JP4383210B2 - 高耐磨耗高耐食性ステンレス鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗性及び耐食性が要求されるステンレス鋼材に関する。詳細には、耐摩耗性及び耐食性を要求される、例えば、筬羽、ヘルド等のような機料品用途に適した高強度ステンレス鋼材に関する。

図６の織機の模式図を用いて機織の基本動作について説明する。図６中の筬羽、ヘルドは、それぞれ経糸、緯糸をガイドするために用いられるものである。緯糸は、ヘルドによって支えられて交互に上下運動し、等間隔に配列された筬羽の間を通過する。一方、経糸は、緯糸が交互に上下運動する毎に、例えばエアージェットやウオータージェットの動力により駆動され、緯糸の間を通過する。次に、経糸の通過後に筬羽が前後に動いて、緯糸、経糸が織物へと織られる。

機織時には糸は高速で通過するので、上記のように緯糸、経糸と接触している筬羽、ヘルドは一定期間使用すると摩耗してくる。筬羽、ヘルドが摩耗すると、摩耗部が糸切れや毛羽立ちの原因となるため、そのつど交換が必要となる。そのため、筬羽、ヘルドの糸に対する耐摩耗性は、筬羽、ヘルドの寿命を決定する最も重要な品質の一つと言える。

機織時の周囲の雰囲気は、ウオータージェット方式の織機では常時湿潤環境にある。また、エアージェット方式の織機の場合でも、染料などにより腐食環境にさらされる場合が多い。そのため、筬羽、ヘルドに錆が発生した場合には、摩耗を受けた場合と同様、錆発生箇所が糸切れや毛羽立ちの原因となる。従って、筬羽、ヘルドについては、耐食性も要求される。

従って、機織部品には、ＳＵＳ３０１ハード材に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼や、ＳＵＳ４２０Ｊ２に代表される炭化物を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼などの、高強度ステンレス鋼が用いられている。
特開２００３−１０５５０４号公報 特開２００３−１４７４９３号公報

ところで、前記ＳＵＳ３０１ハード材は耐食性を有しているが、機織部品用には耐磨耗性が不十分である。そのため、セラミックコーティング方法等により、磨耗を受ける表層部を硬質化させる対応策がとられてきた。ところが、このような表面処理方法は製造コストが高くなるという問題点があった。

一方ＳＵＳ４２０Ｊ２は耐摩耗性に優れるが、耐食性に有効なＣｒ量が少ないため、耐食性に劣っている。また、強度を確保するために、焼入れや焼戻しを行うので製造コストが高くなるという問題点があった。

耐食性を保ちつつ耐摩耗性を向上させるには、オーステナイト系ステンレス鋼の耐摩耗性を向上させる方法が有効である。特開２００３−１０５５０４号公報には、オーステナイト系ステンレス鋼において、圧延後に長時間熱処理を行うことにより、母相にＣｒ炭窒化物を多量に析出させて耐摩耗性を向上させる内容の技術が記載されている。

しかし、この方法では、粗大なＣｒ炭化物および炭窒化物が多量に析出し、これらを起点に冷間圧延時に耳割れが発生して、圧延時に破断の危険が高くなるという問題があった。さらに、耐食性に有効である母相中のＣｒ量が炭化物および炭窒化物に取られることから、耐食性が劣化するという問題もあった。

従って本発明は、機織部品等に必要な耐摩耗性及び耐食性を具備した材料を、より容易に作製し、提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、下記の工程を備えたことを特徴とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。
（ａ）成分組成として、Ｃ：０．０３〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１５．０超〜３０．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるステンレス鋼材のスラブを用意する工程と、
（ｂ）前記スラブに熱間圧延加工を行ってから、固溶化熱処理を施す工程と、
（ｃ）次いで、圧延率が３０％以上６６％以下の冷間圧延後に７００〜９５０℃の温度範囲で焼鈍時間０．５分以上１０分以下の連続焼鈍を行う工程を、１回以上施して炭化物および炭窒化物を析出させる工程と、
（ｄ）その後、仕上冷間圧延する工程。

本発明の第２の態様は、前記の、冷間圧延を行い、引続いて、７００〜９５０℃の温度範囲で連続焼鈍を施して炭化物を析出させることを、１回以上繰り返し、その後、仕上冷間圧延することを特徴とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明の第３の態様は、前記冷間圧延の圧延率が３０％以上であることを特徴とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明の第４の態様は、前記仕上冷間圧延の後に、２００〜７００℃の温度範囲で熱処理を行うことを特徴とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明の第５の態様は、前記ステンレス鋼材は、成分組成として、さらにＭｏを４．０ｍａｓｓ％以下含有することを特撤とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明の第６の態様は、前記ステンレス鋼材は、成分組成として、さらにＶ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下のうちから選ばれる少なくとも１種以上を含有することを特徴とする耐磨耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明の第７の態様は、前記ステンレス鋼材の金属組織中に析出した炭化物及び炭窒化物の占める面積率が１０％以上であり、かつ析出した炭化物及び炭窒化物の平均直径が１μｍ以下であることを特徴とする耐磨耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法である。

本発明によれば、オーステナイトをベースに炭化物および炭窒化物を析出、分散させることで良好な耐摩耗性、耐食性および製造性を有するステンレス鋼を得ることができる。本発明品を用いることで、耐摩耗性および耐食性が要求される分野、例えば、筬羽、ヘルドなどの機料品、プレスプレート、スイッチコネクター、刃物等に使用すると寿命を延ばす等の効果があり、本発明鋼の存在は極めて有効である。

表面処理をしないで耐摩耗性を向上させるには、母相を硬質化すること、母相中に硬質な第２相粒子を均一に分散させること、が有効なことは周知である。本発明では、表面処理により表層を硬質化するのではなく、母相に硬質な炭化物及び炭窒化物を析出、分散させて耐摩耗性を向上させることを特徴とする。さらにそれをオーステナイト系ステンレス鋼で行って耐食性も確保することを特徴とする。

母相に析出させる硬質な炭化物及び炭窒化物は、粗大ではなく、微細に均一に分散させる。これより冷間圧延に耐えうる延性を保ち、さらに耐摩耗性を向上させ、また耐食性の劣化も防止できる。

炭化物や炭窒化物の析出は、フェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼の一部鋼種で認められる。しかし、フェライト系ステンレス鋼では母相の硬質化が限られており、耐摩耗性には炭化物のみの効果しかないため、耐摩耗性の向上にはおのずと限界がある。

一方マルテンサイト系ステンレス鋼は、母相の硬度を確保することも可能であるが、マルテンサイト組織を得るためには耐食性に有効なＣｒ量を増加することができないため、耐食性に問題がある。またその製造工程で焼入れ、焼戻し処理が必ず必要となるので、製造コストが高くなるということもある。

そのため、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた高耐磨耗性、高耐食性について検討を進め、ステンレス鋼に析出させることが容易であるＣｒを主体とする炭化物および炭窒化物を母相中に分散させることに着手した。

ところが、炭化物および炭窒化物の析出量を多くしすぎると、耐食性に有効である母相中のＣｒが析出物に取られてしまい、耐食性が劣化する。従って、耐磨耗性および耐食性の面から、炭化物および炭窒化物の析出量、すなわち面積率を規定する。

また、析出させる炭化物および炭窒化物が粗大であると、冷間圧延時に割れの起点となり、圧延破断の原因となる。従って、炭化物および炭窒化物は、その平均直径に上限を設ける。

析出させる炭化物および炭窒化物の析出量や大きさは、冷間圧延率およびその後の熱処理温度条件によって制御できる。本発明に言う３０％以上の加工率で冷間圧延を行い、その後連続焼鈍による（短時間の）熱処理を行うことにより、炭化物および炭窒化物を均一かつ微細に分散させることができる。

本件発明では、下記成分組成および残部がＦｅおよび不可避不純物からなるステンレス鋼材のスラブを用意し、熱間圧延加工を行ってから、固溶化熱処理を施し、次いで冷間圧延を行い、引き続いて、７００〜９５０℃の温度範囲で連続焼鈍を施して炭化物および炭窒化物を析出させ、その後、仕上冷間圧延することを特徴とする。

まず発明において、成分組成を限定する理由について以下に述べる。
Ｃ：０．０３〜０．３０％、Ｃは強力なオーステナイト形成元素であるばかりか、炭化物、炭窒化物を構成する元素であるため、耐摩耗性向上には多いほど好ましく、０．０３ｗｔ％以上は必要である。しかしながら、０．３０ｗｔ％を超えて含有すると、粗大な未固溶炭化物が生成し冷間圧延破断の危険が高まるばかりか、耐食性も劣化させるため、０．０３〜０．３０ｗｔ％、好ましくは０．０５〜０．２５ｗｔ％、より好ましくは０．１０〜０．２５ｗｔ％とする。

Ｓｉ：３．０％以下、Ｓｉは、脱酸に必要な元素であるとともに高強度化に有効な元素であるが、３．０ｗｔ％を超えて含有すると冷間圧延破断の危険が高まるため３．０ｗｔ％以下とする。

Ｍｎ：３．０％以下、ＭｎもＳｉ同様に脱酸に必要な元素であり、かつオーステナイト形成元素であるため、オーステナイト組織を得るのに必要であるが、３．０ｗｔ％を超えて含有すると焼鈍酸洗時に異常酸化の原因を招き、歩留まり低下につながるため３．０ｗｔ％以下とする。

Ｎｉ：５．０〜２０．０％、Ｎｉは、強力なオーステナイト形成元素であり、５ｗｔ％以上必要である。しかしながら高価な元素であり、上限を２０ｗｔ％とし、５．０〜２０．０ｗｔ％、好ましくは５．０〜１５．０ｗｔ％とする。

Ｃｒ：１５．０超〜３０．０％以下、Ｃｒは、炭化物を形成する元素であり、かつ耐食性向上にも有効なことから、１５．０ｗｔ％を超えて含有することが必要である。しかしながら３０．０ｗｔ％を超えて含有すると、σ相が析出し、逆に耐食性を害するほか、製造性も劣化させるので上限を３０．０ｗｔ％とし、１５．０超え〜３０．０ｗｔ％、好ましくは１５．０超え〜２５．０ｗｔ％とする。

Ｎ：０．３０％以下、Ｎは、０．３０ｗｔ％を超えて含有すると冷間圧延破断の危険が高まるため０．３０ｗｔ％以下とする。ただし、高強度化や耐食性向上に有効であるため、これらの効果を必要とする場合には、好ましくは０．０２〜０．２５ｗｔ％、より好ましくは０．０５〜０．２０ｗｔ％とする。

Ｐは、スクラップ中に含有する元素であり、かつ精錬での除去が困難な元素であるが、０．０４５％を超えて含有すると耐食性を劣化させるため、０．０４５ｗｔ％以下が望ましい。

Ｓは、スクラップ中に含有する元素であり、精錬での除去にはコストがかかるが、０．０１ｗｔ％を超えて含有すると耐食性を劣化させるほか、熱間加工性も劣化させるため、０．０１ｗｔ％以下が望ましい。

本発明では、スラブに熱間圧延加工を行って所定の厚みの帯を得た後に、熱間圧延中に生成した粗大な炭化物および炭窒化物の母相への固溶、および熱間圧延中に生じた歪を除去するために固溶化熱処理を行う。温度範囲は１０００〜１，１５０℃、時間は３０秒〜１０分が望ましい。炉は大気雰囲気の連続焼鈍炉を用いるのが適当である。

本発明では、冷間圧延での圧延率を大きくとることにより、後の連続焼鈍において、炭化物および炭窒化物の析出サイトが多くなり、微細な炭化物および炭窒化物を一様に分散させることが可能となる。

連続焼鈍については、連続焼鈍温度を低くしすぎると、析出に必要な駆動力が足りなく、十分な析出量に達しないだけでなく熱処理後に延性に乏しくなって、その後の圧延工程で破断の危険が高まる。従って、工業的には７００℃以上で実施する必要がある。一方熱処理温度を高温に設定した場合、析出量は減少する。また炭化物および炭窒化物が母相へ再固溶して耐磨耗性が劣化するため、上限は９５０℃とした。なお好ましくは８００〜９００℃とする。

焼鈍時間は３０秒〜１０分が望ましい。焼鈍時間が長いと炭化物および炭窒化物が粗大となり、圧延工程での破談の危険が高まるばかりか耐食性も劣化する。また、生産性が低下するということもある。焼鈍時間が短いと、析出に必要な駆動力が足りなく、十分な析出量に達しない。その結果、耐摩耗性が劣化する。

焼鈍炉は、水素−窒素雰囲気で焼鈍を行う光輝焼鈍（ＢＡ）炉、または大気雰囲気にて焼鈍を行う連続焼鈍炉等をもちいることが望ましい。

本発明では、前記の、冷間圧延を行い、引続いて、７００〜９５０℃の温度範囲で連続焼鈍を施して炭化物を析出させることを、１回以上繰り返し、その後、仕上圧延する。

すなわち、上記の炭化物および炭窒化物は、Ｃｒを主体とする析出物である。前述のように炭化物および炭窒化物を形成するために、1回もしくは２回以上連続焼鈍を繰り返し炭化物を析出させる。

例えば、長時間のバッチ焼鈍を行うと、析出炭化物および炭窒化物の量は増加し耐磨耗性は向上するが、粒径が粗大となって延性に乏しくなり、圧延破断の可能性が高まる。また、析出炭化物および炭窒化物量が多いと、母相中のＣｒ量が滅少し耐食性も劣化する。このため炭化物析出熱処理は、バッチによる長時間熱処理は避け、冷間圧延および連続焼鈍による短時間熱処理を選択する。

冷間圧延と連続焼鈍を繰返すと、炭化物および炭窒化物が多量に析出するため耐摩耗性が向上する。しかし、繰返し数を多くすると、材料の靭性低下につながり、圧延破断の危険が高まる。また、母相中のＣｒ量が低下するため耐食性の劣化も引き起こす。従って、繰返し数は、好ましくは１〜３回とする。

本発明では、前記冷間圧延の圧延率を３０％以上とすることを特徴とする。すなわち、３０％以上とする理由は、連続焼鈍工程での炭化物および炭窒化物の析出サイトが多くなり、微細な炭化物および炭窒化物を一様に分散させることが可能になるからである。３０％を下回ると、連続焼鈍工程での炭化物および炭窒化物の析出サイトが少なく、炭化物および炭窒化物が粗大となり、析出量も少なくなる。

本発明では、前記仕上冷間圧延後、２００〜７００℃の温度範囲で応力除去熱処理を行うことを特徴とする。この応力除去熱処理を行うことにより、耐摩耗性の向上、および靭性を向上させることができ、その後の織機部品等への加工が容易となる。また、板の形状を修正するということもある。

本発明では、成分組成として、Ｍｏを添加しても良い。Ｍｏは、耐食性向上に有効な元素であるが、非常に高価な元素であるため、４．０ｗｔ％以下で含有しても構わないとする。

また、本発明では、Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ、Ｚｒのいずれか１種以上を１．０ｗｔ％以下添加したステンレス鋼材のスラブを用いることができる。すなわち、Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ、ＺｒはＣまたはＮと結合し、安定な炭化物および炭窒化物を形成してオーステナイト組織を微細化する。

従って、本発明の炭化物および炭窒化物の析出熱処理を行った場合には、Ｃｒ炭化物および炭窒化物の生成サイトとなって、Ｃｒ炭化物および炭窒化物の形成に有利に作用するため、１．０ｗｔ％以下の範囲であれば添加してもかまわない。しかし、いずれの元素も高価であることや、１．０ｗｔ％を超えて添加すると、粗大な炭化物および炭窒化物を形成して製造性を害するため、１．０ｗｔ％以下、好ましくは０．５ｗｔ％以下の範囲であれば添加してもかまわない。

上記方法により得られたステンレス鋼材の組織は、オーステナイト、冷間圧延により形成された加工誘起マルテンサイト、それに連続焼鈍時に析出した炭化物及び炭窒化物からなる。本発明では、析出炭化物及び炭窒化物の占める面積率が１０％以上となる。炭化物及び炭窒化物の析出により耐摩耗性は大幅に向上できるが、１０％未満では効果が小さいので下限は１０％である。

さらに、本発明では、析出炭化物および炭窒化物の平均直径が１μｍ以下となる。耐摩耗性が良好であるためには、析出炭化物および炭窒化物が微細に分散していることが望ましい。また、平均直径が１μｍを超えると、析出炭化物および炭窒化物が冷間圧延破断の起点になり製造性を害するので、平均直径は１μｍ以下である。

ここで、析出炭化物および炭窒化物の面積率や直径は、電子顕微鏡により撮影した写真を用いて求めることができる。

図１としての表１に示した組成のステンレス鋼材を用い、製造方法を変えて評価を行った。図２としての表２、及び図３としての表３に示したａ〜ｄが本発明例である。板厚が３．５ｍｍの熱間圧延板について、１１００℃で１分間の固溶化熱処理を行った後、冷間圧延と炭化物化熱処理を繰り返し、仕上冷間圧延を行った後、各評価を行った。

表２、及び表３のｅ〜ｈは比較例である。ｅは、板厚が３．５ｍｍの熱間圧延板について、固溶化熱処理と冷間圧延を擦り返して所定の板厚にするという、通常のステンレスハード材の製造工程を用いて製造した。ｆ〜ｈの比較例は、熱間圧延板もしくは冷間圧延板に１２〜３６時間の長時間炭化物析出熱処理を施し、その後冷間圧延を行う工程を用いて製造した。

表３には評価結果をまとめて示した。まず、金属組織について説明する。得られた板材の組織は、オーステナイト、冷間圧延により形成された加工誘起マルテンサイト、それに熱処理によって析出した炭化執及び炭窒化物からなる。代表的な組織を図４としての写真に示した。写真中で白い点状に見えるものが炭化物および炭窒化物を示している。板材の組織観察は電子顕微鏡を用いて行った。なお、前処理は、製造した板材を圧延方向に直角に切断して表面研磨をし、次に塩酸とピクリン酸アルコールの混液を用いてエッチングして行った。

次に、炭化物の面積率について説明する。炭化物の面積率は、電子顕微鏡により撮影した３０００倍の写真を用い点算法で求める。具体的には、写夫視野上に縦、横が５ｍｍ間隔の桝目を設け、例えば縦に１０個、横に１０個、計１００個の桝目の格子点に触れる、又は格子点上にある炭化執の数を求める。この作業を１０視野繰り返し、その平均値を面積率とする。

すなわち、面棟率は次の式で示されるものである。
ｎ÷（ｐ×ｆ）×１００＝炭化物面積率（％）であり、ｎ、ｐ、ｆは以下を示す。
ｐ：視野内の総格子点数
ｆ：視野数
ｎ：ｆ個の視野における炭化物によって占められる格子点中心の数

炭化物の大きさについては、電子顕微鏡により撮影した３０００倍の写真を用い、写真視野内の粒子を選択して円相当直径を求め、この作業を１０視野行いその平均値を求めて炭化物および炭窒化物粒径の平均値とした。硬さは、ＪＩＳＧ０５５５に準じて求めたビッカース硬度とした。

耐摩耗性は、糸を一定張力（３５ｇ）で一定時間（５時間）供試材の表面を通過させて加速度的に磨耗を形成させ、形成した鹿耗痕の最大深さを表面租さ計（メーカー；（株）東京精密、型番：１４００Ａ−３ＤＦ）で求めた。その結果は、表３に合わせて示した。図５の、磨耗痕の最大深さ（μｍ）と炭化執面積率（％）との関係を示した．これから、炭化物面積率が高いほど、すなわち炭化物析出量が多いほど良好な耐摩耗性を示すことがわかる。特に炭化物の面積率が１０％以上でその効果が大きい。本発明例では、磨耗痕深さは１５μｍ以下であり、ＳＵＳ３０１の２３μｍに比べて、耐磨耗性が優れており、もちろんＳＵＳ４２０Ｊ２の１２μｍと比べても遜色ない値である。

耐食性については、孔食電位測定（ＪＩＳＧ０５７７に準じた方法）を求めて評価した。孔食電位が高いほど耐食性に優れることを意味する。本発明品は、いずれもＳＵＳ４２０Ｊに比べ優れた耐食性を示し、ＳＵＳ３０１に比べても遜色がない。また発明品は、長時間の炭化物析出熱処理を行ったものより孔食電位が高く、以前の発明品と比較して耐磨耗性及び耐食性の双方が向上した。

冷間圧延時の破断の危険性について、最大耳割れ長さにて評価を行った。耳割れは冷間圧延後に試験片の縁が割れてくる現象で、これが発生すると、耳割れが起点となり圧延破斬が起こる危険性が高まる。加工性に劣る材料ほど大きな耳割れが起こり、炭化物および炭窒化物の直径が大きいほど加工性に劣る。本発明品は冷間圧延工程での耳割れは発生しなく、製造上間遠はない。

耐摩耗性及び耐食性を要求される、例えば、筬羽、ヘルド等のような機料品に用いることができる。

図１として示した表１であり、成分組成表である。 図２として示した表２であり、製造工程一覧表である。 図３として示した表３であり、試験結果一覧表である． 本発明ステンレス鋼組織の代表写真である。 磨耗長の最大深さと炭化物面積率との関係を示した図である。 織機の模式図である。

Claims (4)

1. 下記の工程を備えたことを特徴とする耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法。
   （ａ）成分組成として、Ｃ：０．０３〜０．３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１５．０超〜３０．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるステンレス鋼材のスラブを用意する工程と、
   （ｂ）前記スラブに熱間圧延加工を行ってから、固溶化熱処理を施す工程と、
   （ｃ）次いで、圧延率が３０％以上６６％以下の冷間圧延後に７００〜９５０℃の温度範囲で焼鈍時間０．５分以上１０分以下の連続焼鈍を行う工程を、１回以上施して炭化物および炭窒化物を析出させる工程と、
   （ｄ）その後、仕上冷間圧延する工程。
2. 前記仕上冷間圧延の後に、２００〜７００℃の温度範囲で熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法。
3. 前記ステンレス鋼材は、成分組成として、さらにＭｏを４．０ｍａｓｓ％以下含有することを特撤とする請求項１または２に記載の耐摩耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法。
4. 前記ステンレス鋼材の金属組織中に析出した炭化物及び炭窒化物の占める面積率が１０％以上であり、かつ析出した炭化物及び炭窒化物の平均直径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐磨耗性及び耐食性に優れたステンレス鋼材の製造方法。

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