JP2024008729A - Martensitic stainless steel for nitrogen-enriching treatment and martensitic stainless steel member - Google Patents

Martensitic stainless steel for nitrogen-enriching treatment and martensitic stainless steel member Download PDF

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Abstract

To provide a martensitic stainless steel for nitrogen-enriching treatment that has excellent hot workability and excellent cold workability, and a martensitic stainless steel member.SOLUTION: The present invention relates to a martensitic stainless steel for nitrogen-enriching treatment, comprising 0.10≤C≤0.30 mass%, Si≤0.20 mass%, 0.20≤Mn≤1.50 mass%, P≤0.05 mass%, S≤0.01 mass%, Cu≤0.3 mass%, 10.5≤Cr≤17.0 mass%, 0.50≤Ni≤3.00 mass%, 0.50≤Mo≤3.00 mass%, and 0.1≤Nb≤0.5 mass%, with the balance being Fe and inevitable impurities, satisfying 1.00≤[Ni]*[Mo]≤9.00 and [Nieq]/[Creq]≥1.00, and having a ferrite phase area ratio of 50% or more. A martensitic stainless steel member comprises a base part composed of the martensitic stainless steel and a nitrogen enriched layer formed on the surface of the base part.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼及びマルテンサイト系ステンレス鋼部材に関し、さらに詳しくは、熱間加工性、冷間加工性、及び、疲労特性に優れた窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼、及び、これを用いたマルテンサイト系ステンレス鋼部材に関する。 The present invention relates to a martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment and a martensitic stainless steel member, and more specifically to a martensite stainless steel for nitrogen enrichment treatment that has excellent hot workability, cold workability, and fatigue properties. This invention relates to site-based stainless steel and martensitic stainless steel members using the same.

マルテンサイト系ステンレス鋼とは、常温においてマルテンサイト組織を有するステンレス鋼をいう。マルテンサイト系ステンレス鋼は、オーステナイト領域から焼入れ及び焼戻しを行うことにより製造される。マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐食性、強度、耐摩耗性等に優れていることから、刃物、タービンブレード、軸受などに用いられている。 Martensitic stainless steel refers to stainless steel that has a martensitic structure at room temperature. Martensitic stainless steel is manufactured by quenching and tempering the austenitic region. Martensitic stainless steel has excellent corrosion resistance, strength, wear resistance, etc., and is therefore used in cutlery, turbine blades, bearings, etc.

このようなマルテンサイト系ステンレス鋼に対し、さらに窒素を固溶させると、耐食性、硬度、耐摩耗性などがさらに向上することが知られている。しかしながら、溶鋼中に窒素を固溶させる方法を用いた場合、インゴット中にブローホールが発生する場合がある。そのため、低窒素のマルテンサイト系ステンレス鋼からなる基材を作製した後、基材の表層部にのみ窒素を固溶させ、基材の表層部に、基材よりも窒素濃度が高い層(以下、「窒素富化層」ともいう)を形成する方法が提案されている。低窒素の基材の表層部に窒素富化層を形成すると、ブローホールを生じさせることなく、基材の耐食性や耐摩耗性を向上させることができる。 It is known that when nitrogen is added as a solid solution to such martensitic stainless steel, corrosion resistance, hardness, wear resistance, etc. are further improved. However, when a method of dissolving nitrogen in molten steel is used, blowholes may occur in the ingot. Therefore, after producing a base material made of low-nitrogen martensitic stainless steel, nitrogen is dissolved only in the surface layer of the base material, and a layer (hereinafter referred to as , also called a "nitrogen-enriched layer") has been proposed. By forming a nitrogen-enriched layer on the surface layer of a low-nitrogen base material, the corrosion resistance and abrasion resistance of the base material can be improved without causing blowholes.

このような窒素富化層の形成方法に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(a)所定量のMo、V、及び、Alを含むマルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼線に対して、焼入れ及び焼戻しを行い、
(b)鋼線に対して、さらにガス窒化処理する
マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、耐遅れ破壊性と耐疲労性に優れた太物のばね材が得られる点が記載されている。
Various proposals have been made regarding methods for forming such a nitrogen-enriched layer.
For example, in Patent Document 1,
(a) Quenching and tempering a steel wire made of martensitic stainless steel containing predetermined amounts of Mo, V, and Al;
(b) A method for manufacturing martensitic stainless steel is disclosed in which the steel wire is further subjected to gas nitriding treatment.
This document describes that by such a method, a thick spring material with excellent delayed fracture resistance and fatigue resistance can be obtained.

特許文献2には、
(a)所定量のC、Si、Mn、及びCrを含むマルテンサイト系ステンレス鋼からなる部材(焼鈍材)を作製し、
(b)部材を大気圧の窒素ガス(純度99%)中において加熱し、その後600℃以下まで炉冷し、
(c)さらに、部材に対して焼入れ及び焼戻しを行う
マルテンサイト系ステンレス鋼部材の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により耐食性および耐摩耗性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材が得られる点が記載されている。
In Patent Document 2,
(a) Producing a member (annealed material) made of martensitic stainless steel containing a predetermined amount of C, Si, Mn, and Cr,
(b) heating the member in nitrogen gas (99% purity) at atmospheric pressure, then cooling it in a furnace to 600°C or less,
(c) Furthermore, a method for manufacturing a martensitic stainless steel member is disclosed in which the member is hardened and tempered.
This document describes that a martensitic stainless steel member having excellent corrosion resistance and wear resistance can be obtained by such a method.

特許文献3には、窒素富化層を形成するための方法ではないが、
(a)所定量のC、Si、Mn、S、P、Ni、Cr、Mo、N、及びAlを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼からなる棒鋼を作製し、
(b)棒鋼に対し、所定の条件下で軟化焼鈍を行い、
(c)軟化焼鈍された棒鋼に対して、冷間加工を行い、
(d)冷間加工された部材に対して、焼入れ処理を行って高硬度化し、最終製品とする
マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法が開示されている。
同文献には、
(A)軟化焼鈍後の鋼中に炭窒化物が微細分散していると、微細炭窒化物が転位や結晶粒界の動きをピンニングするために、冷間加工性が低下する点、及び、
(B)高温で軟化焼鈍を行うと、微細な炭窒化物が減少するために、冷間加工性が向上する点、
が記載されている。
Although Patent Document 3 does not describe a method for forming a nitrogen-enriched layer,
(a) Producing a steel bar made of martensitic stainless steel containing predetermined amounts of C, Si, Mn, S, P, Ni, Cr, Mo, N, and Al;
(b) Softening annealing the steel bar under predetermined conditions,
(c) cold working the softened and annealed steel bar,
(d) A method for manufacturing martensitic stainless steel is disclosed in which a cold-worked member is hardened by quenching to produce a final product.
In the same document,
(A) If carbonitrides are finely dispersed in the steel after softening annealing, the fine carbonitrides will pin the movement of dislocations and grain boundaries, resulting in a decrease in cold workability;
(B) Softening annealing at high temperatures reduces fine carbonitrides, improving cold workability;
is listed.

低窒素のマルテンサイト系ステンレス鋼からなる部材の表面に対し、窒素富化層を形成する処理(以下、「窒素富化処理」ともいう)を施すと、耐摩耗性を向上させることができる。しかしながら、処理条件が不適切であると、窒素富化処理時に異常粒成長を起こすことがある。異常粒成長は、部材の疲労特性を低下させる原因となる。
この問題を解決するために、炭窒化物形成元素を添加し、鋼中に炭窒化物を多量に析出させ、炭窒化物により異常粒成長を抑制することも考えられる。しかしながら、炭窒化物の析出量が過剰になると、熱間加工性及び/又は冷間加工性が低下する場合がある。さらに、炭窒化物の析出量が過剰になると、部材の耐食性が低下する場合もある。
Wear resistance can be improved by subjecting the surface of a member made of low-nitrogen martensitic stainless steel to a treatment for forming a nitrogen-enriched layer (hereinafter also referred to as "nitrogen-enrichment treatment"). However, if the treatment conditions are inappropriate, abnormal grain growth may occur during the nitrogen enrichment treatment. Abnormal grain growth causes deterioration of the fatigue properties of the member.
In order to solve this problem, it may be possible to add a carbonitride-forming element to precipitate a large amount of carbonitrides in the steel, and to suppress abnormal grain growth by the carbonitrides. However, when the amount of carbonitride precipitation becomes excessive, hot workability and/or cold workability may deteriorate. Furthermore, when the amount of carbonitride precipitation becomes excessive, the corrosion resistance of the member may deteriorate.

特開2021-143388号公報JP 2021-143388 Publication 特開2019-167630号公報JP2019-167630A 特開2020-050916号公報Japanese Patent Application Publication No. 2020-050916

本発明が解決しようとする課題は、熱間加工性及び冷間加工性に優れた窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼、及び、これを用いたマルテンサイト系ステンレス鋼部材を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、疲労特性に優れた部材を製造することが可能な窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼、及び、これを用いたマルテンサイト系ステンレス鋼部材を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、疲労特性及び耐食性に優れた部材を製造することが可能な窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼、及び、これを用いたマルテンサイト系ステンレス鋼部材を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment that has excellent hot workability and cold workability, and a martensitic stainless steel member using the same. be.
Further, other problems to be solved by the present invention are a martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment that can produce members with excellent fatigue properties, and a martensitic stainless steel member using the same. Our goal is to provide the following.
Furthermore, other problems to be solved by the present invention are a martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment that can produce members with excellent fatigue properties and corrosion resistance, and a martensitic stainless steel using the same. Our objective is to provide steel members.

上記課題を解決するために本発明に係る窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼は、
0.10≦C≦0.30mass%、
Si≦0.20mass%、
0.20≦Mn≦1.50mass%、
P≦0.05mass%、
S≦0.01mass%、
Cu≦0.3mass%、
10.5≦Cr≦17.0mass%、
0.50≦Ni≦3.00mass%、
0.50≦Mo≦3.00mass%、及び、
0.1≦Nb≦0.5mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の式(1)及び式(2)を満たし、
フェライト相の面積率が50%以上である。
In order to solve the above problems, the martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment according to the present invention has the following features:
0.10≦C≦0.30mass%,
Si≦0.20mass%,
0.20≦Mn≦1.50 mass%,
P≦0.05mass%,
S≦0.01mass%,
Cu≦0.3mass%,
10.5≦Cr≦17.0mass%,
0.50≦Ni≦3.00mass%,
0.50≦Mo≦3.00mass%, and
0.1≦Nb≦0.5mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities,
The following formulas (1) and (2) are satisfied,
The area ratio of the ferrite phase is 50% or more.

1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].

本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼部材は、
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる基部と、
前記基部の表面に形成された窒素富化層と
を備え、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、
0.10≦C≦0.30mass%、
Si≦0.20mass%、
0.20≦Mn≦1.50mass%、
P≦0.05mass%、
S≦0.01mass%、
Cu≦0.3mass%、
10.5≦Cr≦17.0mass%、
0.50≦Ni≦3.00mass%、
0.50≦Mo≦3.00mass%、及び、
0.1≦Nb≦0.5mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、次の式(1)及び式(2)を満たし、
前記基部は、フェライト相の面積率が5%以下であり、
前記窒素富化層の厚さは、100μm以上である。
The martensitic stainless steel member according to the present invention includes:
A base made of martensitic stainless steel,
a nitrogen-enriched layer formed on the surface of the base,
The martensitic stainless steel is
0.10≦C≦0.30mass%,
Si≦0.20mass%,
0.20≦Mn≦1.50 mass%,
P≦0.05mass%,
S≦0.01mass%,
Cu≦0.3mass%,
10.5≦Cr≦17.0mass%,
0.50≦Ni≦3.00mass%,
0.50≦Mo≦3.00mass%, and
0.1≦Nb≦0.5mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities,
The martensitic stainless steel satisfies the following formulas (1) and (2),
The base has a ferrite phase area ratio of 5% or less,
The thickness of the nitrogen-enriched layer is 100 μm or more.

1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].

所定の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼において、式(1)を満たすようにNi量及びMo量を最適化すると、窒素富化処理時の結晶粒の粗大化を抑制することができる。その結果、疲労特性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材が得られる。
また、式(2)を満たすように各元素の含有量を最適化すると、焼入れ・焼戻し後の状態では相対的に多量のマルテンサイト相を含むマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。その結果、このマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた部材の疲労特性が向上する。
In martensitic stainless steel having a predetermined composition, if the Ni amount and Mo amount are optimized so as to satisfy formula (1), coarsening of crystal grains during nitrogen enrichment treatment can be suppressed. As a result, a martensitic stainless steel member with excellent fatigue properties is obtained.
Moreover, if the content of each element is optimized so as to satisfy formula (2), a martensitic stainless steel containing a relatively large amount of martensitic phase after quenching and tempering can be obtained. As a result, the fatigue properties of a member using this martensitic stainless steel are improved.

また、所定の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼において、組成(特に、Ni量)を最適化すると、マルテンサイト系ステンレス鋼の冷間加工性が向上する。
また、マルテンサイト系ステンレス鋼に過剰のCu、P、及び/又は、Sが含まれていると、熱間加工性が低下する。これに対し、Cu量、P量、及び、S量を臨界値以下とすると、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱間加工性が向上する。
さらに、窒素富化処理の方法及び/又は処理条件を最適化すると、窒素富化層内における過剰の窒化物の生成が抑制される。その結果、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材が得られる。
Further, in a martensitic stainless steel having a predetermined composition, optimizing the composition (particularly the amount of Ni) improves the cold workability of the martensitic stainless steel.
Furthermore, if martensitic stainless steel contains excessive amounts of Cu, P, and/or S, hot workability decreases. On the other hand, when the amount of Cu, the amount of P, and the amount of S are set to below the critical values, the hot workability of martensitic stainless steel is improved.
Furthermore, by optimizing the nitrogen enrichment treatment method and/or treatment conditions, excessive nitride formation within the nitrogen enrichment layer is suppressed. As a result, a martensitic stainless steel member with excellent corrosion resistance is obtained.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼]
[1.1. 主構成元素]
本発明に係る窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼(以下、単に「マルテンサイト系ステレンス鋼」ともいう)は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment]
[1.1. Main constituent elements]
The martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment (hereinafter also simply referred to as "martensitic stainless steel") according to the present invention contains the following elements, with the remainder consisting of Fe and inevitable impurities. The types of additive elements, their component ranges, and the reasons for their limitations are as follows.

(1)0.10≦C≦0.30mass%:
Cは、マルテンサイト系ステンレス鋼において、強度を上げる作用がある元素である。十分な効果を得るためには、C量は、0.10mass%以上である必要がある。C量は、好ましくは、0.15mass%以上である。
一方、C量が過剰になると、焼入れ時において未固溶Cr炭化物量を増加させ、母相の耐食性を低下させる場合がある。従って、C量は、0.30mass%以下である必要がある。
(1) 0.10≦C≦0.30mass%:
C is an element that increases the strength of martensitic stainless steel. In order to obtain a sufficient effect, the amount of C needs to be 0.10 mass% or more. The amount of C is preferably 0.15 mass% or more.
On the other hand, when the amount of C becomes excessive, the amount of undissolved Cr carbide increases during quenching, which may reduce the corrosion resistance of the matrix. Therefore, the amount of C needs to be 0.30 mass% or less.

(2)Si≦0.20mass%:
Siは、脱酸元素として有効な元素である。しかしながら、Si量が過剰になると、延性や靱性を損なう場合がある。従って、Si量は、0.20mass%以下である必要がある。Si量は、好ましくは、0.15mass%以下である。
(2) Si≦0.20mass%:
Si is an effective element as a deoxidizing element. However, when the amount of Si becomes excessive, ductility and toughness may be impaired. Therefore, the amount of Si needs to be 0.20 mass% or less. The amount of Si is preferably 0.15 mass% or less.

(3)0.20≦Mn≦1.50mass%:
Mnは、脱酸元素である。また、Mnは、窒素富化処理(特に、固相窒素吸収処理)時において窒素の固溶限を上昇させる元素でもある。十分な効果を得るためには、Mn量は、0.20mass%以上である必要がある。Mn量は、好ましくは、0.40mass%以上である。
一方、Mn量が過剰になると、耐食性を損なう場合がある。従って、Mn量は、1.50mass%以下である必要がある。Mn量は、好ましくは、1.20mass%以下である。
(3) 0.20≦Mn≦1.50mass%:
Mn is a deoxidizing element. Mn is also an element that increases the solid solubility limit of nitrogen during nitrogen enrichment treatment (particularly solid phase nitrogen absorption treatment). In order to obtain a sufficient effect, the amount of Mn needs to be 0.20 mass% or more. The amount of Mn is preferably 0.40 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Mn becomes excessive, corrosion resistance may be impaired. Therefore, the amount of Mn needs to be 1.50 mass% or less. The amount of Mn is preferably 1.20 mass% or less.

(4)P≦0.05mass%:
Pは、不可避的不純物である。P量が過剰になると、粒界が脆化し、熱間加工性が低下する場合がある。従って、P量は、0.05%以下である必要がある。
(4) P≦0.05mass%:
P is an unavoidable impurity. When the amount of P becomes excessive, grain boundaries may become brittle and hot workability may deteriorate. Therefore, the amount of P needs to be 0.05% or less.

(5)S≦0.01mass%:
Sは、不可避的不純物である。S量が過剰になると、硫化物を形成し、熱間加工性及び/又は耐食性が低下する場合がある。従って、S量は、0.01mass%以下である必要がある。
(5) S≦0.01mass%:
S is an unavoidable impurity. If the amount of S is excessive, sulfides may be formed and hot workability and/or corrosion resistance may deteriorate. Therefore, the amount of S needs to be 0.01 mass% or less.

(6)Cu≦0.3mass%:
Cuは、不可避的不純物である。Cu量が過剰になると、鋼中に未固溶のCuが析出する場合がある。未固溶のCuは、熱間加工時に溶融し、熱間加工性を低下させる原因となる。従って、Cu量は、0.3mass%以下である必要がある。Cu量は、好ましくは、0.2mass%以下である。
(6) Cu≦0.3mass%:
Cu is an unavoidable impurity. When the amount of Cu becomes excessive, undissolved Cu may precipitate in the steel. Undissolved Cu melts during hot working, causing a reduction in hot workability. Therefore, the amount of Cu needs to be 0.3 mass% or less. The amount of Cu is preferably 0.2 mass% or less.

(7)10.5≦Cr≦17.0mass%:
Crは、耐食性を向上させる作用がある元素である。十分な効果を得るためには、Cr量は、10.5mass%以上である必要がある。Cr量は、好ましくは、12.0mass%以上である。
一方、Cr量が過剰になると、焼入れ焼戻し後において多量のフェライト相が生成し、強度が低下する場合がある。従って、Cr量は、17.0mass%以下である必要がある。Cr量は、好ましくは、16.0mass%以下である。
(7) 10.5≦Cr≦17.0mass%:
Cr is an element that has the effect of improving corrosion resistance. In order to obtain a sufficient effect, the amount of Cr needs to be 10.5 mass% or more. The amount of Cr is preferably 12.0 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Cr is excessive, a large amount of ferrite phase is generated after quenching and tempering, which may reduce the strength. Therefore, the amount of Cr needs to be 17.0 mass% or less. The amount of Cr is preferably 16.0 mass% or less.

(8)0.50≦Ni≦3.00mass%:
Niは、耐食性の向上に有効な元素である。十分な効果を得るためには、Ni量は、0.50mass%以上である必要がある。Ni量は、好ましくは、0.70mass%以上である。
一方、Ni量が過剰になると、冷間加工性が低下する場合がある。従って、Ni量は、3.00mass%以下である必要がある。Ni量は、好ましくは、2.50mass%以下である。
(8) 0.50≦Ni≦3.00mass%:
Ni is an element effective in improving corrosion resistance. In order to obtain a sufficient effect, the Ni amount needs to be 0.50 mass% or more. The amount of Ni is preferably 0.70 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Ni becomes excessive, cold workability may deteriorate. Therefore, the amount of Ni needs to be 3.00 mass% or less. The amount of Ni is preferably 2.50 mass% or less.

(9)0.50≦Mo≦3.00mass%:
Moは、耐食性を向上させる作用がある元素である。十分な効果を得るためには、Mo量は、0.50mass%以上である必要がある。Mo量は、好ましくは、0.70mass%以上である。
一方、Mo量が過剰になると、焼入れ焼戻し後において多量のフェライト相が生成し、強度が低下する場合がある。従って、Mo量は、3.00mass%以下である必要がある。Mo量は、好ましくは、2.50mass%以下である。
(9) 0.50≦Mo≦3.00mass%:
Mo is an element that has the effect of improving corrosion resistance. In order to obtain a sufficient effect, the amount of Mo needs to be 0.50 mass% or more. The amount of Mo is preferably 0.70 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Mo is excessive, a large amount of ferrite phase is generated after quenching and tempering, which may reduce the strength. Therefore, the amount of Mo needs to be 3.00 mass% or less. The amount of Mo is preferably 2.50 mass% or less.

(10)0.1≦Nb≦0.5mass%:
Nbは、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、強度の向上に寄与する元素である。そのためには、Nb量は、0.1mass%以上である必要がある。Nb量は、好ましくは、0.15mass%以上である。
一方、Nb量が過剰になると、粗大な炭窒化物が形成され、結晶粒微細化効果が損なわれる場合がある。また、炭窒化物が破壊の起点となることで、強度が低下する場合がある。従って、Nb量は、0.5mass%以下である必要がある。
(10) 0.1≦Nb≦0.5mass%:
Nb is an element that forms carbonitrides, refines crystal grains, and contributes to improving strength. For this purpose, the amount of Nb needs to be 0.1 mass% or more. The amount of Nb is preferably 0.15 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Nb is excessive, coarse carbonitrides are formed, which may impair the grain refinement effect. Furthermore, carbonitrides may become a starting point for fracture, resulting in a decrease in strength. Therefore, the amount of Nb needs to be 0.5 mass% or less.

結晶粒微細化効果を持つ同様の元素として、Ti、Vが挙げられる。これらの中でもNbは、Tiと比べて粗大晶出炭化物が形成されにくく、かつ、Vと比べて炭窒化物の安定性が高く、析出粒子が成長しにくいという利点がある。そのため、本発明においては、Nbを必須元素とする。 Similar elements having a crystal grain refining effect include Ti and V. Among these, Nb has the advantage that coarse crystallized carbides are less likely to be formed than Ti, and carbonitrides are more stable than V, and precipitated particles are less likely to grow. Therefore, in the present invention, Nb is an essential element.

[1.2. 不可避的不純物]
「不可避的不純物」とは、マルテンサイト系ステンレス鋼を製造する際に、原料や耐火物から混入する微量成分をいう。不可避的不純物としては、例えば、
(a)0.050mass%以下のP、
(b)0.010mass%以下のS、
(c)0.05mass%以下のAl、
(d)0.030mass%以下のO、
などがある。
[1.2. Unavoidable impurities]
"Unavoidable impurities" refer to trace components that are mixed in from raw materials and refractories during the production of martensitic stainless steel. Examples of unavoidable impurities include:
(a) P of 0.050 mass% or less,
(b) S of 0.010 mass% or less,
(c) Al of 0.05 mass% or less,
(d) O of 0.030 mass% or less,
and so on.

[1.3. 副構成元素]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、上述した元素に加えて、以下のような1種又は2種以上の元素をさらに含んでいても良い。添加元素の種類、その成分範囲、及びその限定理由は、以下の通りである。
[1.3. Sub-constituent elements]
In addition to the above-mentioned elements, the martensitic stainless steel according to the present invention may further contain one or more of the following elements. The types of additive elements, their component ranges, and the reasons for their limitations are as follows.

(1)Ti≦0.5mass%:
Nbを含むマルテンサイト系ステンレス鋼にTiをさらに添加すると、Tiは、Nbの補助的な役割を果たし、結晶粒微細化効果を高める作用がある。そのため、マルテンサイト系ステンレス鋼は、Tiをさらに含んでいても良い。
しかしながら、Tiは、Nbと比べて粗大晶出炭化物を形成しやすい。そのため、Ti量が過剰になると、微細な炭窒化物が減少し、結晶粒が粗大化する場合がある。従って、Ti量は、0.5mass%以下が好ましい。
(1) Ti≦0.5mass%:
When Ti is further added to martensitic stainless steel containing Nb, Ti plays an auxiliary role to Nb and has the effect of enhancing the grain refinement effect. Therefore, the martensitic stainless steel may further contain Ti.
However, Ti is more likely to form coarse crystallized carbides than Nb. Therefore, when the amount of Ti becomes excessive, fine carbonitrides may decrease and crystal grains may become coarse. Therefore, the amount of Ti is preferably 0.5 mass% or less.

(2)V≦1.0mass%:
Vは、Tiと同様に、Nbの補助的な役割を果たし、結晶粒微細化効果を高める作用がある。そのため、マルテンサイト系ステンレス鋼は、Vをさらに含んでいても良い。
しかしながら、Vは、Nbと比べて高温での炭窒化物の安定性が低く、析出粒子が成長しやすい。そのため、V量が過剰になると、微細な炭窒化物が減少し、結晶粒が粗大化する場合がある。従って、V量は、1.0mass%以下が好ましい。
(2) V≦1.0mass%:
Like Ti, V plays an auxiliary role to Nb and has the effect of enhancing the crystal grain refinement effect. Therefore, the martensitic stainless steel may further contain V.
However, V has lower stability of carbonitrides at high temperatures than Nb, and precipitated particles tend to grow. Therefore, when the amount of V becomes excessive, fine carbonitrides may decrease and crystal grains may become coarse. Therefore, the amount of V is preferably 1.0 mass% or less.

[1.4. 成分バランス]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、次の式(1)及び式(2)を満たす。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
[1.4. Ingredient balance]
The martensitic stainless steel according to the present invention satisfies the following formulas (1) and (2).
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].

[1.4.1. 式(1)]
[Ni]*[Mo]は、窒素富化処理後のマルテンサイト系ステンレス鋼の平均結晶粒径と相関がある。[Ni]*[Mo]が小さくなりすぎると、窒素富化処理後の結晶粒が粗大化する場合がある。その結果、窒素富化処理後の部材に対して繰り返し応力が作用すると、粒界破壊が進行する場合がある。従って、[Ni]*[Mo]は、1.00以上である必要がある。[Ni]*[Mo]は、好ましくは、1.05以上、さらに好ましくは、1.10以上である。
[1.4.1. Formula (1)]
[Ni]*[Mo] has a correlation with the average grain size of martensitic stainless steel after nitrogen enrichment treatment. If [Ni]*[Mo] becomes too small, the crystal grains may become coarse after the nitrogen enrichment treatment. As a result, if repeated stress is applied to the member after the nitrogen enrichment treatment, grain boundary fracture may progress. Therefore, [Ni]*[Mo] needs to be 1.00 or more. [Ni]*[Mo] is preferably 1.05 or more, more preferably 1.10 or more.

一方、[Ni]*[Mo]が大きくなりすぎると、窒素富化処理前の時点で結晶粒が粗大化してしまい、窒素富化処理後においても微細な結晶粒が得られない場合がある。従って、[Ni]*[Mo]は、9.00以下である必要がある。[Ni]*[Mo]は、好ましくは、6.00以下、さらに好ましくは、4.00以下である。 On the other hand, if [Ni]*[Mo] becomes too large, the crystal grains will become coarse before the nitrogen enrichment treatment, and fine crystal grains may not be obtained even after the nitrogen enrichment treatment. Therefore, [Ni]*[Mo] needs to be 9.00 or less. [Ni]*[Mo] is preferably 6.00 or less, more preferably 4.00 or less.

[1.4.2. 式(2)]
[Nieq]は、オーステナイト安定化元素の指標となるNi当量である。[Creq]は、フェライト安定化元素の指標となるCr当量である。[Nieq]/[Creq]が小さくなりすぎると、焼入れ組織におけるフェライト相の残存量が多くなり、疲労強度が低下する場合がある。従って、[Nieq]/[Creq]は、1.00以上である必要がある。[Nieq]/[Creq]は、好ましくは、1.02以上、さらに好ましくは、1.05以上である。
[1.4.2. Formula (2)]
[Nieq] is the Ni equivalent, which is an index of the austenite stabilizing element. [Creq] is the Cr equivalent which is an index of the ferrite stabilizing element. If [Nieq]/[Creq] becomes too small, the amount of ferrite phase remaining in the quenched structure increases, and the fatigue strength may decrease. Therefore, [Nieq]/[Creq] needs to be 1.00 or more. [Nieq]/[Creq] is preferably 1.02 or more, more preferably 1.05 or more.

[1.5. フェライト相の面積率]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、成分が最適化されているために、焼鈍後(窒素富化処理を行う前)の23℃におけるフェライト相の面積率が50%以上となる。製造条件を最適化すると、フェライト相の面積率は、70%以上、あるいは、90%以上となる。また、成分を最適化すると、フェライト相の面積率は、100%になる場合がある。「フェライト相の面積率」については、後述する。
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼鈍後の状態においてフェライト相の面積率が相対的に大きい(すなわち、マルテンサイト相の面積率が相対的に小さい)ため、冷間加工性に優れている。
[1.5. Area ratio of ferrite phase]
Since the martensitic stainless steel according to the present invention has optimized components, the area ratio of the ferrite phase at 23° C. after annealing (before nitrogen enrichment treatment) is 50% or more. When manufacturing conditions are optimized, the area ratio of the ferrite phase becomes 70% or more, or 90% or more. Further, when the components are optimized, the area ratio of the ferrite phase may reach 100%. The "area ratio of ferrite phase" will be described later.
The martensitic stainless steel according to the present invention has excellent cold workability because the area ratio of the ferrite phase is relatively large (that is, the area ratio of the martensitic phase is relatively small) in the state after annealing. There is.

[1.6. 用途]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼鈍及び冷間加工により基部を作製した後、基部の表面に対して窒素富化処理を行うために用いられる。窒素富化処理後、さらに焼入れ及び焼戻しが行われる。窒素富化処理を行うと、基部の表層部に、基部の芯部よりも窒素濃度が高い層(窒素富化層)が形成される。さらに、焼入れ、及び、焼戻しを行うと、窒素富化層が硬化する。その結果、疲労特性に優れた部材が得られる。
[1.6. Use]
The martensitic stainless steel according to the present invention is used to produce a base by annealing and cold working, and then to perform a nitrogen enrichment treatment on the surface of the base. After the nitrogen enrichment treatment, quenching and tempering are further performed. When the nitrogen enrichment treatment is performed, a layer (nitrogen-enriched layer) having a higher nitrogen concentration than the core of the base is formed in the surface layer of the base. Furthermore, when quenching and tempering are performed, the nitrogen-enriched layer is hardened. As a result, a member with excellent fatigue properties can be obtained.

[2. マルテンサイト系ステンレス鋼部材]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼部材は、以下の構成を備えている。
(1)前記マルテンサイト系ステンレス鋼部材は、
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる基部と、
前記基部の表面に形成された窒素富化層と
を備えている。
(2)前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、
0.10≦C≦0.30mass%、
Si≦0.20mass%、
0.20≦Mn≦1.50mass%、
P≦0.05mass%、
S≦0.01mass%、
Cu≦0.3mass%、
10.5≦Cr≦17.0mass%、
0.50≦Ni≦3.00mass%、
0.50≦Mo≦3.00mass%、及び、
0.1≦Nb≦0.5mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の式(1)及び式(2)を満たす。
(3)前記基部は、フェライト相の面積率が5%以下である。
(4)前記窒素富化層の厚さは、100μm以上である。
[2. Martensitic stainless steel parts]
The martensitic stainless steel member according to the present invention has the following configuration.
(1) The martensitic stainless steel member is
A base made of martensitic stainless steel,
and a nitrogen-enriched layer formed on the surface of the base.
(2) The martensitic stainless steel is
0.10≦C≦0.30mass%,
Si≦0.20mass%,
0.20≦Mn≦1.50 mass%,
P≦0.05mass%,
S≦0.01mass%,
Cu≦0.3mass%,
10.5≦Cr≦17.0mass%,
0.50≦Ni≦3.00mass%,
0.50≦Mo≦3.00mass%, and
0.1≦Nb≦0.5mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities,
The following equations (1) and (2) are satisfied.
(3) The base has a ferrite phase area ratio of 5% or less.
(4) The thickness of the nitrogen-enriched layer is 100 μm or more.

1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].

[2.1. 基部]
[2.1.1. 材料]
基部は、本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。マルテンサイト系ステンレス鋼の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. base]
[2.1.1. material]
The base is made of martensitic stainless steel according to the present invention. The details of the martensitic stainless steel are as described above, so the explanation will be omitted.

[2.1.2. フェライト相の面積率]
「フェライト相の面積率(%)」とは、23℃におけるマルテンサイト系ステンレス鋼の断面の面積に占めるフェライト相の面積の割合をいう。
換言すれば、「フェライト相の面積率(%)」とは、
(a)焼鈍後のマルテンサイト系ステンレス鋼、又は、窒素富化処理+焼入れ焼戻し後のマルテンサイト系ステンレス鋼部材を表面に対して垂直方向に切断し、断面を研磨及びエッチングし、
(b)断面の中心付近の領域(窒素富化処理を行った部材にあっては、窒素濃度が窒素富化処理前の水準にある領域(芯部))を室温において光学顕微鏡で観察し、視野面積(S0)、及び、視野に含まれるフェライト相の面積(S)をそれぞれ算出し、
(c)SをS0で除すことにより得られる値(=S×100/S0
をいう。
本発明において、S0は、2mm×3mmとする。
[2.1.2. Area ratio of ferrite phase]
"Area ratio (%) of ferrite phase" refers to the ratio of the area of ferrite phase to the cross-sectional area of martensitic stainless steel at 23°C.
In other words, "ferrite phase area ratio (%)" is
(a) cutting martensitic stainless steel after annealing or martensitic stainless steel member after nitrogen enrichment treatment + quenching and tempering in a direction perpendicular to the surface, polishing and etching the cross section,
(b) Observe the area near the center of the cross section (in the case of a member subjected to nitrogen enrichment treatment, the area (core) where the nitrogen concentration is at the level before nitrogen enrichment treatment) at room temperature with an optical microscope, Calculate the visual field area (S 0 ) and the area (S) of the ferrite phase included in the visual field, respectively,
(c) Value obtained by dividing S by S 0 (=S×100/S 0 )
means.
In the present invention, S 0 is 2 mm x 3 mm.

本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、組成が最適化されているために、焼鈍後の状態においては、フェライト相の面積率は相対的に高くなる。一方、窒素富化処理+焼入れ焼戻し後においては、基部のほぼ全面がマルテンサイト相となり、基部のフェライト相の面積率は5%以下となる。マルテンサイト系ステンレス鋼の組成を最適化すると、窒素富化処理+焼入れ焼戻し後の基部のフェライト相の面積率は、0.5%以下となる。 Since the composition of the martensitic stainless steel according to the present invention is optimized, the area ratio of the ferrite phase becomes relatively high in the state after annealing. On the other hand, after the nitrogen enrichment treatment + quenching and tempering, almost the entire surface of the base becomes a martensite phase, and the area ratio of the ferrite phase in the base becomes 5% or less. When the composition of martensitic stainless steel is optimized, the area ratio of the ferrite phase in the base after nitrogen enrichment treatment + quenching and tempering becomes 0.5% or less.

[2.1.3. 平均結晶粒径]
「平均結晶粒径」とは、旧オーステナイト結晶粒の粒径の平均値であって、光学顕微鏡写真からJIS G0551に記載の直線試験線を用いた切断法によって結晶粒度を測定し、JIS G0551附属書A中の表A.1を用いて結晶粒度より換算することにより得られる値をいう。
[2.1.3. Average grain size]
"Average grain size" is the average value of the grain size of prior austenite grains, and the grain size is measured from an optical microscope photograph by a cutting method using a straight test line described in JIS G0551. Table A in Book A. This is the value obtained by converting from the crystal grain size using 1.

窒素富化処理後における基部の芯部の平均結晶粒径は、マルテンサイト系ステンレス鋼部材の疲労特性に影響を与える。一般に、窒素富化処理後における基部の芯部の平均結晶粒径が小さくなるほど、マルテンサイト系ステンレス鋼部材の疲労特性は高くなる。本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼部材は、結晶粒を微細化する作用がある元素が添加されているので、窒素富化処理時における粒成長が抑制される。製造条件を最適化すると、窒素富化処理後における基部の芯部の平均結晶粒径は、50μm以下となる。製造条件をさらに最適化すると、平均結晶粒径は、30μm以下となる。 The average grain size of the base core after nitrogen enrichment treatment affects the fatigue properties of the martensitic stainless steel member. Generally, the smaller the average crystal grain size of the base core after nitrogen enrichment treatment, the higher the fatigue characteristics of the martensitic stainless steel member. Since the martensitic stainless steel member according to the present invention contains an element that has the effect of refining crystal grains, grain growth during nitrogen enrichment treatment is suppressed. If the manufacturing conditions are optimized, the average crystal grain size of the base core after nitrogen enrichment treatment will be 50 μm or less. When the manufacturing conditions are further optimized, the average crystal grain size becomes 30 μm or less.

[2.2. 窒素富化層]
[2.2.1. 定義]
「窒素富化層」とは、焼鈍及び冷間加工後の基部に対して窒素富化処理を施すことにより形成された層であって、基部の芯部(窒素濃度が窒素富化処理前の水準にある領域)よりも窒素濃度が高い領域をいう。より具体的には、「窒素富化層」とは、N量が0.1mass%以上1.0mass%以下である領域をいう。
なお、窒素富化層のN量が過剰になると、
(a)焼入れ時にマルテンサイト変態が進行しないために耐摩耗性が低下する、
(b)多量の窒化物が析出するために耐食性が低下する
などの問題が生じることがある。従って、窒素富化層のN量は、1.0masss%以下である必要がある。
[2.2. Nitrogen-enriched layer]
[2.2.1. Definition]
"Nitrogen enriched layer" is a layer formed by applying nitrogen enrichment treatment to the base after annealing and cold working, and is a layer formed by applying nitrogen enrichment treatment to the base after annealing and cold working. This refers to an area where the nitrogen concentration is higher than the area where the nitrogen concentration is at the same level. More specifically, the "nitrogen-enriched layer" refers to a region where the amount of N is 0.1 mass% or more and 1.0 mass% or less.
In addition, when the amount of N in the nitrogen-enriched layer becomes excessive,
(a) Wear resistance decreases because martensitic transformation does not progress during quenching.
(b) Problems such as a decrease in corrosion resistance may occur due to the precipitation of a large amount of nitrides. Therefore, the amount of N in the nitrogen-enriched layer needs to be 1.0 mass% or less.

「窒素富化処理」とは、基部の表層部分に窒素を固溶させる処理をいう。窒素富化処理方法としては、例えば、固相窒素吸収法、ガス窒化法、軟窒化法、イオン窒化法などがある。これらの中でも、固相窒素吸収法は、耐食性に優れた部材が得られるので、窒素富化処理方法として好適である。固相窒素吸収法は、クロム炭窒化物の生成を抑え、最表面の耐食性を低下させずに耐摩耗性を向上させることができるという利点がある。固相窒素吸収法の詳細については、後述する。 "Nitrogen enrichment treatment" refers to treatment in which nitrogen is dissolved in the surface layer of the base. Examples of the nitrogen enrichment treatment method include a solid phase nitrogen absorption method, a gas nitriding method, a soft nitriding method, and an ion nitriding method. Among these, the solid-phase nitrogen absorption method is suitable as a nitrogen enrichment treatment method because a member with excellent corrosion resistance can be obtained. The solid phase nitrogen absorption method has the advantage of suppressing the formation of chromium carbonitrides and improving wear resistance without reducing the corrosion resistance of the outermost surface. Details of the solid phase nitrogen absorption method will be described later.

[2.2.2. 厚さ]
「窒素富化層の厚さ」とは、基部を窒素富化処理することにより基部の表面に形成された、N量が0.1mass%以上1.0mass%以下である領域の厚さをいう。
窒素富化層の厚さは、部材の耐摩耗性に影響を与える。窒素富化層の厚さが薄くなりすぎると、耐摩耗性が不十分となる。従って、窒素富化層の厚さは、100μm以上が好ましい。厚さは、さらに好ましくは、150μm以上、さらに好ましくは、200μm以上である。
[2.2.2. thickness]
"Thickness of the nitrogen-enriched layer" refers to the thickness of a region formed on the surface of the base by subjecting the base to nitrogen enrichment treatment and in which the amount of N is 0.1 mass% or more and 1.0 mass% or less. .
The thickness of the nitrogen-enriched layer affects the wear resistance of the component. If the thickness of the nitrogen-enriched layer becomes too thin, the wear resistance will be insufficient. Therefore, the thickness of the nitrogen-enriched layer is preferably 100 μm or more. The thickness is more preferably 150 μm or more, even more preferably 200 μm or more.

[3. マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、
(a)所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造し、
(b)得られた鋳塊を熱間鍛造し、
(c)熱間鍛造された粗形材に対して焼鈍を行う
ことにより製造することができる。
[3. Manufacturing method of martensitic stainless steel]
The martensitic stainless steel according to the present invention is
(a) Melting and casting raw materials blended to a predetermined composition,
(b) Hot forging the obtained ingot,
(c) It can be manufactured by annealing a hot-forged rough section.

[3.1. 溶解・鋳造工程]
まず、所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造する。溶解及び鋳造の方法及び条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を選択することができる。
[3.1. Melting/casting process]
First, raw materials blended to have a predetermined composition are melted and cast. The method and conditions for melting and casting are not particularly limited, and the optimal method and conditions can be selected depending on the purpose.

[3.2. 熱間鍛造工程]
次に、得られた鋳塊を熱間鍛造する。熱間鍛造は、鋳造組織を破壊し、鋳塊を所定の形状を有する粗形材に加工するために行われる。熱間鍛造の方法及び条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な条件を選択することができる。
[3.2. Hot forging process]
Next, the obtained ingot is hot forged. Hot forging is performed to destroy the casting structure and process the ingot into a rough shaped material having a predetermined shape. The hot forging method and conditions are not particularly limited, and optimal conditions can be selected depending on the purpose.

[3.3. 焼鈍工程]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼は、熱間鍛造ままの状態では硬さが高くなりすぎ、冷間加工性に乏しい。これは、熱間鍛造後の冷却過程において、部分的にマルテンサイト相が形成されるためである。冷間加工性を向上させるためには、熱間鍛造された粗形材に対して焼鈍を行い、フェライト相の面積率を増大させる必要がある。
[3.3. Annealing process]
The martensitic stainless steel according to the present invention has too high hardness in the as-hot-forged state and has poor cold workability. This is because a martensitic phase is partially formed during the cooling process after hot forging. In order to improve cold workability, it is necessary to anneal the hot-forged rough shape material to increase the area ratio of the ferrite phase.

焼鈍条件は、必要な冷間加工性が得られる限りにおいて、特に限定されない。
焼鈍は、具体的には、
(a)850℃以上950℃以下の温度において、1時間以上10時間以下保持し、
(b)焼鈍温度から650℃までの温度域を30℃/h以下の平均冷却速度で徐冷する
のが好ましい。
The annealing conditions are not particularly limited as long as the necessary cold workability is obtained.
Specifically, annealing is
(a) Maintained at a temperature of 850°C or higher and 950°C or lower for 1 hour or more and 10 hours or less,
(b) It is preferable to perform slow cooling in the temperature range from the annealing temperature to 650°C at an average cooling rate of 30°C/h or less.

[4. マルテンサイト系ステンレス鋼部材の製造方法]
本発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼部材は、
(a)焼鈍された粗形材に対して冷間加工を行い、
(b)冷間加工された部材に対して窒素富化処理を行い、
(c)窒素富化処理された部材に対して焼入れ及び焼戻しを行う
ことにより製造することができる。
[4. Manufacturing method of martensitic stainless steel parts]
The martensitic stainless steel member according to the present invention includes:
(a) Cold working is performed on the annealed rough shape material,
(b) Perform nitrogen enrichment treatment on the cold worked member,
(c) It can be manufactured by quenching and tempering a member that has been subjected to nitrogen enrichment treatment.

[4.1. 冷間加工工程]
まず、焼鈍された粗形材に対して冷間加工を行う。冷間加工の方法及び条件は、所定の形状を有する部材を製造可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
[4.1. Cold working process]
First, cold working is performed on the annealed rough section. The cold working method and conditions are not particularly limited as long as they can produce a member having a predetermined shape.

[4.2. 窒素富化処理工程]
次に、冷間加工された部材に対して窒素富化処理を行う。窒素富化処理方法としては、固相窒素吸収法、ガス窒化法、軟窒化法、イオン窒化法などがある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。耐食性に優れた部材を得るためには、窒素富化処理方法は、固相窒素吸収法が好ましい。
[4.2. Nitrogen enrichment treatment process]
Next, the cold worked member is subjected to nitrogen enrichment treatment. Examples of nitrogen enrichment treatment methods include solid phase nitrogen absorption, gas nitriding, soft nitriding, and ion nitriding. In the present invention, either method may be used. In order to obtain a member with excellent corrosion resistance, the nitrogen enrichment treatment method is preferably a solid phase nitrogen absorption method.

固相窒素吸収処理は、部材を所定の窒素雰囲気中において、所定の温度に加熱することにより行われる。窒素雰囲気としては、例えば、窒素ガス雰囲気などがある。 The solid phase nitrogen absorption treatment is performed by heating the member to a predetermined temperature in a predetermined nitrogen atmosphere. Examples of the nitrogen atmosphere include a nitrogen gas atmosphere.

加熱温度は、部材表面の窒素濃度に影響を与える。そのため、加熱温度は、部材の組成に応じて最適な温度を選択するのが好ましい。一般に、加熱温度が低くなるほど、部材表面の平衡窒素濃度が高くなる。しかしながら、加熱温度が低くなりすぎると、多量の窒化物が析出して耐食性が低下する場合がある。従って、加熱温度は900℃以上が好ましい。
一方、加熱温度が高くなりすぎると、部材表面の平衡窒素濃度が低下し、硬さが低下する場合がある。従って、加熱温度は1200℃以下が好ましい。
The heating temperature affects the nitrogen concentration on the surface of the member. Therefore, it is preferable to select the optimum heating temperature depending on the composition of the member. Generally, the lower the heating temperature, the higher the equilibrium nitrogen concentration on the surface of the member. However, if the heating temperature becomes too low, a large amount of nitrides may precipitate and the corrosion resistance may deteriorate. Therefore, the heating temperature is preferably 900°C or higher.
On the other hand, if the heating temperature becomes too high, the equilibrium nitrogen concentration on the surface of the member may decrease and the hardness may decrease. Therefore, the heating temperature is preferably 1200°C or less.

窒素分圧は、部材表面の窒素濃度に影響を与える。そのため、窒素分圧は、部材の組成に応じて最適な値を選択するのが好ましい。一般に、窒素分圧が高くなるほど、部材表面の平衡窒素濃度が高くなる。このような効果を得るためには、窒素分圧は、0.1atm(0.01MPa)以上が好ましい。
一方、窒素分圧が高くなりすぎると、窒素濃度が過度に増加し、マルテンサイト変態開始温度が低下する。その結果、焼入れ後にオーステナイト相が残留しやすくなり、硬さが低下する場合がある。従って、窒素分圧は、3.0atm(0.3MPa)以下が好ましい。
The nitrogen partial pressure affects the nitrogen concentration on the surface of the member. Therefore, it is preferable to select an optimal value for the nitrogen partial pressure depending on the composition of the member. Generally, the higher the nitrogen partial pressure, the higher the equilibrium nitrogen concentration on the surface of the member. In order to obtain such an effect, the nitrogen partial pressure is preferably 0.1 atm (0.01 MPa) or higher.
On the other hand, when the nitrogen partial pressure becomes too high, the nitrogen concentration increases excessively and the martensitic transformation start temperature decreases. As a result, the austenite phase tends to remain after quenching, and the hardness may decrease. Therefore, the nitrogen partial pressure is preferably 3.0 atm (0.3 MPa) or less.

部材表面の窒素濃度は、加熱温度及び窒素分圧で決まる。一方、処理時間は、窒素吸収層(窒素富化層)の厚みに影響する。そのため、処理時間は、要求される窒素吸収層の厚さに応じて最適な時間を選択するのが好ましい。処理時間は、通常60分~600分程度である。 The nitrogen concentration on the surface of the member is determined by the heating temperature and nitrogen partial pressure. On the other hand, the treatment time affects the thickness of the nitrogen absorption layer (nitrogen enriched layer). Therefore, it is preferable to select an optimal treatment time depending on the required thickness of the nitrogen absorption layer. The treatment time is usually about 60 minutes to 600 minutes.

[4.3. 焼入れ焼戻し工程]
次に、窒素富化処理された部材に対して焼入れ焼戻しを行う。これにより、オーステナイト相がマルテンサイト変態する。焼入れ条件は、表層部及び芯部をマルテンサイト変態させることが可能な条件である限りにおいて、特に限定されない。
[4.3. Quenching and tempering process]
Next, the nitrogen-enriched member is quenched and tempered. This transforms the austenite phase into martensitic phase. The quenching conditions are not particularly limited as long as the conditions are such that the surface layer portion and the core portion can undergo martensitic transformation.

例えば、窒素富化処理方法として固相窒素吸収処理を用いた場合、処理温度から部材を急冷することで焼入れを行っても良い。あるいは、固相窒素吸収処理を行い、室温近傍まで冷却した後に、焼入れ温度に再加熱し、急冷することで焼入れを行っても良い。急冷は、ガス冷却、水冷、氷水冷、油冷等を用いることができる。
部材の芯部の全面をマルテンサイト組織とするためには、焼入れ時の冷却速度は、速いほど良い。具体的には、焼入れ温度から500℃までの平均冷却速度は、200℃/min以上が好ましい。
For example, when solid phase nitrogen absorption treatment is used as the nitrogen enrichment treatment method, quenching may be performed by rapidly cooling the member from the treatment temperature. Alternatively, quenching may be performed by performing solid phase nitrogen absorption treatment, cooling to near room temperature, reheating to the quenching temperature, and rapidly cooling. For rapid cooling, gas cooling, water cooling, ice water cooling, oil cooling, etc. can be used.
In order to make the entire core of the member have a martensitic structure, the faster the cooling rate during quenching, the better. Specifically, the average cooling rate from the quenching temperature to 500°C is preferably 200°C/min or more.

また、焼入れを行う前に、部材内部に窒素を拡散させる窒素拡散処理を行っても良い。具体的には、固相窒素吸収処理に続いて、アルゴンガス等の不活性雰囲気中、900~1200℃程度の高温で部材を保持することで部材内部に窒素を拡散させる。窒素拡散処理を行うと、窒素吸収層が厚くなるため、焼入れ後の部材表面の硬さを安定して得ることができる。
さらに、焼入れ後に0℃以下に材料を保持するサブゼロ処理を行っても良い。
Further, before hardening, a nitrogen diffusion treatment may be performed to diffuse nitrogen into the inside of the member. Specifically, following the solid-phase nitrogen absorption treatment, the member is held at a high temperature of about 900 to 1200° C. in an inert atmosphere such as argon gas to diffuse nitrogen into the member. When nitrogen diffusion treatment is performed, the nitrogen absorption layer becomes thicker, so that the hardness of the surface of the member after quenching can be stably obtained.
Furthermore, sub-zero treatment may be performed to maintain the material at 0° C. or lower after quenching.

次に、焼入れ後(又は、サブゼロ処理後)に、焼戻しを行う。焼戻し条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な条件を選択することができる。焼戻しは、具体的には、150℃~500℃の温度において、1時間~3時間程度保持するのが好ましい。 Next, after hardening (or after sub-zero treatment), tempering is performed. Tempering conditions are not particularly limited, and optimal conditions can be selected depending on the purpose. Specifically, the tempering is preferably maintained at a temperature of 150° C. to 500° C. for about 1 hour to 3 hours.

[5. 作用]
所定の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼において、式(1)を満たすようにNi量及びMo量を最適化すると、窒素富化処理時の結晶粒の粗大化を抑制することができる。その結果、疲労特性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材が得られる。
また、式(2)を満たすように各元素の含有量を最適化すると、焼入れ・焼戻し後の状態では相対的に多量のマルテンサイト相を含むマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。その結果、このマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた部材の疲労特性が向上する。
[5. Effect]
In martensitic stainless steel having a predetermined composition, if the Ni amount and Mo amount are optimized so as to satisfy formula (1), coarsening of crystal grains during nitrogen enrichment treatment can be suppressed. As a result, a martensitic stainless steel member with excellent fatigue properties is obtained.
Moreover, if the content of each element is optimized so as to satisfy formula (2), a martensitic stainless steel containing a relatively large amount of martensitic phase after quenching and tempering can be obtained. As a result, the fatigue properties of a member using this martensitic stainless steel are improved.

また、所定の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼において、組成(特に、Ni量)を最適化すると、マルテンサイト系ステンレス鋼の冷間加工性が向上する。
また、マルテンサイト系ステンレス鋼に過剰のCu、P、及び/又は、Sが含まれていると、熱間加工性が低下する。これに対し、Cu量、P量、及び、S量を臨界値以下とすると、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱間加工性が向上する。
さらに、窒素富化処理の方法及び/又は処理条件を最適化すると、窒素富化層内における過剰の窒化物の生成が抑制される。その結果、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部材が得られる。
Further, in a martensitic stainless steel having a predetermined composition, optimizing the composition (particularly the amount of Ni) improves the cold workability of the martensitic stainless steel.
Furthermore, if martensitic stainless steel contains excessive amounts of Cu, P, and/or S, hot workability decreases. On the other hand, when the amount of Cu, the amount of P, and the amount of S are set to below the critical values, the hot workability of martensitic stainless steel is improved.
Furthermore, by optimizing the nitrogen enrichment treatment method and/or treatment conditions, excessive nitride formation within the nitrogen enrichment layer is suppressed. As a result, a martensitic stainless steel member with excellent corrosion resistance is obtained.

(実施例1~14、比較例1~16)
[1. 試料の作製]
真空誘導炉にて、表1及び表2に示す組成の鋼50kgを溶製した。得られた鋳塊を熱間鍛造し、直径20mmの棒材を製造した。次いで、棒材を900℃に加熱した後、650まで20℃/hで徐冷を行う軟化焼鈍を行った。この棒材から、φ15mm×8mmの試験片を採取した。
(Examples 1 to 14, Comparative Examples 1 to 16)
[1. Preparation of sample]
50 kg of steel having the composition shown in Tables 1 and 2 was melted in a vacuum induction furnace. The obtained ingot was hot forged to produce a bar with a diameter of 20 mm. Next, the bar was heated to 900°C and then softened to 650°C by slow cooling at 20°C/h. A test piece with a diameter of 15 mm x 8 mm was taken from this bar.

次に、各試験片に対して、固相窒素吸収処理及び焼入れを行った。すなわち、まず、試験片を処理室内に設置し、減圧手段により処理室内を真空にした。次に、処理室内に窒素ガスを導入し、処理室内の圧力、温度を所定の値に維持した。
窒素分圧は0.1~3.0atm(0.01MPa~0.30MPa)、処理温度は900~1200℃の間で適宜調節することで、部材表面から少なくとも100μmまでの範囲のN量が0.1~1.0mass%である窒素吸収層を得た。加熱時間は、焼入れ後の窒素吸収層の厚さが100μm以上となるように調節した。
Next, each test piece was subjected to solid phase nitrogen absorption treatment and quenching. That is, first, a test piece was placed in a processing chamber, and the inside of the processing chamber was evacuated using a pressure reducing means. Next, nitrogen gas was introduced into the processing chamber to maintain the pressure and temperature within the processing chamber at predetermined values.
By appropriately adjusting the nitrogen partial pressure between 0.1 and 3.0 atm (0.01 MPa and 0.30 MPa) and the treatment temperature between 900 and 1200°C, the amount of N within the range of at least 100 μm from the surface of the member can be reduced to 0. A nitrogen absorption layer having a nitrogen content of .1 to 1.0 mass% was obtained. The heating time was adjusted so that the thickness of the nitrogen absorption layer after hardening was 100 μm or more.

さらに、固相窒素吸収処理が終了した後、試験片の焼入れを行った。焼入れは、ガス冷却により行った。その後、-80℃×2hrのサブゼロ処理と、200℃での焼戻しを実施した。 Furthermore, after the solid phase nitrogen absorption treatment was completed, the test piece was quenched. Quenching was performed by gas cooling. Thereafter, sub-zero treatment at -80°C for 2 hours and tempering at 200°C were performed.

Figure 2024008729000001
Figure 2024008729000001

Figure 2024008729000002
Figure 2024008729000002

[2. 試験方法]
[2.1. 焼入れ組織芯部のフェライト面積率]
固相窒素吸収処理、及び、焼入れ焼戻し後の試験片を切断し、芯部のフェライト相の面積率を算出した。
[2. Test method]
[2.1. Ferrite area ratio of the core of the quenched structure]
The test piece after solid-phase nitrogen absorption treatment and quenching and tempering was cut, and the area ratio of the ferrite phase in the core was calculated.

[2.2. 窒素吸収処理後の平均結晶粒径]
固相窒素吸収処理後の試験片を切断し、芯部の平均結晶粒径を算出した。平均結晶粒径は、線分法で測定した。まず、窒素吸収処理後の試験片の芯部の組織を光学顕微鏡(倍率:100倍)で撮影した写真を取得した。次に、この撮影した写真に、縦5本、横5本、合計10本の異なる直線を引き、各直線について、直線の長さ(L)を、直線と交差した結晶粒界の数(n)で除算した値(=L/n)を計算した。さらに、それらの平均値を計算することで平均結晶粒径を算出した。
[2.2. Average grain size after nitrogen absorption treatment]
The test piece after the solid-phase nitrogen absorption treatment was cut, and the average crystal grain size of the core was calculated. The average crystal grain size was measured by the line segment method. First, a photograph of the structure of the core of the test piece after nitrogen absorption treatment was taken using an optical microscope (magnification: 100 times). Next, draw a total of 10 different straight lines, 5 vertically and 5 horizontally, on this photograph, and for each straight line, calculate the length (L) of the straight line and the number of grain boundaries that intersect with the straight line (n ) (=L/n) was calculated. Furthermore, the average crystal grain size was calculated by calculating their average value.

[2.3. 回転曲げ疲労試験]
JIS Z2274に規定されている試験方法にて、回転曲げ疲労試験を実施した。破断面の観察を行い、破壊起点の確認を行った。
[2.3. Rotating bending fatigue test]
A rotating bending fatigue test was conducted using the test method specified in JIS Z2274. The fracture surface was observed and the origin of the fracture was confirmed.

[2.4. 5%硫酸浸漬試験]
以下の手順に従い、固相窒素吸収処理後の各試料について、腐食減量を算出した。すなわち、固相窒素吸収処理後の試験片の腐食試験前の質量を測定した。次に、恒温槽によって30℃に保持された5%硫酸水溶液に試験片を6hr浸漬した。その後、試験片に付着していた腐食生成物を超音波洗浄によって除去し、腐食試験後の試験片質量を測定した。試験片の質量減少量を算出し、これを表面積と時間で除算することで、腐食減量を算出した。
[2.4. 5% sulfuric acid immersion test]
Corrosion loss was calculated for each sample after solid-phase nitrogen absorption treatment according to the following procedure. That is, the mass of the test piece after the solid-phase nitrogen absorption treatment before the corrosion test was measured. Next, the test piece was immersed for 6 hours in a 5% sulfuric acid aqueous solution maintained at 30° C. in a constant temperature bath. Thereafter, the corrosion products adhering to the test piece were removed by ultrasonic cleaning, and the mass of the test piece after the corrosion test was measured. Corrosion loss was calculated by calculating the mass loss of the test piece and dividing this by the surface area and time.

[2.5. 熱間加工性]
熱間加工後の棒材について、目視により割れの有無を確認した。
[2.6. 軟化焼鈍後の組織(冷間加工性)]
軟化焼鈍後の棒材について、光学顕微鏡観察でフェライト相の有無を確認した。さらに、芯部のフェライト相の面積率を算出した。
[2.5. Hot workability]
The presence or absence of cracks was visually confirmed for the bar material after hot working.
[2.6. Structure after softening annealing (cold workability)]
The presence or absence of a ferrite phase was confirmed by optical microscopic observation of the bar material after softening and annealing. Furthermore, the area ratio of the ferrite phase in the core was calculated.

[3. 結果]
表3及び表4に、結果を示す。表3及び表4より、以下のことが分かる。
なお、表3及び表4中、「焼入れ組織芯部のフェライト面積率」に関し、「◎」はフェライト面積率が0.5%以下であることを表し、「○」はフェライト面積率が0.5%超5%以下であることを表し、「×」はフェライト面積率が5%超であることを表す。
「窒素吸収処理後の平均結晶粒径」に関し、「◎」は平均結晶粒径が30μm以下であることを表し、「○」は平均結晶粒径が30μm超50μm以下であることを表し、「×」は平均結晶粒径が50μm超であることを表す。
[3. result]
Tables 3 and 4 show the results. From Tables 3 and 4, the following can be seen.
In addition, in Tables 3 and 4, regarding the "ferrite area ratio of the quenched structure core", "◎" indicates that the ferrite area ratio is 0.5% or less, and "○" indicates that the ferrite area ratio is 0.5% or less. It represents that the ferrite area ratio is more than 5% and 5% or less, and "x" represents that the ferrite area ratio is more than 5%.
Regarding the "average grain size after nitrogen absorption treatment,""◎" represents that the average grain size is 30 μm or less, "○" represents that the average grain size is more than 30 μm and 50 μm or less, and " ×” indicates that the average crystal grain size is more than 50 μm.

「回転曲げ疲労試験」に関し、「×」はフェライト相を起点とする破壊、円相当径100μm以上の結晶粒の粒界を起点とする粒界破壊、及び/又は、粗大な炭窒化物を起点とする粒界破壊が生じたことを表し、「○」はそのような破壊が生じなかったことを表す。
「5%硫酸浸漬試験」に関し、「◎」は腐食減量が1g/(m2・hr)以下であることを表し、「○」は腐食減量が1g/(m2・hr)超10g/(m2・hr)以下であることを表し、「×」は腐食減量が10g/(m2・hr)超であることを表す。
Regarding the "rotating bending fatigue test", "x" indicates fracture originating from the ferrite phase, intergranular fracture originating from the grain boundaries of crystal grains with an equivalent circle diameter of 100 μm or more, and/or originating from coarse carbonitrides. "○" indicates that grain boundary fracture occurred, and "○" indicates that no such fracture occurred.
Regarding the "5% sulfuric acid immersion test,""◎" indicates that the corrosion loss is 1 g/(m 2・hr) or less, and "○" indicates that the corrosion loss is over 1 g/(m 2・hr) and 10 g/( m 2 ·hr) or less, and "x" indicates that the corrosion weight loss exceeds 10 g/(m 2 ·hr).

「熱間加工性」に関し、「○」は熱簡鍛造時に割れが発生しなかったことを表し、「×」は熱簡鍛造時に割れが発生したことを表す。
さらに、「軟化焼鈍後の組織」に関し、「◎」はフェライト相(α)単相(フェライト相の面積率が90.0%超)であることを表し、「○」はフェライト相とマルテンサイト相(α')の混合組織(フェライト相の面積率が50.0%以上90.0%以下)であることを表し、「×」はマルテンサイト相の面積率が50.0%以上(フェライト相の面積率が50.0%未満)であることを表す。
Regarding "hot workability,""○" indicates that no cracking occurred during hot forging, and "x" indicates that cracking occurred during hot forging.
Furthermore, regarding the "structure after softening annealing", "◎" indicates a single ferrite phase (α) (area ratio of ferrite phase is over 90.0%), and "○" indicates a ferrite phase and martensite. It represents a mixed structure of phase (α') (area ratio of ferrite phase is 50.0% or more and 90.0% or less), and "x" indicates that the area ratio of martensitic phase is 50.0% or more (ferrite The area ratio of the phase is less than 50.0%).

(1)比較例1は、焼入れ組織の芯部のフェライト相の面積率が5%を超えていた。その結果、回転曲げ疲労試験において、フェライト相を起点とする破壊が生じた。これは、[Nieq]/[Creq]が1.0未満であり、焼入れ後も多量のフェライト相が残存したためと考えられる。
(2)比較例2は、腐食減量が増大した。これは、C量が過剰であり、未固溶のCr炭窒化物が多量に生成したためと考えられる。
(3)比較例3は、腐食減量が増大した。これは、Mn量が過剰であるためと考えられる。
(1) In Comparative Example 1, the area ratio of the ferrite phase in the core of the quenched structure exceeded 5%. As a result, in the rotating bending fatigue test, failure occurred starting from the ferrite phase. This is considered to be because [Nieq]/[Creq] was less than 1.0, and a large amount of ferrite phase remained even after quenching.
(2) In Comparative Example 2, the corrosion loss increased. This is considered to be because the amount of C was excessive and a large amount of undissolved Cr carbonitride was generated.
(3) In Comparative Example 3, the corrosion loss increased. This is considered to be because the amount of Mn is excessive.

(4)比較例4は、熱間加工性が低下した。これは、Cu量が過剰であるためと考えられる。
(5)比較例5は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大結晶粒の粒界を起点とする粒界破壊が生じた。これは、[Ni]*[Mo]が1.0未満であるためと考えられる。
(6)比較例6は、軟化焼鈍後の組織がα'単相となった。これは、Ni量が過剰であるためと考えられる。
(4) In Comparative Example 4, hot workability decreased. This is considered to be because the amount of Cu is excessive.
(5) In Comparative Example 5, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from the grain boundaries of coarse grains. This is considered to be because [Ni]*[Mo] is less than 1.0.
(6) In Comparative Example 6, the structure after softening annealing became α' single phase. This is considered to be because the amount of Ni is excessive.

(7)比較例7は、腐食減量が10g/(m2・hr)を超えた。これは、Cr量が少ないためと考えられる。
(8)比較例8は、焼入れ組織の芯部のフェライト相の面積率が5%を超えていた。その結果、回転曲げ疲労試験において、フェライト相を起点とする破壊が生じた。これは、Cr量が過剰であるためと考えられる。
(9)比較例9は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大結晶粒の粒界を起点とする粒界破壊が生じた。また、比較例9は、腐食減量が10g/(m2・hr)を超えた。これは、Mo量が少なく、かつ、[Ni]*[Mo]が1.0未満であるためと考えられる。
(7) In Comparative Example 7, the corrosion loss exceeded 10 g/(m 2 ·hr). This is considered to be due to the small amount of Cr.
(8) In Comparative Example 8, the area ratio of the ferrite phase in the core of the quenched structure exceeded 5%. As a result, in the rotating bending fatigue test, failure occurred starting from the ferrite phase. This is considered to be because the amount of Cr is excessive.
(9) In Comparative Example 9, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from the grain boundaries of coarse grains. Further, in Comparative Example 9, the corrosion loss exceeded 10 g/(m 2 ·hr). This is considered to be because the amount of Mo is small and [Ni]*[Mo] is less than 1.0.

(10)比較例10は、焼入れ組織の芯部のフェライト相の面積率が5%を超えていた。その結果、回転曲げ疲労試験において、フェライト相を起点とする破壊が生じた。これは、Mo量が過剰であり、[Nieq]/[Creq]が1未満であるためと考えられる。
(11)比較例11は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大結晶粒の粒界を起点とする粒界破壊が生じた。これは、Nb量が少なく、窒素吸収処理時において異常粒成長が生じたためと考えられる。
(12)比較例12は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大な炭窒化物を起点とする粒界破壊が生じた。これは、Nb量が過剰であるために、粗大な炭窒化物が形成されたためと考えられる。
(10) In Comparative Example 10, the area ratio of the ferrite phase in the core of the quenched structure exceeded 5%. As a result, in the rotating bending fatigue test, failure occurred starting from the ferrite phase. This is considered to be because the amount of Mo is excessive and [Nieq]/[Creq] is less than 1.
(11) In Comparative Example 11, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from the grain boundaries of coarse grains. This is considered to be because the amount of Nb was small and abnormal grain growth occurred during the nitrogen absorption treatment.
(12) In Comparative Example 12, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from coarse carbonitrides. This is considered to be because coarse carbonitrides were formed due to the excessive amount of Nb.

(13)比較例13、14は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大結晶粒の粒界を起点とする粒界破壊が生じた。これは、[Ni]*[Mo]が1.0未満であるためと考えられる。
(14)比較例15は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大な炭窒化物を起点とする粒界破壊が生じた。これは、V量が過剰であるために、粗大な炭窒化物が形成されたためと考えられる。
(15)比較例16は、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μmを超えた。その結果、回転曲げ疲労試験において、粗大な炭窒化物を起点とする粒界破壊が生じた。これは、Ti量が過剰であるために、粗大な炭窒化物が形成されたためと考えられる。
(13) In Comparative Examples 13 and 14, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from the grain boundaries of coarse grains. This is considered to be because [Ni]*[Mo] is less than 1.0.
(14) In Comparative Example 15, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from coarse carbonitrides. This is considered to be because coarse carbonitrides were formed due to the excessive amount of V.
(15) In Comparative Example 16, the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment exceeded 50 μm. As a result, in the rotating bending fatigue test, intergranular fracture occurred starting from coarse carbonitrides. This is considered to be because coarse carbonitrides were formed due to the excessive amount of Ti.

(16)実施例1~14は、いずれも、焼入れ組織芯部のフェライト面積率が0.5%以下であり、窒素吸収処理後の平均結晶粒径が50μm以下であった。その結果、実施例1~14は、いずれも良好な回転曲げ疲労特性を示した。また、実施例1~14は、いずれも腐食減量が10g/(m2・hr)以下であり、熱間加工時に割れが発生しなかった。
(17)実施例1~4、6~14の軟化焼鈍後の組織は、α+α'の混合組織であった。一方、実施例5の軟化焼鈍後の組織は、α単相であった。
(16) In all of Examples 1 to 14, the ferrite area ratio in the core of the hardened structure was 0.5% or less, and the average crystal grain size after nitrogen absorption treatment was 50 μm or less. As a result, Examples 1 to 14 all showed good rotating bending fatigue properties. Furthermore, in all of Examples 1 to 14, the corrosion loss was 10 g/(m 2 ·hr) or less, and no cracking occurred during hot working.
(17) The structures of Examples 1 to 4 and 6 to 14 after softening annealing were α+α' mixed structures. On the other hand, the structure after softening annealing in Example 5 was α single phase.

Figure 2024008729000003
Figure 2024008729000003

Figure 2024008729000004
Figure 2024008729000004

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼は、シャフト、軸受、歯車、ピン、ボルト、ねじ、タービンブレード、バルブ、刃物、ノズルなどに用いることができる。 The martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment according to the present invention can be used for shafts, bearings, gears, pins, bolts, screws, turbine blades, valves, cutters, nozzles, etc.

Claims (4)

0.10≦C≦0.30mass%、
Si≦0.20mass%、
0.20≦Mn≦1.50mass%、
P≦0.05mass%、
S≦0.01mass%、
Cu≦0.3mass%、
10.5≦Cr≦17.0mass%、
0.50≦Ni≦3.00mass%、
0.50≦Mo≦3.00mass%、及び、
0.1≦Nb≦0.5mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の式(1)及び式(2)を満たし、
フェライト相の面積率が50%以上である
窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
0.10≦C≦0.30mass%,
Si≦0.20mass%,
0.20≦Mn≦1.50 mass%,
P≦0.05mass%,
S≦0.01mass%,
Cu≦0.3mass%,
10.5≦Cr≦17.0mass%,
0.50≦Ni≦3.00mass%,
0.50≦Mo≦3.00mass%, and
0.1≦Nb≦0.5mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities,
The following formulas (1) and (2) are satisfied,
A martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment in which the area ratio of ferrite phase is 50% or more.
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].
Ti≦0.5mass%、及び/又は、
V≦1.0mass%
をさらに含む請求項1に記載の窒素富化処理用マルテンサイト系ステンレス鋼。
Ti≦0.5mass%, and/or
V≦1.0mass%
The martensitic stainless steel for nitrogen enrichment treatment according to claim 1, further comprising:
マルテンサイト系ステンレス鋼からなる基部と、
前記基部の表面に形成された窒素富化層と
を備え、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、
0.10≦C≦0.30mass%、
Si≦0.20mass%、
0.20≦Mn≦1.50mass%、
P≦0.05mass%、
S≦0.01mass%、
Cu≦0.3mass%、
10.5≦Cr≦17.0mass%、
0.50≦Ni≦3.00mass%、
0.50≦Mo≦3.00mass%、及び、
0.1≦Nb≦0.5mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、次の式(1)及び式(2)を満たし、
前記基部は、フェライト相の面積率が5%以下であり、
前記窒素富化層の厚さは、100μm以上である
マルテンサイト系ステンレス鋼部材。
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00 …(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00 …(2)
但し、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)、
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8、
[Creq]=[Cr」+[Mo]+1.5[Si]。
A base made of martensitic stainless steel,
a nitrogen-enriched layer formed on the surface of the base,
The martensitic stainless steel is
0.10≦C≦0.30mass%,
Si≦0.20mass%,
0.20≦Mn≦1.50 mass%,
P≦0.05mass%,
S≦0.01mass%,
Cu≦0.3mass%,
10.5≦Cr≦17.0mass%,
0.50≦Ni≦3.00mass%,
0.50≦Mo≦3.00mass%, and
0.1≦Nb≦0.5mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities,
The martensitic stainless steel satisfies the following formulas (1) and (2),
The base has a ferrite phase area ratio of 5% or less,
A martensitic stainless steel member, wherein the nitrogen-enriched layer has a thickness of 100 μm or more.
1.00≦[Ni]*[Mo]≦9.00…(1)
[Nieq]/[Creq]≧1.00…(2)
however,
[X] is the content of element X (mass%),
[Nieq]=[Ni]+30[C]+0.5[Mn]+8,
[Creq]=[Cr”+[Mo]+1.5[Si].
前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、
Ti≦0.5mass%、及び/又は、
V≦1.0mass%
をさらに含む請求項3に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部材。
The martensitic stainless steel is
Ti≦0.5mass%, and/or
V≦1.0mass%
The martensitic stainless steel member according to claim 3, further comprising:
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