JPH059507B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、オーステナイト系ニツケル鋳鉄より
すぐれた摩耗抵抗性と低温衝撃強さ、およびこれ
と少くとも同等の腐食抵抗性と酸化抵抗性とを示
すクロム−ニツケル−ケイ素−マンガン含有鋼合
金に関するものである。好ましい実施態様におい
ては、実質完全にオーステナイトの本発明の合金
およびその鋳造品、鍛練（wrought）材および焼
結製品は、その高価合金成分の含有量と融解コス
トがはるかに低いにもかかわらず、オーステナイ
トニツケル鋳鉄、およびこれまで顕著なゴーリン
グ（galling）抵抗性を有するとみなされていた
米国特許第3912503号に開示のステンレス鋼より
も高いゴーリング抵抗性を有する。 インターナシヨナル・ニツケル社は多年にわた
つて、一連のオーステナイト鋳鉄を“NI−レジ
スト”および“ダクタイルNI−レジスト”の商
標で販売してきた。インターナシヨナル・ニツケ
ル社出版の“NI−レジストおよびダクタイルNI
−レジストの工学特性および用途”に記載のよう
に、多数の等級があり、これらはASTM規格
A437，A439およびA571によつてカバーされてい
る。“NI−レジスト”合金の全範囲は3.00％まで
の全炭素と、0.50％〜1.60％のマンガンと、1.00
％〜5.00％のケイ素と、6.0％までのクロムと、
13.5％〜36.00％のニツケルと、7.50％までの銅
と、最大0.12％の硫黄と、最大0.30％のリンと、
残分の鉄である。“ダクタイルNI−レジスト”は
組成において類似であるが、黒鉛を球状に変換す
るためにマグネシウムで処理される。 米国特許第2165035号は、0.2％〜0.75％の炭素
と、６％〜10％のマンガンと、3.5％〜6.5％のケ
イ素と、1.5％〜4.5％のクロムと、残分の鉄とを
含有する鋼を開示している。 米国特許第4172716号は、最大0.2％の炭素と、
最大10％のマンガンと、最大６％のケイ素、15％
〜35％のクロムと、3.5〜35％のニツケルと、最
大0.5％の窒素と、残分の鉄とを含有する鋼を開
示している。 米国特許第4279648号は、最大0.03％の炭素と、
最大10％のマンガンと、５％〜７％のケイ素と、
７％〜16％のクロムと、10％〜19％のニツケル
と、残分の鉄とを含有する鋼を開示している。 米国特許第3912503号は、0.001％〜0.25％の炭
素と、６％〜16％のマンガンと、２％〜７％のケ
イ素と、10％〜25％のクロムと、３％〜15％のニ
ツケルと、0.001％〜0.4％の窒素と、残分の鉄と
を含有する鋼を開示している。この鋼はすぐれた
ゴーリング抵抗性を有する。 種々のレベルの炭素とマンガンを含有するクロ
ム−ニツケル−ケイ素含有鋼を開示する他の出版
物は米国特許第2747989号、第3839100号、第
3674468号、英国特許第1275007号および日本特許
第J57185−958号を含む。 AISI440C型鋼はすぐれた摩耗抵抗性とゴーリ
ング抵抗性を有すると見なされるストレートクロ
ムステンレス鋼（約16％〜18％クロム）である。 “NI−レジスト”合金鋼のメーカは、これら
のレジストが腐食抵抗性、摩耗抵抗性、浸食抵抗
性、じん性および低温安定性を必要とする用途に
おいて満足であると主張している。摩耗抵抗性と
は金属−金属摩擦部分に関するものであり、浸食
抵抗性とは、スラリ、湿潤水蒸気および粒子同伴
ガスに関するものである。 ゴーリングと摩耗は同一条件で生じうるが、こ
れらの場合の劣化の型は同一でない。ゴーリング
とは表面の微細な突起の間での過度な摩擦の結
果、接觸する突起で双方の表面の間に結合が生ず
るという接觸している金属部材の一方または両方
の摩擦面での状態の進行として定義されるのが最
も良い。このような表面運動がつづけられる結
果、より多くの溶接部が形成され、これは場合に
より一方の生地金属の表面を切断するに至る。そ
の結果、通常、深い表面みぞの末端に金属のビル
ドアツプを生じる。このようにゴーリングは主と
して相互に運動する金属−金属接触に関連してお
り、突然に金属部品間の焼付き故障を生じる。 これに反して、摩耗は金属−金属接触または金
属−非金属接触から生じ、たとえば鋼製品が硬質
粒子、岩石または無機堆積物と接触することによ
る研摩から生じる。この摩耗は多数回のサイクル
ののちに金属表面から比較的均一に金属が失われ
るのに対して、ゴーリングは通常、金属製品の予
定寿命中に早期に生じる激変的な故障である。 本発明の目的は、オーステナイト系ニツケル鋳
鉄よりも高い摩耗抵抗性と強度とを有し、比較的
低レベルの高価合金成分を含有する鋳造（cast）
され、鍛練（wrought）され、または粉末冶金の
形の合金鋼を提供するにある。 本発明の他の目的は、実質完全にオーステナイ
ト系であつて、オーステナイト系ニツケル鋳鉄よ
りもはるかに高いゴーリング抵抗を有し、またオ
ーステナイト系ニツケル鋳鉄と少なくとも同等の
腐食抵抗性および酸化抵抗性を有する合金を提供
するにある。 本発明の鋼はクロム含有範囲が約４％〜約６％
であるからステンレス鋼としては分類されない。
しかし、クロムと共に４％〜約６％の範囲のケイ
素も存在するので、ある種のステンレス鋼と同等
の腐食抵抗性と酸化抵抗性とを生じる。 本発明によれば、重量％において、最大1.0％
の炭素と、10％〜16％のマンガンと、最大0.07％
のリンと、最大0.1％の硫黄と、４％〜６％のケ
イ素と、４％〜６％のクロムと、４％〜６％のニ
ツケルと、最大0.05％の窒素と、残分の本質的に
鉄とから成り、高い引張り強さと、金属−金属摩
耗抵抗性と、酸化抵抗性とを有する合金鋼が提供
される。 すぐれたゴーリング抵抗性、良好な衝撃強さお
よび良好な腐食抵抗性を示し、熱間加工状態で実
質完全にオーステナイト系である好ましい実施態
様においては、この合金鋼は本質的に最大0.05％
の炭素と、11％〜14％のマンガンと、最大0.07％
のリンと、最大0.1％の硫黄と、４％〜６％のケ
イ素と、４％〜６％のクロムと、4.5％〜６％の
ニツケルと最大0.05％の窒素と、残分の本質的に
鉄とから成る。 マンガン、ケイ素、クロムおよびニツケルの各
元素とその間のバランスはあらゆる意味において
臨界的である。すぐれたゴーリング抵抗性と、良
好な衝撃強さと、良好な腐食抵抗性とを有する好
ましい実施態様においては、炭素とマンガンの範
囲は臨界的である。前記元素のいずれか１つを欠
き、またはこれらの臨界元素のいずれかが前記の
含有量範囲から出ると、所望特性のいずれか１つ
または複数を失う結果となる。 最適のゴーリング抵抗性、ならびに高い引張り
強さ、金属−金属摩耗抵抗性、衝撃抵抗性、腐食
抵抗性および酸化抵抗性を示すより好ましい組成
物は、本質的に重量％において最大0.04％の炭素
と、12％〜13.5％のマンガンと、4.5％〜5.2％の
ケイ素と、4.7％〜5.3％のクロムと、５％〜5.5％
のニツケルと、最大0.05％の窒素と、残分の本質
的に鉄とから成る。 すぐれた金属−金属摩耗抵抗性をうるための好
ましい組成物は、本質的に重量％で最大0.9％の
炭素と、10％〜13％のマンガンと、4.5％〜5.5％
のケイ素と、５％〜６％のクロムと、4.5％〜5.5
％のニツケルと、最大0.05％の窒素と、残分の本
質的に鉄とから成る。この実施態様において、炭
素は好ましくは少なくとも0.1％の量存在する。 最適ゴーリング抵抗性をうるためには、マンガ
ンは10％〜16％の広範囲、好ましくは11〜〜14
％、さらに好ましくは12％〜13.5％必要であり、
炭素は好ましくは最大0.05％、さらに好ましくは
0.04％に制限される。本発明の鋼においては、マ
ンガンは加工硬化速度を遅らせ、また約11％以上
存在すれば冷間絞り後の延性を改良し、また低温
衝撃特性を改良することが発見された。公知のよ
うに、マンガンはオーステナイト安定剤であつ
て、その目的からは少なくとも10％必要である。
ゴーリング抵抗性のためには、少なくとも11％の
マンガンが存在しなければならない。しかしすぐ
れた金属−金属摩耗抵抗性をうるためには、もし
比較的高い炭素含有量であればマンガンは約10％
のレベル存在することができる。マンガンは鋼融
解工程において使用されるシリカ耐火物と反応し
これを浸食する傾向があるので、約16％の最大値
を守らなければならない。 ケイ素は、腐食抵抗性と酸化抵抗性を制御する
ために４％〜６％の範囲内において必要である。
ケイ素は多サイクル滑り摩耗（交差シリンダ試
験）に対して強い影響力をもつ。６％ケイ素の最
大値を守らなければならない。このレベルを超え
ると冷却中にインゴツトの中にひび割れを生じる
傾向があるからである。 クロムは腐食抵抗性と酸化抵抗性のために４％
〜約６％の範囲内において必要である。クロムは
マンガンと組合わされたときに、溶体中に窒素を
保持するのに役立つ。クロムはフエライト形成剤
であるから、本発明の鋼において実質完全にオー
ステナイト構造を保持するためには、約６％の最
大値を守らなければならない。そのため、最適ゴ
ーリング抵抗性が望まれる場合には、好ましくは
約5.3％クロムの最大値を守らなければならない。 実質完全なオーステナイト構造を保証し、マル
テンサイトへの変態を防止するためには、４％〜
６％の範囲のニツケルが必要である。この範囲内
のニツケルの存在によつて腐食抵抗性が改良され
る。約６％以上のニツケルはゴーリング抵抗性に
悪い影響を与える。 炭素はもちろん通常介在する不純物として存在
し、最大約1.0％までの量が存在することができ
る。このレベルまでの炭素、好ましくは最大約
0.9％の炭素によつてすぐれた摩耗抵抗性が得ら
れる。しかし、0.05％以上の炭素はゴーリング特
性に悪影響を与え、最適ゴーリング抵抗性のため
には、さらに好ましくは0.04％の最大値を守らな
ければならない。またもし最大0.05％の炭素が守
られるならば、腐食抵抗性も改良される。良好な
熱間加工性と良好な切削性をうるためには約1.0
％炭素の広い最大値を守らなければならない。 窒素は原則として不純物として存在し、最大約
0.05％までの量は忍容される。窒素は強力なオー
ステナイト形成剤であるから、少なくとも熱延条
件において実質完全オーステナイト構造を保証す
る量が保持されることが好ましい。また窒素は本
発明の鋼の引張り強さとゴーリング抵抗とを改良
する。しかしながら、0.05％の最大値を守らなけ
ればならない。なぜかならば、このレベルを超え
た量は鋼の比較的高いマンガンレベルにもかかわ
らず比較的低いクロムレベルと共に溶鋼中に保持
することができないからである。 この外モリブデン、銅或はアルミニウムが通常
残余量（RESIDUAL AMOUNT）存在してお
り、リンと硫黄もまた通常残余量存在している。
「残分の本質的に鉄」なる表現はこれらの元素が
残余量存在しうることを示すものである。 リンと硫黄は原則として介在する不純物であつ
て、リンについては約0.07％まで、硫黄について
は約0.1％まで認容される。硫黄を最大約0.1％ま
で許容することによつて切削性が改良される。 前述の好ましい範囲またはより好ましい範囲の
いずれか１つまたは複数を、他の元素の前述の広
い範囲のいずれか１つまたは複数と共に使用する
ことができる。 本発明の鋼は通常の工場施設で融解し鋳造する
ことができる。つぎにこれを種々の製品形状に熱
間加工しまたは鍛練することができ、または高強
度製品を生じるために冷間加工することができ
る。通常の処理工程を用いてこの鋼の熱延を実施
し、すぐれた熱間加工性の生じることが発見され
た。もしこの鋼を鋳造品として使用するならば、
すぐれたゴーリング抵抗性を必要とする場合に
は、鋳造された材料が約１％以下のフエライトを
含有するように各元素をバランスさせなければな
らない。 先に述べたように、ゴーリング抵抗性と摩耗抵
抗性とは同一ではない。すぐれた摩耗抵抗性がす
ぐれたゴーリング抵抗性を保証するものではな
い。比較的広く変動する組成の合金鋼において、
比較的容易にすぐれた摩耗抵抗性をうることがで
きる。しかしすぐれたゴーリング抵抗性を有する
合金をうることははるかに困難であつて、本発明
の鋼においてこの重要な特性は、11％〜約14％の
好ましいマンガン範囲と、0.005％炭素の最大値
を守ることにあつて得られる。故に、本発明の鋼
において最良のゴーリング抵抗性のための適当な
組成バランスを保持する際に、マンガン含有量の
最小限度がきわめて臨界的である。 本発明の鋼の多数の実験ヒートを製造し、本発
明の鋼に類似ではあるが１種または複数の臨界的
元素範囲からはずれた先行技術の合金および鋼と
比較した。その組成を表に示した。 前記の米国特許第3912503号の鋼を含めて他種
の鋼と本発明の鋼のゴーリング抵抗を比較しその
結果を表にまとめた。 表のデータをうるために使用されたテスト法
は、標準型ブリネル硬さ試験器において、研磨さ
れた円筒形型材またはボタンを研磨されたブロツ
ク面に圧下当接させて１回転させる方法であつ
た。ボタン試料とブロツク試料をいずれもアセト
ンまたはその他の脱脂剤で湿らせて脱脂し、テス
ト直前に硬さ測定用鋼球を潤滑した。ボタンを所
定荷重のもとにゆつくりと手動で１回転させ、10
倍でゴーリングを検査した。もしゴーリングが見
られなければ、ゴーリングが見られるまで順次に
高い荷重をかけて、新しいボタン−ブロツクエリ
アカツプルをテストした。表において、ボタン
試料は各カツプルの第１合金であり、その第２合
金はブロツク試料である。 表のテストデータは、最適ゴーリング抵抗性
をうるためには、11.0％の最小マンガン含有量と
0.05％の最大炭素レベルとの臨界性を示してい
る。430型（HRB91）に対して行なわれたテスト
は、11.9％のマンガンと0.02％の炭素を含有する
サンプル４のみが満足であることを示した。10.7
％のマンガンと0.024％の炭素とを含有するサン
プル３は、サンプル４に比べてゴーリング抵抗性
の急激な減少を示した。 316型（HRB98）に対しては、サンプル４はこ
の場合にも顕著な優秀性を示したが10.7％マンガ
ンを含有するサンプル３は9.9％マンガン含有量
のサンプル２よりも実質的にすぐれていた。 やわらかなマルテンサイト鋼410型および17−
4PH型（NACE承認ダブルH1150条件）に対する
テストもサンプル４の優秀性を示した。 鋳造状態では、316型に対し、10.2％のマンガ
ンと0.11％の炭素とを含有するサンプル５は、比
較的高炭素含有量のサンプル６、７、８に比較し
て満足であつた。また焼鈍状態においても、サン
プル４は、316型および17−4PH型（シングル
H1150条件）のいずれに対してもすぐれた結果を
示した。 表は金属−金属摩耗抵抗性テストをまとめた
ものである。これらのテストは、テーバメツト摩
耗試験器の中で、0.5インチの交差シリンダ、16
ポンド荷重、10000サイクル、乾燥、空気中、デ
ユブリケート、脱脂、室温で実施され、密度差に
ついて修正された。 表の同型組合せから明かなように、本発明の
鋼はNi−レジスト合金よりもはるかにすぐれ、
また少くとも105RPMにおいてナイトロニツク
（Nitronic）60よりすぐれていた。10％以上のマ
ンガンレベルは105RPMでの摩耗抵抗性を改良す
るが、415RPMでは少し劣る。 17−4PHと組合わせた場合、その結果は前記
の105RPMテストと同様であり、サンプル４と５
はNi−レジストよりもはるかに良好な結果を示
した。またこれらのサンプル４、５はナイトロニ
ツク60よりもすぐれ、またコバルト耐摩合金、ス
テライト（Stellite）6Bよりもすぐれていた。 415RPMにおけるNi−レジスト合金の極度に
高い摩耗速度は、これらの合金がこのような高速
回転において保護性酸化物皮膜を形成できなかつ
た結果であると思われる。このように本発明の鋼
は、10％またはこれ以上のマンガンレベルと少く
とも約0.5％の炭素レベルにおいて、すぐれた金
属−金属摩耗抵抗性を示す。このレベルの炭素の
場合、金属−金属摩耗抵抗性が最重要特性である
ときには、マンガンは10.0％の最小限度に近づく
ことができる。 表はNi−レジスト型D2と比較された熱延−
焼鈍試料の衝撃強さを示す。10.7％のマンガンと
0.024％の炭素とを含有する試料３は、Ni−レジ
スト合金よりもはるかに高い室温衝撃強さと低温
衝撃強さとを示した。またD2型はレギユラーNi
−レジスト合金よりも高い衝撃強さを有するとみ
なされる。 冷間絞り状態での機械的特性を表に示す。サ
ンプルを0.1インチまで熱延し、1950〓で焼鈍し、
20％，40％，60％冷間で絞つた。本発明の鋼は高
い加工硬化能を示し、またマンガンレベルの増大
が加工硬化速度を遅らせる傾向のあることは明ら
かである。 表においては、フエライト／マルテンサイト
安定性および硬度に対する熱処理の効果をまとめ
た。一連のサンプルを熱延状態で、各温度で１時
間づつ熱処理した。本発明の鋼は、低フエライト
含有量に示されるように、すべての炭素レベル
で、すべての熱処理温度で実質完全にオーステナ
イト系であり、安定していた。炭素が増大するに
従つて、それぞれ0.52％と0.92％炭素レベルのヒ
ートの硬さ値に示されるように、オーステナイト
が強化された。サンプル１と２によつて例示され
たように10％以下のマンガンと低炭素において
は、1600〓以上で完全オーステナイト構造を保持
することができず、フエライト数と硬さ変化によ
つて示されるように、マルテンサイトへの部分的
変態が生じた。 酸化／腐食テストを実施し、その結果を表に
示した。結果はデユプリケートサンプルの平均で
ある。本発明の鋼は酸化抵抗性においてNI−レ
ジスト型および型よりはるかにすぐれ、また
海水腐食抵抗において相当にすぐれていたことは
明かである。酸化テストにおいて、本発明の鋼の
酸化物深さは実際上スケールを生じなかつた。腐
食テストにおいては、NI−レジスト試料はその
全面にわたつて暗色を呈したが、本発明の鋼は少
数の小区域以外は光輝を有した。

【表】

【表】 ＊本発明の鋼

【表】

【表】 重を意味する

【表】 ＊ 本発明の鋼

【表】 を意味する

【表】

【表】 ＊ 本発明の鋼

【表】

【表】

【表】 ＊ 本発明の鋼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％で、本質的に最大1.0％の炭素と、10
   ％乃至16％のマンガンと、４％乃至６％のケイ素
   と、４％乃至６％のクロムと、４％乃至６％のニ
   ツケルと、最大0.05％の窒素と、残分の本質的に
   鉄とから成る高い引張強さ、金属−金属摩耗抵抗
   性および酸化抵抗性を有する鋼合金。 ２ 本質的に最大0.05％の炭素と、11％乃至14％
   のマンガンと、４％乃至６％のケイ素と、４％乃
   至６％のクロムと、4.5％乃至６％のニツケルと、
   最大0.05％の窒素と、残分の本質的に鉄とから成
   り、すぐれたゴーリング抵抗性、良好な腐蝕抵抗
   性および低温衝撃強さを有し、熱間加工状態にお
   いて実質完全にオーステナイトである特許請求の
   範囲第１項に記載の合金。 ３ 本質的に最大0.04％の炭素と、12％乃至13.5
   ％のマンガンと、4.5％乃至5.2％のケイ素と、4.7
   ％乃至5.3％のクロムと、５％乃至5.5％のニツケ
   ルと、最大0.05％の窒素と、残分の本質的に鉄と
   から成る特許請求の範囲第２項による合金。 ４ 本質的に最大0.9％の炭素と、10％乃至13％
   のマンガンと、4.5％乃至5.5％のケイ素と、５％
   乃至６％のクロムと、4.5％乃至5.5％のニツケル
   と、最大0.05％の窒素と、残分の本質的に鉄とか
   ら成り、すぐれた金属−金属摩耗抵抗性を有する
   特許請求の範囲第１項による合金。 ５ 炭素が少くとも0.1％である特許請求の範囲
   第４項による合金。 ６ 重量％の本質的に最大1.0％の炭素と、10％
   乃至16％のマンガンと、４％乃至６％のケイ素
   と、４％乃至６％のクロムと、４％乃至６％のニ
   ツケルと、最大0.05％の窒素と、残分の本質的に
   鉄とから成り、高い引張強さと、金属−金属摩耗
   抵抗性と、酸化抵抗性とを有する特許請求の範囲
   第１項による焼結粉末鋼合金。