(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．３０〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：４．０〜９．０％、Ｃｒ：１３．０〜２２．０％、Ｍｏ：０．２０〜２．００％、Ｃｕ：０．６０〜４．００％、Ｔｉ：０．５０〜３．５０％、Ｎｂ：０．０１〜２．００％、Ｎ：０．０５０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、下記（１）式、（２）式、および（３）式を満足することを特徴とする耐食性および製造性に優れた高硬度ステンレス鋼。
［Ｃｕ］＋２．３［Ｔｉ］＋２．４［Ｓｉ］≧５．３・・・（１）
［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１２．０・・・（２）
［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦１９．５・・・（３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や船舶などのプロペラシャフト、ドライブシャフトおよび当てん装置のロールなどといった高硬度、高耐食性および高靭性が求められる部材として使用される耐食性および製造性に優れたステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部材のシャフトや圧延用ロールといった用途に使用される材料では、高硬度、高靱性を必須の性能とし、さらに、これらの性能に加えて、様々な使用環境に対応できる耐食性も有するものが望まれている。ところで、ＳＵＳ４２０ｊ２に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼では、高硬度は確保できても、耐食性では耐食環境が限定される。一方、ＳＵＳ６３０やＳＵＳ６３１で代表される析出硬化系ステンレス鋼は良好な耐食性を示すが、硬さはマルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性には及ばない上に、最高硬さが得られる加工熱処理条件も限られるため、製造上にも難がある。
【０００３】
他方、ＳＵＳ６３０の析出硬化系ステンレス鋼をベースとして、その化学成分のＳｉをＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｉ及びＣｏとともに時効処理による金属間化合物のＧ相の複合析出により高硬度が得られる発明が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。しかし、これらの提案の発明では金属間化合物のＧ相構成元素として高価なＣｏを化学成分として必須としている。しかも、これらの提案の発明では、さらに高い硬さが得られる熱処理範囲については考慮されていない。
【０００４】
さらに、マルテンサイト系析出硬化型のステンレス鋼の本来の特徴を失うことなく、被削性を飛躍的に改善した快削析出型ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この提案の快削析出型ステンレス鋼はスクラップの再利用性を加味しており、Ｃｕは積極的に添加していないので、硬さレベルが低く、高い時効硬さが得られる熱処理範囲が限定的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１７０５４号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２１１５８号公報
【特許文献３】特開２００４−３６００３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車用部材のシャフトや圧延用ロールといった用途に使用される材料は、高硬度、高靱性を必須性能とし、さらに様々な使用環境に対応できる耐食性を有するものが望まれている。ところで、ＳＵＳ４２０Ｊ２に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼では、高硬度は確保できても、耐食環境は限定される。一方、ＳＵＳ６３０やＳＵＳ６３１で代表される析出硬化型ステンレス鋼は良好な耐食性を示すが、硬さはマルテンサイト系ステンレス鋼の硬さには及ばない。その上に、これらの析出硬化型ステンレス鋼は最高硬さが得られる加工熱処理条件も限られる。そのために、これらは製造性にも難がある。そこで、こうした現状では、解決しなければならない問題がある。
【０００７】
本願の発明が解決しようとする課題は、マルテンサイト系ステンレス鋼と析出硬化型ステンレス鋼の双方の特長を有し、さらに高硬度が得られる熱処理範囲が広く、製造性にも長けているので、耐食性および製造性に優れた高硬度ステンレス鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明の課題を解決するための手段は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．３０〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：４．０〜９．０％、Ｃｒ：１３．０〜２２．０％、Ｍｏ：０．２０〜２．００％、Ｃｕ：０．６０〜４．００％、Ｔｉ：０．５０〜３．５０％、Ｎｂ：０．０１〜２．００％、Ｎ：０．０５０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、下記（１）式、（２）式、および（３）式を満足することを特徴とする耐食性および製造性に優れた高硬度ステンレス鋼である。
［Ｃｕ］＋２．３［Ｔｉ］＋２．４［Ｓｉ］≧５．３・・・（１）
［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１２．０・・・（２）
［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦１９．５・・・（３）
【発明の効果】
【０００９】
本発明の手段の合金の組成範囲とすることおよび（１）式に限定することによりＣｕとＧ相（Ｎｉ16Ｔｉ6Ｓｉ7）の複合析出によって最高時効（ピーク時効）硬さである、時効硬さ≧５３ＨＲＣが得られ、かつ最高時効（ピーク時効）温度±５０℃の範囲で、時効硬さ≧４８ＨＲＣが得られ、さらに（２）式に限定することにより、最高時効（ピーク時効）硬さである、時効硬さ≧５３ＨＲＣを確保し、炭窒化物の析出を抑制して、優れた耐食性が得られ、また、さらに（３）式に限定することにより、最高時効（ピーク時効）硬さである、時効硬さ≧５３ＨＲＣを確保し、δフェライト量とマトリクスの脆化を抑制して良好な靱性が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明の実施するための形態を記載するに先立って、本願発明の課題を解決する手段における構成要件について記載する。この場合、各成分元素における％は、質量％である。
【００１１】
Ｃ：０．０１〜０．１０％
Ｃは、鋼のγ安定元素で過剰δフェライトの生成を抑制し、良好な靱性を確保するために必要な元素である。このためには、Ｃは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｃは０．１０％を超えて含有されると、炭窒化物の生成により鋼の耐食性が劣化する。そこで、Ｃは０．０１〜０．１０％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．３０〜２．００％
Ｓｉは、製鋼段階での脱酸剤であり、鋼に析出硬化粒子を生成する。このためには、Ｓｉは０．３０％以上が必要である。しかし、Ｓｉは２．００％を超えて含有されると、鋼の延性、δフェライトの生成およびマトリックスの脆化による靱性、並びに鋼の製造性が低下する。そこで、Ｓｉは０．３０〜２．００％、好ましくは、０．５０〜１．８０％とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．０１〜１．００％
Ｍｎは、製鋼段階での脱酸剤である。このためには、Ｍｎは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｍｎは１．００％を超えて含有されると、脱酸剤としての効果は飽和し、かつ、鋼に硫化物の生成を促進して鋼の耐食性を劣化する。そこで、Ｍｎは０．０１〜１．００％とし、好ましくは、０．１０〜０．８０％とする。
【００１４】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、不純物元素であり、鋼に０．０４０％を超えて含有されると、鋼の延性、靱性および熱間加工性が劣化する。そこで、Ｐは０．０４０％以下とし、好ましくは、０．０２０％以下とする。
【００１５】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物元素であり、鋼に０．０３０％を超えて含有されると、鋼の延性、靱性および熱間加工性が劣化する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とし、好ましくは、０．０２０％以下とする。
【００１６】
Ｎｉ：４．０〜９．０％
Ｎｉは、鋼のγ安定元素で過剰δフェライトの生成を抑制する一方で、良好な靱性を確保すると共に、焼入性の向上による均質微細組織を形成する元素である。このためには、Ｎｉは４．０％以上が必要である。しかし、９．０％を超えて含有されても、上記の効果が飽和し、かつ残留γ量の増大により鋼の硬さが軟化し、コスト高となる。そこで、Ｎｉは鋼のγ安定元素で過剰δフェライトの生成を抑制し、好ましくは、４．５〜７．５％とする。
【００１７】
Ｃｒ：１３．０〜２２．０％
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素である。このためには、Ｃｒは１３．０％以上が必要である。しかし、Ｃｒは２２．０％を超えて含有されると、耐食性向上の効果は飽和し、過剰のδフェライト生成し、脆化相の生成により靱性を劣化する。そこで、Ｃｒは１３．０〜２２．０％とし、好ましくは、１４．０〜２０．０％とする。
【００１８】
Ｍｏ：０．２０〜２．００％
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。このためには、Ｍｏは０．２０％以上が必要である。しかし、Ｍｏは高価な元素であるので、２．００％を超えて含有させると、コスト高となり、さらに、過剰のδフェライト生成し、脆化相の生成により靱性を劣化する。そこで、Ｍｏは０．２０〜２．００％とし、好ましくは、０．５０〜１．７０％とする。
【００１９】
Ｃｕ：０．６０〜４．００％
Ｃｕは、鋼に析出硬化粒子を生成する元素である。このためには、Ｃｕは０．６０％以上が必要である。しかし、Ｃｕは４．００％を超えて含有されると、析出硬化粒子の生成の効果が飽和し、赤熱脆性の誘起により鋼の製造性が低下する。そこで、Ｃｕは０．６０〜４．００％とし、好ましくは、１．００〜３．５０％とする。
【００２０】
Ｔｉ：０．５０〜３．５０％
Ｔｉは、鋼に析出硬化粒子を生成する元素である。このためには、Ｔｉは０．５０％以上が必要である。しかし、Ｔｉは３．５０％を超えて含有されると、粗大炭化物の生成による鋼の製造性が低下し、コスト高となる。そこで、Ｔｉは０．５０〜３．５０％とし、好ましくは、０．７０〜２．３０％とする。
【００２１】
Ｎｂ：０．０１〜２．００％
Ｎｂは、鋼に析出硬化粒子を生成する元素である。このためには、Ｎｂは０．０１％以上が必要である。しかし、Ｎｂは２．００％を超えて含有されると、粗大炭化物の生成による鋼の製造性が低下し、コスト高となる。そこで、Ｎｂは０．０１〜２．００％とする。
【００２２】
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、鋼の耐食性および結晶粒粗大化防止に有効な元素である。このためには、Ｎは０．０５０％以下とする必要がある。しかし、Ｎは０．０５０％を超えて含有されると、粗大炭化物の生成による鋼の製造性が低下する。そこで、Ｎは０．０５０％以下とする。
【００２３】
［Ｃｕ］＋２．３［Ｔｉ］２．４［Ｓｉ］≧５．３・・・（１）
式（１）において、［Ｃｕ］＋２．３［Ｔｉ］２．４［Ｓｉ］が５．３以上であるとする理由は、ＣｕとＧ相が複合析出し、幅広い時効温度域で鋼に高い時効硬さが得られるからである。すなわち、最高硬さが得られる時効温度±５０℃においても、鋼の硬さは４８ＨＲＣ以上が得られる。
【００２４】
［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３≧１２．０・・・（２）
式（２）において、［Ｃｒ］＋３［Ｍｏ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］＋［Ｓｉ］＋［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］−２６（［Ｃ］＋［Ｎ］）−１０．３が１２．０以上とする理由は、５３ＨＲＣ以上の時効硬さを確保しつつ、炭窒化物生成による鋼の耐食性の劣化を抑えることができるからである。
【００２５】
［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）≦１９．５・・・（３）
式（３）において、［Ｃｒ］＋１．５［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｂ］＋２［Ｔｉ］−０．５［Ｎｉ］−６．７（［Ｃ］＋［Ｎ］）が１９．５以下とする理由は、時効硬さおよび耐食性を確保しつつ、δフェライト増量とマトリクスの脆化による鋼の衝撃特性の劣化を回避することができるからである。
【００２６】
次いで、発明の実施をするための形態を記載するものとする。表１に示す、Ｎｏ．１〜１６の実施例である発明例と、それらの比較例のＮｏ．１７〜３６とにおける化学成分の供試鋼を、それぞれ１００ｋｇ真空誘導加熱炉によりＶＩＭ鋼塊を溶製し、該鋼塊を１１５０℃に加熱して鍛伸により直径２０ｍｍの丸棒あるいは径１５ｍｍの角棒とした。次いでこれらの鋼材を９００〜１２００℃に加熱して１０分以上保持して固溶化熱処理し、次いで水冷により急冷して−２０℃ないし−９０℃に１０分以上保持してサブゼロ処理をして残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させた。この後、さらに３００〜８００°Ｃに３０分以上加熱保持した後、空冷する熱処理により時効処理して、各試験片を作製した。
【００２７】
【表１】
0006583885.tif 000002
【００２８】
上記で作製した直径２０ｍｍの丸棒を使用し、熱処理による時効処理後に、鍛伸方向に垂直な断面の中周部のロックウェル硬さを測定し、表２に示すように、発明例Ｎｏ．１〜１６および比較例Ｎｏ．１７〜３６につき、時効最高硬さで、５３ＨＲＣ以上を○とし、５３ＨＲＣ未満を×として、それぞれ評価した。
【００２９】
さらに、上記で作製した直径２０ｍｍの丸棒を使用し、最高硬さが得られた熱処理による時効処理温度よりも５０℃低い温度あるいは５０℃高い温度にて時効処理した後、鍛伸方向に垂直な断面の中周部のロックウェル硬さを測定し、表２に示すように、発明例Ｎｏ．１〜１６および比較例Ｎｏ．１７〜３６につき、最高硬さの時効処理温度±５０℃の範囲での硬さで、４８ＨＲＣ以上を○とし、４８ＨＲＣ未満を×として、それぞれ評価した。
【００３０】
さらに、上記で作製した径１５ｍｍの角棒を使用し、熱処理による時効処理した後に、鍛伸方向に平行に、径１０ｍｍで長さ５５ｍｍの角棒として２ｍｍＵノッチ試験片を作製した。この試験片を常温にてシャルピー衝撃試験に供して、表２に示すように、シャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ2以上を○とし、３５Ｊ／ｃｍ2未満を×として評価した。
【００３１】
上記で作製した直径２０ｍｍの丸棒から直径１２ｍｍで長さ２１ｍｍの棒状腐食試験片へ加工した後、６％塩化第２鉄の２５℃の溶液に２４時間浸漬する孔食試験を実施し、試験片の腐食度にて、表２に示すように、１０．０ｇ／ｍ2／ｈ未満のものを○、１０．０〜２０．０ｇ／ｍ2／ｈ未満のものを△、２０．０ｇ／ｍ2／ｈ以上のものを×として、孔食試験による耐食性を評価した。
【００３２】
【表２】
0006583885.tif 000003
【００３３】
本願の化学成分の組成からなるステンレス鋼は、加工時の熱処理範囲が広く製造性に優れており、さらに、ＣｕとＧ相（Ｎｉ16Ｔｉ6Ｓｉ7）の複合析出により最高時効（ピーク時効）硬さである５３ＨＲＣ以上が得られ、さらに最高時効（ピーク時効）処理温度±５０℃の範囲における硬さで４８ＨＲＣ以上が得られ、さらにシャルピー衝撃値が３５Ｊ／ｃｍ2以上が得られ、また、さらに孔食試験で腐食度が２０．０ｇ／ｍ2／ｈ未満である優れた耐食性が得られる。