(57)【要約】【課題】ＳＵＳ４４０系のような０．５％以上の高炭素量を含むマルテンサイト系ステンレス鋼と同等な性能を有する極細線に適したステンレス鋼部材を提供。【解決手段】炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼とし、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径を３μｍ以下とする。また、表層部の炭素含有量が０．５％以上、中央部の炭素含有量が０．５％以下とする。また、扁平の線材の断面の厚み、又は前記多角形の外接円の径を０．０２ｍｍ以上３ｍｍ以下とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であることを特徴とするステンレス鋼部材。
【請求項２】
少なくとも表層部の炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、少なくとも中央部の炭素含有量が０．５％以下かつ炭素以外の成分が前記表層部の成分と同等にされており、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であることを特徴とするステンレス鋼部材。
【請求項３】
前記ステンレス鋼部材は断面が扁平又は円形を含む多角形の線材であって、前記断面が扁平の線材の断面の厚み、又は前記多角形の外接円の径が０．０２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のステンレス鋼部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な特殊炭化物組織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】
ステンレス鋼は他の鋼に比べてその耐食性が最大の特徴であるが、焼き入れによりマルテンサイト組織の得られるマルテンサイト系ステンレス鋼は食器、刃物、工具、タービンブレード、軸受などに広く用いられている。特に高硬度の要求される用途に対しては、高Ｃ（高炭素）、高Ｃｒ（高クロム）鋼であるＳＵＳ４４０Ｃが使用される。しかし、このような高Ｃ、高Ｃｒ系の合金はその溶解工程において、１０μｍ程度の粗大な共晶炭化物が生成し、破壊の起点として機械的特性の悪化、マトリックス中のＣｒの欠乏による耐食性の悪化を招く。特に、細線や薄帯など、断面積の小さな部材に応用される場合には、この粗大炭化物による弊害はいっそう顕著になる。
【０００３】
そこで、特許文献１においては、炭化物を微細化する対策として、Ｃ、Ｃｒ量をある範囲内に調整することによって低減されることが開示されている。また特許文献２においては、ＡＣ１点以上からの焼きなましの冷却を３℃／時間以下の徐冷したり、熱間加工後に、炭化物析出処理、微細炭化物固溶処理、炭化物成長処理の一連の処理を行う等して、０．２μｍ以下の炭化物数を全炭化物数の５０％以下にしている。また、特許文献３においては、成分量を調整したり、造塊法や熱間加工方法によって粗大な共晶炭化物の大きさを２０μ以下とし、２μｍ以上のものを面積率で３％以下としたものが開示されている。
【特許文献１】特開平５−５１５９号公報
【特許文献２】特開平５−１４０６９９号公報
【特許文献３】特開平１０−１２１２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のような、熱処理硬さを得るのに基本的に不可欠な炭素の量を０．６〜０．７５％に限定する方法では、より炭素量の多いマルテンサイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ）を使用していた用途に一般的に代替可能とは言い難い。また特許文献２、３のものは炭化物の大きさを０．２μｍ等とし、微細化を図っているが、特許文献２のものでは、０．２μｍ以上の炭化物の大きさについては何ら述べられていない。また、特許文献３のものでは２μｍ以上２０μｍ以下のものが３％存在している。成分調整したものでは、全体をＳＵＳ４４０Ｃとして使用したい場合には適応できない。また、造塊法や熱間処理により微細化しようとしても、大きな炭化物が残り、例えばドットピンやプローブピンのように線径が０．０２〜０．３ｍｍ程度、特に０．２ｍｍ以下の極細のステンレス鋼部材は実現できなかった。
【０００５】
本発明の課題は、前述した問題点に鑑みて、炭化物を微細化し、ＳＵＳ４４０系のような０．５％以上の高炭素量を含むマルテンサイト系ステンレス鋼と同等な性能を有する、線径の細い極細線に適したステンレス鋼部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明者らは炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼の炭化物微細化方法について研究を進めた結果、以下の方法を編み出した。すなわち、炭素含有量０．５％未満の同等成分の材料を予め製作し、真空浸炭により特殊炭化物を析出させることにより、通常の溶解法により製作する炭素量０．５％以上のマルテンサイトステンレス鋼に比べて、同じ炭素量でもはるかに炭化物の微細な部材を製作できることを見出した。この知得により、本発明においては、炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であるステンレス鋼部材を提供することにより上記課題を解決した。
【０００７】
かかる、浸炭により炭化物を浸炭されたステンレス鋼部材は、炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であるので、炭化物が破壊の起点となりにくく機械的特性があがり、また、Ｃｒを確保し、耐食性も良好となる。炭素含有量を０．５％としたのは、０．５％未満の場合は炭化物の粒径は充分小さいが、焼きが入りにくくなり強度を維持できないからである。なお、マルテンサイトステンレス鋼として分類され得る炭素含有量の上限はセメンタイト組成に相当する６．７％であるが、実用的な上限は１〜３％である。また、等価円直径で表される粒径とは、断面組織を観察した場合にその粒子の断面積に等しい面積を有する正円の直径として定義される。
【０００８】
炭素含有量を表面層だけに多くすることによって、内部は靭性があり、表面は耐摩耗性に優れた傾斜機能部材にも適用することができる。そこで、請求項２に記載の発明においては、少なくとも表層部の炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、少なくとも中央部の炭素含有量が０．５％以下かつ炭素以外の成分が前記表層部の成分と同等にされており、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であるステンレス鋼部材とした。これにより、内部は炭素量が少ないので靱性を確保でき、表面槽は炭素量が多く焼き入れも容易であるので強度及び耐摩耗性に優れる。かかる、ステンレス鋼部材は、炭素含有量が０．５％未満の材料の表面側を浸炭することにより得られる。そして、中心部の炭素含有量を０．５％未満としたのは、浸炭しない部分を最初から０．５％以上で製作すると、粗大な炭化物が析出して靭性の高い領域としての存在意義が得られないからである。
【０００９】
なお、請求項３に述べた径３ｍｍ以下のこのような断面積の小さな部材においては、炭化物微細化による靭性改善効果が特に大きい。径０．０２ｍｍ未満では浸炭量のコントロール精度が困難で、炭化物が粗大化する可能性が大きいので径０．０２ｍｍ以上とした。
【００１０】
さらに、より細い極細線で靭性を確保するためには、例えば径０．１ｍｍ以下の部材においては、炭化物の等価円直径で表される最大粒径を単に３μｍ以下とせずに、径の１／２０以下とするなど、径に応じてより微細にする必要があることは言うまでもない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、浸炭による炭素含有量の調整を行い、炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であるステンレス鋼部材とし、破壊の起点を無くし、機械的特性を上げ、耐食性も良好とさせたので、ＳＵＳ４４０系のような０．５％以上の高炭素量を含むマルテンサイト系ステンレス鋼と同等な性能を有する、線径の細い極細線に適したステンレス鋼部材を提供するものとなった。さらに、少なくとも中央部の炭素含有量が０．５％以下かつ炭素以外の成分が前記表層部の成分と同等にされており、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下であるステンレス鋼部材とし、靱性を増し、強度及び耐摩耗性に優れるものとしたので、より線径の細い極細線となった（請求項２）。また、断面内部が柔軟性を有し、表面から任意の一定深さまで浸炭されて適度な剛性を有する耐食性を確保でき、強度の高い極細ステンレス鋼線を得られるので、耐食・耐摩耗性の要求される機械部品への応用範囲が広がる。
【００１２】
断面が扁平の線材の断面の厚み、又は前記多角形の外接円の径が０．０２ｍｍ以上３ｍｍ以下であるステンレス鋼部材とし（請求項３）、炭素含有量が０．５％以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、全ての炭化物の等価円直径で表される最大粒径が３μｍ以下としたので、ドットピンやプローブピン等の細くて強度が必要な部材に適するという効果を奏するものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明のステンレス鋼部材は、本発明者等が特願２００３−２７１０３８号で出願した新たな浸炭方法により得られる。この浸炭方法を用いたステンレス鋼部材の製造方法について説明する。図１は金属線材の連続真空浸炭炉の模式図、図２は本発明の元の材料であるフェライト系ステンレス線材及び本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼の成分表である。図１に示すように、線径が０．２ｍｍで炭素含有量が０．０５％の低炭素量のフェライト系ステンレス線材をボビン１３に巻きつける。ボビンに巻き付けられたフェライト系ステンレス線材の材質は図２の上段に示す値であり、炭素含有量を除き、ＳＵＳ４４０Ｃ相当のマルテンサイト系ステンレス鋼の成分と同じである。ボビン１３からフェライト系ステンレス線材を炉心管１〜３を通して巻取りボビン１４に接続しておき、真空容器排気弁８から真空容器９全体を十分に排気する。１０Ｐａ以下の所定の真空度に到達後、ヒータ１０に電流を流して炉心管１〜３を８５０〜１０５０℃の所定の温度に加熱する。その後、炉心管に接続された浸炭ガス導入管２からエチレンなどの浸炭源ガス、キャリアガス導入管３から窒素またはアルゴンなどのキャリアガスを導入し、同時に真空容器排気弁８を調節することにより炉心管１〜３内部の圧力を１〜３ｋＰａまで復圧する。
【００１４】
詳述すると、炉心管１の斜線部分のみを浸炭源ガス雰囲気とし、隣接する右側の領域６を拡散用の領域として浸炭源ガスの存在しない領域とされる。すなわち、浸炭ガス２とキャリアガス３は同時に炉心管１内に導入されるが炉心管内部で混合しようとするが、浸炭ガスとキャリアガス導入部の中間部において排気管４により、炉心管から排気することにより、２の浸炭ガスが炉心管１の右側へ侵入することを防ぐようにして、浸炭する。なお、図では同様の炉心管が３個直列に並べているが、繰り返して浸炭してもよく、１の炉心管のみで浸炭・拡散し、その他は通過させるだけでもよい。また、Ｎｏ．１の炉心管１で浸炭のみを行い、Ｎｏ２．炉心管１１で拡散を行うようにしてもよい。
【００１５】
かかる雰囲気調整手順の完了後に炉心管を通過したフェライト系ステンレス線材は、中心部まで浸炭され、その成分は図２の下段に示す値であり、ＳＵＳ４０４Ｃ相当のマルテンサイト系ステンレス鋼の成分と同じとなったステンレス鋼部材となっている。ステンレス鋼部材はボビンに巻き取られ、必要量の線が得られたら、炉を冷却し、真空破壊したのちボビンごと取り出す。これにより本発明ステンレス鋼部材を得ることができる。このステンレス鋼部材はマルテンサイト系ステンレス鋼であり、連続又はバッチにより、焼入れおよび焼き戻しを施し、所定硬度の線材とすることができる。
【００１６】
炭素含有量０．０５％と、炭素量が０．５％未満のフェライト系ステンレス線材は、その溶解−凝固過程で晶出する炭化物のサイズが微細である。これに、前述したように浸炭し、炭素含有量の多いマルテンサイト系ステンレス鋼部材とすることにより、通常溶解法では得られない微細な炭化物の析出が可能であり、最終的に等価円直径で表される粒径が３μｍを超えるサイズの炭化物は無く、炭化物微細分散組織の合金が得られた。図３は前述した方法で得られた本発明のステンレス鋼部材の顕微鏡写真である。図３に示すように、ＳＵＳ４４０Ｃ相当の高Ｃ％高Ｃｒ鋼でありながら、炭化物の大きさはほとんどが等価円直径で表される粒径が１μｍ以下であり、粒度が大きく見やすい炭化物は大きいもので１．５μｍ程度のものであり、最大でも３μｍ以下のものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のステンレス鋼部材を得るための金属線材の連続真空浸炭炉の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す元の材料であるフェライト系ステンレス線材及び本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼の成分表である。
【図３】本発明の実施の形態を示すステンレス鋼部材の合金組織の顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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