JP7404792B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼部品およびその製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1では、「成分が、重量%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、水焼入れされてなるマルテンサイト系ステンレス鋼」が提案されている。そして、特許文献1の場合、このマルテンサイト系ステンレス鋼を得るための窒素吸収処理として、上記の窒素雰囲気中での加熱を、「1200℃、0.1MPaの窒素雰囲気中で1~3時間保持する固相窒素吸収法」とすることが提案されている。
本発明の目的は、表面の硬度が十分に高く、耐食性および疲労強度に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部品と、その製造方法を提供することである。
以下、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品について、その達成に好ましい製造方法も合わせて、説明する。
本発明の場合、部品に優れた耐摩耗性(つまり、高硬度)を付与するため、この材料には、焼入れ焼戻しによってマルテンサイト組織を発現する成分組成に調整された“マルテンサイト系ステンレス鋼”を用いる。
Cは、焼入れ焼戻し後のマルテンサイト組織の硬度を高めるのに有効な元素である。しかし、Cが多すぎると、部品用素材の作製に係る、溶製工程の凝固時において、鋳塊の凝固組織に粗大なクロム系炭化物が晶出する。そして、この粗大なクロム系炭化物は、素材の組織にも残って、かつ、未固溶炭化物として焼入れ焼戻し後のマルテンサイト組織でも消失せず、これが腐食の起点となって、部品の耐食性不足が生じる。また、Cが多すぎると、上記の鋳塊から素材を作製する過程で冷間加工性が低下して、所定の寸法の素材に仕上げることが容易でない。そして、Cを減じたとしても、本発明の場合、後述するMoの含有と、窒素吸収処理(焼入れ加熱)との組合せによって、部品の表層部に、例えば、650HV以上の硬さを付与することができる。
よって、Cの含有量は、0.25~0.45%とする。好ましくは0.28%以上である。より好ましくは0.30%以上である。また、好ましくは0.43%以下である。より好ましくは0.40%以下である。さらに好ましくは0.36%以下である。よりさらに好ましくは0.32%以下である
Siは、溶製工程時の脱酸剤等として使用され、不可避的に含まれ得る元素である。そして、Siが多すぎると、冷間加工性が低下する。
よって、Siの含有量は、1.0%以下とする。好ましくは0.8%以下である。より好ましくは0.65%以下である。さらに好ましくは0.5%以下である。よりさらに好ましくは0.4%以下である。なお、下限は特に要しないが、0.01%以上の含有が現実的である。現実的に好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.1%以上である。よりさらに好ましくは0.2%以上である。
Mnは、溶製工程時の脱酸剤等として使用され、不可避的に含まれ得る元素である。そして、特に、本発明においては、後述する窒素吸収処理で、組織への窒素の固溶を促進する効果を有する元素である。しかし、Mnが多すぎると、オーステナイト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難くなる。
よって、Mnの含有量は、0.1~1.5%とする。好ましくは0.2%以上、より好ましくは0.3%以上、さらに好ましくは0.4%以上である。よりさらに好ましくは0.6%以上である。また、好ましくは1.3%以下、より好ましくは1.1%以下、さらに好ましくは1.0%以下である。より好ましくは0.8%以下である。
Crは、ステンレス鋼の表面に非晶質の不動態皮膜を形成して、部品に耐食性を付与する元素である。また、ステンレス鋼に固溶できる窒素量を増加させる効果もあり、本発明においては、後述する窒素吸収処理で、窒素の固溶促進に働く元素である。但し、Crが多すぎると、フェライト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難くなる。
よって、Crの含有量は、12.0~15.0%とする。好ましくは14.0%未満である。
Moは、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の優れた耐食性と疲労強度とを成立させるのに必須の元素である。
特許文献1によれば、マルテンサイト系ステンレス鋼にB(ホウ素)を添加すると、このBが、焼入れ加熱時の窒素吸収処理で鋼材表層に吸収された窒素と、続く水焼入れでBNとして析出して、鋼材表層の硬さを700HV以上に高めることができるとある。しかし、このような成分組成のマルテンサイト系ステンレス鋼であっても、上記の窒素吸収処理で必要とされるN量を吸収させようとすれば、現実的には、その処理温度を1200℃程度にまで高める必要がある。また、処理時間も長くなる。そして、この高温かつ長時間の窒素吸収処理によって、組織中の結晶粒(旧オーステナイト粒)が粗大化して、部品の疲労強度が低下することが考えられる。
以上の作用効果に基づいて、窒素吸収処理の条件を調整すれば、焼入れ焼戻し後のステンレス鋼部品の表層部(窒化層)の形態を、後述する炭化物組織や硬さに調整することができて、かつ、耐食性および疲労強度に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼部品を得ることができる。
よって、Nは、不純物として、例えば、0.1%未満とすることができる。好ましくは0.08%以下、より好ましくは0.05%以下、さらに好ましくは0.03%以下とすることができる。これにより、本発明では、焼入れ焼戻し前の(例えば、焼鈍状態の)、硬さが低い素材の状態で製品形状に加工しやすく、加工コストの低減が可能である。そして、本発明が必要とするNは、窒素吸収処理で十分量を容易に付与することができる。
このような基本的な成分組成に対して、以下の元素を含有することも可能である。
Nbは、窒素吸収処理の処理温度を高めに設定した場合に、結晶粒の粗大化の抑制に働く元素である。但し、Nbが多すぎると、粗大なNb炭化物を晶出して、部品の強度が低下する。よって、Nbは、含有しないか(添加されないか)、または、含有するとしても、上限を0,3%とする。好ましくは0.2%以下である。より好ましくは0.15%以下である。なお、上記の効果を得るときのNbの含有量は、少量でも効果があるが、0.05%以上が好ましい。
Vは、Nbと同様に、窒素吸収処理の処理温度を高めに設定した場合に、結晶粒の粗大化の抑制に働く元素である。但し、Vが多すぎると、窒素吸収処理中にV系の窒化物が析出および粗大化して、ステンレス鋼中の固溶窒素量が減少し、焼入れ焼戻し後の部品表層部の硬さが低下する。よって、Vは、含有しないか(添加されないか)、または、含有するとしても、上限を0.3%とする。好ましくは0.2%以下である。より好ましくは0.15%以下である。なお、上記の効果を得るときのVの含有量は、少量でも効果があるが、0.1%以上が好ましい。
Wは、Moと同様、窒素吸収処理時の窒素吸収量を高める効果がある。そして、固溶窒素量や窒化深さに与える影響も小さいことから、Moによる主効果を補完する元素として含有することができる。但し、Wが多すぎてもまた、フェライト組織が安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難くなる。よって、Wは、含有しないか(添加されないか)、または、含有するとしても、上限を3.0%とする。好ましくは2.5%以下、より好ましくは2.0%以下である。さらに好ましくは1.5%以下である。なお、上記の効果を得るときのWの含有量は、少量でも効果があるが、0.5%以上が好ましい。より好ましくは0.7%以上、さらに好ましくは1.0%以上である。
Niは、ステンレス鋼に腐食が生じても、その腐食の初期で、それ以上の腐食が進行することを抑える効果を有する。また、組織における基地の靱性を高める効果を有する。更には、オーステナイト組織を安定化させて、Nの固溶限を上げ、窒素吸収処理で多くの窒素を吸収させるのに働く元素である。但し、Niが多すぎると、オーステナイト組織が過度に安定化されて、マルテンサイト組織が得られ難くなる。よって、Niは、含有しないか(添加されないか)、または、含有するとしても、1.0%以下とする。好ましくは0.8%以下である。より好ましくは0.6%以下である。さらに好ましくは0.4%以下である。なお、上記の効果を得るときのNiの含有量は、好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.2%以上である。
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品は、そのマルテンサイト系ステンレス鋼の素材に、例えば、後述の窒素吸収処理(つまり、窒素吸収処理を兼ねた焼入れ加熱)を行うことで、その表面に窒化層を有している。そして、上記の素材が(1)の成分組成を満たしていることで、部品の表層部(窒化層)が、後述する(3)および(4)の形態を達成しやすく、部品に優れた耐食性と疲労強度とを付与することができる。
そして、好ましくは、上記の窒化層が有する化合物層の厚さが1μm以下である。このとき、上記の「1μm以下」とは、上記の窒化層が化合物層を有しない場合(つまり、厚さが「0μm」である場合)を含む。通常、窒化層は、その内部側に形成される拡散層と、表面側に形成される化合物層とで構成される。そして、化合物層とは、いわゆる「白層」とも呼ばれる、ε窒化物等を主体とした脆い層のことである。本発明の場合、この化合物層を規制することが、部品の耐食性および疲労強度の維持に好ましい。そして、後述の窒素吸収処理(つまり、窒素吸収処理を兼ねた焼入れ加熱)は、上記の化合物の形成を抑制するのにも好ましいものである。
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品は、その全体の硬さを向上させる必要がない。そして、部品の表面から0.1mmの深さの位置の硬さが「650HV以上」であれば、上記の位置よりも内部の硬さが650HV未満である場合でも、例えば、部品の中心部の硬さが650HV未満や、630HV以下、600HV以下、580HV以下である場合でも、部品の表層部が後述する(4)の形態を達成していることで、部品に優れた耐食性と疲労強度とを付与することができる。
上記の部品の表面から0.1mmの深さの位置の硬さについて、好ましくは660HV以上である。より好ましくは670HV以上、さらに好ましくは680HV以上、よりさらに好ましくは690HV以上である。700HV以上にすることも可能である。なお、硬さの上限を指定する必要はないが、800HV程度が現実的である。この硬さは、マルテンサイト系ステンレス鋼部品の、その窒化層を有した表面と垂直な断面組織で測定することができる。
また、上記の部品の表面から0.1mmの深さの位置の硬さが「650HV以上」であることについて、その「650HV以上」の硬さが、部品の表面から0.2mmの深さの位置でも達成されていることが好ましい。より好ましくは、部品の表面から0.3mmの深さの位置でも650HV以上の硬さが達成されていることである。このような深い位置でも高硬度を達成するには、後述する焼入れの際に、その加熱温度での保持時間を長くすることが効果的である。例えば、1時間以上、3時間以上、5時間以上といった保持時間である。
素材のステンレス鋼の成分組成が上述した(1)の成分組成でなる、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の組織には、炭化物が形成される。また、窒素吸収処理によって、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の表面には、窒化層が形成される。そして、この窒化層が形成されていることで、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の表層部には、窒素吸収処理で吸収された窒素がマトリックス中に固溶するとともに、ステンレス鋼中のCr、Mo等の窒化物形成元素と結合して炭窒化物を生成する。
焼入れ焼戻しは、マルテンサイト系ステンレス鋼の機械的特性を、その用途に適した状態に調整するために行われる。このうち焼入れについて、本発明では、上述の(1)のマルテンサイト系ステンレス鋼に、窒素吸収処理を伴った焼入れを行う。そして、この窒素吸収処理を以下の条件とすることで、焼入れ温度を、マルテンサイト系ステンレス鋼に標準的に適用される「1000~1150℃」の低い温度とすることができる。そして、続く焼戻し後には、表層部が上述の(2)~(4)の状態を満たした、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼部品とすることができる。
なお、必要に応じて、焼入れ後にサブゼロ処理を実施することができる。サブゼロ処理を実施することで、安定して高硬度が得られる。処理温度は、例えば、-50℃以下とすることができる。そして、処理温度での保持時間は、例えば、30分~1時間とすることができる。
このとき、部品の表層部の硬度を向上させる上で、焼戻し温度を200℃前後の低温焼戻しか、あるいは500℃前後の高温焼戻しに設定することが好ましい。耐食性を重視する場合、低温焼戻しがよい。低温焼戻しによって、Cr系の炭化物や窒化物等の析出を適当に抑制し、基地の固溶C量やN量を確保して、表層部の硬度を高く維持できる。そして、この析出箇所に隣接する部分のCrの欠乏を低減できるので、耐食性も確保できる。そして、この低温焼戻しより、焼戻し温度が高くなるに連れて、硬さは低下する傾向にあるものの、500℃前後の焼戻し温度でMo等の合金元素の炭化物が微細に析出して、2次硬化する。高温焼戻しは、マルテンサイト系ステンレス鋼部品の軟化抵抗を高めるのに効果がある。
また同時に、部品の表層部の炭化物も観察した。つまり、上記の断面において、その窒化層を有した表面から0.1mmの深さの位置の組織を走査型電子顕微鏡で観察した(倍率3000倍)。図1は、本発明例の部品8の顕微鏡像であり、図2は、比較例の部品2の顕微鏡像である。図1、2において、粒状の灰色コントラスト相(例えば、図中の矢印のもの)で確認される分布物が炭化物(炭窒化物を含む)である。このことについては、走査型電子顕微鏡に付属するEPMAによる元素マッピングで確認できる。そして、この視野面積を10000μm2分画像解析することで、円相当径が1μm以上の炭化物の個数をカウントして、その個数密度(個/10000μm2)を測定した。なお、上記の画像解析には、アメリカ国立衛生研究所(NIH)が提供している画像処理ソフトウエア「ImageJ(http://imageJ.gov/ij/)」を用いた。これらの結果も表2に示す。
部品13は、Moを高めに調整したマルテンサイト系ステンレス鋼を素材に用いて作製した本発明例である。そして、他の本発明例の部品と同様、部品の表層部で650HV以上の高硬度を達成し、かつ、耐食性にも優れていた。
部品14、15は焼入れ加熱保持時間をそれぞれ180分、300分と部品1~13よりも長時間に設定した本発明例である。加熱保持時間が長くなるにつれて窒化深さは深くなる傾向にあり、650HV以上の硬さが得られる範囲は、部品の表面からそれぞれ0.2mm、0.3mmの深さ位置まで達していることを確認した。また、部品14、15の両方とも十分な耐食性を備えていることも確認できた。
図5に、S-N曲線を示す。図5において、曲線が上に位置するもの程、疲労強度が高く、上から部品8、4、1、2の順で疲労強度に優れていた。部品8は、表層部で観察される炭化物が粗大でないことに加えて、結晶粒も微細なことから、最も優れた疲労特性を示した。部品2は、高窒素鋼であるが、表層部に粗大な炭化物が多く、これが疲労の起点となって疲労強度が低下したと考えられる。
Claims (11)
- 質量%で、C:0.25~0.45%、Si:1.0%以下、Mn:0.1~1.5%、Cr:12.0~15.0%、Mo:0.5~3.0%、残部Feおよび不純物の成分組成でなるマルテンサイト系ステンレス鋼の表面に窒化層を有したマルテンサイト系ステンレス鋼部品であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼部品の表面から0.1mmの深さの位置の硬さが650HV以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼部品の表面から0.1mmの深さの位置の断面組織において円相当径が1μm以上の炭化物の個数密度が100個/10000μm2以下であることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼部品。 - 前記窒化層が有する化合物層の厚さが1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.3%以下を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、V:0.3%以下
を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼部品。 - 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、W:3.0%以下を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、Ni:1.0%以下を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品。
- 質量%で、C:0.25~0.45%、Si:1.0%以下、Mn:0.1~1.5%、Cr:12.0~15.0%、Mo:0.5~3.0%、残部Feおよび不純物の成分組成でなるマルテンサイト系ステンレス鋼に、窒素雰囲気中で1000~1150℃の温度に加熱して冷却する焼入れを行った後、焼戻しを行い、マルテンサイト系ステンレス鋼部品の表面から0.1mmの深さの位置の硬さが650HV以上であり、前記マルテンサイト系ステンレス鋼部品の表面から0.1mmの深さの位置の断面組織において円相当径が1μm以上の炭化物の個数密度が100個/10000μm 2 以下であるマルテンサイト系ステンレス鋼部品を得ることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼部品の製造方法。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0.3%以下を含むことを特徴とする請求項7に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の製造方法。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、V:0.3%以下を含むことを特徴とする請求項7または8に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の製造方法。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、W:3.0%以下を含むことを特徴とする請求項7ないし9のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の製造方法。
- 前記マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成が、さらに、質量%で、Ni:1.0%以下を含むことを特徴とする請求項7ないし10のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼部品の製造方法。
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