JPH07207342A - 耐摩耗性に優れた高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、水門の戸当たり板等の材料とし利
用できる耐磨耗性に優れた高靱性のステンレス鋼の製造
方法を目的とする。 【構成】 重量％で、主成分としてC:0.08％ 以下、Si:
1.0％ 以下、Mn:1.0％以下、Ni:0.6％以下、Cr:11.5〜1
5.5％を含有するフェライト相を含んだマルテンサイト
系ステンレス鋼を、1150℃以下の温度域に加熱後、少な
くとも1000℃以下での圧下率が10％以上で、且つ800 ℃
以上の温度域で仕上がる熱間圧延を施し、該熱間圧延
後、直ちに5 ℃/sec以上の冷却速度で100 ℃以下の温度
域まで冷却することを特徴とする耐摩耗性に優れた高靭
性マルテンサイト系ステンレス鋼板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、耐食性及び耐摩耗性
が要求される水門の戸当り板、ダムの排砂設備等の材料
として利用できる高靭性ステンレス鋼板の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】水門の戸当り板等の耐食性と耐摩耗性が
要求される用途には、高硬度ステンレス鋼が用いられて
いるが、最近、ダム底に川砂利が堆積することを防止す
るため、排砂設備の設置が検討されている。この設備は
水中の大型構造物であり砂利による激しい摩耗が予想さ
れることから、より耐摩耗性に優れ、かつ良好な耐食性
や加工性を有した安価な材料が要求されている。

【０００３】現在、水門の戸当り板等の用途にはマルテ
ンサイト系、高Ｎ含有オ−ステナイト系、及び２相系ス
テンレス鋼が用いられているが、中でもSUS410S （13％
Cr鋼）等のマルテンサイト系ステンレス鋼は他に比べ、
安価で耐摩耗性に優れている。

【０００４】しかし、このようなCr系マルテンサイト系
ステンレス鋼の耐摩耗性は、硬さが最高となる焼入まま
の状態で最良となるが、遷移温度が室温以上となるた
め、冷間加工時に割れが生じ易い等の問題があり、耐摩
耗性とともに靭性の改善が必要である。

【０００５】溶接構造用として使用される上記のCr系マ
ルテンサイト系ステンレス鋼は、通常、C含有量が0.05
％ 前後であるため、一般にフェライト相が存在してお
り、これが靭性劣化の原因の一つとして挙げられる。フ
ェライト相の体積率を低減するためには、Cr等のフェラ
イト生成元素を低減するか、あるいはC, Ni等のオ−ス
テナイト生成元素を増加させることが有効である。

【０００６】しかし、Cr含有量の低減は耐食性を劣化さ
せ、C含有量の増加はマルテンサイト相自体の靭性を劣
化させ、溶接割れを助長する。また、Ni含有量の増加は
靭性に対して最も有効であるが、多量の添加は高価にな
るばかりでなく、溶接割れを助長させるため、JIS等の
規格では0.6 ％以下に上限を規定している。

【０００７】一方、耐摩耗性の向上を図るためには、C
含有量の増加によりマルテンサイト自体を硬化させるこ
とや、C, Ni含有量の増加によるフェライト相の体積率
の低減が有効である。しかし、前記の理由によりこれら
の方法には問題がある。したがって、Cr系マルテンサイ
ト系ステンレス鋼において成分の変更により耐摩耗性及
び靭性の両方を改善することは、極めて困難である。

【０００８】これに対して、準安定オ−ステナイト域に
おいて加工を行うオースフォーミングを適用し、直ちに
冷却する直接焼入（以下、ＤＱと呼ぶ）処理を施す方法
により、再加熱による焼入（以下、ＲＱと呼ぶ）処理に
比べ、13％Cr 鋼の硬度、靭性を向上させることが可能
であるとの報告がある（例えば、細井ら、日本鉄鋼協会
第59回講演大会講演大要(1960)、p.363、ならびに、細
井、日本鉄鋼協会第64回講演大会講演大要(1962)、p.14
88）。

【０００９】しかし、前記の方法による硬度、靭性向上
の効果は、C含有量が0.1 ％以上の13％Cr 鋼、すなわ
ち、フェライト相をほとんど含まないCr系マルテンサイ
ト系ステンレス鋼で得られた結果であり、このような鋼
種は溶接構造用として不適当である。また、準安定オ−
ステナイト域における加工温度は400〜600oCと低く、通
常の熱間圧延機による鋼板の実生産は困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題点を解決するためになされたもので、フェライト相
を含むCr系マルテンサイト系ステンレス鋼板の耐摩耗性
と靭性の向上を、実質的に成分変更ではなく、熱間圧
延、及びＤＱによる製造条件の規定により達成し、水門
の戸当り板やダムの排砂設備等の材料として利用できる
耐摩耗性に優れた高靭性ステンレス鋼板を安価に得るこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らの一部は特開
平4-56724号公報において、フェライト／マルテンサイ
ト２相組織を有するCr-Ni系マルテンサイト系ステンレ
ス鋼では、マルテンサイト相の形態を粒状から、フェラ
イト相とマルテンサイト相が層状に配列した組織とする
ことにより靭性改善が図れることを開示した。

【００１２】そして、さらに研究を重ねた結果、フェラ
イト／マルテンサイト相の相間隔を減少させることによ
り、一層の靭性改善が図れるとともに、硬さが増加しな
くても耐摩耗性が向上することを見出した。フェライト
／マルテンサイト２相鋼では摩耗、及び衝撃試験により
フェライト相でへき開破壊を生じることが多く、相間隔
の減少にともなう耐摩耗性と靭性の向上はフェライト相
自体の微細化によるものと考えられる。

【００１３】これらの結果をもとに、本発明者らはフェ
ライトを含むCr系マルテンサイト系ステンレス鋼の耐摩
耗性と靭性に及ぼす加工熱処理の影響を詳細に検討した
結果、以下の知見を得た。

【００１４】すなわち、ＤＱ処理は、従来行われている
ＲＱ処理のような圧延後の再加熱がないため、フェライ
ト／マルテンサイト組織の粒状粗大化を防止できる。さ
らに、ＤＱ処理前の熱間圧延において、少なくとも1000
℃以下の温度域である程度の加工歪を付与することによ
り、硬さが上昇するとともに、後述する図１に示すよう
にフェライト／マルテンサイト相の相間隔もより小さく
なることを見出した。したがって、成分組成を変更せず
とも耐摩耗性と靭性をＲＱ処理材に比べ著しく向上させ
ることができる。

【００１５】しかし、本鋼では熱間圧延前の加熱温度が
1150℃を超えた場合や、圧延仕上温度が800 ℃未満の温
度範囲になるとフェライト相が新たに生成し、その体積
率が増加することがあり、ＤＱ処理による上記効果が削
減することを見出した。以上の知見に基づき、下記の発
明をするに至った。

【００１６】すなわち、本発明は重量％で、主成分とし
てC:0.08％ 以下、Si:1.0％ 以下、Mn:1.0％ 以下、Ni:
0.6％ 以下、Cr:11.5〜15.5％ を含有するフェライト相
を含んだマルテンサイト系ステンレス鋼を、1150℃以下
の温度域に加熱後、少なくとも1000℃以下での圧下率が
10％ 以上で、且つ800 ℃以上の温度域で仕上がる熱間
圧延を施し、該熱間圧延後、直ちに5 ℃/sec 以上の冷
却速度で100 ℃以下の温度域まで冷却することにより、
その後の焼入処理を省略することを特徴とする耐摩耗性
に優れた高靭性マルテンサイト系ステンレス鋼板の製造
方法である。

【００１７】

【作 用】以下に、この発明のステンレス鋼の成分限定
理由を述べる。Cは、耐摩耗性向上に有効な成分であ
り、また、オ−ステナイト生成元素であるためフェライ
ト相の体積率を低減することができるが、含有量が多く
なると靭性、及び溶接性が劣化するため、その上限値は
0.08％ とする。

【００１８】Siは、脱酸作用を有する成分であるため、
0.01％ 以上の添加が望ましいが、多量の添加は延靭性
の劣化を招くため、上限値は1.0 ％とする。

【００１９】Mnは、Siと同様脱酸作用を有する成分であ
り、0.05％ 以上の添加が望ましいが、その含有量が1.0
％を超えると耐食性を低下させる。したがって、Mn含
有量の上限値は1.0 ％とする。

【００２０】Niは、オ−ステナイト生成元素であり、フ
ェライト相の体積率を低減することが可能であるが、0.
6 ％を超える含有は溶接性を低下させる。したがって、
その含有量は0.6 ％以下とする。

【００２１】Crは、耐食性に最も重要な元素であり、1
1.5％ 以上の添加によりその効果が顕著となる。一方、
以下に述べる製造方法により靭性改善が図られる鋼板
は、フェライトとマルテンサイト相が層状に配列した金
属組織を有する場合であり、このためにはフェライト生
成元素であるCr含有量を15.5％ 以下とし、フェライト
相の体積率が50％ 以下にする必要があることを発明者
らは見出した。したがって、Cr含有量は11.5〜15.5％の
範囲とする。

【００２２】上記成分は主成分であって、その他不可避
的不純物のほか、上記マルテンサイト系ステンレス鋼の
本質を変更しない限り、その他の微量な成分を含有して
もよい。例えば、0.05〜0.5 ％のNb, Ti, V等を１種以
上含有させてもよい。

【００２３】次に、製造方法の限定理由を述べる。加熱温度及び熱間圧延条件 本鋼種のフェライト相の体積率は、加熱温度が1150℃以
下の場合、ほとんど変化しないが、1150℃を超えると加
熱温度の上昇にともない急激に増加する。また、加熱時
のフェライト相の体積率は、圧延中には減少しないこと
が明らかとなった。この場合、同一鋼種で比較するとＤ
Ｑ処理材のフェライトの体積率はＲＱ処理材のそれより
も増加し、耐摩耗性、靭性が低下する。したがって、熱
間圧延前の加熱温度は1150℃以下の温度域とする。

【００２４】また、ＤＱ処理材の耐摩耗性、靭性は1000
℃を超える温度域での圧下率にはほとんど依存しない
が、1000℃以下の温度域で10％以上の圧下を加えること
により、ＲＱ処理材に比べ向上することを本発明者らは
見出した。一方、本鋼種は熱間圧延の仕上温度が800 ℃
以上であれば、フェライト相の体積率が圧延前の1150℃
以下の加熱時と変わらないが、800 ℃未満になると圧延
中にフェライトが新たに生成し、ＤＱ処理材では耐摩耗
性、靭性が低下する。したがって、熱間圧延条件は1000
℃以下での圧下率を10％ 以上とし、且つ仕上温度を800
℃以上の温度域とする。

【００２５】ＤＱ条件 さらに、本鋼種は焼入性が比較的低いため、800 ℃以上
の温度域で熱間圧延を終了しても、圧延後の冷却速度が
5 ℃/sec 未満になると冷却中にフェライト相が新たに
生成する。また、残留オ−ステナイトの生成による硬度
低下を防止するため、冷却はマルテンサイト変態が終了
する温度Ｍf点以下まで行う必要がある。本鋼種のＭf点
は100〜150 ℃であるので、熱間圧延後の冷却は圧延
後、直ちに5 ℃/sec 以上の冷却速度で、100 ℃以下の
温度域まで行う。

【００２６】

【実施例】本発明の具体的な実施例について説明する
と、以下の通りである。 実施例 １ 表１に示す化学成分の鋼を150kg真空溶解炉にて溶製
し、3本の50kgインゴットを成した。これらのインゴッ
トに対して、1100〜1250℃加熱後、1000℃以下での圧下
率：0〜70％ 、仕上温度：700〜1050℃の熱間圧延を施
し、50℃まで直ちに水冷（20℃/sec程度）することによ
り厚さ12mmの鋼板を製造した。

【００２７】

【表1 】

【００２８】なお、冷却速度の影響を調査するため、加
熱温度：1150℃、1000℃以下での圧下率：50％ 、仕上
温度：800 ℃に固定し、圧延後の冷却速度を1〜20℃/se
cの範囲で変化させた鋼板も製造した。圧延鋼板から
は、ミクロ組織観察用サンプル、摩耗試験片（10φ×60
l）及び2mmＶノッチ付きシャルピー衝撃試験片（フルサ
イズ）を採取した。

【００２９】また、比較として1150℃に加熱し、1000℃
以下で50％ の圧下を加え、800 ℃で仕上げ、その後水
冷した上記圧延鋼板対して、さらに950 ℃加熱後、50℃
まで水冷する焼入処理（ＲＱ処理）を施したものからも
サンプルを採取した。フェライト相の体積率はミクロサ
ンプルを20％NaOH 電解腐食後、線分析法により測定し
た。また、摩耗試験は図２に示すようにモーター１によ
り、回転円盤２に固定した試験片３を摩耗剤４（硅砂75
kgに対して水30）中で回転（周速4m/s）させる方法で行
なった。磨耗量は4 時間の試験後の重量減を測定するこ
とにより行なった。

【００３０】1150℃に加熱し、1000℃以下で50％ の圧
下を加え、800 ℃で仕上げ、その後水冷したＤＱ処理材
と、この鋼板に対して、さらに950 ℃加熱後、50℃まで
水冷する焼入処理を施したＲＱ処理材の金属組織を前述
した図１に示す。図１によればＤＱ処理材のフェライト
／マルテンサイト相間隔はＲＱ処理材に比べ小さいこと
が理解される。

【００３１】摩耗試験での重量減、衝撃試験での遷移温
度（vＴrE）及びフェライト相の体積率と1000℃以下で
の圧下率及び仕上温度との関係を図３に示す。なお、横
軸の圧下率と仕上温度は一連の圧延における各々の値で
あり、一対一に対応している。図３によれば1000℃以下
での圧下率が10％ 以上の熱間圧延を施したＤＱ処理材
では、ＲＱ処理材に比べ摩耗減量が低下するとともに、
遷移温度の低下、すなわち靭性が向上することがわか
る。

【００３２】ただし、仕上温度が800 ℃未満になるとフ
ェライト相の体積率が増加して、耐摩耗性、靭性とも低
下し、特に、耐摩耗性はＲＱ材なみに劣化することが理
解される。摩耗試験での重量減、衝撃試験での遷移温度
及びフェライト相の体積率と加熱温度との関係を図４に
示す。

【００３３】すなわち、この図４によれば熱間圧延前の
加熱温度が1150℃を超えるとフェライト相の体積率が増
加し、ＤＱ処理材の耐摩耗性、靭性は共に低下すること
がわかる。摩耗試験での重量減、衝撃試験での遷移温度
及びフェライト相の体積率と熱間圧延後の冷却速度との
関係を図５に示す。

【００３４】図５によれば熱間圧延の仕上温度が800 ℃
であっても、圧延後の冷却速度が5℃/ sec 未満になる
とフェライト相の体積率が増加し、ＤＱ処理材の耐摩耗
性、靭性は低下することが理解される。

【００３５】

【表２】

【００３６】実施例 ２ 表２に示す化学成分の50kgインゴットに対して、1150℃
加熱後、1000℃以下での圧下率：50％ 、仕上温度：800
℃の熱間圧延を施し、50℃まで直ちに水冷することに
より厚さ12mmの鋼板を製造した。さらに、比較として上
記圧延鋼板に対して、950 ℃加熱後、50℃まで直ちに水
冷する焼入処理（ＲＱ処理）を行った鋼板も用意した。

【００３７】これらの鋼板からミクロ観察用サンプルと
2mmＶノッチ付きシャルピー衝撃試験片（フルサイズ）
を採取した。さらに、フェライトの体積率が50％ 以下
である鋼1, 2及び3の鋼板からは硬さ試験片と摩耗試験
片も採取した。

【００３８】ＤＱ処理材及びＲＱ処理材の衝撃試験での
遷移温度及びフェライト相の体積率とCr含有量との関係
を図６に示す。すなわち、この図６によればCr含有量が
15.5％ 以下の鋼ではＤＱ処理により、ＲＱ材に比べ靭
性が向上するが、Cr含有量が15.5％ を超え、フェライ
ト相の体積率が50％ を超えた鋼ではＤＱ処理による靭
性改善効果が得られないことが理解される。

【００３９】鋼1, 2及び3の摩耗試験での重量減と硬さ
（Hv：10 kgf) との関係を図７に示す。図７によればい
ずれの鋼もＤＱ処理によりＲＱ処理材よりも硬さが上昇
する。さらに、硬さが同じであれば、ＤＱ処理材の方が
ＲＱ処理材よりも耐摩耗性に優れることがわかる。すな
わち、ＤＱ処理は硬さを上昇させる効果と、フェライト
／マルテンサイト相間隔を減少させる効果の両面によ
り、耐摩耗性を向上させることが理解される。

【００４０】同じく表２に示す化学成分の50kgインゴッ
トに対して、表３に示す条件の熱間圧延後、冷却するＤ
Ｑ処理を施すことにより厚さ12mmの鋼板を製造し、実施
例１と同一のサンプルを採取した。また、比較として本
圧延鋼板に対して、前記と同一のＲＱ処理を施した鋼板
からも同一のサンプルを採取した。

【００４１】表３に示す方法で製造した鋼板のフェライ
ト相の体積率、摩耗試験での重量減、及び衝撃試験での
遷移温度を、ＤＱ処理材とＲＱ処理材とで比較して表４
に示す。なお、市販のSS400の摩耗減量も併せて示す。
表４によれば本発明法で製造したＤＱ処理材の耐摩耗性
と靭性は、いずれもＲＱ処理材に比べ優れていることが
理解される。

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】

【発明の効果】以上のように、この発明によればフェラ
イト相を含むCr系マルテンサイト系ステンレス鋼板の耐
摩耗性、靭性を熱間圧延により容易に向上させることが
できる効果がある。また、再加熱による焼入処理を省略
できることから、製造工程の簡略化の面からも利点があ
る。したがって、水門の戸当り板、ダムの排砂設備等の
材料として利用できる耐摩耗性に優れた高靭性ステンレ
ス鋼板を安価に提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による鋼のＤＱ処理材とＲＱ
処理材の金属組織を示す図である。

【図２】本発明の実施例による摩耗試験装置を示す図で
ある。

【図３】本発明の実施例１による鋼の摩耗試験での重量
減、衝撃試験での遷移温度及びフェライト相の体積率と
1000℃以下での圧下率及び仕上温度との関係を示す図で
ある。

【図４】同じく実施例１による鋼の摩耗試験での重量
減、衝撃試験での遷移温度及びフェライト相の体積率と
加熱温度との関係を示す図である。

【図５】本発明の実施例１による鋼の摩耗試験での重量
減、衝撃試験での遷移温度及びフェライト相の体積率と
熱間圧延後の冷却速度との関係を示す図である。

【図６】本発明の実施例２による鋼の衝撃試験での遷移
温度及びフェライト相の体積率とCr含有量との関係を示
す図である。

【図７】同じく実施例２による鋼1, 2及び3の摩耗試験
での重量減と硬さとの関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諏訪 稔 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、主成分としてC:0.08％以下、
   Si:1.0％ 以下、Mn:1.0％以下、Ni:0.6％以下、Cr:11.5
   〜15.5％を含有するフェライト相を含んだマルテンサイ
   ト系ステンレス鋼を、1150℃以下の温度域に加熱後、少
   なくとも1000℃以下での圧下率が10％以上で、且つ800
   ℃以上の温度域で仕上がる熱間圧延を施し、該熱間圧延
   後、直ちに5 ℃/sec以上の冷却速度で100 ℃以下の温度
   域まで冷却することを特徴とする耐摩耗性に優れた高靭
   性マルテンサイト系ステンレス鋼板の製造方法。