JP6501652B2

JP6501652B2 - 析出硬化能に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP6501652B2
Application number: JP2015130498A
Authority: JP
Inventors: 孝細田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: JP2017014556A

Description

本願の発明は、自動車の主要装置であるエンジンの動力を伝えるために変速機と差動歯車とをつなぐ回転軸であるプロペラシャフトや自動車の懸架装置との関係でエンジンの動力を左右の車輪に伝達するためのドライブシャフトなど、あるいは圧延用のロールや鍛造用のロールなどの、高硬度、高耐食および高靱性が求められる析出硬化型であるマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

ＪＩＳに規定するＳＵＳ６３０およびＳＵＳ６３１のステンレス鋼に代表される析出硬化系ステンレス鋼は、時効熱処理によって良好な耐食性と高硬度でかつ高靱性を有する材料である。しかし、これらの析出硬化系ステンレス鋼には、スクラップを再利用する鉄鋼材料の利点を阻害するトランプエレメントの１つであるＣｕを析出硬化元素として利用しているものが多く、Ｃｕを利用しない場合であっても、硬さや靱性に悪影響を及ぼすδフェライトやγの量を制御し、さらに耐食性を維持するために、高価なＮｉやＭｏを多量に添加したり、あるいは複雑な加工熱処理を行ったりしている。このために、コストアップが避けられない状況である。そこで、トランプエレメントや高価な元素などを多量に添加することなく、また複雑な加工熱処理に頼ることなく、安価で、かつ、高い硬度、高い靱性、優れた耐食性が発揮できる析出硬化系ステンレス鋼が求められている。

ところで、従来の自動車の足回りの部品などに使用される鋼材として、焼入れ焼戻しなどの熱処理を必要とせず、熱間鍛造後、自然空冷のままで、優れた強度および靱性の得られる鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この鋼材は、Ｃｒを０．８〜２．０％含有しており、耐食性の鋼材ではない。

本発明と技術分野および用途が同じで、鋼種も析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼で同じであるが、析出硬化元素としてＣｕを必須元素とし、さらに被削性に特化するために、Ｓも積極的に添加している鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、一般にＣｕはトランプエレメントとして含有されるが、特許文献２のＣｕの含有量では多すぎて、トランプエレメントとしての鋼の再利用が阻害される。一方、Ｓは多く含有されると、延性、靱性、熱間加工性が劣化するので、積極的に添加することは一般には行われていない。したがって、この特許文献２のものは、高硬度、高耐食性および高靱性を得る目的で積極的に添加するものであって、本願発明のものとは相違するものである。

さらに、ＣｕおよびＳを積極的に添加して、高強度を有しつつ被削性に優れ、さらに良好な冷間加工性を有する鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、このものは、特許文献２と同様に、一般にＣｕはトランプエレメントとして含有されるが、特許文献３のＣｕの含有量では多すぎて、トランプエレメントとしての鋼の再利用が阻害される。

また、ＣｕやＴｉ等の析出硬化元素を添加することなく、成分および調質圧延（圧延率１〜１０％）にて材料中のδフェライトおよび残留γ量を制御し、高硬度および高靱性が得られる鋼板の発明が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、このものは目的の特性を得るためには、厳密に工程設計された調質圧延が必須であり、成分（添加元素）と熱処理にて高硬度および高靱性を得る本願の発明とは相違する。

また、高耐食、高靱性および高硬度が得られる析出硬化型ステンレス鋼の発明が提案されている。（例えば、特許文献５参照。）。しかし、この提案のものは、Ｃｕ、高価なＣｏおよびＭｏを必須元素としており、再利用性およびコスト面で不利と見られる。

特開平７−００３３８５号公報特開２００４−３６００３４号公報特開２００５−１７１３３５号公報特開２０００−１２９４０１号公報特開２０１３−１１７０５４号公報

そこで、本願発明が解決しようとする課題は、鉄鋼材料の利点である再利用性を阻害するようなトランプエレメントを使用することなく、比較的安価で、高硬度、高靱性であり、かつ優れた耐食性を備えた材料の鋼を提供することである。

課題を解決するための本願の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．３０〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：３．０〜８．０％、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．２０〜０．８０％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０〜２．５０％、Ｎｂ：０．０１〜２．００％、Ｎ：０．０５００％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、式１：［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１０．０、式２：［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦２０．０を満足することを特徴とする析出硬化能に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である。ただし、上記の式１および式２の［元素記号］は、質量％で示す成分元素の量を％で示す際の数値を表す。

本願の発明は、鉄鋼材料の利点である再利用性を阻害するようなトランプエレメントを使用することなく、比較的に安価で、時効硬さが４５ＨＲＣ以上の高硬度で、シャルピー衝撃値が４５Ｊ／ｃｍ²以上の高靱性であり、かつ孔食試験における腐食度が２０ｇ／ｃｍ²／ｈ以下である耐食性に優れた材料のマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることが複雑な加工熱処理に頼ることなくできる。

本発明を実施するための形態を記載するに先立って、本願発明における化学成分の限定理由並びに式１および式２の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％である。

Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃは、γ相の安定化元素であって、過剰なδフェライトの生成を抑制し、良好な靱性を確保する元素である。このためには、Ｃは０．０１％以上含有されることが必要である。しかし、Ｃが０．１０％より多いと炭窒化物を生成して耐食性を劣化する。そこで、Ｃは０．０１〜０．１０％とする。

Ｓｉ：０．３０〜２．００％
Ｓｉは、製鋼段階での脱酸剤であり、析出硬化粒子を生成する元素である。このためには、Ｓｉは０．３０％以上含有される。しかし、Ｓｉが２．００％より多いと、鋼材の延性を阻害し、δフェライト生成による靱性の低下および鋼材の製造性を低下する。そこで、Ｓｉは０．３０〜２．００％とし、好ましくは０．５０〜１．８０％とする。

Ｍｎ：０．０１〜１．００％
Ｍｎは、製鋼段階での脱酸剤として必要な元素である。このためには、Ｍｎは０．０１％以上含有されることが必要である。しかし、Ｍｎが１．００％より多くても脱酸剤としての効果は飽和し、さらに硫化物の生成を促進して耐食性を落下する。そこで、Ｍｎは０．０１〜１．００％とし、好ましくは０．１０〜０．８０％とする。

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、不純物として含有される元素である。しかし、Ｐは０．０４０％より多いと、得られた鋼材の延性、靱性あるいは熱間加工性を劣化する。そこで、Ｐは０．０４０％以下とし、好ましくは０．０２０％以下とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓ、不純物として含有される元素である。しかし、Ｓは０．０３０％より多いと、得られた鋼材の延性、靱性あるいは熱間加工性を劣化する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とし、好ましくは０．０２０％以下とする。

Ｎｉ：３．０〜８．０％
Ｎｉは、γ相の安定化元素であって、過剰なδフェライトの生成を抑制し、良好な靱性を確保し、さらに焼入性の向上による均質な微細組織を形成する元素である。このためには、Ｎｉは３．０％以上含有されることが必要である。しかし、Ｎｉは８．０％より多く含有されても上記した効果は飽和し、さらに高価な元素であるので高コストとなる。そこで、Ｎｉは３．０〜８．０％とし、好ましくは４．５〜６．５％とする。

Ｃｒ：１２．０〜２０．０％
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素である。このためには、Ｃｒは１２．０％以上含有されることが必要である。しかし、Ｃｒは２０．０％より多く含有されても、耐食性向上の効果は飽和し、δフェライト生成による靱性の劣化および脆化相を形成する。そこで、Ｃｒは１２．０〜２０．０％とし、好ましくは１４．０〜１８．０％とする。

Ｍｏ：０．２０〜０．８０％
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。このためには、Ｍｏは０．２０％以上含有されることが必要である。しかし、Ｍｏは高価な元素であるので、０．８０％より多く含有されると高コストとなる。そこで、Ｍｏは０．２０〜０．８０％とする。

Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは、不純物として含有される元素である。ところで、Ｃｕは循環性元素すなわちトランプエレメントであり、多く含有されると鋼の再利用を阻害する元素である。そこで、Ｃｕは０．５０％以下とし、好ましくは０．２０％以下とする。

Ｔｉ：０．３０〜２．５０％
Ｔｉは、析出硬化粒子を生成して得られた鋼を強化する元素である。このために、Ｔｉは０．７０％以上含有されることが必要である。しかし、Ｔｉは２．５０％より多く含有されると粗大炭窒化物を生成して耐食性を劣化すると共に、高コストとなる。そこで、Ｔｉは０．３０〜２．５０％とし、好ましくは０．７０〜２．３０％とする。

Ｎｂ：０．０１〜２．００％
Ｎｂは、析出硬化粒子を生成して得られた鋼を強化する元素である。このために、Ｎｂは０．０１％以上含有されることが必要である。しかし、Ｎｂは２．００％より多く含有されると粗大なＮｂ炭化物が生成されて耐食性を劣化すると共に、高コストとなる。そこで、Ｎｂは０．０１〜２．００％とする。

Ｎ：０．０５００％以下
Ｎは、耐食性および結晶粒粗大化の防止に有効な元素である。このために、Ｎは０．０５００％以下とする必要がある。Ｎが０．０５００％より多いと粗大炭窒化物を生成して耐食性を劣化する。そこで、Ｎは０．０５００％以下とする。

式１：［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１０．０
式１は、マルテンサイトステンレス鋼の時効硬さおよび耐食性を確保するために必要な条件を示す式である。すなわち、この式１において、括弧中に元素記号を記載して示している［元素記号］は、本願のマルテンサイトステンレス鋼の各発明例または各比較例の供試材に含有される各成分元素の量を％で示す際の数値である。この式１の値が１０．０以上であれば、その式１で示すマルテンサイトステンレス鋼は、その鋼の時効硬さが４５ＨＲＣ以上であり、さらに孔食試験の腐食度が２０ｇ／ｍ²／ｈ未満で、耐食性が確保できる。そこで、式１の値は１０．０以上とする。

式２：［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦２０．０
式２は、時効硬さおよび耐食性を確保しつつ、δフェライト増量による衝撃特性の劣化を回避するために必要な条件を示す式である。式２において、［元素記号］は、本願のマルテンサイトステンレス鋼の各発明例または各比較例の供試材に含有される各成分元素の量を％で示す際の数値である。この式２の値が２０．０以下であれば、その式２で示すマルテンサイトステンレス鋼は、その鋼の時効硬さおよび耐食性を確保しつつ、δフェライト増量による衝撃特性の劣化を回避できる、すなわち、シャルピー衝撃値の値を４５Ｊ／ｃｍ²以上にすることができる。そこで、式２の値は２０．０以下とする。

次いで、本願発明の実施の形態について、表１に基づいて、以下に説明する。先ず、本願発明の実施例およびその比較例については、表１に示す発明例のＮｏ．１〜１３と、こ比較例のＮｏ．１４〜３３における、各Ｎｏ．の化学成分からなる供試材の鋼を、１００ｋｇ真空誘導加熱炉（ＶＩＭ）で溶解して鋼塊とした。これらの鋼塊を、１１５０℃に加熱して径２０ｍｍの丸棒材あるいは一辺１５ｍｍの角材に、それぞれ鍛伸した。その後、これらの棒材あるいは角材からなる鋼を９００℃〜１２００℃に１０分以上保持した後に水冷する固溶化熱処理を行った。その後、さらに、これらの鋼を−９０℃〜−２０℃に１０分以上に保持してサブゼロ処理し、さらに、時効熱処理として、３００℃〜８００℃に３０分以上保持した後、空冷して各試験片とした。

表１において、Ｆｅの項目における残部には不可避不純物も含む。さらに、式１および式２の項目の数値は、各Ｎｏ．における各式１および各式２の算出値である。

上記で作成した径２０ｍｍの丸棒材の時効熱処理後の試験片について、それらの鍛伸方向に垂直な断面の端部と中心部の間の箇所のロックウェル硬さを測定し、下記の表２に時効硬さを示し評価した。事項硬さの測定値が４５ＨＲＣ以上を評価の項目に○と記し、４５ＨＲＣ未満を評価の項目に×と記した。

上記で作成した一辺１５ｍｍの角材を使用して、時効熱処理後に鍛伸方向に平行に一辺１０ｍｍの角状で長さ５５ｍｍの試験片を切り出し、これから２ｍｍＵノッチ試験片を作製し、これを常温にてシャルピー衝撃試験に供してシャルピー衝撃値を測定し、下記の表２にシャルピー衝撃値を示し評価した。シャルピー衝撃値の測定値が４５Ｊ／ｃｍ²以上を評価の項目に○と記し、４５Ｊ／ｃｍ²未満を評価の項目に×と記した。

上記で作成した径２０ｍｍの丸棒材の時効熱処理後の試験片を、径１２ｍｍで長さ２１ｍｍの丸棒状の腐食試験片へ加工した。これらの丸棒状の腐食試験片を、６％塩化第二鉄の２５℃の孔食試験液に２４時間浸漬する孔食試験を実施し、その腐食度を測定し、下記の表２に孔食試験の腐食度を示し評価した。孔食試験の腐食度が２０ｇ／ｍ²／ｈ未満のものを○と記し、２０ｇ／ｍ²／ｈ以上ないし３０ｇ／ｍ²／ｈ未満のものを△と記し、３０ｇ／ｍ²／ｈ以上のものを×と記した。

表２において、比較例のＮｏ．１８は、表１に示すように、Ｎｉの含有量が８．６％であって、本願の請求項に規定するＮｉの含有量の３．０〜８．０％より多いので、高コストである。さらに、比較例のＮｏ．２４、Ｎｏ．２５、Ｎｏ．２８、Ｎｏ．２９は、時効硬さの測定値が４５ＨＲＣ未満であるため、シャルピー衝撃試験および孔食試験を実施していないので、それらのシャルピー衝撃値の項目および孔食試験の項目には、−を表記している。さらに比較例のＮｏ．３３は、表１に示すようにＣｕを２．１７％含有して本願の請求項で規定する０．０５％以下を大幅に超えているので、本発明の対象外のものである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．３０〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：３．０〜８．０％、Ｃｒ：１２．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．２０〜０．８０％、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．３０〜２．５０％、Ｎｂ：０．０１〜２．００％、Ｎ：０．０５００％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、式１：［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１０．０、式２：［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦２０．０を満足することを特徴とする析出硬化能に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
ただし、上記の式１および式２の［元素記号］は、質量％で示す成分元素の量を％で示す際の数値を表す。