JP3443544B2 - 高強度析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐食性とともに高
い強度が要求される部材や部品の素材に最適な高強度析
出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より前記のような部材，部品には析
出硬化型ステンレス鋼が主に使われている。この析出硬
化型ステンレス鋼には、固溶化処理後にサブゼロ処理し
てもオーステナイト組織であるオーステナイト系、固溶
化処理ままではほゞオーステナイト組織であるが、サブ
ゼロ処理又は冷間加工によってマルテンサイト組織とな
るセミオーステナイト系、および固溶化処理でマルテン
サイト組織となるマルテンサイト系がある。

【０００３】オーステナイト系（例えばＡ２８６）は、
Ｃｒ，Ｎｉを多量に含有しており、耐食性は優れるが、
強度は１０００ＭＰａ程度で、強度は低い。これは、オ
ーステナイト地においては析出硬化の効果が小さいため
である。これに対して、セミオーステナイト系は、オー
ステナイト系に比較して合金元素量が少なく、Ｍｓ点が
常温付近にあり、固溶化処理のままではほぼオーステナ
イト組織である。一般的には、固溶化処理後、サブゼロ
処理または冷間加工（加工誘起マルテンサイト変態）に
よってマルテンサイト組織にした後に、析出強化処理
（いわゆる時効処理）を実施して、高硬さ，高強度が得
られる。代表的な鋼種として、ＡＩＳＩ６３１やＡＩＳ
Ｉ６３２がある。

【０００４】このセミオーステナイト系ステンレス鋼
は、固溶化処理後の比較的硬さの低いオーステナイト組
織の状態で冷間加工がなされるため、容易に冷間加工が
可能であるといった利点がある。ただし、サブゼロ処理
又は冷間加工後に溶接が必要な部材については、溶接部
が再固溶化処理され、したがって時効処理後の溶接部の
強度が低下するため、使用が大きく限定される欠点があ
る。さらに、固溶化処理後のオーステナイトをマルテン
サイト化する方法として冷間加工法が適用できない場合
はサブゼロ処理が必要となるが、コストアップになると
ともに、大物材のサブゼロ処理は困難な場合が多いのも
欠点である。

【０００５】一方、マルテンサイト系は、セミオーステ
ナイト系に比較して合金含有量が比較的少なく、Ｍｆ点
が常温以上にあり、固溶化処理で実質的にほぼマルテン
サイト組織が得られる。したがって、固溶化処理後のサ
ブゼロ処理や冷間加工が不要であること、また溶接して
も溶接部の機械的性質がほとんど変化しないことが大き
な利点である。ただし、固溶化処理後にマルテンサイト
組織を得るためには合金元素量が制限さるため強度は比
較的低い。

【０００６】そこで、このマルテンサイト系鋼の強度を
アップさせる方法として、例えば特開平７−１５７８５
０号公報や特開平７−２５８７２９号公報には、固溶化
処理後、さらに冷間加工を施した後、時効処理する方法
が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開平７
−１５７８５０号公報や特開平７−２５８７２９号公報
に開示されたマルテンサイト系ステンレス鋼の強度アッ
プ方法は、溶接を必要とする部材、または冷間加工を必
要としない、例えば熱間鍛造加工による部材には適用し
難い問題もある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、固溶化処理後
にサブゼロ処理や冷間加工を施すことなく、時効処理を
施すだけで、高靱性，高強度が得られる析出硬化型マル
テンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とした
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本願の第１発明は、重量比で、Ｃ：０．０１％以
下、Ｎ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：
０．１％以下、Ｃｒ：１０．０〜１２．５％、Ｎｉ：
８．５〜１０．４％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｔｉ：
１．２〜１．６％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、但
し、Ｃ＋Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅお
よび不可避的不純物からなり、かつ前記元素の含有量が
以下の式（１） ９５７−４９３０×（Ｃ(%) ＋Ｎ(%））−２３．５×Ｃ
ｒ(%) −４４．８×Ｎｉ(%) −２８．７×Ｍｏ(%) −２
２．２×Ｔｉ(%) ≧１２０・・・・（１）を満足するこ
とを特徴とする高強度析出硬化型マルテンサイト系ステ
ンレス鋼である。

【００１０】また、本願の第２の発明は、前記第１発明
の合金成分に加えて、重量比で、Ｖ：０．１〜０．５％
を含有することを特徴とする高強度析出硬化型マルテン
サイト系ステンレス鋼であり、さらに第３の発明は、引
張強さが１７００ＭＰａを越えることを特徴とする前記
第１又は第２発明の高強度析出硬化型マルテンサイト系
ステンレス鋼である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る析出硬化型マ
ルテンサイト系ステンレス鋼を詳細に説明すると、本発
明者は、１０〜１３Ｃｒ−７〜１０Ｎｉの析出硬化型マ
ルテンサイト系ステンレス鋼の強度および靱性の向上に
ついて鋭意研究した。まず、Ｍｓ点に及ぼす合金元素Ｃ
＋Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖの影響
について詳細に研究した。第１図は、（Ｃ＋Ｎ）とＭｓ
点の関係を示す。Ｃ、ＮはＭｓ点降下にいちじるしく影
響することは周知の事実であるが、（Ｃ＋Ｎ）≦０．０
１５％ではさらにその影響度が大きくなることが判明し
た。

【００１２】第２図にＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ｉ量とＭｓ点の関係を示す。Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉは
本合金系においてもＭｓ点を大きく降下させることが確
認された。Ｎｂは少量添加でＭｓ点を大きく降下させる
こと、及びＶはＭｓ点にほとんど影響しないことが判明
した。第３図にＣｒ、Ｎｉ量とＭｓ点の関係を示す。Ｃ
ｒ、Ｎｉは本合金系においてもＭｓ点を大きく降下させ
ることが確認された。

【００１３】上記の実験事実を基にして、Ｍｓ点とマル
テンサイト変態の関係を詳細に調査した。その結果、Ｍ
ｓ点が１２０℃以上であれば溶体化後に実質的にマルテ
ンサイトになること、およびＭｓ点が１２０℃以上とな
る成分系は、上記式（１）で規定されることを見出し
た。さらに、析出硬化元素であるＴｉの硬さおよび靱性
への影響について詳細に研究した。Ｔｉ添加量が多いほ
ど強度は高くなるとともに靱性は劣化することは周知の
ことであるが、Ｔｉ／Ｎｉが０．１６以内であれば急激
な靱性劣化はないことを見出した。

【００１４】以上の発明により、固溶化処理後にサブゼ
ロ処理および冷間加工をすることなく、時効処理によっ
て１７００ＭＰａ以上の強度が得られる析出硬化型マル
テンサイト系ステンレス鋼を提供するに至った。以下
に、本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレ
ス鋼の合金成分限定理由を説明する。

【００１５】Ｃ：０．０１％以下 Ｃが増大するとマルテンサイトの硬さが上昇し、冷間加
工性が悪化する。また炭化物を形成し、靱性や耐食性が
劣化する。さらに、ＣはＭｓ点を著しく低下させる元素
であり、低く抑える必要がある。したがって、０．０１
％以下とする。また、ＮもＣと同様のＭｓ点降下作用が
あるため、（Ｃ＋Ｎ）≦０．０１５％とする。 Ｎ：０．０１％以下 Ｎが増大すると窒化物を形成し、靱性や耐食性が劣化す
る。さらに、ＮはＭｓ点を大きく低下させる元素であ
り、低く抑える必要がある。したがって、０．０１％以
下とする。また、ＣもＮと同様のＭｓ点降下作用がある
ため、（Ｃ＋Ｎ）≦０．０１５％とする。 Ｓｉ：０．１％以下 Ｓｉは固溶強化元素であるが、靱性を損なうので、０．
１％以下とする。 Ｍｎ：０．１％以下 Ｍｎは非金属介在物ＭｎＳを形成しやすく、ＭｎＳは靱
性を劣化させるだけでなく、耐食性も劣化させるので、
０．１％以下とする。 Ｃｒ：１０．０〜１２．５％ Ｃｒは耐食性を維持するのに必須の元素であり、そのた
めには１０．０％以上の添加が必要である。過剰に添加
するとＭｓ点が降下し、溶体化後にオーステナイトが多
く残留し、時効硬さが低下する。また、δフェライトが
生成し、靱性が損なわれるので、上限を１２．５％とす
る。 Ｎｉ：８．５〜１０．４％ Ｎｉは強度と靱性を確保するのに重要な元素であり、
８．５％を下限とする。過多に添加するとＭｓ点が降下
し、溶体化後にオーステナイトが多く残留するので、１
０．４％を上限とする。 Ｍｏ：１．５〜２．５％ Ｍｏは、耐食性向上に有効な元素であるとともに、析出
強化に寄与する元素である。１．５％以上の添加でない
とその効果は小さく、２．５％以上添加すると靱性が悪
化するとともに、δフェライトが生成するので、１．５
〜２．５％とする。 Ｖ：０．５％以下 Ｖは本発明における重要な元素である。ＶはＮｂと同様
に炭化物、窒化物形成元素であり、Ｃ、Ｎを固定する効
果があるとともに、結晶粒微細化にも寄与する元素であ
る。Ｖ、ＮｂのＭｓ点への影響について研究した結果、
ＮｂはＭｓ点を降下させるが、ＶはＭｓ点には影響しな
いことを見出した。Ｍｓ点に影響せず、強化作用がある
ことは利用価値が大きいが、過多に添加すると靱性が悪
化するので、０．１〜０．５％とする。 Ｔｉ：１．２〜１．６％ ＴｉはＮｉと金属間化合物を生成して鋼の強度向上に寄
与する元素である。またＴｉは本発明鋼の析出硬化にも
大きく寄与する元素である。しかし過多に添加すると靱
性が著しく劣化するので、１．２〜１．６％とする。 Ｂ：０．００１〜０．００５％ Ｂは熱間加工性の向上に有効な元素である。ただし、多
量添加は逆に加工性を劣化させるので、０．００１〜
０．００５％とする。

【００１６】

【実施例】以下に、表１に示す化学成分からなる本発明
鋼（試験片Ｎ０．１〜Ｎ０．５）と比較鋼（Ｎ０．６〜
Ｎ０．１０）について、真空溶解炉で１０ｋｇ鋼塊を溶
製した。得られた鋼塊を熱間鍛造および熱間圧延によっ
て板厚５ｍｍにした後、冷間圧延によって厚さ３．０ｍ
ｍに加工し、試験片を得た。熱処理は９５０℃の溶体化
処理（水冷１５℃）後、５００℃の時効処理を実施し
た。引張り試験片はＡＳＴＭ Ｅ８の試験片で、シャル
ピー試験片はＡＳＴＭ Ｅ２３のサブサイズ２．５ｍｍ
幅のＶノッチ試験片である。

【００１７】

【表１】

【００１８】表２に、本発明鋼（試験片Ｎ０．１〜Ｎ
０．５）および比較鋼（Ｎ０．６〜Ｎ０．１０）の時効
処理後の残留オーステナイト、引張強さ、シャルピー衝
撃値を示す。表２から明らかなように、本発明鋼は、引
張強さも高く、かつシャルピー衝撃値も高く、強度と靱
性を兼ね備えていることがわかる。これに対して、比較
鋼Ｎ０．６は引張強さ（強度）は高いが、シャルピー衝
撃値が低い。また比較鋼Ｎ０．７及びＮ０．８は残留オ
ーステナイトが存在し、シャルピー衝撃値は高いが強度
が低い。比較鋼Ｎ０．９はＴｉを過剰添加したものであ
り、強度は高いがシャルピー衝撃値は著しく低い。また
比較鋼Ｎ０．１０は従来鋼であり、シャルピー衝撃値は
高いが強度が低い。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係る高
強度析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、固溶
化処理後のサブゼロ処理または溶体化後の冷間加工をす
ることなく、時効処理のみによって、高靱性，高強度が
得られる。したがって、コストダウンを図ることが出来
るとゝもに、大物材でも又溶接を必要とする部材、又は
冷間加工を必要としない、例えば熱間鍛造加工による部
材にも使用可能であり、使用分野が拡大する、といった
諸効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】１１．５Ｃｒ−９．０Ｎｉ系における（Ｃ＋
Ｎ）含有量とＭｓ点の関係を示す図である。

【図２】＜０．０１Ｃ−１１．５Ｃｒ−９．０Ｎｉ系に
おける合金含有量とＭｓ点の関係を示す図である。

【図３】＜０．０１Ｃ−９．０Ｎｉ系および＜０．０１
Ｃ−１１．５Ｃｒ系における合金含有量とＭｓ点の関係
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯原 多加始 東京都中央区日本橋１丁目３番13号 日 本高周波鋼業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣ：０．０１％以下、Ｎ：０．
   ０１％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以
   下、Ｃｒ：１０．０〜１２．５％、Ｎｉ：８．５〜１
   ０．４％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｔｉ：１．２〜
   １．６％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、但し、Ｃ＋
   Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可
   避的不純物からなり、かつ前記元素の含有量が以下の式
   （１）を満足することを特徴とする高強度析出硬化型マ
   ルテンサイト系ステンレス鋼。 ９５７−４９３０×（Ｃ(%) ＋Ｎ(%））−２３．５×Ｃ
   ｒ(%) −４４．８×Ｎｉ(%) −２８．７×Ｍｏ(%) −２
   ２．２×Ｔｉ(%) ≧１２０・・・・（１）
2. 【請求項２】 重量比でＶ：０．１〜０．５％を含有す
   ることを特徴とする請求項１記載の高強度析出硬化型マ
   ルテンサイト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 引張強さが１７００ＭＰａを越えること
   を特徴とする請求項１又は２記載の高強度析出硬化型マ
   ルテンサイト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】 Ｍｓ点が１３０°Ｃ以上で、かつ溶接し
   て使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の高
   強度析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。