JP5370813B2

JP5370813B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP5370813B2
Application number: JP2008313166A
Authority: JP
Inventors: 廣志山田; 節雄高木; 聡宏土山
Original assignee: Kyushu University NUC; Minebea Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Minebea Co Ltd
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: JP2010138425A

Description

本発明は、耐食性に優れ、また、熱間加工時に割れが生じず、かつ、冷間加工性にも優れた高硬度のマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものである。

従来、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼は硬さが高いという特性から、バルブ部品、刃物、機械部品、シャフト等に使用されている。この種のステンレス鋼は、特許文献１等で知られている。

特開平１１−５０２０３号公報

ところで、上記ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｃの含有量が低いために、ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃに比べ、高い耐食性を有する。しかしながら、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼と比べた場合には、水分や塩分の多い環境下では錆が発生しやすく耐食性に劣るという欠点を有している。なお、錆の発生を防止する手段として表面にＮｉやＣｒ等をめっきする等の表面処理があるが、高い面圧がかかった場合の母材に対する密着性に問題があるほか、コストが増加してしまう難点があった。

また、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて耐食性に優れてはいるものの、強度面では劣るという難点がある。

また、上記特許文献１に記載された表面高硬度、高耐食、および高靭性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼の場合には、Ｎが０．１０％未満の場合には錆の発生があり、耐食性に難点がある。また、表面硬さがＨｖ７００以上を得ることができないという難点がある。

なお、高い表面硬さと耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼を得る手段としては、従来から使用されているマルテンサイト系ステンレス鋼に周知の固相窒素吸収法（鋼材を、１０００〜１３００℃の高温で加熱された窒素ガス雰囲気中において必要な窒化層厚を得ることができる時間保持し、鋼材の表層に窒素原子を吸収させて窒素原子による固溶強化を図る処理法）を適用して処理し、この処理後に焼き入れ（水冷）することも考えられる。しかしながらこの場合にはＢが含まれていないため、ＢＮの析出が関与する硬さの向上（Ｈｖ７００以上）が見込めなかった。

よって本発明は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃに比べ、耐食性に優れ、かつ、強度は同等以上である高硬度の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する。具体的には、ＳＵＳ４２０Ｊ２の組成をベースに、Ｎが０．０２％未満であっても表層のＨｖ７００以上の高い硬度と優れた耐食性を有する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する。

本発明者は上記目的を達成することができるマルテンサイト系ステンレス鋼の開発を鋭意進めたところ、ＳＵＳ４２０Ｊ２の組成をベースに、Ｎを０．０２％以下の範囲、およびＢを０．０００５〜０．００２％の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を製造した後、それを窒素雰囲気中で加熱し、表層の窒素濃度を高めて水焼き入れすれば、Ｂの添加によって焼き入れ性が増加し、かつ、ダイヤモンドに似た構造で高硬度のＢＮの析出が関与することにより、Ｈｖ７００以上の高い硬さと優れた耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができることを見出した。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼はこのような知見に基づくものであり、成分が、質量％で、Ｃを０．２６〜０．４０％の範囲、Ｓｉを１％以下の範囲、Ｍｎを１％以下の範囲、Ｐを０．０４％以下の範囲、Ｓを０．０３％以下の範囲、Ｃｒを１２〜１４％の範囲、Ｎを０．０２％以下の範囲、Ｂを０．０００５〜０．００２％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材が１０００〜１３００℃の窒素雰囲気中で加熱されて表層の窒素濃度が０．２５〜０．３％とされ、この後、水焼き入れされてなることを特徴としている。

本発明によれば、硬さに優れたＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイトステンレス鋼に比べ、Ｃの含有量が少なく、また、耐食性に優れる従来の鋼材よりＣｒの含有量も少ないが、０．０２％以下のＮおよび適量のＢが添加されている。そして、表層の窒素濃度を０．２５〜０．３％と高めることにより、耐食性を低下させることなく、水焼き入れ後の表層の硬さがＨｖ７００以上で、かつ、耐食性に優れ、工業的に安価なマルテンサイト系ステンレス鋼の提供が可能となる。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳのＳＵＳ４２０Ｊ２の組成をベースとし、Ｂを０．０００５〜０．００２％添加したものである。なお、Ｎは意図的に添加されないが不可避的に混入する量として０．０２％以下の範囲で含有する。そして、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を製造した後、それを窒素雰囲気中で加熱し、表層の窒素濃度を０．２５〜０．３％と高め、加熱した鋼材を水焼き入れして得られる。したがって、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒは、ＪＩＳ規格に準拠するため、以下に、ＢおよびＮの含有量（質量％）の根拠についてのみ説明する。

・Ｂ（ホウ素）：０．０００５〜０．００２％
Ｂ含有量が０．０００５％未満の場合には、十分な焼き入れ性および鋼材表層の窒素濃度を高めた後の水焼き入れで十分なＢＮの析出の効果が得られず、Ｈｖ７００以上の硬さと優れた耐食性を同時に得ることが困難である。一方、０．００２％より多い場合には、硬さはＨｖ７００以上の高い値を示すが、熱間加工時にエッジ割れが発生してしまう。したがって、Ｂ含有量を０．０００５〜０．００２％とする。また、この範囲内のＢ含有量であれば、粒界を強化する効果が得られ、水焼き入れ時の割れを防止できる。

・Ｎ（窒素）：０．０２％以下の範囲
Ｎを０．０２％以上含有した場合には、耐力が増加することで鋼材製造時に大きな加工力を必要とし、生産性に支障をきたす可能性がある。このため上限を０．０２％とする。

本発明によれば、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性、冷間加工性に優れ、かつ、十分な硬さを有しているため耐摩耗性にも優れている。したがって、硬さ、耐摩耗性、耐食性の点で高いレベルが要求される軸受、ボルト、金型、歪みゲージの起歪体、刃物等の部品材料として用いれば、安価で信頼性が高く、長寿命の部品が得られ、結果として大きな工業的効果を奏する。

以下、本発明を実施例によって説明する。
重量１０ｋｇのインゴットを製造するための高周波誘導炉を用いて、表１に示す化学成分（質量比）の各合金を溶解し、均質加熱した。この後、合金を固化させてインゴットとした後、インゴットを切断し、熱間鍛造にてφ３０の丸棒に形成した。次いで脱スケールしてから、熱間圧延にて板厚３ｍｍの鋼材を得た。さらに、この鋼材を脱スケールした後、冷間圧延により板厚０．５５ｍｍとした。次に、表１の比較例２，４を除く鋼材には図２に示す加熱工程で１２００℃、０．１ＭＰａの高温の窒素雰囲気中に１〜３時間保持する固相窒素吸収法により鋼材表層の窒素濃度が０．２５〜０．３％になるまで窒素を吸収させ、この後、焼き入れ(水冷)を行い、比較例２，４の鋼材には同様に高温の窒素雰囲気中に１時間未満保持しただけで焼き入れを行った。なお、鋼材表層の窒素濃度は、高温の窒素雰囲気温度や保持時間を適宜設定して、０．２５〜０．３％にすればよいが飽和状態の濃度に近いほど望ましい。また、焼き入れを水焼き入れにした理由は、実験した結果、水焼き入れ以外ではＨｖ７００以上の硬さが得られないことが分かったためである。その後、鋼材に洗浄処理等を施し、所定の大きさに切断して試料を得た。

なお、本実施例では、固相窒素吸収法を行う加熱工程の温度を１２００±３℃に設定して管理したが、加熱時に現れるオーステナイト相の結晶粒サイズや保持時間の必要性に応じて、１０００〜１３００℃の範囲内で適宜選択可能である。加熱温度を高く設定するほど加熱温度下での保持時間は短くなるが、結晶粒サイズが大きくなるので、両者のバランスを考慮して加熱温度を設定すればよい。

表２および図１は、実施例５を一例として、固相窒素吸収法における１２００℃での保持時間と鋼材表層の窒素濃度との関係を示している。図１の破線は、飽和状態に達した時の理論的に計算された窒素濃度（平衡窒素吸収濃度）、すなわち鋼材が一定温度に保持された時の理論的な最大窒素濃度を示している。図１で明らかなように、１２００℃で加熱した際に窒素濃度はおよそ３時間で飽和状態に達する。なお、各試料は、いずれも表１に示す化学成分以外に、０．０２％以下のＮと、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物を含んでいる。

・窒素濃度の測定
ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）を用いＸ線スペクトル分析を行い、表層の窒素濃度を測定した。その結果を図１および表２に示す。

実施例１〜６、比較例１〜４の各試料について、次の試験を行った。
・焼き入れ後の硬さ（Ｈｖ）の測定
ＪＩＳ−Ｚ２２４４に規定されている「ビッカース硬さ試験−試験方法」によりビッカース硬さ計を用いて測定した。
・耐食性の評価
ＪＩＳ−Ｚ２３７１に規定されている方法で中性塩水噴霧試験を４８時間行った後、全く錆の発生しなかった場合を○、僅かでも発生した場合を×として評価した。
・割れの評価
圧延時においてエッジに割れが生じた場合を×、発生しなかった場合を○として評価した。
以上の試験結果を、表３に示す。

表３によると、本発明の実施例１〜６には、いずれも適量のＢが添加され、固相窒素吸収法の適用により鋼材表層の窒素濃度も０．２５〜０．３０ｗｔ％あり、それぞれ表層の硬さがＨｖ７００以上、耐食性の評価は○を示し、割れの評価も○であった。したがって、熱間加工性の良好なマルテンサイト系ステンレス鋼であることが判る。

一方、比較例１は、Ｂの添加量が０．０００２質量％と本発明範囲より低いために十分な焼きが入らず、固相窒素吸収法が適用されているにもかかわらず十分なＢＮの析出もなく、硬さはＨｖ７００より低い値（Ｈｖ６８８）を示している。しかしながら、固相窒素吸収法の適用による窒素の吸収によって耐食性の評価は○であった。比較例２は、Ｂの添加量が０．０００３質量％と本発明範囲より低く、かつ、固相窒素吸収法の適用による鋼材表層の窒素濃度が０．２３４ｗｔ％と少ないために硬さがＨｖ６４８と低く、耐食性の評価も×であった。

比較例３は、固相窒素吸収法の適用による窒素の吸収があり、さらにＢを０．００２２％と多く含有するので、硬さは高い値（Ｈｖ７５５）を示している。しかしながらＢの含有量が本発明範囲より多いために圧延時にエッジの割れを生じ、割れの評価は×であった。比較例４は、Ｂが０．００１８％と本発明範囲で添加されているため、硬さはやや高い値（Ｈｖ６８３）を示しているが、固相窒素吸収法の適用による鋼材表層の窒素濃度が０．２４２ｗｔ％と少ないために耐食性の評価は×であった。

固相窒素吸収法における１２００℃での保持時間と鋼材表層の窒素濃度との関係を示す線図である。本発明の鋼材に対する窒素の吸収と焼き入れ工程を示すフローチャート図である。

Claims

成分が、質量％で、Ｃを０．２６〜０．４０％の範囲、Ｓｉを１％以下の範囲、Ｍｎを１％以下の範囲、Ｐを０．０４％以下の範囲、Ｓを０．０３％以下の範囲、Ｃｒを１２〜１４％の範囲、Ｎを０．０２％以下の範囲、Ｂを０．０００５〜０．００２％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材が１０００〜１３００℃の窒素雰囲気中で加熱されて表層の窒素濃度が０．２５〜０．３％とされ、この後、水焼き入れされてなることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。