JP7076379B2 - 析出硬化ステンレス鋼およびその製造 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、高温での使用に適した高強度析出硬化ステンレス鋼に関する。析出硬化ステンレス鋼組成物は、炭化物での析出硬化、それと共に焼き戻し後に存在するＮｉ－Ａｌの金属間析出を共に付与するように最適化される。新たな鋼は、高い比率のマルテンサイト相を含み、低いミクロおよびマクロ偏析を有するように設計される。本質的にコバルト非含有である鋼を提供することが、可能である。
一次硬化は、鋼がオーステナイト相場からマルテンサイトまたはベイナイト微細構造に急冷される場合である。一般に、炭化物を含む鋼が、知られている。低合金炭素鋼は、焼き戻し中に炭化鉄を発生する。これらの炭化物は、高温で粗雑化し、それによって鋼の強度が低下する。鋼が強い炭化物形成元素、例えばモリブデン、バナジウムおよびクロムを含有する場合、強度を、高温での長時間の焼き戻しによって増加させることができる。これは、合金炭化物がある温度で析出するためである。通常、これらの鋼によって、１００℃～４５０℃に焼き戻した際に、それらの一次硬化強度が低下する。４５０℃～５５０℃で、これらの合金炭化物は析出し、強度が一次硬度まで、またはさらにそれより高く増大し、これは、二次硬化と称される。それは、合金元素（例えばモリブデン、バナジウムおよびクロム）が長時間の焼きなまし中に拡散して、微細に分散した合金炭化物を析出し得るために起こる。二次硬化鋼において見出される合金炭化物は、炭化鉄よりも熱力学的に安定であり、粗雑化する傾向をほとんど示さない。
金属間析出硬化鋼もまた、知られている。炭化物析出および金属間析出硬化は共に、温度に伴う固溶度の変化に依存して、不純物相の微粒子を生成し、それによって転位の移動、または結晶格子中の欠陥が妨げられる。転位はしばしば可塑性の支配的な担体であるので、これは、材料を硬化させる役割を果たす。析出硬化鋼は、例えばアルミニウムおよびニッケルを含み、不純物相を生成し得る。
第２相粒子の存在によって、しばしば格子歪みが引き起こされる。これらの格子歪みは、析出物粒子がサイズおよび結晶学的構造においてホスト原子と異なる場合に生じる。ホスト格子中のより小さい析出物粒子によって、引張応力がもたらされ、一方より大きい析出物粒子によって、圧縮応力がもたらされる。転位欠陥によってもまた、応力場が作り出される。転位の上方に圧縮応力があり、下方に引張応力がある。その結果、転位と析出物との間に負の相互作用エネルギーがあり、それによって、各々それぞれ圧縮および引張応力が引き起こされ、またはその逆も同様である。換言すれば、転位は、析出物に引き付けられる。さらに、転位と析出物との間に正の相互作用エネルギーがあり、それは、同一のタイプの応力場を有する。これは、転位が析出物によって撃退されることを意味する。
析出物粒子はまた、材料の剛性を局所的に変化させることによって役割を果たす。転位は、より高い剛性の領域によって撃退される。逆に、析出物によって材料が局所的により柔軟になる場合、転位は当該領域に引き付けられる。
合金炭化物および金属間析出物の両方を含む鋼は稀であるが、それらは知られている。これらの鋼は、しかしながら低い偏析または焼き戻し後の最適化された硬度については最適化されていない。例えば、特許文献１には、金属間析出物および合金炭化物の両方を有する二重の硬化機構を有する鋼が開示されている。この鋼は、以下のものを含む。
Ｃ：０．３０重量％まで
Ｎｉ：１０～１８重量％
Ｍｏ：１～５重量％
Ａｌ：０．５～１．３重量％
Ｃｒ：１．７５～３重量％
Ｃｏ：８～１６重量％
コバルトは負の健康的影響ならびに負の環境的影響を有することが、知られている。同時に、一般に所望の特性および特に高温での強度を増加させることが、望ましい。
各鋼階級は、鋼組成に依存して多かれ少なかれ分離する。多数の鋼階級が、化学組成の変化量について試験されてきた。炭素は、各種炭化物形成元素、例えばＭｏ、ＣｒおよびＶの分配に対して莫大な影響を与える。炭素含有量が高くなるに伴って、より多大な偏析が生じる。マイクロスケールおよびマクロスケールの両方においてである。Ｃｒ、ＭｏまたはＶの絶対値は、鋼の名目上の含有量を乗じた偏析指数である。クロムは低い偏析する傾向を有するので、量の緩い制限を設定することができる。ＭｏおよびＶの量は、それらの偏析する傾向のために、他方で１．０～１．５重量％まで制御するべきである。
Ｍ－５０鋼は、しばしば真空誘導溶解（ＶＩＭ）および真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスを使用して精錬され、それは、多軸応力に対する優れた耐性および高い使用温度での軟化ならびに良好な耐酸化性を示す。しかしながら、それは、偏析に苦しみ、それは、回避するのが望ましい。さらに、それは、製造するのがかなり高価である。
これに鑑みて、当該分野における問題は、高温においても低い偏析および改善された機械的特性の両方を同時に有する無視できる量のコバルトを有することが可能であるステンレス鋼をいかにして提供するかである。
本発明の目的は、従来技術における欠点の少なくともいくつかを未然に防止し、改良されたステンレス鋼を提供することにある。
第１の態様において、析出硬化ステンレス鋼を提供し、前記ステンレス鋼は、重量％において以下のものを含み：
Ｃ：０．０５～０．３０重量％
Ｎｉ：９～１０重量％
Ｍｏ：０．５～１．５重量％
Ａｌ：１．７５～３重量％
Ｃｒ：１０．５～１３重量％
Ｖ：０．２５～１．５重量％
Ｃｏ：０～０．０３重量％
Ｍｎ：０～０．５重量％
Ｓｉ：０～０．３重量％
１００重量％までの残りの部分は、Ｆｅおよび不純物元素であり、
ここで鋼は、８０重量％より多いかまたはこれに等しい、好ましくは９０重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相を含み、ここで前記ステンレス鋼の組成は、Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式において形成される領域内にあり、当該図式は、以下の方程式：
ｘ軸上で重量％においてＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５＊Ｓｉ＋０．５＊Ｎｂ
ｙ軸上で重量％においてＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０＊Ｃ＋０．５＊Ｍｎ
に基づき、
ここでＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式の領域は、重量％において１１≦Ｃｒｅｑ≦１５．４および１０．５≦Ｎｉｅｑ≦１５によって定義され、
さらにただしＡｌおよびＮｉの量がまた式Ａｌ＝（Ｎｉ／４）±０．５を重量％において満たし、かつただしＡｌの量は、式の結果１重量％より低いＡｌの量がもたらされる場合には１重量％であり、Ａｌの量は、式の結果３重量％を超えるＡｌの量がもたらされる場合には３重量％である。
第２の態様において、上に記載した析出硬化ステンレス鋼の一部の製造方法であって、析出硬化ステンレス鋼を５１０～５３０℃で焼き戻して、ＮｉおよびＡｌを含む析出物を得ることを特徴とする前記方法を、提供する。
第３の態様において、析出硬化ステンレス鋼を２５０～３００℃の使用中の温度に曝露する用途のための上に記載した析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。代替の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を３００～５００℃の使用中の温度に曝露する用途のための上に記載した析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。尚別の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を２５０～５００℃の使用中の温度に曝露する用途のための上に記載した析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。
さらなる態様および実施形態を、添付した特許請求の範囲において定義する。
１つの利点は、析出硬化ステンレス鋼に微量の所望されないコバルトを供給することができるに過ぎないことである。０．０１重量％より十分に低いコバルトレベルを使用することが、可能である。当該量は、いかなる所望されない効果をも回避する程度に低い。少量のコバルトが、コバルトと関連する環境的および健康的問題のために好ましい。
別の利点は、高温での強度が増加することである。強度が増加する高温は、典型的には２５０～３００℃またはさらに５００℃までである。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼の好適な使用のための上方の温度限界は、４５０℃である。
析出硬化ステンレス鋼は、高温で同一の強度を有する現在の鋼と比較して、製造するのががより経済的である。
尚別の利点は、析出硬化ステンレス鋼が窒化に適していることである。
本発明を、ここで添付の図面を参照して例によって説明し、ここで：
図１は、ｘ軸上で重量％においてＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５＊Ｓｉ＋０．５＊Ｎｂおよびｙ軸上で重量％においてＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０＊Ｃ＋０．５＊Ｍｎを有するＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式を示す。重量％において１１≦Ｃｒｅｑ≦１５．４および１０．５≦Ｎｉｅｑ≦１５によって定義する領域を、領域Ａとして描写する。 図２は、ＦＣＣ領域を示す実施例１において詳述する計算図式を示す。 図３ａは、実施例において記載する鋼バッチからの実験データを示す。 図３ｂは、実施例において記載する鋼バッチからの実験データを示す。 図４は、腐食試験の結果を示す。
本発明を詳細に開示し、説明する前に、本発明は、特定の化合物、構成、方法ステップ、基材、および材料がいくぶん変化し得るので、本明細書中に開示した特定の化合物、構成、方法ステップ、基材、および材料に限定されるものではないことを、理解されたい。また、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲およびそれと同等のものによってのみ限定されるので、本明細書で使用する用語を、特定の実施形態のみを説明する目的のために使用し、限定することを意図しないことを、理解されたい。
本明細書および添付した特許請求の範囲において使用する単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明確に別段指示しない限り複数の指示対象を含むことに留意しなければならない。
他に何も定義しない場合、本明細書中で使用する任意の条件および科学的専門用語は、本発明が関係する当業者によって一般に理解される意味を有することを意図する。
本質的にコバルト非含有の、および同様の表現は、微量のコバルトのみが存在することを意味する。一実施形態において、本質的にコバルト非含有は、０．０１重量％のコバルトについて示唆されたしきい値未満の量である。
すべての百分率を、別段明確に示さない限り重量によって計算する。鋼の組成を、重量％において示す。すべての比を、別段明確に示さない限り重量によって計算する。
第１の態様において、析出硬化ステンレス鋼を提供し、前記ステンレス鋼は、重量％において以下のものを含み：
Ｃ：０．０５～０．３０重量％
Ｎｉ：９～１０重量％
Ｍｏ：０．５～１．５重量％
Ａｌ：１．７５～３重量％
Ｃｒ：１０．５～１３重量％
Ｖ：０．２５～１．５重量％
Ｃｏ：０～０．０３重量％
Ｍｎ：０～０．５重量％
Ｓｉ：０～０．３重量％
１００重量％までの残りの部分は、Ｆｅおよび不純物元素であり、
ここで鋼は、８０重量％より多いかまたはこれに等しい、好ましくは９０重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相を含み、ここで前記ステンレス鋼の組成は、Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式において形成される領域内にあり、当該図式は、以下の方程式：
ｘ軸上で重量％においてＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５＊Ｓｉ＋０．５＊Ｎｂ
ｙ軸上で重量％においてＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０＊Ｃ＋０．５＊Ｍｎ
に基づき、
ここでＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式の領域は、重量％において１１≦Ｃｒｅｑ≦１５．４および１０．５≦Ｎｉｅｑ≦１５によって定義され、
さらにただしＡｌおよびＮｉの量がまた式Ａｌ＝（Ｎｉ／４）±０．５を重量％において満たし、かつただしＡｌの量は、式の結果１重量％より低いＡｌの量がもたらされる場合には１重量％であり、Ａｌの量は、式の結果３重量％を超えるＡｌの量がもたらされる場合には３重量％である。
すべての元素の量は、重量％においてである。
析出硬化ステンレス鋼は、マルテンサイト相ならびに他の相、例えばオーステナイト相の両方を含むマルテンサイト構造を有する。析出硬化ステンレス鋼は、８０重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相、好ましくは８５重量％より多い、より好ましくは９０重量％より多い、尚より好ましくは９５重量％より多いマルテンサイト相を含む。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼は、９２重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相を含む。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼は、９４重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相を含む。マルテンサイト相は、硬度および引張強度ならびに耐摩耗性を提供する。本発明によれば、マルテンサイト相およびオーステナイト相が、形成する。オーステナイト相の量は、それによって所望の硬度が低下するので過度に高くてはならない。マルテンサイト相が、所望される。
１３重量％のＣｒ、９重量％のＮｉ、２重量％のＡｌおよび０．１５重量％のＣを含む本発明による鋼についての１つの実施形態において、オーステナイト相は、材料の１５重量％である。しかしながら、オーステナイトの量は温度依存性であるので、それを、冷却することによって低下させることができる。一実施形態において、オーステナイト相の量は、－４０℃に冷却することによって同一の鋼について約６重量％に低下する。これによって、硬度が増加する。
図１のＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式を使用して、例えばマルテンサイト相の、高温からの急速な冷却の後の鋼の構造中の存在を予測し、鋼の化学組成に基づく。
Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式およびその中に示されるマルテンサイト領域がかなり粗い概観に過ぎないことに留意しなければならない。したがって、Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式によって組成物がマルテンサイト領域の外側にあることが示された場合であっても、それにもかかわらず、図１においてＡと表示する長方形中で多量のマルテンサイト相を得ることが、可能である。これは、なぜ本発明による領域Ａが部分的にマルテンサイト領域の外側にあるかを説明する。マルテンサイト領域の外側の領域Ａの部分についてさえも、高度のマルテンサイト相を鋼中に得ることが、可能である。
炭素（Ｃ）：０．０５～０．３重量％。別の実施形態において、Ｃの量は、０．０５～０．２重量％である。Ｃは、強オーステナイト相安定化合金元素である。Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼のために必要であり、したがって前記鋼は、熱処理により硬化され、強化される能力を有する。過剰のＣによって、炭化クロムを生成する危険性が増大し、それによって、したがって種々の機械的特性および他の特性、例えば延性、衝撃靭性および耐食性が低下する。機械的特性はまた、硬化後の保持されたオーステナイト相の量によって影響を受け、この量は、Ｃ含有量に依存する。したがって、Ｃ含有量を、最大で０．３重量％であるように設定する。代替の実施形態において、最大のＣ含有量は、０．２重量％である。
ニッケル（Ｎｉ） ９～１０重量％。本開示において、ＮｉおよびＡｌの量を均衡させることによってＡｌおよびＮｉを含む第１のタイプの析出物が得られることが、見出された。したがって、Ｎｉの量を、Ａｌの量と均衡させて、特許請求の範囲中の式を満たすべきである。Ｎｉがかなり高価な成分であるので、好ましくは、Ｎｉの量を可能な限り低く保持し、同時に尚所望の特性を得る。さらに、過度に高い量のＮｉによって、材料中のオーステナイト相の量が増加し、これは、鋼がその場合過度に柔軟であるので、回避するべきである。
モリブデン（Ｍｏ）：０．５～１．５重量％。Ｍｏは、強力なフェライト相安定化合金元素であり、したがって焼きなましまたは熱間加工中にフェライト相の形成を促進する。Ｍｏの１つの主な利点は、Ｍｏが耐食性に寄与することである。Ｍｏはまた、マルテンサイト鋼における焼き戻し脆化を低減し、それによって機械的特性を改善することが知られている。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であり、耐食性に対する効果は少量においてさえも得られる。Ｍｏの最低含有量は、したがって０．５重量％である。さらに、過剰量のＭｏによって、硬化中のオーステナイトからマルテンサイトへの変化に影響が及び、最終的には保持されたオーステナイト相含有量に影響が及ぶ。したがって、Ｍｏの上限を、１．５ｗｔ％に設定する。
アルミニウム（Ａｌ） １．７５～３重量％。Ａｌは、それが製鋼中の酸素含有量を低減するのに有効であるため、脱酸剤として一般に使用される元素である。鋼において、アルミニウムは、Ｎｉと一緒に第１のタイプの析出を形成して、機械的特性を改善する。一実施形態において、Ａｌの量は、２重量％である。ＡｌとＮｉとの間の関係を、式Ａｌ＝Ｎｉ／３によって決定し、限界±０．５重量％を加える。式Ａｌ＝Ｎｉ／３±０．５を、重量パーセントにおいて表すＡｌおよびＮｉの量で使用するべきである。当該式によって、すべての他の条件と一緒に満たされるべき追加的な条件が付与される。Ｎｉ＝１０重量％と仮定すると、この式によって、Ａｌ＝２．５±０．５重量％、すなわち２～３重量％の区間におけるものが付与される。しかしながら、Ａｌの量が１．７５～３重量％であるという条件もまたある。後者の条件は、本開示において、第１の式によって３重量％以上のＡｌの量が付与される場合、３重量％のＡｌを使用するべきであるように解釈されるものとする。第１の式によって１．７５重量％以下であるＡｌ量が付与される場合、１．７５重量％のＡｌを使用するべきである。したがって、当該式によって、ＡｌおよびＮｉの量に関する他の条件と一緒に適用するべきである追加的な条件が付与される。両方の条件を、適用するものとする。Ｎｉ＝９重量％と仮定すると、この式によって、Ａｌ＝２．２５±０．５重量％が付与される。しかしながら、Ａｌの量が１．７５～３重量％であるという条件もまたある。これらの条件によって、一緒にＡｌが１．７５～２．７５重量％であるべきであることが付与される。
クロム（Ｃｒ） １０．５～１３重量％は、ステンレス鋼の基本的な合金元素の１種であり、表面上に酸化クロムの保護層を形成することによって鋼に耐食性を提供する元素である。上記または以下で定義する析出硬化ステンレス鋼は、空気または水中でのＣｒ酸化物層および／または鋼の表面の不動態化を達成し、それによって基本的な耐食性を得るために、少なくとも１０．５重量％を含む。しかしながら、Ｃｒが過剰量において存在する場合、衝撃靭性が低下し得、炭化クロムが硬化時に生成し得る。炭化クロムの生成によって、マルテンサイト系ステンレス鋼の機械的特性が低下する。鋼表面の不動態化のレベルを上回るＣｒ含有量の増加は、マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性に対して弱い効果を有するに過ぎない。Ｃｒ含有量を、したがって最大１３重量％に設定する。代替の実施形態において、Ｃｒ含有量は、最大で１５重量％であることが許容される。しかしながら、多量のＣｒによって、材料中のオーステナイト相の量が増加し、これは、鋼がその場合過度に柔軟であるので、回避するべきである。したがって、大量のＣｒは、多くの用途について望ましくない。
バナジウム（Ｖ）：０．２５～１．５重量％。Ｖは、ＣおよびＮに対して高い親和性を有する合金元素である。Ｖは、析出硬化元素であり、析出硬化ステンレス鋼中の微細合金（ｍｉｃｒｏ－ａｌｌｏｙｉｎｇ）元素とみなされ、結晶粒微細化に用いられ得る。結晶粒微細化は、小析出物を微細構造中に導入することによって結晶粒径を高温で制御する方法を指し、それによって粒界の移動度が制限され、それによって熱間加工または熱処理中のオーステナイト結晶粒成長が低減される。小さいオーステナイト粒径は、硬化時に形成するマルテンサイト微細構造の機械的特性を改善することが知られている。鋼は、Ｃｒ、ＭｏおよびＶからなる群から選択された少なくとも１種の炭化物を含む第２のタイプの析出物を含む。これらの析出物によって、ＡｌおよびＮｉを含む第１のタイプの析出物と一緒に、改善された機械的特性が付与される。
コバルト（Ｃｏ）：０～０．０３重量％。一実施形態において、Ｃｏの量は、０．０３重量％未満である。一実施形態において、Ｃｏの量は、０．０２重量％未満である。別の実施形態において、Ｃｏの量は、０．０１重量％未満である。コバルトは、発がん性カテゴリー１Ｂ Ｈ３５０として０．０１重量％の固有の濃度限界（ＳＣＬ）で標識すべきであり、すなわち０．０１重量％を超えるコバルト含有量が潜在的に有害であり得ることが、提案されている。低いコバルト含有量が所望され、尚別の実施形態において、Ｃｏの量は、０．００５重量％未満である。一実施形態において、０．０００１重量％のＣｏの下限がある。本発明の利点は、極めて少量のコバルトを有し、一方所望の特性を維持することが可能であることである。コバルトの量は、析出硬化ステンレス鋼をコバルト非含有と称することができる程度に低くするか、または少なくとも低くすることができる。低い量のコバルトによっては、損なわれた性質が、他の点、例えば機械的特性または高温での強度において付与されない。
マンガン（Ｍｎ）：０～０．５重量％。Ｍｎは、オーステナイト相安定化合金元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰である場合、残留したオーステナイト相の量が過度に大きくなり得、各種機械的特性ならびに硬度および耐食性が低下し得る。また、Ｍｎの過度に高い含有量によって、熱間加工特性が低下し、また表面品質が損なわれる。一実施形態において、Ｍｎは、０～０．３重量％である。一実施形態において、Ｍｎの下限は、０．００１重量％である。Ｍｎの述べた濃度によって、析出硬化ステンレス鋼の特性に顕著な程度まで悪影響は及ばない。Ｍｎは、鋼中の低濃度における一般的な元素である。Ｍｎに関して、当業者は、それがＮｉｅｑの総量に影響を及ぼすことを考慮しなければならず、当業者は、次に他のニッケル当量の濃度を適合させなければならない場合がある。同一のことが、すべての他のニッケル当量に該当する。
ケイ素（Ｓｉ）：０～０．３重量％。Ｓｉは、強力なフェライト相安定化合金元素であり、したがってその含有量はまた、他のフェライト形成元素、例えばＣｒおよびＭｏの量に依存する。Ｓｉは、主に溶融精錬中の脱酸剤として使用される。Ｓｉ含有量が過剰である場合、フェライト相ならびに金属間析出物が微細構造中に生成し得、それによって種々の機械的特性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量を、最大０．３重量％に設定する。一実施形態において、Ｓｉの量は、０～０．１５重量％である。一実施形態において、Ｓｉの下限は、０．００１重量％である。
任意に、少量の他の合金元素を、例えば機械加工性または熱間加工特性、例えば熱間延性を改善するために、上記または以下で定義するマルテンサイト系ステンレス鋼に添加してもよい。かかる元素の例は、しかし限定せずに、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、ＰｂおよびＣｅである。これらの元素の１種以上の量は、最大０．０５重量％である。
用語「最大」または「より小さいかまたはそれに等しい」を使用する場合、当業者は、範囲の下限が別の数を特定的に述べない限り０重量％であることを知っている。
上記または以下で定義するマルテンサイト系ステンレス鋼の元素の残りは、鉄（Ｆｅ）および通常存在する不純物である。不純物の例は、意図的に添加していない元素および化合物であるが、それらが例えばマルテンサイト系ステンレス鋼の製造に使用する原料または追加的な合金元素中の不純物として通常存在するので、完全に回避することはできない。
用語「不純物元素」を、合金の残余中の鉄に加えて少量の不純物および付随的な元素を含むために使用し、それは、特徴および／または量において析出硬化ステンレス鋼合金の有利な態様に悪影響を与えない。合金のバルクは、ある種の通常のレベルの不純物を含んでもよく、例には、各々約３０ｐｐｍまでの窒素、酸素および硫黄が含まれるが、これらに限定されない。
鋼は、マルテンサイト相を含み、残りの部分は、主にオーステナイト相から構成される。マルテンサイト相が望ましく、さもなければ鋼は過度に柔軟である。
析出硬化鋼組成物はさらに、Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式において形成された領域内にある。当該領域は、重量％において１１＝Ｃｒｅｑ≦１５．４および１０．５≦Ｎｉｅｑ≦１５によって定義される。重量％においてＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５＊Ｓｉ＋０．５＊Ｎｂは、ｘ軸上にある。重量％においてＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０＊Ｃ＋０．５＊Ｍｎは、ｙ軸上にある。
Ｎｉ、Ｃなどの元素ならびにＣｒおよびＭｏなどの元素についての量は、当該範囲内で自由に調整可能ではなく、例えばＣがＮｉ当量であり、ＭｏがＣｒ当量であるためＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式に適合させなければならないことが、理解される。
０．０５～０．３重量％のＣおよび９～１０重量％のＮｉの含有量を、Ｎｉｅｑが１０．５～１５の区間内にあるという追加的な条件と組み合わせなければならない。０．０５重量％のＣおよび９重量％のＮｉによって、１０．５のＮｉｅｑが得られる。０．０５重量％のＣおよび１０重量％のＮｉによって、１１．５のＮｉｅｑが得られる。最後の文のすべての条件が、満たされなければならない。
１０．５～１３重量％のＣｒおよび０．５～１．５重量％のＭｏの含有量についても同様に、それを、Ｃｒｅｑが１１～１５．４の区間にあるという追加的な条件と組み合わせなければならない。最後の文のすべての条件を、適用しなければならない。それは、Ｃｒｅｑ １５．４の上限に達することができないという場合であり得るが、これは、意図した通りである。
一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼は、ＡｌおよびＮｉを含む第１のタイプの析出物ならびにＣｒ、ＭｏおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種の炭化物を含む第２のタイプの析出物を含む。この２種のタイプの析出物によって、改善された機械的特性が付与される。
第２の態様において、析出硬化ステンレス鋼の一部を上に記載したように製造する方法を提供し、ここで析出硬化ステンレス鋼を、５１０～５３０℃で焼き戻して、ＮｉおよびＡｌを含む析出物を得る。これにより、ＡｌおよびＮｉを含む析出物が得られる。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、５２０℃で焼き戻す。別の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、５２０℃±２％で焼き戻す。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、１～８時間焼き戻す。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、６～８時間焼き戻す。尚別の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、６時間±０．５時間で焼き戻す。
一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼を、焼き戻し前に機械加工する。これは、析出硬化ステンレス鋼が、焼き戻し前に焼き戻し後と比較して低い強度を有し、それにより焼き戻し前に焼き戻し後と比較して機械加工するのが容易であるという利点を有する。Ａｌを除いて本質的に同一の含有量を有する鋼については、硬度の増加は事実上なく、一方本発明による鋼については、硬度の増加が起こる。硬度の増加は、ＮｉおよびＡｌを含む析出物の形成に起因する。二次硬化元素またはＮｉ－Ａｌ添加のいずれかを有する鋼は、焼き戻した後の限定された硬度を有する。
一実施形態において、溶液処理を、焼き戻しの前に実行する。一実施形態において、溶液処理を、９００～１０００℃の温度区間において０．２～３時間実施する。組成物を、溶液処理がオーステナイト相場において可能であるように選択するべきである。Ｃｒ、ＡｌおよびＭｏはフェライトを安定化し、一方ＭｎおよびＮｉはオーステナイトを安定化する。
第３の態様において、析出硬化ステンレス鋼が使用中に２５０～３００℃の温度に曝露される用途のための上記の使用を、提供する。代替の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼が使用中に３００～５００℃の温度に曝露される用途のための上記の析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。尚別の実施形態において、析出硬化ステンレス鋼が使用中に２５０～５００℃の温度に曝露される用途のための上記の析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。さらなる実施形態において、析出硬化ステンレス鋼が使用中に２５０～４５０℃の温度に曝露される用途のための上記の析出硬化ステンレス鋼の使用を、提供する。
析出－硬化プロセスを、溶液処理または溶液化（ｓｏｌｕｔｉｏｎｉｚｉｎｇ）によって進行させることができ、合金を均一な固溶体が生成するまで固相線温度より高温に加熱する析出－硬化プロセスにおける第１のステップである。
窒化は、熱処理プロセスであり、それによって、窒素が金属の表面中に拡散して、焼きを入れた表面を作り出す。Ｃｒ、ＭｏおよびＡｌの含有量によって、析出硬化ステンレス鋼が窒化に適したものになる。窒化を、機械的性質をさらに向上させるために好適に用いる。一実施形態において、析出硬化ステンレス鋼の窒化を行う。
上の記載した代替の実施形態のすべてまたは実施形態の一部を、組み合わせが矛盾しない限り、本発明の概念から逸脱せずに自由に組み合わせることができる。
本発明の他の特徴および使用、ならびにそれらに関連する利点は、説明および実施例を読むことで当業者に明らかであろう。
本発明がここに示す特定の実施形態に限定されないことを、理解するべきである。実施形態を、本発明の範囲が添付した特許請求の範囲およびその同等なものによってのみ限定されるので、例示的目的で提供し、本発明の範囲を限定することを意図しない。
１２重量％のＣｒ、２重量％のＡｌ、０．７重量％のＭｏ、０．５重量％のＶおよび９重量％のＮｉを含む本発明による鋼のシミュレーションを、ソフトウェアＴｈｅｒｍｏＣａｌｃを用いて行った。請求項１に記載の残りの化合物は、本発明の限界内にあり、Ｃの量を、図２中のＸ軸上に示すように変化させた。ＦＣＣ領域内にあることが、望ましい。
重量％において以下の仕様を有する鋼を、製造した：
Figure 0007076379000001
計算によって、鋼が約９０重量％のマルテンサイト相を含むことが示される。
５２０℃での焼き戻し硬度を、自動硬度試験機ＫＢ３０Ｓ上で測定した。結果を、図３ａに示す。さらに、重要な元素の偏析をまた測定し、結果を図３ｂに示す。結果は、他の比較の鋼と比較して優れている。
腐食試験を、この鋼および多数の他の鋼について行った。試験を、ＡＳＴＭ Ｇ１５０に従って、０．０１ＭのＮａＣｌおよび１０～２０ｍＶ／分での電位掃引を用いて実施し、いかなる電圧で１００マイクロＡ／ｃｍ２の電流が発生したかを測定した。結果を、図４に示す。

Claims (12)

  1. 析出硬化ステンレス鋼であって、前記ステンレス鋼が重量％において以下のものを含み：
    Ｃ：０．０５～０．３０重量％
    Ｎｉ：９～１０重量％
    Ｍｏ：０．５～１．５重量％
    Ａｌ：１．７５～３重量％
    Ｃｒ：１０．５～１３重量％
    Ｖ：０．２５～１．５重量％
    Ｃｏ：０～０．０３重量％
    Ｍｎ：０～０．５重量％
    Ｓｉ：０～０．３重量％
    ここで窒素、酸素および硫黄の不純物が各々バルクにおいて３０ｐｐｍ以下に限定され、１００重量％までの残りの部分は、Ｆｅおよび不純物元素であり、
    ここで前記鋼が８０重量％より多いかまたはこれに等しいマルテンサイト相を含み、残りの部分がオーステナイト相で構成され、ここで前記ステンレス鋼の組成がＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式において形成される領域内にあり、当該図式が以下の方程式：
    ｘ軸上で重量％においてＣｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ
    ｙ軸上で重量％においてＮｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ
    に基づき、
    ここで前記Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ図式の前記領域が重量％において１１≦Ｃｒｅｑ≦１５．４および１０．５≦Ｎｉｅｑ≦１５によって定義され、
    さらに、ＡｌおよびＮｉの量が、式（Ｎｉ／４）－０．５≦Ａｌ≦（Ｎｉ／４）＋０．５を満たし、かつＡｌの量が前記式の結果１．７５重量％より低いＡｌの量がもたらされる場合には１．７５重量％であり、Ａｌの量が前記式の結果３重量％を超えるＡｌの量がもたらされる場合には３重量％である、
    析出硬化ステンレス鋼。
  2. Ｃｏの量が０．０１重量％未満である、請求項１に記載の析出硬化ステンレス鋼。
  3. 前記析出硬化ステンレス鋼がＡｌおよびＮｉを含む第１のタイプの析出物ならびにＣｒ、ＭｏおよびＶからなる群から選択された少なくとも１種の炭化物を含む第２のタイプの析出物を含む、請求項１または２に記載の析出硬化ステンレス鋼。
  4. 前記析出硬化ステンレス鋼が窒化される、請求項１～３のいずれか一項に記載の析出硬化ステンレス鋼。
  5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の析出硬化ステンレス鋼の製造方法であって、前記析出硬化ステンレス鋼を５１０～５３０℃で１～８時間焼き戻してＮｉおよびＡｌを含む析出物を得ることを特徴とする、前記方法。
  6. 前記析出硬化ステンレス鋼を６～８時間焼き戻す、請求項５に記載の方法。
  7. 前記析出硬化ステンレス鋼を前記焼き戻しの前に機械加工する、請求項５または６に記載の方法。
  8. 溶体化処理を前記焼き戻しの前に行う、請求項５～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記溶体化処理を９００～１０００℃の温度区間において０．２～３時間実施する、請求項８に記載の方法。
  10. 窒化を行う、請求項５～９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記析出硬化ステンレス鋼を使用中２５０～５００℃の温度に曝露する用途のための、請求項１～４のいずれか一項に記載の析出硬化ステンレス鋼の使用。
  12. 前記析出硬化ステンレス鋼を使用中２５０～３００℃の温度に曝露する用途のための、請求項１１に記載の析出硬化ステンレス鋼の使用。
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