JP2002275585A

JP2002275585A - マルエージング鋼帯およびその製造方法

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Publication number: JP2002275585A
Application number: JP2001078799A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Uehara; 利弘上原; Etsuo Fujita; 悦夫藤田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】表面のTi、Al濃度の低い表面酸化の少ないマ
ルエージング鋼帯およびその製造方法を提供する。【解決手段】質量％でTiを0.1〜2.0%、またはAlを0.0
5〜2.0％含み、かつ最表面からSiO₂基準で3nmの深さを
測定した時の実質的に酸化物となっているTiが原子％で
10％以下、Alが原子％で5％以下であるマルエージング
鋼帯および冷間圧延と固溶化処理を1回以上繰り返して
加工する工程の中で、１回目の固溶化処理以降に１回以
上の表面の物理的除去を行うマルエージング鋼帯の製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度板ばね、ガ
スケット、ダイヤフラム、フラッパーバルブ、ベルト等
の疲労強度が要求される用途に用いられるのに適した窒
化処理を行うための表面酸化の少ないマルエージング鋼
帯およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高引張強度、高靭性が要求さ
れる用途にマルエージング鋼が用いられてきた。マルエ
ージング鋼は、Fe-Ni-Co系のマルテンサイト基地をNi、
Mo、Ti、Al等からなる金属間化合物によって時効析出強
化することで、約1700MPa以上の高い引張強さが得られ
る鋼である。このような高強度鋼を実際に構造部品とし
て使用する場合には、その高い引張強度特性を生かすに
は、引張強さだけでなく、高い疲労強度が同時に要求さ
れることが多い。しかし、一般的に、高強度鋼は、引張
強さが約1200MPa以上になると、引張強さを高めても疲
労強度は上昇せず、ほぼ一定になるか、やや低下する場
合が多い。

【０００３】この傾向はマルエージング鋼も例外ではな
く、その高い引張強さの割には、疲労強度は必ずしも高
くない。そこで、マルエージング鋼の疲労強度の改善が
望まれており、従来より疲労強度改善の検討がなされて
いる。例えば、鉄と鋼Vol.72、No.13、S1500に開示され
るように、高い疲労強度が要求される用途に使用される
場合にはマルエージング鋼の表面をガス窒化させること
で、表面に圧縮残留応力を付与して疲労強度を改善する
ことが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、疲労強度の
向上を目的としてマルエージング鋼にガス窒化処理を行
う時、窒化処理が安定してできない場合があった。そこ
で、ガス窒化処理を行った後に使用されるマルエージン
グ鋼においては、安定して窒化処理ができることが望ま
れていた。本発明の目的は、ガス窒化処理を行うことが
前提のマルエージング鋼帯素材において、ガス窒化性の
良好なマルエージング鋼帯およびその製造方法を提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、マルエージ
ング鋼の窒化処理前の表面状態をESCA(エックス線光電
子分光装置：以下、単にESCAと記す)を用いて詳細に調
べた結果、ガス窒化が安定しない鋼帯の表面には、Oと
共にTiやAlが濃化しており、マルエージング鋼帯の表面
がTiやAlの薄い緻密な酸化物で覆われていることを知見
した。一方、ガス窒化処理が容易にできるマルエージン
グ鋼帯では、表面のTi、Alがあまり濃化しておらず、T
i、Alの酸化が少ないことを知見した。また、マルエー
ジング鋼帯の表面酸化を防ぐには、固溶化処理の雰囲気
を還元雰囲気にすることが必要であるが、Ti、Al等の活
性な元素は僅かな酸化雰囲気によっても容易に酸化して
しまう可能性があることから、固溶化処理の後、酸化し
た表面を物理的に除去することが非常に有効であること
を見出し、本発明に到ったものである。

【０００６】すなわち本発明は、質量％でTiを0.1〜2.0
%含み、かつ最表面からSiO₂基準で3nmの深さを測定した
時、実質的に酸化物となっているTiが原子％で10％以下
であることを特徴とするマルエージング鋼帯である。ま
た本発明は、質量％でAlを0.05〜2.0％含み、かつ最表
面からSiO₂基準で3nmの深さを測定した時、実質的に酸
化物となっているAlが原子％で5％以下であるマルエー
ジング鋼帯である。更に本発明は、質量％でTiを0.1〜
2.0%、Alを0.05〜2.0％含み、かつ最表面からSiO₂基準
で3nmの深さを測定した時の実質的に酸化物となってい
るTiが原子％で10％以下、Alが原子％で5％以下である
ことを特徴とするマルエージング鋼帯である。

【０００７】また、本発明は、上述のマルエージング鋼
帯の化学組成が質量％で、C:0.008%以下、Si:0.5%以下
(0％を含む)、Mn:0.1%以下(0％を含む)、Cr：2％以下(0
％を含む)、Ni:10〜25%、Mo:3.0〜9.0%、Co:3〜13.0%、
Al+Ti:2.0%以下、Nb：0.5％以下(0％を含む)、B：0.01%
以下(0％を含む)、N：0.003%以下(0％を含む)、O：0.00
3％以下(0％を含む)、残部は実質的にFeからなるマルエ
ージング鋼帯である。また本発明は、帯状マルエージン
グ鋼素材を固溶化処理と冷間圧延を1回以上繰り返して
加工する工程の中で、１回目の固溶化処理以降の工程の
冷間圧延、固溶化処理の間または最終冷間圧延後の任意
の機会に、表面の物理的除去を少なくとも一回以上行う
マルエージング鋼帯の製造方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴は、マルエージング鋼帯の表面の酸化を抑えること
により、ガス窒化性を改善したことにある。以下に本発
明の表面状態および組成の限定理由について述べる。マ
ルエージング鋼は、析出強化元素として、Ti、Mo、Al等
を含んでおり、時効析出により強化される。Tiは、質量
%で0.1%より少ないと効果が少なく、一方、2.0%より多
いと高強度が得られる一方で靭性が低下することから、
Tiは0.1〜2.0%とした。Alは、析出強化および脱酸を目
的に添加されるが、質量%で0.05%より少ないと効果が少
なく、一方2.0%を超えて添加すると高強度が得られる一
方で靭性が低下することから、Alは0.05〜2.0%とした。
AlとTiは何れか一方のみか、あるいは両方添加すること
ができる。質量%でAl+Tiが合計で2.0%を超えると高強度
が得られるものの靭性が低下することから、Al+Tiは2.0
%以下とした。

【０００９】次に、本発明では上述のTi、Alの何れか若
しくは両方を本発明で規定する範囲で含有するマルエー
ジング鋼帯の最表面近傍に形成される酸化層深さを特定
の厚みにすることが重要であり、これは、表面のTiまた
は/およびAlの酸化を少なくすることがガス窒化処理を
安定して行うために必要であるからである。ESCAで測定
したときの最表面からSiO₂基準で3nmの深さの実質的に
酸化物となっているTi濃度が原子％で10％を超えると酸
化膜が緻密となり、ガス窒化性が低下することから、最
表面からSiO₂基準で3nmの深さの実質的な酸化物となっ
ているTi濃度は原子％で10％以下とした。また、ESCAで
測定したときの最表面からSiO₂基準で3nmの深さの実質
的に酸化物となっているAl濃度が原子％で5％を超える
と酸化膜が緻密となり、ガス窒化性が低下することか
ら、最表面からSiO₂基準で3nmの深さの実質的な酸化物
となっているAl濃度は原子％で5％以下とした。

【００１０】ところで、上述のESCAを用いて被分析物を
分析する場合、特にその被分析物が本発明で規定するよ
うな合金である際には、実際のスパッタによってどの程
度の深さをドライエッチングされているのか不明である
という欠点がある。そのため、一般的にはSiO₂の標準試
料を用いて、1分のスパッタによって、例えば1nmがドラ
イエッチングされるように調整を行い、この条件下で未
知試料に対して、1分のスパッタで1nmがドライエッチン
グされたものと看做して深さ方向の定性、定量及び結合
状態分析を行うのが一般的である。これに従い、本発明
者等もSiO₂の標準試料を用いて、1分のスパッタによっ
て、1nmがドライエッチングされるように調整したESCA
にて、最表面から3分のスパッタを行った深さを3nmの深
さとし、最表面とはESCAで測定することができる程度に
汚染の少ない清浄な表面を言う。なお、このESCAでの測
定の場合には、誤差の少ない高精度の情報を得るには信
号量を多く取り込むと良く、そのため、なるべく広い分
析領域を分析できるように調整するのが好ましい。具体
的には2mm×10mm程度の分析領域であれば良い。

【００１１】また、ESCAでTiやAiの状態分析を行うと、
検出されるスペクトルには、主として例えばMO、MO₂やM
₂O₃等の結合状態を示す酸化物のピークと、メタルの状
態を示すピークが重なり合って検出される場合がある。
そのような場合には、必要に応じて重なり合ったピーク
を分離して実質的に酸化物となっているピークのみを対
象として定量分析を行うと良く、本発明では実質的に酸
化物のみのピークで定量分析を行うため、実質的に酸化
物と定義した。

【００１２】次にTi、Al以外の元素の限定理由を述べ
る。Niはマトリックス(基地)である低Cのマルテンサイ
トを形成させるため必要な元素であるが、過度の添加は
オーステナイトが安定し、マルテンサイト組織を形成し
にくくなることから、Niは質量%で10〜25％とした。望
ましくは12〜20％である。Coは、マトリックスであるマ
ルテンサイト組織に大きく影響することなく、時効析出
温度域でのMoの固溶度を低下させることによってMoの微
細な金属間化合物を形成して析出するのを促進すること
によって析出硬化に寄与するが、質量%で13.0％を越え
て添加してもより一層の向上効果がみられず、一方、3.
0％未満では必ずしも十分な効果が得られないので、Co
は3.0〜13.0％である。

【００１３】Moは時効処理により、Ni₃Mo、Fe₂Mo等の微
細な金属間化合物を形成し、マトリックス中に析出する
ことによって強化に寄与する元素であるが、その含有量
が質量%で3.0％未満の場合その効果が少なく、また過度
の添加は延性、靭性を劣化させるFe、Moを主要元素とす
る粗大析出物を形成しやすくなるため、Moは3.0〜9.0％
とした。望ましくは、3.0〜8.0％である。

【００１４】Cは、Ti、Moと炭化物、炭窒化物を形成し
て、析出硬化に寄与するTi、Mo量を減少させる不純物元
素であることから、その含有量の上限を質量%で0.008％
とした。Si、Mnは、介在物を多くし、靭性を低下させる
不純物元素であることから、その含有量の上限を質量%
でSiは0.5％、Mnは0.1％とし、無添加(0%)でも良い。N
は、Ti、Cとともに炭窒化物を形成しマトリックス中に
介在物として残ることによって疲労強度を低下させるだ
けでなく、析出硬化に寄与するTi量を減少させる不純物
元素であることから、Nの含有量の上限を質量%で0.003
％とし、無添加(0%)でも良い。

【００１５】Crは、窒化を行う場合にNとの親和力が強
く、窒化深さを浅くし、窒化硬さを高めたり、窒化表面
の圧縮残留応力を増加させたりする元素であり、必要に
応じて添加する。Crは質量%で2.0%を超えて添加しても
より一層の向上効果が見られないことから、Crは2.0％
以下とし、無添加(0%)でも良い。Bは、冷間加工後に固
溶化処理行ったときの旧オーステナイト結晶粒を微細化
して強化に寄与するとともに表面肌荒れを抑制する効果
をもつ元素であり、必要に応じて添加する。Bが0.01％
より多いと靭性が低下することから、Bは0.01％以下と
し、特に表面肌荒れを問題としないような用途である場
合、無添加(0%)でも良い。

【００１６】Nbは、B、C、Nとともに微細な化合物を形
成し、冷間加工後に固溶化処理行ったときの旧オーステ
ナイト結晶粒を微細化して強化に寄与するとともに表面
肌荒れを抑制する効果をもつ元素であり、Bとともに添
加するとその効果が大きいため、必要に応じて添加す
る。Nbが質量%で0.5％より多いと靭性が低下することか
ら、Nbは0.5％以下とし、特に表面肌荒れを問題としな
いような用途である場合、無添加(0%)でも良い。Oは、
酸化物系介在物を形成して靭性、疲労強度を低下させる
不純物元素であるので、質量%で0.003％以下に制限し、
無添加(0%)でも良い。

【００１７】次に本発明のマルエージング鋼帯の製造方
法について説明する。マルエージング鋼帯は、帯状マル
エージング鋼素材に固溶化処理と冷間圧延を行うことに
よって加工される。その固溶化処理、冷間加工の回数
は、最終製品の厚さ、平坦度、組織、硬さ、機械的特性
等の種々の要求によって異なるが、通常、それぞれ1回
以上を繰り返して加工される。マルエージング鋼帯の表
面の酸化が少なくするためには、固溶化処理の雰囲気を
還元性雰囲気に調整することが有効であるが、それでも
マルエージング鋼帯のような酸化しやすい元素であるT
i、Al等を含有する鋼に対しては必ずしも十分でない場
合がある。そのため、固溶化処理時の酸化が避けられな
い場合には、酸化した表面を物理的に除去することが非
常に有効である。

【００１８】表面の物理的除去とは、例えば、表面の機
械的な研磨であれば良く、表面の物理的除去は酸化した
表面を取り除くために行うものであるので、１回目の固
溶化処理前に行っても効果がないことから、１回目の固
溶化処理以降に行う。冷間圧延は酸化に影響しないこと
から、表面の物理的除去の後、冷間圧延を行ってもかま
わない。固溶化処理、冷間圧延を数回繰り返す場合に
は、１回目の固溶化処理以降の冷間圧延、固溶化処理の
間、または最終冷間圧延後において表面の物理的除去を
行うことによって表面酸化を少なくすることができる。
表面の物理的除去の回数は多い方が効果が大きいが、工
数が多くかかることから、許容される酸化の程度によっ
て、その回数を減らしたり、その機会を選択することが
できる。好ましくは、最後の表面の物理的除去は、最終
の固溶化処理後に行うのがよい。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例にて詳しく説明する。
表1に用いた本発明のマルエージング鋼帯の化学成分を
示す。なお、表１に示すもののうち、−印は無添加、N
o.5、No.6合金のTi含有量は無添加レベルである。これ
らの帯状マルエージング鋼素材に表２に示す工程で固溶
化処理、冷間圧延、表面機械的研磨を行った。

【００２０】

【表１】

【００２１】ここで、固溶化処理は水素を主体とする還
元性雰囲気で約800℃〜1000℃の範囲の適当な温度で行
った。これらの工程によって製造したマルエージング鋼
帯の表面の酸化状態を調べるため、ESCAを用いて2mm×1
0mmの分析領域で元素分析を行った。分析元素は、定性
分析で検出されたAr以外の全ての元素である。なお、ES
CAは予めSiO₂の標準試料を用いて、1分のスパッタによ
って、1nmがドライエッチングされるように調整を行っ
ておいた。ESCAの測定条件として、SiO₂基準での表面か
ら3nmに相当する深さまで3分間のスパッタによるドライ
エッチングを行い、極表層の汚れを除去した後の元素分
析を行った。また、マルエージング鋼帯に480℃で時効
処理を行った後、ガス窒化処理を行い、均一な窒化層が
形成されるかどうかを調べ、表1に示す鋼帯を種々工程
で製造した後の表面のTi、Al濃度、ガス窒化性を調べた
結果を表２に示す。なお、ESCAの状態分析で検出された
Ti、Alのスペクトルは、ほぼMO、MO₂、M₂O ₃の形態を示
していたので、メタルピークの分離は行わなかった。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２からわかるように、本発明に規定の表
面のTi、Al濃度を有するマルエージング鋼帯は、表面の
酸化が少ないため、ガス窒化性が良好である。また、こ
のようなTi、Al濃度を得るためには、本発明の製造方法
である表面の物理的除去工程を入れることが有効である
ことがわかる。一方、表面の物理的除去工程を行わない
場合には、表面のTi、Al濃度が高く、表面酸化が多いた
めにガス窒化性が不安定である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、マルエージング鋼帯の
表面のTi、Al濃度を低く抑えることで、表面酸化を少な
くし、ガス窒化性を改善でき、本鋼帯を用いた種々部品
の疲労強度向上に大きく寄与するものである。

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年４月５日（２００１．４．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】また、ESCAでTiやAlの状態分析を行うと、
検出されるスペクトルには、主として例えばMO、MO₂やM
₂O₃等の結合状態を示す酸化物のピークと、メタルの状
態を示すピークが重なり合って検出される場合がある。
そのような場合には、必要に応じて重なり合ったピーク
を分離して実質的に酸化物となっているピークのみを対
象として定量分析を行うと良く、本発明では実質的に酸
化物のみのピークで定量分析を行うため、実質的に酸化
物と定義した。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％でTiを0.1〜2.0%含み、かつ最表
面からSiO₂基準で3nmの深さを測定した時、実質的に酸
化物となっているTiが原子％で10％以下であることを特
徴とするマルエージング鋼帯。
【請求項２】質量％でAlを0.05〜2.0％含み、かつ最
表面からSiO₂基準で3nmの深さを測定した時、実質的に
酸化物となっているAlが原子％で5％以下であることを
特徴とするマルエージング鋼帯。
【請求項３】質量％でTiを0.1〜2.0%、Alを0.05〜2.0
％含み、かつ最表面からSiO₂基準で3nmの深さを測定し
た時、実質的に酸化物となっているTiが原子％で10％以
下、Alが原子％で5％以下であることを特徴とするマル
エージング鋼帯。
【請求項４】質量％で、C:0.008%以下、Si:0.5%以下
(0％を含む)、Mn:0.1%以下(0％を含む)、Cr：2％以下(0
％を含む)、Ni:10〜25%、Mo:3.0〜9.0%、Co:3〜13.0%、
Al+Ti:2.0%以下、Nb：0.5％以下(0％を含む)、B：0.01%
以下(0％を含む)、N：0.003%以下(0％を含む)、O：0.00
3％以下(0％を含む)、残部は実質的にFeからなることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマルエー
ジング鋼帯。
【請求項５】帯状マルエージング鋼素材を固溶化処理
と冷間圧延を1回以上繰り返して加工する工程の中で、
１回目の固溶化処理以降の工程の冷間圧延、固溶化処理
の間または最終冷間圧延後において、表面の物理的除去
を少なくとも一回以上行うことを特徴とする、マルエー
ジング鋼帯の製造方法。