JP5887896B2 - 析出硬化型ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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一方、マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼は、固溶化熱処理により、低Cの軟らかいマルテンサイト組織とし、その後の時効処理によって析出物を形成し、強度を高めた材料である。析出硬化型ステンレス鋼はC含有量が相対的に少ないので、その耐食性は、マルテンサイト系ステンレス鋼より優れている。そのため、優れた耐食性と高い強度を必要とする環境下で使用される部材には、SUS630などの析出硬化型ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、SUS630は、SUS410、SUS420と比較し、硬さが劣る。また、さらに厳しい環境下で使用される部材には、SUS630以上の耐食性が求められている。
例えば、特許文献1には、C:0.058mass%、Si:0.24mass%、Mn:1.36mass%、Cu:2.87mass%、Ni:4.46mass%、Cr:11.38mass%、Mo:4.55mass%、V:0.19mass%、Co:3.97mass%、及び、Ti:0.13mass%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる析出硬化型ステンレス鋼金型が開示されている。
同文献には、
(1)C、Si、Mn等の主要元素の含有量を所定の範囲にすると、時効処理及び窒化処理により表面硬さがHV500以上になる点、及び、
(2)Tiは、炭化物の微細化や結晶粒の微細化に効果があるが、Tiを過剰に添加すると、窒化処理によりTiが優先的に窒化物を形成するために耐食性が劣化する点
が記載されている。
C≦0.05mass%、
0.5≦Si<2.0mass%、
Mn≦1.50mass%、
2.0≦Cu≦5.0mass%、
2.0≦Ni<7.0mass%、
10.0≦Cr≦15.0mass%、
1.0≦Co≦5.0mass%、
2.0<Mo≦5.0mass%、
0.5<Ti≦3.0mass%、及び、
N≦0.05mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式及び(2)式を満たすことを要旨とする。
Si+Ti+Co≧4.5 ・・・(1)
Si/Mo≦0.7 ・・・(2)
また、本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼の製造方法は、
本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼を900〜1100℃で固溶化熱処理し、450〜550℃で時効処理する
ことを要旨とする。
また、所定の元素を含む鋼中に、さらに所定量のNi、Si、Ti、Coを添加し、かつ、Si+Ti+Coを所定量以上にすると、時効処理によりG相が析出し、さらに硬度が増す。
また、C含有量を低くすると同時に、Mo量及びCr量を増大させると、高い硬度を維持したまま、耐食性を向上させることができる。
さらに、Si/Mo比を最適化すると、上述した特性を維持したまま、熱間加工性を向上させることができる。
[1. 析出硬化型ステンレス鋼]
[1.1. 主構成元素]
本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
Cは、添加量に伴い、固溶化熱処理後の硬度を上昇させ、加工性を低減させる。また、母相中の固溶CやTi、Nbの炭化物により、耐食性を著しく低下させる。従って、C含有量は、0.05mass%以下である必要がある。
Siは、母相に固溶することにより、耐食性(特に、耐流酸性)を向上させると同時に、時効処理によりTi、Ni、Coと共にG相を形成し、鋼を時効硬化させる。このような効果を得るためには、Si含有量は、0.5mass%以上である必要がある。Si含有量は、さらに好ましくは、1.0mass%以上である。
一方、Si含有量が過剰になると、著しく熱間加工性が劣化する。また、固溶化熱処理後の硬度が上昇するが、靱性は低下する。従って、Si含有量は、2.0mass%未満である必要がある。
Mnは、脱酸剤として働き、またオーステナイト生成元素として必要である。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、耐食性を低下させる。従って、Mn含有量は、1.50mass%以下である必要がある。
Cuは、SUS630と同様、時効処理によりε−Cu相を析出させる。また、母相中に固溶することにより、耐食性を向上させる。このような効果を得るためには、Cu含有量は、2.0mass%以上である必要がある。
一方、Cu含有量の増加に伴い、時効硬化能は増大するが、多量に添加すると熱間加工性が低下すると共に靱性も低下する。従って、Cu含有量は、5.0mass%以下である必要がある。Cu含有量は、さらに好ましくは、3.5mass%以下である。
Niは、鋼の耐食性を向上させる。また、固溶化熱処理温度にてオーステナイト化するのに必須な元素である。そして、時効処理により、Ti、Si、Coと共にG相を形成し、鋼を時効硬化させる。しかし、2.0mass%未満では、フェライトが多く形成されてしまい、時効処理後の硬さが低下してしまう。そのため、Ni含有量は、2.0mass%以上である必要がある。
一方、Ni含有量が過剰になると、固溶化熱処理後の残留オーステナイトが増加し、時効処理後の硬さが十分得られなくなる。従って、Ni含有量は、7.0mass%未満である必要がある。
Crは、ステンレス鋼の耐食性を向上させるために不可欠な成分である。Cr含有量が少なすぎると、耐食性が不十分となる。従って、Cr含有量は、10.0mass%以上である必要がある。
一方、Cr含有量が過剰になると、フェライトが形成されることで母相の硬さが低下し、高硬度が得られにくくなる。従って、Cr含有量は、15.0mass%以下である必要がある。
Coは、母相に固溶することにより、耐食性を向上させる。また、時効処理によりTi、Ni、Siと共にG相を形成し、鋼を時効硬化させる。また、Coは、Mo系金属間化合物の析出を促進させる。さらに、Coは、Ms点を上昇させるので、Ni、Mo、Ti及びCuの多量添加を可能にする。このような効果を得るためには、Co含有量は、1.0mass%以上である必要がある。
一方、Co含有量が過剰になると、高価な成分であるため、原料コストが上がり、製造コストも増大させる。従って、Co含有量は、5.0mass%以下である必要がある。
Moは、母相中に固溶することにより、耐食性(特に、耐孔食性)を向上させる。また、時効処理によりMo系金属間化合物を析出させ、鋼を時効硬化させる。このような効果を得るためには、Mo含有量は、2.0mass%超である必要がある。
一方、Mo含有量が過剰になると、フェライトを生成させ、硬度が低下する。従って、Mo含有量は、5.0mass%以下である必要がある。
Tiは、時効処理によりNi、Si、Coと共にG相を形成し、鋼を時効硬化させる。このような効果を得るためには、Ti含有量は、0.5mass%超である必要がある。
Ti含有量の増大に伴い、時効硬化能は増大する。しかしながら、Ti含有量が過剰になると、偏析を助長する。従って、Ti含有量は、3.0mass%以下である必要がある。
Nは、侵入型元素であり、鋼の硬さ及び耐食性を向上させる。しかし、N含有量が過剰になると、Nb、Ti、Crと共に窒化物を形成し、加工性に悪影響を及ぼす。従って、N含有量は、0.05mass%以下である必要がある。N含有量は、さらに好ましくは、0.02mass%以下である。
本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼は、上述した主構成元素に加えて、以下の1種又は2種以上の副構成元素をさらに含んでいてもよい。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
Bは、マトリックスに固溶し、焼入れ性を向上させる効果がある。このような効果を得るためには、B含有量は、0.0005mass%以上である必要がある。
一方、B含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する。従って、B含有量は、0.01mass%以下である必要がある。
Nb、V及びTaは、いずれも、析出硬化に寄与する。このような効果を得るためには、これらの元素の総含有量は、0.01mass%以上である必要がある。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、固溶化熱処理温度においてフェライトが多く形成されてしまい、時効硬化後の硬さが低下してしまう。従って、これらの元素の総含有量は、0.50mass%以下である必要がある。
なお、これらの元素は、いずれか1種を添加しても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて添加しても良い。
Zr、W、Hf、Mg、Al及びREMは、炭化物の微細化や結晶粒の微細化に効果がある。このような効果を得るためには、これらの元素の総含有量は、0.001mass%である必要がある。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。従って、これらの元素の総含有量は、0.50mass%以下である必要がある。
なお、これらの元素は、いずれか1種を添加しても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて添加しても良い。
Caは、被削性を改善する。このような効果を得るためには、Ca含有量は、0.0005mass%以上である必要がある。
一方、Ca含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する。従って、Ca含有量は、0.01mass%以下である必要がある。
本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼は、成分元素が上述の範囲にあることに加えて、さらに次の(1)式及び(2)を満たしている必要がある。
Si+Ti+Co≧4.5 ・・・(1)
Si/Mo≦0.7 ・・・(2)
Si、Tiは、Ni、Coと共に、時効処理を施すことによりG相を形成し、鋼を硬化させる。但し、Si、Ti、Coの総含有量が十分でないと、G相が形成されにくい。
(1)式は、G相を形成する元素(Si、Ti、Co)の総含有量の下限値(mass%)を表す。一般に、これらの元素の含有量が多くなるほど、高い硬度が得られる。50HRC以上の硬度を得るためには、Si、Ti及びCoの総含有量は、4.5(mass%)以上である必要がある。これらの元素の総含有量は、さらに好ましくは、6.0(mass%)以上である。
(2)式は、Mo量(mass%)に対するSi量(mass%)の比を表す。Si量とMo量のバランスにより、鋼の熱間加工性が変化する。Si/Mo比が高くなり過ぎると、熱間加工性が劣化する。従って、Si/Mo比は、0.7以下である必要がある。Si/Mo比は、さらに好ましくは、0.5以下である。
本発明に係る析出硬化型ステンレス鋼の製造方法は、溶解鋳造工程と、熱間加工工程と、固溶化熱処理工程と、時効処理工程とを備えている。
溶解鋳造工程は、所定の成分に配合された原料を溶解し、鋳造する工程である。溶解方法及び鋳造方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。
熱間加工工程は、溶解鋳造工程で得られた鋳塊を熱間加工する工程である。熱間加工は、鋳造組織や鋳造欠陥を破壊するために行われる。熱間加工条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な条件を選択することができる。
固溶化熱処理工程は、熱間加工された材料を950〜1100℃の温度に加熱する工程である。固溶化熱処理は、主として鋼中に分散している析出物を固溶させるために行われる。熱処理温度が低すぎると、析出物の固溶が不十分となる。従って、熱処理温度は、950℃以上である必要がある。
一方、熱処理温度が高すぎると、結晶粒が粗大化する。従って、熱処理温度は、1100℃以下である必要がある。
熱処理時間は、析出物が固溶する時間であれば良い。最適な熱処理時間は、熱処理温度によって異なるが、通常、30分〜2時間程度である。
熱処理後、材料を急冷する。冷却条件は、特に限定されるものではなく、マルテンサイト変態が起こる条件であれば良い。
時効処理工程は、固溶化熱処理後の材料、すなわち、マルテンサイト相を生成させた材料を450〜550℃で時効処理する工程である。マルテンサイト相は、粒内に歪みが存在する。そのため、マルテンサイト相を含む材料を所定の温度で熱処理を施すと、歪みを起点として析出物が析出する。
時効処理温度が高すぎる又は低すぎると、目的の析出物が析出せず、時効硬化させることができない。従って、時効処理温度は、450℃以上550℃以下である必要がある。
時効処理温度は、十分な量の析出物が析出する時間であれば良い。最適な時効処理時間は、時効処理温度により異なるが、通常、8〜24時間程度である。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れによって高Cマルテンサイト相が生成するため、硬度は高いが、耐食性は低い。一方、従来の析出硬化型ステンレス鋼は、低Cマルテンサイト相を析出硬化させているので、耐食性が高く、硬度も比較的高い。しかしながら、従来の析出硬化型ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼に比べて硬度が劣る。
また、所定の元素を含む鋼中に、さらに所定量のNi、Si、Ti、Coを添加し、かつ、Si+Ti+Coを所定量以上にすると、時効処理によりG相が析出し、さらに硬度が増す。
また、C含有量を低くすると同時に、Mo量及びCr量を増大させると、高い硬度を維持したまま、耐食性を向上させることができる。
さらに、Si/Mo比を最適化すると、上述した特性を維持したまま、熱間加工性を向上させることができる。
[1. 試料の作製]
表1及び表2に示す種々の成分を有するステンレス鋼を溶製した後、冷却して鋳塊を作製した。鋳塊の内、一部を熱間加工性の評価のために採取し、グリーブル試験を行った。
鋳塊の残部は、熱間加工した後、固溶化熱処理及び時効処理により調質した。固溶化熱処理条件は、各ステンレス鋼がオーステナイト化する条件とした。具体的には、950〜1100℃×1hr、油冷とした。また、時効処理条件は、ピーク硬さが得られる条件とした。具体的には、450〜550℃×8〜24時間とした(実施例1〜27)。
比較例2(SUS440C相当)は、1050℃×30min保持した後焼入れし、180℃×2hの焼戻しを行った。
比較例3(SUS304相当)及び比較例4(SUS316相当)は、それぞれ、1080℃×1hの固溶化熱処理を行った。
比較例5(SUS630相当)は、1040℃×1hの固溶化熱処理を行い、480℃×1hの時効処理を行った。
比較例6〜11は、実施例1〜27と同様にして固溶化熱処理及び時効処理を行った。
[2.1. グリーブル試験]
熱間加工性評価として、グリーブル試験を900〜1300℃の範囲で50℃毎に実施した。
[2.2. 硬さ]
硬さ測定は、ロックウェル硬度計(HRC)にて測定した。
[2.3. 靱性]
靱性は、JIS4号AのVノッチ付き試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行い、室温でのシャルピー衝撃値を測定した。
[2.4. 耐食性]
耐食性は、塩水噴霧試験及び孔食電位測定によって評価した。
塩水噴霧試験は、JIS Z2371に準拠して行った。腐食しなかったものを「A」、若干腐食が確認されたものを「B」、腐食が確認されたものを「C」、全面が腐食しているものを「D」とした。
孔食電位測定は、JIS G0577に準拠して行い、V'C100の値にて評価した。
表3及び表4に結果を示す。表3及び表4より、以下のことがわかる。
(1)マルテンサイト系ステンレス鋼に相当する比較例1(SUS420J2相当)及び比較例2(SUS440C相当)は、いずれも硬度は高いが、耐食性は低い。
(2)オーステナイト系ステンレス鋼に相当する比較例3(SUS304相当)及び比較例4(SUS316相当)は、いずれも耐食性が高い。
(3)従来の析出硬化型ステンレス鋼に相当する比較例5(SUS630相当)は、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性は高いが、硬度はマルテンサイト系ステンレス鋼に劣る。
(5)比較例7は、Cu量が多いため、熱間加工性が悪い。なお、比較例7は、Mn量が過剰であるが、Ni含有量が多いため、比較的良好な耐食性を示した。
(6)比較例8は、Si/Mo比が大きいため、熱間加工性が悪い。また、Mn量が過剰であるため、孔食電位が低下した。
(7)比較例9は、Si+Ti+Co量が少なく、かつ、Si量が少ないため、硬さが低い。
(8)比較例10は、Si+Ti+Co量が少なく、かつ、Ti量が少ないため、硬さが低い。
(9)比較例11は、Tiを含まないため、硬さが低い。
(11)実施例1〜27は、いずれも硬さが比較例1と同等以上であり、耐食性が比較例1より高い。
(12)実施例1〜27は、いずれも耐食性が比較例3と同等以上であり、硬さが比較例3より高い。
(13)実施例1〜27は、いずれも硬さ及び耐食性が比較例5より優れている。
(14)実施例1〜27は、硬さを向上させるための処理(例えば、冷間加工等)が不必要であり、固溶化熱処理及び時効処理のみで優れた硬さ及び耐食性を得ることができる。
Claims (8)
- C≦0.05mass%、
0.5≦Si<2.0mass%、
Mn≦1.50mass%、
2.0≦Cu≦5.0mass%、
2.0≦Ni<7.0mass%、
10.0≦Cr≦15.0mass%、
1.0≦Co≦5.0mass%、
2.0<Mo≦5.0mass%、
0.5<Ti≦3.0mass%、及び、
N≦0.05mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式及び(2)式を満たす析出硬化型ステンレス鋼。
Si+Ti+Co≧4.5 ・・・(1)
Si/Mo≦0.7 ・・・(2) - 0.0005≦B≦0.01mass%
をさらに含む請求項1に記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - 1.0≦Si<2.0mass%
である請求項1又は2に記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - 2.0≦Cu≦3.5mass%
である請求項1から3までのいずれかに記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - Nb、V及びTaの1種又は2種以上をさらに含み、
その総量が0.01mass%以上0.50mass%以下である
請求項1から4までのいずれかに記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - Zr、W、Hf、Mg、Al及びREMの1種又は2種以上をさらに含み、
その総量が0.001mass%以上0.50mass%以下である
請求項1から5までのいずれかに記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - 0.0005≦Ca≦0.01mass%
をさらに含む請求項1から6までのいずれかに記載の析出硬化型ステンレス鋼。 - 請求項1から7までのいずれかに記載の析出硬化型ステンレス鋼を900〜1100℃で固溶化熱処理し、450〜550℃で時効処理する析出硬化型ステンレス鋼の製造方法。
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