JPH05140699A

JPH05140699A - 冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH05140699A
Application number: JP32650291A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Fukushima; 捷昭福島; Toshio Okuno; 利夫奥野; Masakazu Ito; 正和伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-11-14
Filing date: 1991-11-14
Publication date: 1993-06-08

Abstract

(57)【要約】【目的】熱処理硬さ HRC57以上が得られ、機械構造用
合金鋼並みの冷間鍛造性と、ＳＵＳ４４０Ｃ並みの耐錆
性をそれぞれ持つ冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス
鋼の提供。【構成】熱処理硬さがHRC57以上得られる焼なまし状
態のマルテンサイト系ステンレス鋼であり、直径 0.2μ
m以下の炭化物数を全炭化物数の50%以下とすることによ
り、限界据込率を高めた冷間鍛造性に優れた高強度ステ
ンレス鋼、および重量％で、Ｃ 0.4〜0.6%、Ｓi 0.5%以
下、Ｍn 0.5%以下、Ｃr 8.0〜13.0%、Ｗ，Ｍoの１種ま
たは２種を1/2Ｗ＋Ｍoで0.1〜2.0%、Ｎb,Ｖの１種また
は２種を1/2Ｎb＋Ｖで0.05〜1.0%、またはさらにＣo 0.
2〜2.0%を含み、残部Ｆeおよび不純物からなる鋼であっ
て、焼なまし状態で直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭
化物数の50%以下とすることにより、限界据込率を75%以
上とした冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス鋼を提供
するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＯＡ機器、自動車部
品、各種電子機器等高強度で耐摩耗性、耐錆性、耐食性
を要求される部品用素材としての高強度Ｃrステンレス
鋼に係り、特に冷間鍛造で成形される部品用として好適
なものに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高強度で耐摩耗性が要求され、さらに錆
の発生を嫌う物品として、各種シャフト類、セルフタッ
ピンねじ、各種自動車部品、耐食軸受等が挙げられ、こ
れ等の素材には、従来からＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０
Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサ
イト系Ｃrステンレス鋼が使用され、切削加工、熱処
理、仕上加工(研削等)を経て部品とされている。これ等
のマルテンサイト系Ｃrステンレス鋼は、前述のよう
に、主に切削加工により生産されていた。しかし、自動
車部品や家庭用電気製品のように大量に生産される部品
については、加工費の低減、ライン化の推進から、冷間
鍛造によって成形しようとする要望が強い。また、これ
等の部品では、使用応力、耐摩耗性の要求から熱処理後
の硬さは、高硬度が要求され、例えばモータのシャフト
材ではHRC57以上が要求される。また、同時に結露があ
っても錆を生じない等ＳＵＳ４４０Ｃ並みの耐錆性、耐
食性が要求されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上の冷間鍛造が可能
な成形性と、高硬度と耐食性といった要求特性を満足す
ることは、現状使用のＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ
２、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃでは不可能であ
る。すなわち、ＳＵＳ４１０やＳＵＳ４２０Ｊ２のよう
に冷間鍛造性が比較的良好なものは、熱処理硬さが不足
し、ＳＵＳ４４０ＢやＳＵＳ４４０Ｃのように熱処理硬
さを満足するものは、冷間鍛造が不可能であるという問
題点がある。

【０００４】本発明は、ＳＵＳ４４０Ｃ並みの耐錆性を
有し、さらに熱処理硬さとしてHRC57以上を有する部品
を、冷間鍛造にて成形することが可能な材料を提供せん
とするものである。冷間鍛造の程度としては、構造用鋼
と同等の深穴が加工できる程度として、限界据込率〔金
属材料の冷間据込試験方法(暫定基準) 塑性と加工(vol2
2 No241 P139〜)〕 75%以上または、これをやや下回る
程度に設定した。該限界据込率75%は、現実に冷間鍛造
が行なわれているＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４４０等の低合
金鋼の焼なまし状態の限界据込率に匹敵する値であり、
前述のＳＵＳ４１０よりやや下回る程度で、高強度マル
テンサイト系Ｃrステンレス鋼としては、現状では不可
能な値である。なお、限界据込率のテストは、外周を機
械加工した１号Ａ試験片（径：長さ＝1:1.5)を両端面を
プレスにより圧縮し、割れ(長さ 0.5〜1mm)が生じる据
込率を求めるものであり、通常ｎ＝5ヶ以上をテスト
し、ｎヶ／２が割れる時（割れ率50%)の据込率を限界据
込率と称するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、焼入れ、焼も
どし処理後の硬さ HRC57以上が得られる焼なまし状態の
マルテンサイト系ステンレス鋼であって、直径 0.2μm
以下の炭化物数を全炭化物数の50%以下とすることによ
り、限界据込率を高めたことを特徴とする冷間鍛造性に
優れた高強度ステンレス鋼、および重量％で、Ｃ 0.4〜
0.6%、Ｓi 0.5%以下、Ｍn 0.5%以下、Ｃr 8.0〜13.0%、
Ｗ，Ｍoの１種または２種を1/2Ｗ＋Ｍoで0.1〜2.0%、Ｎ
b,Ｖの１種または２種を1/2Ｎb＋Ｖで0.05〜1.0%を含
み、残部Ｆeおよび不純物からなる焼なまし状態の鋼で
あって、直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭化物数の50%
以下とすることにより、限界据込率を75%以上としたこ
とを特徴とする冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス
鋼、または前記添加元素に加えて、さらにＣo 0.2〜2.0
%を含有せしめたものである。すなわち、本発明は、高
強度マルテンサイトステンレス鋼において、冷間鍛造性
を向上させるため、焼なまし後の炭化物の形態に注目
し、各種焼なまし方法での限界据込率とその時の炭化物
形態の検討結果から、直径 0.2μm以下の微細な炭化物
の量が特定量以上に多くなれば、限界据込率が低下する
ことを見出し、炭化物の大きさ、粒度分布を焼なまし法
によってコントロールすることにより、つまり、焼入
れ、焼もどし熱処理後、同一硬さが得られる材料でも、
限界据込率の向上が可能であることを見出したことによ
るものである。また、本発明は、焼入れ、焼もどしで硬
さ HRC57以上が得られ、かつ、上記のように炭化物の形
態を制御することにより、限界据込率 75%以上の高率が
達成できる成分領域を見出したことによるものである。

【０００６】

【作用】焼入れ、焼もどし処理後、HRC57以上が得られ
るマルテンサイト系ステンレス鋼の冷間鍛造性を高める
ためには、直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭化物数の5
0%以下にすると効果がある。しかし、高強度マルテンサ
イト系ステンレス鋼に通常行なわれている完全焼なまし
や軟化焼なまし処理を施して直径 0.2μm以下の炭化物
数を全炭化物数を全炭化物数の50%以下にするのは困難
である。このため、焼なまし方法について、種々検討し
た結果、例えば以下に示すＡ処理またはＢ処理の焼なま
し方法で達成できることがわかった。Ａ処理・・・ＡＣ₁点以上からの焼なましの冷却を3℃/時間
以下の徐冷とする処理。Ｂ処理・・・熱間加工後に、炭化物析出処理、微細炭化物
固溶処理、炭化物成長処理の一連の処理を行なう。なお、直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭化物数の50%以
下とする熱処理方法は、上記Ａ処理、Ｂ処理の他にも考
えられるので、これらＡ，Ｂの処理は本発明において必
須ではない。図１、図２、図３は、本発明が規定する成
分の鋼にそれぞれ、通常の焼なまし処理、および上記の
Ａ処理、Ｂ処理を施した後の材料の電子顕微鏡によるミ
クロ組織例（×4000)である。すなわち、各図は0.55Ｃ-
0.1Ｓi-0.2Ｍn-12Ｃr-0.3Ｍo-0.1Ｖ鋼の各焼なまし処理
後の組織を示し、図１は通常の焼なまし方法である860
℃より15℃/時間にて徐冷した時の組織写真である。こ
れによると、0.2μm以下の炭化物数は全炭化物数の約80
%であり、この材料の限界据込率は70%である。図２は、
同一成分の材料にＡ処理を施した場合のものであり、0.
2μm以下の炭化物数は、全炭化物数の約30%となってい
る。この処理材の限界据込率は79%となり、大幅な限界
据込率の向上が見られた。さらに、図３は同一成分の材
料を熱間加工後、Ｂ処理を行なった場合のもので、0.2
μm以下の炭化物数は全炭化物数の約40%で限界据込率は
78%であり、本発明材料は、いずれも通常の焼なまし処
理材より限界据込率が大幅に向上している。

【０００７】鋼中の炭化物は、鋼の塑性加工、つまり滑
り変形を阻害することで変形抵抗を高め、割れ発生の可
能性を増加すると考えられる。結晶粒内の滑り、転移の
動きを考えた場合、これ等は炭化物の表面体積に依るも
のと考えられ、微小炭化物の多い程、同一炭化物量（体
積％）でも表面積は多くなり変形抵抗は高い。本発明で
は直径 0.2μm以下の炭化物の数を全炭化物数の50%以下
とした。これ等の数値は、特許請求範囲に規定した成分
範囲を含む、マルテンサイト系ステンレス鋼において、
種々の熱処理で制御可能な大きさ、数量を実験結果から
求めたものである。炭化物の大、小の捕捉の指標として
は直径 0.2μmを選定した。また、本発明の直径 0.2mm
以下の炭化物数の全炭化物数に対する比 50%以下の限定
は、後述の限界据込率 75%以上を達成するための条件と
して、また、従来の焼なまし処理では実現し得なかった
範囲として規定したものである。本発明において、限界
据込率 75%は、前述のように冷間鍛造加工用素材として
現用されているＳＣｒ４２０，ＳＣｒ４４０等の低合金
鋼のそれとほぼ同等とすることからこれを限定の範囲と
した。

【０００８】次に、組成的条件から、冷間鍛造性を高め
るには、鋼中の合金元素量、不純物量を極力低減するこ
とが肝要であるが、ＳＵＳ４４０Ｃ並みの耐錆性と熱処
理後HRC57以上の硬さを得ることから、最低限の合金添
加(Ｃ,Ｃr,Ｍo等)が必要である。また、熱処理条件とし
ては、焼入れに真空炉の使用を考えた場合、焼入れ性は
半冷 10分(焼入温度から焼入温度/2までの間を10分間と
するような冷却速度)で十分な焼入れができる焼入性が
必要であり、合金元素として、Ｍn,Ｍo,Ｗ,Ｖ等の添加
が有効である。また、本発明鋼の適用品は、シャフト
類、自動車部品等冷間で使用される品物であるところか
ら、焼もどし温度は150〜200℃で行なわれる。以上の諸
条件から、本願は、以下に述べるごとく、特許請求の範
囲第２項および第３項で、化学成分を限定した。

【０００９】次に、本発明に係る冷間鍛造性の優れた高
強度ステンレス鋼の成分組成（重量％）の限定理由につ
いて説明する。Ｃは鋼の強度を得るのに必須の元素であ
る。すなわち、Ｃは、焼入れ時、母相の大部分をマルテ
ンサイト組織とし、これに固溶して強度を高める作用を
持つ。本発明が目的とする熱処理状態でHRC57以上を得
るには、Ｃ量は最低0.4%を必要とする。また、0.6%を越
えると炭化物が増量し、限界据込率75%を確保できなく
なるため、最大値を0.6%とした。Ｓiは、鋼の脱酸元素
として製鋼上必要な元素であるが、過度の添加はマトリ
ックスに固溶し冷間加工性を害するため、極力添加を少
なめる必要があることから、Ｓiは0.5%以下とした。Ｍn
もＳi同様鋼の脱酸元素として溶製時添加される。ま
た、焼入れ性を高める効果もあるが、冷間加工性を害す
る影響も大きく、少ないのが望ましい。そのため、溶製
時の製造性から0.5%以下とした。Ｃrは、材料表面に酸
化被膜を生成し、耐食性、耐錆性を向上させる上で、重
要な元素である。特に本発明においては、従来使用され
ているＳＵＳ４４０Ｃと同等の耐錆性が必要とされるこ
とから、Ｃ量との関係において、マトリックス中のＣr%
がＳＵＳ４４０Ｃ並み以上になる8.0%以上とした。ま
た、Ｃr量が多い場合は、焼なまし硬さが低下しにく
く、冷間加工性を悪くするため上限を13%とした。Ｗ，
Ｍoはいずれも焼入れ性を高める元素である。また、熱
処理されたものに対しては基地に固溶して耐食性を高め
る。本発明鋼が真空炉熱処理される場合、焼入れ性を高
めることは、必須の条件であるが、高すぎると冷間加工
性に悪影響を与えるため、いずれか１種または２種を1/
2Ｗ＋Ｍoで0.1〜2%とした。Ｖ，Ｎbは、いずれも焼入れ
加熱時の結晶粒粗大化を防ぎ、良好な機械的特性を与え
る元素であるが、多すぎると硬質炭化物を生成し、冷間
加工に悪影響を及ぼすため、ＶとＮbは１種または２種
を1/2Ｎb＋Ｖで0.05〜1.0%の範囲とした。Ｃoは、本発
明鋼の耐食性を向上させ、また、シャフト、ピンとして
使用される場合に、相手材との摩擦係数を減じる効果を
持つ。しかし、冷間加工性に対しては、焼なまし硬さを
低下しにくくするため、0.2〜2.0%とした。また本発明
鋼では、Ｐ，Ｓ等の不純物も極力少なくすることが望ま
しい。

【００１０】

【実施例】以下に本発明を実施例により説明する。表１
にテストに使用したマルテンサイト系ステンレス鋼等の
化学成分を示す。表１で、Ａ〜Ｊは本願の請求項２，３
のいずれかに該当するものであり、ここで本発明成分鋼
と呼称する。またＰ〜Ｖは上記請求項２，３には該当し
ないもので比較成分鋼と呼称する。なお、比較成分鋼Ｐ
はＳＵＳ４２０Ｊ２相当鋼、ＲはＳＵＳ４４０Ａ鋼、Ｓ
はＳＵＳ４４０Ｃ鋼、ＶはＳＣｒ４４０相当材である。
各鋼は12mmφまで熱間加工を行ない、それぞれについ
て、通常の処理である860℃徐冷(15℃/時間で600℃ま
で)の焼なまし処理および熱間加工後Ｂ処理を行なっ
た。また、ＪについてはＢ処理のほかＡ処理を行ない、
これは後述の表２でＢ処理のＪ１と区別するためＪ２と
した。各テストピースについて、ブリネル硬さ測定、限
界据込率の測定を行なった。また、Ｂ処理またはＡ処理
を行なった材料のうち、Ａ〜Ｊ１とＪ２およびＰ〜Ｕに
ついては、1050℃ 45分間加熱後、3Barの窒素ガス吹付
け冷却の焼入れ処理(半冷 10分焼入れ相当)を行ない、
引続き−78℃ 2時間のサブゼロ処理ののち180℃で2時間
の焼もどしを行なった。またＶについては、Ｂ処理後85
0℃×30分油冷,560℃で2時間の焼もどしの熱処理を行な
った。前記の各熱処理後、それぞれ硬さ(HRC)を測定し
た。限界据込率のテストは、6mmφ×9mmLの試験片を50
トンアムスラー試験機で据込率を2%増加する毎に除荷重
し、割れを目視チェックしながらテストした(先行テス
トにより、クラック発生歪率を予測し、その予測値の15
%以前から2%毎にチェック)。なお、据込の上下面を拘束
するため上下型には年輪状の凹凸を設けた。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】表２に前記テストの結果を示す。なお、表
２で（）内数字は従来法に比し、Ａ処理またはＢ処理
を行なうことにより、低下したブリネル硬さ値、または
改善された限界据込率（％）の値を示す。本表から、本
発明成分鋼、比較成分鋼ともに、Ｂ処理材またはＡ処理
材は、従来法、つまりＡＣ₁点より高い温度（860℃)か
らの徐冷によるものより、ブリネル硬さで-1〜14、平均
で7.2だけ軟化し、本発明成分鋼ではブリネル硬さ HB15
7以下、比較成分鋼では同HB183以下となっていること、
また、本発明成分鋼は、いずれも従来法で限界据込率が
75%以上とはならないが、Ｂ処理を行なうことにより、7
5%以上〔80%以上ではテスト危険なため中止〕となり、
また、熱処理硬さはいずれもHRC57以上が得られるもの
であることがわかる。また、比較成分鋼のＶ鋼以外につ
いても、いずれもＢ処理を行なうことにより、限界据込
率の改善（5〜15%)がみられることがわかる。なお、Ｐ
鋼、Ｖ鋼がＢ処理により限界据込率 75%以上を示すが、
いずれも熱処理後の硬さが低く、本発明鋼には該当しな
い。Ｐ鋼、Ｖ鋼の他の比較成分鋼では、いずれもＢ処理
によっても限界据込率が75%より低い。限界据込率が低
い理由は、化学成分によるものである。なお、比較鋼Ｖ
は、前記のように機械構造用合金鋼ＳＣｒ４４０相当
の材料であり、該材料は通常の焼なまし状態で限界据込
率が76%と良好である。しかし、さらにＢ処理を行なっ
ても限界据込率は上昇しない。実施例鋼の耐錆性を塩水
噴霧試験によって評価を行なった結果も表２に示す。耐
錆性の評価は、比較成分鋼Ｓ（ＳＵＳ４４０Ｃ材）と同
等な耐食性を示すものをＢ、それより耐錆性に優れたも
のをＡ，劣るものをＣさらに劣るものをＤとした。テス
トの結果、本発明成分鋼はいずれもＢ評価であり、ＳＵ
Ｓ４４０Ｃ並みの耐食性を有していることがわかる。以
上から、本発明成分鋼をＢ処理を行なえば、機械構造用
合金鋼並みの限界据込率（限界据込率 75%)を有し、HRC
58以上の硬さが得られる。また、比較成分鋼でも本発明
により限界据込率を改善することができる。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明鋼は炭化物の
分布状態を改善することにより、冷間鍛造性を改善した
鋼であり、従来不十分であった高強度ステンレス鋼の冷
間鍛造の適用範囲が、機械構造用合金鋼並みに可能とな
るため、自動車部品等の大量生産が行なわれる部品に対
して、切削よりコストの安価な冷間鍛造等が可能とな
り、部品製造メーカーでの原価低減に寄与する。以上述
べたように、本発明の第１は、炭化物の分布状態を改善
することにより、冷間鍛造性を大幅に向上した高い熱処
理硬さを発揮するマルテンサイト系ステンレス鋼であ
り、従来冷間鍛造不可能とされていた分野に対し、ま
た、従来よりさらに過酷な（加工度の大きい）冷間鍛造
分野に対し有用である。また、本発明鋼の第２、第３の
ステンレス鋼は、上記のうち高レベルの耐食性と限界据
込率を備えた(焼入性も高い)材料である。本発明鋼は、
従来の切削等の加工法を、高歩留、高生産性の冷間鍛造
性に転換可能とし、大きい効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明成分鋼の0.55Ｃ−0.1Ｓi−0.2Ｍn−12Ｃ
r−0.3Ｍo−0.1Ｖ鋼を通常の焼なまし方法である860℃
から15℃/時間で600℃まで徐冷した時の電子顕微鏡金属
ミクロ組織写真(×4000)で、0.2μm以下の炭化物は全炭
化物の約80%である。

【図２】図１と同材をＡＣ₁点以上の温度より3℃/時間
で600℃まで徐冷した時の電子顕微鏡金属ミクロ組織写
真(×4000)で、0.2μm以下の炭化物数は全炭化物数の約
30%である。

【図３】図１と同材を熱間加工後、炭化物析出処理、小
さな炭化物固溶処理、そして炭化物を太らせる処理を行
なった時の電子顕微鏡金属ミクロ組織写真(×4000)で、
0.2μm以下の炭化物数は全炭化物数の約40%である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼入れ、焼もどし処理後の硬さ HRC57以
上が得られる焼なまし状態のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼であって、直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭化物
数の50%以下とすることにより、限界据込率を高めたこ
とを特徴とする冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス
鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ 0.4〜0.6%、Ｓi 0.5%以
下、Ｍn 0.5%以下、Ｃr 8.0〜13.0%、Ｗ，Ｍoの１種ま
たは２種を1/2Ｗ＋Ｍoで0.1〜2.0%、Ｎb,Ｖの１種また
は２種を1/2Ｎb＋Ｖで0.05〜1.0%を含み、残部Ｆeおよ
び不純物からなる焼なまし状態の鋼であって、直径 0.2
μm以下の炭化物数を全炭化物数の50%以下とすることに
より、限界据込率を75%以上としたことを特徴とする冷
間鍛造性に優れた高強度ステンレス鋼。
【請求項３】重量％で、Ｃ 0.4〜0.6%、Ｓi 0.5%以
下、Ｍn 0.5%以下、Ｃr 8.0〜13.0%、Ｗ，Ｍoの１種ま
たは２種を1/2Ｗ＋Ｍoで0.1〜2.0%、Ｎb,Ｖの１種また
は２種を1/2Ｎb＋Ｖで0.05〜1.0%、Ｃo 0.2〜2.0%を含
み、残部Ｆeおよび不純物からなる焼なまし状態の鋼で
あって、直径 0.2μm以下の炭化物数を全炭化物数の50%
以下とすることにより、限界据込率を75%以上としたこ
とを特徴とする冷間鍛造性に優れた高強度ステンレス
鋼。