JP3452251B2 - 機械構造用マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼 - Google Patents

機械構造用マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明はCu、Si、Tiを複合添加する
ことによって時効硬化能を向上させ、さらに、Nbと
C、およびTiとNの適正なバランスを見出すことによ
って、固溶化処理後の硬さの抑制と時効硬化能の向上の
両立を可能にした、機械構造用マルテンサイト系析出硬
化型ステンレス鋼に関する。
【0002】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械構造用マルテ
ンサイト系析出硬化型ステンレス鋼に係わり、例えば、
耐食性が要求され、かつ高面圧を受けて使用される軸
受、歯車等や、疲労強度を要求されるシャフト類等に関
わる。
【0003】
【従来の技術】従来、高い耐食性を保持し、かつ高強度
が要求される機械構造部材にはSUS630が一般的に
使用されている。しかしながら、近年、機械構造体の小
型、軽量化の進展にともない、その結果として、軸受や
シャフト類等は高荷重、高面圧といった過酷な使用環境
に置かれており、材料強度不足が問題となっている。S
US630より高硬度が得られる材料としては、SUS
631があるが、この鋼種はAlを多量に含むため、鋼
の製造性が悪く、かつ疲労破壊の原因となる酸化物系介
在物が多く生成してしまう。さらに、これらの鋼種は冷
間加工性や機械加工性が悪く、部品製造コスト削減のた
めには固溶化処理後の硬さを極力低減したい要求があ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記に示したような問
題点に対して、時効によって高硬度を得るという点で
は、特開昭60-36649、特開昭60-177134、特開平4-572
6、特開平4-36441、特開平7-157850、特開平8-74006等
があるが、いずれも固溶化処理後の硬さに配慮が欠けて
おり、すなわち固溶化硬さが高く、時効硬化能(ΔHv)
が低い。また、特開平8-19507や登録2571949では固溶化
処理後の硬さを低減するため、フェライトを多量に生成
させている。しかし、このフェライトは時効処理後にも
残存し、時効硬化能を低下させるばかりでなく、疲労特
性を低下させる原因となる。本発明はこのような問題を
解決するために、鋭意研究を重ねた結果得られたもの
で、機械構造用マルテンサイト系析出硬化型ステンレス
鋼を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、固溶化処理後
の硬さを低減させるため、NbおよびTiを添加し、か
つNbとCおよびTiとNの比率を限定することで、固
溶CおよびN量を低減し、かつSi、Cu、Cr、N
i、Mo等の添加量を限定することで、疲労特性に悪影
響を及ぼすフェライトの生成を抑制するとともに、さら
に時効硬化能を現出するCu、Si、Tiをバランス良
く複合添加することで、高時効硬化能を実現したもので
ある。
【0006】従って、本発明の機械構造用マルテンサイ
ト系析出硬化型ステンレス鋼は、化学組成が重量%で、
C:0.03%以下、Si:0.5〜0.95%、Mn:1.0%以下、
Cu:1.5〜3.5%、Ni:5.0〜8.0%、Cr:14.0〜17.0
%、Ti:0.65〜1.5%、Al:0.05%以下、Nb:0.1〜
0.4%、N:0.015%以下、O:0.005%以下を含み、Nb/
C:10以上、Ti/N:50以上で、あるいは、Mo:1%
以下を含んでもよく、その他不可避の不純物を含む合金
鋼から成り、固溶化処理後の組織がマルテンサイトと5v
ol%以下フェライトから成り、また硬さがHv300以下であ
り、さらに、その後の時効処理により硬さがHv510以上
となり、時効による硬さ上昇分ΔHvが230以上となるも
のである。次に化学組成等の限定理由について述べる。
【0007】C:0.03%以下 Cは固溶化処理後に生成するマルテンサイトに固溶して
いると、その硬さを上昇させるばかりでなく、耐食性を
劣化させる原因にもなるので、上限を0.03%とした。
【0008】Si:0.5〜0.95% Siは鋼の製造時に脱酸材として添加される元素である
が、Cu、Tiと複合添加することによって高時効硬化
能を高める元素でもあり、その効果のためには0.5%以上
の添加が必要である。しかし、0.95%を超えて添加する
と、固溶化処理後のマルテンサイトを固溶強化して硬さ
を上昇させるばかりでなく、フェライトの生成を促進し
てしまうため上限を0.95%とした。
【0009】Mn:1.0%以下 Mnは固溶化処理時のフェライトの生成を抑制するが、
同時に疲労特性に悪影響を及ぼすMnSの非金属介在物
を生成し、さらに熱間加工性を阻害するので、上限を1.
0%とした。
【0010】Cu:1.5〜3.5% CuはSUS630にも添加されているように、時効硬
化能を現出させる重要な元素で、さらに耐食性も改善す
る効果もあるため1.5%を下限とし、過剰に添加すると熱
間加工性を著しく阻害するため上限を3.5%とした。さら
に望ましくは2.6〜3.5%である。
【0011】Ni:5.0〜8.0% Niは耐食性を改善し、さらにフェライトの生成を抑制
する効果に加えて、Si、Tiと結合することで高時効
硬化能を現出する重要な元素で、その効果のためには5.
0%以上必要で、過剰に添加するとその効果が飽和するば
かりでなく、材料コストを上昇させてしまうため上限を
8.0%とした。さらに望ましくは6.5〜8.0%である。
【0012】Cr:14.0〜17.0% Crはステンレス鋼の耐食性を与えるのに必須の元素で
あり、その効果を十分に引き出すためには14.0%以上が
必要で、過剰に添加するとフェライトの生成を促進する
ため上限を17.0%とした。さらに望ましくは14.5〜16.0%
である。
【0013】Mo:1.0%以下 Moは耐食性を向上させる元素として知られており、1.
0%まで添加してもよい。しかし、過剰に添加すると固溶
化処理後のマルテンサイトを固溶強化して硬さを上昇さ
せるばかりでなく、フェライトの生成を促進し、さらに
材料コストも上昇させてしまうため上限を1.0%とした。
【0014】Ti:0.65〜1.5% Tiは高時効硬化能を現出する重要な元素で、高硬度を
必要とする本発明では0.65%以上が必要である。しか
し、過剰に添加すると時効硬化能はさらに上昇するが、
TiNの大きな非金属介在物を生成しやすくなり、結果
として疲労特性向上効果が飽和し、ともすれば劣化させ
てしまうため上限を1.5%とした。さらに望ましくは上限
0.95%である。
【0015】Al:0.05%以下 Alは鋼の製造上、脱酸材として添加され、多量に添加
するとNiと結合することで時効硬化能を発現するが、
同時にアルミナのような酸化物系介在物を多量に生成す
るため、製造性を阻害するばかりでなく、この介在物が
疲労特性を劣化させてしまう。従って、本発明では時効
硬化能の現出にAlを使用しないので上限を0.05%とし
た。
【0016】Nb:0.1〜0.4% NbはCと非常に親和力の強い元素で、固溶化処理時に
マルテンサイト中にCが固溶するのを防止し、その硬さ
を低減するのに有効な元素である。その効果のためには
0.1%以上の添加が必要であり、過剰の添加はその効果が
飽和するばかりでなく、材料コストを上昇させてしまう
ので上限を0.4%とした。
【0017】N:0.015%以下 Nは鋼中に不可避に存在する元素であるが、Tiとの親
和力が非常に強く、非金属介在物であるTiNを生成
し、疲労特性に悪影響を及ぼすばかりでなく、時効硬化
に寄与するTiを確保するためには少なくとも0.015%以
下にする必要がある。
【0018】O:0.005%以下 Oは鋼中において、ほとんどがアルミナに代表される酸
化物系介在物として存在し、この介在物は疲労特性を大
きく劣化させるので上限を0.005%とした。さらに望まし
くは0.003%以下である。
【0019】Nb/C:10以上 Nb/Cは固溶化処理後の硬さを左右する非常に重要な
因子であることが判明し、その効果のためには10以上と
する必要がある。
【0020】Ti/N:50以上 Ti/Nは固溶化処理後の硬さを左右し、さらに時効硬
化能にも影響する重要な因子であることが判明し、その
効果のためには50以上が必要である。
【0021】固溶化処理後のフェライト量:5vol%以下 機械構造部材として疲労特性は非常に重要である。固溶
化処理後のフェライトは時効によって消失することはな
く、マルテンサイト中にこの軟質なフェライトが存在す
ると疲労特性に悪影響を及ぼす。従って、その上限を5v
ol%とした。
【0022】固溶化処理後の硬さ:Hv300以下 SUS630等のマルテンサイト系析出硬化型ステンレ
ス鋼は機械構造部材となる過程で、冷間加工や機械加工
によって部品形状に成形される。その加工性を向上させ
るため固溶化処理後の硬さの上限をHv300とした。
【0023】時効処理後の硬さ:Hv510以上 機械構造部材の高強度化として、高度で安定な効果を得
るために下限をHv510とした。
【0024】時効硬化能ΔHv:230以上 固溶化処理後の硬さを極力低減し、かつ時効硬化能を端
的に表現するものとしてΔHvの下限を230とした。
【0025】この本発明において、これら合金元素の他
に、鋼の製造上不可避の不純物を含む。その中でBにつ
いては、本発明の特徴である固溶化硬さや時効硬さに影
響を及ぼす元素ではなく、むしろ熱間加工性を改良する
場合があるため、必要に応じて添加してもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】表1におけるA〜Hは本発明によ
る鋼の化学成分を、I〜Pは比較鋼を、Qは従来鋼であ
るSUS630の化学成分を示す。また同時にNb/
C、Ti/Nも示す。
【表1】 表2は、表1に示した化学成分を有する鋼A〜Qの固溶
化処理後の硬さとフェライト量、時効処理後の硬さ、お
よび時効硬化能ΔHvを示す。
【表2】 さらに表3は表4に示す試験条件において実施した回転
曲げ疲労試験により得られた107回耐久応力と、表5に
示す試験条件において実施したスラスト型転動寿命試験
より得られた平均寿命を、従来鋼SUS630を基準と
した比を示す。表4には、回転曲げ疲労試験方法を示し
た。表5には、スラスト型転動寿命試験方法を示した。
【表3】
【表4】
【表5】
【0027】ここで、本発明鋼はすべて固溶化処理後の
硬さはHv300以下であり、そのフェライト量は5vol%以
下であり、さらに時効処理後の硬さはHv510以上でΔ
Hvは230以上を示しており、さらに回転曲げ疲労特
性、転動疲労特性ともに時効硬さの上昇にともない良好
である。
【0028】一方、これに対して、比較鋼IはCが高
く、また比較鋼JはC、Nbが本発明の請求範囲であっ
てもNb/Cが低く、固溶化処理後の硬さが十分に低減
されておらず、比較鋼KはSi量が多く固溶化処理後の
硬さも高く、さらにはフェライト量が多いことから疲労
特性も良好とは言えない。さらに比較鋼LはTi量が低
く、十分な時効処理後の硬さおよび時効硬化能が得られ
ていない。また、比較鋼MはTi、Nが本発明の請求範
囲であってもTi/Nが低く、固溶化処理後の硬さが高
く、十分な時効硬化能が得られていない。さらに、比較
鋼NはTi量が過剰であり、時効処理後の硬さ等は十分
であるにかかわらず、TiNが原因となり疲労特性の向
上が認められない。
【0029】さらに、比較鋼OはAlが過剰添加されて
おり、時効硬さ等は十分であるにかかわらず、アルミナ
等の酸化物系介在物が原因となり疲労特性の向上が認め
らない。さらに、比較鋼PはCu量が低く、時効処理後
の硬さおよび時効硬化能が十分に得られていない。比較
鋼K、N、Oは硬さと疲労特性とのバランスが取れてお
らず、むやみに材料コストを上昇させているのみなら
ず、機械構造用としての用途にとっては不適切であり、
すなわち、機械構造部材の設計に際して受け入れ難いも
のである。尚、従来鋼はSiが低く、かつTiが添加さ
れておらず十分な時効処理後の硬さが得られていないこ
とがわかる。
【0030】従って、本発明鋼は固溶化処理後の硬さが
低く、また時効処理後に高硬度が得られ、その硬さに見
合って疲労特性が向上する、機械構造用マルテンサイト
系析出硬化型ステンレス鋼である。以上に本発明の実施
例を詳述したが、これは一例であり、本発明の意図を逸
脱しない範囲で、高耐食性、高硬度が要求される機械構
造部材に適用可能である。
【0031】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来よ
りも冷間加工性や機械加工性が良好で、かつ優れた時効
硬化能、疲労特性をもつ機械構造用マルテンサイト系析
出硬化型ステンレス鋼を得ることができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化学組成が重量%で、C:0.03%以下、S
    i:0.5〜0.95%、Mn:1.0%以下、Cu:1.5〜3.5%、
    Ni:5.0〜8.0%、Cr:14.0〜17.0%、Ti:0.65〜1.
    5%、Al:0.05%以下、Nb:0.1〜0.4%、N:0.015%以
    下、O:0.005%以下を含み、Nb/C:10以上、Ti/
    N:50以上で、その他不可避の不純物を含む合金鋼から
    成り、固溶化処理後の組織がマルテンサイトと5vol%以
    下フェライトから成り、また硬さがHv300以下であり、
    さらに、その後の時効処理により硬さがHv510以上とな
    り、時効による硬さ上昇分ΔHvが230以上となる機械構
    造用マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】化学組成が重量%で、C:0.03%以下、S
    i:0.5〜0.95%、Mn:1.0%以下、Cu:1.5〜3.5%、
    Ni:5.0〜8.0%、Cr:14.0〜17.0%、Ti:0.65〜1.
    5%、Al:0.05%以下、Nb:0.1〜0.4%、N:0.015%以
    下、O:0.005%以下、Mo:1.0%以下を含み、Nb/
    C:10以上、Ti/N:50以上で、その他不可避の不純
    物を含む合金鋼から成り、固溶化処理後の組織がマルテ
    ンサイトと5vol%以下フェライトから成り、また硬さがH
    v300以下であり、さらに、その後の時効処理により硬さ
    がHv510以上となり、時効による硬さ上昇分ΔHvが230以
    上となる機械構造用マルテンサイト系析出硬化型ステン
    レス鋼。
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