JPH04120249A

JPH04120249A - マルテンサイト系ステンレス鋼とその製造法

Info

Publication number: JPH04120249A
Application number: JP23969790A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kondo; 邦夫近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-04-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、耐食性が要求される環境で使用される、高強
度・高靭性のマルテンサイト系ステンレス鋼に関し、例
えばタービンブレード、ポンプシャフト、ボルト、航空
機などの構造材、ならびにその他の強度、靭性および耐
食性が要求される各種機械の構造用鋼として使用される
のに好適なマルテンサイト系ステンレス鋼とその製造法
に関す（従来の技術）高強度であって、かつ優れた耐食性を備えたステンレス
鋼として、Ｃｒ量およびＣ量を増加し、主として刃物用
として用いられる５ＩＩＳ４２０．２重量％程度のＮｉ
の添加により靭性および耐食性の若干の改良を狙った５
ＵＳ４３１、さらには硬度、耐食性ともに優れた５ＵＳ
４４０等のマルテンサイト系ステンレス鋼が知られてい
る。

これらのマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ、焼
戻し熱処理を施すことにより高強度が得られるために、
耐食ばね、シャフト、ボルト等の各種機械の構造用材料
に用いられている。

また、金属間化合物または金属相の析出強化を利用する
ことにより、高強度、高耐食性が得られるステンレス鋼
としては、５ｔｌＳ６３０．５ＬＩＳ６３１等が知られ
ており、同様に高耐食性・高強度材料として使用されて
いる。

（発明が解決しようとする課！りところで、前述の焼入れ・焼戻し型のマルテンサイト系
ステンレス鋼は、高強度で耐食性を有することから種々
の用途で使用されているが、靭性の点で劣るため、実用
上は高温の焼戻しを行うことによって、強度をある程度
犠牲にしなければ実用上必要とされる最低限の靭性の確
保が困難であり、実用上の強度の上限は、現実には、１
００　ｋｇｆ／ａｍ”程度であった。

一方、高強度の割には靭性が比較的良好であるといわれ
る析出強化ステンレス鋼でも、靭性が充分でなく、また
特定の析出強化元素、例えばＣｕ、ＡＱ、Ｔｉ等を大量
に添加するために、熱間加工性が著しく低下したり、さ
らには二重時効処理などの複雑な熱処理が必要となると
いう問題があった。

ここに、本発明の目的は、前述の従来の技術の有する問
題を解消し、複雑な熱処理は必要でなく、例えば焼入れ
・焼戻し処理、もしくは焼入れ・サブゼロ処理・焼戻し
処理を行うだけで高強度が得られ、さらに十分な靭性を
有し、かつ耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス
鋼を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者は、高強度マルテンサイト系ステンレス鋼の靭
性向上を目的として、各種の実験、検討を重ねた結果、
以下に列記する知見を得た。

■靭性を向上させるには、Ｃ量の規制と、Ｎｉの十分な
量の添加とが最も有効なこと、 ■強度および靭性のバランスに優れる組織としては、δ
フェライトを含まないマルテンサイト単相が望ましいこ
と、および ■高強度を得るためには、残留オーステナイトが大量に
生成しないことである。

このような知見に基づいて、本発明者は、さらに検討を
重ねた結果、（ｉ）Ｎｉを２．５重量％超添加するとともに、Ｃ量を
０．２重量％以下としたＣｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼を用
いること、（１１）耐食性を向上させるという観点から、−〇、Ｗ
等を必要に応じて適量添加すること、さらに（ｉｊ）マ
ルテンサイト単相となり、かつ残留オーステナイトが多
くならない指針となる各元素間における添加量の関係を
用いて、さらに組成を限定することにより、前記課題を解決することができることを知見し
て、本発明を完成した。

ここに、本発明の要旨とするところは、重量％で、Ｃ：０．０５％鰯０．２％以下、Ｓｉ：　２％以下、−
〇二２％以下、　　　　　Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０
．０１％以下、　　　　Ｃｒ：　８％以上１７％以下、
Ｎｉ：　２．５％超８％以下、八Ｑ：　０．００１％以上０．１％以下、Ｎ：０．１％
以下、ただし、３０Ｃｒ％＋１４５１ｍ　　２８ＮｉｅＸ＞−７９０（
Ｃｍ＋Ｎｍ）≦４５５（ト）２１ＣｒＮ＋１７Ｓｉ％＋
３５Ｎｉｍ＋９１０（ＣＨ＋Ｎｅ１９）≦７３１（ト）
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるｗ４組成を有することを特徴とする強度、靭性
、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である
。

また、上記の本発明にあっては、前記マルテンサイト系
ステンレス鋼が、重量％で、さらにＭｏ：　３．５％以
下、　　　Ｗ：３％以下、Ｔｉ：　１．５％以下、　　
　Ｎｂ：　１．５％以下、Ｖ：１．５％以下、　　　Ｚ
ｒ：　１．５％以下、からなる群から選ばれた１種又は
２種以上を有し、さらに、３０Ｃｒ（％？＋１４Ｓｉ（％）＋３６Ｍｏｅｌ［＞−
２３Ｎｉｅ％−７９Ｏ（ＣＮ＋Ｎ５Ｇ）≦４５５（ト）
２ＩＣｒＱＱ＋１７Ｓｉ％＋２５Ｍｏ（９Ｑ＋３５Ｎｉ
ｅＸ？＋９１０（Ｃ（％９＋ＮＱＱ）≦７３１（ト）を
有することが好適であり、これらの本発明において、前
記マルテンサイト系ステンレス鋼が、重量％で、さらにＣａ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｍｇ：０．０
０１％以上０．０５％以下、Ｌａ：０．００１％以上０
．０５％以下、Ｃｅ：０．００１％以上０．０５％以下
からなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を有す
ることがより好適である。

さらに、前記の鋼組成を有するマルテンサイト系ステン
レス鋼を熱間成形後、急冷または徐冷を行うことにより
、強度、靭性、耐食性に優れたマルテンサイト系ステン
レス鋼を製造することができる。

また、前記の鋼組成を有するマルテンサイト系ステンレ
ス鋼を熱間成形後、少なくとも７０℃以下にまで急冷ま
たは徐冷を行った後に、さらに４５０℃以下で焼戻すこ
とにより、強度、靭性、耐食性に優れたマルテンサイト
系ステンレス鋼を製造することができる。

また、これらのマルテンサイト系ステンレス鋼の製造に
際して、前記黛、冷または徐冷を行った後に、サブゼロ
処理を行うことが好適である。

さらに、前述の１Ａｕ成を有するマルテンサイト系ステ
ンレス鋼を熱間成形後、少なくとも７０℃以下にまで栄
、冷または徐冷してから、Ａｃ、点板上に再加熱した後
、少なくとも７０℃以下にまで急冷または徐冷を行い、
さらに必要に応して、４５０℃以下で焼戻すことにより
、強度、靭性、耐食性に優れたマルテンサイト系ステン
レス鋼を製造することができる。

さらに、これらのマルテンサイト系ステンレス鋼の製造
に際して、前記Ａｃ、点板上に再加熱後の前記急冷また
は徐冷を行った後に、サブゼロ処理を行うことが好適で
ある。

本発明における「急冷」および「徐冷」は、ともに−船
釣な意味において用いており、例えば前者では水冷や油
冷を、後者では空冷を包含する。

（作用）以下、本発明を作用効果とともに詳述する。なお、本明
細書においては、特にことわりがない限り、ｒ％」は「
重量％」を意味するものとする。

Ｃ：強度の確保のために０．０５％を超える量が必要で
あるが、含有量が０．２％を超えると靭性が低下し、耐
応力腐食割れ感受性も大きくなる。そこで、Ｃ含有量は
、０．０５％超０．２％以下と限定する。

Ｓｉ：通常の製鋼過程での脱酸剤として必要である。

しかし、靭性の向上のためには少なければ少ないほど好
ましい結果が得られる。具体的には、２％を超えると靭
性が著しく低下する。そこで、Ｓｉ含有量は、２％以下
と限定する。

Ｍｎ：　Ｍｎは、強度を上昇させるが、靭性を低下させ
る作用を奏する。靭性の向上のためには、少ないほうが
好ましい。具体的には、強度と靭性とを共に適当なレベ
ルで両立させるためには、２％が添加量の上限である。

そこで、Ｍｎ含有量は、２％以下と限定する。

Ｐ：Ｐ含有量は、低ければ低い程、靭性が向上し、Ｐ含
有量が０．０４％を超えると靭性が低下する。

そこで、Ｐ含有量は、０．０４％以下と限定する。

Ｓ：　Ｓは、前述のＰ同様、含有量が低ければ低い程、
靭性および熱間加工性が向上する。高い靭性を得るため
には、Ｓ含有量は、０．０１％以下であることが必要で
ある。そこで、Ｓ含有量は、０．０１％以下と限定する
。

Ｃｒ：耐食性皮膜を形成させるには、８％以上のＣｒの
添加が必要である。しかし、１７％を超えるとフェライ
トが生成しやすくなり、目標とするマルテンサイト系ス
テンレス鋼が得にくくなる。

そこで、Ｃ「含有量は、８％以上１７％以下と限定する
。

Ｎｉ：　Ｎｉは、靭性の向上に著しく寄与する元素であ
る。２．５％以下ではその効果が少なく、一方８％を趙
えるとコストが高くなりすぎるとともに、残留オーステ
ナイト量が増加して強度を確保できなくなる。そこで、
Ｎｉ含有量は、２．５％趙８％以下と限定する。

ＡＱ：ＡＱは、鋼中にあっては、脱酸剤として作用する
。Ａｌｌ含有量が０．００１％未満ではその効果がな（
、一方０．１％を超えると介在物が多くなって耐食性が
低下する。そこで、鳩舎有量は０．００１％以上０．１
％以下と限定する。

ＮＵＮは、強度上界に有効な元素であるが、０．１％を
超えると鋳造時にブローホールが生じる。

そこで、Ｎ含有量は０．１％以下と限定する。

上記以外の残部は、Ｆｅと不可避的不純物とである。

さらに本発明にあっては、各元素量は、次式を満足する
関係にあることが必要である。

３０Ｃｒ％＋１４Ｓｉ％−２３Ｎｉ５Ｑ　　７９０（Ｃ
ＱＱ十Ｎ５Ｑ）≦４５５（ト）・　・（１）２１Ｃｒ働＋１７Ｓｉｅ！ＩＱ＋３５ＮｉｅｉｌＱ＋９
１０（Ｃ％＋Ｎ％）≦７３１（ト）すなわち、高強度と
高靭性、さらには高耐食性を確保するためには、δフェ
ライトは存在せず、かつ残留オーステナイト量も１０％
以下であることが望ましい０通常のオーステナイト化温
度である８００〜１２００℃でオーステナイト単相鋼と
なり、δフェライトを含まない相を得るためには、式（
１）を満足する必要がある。一方、室温まで冷却し、ま
たはサブゼロ処理を行った後に残留オーステナイト量を
１０％以下に低減するためには、式（２）を満足する必
要がある。

そこで、本発明における各元素の含有量は、それぞれ式
（１）および式（２）を満足することが必要である。

さらに、本発明によれば、例えばＭｏ、　Ｗ、丁１％Ｎ
ｂ、　ＶおよびＺｒからなる群から選ばれた１種または
２種以上の合金元素を含有することにより、より一層の
品質の向上を図ることができる。

Ｍｏ、Ｗ：耐食性を更に向上させる元素であり、それぞ
れ３．５％以下、３％以下まで添加することが有効であ
る。それを趙えて添加しても耐食性向上効果が飽和する
ばかりか、コストが高くなるので、前記範囲内で添加す
ることが望ましいＴｉ、　Ｎｂ、　Ｖ、　Ｚｒ二強度を
更に向上させる元素である。それぞれ、含有量が１．５
％を超えると、靭性が低下するので、添加量は、それぞ
れ１．５％以下と限定することが望ましい。

なお、上記の添加元素のうち、前述のように、通常のオ
ーステナイト化温度である８００〜１２００℃で完全に
オーステナイト単相となり、δフェライトを含まない相
とすること、および冷却またはサブゼロ処理後に残留オ
ーステナイト量を１０％以下とすることには、Ｍｏが影
響する。すなわち、本発明にかかるマルテンサイト系ス
テンレス鋼が合金元素としてＭｏを含む場合には、前記
（１）式および（２）式は、それぞれ３０Ｃｒｍ　＋　１４５１ｍ　＋３６Ｍｏ％　−２８Ｎ
ｉ　ｍ　−７９０（ＣＮ　十Ｎｍ）≦４５５（１）・　
・　・（３）２１Ｃｒｍ　＋　１７ＳｉＮ　＋２５Ｍｏ％　＋３５Ｎ
ｉ（’ＩＱ　＋９１０（Ｃ６Ｑ　＋Ｎｍ）≦７３１（ト
）・　・　・（４）となる。

さらに、本発明にかかるマルテンサイト系ステンレス鋼
の他の合金元素について説明する。

Ｃａ、　Ｍｇ、　Ｌａ、　Ｃｅ：　これらの元素も所望
により少なくとも１種類以上添加することにより、いず
れも熱間加工性の改善を図ることができる元素である。

それぞれ０．００１％未満では効果がなく、一方０．０
５％を超えると耐食性が低下する。そこで、これらの各
元素の含有量は、０．００１％以上０．０５％以下と限
定することが望ましい。

以上の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼は、
通常の熱間加工で成形した後、特に急冷を必要とせず、
Ｍｓ点以下の温度に冷却した状態（すなわち、急冷また
は徐冷を行った状態）でマルテンサイト主体の組織とな
り、高強度と高靭性とを兼ね備える。

さらに、前記冷却後にサブゼロ処理を行って残留オース
テナイト量をさらに減少させることにより、より一層の
高強度が得られる。

前記サブゼロ処理としては、本発明においては、室温以
下の温度に数時間保持する手段によればよく、特に０℃
以下に冷却する手段に限定されるものではない０例えば
、液体窒素中やエチルアルコールとドライアイスとの混
合物中で、４〜８時間保持する処理を行う手段が例示さ
れる。

さらに、本発明にかかるマルテンサイト系ステンレス鋼
の熱処理法としては、以下のいずれがの方法が望ましい
。

（１）熱間成形後、少なくとも７０℃以下に急冷またば
徐冷を行った後、必要に応じてサブゼロ処理を行い、４
５０℃以下で焼戻す。

（Ｉｆ）熱間成形後、少なくとも７０℃以下に、急冷ま
たは徐冷したものをＡｃ、点板上で加熱し、−部もしく
は全部を再オーステナイト化した後、急冷または徐冷し
て焼入れ、さらにサブゼロ処理を必要に応じて行う。

（１）前記（ＩＩ）のサブゼロ処理後に、さらに４５０
℃以下で焼戻す。

（１）の場合は直接焼入れ一焼戻し工程となり、靭性の
向上のために４５０℃以下で焼戻すことが望ましい。熱
間成形後の冷却は、徐冷でもマルテンサイト組織が得ら
れるが、靭性の向上のためには急冷を行うことが望まし
い、焼戻し後の冷却も特に規定しないが、焼戻し脆性の
回避のためには徐冷は好ましくない。なお、冷却温度を
少なくとも７０℃以下と限定する理由は、Ｍｓ点以下の
温度に確実に冷却しで、マルテンサイト化を促進するた
めである。

（Ｉｔ）の場合は、焼入れままの熱処理となる。へ０１
点以上に加熱して、一部あるいは全部をオーステナイト
化した後冷却する。冷却は、徐冷でもマルテンサイト変
態して高強度が得られるが、靭性の面からは急冷が望ま
しい。また、再オーステナイト化は均質化の意味もある
ので、Ａｃ＋点より高くＡｃ３点以上の温度とすること
が望ましい。

（Ｉ［Ｉ）の場合は、　（Ｉｔ）で焼入れした材料を焼
戻すことにより靭性の向上を得ることを目的とする。

強度があまり低下せず靭性の向上が得られる４５０℃以
下で焼戻すことが好ましい。

このような熱処理を施すことにより、本発明にかかるマ
ルテンサイト系ステンレス鋼を容易に、かつ確実に得る
ことができる。

さらに、本発明を実施例を参照しながら、詳述する。

実施例第１表に示す組成のＡ−ａ鋼をそれぞれ溶製し、熱間圧
延を行い、その後放置することにより空冷して、室温ま
で冷却し、１２ｍ＋−厚の板材とした０本発明鋼である
Ａ−３鯛、従来鋼のＴ−Ｖ鋼、比較例のＷ％ａ鯛につい
て、第２表に示す内容の熱処理を行った後、引張強度、
靭性および応力腐食割れについて試験した。

引張試験は、直径４ｍｍ、平行部３４ｍｍの引張試験片
を前記板材より切り出して行った。

靭性は、寸法が１０Ｘ１０Ｘ５５■−である２−―ｖノ
ツチのシャルピー試験片を切り出し、衝撃値で評価した
。

応力腐食割れ試験は、直径２．５４ｍ５、平行部２．５
■■の定荷重型試験片を切り出して、耐力の９０％の荷
重を負荷し３．５％ＮａＣ：５０℃の環境下で、９Ｇｈ
ｒ後の割れの有無で評価した。

これらの試験の結果を第２表にまとめて示す。

なお、第２表中、応力腐食割れの欄においてｒｏＯＪと
あるのは、試験片２個ともに割れが発生しなかったもの
、「××」とあるのは試験片２個ともに割れが発生した
ことを示す。

従来例である試料ＮＣＬ３２および試料隘３３は、従来
の３１１５４２０．５ＵＳ４３１ｔｌＪの結果である。

靭性を確保するために強度を低く押さえているが、それ
でも衝撃値は１５ｋｇｆ−ｍ／ｃ＋ｓ’にはとどかず、
レベルが低い。

さらに、耐食性も良好でなく応力腐食割れを生じている
。

また、従来例である試料階３４は、１７−４ｐＨステン
レス（ＳｌｌＳ６３１鋼）である０強度はかなりのもの
が得られるが、Ｃｕを多量添加するため、靭性が大きく
劣っている。

さらに、比較例である試料階３５および試料ＰｋＬ３６
は、それぞれＣ，Ｎ量が本発明にかかるマルテンサイト
系ステンレス鋼に比べ多くなっており、靭性が低く、応
力腐食割れもみられ好ましくない。

また、比較例である試料阻３７および試料隘３８は、本
発明にかかるマルテンサイト系ステンレス鋼で規定する
数式を満たさない成分系である。試料黒３７は、δフェ
ライトが析出して靭性が低下し、試料隘３８は、残留オ
ーステナイトが多量に析出するために鋒伏強度が著しく
低下してしまう。

さらに、比較例である試料ＮｃＬ３９は、Ｃｒが８％に
満たず、応力腐食割れを生じている。

これに対して、本発明例である試料ＮＣＬＩないし試料
Ｎ１１Ｌ３１に示すように、本発明にかかる鋼種は、熱
間圧延のままでも、あるいは高温焼戻しを伴わない種々
の熱処理を施しても、必要な強度と靭性と耐食性とを兼
ね備えており、各種の機械構造用鋼として好適である。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明にががるマルテンサイト系
ステンレス鋼は、十分な耐食性を備え、更に高強度、高
靭性を存することが明らかである。

したがって、高強度と高靭性と耐食性とが同時に要求さ
れる構造用部材として使用するのに好適であり、その工
業的な利用価値は大きい。

かかる効果を有する本発明の意義は、極めて著しい。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ：０．０５％超０．２％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ
：２％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：８％以上１７％以下、Ｎｉ
：２．５％超８％以下、Ｍ：０．００１％以上０．１％以下、Ｎ：０．１％以下、ただし、３０Ｃｒ（％）＋１４Ｓｉ（％）−２８Ｎｉ（％）−７
９０（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦４５５（％）２１Ｃｒ（
％）＋１７Ｓｉ（％）＋３５Ｎｉ（％）＋９１０（Ｃ（
％）＋Ｎ（％））≦７３１（％）残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなる鋼組成を有することを特徴とする強度、靭性、
耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
（２）さらに、重量％で、Ｍｏ：３．５％以下、Ｗ：３％以下、Ｔｉ：１．５％以下、Ｎｂ：１．５％以下、Ｖ：１．５
％以下、Ｚｒ：１．５％以下、からなる群から選ばれた１種又は２種以上を有し、さら
に、３０Ｃｒ（％）＋１４Ｓｉ（％）＋３６Ｍｏ（％）−２
８Ｎｉ（％）−７９０（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦４５５
（％）２１Ｃｒ（％）＋１７Ｓｉ（％）＋２５Ｍｏ（％
）＋３５Ｎｉ（％）＋９１０（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦
７３１（％）を満足する鋼組成を有することを特徴とす
る請求項１記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
（３）さらに、重量％で、Ｃａ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｍｇ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｌａ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｃｅ：０．００１％以上０．０５％以下からなる群から選ばれた１種又は２種以上の元素を含有
する鋼組成を有することを特徴とする請求項１または請
求項２記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
（４）請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鋼組
成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間成形後
、急冷または徐冷を行うことを特徴とする強度、靭性、
耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼の製造法
。
（５）請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鋼組
成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間成形後
、少なくとも７０℃以下にまで急冷または徐冷を行った
後に、さらに４５０℃以下で焼戻すことを特徴とする強
度、靭性、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス
鋼の製造法。
（６）請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鋼組
成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間成形後
、少なくとも７０℃以下にまで急冷または徐冷を行って
から、Ａｃ＿１点以上に再加熱した後、急冷または徐冷
を行うことを特徴とする強度、靭性、耐食性に優れたマ
ルテンサイト系ステンレス鋼の製造法。
（７）請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鋼組
成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間成形後
、少なくとも７０℃以下にまで急冷または徐冷を行って
から、Ａｃ＿１点以上に再加熱した後、少なくとも７０
℃以下にまで急冷または徐冷を行った後、４５０℃以下
で焼戻すことを特徴とする強度、靭性、耐食性に優れた
マルテンサイト系ステンレス鋼の製造法。
（８）前記急冷または徐冷を行った後に、サブゼロ処理
を行うことを特徴とする請求項４または請求項５記載の
マルテンサイト系ステンレス鋼の製造法。
（９）前記Ａｃ＿１点以上に再加熱した後の急冷または
徐冷後に、サブゼロ処理を行うことを特徴とする請求項
６または請求項７記載のマルテンサイト系ステンレス鋼
の製造法。