(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比にして、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：６．０〜９．０％、Ｃｒ：１２〜１９％、Ｍｏ：０．５〜４％、Ｃｕ：２．５〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．４％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、かつＣ＋Ｎが０．０４％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、下記式で示されるＮｉ−ｂａｌ．が−４以上、Ｍｄ３０が−４０以上、ＭＡＩが−５＜ＭＡＩ＜４０（ＭＡＩ：マルテンサイト−オーステナイト組織指数）で、かつ固溶化処理状態で８５％以上がオーステナイト組織を有し、冷間加工により容易にマルテンサイト組織となり、硬さ４５０ＨＶ超の優れた析出硬化特性を持つことを特徴とする冷間加工性に優れたセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼。ただし、
Ni-bal.=Ni+27C+23N+0.2Mn+0.3Cu-1.2(Cr+Mo)-0.5Si-0.2Nb+10
Md30   =551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo-68Nb
MAI    =2391(C+N)+39.9Si+47.8Mn+59.8Cr+87.7Ni-1653
【請求項２】
請求項１における化学成分に加えて、質量比にして、Ａｌ：０．５％、Ｔｉ：０．５％以下から選んだ１種または２種を含有して高強度を有することを特徴とする請求項１記載の冷間加工性に優れたセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷間鍛造にて製造されるドリリングタッピングネジ、ボルト等に用いられる、固溶化状態での良好な冷間加工特性、冷間加工後に高い析出硬化度を有し高硬度が得られ、かつ使用時には良好な耐食性を持つセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のドリリングタッピングネジはマルテンサイトステンレス鋼のＳＵＳ４１０を冷間鍛造し、これに焼入焼戻処理を施して製造される場合がある。この場合、そのままでは硬さ特性を満たさない場合があり、窒化処理等の硬化処理を施す必要がある。さらに、耐食性、特に耐孔食性に劣り、海岸等の塩水雰囲気下では容易に錆が発生するため、対策としてメッキ処理等を施して耐食性を補う必要がある。このようにＳＵＳ４１０を使用する場合は工程数が増加し、コストアップとなっている。
【０００３】
また、非常に優れた冷間加工性とＳＵＳ３０４並の優れた耐食性を併せ持つＣｕ含有オーステナイトステンレス鋼のＳＵＳＸＭ７が使用される場合は、冷間加工後の強度が不足しているため、窒化処理等の表面硬化処理を施す必要がある。しかし、これらの硬化処理は工程数の増加と耐食性を劣化させる。
【０００４】
さらに冷間加工を施してから析出硬化処理を行うと高い強度とＳＵＳ４１０よりも良好な耐食性が得られるセミオーステナイト析出硬化ステンレス鋼のＳＵＳ６３１が使用される場合もある。この場合、高強度を得るためには高加工率の冷間加工を施す必要があるが、ＳＵＳ６３１の変形抵抗はＣｕ含有オーステナイトステンレス鋼に比べて非常に高く、冷間加工が困難である。また、耐食性についてもＳＵＳ４１０よりは良好な特性を示すが、ＳＵＳ３０４と比較すると劣っており、厳しい腐食環境下での使用に問題がある。
【０００５】
このようにどの鋼種も一長一短があり、その短所を補うために各工程が増加する問題がある。従って、これら特性を満たすべく鋼種開発が進められているが、現在のところ特性をすべて満たす鋼種は存在しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、固溶化状態でオーステナイト組織であり、Ｃｕ含有オーステナイトステンレス鋼のＳＵＳＸＭ７並の冷間加工性を有し、冷間加工後に熱処理を施すことにより高い高強度が得られ、特にドリリングタッピングネジの要求特性である硬さＨＶ＞４５０を満足し、さらに耐食性に関してもＳＵＳ４１０よりも優れ、耐食用途に汎用されているＳＵＳ３０４並の耐食性を有している材料を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
冷間加工性を良好なものにするためには固溶化処理状態では硬さが低く、その後の加工硬化率も低いことが必要である。
【０００８】
固溶化処理状態での組織をマルテンサイト組織からオーステナイト組織にすれば硬さを下げることができる。固溶化状態での組織をオーステナイトとするには、通常マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点を制御し、Ｍｓ点を室温以下にすれば良いとされている。しかし、このＦｅ−Ｃ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃｕ成分系ではシェフラーらが提唱している一般的なＭｓ点の式では制御できないことがわかった。そこで発明者らは研究を重ね制御式ＭＡＩを導きだし、これにより固溶化処理時のオーステナイト組織量を制御できることを見いだした。加えてマトリックスに固溶するＣとＮの量を低く抑制することで固溶化処理硬さをさらに低減できることも見いだした。
【０００９】
冷間加工時の加工硬化率を下げるためにはＣｕ含有のオーステナイトステンレス鋼に見られるようにＣｕの添加が有効である。しかしＣｕ含有のオーステナイトステンレス鋼よりもＣｕ含有の低Ｃマルテンサイトステンレス鋼の方が加工硬化率が低いことを見いだした。ただＣｕ含有の低Ｃマルテンサイトステンレス鋼は初期硬さが高いため、加工初期の形さおよび変形抵抗はＣｕ含有オーステナイトステンレス鋼に比べて劣っている。
【００１０】
以上の知見を得た発明者らは、Ｃ＋Ｎ量とＭＡＩを制御して固溶化状態の組織をオーステナイト組織として硬さを下げておき、Ｍｄ３０の制御によりそのオーステナイト組織を冷間加工で容易にマルテンサイト組織化する鋼種にすれば、加工が進むにつれマルテンサイト変態が進行して加工硬化率が下がり、Ｃｕ含有オーステナイトステンレス鋼以上の冷間加工性が得られることを見いだした。
【００１１】
また、この加工誘起マルテンサイト組織はＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂを過飽和に固溶しているため高い析出硬化度をもつ。このため冷間加工後に熱処理を施すと加工硬化した基地硬さに析出硬化の硬さが加わり、非常に高い強度が得られる。
【００１２】
また、この成分系は低Ｃ化とＣｒ、Ｎｉ量の制御、及びＭｏ添加によりＳＵＳ３０４並みの耐食性、特に耐孔食性を有することも見出した。
【００１３】
よって、以上の条件を満たせば、現状のドリリングタッピングネジ用材料で問題となっている点を解決できる特性を有することが明らかである。
【００１４】
しかし、この成分系では後述するように凝固時にδフェライトが生成し、２相組織となりやすく熱間加工性が劣る。そのため、量産的に製造するためにはδフェライト量を抑制して熱間加工性を改善する必要がある。δフェライト量とＮｉ−ｂａｌ．の関係については、Ｎｉ−ｂａｌ．が−４以上であれば熱処理および圧造によりδフェライト量を熱間加工性に影響を及ぼさない程度に減少でき、それにより熱間加工性の改善を図れることを見いだした。加えてＢを添加することにより、更に熱間加工性を改善できる。特にＮｉ−ｂａｌ．が−３〜−４の間ではＢを添加しないと熱処理と圧造を施しても十分な熱間加工性が得られないことが明らかとなった。
【００１５】
これらより、以下の範囲において諸特性を満足できる。
すなわち、本発明の手段は、請求項１の発明では、質量比にして、Ｃ：０．０３０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：６．０〜９．０％、Ｃｒ：１２〜１９％、Ｍｏ：０．５〜４％、Ｃｕ：２．５〜５％、Ｎｂ：０．１〜０．４％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、かつＣ＋Ｎが０．０４％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、下記式で示されるＮｉ−ｂａｌ．が−４以上、Ｍｄ３０が−４０以上、ＭＡＩが−５＜ＭＡＩ＜４０（ＭＡＩ：マルテンサイト−オーステナイト組織指数）で、かつ固溶化処理状態で８５％以上がオーステナイト組織を有し、冷間加工により容易にマルテンサイト組織となり、硬さ４５０ＨＶ超の優れた析出硬化特性を持つことを特徴とする冷間加工性に優れたセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼である。
【００１６】
ただし、
Ni-bal.=Ni+27C+23N+0.2Mn+0.3Cu-1.2(Cr+Mo)-0.5Si-0.2Nb+10
Md30   =551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo-68Nb
MAI    =2391(C+N)+39.9Si+47.8Mn+59.8Cr+87.7Ni-1653
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の手段における化学成分に加えて、質量比にして、Ａｌ：０．５％、Ｔｉ：０．５％以下から選んだ１種または２種を含有して高強度を有することを特徴とする請求項１の手段における冷間加工性に優れたセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼である。
【００１８】
【作用】
本発明の各成分の添加理由を以下に示す。
Ｃ：Ｃは０．０３０％を超えて添加されるとマルテンサイト組織の硬さが上昇し冷間加工性が劣るようになる。また、Ｃは耐食性に有効な元素であるＣｒ、Ｍｏと炭化物を形成し、このためマトリックス中に固溶しているＣｒ、Ｍｏが減少して耐食性が劣化する。これらを抑制するために、Ｃ量は０．０３０％以下とし、さらに、より望ましくは０．０２０％以下とする。
【００１９】
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸材として非常に有効な元素であるが、０．５％を超えると耐食性、特に耐孔食性を劣化し、かつ固溶化熱処理時の硬さを上げて冷間加工性を劣化するので、その上限を０．５％とした。
【００２０】
Ｍｎ：Ｍｎは固溶化状態でのオーステナイト傾向を高め、強度および靱性を向上させるに有効な元素であるが、１％を超えると冷間加工時にマルテンサイト変態するのを抑制し、冷間加工時の加工硬化率および変形抵抗が高くなる。また、冷間加工後の析出硬化特性も損ねる。このためＭｎの上限を１％とした。
【００２１】
Ｐ：Ｐは切削加工性を向上させるには有効な元素であるが、０．０４％を超えると熱間加工性の劣化、衝撃靱性の劣化等の悪影響が多くなるので、上限を０．０４％とした。さらに、より望ましいくは上限を０．０３％以下とする。
【００２２】
Ｓ：Ｓは切削加工性を向上させるためには非常に有効な元素であるが、０．０３％を超えると耐食性が劣化するので上限を０．０３％とした。さらに、より望ましいくは上限を０．０２％以下とする。
【００２３】
Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト化傾向が強く、かつ析出硬化特性を有するので必要不可欠な元素である。６％未満ではδフェライトの生成を抑制する作用及び固溶化状態でマルテンサイト組織の生成を抑制してオーステナイト組織とする作用が十分に出来ないため下限を６％とした。しかし、９％を超えるとＭＡＩが大きくなりすぎて安定オーステナイト組織となり、冷間加工時の加工硬化率および変形抵抗が高くなると共に、冷間加工後の析出硬化特性が失われるため、上限を９％とした。さらに、望ましくは６％〜８％とする。
【００２４】
Ｃｒ：Ｃｒはステンレス鋼として必要不可欠な元素であり、ステンレス鋼として要求される耐食性を満たすためには１２％以上必要である。しかし、フェライト生成傾向が強く、１９％を超えて多量添加するとＮｉ−ｂａｌ．が低下してδフェライト量が増加し、熱間加工性を損ねるので上限を１９％とした。さらに、望ましくは１４％〜１８％とする。
【００２５】
Ｍｏ：Ｍｏは耐食性、特に耐孔食性の向上に有効な元素であり、本成分系において、０．５％以上添加することでＳＵＳ３０４並の耐食性を示すため、下限を０．５％とした。また、４％を超えて添加するとＮｉ−ｂａｌ．が小さくなり、δフェライト量が増加して熱間加工性を損ねるとともに、Ｍｄ３０を下げて冷間加工時の加工硬化率及び変形抵抗が高くなるとともに、冷間加工後の析出硬化特性が劣化するため、上限を４％とした。さらに、望ましくは０．５％〜２．５％とする。
【００２６】
Ｃｕ：Ｃｕは２．５％未満では、析出硬化特性を損ね、また冷間加工性を向上させる効果も十分でないので、下限を２．５％とした。しかし、５％を超えて添加すると熱間加工性及び靱性が劣化するので、上限を５％とした。さらに、望ましくは２．５％〜４％とする。
【００２７】
Ｎｂ：ＮｂはＣおよびＮを固定するとともに析出硬化度を向上させるに必要不可欠な元素であるが、０．１％未満ではその効果は少ないため下限を０．１％とする。また、０．４％を超えて多量添加すると靱性および熱間加工性を劣化させると共に、Ｍｄ３０を下げて冷間加工時の硬さおよび変形抵抗を増加させると共に、冷間加工後の析出硬化特性を劣化させるのでその上限を０．４％とした。
【００２８】
Ｂ：Ｂは凝固組織状態での熱間加工性を改善する元素であるが、その効果が有効となるにはＢは０．００１％以上含有が必要である。しかし、０．００５％以上添加してもその効果が飽和してくるため、上限を０．００５％とした。
【００２９】
Ｃ＋Ｎ：Ｎは耐孔食性の向上に非常に有効な元素であるが、Ｃと同様にマトリックスに固溶し、マルテンサイト組織の硬さを増加させる。ＣとＮの総量として０．０４％を超えると固溶化状態での硬さが高くなり、冷間加工性が劣化するので、Ｃ＋Ｎの上限を０．０４％とした。
【００３０】
Ａｌ：Ａｌは脱酸材として非常に有効であり、析出硬化度を増加させる元素でもあるが、フェライト生成元素であるため、０．５％を超えて添加するとδフェライト量が増加して熱間加工性を損ねるため、上限を０．５％とした。
【００３１】
Ｔｉ：ＴｉはＣおよびＮを固定すると共に析出硬化度を増加させる元素であるが、フェライト生成傾向が強く、０．５％を超えて添加するとδフェライト量が増加して熱間加工性を損ねるため、上限を０．５％とした。
【００３２】
Ｎｉ−ｂａｌ．：Ｎｉ−ｂａｌ．は凝固後の組織を推定する上で有効となる指標である。この計算値が負の値になるとδフェライト相が生成する。本発明におけるＮｉ−ｂａｌ．は著名なシェフラーが提唱したニッケルバランスを基本として実測値から多重解析にて求めたものであり、本発明鋼に含有してシェフラーの式にはないＣｕとＮｂの項を加えたものである。
【００３３】
δフェライトが多くなると熱間加工性が劣化する。その理由は、マトリックスとの変形抵抗の違いにより、その界面が熱間加工時の割れ起点となる為である。本発明鋼の成分においては、圧延時にδフェライト量が３％以上ある組織の場合は熱間加工性に劣り、圧延が困難になる。
【００３４】
図１にＮｉ−ｂａｌ．とδフェライト量の関係を示す。δフェライト量はＮｉ−ｂａｌ．の低下により増加していることが分かる。このδフェライトは図１に示すように、均質熱処理および圧造によりその量は減少する。しかし、Ｎｉ−ｂａｌ．が−４未満となると、これらの処理を施してもδフェライトは３％以下に減少しなくなり、熱間加工性が劣化する。そこでＮｉ−ｂａｌ．の下限を−４とした。さらに、より望ましくは下限を−３とする。
【００３５】
Ｍｄ３０：冷間加工によりマルテンサイト変態が起こるのを推定する指標であり、その意味は３０％冷間加工を施した場合に５０％マルテンサイト変態が起こる温度である。この値が高くなるほど冷間加工によりマルテンサイト変態が起こりやすくなる。Ｍｄ３０を−４０以上にすると、冷間加工によりマルテンサイト変態量が増加し、十分な析出硬化特性を有するようになる。よってその下限を−４０とした。
【００３６】
ＭＡＩ：固溶化熱処理後の組織がオーステナイトになるかマルテンサイトになるかを表す指数で、発明者らが研究した結果導いた実験式である。この値が０以上であればほぼオーステナイト組織となる。また０未満になるとマルテンサイト組織が生成するようになり、値が低くなるにつれてマルテンサイト組織が増加する。
【００３７】
本発明鋼において、固溶化熱処理を施した場合に−５を超えれば、主にオーステナイト組織を有して２００ＨＶ以下の硬さとなり、良好な冷間加工特性が得られるため、下限を−５を超えるものとした。また、値が４０以上となると安定オーステナイト組織となり、冷間加工を施してもマルテンサイト変態しにくくなる。そのため上限を４０未満に設定した。
【００３８】
【実施例】
本発明鋼の特徴を従来鋼、比較鋼と比べて実施例でもって明らかにする。表１は、これら供試材の化学成分、各制御式の値を示したものであり、１〜９までが本発明鋼である。その中で１〜５が請求項１の発明鋼、６〜９が請求項２の発明鋼であり、１０〜２５は比較鋼、２６〜３０は従来鋼である。
【００３９】
表２は溶製した鋼塊を熱処理・圧造した後、１０４０℃で固溶化処理を施した後の組織の状態と硬さ、固溶化処理材を２０％および５０％冷間加工を施した時の変形抵抗値、６０％冷間加工を施した後に４８０℃の析出硬化処理を施した後の硬さ、材料の熱間加工性、及び、析出硬化状態での耐食性について示したものである。
【００４０】
【表１】
0003587271.tif 000002
【００４１】
固溶化処理後の組織の指標については、組織の８５％以上がオーステナイト組織を示すものをγ、逆にマルテンサイト組織を示すものをα’とし、熱処理および圧造を施しても３％以上のδフェライトが存在する場合にδの項目をつけ加えることにした。
【００４２】
材料の熱間加工性については、１１００℃における高温高速引張試験（グリーブル試験）における絞り値が一般的な圧延可能の指標である６０％を超えるものを○、超えないものを×としている。
【００４３】
耐食性については、耐孔食性としてＪＩＳの６％塩化第二鉄溶液の浸漬試験を行い、その腐食減量を示している。
【００４４】
固溶化処理後の組織はＮｉ−ｂａｌ．とＭＡＩにより整理でき、発明鋼が全てγ組織を示すのに際し、比較鋼でＭＡＩが−５以下のものについてはα’（マルテンサイト）組織を示している。加えて、Ｎｉ−ｂａｌ．が−４以下の鋼種についてはδフェライトの生成が認められる。また、Ｎｉ−ｂａｌ．が−４以上の鋼種であってもＴｉ、Ａｌが成分範囲以上に多量添加されているものはδフェライトが生成している。
【００４５】
固溶化処理後の硬さは発明鋼が全て２００ＨＶ以下であるのに対し、ＭＡＩが−５以下の比較鋼においては、マルテンサイト組織となっているため硬さが高くなっている。また、比較鋼でＭＡＩが高い鋼種は５０％までの変形抵抗値が高くなっている。さらに、Ｍｄ３０が−４０以下の比較鋼では加工誘起マルテンサイト変態が十分に起こらないため、５０％の変形抵抗が高くなっている。
【００４６】
冷間加工率と変形抵抗の関係について、本発明鋼の一例と従来鋼との比較を図２により詳しく示す。同じセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼であるＳＵＳ６３１と比較すると、同じ傾向を示しているが、発明鋼はＣ＋Ｎ量を抑制していることとＣｕを添加していることにより変形抵抗が非常に低くなっていることが分かる。Ｃｕ含有のマルテンサイト型析出硬化ステンレス鋼のＳＵＳ６３０は加工硬化率は低いが、固溶化状態の硬さが高いため低加工率での変形抵抗が高くなっている。しかし、本発明鋼では、ＭＡＩの制御により固溶化状態の硬さを下げていることで低加工率側での変形抵抗が大幅に低下していることに加え、Ｃ＋Ｎ量を抑制しているため、高加工率側の変形抵抗も低下している。また、冷間加工性に優れているＳＵＳＸＭ７は固溶化状態での硬さが低いため、低加工率側では変形抵抗が低くなっているが、加工誘起マルテンサイト変態を起こさないため高加工率側での変形抵抗は、本発明鋼よりも高くなっている。以上より、本発明鋼がＳＵＳＸＭ７と同等以上の冷間加工性を有していることが分かる。
【００４７】
【表２】
0003587271.tif 000003
【００４８】
さらに、表２より６０％冷間加工を施して析出硬化したときの硬さは、Ｍｄ３０が−４０以下の鋼種においては析出硬化特性が不十分になっており、ドリリグタッピングネジの要求特性である４５０ＨＶを満たしていない。従来鋼であるＳＵＳ３０４やＳＵＳＸＭ７及びＳＵＳ４１０では析出硬化しないため冷間加工ままの硬さとなっているため、これも硬さ不足となっており、高硬度を得ることができない。なお、表２の６０％加工後時効硬さはＨＶで示す。
【００４９】
熱間加工性に関して、発明鋼が良好な熱間加工性を示しているのに対し、Ｎｉ−ｂａｌ．が−４以下の比較鋼ではδフェライトの存在により熱間加工性が劣化している。また、Ｎｉ−ｂａｌ．が−３台でもＢ添加がなされていない鋼種は熱間加工性が劣っている。
【００５０】
耐食性に関しては、発明鋼が低Ｃ化、Ｃｒ、Ｎｉの制御とＭｏの添加により従来鋼のＳＵＳ３０４並の耐食性を有しているのに対し、比較鋼のＣが高い又はＭｏの添加されていない鋼種では耐食性が明らかに劣っている。また従来鋼はオーステナイトステンレス鋼を除いて耐食性が十分でないことも明らかである。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鋼は、固溶化状態ではオーステナイト組織であり、かつＳＵＳＸＭ７並の良好な冷間加工特性を有し、冷間鍛造後に熱処理を施すことにより加工硬化した基地硬さに析出硬化による硬さが加わり非常に高い強度が得られ、硬さ４５０ＨＶ超を満足し、さらに耐食性に関してもＳＵＳ４１０よりも優れ、耐食用途に汎用されているＳＵＳ３０４並の耐食性を有するセミオーステナイト型析出硬化ステンレス鋼で、耐食性に優れたドリリングタッピングネジやボルト等を冷間鍛造にて製造することができ、かつ熱間加工性も良好であるなど、従来の鋼にない優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎｉ−ｂａｌ．とδフェライト量の関係を示す図である。
【図２】冷間加工率と変形抵抗の関係を示す図である。
【図１】
0003587271.tif 000004
【図２】
0003587271.tif 000005