JPH07238350A - 高温用表面浸炭ステンレス鋼合金及びそれから作られる製品及びその製造方法 - Google Patents
高温用表面浸炭ステンレス鋼合金及びそれから作られる製品及びその製造方法Info
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- JPH07238350A JPH07238350A JP6318939A JP31893994A JPH07238350A JP H07238350 A JPH07238350 A JP H07238350A JP 6318939 A JP6318939 A JP 6318939A JP 31893994 A JP31893994 A JP 31893994A JP H07238350 A JPH07238350 A JP H07238350A
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Abstract
テンレス鋼合金であって、重量%で約0.10〜0.2
5%のCと、1.0%以下のMnと、1.0%以下のS
iと、13.0〜19.0%のCrと、3.0〜5.0
%のMoと、0.25〜1.25%のVと、1.75〜
5.25%のNiと、5.0〜14.0%のCoと、
0.01〜0.10%のNbと、0.02%以下のB
と、残りのFe及び不純物とからなる。 【効果】 本発明によって得られる表面硬化可能な合
金は優れた耐食性、破壊靭性、そして高温強度を兼ね備
え、従来の合金によって可能であった温度より高い温度
で使用されるカム、軸、ギア等の好適な材料を提供する
ことができる。
Description
系ステンレス鋼合金、詳しくは、高温の腐食雰囲気中で
使用されるカム、シャフト、ボルト、ギア等の浸炭部品
に適した高温用の表面硬化可能なステンレス鋼合金及び
それから作られる製品及びその製造方法に関する。
は、金属同士の摩耗に耐える高い表面硬度が要求される
のみならず、例えばエンジンやトランスミッションのよ
うな用途に使用される場合には、コアの破壊靭性、延
性、衝撃靭性を維持する必要もある。現在使用されてい
る合金として、AMS6278(M50−NiL)の
他、米国特許第2876152号、第4004952
号、第4157258号、および第5002729号に
開示されたものがある。
の合金は上記のような要求される特性は満足するが、高
温条件における耐食性及び硬度に関して十分ではない。
今日、高温条件下で使用される部品のための合金に対す
る需要は増えつつあり、将来更に増加することが予想さ
れている。
る優れた耐食性及び表面硬度を備え、しかもコア強度
(靭性)にも優れたステンレス鋼合金を提供することに
ある。
鋼合金の特徴は、約0.10〜0.25%(重量パーセ
ント、以下同じ)の炭素(C)と、1.0%以下のマン
ガン(Mn)と、1.0%以下のシリコン(Si)と、
13.0〜19.0%のクロム(Cr)と、3.0〜
5.0%のモリブデン(Mo)と、0.25〜1.25
%のバナジウム(V)と、1.75〜5.25%のニッ
ケル(Ni)と、5.0〜14.0%のコバルト(C
o)と、0.01〜0.10%のニオブ(Nb)と、
0.02%以下のボロン(B)と、残りの鉄(Fe)及
び不純物とからなる点にある。
5〜0.22%のCと、0.3%以下のMnと、0.3
%以下のSiと、14.0〜16.0%のCrと、3.
5〜4.5%のMoと、0.4〜0.8%のVと、3.
0〜4.2%のNiと、5.5〜6.5%のCoと、
0.01〜0.04%のNbと、0.001%以下のB
と、残りのFe及び不純物とからなる。
は、約0.12〜0.18%のCと、0.2%以下のM
nと、0.25%以下のSiと、13.50〜15.5
0%のCrと、4.0〜5.0%のMoと、0.55〜
0.65%のVと、1.75〜2.25%のNiと、1
2.0〜14.0%のCoと、0.01〜0.04%の
Nbと、0.001%以下のBと、残りのFe及び不純
物とである。
性を低下させない自然に生ずる不純物や添加物を意味す
る。この点に関しておおよそ、0.015%以下のリン
(P)、0.015%以下の硫黄(S)、0.05%以
下のアルミニウム(Al)、0.01%以下の銅(C
u)、そして0.03%以下のチタン(Ti)を含有し
ていることが本発明において許容される。
性を改善するべく、フェライトの含有量は好ましくはゼ
ロ又は最小量に抑えられる。このフェライトフリー構造
を達成するために、合金組成物質は下式を満たすように
厳密にコントロールされる。
25
炉(VIM)によって溶解され、次に真空アーク再溶解
炉(VAR)によって更に精錬される。このように精錬
されたインゴットは、好ましくは応力を除去され、均質
化処理され、次に、熱間加工、冷却処理そして焼戻し処
理を施される。このようにして得られた製品は、均一な
オーステナイト構造を得るために、焼ならし処理及び焼
なまし処理を受ける。合金から製造される製品は、好ま
しくは浸炭処理の前に空気中で予め酸化処理を受ける。
製品は次に、好ましくは、溶体化処理によって硬化され
オーステナイト化された後、空気焼入れ処理、深冷処理
および暖気処理を施される。その後、製品は焼戻し処理
され、三つの連続処理のために0℃以下の温度で冷却さ
れることになる。
C以上、約800゜F(427℃)の高温において約5
8HRC以上の高い表面硬度を有し、しかも、この温度
範囲にわたってコアの優れた破壊靭性をも維持する。こ
の合金から製造された製品は耐食性にも優れている。以
上のように、本発明によって得られる表面硬化可能な合
金は優れた耐食性、破壊靭性、そして高温強度を兼ね備
え、従来の合金によって可能であった温度より高い温度
で使用されるカム、軸、ギア等の好適な材料を提供する
ことができる。
オーステナイト構造を安定化すべくニッケルとコバルト
とを適切に組み合わせ、更に、炭素とある種の炭化物形
成元素、即ち、モリブデン、クロム、バナジウム、及び
ニオブを適切に組み合わせることによって優れた特性が
得られるという発見に基づくものである。現時点におい
て好ましい合金の組成(重量%)は、下の表1に示す通
りである。
トの形成に寄与し、熱処理された条件において大きい硬
度を得るのに必要である。又、炭素は強度、耐熱性及び
耐摩耗性に必要な炭化物の形成に不可欠である。好まし
くは、炭素は合金中に0.10%以上、より好ましくは
0.12又は0.15%以上の割合で含有される。炭素
含有率の上限は約0.25%である。
合金中において炭化物として結合する。しかし、クロム
が多すぎると、オーステナイトとフェライトの残留を促
進する可能性があるので、その量は13〜19%の範囲
内にコントロールされる。
させ、望ましくないフェライトの形成を防止する作用が
ある。又、ニッケルは合金の破壊靭性を高める作用も有
する。しかし、ニッケルはMs温度を下げ、これによっ
てマルテンサイト構造の形成が阻害される可能性もあ
る。
力なオーステナイト安定化物質として作用する。ニッケ
ルとコバルトとを適当に組み合わせることによって、合
金において必須の炭化物を形成するのに必要な、クロ
ム、バナジウム、モリブデン等のフェライト形成元素が
存在できる。更に、コバルトは、Ms温度の低下を伴う
ことなく、デルタフェライトの形成を抑制する効果をも
有する。コバルトは、ニッケルとは異なり、Ms温度を
上昇させ、これによって表面硬化合金において有害な残
留オーステナイトが存在できなくなる。
が、これは合金の耐熱性及び耐焼戻し特性を改善するA
c1を増加させる。これは表面硬化可能な合金にとって
重要である。モリブデンは、更に、不動態化域を広げ、
耐食性を高める作用をも有する。
り、バナジウム炭化物を形成することによって耐摩耗性
及び高温硬度に優れる要因となる。バナジウムは合金の
フェライト形成能力を高めるが、塑性変形に耐え、高温
特性を高めることによって、強度及び靱性に必要な微細
結晶粒組織の形成に寄与する。好ましくは、バナジウム
含有量は1.25%以下、より好ましくは、0.8%以
下にコントロールされる。過剰なバナジウムは炭素と結
合するからである。
オブは、細かく分散した炭化物の組成中において部分的
にバナジウムと入れ替わることがあり、更に、ニオブは
結晶粒界を固定する(pin)優れた要因として機能し、こ
れによって結晶粒の大きさが一層効果的にコントロール
され、耐衝撃強度が更に高められる。ニオブはクロムよ
りも炭素に対する親和性が強いので、ニオブは炭素と効
果的に結合し、これによってクロムは耐食性における機
能を自由に発揮できるようになる。前述の範囲の炭素含
有率を有する本発明の合金においては、ニオブの量は僅
か0.02%程度で十分である。
硬度を増加させる。更に、ボロンは耐クリープ性と破断
強度とを改善し、限られた量だけ添加された場合には、
高温硬度のような他の高温特性をも大幅に改善する。
て効果的であり、硫黄と結合することによって結晶粒界
への硫黄の拡散を防止すると共に、合金のMs温度の低
下にも寄与することが知られている。マンガンの許容量
は1.0%であるが、マンガンはオーステナイトの残留
に寄与するので、マルテンサイト地が好ましい場合には
0.30%以下に抑えることが好ましい。
り、その量を最小限度に抑えることが最も好ましい。鋼
の焼戻し特性を改善するためのシリコンの許容量は1.
0%以下である。表面硬化可能な合金においてオーステ
ナイトとフェライトとのバランスが重要であるので、シ
リコンを0.1〜0.25%の範囲内に維持することが
好ましい。
ナイト安定化物質であるニッケル及びコバルトによっ
て、フェライト形成物質であるモリブデン、バナジウ
ム、及びクロムが相殺されるようにバランスをとること
が必須である。下記の重量%で示すバランスのとれた合
金構成元素の組合せは、後の表面硬化に最適のフェライ
トフリー合金を提供するものである。 Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+2V− (Ni+0.5Co+0.5Mn+25C+30N)<
25
特性を劣化させない不純物と添加物質とが含まれる。例
えば、おおよそ、0.015%以下のリン、0.015
%以下の硫黄、0.05%以下のアルミニウム、0.0
1%以下の銅、そして0.03%以下のチタンを含有し
ていることが許容される。
heat 、約907kg)の鋼、つまり合金Iが溶解さ
れ、以下のように分析された。単位は重量%である。
ン等の不純物が加わったものである。これらの不純物
は、硫黄が0.002%、リンが0.005%の最小限
度に維持された。
により溶解し、次に真空アーク再溶解炉(VAR)によ
り12インチ(約30cm)のインゴットを作った。得
られたインゴットをさらに処理する前に応力の除去を行
った。熱間処理用の均一な構造を得るべくインゴットを
加熱によって均質化処理した後、2050゜F(112
1℃)の均熱温度(soaking temperature)から鍛造し
た。この熱間処理された材料を炉冷して焼戻しを行っ
た。得られた材料に、そのオーステナイト構造をより均
一にすると共に結晶粒サイズをより細かくすべく、焼な
まし処理の前に焼ならし処理を施した。又、この焼なら
し処理によって、効果的に炭化物が溶液中に戻され、そ
の結果、より均一に炭化物が分布し、この炭化物がその
後の硬化処理によって球状化し破壊靭性を改善する。
表面の浸炭処理に備えるべく、1800゜F(982
℃)の空気中にて2時間酸化させた。次に、これらの棒
材を、ガス浸炭処理によって表面硬化し、さらに192
5゜F(1052℃)でダブルオーステナイト化によっ
て硬化させた。熱処理の後、これらのサンプルを空冷
し、それから−110゜F(−43℃)で深冷処理し、
さらに空気で暖めた。次に、925゜F(496℃)で
2時間焼戻し、−320゜F(−160℃)で深冷する
処理を三回続けて行った。焼戻し処理されたサンプルの
表面硬度は64HRCで、これは平均的な高温硬度60
HRCを得るのに十分な硬度である。
験結果を示す。表面硬化され熱処理されたサンプルの表
面深さも光学顕微鏡評価およびマイクロ硬度評価によっ
て調べた。通常、ステンレス鋼合金において適当な炭化
物構造を得ることは困難である。というのは、クロム炭
化物が形成され、これらが結晶粒界において析出する傾
向があるからである。本発明によって好ましい構造が得
られる要因の一つはニオブ炭化物が形成されることにあ
る。図2(a)に表面硬化処理および熱処理された表面
のミクロ組織の一例を示す。これは、光学顕微鏡によっ
て400倍に拡大した組織図(顕微鏡写真)であって、
表面のミクロ組織における炭化物の分布が示されてい
る。又、図3に平均表面深さを示す。
性が必要とされる用途に使用される典型的なステンレス
鋼合金である440Cタイプとの比較テストを行った。
440Cタイプのステンレス鋼及び本発明による合金I
は高湿度テスト及びASTMA380によるCuSO4
テストにかけられた。その結果、本発明の合金Iは44
0Cタイプと同程度の非常に優れた耐食性を有してるこ
とが判った。
浸炭処理した材料によって調べた。疑似浸炭処理とは、
にせの浸炭処理であって、熱処理サイクルは同じである
が、表面浸炭を防止するために不活性環境下において行
うものである。ASTM E1304の破壊靭性テスト
用サンプルが焼なまし処理済み棒材からとられ、この際
サンプルは鍛造棒材の金属流れ方向の横断方向(T)に
とられた。次に、これらのサンプルを疑似浸炭処理し、
温度による強度の変化を示すために二通りの焼戻しサイ
クルを実行した以外は、上述したサイクルと同じ硬化サ
イクルで処理した。焼戻しの手順は両者共に前述したも
のと同じである。次に、これらのサンプルを機械加工
し、ASTM E1304の破壊靭性テストを行った。
本発明による合金の破壊靭性は、AMS6278タイプ
と同程度であることが判った。これは表2に示されてお
り、非常に優れた強度であると考えられる。
3に示すが、やはり非常に優れたものであると考えられ
る。
heat 、約907kg)の鋼、つまり合金IIが溶解さ
れ、以下のように分析された。単位は重量%である。
ン等の不純物が加わったものである。これらの不純物
は、硫黄が0.002%、リンが0.005%の最小限
度に維持された。
M)により溶解し、次に真空アーク再溶解炉(VAR)
により12インチ(約30cm)のインゴットを作っ
た。得られたインゴットをさらに処理する前に応力の除
去を行った。熱間加工用の均一な構造を得るべくインゴ
ットを加熱によって均質化処理した後、2050゜F
(1121℃)の均熱温度(soaking temperature)から
鍛造した。この熱間加工された材料を炉冷して焼戻しを
行った。得られた材料に、そのオーステナイト構造をよ
り均一にすべく、焼なまし処理の前に焼ならし処理を施
した。
を、表面の浸炭処理に備えるべく、1800゜F(98
2℃)の空気中にて2時間酸化させた。次に、これらの
サンプルを、1925゜F(1052℃)で溶体化処理
によって硬化した後、1900゜F(1038℃)でオ
ーステナイト化させた。熱処理の後、これらのサンプル
を空冷し、−110゜F(−43℃)で深冷処理し、そ
の後、空気で暖めた。次に、925゜F(496℃)で
2時間焼戻し、−320゜F(−160℃)で深冷する
処理を三回続けて行った。焼戻し処理されたサンプルの
表面硬度は65HRCであり、前述の例1の合金Iより
僅かに改善されている。図1に本発明に係る硬度対テス
ト温度の実験結果を示す。表面硬化され熱処理されたサ
ンプルの表面深さも光学顕微鏡評価およびマイクロ硬度
評価によって調べた。表面硬化処理および熱処理された
表面のミクロ組織の一例が図2(b)に示されている。
平均表面深さは図3に示されている。
食性が必要とされる用途に使用される典型的なステンレ
ス鋼合金である440Cタイプとの比較テストを行っ
た。各材料のサンプルを高湿度テスト及びASTM A
380によるCuSO4テストにかけた。その結果、本
発明の合金IIは440Cタイプの合金と同程度の非常
に優れた耐食性を有することが判った。
棒材を疑似浸炭処理した材料によって調べた。ASTM
E1304の破壊靭性テスト用サンプルが焼なまし処
理済み棒材からとられ、この際いくつかのサンプルが鍛
造棒材の金属流れ方向の横断方向(T)にとられ、他の
いくつかのサンプルが上記金属流れ方向に沿う長手方向
(L)にとられた。粗機械加工したサンプルを次に、疑
似浸炭し、前述したものと同じ条件の硬化サイクルで処
理した。又、焼戻しの手順も、前述したものと同じであ
った。次に、これらのサンプルを機械加工し、ASTM
E1304の破壊靭性テストを行った。有効KIVjが
得られなかった場合には、最大負荷を利用して有効K
IVMを求めた。この合金の破壊靭性は、AMS6278
タイプと同等であることが判った。これは表2に示され
ている。
金IIのほうが合金Iよりも降伏強度と破断強度とが大
きいことを示している。合金Iと合金IIは共に優れた
強度レベルを有していると考えられる。
明したが、本明細書による開示内容に種々の変更を加え
て実施することは当業者にとって容易であろう。従っ
て、これらの実施例は特許請求の範囲に記載した発明の
範囲を何ら限定するものではない。
特性を示すグラフ
顕微鏡によって400倍に拡大した組織図
ラフ
Claims (13)
- 【請求項1】 高温用の表面硬化可能な耐食性合金であ
って、重量%で約0.10〜0.25%のCと、1.0
%以下のMnと、1.0%以下のSiと、13.0〜1
9.0%のCrと、3.0〜5.0%のMoと、0.2
5〜1.25%のVと、1.75〜5.25%のNi
と、5.0〜14.0%のCoと、0.01〜0.10
%のNbと、0.02%以下のBと、残りのFe及び不
純物とからなる高温用表面浸炭ステンレス鋼合金。 - 【請求項2】 Cの含有率が0.22%以下である請求
項1記載の合金。 - 【請求項3】 Bの含有量が0.001%以下である請
求項1記載の合金。 - 【請求項4】 約0.15〜0.22%のCと、0.3
%以下のMnと、0.3%以下のSiと、14.0〜1
6.0%のCrと、3.5〜4.5%のMoと、0.4
〜0.8%のVと、3.0〜4.2%のNiと、5.5
〜6.5%のCoと、0.01〜0.04%のNbと、
0.001%以下のBとを含んでいる請求項1記載の合
金。 - 【請求項5】 請求項4の合金からつくられ、表面硬化
及び熱処理を施された製品であって、40ksi √in(4
4MPa m1/2)以上の破壊靭性を備え、フェライトをほと
んど含有しないコアを有し、室温での表面硬度が約62
HRC以上であり、且つ、700゜F(371℃)での
高温硬度が約58HRC以上である製品。 - 【請求項6】 Cの含有量が0.18%以下である請求
項1記載の合金。 - 【請求項7】 次式に従って、フェライト形成物質であ
るクロム、モリブデン、シリコン、バナジウム、及びニ
オブの量に釣り合う量のオーステナイト形成物質である
ニッケル、コバルト、マンガン、及び炭素を含有してい
る請求項1記載の合金。 Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+2V− (Ni+0.5Co+0.5Mn+25C+30N)<
25 - 【請求項8】 約0.12〜0.18%のCと、0.2
%以下のMnと、0.25%のSiと、13.5〜1
5.5%のCrと、4.0〜5.0%のMoと、0.5
5〜0.65%のVと、1.75〜2.25%のNi
と、12.0〜14.0%のCoと、0.01〜0.0
4%のNbと、0.001%以下のBとを含有している
請求項1記載の合金。 - 【請求項9】 請求項8の合金からつくられ、表面硬化
及び熱処理を施された製品であって、40ksi √in(4
4MPa m1/2)以上の破壊靭性を備え、フェライトをほと
んど含有しないコアを有し、室温での表面硬度が約64
HRC以上であり、且つ、700゜F(371℃)での
高温硬度が約60HRC以上である製品。 - 【請求項10】 高温用の表面硬化可能な耐食性製品で
あって、重量%で約0.10〜0.25%のCと、1.
0%以下のMnと、1.0%以下のSiと、13.0〜
19.0%のCrと、3.0〜5.0%のMoと、0.
25〜1.25%のVと、1.75〜5.25%のNi
と、5.0〜14.0%のCoと、0.01〜0.10
%のNbと、0.02%以下のBと、残りのFe及び不
純物とからなる製品。 - 【請求項11】 40ksi √in(44MPa m1/2)以上の
破壊靭性を備え、フェライトをほとんど含有しないコア
を有し、室温での表面硬度が約62HRC以上であり、
且つ、700゜F(371℃)での高温硬度が約58H
RC以上である請求項10記載の製品。 - 【請求項12】 高温用の表面硬化可能な耐食性製品を
製造する方法であって、 a)重量%で約0.10〜0.25%のCと、1.0%
以下のMnと、1.0%以下のSiと、13.0〜1
9.0%のCrと、3.0〜5.0%のMoと、0.2
5〜1.25%のVと、1.75〜5.25%のNi
と、5.0〜14.0%のCoと、0.01〜0.10
%のNbと、0.02%以下のBと、残りのFe及び不
純物とからなる合金を作る工程と、 b)その合金を真空誘導溶解する工程と、 c)溶解した合金をさらに真空アーク再溶解してインゴ
ットを作る工程と、 d)そのインゴットを加熱し熱間加工して製品を作る工
程と、 e)その製品を熱処理して均一なオーステナイト構造と
細かい粒子サイズを得る工程と、 f)その製品を表面硬化する工程と、 g)表面硬化した製品を熱処理する工程と、 からなる製造方法。 - 【請求項13】 前記工程g)は、約1925゜F(1
052℃)におけるダブルオーステナイト化処理と、そ
の後の空冷処理と、その後の約−110゜F(−43
℃)での急速冷凍処理と、その後の暖気処理と、その後
の約925゜F(496℃)における焼戻し処理と、そ
の後の約−110゜F(−43℃)での急速冷凍処理
と、その後の暖気処理とを含んでいる請求項12記載の
製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US174180 | 1993-12-23 | ||
US08/174,180 US5424028A (en) | 1993-12-23 | 1993-12-23 | Case carburized stainless steel alloy for high temperature applications |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07238350A true JPH07238350A (ja) | 1995-09-12 |
JP2719892B2 JP2719892B2 (ja) | 1998-02-25 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6318939A Expired - Lifetime JP2719892B2 (ja) | 1993-12-23 | 1994-12-22 | 高温用表面浸炭ステンレス鋼合金及びそれから作られる製品及びその製造方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
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US (1) | US5424028A (ja) |
EP (1) | EP0664342B1 (ja) |
JP (1) | JP2719892B2 (ja) |
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