JP6776467B1 - 析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
以下質量%にて、C:0.01〜0.05%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.70〜1.50%、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Ni:6.0〜8.0%、Cr:12.0〜15.0%、Mo:0.50〜1.50%、Cu:0.40〜1.20%、Ti:0.20〜0.50%、Nb:0.05〜0.40%、N:0.001〜0.005%、Al:0.001〜0.2%、O:0.0001〜0.01%、残部がFeおよび不可避的不純物から成り、Cu相およびNi16(Ti,Nb)6Si7系金属間化合物相が分布し、前記金属間化合物相中のNbが0.2〜3.0(at%)であることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼である。
C:0.01〜0.10%
Cはオーステナイト生成元素であり、高温でのδフェライト相の生成を抑制する。また、マルテンサイト相に固溶して強度を上昇させるが、固溶熱処理後の残留オーステナイト相が増加しやすくなり、時効熱処理後に十分な強度が得られなくなる。さらに、C量が高くなると、析出硬化に寄与するG相の構成成分であるTi、NbがTiC、NbCの形成により消費されやすくなる。よって、時効熱処理による析出硬化能を低下させるため、Cの含有量は0.01〜0.10%とする。さらに、好ましくは0.03〜0.05%とする。
Siは、時効熱処理によってG相を生成させ、析出硬化により強度を大きく上昇させるため、1.0%以上とする。一方で、フェライト生成元素であるため多量に含有するとδフェライト相が生成しやすくなり、熱間加工性、溶接部での強度低下を助長するため、2.0%以下とする。さらに、好ましくは1.30〜1.90%とする。
Mnはオーステナイト生成元素であり、高温でのδフェライト相の生成を抑制する。さらに、固溶熱処理後の残留オーステナイト相が増加しやすくなり、靭性を向上する一方、時効熱処理後に強度が低下する。また、MnOやMnSを形成し、耐食性を低下させる。よって、Mnの範囲は0.50〜1.50%とする。さらに、好ましくは0.70〜1.20%とする。
Pは、結晶粒界に偏析することにより、凝固割れ感受性を高めるとともに、熱間加工性を低下させる。よって、P含有量は低いほど望ましく、0.04%以下とする。
Sは、MnSを形成し耐食性を低下、粒界に偏析し熱間加工性を低下させる有害成分である。よって、S含有量は低いほど望ましく、0.01%以下とする。
Niはオーステナイト生成元素であるとともに、前記G相の構成元素であり、析出硬化に重要な元素であるため、6.0%以上とする。ただし、Ni含有量が多くなると固溶熱処理後の残留オーステナイト相が増加しやすくなり、強度低下の招く要因となるため、8.0%以下とした。
Crはステンレス鋼の耐食性を確保するため、12.0%以上とした。しかしながら、フェライト生成元素であるため、高温においてδフェライト相が生成しやすくなり、熱間加工性を低下させるため、15.0%以下とする。
Moは耐食性の向上に有効な元素であるが、δフェライト相が生成を助長するため0.50〜1.50%の範囲とした。さらに、好ましくは0.50〜1.00%とする。
Cuは時効熱処理によりCu相を生成し、析出硬化に有効な元素である。しかしながら、過度の添加は残留オーステナイト相増加による強度低下や熱間加工性の低下による割れの発生の原因となる。よって、Cuの含有量は0.40〜1.20%とする。さらに、好ましくは0.50〜1.00%とする。
TiはG相形成に必須元素であり、析出硬化による強度上昇に有効な元素である。ただし、酸化物、窒化物を形成しやすく、欠陥の原因となることより、Tiの範囲は0.20〜0.50%とする。
NbはG相を構成する元素であり、とても重要な元素である。NbはG相をNi16(Ti,Nb)6Si7系に制御して核生成を促進する作用を持つため有効な元素である。さらに、Cu相を微細に分散させる効果もあり、Cu相およびG相による析出硬化の能力を著しく向上する。さらに、特に限定しないが、およそ0.3〜1μmほどのサイズのNb炭化物を形成して、結晶粒の粗大化を妨げる効果があり、結晶粒の微細化にも有効である。よって、Nbの含有量は0.05%以上とする。しかしながら、過剰なNbの添加は、過剰なNbCの形成により、固溶C量低下を引き起こし、伸びが低下する原因となるため0.40%以下とする。さらに、好ましくは0.10〜0.30%とする。
Nは、Cと同様オーステナイト生成元素であり、マルテンサイト相に固溶して強度を上昇させるが、TiN、NbNの形成により析出硬化に寄与するG相の構成成分であるTi、Nbが消費されやすくなり、時効熱処理による析出硬化能を低下させる。よって、Nの範囲は0.001〜0.02%とする。
Alは、脱酸剤としてO量を低下させることに有効な元素である。また、Nbは比較的酸化し易い元素のため、Alで脱酸し酸素濃度を低下させることにより、Nbを確実に本願発明の範囲に制御することが出来る。しかし、過度に含有させるとδフェライト相の生成を助長し、熱間加工性の低下や靭性の低下が起こる。そこで、Alの範囲は0.001〜0.2%とする。
Oは、析出硬化に寄与するG相の構成成分であるSi、Tiと非金属介在物を形成するため、時効熱処理後の強度を低下させる。さらに、酸化物系の介在物は鋼の清浄度を低下させ、欠陥の原因となる。しかしながら、過度の脱酸はコストの増大を招くため、Oの範囲は0.0001〜0.01%とする。
表1に供試材の化学成分および析出硬化相の有無、G相中のNb量、粒内の析出物の割合、ビッカース硬さ、伸びをまとめたものを示す。化学成分が本発明の範囲外の数値には括弧を付してある。また、※2と※5は参考例である。
(Cu相の有無、G相の有無)
Cu相とG相が存在する場合、評価を○とした。いずれかの相が存在しない場合、×とした。各相の有無の判断基準は、任意の視野で観察して、析出物が0.001(個/nm2)以上であった場合を存在するとした。
G相Ni16(Ti,Nb)6Si7中のNb(at%)は、Ni16(Ti(1−x),Nbx)6Si7としたとき、x/(16+6+7)で表せる。この時効熱処理時のG相中のNb量を熱力学計算ソフトThermo−Calcを用いて求めた。また、この熱力学計算より得られたG相中のNb量はSTEM−EDS分析の結果とよい一致を示した。硬さ、伸びといった機械的性質より、G相中のNb(at%)が0.2〜3.0の範囲を評価が○とした。
析出物の粒内の割合が50%以上のものを評価○とした。
析出物の平均粒子径が1〜20nmである場合を評価○とした。
ビッカース硬さ試験は、上記の板厚2mmの冷間圧延材に熱処理を施し、圧延面を#800で研磨した後、表面に対して10kgの荷重にて5点の測定を行い、平均値を求めた。硬さが400〜600Hvを評価○とした。
引張試験においては上記の板厚2mmの冷間圧延材に熱処理を施し、引張方向を圧延方向とするJIS13B号平型引張試験片を切り出し、測定を行った。測定結果より伸びが2〜15%の範囲を評価○とした。
以上の結果より全ての評価が○となる場合、総合評価を◎、×が1〜2個ある場合、総合評価を○、×が3個以上の場合、評価を×とした。発明例の総合評価を◎または○に対して、比較例は総合評価が×である。
Claims (5)
- 以下質量%にて、C:0.01〜0.05%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.70〜1.50%、P:0.04%以下、S:0.01%以下、Ni:6.0〜8.0%、Cr:12.0〜15.0%、Mo:0.50〜1.50%、Cu:0.40〜1.20%、Ti:0.20〜0.50%、Nb:0.05〜0.40%、N:0.001〜0.005%、Al:0.001〜0.2%、O:0.0001〜0.01%、残部がFeおよび不可避的不純物から成り、Cu相およびNi16(Ti,Nb)6Si7系金属間化合物相が分布し、前記金属間化合物相中のNbが0.2〜3.0(at%)であることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 前記Cu相および前記Ni16(Ti,Nb)6Si7系金属間化合物相を、
収束イオンビーム(FIB)により作製した薄膜試料を用いて走査型透過電子顕微鏡(STEM)に搭載されたエネルギー分散型X線(EDS)分析装置による元素マッピング像より画像解析を用いて、ナノスケールでの析出硬化相を観察し評価することにより分布を求め、50個数%以上が結晶粒内に分布することを特徴とする請求項1に記載の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 前記Cu相および前記Ni16(Ti,Nb)6Si7系金属間化合物相は平均粒径1〜20nmであることを特徴とする請求項1または2に記載の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 伸びが2〜15%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。
- 硬さが400〜600Hvであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。
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