(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％にて、Ｃ  ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ  ３．０％以下、Ｍｎ  ５．０％を超え１０．０％以下、Ｎｉ  １．０〜７．０％、Ｃｒ  １２．０〜１８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種が、Ｍｏ＋１／２Ｗで３．０％以下（０％を含む）、Ｃｕ  ２．０％以下（０％を含む）、Ｎ  ０．０５〜０．１５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ（１）式で示されるＡ値が２３．５８〜２７、（２）式で示されるＢ値が２５．１５以上であって、オーステナイト相中に加工誘起マルテンサイト相を体積％で３０％以上含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
A=Ni+0.65Cr+0.98Mo+0.49W+1.05Mn+0.35Si+Cu+12.6(C+N)…………（１）
（ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算）
B=Cr+3.3Mo+1.65W+Cu+30N                            …………（２）
（ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算）
【請求項２】
重量％にて、Ｃ  ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ  １．０％未満、Ｍｎ  ５．０％を超え７．０％％以下、Ｎｉ  ２．０〜７．０％、Ｃｒ  １２．０〜１８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種が、Ｍｏ＋１／２Ｗで１．０〜３．０％、Ｃｕ  ２．０％以下（０％を含む）、Ｎ  ０．０５〜０．１５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ（１）式で示されるＡ値が２３．５８〜２７、（２）式で示されるＢ値が２５．１５以上であって、オーステナイト相中に加工誘起マルテンサイト相を体積％で３０％以上含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
A=Ni+0.65Cr+0.98Mo+0.49W+1.05Mn+0.35Si+Cu+12.6(C+N)…………（１）
（ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算）
B=Cr+3.3Mo+1.65W+Cu+30N                            …………（２）
（ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算）
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼組成に、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．２％以下含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の鋼組成に、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのうち１種または２種以上を合計で０．１０％以下含有することを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い硬さと耐食性がともに要求される部材、部品、例えば板ばね、コイルばね、フラッパーバルブ、メタルガスケット、カミソリ刃等の刃物類、等に使用されるのに適した高硬度高耐食ステンレス鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高硬度と耐食性を必要とする上記の用途には、主としてCを０．５％前後含む１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。これらのステンレス鋼は焼鈍で軟化させた状態で冷間加工を加えて所定の寸法にした後、焼入れ焼戻しという熱処理を行うことで製造される。この熱処理によってCを含む硬いマルテンサイト相が得られるため、非常に高い硬さを得ることができる。しかし、高硬度を得るために焼入れ焼戻しという熱処理を必要とするため、素材の製造工程が多く、製造工程が複雑であるという問題があった。
また、必要とする硬さがあまり高くない用途には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ２０１のようなオーステナイト系ステンレス鋼を冷間加工したものが使用されている。これらはオーステナイト組織の素材を冷間加工することで転位を多く導入して加工硬化するとともに、一部のオーステナイト相が加工誘起マルテンサイト変態することによって強化される。しかし、これらは上記のマルテンサイト系ステンレス鋼並みの高硬度を得るには、オーステナイトが安定なため、かなり強加工を行っても十分な高硬度が得られないという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、最近、焼入れ焼戻しといった複雑な熱処理を必要とせず、主として冷間加工によって強化することでマルテンサイト系ステンレス鋼並みの高硬度が得られるステンレス鋼が望まれている。
本発明の目的は、複雑な熱処理を必要とせずに主として冷間加工によって高硬度が得られ、かつ実用上問題ないレベルの高耐食を有するステンレス鋼を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、オーステナイト系ステンレス鋼について、冷間加工によって高硬度を得るべく、鋭意検討を行なった。その結果、冷間加工後の硬さは加工誘起で変態するマルテンサイト量と関係があり、マルテンサイト量が多い方が硬さが高くなるが、所望の加工誘起マルテンサイトの量を得るには、個々の成分を限定した上で、加工誘起マルテンサイト変態のしやすさに関係するＮｉ当量の適正化が必要であることを見出した。また、耐食性を高めるためには、耐食性を向上させる元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎの適正化が必要であり、さらにはそれぞれの合金元素に依存する製造性、硬さ、耐食性に基づいた合金添加量の最適化が必要であり、これらの要件を満たす合金を検討し本発明に到達した。
【０００５】
すなわち、本発明の第１発明は、重量％にて、Ｃ  ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ  ３．０％以下、Ｍｎ  ５．０％を超え１０．０％％以下、Ｎｉ  １．０〜７．０％、Ｃｒ  １２．０〜１８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種が、Ｍｏ＋１／２Ｗで３．０％以下（０％を含む）、Ｃｕ  ２．０％以下（０％を含む）、Ｎ  ０．０２〜０．１５％、残部が実質的にＦｅからなり、かつ（１）式で示されるＡ値が２３．５８〜２７、（２）式で示されるＢ値が２５．１５以上であって、オーステナイト相中に加工誘起マルテンサイト相を体積％で３０％以上含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
A=Ni+0.65Cr+0.98Mo+0.49W+1.05Mn+0.35Si+Cu+12.6(C+N)…………（１）
(ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算)
B=Cr+3.3Mo+1.65W+Cu+30N                            …………（２）
(ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算)
【０００６】
また第２発明は、重量％にて、Ｃ  ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ  １．０％未満、Ｍｎ  ５．０％を超え７．０％％以下、Ｎｉ  ２．０〜７．０％、Ｃｒ  １２．０〜１８．０％、ＭｏまたはＷの１種または２種が、Ｍｏ＋１／２Ｗで１．０〜３．０％、Ｃｕ  ２．０％以下（０％を含む）、Ｎ  ０．０２〜０．１５％、残部が実質的にＦｅからなり、かつ（１）式で示されるＡ値が２３．５８〜２７、（２）式で示されるＢ値が２５．１５以上であって、オーステナイト相中に加工誘起マルテンサイト相を体積％で３０％以上含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼。
A=Ni+0.65Cr+0.98Mo+0.49W+1.05Mn+0.35Si+Cu+12.6(C+N)…………（１）
(ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算)
B=Cr+3.3Mo+1.65W+Cu+30N                            …………（２）
(ただし、選択元素のうち無添加の元素はゼロとして計算)
【０００７】
本発明の第３発明は、第１発明ないし第２発明のいずれかに記載の鋼組成に、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種または２種以上を合計で０．２％以下含むことを特徴とする高硬度高耐食ステンレス鋼であり、また、第１発明ないし第３発明のいずれかに記載の鋼組成に、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのうち１種または２種以上を合計で０．１０％以下含有することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、加工誘起マルテンサイト変態のしやすさと、耐食性を向上させる元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎの添加量の最適化を図るために、合金元素のバランスを最適化することが本発明の特徴の一つである。
先ず、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎの元素は、個々の成分範囲を満足するだけでなく、高硬度および良好な耐食性を得るためには、本発明鋼において規定した式を満足する必要がある。
（１）式に示すＡ値は、本発明鋼のＮｉ当量を示しており、この式のＡ値の大小が加工誘起マルテンサイト相の生成し易さを左右する重要な指標である。Ａ値は、加工誘起マルテンサイトへの変態しやすさに影響する各元素の重量％に各元素の効果に応じてそれぞれ係数を付した値を足したものである。実験の結果、本発明鋼では、このＡ値が２７を越えると加工誘起マルテンサイトが生成しにくくなり、十分な高硬度が得られにくくなることから、（１）式に示すＡ値の上限を２７とし、Ａ値を２３．５８〜２７の範囲に規定した。
【０００９】
（２）式に示すＢ値は、本発明鋼の耐食性を左右する重要な指標であり、耐孔食性を直接的に向上させる元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ｎの重量％に各元素の効果の寄与の程度を示す係数を付した値の和で示している。本発明鋼では、このＢ値が１５より小さいと、良好な耐孔食性が得られないので、（２）式に示すＢ値を２５．１５以上とした。
【００１０】
以下に本発明鋼の各元素の作用について述べる。
Ｃは、オーステナイト系ステンレス鋼において、オーステナイト生成元素であり、固溶化処理後にオーステナイト組織を得るために有効である。また冷間加工によって加工誘起変態したマルテンサイト組織を強化し、硬度を高めるのに有効であるが、０．１０％を越えて添加すると基地に固溶してオーステナイト相が安定になりすぎ、加工誘起変態が起こりにくくなったり、オーステナイト結晶粒界にＣｒの炭化物を形成し、基地のＣｒ量を減少させて耐食性を劣化させる原因になる。一方、０．０１％より少ないと、冷間加工後に十分な硬さが得られなくなるだけでなく、デルタフェライトが多く生成して耐食性、硬さ、および熱間加工性を低下させることから、Ｃの含有量を０．０１％〜０．１０％とした。
【００１１】
Ｓｉは、脱酸のために少量添加するが、３．０％を越えて添加してもより一層の向上効果がみられず、Ｃｒ炭化物をオーステナイト結晶粒界に多く生成して耐食性が劣化することから、３．０％以下とした。望ましくは１．０％未満がよい。
Ｍｎは、オーステナイト生成元素であり、固溶化処理後にオーステナイト組織を得るために有効である。また、Ａ値で規定したＮｉ当量の制御においてはＮｉの一部をＭｎに置換してＭｎを多くできることから、Ｎｉと比べると原料が安価なＭｎを多く添加することで、コストを安くできるという利点もある。
また、オーステナイト相中へのＮの固溶度を増加させ、Ｎの添加を容易にする。換言すれば、Ｎ添加を安定して行う（つまりＮによる鋳造欠陥をつくらない）ために非常に有効である。したがって、Ｎ含有鋼においてはＭｎを高くする必要があるが１０．０％を超えて添加すると、耐食性が劣化する一方、５．０％以下では十分な効果が得られないことから、５．０％を超え１０．０％以下とした。望ましくは、５．０％を超え７．０％以下がよい。
【００１２】
Ｎｉは、Ｍｎと同じくオーステナイト生成元素であり、固溶化処理後にオーステナイト組織を得るために有効である。１．０％より少ないと十分な効果が得られず、一方、７．０％を超えて添加するとオーステナイト相が安定になりすぎ、加工誘起マルテンサイト変態が起こりにくくなるため、十分な高硬度が得にくくなることから、１．０〜７．０％とした。望ましくは、２．０〜７．０％がよい。
Ｃｒは、不動態皮膜を形成することで耐食性、特に耐孔食性を高める効果を有する重要な元素である。１２．０％より少ないと十分な耐食性が得られず、一方、１８．０％を越えて添加するとデルタフェライトを生成しやすくなり、耐食性および熱間加工性を劣化させるので、１２．０〜１８．０％とした。
【００１３】
Ｍｏは、不動態皮膜を強化することによって耐食性を高めるのに非常に有効な元素であり、耐食性を重視する場合は添加することが望ましい。ＷもＭｏと同様、耐食性を高めるのに有効であるが、Ｗ単独ではその効果は小さく、Ｗを添加する場合は、Ｍｏの一部を当量のＷ（１／２Ｗが当量のＭｏに相当）で置換する形で添加するのが望ましい。３．０％を越えて添加するとデルタフェライトを生成し、逆に耐食性を劣化させるだけでなく、熱間加工性、冷間鍛造性も劣化させるので、３．０％以下とした。
【００１４】
Ｃｕは、少量添加することで耐食性を高めるのに有効な元素であり、また、オーステナイト相の加工硬化指数を小さくして冷間加工性を向上させる効果があるので、冷間加工によって製造する場合に添加するのが望ましい。２．０％を超えて添加すると熱間加工性が劣化しやすいことから、Ｃｕは２．０％以下とした。
Ｎは、オーステナイト相およびマルテンサイト相中に固溶して硬さを高めるとともに、耐食性を高めるのに非常に有効な元素である。０．０５％より少ないと十分な効果が得られず、一方、０．１５％を越えて添加すると、鋼塊の健全性を害して製造性を劣化させることから、０．０５％〜０．１５％とした。望ましいＮの範囲は、０．０５〜０．１２％である。
【００１５】
Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは必ずしも添加する必要はないが、一次炭化物を形成することで結晶粒を微細化して硬さおよび延性を向上させるのに有効な元素であり、１種または２種以上を必要に応じて添加する。これらのうち、１種または２種以上が合計で、０．２％を越えて添加すると粗大な一次炭化物を形成し、冷間加工性を害することから１種または２種以上を合計で０．２％以下とするのがよい。
【００１６】
Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌは、必ずしも添加する必要はないが、酸化物、硫化物を形成することで、結晶粒界に偏析するＳ、Ｏを低減し、熱間加工性を向上させるのに有効であり、１種または２種以上を必要に応じて添加する。Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのうちの１種または２種以上が合計で、０．１０％を越えて添加してもより一層の向上効果が得られず、逆に清浄度を低下させて熱間加工性、冷間加工性を害するので、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのうちの１種または２種以上を合計で、０．１０％以下とするのがよい。
また、不純物元素であるＰについては、通常の溶解工程で混入するレベルなら問題ないので特に規定はしないが、耐食性の点からは低い方が望ましい。
本発明鋼は上記の成分範囲を満足しただけでは、所望の高硬度が得られず、冷間圧延、冷間引抜、冷間鍛造等の冷間加工を加えることによって、加工誘起マルテンサイトを生成させる必要がある。加工誘起マルテンサイト相が体積率で３０％より少ないと、十分な高硬度が得られないことから、加工誘起マルテンサイト相の体積率は３０％以上とした。
【００１７】
本発明鋼は、冷間加工を加えることによって高硬度を得ることができる。適正な冷間加工によって所望の量の加工誘起マルテンサイトを生成させることで、ビッカース硬さを５００以上とすることができる。
また、本発明鋼は、硬さを低下させずに延性、ばね特性等の向上のために、必要に応じて、冷間加工後に４００〜６００℃で時効処理を行うことができる。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。表１に示す化学成分を持つ鋼を真空溶解によって溶解し、１０ｋｇの鋼塊を得た。ここで、鋼Ｎｏ．１，４，６，９，１４は組成、Ａ値、Ｂ値および冷間加工後の加工誘起マルテンサイト相量がいずれも本発明の限定範囲内にある本発明鋼であり、Ｎｏ．３１〜３５は組成、Ａ値、Ｂ値、冷間加工後の加工誘起マルテンサイト相量のいずれか、またはいくつかが本発明の限定範囲からはずれた比較鋼、Ｎｏ．３６は従来の焼入れ焼戻し鋼の一種ＳＵＳ４２０Ｊ２であり、それ以外は参考例である。Ｎｏ．１〜３５の鋼を熱間鍛造、熱間圧延によって厚さ２ｍｍの板材にし、１０５０℃に加熱後、空冷の固溶化処理を行なった。その後、５０〜７０％の圧下率で冷間圧延した。Ｎｏ．３６の鋼は９５０℃から焼入れた後、３００℃で焼戻しを行った。
【００１９】
上記の加工誘起マルテンサイト相量はＸ線回折法によって測定した。硬さについては、冷間圧延した板の縦断面でビッカース硬さを測定することによって求めた。耐食性については、ＪＩＳ  Ｚ２３７１に規定される３５℃の５％塩水による塩水噴霧試験を１００時間行い、発錆の有無で評価した。これらの結果を表２に示す。ここで耐食試験による発錆の有無については、発錆のなかったものを○印、発錆したものを×印を付して示した。
また、参考例Ｎｏ．２、本発明鋼Ｎｏ．４および従来鋼Ｎｏ．３６については、５０℃の５％硫酸、２０％硝酸、２０％塩酸、２０％水酸化ナトリウム溶液中での耐食試験を行い、試験後の重量減を測定し、水溶液中での耐食性を評価した。
【００２０】
【表１】
0004207137.tif 000002
【００２１】
【表２】
0004207137.tif 000003
【００２２】
【表３】
0004207137.tif 000004
【００２３】
表２からわかるように、本発明鋼Ｎｏ．１，４，６，９，１４はいずれも冷間加工後のビッカース硬さが５００以上の高硬度を示している。また、本発明鋼は塩水噴霧試験による発錆もみられず、高い硬度と良好な耐食性を持つことがわかる。
これに対して、組成、Ａ値、Ｂ値、冷間加工後の加工誘起マルテンサイト相量のいずれか一つ以上が本発明に規定した範囲から外れる比較鋼Ｎｏ．３１〜３５および従来鋼Ｎｏ．３６は、硬さ、塩水噴霧による耐食性の一つ以上の特性が本発明鋼に比べて悪いことがわかる。
特にＡ値および加工誘起マルテンサイト相量が規定した範囲から外れる比較鋼Ｎｏ．３２〜３４は硬さが低く、高硬度が得られない。またＢ値が規定した範囲から外れる比較鋼Ｎｏ．３１は発錆がみられており、耐食性が不十分である。
【００２４】
また、図1に本発明鋼と従来鋼の硫酸、硝酸、塩酸、水酸化ナトリウム溶液中での耐食性を比較して示す。図１より、本発明鋼は、各種酸、アルカリ水溶液に浸漬後の腐食減量が従来鋼より小さく、各種酸、アルカリ水溶液に対する耐食性が、従来鋼より優れていることがわかる。
また、表３に、参考例Ｎｏ．２、本発明鋼Ｎｏ．４の冷間加工前の固溶化処理状態の常温引張特性を示すが、本発明鋼は固溶化処理状態のビッカース硬さが３００以下と低く、伸び、絞りが大きい値を示している。このことから、本発明鋼は冷間加工性が良好であり、冷間成形も容易であることがわかる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高硬度高耐食ステンレス鋼は、高硬度を持ち、かつ耐食性に優れることから、高い硬さと耐食性がともに要求される部材、部品、例えば板ばね、コイルばね、フラッパーバルブ、メタルガスケット、カミソリ刃等の刃物類、等に用いれば、寿命が向上し、工業上顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】耐食性を示す図である。
【図１】
0004207137.tif 000005