JP3744625B2

JP3744625B2 - 耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP3744625B2
Application number: JP30349396A
Authority: JP
Inventors: 克久宮楠; 定幸中村
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: JPH10130791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気，機械，建築等のあらゆる分野において、バネ等の疲労特性および耐食性が要求される用途で使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＵＳ４１０に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は刃物や一般機械部品等に用いられており、ある程度の耐食性を有するとともに焼入れ性が良好なことから、バネ用途にも使用されている。最近では、さらにＣおよびＮなどの侵入型元素やＴｉおよびＭｏなどの析出強化元素を添加し、焼入れ、焼戻しおよび時効処理等を組み合わせて硬さの上昇を図るとともに疲労特性を改善した鋼が用いられるようになってきた。
【０００３】
他方、鋼材の疲労特性は、鋼材表面の残留応力を圧縮の状態とすることによって改善できることが知られている。例えば、特開昭６２−１９２５２８号公報には、溶体化したマルエージング鋼部材に対して引張りつつ小さな曲率半径に曲成したり、ショット，グリットなどを表面に投射して部材表面部の少なくとも一部に圧縮残留応力を付与した後、４００〜４８０℃の窒化雰囲気中で時効処理を施すことにより、耐摩耗性・疲労強度を高める方法が開示されている。また特公平７−１７９９８号公報には、やはりマルエージング鋼について、その無端金属ベルトを少なくとも２個のローラに掛装し、回転させながらローラ間隔を拡張することによりベルトの外表面を優先的に塑性変形させた後、タフトライド処理（例示されているのはKa Na塩浴に５４０℃で２０分間浸漬する処理）等による軟窒化処理を施して外表面に極めて高い残留圧縮応力を付与する無端金属ベルトの表面処理方法が示されており、それによって高い曲げ疲労強度が得られるという。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、種々の元素を添加して疲労特性の改善を図った前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、製造コストの上昇を招くという点や、製造性および靭性はむしろ逆に低下するという点において問題がある。
【０００５】
一方、マルエージング鋼の材料表面に圧縮残留応力を付与する上記２例の方法では機械的な加工等により表層部に塑性変形を与える工程を必要とするので、これらの方法をマルテンサイト系ステンレス鋼材の製造に適用するには、既存の製造ラインの他に新たな設備が必要となる。加えて、これらで採用される窒化処理（マルエージング鋼の時効処理を兼ねた熱処理）はマルエージング鋼のように窒化物が生成しない鋼に対してのみ有効に適用できるものであり、マルテンサイト系ステンレス鋼に対してこのような窒化処理を施せば、その温度域においてＣｒの窒化物が多量に生成して耐食性の著しい低下を招くことは避けられない。
【０００６】
そこで、本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼が本来有する製造性・靭性・耐食性等の諸特性を損なうことなく疲労特性を一層改善したマルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、圧縮残留応力をもつ固溶窒素濃化層を表層部に形成した耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板によって達成される。
また本発明では、固溶窒素濃化層を表層部に形成させて内部よりも表層部のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させた鋼板を焼入れ温度から冷却し、鋼板内部よりも表層部でのマルテンサイト変態を遅らせることによって鋼板表面に圧縮残留応力を付与した耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板を提供する。
【０００８】
さらに本発明では、焼入れ処理の加熱過程において窒素を２０体積％以上含みかつ酸素を１０体積％以下（０％を含む）とした不活性ガス主体の雰囲気中、あるいは窒素を２０体積％以上含む水素＋窒素混合雰囲気中で鋼板を当該鋼のオーステナイト変態点（Ａｆ点）以上の温度に加熱して鋼板内部よりも表層部のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させ、続く冷却過程で鋼板内部よりも表層部でのマルテンサイト変態を遅らせることを特徴とする耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板の製造方法を提供する。
【０００９】
ここで、マルテンサイト系ステンレス鋼とはＪＩＳＧ０２０３に定義されるとおり「焼入れすることによってマルテンサイト組織となり硬化させることができるステンレス鋼」をいい、例えば、ＪＩＳＧ４３０５に規定されているＳＵＳ４１０やＳＵＳ４２０Ｊ２等が挙げられる。これらの鋼からなる製品（鋼材）は一般的に、溶体化処理，焼入れ処理，さらに必要に応じて焼戻し処理を経て製品となる。不活性ガスとは窒素および希ガス（Ｈｅ，Ａｒ等）をいう。Ａｆ点とは加熱中にフェライト相または（フェライト＋マルテンサイト相）のオーステナイト相への変態が終了する温度をいう。Ｍｓ点とは冷却中にオーステナイト相からマルテンサイト相に変態が開始する温度をいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
従来、ＳＵＳ４１０に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ処理の加熱過程において母相をオーステナイト相とすることで炭窒化物などの析出物を一旦固溶させ、その後の冷却過程においてマルテンサイト変態させることにより高強度を得るとともに疲労特性を改善している。本発明者らの調査によれば、このような従来のマルテンサイト系ステンレス鋼板では焼入れ後の硬さが高くなるにしたがって疲労特性も向上する傾向を示していた。ところが、焼入れ後の鋼板についてその表面の残留応力の状態を詳細に調査してみると、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼板の表面にはいずれも「引張」状態の残留応力が存在していた。そして、その値が大きくなると鋼板の疲労特性は低下する傾向があることがわかった。つまり、マルテンサイト系ステンレス鋼板の疲労特性を改善するには、焼入れ後の硬さもさることながら表面に残留している引張応力を解消することが非常に重要であるという知見を得た。
【００１１】
本発明者らは、マルテンサイト系ステンレス鋼板の疲労特性を一層改善するために、鋼板表面の残留応力の状態を「引張」ではなく逆に「圧縮」とする方法について種々検討した。ただし、前述した従来技術の方法は炭窒化物が生成するので適用できない。
【００１２】
そこでまず、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼板ではなぜ「引張」状態の残留応力が表面に発生するのかを検討した。その結果、この引張残留応力は焼入れ処理の冷却過程における「マルテンサイト変態」に起因することがわかってきた。すなわち、通常、焼入れ処理の加熱過程において母相は鋼板全体にわたってほぼ均質なオーステナイト相となっているので、表面から内部までＭｓ点はほぼ同一である。一方、冷却時の鋼板温度は当然にして表面が最も低く、内部へ向かうほど高くなっている。このため焼入れ処理の冷却過程においてマルテンサイト変態は鋼板表面から起き始め、表面から内部に向かってマルテンサイトが生成して行く。このように、マルテンサイト変態が鋼板表面で最初に起きることが表面に引張状態の残留応力を生成させる原因となっているものと推察された。
【００１３】
上記推察に基づき、本発明者らは、マルテンサイト変態を鋼板内部で先に起こし、表層部で遅れて起こすという、いわば従来の常識とは全く逆の現象を実現させることが可能であるか、鋭意検討した。その結果、焼入れ処理の加熱過程において鋼板表層部に固溶窒素濃化層を形成させ、鋼板内部よりも表層部のＭｓ点を大きく低下させておけば、続く冷却過程において、鋼板は表面から冷却されるにもかかわらず、内部よりも表層部でのマルテンサイト変態を遅らせることができることを見出した。
【００１４】
さらなる実験の結果、窒素を２０体積％以上含みかつ酸素を１０体積％以下（０％を含む）とした不活性ガス主体の雰囲気中でマルテンサイト系ステンレス鋼板を加熱すると、表面の酸化が抑制されて活性化状態になるとともに雰囲気中の窒素の鋼中への拡散が促進され、なおかつ加熱温度を当該鋼のオーステナイト変態点（Ａｆ点）以上の温度とすることで炭窒化物の生成が抑えられるとともに表層部のオーステナイトに窒素が固溶することが判明した。その結果、表層部は窒素の固溶によりＭｓ点が大幅に低下し、通常行われている焼入れ時の冷却（空冷や気水冷却等）によって、表層部でのマルテンサイト変態が内部よりも遅れて起こることが確認された。ここで、雰囲気中の酸素濃度は１０体積％以下で低い方が望ましい。窒素以外の不活性ガスとしてはＡｒまたはＨｅを用いることができるが、経済性を考慮した場合不活性ガスの全量を窒素とした雰囲気（酸素が１０体積％以下（０％を含む）で、残部が窒素からなる雰囲気）を使用すればよい。また、窒素を２０体積％以上含む水素＋窒素混合雰囲気中でＡｆ点以上の温度に加熱することによっても同様の効果が得られることがわかった。
【００１５】
窒素が２０体積％未満の雰囲気や酸素が１０体積％を越える雰囲気中で加熱した場合、あるいは加熱温度がＡｆ点未満の場合には、マルテンサイト系ステンレス鋼板表層部への窒素の固溶が促進されず、表層部のＭｓ点の低下が不十分となって、焼入れ後に表面の残留応力を圧縮状態にすることが難しくなる。
【００１６】
図１に、板厚１mmのＳＵＳ４１０鋼板について、大気雰囲気（８０％窒素＋２０％酸素）または９９％窒素＋１％酸素雰囲気で加熱したのち空冷した場合の、焼入れ温度と表面残留応力の関係を示す。表面残留応力は後述する実施例と同様の方法で測定した。ここで、残留応力が「−」の場合は圧縮状態を表し、「＋」の場合は引張状態を表す。この図から、９９％窒素＋１％酸素雰囲気で加熱したものは、大気雰囲気で加熱したものとは対照的に、焼入れ後に圧縮状態の表面残留応力をもつことがわかる。図示したものは一例であるが、窒素を２０体積％以上含みかつ酸素を１０体積％以下に抑制した不活性ガス雰囲気中で加熱したもの、および、窒素を２０体積％以上含む水素＋窒素混合雰囲気中で加熱したものは、いずれも焼入れ後に圧縮状態の表面残留応力を呈することを確認している。
表面に圧縮残留応力を付与したこれらのマルテンサイト系ステンレス鋼板は、後述の実施例で実証するように、表面に引張残留応力が存在する従来材と比較して優れた疲労特性を示すことがわかった。
【００１７】
また、焼入れ時の加熱温度をＡｆ点以上としたものは耐食性が良好であったが、Ａｆ点未満としたものは耐食性が低下した。この理由を調査するために、焼入れ温度をＡｆ点以上またはＡｆ点未満としたサンプルについて、焼入れ後における表層部の金属組織を観察した。図２に一例として、ＳＵＳ４１０についての観察結果を示す。焼入れ時の加熱温度をＡｆ点以上としたものは焼入れ後の表層部に存在する窒化物の量が非常に低減しているのに対し、Ａｆ点未満としたものは焼入れ後の表層部に多量のＣｒ窒化物が見られた。このことから、焼入れ時の加熱温度がＡｆ点未満のものは、多量に生成したＣｒ窒化物の周囲のＣｒが欠乏して耐食性が低下したものと考えられる。なお、Ａｆ点以上に加熱すると表層部における窒化物生成が抑制されるのは、この温度において表層部のオーステナイト母相に窒素が多量に固溶するためであると考えられる。
【００１８】
なお、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼種では、焼入れ後に「焼戻し」を行うことも多い。これらの鋼種に対する焼戻し処理は、変態または析出を進行させ、所要の性質および状態を与えることを目的として行われ、そのような場合には残留応力が完全に除去される程の高温・長時間での焼戻しは通常行われない。したがって、焼入れ処理によって鋼板表面に付与した圧縮残留応力は、焼戻し処理を行った後においても有効に残存させることができるので、本発明は焼戻し処理を行うマルテンサイト系ステンレス鋼にも適用することができる。実際に、６００℃×１時間の条件で焼戻し処理を行ったマルテンサイト系ステンレス鋼板において疲労特性の向上が認められることを、後述の実施例で実証する。
【００１９】
さらに、通常は、マルテンサイト系ステンレス鋼に対して焼戻し処理を行うと、その加熱温度域でＣｒ炭化物が生成して耐食性が低下するのが一般的な傾向であるが、本発明による焼入れ処理材に対して焼戻し処理を行った場合には、この耐食性低下が非常に抑制されることが判明した。その機構は不明であるが、焼入れ処理を通じて雰囲気中から表層部に固溶した窒素が耐食性に寄与しているものと推察される。
【００２０】
【実施例】
供試材には市販のＳＵＳ４１０およびＳＵＳ４２０Ｊ２の冷延板（板厚１mm）を用い、これらに対して９９％窒素＋１％酸素，９３％窒素＋７％酸素，２５％窒素＋７５％水素，または８０％窒素＋２０％酸素（いすれも体積％、以下同じ）の雰囲気中で種々の温度に0.1時間加熱したのち空冷するという「焼入れ処理」を施した。ＳＵＳ４２０Ｊ２については焼入れ後にさらに「焼戻し処理（大気雰囲気中、６００℃×１時間加熱、空冷）」を施した。
ＳＵＳ４１０は焼入れ後の試料について、またＳＵＳ４２０Ｊ２は焼戻し後の試料について、それぞれ表面および母材の硬さ，表面残留応力，疲労特性，および耐食性を調査した。
【００２１】
表面硬さは試料の板表面について、また母材硬さは試料断面の板厚中央部について、それぞれマイクロビッカース硬度計を用いて測定した。
表面残留応力は、Ｘ線応力測定装置（理学電機（株）製）用いて測定した。測定方法は「日本材料学会Ｘ線材料強度部会」によって標準化された方法にしたがった。その詳細は、例えば「Ｘ線応力測定法標準」（社団法人日本材料学会Ｘ線材料強度部門委員会編，1982年）に紹介されている。この方法によって測定される表面からの深さは概ね１０μｍ以内である。
疲労特性は、両振り曲げ疲労試験機を用いて疲労限界応力（１×10⁷回で破断しなくなる応力）を求めて評価した。
耐食性は、ＪＩＳＨ８６８１に規定されているキャス試験を実施し、試験後の発銹が著しいものを×，発銹が認められるものを△，発銹が殆ど認められないものを○として評価した。
これらの調査結果を表１に示す。なお、表中の表面残留応力は、符号が「−」のものは圧縮応力を、「＋」のものは引張応力を意味する。
【００２２】
【表１】

【００２３】
焼入れ処理の加熱雰囲気を９９％窒素＋１％酸素，９３％窒素＋７％酸素，または２５％窒素＋７５％水素とし、なおかつ加熱温度をＡｆ点以上としたものは疲労特性および耐食性に優れることが判る。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼板の製造過程で必ず実施される「焼入れ処理」を利用して鋼板表面に圧縮残留応力を付与し、それによって疲労特性の向上を図ったものである。これによれば、マルテンサイト系ステンレス鋼が本来有している耐食性等の諸特性を損なうことなく疲労特性を一層改善することが可能となった。また、「焼戻し処理」を行っても焼入れ時に改善した疲労特性を維持することができ、特に、焼戻し後の耐食性に関しては従来よりも向上させることができる。さらに、本発明はＳＵＳ４１０をはじめとする汎用のマルテンサイト系ステンレス鋼に広く適用することができ、しかも従来と同じ工程数で実施できるので、マルテンサイト系ステンレス鋼板の疲労特性を向上させるために要するコスト増を非常に低く抑えることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＵＳ４１０鋼板について、焼入れ後の表面残留応力に及ぼす加熱時の雰囲気ガス組成の影響を示したグラフ。
【図２】ＳＵＳ４１０についてＡｆ点以上の温度から焼入れした場合とＡｆ点より低い温度から焼入れした場合の窒化物の析出量を比較する金属組織写真。

Claims

圧縮残留応力をもつ固溶窒素濃化層を表層部に形成した耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板。
固溶窒素濃化層を表層部に形成させて内部よりも表層部のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させた鋼板を焼入れ温度から冷却し、鋼板内部よりも表層部でのマルテンサイト変態を遅らせることによって鋼板表面に圧縮残留応力を付与した耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板。
焼入れ処理の加熱過程において窒素を２０体積％以上含みかつ酸素を１０体積％以下（０％を含む）とした不活性ガス主体の雰囲気中で鋼板を当該鋼のオーステナイト変態点（Ａｆ点）以上の温度に加熱して鋼板内部よりも表層部のマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させ、続く冷却過程で鋼板内部よりも表層部でのマルテンサイト変態を遅らせることを特徴とする耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板の製造方法。
雰囲気は、窒素を２０体積％以上含む水素＋窒素混合雰囲気である、請求項３に記載の耐食性および疲労特性に優れたマルテンサイト組織のステンレス鋼板の製造方法。