JP4548760B2

JP4548760B2 - 耐食性および耐摩耗性に優れた高強度ステンレス鋼

Info

Publication number: JP4548760B2
Application number: JP2001138450A
Authority: JP
Inventors: 誠一磯崎; 宏紀冨村; 直人平松
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002332546A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アブレッシブな摩耗に曝される環境下で優れた耐食性および耐摩耗性を有し、製品のめっきや熱処理を必要としない、例えば床材や織機、機械、電気・電子機器などの各種部品として好適な高強度ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、靴や砂・石などの接触により摩耗する床材や、糸との接触により摩耗する織機部材、他の部品との摺動摩擦により摩耗する機械部材など、耐摩耗性が要求されている用途において、炭素鋼およびそのめっき材、浸炭処理材、窒化処理材などが広く使用されている。
一方、使用環境によっては、素材自身に優れた耐食性が要求されることも多く、そのような用途分野では、ＳＵＳ４２０Ｊ２などの焼入れ硬化型ステンレス鋼やＳＵＳ３０１などの加工硬化型ステンレス鋼へのステンレス化が進んでいる。
この場合、ＳＵＳ４２０Ｊ２は焼入れ・焼戻し処理で、ＳＵＳ３０１は冷間圧延・加工による強度上昇により、耐摩耗性の確保を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、炭素鋼あるいはＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ３０１では、以下のような課題を抱えている。
すなわち、炭素鋼やその浸炭処理材、窒化処理材は耐食性に劣り、使用環境によっては発銹により耐摩耗性や摺動性が劣化する。耐食性の維持のために表面にめっきした炭素鋼では、そのめっき工程のために製造コストが高くなるとともに、摩耗部分でめっき層が欠落することがある。一方、ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼入れ・焼戻し鋼では、優れた耐摩耗性を呈するものの、厳しい使用環境によっては発銹することがあり、炭素鋼の場合と同様、耐摩耗性や摺動性が低下する。さらに、ＳＵＳ３０１の冷間圧延・加工材は、これらの鋼種の中では最も耐食性に優れるものの、耐摩耗性が必ずしも十分でなく、問題視されることもある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、製品でのめっきや熱処理を行わなくとも、優れた耐食性と耐摩耗性を兼備し、耐摩耗性用途として好適な高強度ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐食性および耐摩耗性に優れた高強度ステンレス鋼は、その目的を達成するため、質量％で、Ｃ：０．０３超え〜０．１５％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ｃｒ：１４．０〜１７．０％、Ｎ：０．０３超え〜０．１０％、Ｂ：０．００１０〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８５体積％以上のマルテンサイト相を有するとともに、析出炭化物総量を０．０５〜１．０質量％にしたものである。
さらに、炭化物形成元素として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗのうちの１種または２種以上を合計で２．０質量％以下含有させることも、あるいは耐食性を向上させるためにＭｏ、Ｃｕの１種または２種を合計で２．０質量％以下含有させることもできる。
【０００５】
【作用】
本発明者らは、前述の用途などで用いられる部材の摩耗損傷部に、細かい線状に研削されたような疵を見つけ、その周囲や対象物からアルミナ、シリカ、炭化珪素などの硬質粒子の付着を検出した。研削されたような疵や硬質粒子の付着から、上記用途における摩耗現象は、硬質粒子が介在したアブレッシブな摩耗であると判断した。
このようなアブレッシブな摩耗に対し、鋼のマトリックスとして、残留オーステナイトやδフェライトが少ないマルテンサイトとすることとともに適当量の炭化物を分散析出させることが重要であることを見出した。
さらに、分散析出炭化物として、アルミナ、シリカ、炭化珪素などと同等の硬さを有するＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗなどの炭化物を析出させることにより、より耐摩耗性を向上し得ることを突き止めた。
【０００６】
一方、優れた耐食性を維持することも必要で、Ｃｒやその他元素の含有量を調整することが必須であるばかりでなく、過剰の炭化物析出を抑制することが重要である。
そこで、本発明者らはさらに研究を重ねた結果、成分組成を調整し、析出した炭化物の総量を所定範囲に調整することにより、優れた耐摩耗性と耐食性を両立させ得ることを見出した。
【０００７】
【実施の態様】
次に、本発明鋼の内容を具体的に説明する。ただし組成の％表示は何れも質量％である。
Ｃ：０．０３超え〜０．１５％
Ｃは、固溶強化により鋼の強度を上昇させるとともに、高温でのδフェライトの生成を抑制して常温でマルテンサイト組織を得、また炭化物として消費させる上で重要である。このＣの有効な効果を得るためには０．０３％を超える含有が必要である。しかし、０．１５％を超えて多量に含有させると、最終焼鈍後に多量のオーステナイトが残留し、マルテンサイト組織を得るのが困難になるばかりでなく、過剰の炭化物析出のために耐食性が劣化し易くなる。
【０００８】
Ｓｉ：０．２〜２．０％
Ｓｉは、固溶強化能が大きくマトリックスを強化する。この作用はＳｉ含有量が０．２％以上で顕著に現れる。しかし、２．０％を超えて含有させても固溶強化作用は飽和するとともに、δフェライト相の生成が助長され、耐摩耗性および熱間加工性の劣化が目立つようになる。
【０００９】
Ｎｉ：２．０〜５．０％
Ｎｉは、同じオーステナイト生成元素であるＣおよびＮの一部を置換して、多量のＣ添加による耐食性の低下を防止する上で有効である。また、δフェライト相の生成を抑制し、マルテンサイト組織を得る上でも重要である。この効果を有効に得るためには、最低２．０％のＮｉ含有が必要である。しかし、５．０％を超えて多量に含有させると、残留オーステナイト量が多くなりすぎ、耐摩耗性および強度の低下をもたらす。
【００１０】
Ｃｒ：１４．０〜１７．０％
Ｃｒは、優れた耐食性を得る上で少なくとも１４．０％必要である。しかし、１６．５％を超えると、鋳造組織および最終製品のδフェライト量が多くなる。若干のδフェライトは耐摩耗性にそれほど悪影響を及ぼさないが、１７．０％を超えるＣｒを含有させると、δフェライトの増加に起因して耐摩耗性の低下が顕著になる。この場合、δフェライト生成を抑制するために成分調整を図ろうとすると、他のオーステナイト生成元素の多量の添加が必要となり、最終焼鈍後に多量のオーステナイトが残留して強度および耐へたり性の低下を招くことになる。
【００１１】
Ｎ：０．０３超え〜０．１０％
Ｎは、Ｃと同様δフェライトの生成を抑制するとともに、固溶強化作用により強度向上に寄与する。また、Ｃの一部をＮで置換してＣの多量添加を抑制することにより、中間あるいは最終焼鈍後冷却時における粒界近傍でのＣｒ炭化物析出に起因した耐食性劣化を回避することができる。このようなＮの作用を有効に得るためには、少なくとも０．０３％を超えるＮの含有が必要である。しかし、０．１０％を超えて多量に含有させると、最終焼鈍後残留オーステナイト量が多くなりすぎるために、良好な耐摩耗性や高強度が得られないことがある。またこの際、Ｎよりも固溶強化能が大きいＣを低減すると高強度が得られなくなると言う弊害が生じる。
【００１２】
Ｂ：０．００１０〜０．００７０％
Ｂは、本発明鋼においては熱間圧延時の肌割れを抑制し、また中間焼鈍におけるＳの粒界偏析を抑制し、その後の冷間圧延時の耳割れ発生を回避する上で非常に重要な元素である。その効果を有効に得るには０．００１０％以上の含有が必須である。しかし、０．００７０％を超えて多量に含有させても耳割れ発生抑制作用は飽和するとともに、Ｂ系析出物の粒界析出により、耐食性ならびに靭性が顕著となる。
【００１３】
以上必須の成分について説明したが、他に製鋼過程から必然的に含有される元素について説明する。
Ｍｎは、高温域でδフェライト相の生成を抑制する。しかし、多量の含有は焼鈍後の残留オーステナイト量を多くするので、Ｍｎ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。
Ｐは、靭性および耐食性を劣化させる原因となるので、少ないほど望ましく、０．０６％以下とすることが好ましい。
Ｓは、ＭｎＳなどの非金属介在物として鋼中に存在し、靭性に悪影響を及ぼす。また、熱間加工時には粒界に偏析して熱間加工性を著しく劣化させる。したがってＳ含有量は少ないほど望ましく、０．０１％以下にすることが好ましい。
【００１４】
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗ：２．０％以下
本発明で対象とする鋼は、必要に応じてＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗのうち１種あるいは２種以上を含有させることができる。これらの元素で構成される炭化物は、アルミナ、シリカ、炭化珪素などの硬質粒子とほぼ同等の硬さを有し、アブレッシブな摩耗を抑制するのに効果的である。ただし、これらの元素は一般的に高価であり、多量の添加は原料コスト増を招くとともに、合計で２．０％を超えて含有させても、その含有量に対する耐摩耗性向上効果は小さい。したがって、これらの元素を含有させる場合は合計で２．０％以下にすることが好ましい。
【００１５】
Ｍｏ、Ｃｕ：２．０％以下
さらに、本発明の対象鋼では、必要に応じてＭｏ、Ｃｕのうちの１種または２種を含有させることができる。これらの元素は、炭化物が析出した状態においても優れた耐食性を維持する上でも有効である。しかし、これらの元素は比較的高価であるとともに、合計で２．０％を超えて多量に含有させても耐食性向上の効果は小さく、かえって残留オーステナイトやδフェライトが生成しやすくなり、耐摩耗性を劣化させることになる。したがって、これらの元素は、合計で２．０％以内の範囲で含有させることが好ましい。
【００１６】
マルテンサイト相：８５体積％以上
本発明では、各成分元素の含有量を上記の範囲に調整するとともに、マルテンサイトが８５体積％以上になるように成分あるいは製造条件が調整される。マルテンサイト量が８５体積％に満たないと、優れた耐摩耗性を得るのが困難となる。このマルテンサイトの体積率は、焼鈍や調質圧延、冷間加工のいずれの製造方法によって得られても良いし、マルテンサイト相以外の相は、残留オーステナイト相であってもフェライト相であっても良い。
【００１７】
例えば、各元素量が請求項１で規定する範囲にあり、仕上げ焼鈍後に残留オーステナイト量が１５％を超える場合には、適度の冷間加工あるいは調質圧延を施すことにより加工誘起マルテンサイトを生成させて、マルテンサイトの総量を８５％以上にすることにより、優れた耐摩耗性を確保することができる。ただし、その加工の際の加工率あるいは調質圧延率が高くなるに伴い強度が高くなり、延性や靭性が低下し易くなるので、加工歪みおよび調質圧延率ともに１０％以下とすることが好ましい。
仕上げ焼鈍後にフェライトが１５％を超えて生成すると、その後の冷間加工等で消失させることができず、優れた耐摩耗性を得ることが困難となるため、δフェライトが１５％を超えないように成分調整する必要がある。
【００１８】
析出炭化物総量：０．０５〜１．０％
本発明で対象とする鋼は、析出炭化物総量が０．０５〜１．０％であることが必要である。請求項１で特定される高強度ステンレス鋼ではＣｒ系炭化物が、請求項２で特定される高強度ステンレス鋼ではＣｒ炭化物に加えて、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗで構成される炭化物が析出する。いずれの炭化物においても、炭化物の総量が０．０５％よりも少ないと場合によっては十分な耐摩耗性が得られないことがある。炭化物の総量が増えるにしたがい耐摩耗性は向上する。同量の析出量では、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗで構成される炭化物の方が、それ自身の硬度が高いためにＣｒ系炭化物よりも耐摩耗性向上効果は大きい。
【００１９】
しかし、いずれの炭化物においても、１．０％を超えて増加させても耐摩耗性向上効果は小さく、一方、耐食性の低下が顕著となる。したがって、炭化物の総量は０．０５〜１．０％の範囲にする必要がある。
本発明で規定する析出炭化物総量を得る手段としては、仕上げ焼鈍時の冷却速度を調整する、あるいは仕上げ焼鈍後に焼戻しを行うことが挙げられる。
ただし、炭化物の析出挙動は、化学成分、特にＣやＴｉ、Ｎｂなど炭化物構成元素の添加量の影響を受けるので、適正な炭化物量が得られるよう、化学成分によって冷却速度や焼戻し温度を調整する必要がある。
【００２０】
【実施例１】
表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解し、３００ｋｇの鋼塊から熱間圧延を経て板幅２５０ｍｍ、板厚３．０ｍｍの熱延鋼帯を製造した。表１において、Ａ１〜Ａ８が本発明で規定する化学成分を有した発明対象鋼である。Ｂ１〜Ｂ３は比較鋼であり、それぞれＮｉ、Ｃ、Ｃｒが本発明の規定範囲を外れている。Ｃ１は従来のＳＵＳ３０１，Ｃ２はＳＵＳ４２０Ｊ２である。
【００２１】

【００２２】
発明対象鋼Ａ１〜Ａ８および比較鋼Ｂ１〜Ｂ３の熱延板を７００℃×１ｈｒのバッチ型焼鈍を行い、スケール除去後板厚１ｍｍまで冷間圧延を施した後、連続焼鈍炉により１０２０℃へ加熱し、１０２０℃から室温まで平均１７℃／ｓの冷却速度で冷却する仕上げ焼鈍を行った。
一部の鋼については、仕上げ焼鈍後さらに圧延率５％の調質圧延を施した。一方、Ｃ１のＳＵＳ３０１については、熱延板焼鈍、スケール除去および板厚１．７ｍｍまでの冷間圧延を行い、さらに仕上げ焼鈍および冷延率４２％の調質圧延を行うことにより、板厚１ｍｍの調質圧延材を作製した。Ｃ２のＳＵＳ４２０Ｊ２は、熱延板をバッチ焼鈍、スケール除去、板厚１ｍｍまでの冷間圧延および１０５０℃からの焼入れを経て、３００℃焼戻し材を作製した。
【００２３】
それぞれの鋼について、マルテンサイト量、炭化物析出量および比摩耗量を測定した。マルテンサイト量は、光学顕微鏡組織から測定したδフェライト量および振動試料型磁力計を用いて測定した残留オーステナイト量を除く残部とした。炭化物析出量は、試験片をヨウ素アルコール溶液に浸漬し、超音波照射しながら鋼材を溶解した後、液中に残った炭化物量の残渣量より求めた。
【００２４】
アブレッシブな摩耗に対する耐摩耗性は、ピンオンディスク型の摩擦摩耗試験機を用いて調査した。接触面が直径５ｍｍの円柱状試験片をピンに取り付け、シリカ粉末を塗布した研磨紙をディスクに貼り付けた。ピン側の試験片に３０Ｎの付加荷重Ｆ（Ｎ）を加え、回転しているディスクに摩擦速度０．７ｍ／ｓで摩擦距離Ｌ＝０．５ｋｍを摺動させた後、試験片の摩耗量Ｗを測定した。
測定値から、次式にしたがって比摩耗量Ｃを算出した。比摩耗量Ｃで耐摩耗性を判定し、１００×１０^-8ｍｍ²／Ｎ未満を○、それ以上を×と評価した。Ｃ２のＳＵＳ４２０Ｊ２を除く調査結果を表２に示す。
【００２５】
また、表２に示した測定結果の一部について、マルテンサイト量と比摩耗量の関係を表したグラフを図１に示す。なお、表には示されていないが、いずれの鋼もビッカース硬さ４００ＨＶ２０を超える高強度ステンレス鋼である。
比摩耗量Ｃ（ｍｍ²／Ｎ）＝Ｗ/（Ｌ×Ｆ）×１０^-4
【００２６】

【００２７】
表２に示されるように、Ｎｉ、Ｃ、Ｃｒ含有量が請求項１に規定する範囲内にあり、かつマルテンサイト量が８５体積%以上であって炭化物析出量が０．０５質量%以上のものでは、比摩耗量が１００×１０^-8ｍｍ²／Ｎ未満で、耐摩耗性に優れていることがわかる。これに対して、Ｎｉ、Ｃ、Ｃｒ含有量が請求項１に規定する範囲を外れる比較例Ｂ１〜Ｂ２はマルテンサイト量が８５体積％に達せず、十分な耐摩耗性が得られていない。また、各元素の含有量が規定の範囲内であってもマルテンサイト量が８５体積％未満の場合（試験番号７）には耐摩耗性が低い。
【００２８】
図１に示すように、比摩耗量が１００×１０^-8ｍｍ²／Ｎ未満の、十分な耐摩耗性を確保するには、マルテンサイト量が８５体積％以上になるように調整する必要がある。Ａ７およびＢ２は、仕上げ焼鈍後に多量の残留オーステナイトが残留するために、焼入れマルテンサイトが少なくなっている。Ａ７については、焼鈍後圧延率５％という軽圧下の調質圧延を施すことによって、残留オーステナイトの一部を加工誘起マルテンサイトへ変態させ、全体としてのマルテンサイト量を８５体積％以上とすることで、耐摩耗性を優れたものとすることができた。
一方、Ｂ２は圧延率５％程度の調質圧延では十分なマルテンサイト量が得られず、耐摩耗性は低い。さらに、Ｂ１およびＢ３は、仕上げ焼鈍後に１５％を超えるフェライトが存在するために十分な耐摩耗性が得られず、調質圧延を施しても改善されなかった。
【００２９】
【実施例２】
表１に示したＡ２およびＡ３の鋼について、仕上げ焼鈍温度および冷却条件を調整、あるいは焼戻しを行うなどにより、これら熱処理後の炭化物析出量を変化させた。それぞれの鋼について、マルテンサイト量、炭化物析出量、比摩耗量および耐食性を調査した。耐食性に関しては、ＪＩＳＨ８５０２に準拠したキャス試験を１０日間実施し、その後発銹が認められたものを×、認められなかったものを○と評価した。調査結果を表３に、従来鋼Ｃ２の結果と併せて示す。
【００３０】

【００３１】
表３に示されるように、含有成分と熱処理条件を調整することにより、本発明で規定するようなマルテンサイト量および炭化物析出量としたものは、耐摩耗性および耐食性ともに優れている。これに対して、炭化物析出量が１.０質量％を超える鋼（試験番号２０、２３および２４）では、１０日間のキャス試験で発銹が起こり、耐食性に劣る。また高温からの急冷により析出物量を０．０５質量％未満にした鋼（試験番号１７）では、耐摩耗性がやや悪い。
なお、ＳＵＳ４２０Ｊ２であるＣ２は、優れた耐摩耗性を有するものの、キャス試験後は、ほぼ板の半分以上の表面で発銹しており、表１に示した本発明鋼および比較鋼に比べかなり耐食性に劣っていた。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、ステンレス鋼の成分組成を調整するとともに、マルテンサイト量が８５体積％以上かつ炭化物析出量が０．０５〜１．０質量％になるように金属組織を調整することにより、耐摩耗性と耐食性の両方に優れた高強度ステンレス鋼が得られる。
これにより、例えば床材や織機、機械、電気・電子機器などの各種部品のように、アブレッシブな摩耗に曝される環境下で優れた耐食性および耐摩耗性が要求される分野においてその性能が最大限発揮できる材料を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】使用した高強度ステンレス鋼のマルテンサイト量と比摩耗量の関係を表す図

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３超え〜０．１５％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：２．０〜５．０％、Ｃｒ：１４．０〜１７．０％、Ｎ：０．０３超え〜０．１０％、Ｂ：０．００１０〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、８５体積％以上のマルテンサイト相を有するとともに、析出炭化物総量を０．０５〜１．０質量％にしたことを特徴とする耐食性および耐摩耗性に優れた高強度ステンレス鋼。
さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｗのうちの１種または２種以上を合計で２．０質量％以下含有する請求項１に記載の耐食性および耐摩耗性に優れた高強度ステンレス鋼。
さらに、Ｍｏ、Ｃｕの１種または２種を合計で２．０質量％以下含有する請求項１または２に記載の耐食性および耐摩耗性に優れた高強度ステンレス鋼。