JP2005344211A - 浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

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Abstract

【課題】 耐食性、破片に対する抵抗、及び破壊靱性の特性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 ８．０〜１８ｗｔ％のクロム、１６ｗｔ％までのコバルト、５．０ｗｔ％までのバナジウム、８．０ｗｔ％までのモリブデン、８．０ｗｔ％までのニッケル、４．０ｗｔ％までのマンガン、２．０ｗｔ％までのシリコン、６．０ｗｔ％までのタングステン、２．０ｗｔ％までのチタン、４．０ｗｔ％までのニオブ、及び残部鉄からなる材料を準備する準備ステップと、前記材料を浸炭浸窒して少なくとも一の硬化マルテンサイト相及び窒化沈殿物を形成させる浸炭浸窒ステップと、を有することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を用いて耐食性、破片に対する耐性、及び破壊靱性の特性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を製造する。
【選択図】 図２

Description

本発明は浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼に係り、これはガスタービンエンジン、及びロケットエンジンを含む航空宇宙機械システムのベアリング、及びギアに用いることができる。
ベアリング、及びギアは一般的にステンレス鋼材料から製造され、これらのうちいくつかは一般的に浸炭により表面が硬化される。このような浸炭により硬い炭化物が形成され、ベアリング、及びギアの耐荷重能力にとって必要で硬い炭素を多く含むマルテンサイト基材となる。マルテンサイト系ステンレス鋼基材に関しては、このような浸炭によりクロムを多く含む炭化物を形成し、これにより耐食性に必要なクロムがマルテンサイト系ステンレス鋼から失われる。このようなクロムの消耗は問題である、それは所望する保護Ｃｒ2Ｏ3酸化物(これはさびない働きをする)が基材金属と環境(空気、水など)との間の持続性のある不浸透性バリアとして形成されないからである。
本発明は、耐食性、破片に対する耐性、及び破壊靱性の特性を有する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。
さらに本発明は、浸炭浸窒で表面を硬化した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。
上記課題は本発明により解決できる。
本発明によれば、浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。このプロセスは大まかに、８．０〜１８ｗｔ％のクロム、１６ｗｔ％までのコバルト、５．０ｗｔ％までのバナジウム、８．０ｗｔ％までのモリブデン、８．０ｗｔ％までのニッケル、４．０ｗｔ％までのマンガン、２．０ｗｔ％までのシリコン、６．０ｗｔ％までのタングステン、２．０ｗｔ％までのチタン、４．０ｗｔ％までのニオブ、及び残部が鉄からなる材料を準備する準備ステップと、前記材料を浸炭浸窒して少なくとも一の硬化マルテンサイト相及び窒化沈殿物を形成させる浸炭浸窒ステップと、を含む。
本発明の好ましい鋼は治金組成がマルテンサイトステンレス鋼である。このような鋼は、上記成分のいずれか又は全てを、Ｍ2Ｎ、ＭＮ、Ｍ23Ｃ6、Ｍ6Ｃ、及びＭ2Ｃのような熱処理しやすい浸炭浸化鋼を選択的に生成するために、並びに／又はＭＣ及びＭ7Ｃ3のようなより熱力学的に安定なカーバイドの生成を制限するために必要な割合で含んでいなければならない。Ｍは金属原子を示す。
上記要求を満たす鋼は数多く存在する。よって、構成要素の可能性には広い幅がある。本発明において、鋼の組成を特定し、最適化するために、通常の知識を有する治金実務家は上記要求を満たすことが可能な先の経験を用い、又は治金学機器であるＴｈｅｒｍｏＣａｌｃ(登録商標)、相計算コードを用いるとよい。本発明に用いるＴｈｅｒｍｏＣａｌｃ(登録商標)の処理結果を図１及び図２に示す。
他の目的、付随する利点等の本発明の浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼の他の詳細は、以下の記載から明らかとなる。
表面硬化を形成するプロセスに関する本発明の上述のプロセスのように、破壊靱性マルテンサイト系ステンレス鋼はベアリング又はギアのサブコンポーネントのコアの製造に用いることができる。浸炭浸窒による硬化表面はベアリング又はギアの耐荷重表面の主成分である。
本発明のプロセスではベアリング又はギアのサブコンポーネントのコアなどの物品がステンレス鋼から形成される、このステンレス鋼は本質的に８．０〜１８ｗｔ％のクロム、１６ｗｔ％までのコバルト、５．０ｗｔ％までのバナジウム、８．０ｗｔ％までのモリブデン、８．０ｗｔ％までのニッケル、４．０ｗｔ％までのマンガン、２．０ｗｔ％までのシリコン、６．０ｗｔ％までのタングステン、２．０ｗｔ％までのチタン、４．０ｗｔ％までのニオブ、及び残部鉄からなる組成を有している。
本発明に用いることができる鋼は多く存在する、例えば、Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ が製造するＰＹＲＯＷＥＡＲ ６７５があり、これはＦｅ、１３ｗｔ％Ｃｒ、５．４ｗｔ％Ｃｏ、１．８ｗｔ％Ｍｏ、２．６ｗｔ％Ｎｉ、０．６ｗｔ％Ｍｎ、０．６ｗｔ％Ｖ、０．４ｗｔ％Ｓｉ、０，０７ｗｔ％Ｃの組成を有する。また、Ｌａｔｒｏｂｅ Ｓｔｅｅｌが製造するＣＳＳ−４２ＬはＦｅ、１４ｗｔ％Ｃｒ、１２．４ｗｔ％Ｃｏ、４．７ｗｔ％Ｍｏ、２．０５ｗｔ％Ｎｉ、０．６ｗｔ％Ｖ、０．０５ｗｔ％Ｃの組成を有する、また、Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈが製造するＡＦＣ−７７がある。
本発明に用いられる他の複合物は以下のｗｔ％組成を有している。
(1) Fe-13.75Cr-5Co-3Mo-3Ni-0.08V-0.75Mn-0.4Si-0.15C;
(2) Fe-14Cr-5Co-4Mo-3.5Ni-0.08V-0.22Mn-0.3Si0.15C;
(3) Fe-13.5Cr-3.75Co-3.5Mo-3Ni-0.08V-0.25Mn-0.3Si-0.15C;
(4) Fe-13.5Cr-3.75Co-3.5Mo-3Ni-1Ti-1Mn-0.3Si-0.15C;
(5) Fe-15.25Cr-5Co-3.5Mo-4Ni-0.25V-0.2Mn-0.25Si-0.15C;
(6) Fe-14Cr-2.75Co-3.25Mo-3.5Ni-0.3V-0.3Mn-0.3Si-0.15C.
所望の物品が形成されると、ステンレス鋼について浸炭浸窒プロセスが行われる。本発明において、前述のマルテンサイト系ステンレス鋼を浸炭浸窒するプロセスの条件は、以下のとおりである。
１． １気圧、鋼の組成で決定される温度で一般的には１６５０〜２０００°Ｆ(８９９〜１０９３℃)、所望する表面の厚さによるが一般的に４０〜２００時間で行う浸炭浸窒プロセス。気体雰囲気組成は、下記のような炭素及び窒素ポテンシャルを有する。一般的に、炭化物及び窒素(Ｃ＋Ｎ)レベルは、浸炭浸窒プロセスの間、鋼によるゲッタリング効果に基づく目的レベルよりも小さい。
２． 鋼の組成で決定される温度で一般的には１６５０〜２０００°Ｆ(８９９〜１０９３℃)、所望する表面の厚さによるが一般的に４０〜２００時間で行う、真空浸炭浸窒プロセス。気体雰囲気組成は、下記のような炭素及び窒素ポテンシャルを有する。一般的に、炭化物及び窒素(Ｃ＋Ｎ)レベルは、浸炭浸窒プロセスの間、鋼によるゲッタリング効果に基づく目的レベルよりも小さい。
３． 鋼の組成で決定される温度で一般的には８９９〜１０９３℃(１６５０〜２０００°Ｆ)、所望する表面の厚さによるが一般的に４０〜２００時間で行う、プラズマ浸炭浸窒プロセス。気体雰囲気組成は、下記のような炭素及び窒素ポテンシャルを有する。一般的には、炭化物及び窒素(Ｃ＋Ｎ)レベルは、浸炭浸窒プロセスの間、鋼によるゲッタリング効果に基づく目的レベルよりも小さい。
上記プロセスは、目標硬度及び耐食性を得るため、下記のように硬化表面に規定されたレベルの炭素(０．２〜０．５５ｗｔ％)及び窒素(０．２〜１．２ｗｔ％)が含まれるように行われなければならない；
炭素＋窒素の全体量は硬度のために０．５〜１．７ｗｔ％の範囲にある；
硬化処理表面中の炭素＋窒素レベルはよい耐食性を得るために必要な浸炭浸窒した硬化表面のクロム含有量が８ｗｔ％を越えるように制限される。この要求の例が以下に示される。０．３５ｗｔ％の炭素、及び０．４ｗｔ％の窒素としたときは、基材のクロムの含有量は８ｗｔ％より大となる。
図３は０．３５ｗｔ％の炭素及び０．４ｗｔ％の窒素を有するＰｙｒｏｗｅａｒ６７５の硬化表面の挙動を示している。この表面硬化では、厄介なＭ7Ｃ3炭化物、液化性のＭ23Ｃ6炭化物、及びセミコヒーレントＣｒ2Ｎ窒化物は生成しない。図４は１ｗｔ％の炭素を有するＰｙｒｏｗｅａｒ６７５の硬化表面の挙動を示しており、この場合は厄介なＭ7Ｃ3炭化物が発生する。
表面に１ｗｔ％の炭素を含む浸炭処理のみを行った場合、過度のＭ23Ｃ6及びＭ7Ｃ3が生成し、これらは基材のクロムを消費する。本発明のために行った実験では、Ｐｙｒｏｗｅａｒ６７５の浸炭処理のみ(１ｗｔ％の炭素で表面硬化を行ったもの)のクロム含有量は５．４ｗｔ％未満であった。この表面硬化炭化物は下記のようにわずかな耐食性しかない。
浸炭浸窒ステップは、硬いマルテンサイト層、並びに／又は硬い窒化沈殿物若しくは浸炭浸窒浸沈殿物を形成する。窒素は、ステンレス鋼の耐食性、マルテンサイトの補強を通した破片ダメージに対する表面耐性、セミコヒーレント浸炭浸窒浸出物の形成、後続の硬化及び焼き戻し加熱の間の残留圧縮応力の発達を改善する。そしてＣｒ2Ｏ3酸化物の形で鋼基材に存在する重要な防御クロムを消費しない。
基板ステンレス鋼合成物の治金構成、又は相組成は、硬化領域ではマルテンサイト材料であるカーバイド、窒化物、及び浸炭窒化沈殿物を含むマルテンサイト系ステンレス鋼である。
低応力、又は適度な性能のベアリング及びギアのためには、硬化沈殿物(カーバイド、窒化物、又は浸炭窒化物)が体積中に占める範囲は１〜１０％である。
高応力、又は高性能のベアリング及びギアのためには、硬化沈殿物(カーバイド、窒化物、又は浸炭窒化物)が体積中に占める範囲は８〜４０％である。
処理表面の炭素＋窒素レベルは、関連する熱処理とともに、大部分はマルテンサイト材料中で分離するように硬化沈殿物が均一に分散することが保障されるレベルに制限される。
本発明により製造される材料は、ガスタービン、ロケットエンジン、及び他の耐食性を必要とする機械システムのベアリング及びギア等に使用される。しかし、これらに限定されず、空気調整、及び食品工業の機械システムにも用いることができる。
本発明の浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼は、上述の目的、手段、及び利点を十分に満たす。本発明では、具体例を示して説明したが、当業者であれば上述の説明に基づいて他の代替例、修正例、変形例を想起することも可能である。よって、これらの代替例、修正例、変形例は本発明に含まれるものである。
好ましく無いＭ7Ｃ3及びＭＣカーバイドを生成する傾向が強い鉄合金の相ダイアグラム。 好ましいＭ23Ｃ6カーバイドを生成する相ダイアグラム。 ０．３５％の炭素及び０．４％の窒素を有するＰＹＲＯＭＥＡＲ６７５表面の挙動を示す図。 １％の炭素を有するＰＹＲＯＭＥＡＲ６７５表面の挙動を示す図。

Claims (14)

  1. 表面硬化されたマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法であって、
    ８．０〜１８ｗｔ％のクロム、１６ｗｔ％までのコバルト、５．０ｗｔ％までのバナジウム、８．０ｗｔ％までのモリブデン、８．０ｗｔ％までのニッケル、４．０ｗｔ％までのマンガン、２．０ｗｔ％までのシリコン、６．０ｗｔ％までのタングステン、２．０ｗｔ％までのチタン、４．０ｗｔ％までのニオブ、及び残部鉄からなる材料を準備する準備ステップと、
    前記材料を浸炭浸窒して少なくとも一の硬化マルテンサイト相及び窒化沈殿物を形成させる浸炭浸窒ステップと、を有することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  2. 前記浸炭浸窒ステップは、
    炭素及び窒素雰囲気下において１６５０〜２０００°Ｆ (８９９〜１０９３℃)の温度範囲で２００時間まで前記材料を加熱する加熱ステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  3. 前記加熱ステップでは４０〜２００時間加熱することを特徴とする請求項２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  4. 前記浸炭浸窒ステップでは硬化表面に０．２〜０．５５ｗｔ％の炭素を生成することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  5. 前記浸炭浸窒ステップでは硬化表面に０．２〜１．２ｗｔ％の窒化物を生成することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  6. 前記浸炭浸窒ステップでは炭素及び窒化物の総量が０．５〜１．７ｗｔ％である硬化表面を生成することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  7. 前記浸炭浸窒ステップでは前記浸炭浸窒表面に含まれるクロムが８．０ｗｔ％超えるように炭素及び窒素の量を制御する制御ステップを有することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
  8. 浸炭浸窒で表面を硬化したマルテンサイト系ステンレス鋼で製造されたことを特徴とする物品。
  9. 前記物品はベアリングであることを特徴とする請求項８に記載の物品。
  10. 前記物品はギアであることを特徴とする請求項８に記載の物品。
  11. 前記物品は体積中に１〜１０％の硬化沈殿物を有していることを特徴とする請求項８に記載の物品。
  12. 前記物品は体積中に８〜４０％の硬化沈殿物を有していることを特徴とする請求項８に記載の物品。
  13. 前記物品は前記マルテンサイト基材中で硬化沈殿物が分離するように該硬化沈殿物が均一に分散していることを特徴とする請求項８に記載の物品。
  14. 前記物品は８．０〜１８ｗｔ％のクロム、１６ｗｔ％までのコバルト、５．０ｗｔ％までのバナジウム、８．０ｗｔ％までのモリブデン、８．０ｗｔ％までのニッケル、４．０ｗｔ％までのマンガン、２．０ｗｔ％までのシリコン、６．０ｗｔ％までのタングステン、２．０ｗｔ％までのチタン、４．０ｗｔ％までのニオブ、及び残部鉄からなる材料から製造されることを特徴とする請求項８に記載の物品。
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