(57)【要約】【課題】非常に良好な冷間成形性を有する耐食性マルテンサイト系鋼合金を提供することを課題とする。【解決手段】合金は、重量％で、０．１０〜０．４０の炭素、０．０１〜２．０のマンガン、最大２．０の珪素、最大０．２の燐、最大０．０３０の硫黄、１０〜１５のクロム、最大０．５のニッケル、０．７５〜４．０のモリブデン、０．０２〜０．１５の窒素、１．５〜４．０の銅、最大０．０１のチタン、最大０．０１のアルミニウム、最大０．１０のニオブ＋タンタル、最大０．２０のバナジウム、０．００１未満のジルコニウム、０．００１未満のカルシウムを含有している。合金の残部は、実質的に鉄である。本合金においては、Ｎｉ／Ｃｕが０．２未満となるようにニッケルと銅がバランスされている。本発明の合金の第二の実施形態は、良好な切削性を発揮させるために、少なくとも約０．００５％の硫黄、セレン又はそれらの組合せを含んでいる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％にして、実質的に、
炭素                約０．１０〜０．４０
マンガン            約０．０１〜２．０
珪素                最大約２．０
燐                  最大約０．２
硫黄                最大約０．０３０
クロム              約１０〜１５
ニッケル            最大約０．５
モリブデン          約０．７５〜４．０
窒素                約０．０２〜０．１５
銅                  約１．５〜４．０
チタン              最大約０．０１
アルミニウム        最大約０．０１
ニオブ＋タンタル    最大約０．１０
バナジウム          最大約０．２０
ジルコニウム        ０．００１未満
カルシウム          ０．００１未満
を含有し、残部が、実質的に鉄であり、Ｎｉ／Ｃｕが０．２未満である耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項２】
約１４．３％以下のクロムを含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項３】
少なくとも約１．７５％の銅を含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項４】
約３．０％以下のモリブデンを含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項５】
少なくとも約０．０４％の窒素を含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項６】
少なくとも約１１．５％のクロムを含んでいる、請求項２に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項７】
約０．３５％以下のニッケルを含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項８】
少なくとも約２．０％の銅を含んでいる、請求項７に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項９】
約０．２５％以下のニッケルを含んでいる、請求項８に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１０】
少なくとも約０．００５％の硫黄、セレン又はそれらの組合せを含んでいる、請求項１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１１】
重量％にして、実質的に、
炭素                約０．１５〜０．３０
マンガン            約０．０１〜１．０
珪素                最大約１．０
燐                  最大約０．１
硫黄                最大約０．０２０
クロム              約１１．５〜１４．３
ニッケル            最大約０．３５
モリブデン          約１．２５〜３．０
窒素                約０．０４〜０．１０
銅                  約１．７５〜３．５
チタン              最大約０．０１
アルミニウム        最大約０．０１
ニオブ＋タンタル    最大約０．１０
バナジウム          最大約０．２０
ジルコニウム        ０．００１未満
カルシウム          ０．００１未満
を含有し、残部が、実質的に鉄であり、Ｎｉ／Ｃｕが約０．１５以下である耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１２】
約１３．８％以下のクロムを含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１３】
少なくとも約２．０％の銅を含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１４】
約２．５％以下のモリブデンを含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１５】
少なくとも約０．０５％の窒素を含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１６】
少なくとも約１３．０％のクロムを含んでいる、請求項１３に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１７】
約０．２５％以下のニッケルを含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１８】
少なくとも約０．００５％の硫黄、セレン又はそれらの組合せを含んでいる、請求項１１に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項１９】
重量％にして、実質的に、
炭素                約０．２０〜０．２５
マンガン            約０．０１〜０．３
珪素                最大約０．７５
燐                  最大約０．０５
硫黄                最大約０．０１５
クロム              約１３．０〜１３．８
ニッケル            最大約０．２５
モリブデン          約１．７５〜２．５
窒素                約０．０５〜０．０８
銅                  約２．０〜３．０
チタン              最大約０．０１
アルミニウム        最大約０．０１
ニオブ＋タンタル    最大約０．１０
バナジウム          最大約０．２０
ジルコニウム        ０．００１未満
カルシウム          ０．００１未満
を含有し、残部が、実質的に鉄であり、Ｎｉ／Ｃｕが約０．１０以下である耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【請求項２０】
少なくとも約０．００７％の硫黄、セレン又はそれらの組合せを含んでいる、請求項１９に記載の耐食性マルテンサイト系鋼合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼に関し、特に、耐食性，冷間成形性，切削性及び高い強度を兼ね備えた特異な特性を発揮するようにバランスされた組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械及びその他の装置の多くの鋼部品は、バー又はロッド形態の鋼合金を機械加工することにより作られている。然しながら、そのような部品特にファスナーを作るための機械加工処理によって、可也の量の無駄な材料が発生する。従って、従来機械加工されていた部品は、現在、コールドヘッディングのような冷間成形技術を用いて製造するように処理されている。
【０００３】
鋼部品製造に関する冷間成形技術への移行は、冷間成形性に加えて、耐食性及び高い強度が鋼部品に要求される場合には、重大な問題を露呈する。従来、鋼部品において高強度と耐食性とが要求される場合には、析出硬化型ステンレス鋼が用いられている。然しながら、公知の析出硬化型ステンレス鋼の高い焼きなまし硬さが約１００  ＨＲＢより通常大きいので、公知の析出硬化型ステンレス鋼は、十分な冷間成形性を発揮しない。幾分より良好な冷間成形性を発揮する公知のマルテンサイト系ステンレス鋼であっても、耐食性の点を含めて必要とされる問題点を残している。オーステナイト系及びフェライト系ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好な耐食性を発揮するが、多くの分野において必要とされる強度を有していない。加えて、冷間成形された或る部品では、最終形状及び寸法を確保するために少ない量の機械加工も必要とされる。快削添加剤を用いると、冷間成形可能な鋼合金におけるその他の必要な特性に悪影響を及ぼす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した点に鑑みて、高強度と耐食性及び公知の冷間成形可能なステンレス鋼よりも良好な冷間成形性とを兼ね備えたマルテンサイト系ステンレス鋼に対する必要性が持ち上がっている。合金の冷間成形性に悪影響を及ぼすことなく良好な切削性を発揮するような鋼を確保することも同様に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
公知の冷間成形可能なステンレス鋼の欠点は、次の広範な範囲，中間範囲及び好適な範囲の合金組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼合金によって可也の程度解消される。
【０００６】
2009503257.tif 000002
この合金の残部は、実質的に通常の不純物と鉄である。ニッケルと銅は、Ｎｉ／Ｃｕの比率が０．２未満、好ましくは約０．１５以下、更に好ましくは約０．１０以下の比率となるようにバランスされている。
【０００７】
上記表は、本発明に係る合金の組成を便宜的に要約したものであって、互いに組み合わせて用いられる各元素範囲の下限値及び上限値を制限し、或いは単に互いに組み合わせて用いられる元素の各範囲を制限するものではない。従って、或る元素の広範な範囲，中間範囲及び好適な範囲の一つ又はそれ以上を採用しながら、残りの元素の他の範囲の一つ又はそれ以上を採用することもできる。更に、或る元素の広範な範囲，中間範囲又は好適な範囲の上限値又は下限値の一方を採用しながら、残りの範囲の一つからその元素の下限値又は上限値の他方を採用することもできる。本明細書を通じて、特に指摘していない限り、パーセント（％）は、重量％を意味するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
炭素は、合金によって発揮される高い強度に役立つので本合金中に存在する。炭素は、合金の良好な相バランス（ｐｈａｓｅ  ｂａｌａｎｃｅ）にも有益である。このような理由で、本合金は、少なくとも約０．１０％、より好ましくは少なくとも約０．１５％、更に好ましくは少なくとも約０．２０％の炭素を含有している。炭素が多すぎると、合金の耐食性及び冷間成形性に悪影響を及ぼす一次炭化物（ｐｒｉｍａｒｙ  ｃａｒｂｉｄｅ）をこの合金中に過剰に生成させる結果となる。従って、この合金は、約０．４０％以下、好ましくは約０．３０％以下、更に好ましくは約０．２５％以下の炭素を含有している。
【０００９】
マンガンはオーステナイトの生成を促進させ、フェライトの生成を抑制するため、この合金の相バランスに有益な元素である。そのために、この合金は約２．０％までのマンガンを含有している。マンガンによって発揮される利点を確保するために、この合金は少なくとも約０．０１％のマンガンを含有している。合金の切削性に利するためにこの合金に硫黄を加えた場合には、合金によって発揮される耐食性に悪影響を及ぼすマンガン硫化物が生成されることがある。従って、約０．００５％より多い硫黄がこの合金中に存在する場合には、マンガンは、約１．０％以下、好ましくは約０．３％以下に制限される。マンガンをそのような少ないレベルに維持させることによりマンガン硫化物の生成を抑制すると、切削性に役立ち且つこの合金によって発揮される耐食性に悪影響を及ぼさないクロム硫化物の生成を促進させる。
【００１０】
望ましい又は必要な場合には、合金の切削性に利するためにこの合金中に少量の硫黄を存在させることができる。従って、良好な切削性が要求される場合には、この合金は、少なくとも約０．００５％、好ましくは少なくとも約０．００７％の硫黄を含んでいる。硫黄が多すぎると、合金の熱間加工性及び冷間成形性に悪影響を及ぼす。また、上述したように、硫黄はマンガンと組み合わさって、合金の耐食性に悪影響を及ぼすマンガン硫化物を生成させてしまう。従って、硫黄が存在する場合には、硫黄は、約０．０３０％以下、好ましくは約０．０２０％以下、更に好ましくは約０．０１５％以下に制限される。セレンもこの合金の切削性に利するので、セレンは、硫黄の幾らかと置換させるか又は１：１の重量％基準で硫黄の全部と置換させることができる。
【００１１】
最良の冷間成形が必要とされる分野のために、硫黄は、好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは約０．００７％以下に制限され、最良の結果を得るためには、約０．００５％以下に制限される。
【００１２】
クロムは、合金により発揮される耐食性に利するためにこの合金中に存在する。従って、この合金は、少なくとも約１０％、好ましくは少なくとも約１１．５％、更に好ましくは少なくとも約１３．０％のクロムを含有している。クロムが多すぎると、合金の耐食性及び熱間加工性に悪影響を及ぼす量のフェライトを合金中に生成させる結果となる。従って、この合金においては、クロムは、約１５％以下、好ましくは約１４．３％以下、更に好ましくは約１３．８％以下に制限される。
【００１３】
モリブデンは特に塩化物含有雰囲気中で合金の耐食性に利するので、この合金は、少なくとも約０．７５％のモリブデンを含有している。その目的のため、好ましくは、この合金は、少なくとも約１．２５％、更に好ましくは、少なくとも約１．７５％のモリブデンを含有している。クロムと同様に、モリブデンは合金中でフェライトの生成を促進させ、過剰なフェライトは、合金の一般的な耐食性及び熱間加工性に悪影響を及ぼす。従って、この合金は、約４．０％以下、好ましくは約３．０％以下、より好ましくは約２．５％以下のモリブデンを含有している。
【００１４】
合金の冷間成形性に利するためにこの合金中には銅が存在する。銅は、合金に満足のいく相バランスを発揮させるのに役立ち、硫黄が存在する場合には、合金の切削性に寄与する。合金が少なくとも約１．５％の銅を含んでいる場合には、銅による利点が現実化される。好ましくは、この合金は、少なくとも１．７５％、より好ましくは少なくとも約２．０％の銅を含有している。銅の量が多すぎると、この合金を熱間脆性のあるものにさせてしまい、それは、合金の熱間加工性に悪影響を及ぼす。従って、この合金においては、銅は、約４．０％以下、より好ましくは約３．５％以下、更に好ましくは約３．０％以下に制限される。
【００１５】
この合金の相バランスに利するために、この合金中には約０．５％までのニッケルを存在させることができる。ニッケルは合金の冷間成形性に悪影響を及ぼす合金の焼きなまし強度を増大させるので、好ましくは、ニッケルは、約０．３５％以下、更に好ましくは約０．２５％以下の量に制限される。良好な冷間成形性のために不可欠な低い焼きなまし硬さと、耐食性及び熱間加工性に役立つ適切な相バランスとを兼ね備えた良好な特性を発揮させるために、ニッケル対銅の割合（Ｎｉ／Ｃｕ）が、０．２未満、好ましくは約０．１５以下、更に好ましくは約０．１０以下となるように、この合金においては、ニッケルと銅がバランスされている。
【００１６】
窒素は合金によって発揮される高い強度に寄与するので、この合金は、少なくとも約０．０２％、好ましくは少なくとも約０．０４％、より好ましくは少なくとも約０．０５％の窒素を含有している。窒素は、相バランス及びこの合金によって発揮される耐食性にも役立つ。この合金中に窒素が多すぎると、結果としてブロウイーインゴット（ｂｌｏｗｙ  ｉｎｇｏｔ）になってしまい、合金の冷間成形性及び熱間加工性に悪影響を及ぼす。従って、窒素は、約０．１５％以下、好ましくは約０．１０％以下、更に好ましくは約０．０８％以下に制限される。
【００１７】
溶解中に合金を脱酸させるのに有効な量の珪素を合金中に存在させることができる。然しながら、珪素が多すぎると、合金の耐食性及び熱間加工性に悪影響を及ぼす過剰なフェライトの生成が合金中で促進される。従って、この合金には、脱酸剤として用いるために約２．０％までの珪素を含有させることができる。然しながら、この合金においては、珪素は、好ましくは約１．０％以下、より好ましくは約０．７５％以下に制限される。
【００１８】
この合金の残部は、本合金の用途と同一又は同様な用途に用いられる同等級のマルテンサイト系ステンレス合金中に見出される通常の不純物及び添加物を除き、鉄である。この点に関連して、この合金は、約０．２％まで、好ましくは約０．１％まで、更に好ましくは約０．０５％以下の燐を含んでいる。また、この合金は、約０．２０％までであるが、好ましくは、約０．１０％以下のバナジウムを含有している。更に、この合金には、合わさった量が約０．１０％まで、好ましくは約０．０１％以下である、ニオブとタンタルを存在させることができる。更に、この合金は、夫々、約０．０１％未満のチタン，アルミニウム及びジルコニウムを含有している。合金は、約０．００３％までのホウ素を含有していてもよい。夫々、一般的には０．００１％未満の少量、痕跡量のカルシウム及びジルコニウムが、この合金中に同様に存在していてもよい。
【００１９】
この合金の溶解及び精錬には特別な技術を必要としない。引き続いてアルゴン酸素脱炭法（ＡＯＤ）が実施されるアーク溶解法を用いることができる。然しながら、合金のより良好なクリーンさが必要とされる場合には、真空誘導溶解法（ＶＩＭ）が好ましい。この合金は、連続鋳造法に適しており、要請がある場合には、粉末冶金技術によって作ることができる。鋳造後に、この合金のインゴットを、好ましくは、インゴット・クラッキングを防止するのに十分ゆっくりとした速度で、炉で冷却する。
【００２０】
本発明による合金のインゴットは、好ましくは、中間加工（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓ）後に必要とされるように再加熱で、約２０００〜２３００゜Ｆ（１０９３〜１２６０℃）、好ましくは、約２１００〜２２５０゜Ｆ（１１４９〜１２３２℃）の炉温度から熱間加工する。大きな断面寸法の状態において、合金は、熱間圧延することの可能な寸法に熱間加工されて、冷間引き抜きをすることの可能な断面寸法にされる。中間の焼きなましは、約４時間、約１６５０〜１７００゜Ｆ（９００〜９２７℃）で実施され、続いて、好ましくは、１時間毎に約３０゜Ｆ（−１．１℃）炉冷却して１２００゜Ｆ（６４９℃）まで炉冷却させる。次に、合金を大気中で室温まで冷却させる。
【００２１】
この合金は、好ましくは、冷間引き抜き加工に適切な断面寸法まで熱間圧延される。熱間圧延は、好ましくは、約２１５０〜２２５０゜Ｆ（１１７７〜１２３２℃）の開始温度から実施する。熱間圧延後に、合金を、約２時間、約１４５０〜１５５０゜Ｆ（７８８〜８４３℃）で焼きなましする。好ましくは、合金を焼きなまし温度から１時間毎に約２０゜Ｆ（−６．７℃）炉冷却して約１２００゜Ｆ（６４９℃）まで下げて、次に、室温まで空冷させる。
【００２２】
どの程度の減少量が必要とされるかによって、一回又はそれ以上のパスで、合金を冷間引き抜きして最終寸法にさせる。冷間引き抜きに先立って、合金をシェービング，研磨及びプリコーティングすることができる。所望の寸法に冷間引き抜きした後に、そのワイヤーをクリーニングして、残留した引き抜き化合物及びその他の何らかの表面汚染物を除去する。次に、その合金ワイヤーを上述したのと同様又は同一のサイクルで、焼きなましする。その合金ワイヤーは、冷間成形処理中の焼付きを防止するために、銅の表面層で又はその他のコーティングによって被覆することができる。
【００２３】
本合金は、コールドヘッディングによるように冷間成形されて、所望の形状及び寸法にされる。冷間成形された製品としては、ネジ，ボルト及びナットのようなファスナーが含まれる。最終製品形態のものは、約１時間、約１７５０〜２０００゜Ｆ（９５４〜１０９３℃）、好ましくは少なくとも約１９００゜Ｆ（１０３８℃）でオーステナイト化させ、続いて、焼入れすることにより硬化させる。合金は、好ましくは、真空中で約１時間、オーステナイト化温度で加熱し、サーマル・スケーリング（酸化）を防止するために迅速なガス冷却によって焼入れする。合金は、約２時間約３００〜９００゜Ｆ（１４９〜４８２℃）で焼き戻しして、次に空気中で冷却することができる。
【００２４】
本発明に係る合金は、様々な用途のために様々な形状に形成することができる。然しながら、この合金は、好ましくは、上述したように有用な製品に冷間成形することの可能なロッド又はワイヤーに形成される。
【００２５】
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態に対して何らかの変更又は修正を加えてもよいことは、当業者に理解されるであろう。従って、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述し且つ特許請求の範囲に記載された発明及び精神の範囲内で変更及び修正される全ての態様を含むものであることが理解される。
【国際調査報告】
2009503257.tif 000003
2009503257.tif 000004
2009503257.tif 000005