(57)【要約】【課題】  新たな、または粗大な介在物を形成することなく介在物を均一微細化し、疲労特性を向上させると共に優れた被削性を兼備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】  合金粉末が焼結したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、質量％でＣ：０．３〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：９〜２０％、Ｓ：０．０１〜０．１５％、残部は実質的にＦｅからなり、断面の金属組織中に見られる硫化物系介在物サイズが、平均直径：５μｍ以下、最大：７μｍ以下、面積率：０．１〜１％の範囲である被削性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金粉末が焼結したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、質量％でＣ：０．３〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：９〜２０％、Ｓ：０．０１〜０．１５％、残部は実質的にＦｅからなり、断面の金属組織中に見られる硫化物系介在物サイズが、平均直径：５μｍ以下、最大：７μｍ以下、面積率：０．１〜１％の範囲であることを特徴とする被削性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリン、ディーゼルエンジンの燃料噴射部材等のような断続的な高圧負荷に対する疲労特性が要求され、更には部品の加工精度が要求される用途に用いられ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】
近年、自動車に関する環境保護対策の一環として、排ガス規制強化が挙げられる。特に、ディーゼルエンジンは環境に有害な粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）を多く含むことから、今後益々この規制が強化されることが予想される。
このような有害物質の排出に対し、例えばディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射圧の高圧化やコモンレール方式を用いた燃料噴射システム等の導入により、燃料の不完全燃焼を軽減し、上記有害物質を削減する試みがなされている。これに伴い、燃料噴射部材には断続的な高圧負荷が付与されるため、高疲労特性を兼ね備えた材料が必要であるが、これと同時に加工コストの点から、被削性の良い材料が要求される。
【０００３】
一般に被削性を向上させるには、鋼組織中にＭｎＳ等のマトリックスよりも軟らかい介在物分散させておけば、例えばドリル加工に際して切粉の分断を促すとともにドリルの潤滑剤となるため凝着を防ぎ、良好な被削性を示すことは良く知られている。
しかしながら疲労環境下においては、この介在物に疲労応力が集中し、破壊に至るといった疲労破壊の要因にもなりうるため粗大な介在物は疲労特性から言えば好ましくない。このような問題に対して、疲労破壊の起点となる粗大な介在物の形成を抑制する方法として提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に示される提案はＳ量を適正化するとともに、Ｔｉ添加によりＴｉＮをＭｎＳの核生成サイトとして使用することで、ＭｎＳを微細化し、相反する特性である被削性、疲労特性を両立させたという点で優れたものである。
【特許文献１】特開２００５−１５４８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に開示される合金は、ＭｎＳの微細化に対しては有効である。しかしながら、活性元素のＴｉを添加しているため介在物としてＴｉＮ以外にもＴｉ酸化物や炭化物等のＴｉ系硬質介在物が新たに形成される危険性がある。また、形成したＴｉ系硬質介在物が、溶鋼中や溶融凝固時に粗大化してしまう可能性がある。
本発明の目的は、新たな、または粗大な介在物を形成することなく介在物を均一微細化し、疲労特性を向上させると共に優れた被削性を兼備するマルテンサイト系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】
【０００５】
本発明者は、硫化物介在物を微細化する方法について鋭意検討した。先ず、通常の溶製材を用いて検討したが、例えば図４に示すように鋳造後の金属組織観察において、１０μｍ程度の粗大な硫化物系介在物が確認される。この鋳造材は、その後に熱間・冷間の塑性加工に供され、硫化物系介在物は伸展・分断することになる。
しかしながら、鋳造時の硫化物系介在物が粗大であること、塑性加工により伸展した硫化物介在物長さの調整が難しいことから、高い被削性は付与できるものの、疲労強度を確実に向上させることは困難であった。
そこで、本発明者は硫化物系介在物を均一微細化させ、疲労特性を向上させると共に優れた被削性の両立を達成するための最適な方法として、粉末焼結法の適用を試みた。そして、化学組成的には、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用可能なように、高強度、高耐食性が得られ、表面処理時の軟化防止にも対応可能なようにマルテンサイト系ステンレス鋼の組成を選択し、鋭意検討した結果、硫化物系介在物の微細化、更には均一微細分散が可能であることを見いだし、本発明に到達した。
【０００６】
すなわち本発明は、合金粉末が焼結したマルテンサイト系ステンレス鋼であって、質量％でＣ：０．３〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：９〜２０％、Ｓ：０．０１〜０．１５％、残部は実質的にＦｅからなり、断面の金属組織中に見られる硫化物系介在物サイズが、平均直径：５μｍ以下、最大：７μｍ以下、面積率：０．１〜１％の範囲である被削性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の焼結合金製のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＭｎＳ等の硫化物系介在物が均一微細であるため被削性が良好で且つ疲労破壊の起点となる介在物サイズが小さいため、相反する疲労特性の向上も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
上述したように、本発明の重要な特徴は硫化物系介在物を微細化するため、マルテンサイト系ステンレス鋼組成の合金粉末を用いて焼結し、焼結合金としたことにある。
出発原料として合金粉末を用いることで、予め、硫化物系介在物を微細化させることが可能である。これにより、合金粉末を焼結した焼結合金の金属組織は硫化物系介在物が均一微細化し、被削性、疲労特性を両立させることが可能となる。
本発明において、出発原料となる合金粉末のサイズは、平均粒径で７０μｍ以下であることが好ましい。この程度のサイズであれば、合金粉末中に存在する硫化物系介在物サイズも微細であり、焼結時の密度向上も容易となる。
【０００９】
合金粉末を得るための方法としてはガスアトマイズ、水アトマイズや機械的粉砕等が利用できる。ガスアトマイズ或いは水アトマイズは、溶けた鋼をノズルに通液し、これにガスや水を噴射することで溶鋼が飛散し、急速に冷却されることで粉末を得る方法である。これらの方法で得られる粉末に形成される硫化物系介在物は、冷却速度が速いため粗大化せず、微細化することが可能である。
また機械的な粉砕は、予め目的の組成に調整した合金を機械的な衝撃エネルギーにより細かく粉砕するものであり、鋼中の硫化物系介在物もこのエネルギーにより粉砕されるため微細化が可能となる。
このように何れの方法で形成される粉末においても硫化物系介在物の微細化が可能であり、更にはこの合金粉末を焼結することで、硫化物系介在物が凝集または群集することなく均一分散が可能となる。なお、作業性を考慮した場合、ガスアトマイズを利用するのが好適である。
【００１０】
本発明では焼結合金断面の金属組織中に見られる硫化物系介在物サイズが平均直径で５μｍ以下であり、最大で７μｍ以下と規定する。
これは、一般に疲労特性には介在物サイズの平均値よりも最大値が重要な因子であり、これを小さくすることが疲労特性を向上させるための最も有効な手法であるためである。本発明においては、平均直径が５μｍを超えても、或いは最大サイズが７μｍを超えても高い疲労強度を得ることが困難となる。そのため、焼結合金断面の金属組織中に見られる硫化物系介在物サイズが平均直径で５μｍ以下であり、最大で７μｍ以下と規定した。
なお、例えばドリル加工に際して切粉の分断を促すとともにドリルの潤滑剤となるため凝着を防ぎ、良好な被削性を確実に向上させるには、硫化物系介在物サイズが平均直径で０．１〜３μｍ、最大サイズが１〜５μｍの範囲内が特に好ましい。
【００１１】
また、高い被削性を得るには、硫化物系介在物が均一微細に分散することが望まれる。そのため、本発明においては、硫化物系介在物が面積率として０．１〜１％とする必要がある。面積率が０.１％未満であると良好な被削性が得られない。また、面積率で硫化物系介在物が１％を超えると介在物を起点したクラックの伸展が進みやすくなり、その結果、疲労特性が低下する問題が生じる。好ましくは０．２〜０．８％の範囲が良い。
なお、本発明で硫化物系介在物の面積率を測定する場合、光学顕微鏡を用い、４００倍で観察する際のランダム視野で０．０２ｍｍ２の領域に存在する硫化物系介在物を測定するとよい。観察する面積は広ければ広いほど好ましいが、ランダム視野で０．０２ｍｍ２の領域を超えて観察した結果と、ランダム視野で０．０２ｍｍ２の領域を観察した結果に大きな差異はないという経験にもとづき、硫化物系介在物の面積率を測定する場合の視野面積は４００倍でのランダム視野で０．０２ｍｍ２の領域とすればよい。
【００１２】
また、上述の本発明で言う平均直径とは光学顕微鏡を用い、４００倍で観察する際のランダム視野で０．０２ｍｍ２の領域に存在する硫化物系介在物を円相当径により得られる直径の平均値であり、最大値とはこの視野で確認できる最大の硫化物系介在物の直径である。
円相当径とは、測定する物体（ここでは介在物）の面積と同じ面積の等価円の直径であり、物体の面積をＳ、直径をＤとする時、Ｄ＝２√（Ｓ／π）により求められる値である。
なお、本発明で言うマルテンサイト系合金鋼としては、加工や熱処理により金属組織がマルテンサイトを主体（体積％で５０％以上）とすることができるものを言う。
【００１３】
次に、本発明で規定した化学組成について説明する。なお、特に記載のない限り質量％として記す。
Ｃ：０．３〜１．５％
Ｃは侵入型元素であり、その一部が鋼中に固溶して強度、疲労特性が向上するとともに後述するＣｒと結合して焼戻し硬さを向上させる。このような効果を得るためにはＣが０．３％以上必要である。またＣが１．５％を超えると粗大な炭化物が形成され、マトリックス中の固溶Ｃｒが低下してしまい耐酸化性の劣化を招くとともに被削性や疲労特性、鍛造等の加工性を低下させる問題が生じやすいことからＣは０．３〜１．５％とした。Ｃの好ましい下限は０．３４、好ましい上限は１．２である。さらに好ましい下限は０．５％、上限は０．８％である。
【００１４】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは精錬時における脱酸剤として添加する。そのため、脱酸効果を得るために０．１％以上の添加が必要となる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると鍛造や被削性等の加工性を低下させる問題が生じやすいことからＳｉは０．１〜１．０％とした。Ｓｉの好ましい下限は０．１５％、好ましい上限は０．８％である。さらに好ましい下限は０．２％、上限は０．５％である。
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
本発明においてＭｎは被削性を向上させる硫化物系介在物（ＭｎＳ）を形成するために必要な元素である。Ｍｎが０．３％より少ないと、十分な被削性を得るに必要なＭｎＳが得られない。一方、Ｍｎが１．０％を超えると焼入れ性が大きくなり、加工性を低下させる問題が生じやすいことからＭｎは０．３〜１．０％とした。Ｍｎの好ましい下限は０．５％、好ましい上限は０．９％である。さらに好ましい下限は０．６％、上限は０．８％である。
【００１５】
Ｃｒ：９〜２０％
Ｃｒはその一部が鋼中に固溶し、耐食性を向上させ、且つ焼戻し軟化抵抗を高める。Ｃｒが９％より少ないと前述した効果は得られない。またＣｒが２０％を超えるとＣと結合し、粗大な炭化物を形成するため、被削性や疲労特性を低下させる問題が生じやすい。よって、Ｃｒは９〜２０％とした。Ｃｒの好ましい下限は１０％、好ましい上限は１８％である。さらに好ましい下限は１１％、上限は１５％である。
Ｓ：０．０１〜０．１５％
ＳはＭｎと結合して被削性を向上させる硫化物系介在物（ＭｎＳ）を形成するために必要な元素である。０．０１％より少ないと十分な被削性を得るに必要なＭｎＳが得られない。一方、０．１５％より多いと必要以上にＭｎＳを形成して、疲労特性を低下させる問題が生じる。よって、Ｓは０．０１〜０．１５％とした。Ｓの好ましい下限は０．０３％、上限は０．１２％である。さらに好ましい下限は０．０６％、上限は０．１０である。
【００１６】
本発明材においては、上述の元素の他は、残部は実質的にＦｅとしているが、当然のことながら不可避的に含有される不純物は存在する。
また、より高強度が要求される部材に用いられる際には固溶強化元素として効果があるだけでなく、焼戻し時にＣ，Ｎと結合して硬さの向上にも寄与するＭｏ，Ｗをそれぞれ５％以下の範囲で添加してもよく、衝撃的な応力が加わる部材に用いられる際には、Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与するとともに、固溶元素として靭性の向上に寄与するＶを１％以下の範囲で添加してもよい。
また製造性を考慮し、熱間加工性を向上させるためにＢを０．０１％以下の範囲で添加してもよく、また脱酸剤としてＡｌを０．１％以下の範囲で添加してもよい。
なお、不純物元素であるＣａ、Ｍｇ、Ｐ、Ｎ、Ｏは、できるだけ低い方が好ましいが、極度に低減するには厳選した高価な原料を使用しなければならず、また、溶解精錬にも多くの費用がかかることとなる。しかしながら、本発明においては、特性上および製造上で特に大きな問題はない、Ｃａ≦０．０１％、Ｍｇ≦０．０１％、Ｐ≦０．１％、Ｎ≦０．５％、Ｏ≦０．０１％の範囲であれば、含有してもよい。
【実施例】
【００１７】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
真空溶解で１０ｋｇ鋼塊を作製し、この鋼塊をマスター合金とした粉末をガスアトマイズ処理にて作製し、熱間等方加圧焼結法（ＨＩＰ）にて焼結を行い、φ７０ｍｍ、高さ１２０ｍｍの成形体を得た。その後、鍛造を経て、７８０℃で焼鈍を行い、１５ｍｍ角の棒材を作製した。化学組成を表１に本発明Ｎｏ．１として示す。
また、真空溶解で１０ｋｇ鋼塊を作製し、鍛造を経て、７８０℃で焼鈍を行い、１５ｍｍ角の棒材を作製した。比較例Ｎｏ．２として組成を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
次に、本発明Ｎｏ．１焼結合金の縦断面組織を観察し、円相当径による硫化物系介在物サイズの平均直径、最大値直径、面積率を表２に示す。また、比較例Ｎｏ．２溶製合金の縦断面組織を観察し、円相当径による硫化物系介在物サイズの平均直径、最大値直径、面積率も表２に示す。なお、硫化物系介在物はＭｎＳであった。
平均直径、最大値直径、面積率の測定は、上述した段落番号〔００１１〕欄に記載の方法にて行った。本発明Ｎｏ．１焼結合金の顕微鏡写真を図３に、比較例Ｎｏ．２溶製合金の顕微鏡写真を図４に示す。
なお、本発明Ｎｏ．１焼結合金、比較例Ｎｏ．２溶製合金の金属組織がマルテンサイト組織となっていることは金属組織観察及びエックス線回折を行って確認した。
【００２０】
被削性評価には、焼鈍状態の１５ｍｍ角サンプルを２５ｍｍ長さに切断し被削性試験に供した。被削性試験はφ４．０ｍｍ径の不二越製（ＮＡＣＨＩ（Ｒ））ストレートシャンクドリルを用い、一本のドリルで２０ｍｍ深さ、２０穴を開けたときのドリル刃の摩耗量で評価を行った。評価方法は図１に示すようにドリル先端部の最外部Ａとドリル径Ｄの１/４の位置Ｂの磨耗によるドリル刃の減少量（消失量）の測定とした。以下に被削性試験条件を示し、試験結果を図２に示す。図２中のＡおよびＢは、上述した摩耗量測定位置における減少量測定結果である。
なお、被削性試験条件は以下のとおりである。
【００２１】
<<試験条件>>
ドリル  ：φ４．０ｍｍ  ストレートシャンクドリル
切削深さ：２０ｍｍ
切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
ステップフィード：１０ｍｍ
ステップバック  ：無し
切削液  ：水溶性
【００２２】
【表２】
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【００２３】
図２に示すように、本発明焼結材、比較例溶製材共に、Ｓ添加により優れた被削性を得ることができた。本発明Ｎｏ．１のマルテンサイト系ステンレス鋼は、同じ成分の比較合金Ｎｏ．２よりも優れていた。これは、硫化物系介在物が微細に均一分散していたことによるものと考えられる。
また、表２及び図３の顕微鏡写真の結果から、断面金属組織中に観察された硫化物系介在物の平均粒径及び最大は、本発明Ｎｏ．１のマルテンサイト系ステンレス鋼の方が微細であることが分かる。このことから、優れた疲労強度も兼備していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、被削性および疲労特性に優れているため、断続的な高圧負荷が加わり且つ加工精度が不可欠な用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例における、ドリル摩耗量測定位置を示すドリルの模式図である。
【図２】実施例における、ドリル摩耗量測定結果である。
【図３】実施例における、本発明のＨＩＰ後の断面顕微鏡写真である。
【図４】実施例における、比較例の鋳造後のミクロ組織写真である。
【符号の説明】
【００２６】
１．  ドリル
２．  ドリル先端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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