(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎを０．５〜１．５質量％、Ｃｒを１０．０〜３０．０質量％含む高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼を加熱してオーステナイト化した後、オーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後、再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することを特徴とする生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法。
【請求項２】
逆変態処理後、再びオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後、再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することを特徴とする請求項１記載の生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法。
【請求項３】
高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼を１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度で加熱してオーステナイト化した後、８７３Ｋ〜１２７３Ｋに保持してオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度に再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することを特徴とする請求項１記載の生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法。
【請求項４】
逆変態処理後、再び８７３Ｋ〜１２７３Ｋに保持してオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度に再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することを特徴とする請求項３記載の生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼を恒温変態処理した後に逆変態処理することにより結晶粒を微細化することができる生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高濃度の窒素を含有する高窒素ステンレス鋼は、窒素による固溶強化作用および加工硬化率を増大させる作用により、通常のステンレス鋼に比べて高い引張強度を有するだけでなく耐熱性や耐食性にも優れているため、高温や腐食環境下で使用される高強度の特殊構造材料として有望視されている。窒素は、オーステナイト系ステンレス鋼に多量に含まれるＮｉと同様にオーステナイト相を熱力学的に安定化する作用があるため、Ｎｉの代替として利用可能である。また、生体用の場合には、Ｎｉが皮膚アレルギーの原因になることが問題となっていることから、Ｎｉの代替としての利用も可能であり、生体用Ｎｉフリーオーステナイト系ステンレス鋼の主要合金元素としても利用が期待されている（非特許文献１〜３参照）。
【非特許文献１】遅沢浩一朗：  熱処理，  ３６  （１９９６），  ２０６．
【非特許文献２】岡本正三，  田中良平，  佐藤昭：  日本金属学会誌，  ２２  （１９５８），  ５０８．
【非特許文献３】Ｍ．Ｏ．Ｓｐｅｉｄｅｌ：  Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ  Ｓｔｅｅｌｓ，  （１９９１），  ２５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高窒素ステンレス鋼の優れた強度特性および耐食性を発揮するには、使用前に１２７３Ｋ以上の高温での熱処理が必要であり、それにより著しい結晶粒成長が引き起こされる。とくに、窒素雰囲気中での加熱により固相状態で窒素を吸収させる固相吸収法で作製した高窒素ステンレス鋼の場合、高温保持によりオーステナイト粒が数百μｍにまで粗大化してしまう。結晶粒成長が生じると、加工性および機械的性質は著しく損なわれ、加工時および変形時にしばしば結晶粒界を起点とした破壊を生じることが問題となる。
【０００４】
前記問題を解決するため、結晶粒の微細化が有効になると考えられる。一般に、ステンレス鋼の結品粒を微細化する手段として、加工と焼鈍により生じる再結晶を利用した方法が実施される。しかし、前記再結晶を利用した結晶粒微細化法は、高窒素ステンレス鋼が高い耐力と大きな加工硬化能を有することから冷間加工性に乏しく且つ加工後の焼鈍中に窒化物の析出も懸念されるため、適用が困難である。さらに、十分な加工を施すことが可能な大型の板材や棒材への適用に限られ、小型の材料、または既に製品形状とされた材料に適用することはできないという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明は加工を行うことなく熱処理だけで結品粒を微細化することができる生体用高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高窒素ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法は、Ｎを０．５〜１．５質量％、Ｃｒを１０．０〜３０．０質量％含む高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼を加熱してオーステナイト化した後、オーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後、再加熱して前記混合組織をオース
テナイトに逆変態処理することを特徴とする。
【０００７】
また、逆変態処理後、再びオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後、再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理して結晶粒をより微細化することもできる。
【０００８】
本発明は、例えば、Ｎを０．５〜１．５質量％含む高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼を１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度で加熱してオーステナイト化した後、８７３Ｋ〜１２７３Ｋに保持してオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度に再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することで、結晶粒を著しく微細化することができる。さらに、逆変態処理後、再び８７３Ｋ〜１２７３Ｋに保持してオーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理し、その後１３２０Ｋ〜１５２３Ｋの温度に再加熱して前記混合組織をオーステナイトに逆変態処理することにより結晶粒をより微細化することもできる。
【０００９】
本発明の結晶粒微細化熱処理方法は、Ｎを０．５〜１．５質量％、窒化物生成元素としてＣｒを１０．０〜３０．０質量％含む高窒素ステンレス鋼に適用することができる。高窒素ステンレス鋼は、例えば、ＮｉをＮで置換した高窒素ニッケルフリーオーステナイト系ステンレス鋼などで知られている。高窒素ステンレス鋼は、例えば、高圧力の窒素ガス雰囲気中で溶製を行う加圧溶製法や窒素雰囲気中での焼鈍により固相状態で窒素を吸収させる固相吸収法により製造される。
【００１０】
高窒素ステンレス鋼は１３２０Ｋ〜１５２３Ｋで加熱することにより、オーステナイト化することができる。加熱後は、水冷により室温まで冷却する。
【００１１】
恒温変態は８７３Ｋ〜１２７３Ｋに保持し、フェライト（α）＋Ｃｒ２Ｎの共析組織にする。なお、オーステナイト化が終了すると、水冷することなく、８７３Ｋ〜１２７３Ｋに降温させて恒温変態させてもよい。恒温変態後に１３２０Ｋ〜１５２３Ｋのγ単相域で逆変態処理を施すことにより、オーステナイト粒が微細化される。
【００１２】
本発明の高窒素ステンレス鋼は、オーステナイト化された後、フェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理され、その後、再加熱によるオーステナイトへの逆変態処理により微細な結晶粒組織が形成されていることを特徴とする。さらに、逆変態処理された後、再びフェライトと窒化物からなる混合組織へ恒温変態処理され、その後、再加熱によるオーステナイトへの逆変態処理により微細な結晶粒組織が形成されていることを特徴とする。また、結晶粒が２０μｍ以下であることを特徴とする。この高窒素ステンレス鋼は生体用に適している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、オーステナイトをフェライトと窒化物からなる混合組織へと相変態させ、再加熱して再びオーステナイトに相変態させることにより、結晶粒径が微細化されたオーステナイト組織を得ることができる。また、本発明は加工を必要としないため、小型の材料や既に製品形状とされた材料の結晶粒の微細化にも適用可能である。
【００１４】
本発明の結晶粒微細化熱処理方法により得られた高窒素ステンレス鋼は、生体用に適しており、例えば、皮膚アレルギーを起こすＮｉを含まない、医療用・歯科用高窒素ニッケルフリーステンレス鋼を素材とする製品、例えば、歯列矯正器具用ワイヤー・ブラケット等の小型部品、ガイドワイヤ・ステント・骨プレート等の構造材料、耐食材料、医療用材料に用いられる高窒素ステンレス鋼について、その結晶粒の微細化により加工性および機械的性質を改善することが可能となる。また、身体に直接接触する時計や食器類などの用途にも適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施例により説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明による高窒素ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法の一実施例を示す概略図である。本実施例は、窒素吸収処理により高窒素ステンレス鋼を作成し、この過程で高窒素ステンレス鋼をオーステナイト化し、次いで恒温変態処理でオーステナイト（γ）をフェライト（α）と窒化物からなる混合組織へ相変態させ、その後、逆変態処理により再びオーステナイトに相変態させるステップからなる。  
（１）オーステナイト化（窒素吸収処理）
高周波真空溶解炉にて純鉄、電解クロムを真空溶解し、鋳造して供試材を得た。供試材の組成（以下「％」は「質量％」である。）は、Ｃ：０．００５％、Ｎ：０．０３３％、Ｏ：０．００７％、Ｐ：０．００６％、Ｓ：０．００２６％、Ｃｒ：２５．４％、Ｍｎ：＜０．０１％、Ｓｉ：０．０３％、Ａｌ：０．０２％、残りＦｅである（以下「Ｆｅ−２５％Ｃｒ合金」という。）。本合金にはγ安定化元素はほとんど含まれておらず、窒素無添加の状態ではα単相組織を有する。
【００１７】
Ｆｅ−２５％Ｃｒ合金を金型鋳造した後、鋳造組織を壊すため熱間圧延し、その後、Ａｒ雰囲気中にて均質化焼鈍を施した。得られたＦｅ−２５％Ｃｒ合金を４０ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍの薄板に切り出した後、研磨を施し、１気圧の窒素雰囲気中にて１４７３Ｋで１０８ｋｓの窒素吸収処理をした後水冷した。
【００１８】
高温での窒素吸収処理後の試料は、試料の表面から窒素が内部へと拡散し、それに伴いαがγに相変態し、その粒径は４００μｍ程度にまで粗大になっている。この試料について化学分析を行った結果、固溶窒素濃度は約１．０１％であった（以下「Ｆｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金」という。）。
【００１９】
（２）恒温変態処理
ついで、オーステナイト化した高窒素ステンレス鋼を各種温度で０．３〜１８ｋｓ恒温保持した。
【００２０】
１２７３Ｋを超える温度で種々の時間恒温保持したＦｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金の光顕組織およびＸ線回折の結果、この１２７３Ｋを超える温度での恒温保持ではα＋Ｃｒ２Ｎから構成された共析組織は試料全面で得られなかった。
【００２１】
次ぎに、Ｆｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金に１２２３Ｋ以下の種々の温度で恒温変態処理を施した。その結果、いずれの温度においても、γ→α＋Ｃｒ２Ｎの共析変態が起こり、試料全面で共析組織が確認された。α＋Ｃｒ２Ｎ共析組織の生成挙動は恒温保持の温度により大きく異なっており、１２２３Ｋで恒温保持した試料では、共析組織がγ粒界から生成して片側のγ粒内に向かって成長していくのに対し、低温の８７３Ｋで恒温保持した試料では、共析組織はγ粒内からも核生成していることがわかった。このことは、恒温保持の温度が低温になるほど、共析変態の核生成の頻度が高くなっていることを示唆している。
【００２２】
一方、各温度での変態挙動を比較すると、１１７３Ｋではわずか０．３ｋｓ程度で変態は完了するが、それよりも高温の１２２３Ｋや低温の８７３Ｋでは、いずれも共析変態完了時間が長時間側へ移行している。
【００２３】
図２は恒温保持温度が異なる他の試料でも同様な組織観察を行って作製したＴ．Ｔ．Ｔ．図である。高窒素γ鋼における、γ→α＋Ｃｒ２Ｎの共析変態の開始（Ｔｓ）・完了（Ｔｆ）はＦｅ−Ｃ系合金のパーライト変態と同様に典型的なＣ曲線となっており、１１７３Ｋ付近にノーズ（ｎｏｓｅ）が存在している。
【００２４】
図３は各温度での恒温保持後に得られる共析組織の模式図である。高温域では、共析組織が３０μｍ程度のブロックから構成され、その内部には板状や塊状のＣｒ２Ｎが不均一に分布しているのに対して、低温域では、変態温度の低下に伴い、ブロックサイズは細かくなり、Ｃｒ２Ｎの分散状態も均一となる。したがって、共析組織を緻密化させるという観点からは、ノーズ以下の温度域で、しかもなるべく低い温度で恒温変態させることが有効であると判断される。
【００２５】
（３）逆変態処理
１２２３Ｋ、１１７３Ｋおよび８７３Ｋの各温度でそれぞれ恒温変態後、γ単相域の１４７３Ｋで１．８ｋｓの逆変態処理を施した試料についてＸ線回折した結果、いずれの試料においても、αとＣｒ２Ｎの回折ピークは確認されず、α＋Ｃｒ２Ｎからγへの逆変態が完了していた。
【００２６】
図４は恒温変態処理した後逆変態処理を施した合金の光顕組織を示す。恒温変態前のＦｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金に比べて、共析変態処理した後逆変態処理を施したいずれの合金も、γ粒は著しく微細化されていた。例えば、１２２３Ｋ恒温保持の合金では、γ粒の粒径が５０μｍ程度であり、恒温変態前の合金の粒径（５００μｍ）の１／１０程度にまで微細化されていた。
【００２７】
図５はＦｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金の応力−歪み曲線を示す図である。オーステナイト化し恒温変態処理後逆変態処理して微細化した合金１は、オーステナイト化しただけの合金２に比べて、機械的性質が優れていることが確認できた。
【実施例２】
【００２８】
本実施例は恒温変態→逆変態処理を２回繰り返すことによってさらに結晶粒を微細化するものである。
【００２９】
図６は高窒素ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法の別実施例を示す概略図、図７は恒温変態処理→逆変態処理を２回繰り返した合金の光顕組織を示す図である。
【００３０】
図６に示すように、実施例１と同様に、１４７３Ｋ、１０８ｋｓでオーステナイト化し、１１７３Ｋ、０．３ｋｓで恒温変態処理した後、１４７３Ｋ、０．３ｋｓで逆変態処理したＦｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金を再び１１７３Ｋ、０．３ｋｓで恒温変態処理し、次いで１４７３Ｋ、０．３ｋｓで逆変態処理した。  
【００３１】
その結果、図７に示すように初回の恒温変態処理前の合金の粒径５００μｍが微細化されてγ粒の粒径が２０μｍ程度であり、さらに実施例１の初回の恒温変態処理後逆変態処理させた粒径５０μｍのγ粒よりさらに微細化されるとともに、より均一な組織になっていた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による高窒素ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法の一実施例を示す概略図である。
【図２】恒温保持温度が異なる他の試料でも同様な組織観察を行って作製したＴ．Ｔ．Ｔ．図である。
【図３】各温度での恒温保持後に得られる共析組織の模式図である。
【図４】恒温変態処理した後逆変態処理を施した合金の光顕組織を示す図である。
【図５】Ｆｅ−２５％Ｃｒ−１％Ｎ合金の応力−歪み曲線を示す図である。
【図６】本発明の高窒素ステンレス鋼の結晶粒微細化熱処理方法の別実施例を示す概略図である。
【図７】恒温変態処理→逆変態処理を２回繰り返した合金の光顕組織を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：オーステナイト化し恒温変態処理後逆変態処理して微細化した合金
２：オーステナイト化しただけの合金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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