JP7131225B2 - Precipitation Hardening Martensitic Stainless Steel - Google Patents

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JP7131225B2 JP2018171960A JP2018171960A JP7131225B2 JP 7131225 B2 JP7131225 B2 JP 7131225B2 JP 2018171960 A JP2018171960 A JP 2018171960A JP 2018171960 A JP2018171960 A JP 2018171960A JP 7131225 B2 JP7131225 B2 JP 7131225B2
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本発明は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に関し、さらに詳しくは、適度な強度及び靱性を維持しつつ、耐食性に優れた析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a precipitation hardening martensitic stainless steel, and more particularly to a precipitation hardening martensitic stainless steel having excellent corrosion resistance while maintaining suitable strength and toughness.

析出硬化型ステンレス鋼とは、Cr-Ni系ステンレス鋼にAl、Cu、Mo、Tiなどを少量添加し、熱処理によって母相中に金属間化合物を析出させた鋼をいう。析出硬化型ステンレス鋼は、母相の組織に応じて、マルテンサイト系、セミオーステナイト系、及びオーステナイト系に分類される。
これらの中でも、SUS630をはじめとする析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐食性、強度、及び靱性に優れていることから、航空宇宙構造部材などに用いられている。しかしながら、従来の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、強度と靱性のバランスが悪いという問題がある。
Precipitation hardening stainless steel refers to steel obtained by adding a small amount of Al, Cu, Mo, Ti, etc. to Cr-Ni stainless steel and precipitating an intermetallic compound in the matrix phase by heat treatment. Precipitation hardening stainless steels are classified into martensitic, semi-austenitic, and austenitic types according to the structure of the parent phase.
Among these, precipitation hardening martensitic stainless steels such as SUS630 are used for aerospace structural members and the like because they are excellent in corrosion resistance, strength and toughness. However, conventional precipitation hardening martensitic stainless steels have a problem of poor balance between strength and toughness.

例えば、SUS630では、主要な硬化元素としてCuを用いているが、比較的低い降伏強度を示す。一方、強度を上昇させるために、硬化元素としてAlやTiを用いた合金(例えば、PH13-8Mo、Custom450など)が設計されてきた。しかし、これらの合金では、高い引張強度(>1450MPa)を維持しつつ、高衝撃特性を得るのは困難である。 For example, SUS630, which uses Cu as the main hardening element, exhibits relatively low yield strength. On the other hand, alloys using Al and Ti as hardening elements (eg, PH13-8Mo, Custom 450, etc.) have been designed to increase strength. However, it is difficult for these alloys to obtain high impact properties while maintaining high tensile strength (>1450 MPa).

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(a)質量%で、C:≦0.2%、7%≦Ni≦14%、0%≦Co≦3.5%、9.5%≦Cr≦14%、0.5%≦Mo≦3%、0.25%<Al<1%、及び、0.75%<Ti≦2.5%を含み、残部がFe及び不純物からなり、さらに、
(b)所定の関係式を満足する
析出強化型ステンレス鋼が開示されている。
同文献には、Cを低く抑えた析出強化型マルテンサイト系ステンレス鋼にMoを添加し、さらに、Niと化合物を形成するAl及びTiの割合及び量を最適化すると、耐食性、引張強さ及び延性を維持しつつ、0.2%耐力を大きく改善できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
For example, in Patent Document 1,
(a) in mass %, C: ≤ 0.2%, 7% ≤ Ni ≤ 14%, 0% ≤ Co ≤ 3.5%, 9.5% ≤ Cr ≤ 14%, 0.5% ≤ Mo ≤ 3%, 0.25%<Al<1%, and 0.75%<Ti≦2.5%, the balance being Fe and impurities, and
(b) A precipitation-strengthened stainless steel is disclosed that satisfies a predetermined relational expression.
In the same document, when Mo is added to a precipitation-strengthened martensitic stainless steel with a low C content, and furthermore, by optimizing the ratio and amount of Al and Ti that form compounds with Ni, corrosion resistance, tensile strength and It is described that the 0.2% yield strength can be greatly improved while maintaining ductility.

特許文献2には、
(a)重量%にて、Cr:10~19%、Ni:5.5~10%、Si:0.4%以下、Mn:2.0%以下、Al:1.10~2.00%、Ti:0.5~2.0%、C:0.03%以下、及び、N:0.04%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、さらに、
(b)所定の関係式を満たす
マルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。
同文献には、
(a)Al、Ti、Niの積極的複合添加により、従来鋼よりも優れた強度が得られる点、及び、
(b)C、Nの低減を行うと共にSi量を限定することにより、加工性が著しく改善される点
が記載されている。
In Patent Document 2,
(a) By weight %, Cr: 10 to 19%, Ni: 5.5 to 10%, Si: 0.4% or less, Mn: 2.0% or less, Al: 1.10 to 2.00% , Ti: 0.5 to 2.0%, C: 0.03% or less, and N: 0.04% or less, the balance being Fe and unavoidable impurities, and further,
(b) A martensitic stainless steel is disclosed that satisfies a predetermined relational expression.
In the same document,
(a) A positive combined addition of Al, Ti, and Ni provides strength superior to that of conventional steel, and
(b) It is described that the workability is remarkably improved by reducing C and N and limiting the amount of Si.

特許文献3には、
(a)組成が重量%において、9%≦Cr≦13%、1.5%≦Mo≦3%、8%≦Ni≦14%、1%≦Al≦2%、Al+Ti≧2.25%という条件で、0.5%≦Ti≦1.5%、測定限界値≦Co≦2%、Mo+(W/2)≦3%という条件で、測定限界値≦W≦1%、測定限界値≦P≦0.02%、測定限界値≦S≦0.0050%、測定限界値≦N≦0.0060%、測定限界値≦C≦0.025%、測定限界値≦Cu≦0.5%、測定限界値≦Mn≦3%、測定限界値≦Si≦0.25%、測定限界値≦O≦0.0050%であり、さらに、
(b)所定の関係式を満たす
マルテンサイトステンレス鋼が開示されている。
同文献には、このようなマルテンサイトステンレス鋼は、耐食性、強度、及び靱性に優れている点が記載されている。
In Patent Document 3,
(a) 9% ≤ Cr ≤ 13%, 1.5% ≤ Mo ≤ 3%, 8% ≤ Ni ≤ 14%, 1% ≤ Al ≤ 2%, Al + Ti ≥ 2.25% in terms of composition by weight 0.5% ≤ Ti ≤ 1.5%, measurement limit ≤ Co ≤ 2%, Mo + (W/2) ≤ 3%, measurement limit ≤ W ≤ 1%, measurement limit ≤ P ≤ 0.02%, measurement limit ≤ S ≤ 0.0050%, measurement limit ≤ N ≤ 0.0060%, measurement limit ≤ C ≤ 0.025%, measurement limit ≤ Cu ≤ 0.5% , measurement limit ≤ Mn ≤ 3%, measurement limit ≤ Si ≤ 0.25%, measurement limit ≤ O ≤ 0.0050%, and
(b) A martensitic stainless steel is disclosed that satisfies a predetermined relationship.
The document describes that such martensitic stainless steel is excellent in corrosion resistance, strength and toughness.

特許文献4には、質量で、0.1%以下のC、0.1%以下のN、9.0%以上14.0%以下のCr、9.0%以上14.0%以下のNi、0.5%以上2.5%以下のMo、0.5%以下のSi、1.0%以下のMn、0.25%以上1.75%以下のTi、及び、0.25%以上1.75%以下のAlを含み、残部がFeおよび不可避不純物である析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。
同文献には、このような析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、組織の安定性、強度、靭性、耐食性、及び生産性に優れている点が記載されている。
In Patent Document 4, by mass, C of 0.1% or less, N of 0.1% or less, Cr of 9.0% or more and 14.0% or less, Ni of 9.0% or more and 14.0% or less , 0.5% to 2.5% Mo, 0.5% or less Si, 1.0% or less Mn, 0.25% to 1.75% Ti, and 0.25% or more A precipitation hardening martensitic stainless steel containing 1.75% or less of Al with the balance being Fe and incidental impurities is disclosed.
The document describes that such a precipitation hardening martensitic stainless steel is excellent in structural stability, strength, toughness, corrosion resistance, and productivity.

特許文献5には、
(a)重量パーセントで、微量≦C≦0.03%、微量≦Si≦0.25%、微量≦Mn≦0.25%、微量≦S≦0.020%、微量≦P≦0.040%、8%≦Ni≦14%、8%≦Cr≦14%、1.5%≦Mo+W/2≦3.0%、1.0%≦Al≦2.0%、0.5%≦Ti≦2.0%、2%≦Co≦9%、微量≦N≦0.030%、及び、微量≦O≦0.020%を含み、残部が鉄及び不純物からなり、さらに、
(b)所定の関係式を満たす
マルテンサイトステンレス鋼が開示されている。
同文献には、このようなマルテンサイトステンレス鋼は、高い機械的強度特性及び靱性、並びに、高い耐腐食性を有する点が記載されている。
In Patent Document 5,
(a) in weight percent, trace ≤ C ≤ 0.03%, trace ≤ Si ≤ 0.25%, trace ≤ Mn ≤ 0.25%, trace ≤ S ≤ 0.020%, trace ≤ P ≤ 0.040 %, 8%≦Ni≦14%, 8%≦Cr≦14%, 1.5%≦Mo+W/2≦3.0%, 1.0%≦Al≦2.0%, 0.5%≦Ti ≤ 2.0%, 2% ≤ Co ≤ 9%, trace ≤ N ≤ 0.030%, and trace ≤ O ≤ 0.020%, the balance being iron and impurities, and
(b) A martensitic stainless steel is disclosed that satisfies a predetermined relationship.
The document describes that such martensitic stainless steels have high mechanical strength properties and toughness, as well as high corrosion resistance.

特許文献6には、
(a)質量で、0.1%以下のC、0.1%以下のN、9.0%以上14.0%以下のCr、9.0%以上14.0%以下のNi、0.5%以上2.5%以下のMo、0.5%以下のSi、1.0%以下のMn、0.25%以上1.75%以下のTi、0.25%以上1.75%以下のAlを含み残部がFeおよび不可避不純物からなる析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼製の蒸気タービン低圧最終段長翼を具備し、
(b)所定の組成を有するディスクを、低合金鋼からなるタービンロータの最終段部に接合した
蒸気タービンロータが開示されている。
同文献には、このような方法により、高効率大容量の蒸気タービンを製造することができる点が記載されている。
In Patent Document 6,
(a) By mass, 0.1% or less of C, 0.1% or less of N, 9.0% or more and 14.0% or less of Cr, 9.0% or more and 14.0% or less of Ni, 0. 5% to 2.5% Mo, 0.5% or less Si, 1.0% or less Mn, 0.25% to 1.75% Ti, 0.25% to 1.75% a steam turbine low-pressure final stage long blade made of precipitation hardening martensitic stainless steel containing Al with the balance being Fe and unavoidable impurities,
(b) A steam turbine rotor is disclosed in which a disc having a predetermined composition is joined to the final stage of a turbine rotor made of low alloy steel.
The document describes that a high-efficiency, large-capacity steam turbine can be manufactured by such a method.

さらに、特許文献7には、
(a)質量%で、C:0.02~0.10%、Si:≦0.25%、Mn:0.001~0.10%、P:≦0.010%、S:≦0.010%、Ni:8.5~10.0%、Cr:10.5~13.0%、Mo:2.0~2.5%、N:0.001~0.010%、Al:1.15~1.50%、Cu:<0.10%、及び、Ti:≦0.20%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、さらに、
(b)所定の関係式を満たす
蒸気タービンブレード用鋼が開示されている。
同文献には、このような蒸気タービンブレード用鋼は、1450MPa以上の0.2%耐力と、15J以上のシャルピー衝撃特性を両立できる点が記載されている。
Furthermore, in Patent Document 7,
(a) In mass %, C: 0.02 to 0.10%, Si: ≤0.25%, Mn: 0.001 to 0.10%, P: ≤0.010%, S: ≤0. 010%, Ni: 8.5-10.0%, Cr: 10.5-13.0%, Mo: 2.0-2.5%, N: 0.001-0.010%, Al: 1 .15 to 1.50%, Cu: <0.10%, and Ti: ≤0.20%, with the balance consisting of Fe and unavoidable impurities, and
(b) A steam turbine blade steel is disclosed that satisfies a predetermined relationship.
The document describes that such steel for steam turbine blades can achieve both a 0.2% proof stress of 1450 MPa or more and a Charpy impact property of 15 J or more.

析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、今後さらなる強度と靱性のバランスが必要とされる。例えば、航空機部材や高強度ファスナーなどには、引張強度≧1550MPa、衝撃値≧30J/cm2が求められている。
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼において、強度は、析出物の種類及び量の影響を受ける。特に、昨今の析出硬化型ステンレス鋼では、金属間化合物を高強度化に積極的に利用している。一方、靱性もまた、析出物の種類及び量が関係していると推定されているが、詳細は明らかにされていない。そのため、析出硬化型ステンレス鋼において、単に強化元素を過剰に添加すると、強度特性の向上は得られるものの、靱性の著しい低下を伴うという問題がある。
さらに、航空宇宙部材などでは、強度、靱性、及び耐食性に優れていることが求められている。しかしながら、適度な強度及び靱性を維持しつつ、高い耐食性を示す析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が提案された例は、従来にはない。
Precipitation hardening martensitic stainless steels are required to have a better balance between strength and toughness in the future. For example, aircraft members and high-strength fasteners are required to have a tensile strength of ≧1550 MPa and an impact value of ≧30 J/cm 2 .
In precipitation hardening martensitic stainless steel, the strength is affected by the type and amount of precipitates. In particular, recent precipitation hardening stainless steels actively use intermetallic compounds to increase strength. On the other hand, toughness is also presumed to be related to the type and amount of precipitates, but details have not been clarified. Therefore, in precipitation hardening stainless steel, if a strengthening element is simply added excessively, strength characteristics can be improved, but there is a problem that this is accompanied by a significant decrease in toughness.
Furthermore, in aerospace members, etc., excellent strength, toughness, and corrosion resistance are required. However, there has been no proposal of a precipitation hardening martensitic stainless steel that exhibits high corrosion resistance while maintaining adequate strength and toughness.

国際公開第2012/002208号WO2012/002208 特開平02-310339号公報JP-A-02-310339 特表2008-546912号公報Japanese Patent Publication No. 2008-546912 特開2013-147698号公報JP 2013-147698 A 特表2017-503083号公報Japanese Patent Publication No. 2017-503083 特開2013-209742号公報JP 2013-209742 A 特開2013-241670号公報JP 2013-241670 A

本発明が解決しようとする課題は、適度な強度及び靱性を維持しつつ、高い耐食性を示す析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a precipitation hardening martensitic stainless steel exhibiting high corrosion resistance while maintaining appropriate strength and toughness.

上記課題を解決するために本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、
C<0.10mass%、
0.01≦Si≦0.10mass%、
0.01≦Mn≦0.10mass%、
P≦0.010mass%、
S≦0.010mass%、
7.5≦Ni≦11.0mass%、
10.0≦Cr≦14.0mass%、
1.0≦Mo≦2.5mass%、
0.001≦N≦0.010mass%、
0.40≦Al≦1.40mass%、
Cu<0.10mass%、
0.30≦Ti≦1.40mass%、及び、
0≦Nb<0.50mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。
(2)前記析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、次の式(1)~式(4)の関係を満たす。
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 …(1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 …(2)
8.00≦Nieq≦12.00 …(3)
16.00≦Creq≦21.00 …(4)
但し、
Nieq=[Ni]+0.11[Mn]-0.0086[Mn]2+0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C]、
Creq=[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al]、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)を表す。
In order to solve the above problems, a precipitation hardening martensitic stainless steel according to the present invention has the following constitution.
(1) The precipitation hardening martensitic stainless steel is
C<0.10 mass%,
0.01 ≤ Si ≤ 0.10 mass%,
0.01≦Mn≦0.10 mass%,
P≤0.010 mass%,
S ≤ 0.010 mass%,
7.5≦Ni≦11.0 mass%,
10.0≦Cr≦14.0 mass%,
1.0≤Mo≤2.5 mass%,
0.001≦N≦0.010 mass%,
0.40≦Al≦1.40 mass %,
Cu<0.10 mass%,
0.30 ≤ Ti ≤ 1.40 mass%, and
0≦Nb<0.50 mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities.
(2) The precipitation hardening martensitic stainless steel satisfies the following formulas (1) to (4).
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 (1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 (2)
8.00≦Ni eq ≦12.00 (3)
16.00≦Cr eq ≦21.00 (4)
however,
Ni eq =[Ni]+0.11[Mn]−0.0086[Mn] 2 +0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C],
Cr eq =[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al],
[X] represents the content of the element X (mass%).

析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼において、Cr量及びNi量を最適化すると、母相の高い耐食性を維持したまま、母相の強度及び靱性を適度に向上させることができる。さらに、Cr量及びNi量が最適化された析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に対し、適量のAl及び適量のTiを同時に添加すると、高い耐食性を維持したまま、強度と靱性をさらに向上させることができる。これは、B2相(NiAl)と、η相(Ni3Ti)の2相による複合強化によると考えられる。 In precipitation hardening martensitic stainless steel, optimizing the amount of Cr and the amount of Ni can moderately improve the strength and toughness of the matrix while maintaining the high corrosion resistance of the matrix. Furthermore, by simultaneously adding an appropriate amount of Al and an appropriate amount of Ti to a precipitation hardening martensitic stainless steel with an optimized amount of Cr and Ni, strength and toughness are further improved while maintaining high corrosion resistance. can be done. This is considered to be due to composite strengthening by two phases of B2 phase (NiAl) and η phase (Ni 3 Ti).

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼]
[1.1. 主構成元素]
本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Precipitation Hardening Martensitic Stainless Steel]
[1.1. Main constituent element]
The precipitation hardening martensitic stainless steel according to the present invention contains the following elements, with the balance being Fe and unavoidable impurities. The types of additive elements, their component ranges, and the reasons for their limitations are as follows.

(1) C<0.10mass%:
Cは、M2X型炭窒化物を析出して母材の強度向上に寄与する。また、Cは、旧オーステナイト粒径の微細化にも寄与する。しかしながら、C量が過剰になると、M2X炭窒化物が多量に析出するために、固溶温度を上げる必要が生じる。そのため、固溶化時にオーステナイト粒が粗大化し、特性バラツキの原因となる。また、時効処理時に(Cr,Mo)系炭化物が過剰に析出し、靱性及び耐食性を低下させる。さらに、マルテンサイト変態開始温度(Ms点)が低下し、オーステナイト相を安定化させる。従って、C量は、0.10mass%未満である必要がある。C量は、好ましくは、0.08mass%以下、さらに好ましくは、0.05mass%以下である。
(1) C<0.10 mass%:
C precipitates M 2 X type carbonitrides and contributes to improving the strength of the base material. C also contributes to the refinement of the prior austenite grain size. However, when the amount of C becomes excessive, a large amount of M 2 X carbonitrides precipitate, so it becomes necessary to raise the solid-solution temperature. As a result, the austenite grains become coarse during solution treatment, causing variations in properties. In addition, (Cr, Mo)-based carbides are excessively precipitated during the aging treatment, which lowers toughness and corrosion resistance. Furthermore, the martensite transformation start temperature (Ms point) is lowered, and the austenite phase is stabilized. Therefore, the C content should be less than 0.10 mass%. The amount of C is preferably 0.08 mass% or less, more preferably 0.05 mass% or less.

(2) 0.01≦Si≦0.10mass%:
Siは、脱酸剤として作用する。Si量が少なすぎると、溶解時の脱酸が不十分となり、清浄度が低下する。従って、Si量は、0.01mass%以上である必要がある。
一方、Si量が過剰になると、酸化物系介在物が形成され、靱性が低下する。従って、Si量は、0.10mass%以下である必要がある。
(2) 0.01≦Si≦0.10 mass%:
Si acts as a deoxidizing agent. If the amount of Si is too small, deoxidation during dissolution will be insufficient, resulting in a decrease in cleanliness. Therefore, the Si content should be 0.01 mass % or more.
On the other hand, if the amount of Si becomes excessive, oxide-based inclusions are formed and the toughness is lowered. Therefore, the Si content should be 0.10 mass% or less.

(3) 0.01≦Mn≦0.10mass%:
Mnは、Sの粒界偏析を抑制する効果がある。このような効果を得るためには、Mn量は、0.01mass%以上である必要がある。
一方、Mn量が過剰になると、硫化物が増加し、靱性が低下する。従って、Mn量は、0.10mass%以下である必要がある。Mn量は、好ましくは、0.05mass%以下である。
(3) 0.01≦Mn≦0.10 mass%:
Mn has the effect of suppressing the grain boundary segregation of S. In order to obtain such effects, the Mn content should be 0.01 mass % or more.
On the other hand, when the amount of Mn becomes excessive, sulfides increase and the toughness decreases. Therefore, the Mn content should be 0.10 mass% or less. The amount of Mn is preferably 0.05 mass% or less.

(4) P≦0.010mass%:
Pは、粒界に偏析し、熱間加工性を低下させる。従って、P量は、0.010mass%以下である必要がある。
(4) P ≤ 0.010 mass%:
P segregates at grain boundaries and deteriorates hot workability. Therefore, the P content should be 0.010 mass% or less.

(5) S≦0.010mass%:
Sは、粒界に偏析し、熱間加工性を低下させる。また、Sは、Tiと結合し、硫化物系介在物を形成する。従って、S量は、0.010mass%以下である必要がある。
(5) S ≤ 0.010 mass%:
S segregates at grain boundaries and lowers hot workability. Also, S combines with Ti to form sulfide-based inclusions. Therefore, the S content should be 0.010 mass% or less.

(6) 7.5≦Ni≦11.0mass%:
Niは、NiAl、Ni3(Al,Ti)などの金属間化合物相を析出させ、母材の強度向上に寄与する重要な元素である。また、Niは、δフェライト相の形成を抑制する作用がある。さらに、Niは、母相の延性脆性遷移温度(ductile-brittle transition temperature, DBTT)を下げ、常温での靱性向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ni量は、7.5mass%以上である必要がある。Ni量は、好ましくは、8.0mass%以上である。
一方、Ni量が過剰になると、Ms点が低下する。そのため、残留オーステナイトが増加し、強度が低下する。従って、Ni量は、11.0mass%以下である必要がある。Ni量は、好ましくは、10.0mass%以下、さらに好ましくは、9.0mass%以下である。
(6) 7.5≦Ni≦11.0 mass%:
Ni is an important element that precipitates intermetallic compound phases such as NiAl and Ni 3 (Al, Ti) and contributes to improving the strength of the base material. In addition, Ni has the effect of suppressing the formation of the δ ferrite phase. Furthermore, Ni lowers the ductile-brittle transition temperature (DBTT) of the parent phase and contributes to the improvement of toughness at room temperature. In order to obtain such effects, the amount of Ni should be 7.5 mass % or more. The amount of Ni is preferably 8.0 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Ni becomes excessive, the Ms point decreases. Therefore, retained austenite increases and strength decreases. Therefore, the Ni content should be 11.0 mass% or less. The Ni content is preferably 10.0 mass% or less, more preferably 9.0 mass% or less.

(7) 10.0≦Cr≦14.0mass%:
Crは、耐食性を確保するために必要な元素である。また、Cr量が少ないと、M2X型炭窒化物よりも粗大なM236型炭化物が安定化し、0.2%耐力が低下する。従って、Cr量は、10.0mass%以上である必要がある。Cr量は、好ましくは、11.0mass%以上、さらに好ましくは、12.0mass%以上である。
(7) 10.0≦Cr≦14.0 mass%:
Cr is an element necessary to ensure corrosion resistance. Also, when the amount of Cr is small, the M 23 C 6 -type carbide, which is coarser than the M 2 X-type carbonitride, is stabilized and the 0.2% proof stress is lowered. Therefore, the Cr content should be 10.0 mass % or more. The Cr content is preferably 11.0 mass% or more, more preferably 12.0 mass% or more.

Crはまた、Ms点の調整に寄与し、Cr量が少なくなるほど、Ms点が高くなる。そのため、Cr量が少なくなるほど、固溶化熱処理後又はサブゼロ処理後の残留オーステナイトが少なくなる。また、これによって、微細組織の均質性が改善され、0.2%耐力が向上する。
逆に、Cr量が多くなるほど、Ms点が下がるために、残留オーステナイト量が増加する。また、Cr量が過剰になると、時効処理前の残留オーステナイト量が過剰になり、0.2%耐力が低下する。さらに、Cr量が過剰になると、δフェライト相が形成されやすくなる。従って、Cr量は、14.0mass%以下である必要がある。Cr量は、好ましくは、13.5mass%以下、さらに好ましくは、13.0mass%以下である。
Cr also contributes to the adjustment of the Ms point, and the lower the amount of Cr, the higher the Ms point. Therefore, the smaller the amount of Cr, the smaller the amount of retained austenite after solution heat treatment or subzero treatment. This also improves the homogeneity of the microstructure and increases the 0.2% proof stress.
Conversely, as the amount of Cr increases, the Ms point decreases, so the amount of retained austenite increases. Moreover, when the amount of Cr becomes excessive, the amount of retained austenite before aging treatment becomes excessive, and the 0.2% yield strength is lowered. Furthermore, when the amount of Cr becomes excessive, the delta ferrite phase tends to be formed. Therefore, the Cr content should be 14.0 mass% or less. The Cr content is preferably 13.5 mass% or less, more preferably 13.0 mass% or less.

(8) 1.0≦Mo≦2.5mass%:
Moは、耐食性の向上に寄与する。また、Moは、M2X型炭窒化物を析出させ、母材の強度向上に寄与する。さらに、Moは、旧オーステナイト粒径の微細化にも寄与する。このような効果を得るためには、Mo量は、1.0mass%以上である必要がある。Mo量は、好ましくは、1.5mass%以上、さらに好ましくは、2.0mass%以上である。
一方、Mo量が過剰になると、M2X型炭窒化物が多量に析出するために、固溶温度を上げる必要が生じる。そのため、固溶化時にオーステナイト粒が粗大化し、特性バラツキの原因となる。さらに、Mo量が過剰になると、δフェライト相が形成されやすくなる。従って、Mo量は、2.5mass%以下である必要がある。Mo量は、好ましくは、2.4mass%以下である。
(8) 1.0 ≤ Mo ≤ 2.5 mass%:
Mo contributes to improvement in corrosion resistance. In addition, Mo precipitates M 2 X type carbonitrides and contributes to improving the strength of the base material. Furthermore, Mo also contributes to the refinement of the prior austenite grain size. In order to obtain such effects, the amount of Mo needs to be 1.0 mass% or more. The Mo content is preferably 1.5 mass% or more, more preferably 2.0 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Mo becomes excessive, a large amount of M 2 X type carbonitride precipitates, so it becomes necessary to raise the solid solution temperature. As a result, the austenite grains become coarse during solution treatment, causing variations in properties. Furthermore, when the amount of Mo becomes excessive, the delta ferrite phase is likely to be formed. Therefore, the Mo content should be 2.5 mass% or less. The Mo content is preferably 2.4 mass% or less.

(9) 0.001≦N≦0.010mass%:
Nは、M2X型炭窒化物に含まれる。しかし、Nは、強化元素として添加しているAlと結合して窒化物を形成し、靱性を低下させる。また、Nは、Ms点を低下させ、オーステナイトを安定化させる。従って、N量は、0.010mass%以下である必要がある。
一方、N量を必要以上に低減しても、強度や靱性に与える影響は少なく、むしろ製造コストを上昇させる原因となる。従って、N量は、0.001mass%以上である必要がある。
(9) 0.001≦N≦0.010 mass%:
N is included in M 2 X type carbonitrides. However, N combines with Al, which is added as a strengthening element, to form nitrides and lower toughness. Also, N lowers the Ms point and stabilizes austenite. Therefore, the amount of N should be 0.010 mass% or less.
On the other hand, even if the amount of N is reduced more than necessary, there is little effect on strength and toughness, and rather it causes an increase in manufacturing cost. Therefore, the amount of N should be 0.001 mass% or more.

(10) 0.40≦Al≦1.40mass%:
Alは、Niと金属間化合物(2~5nmの球状NiAl)を形成する重要な元素であり、母材の強度向上に寄与する。また、Alは、脱酸元素としても機能する。このような効果を得るためには、Al量は、0.40mass%以上である必要がある。Al量は、好ましくは、0.50mass%以上であり、さらに好ましくは、0.60mass%以上である。
一方、Al量が過剰になると、靱性が低下する。また、Al量が過剰になると、δフェライト相が形成されやすくなる。従って、Al量は、1.40mass%以下である必要がある。Al量は、好ましくは、1.35mass%以下、さらに好ましくは、1.30mass%以下である。
(10) 0.40≦Al≦1.40 mass%:
Al is an important element that forms an intermetallic compound (spherical NiAl of 2 to 5 nm) with Ni, and contributes to improving the strength of the base material. Al also functions as a deoxidizing element. In order to obtain such effects, the amount of Al needs to be 0.40 mass% or more. The Al content is preferably 0.50 mass% or more, more preferably 0.60 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Al becomes excessive, the toughness decreases. Also, when the amount of Al becomes excessive, the δ ferrite phase is likely to be formed. Therefore, the Al content should be 1.40 mass% or less. The Al content is preferably 1.35 mass% or less, more preferably 1.30 mass% or less.

(11) Cu<0.10mass%:
Cuは、微量であれば、靱性を大きく損なうことなく、強度を向上させる効果がある。しかし、Cu量が過剰になると、靱性及び熱間加工性が低下する。従って、Cu量は、0.10mass%未満である必要がある。
(11) Cu<0.10 mass%:
A small amount of Cu has the effect of improving the strength without greatly impairing the toughness. However, when the amount of Cu becomes excessive, the toughness and hot workability deteriorate. Therefore, the Cu content should be less than 0.10 mass%.

(12) 0.30≦Ti≦1.40mass%:
Tiは、Alと同様に、Niと金属間化合物(幅2~5nm、長さ数十nm程度の棒状Ni3Ti)を形成する重要な元素であり、母材の強度向上に寄与する。また、Ti量が十分であると、Ni3Ti析出物により粒界が被覆される。その結果、粒界強度が向上し、靱性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ti量は、0.30mass%以上である必要がある。Ti量は、好ましくは、0.50mass%以上であり、さらに好ましくは、0.60mass%以上である。
一方、Ti量が過剰になると、介在物が増加し、靱性を低下させる。また、Ti量が過剰になると、δフェライト相が形成されやすくなる。従って、Ti量は、1.40mass%以下である必要がある。Ti量は、好ましくは、1.35mass%以下、さらに好ましくは、1.30mass%以下である。
(12) 0.30 ≤ Ti ≤ 1.40 mass%:
Ti, like Al, is an important element that forms an intermetallic compound (a rod-like Ni 3 Ti with a width of 2 to 5 nm and a length of several tens of nm) with Ni, and contributes to improving the strength of the base material. Moreover, when the amount of Ti is sufficient, grain boundaries are covered with Ni 3 Ti precipitates. As a result, the grain boundary strength is improved, which contributes to the improvement of toughness. In order to obtain such effects, the amount of Ti should be 0.30 mass% or more. The Ti content is preferably 0.50 mass% or more, more preferably 0.60 mass% or more.
On the other hand, when the amount of Ti becomes excessive, inclusions increase and the toughness is lowered. Also, when the amount of Ti becomes excessive, the δ ferrite phase is likely to be formed. Therefore, the Ti content should be 1.40 mass% or less. The Ti content is preferably 1.35 mass% or less, more preferably 1.30 mass% or less.

(13) 0≦Nb<0.50mass%:
Nbは、Al及びTiと同様に、Niと金属間化合物(NiAlやNi3(Al,Ti)中のAlやTiの一部がNbで置換された、Ni(Al,Nb)、Ni3(Al,Ti,Nb)など)を形成し、母材の強度向上に寄与する。また、Nbは、炭窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。そのため、Nbは、必要に応じて添加することができる。
一方、Nb量が過剰になると、炭窒化物が増加し、靱性を低下させる。また、Nb量が過剰になると、δフェライト相が形成されやすくなる。従って、Nb量は、0.50mass%未満である必要がある。Nb量は、好ましくは、0.40mass%以下、さらに好ましくは、0.30mass%以下である。
(13) 0≦Nb<0.50 mass%:
Nb, like Al and Ti, is Ni(Al,Nb), Ni(Al,Nb), Ni ( Al,Nb), Ni ( Al,Ti) in which part of Al and Ti in Ni and intermetallic compounds (NiAl and Ni3(Al,Ti) are substituted with Nb). Al, Ti, Nb), etc.) and contributes to the strength improvement of the base material. In addition, Nb forms carbonitrides and contributes to refinement of crystal grains. Therefore, Nb can be added as needed.
On the other hand, if the amount of Nb becomes excessive, carbonitrides increase and the toughness is lowered. Moreover, when the amount of Nb becomes excessive, the δ ferrite phase is likely to be formed. Therefore, the Nb content should be less than 0.50 mass%. The Nb content is preferably 0.40 mass% or less, more preferably 0.30 mass% or less.

[1.2. 成分バランス]
本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、主構成元素が上述した範囲にあることに加えて、次の式(1)~式(4)の関係を満たす。
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 …(1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 …(2)
8.00≦Nieq≦11.00 …(3)
16.00≦Creq≦21.00 …(4)
但し、
Nieq=[Ni]+0.11[Mn]-0.0086[Mn]2+0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C]、
Creq=[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al]、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)を表す。
[1.2. Ingredient balance]
The precipitation hardening martensitic stainless steel according to the present invention satisfies the following formulas (1) to (4) in addition to having the main constituent elements within the ranges described above.
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 (1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 (2)
8.00≦Ni eq ≦11.00 (3)
16.00≦Cr eq ≦21.00 (4)
however,
Ni eq =[Ni]+0.11[Mn]−0.0086[Mn] 2 +0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C],
Cr eq =[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al],
[X] represents the content of the element X (mass%).

[1.2.1. 式(1)]
式(1)は、Al、Ti、及びNbの総量の範囲を表す。これらの元素の総量が多くなるほど、B2相(NiAl)、η相(Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Ti,Nb))などの金属間化合物の析出量が増加し、強度向上に寄与する。また、AlとTiを複合添加することで、B2相及びη相の双方の析出物が形成され、強度及び靱性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、これらの元素の総量は、1.00mass%以上である必要がある。総量は、好ましくは、1.10mass%以上、さらに好ましくは、1.20mass%以上である。
一方、これらの元素の総量が過剰になると、金属間化合物が過剰に析出し、あるいは、δフェライト相が形成されやすくなるために、特性劣化の原因となる。従って、これらの元素の総量は、2.00mass%以下である必要がある。総量は、好ましくは、1.90mass%以下、さらに好ましくは、1.85mass%以下である。
[1.2.1. Formula (1)]
Formula (1) represents the range of the total amount of Al, Ti, and Nb. As the total amount of these elements increases, the amount of precipitation of intermetallic compounds such as B2 phase (NiAl) and η phase (Ni 3 (Al, Ti), Ni 3 (Al, Ti, Nb)) increases, improving strength. contribute to Further, by adding Al and Ti in combination, precipitates of both B2 phase and η phase are formed, which contributes to improvement of strength and toughness. In order to obtain such effects, the total amount of these elements should be 1.00 mass % or more. The total amount is preferably 1.10 mass% or more, more preferably 1.20 mass% or more.
On the other hand, when the total amount of these elements is excessive, intermetallic compounds are excessively precipitated, or the δ ferrite phase is likely to be formed, which causes deterioration of characteristics. Therefore, the total amount of these elements should be 2.00 mass% or less. The total amount is preferably 1.90 mass% or less, more preferably 1.85 mass% or less.

[1.2.2. 式(2)]
式(2)は、Al、Ti、Nbの総量に対するNi量の比(以下、単に「Ni比」ともいう)の範囲を表す。Ni比が小さくなりすぎると、金属間化合物相(B2相、η相)の析出量が過剰となったり、母相の強度が不足したりして、靱性が低下する。強度と靱性を両立させるためには、Ni比は、4.00以上である必要がある。Ni比は、好ましくは、4.50以上である。
一方、Ni比が過剰になると、残留オーステナイト量の増大が著しくなり、CrやMoを低減しても残留オーステナイト量を低減することが困難となる。従って、Ni比は、8.00以下である必要がある。Ni比は、好ましくは、7.50以下、さらに好ましくは、7.00以下である。
[1.2.2. Formula (2)]
Formula (2) represents the range of the ratio of the amount of Ni to the total amount of Al, Ti, and Nb (hereinafter also simply referred to as "Ni ratio"). If the Ni ratio is too small, the amount of precipitated intermetallic compound phases (B2 phase, η phase) becomes excessive, or the strength of the matrix phase becomes insufficient, resulting in a decrease in toughness. In order to achieve both strength and toughness, the Ni ratio should be 4.00 or more. The Ni ratio is preferably 4.50 or higher.
On the other hand, if the Ni ratio becomes excessive, the amount of retained austenite increases significantly, and it becomes difficult to reduce the amount of retained austenite even if Cr and Mo are reduced. Therefore, the Ni ratio should be 8.00 or less. The Ni ratio is preferably 7.50 or less, more preferably 7.00 or less.

[1.2.3. 式(3)、式(4)]
式(3)は、Ni当量(Nieq)の範囲を表す。式(4)は、Cr当量(Creq)の範囲を表す。Nieq及びCreqの組み合わせを最適化すると、均質化熱処理後(~1240℃)にδフェライト相が残留するのが抑制され、かつ、時効処理前(固溶化熱処理後及びサブゼロ処理後)の残留オーステナイトが少なくなる(すなわち、生成マルテンサイトが多くなる)。その結果、鋼を高強度化することができる。
[1.2.3. Formula (3), Formula (4)]
Equation (3) represents the range of Ni equivalents (Ni eq ). Equation (4) represents the range of Cr equivalents (Cr eq ). Optimizing the combination of Ni eq and Cr eq suppresses the residual δ ferrite phase after homogenization heat treatment (~1240 ° C), and the residual before aging treatment (after solution heat treatment and after subzero treatment) Less austenite (ie more martensite formed). As a result, the strength of steel can be increased.

[A. Ni当量]
優れた耐食性を得るために必要なCreqにおいて、さらに適度な強度及び靱性を得るためには、Nieqは、8.00以上である必要がある。Nieqは、好ましくは、8.50以上である。
一方、後述するCreqにおいて、Nieqが過剰になると、時効処理前の残留オーステナイトが増大し、強度が低下する。従って、Nieqは、12.00以下である必要がある。Nieqは、好ましくは、11.00以下、さらに好ましくは、9.50以下である。
[A. Ni equivalent]
Ni eq needs to be 8.00 or more in order to obtain moderate strength and toughness at Cr eq necessary for obtaining excellent corrosion resistance. Ni eq is preferably 8.50 or more.
On the other hand, if Ni eq is excessive in Cr eq to be described later, retained austenite before aging treatment increases and strength decreases. Therefore, Ni eq must be 12.00 or less. Ni eq is preferably 11.00 or less, more preferably 9.50 or less.

[B. Cr当量]
Creqが少なすぎると、十分な耐酸化性及び耐食性が得られない。従って、Creqは、16.00以上である必要がある。Creqは、好ましくは、17.00以上、さらに好ましくは、18.00以上である。
一方、Creqが過剰になると、均質化熱処理後もδフェライト相が残留し、衝撃値が低下する。また、Creqが過剰になると、時効処理前の残留オーステナイトが増大し、強度が低下する。従って、Creqは、21.00以下である必要がある。Creqは、好ましくは、20.00以下である。
[B. Cr equivalent]
If Cr eq is too low, sufficient oxidation resistance and corrosion resistance cannot be obtained. Therefore, Cr eq must be greater than or equal to 16.00. Cr eq is preferably 17.00 or more, more preferably 18.00 or more.
On the other hand, if Cr eq is excessive, the δ ferrite phase remains even after the homogenization heat treatment, and the impact value decreases. On the other hand, when Cre eq becomes excessive, the retained austenite before aging treatment increases and the strength decreases. Therefore, Cr eq must be 21.00 or less. Cr eq is preferably 20.00 or less.

[2. 析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法]
本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、
(a)所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造し、
(b)得られた鋳塊に対し、均質化熱処理を行い、
(c)均質化熱処理後の素材を熱間鍛造し、
(d)熱間鍛造された素材に対し、固溶化熱処理を行い、
(e)固溶化熱処理後の素材に対して、必要に応じてサブゼロ処理を行い、
(f)サブゼロ処理後の素材に対して、時効処理を行う
ことにより製造することができる。
[2. Manufacturing method of precipitation hardening martensitic stainless steel]
The precipitation hardening martensitic stainless steel according to the present invention is
(a) melting and casting a raw material blended to have a predetermined composition;
(b) subjecting the obtained ingot to homogenization heat treatment,
(c) hot forging the material after the homogenization heat treatment;
(d) performing solution heat treatment on the hot forged material,
(e) subjecting the material after the solution heat treatment to sub-zero treatment as necessary,
(f) It can be manufactured by subjecting the material after subzero treatment to aging treatment.

[2.1. 溶解鋳造工程]
まず、所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造する。溶解・鋳造の方法及び条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法及び条件を選択することができる。
[2.1. Melting and casting process]
First, raw materials blended to have a predetermined composition are melted and cast. The melting/casting method and conditions are not particularly limited, and the optimum method and conditions can be selected according to the purpose.

[2.2. 均質化熱処理工程]
次に、得られた鋳塊に対し、均質化熱処理を行う。均質化熱処理は、鋳造時に生じた偏析を除去するために行われる。均質化熱処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、均質化熱処理は、温度:1150~1240℃、時間:10hr以上の条件で、鋳塊を加熱保持することにより行う。
[2.2. Homogenization heat treatment process]
Next, the obtained ingot is subjected to homogenization heat treatment. Homogenization heat treatment is performed to remove segregation generated during casting. The conditions for the homogenization heat treatment are not particularly limited as long as such effects are achieved. The homogenization heat treatment is usually carried out by heating and holding the ingot under conditions of a temperature of 1150 to 1240° C. and a time of 10 hours or more.

[2.3. 熱間鍛造工程]
次に、均質化熱処理後の素材を熱間鍛造する。熱間鍛造は、粗大な鋳造組織を破壊し、組織を微細化するために行われる。熱間鍛造の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、熱間鍛造は、900~1240℃×1hr以上の条件で素材を加熱し、鍛造終止温度900℃の条件下で鍛造し、その後空冷することにより行う。なお、熱間鍛造は、均質化熱処理を行った後、素材を室温まで冷却することなく、連続して実施しても良い。
[2.3. Hot forging process]
Next, the material after the homogenization heat treatment is hot forged. Hot forging is performed to destroy coarse cast structures and refine the structures. The conditions for hot forging are not particularly limited as long as such effects are achieved. Usually, hot forging is carried out by heating the raw material under conditions of 900 to 1240° C.×1 hour or more, forging under conditions of a forging final temperature of 900° C., and then air cooling. The hot forging may be performed continuously without cooling the material to room temperature after the homogenization heat treatment.

[2.4. 固溶化熱処理工程]
次に、熱間鍛造後の素材に対して、固溶化熱処理を行う。固溶化熱処理は、素材をオーステナイト単相にした後、マルテンサイト変態させるために行う。固溶化熱処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、固溶化熱処理は、温度:900~1100℃×加熱時間:1~10hrの条件の下で素材を加熱し、冷却することにより行う。冷却方法としては、例えば、空冷、衝風冷却、油冷、水冷などがある。
[2.4. Solution heat treatment step]
Next, solution heat treatment is performed on the material after hot forging. The solution heat treatment is performed to convert the material into a single austenite phase and then martensite transformation. Conditions for the solution heat treatment are not particularly limited as long as such an effect can be obtained. Usually, the solution heat treatment is performed by heating the material under the conditions of temperature: 900 to 1100° C. and heating time: 1 to 10 hours, followed by cooling. Cooling methods include, for example, air cooling, blast cooling, oil cooling, and water cooling.

[2.5. サブゼロ処理工程]
次に、固溶化熱処理後の素材に対して、必要に応じてサブゼロ処理を行う。サブゼロ処理は、固溶化熱処理後に残留しているオーステナイトをマルテンサイトに変態させるために行う。サブゼロ処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、サブゼロ処理は、素材を0℃以下の温度において、1~10hr保持することにより行う。
[2.5. Sub-zero treatment process]
Next, the material after the solution heat treatment is subjected to sub-zero treatment as necessary. The sub-zero treatment is performed to transform the austenite remaining after the solution heat treatment into martensite. Conditions for the sub-zero treatment are not particularly limited as long as such effects are achieved. Sub-zero treatment is usually carried out by holding the material at a temperature of 0° C. or below for 1 to 10 hours.

[2.6. 時効処理工程]
次に、サブゼロ処理後の素材に対して、時効処理を行う。時効処理は、母相中に、B2相、η相などの金属間化合物相を析出させるために行う。時効処理の条件は、このような効果を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。通常、時効処理は、素材を400~600℃において、1~24hr加熱することにより行う。熱処理後、空冷にて冷却を行う。
[2.6. Aging treatment process]
Next, aging treatment is performed on the material after the subzero treatment. Aging treatment is performed to precipitate intermetallic compound phases such as B2 phase and η phase in the matrix phase. Conditions for the aging treatment are not particularly limited as long as such effects are exhibited. Generally, the aging treatment is carried out by heating the material at 400-600° C. for 1-24 hours. After the heat treatment, cooling is performed by air cooling.

[3. 作用]
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、強度、靱性、及び耐食性に優れている材料であるが、強度と靱性をバランスさせるのが難しいことが知られている。析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼において、高強度化は、主としてCuやAlなどの強化元素を添加することにより行われている。しかしながら、単に強化元素を過剰に添加すると、強度特性は向上するが、靱性が著しく低下する。
さらに、従来の析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、強度及び靱性を適度にバランスさせつつ、耐食性を更に向上させることが難しい。
[3. action]
Precipitation hardening martensitic stainless steel is a material with excellent strength, toughness, and corrosion resistance, but it is known that it is difficult to balance strength and toughness. In precipitation hardening martensitic stainless steel, strength is increased mainly by adding strengthening elements such as Cu and Al. However, simply adding an excessive amount of strengthening elements improves the strength properties, but significantly reduces the toughness.
Furthermore, it is difficult for conventional precipitation-hardening martensitic stainless steels to further improve corrosion resistance while appropriately balancing strength and toughness.

これに対し、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼において、Cr量及びNi量を最適化すると、母相の高い耐食性を維持したまま、母相の強度及び靱性を適度に向上させることができる。さらに、Cr量及びNi量が最適化された析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に対し、適量のAl及び適量のTiを同時に添加すると、高い耐食性を維持したまま、強度と靱性をさらに向上させることができる。これは、B2相(NiAl)と、η相(Ni3Ti)の2相による複合強化によると考えられる。 On the other hand, in the precipitation hardening martensitic stainless steel, if the Cr content and Ni content are optimized, the strength and toughness of the matrix can be moderately improved while maintaining the high corrosion resistance of the matrix. Furthermore, by simultaneously adding an appropriate amount of Al and an appropriate amount of Ti to a precipitation hardening martensitic stainless steel with an optimized amount of Cr and Ni, strength and toughness are further improved while maintaining high corrosion resistance. can be done. This is considered to be due to composite strengthening by two phases of B2 phase (NiAl) and η phase (Ni 3 Ti).

(実施例1~13、比較例1~8)
[1. 試料の作製]
真空誘導炉にて、表1に示す組成の鋼50kgを溶解し、造塊した。その後、1220℃×20hr、空冷の条件下で均質化熱処理を施した。さらに、スタート温度1220℃、終止温度900℃の条件下でφ24mmの丸棒を鍛造し、その後空冷した。
次に、各鋼塊を、1000℃×1hr、水冷の条件下で固溶化熱処理を行った。続いて、-30℃×3hrの条件下でサブゼロ処理を行った。さらに、530℃×4hr、空冷の条件下で時効処理を行った。
(Examples 1 to 13, Comparative Examples 1 to 8)
[1. Preparation of sample]
In a vacuum induction furnace, 50 kg of steel having the composition shown in Table 1 was melted and cast into an ingot. After that, a homogenization heat treatment was performed under the conditions of 1220° C.×20 hours and air cooling. Further, a φ24 mm round bar was forged under conditions of a start temperature of 1220° C. and an end temperature of 900° C., and then air-cooled.
Next, each steel ingot was subjected to solution heat treatment under the conditions of 1000° C.×1 hour and water cooling. Subsequently, sub-zero treatment was performed under conditions of -30°C x 3 hours. Furthermore, aging treatment was performed under the conditions of 530° C.×4 hours and air cooling.

[2. 試験方法]
[2.1. 引張試験(0.2%耐力の測定)]
ASTM A370に規定する金属引張試験方法に準じて引張試験を行い、0.2%耐力を測定した。試験片には、ASTM E8による試験部直径φ12.5mm、標点間距離50mmであるものを用いた。試験温度は、室温とした。
[2.2. シャルピー衝撃試験]
長手方向が鍛伸方向と一致するように、2mmVノッチ試験片を採取した。この試験片を用いて、ASTM A370規格に準拠して衝撃特性(吸収エネルギー)の測定を行った。試験温度は、室温とした。
[2.3. 孔食電位の評価試験]
JIS G 0577に規定する孔食電位測定方法に準じ、測定面積が1cm2となるように試料表面を絶縁被覆した。30±1℃の3.5mass%NaCl水溶液を試験液に用い、掃引速度を20mV/minとして孔食電位を測定し、耐食性を評価した。
[2. Test method]
[2.1. Tensile test (measurement of 0.2% yield strength)]
A tensile test was performed according to the metal tensile test method specified in ASTM A370 to measure the 0.2% yield strength. A test piece having a test portion diameter of φ12.5 mm and a gauge length of 50 mm according to ASTM E8 was used. The test temperature was room temperature.
[2.2. Charpy impact test]
A 2 mm V-notch test piece was taken so that the longitudinal direction coincided with the forging direction. Using this test piece, the impact properties (absorbed energy) were measured according to the ASTM A370 standard. The test temperature was room temperature.
[2.3. Evaluation test of pitting corrosion potential]
According to the pitting potential measurement method specified in JIS G 0577, the surface of the sample was covered with an insulating coating so that the measurement area was 1 cm 2 . A 3.5 mass % NaCl aqueous solution at 30±1° C. was used as the test liquid, and the pitting potential was measured at a sweep rate of 20 mV/min to evaluate the corrosion resistance.

[3. 結果]
表1に、結果を示す。なお、表1には、各試料の組成も併せて示した。表1より、以下のことが分かる。
[3. result]
Table 1 shows the results. Table 1 also shows the composition of each sample. Table 1 shows the following.

Figure 0007131225000001
Figure 0007131225000001

(1)比較例1は、C量が過剰であるために、0.2%耐力は高く(>1400MPa)、適度な耐食性を示す(100~150mV)が、靱性は低い(<10J)。
(2)比較例2は、Al+Ti+Nb量が過剰であるために、0.2%耐力は高く(>1400MPa)かつ、適度な耐食性を示す(100~150mV)が、靱性は低い(<10J)。
(3)比較例3は、Ti量が少ないために、適度な0.2%耐力(1300~1400MPa)と適度な耐食性(100~150mV)を示すが、靱性が低い(<10J)。これは、Ti量が少ないために、B2相とη相の複合析出による効果が十分に発揮されないためと考えられる。
(1) Comparative Example 1, which has an excessive amount of C, has a high 0.2% proof stress (>1400 MPa) and moderate corrosion resistance (100 to 150 mV), but low toughness (<10 J).
(2) Comparative Example 2 has an excessive amount of Al + Ti + Nb, so the 0.2% yield strength is high (>1400 MPa) and exhibits moderate corrosion resistance (100 to 150 mV), but the toughness is low (<10J).
(3) Comparative Example 3 exhibits moderate 0.2% yield strength (1300 to 1400 MPa) and moderate corrosion resistance (100 to 150 mV) because of its small amount of Ti, but its toughness is low (<10J). This is probably because the amount of Ti is so small that the effect of composite precipitation of the B2 phase and the η phase is not sufficiently exhibited.

(4)比較例4は、Al量が少ないために、靱性は高く(>20J)、適度な耐食性(100~150mV)を示すが、0.2%耐力が低い(<1300MPa)。これは、Al量が少ないために、B2相とη相の複合析出による効果が十分に発揮されないためと考えられる。
(5)比較例5は、Ni量が過剰であるために、靱性は高く(>20J)、適度な耐食性を示す(100~150mV)が、0.2%耐力は低い(<1300MPa)。これは、残留オーステナイト量が増加したためと考えられる。
(6)比較例6は、Al量及びTi量が共に少なく、かつ、Al+Ti+Nb量も少ないために、靱性は高く(>20J)、適度な耐食性を示す(100~150mV)が、0.2%耐力が低い(<1300MPa)。
(4) Comparative Example 4 has a low Al content, so it has high toughness (>20J) and moderate corrosion resistance (100-150mV), but has a low 0.2% proof stress (<1300MPa). This is probably because the Al content is so small that the effect of composite precipitation of the B2 phase and the η phase is not sufficiently exhibited.
(5) Comparative Example 5, which has an excessive amount of Ni, has high toughness (>20J) and moderate corrosion resistance (100-150mV), but has a low 0.2% proof stress (<1300MPa). This is probably because the amount of retained austenite increased.
(6) Comparative Example 6 has a small amount of Al and Ti, and a small amount of Al + Ti + Nb, so it has high toughness (>20 J) and moderate corrosion resistance (100 to 150 mV), but 0.2% Low yield strength (<1300 MPa).

(7)比較例7は、Cr量が過剰であり、かつ、Creqも過剰であるために、0.2%耐力は高く(>1400MPa)、かつ、耐食性も高い(>150mV)が、靱性は低い(<10J)。これは、δフェライト相が生成したためと考えられる。
(8)比較例8は、Ni量が少なく、かつ、Nieqも少ないために、適度な耐食性を示す(100~150mV)が、0.2%耐力を示す前に破断し、靱性も低い(<10J)。
(7) Comparative Example 7 has an excessive Cr amount and an excessive Cr eq , so the 0.2% yield strength is high (>1400 MPa) and the corrosion resistance is also high (>150 mV), but the toughness is low (<10 J). This is considered to be due to the generation of the δ ferrite phase.
(8) Comparative Example 8 has a small amount of Ni and a small Ni eq , so it exhibits moderate corrosion resistance (100 to 150 mV), but fractures before 0.2% proof stress is exhibited, and toughness is also low ( <10 J).

(9)実施例1~13は、いずれも0.2%耐力、靱性、及び耐食性がともに高い。
(10)実施例8~13は、特に耐食性が高い。これは、Cr量及びMo量が相対的に多いためと考えられる。
(9) Examples 1 to 13 are all high in 0.2% yield strength, toughness and corrosion resistance.
(10) Examples 8 to 13 have particularly high corrosion resistance. It is considered that this is because the amount of Cr and the amount of Mo are relatively large.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、蒸気タービンブレード、航空宇宙構造部材、高強度ファスナーなどに用いることができる。 The precipitation hardening martensitic stainless steel according to the present invention can be used for steam turbine blades, aerospace structural members, high-strength fasteners, and the like.

Claims (1)

以下の構成を備えた析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。
(1)前記析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、
C<0.10mass%、
0.01≦Si≦0.10mass%、
0.01≦Mn≦0.10mass%、
P≦0.010mass%、
S≦0.010mass%、
7.5≦Ni≦11.0mass%、
10.0≦Cr≦14.0mass%、
1.0≦Mo≦2.5mass%、
0.001≦N≦0.010mass%、
0.40≦Al≦1.40mass%、
Cu<0.10mass%、
0.30≦Ti≦1.40mass%、及び、
0≦Nb<0.50mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。
(2)前記析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、次の式(1)~式(4)の関係を満たす。
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 …(1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 …(2)
8.00≦Nieq≦12.00 …(3)
16.00≦Creq≦21.00 …(4)
但し、
Nieq=[Ni]+0.11[Mn]-0.0086[Mn]2+0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C]、
Creq=[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al]、
[X]は、元素Xの含有量(mass%)を表す。
A precipitation hardening martensitic stainless steel comprising:
(1) The precipitation hardening martensitic stainless steel is
C<0.10 mass%,
0.01 ≤ Si ≤ 0.10 mass%,
0.01≦Mn≦0.10 mass%,
P≤0.010 mass%,
S ≤ 0.010 mass%,
7.5≦Ni≦11.0 mass%,
10.0≦Cr≦14.0 mass%,
1.0≤Mo≤2.5 mass%,
0.001≦N≦0.010 mass%,
0.40≦Al≦1.40 mass %,
Cu<0.10 mass%,
0.30 ≤ Ti ≤ 1.40 mass%, and
0≦Nb<0.50 mass%
with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities.
(2) The precipitation hardening martensitic stainless steel satisfies the following formulas (1) to (4).
1.00≦[Al]+[Ti]+[Nb]≦2.00 (1)
4.00≦[Ni]/([Al]+[Ti]+[Nb])≦8.00 (2)
8.00≦Ni eq ≦12.00 (3)
16.00≦Cr eq ≦21.00 (4)
however,
Ni eq =[Ni]+0.11[Mn]−0.0086[Mn] 2 +0.44[Cu]+18.4[N]+24.5[C],
Cr eq =[Cr]+1.21[Mo]+0.48[Si]+2.2[Ti]+2.48[Al],
[X] represents the content of the element X (mass%).
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