスクを低減することもできる。例えば、保持温度Ｔ４をＡｃ_１点よりも高くする場合においては、昇温中あるいはその後の冷却においてカーバイドを含むフェライト組織を十分に生成させ、焼戻し工程の冷却におけるオーステナイトの残留を抑制する。他方、保持温度Ｔ４をＡｃ_１点よりも低くする場合においても、昇温中や保持中、あるいはその後の冷却においてカーバイドを含むフェライト組織を十分に生成させ、焼戻し工程の冷却におけるオーステナイトの残留を抑制する。例えば、炭化物の一部を未固溶のまま残すように予加熱温度Ｔ１を調整し、オーステナイト母相に固溶する炭素量を抑制する。併せて、マルテンサイト変態を十分に進め、残留オーステナイトを減じておくようにすることも考慮できる。

上記したマルテンサイト系ステンレス鋼素材としては、典型的には線材を巻き取ったコイルとし得る。この場合、熱間加工工程Ｓ２は、線材に熱間加工する線引き（圧延）工程と、コイルになるように巻き取る巻取工程とを含み、冷却工程Ｓ３及び焼戻し工程Ｓ４は、ともにコイルを処理する工程となる。

［模擬試験］
次に、上記した方法によってマルテンサイト系ステンレス鋼素材を模擬して試験片を製造した結果について図２及び図３を用いて説明する。

まず、図２に示すようなＳＵＳ４２０Ｊ２（商品名）と同等の成分組成を有する鋼を用意し、直径１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの試験片を作製した。かかる試験片について、予加熱温度Ｔ１を１１００℃として６０秒間保持した後、加工温度Ｔ２を９００℃として２００トンプレスを用いて歪み速度０．１ｓ^－１で圧下率７０％まで均一に圧縮加工した。その後、１２．８℃／ｓの冷却速度で１００℃の冷却温度Ｔ３まで冷却し、連続して焼戻しの保持温度Ｔ４である７００℃まで加熱した。加熱後４分間又は８分間の保持を行い、空冷を模擬して１００℃までを１．２℃／ｓの冷却速度に制御して冷却した。なお、用いた鋼の成分組成から金属物性値計算ソフトウェア「ＪＭａｔＰｒｏ」（商品名）を用いて算出したところ、Ｍ_ｓ点＝２４８℃、Ｍ_ｆ点＝１２２℃であった。

図３に示すように、焼戻し温度Ｔ４での保持時間を（ａ）４分間とした場合、（ｂ）８分間とした場合、ともにカーバイドを含むマルテンサイト組織及びフェライト組織の混合組織が得られ、それぞれ硬さは（ａ）３８３ＨＶ、（ｂ）３７１ＨＶであった。つまり、硬さ４００ＨＶ以下のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の模擬材を得ることができた。

以上、本発明の代表的な実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

Ｓ１ 予加熱工程
Ｓ２ 熱間加工工程
Ｓ３ 冷却工程
Ｓ４ 焼戻し工程
Ｔ１ 予加熱温度
Ｔ２ 加工温度
Ｔ３ 冷却温度
Ｔ４ 保持温度

Claims (7)

1. 質量％で、Ｃ：０．３～１．２％、Ｃｒ：１０．０～１８．０％を少なくとも含むマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法であって、
   Ａｃ_１点を超えＡｃ_１点＋１５０℃以下の温度範囲にある加工温度で熱間加工する熱間加工工程と、
   Ｍ_ｓ点以下且つＭ_ｆ点＋５０℃以下の温度まで冷却しマルテンサイトを形成させる冷却工程と、
   Ａｃ_１点－３００℃～Ａｃ_１点＋５０℃の範囲内の保持温度にて所定時間保持した後に冷却する焼戻し工程と、を連続して行い、
   ４００ＨＶ以下の硬さのカーバイドを含むマルテンサイト＋フェライトの金属組織にすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
2. 前記金属組織はパーライトを含むことを特徴とする請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
3. 前記熱間加工工程に先立って、前記加工温度よりも高い温度に予加熱する均質処理工程を含み、前記冷却工程後の未固溶炭化物量の調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
4. 前記熱間加工工程は線材に熱間加工する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
5. 前記熱間加工工程は前記線材をコイルに巻き取る巻き取り工程を含み、前記冷却工程及び前記焼戻し工程は前記コイルを処理する工程であることを特徴とする請求項４記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
6. 質量％で、
   Ｃ： ０．３～１．２％、
   Ｓｉ： ０．１～０．５％、
   Ｍｎ： ０．２～０．５％、
   Ｃｒ：１１．０～１７．０％、
   Ｃｕ：０～０．７％、残部をＦｅ及び不可避的不純物とする成分組成を有することを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
7. 前記成分組成は、更に、Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：０．７％以下でいずれかの一方又は双方を含むことを特徴とする請求項６記載のマルテンサイト系ステンレス鋼素材の製造方法。
   
   

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