(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で、
Ｃ：０．１７〜０．２２％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｃｒ：１４．０〜１５．０％、
Ｍｏ：０．７〜１．３％、
Ｎｉ：０．１７〜０．６％、
Ｎ：０．１０〜０．１５％、
Ｏ：０．００３〜０．０１％
を含有し、かつ、
Ｃｕ：０．２％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式によるＰｆ：１４以下、Ｐｈ：５０以上であることを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
ただし、
Ｐｆ＝［％Ｃｒ］＋１．７×［％Ｍｏ］＋２．１×［％Ｓｉ］−７×［％Ｃ］−８×［％Ｎ］−３．３×［％Ｎｉ］−１．９×［％Ｍｎ］−０．５×［％Ｃｕ］
Ｐｈ＝５５．７＋４４．５×［％Ｃ］＋８４．７×［％Ｎ］−１．５×［％Ｃｒ］
【請求項２】
請求項１に加えて、質量で、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｃａ：０．００５％以下、
Ｍｇ：０．００５％以下、
Ｔｉ：０．５％以下、
Ｖ：０．５％以下、
Ｗ：０．５％以下、
Ｎｂ：０．５％以下、
Ｔａ：０．５％以下、
Ｈｆ：０．５％以下、
Ｂ：０．０１％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１または２に加えて、質量で、
Ｓ：０．４％以下、
Ｓｅ：０．３％以下、
Ｔｅ：０．１％以下、
Ｐｂ：０．３％以下、
Ｂｉ：０．３％以下、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の化学組成において、焼入れ、焼き戻し材の残留フェライトが面積率で５％以下、炭化物の面積率が２％以下であることを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
【請求項５】
請求項１〜４において、焼なまし硬さが９５ＨＲＢ以下で、引抜き、冷鍛、転造の冷間加工により成形後、熱処理により５０ＨＲＣ以上の硬さとなる耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼およびそれを用いたセルフドリリングタッピンネジ等の製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、各種産業機械、自動車、電子機器、化学装置等において高強度と耐食性が要求される部品の素材として利用されるマルテンサイト系ステンレス鋼、例えば、各種シャフト類、耐食軸受等の素材にはＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。しかしながら、これらのマルテンサイト系ステンレス鋼は、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３０４と比べて、Ｃｒ量が低くＣ量が高いため、高強度は得られるものの、大気環境中においても容易に発銹する程度の耐食性しかない。一方、高強度と耐食性を両立させたマルテンサイト系ステンレス鋼として、特許第２９６８８４４号公報で示される耐孔食性の優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼や特開平６−２６４１９４号公報に示される耐銹性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼およびドリリングタッピンネジ等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したタッピンネジに求められる特性は、硬度、耐食性、靱性および冷間加工性（冷鍛−転造）である。そこで従来、硬度は高いが耐食性に劣るマルテンサイト系ステンレス鋼には耐食性付与のため、Ｓｎ等のめっきが、硬度の低いオーステナイト系には窒化等の表面硬化法が用いられている。しかしながら、これらの方法は、工数増によるコストアップが不可避である。一方、前述した特許第２９６８８４４号公報や特開平６−２６４１９４号公報に示される耐銹性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼およびドリリングタッピンネジとして開示されているが、いずれも、焼なまし硬さを上げる作用のあるＮｉの積極的添加を必須としたものであり、冷鍛時のプレス負荷が増加して生産性を悪化させるなど、冷間加工性が不十分という問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述したような問題を解決したもので、耐食性向上に有効なＣｒとＭｏを必要量添加し、硬度と耐食性を上げるＮを添加し、Ｃは必要最小限に抑える。また、マルテンサイト中にフェライトが残留すると耐食性と靱性を著しく低下させるため、成分バランスの調整によりフェライトフリーとすると共に、靱性低下原因のＣ量に制限を加えた耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製品を提供することにある。
【０００５】
その発明の要旨とするところは、
（１）質量で、Ｃ：０．１７〜０．２２％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１４．０〜１５．０％、Ｍｏ：０．７〜１．３％、Ｎｉ：０．１７〜０．６％、
Ｎ：０．１０〜０．１５％、Ｏ：０．００３〜０．０１％を含有し、かつ、Ｃｕ：０．２％以下、Ｐ：０．０５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ下記式によるＰｆ：１４以下、Ｐｈ：５０以上であることを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
ただし、
Ｐｆ＝［％Ｃｒ］＋１．７×［％Ｍｏ］＋２．１×［％Ｓｉ］−７×［％Ｃ］−８×［％Ｎ］−３．３×［％Ｎｉ］−１．９×［％Ｍｎ］−０．５×［％Ｃｕ］
Ｐｈ＝５５．７＋４４．５×［％Ｃ］＋８４．７×［％Ｎ］−１．５×［％Ｃｒ］
【０００６】
（２）前記（１）に加えて、質量で、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃａ：０．００５％以下、Ｍｇ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下、Ｈｆ：０．５％以下、Ｂ：０．０１％以下、の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
（３）前記（１）または（２）に加えて、質量で、Ｓ：０．４％以下、Ｓｅ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．３％以下、の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
【０００７】
（４）前記（１）〜（３）に記載の化学組成において、焼入れ、焼き戻し材の残留フェライトが面積率で５％以下、炭化物の面積率が２％以下であることを特徴とする耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼。
（５）前記（１）〜（４）において、焼なまし硬さが９５ＨＲＢ以下で、引抜き、冷鍛、転造の冷間加工により成形後、熱処理により５０ＨＲＣ以上の硬さとなる耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼製品にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐食性、靱性および冷間加工性に優れた高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼の成分範囲の限定理由について具体的に述べる。
Ｃ：０．１７〜０．２２％
Ｃは、Ｎと共に強度確保のため、０．１７％以上必要である。しかし、０．２２％を超えると、本発明のＣｒ量の範囲では、最適焼入条件で固溶しないＣｒ炭化物を多量に生じ、靱性を悪化させる。従って、Ｃ含有量は０．１７〜０．２２％とした。
【０００９】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、脱酸元素として有効な元素である。しかし、２．０％を超えると焼なまし硬さが高くなる上、焼入れ時の残留フェライト量が増加する。従って、その上限を２．０％とした。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、脱酸元素であり、Ｎの溶解度を上げる効能がある。しかし、２．０％を超える添加はそれほど効果が得られず、かつ、耐食性を悪化させる。従って、その上限を２．０％とした。
【００１０】
Ｃｒ：１４．０〜１５．０％
Ｃｒは、耐食性を与える基本元素である。しかし、１４．０％未満では耐食性が不十分であり、１５．０％を超えるとフェライトの増加、Ｃｒ炭化物の増加を招き靱性等の劣化を招くことから、その範囲を１４．０〜１５．０％とした。
Ｍｏ：０．７〜１．３％
Ｍｏは、Ｃｒと共存することで大気環境の耐食性を改善する。しかし、０．７％未満では不十分であり、１．３％を超えると偏析を強めフェライトを生じやすくなることから、その範囲を０．７〜１．３％とした。
【００１１】
Ｎ：０．１０〜０．１５％
Ｎは、Ｃと共に硬さを上げ、耐食性にも好影響を与える。しかし、０．１０％未満では十分な硬さが得られず、０．１５％を超えると、本発明範囲ではＮ固溶量の制限のため凝固欠陥の原因となる。従って、その範囲を０．１０〜０．１５％とした。
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、靱性の観点から特に上限を制限した。０．０５％を超えると高靱性が得られない。望ましくは０．０３％未満とする。
【００１２】
Ｏ：０．００３〜０．０１％
Ｏは、冷鍛割れ防止の観点から特に上限を制限した。０．０１％を超えると生成酸化物が加工性を阻害する。従って、その上限を０．０１％とした。望ましくは０．００６％未満とする。また、下限を０．００３％とする。
Ｎｉ：０．１７〜０．６％
Ｎｉは、冷間加工性の観点から特に上限を制限した。０．６％を超えると焼きなましによる軟化が困難になる。従って、その上限を０．６％とした。望ましくは０．４％未満とする。また、下限を０．１７％とする。
【００１３】
Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕは、靱性、熱間加工性、リサイクル性の観点から特に上限を制限した。０．２％を超えると靱性および熱間加工性が悪化する。従って、その上限を０．２％とした。望ましくは０．１％未満とする。
Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、強力な脱酸元素として有効である。しかし、０．０５％を超えると二次酸化の問題がある。従って、その上限を０．０５％とした。
【００１４】
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、熱間加工性を改善する元素である。しかし、０．００５％を超えると粗大酸化物が生じて冷間加工性を悪化させる。従って、その上限を０．００５％とした。
Ｍｇ：０．００５％以下
Ｍｇは、Ｃａと同様に、熱間加工性を改善する元素である。しかし、０．００５％を超えると粗大酸化物が生じて冷間加工性を悪化させる。従って、その上限を０．００５％とした。
【００１５】
Ｔｉ：０．５％以下
Ｔｉは、炭窒化物を生成し耐食性を改善する元素である。しかし、０．５％を超えると熱間加工性、冷間鍛造性を悪化させる。従って、その上限を０．５％とした。
Ｖ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下、Ｈｆ：０．５％以下
Ｖ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆは、Ｔｉと同様、炭窒化物を生成し耐食性を改善する元素である。しかし、０．５％を超えると熱間加工性、冷間鍛造性を悪化させる。従って、それぞれの上限を０．５％とした。
【００１６】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、熱間加工性を改善する元素である。しかし、０．０１％を超えると逆に熱間加工性を悪化させる。従って、その上限を０．０１％とした。
Ｓ：０．４％以下
Ｓは、被削性を改善する元素である。しかし、０．４％を超えると熱間加工性、冷間鍛造性を悪化させる。従って、その上限を０．４％とした。
【００１７】
Ｓｅ：０．３％以下、Ｔｅ：０．１％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．３％以下
Ｓｅ，Ｔｅ，Ｐｂ，Ｂｉは、Ｓと同様、被削性を改善する元素である。しかし、０．３％ないし０．１％を超えると熱間加工性、冷間鍛造性を悪化させる。従って、それぞれの上限を０．３％、ないし０．１％とした。
【００１８】
Ｐｆ（フェライトパラメータ）：１４以下
Ｐｆは、残留フェライト量と相関のあるパラメータで、この値の増加に伴ってフェライト量が増加する。この値が１４を超えると、フェライトフリー化が十分得られない。従って、その上限を１４とした。
Ｐｈ（硬さパラメータ）：５０以下
Ｐｈは、最適焼入温度で焼入れし、２００℃で焼戻ししたときの硬さと相関のあるパラメータである。この値が５０未満では、５０ＨＲＣ以上の高硬度が十分に得られない。従って、その上限を５０とした。
【００１９】
焼入れ、焼き戻し材の残留フェライトが面積率で５％以下、炭化物の面積率が２％以下とした理由は、以下の通りである。残留フェライトが面積率で５％を超えると、フェライト周囲に析出した炭化物との境界で発銹が生じやすく、また靭性にも劣る。また、炭化物の面積率が２％を超えると、冷間加工時に割れを生じやすくなる一方、粒界に析出した炭化物は靭性を悪化させる。従って、その上限をそれぞれ５％、２％とした。
また、焼なまし硬さを９５ＨＲＢ以下で、引抜き、冷鍛、転造等の冷間加工により成形後、熱処理により５０ＨＲＣ以上の硬さとすることにより、セルフドリリングタッピンネジ等の製品に好適な材料となる。
【００２０】
【実施例】
１００ｋｇ真空誘導溶解炉にて鋼塊溶製した。表１に示す各成分の鋼塊を熱間鍛伸した。鍛伸材を８７０℃焼なまし後、硬さ測定、冷間圧縮変形抵抗測定を行った。１０３０℃油冷−２００℃空冷の焼入焼戻し後、硬さ測定、耐食性、シャルピー衝撃試験、フェライト、炭化物量測定を行った。その結果を表２に示す。また、各試験条件および評価方法を以下に示す。
【００２１】
【表１】
0004294237.tif 000002
【００２２】
【表２】
0004294237.tif 000003
【００２３】
（１）焼なまし硬さ
φ２０ｍｍに熱間鍛伸後、８７０℃−２時間保持後、５７０℃まで２０℃／ｈで炉冷した後空冷の１回焼なましを施し、Ｔ面中周部をロックウエル硬度計で測定した。
（２）冷間圧縮変形抵抗
ヘッダー加工等冷鍛におけるプレス機への負荷の評価として、焼なまし材をφ１４×Ｌ２１に加工し、長手方向に常温で５０％圧縮したときの変形抵抗を測定した。
【００２４】
（３）焼入焼戻硬さ
１０３０℃−３０ｍｉｎ保持油冷後、２００℃−１時間保持空冷の焼入焼戻しを施し、φ２０Ｔ面中周部をロックウエル硬度計で測定した。以下の調査は、全て上記熱処理を行った。
（４）ＣＡＳＳ試験
焼入焼戻し後、φ１２×Ｌ２１の試験片を用いて、ＣＡＳＳ試験（ＪＩＳ  Ｚ２３７１、７２ｈ）を行い、発銹の有無を観察した。
【００２５】
（５）シャルピー衝撃試験
焼入焼戻しを行い、１０×１０×５５のＪＩＳ  Ｚ  ２２０２（２ｍｍＵノッチ）シャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃値を求めた。
（６）フェライト面積率
焼入焼戻し状態におけるマルテンサイト中の残留フェライト量に及ぼす成分元素の影響を調べるため、φ２０中心部のフェライト量を、１００倍写真×５視野について画像解析装置で測定した。
（７）炭化物面積率
φ２０焼入焼戻し材中心部の炭化物面積率を、５００倍×５視野について画像解析装置で測定した。
【００２６】
表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１７を本発明の実施例としての化学成分を掲げ、Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．３３を比較例の化学成分組成とした。その試験結果、比較例Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．３３における成分組成は本発明の条件と外れ、その結果としての表２は、いずれかの特性において劣り、特に、比較例Ｎｏ．２７は鋼塊に欠点があり、比較例Ｎｏ．３２は圧縮時に割れが発生した。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は耐食性、靱性および冷間加工性に優れた硬さ５０ＨＲＣ以上の高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼およびタッピンネジ用材として好適な材料を提供することが出来る、優れた効果を奏するものである。