JPH0372700B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

米国特許第2482096号及び2850380号明細書に開
示された組成物の時効硬化性マルテンサイト系ス
テンレス鋼は機械的性質及び腐蝕抵抗の大変有用
な組合せをもつている。多くの施工のため、この
タイプの鋼は溶体−処理状態で加工され、それか
ら引続き約850゜及び1150〓の間の温度で単純な時
効硬化処理により硬化される。この処置の主たる
利点は、成分及び物体が最終次元に近似に加工さ
れそれから引続き過剰のスケーリングに出会うこ
と、次元における大きな変化、熱処理における困
難なしに硬化されることである。然しながら、こ
れら現存の時効硬化ステンレス鋼の切削性は溶体
−処理状態に限界があり、特殊である。そしてし
ばしば特定の高価な処理が商業的施工において合
理的機械切削速度及び切断器寿命をえるために要
求されている。 溶体−処理状態において望まれる完全なマルテ
ンサイト構造をえるため、時効硬化ステンレス鋼
の化学組成は、デルタフエライト（delta
ferites）を最小にするか、消すため、及びオース
テナイト状態を制御するため、密接に制御されね
ばならない。これは、炭素、窒素、マンガン、ニ
ツケル及び銅のようなオーステナイト生成要素と
クロム、モリブデン、シリコンのようなフエライ
ト生成要素との間の密接なバランスをフエライト
含量を制御するため要求している。そして溶体−
処理の間の高温で生成したオーステナイトの安全
性を制限するため全組成の密接なバランスを要求
している。 米国特許第2850380号及び3574601号明細書に記
載されたように、時効硬化マルテンサイトステン
レス鋼の機械切削性は鋼の硫黄含量を増加するこ
と、或は硫黄のように機械切削性を改良できるセ
レン、テルル、ビスマス或は鉛のような他の元素
を加えることにより改良されえることが知られて
いる。然しながら、硫黄及びこれら他の元素は多
くの製品の腐蝕抵抗、機械的性質、及び加熱加工
性に悪効果をもつている。例えば、棒製品におい
て、硫黄添加により生じた硫化物は硫化物の縦げ
たを生じ熱圧延の方向に伸びる。硫化物の縦げた
は著しく横の衝撃強さ及び延性を減じ、全機械的
性質を減じる。又鋳込インゴツト断面に偏折する
硫黄の傾向は、これら材料から作られたプラスチ
ツク金型の安定性、研摩能及び組織性に著しく有
害な効果を持つている。それ故このタイプの先行
技術鋼で、硫黄は機械切削性を増す見地から含ま
れることが望まれるが、粘り強さ、延性、腐食抵
抗、研摩能、組織性及びその他の関連した性質の
重大な犠牲でのみ含まれる。 従つて本発明の主たる目的は溶体−処理におい
て又時効硬化状態において特に改良された機械切
削性により特徴づけられたクロム−ニツケル−銅
時効硬化マルテンサイト系ステンレス鋼を提供す
ることである。 発明の付加的目的は、特に溶体−処理及び時効
硬化状態において改良された機械切削性を有する
このタイプのステンレス鋼を提供することで、該
ステンレス鋼はこの目的のため重大な硫黄或は他
の機械切削添加物の存在を要求しない。 この発明の他の目的は、溶体−処理及び時効硬
化状態において、特に改良された機械切削性をも
つこのタイプの硫黄関係ステンレス鋼を提供する
ことである。 この発明により、クロム−ニツケル−銅、時効
硬化マルテンサイト系ステンレス鋼の機械切削性
が、（炭素＋窒素）含量を通例の水準以下に減ず
ることにより、特に溶体−処理及び時効硬化状態
において、大いに改良されえることが発見されて
いる。これに関し、発明により低水準での組合せ
における（炭素＋窒素）は、低炭素或は窒素単独
より効果的である。（炭素＋窒素）含量における
減少で、この発見の鋼の全組成は、デルタフエラ
イトの生成を最少にするため、或は避けるため、
完全なマルテンサイト構造が溶体−処理状態でえ
られることを確めるため、バランスされねばなら
ない。減少した（炭素＋窒素）含量によりえられ
た機械切削性における改良は、大変低い含量及び
高い硫黄含量で生成される。硫黄含量を増加する
ことなしに機械切削性を改良すること、機械的性
質、腐蝕抵抗、及び他の性質における硫黄の有害
効果が耐えられえる施工に使用された硫黄関係材
料の機械切削性を改良することを可能にしてい
る。 発明により、溶体−処理及び時効硬化状態にお
いて改良された機械切削性をもつことにより特性
づけられたクロム−ニツケル−銅、時効硬化マル
テンサイト系ステンレス鋼が提供されている。鋼
は本質的に重量％で： 炭素 0.04％まで 窒素（炭素＋窒素）0.045までで、かつ0.08％ま
で、好ましくは（炭素＋窒素）
0.05％又は0.035％； マンガン 8.0％まで；或いは好ましくは2.0
％； リン 0.040％まで； 硫黄 0.15％まで；或は好ましくは
0.030％； シリコン 1.0％まで； ニツケル 2.00％から5.50％、好ましくは2.5
％から3.5％； クロム 11.00％から17.50％、好ましくは
11％から13％； モリブデン ３％まで；或は好ましくは0.50
％； 銅 2.00％から5.00％； コロンジウム 15×（Ｃ＋Ｎ）％まで； ホウ素 0.01％まで及び 付随した不純物を含む鉄 残り よりなつている。 発明の鋼は任意に0.5％までのベリリウムをも
つであろう。 以下に各成分含量を限定する理由を記す 炭素−Ｃが多くなると硬くなり、加工が容易でな
く、加工面が腐蝕をおこし易くなるので出来る
だけＣは少ないことが望まれるので0.04％を限
度とする。 窒素−切削性向上元素の耐蝕性に与える悪影響を
消し、適当の添加は耐蝕性を高める。その量は
快削成分の添加量との関連において0.045％と
限定する。 （炭素＋窒素）−切削性に対し、炭素及び窒素の
単独より（炭素＋窒素）の含量が大きな影響を
及ぼし、その合計が多すぎると切削性が減少す
る。従つて炭素プラス窒素の合計を0.08％ま
で、好ましくは0.05％又は0.035％とする。 マンガン−熱間加工性をよくするために多い程よ
いが、耐蝕性を劣化するので8.0％まで、好ま
しくは2.0％とする。 リン−リンの添加は切削性を改善するが、多量の
添加は耐蝕性、及び加熱加工能に悪影響を及ぼ
すので0.040％までとする。 硫黄−硫黄の増加は切削性を改善するが、耐蝕
性、加工性に悪効果を示すので0.15％まで、或
はこのましくは0.030％とする。 けい素−脱酸剤として優れた作用効果があり、造
塊中の流動性をますが1.0％以上にすると切削
性に悪影響を及ぼすので1.0％までとする。 ニツケル−確実にマルテンサイト構造をえるため
添加される。ニツケルはクロムを含むフエライ
ト形成要素の存在における望まれたマルテンサ
イト構造をえるための充分な量存在せねばなら
ない。クロムは耐酸化性をえるため必要である
が、クロムは強いフエライト形成物であり、ク
ロムのフエライト形成ポテンシヤルにバランス
する様ニツケルが存在しないと、望まれたマル
テンサイト構造がえられない。従つてフエライ
ト形成要素にバランスし、マルテンサイト構造
がえられるように、2.0％から5.5％、好ましく
は2.5％から3.5％添加される。 クロム−ニツケルと同様本鋼の基礎であり、特に
耐蝕元素として他元素とのバランスで11.00％
から17.5％、好ましくは11％から13％とする。 モリブデン−耐蝕性を著しく高めるが、極めて高
価で、加工性の問題もあるので３％まで、好ま
しくは0.5％とする。 銅−退職性向上、加工硬化を和げるのに有効な元
素であるが、熱間加工性を害するので他の成分
とのバランスで2.00％から5.00％とする。 コロンジウム−コロンジウムはチタンと同様の効
果を生じるが、チタンを使用することは炭化
物、窒化物を生成するため使用できない。この
ためコロンジウムを使用する。コロンジウムの
存在により（炭素＋窒素）が安定化されるが、
（炭素＋窒素）含量との関係で15×（Ｃ＋Ｎ）％
までとする。 ホウ素−熱加工性を改善するが、本合金について
多量に存在する必要はなく0.01％以下の存在で
充分であり、好ましくは0.002〜0.004％の範囲
である。 組成物は本質的にデルタフエライトをもたず、
250〓以上のM_s温度であるようバランスされてい
る。M_s温度はマルテンサイトへの変態が冷却で
始まる温度である。M_s温度を250〓以上に保持す
ることにより、マルテンサイトへの本質的に完全
な変態が室温又は室温以上で達せられることが保
証されている。 方程式(1)により、発明の鋼は本質的にフエライ
ト含まない。 ％フエライト＝−117.8−151.3（Ｃ＋Ｎ）＋
9.7（si）−7.7（Ni＋Mn／２＋Cu／３） ＋9.1（Cr）＋7.3（Mo）＋
32.4（Cb）……(1) 方程式(2)により、発明の鋼は本質的に環境温度
或はそれ以下に溶体−処理温度から冷却すること
で完全にマルテンサイトである。 M_S（〓）＝2280−2620（Ｃ＋Ｎ−Cb／８）−102（N
i＋2Mn）−66（Cr＋Mo）−97（Cu）……(2) これらの方程式で、マンガンは、各0.5％ニツ
ケルに対し１％マンガンの基準で、ニツケルに置
換される。 発明の鋼はプラスチツク金型の製造に特殊な利
点を発明する。硬化処理に先立つて金型は加工さ
れるであろう。硬化処理は商業的製造を提供して
いる。又金型製造のための発明の鋼は、最終的機
械切削及び研摩を最小にするよう時効硬化の間ほ
んの僅かの次元変化により特性づけられるであろ
う。硫黄が比較的低水準であるので、金型施工に
おける偏折に関する硫黄の悪効果はさけられる。
腐蝕抵抗が発明の鋼のより高いクロム含量を要求
しない金型施工のため、クロムは11.00％〜13.00
％に限定されるであろう。従つて、ニツケルも
2.5％〜3.5％に限定されるであろう。要求される
微小構造バランスに到達するためクロムとのバラ
ンスのためである。 コロンビウムが（炭素＋窒素）を安定化するた
め発明の鋼に使用されるであろう。このようにし
て鋼の（炭素＋窒素）含量に関係している量存在
するであろう。チタンは一般にコロンビウムに等
価としてこの目的に使用されている元素であるけ
れども、特定の鋼精製法を使用することなしにこ
の発明の鋼にコロンビウムの代りに使用されえな
い。これらの鋼に、重大な量のチタンの存在はチ
タン炭素窒化物及び酸化物の存在を生じ、機械切
削性に悪影響を及ぼす。 この発明の原理を論証するように、機械切削性
試験のため数種の溶解物がとかされた。これら溶
解物のための化学組成及び溶体−処理温度から冷
却におけるマルテンサイト開始温度及び計算％デ
ルタフエライトが表−１に与えられている。

【表】

【表】 溶解物V547はこのタイプの時効硬化ステンレ
ス鋼のために代表的化学組成をもつている。他の
８溶解物は現発明の溶体−処理及び時効硬化ステ
ンレス鋼の機械切削性における炭素、窒素、及び
硫黄の効果を確立するためとかされた。これら溶
解物で類似のオーステナイト−フエライトバラン
ス及び変態特性を保持するため、0.06％以下の
（炭素＋窒素）及び0.21％コロンビウムを含んで
いる鋼のニツケル含量が僅かに増加された。溶体
−処理温度から環境温度或はそれより僅に低く冷
却されたとき、全ての鋼は本質的に方程式(1)によ
りフエライトを含まず、方程式(2)により完全にマ
ルテンサイトである。 方程式(1) ％フエライト＝−117.8−151.3（Ｃ＋Ｎ）＋
9.7（si）−7.7（Ni＋Mn／２＋Cu／３） ＋9.1（Cr）＋7.3（Mo）＋32
.4（Cb） 方程式(2) M_S（〓）＝2280−2620（Ｃ＋Ｎ−Cb／８）−102（N
i＋2Mn）−66（Cr＋Mo）−97（Cu） 表−１の溶解物50ポンドが誘導溶融され、鋳鉄
金型に鋳込まれた。温度2150〓から１−1/4−イ
ンチ八角形棒に鍛造後、棒は環境温度に空冷さ
れ、1/2時間1900〓で溶体−処理されそれから油
で冷却された。溶解物V592、V593及びV594から
のものを除いて、これら棒からの４−インチ長試
料が４時間1150〓で時効され空冷された。類似の
試料が２時間1400〓で加熱され環境温度に空冷さ
れ、それから1150〓で４時間再加熱され、空冷さ
れた。

【表】

【表】 〓で熱処理が行はれたことを示す
。
（標準時効硬化ステンレス鋼として溶解物V547
がえらばれた） 溶体−処理、1150〓及び1400プラス1150〓が
別々にトリル試験された。然しながら、溶体−処
理状態において溶解物V547が全３状態における
DMRを計算するため使用された 負荷：32.2ｂ 速度210rpｍ 0.3インチ穴深さ 1/4−インチ新高速鋼きり トリル機械切削性試験が、溶解物V592、V593
及びV594を除いて、溶体−処理状態において、
又1150〓時効状態及び1400〓プラス1150〓時効状
態において全９溶解物からの４インチ長並行生地
断面（４−inch long parallel ground bar
section）で行われた。ドリル機械切削性評価
（DMR）データーが表−に示されている。こ
れらのデーターからわかるであろうように、1400
〓プラス1150〓時効状態が最良の機械切削性を与
え、溶体−処理状態が最低の機械切削性与えてい
る。３状態の各々において、ドリル機械切削性評
価により示されたように、機械切削性は、（炭素
＋窒素）含量が減ぜられると改良する。然しなが
ら、最も劇的改良は溶体−処理状態における鋼で
えられている。 類似の硫黄含量を有している溶解物V547、
V552A及びV552を考えてみよう。発明により、
（炭素＋窒素）含量を溶解物V547における0.096
％の代表的水準から溶解物V552Aにおける0.050
％に減ずることは溶体−処理状態において機械切
削性に約28％の改良を生じる。（炭素＋窒素）を
更に0.034％に減じることは機械切削性に41％改
良を生じる。機械切削性改良における類似の増加
が高硫黄鋼X551、V551A及びV554の（炭素＋窒
素）含量を低めることから生じる。機械切削性改
良における硫黄増加の知られた効果は溶解物
V547（0.011％Ｓ）及びV551A（0.036％Ｓ）を比較
することにより証明されている。このようにし
て、この発明により機械切削性が溶体−処理或は
時効硬化状態いずれかにおいて（炭素＋窒素）を
低水準で制御することにより鋼で改良される。 更に発明を論証するために、レース切断具寿命
試験が溶解物V592、V593及びV594からのものを
除いて１−1/4インチ八角棒から作られた１−イ
ンチ丸溶体−処理棒で行われた。レース切断具寿
命試験で、突発工具事故が種々の加工速度で発生
する前に鋼から切断されたウエハース数が機械切
削性の測定として使用されている。与えられた加
工速度で切断されえるウエハース数が多ければ、
鋼の機械切削性は良好である。これらの試験に使
用された特定状態は次のようであつた：溶体−処
理１インチ丸棒；切断工具は1/4インチ平板AISI
M2高速鋼であつた；工具幾何学は0゜トツプレー
キ角、14゜前方すきま角、3゜側面すきま角、0゜切断
角、であつた；供給速度は回転につき0.002イン
チであつた；そしてケロシン３部と混合されたダ
ークスレード（dork thread）切断油２部が潤滑
剤として使用された。加工スピードは１分につき
100から180表面フイート（feet）であつた。試験
結果は表−に示されている。低硫黄材質に体し
表−に存在するデーターからみられるであろう
ように、溶解物V552A（0.05％炭素＋窒素）及び
V552（0.0034％炭素＋窒素）が一般によい機械切
削性を示している。即ち溶解物V547（0.096％炭
素＋窒素）より高加工速度で多くのウエハースを
切断している。類似の結果が高硫黄溶解物
V551A（0.091％炭素＋窒素）及びV554（0.035％炭
素＋窒素）にえられた。

【表】

【表】 これらの材料を評価するため使用された機械切
削スピードにおける広い変動により、一定の工具
寿命判断基準が直接に全６溶解物を比較するため
に開発された。これら溶解物のための機械切削性
データが線型回帰法により解析された。そして
10、20、30及び40ウエハー切片をえるに要する機
械切削スピードが計算された。計算された結果は
表−に与えられている。表−からみられるで
あろうように、低及び高硫黄含量で発明鋼の（炭
素＋窒素）含量を低めることは著しく機械切削ス
ピードを増し、機械切削性の改良を示している；
より高い硫黄鋼も改良された機械切削性を与えて
いる。

【表】 切断工具寿命試験データからえられた線型回帰
方程式は次のようであつた； Ｖ(10)＝177−789（％Ｃ＋％Ｎ）＋449（％Ｓ） Ｖ（20）＝167−734（％Ｃ＋％Ｎ）＋459（％Ｓ） Ｖ（30）＝161−703（％Ｃ＋％Ｎ）＋462（％Ｓ） Ｖ（40）＝157−682（％Ｃ＋％Ｎ）＋468（％Ｓ） こゝでＶ(10)、Ｖ（20）、Ｖ（30）及びＶ（40）は
夫々10、20、30及び40ウエハー切片を生ずるに要
した機械切削スピードである。方程式からみられ
るように、当量重量％基準で、発明された鋼の炭
素及び窒素含量を低下することは、硫黄含量を増
加することにより機械切削性を改良することにお
いて、1.5から1.75倍効果的である。このように
して、よりよき機械切削性が、硫黄含量を増加す
ることよりも発明鋼の（炭素＋窒素）含量を減ず
ることにより充分にえられる。硫黄含量の効果は
特に金型鋼において重要である。低い硫黄含量は
より少ない硫化物混合物及びよりよき研摩性を生
じる。硫黄に対する回帰係数のプラス性により示
されるように、より高い硫黄含量は更に機械切削
性を改良するであろう。そのように、高硫黄含量
と共に低（炭素＋窒素）含量の組合せは実質的に
改良された機械切削性を生じ、幾分減成された粘
り強さ、腐蝕抵抗、或は研摩性が耐えられる施工
に有用になろう。 又この発明の領域内であるクロム−ニツケル−
銅時効硬化マルテンサイト鋼は、塩化物応力腐蝕
クラツキングへの抵抗を改良することが発見され
ている。この利点を論証するべくストリツプ試料
が、夫々（炭素＋窒素）含量0.096％及び0.091％
をもつ溶解物V547及びV551Aから；夫々0.034％
及び0.035％の（炭素＋窒素）含量をもつ溶解物
V552及びV554から調製され、沸騰45％塩化マグ
ネシウムにおける屈曲ビーム試験に供せられた。
環境はしばしばステンレス鋼の応力腐蝕クラツキ
ングへの感受性を評価するために使用されてい
る。彼らが試薬される前に、ストリツプ試料は15
分間1900〓で溶体−処理され、板は室温に冷却さ
れ、それから４時間1150〓で時効硬化された。試
薬中標本は、1150〓で時効硬化されたとき
110000psi、即ち、これら鋼の代表的生成強度の
約90％、に負荷された。発明の領域の外側の（炭
素＋窒素）含量をもつている溶解物V547及び
V551Aからの屈曲ビーム試験標本は夫々試験中
１及び２時間、２及び３時間の間にひびわれた。
著しく対照的に、発明の領域内の（炭素＋窒素）
含量をもつている溶解物V552及びV554からの屈
曲ビーム試験標本は暴露42時間後ひびわれなかつ
た。このように、塩化物応力腐蝕への高抵抗が必
要欠くことのできない施工において、この発明の
鋼はこのタイプの先行技術鋼を越える明瞭な利点
をもつている。 望まれる機械的性質、熱処理応答、機会切削性
及び腐蝕抵抗をえるため、この発明の鋼の化学組
成物は、本質的にデルタフエライトを含まないよ
うに方程式(1)に、及びマルテンサイト発生温度が
約250〓以上であるように方程式(2)にバランスさ
れねばならない。又彼らの化学組成の更にある種
の制限が、良好な熱加工性、熱処理応答及び他の
性質を保持するのに必要欠くべからざるものであ
る。時効硬化応答を与えるためのステンレス鋼へ
の有名な添加物、アルミニウムは、特定の高価な
溶融及び精製技術が鋼を作るのに使用されないか
ら、発明の鋼に加えられるべきでない。一般的溶
融及び精製技術により作られた時効硬化ステンレ
ス鋼へのアルミニウム添加は、工具摩耗を増すこ
とにより機械切削性を損う硬い角状非金属性混合
物の生成を鋼に生じる。又混合物を含んでいるア
ルミニウムに対する通常の群がる傾向は、有害で
ありえる。このようにして、発明鋼のアルミニウ
ム含量は、真空溶融のような付加的精製工程が使
用されないから、約0.05％に制限されねばならな
い。発明鋼の時効硬化応答を補うため、ベリリウ
ムが約0.5％までの量加えられるであろう。更に
発明鋼の熱加工性を改良するため、ほう素が0.01
％までの量加えられるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶体−処理及び時効硬化状態において改良さ
   れた機械切削性をもつことにより特徴づけられた
   クロム−ニツケル銅時効硬化マルテンサイト系ス
   テンレス鋼であつて、該鋼は本質的に重量％で炭 素 0.04％まで 窒 素 0.045％までで、かつ （炭素＋窒素） 0.08％まで マンガン 8.0％まで り ん 0.040％まで 硫 黄 0.15％まで けい素 1.0％まで ニツケル 2.00％から5.50％ クロム 11.00％から17.50％ モリブデン 3.0％まで 銅 2.00％から5.00％ コロンビウム 15×（Ｃ＋Ｎ）％までホウ酸 0.01％まで 付随的不純物を含む鉄 残り よりなり、該鋼の組成で方程式(1)により本質的に
   デルタフエライトを持たず、方程式(2)により
   121.1℃（本質的に250〓）以上のM_s温度をもつ
   よう均衡されている時効硬化ステンレス鋼。 ２ 0.05％まで（炭素＋窒素）含量をもつている
   特許請求の範囲第１項記載の鋼。 ３ 0.035％までの（炭素＋窒素）含量をもつて
   いる特許請求の範囲第１項記載の鋼。 ４ 0.030％までの硫黄をもつている特許請求の
   範囲第２項記載の鋼。 ５ 0.030％までの硫黄をもつている特許請求の
   範囲第３項記載の鋼。