JPH0711391A

JPH0711391A - 靭性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH0711391A
Application number: JP15746493A
Authority: JP
Inventors: Sadao Hirotsu; 貞雄廣津; Seiichi Ohashi; 誠一大橋
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1995-01-13

Abstract

(57)【要約】【目的】高強度で且つ靭性に優れた析出硬化型マルテ
ンサイト系ステンレス鋼を得る。【構成】この高強度マルテンサイト系ステンレス鋼
は、Ｃ：０．０８％以下，Ｓｉ：０．５〜２．０％，Ｍ
ｎ：３．０％以下，Ｎｉ：６．０〜１０．０％，Ｃｒ：
１２．０〜１６．０％以下，Ｃｕ：０．５％以下，Ｍ
ｏ：１．０〜３．０％，Ｃｏ：３．０〜６．０％，Ｔ
ｉ：０．１５〜０．７０％，Ｎ：０．０１５％以下，
Ｓ：０．００３％以下及びＡｌ：０．３０％以下を含有
し、式（１）で定義されるＤ値が２．６０以下であり、
式（２）で定義されるＥ値が０．０８５以下である。Ｄ＝［Ｃｒ％＋３．５×（Ｔｉ％＋Ａｌ％）＋１．５×
Ｓｉ％＋Ｍｏ％］／［Ｎｉ％＋０．３×Ｃｕ％＋０．６
５×Ｍｎ％＋１０×Ｃ％＋０．２×Ｃｏ％］・・・・
（１）Ｅ＝［Ｓｉ％×Ｔｉ％］／Ｎｉ％
・・・・（２）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、時効処理により強度が
大きく上昇し、各種バネ，スチールベルト，構造部材等
として使用される靭性に優れた高強度マルテンサイト系
ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】析出硬化型マルテンサイト系ステンレス
鋼は、時効処理前の硬さが低く、打ち抜き加工性や成形
加工性に優れ、溶接軟化抵抗も高い。他方、時効処理後
を施した後では、析出硬化によって高強度を発現する。
この特徴を活用して、各種バネ，スチールベルト等とし
て析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が使用され
ている。本出願人も、この種の析出硬化型マルテンサイ
ト系ステンレス鋼として、高強度で且つ靭性に優れたス
チールベルト用材料を特公昭５９−４９３０３号として
紹介した。ここで紹介した析出硬化型マルテンサイト系
ステンレス鋼においては、溶体化処理状態や溶接後の熱
影響部に多量のオーステナイト相が残留しないように
Ｃ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ及びＡｌの間で成分
調整を図っている。これにより、特に溶接部のマルテン
サイト化を促進させ、時効処理による強度向上を図って
いる。また、Ｍｏの添加によって靭性を向上させたマル
テンサイト系ステンレス鋼を、特開昭６０−３６６４９
号公報で紹介した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特公昭５９−４９３０
３号や特開昭６０−３６６４９号公報で紹介した析出硬
化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、強度の面で要求
特性を満足するものの、用途によっては要求される靭性
を満足しないことがある。析出硬化型マルテンサイト系
ステンレス鋼は、多岐にわたる用途で使用され初めてい
る。しかし、スチールベルト等としての用途では、使用
条件によっては強度不足や靭性不足が問題になることが
ある。高い靭性が要求される場合、単にＭｏ添加だけで
要求特性を満足させることができない。そのため、更に
高強度及び高靭性の鋼材を開発することが要求される。
本発明は、このような要求に応えるべく案出されたもの
であり、合金成分間のバランス、なかでもＳｉ，Ｔｉ及
びＮｉ間の成分バランスを図ることにより、高強度領域
において従来の鋼材では得られなかった優れた靭性を有
する析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の高強度マルテン
サイト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、
Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：０．５〜２．０重量
％，Ｍｎ：３．０重量％以下，Ｎｉ：６．０〜１０．０
重量％，Ｃｒ：１２．０〜１６．０重量％以下，Ｃｕ：
０．５重量％以下，Ｍｏ：１．０〜３．０重量％，Ｃ
ｏ：３．０〜６．０重量％，Ｔｉ：０．１５〜０．７０
重量％，Ｎ：０．０１５重量％以下，Ｓ：０．００３重
量％以下及びＡｌ：０．３０重量％以下を含有し、式
（１）及び（２）で定義されるＤ値及びＥ値がそれぞれ
２．６０以下及び０．０８５以下である。Ｄ＝［Ｃｒ％＋３．５×（Ｔｉ％＋Ａｌ％）＋１．５×Ｓｉ％＋Ｍｏ％］／［Ｎｉ％＋０．３×Ｃｕ％＋０．６５×Ｍｎ％＋１０×Ｃ％＋０．２×Ｃｏ％］・・・・（１）Ｅ＝［Ｓｉ％×Ｔｉ％］／Ｎｉ％・・・・（２）

【０００５】

【作用】本発明者等は、特開昭６０−３６６４９号公報
で紹介した析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に
ついて更に高い靭性を得るため、種々の調査・研究を行
った。その結果、更なる靭性の向上を図るためには、Ｃ
ｕ含有量を低く抑えることが重要であることを見い出し
た。しかし、析出硬化元素であるＣｕの含有量を低く抑
えると、時効処理後の強度不足が問題になる。そこで、
Ｃｕ含有量を低減した鋼について所定の強度を確保する
ため、更に調査・研究を重ねた。その結果、Ｃｏを添加
することによって、従来鋼と同程度或いはそれ以上の強
度が得られることを見い出した。Ｃｏ添加は、焼鈍後及
び溶接後におけるδフェライトの生成抑制にも有効であ
る。そして、Ｓｉ，Ｔｉ及びＮｉ間で成分をバランスさ
せるとき、時効処理後に高強度でかつ高い靭性が維持さ
れる鋼が得られることを解明した。

【０００６】以下、本発明の析出硬化型マルテンサイト
系ステンレス鋼に含まれる合金成分及びその含有量につ
いて説明する。Ｃ：０．０８重量％以下鋼の強度を向上させ、且つ高温で生成するδフェライト
相を抑制する上で有効な元素である。しかし、Ｃ含有量
が多量になるに従って、焼入れにより生成したマルテン
サイト相の硬度が上昇し、冷間加工変形能が低下する。
その結果、成形加工性が不十分になると共に、溶体化処
理後の冷却でマルテンサイト単相組織を得ることが困難
になる。更に、焼鈍状態でＴｉＣの生成を促進させ、靭
性を低下させる。そこで、本発明においては、Ｃ含有量
の上限を０．０８重量％に規定した。

【０００７】Ｓｉ：０．５〜２．０重量％固溶強化能が大きく、マトリックスを強化する作用を呈
する。また、Ｔｉ及びＮｉと共に複合添加することによ
って、時効処理時にＳｉ，Ｔｉ，Ｎｉ等の元素からなる
金属間化合物の微細整合析出が生じ、鋼の強度を向上さ
せる。このとき析出する金属間化合物は、Ｎｉ₁₆Ｔｉ₆
Ｓｉ₇ で表されるＧ相である。このような作用は、Ｓｉ
含有量が０．５重量％以上で顕著に現れる。しかし、
２．０重量％を超える多量のＳｉを含有させるとき、δ
フェライト相の生成が助長され、強度及び靭性が低下す
る。Ｍｎ：３．０重量％以下高温域でδフェライト相が生成することを抑制する作用
を呈する。しかし、多量のＭｎ添加は、溶接部の靭性低
下や溶接作業性低下を引き起こし易い。そこで、本発明
においては、Ｍｎ含有量の上限を３．０重量％に規定し
た。

【０００８】Ｎｉ：６．０〜１０．０重量％析出硬化に寄与するＧ相として析出すると共に、δフェ
ライト相の生成を抑制する。本発明の合金系において
は、時効硬化能を低下させず、高強度で且つ高靭性を維
持するため、最低６．０重量％のＮｉ含有が必要であ
る。しかし、１０．０重量％を超える多量のＮｉを含有
させるとき、焼入れ以後の残留オーステナイト相の量が
増加し、必要とする強度が得られない。Ｃｒ：１２．０〜１６．０重量％ステンレス鋼としての耐食性を得るため、少なくとも１
２．０重量％以上のＣｒを含有させることが必要であ
る。しかし、１６．０重量％を超える多量のＣｒを含有
させると、δフェライト相及び残留オーステナイト相が
生成し、溶接部の強度を低下させる原因となる。

【０００９】Ｃｕ：０．５重量％以下析出強化作用を呈する合金元素である。しかし、０．５
重量％を越える多量のＣｕを含有させるとき、高強度化
した場合に靭性が顕著に低下する。また、多量のＣｕ添
加は、熱間加工性を低下させ、表面割れ発生の原因にな
る。そこで、本発明においては、Ｃｕ含有量の上限を
０．５重量％に規定した。Ｍｏ：１．０〜３．０重量％析出硬化による強度及び靭性の向上に有効な合金元素で
ある。有効な硬化能を発現するためには、１．０重量％
以上のＭｏを含有させることが必要である。しかし、
３．０重量％を超えるＭｏを含有させても、Ｍｏ含有量
の増加に見合った強度及び靭性の向上が得られない。し
かも、多量のＭｏを含有させると、δフェライト相の生
成が助長され、溶接部の強度が低下し易くなる。

【００１０】Ｃｏ：３．０〜６．０重量％Ｍｏとの複合添加により、優れた靭性を維持したままで
高強度が得られる。この性質改善は、Ｃｏの添加により
Ｍｏの固溶限が小さくなり、靭性低下を起こしにくいＭ
ｏ系析出物が生成し易くなることに起因する。また、Ｍ
ｏ系析出物により強度の向上が図られるため、靭性低下
を引き起こすＣｕ系析出物に依存する必要がなく、結果
的に優れた靭性を維持したままで高い強度が得られる。
このような効果は、３．０重量％以上のＣｏ含有量で顕
著になる。しかし、高価なＣｏを多量に添加すること
は、鋼材コストを上昇させる。また、６．０重量％を越
えるＣｏ含有量は、残留オーステナイトの生成を助長
し、溶接部及びマトリックスの強度を低下させる原因と
なる。Ｔｉ：０．１５〜０．７０重量％析出硬化に寄与するＧ相を生成する合金元素であり、高
強度を得るために０．１５重量％以上のＴｉを含有させ
ることが必要である。しかし、０．７０重量％を超えて
多量のＴｉを含有させると、強度の向上が図られるもの
の、過度の析出硬化反応によって靭性の低下が生じる。

【００１１】Ｎ：０．０１５重量％以下Ｔｉとの親和力が大きく、析出硬化元素として働く有効
ＴｉをＴｉＮの生成によって消費する。また、Ｎ含有量
の増加に応じＴｉＮ介在物が多くなり、疲労強度や靭性
を低下させる原因となる。したがって、Ｎ含有量は低い
ほど好ましく、本発明においてはＮ含有量の上限を０．
０１５重量％に規定した。Ｓ：０．００３重量％ＭｎＳ等の非金属介在物として鋼中に存在し、疲労強
度，靭性，耐食性等に悪影響を与える。この点で、Ｓ含
有量は低いほど好ましく、上限を０．００３重量％に規
定した。Ａｌ：０．３０重量％以下脱酸剤として使用される元素であると共に、Ｔｉと同様
に析出硬化にも有効に働く。しかし、Ａｌ含有量が０．
３０重量％を超えると、靭性が低下する傾向がみられ
る。そこで、本発明においては、Ａｌ含有量の上限を
０．３０重量％に規定した。

【００１２】以上の合金元素を含む成分系において、更
に式（１）で定義されるＤ値及び式（２）で定義される
Ｅ値を、それぞれ２．６０以下及び０．０８５以下に規
制した。これらの値は、本発明者等による多数の実験か
ら導き出された合金成分間の関係である。Ｄ値：２．６０以下本発明で規定した成分系におけるＣｒ当量／Ｎｉ当量の
限定式である。Ｄ値が２．６０を超えるように成分調整
されると、均熱温度に鋼材が加熱されたとき多量のδフ
ェライトが生成し、熱間加工性を低下させる。更に、焼
鈍後や溶接後においてもδフェライト相が残留し、マト
リックス及び溶接部の強度及び靭性を低下させる原因と
なる。Ｅ値：０．０８５以下高靭性を維持するために必要なＳｉ，Ｔｉ及びＮｉ間の
バランスを表す指標である。Ｅ値が０．０８５を超える
ように成分調整されたものでは、時効処理で高強度化し
たときに靭性が低下する。

【００１３】本発明で使用される鋼は、以上の化学成分
範囲で溶体化処理後に実質的にマルテンサイト単相組織
が生成するように成分調整される。この鋼の残部は、基
本的にはＦｅであるが、不可避的に混入する不純物を除
き、脱硫を目的として添加されたＣａ，希土類金属，熱
間加工性を向上させるために添加された０．０１重量％
以下のＢ等を含有することもできる。本発明で規定され
た合金元素を含有するステンレス鋼は、必要に応じて行
われる調質圧延によって良好な形状に成形される。形状
特性を改善させるためには、３％以上の圧延率で調質圧
延することが好ましい。しかし、圧延率を過度に大きく
しても形状改善効果が小さく、却って靭性の低下を引き
起こす。したがって、調質圧延する場合には、圧延率を
３〜５０％の範囲で設定する。

【００１４】本発明では、疲労予亀裂を付けた試験片の
切欠き引張り試験における最大応力Ｊ_M により靭性を評
価している。Ｊ_M 値は、従来の切欠き引張り試験に比較
して、合金元素，加工熱処理等の諸因子が靭性に与える
影響の詳細な調査を可能にする。このＪ_M 値が１４００
Ｎ／ｍｍ² 以上であると、強度及び靭性共に優れた材料
が得られる。焼鈍後のステンレス鋼は、適宜の調質圧延
を経て時効処理される。時効処理としては、一般的に析
出硬化型鋼で行われている４２５〜５５０℃で１０分以
上加熱する熱処理が採用される。時効処理によって、高
強度が発現され、Ｊ_M 値が１４００Ｎ／ｍｍ² 以上の靭
性に優れた材料が得られる。Ｊ_M 値が１４００Ｎ／ｍｍ
² 以上であることから、引張り強さも少なくとも１４０
０Ｎ／ｍｍ² 以上になっている。たとえば、引張り強さ
が１６５０Ｎ／ｍｍ² 程度であっても、Ｊ_M 値が１４０
０Ｎ／ｍｍ² 以上であれば、相当に優れた靭性が得られ
る。しかし、１４００Ｎ／ｍｍ² 未満のＪ_M 値では、靭
性が急激に低下する。すなわち、高強度の領域において
高い靭性を得るためには、１４００Ｎ／ｍｍ² 以上のＪ
_M 値が必要である。

【００１５】

【実施例】

実施例１：表１に示した成分をもつ各ステンレス鋼につ
いて、１００ｋｇの鋼塊から熱間圧延を経て板厚６ｍｍ
の熱延板を製造した。熱延板を切削加工した後、溶体化
処理し、次いで圧延率４０％の冷間圧延及び１０３０℃
に６０秒加熱する焼鈍を施し、更に１５％の調質圧延に
より板厚２ｍｍの鋼帯に成形した。なお、表１における
Ａグループは、本発明の対象となる鋼である。他方、Ｂ
グループは、比較鋼であり、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｃｏ等の合金
元素含有量或いはＤ値，Ｅ値が本発明で規定した範囲を
外れている。

【００１６】

【表１】

【００１７】時効処理温度４００〜５２５℃に１時間加
熱する時効処理を１５％調質圧延材に施した後、硬さ，
引張り強さ，Ｊ_M 値等の機械的性質を調べた。Ｊ_M 値の
測定には、図１に示す試験片１を使用した。試験片１
は、長さ１６０ｍｍ及び幅４５ｍｍの矩形状に成形し、
それぞれの両端から２８ｍｍの位置に直径１６ｍｍの円
形孔２，３を穿設した。また、試験片１の中央部に直径
４ｍｍの中心孔４を穿設し、中心孔４から幅方向に延び
た長さ２．５ｍｍ及び幅０．３ｍｍのノッチ５，６を放
電加工により切り込んだ。そして、疲労試験機で長さ
３．５ｍｍの疲労予亀裂７，８を導入した。この試験片
１を使用した切欠き引張り試験は、亀裂の発生及び進展
抵抗が同時に評価される従来の切欠き引張り試験と異な
り、亀裂の展開のみが評価できる。また、疲労予亀裂
７，８への応力集中度が従来の切欠き引張り試験片に比
較して高いことから、亀裂底における材料の靭性がより
厳しく評価される。ほぼ最高の強度が得られる５２５℃
時効材の測定結果を表２に、Ｊ_M 値を引張り強さＴＳで
整理した結果を図２に示す。なお、図２における白丸は
本発明鋼、黒丸は比較鋼である。

【００１８】

【表２】

【００１９】表２及び図２から明らかなように、本発明
に従ったＡグループの鋼は、何れも引張り強さが１７０
０Ｎ／ｍｍ² 以上であり、Ｊ_M 値も１４００Ｎ／ｍｍ²
以上の高い値を示している。他方、Ｂグループの鋼のう
ち、Ｔｉ含有量が０．７０重量％を超えるＢ１，各合金
成分は本発明で規定した要件を満足するものの、Ｅ値が
０．０８５を超えるＢ４及びＢ５，同様に各合金成分は
本発明で規定した要件を満足するものの、Ｄ値が２．６
を超えるＢ６等は、Ａグループの鋼とほぼ同等の強度を
示すが、Ｊ_M値が１４００Ｎ／ｍｍ² より低くなってお
り、靭性に劣ることが判る。また、Ｃｏ含有量の低いＢ
２及びＢ３は、Ｊ_M 値が１４００Ｎ／ｍｍ² 以上になっ
ているものの、引張り強さが１７００／ｍｍ² 以下と低
くなっている。また、本発明に従ったＡグループの鋼
は、時効処理前の状態で何れも従来の析出硬化型鋼とほ
ぼ同程度の硬さを呈していた。このことは、従来のマル
テンサイト鋼の加工と同様な加工技術によって本発明鋼
に各種の加工をを施すことが可能であることを示す。

【００２０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｃｏ，
Ｔｉ等の成分調整を図ると共に、Ｎｉ，Ｓｉ及びＴｉの
間の成分バランスを適正化し、更にＤ値を２．６０以
下，Ｅ値を０．０８５以下に設定している。これによ
り、時効処理後に高強度を維持しつつ、従来よりも更に
靭性を向上させた材料が得られる。得られた析出硬化型
マルテンサイト系ステンレス鋼は、従来鋼と同等の強度
が要求され、更に高い靭性が要求される各種バネ，スチ
ールベルト，その他の構造材料として使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】靭性を評価する指標Ｊ_M 値の測定に使用した
試験片

【図２】引張り強さＴＳとＪ_M 値との関係を表したグ
ラフ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：０．５
〜２．０重量％，Ｍｎ：３．０重量％以下，Ｎｉ：６．
０〜１０．０重量％，Ｃｒ：１２．０〜１６．０重量％
以下，Ｃｕ：０．５重量％以下，Ｍｏ：１．０〜３．０
重量％，Ｃｏ：３．０〜６．０重量％，Ｔｉ：０．１５
〜０．７０重量％，Ｎ：０．０１５重量％以下，Ｓ：
０．００３重量％以下及びＡｌ：０．３０重量％以下を
含有し、式（１）で定義されるＤ値が２．６０以下であ
り、式（２）で定義されるＥ値が０．０８５以下である
靭性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼。Ｄ＝［Ｃｒ％＋３．５×（Ｔｉ％＋Ａｌ％）＋１．５×Ｓｉ％＋Ｍｏ％］／［Ｎｉ％＋０．３×Ｃｕ％＋０．６５×Ｍｎ％＋１０×Ｃ％＋０．２×Ｃｏ％］・・・・（１）Ｅ＝［Ｓｉ％×Ｔｉ％］／Ｎｉ％・・・・（２）