JPH04329824A - 冷間鍛造用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は家電製品、屋根板止め用
等のボルト、ナット、シャフト等に用いられ、焼なまし
状態で優れた冷鍛性を有し、かつ耐食性と焼入硬化能が
優れた冷間鍛造用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】家電製品、屋根板止め用等のボルト、ナ
ット、シャフト等のうち、冷間鍛造により所定の形状に
加工され、かつ高い強度と優れた耐食性を要求される部
品には、冷間加工時に加工可能な硬さが容易に得られ、
加工後の使用時には高い強度を付与できる材料が要求さ
れる。従来、前記要求に対応するための材料としてＳＵ
Ｓ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２といっ
た１３％Ｃｒ　マルテンサイト系ステンレス鋼が使用さ
れている。

【０００３】これらの材料は、熱間圧延後の焼鈍処理に
よって冷間加工可能な硬さとし、所定形状に冷間加工を
施した後、焼入れ焼もどしして高い強度と靱性を付与し
て使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記したボルト、ナッ
ト、シャフト等のうち、特に高強度を必要とする部品に
は、他のステンレス鋼に比べ優れた強度の得られるＳＵ
Ｓ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２が使用される。しかし
ながら、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２は、焼入
後に高い強度が得られる反面、ＪＩＳＧ４３０３に規定
され通常行われている焼鈍条件である　８００〜　９０
０℃に加熱後徐冷ないし、　７５０℃に加熱後空冷とい
った熱処理方法では、冷間鍛造が容易な目安とされてい
る５７ｋｇｆ／ｍｍ２　以下の引張強さを得ることがで
きず、６０ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の高い引張強さとなっ
てしまう。

【０００５】特に、ＳＵＳ４２０Ｊ２は通常の焼鈍では
引張強さが６５〜７０ｋｇｆ／ｍｍ２　程度と極めて高
くなってしまうため、冷間鍛造時に型、パンチ等への負
担が大きく、冷間加工は実質不可能に近いのが現状であ
る。

【０００６】しかしながら、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ
４２０Ｊ２は焼入れ状態における硬さが他のステンレス
鋼に比べ高く、優れた強度が得られるので、その利点に
注目し、焼鈍後の硬さを低下できる新しい熱処理方法の
開発が強く望まれていた。

【０００７】本発明は、前記した問題点を解決すべくな
されたもので、焼鈍により低い硬さ、引張強さが得られ
る新しい熱処理方法を提供し、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵ
Ｓ４２０Ｊ２の材料の優れた特徴を最大限に活かすこと
のできる冷間鍛造用マルテンサイト系ステンレス鋼の製
造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は前記鋼の焼
鈍硬さを効率良く低下させることのできる焼鈍条件につ
いて様々の条件にて検討を重ねた結果、以下の知見を得
ることにより本発明を得た。

【０００９】すなわち、Ａ１変態点直上の温度に加熱保
持し、その後Ａ１変態点直下の温度に冷却し、再度変態
点直上の温度に加熱保持するという処理を繰返すと、炭
化物の粗分散化が進み、一様に分散した球状炭化物が得
られ、その結果、引張強さの低下に効果が大きいことを
見出した。

【００１０】また、結晶粒度についても、加熱保持時間
、加熱温度を適切に設定することにより、限界加工率が
高く、強度の点でも最適な５〜１０程度の粒度に容易に
調節できることを確認した。

【００１１】以上得られた知見を基に最適な熱処理条件
を模索した結果、同一の鋼を熱処理した場合でも、従来
のＪＩＳ　で規定された熱処理方法に比べ約１０ｋｇｆ
／ｍｍ２　程度引張強さを低下できる熱処理条件を見出
し、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２の熱処理後の
引張強さを冷間鍛造が容易な５７ｋｇｆ／ｍｍ２　以下
に抑えることに成功したものである。

【００１２】また、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ
２の焼入焼もどし状態における強度の向上について検討
を加えた結果、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ　、Ｎｂを少量添加する
と、焼鈍時の引張強さにほとんど影響を与えることなく
、強度向上に効果のあることも見出したものである。

【００１３】以上の知見のもとに得られた本発明の第１
発明は、重量比にしてＣ：０．１６〜０．４０％　、Ｓ
ｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｓ：０．
０３０％以下、Ｃｒ：１２．０　〜１４．０％　を含有
し、残部がＦｅならびに不純物元素からなる鋼を　８０
０〜　９５０℃の温度に加熱し、２〜１６時間保持した
後、５〜５０℃／ｈｒ　の速度で　６００℃〜Ａｒ１　
変態点の温度まで冷却するという熱処理を２回以上繰返
し施すことを特徴とする冷間鍛造用マルテンサイト系ス
テンレス鋼の製造方法であり、第２発明は、前記第１発
明対象鋼にさらにＭｏ：０．０５　〜１．５０％　、Ｔ
ｉ：０．０１　〜０．２０％　、Ｖ：０．０１〜０．２
０％　、Ｎｂ：０．０１　〜０．２０％　のうち１種ま
たは２種以上を含有させ、焼入焼もどし状態における強
度を第１発明に比べさらに改善したものである。

【００１４】次に、本発明の冷間鍛造用マルテンサイト
系ステンレス鋼の製造方法の対象鋼成分限定理由につい
て説明する。

【００１５】Ｃ：０．１６〜０．４０％Ｃ　は必要な強
度を確保するために必要な元素であり、焼入焼もどし後
に優れた強度を得るためには、０．１６％　以上含有さ
せることが必要である。本発明の範囲内においても、Ｃ
　含有率が高いほど高い強度が得られるが、特に高い強
度が要求され、例えばＨｖ６００　以上の焼入硬さが要
求される場合には、０．３０％　以上の含有が必要であ
る。しかし、増加しすぎると焼鈍状態の強度が上昇し、
冷間鍛造が困難となるので、上限を０．４０％　とした
。

【００１６】Ｓｉ：１．００％以下 Ｓｉは脱酸に効果のある元素であるが、固溶強化により
強度が増加し、冷鍛性を低下する元素でもあるので、上
限を１．００％　とした。従って、特に優れた冷鍛性を
得る必要がある場合には、０．３０％　以下とするのが
望ましい。

【００１７】Ｍｎ：１．００％以下 ＭｎはＳｉと同様に脱酸に効果のある元素とともに、固
溶強化により強度を上昇させ、冷鍛性を低下する元素で
もある。よって、多量の含有は望ましくないので、上限
を１．００％　とした。従って、Ｓｉと同様に特に優れ
た冷鍛性を要求される場合にはできるだけ低下する必要
があり、０．４０％　以下とするのが望ましい。

【００１８】Ｓ：０．０１５％以下 Ｓ　は冷間鍛造時、割れの起点となるＭｎＳ　を生成し
、冷鍛性を著しく低下させるとともに、耐食性をも劣化
させる元素であり、上限を０．０１５％とした。特に冷
鍛性を重視する場合には０．００５％以下とするのが望
ましい。

【００１９】Ｃｒ：１２．００〜１４．００％Ｃｒは本
発明対象鋼においてステンレス鋼としての優れた耐食性
を付与する基本元素であり、１２．００％以上の含有が
必要である。しかし、Ｃｒは強力なフェライト生成元素
であり、多量に含有させると焼入性を損なうので、その
上限を１４．００％とした。

【００２０】Ｍｏ：０．０５〜１．５０％　、Ｔｉ：０
．０１　〜０．２０％　、Ｖ：０．０１〜０．２０％　
、Ｎｂ：０．０１　〜０．２０％　のうち１種または２
種以上。Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ　、Ｎｂは少量の添加で焼入焼
もどし状態における強度の改善に寄与する元素であり、
必要に応じて添加することにより強度を向上させること
ができる。 前記効果を得るためには最低でもＭｏは０．０５％　、
Ｔｉ、Ｖ　、Ｎｂはそれぞれ０．０１％　の含有が必要
である。しかし、多量に含有させると焼入性を損なうの
で、上限をＭｏは１．５０％　、Ｔｉ、Ｖ　、Ｎｂは０
．２０％　とした。

【００２１】次に本発明における熱処理条件の限定理由
について説明する。

【００２２】加熱温度を　８００〜　９５０℃としたの
は、優れた冷鍛性が得られるように、結晶粒度を５〜１
０の範囲に制御し、一様に分散した球状炭化物を得て、
硬さを効率良く低下するために最適な温度であるからで
ある。もし、　８００℃未満で熱処理すると、結晶粒が
細かくなりすぎて強度が十分に低下せず、　９５０℃を
越えると一様に分散した球状炭化物が得られないため、
硬さが十分に低下しないとともに、結晶粒が粗大化しす
ぎて冷間鍛造時に割れやすく加工が困難になる。

【００２３】加熱保持時間を２〜１６ｈｒに限定したの
は、２ｈｒ未満では結晶粒の成長が不十分なため、焼鈍
状態における強度が高くなるためであり、逆に１６ｈｒ
を越えると粒が大きくなりすぎ、強度は低下するが冷鍛
時に割れやすくなり、却って冷間加工が困難になるため
である。

【００２４】冷却最終温度を　６００℃〜Ａｒ１　変態
点の範囲に限定したのは、冷却が不完全だと炭化物の粗
分散化のために必要なγ→α＋炭化物の変態が完了しな
いためであり、変態が終了するとそれ以上に冷却しても
組織に変化がなく、再度加熱する場合には余分なエネル
ギーを消費し、熱処理時間も長くなり、実用上適さない
ため、下限を　６００℃とした。なお、Ａｒ１　変態点
は本発明対象鋼の場合　７５０℃程度となる。

【００２５】冷却速度を５〜５０℃／ｈｒ　に限定した
のは、冷却速度が速すぎると、γ→α＋炭化物の変態が
十分に起こらないためであり、５℃／ｈｒ　未満の速度
では熱処理に時間がかかりすぎ、実用上適さなくなるた
めである。

【００２６】

【実施例】本発明の実施例を比較例および従来例と比較
して説明し、本発明の特徴を明らかにする。表１は実施
例として使用した供試材の化学成分を示すものである。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１において、１〜１３鋼は本発明対象鋼
であり、１〜６鋼は第１発明、７〜１３鋼は第２発明に
該当する鋼である。また、１４〜１６鋼は比較鋼であり
、その内１４鋼はＣ　含有量の高い比較鋼、１５鋼はＣ
　含有量の低い比較鋼、１６鋼はＣｒ含有量の低い比較
鋼である。

【００２９】表１に示した成分を有する供試材は電気炉
で溶解し、熱間圧延により線径２０ｍｍの線材を製造す
ることにより準備した。この供試材を使用して前述した
方法にて熱処理（焼鈍）を施し、焼鈍状態における引張
強さ、絞り、結晶粒度を測定した。また、使用時の強度
についても評価するために、焼入状態における硬さおよ
び焼入焼もどし状態における硬さ、引張強さを測定した
。

【００３０】焼鈍処理は、前記供試材を後述する表２に
示す温度、時間の条件で保持し、　６５０℃まで冷却速
度２０℃／ｈｒ　で炉冷するという処理を２回繰返すこ
とにより行った。焼入処理は　９８０℃で１時間保持し
、油冷することにより行い、その後　７５０℃×１ｈｒ
　という条件で焼もどし処理し、強度特性の評価を行っ
た。

【００３１】引張強さ、絞りはＪＩＳ４号引張試験片を
作成し、島津製作所製２５ｔ　オートグラフを使用し、
引張速度１ｍｍ／ｍｉｎ　にて測定した。

【００３２】結晶粒度は、ＪＩＳＧ０５５２に規定され
た鋼のフェライト結晶粒度測定方法に基づき、粒度番号
を測定した。

【００３３】なお、必要な耐食性が得られることの確認
をするために、焼もどし状態において、腐食減量を測定
した。腐食減量は、　５％ＮａＣｌ−２％Ｈ２Ｏ２の４
０℃水溶液中に２４ｈｒ浸漬するという条件にて測定し
た。本試験条件の場合　３ｇ／ｍ２・ｈｒ以下であるこ
とが耐食性合格の目安となる。

【００３４】表２に前記方法にて測定した結果を示す。

【００３５】表２から明らかなように、比較鋼を本発明
の熱処理方法にて処理した場合の特性を本発明対象鋼を
処理した場合と比較すると、１４鋼はＣ　含有率が高い
ため、焼鈍後においても引張強さが５７ｋｇｆ／ｍｍ２
　を越える値となり、結晶粒も細かく、冷鍛性が劣るも
のであり、１５鋼はＣ　含有率が低いため、焼鈍後の強
度は低下して冷鍛性には優れているが、焼入状態におけ
る硬さが低く、製品とした時の強度の点で劣るものであ
る。また、１６鋼はＣｒ含有率が低いため強度の点では
優れた特性を有するが、耐食性が劣るものである。

【００３６】これに対し、本発明対象鋼である１〜１３
鋼を本発明の方法にて処理した場合の特性は、いずれも
焼鈍後の引張強さが５７ｋｇｆ／ｍｍ２　以下という優
れた値となり、かつ焼入後及び焼入焼もどし後の強度及
び耐食性についても優れた結果を得ることができた。

【００３７】また、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ　、Ｎｂを含有した
７〜１３鋼は、前記成分を含有していない１〜６鋼に比
べ、焼鈍状態における強度に影響を与えることなく、焼
入状態及び焼入焼もどし状態の強度を向上できることが
確認できた。

【００３８】次に、最適な焼鈍条件を明らかにするため
に、熱処理条件を変化させた時の焼鈍状態における特性
を調べた別の実施例を示す。

【００３９】表３は、表１に示した供試材のうち１、４
、６、１０、１２鋼を使用し、様々な焼鈍条件により熱
処理した場合の引張強さ、硬さ、絞り、結晶粒度、限界
加工率を調べた結果を示したものであり、試験Ｎｏ．１
〜６は本発明に該当し、Ｎｏ．７〜１２は部分的に本発
明の条件を満足しない比較例、　Ｎｏ．１３、１４はＳ
ＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２にＪＩＳ　で定めら
れている通常の熱処理を施した従来例である。

【００４０】表３に示した引張強さ、硬さ、絞り、結晶
粒度の値は、表２の実施例と全く同一の方法により測定
した。また、限界加工率の測定は、日本塑性加工学会冷
間鍛造分科会の基準に基づいた圧縮試験（切欠付試験片
を使用）を行うことにより評価した。限界加工率は、圧
縮率５５％　にて割れの生じなかったものを○、５５％
　以下の圧縮率にて割れの生じたものは、割れ発生率が
５０％　となる圧縮率を示した。

【００４１】

【表３】

【００４２】表３から明らかなように、比較例、従来例
と本発明による熱処理を施した場合の焼鈍状態における
特性を比較すると、　Ｎｏ．７〜１０はそれぞれ加熱温
度、加熱回数、冷却速度、加熱時間の点で本発明の条件
を満足していないため、結晶粒の成長が十分でなく、強
度が十分に下がらず冷鍛性が劣るものであり、　Ｎｏ．
１１は加熱時間が長すぎるため、強度は低下するが結晶
粒が粗大化し、限界加工率の点で劣るものであり、Ｎｏ
．１２　は加熱温度が高いため、１１と同様に限界加工
率が劣るとともに、一様な球状炭化物が得られず強度の
低下が不十分となり、冷鍛性が著しく劣るものである。 また、従来例であるＮｏ．１３　、１４は引張強さが６
３ｋｇｆ／ｍｍ２　以上の値となり、特にＮｏ．１４　
は７０ｋｇｆ／ｍｍ２　を越え、冷間鍛造が実質不可能
となる。

【００４３】それに対し、本発明の条件を満足するＮｏ
．１〜６は、加熱温度、加熱時間、冷却温度、冷却速度
を適切な条件に調節し、Ａ１変態温度の上下で加熱冷却
を２回以上繰返したことにより、球状炭化物を一様に分
散させ、最適な結晶粒度を得ることができたため、優れ
た冷鍛性（強度が低く、限界加工率が高い）を得ること
ができた。

【００４４】

【発明の効果】本発明の冷間鍛造用マルテンサイトステ
ンレス鋼の製造方法は、Ａｒ１　変態温度の上下で加熱
、冷却を２回以上繰返し施すという新しい熱処理方法を
見出したことにより、ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼鈍後の引張
強さを５７ｋｇｆ／ｍｍ２　以下に抑えることができ、
部品成形のための冷間加工が従来の焼鈍を施した場合に
比べ著しく容易になった。従って、本発明の熱処理方法
はＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２のもつ高い強度
を十分に活かすことが可能となり、特に冷間加工を必要
とし、かつ強度、耐食性をともに要求される部品への適
用の拡大を可能とするものである。

【表２】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量比にしてＣ：０．１６〜０．４０
   ％　、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１２．０　〜１４．０％
   　を含有し、残部がＦｅならびに不純物元素からなる鋼
   を　８００〜　９５０℃の温度に加熱し、２〜１６時間
   保持した後、５〜５０℃／ｈｒ　の速度で　６００℃〜
   Ａｒ１　変態点の温度まで冷却するという熱処理を２回
   以上繰返し施すことを特徴とする冷間鍛造用マルテンサ
   イト系ステンレス鋼の製造方法。
2. 【請求項２】　　重量比にしてＣ：０．１６〜０．４０
   ％　、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．００％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１２．０　〜１４．０％
   　を含有し、さらにＭｏ：０．０５　〜１．５０％　、
   Ｔｉ：０．０１　〜０．２０％　、Ｖ：０．０１〜０．
   ２０％　、Ｎｂ：０．０１　〜０．２０％　のうち１種
   または２種以上を含有し、残部がＦｅならびに不純物元
   素からなる鋼を　８００〜　９５０℃の温度に加熱し、
   ２〜１６時間保持した後、５〜５０℃／ｈｒ　の速度で
   　６００℃〜Ａｒ１　変態点の温度まで冷却するという
   熱処理を２回以上繰返し施すことを特徴とする冷間鍛造
   用マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。