JP3357863B2 - 析出硬化型ステンレス鋼およびその製品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、時効硬化性を有
し、溶体化状態で加工しやすく、時効処理によって高強
度、高硬度となすことができ、しかも優れた耐食性を兼
備する鋼、およびその鋼を使用した鋼製品の製造方法に
関する。

【０００２】本発明の鋼は、熱処理条件を選ぶことによ
って機械的性質を変えることができ、極めて高硬度の部
材にもできるので、化学工業、薬品工業、食品工業、海
洋関連、土木・建築等の分野で、特に耐食性と高硬度を
必要とする機器に利用するのに好適である。例えば、各
種機器のシャフト、ロール (ローラー) 、軸受等の支承
・免震装置の部品、金型、刃物等の工具類、耐圧容器、
ボルト・ナット類、等の機械部品、あるいはゴルフクラ
ブのような遊具類の材料等にも使用できる。

【０００３】本発明鋼は、鍛造材のみならず鋳造材とし
ても使用できるだけでなく、溶接材料 (棒、ワイヤー
等) としてハードフェーシング (肉盛) に使用でき、さ
らに粉末として焼結部品の製造にも利用できる。

【０００４】

【従来の技術】耐食性に優れた材料として、ステンレス
鋼を始めとする各種の金属材料が知られている。このよ
うな材料の使用環境は様々であるが、機器の製造コス
ト、メインテナンスコストの低減と耐久性向上 (使用寿
命の延長) の面から、材料に求められる性質はますます
高度なものになっている。さらに、精密な機器の材料と
しては加工性にも優れていることが望ましい。

【０００５】また、最近では化学物質や食品の粉砕、造
粒、ペレット化等のための装置が使用されており、その
ような装置では、各種の物質に対する耐食性は勿論のこ
と、長期の使用によっても摩耗を生じないための高硬度
が必要とされる。

【０００６】上記のような要望に応える材料として、材
料コストの面からは、鉄 (Fe) をベースとする合金、例
えばステンレス鋼が望ましい。一般に、ステンレス鋼に
おいては高硬度と優れた耐食性とは相反する性質である
が、その両者を備えたステンレス鋼系の合金として下記
のようなものがある。

【０００７】(1) JIS SUS 440 、420J2 の鋼 これらは、焼入れ型のステンレス鋼で、硬度・強度およ
び耐摩耗性には優れているが、耐食性が不十分である。
また、焼入れによって高硬度になるが、その熱処理時に
歪を生じやすく、その後の仕上加工が困難である。

【０００８】(2) JIS SUS 630 、631 の鋼 これらは析出硬化型のステンレス鋼であるから、硬化前
の加工は容易である。

【０００９】時効処理によって高硬度となり耐食性も良
好であるが、前述のような種々の用途においては更に硬
度および耐食性の向上が望まれる。

【００１０】(3) 高珪素析出硬化型ステンレス鋼 これは、特許第619,383 号（特公昭46−9536号) 、特許
第1,167,791 号 (特公昭57−17070 号公報) 等によって
知られるもので、シリコロイ (登録商標) と呼ばれてい
る。この鋼は、珪素 (Si) を比較的多量に含有させるこ
とによって、高強度 (高硬度) と優れた耐食性を兼備さ
せた合金である。しかし、最近の使用条件の過酷化に対
処するには、強度および耐食性の一層の向上が望まし
い。

【００１１】耐食性金属材料は、単に板材や線材のよう
な鍛造、圧延材料 (まとめて鍛練材という) としてだけ
用いられるのではない。例えば、鋳造材 (鋳物) として
使用されたり、粉末冶金法で作製される焼結部品用の粉
末、あるいは肉盛用の棒やワイヤーとしても使用され
る。しかしながら、これまでに知られた前記のような鋼
は、これら全ての用途に必ずしも適するものではない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記の高珪素析出硬化
型ステンレス鋼 (以下、シリコロイと記す) は、主にオ
ーステナイトとマルテンサイトの二相組織を持つ時効硬
化性の鋼である。従って、溶体化の状態では比較的低硬
度で加工性がよく、製品に加工してから時効処理を施せ
ば高強度化 (高硬度化) する。この鋼の耐食性は、SUS
304 のようなオーステナイト系ステンレス鋼に匹敵する
が、SUS 316Lの耐食性には及ばない。そこで、本発明者
は、このシリコロイを更に改良し、前記のような広汎な
用途に適するものにすることを課題として、本発明を成
した。

【００１３】本発明の第１の目的は、上記のシリコロイ
の基本的な特性を生かしながら、耐食性と機械的性質
（特に硬度）を共に要求される前記のような用途にふさ
わしい鋼を提供することにある。更に具体的には、耐食
性が JISの SUS 316L と同等以上で、かつ熱処理条件
（特に時効処理条件）の選定によって、到達硬度が HRC
(ロックウェルＣ硬度) で 54 以上になり得る鋼を提供
することにある。

【００１４】本発明の第２の目的は、上記の鋼を素材と
する製品の製造方法であって、優れた耐食性と機械的性
質を兼備する製品の製造方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の鋼は、次の第１
発明鋼から第４発明鋼までに大別される。なお、この明
細書において、成分含有量に関する％は、すべて質量％
を意味する。

【００１６】(1) 第１発明鋼 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 3.0 ％を超えて 6.0％まで、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下 残部がFeおよび不純物からなり、下記式で示すCr当量
と下記-1式で示すNi当量が溶体化の状態で図１の直線
ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を含
む）にある析出硬化型ステンレス鋼。

【００１７】 Cr当量＝ Cr(%)＋ 0.3×Mo(%) ＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ・・・・・・・・・・・-1 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは上記式のCr当量、ｙは上記-1式のNi当量で
ある。

【００１８】なお、上記第１発明鋼の各成分の中で、C
u、NbおよびTaの含有量は、下記の範囲が望ましい。

【００１９】Cu: 3.5 〜5.0 ％、 Nb: 0.1 〜2.0 ％、
Ta: 0.1 〜6.0 ％ (2) 第２発明鋼 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 0.5 〜6.0 ％、 Ti: 0.1 〜2.0 ％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、前記式および-1式
でそれぞれ表されるCr当量とNi当量が溶体化の状態で前
記図１の直線ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内
（線上を含む）にある析出硬化型ステンレス鋼。

【００２０】なお、上記第２発明鋼の各成分の中で、C
u、Nb、TiおよびTaの含有量は、下記の範囲が望まし
い。 Cu: 0.5 〜5.0 ％、Ti: 0.3 〜1.2 ％、Nb: 0.1 〜2.0
％、Ta:0.1〜6.0 ％ (3) 第３発明鋼 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 0.5 〜6.0 ％、 Co: 0.5 〜20.0％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、前記式で示すCr当量
と下記-2式で示すNi当量が溶体化の状態で前記図２の
直線ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を
含む）にある析出硬化型ステンレス鋼。

【００２１】 Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ＋ 0.1×Co(%) ・・・・-2 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは前記式のCr当量、ｙは上記-2式のNi当量で
ある。

【００２２】なお、上記第４発明鋼の各成分の中で、C
u、Nb、CoおよびTaの含有量は、下記の範囲が望まし
い。 Cu:0.5〜5.0 ％、 Co: 4.0〜6.0 ％、Nb: 0.1 〜2.0
％、Ta:0.1〜6.0 ％ (4)第４発明鋼 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 0.5 〜6.0 ％、 Ti: 0.1 〜2.0 ％、 Co: 0.5 〜20.0％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、前記式および-2式
でそれぞれ表されるCr当量とNi当量が溶体化の状態で前
記図１の直線ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内
（線上を含む）にある析出硬化型ステンレス鋼。

【００２３】なお、上記第４発明鋼の各成分の中で、C
u、Nb、Ti、CoおよびTaの含有量は、下記の範囲が望ま
しい。 Cu: 0.5 〜5.0 ％、 Ti: 0.3〜1.2 ％、 Co: 4.0〜6.0
％、Nb:0.1〜2.0 ％、Ta: 0.1 〜6.0 ％、 本発明の製造方法は、上記の本発明鋼を素材として製造
された装置、部品等、または本発明鋼で肉盛処理等を施
された装置、部品等 (ここではこれらをまとめて「本発
明鋼製品」という）に下記の熱処理を施すことを特徴と
する。

【００２４】 溶体化処理: 950〜1150℃で加熱した
後、冷却 時効処理: 200〜700 ℃で加熱 の溶体化処理の加熱時間は、製品のサイズに応じて決
定する。およその目安としては、製品の肉厚１インチ当
たり１〜２時間である。冷却は油冷、水冷等の急冷でよ
く、また、わずかな歪の発生をも避けたい場合には空冷
も採用できる。

【００２５】この処理によって、製品の金属組織は微細
なオーステナイト、マルテンサイトおよびフェライトの
混合組織となる。そのときの硬さは、およそ HRC 34 〜
38程度である。従って、この溶体化の状態で、機械加工
を施して部品の形状を整える (仕上加工を行う) ことは
容易である。

【００２６】の時効処理によって、残留オーステナイ
トの一部がマルテンサイト化し、更にマトリックス組織
中にNi−Si系、Ni−Ti系、Co−Ti系等の様々な金属間化
合物が析出して、製品の硬度が著しく高まる。時効処理
温度は 200〜700 ℃とするが、その範囲内で採用する温
度、および処理時間は、製品に付与したい機械的性質に
応じて変える。その温度と時間の選定次第で、 HRC 54
以上の硬度とすることが可能である。なお、処理時間
は、通常は製品の肉厚の１インチ当たり１〜３時間が望
ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】１．本発明鋼について 本発明鋼は、シリコロイの基本的な特性を維持しつつ、
その耐食性および硬化特性をさらに改良したことに大き
な特徴がある。その特徴は、本発明鋼を構成する全成分
の総合的な作用に基づくのであるが、まず、各合金成分
の作用効果と含有量の限定理由を説明する。

【００２８】(1) 第１発明鋼 Ｃ：0.08％以下 Ｃは鋼の強度を上げる元素であり、通常の高強度鋼では
所定量のＣの含有を必須としている。しかし、多量のSi
を含有する本発明鋼では、強度はSiによってもたらされ
る特異な金属組織で確保されるので、Ｃの含有は必須で
はない。むしろ、Ｃは本発明鋼の靱性を低下させるとと
もに耐酸化性や耐食性にも悪影響を及ぼす元素である。
また、Ｃは、前記-1式および-2式に示すように、Ni
当量に大きく影響する成分であり、過剰に存在すると他
の成分との含有量のバランスをとるのが難しくなる。従
って、Ｃの含有量はできるだけ少ない方がよい。0.08％
は許容上限値であるが、0.05％以下が望ましく、更に0.
02％以下に抑えるのが一層望ましい。現今の精錬技術で
は0.01％以下の極低炭素鋼の溶製も可能である。

【００２９】Si： 2.0〜5.0 ％ Siは、本発明鋼に強度を与える主要な元素であるだけで
なく、耐熱性、耐酸化性、耐食性、高温軟化抵抗性を付
与する。また、鋼の融点を下げ、流動性を増して鋳造性
を改善する元素でもある。その含有量が 2.0％未満の場
合は、上記の特性の向上効果が十分でない。一方、Siは
強力なフェライト形成元素であるから、前記式のCr当
量に及ぼす影響を考慮して上限を 5.0％とした。

【００３０】Mn：0.05〜3.0 ％ Mnは鋼の脱酸剤として働き、またオーステナイト生成元
素でもある。析出硬化型のステンレス鋼では、機械的性
質に大きく影響するものではないが、金属組織の緻密化
と安定化に役立つので、0.05％以上の含有が必要であ
る。しかし、3.0％を超えると耐食性が低下し、Ni当量
が過大になって時効後の硬度 (到達硬度)が低下する。

【００３１】Ni：4.0 〜10.0％ Niは鋼に耐食性 (特に耐酸性) 、耐酸化性および耐熱性
を付与するとともに、次に述べるCrとのバランスで、鋼
のマトリックスを望ましい組織に保つのに必須の元素で
ある。これらの作用効果を得るには 4.0％以上が必要で
ある。しかし、10.0％を超えると、Ni当量の増大によっ
てオーステナイト相が増加しすぎて到達硬度が低下し、
鋼の経済性も失われてしまう。

【００３２】Cr： 6.0％から12.0％未満 Crはステンレス鋼の基本的な特性、即ち、耐食性 (特に
耐酸性) 、耐熱性、耐酸化性を確保するための成分であ
る。6.0 ％未満ではこれらの性質が不十分である。他
方、Crが12.0％以上になると、Cr当量が大きくなって残
留オーステナイトが増え、所定の硬度が得難くなる。 Mo：0.2 〜5.0 ％ Moは鋼の耐食性 (耐酸性) とともに高温強度を高めて抗
クリープ性を改善し、また靱性と耐摩耗性の向上にも寄
与する。0.2 ％未満ではこれらの効果が不十分である。
Moは、フェライト生成元素であるから、その含有量が多
くなれば、Cr当量が大きくなり、高硬度化が困難にな
る。また、Moは高価な元素でもある。これらのことを総
合的に考慮して、Moの含有量は0.2 〜5.0 ％と定めた。

【００３３】Cu：3.0 を超えて 6.0％まで (望ましくは
3.5〜5.0 ％) 第１発明鋼は、Cuを多量に含有することに大きな特徴が
ある。Cuは、耐食性 (特に耐酸性) の改善とともに析出
硬化に寄与する元素である。

【００３４】図３および図４は、後述の実施例で使用し
た表１のNo.1の基本鋼 (但し、Cuは無添加) をベースと
して、Cu含有量を変化させ、時効処理後の硬度および耐
食性を調べた結果をグラフに示したものである。時効処
理の条件、硬度および耐食性の測定方法は、実施例の欄
に記載のとおりである。

【００３５】なお、これらの図には、上記のベース鋼に
0.3％のTiまたは 5.0％のCo、およその両方を添加した
鋼においてCu含有量を変化させた場合の時効処理後の硬
度および耐食性を調べた結果をも併記した。

【００３６】図３から明らかなように、CoおよびTiを含
有しない鋼の場合には、硬度が HRC54を超えるのはCuが
3.0％を超えるときである。一方、TiまたはCoを含有量
する鋼では、Cuが 0.5％以上になれば HRC 54 以上の硬
度が得られ、TiとCoをともに含有する鋼では、Cu無添加
でもHRC 54を超える硬度が得られている。

【００３７】図４を見れば、ベース鋼の耐食性はCu含有
量が 2.0％以上で SUS 316 Lの耐食性に勝るようになる
ことがわかる。CoまたはTiを含有する鋼の場合は、Cuが
0.5％以上のときに SUS 316 Lの耐食性に匹敵する耐食
性になり、また、TiとCoを共に含有する鋼では、Cu無添
加でもSUS 316 L の耐食性を凌いでいる。

【００３８】上記の試験結果から、CoおよびTiを含有し
ない第１発明鋼では、Cuの含有量を3.0 ％を超える範囲
とした。ただし、6.0 ％を超えるCuは、鋼の熱間加工性
を損なうので、上限は 6.0％とする。望ましいのは 3.5
〜5.0 ％である。

【００３９】Nb：5.0 ％以下 (望ましくは 0.1〜2.0
％) Nbは、鋼の析出硬化に寄与して高硬度化を助長し、ま
た、時効処理の際の硬化深度を大きくする作用をもつ。
従って、厚肉製品の素材として用いたときに、その時効
処理時間の短縮に役立つ。このNbは必ずしも添加する必
要はないが、添加する場合は、上記の作用効果は顕著に
なる 0.1％以上を含有させるのが望ましい。ただし、5.
0 ％を超えると熱間加工性に悪影響を生じ、またCr当量
が大きくなって高硬度化が困難になるので、5.0 ％を上
限とするべきである。望ましいNbの含有量は 0.1〜2.0
％である。

【００４０】Ta：8.0 ％以下 (望ましくは 0.2〜6.0
％) Taは、Nbと同様の作用効果を持つほか、Cuとの相乗効果
で耐食性を損なわずに高硬度化に寄与する。しかし、Ta
は高価な元素であるから、必ずしも添加しなくてもよ
い。添加する場合は、含有量として 8.0％以下でよい。
望ましいのは 0.2〜6.0 ％である。

【００４１】(2) 第２発明鋼 この鋼のＣからTaまでの含有量は、第１発明鋼と同じで
ある。相違点は、Tiを下記の範囲で含有し、かつCuの含
有量の範囲が下記のように拡大されていることにある。

【００４２】Ti: 0.1 〜2.0 ％ Tiは、析出硬化作用により鋼の強度（硬度）を高め、耐
熱性の向上にも寄与する。また、図３に示したように、
耐食性改善にも寄与する。これらの効果は 0.1％以上で
明らかになる。しかし、Tiの過剰添加は靱性を劣化させ
るから、その含有量は 2.0％までに抑えるべきである。

【００４３】Cu： 0.5〜6.0 ％ (望ましくは 0.5〜5.0
％) 図３および図４から明らかなように、Tiを含む鋼におい
ては、Cuの含有量が0.5 ％以上になると到達硬度がHRC
54以上となり、また、耐食性はSUS 316 L に優るように
なる。従って、Ti含有鋼においてはCuの含有量は0.5 ％
以上とした。なお、上限値(6.0％) を定めた理由は第１
発明鋼と同じである。

【００４４】(3) 第３発明鋼 この鋼もＣからTaまでの含有量は、第１発明鋼と同じで
ある。相違点は、Coを下記に範囲で含有すること、およ
びCuの含有量の範囲が拡大されていることにある。

【００４５】Co：0.5 〜20.0％ Coは、前記-2式に示すようにオーステナイト形成促進
元素である。従って、Niの作用を補う効果がある。さら
に、Coは時効硬化性を高めて製品の強度（硬度) を向上
させるほか、図４からも明らかなように、耐食性改善に
も寄与する。これらの効果は 0.5％から顕著になり、含
有量の増加に伴って効果も大きくなるが、過剰になると
Ni当量が大きくなって高硬度化が困難になる。また、Co
は高価な成分であるからその上限は20.0％とした。Coの
望ましい含有量は 0.5〜12％である。

【００４６】Cu：0.5 〜6.0 ％ (望ましくは 0.5〜5.0
％) 図３および図４に示すとおり、Coを含有する鋼における
Cuの到達硬度および耐食性に及ぼす影響は、Tiを含有す
る鋼における場合とほぼ同じである。従って、第２発明
鋼と同じくCuの含有量は 0.5〜6.0 ％とした。望ましい
範囲も同じである。

【００４７】(4) 第４発明鋼 この鋼もＣからTaまでの含有量は、第１発明鋼と同じで
ある。相違点は、TiおよびCoを下記の範囲で共に含有す
ること、およびCuが任意添加成分であることにある。

【００４８】Ti: 0.1 〜2.0 ％、Co：0.5 〜20.0％ TiおよびCoのそれぞれ単独の作用効果は前記のとおりで
ある。ところが、これら２成分が共存すると、鋼の耐食
性改善と高硬度化の効果が一層大きくなる。その理由は
未だ明らかではないが、Co−Ti系の金属間化合物の形成
が共存効果の原因であろうと推測される。

【００４９】TiおよびCoの含有量の限定理由は、先の第
２発明鋼および第３発明鋼の場合と同じである。

【００５０】Cu：6.0 ％以下 (望ましくは 0.5〜5.0
％) 図３および図４から明らかなように、TiとCoを含有する
鋼は、Cuが無添加であっても到達硬度は HRC 54 以上で
あり、耐食性はSUS 316Lを凌ぐ。従って、Cuの添加は必
ずしも必要ではない。しかし、Cuの添加によって、到達
硬度は一層高くなり、また耐食性も改善される。従っ
て、特にこれらの特性の向上が望まれる場合にはCuを添
加するのがよい。ただし、含有量の上限は、第１発明鋼
と同じ理由で 6.0％とするべきである。望ましい含有量
は 0.5〜5.0 ％である。

【００５１】第２発明鋼から第４発明鋼までの鋼でも、
必要に応じてNbまたは／およびTaを含有させることがで
きる。その作用効果および望ましい含有量は前記のとお
りである。

【００５２】本発明鋼は、上記の各成分のほか、残部が
鉄（Fe）と通常の不純物からなる。

【００５３】なお、不純物のうちＰとＳは、それぞれ0.
04％以下に抑えるのが望ましい。そして、上記各成分の
中でCr当量およびNi当量に大きな影響を及ぼす成分の含
有量は、次に述べるように、マトリックスの組織が図２
の所定領域（斜線部）に入るように調整される。

【００５４】(5) Cr当量およびNi当量 図１は、1050℃から水冷して溶体化処理したときの金属
組織を示す図であり、図２は、その一部を抽出した拡大
した図である。横軸（ｘ軸）はCr当量 (Creq)、縦軸
(ｙ軸）はNi当量 (Nieq) である。ただし、Cr当量とNi
当量は、下記の式および-1式または-2式でそれぞ
れ算出される。

【００５５】 Cr当量＝ Cr(%)＋0.3Mo(%)＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ・・・-1 (Coを含有しない第１発明鋼および第２発明鋼に適用） Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ＋ 0.1×Co(%) ・・・-2 （Coを含有する第３発明鋼および第４発明鋼に適用） 図１、図２において、直線ａはｙ＝25.40 −0.80ｘで表
され、この直線より上はオーステナイト域またはオース
テナイト＋フェライト域である。直線ｂはｙ＝19.20 −
0.81ｘで表され、これより下はマルテンサイト域または
マルテンサイト＋フェライト域である。

【００５６】直線ｃはフェライトが５％となる条件を示
し、これはｙ＝−8.48＋1.03ｘで表させる。直線ｄはフ
ェライトが80％となる条件で、ｙ＝−5.00＋0.50ｘで表
される。従って、図１の直線ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲ま
れる斜線領域内は、オーステナイト、マルテンサイトお
よびフェライトの３相組織の領域で、フェライトが５〜
80％の領域である。

【００５７】本発明において、Cr当量とNi当量の範囲を
溶体化した状態で、図１、図２の直線ａ、ｂ、ｃおよび
ｄで囲まれる斜線領域内になるように定めたのは、次の
理由に基づく。なお、図１、図２の組織は、溶体化状態
での組織であるが、時効処理後もマトリックスの組織は
溶体化状態と大きくは変わらない。時効処理によって、
そのマトリックス中に各種の金属間化合物が微細に析出
して高強度（高硬度）化するのである。ただし、マトリ
ックス自体の組織に多少の変化が生じても何ら差し支え
はない。以下に述べる硬度や耐食性は、溶体化した後に
時効処理を施した状態での硬度、耐食性である。

【００５８】まず、直線ａおよびｃよりも上の領域は、
実質的にオーステナイト領域であり、硬度が不十分であ
る。直線ａとｂで挟まれる領域の中でもオーステナイト
とマルテンサイトとの２相域は、硬度は高くなるが耐食
性に劣る。直線ｂよりも下のマルテンサイトとフェライ
トの２相領域も硬度は高いが耐食性が悪い。直線ｄより
も下は、フェライト量が過剰で硬度も耐食性も低い。ま
た、直線ａよりも上で、直線ｃとｄで囲まれる領域は、
耐食性には優れるが硬度が不足する。

【００５９】なお、上記の斜線領域の外では、おしなべ
て析出硬化能が劣り、時効処理前後の硬度差が小さい。
時効処理前に高硬度のものは加工性が劣り、低硬度のも
のは時効処理後も高硬度にはならない。

【００６０】上記の試験結果を総合すると、強度（硬
度）、耐食性および加工性がともに良好な領域は、直線
ａ、ｂ、ｃおよびｄによって囲まれる領域、即ち、オー
ステナイト、マルテンサイトおよびフェライトの三相領
域で、フェライトが５％から80％までの領域であると言
える。

【００６１】２．本発明の製造方法について この方法の対象になる部品は、前記の本発明鋼製品であ
る。その種類、形態は任意である。この方法を特徴づけ
る熱処理は、次の２工程からなる。

【００６２】(1) 溶体化処理工程 この工程では 950〜1150℃で加熱した後冷却して溶体化
する。950 ℃より低温では、溶体化が不十分で残留オー
ステナイトが増加し高硬度化が難しい。一方、1150℃を
超える高温では、結晶粒が粗大化して靱性が低下する。
加熱時間は、前記のとおり製品の肉厚１インチ当たり１
〜２時間が適当である。

【００６３】冷却方法には特に制約はなく、製品のサイ
ズ (肉厚) に応じて、溶体化状態が得られる冷却速度を
確保すればよい。例えば、水冷、油冷、空冷等の方法が
採用できる。

【００６４】この溶体化工程を経た後の製品は、微細な
オーステナイト、マルテンサイトおよびフェライトの３
相組織になり、その硬さはおよそHRC 34〜38程度であ
る。従って、この溶体化の状態で機械加工を施して部品
の形状を整える (仕上加工を行う) ことは容易である。

【００６５】(2) 時効処理工程 この工程では 200〜700 ℃で加熱して時効させ、強度
(硬度) を上げる。200℃未満の低温または 700℃を超え
るような高温では、望ましい高硬度（HRC 54以上) は得
られない。特に望ましいのは、400 〜550 ℃の範囲であ
る。なお、処理温度および処理時間は、製品に付与すべ
き機械的性質に応じて選定することができる。

【００６６】図５は、後述の実施例１で使用した本発明
鋼のNo.5、No.13 、No.21 、およびNo.32 の鋼（即ち、
第１発明から第４発明までの鋼の代表鋼）の時効処理に
おける到達硬度と時効時間の関係をグラフにしたもので
ある。試験材は径20mmの丸棒で、溶体化は1050℃×１時
間の一定、時効温度は480 ℃の一定とした。

【００６７】図５から明らかなように、どの鋼でも時効
時間が１時間以上になると到達硬度は HRC 54 以上にな
っている。

【００６８】図６は、上記の試験と同じ供試材で、時効
時間を３時間の一定とし、時効処理温度を変化させた場
合の到達硬度を調べた結果である。図示のとおり、時効
温度に応じて到達硬度が変化し、400 〜550 ℃の範囲で
最高硬さが得られる。

【００６９】上記のように、時効時間を一定にした場
合、保持温度を変えることによって到達硬度を変えるこ
とができる。例えば、耐摩耗性向上のために硬度を重視
する場合には 400〜550 ℃の範囲を選び、硬度よりも靱
性を重視する場合には 400℃よりも低温側、または 550
℃よりも高温側を選定すればよい。なお、時効処理は、
上記のように低温での処理であるから、部品の変形を招
くおそれはほとんどない。従って、前記(1) の処理の後
に最終形状に加工してから、(2) の熱処理を施して所定
の機械的性質 (強度、硬度、靱性等) を付与することが
できる。なお、わずかな歪の発生をも嫌う場合には、よ
り低温側を選ぶのがよい。ただし、低温の処理時間で高
い到達硬度を得るには、処理時間を長くしなければなら
ない。

【００７０】

【実施例１】表１に示す43種類の鋼を真空溶解して20kg
のインゴットに鋳造し、熱間鍛造して径20mmの丸棒の供
試材とした。これに、下記の熱処理を施して、各種の試
験を実施した。なお、表１の区分欄のＩ〜IVは、それぞ
れ本発明の第１〜第４発明の範疇に属することを意味す
る。図２の中に表１の鋼の位置を示した。

【００７１】1. 熱処理条件 (1) 溶体化処理： 1050 ℃×１時間→水冷 (2) 時効処理 ： 480 ℃×３時間→空冷 2. 試験条件 (1) 硬さ試験 供試材丸棒を径20mm、厚さ10mmに切断し、上記の溶体化
処理および時効処理を施し、鏡面研磨してロックウェル
硬度計にて硬度を測定した。

【００７２】(2) 引張試験 溶体化処理後の供試材丸棒を切断・切削加工してJIS 14
号Ａ引張り試験片とし、その後に前記の時効処理を施し
た。試験はJIS Ｂ 7721 に適合する試験機により室温(2
5 ℃) で行った。

【００７３】(3) 衝撃試験 溶体化処理後の供試材丸棒を切断・切削加工してJIS ４
号ＡのＶノッチ付き試験片とし、その後に前記の時効処
理を施した。試験はJIS Ｂ 7722 に適合する試験機によ
り室温(25 ℃) で行った。

【００７４】(4) 腐食試験 供試材丸棒を径15mm、厚さ10mmに切断・切削加工し、前
記の溶体化処理および時効処理を施し鏡面研磨して試験
片とした。その表面を脱脂・洗浄し、35％の濃塩酸(25
℃) 中に８時間浸漬した後、洗浄・乾燥して重量を測定
した。試験前後の重量差から腐食速度（ｇ／mm² ・hr)
を求めた。

【００７５】

【表１】

【００７６】

【表２】

【００７７】３．試験結果 試験結果を表２に示す。概要は下記のとおりである。

【００７８】(1) 既存鋼 (No.38 〜43) は、No.40 を除
いて、時効硬化性を持たないものである。No.40 のSUS
630 は時効硬化性ではあるが、時効処理後の硬度ｂ (以
下、到達硬度という) は低く、耐食性も不足である。N
o.41 のSUS 420J2 は焼入れ型のステンレス鋼で、その
硬度は高いが、耐食性が劣る。逆に、No.39 のSUS 316L
は、耐食性は十分であるが硬度が著しく低い。

【００７９】(2) No.1の基本鋼 (本発明による改良の基
になるシリコロイ) は、硬度のｂとａの差が大きく時効
硬化性に優れている。しかし、到達硬度は、52.0とやや
不足であり、また、耐食性はNo.39(SUS 316L) に遠く及
ばない。これは、Cuの含有量が 1.00 ％と低いことが主
な原因である。

【００８０】(3) 第Ｉ群の中のNo.4および第II群の中の
No.16 および第 III群の中のNo.24は、いずれもCr当量
または／およびNi当量が不適当なため、図２の斜線部に
入らない比較例である。これらは、いずれも到達硬度が
低い。

【００８１】(4) 表１中の「実施例」の鋼は、いずれも
時効硬化性能に優れ、時効処理後の到達硬度は HRCで54
以上である。しかも、耐食性は、既存鋼の中で最も優れ
るNo.39(SUS 316L) をも上回る。これは、各合金成分の
含有量の適正化とともに、Cr当量およびNi当量を最適な
バランスに調整したことによる。

【００８２】

【実施例２】表１に示した鋼の中から、代表例として表
３に示す９種類を選び、その熱間鍛造丸棒（径20mm）を
再鍛造し、切削加工して径5.1 mm、長さ300 mmの溶接棒
とした。この溶接棒を用いてSUS 316Lの母材（幅および
長さ20mm、厚さ５mm）の表面に10mm厚の肉盛を行い供試
材とした。肉盛（溶接）条件その他の試験条件は下記の
とおりである。

【００８３】１．溶接条件 溶接方法：ＴＩＧ シールドガス：アルゴン 溶接電流：180 Amp. パス間、層間温度：150 ℃以下 ２．熱処理条件 (1) 溶体化処理： 1100 ℃×１時間→水冷 (2) 時効処理 ： 480 ℃×６時間→空冷 ３．試験条件 (1) 硬さ試験 供試材から母材（SUS 316L板）を切削除去した後、上記
の溶体化処理および時効処理を施し、鏡面研磨してロッ
クウェル硬度計にて硬度を測定した。

【００８４】(2) 引張試験 同じく供試材から母材を切削除去した後、上記２の(1)
の溶体化処理を施し、それを切削加工してJIS 14号Ａ引
張り試験片とし、その後に前記２の(2) の時効処理を施
した。試験はJIS Ｂ 7721 に適合する試験機により室温
(25 ℃) で行った。

【００８５】(3) 衝撃試験 同じく供試材から母材を切削除去した後、前記２の(1)
の溶体化処理を施し、それを切削加工してJIS ４号Ａの
Ｖノッチ付き試験片とし、その後に前記２の(2) の時効
処理を施した。試験はJIS Ｂ 7722 に適合する試験機に
より室温(25 ℃) で行った。

【００８６】(4) 腐食試験 同じく供試材から母材を切削除去した後、幅および長さ
15mm、厚さ５mmに切断し切削加工して、前記の溶体化処
理および時効処理を施した。これをさらに鏡面研磨して
試験片とし、その表面を脱脂・洗浄し、35％の濃塩酸(2
5 ℃) 中に８時間浸漬した後、洗浄・乾燥して重量を測
定した。試験前後の重量差から腐食速度（ｇ／mm² ・h
r) を求めた。

【００８７】４．試験結果 上記の各試験の結果を表３に示す。

【００８８】

【表３】

【００８９】表３から明らかなように、本発明鋼は、肉
盛材として使用した場合でも優れた時効硬化性を有し、
到達硬度が高い。しかも耐食性に優れるので、耐食、耐
摩耗正の表面被覆層を形成する材料としてきわめて好適
である。

【００９０】

【発明の効果】本発明の時効硬化型ステンレス鋼は、溶
体化の状態で加工性しやすく、その後の時効処理で高い
硬度を有するに到る。その上、SUS 316Lを凌ぐ優れた耐
食性を有するので、強度、耐摩耗性および耐食性を同時
に要求される部材用として前記各種の用途に使用でき
る。

【００９１】本発明鋼は、鋳造材、鍛造材としては勿論
のこと、肉盛用材料あるいは粉末冶金用材料として用い
ても上記の優れた総合効果を発揮する。

【００９２】本発明の製造方法は、溶体化処理と時効処
理の組合せからなる。従って、溶体化処理後の低硬度の
状態で加工し、その後に時効処理を施せば所望の硬さに
なすことができる。その時効処理は 200〜700 ℃という
低温で行われるので、部品の変形はほとんど問題になら
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶体化状態でのCr当量およびNi当量と、組織と
の関係を示す図である。

【図２】図１の一部拡大図で、斜線部がCr当量およびNi
当量の最適バランスの領域である。

【図３】Cuの含有量と到達硬度（時効処理後の硬度）と
の関係を示す図である。

【図４】Cuの含有量と耐食性との関係を示す図である。

【図５】時効処理時間と到達硬度との関係を示す図であ
る。

【図６】時効処理温度と到達硬度との関係を示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−246343（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−57745（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−61514（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−85915（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 302 C22C 38/58

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 3.0 ％を超えて 6.0％まで、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、下記式で示すCr当量
   と下記-1式で示すNi当量が溶体化の状態で図１の直線
   ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を含
   む）にある析出硬化型ステンレス鋼。 Cr当量＝ Cr(%)＋ 0.3×Mo(%) ＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ・・・・・・・・・・・-1 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは上記式のCr当量、ｙは上記-1式のNi当量で
   ある。
2. 【請求項２】質量％で、 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 0.5 〜6.0 ％、 Ti: 0.1 〜2.0 ％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、下記式で示すCr当量
   と下記-1式で示すNi当量が溶体化の状態で図１の直線
   ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を含
   む）にある析出硬化型ステンレス鋼。 Cr当量＝ Cr(%)＋ 0.3×Mo(%) ＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ・・・・・・・・・・・-1 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは上記式のCr当量、ｙは上記-1式のNi当量で
   ある。
3. 【請求項３】質量％で、 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 0.5 〜6.0 ％、 Co: 0.5 〜20.0％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、下記式で示すCr当量
   と下記-2式で示すNi当量が溶体化の状態で図１の直線
   ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を含
   む）にある析出硬化型ステンレス鋼。 Cr当量＝ Cr(%)＋ 0.3×Mo(%) ＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ＋ 0.1×Co(%) ・・・・・-2 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは上記式のCr当量、ｙは上記-2式のNi当量で
   ある。
4. 【請求項４】質量％で、 Ｃ: 0.08％以下、 Si: 2.0 〜5.0 ％、 Mn: 0.05〜3.0 ％、 Ni: 4.0 〜10.0％、 Cr: 6.0 ％から12.0％未満、 Mo: 0.2 〜5.0 ％、 Cu: 6.0 ％以下、 Ti: 0.1 〜2.0 ％、 Co: 0.5 〜20.0％、 Nb: 5.0 ％以下、 Ta: 8.0 ％以下、 残部がFeおよび不純物からなり、下記式で示すCr当量
   と下記-2式で示すNi当量が溶体化の状態で図１の直線
   ａ、ｂ、ｃおよびｄで囲まれる斜線領域内（線上を含
   む）にある析出硬化型ステンレス鋼。 Cr当量＝ Cr(%)＋ 0.3×Mo(%) ＋ 1.5×Si(%) ＋ 0.5×Nb(%) ・・・・ Ni当量＝ Ni(%)＋30×Ｃ(%) ＋ 0.5×Mn(%) ＋ 0.1×Co(%) ・・・・・-2 ただし、直線ａは、ｙ＝25.40 −0.80ｘ 直線ｂは、ｙ＝19.20 −0.81ｘ 直線ｃは、ｙ＝−8.48＋1.03ｘ 直線ｄは、ｙ＝−5.00＋0.50ｘ で、ｘは上記式のCr当量、ｙは上記-2式のNi当量で
   ある。
5. 【請求項５】請求項１から４までのいずれかに記載の化
   学組成を有する鋼の製品に、 950〜1150℃で加熱した後
   冷却する溶体化処理と 200〜700 ℃で加熱する時効処理
   を施すことを特徴とする請求項１から４までのいずれか
   に記載の耐食性に優れた高硬度鋼製品の製造方法。