(57)【要約】【課題】強度および延性がバランスよく共に高いステンレス鋼の提供。【解決手段】ＣｒおよびＮｉを必須成分とし、Ｖ含有率が１．０質量％超であり、Ａｌ含有率が０．３質量％未満であり、Ｓｉ含有率が１．０質量％未満である、ステンレス鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｒおよびＮｉを必須成分とし、
Ｖ含有率が１．０質量％超であり、
Ａｌ含有率が０．３質量％未満であり、
Ｓｉ含有率が１．０質量％未満である、ステンレス鋼。
【請求項２】
Ｃｒ含有率が７〜１７質量％、
Ｎｉ含有率が４〜１４質量％、
Ｖ含有率が５質量％以下
である、請求項１に記載のステンレス鋼。
【請求項３】
さらにＷを含み、
Ｗ含有率が、０質量％超、５質量％以下である、請求項１または２に記載のステンレス鋼。
【請求項４】
Ｃｕ含有率が、０．１〜５質量％、および／または、
Ｍｏ含有率が、０．１〜４質量％、および／または、
Ｃｏ含有率が０．１〜５質量％、および／または、
Ｔｉ含有率が０．０５〜５質量％、および／または、
Ｍｎ含有率が０．０５〜２質量％、および／または、
Ｃ含有率が０．０１質量％以下
である、請求項１〜３のいずれかに記載のステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のステンレス鋼を主成分とする部分を含む、高強度部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高強度ステンレス鋼が複数提案されている。
例えば特許文献１には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｗ、ＳｎおよびＮｂを特定の比率で含有し、Ｎｉ含有率が０．５〜６．０質量％、Ｖ含有率が０．１質量％以下であり、ＮｉとＭｏの含有量が特定式の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、特定の金属組織を有し、特定の耐力を有することを特徴とする耐火性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材が記載されている。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｙ、希土類金属、Ｂ、ＭｇおよびＣａを特定比率で含み、Ｎｉを０.６質量％を超え５.０質量％以下、Ｖを０.５質量％以下含有し、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、Ｘ＝Ｎｉ＋２.２５Ａｌ＋１.５Ｃｕで定義される強化指数Ｘが５.０〜９.０に調整され、最終熱処理状態で特定の析出物が特定の平均間隔で分散していることを特徴とする熱処理強化型高強度フェライト系ステンレス鋼が記載されている。
【０００４】
また、例えば特許文献３には、Ｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＷおよびＡｌを特定比率で含有し、さらにＶを含有し、残りの本質的な鉄（Ｆｅ）ならびに付随する元素および不純物を含むステンレス鋼合金であって、合金が主として、本質的にトポロジカル最密（ＴＣＰ）金属間相を含まないラスマルテンサイト微小構造組織を有し、前記炭素（Ｃ）が主としてＴｉＣカーバイド粒子のとして分散でありし、さらに主にＮｉ3Ｔｉη相の金属間粒子の分散を強化相としてさらに含むことを特徴とする、ステンレス鋼合金が記載されている。なお、Ｖ含有率については、実施例として０．４１重量％使用した例が記載されているのみである。
【０００５】
また、例えば特許文献４には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａを特定範囲の含有率で含有し、残部が実質的にＦｅからなり、各成分が特定の関係式を満たすことを特徴とする靭性に優れた高強度析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が記載されている。そして、ステンレス鋼は、良好な靭性、耐食性と高強度両立させることができ、船舶シャフトやプラスチック金型等の優れた耐食性と高強度を要する部材に最適であると記載されている。なお、特許文献４には、複数の試験片について引張試験等を行ったところ、それらの試験片の引張強さは１０６２〜１２９３ＭＰａ、伸びは１６．１〜２３．６であったことが、実施例として記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９７５５３号公報
【特許文献２】特開２００６−１９３７８９号公報
【特許文献３】特表２００８−５２８７９７号公報
【特許文献４】特開２００５−２９８８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載のものに代表される従来のステンレス鋼は、強度と延性とのバランスが悪かった。また、特許文献４に実施例として記載の試験片の強度−延性バランスは良好であるものの、引張強さが低い。しかしながら産業用部材の軽量化を高強度化により実現するためには概ね１５００ＭＰａ以上の引張強さが必要となってくる。従来のステンレス鋼において強度と延性との両立は難しく、一方が良好であれば、他方は不良であった。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決することを目的としている。
すなわち、本発明の目的は、強度および延性がバランスよく共に高いステンレス鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は以下の（１）〜（５）である。
（１）ＣｒおよびＮｉを必須成分とし、
Ｖ含有率が１．０質量％超であり、
Ａｌ含有率が０．３質量％未満であり、
Ｓｉ含有率が１．０質量％未満である、ステンレス鋼。
（２）Ｃｒ含有率が７〜１７質量％、
Ｎｉ含有率が４〜１４質量％、
Ｖ含有率が５質量％以下
である、上記（１）に記載のステンレス鋼。
（３）さらにＷを含み、
Ｗ含有率が、０質量％超、５質量％以下である、上記（１）または（２）に記載のステンレス鋼。
（４）Ｃｕ含有率が、０．１〜５質量％、および／または、
Ｍｏ含有率が、０．１〜４質量％、および／または、
Ｃｏ含有率が０．１〜５質量％、および／または、
Ｔｉ含有率が０．０５〜５質量％、および／または、
Ｍｎ含有率が０．０５〜２質量％、および／または、
Ｃ含有率が０．０１質量％以下
である、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のステンレス鋼。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載のステンレス鋼を主成分とする部分を含む、高強度部材。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、強度および延性がバランスよく共に高いステンレス鋼を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明について説明する。
本発明は、ＣｒおよびＮｉを必須成分とし、Ｖ含有率が１．０質量％超であり、Ａｌ含有率が０．３質量％未満であり、Ｓｉ含有率が１．０質量％未満である、ステンレス鋼である。
このようなステンレス鋼を、以下では「本発明のステンレス鋼」ともいう。
【００１２】
本発明のステンレス鋼の各成分について説明する。
以下、特に断りがない限り、含有率の単位を表す「％」は「質量％」を意味するものとする。
なお、本発明のステンレス鋼におけるＣ含有率およびＳ含有率は高周波燃焼−赤外線吸収法によって測定して得た値とし、Ｓｉ含有率は二酸化ケイ素重量法によって測定して得た値とし、Ｏ含有率は赤外線吸収法によって測定して得た値とし、Ｎ含有率は熱伝導度法によって測定して得た値とし、その他の成分の含有率はＩＣＰ−ＡＥＳ法によって測定して得た値とする。
【００１３】
＜Ｖ＞
本発明のステンレス鋼はＶを１．０％超含有する。
Ｖは強フェライト安定化元素と考えられ、本発明のステンレス鋼の耐食性の向上に寄与していると考えられる。また、結晶粒の微細化にも寄与していると考えられる。ただし、含有率が高すぎると靭性の低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＶ含有率の上限は５％であることが好ましく、４％であることがより好ましく、３％であることがさらに好ましい。また、Ｖ含有率の下限は、１．１％であることが好ましく、１．２％であることがより好ましく、１．４％であることがさらに好ましい。
【００１４】
＜Ａｌ＞
本発明のステンレス鋼はＡｌを０．３％未満含有する。なお、本発明のステンレス鋼はＡｌを含有しなくてもよい。
Ａｌは溶製時の脱酸剤として有効な元素であり、Ｎｉと結合してＮｉ3Ａｌを形成し、本発明のステンレス鋼の強度向上に寄与すると考えられる。ただし、含有率が高すぎると延性の低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＡｌ含有率の上限は０．２９％であることが好ましく、０．２５％であることがより好ましく、０．２％であることがさらに好ましい。また、本発明のステンレス鋼はＡｌを実質的に含有しないことが好ましいが、Ａｌ含有率の下限は、０．０１％であることが好ましく、０．１％であることがより好ましく、０．１５％であることがさらに好ましい。
なお、本発明において「実質的に含有しない」とは、原料や製造過程から混入し得る不可避的不純物として含む場合はあるが、意図的には当該成分を添加しないことを意味する。
【００１５】
＜Ｓｉ＞
本発明のステンレス鋼はＳｉを１．０％未満含有する。なお、本発明のステンレス鋼はＳｉを含有しなくてもよい。
Ｓｉは固溶強化元素であり、本発明のステンレス鋼の耐酸化性向上に寄与すると考えられる。また、時効処理時にＮｉやＴｉと結びつき、金属間化合物を形成すると考えられる。ただし、含有率が高すぎると延性の低下を招く可能性があり、さらにδフェライトを生成して熱間加工性と耐食性の低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＳｉ含有率の上限は０．９％であることが好ましく、０．７％であることがより好ましく、０．５％であることがさらに好ましい。また、本発明のステンレス鋼におけるＳｉ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．２％であることがより好ましく、０．３％であることがさらに好ましい。
【００１６】
＜Ｃｒ＞
本発明のステンレス鋼はＣｒを必須成分として含有する。
Ｃｒは本発明のステンレス鋼の耐食性を向上させると考えられる。ただし、含有率が高すぎると、δフェライトを生成して熱間加工性と耐食性の低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＣｒ含有率の上限は１７％であることが好ましく、１５％であることがより好ましく、１３％であることがさらに好ましい。また、Ｃｒ含有率の下限は、７％であることが好ましく、９％であることがより好ましく、１１％であることがさらに好ましい。
【００１７】
＜Ｎｉ＞
本発明のステンレス鋼はＮｉを必須成分として含有する。
Ｎｉは強度と靱性に寄与する重要な元素である。ただし、含有率が高すぎると溶体化処理後に残留オーステナイトを含み、強度低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＮｉ含有率の上限は１４％であることが好ましく、１２％であることがより好ましく、１０％であることがさらに好ましい。また、Ｎｉ含有率の下限は、４％であることが好ましく、６％であることがより好ましく、８％であることがさらに好ましい。
【００１８】
＜Ｗ＞
本発明のステンレス鋼はＷを含まなくてもよいが、Ｗを含むことが好ましい。
Ｗは本発明のステンレス鋼の耐食性を向上させると考えられる。また、Ｍｏが存在すると相互作用によって、耐食性をより向上させると本発明者は推定している。また、Ｖとの相互作用により強度および延性の改善に寄与しているものと本発明者は推定している。また、熱処理条件によっては固溶状態からＦｅＷを微細に析出する。
本発明のステンレス鋼におけるＷ含有率の上限は５％であることが好ましく、４％であることがより好ましく、３％であることがさらに好ましい。また、Ｗ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．２％であることがより好ましく、０．３％であることがさらに好ましい。
【００１９】
＜Ｃｕ＞
本発明のステンレス鋼はＣｕを含有することが好ましい。
Ｃｕは固溶強化元素であると同時に、析出強化元素でもある。また、ＣｕはＣｌ−、Ｈ2Ｓを含む腐食環境において耐食性、耐ＳＣＣ（応力腐食割れに対する耐性）を向上させる元素と考えられる。また、ＡｌとＣｕを同時添加した場合、相互作用によって本発明のステンレス鋼の強度を向上させると本発明者は推定している。ただし、含有率が高すぎると熱間加工性および靭性の低下を招く可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＣｕ含有率の上限は５％であることが好ましく、３％であることがより好ましく、２％であることがさらに好ましい。また、Ｃｕ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．５％であることがより好ましく、１．０％であることがさらに好ましい。
【００２０】
＜Ｍｏ＞
本発明のステンレス鋼はＭｏを含有することが好ましい。
Ｍｏは耐食性に有効な元素であるとともに、Ｆｅ2Ｍｏを微細に析出させ、強度向上に寄与する元素でもあると考えられる。一方，Ｍｏの過剰添加は、デルタフェライトを形成し、靱性を阻害する可能性があるため、上限は４％であることが好ましい。
本発明のステンレス鋼におけるＭｏ含有率の上限は４％であることが好ましく、３％であることがより好ましい。また、Ｍｏ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．３％であることがより好ましく、０．５％であることがさらに好ましい。
【００２１】
＜Ｃｏ＞
本発明のステンレス鋼はＣｏを含有することが好ましい。
Ｃｏは固溶強化元素であり、時効処理により析出するη相（Ｎｉ3Ａｌ）の粗大化を抑制すると考えられる。また、Ｆｅ2Ｍｏの析出を促進すると考えられる。
本発明のステンレス鋼におけるＣｏ含有率の上限は５％であることが好ましく、４％であることがより好ましく、３％であることがさらに好ましい。また、Ｃｏ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．５％であることがより好ましく、１．０％であることがさらに好ましい。
【００２２】
＜Ｔｉ＞
本発明のステンレス鋼はＴｉを含有することが好ましい。
Ｔｉは耐食性に有効な元素であるとともに、時効処理時にＮｉやＳｉと結びつき、金属間化合物を形成し、強度向上に寄与する元素でもあると考えられる。
本発明のステンレス鋼におけるＴｉ含有率の上限は５％であることが好ましく、３％であることがより好ましく、２％であることがさらに好ましい。また、Ｔｉ含有率の下限は、０．０５％であることが好ましく、０．５％であることがより好ましく、１．０％であることがさらに好ましい。
【００２３】
＜Ｍｎ＞
本発明のステンレス鋼はＭｎを含有することができる。
Ｍｎは溶製時の脱酸剤として有効な元素である。含有率が高すぎると凝固中にＳと結びついてＭｎＳを形成し、耐食性を低下させる可能性がある。
本発明のステンレス鋼におけるＭｎ含有率の上限は２％であることが好ましく、１％であることがより好ましく、０．５％であることがさらに好ましい。また、Ｍｎ含有率の下限は、０．０５％であることが好ましく、０．１％であることがより好ましく、０．２％であることがさらに好ましい。
【００２４】
＜Ｎｂ＞
本発明のステンレス鋼はＮｂを含有することができる。
Ｎｂは固溶強化元素でありＮｉ3Ａｌの析出を促進させ、強度を向上させる元素であると考えられる。
本発明のステンレス鋼におけるＮｂ含有率の上限は０．８％であることが好ましく、０．５％であることがより好ましく、０．４％であることがさらに好ましい。また、Ｎｂ含有率の下限は、０．１％であることが好ましく、０．２％であることがより好ましく、０．３％であることがさらに好ましい。
【００２５】
＜Ｆｅ＞
本発明のステンレス鋼はＦｅを主成分として含む。「主成分」とは３０％以上の含有率であることを意味するものとする。本発明のステンレス鋼は、Ｆｅを４０％以上含むことが好ましく、５０％以上含むことがより好ましく、６０％以上含むことがより好ましく、７０％以上含むことがさらに好ましい。
また、本発明のステンレス鋼は、上記の各成分を含み、その他は不可避的不純物からなることが好ましい。不可避的不純物とは、意図的に添加しなくても原料や製造工程等から混入する可能性がある成分を意味する。
【００２６】
次に、本発明にステンレス鋼における不純物成分について説明する。
本発明のステンレス鋼において、Ｃ、Ｐ、Ｓ、ＮおよびＯは不純物成分である。これらの含有率は低いほど好ましい。
【００２７】
＜Ｃ＞
本発明のステンレス鋼において、Ｃ含有率は０．０５％以下であり、０．０１％以下であることが好ましく、０．００５％以下であることがより好ましく、０．００３％以下であることがさらに好ましい。本発明のステンレス鋼のように、Ｃ含有率が少ないと、溶体化処理後の加工性は向上する。一方、Ｃ添加により引張強さは向上するが、Ｃの過剰添加はＭｏ2Ｃ等の炭化物を粒界に析出させ靭性、疲労強度および溶接性を低下させる可能性がある。
【００２８】
＜Ｐ＞
本発明のステンレス鋼において、Ｐ含有率は０．０３％以下であることが好ましく、０．０１％以下であることがより好ましく、０．００５％以下であることがさらに好ましい。
Ｐ含有率が高すぎると、粒界脆化や介在物形成のために疲労強度および靱性が低下する傾向がある。
【００２９】
＜Ｓ＞
本発明のステンレス鋼において、Ｓ含有率は０．００３％以下であることが好ましく、０．００２％以下であることがより好ましく、０．００１％以下であることがさらに好ましい。
ＳはＭｎＳを形成し被削性を高めるが、靱性および疲労強度を低下させる傾向がある。
【００３０】
＜Ｎ＞
本発明のステンレス鋼において、Ｎ含有率は０．０３％以下であることが好ましく、０．０１％以下であることがより好ましく、０．００１％以下であることがさらに好ましい。
Ｎは靭性および疲労特性を低下させるおそれがある。
【００３１】
＜Ｏ＞
本発明のステンレス鋼において、Ｏ含有率は０．０３％以下であることが好ましく、０．０２％以下であることがより好ましく、０．０１％以下であることがさらに好ましい。
ＯはＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの非金属介在物を形成し、疲労強度を低下させる要因と成り得る。
【００３２】
＜製造方法＞
本発明のステンレス鋼の製造方法は特に限定されない。
例えば、初めに、不純物の少ない原料を真空誘導炉で溶解し、鋳造してインゴットを得る。または、スクラップおよび合金元素などの溶解原料をエルー式アーク炉で溶解および精錬し、得られた溶鋼を加熱装置および真空装置の付いた取鍋精錬炉に移して真空精錬し、鋳造してインゴットを得る。
次に、得られたインゴットを、熱間加工や冷間加工により所望の製品形状に加工する。
次に、１２００℃程度の温度で２４時間程度の焼鈍を行い、その後、９００〜１０００℃の温度で１時間程度の固溶化処理を行い、さらに４５０〜５００℃で１〜２４時間保持する時効処理を施すことで、本発明のステンレス鋼を得ることができる。
【００３３】
このように本発明のステンレス鋼はサブゼロ処理を行うことなく製造することができる。したがって、製造工程を簡略化できる点でも優れている。
【００３４】
本発明のステンレス鋼は、引張強さおよび延性のいずれもが十分に高いので、本発明のステンレス鋼を主成分とする部分を含む高強度部材は、航空機エンジンの構造材（シャフト材等）、航空機降着装置の構造材（一次構造部材ジョイント部のピン・ボルト等）、ロケット用部品、ミサイル用部品、人工衛星用部品、遠心分離機用部材、自動車エンジンの無段変速機用部品、金型、ゴルフクラブヘッドの素材等として、好ましく用いることができる。
なお、本発明のステンレス鋼を主成分とする部分を含む高強度部材とは、本発明のステンレス鋼を５０％以上（好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは１００％）含む材料からなる部品または部分を、一部または全部として含む部材を意味するものとする。
【００３５】
本発明のステンレス鋼の引張強さは１５５１ＭＰａ以上であり、かつ、延性（伸び）は１０％以上である。引張強さは、１５７５ＭＰａ以上であることが好ましく、１５８５ＭＰａ以上であることがより好ましい。この引張強さが高すぎると靭性の低下をきたす可能性があるので、引張強さは１７５０ＭＰａ以下であることが好ましく、１７００ＭＰａ以下であることがより好ましい。また、延性は、８％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。この延性が高すぎると引張強度の低下をきたす可能性があるので、延性は１８％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。
ここで引張強さおよび延性は、ＡＳＴＭ−Ｅ８Ｍの金属の引張試験方法に準じ、平行部径６ｍｍ試験片、標点距離を２５ｍｍとし、０．２％耐力までは０．５％／ｍｉｎ、０．２％耐力以降は５．０％／ｍｉｎで引いて行う試験によって得た値とする。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明の実施例および比較例を説明する。
＜実験１＞
各実施例および各比較例について、第１表に示す組成となるように合金（７００ｇ）を非消耗電極式アーク溶解炉を用いて溶解し、インゴットを得た。そして、得られたインゴットを熱間圧延機を用いて１０００℃で熱間圧延（圧下率５０％）して厚さ１３ｍｍに加工し鋼板とした。
次に、熱間圧延して得た鋼板を電気炉を用いて１２００℃で２４ｈで焼鈍し、その後、１０００℃で１ｈの固溶化処理を行い、さらに５００℃で５ｈの時効処理を行った後、鋼板の引張試験を行い、引張強さ（ＵＴＳ［ＭＰａ］）および伸び（ＥＬ［％］）を測定した。測定結果を第１表に示す。
ここで引張試験はＡＳＴＭ−Ｅ８Ｍの金属の引張試験方法に準じて行った。
【００３７】
なお、全ての実施例および比較例における時効処理後の鋼板のＣ含有率は０．００４％、Ｐ含有率は０．００２％未満、Ｓ含有率は０．００１％未満、Ｎ含有率は０．００１％未満、Ｏ含有率は０．０２％以下であった。ここで、Ｃ含有率およびＳ含有率は高周波燃焼−赤外線吸収法によって測定し、Ｐ含有率はＩＣＰ−ＡＥＳ法によって測定し、Ｎ含有率は熱伝導度法よって測定し、Ｏ含有率は赤外線吸収法によって測定して求めた。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
＜Ｖ含有率について＞
実施例３〜５および比較例１〜３から、Ｖ含有率が１．０質量％以下である場合は引張強さ（ＵＴＳ［ＭＰａ］）が低いものの、Ｖ含有率が１．０質量％を超えると引張強さ（ＵＴＳ［ＭＰａ］）が高くなることがわかった。
【００４０】
＜Ａｌ含有率について＞
実施例１、比較例４および比較例５から、Ａｌ含有率が０．３質量％となると伸び（ＥＬ［％］）が低くなることがわかった。
【００４１】
＜Ｓｉ含有率について＞
実施例１および比較例６から、Ｓｉ含有率が１．０質量％となると伸び（ＥＬ［％］）が低くなることがわかった。