JPH04214844A - 高強度高靭性ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
高強度高靭性ステンレス鋼およびその製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
食性が共に要求される部材に使用されるのに適した高強
度高靭性ステンレス鋼およびその製造方法に関するもの
である。
,300M等に代表される低合金系高抗張力鋼が一般に
良く知られている。これらは、熱処理条件を選べば、約
180kgf/mm2以上の高強度を得ることができる
。しかし、これらは低合金鋼であり、耐食性に大きく寄
与するCrが1%弱と少ないため、耐食性が不十分であ
る。そこで、これらの材料を耐食性が要求される用途に
用いる場合には、従来よりCrメッキ、Niメッキなど
の表面処理が施されていた。 しかし、これらの表面処理による耐食性向上の方法は、
工数がかかる上、表面処理層が剥がれた場合、腐食がそ
の部分で局部的に進行することがあり、また、部品、部
位によっては表面処理を行なうことが困難であることな
どの問題があった。
、一般にステンレス鋼がよく使用される。ステンレス鋼
は耐食性が優れているものの、一般によく知られている
SUS304に代表されるオーステナイト系ステンレス
鋼や、SUS430に代表されるフェライト系ステンレ
ス鋼などは強度が低いため、耐食性だけでなく強度も同
時に要求されるような用途には適さない。これに対して
、高い強度を持つステンレス鋼として、析出硬化型ステ
ンレス鋼がある。これは、時効処理によって時効硬化さ
せて強度を高めることができるステンレス鋼であり、市
販の析出硬化型ステンレス鋼としては、17−4PH,
15−5PH,PH13−8Moなどがよく知られてい
る。これらの析出硬化型ステンレス鋼の強度レベルは、
時効処理条件によって変わるが、概略、17−4PHで
約120kgf/mm2、15−5PHで約135kg
f/mm2、PH13−8Moで約150kgf/mm
2である。
テンレス鋼は、高強度を有しているが、低合金系高抗張
力鋼である4340, 300Mなどに比べれば、まだ
強度が低いレベルにある。したがって、4340,30
0M並の高強度が要求され、かつ、ステンレス鋼並の耐
食性が要求される用途に対しては、耐食性に関しては問
題ないものの、強度の点からこれら既存の析出硬化型ス
テンレス鋼を適用することは不可能である。そこで、4
340,300M並の高強度を持つ耐食性の優れたステ
ンレス鋼があれば、これらの厳しい用途に対して広く利
用できる可能性がある。また、一般に高強度材は靭性が
低いので、高強度材を実用的に使用し、また、その高強
度という利点を十分生かすためには、靭性はなるべく高
い値の方へ改善することが望まれていた。
0kgf/mm2の強度レベルで、破壊靭性値(KIC
値)が約200kgf/mm2×(mmの1/2乗)で
あり、また、既存の析出硬化型ステンレス鋼の靭性レベ
ルは、破壊靭性値(KIC値)で、17−4 PH 約
200kgf/mm2×(mmの1/2乗)、15−5
PH,PH13−8Mo 約250kgf/mm2×(
mmの1/2乗)である。すなわち、析出硬化型ステン
レス鋼は、強度レベルが低合金系高抗張力鋼に比べて低
い割には、必ずしも靭性が高くない。
するステンレス鋼の例は、非常に高い強度をもつステン
レス鋼として、米国特許Re.26,225号に耐熱高
強度ステンレス鋼が、また、米国特許3,756,80
8号にステンレス鋼がそれぞれ開示されている。米国特
許Re.26,225号に開示されている耐熱高強度ス
テンレス鋼 Steel77(AFC77, 0.16
%C−14.36% Cr−0.48%V−4.90%
Mo−13.60%Co−0.05%N−0.042%
Al−残部Fe)および米国特許3,756,808号
に開示されているステンレス鋼 AFC260(0.0
7%C−0.25%Si−0.25%Mn−1.85%
Ni−15.5%Cr−4.5%Mo−13.0%Co
−0.15%Nb−0.03%N−残部Fe)およびA
lloyB(0.16%C−1.03%Ni−13.9
4%Cr−0.09%V−5.22%Mo−13.67
%Co−0.22%Nb−0.032%N−残部Fe)
は、17−4PH,15−5PH,PH13−8Moな
どに代表される他の析出硬化型の高強度ステンレス鋼に
比べて高い強度と高い靭性を持っていることが米国特許
3,756,808号の第2図に示されている。この中
でもっとも強度、靭性が高いレベルに位置しているAl
loyBでは、強度が180kgf/mm2(約260
Ksi)であり、この強度レベルでの靭性は、約400
kgf/mm2×(mmの1/2乗){約115Ksi
×(inの1/2乗)}であることが示されている。
く依存することが、米国特許3,756,808号およ
び米国特許3,873,378号に示されている。米国
特許3,756,808号によると、AlloyBにお
いて、このような高強度高靭性が得られる熱処理条件は
、927℃で1時間のオーステナイト化を行ない、室温
まで冷却した後、1150℃に加熱保持後、そのまま1
038℃まで冷却し、1038℃で、1時間保持後、冷
却するというオーステナイト化を行ない、さらに−73
℃で1時間サブゼロ処理し、最後に427℃で2時間の
2回の焼もどしを行なうという条件である。
ト化処理は、Nb炭化物のサイズと分布を調整するため
の処理であり、これによって次の2段目の高温のオース
テナイト化処理時の結晶粒粗大化を防ぐものである。ま
た、2段目の1150℃と1038℃のオーステナイト
化処理は、1150℃という高温でオーステナイトを安
定化させ、この時同時に生成する脆い相であるデルタ・
フェライトを1038℃で保持することによって消失さ
せるものであり、このオーステナイト化処理後、冷却す
ると残留オーステナイトが多く残るため、靭性と伸びを
高くすることができる。ただし、残留オーステナイト量
の調整によって、靭性および伸びを高めるためには、残
留オーステナイト量および分布をうまく制御しなければ
ならず、大型化した場合に残留オーステナイト量および
分布の制御が難しくなることが心配される。また、42
7℃での焼もどしは、強度を高める効果が大きい。
合金について実験的手法によって詳細に調べた結果、実
施例に示す通り、上記の熱処理を施しても、米国特許3
,756,808号に示されるような高強度かつ高靭性
が得られず、また、耐力についても低い値しか得られな
かった。このようにステンレス鋼において高強度と高靭
性の両特性を共に得ることは非常に難しい。本発明の目
的は、従来の市販の高強度ステンレス鋼並の耐食性を有
し、より高い強度と高い靭性を兼ね備えた高強度高靭性
ステンレス鋼およびその製造方法を提供することである
。
C77,AFC260およびAlloyBの強度と靭性
を、耐食性を劣化させずに大幅に改良することを目的と
して、化学成分および熱処理条件を広範にわたり、鋭意
検討した。その結果、以下のことを新規に見出した。す
なわち、まずNb,Vは、一次炭化物を形成することに
よって、結晶粒の粗大化を防ぐ作用があるが、一方では
その一次炭化物の存在により、靭性の低下をまねく。そ
こで、Nb,Vは無添加、または低目の添加とした方が
靭性を向上させることができる。また、Moも多量に含
まれると靭性を害するので、Moを低くすることで、さ
らに靭性を向上させることができる。このように靭性を
高いレベルにした上で、強度を高くする目的でCの狙い
を高目にすると良いことを見出した。さらに既存のステ
ンレス鋼ではむしろ不純物として位置づけられていたS
iを強度を高めるために積極的に添加し、この鋼を本発
明方法である焼もどしを120〜450℃の温度範囲内
で行なうことによって、高強度、高靭性をバランス良く
得ることができることを新規に見出した。
FC260,AlloyBなどに比べてフェライト形成
元素であるMoが大幅に低目であり、一方オーステナイ
ト安定化元素がやや高目であることから、オーステナイ
ト組織がより安定であり、デルタ・フェライト組織が現
れにくい。そこで、本発明鋼に対しては、前述のような
高温、低温の2段のオーステナイト化処理を行なわなく
ても、1段のオーステナイト化処理のみで、デルタ・フ
ェライトを残留させず、かつ靭性を高めるのに必要な残
留オーステナイト量を十分確保できることを実験的に新
たに見出した。また、本発明鋼に対して焼もどし温度に
ついても詳細に検討した結果、高強度かつ高靭性を得る
焼もどし条件を新たに見出した。
て、C 0.16%を越え0.25%未満、Si2.0
%以下、Mn 1.0%以下、Ni 2.0%以下、C
r 11〜15%、Mo 0.5%以上3.0%未満、
Co 12〜21%、残部実質的にFeよりなることを
特徴とする高強度高靭性ステンレス鋼であり、第2発明
は、重量%にて、C 0.17〜0.23%、Si 0
.25%を越え0.8%以下、Mn 1.0%以下、N
i 0.5〜1.5%、Cr 12〜13%、Mo 1
.5〜2.5%、Co 14.5〜16.5%、残部実
質的にFeよりなることを特徴とする高強度高靭性ステ
ンレス鋼であり、第3発明は重量%にて、C 0.16
%を越え0.25%未満、Si 2.0%以下、Mn1
.0%以下、Ni 2.0%以下、Cr 11〜15%
、Mo 0.5%以上3.0%未満、Co 12〜21
%、およびV 0.1〜0.5%、Nb 0.1%未満
の1種または2種を含み、残部実質的にFeよりなるこ
とを特徴とする高強度高靭性ステンレス鋼であり、第4
発明は重量%にて、C 0.17〜0.23%、Si
0.25%を越え0.8%以下、Mn 1.0%以下、
Ni 0.5〜1.5%、Cr 12〜13%、Mo
1.5〜2.5%、Co 13.0〜16.5%、およ
びV 0.1〜0.5%、Nb 0.1%未満の1種ま
たは2種を含み、残部実質的にFeよりなることを特徴
とする高強度高靭性ステンレス鋼である。さらに第5発
明は、第1ないし第4発明のいずれかに記載の組成より
なるステンレス鋼を950〜1150℃で固溶化処理し
たのち急冷し、その後、−50℃〜−100℃でサブゼ
ロ処理し、さらに120℃〜450℃で焼もどしを行な
うことを特徴とする高強度高靭性ステンレス鋼の製造方
法である。
処理条件の限定理由について述べる。Cは、強度および
靭性に大きく影響する元素であり、従来知られているこ
の種の合金よりは高目にする。0.16%以下では強度
が低下し、一方0.25%以上では靭性が低下すること
から、強度と靭性のバランスを考慮し、0.16%を越
え0.25%未満とした。望ましくは0.17〜0.2
3%がよい。Siは、焼もどし軟化抵抗を高めるのに有
効な元素であり、焼もどし温度を高めることができるだ
けでなく、同一焼もどし温度での強度を高めることがで
きる元素である。特に120℃付近よりも300〜45
0℃付近での強度向上の効果が大きい。 しかし、2.0%を越えて添加すると靭性に有害である
ことから、2.0%以下とした。最も強度と靭性のバラ
ンスがよいのは、0.25%を越え、0.8%以下であ
る。強度および熱処理条件との兼ね合いで焼もどし温度
が低くても差し支えない場合には、必ずしも多量に添加
する必要はないが、Siが添加されている方がより好ま
しい。
であるが、脱酸、脱硫が十分行なわれている場合には、
必ずしも必要がなく、1%を越えて添加してもより一層
の向上効果はないことから1%以下とした。望ましくは
0.5%程度がよい。Niは靭性を高めるのに有効な元
素であるが、2%を越えて添加すると、オーステナイト
が安定化するため耐力が低下することから、2%以下と
した。強度、靭性のバランスを考慮すると、望ましくは
0.5〜1.5%がよい。Crは、耐食性を高める重要
な元素であり、ステンレス鋼には不可欠の元素であるが
、11%より少ないと効果が少なく、一方、15%を越
えて添加してもより一層の向上効果が少なく、また強度
が低下することから11〜15%とした。望ましくは1
2〜13%がよい。
効な元素であるが、0.5%より少ないと効果が少なく
、一方、3%以上添加すると、フェライトまたは金属間
化合物を形成しやすくなり靭性を害することから、0.
5%以上3%未満とした。望ましくは、1.5〜2.5
%がよい。Coは、強度、靭性を高めるのに有効な元素
であるが、12%より少ないと効果が少なく、一方21
%を越えて添加すると靭性を害することから12〜21
%とした。望ましくは13〜16.5%がよい。但し、
Nb,Vなどの1次炭化物形成元素を含まない場合のC
oの望ましい範囲は14.5〜16.5%である。Nb
は、Cと反応して炭化物を形成し、強度、靭性に有効な
Cの効果を減じることから、0.1%未満とした。また
、Nbは炭化物を形成することによって結晶粒の粗大化
を防止する効果があるが、0.1%以上添加すると、粗
大な一次炭化物を形成して、靭性および熱間加工性を害
することからも0.1%未満とすることが重要である。
形成し、結晶粒の粗大化を防止する効果があるが、Vの
みでは効果が少なく、Nbと共に添加する方が有効であ
る。しかし、0.1%より少ないと効果が少なく、一方
0.5%を越えて添加してもより一層の向上効果が少な
く、一方、過剰の添加では粗大な一次炭化物を形成し靭
性および熱間加工性を害することから0.1〜0.5%
とした。上述のようにNb,Vの少量の添加は、一次炭
化物を形成し、結晶粒の粗大化を防止する効果があり、
小型鋼塊では、上記の規定量で粗大な炭化物を形成する
こともなく有効に働く。しかし、大型鋼塊の場合には、
Nb,Vの上記規定量の添加によっても粗大な一次炭化
物を形成し、熱間加工性および靭性を害することから、
大型のものに対しては実用上、Nb,Vはむしろ添加し
ない方が望ましい。
理は、合金元素を母相中に固溶させるだけでなく、高温
でオーステナイト組織を得るために行なう処理であり、
オーステナイト組織から急冷することによってマルテン
サイト組織を得るものである。固溶化処理温度は、95
0℃より低いと合金元素が十分固溶せず、一方、115
0℃より高いと結晶粒が粗大化しやすく、また、デルタ
フェライトが生成し、機械的性質を害することから、9
50〜1150℃とした。本発明合金は、マルテンサイ
ト変態終了点(Mf点)が室温より低いため固溶化処理
後の急冷のみでは完全なマルテンサイト組織が得られず
、オーステナイト組織が多く残留し、耐力が低下するの
で、固溶化処理の後、室温まで急冷したのち、さらに−
50℃〜−100℃でサブゼロ処理を行なう必要がある
。サブゼロ処理を行なうことによって残留オーステナイ
トを減少させ、耐力などの機械的特性を改善できる。
ンス良く得るために、120〜450℃で焼もどしを行
なう必要がある。焼もどし温度は、120℃より低いと
Fe炭化物の析出によるマルテンサイトの分解が起りに
くく、強度は高いが靭性が低くなり、一方450℃より
高いと、焼もどしによる炭化物の析出硬化で強度は高く
なるが、靭性が劣化することから、焼もどし温度は12
0〜450℃とした。また、この焼もどし温度範囲内に
おいて、高目の焼もどし温度を用いるのが望ましく、か
つ、より高い強度と高い靭性を得るには、前述のとおり
Siが添加されていることが望ましい。
に示す組成の鋼を真空炉にて溶解し、10kgのインゴ
ットを作製した。これを1200℃で均質化処理した後
、熱間加工により、20mmt×45mmWの平角材に
仕上げ、さらに760℃で焼鈍した。ここで表1の鋼1
〜32は発明鋼、鋼33〜36は比較鋼、鋼37,38
は従来鋼で、鋼37は米国特許3,756,808号に
開示されているAlloyB、鋼38は米国特許Re.
26,225号に開示されているAFC77である。 これらの鋼に対して、表2ないし表4に示すように本発
明方法である950〜1150℃の範囲内の温度で1時
間の固溶化処理を行ない、油冷し、さらに−75℃で2
時間のサブゼロ処理を行ない、その後、120〜450
℃の範囲内の温度で2時間保持後、空冷する焼もどしを
2回行なった。また、一部の鋼に対して比較方法として
、本発明方法と同じ固溶化処理およびサブゼロ処理の後
、450℃より高い温度での焼もどしを行なった。また
従来鋼37に対して、米国特許3,756,808号に
開示されている熱処理方法である、927℃で1時間保
持後、空冷し、さらに1150℃で1時間保持後、10
38℃まで冷却し、1038℃で1時間保持後、空冷す
るオーステナイト化処理を行ない、その後−75℃で2
時間のサブゼロ処理を行ない、さらに260℃、427
℃で焼もどしを行なった。以上の各熱処理の後、常温引
張試験を行ない、0.2%耐力、引張強さ、伸び、絞り
を測定した。また、破壊靭性試験を室温で行ない、破壊
靭性値(KIC)を測定した。
〜32は、本発明方法によると、いずれも約175kg
f/mm2以上の高い引張強さと約250kgf/mm
2×(mmの1/2乗)以上の高い破壊靭性を併せ持つ
ことがわかる。しかし、表4の最後に示すように本発明
鋼1,2に対して本発明方法の焼もどし温度より高い4
82℃で焼もどしを行なった場合、靭性が大きく低下し
ており、一方、本発明鋼1〜32で示されるように焼も
どし温度が120〜450℃である本発明方法を用いる
ことによって高耐力高強度高靭性を得ることができるこ
とがわかる。また、比較鋼33〜36は、本発明方法に
よっても、引張強さ、破壊靭性のいずれか一方が低く、
高強度と高靭性を併せ持ってはいない。従来鋼37,3
8は、本発明方法または、米国特許3,756,808
号に開示されている従来方法、または比較方法{本発明
方法より高い温度(450℃を越える温度)で焼もどし
する方法}のいずれを用いても、引張強さ、破壊靭性の
いずれか一方、もしくは両方が低く、理由は明確ではな
いが、高強度、高靭性の特性を共には満足しなかった。
7について、塩水噴霧試験によって耐食性を調べた。そ
の結果を表5に示すが、本発明鋼は従来鋼と同様、錆の
発生は起らず、良好な耐食性を持つことがわかる。
ない高強度、高靭性および良好な耐食性を併せ持つステ
ンレス鋼であり、本発明による適正な熱処理を施すこと
により、例えば航空機の脚材、ボルト材などに代表され
るような高強度、高靭性、高耐食性が同時に要求される
ような部材、部品に使用すれば従来の鋼と比較して軽量
化がはかれるとか、厳しい腐食環境の高強度材として信
頼性と寿命が向上するなどの工業上顕著な効果を有する
ものである。
Claims (5)
- 【請求項1】 重量%にて、C 0.16%を越え0
.25%未満、Si 2.0%以下、Mn1.0%以下
、Ni 2.0%以下、Cr 11〜15%、Mo 0
.5%以上3.0%未満、Co 12〜21%、残部実
質的にFeよりなることを特徴とする高強度高靭性ステ
ンレス鋼。 - 【請求項2】 重量%にて、C 0.17〜0.23
%、Si 0.25%を越え0.8%以下、Mn 1.
0%以下、Ni 0.5〜1.5%、Cr 12〜13
%、Mo 1.5〜2.5%、Co 14.5〜16.
5%、残部実質的にFeよりなることを特徴とする高強
度高靭性ステンレス鋼。 - 【請求項3】 重量%にて、C 0.16%を越え0
.25%未満、Si 2.0%以下、Mn1.0%以下
、Ni 2.0%以下、Cr 11〜15%、Mo 0
.5%以上3.0%未満、Co 12〜21%、および
V 0.1〜0.5%、Nb 0.1%未満の1種また
は2種を含み、残部実質的にFeよりなることを特徴と
する高強度高靭性ステンレス鋼。 - 【請求項4】 重量%にて、C 0.17〜0.23
%、Si 0.25%を越え0.8%以下、Mn 1.
0%以下、Ni 0.5〜1.5%、Cr 12〜13
%、Mo 1.5〜2.5%、Co 13.0〜16.
5%、およびV 0.1〜0.5%、Nb 0.1%未
満の1種または2種を含み、残部実質的にFeよりなる
ことを特徴とする高強度高靭性ステンレス鋼。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の
組成よりなるステンレス鋼を950〜1150℃で固溶
化処理したのち急冷し、その後、−50℃〜−100℃
でサブゼロ処理し、さらに120℃〜450℃で焼もど
しを行なうことを特徴とする高強度高靭性ステンレス鋼
の製造方法。
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- 1991-09-30 DE DE69107439T patent/DE69107439T2/de not_active Expired - Lifetime
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