JPH11293410A - 析出硬化型高珪素鋼製品の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐食・耐熱性に優れ強靱な析出硬化型鋼と、そ
の鋼製の部品に望ましい機能を付与する熱処理方法を提
供する。 【解決手段】下記(1) の鋼および (2)の熱処理方法。 (1) Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜9.0 ％、Mn: 0.05〜6.0
％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、Mo:0.2〜4.0 ％、Nb: 0.
03〜2.0 ％、(Cu 、Ｗ、Co、Al、Ti、Ｖ、Ｂ、Ce、Laの
所定量以下を含有してもよい) 残部Feからなる析出硬化
型高珪素鋼。 (2) 上記の鋼 (但しNbは 2.0％以下) 製の部品の熱処理
方法であって、表層部が高硬度であることを必要な部分
には下記からまでの熱処理を順次施し、表層部が高
硬度でなくてもよい部分では下記またはの熱処理を
省く。 900〜1000℃の加熱して急冷した後、600 〜700 ℃で
時効処理を施す。 高硬度を必要とする表層部のみを 950〜1150℃で加熱
した後、急冷する。 400〜600 ℃で時効硬化処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種機器のシャ
フト、ロール、ローラー、軸受等の機械部品であって、
強靱性、高硬度、耐摩耗性、耐食・耐熱性等を兼備する
ことが必要とされる部品の素材として好適な析出硬化型
高珪素鋼、および上記の部品を製造するための熱処理方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学プラント、製鉄プラント、建築構造
物等に使用される各種の機器のロール(ローラー) 、シ
ャフト (軸) 、軸受等、強靱性と耐摩耗性を同時に要求
される部品は数多い。これらの要求に応えるには、適切
な処理によって表面だけが高硬度になり、芯部は靱性に
富む材料が必要とされる。その処理方法としては、浸炭
法、窒化法、高周波焼入れ法等が周知であり、これらの
処理に適する鋼材も種々開発されている。

【０００３】腐食性環境や高温下で使用される部品で
は、強靱性、耐摩耗性に加えて耐食性や耐熱性が同時に
必要とされることも多い。例えば、橋梁の伸縮を吸収す
るローラー支承のローラーには、強靱性および耐摩耗性
のみならず、風雨あるいは塩害に耐える優れた耐食性も
要求される。また、金属の連続鋳造装置の鋳型下方のセ
グメント (鋳片案内装置) を構成するローラーや圧延機
のロールには、高強度、耐摩耗性に加えて高温強度と十
分な耐熱性も必要とされ、化学プラント用部品には耐酸
性等の高度の耐食性が要求される。

【０００４】耐食、耐熱性の材料としては、CrとNiを主
要成分とするオーステナイト系ステンレス鋼が一般的で
ある。しかし、このステンレス鋼は強度および硬度が低
く、高強度の耐摩耗性材料には不適当である。比較的高
強度、高硬度になるステンレス鋼として、析出硬化型の
鋼がJIS のSUS 630, 631として規格化されているが、こ
の鋼も近年の厳しい使用条件には対応できないことが多
い。他方、焼入れ硬化型のステンレス鋼として、SUS 44
0, 420J2等が知られているが、その製品 (例えばローラ
ー) を焼入れすると、製品の芯部まで全体が硬化し、靱
性を失って折損しやすくなるという問題がある。

【０００５】高強度・高靱性でかつ耐食性および耐熱性
にも優れ、高い硬度をも備える鋼としては「高珪素ステ
ンレス鋼」がある。この鋼は、特許第619,383 号（特公
昭46−9536号) として特許されたもので、さらにその改
良鋼が、例えば特公昭57−17070 号公報 (特許第1,167,
791 号) に開示されている。これらの高珪素ステンレス
鋼は、シリコロイ (登録商標) と呼ばれ、本出願人によ
って実用化され、近年広く使用されるに到っている。

【０００６】上記のシリコロイは、主にオーステナイト
とマルテンサイトの二相組織を持つ時効硬化性の鋼であ
る。本出願人は、その熱処理に関する発明を先に特許出
願した (特開平７−97623 号公報参照) 。その発明は、
比較的短時間の熱処理によって、深い硬化深度を得るこ
とを目的としたもので、調質、溶体化および時効という
三段階の熱処理工程を特徴とする発明である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的の一つ
は、前記のシリコロイの特性を生かした上、さらに改良
を加えた新しい合金を提供することにある。さらにもう
一つの目的は、シリコロイおよびその改良合金を素材と
する種々の部品に最も望ましい機能を付与する熱処理方
法、具体的には、１個の部品でその位置によって異なる
性質をもつ部品を製造することができる新しい熱処理方
法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記(1) の鋼
および (2)の熱処理方法を要旨とする。

【０００９】(1) 重量％で、Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜
9.0 ％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、
Mo:0.2〜4.0 ％、Nb: 0.03〜2.0 ％、Cu:4.0％以下、
Ｗ:4.0％以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、Ti:2.0％
以下、Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、Ce:0.4％以下、L
a:0.4％以下を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物
からなることを特徴とする析出硬化型高珪素鋼。

【００１０】(2) 重量％で、Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜
9.0 ％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、
Mo:0.2〜4.0 ％、Nb:2.0％以下、Cu:4.0％以下、Ｗ:4.0
％以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、Ti:2.0％以下、
Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、Ce:0.4％以下、La:0.4％
以下を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からなる
析出硬化型高珪素鋼製の部品の熱処理方法であって、そ
の部品の表層部が高硬度であることを必要とする部分に
は、下記からまでの熱処理を順次施し、表層部が高
硬度であることを必要としない部分には、下記との
み、またはとのみの熱処理を順次施すことを特徴と
する熱処理方法。

【００１１】 900〜1100℃の加熱して急冷した後、60
0 〜700 ℃で時効処理を施す。

【００１２】 950〜1150℃で加熱した後、急冷する。

【００１３】 400〜600 ℃で時効処理を施す。

【００１４】上記(2) の熱処理対象部品の素材鋼である
析出硬化型高珪素鋼は、Nbを 0.1〜2.0 ％含有する鋼で
あるのが望ましい。また、(2) の熱処理方法における
または／およびの加熱は、高周波誘導加熱によって行
うのが望ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】１．本発明の析出硬化型高珪素鋼
（前記(1) の鋼）について この鋼 (以下「本発明鋼」と記す) は、シリコロイの析
出硬化性 (時効硬化特性) を改良して、部品表面からの
硬化深度を大きくすることを可能にした鋼である。ま
ず、各合金成分の作用効果と含有量の限定理由を説明す
る。なお、成分含有量に関する％は重量％を意味する。

【００１６】Ｃ：0.10％以下 Ｃは鋼の強度を上げる元素であり、通常の高強度鋼では
所定量のＣの含有を必須としている。しかし、多量のSi
を含有する本発明鋼において、強度はSiによってもたら
される特異な金属組織で確保されるので、Ｃの含有は必
須ではない。むしろ、Ｃは本発明鋼の靱性を低下させる
とともに耐酸化性や耐食性にも悪影響を及ぼす元素であ
る。従って、Ｃの含有量はできるだけ少ない方がよい。
0.10％は許容上限値であるが、0.05％以下が望ましく、
さらに0.02％以下に抑えるのが一層望ましい。現今の精
錬技術では、0.01％以下の極低炭素鋼の溶製も可能であ
る。

【００１７】Si： 2.0〜9.0 ％ Siは、本発明鋼に強度を与える主要な元素であるだけで
なく、耐熱性、耐酸化性、耐食性、高温軟化抵抗性を付
与する。また、鋼の融点を下げ、流動性を増して鋳造性
を改善する元素でもある。その含有量が 2.0％未満の場
合は、上記の特性の向上効果が十分でない。一方、Siは
強力なフェライト形成元素であるから、その含有量が
9.0％を超えると鋼の組織中のフェライト相が過多にな
るのを抑えるのに、Ni等の添加を増やす必要があって材
料価格が高くなる。

【００１８】Mn：0.05〜6.0 ％ Mnは鋼の脱酸剤として働き、またオーステナイト生成元
素でもある。析出硬化型のステンレス鋼では、機械的性
質に大きく影響するものではないが、金属組織の緻密化
と安定化に役立つので、0.05％以上の含有が必要であ
る。しかし、6.0％を超えると耐食性が劣化する。

【００１９】Ni：1 〜24％ Niは鋼に耐食性 (特に耐酸性) 、耐酸化性および耐熱性
を付与するとともに、次に述べるCrとのバランスで、鋼
の金属組織を実質的に二相に保つのに必須な元素であ
る。これらの作用効果を得るには1 ％以上が必要であ
る。しかし、24％を超えると、オーステナイト相が増加
しすぎて二相ステンレス鋼の特徴が失われるのみなら
ず、鋼の経済性も失われてしまう。

【００２０】なお、本発明鋼の組織は、前記のように主
にオーステナイトとマルテンサイトの二相からなるが、
その外にフェライトが存在することもある。実質的に二
相というのは、このような組織を含めることを意味す
る。

【００２１】Cr： 6〜28％ Crはステンレス鋼の基本的な特性、即ち、耐食性 (特に
耐酸性) 、耐熱性、耐酸化性を確保するための成分であ
る。6 ％未満ではこれらの性質が不十分である。他方、
Crが28％を超えると、鋼を実質的に二相に保つために必
要なNiの量が増えて経済性が損なわれる。

【００２２】Mo：0.2 〜4.0 ％ Moは鋼の耐食性 (耐酸性) とともに高温強度を高めて抗
クリープ性を改善し、また靱性と耐摩耗性の向上にも寄
与する。0.2 ％未満ではこれらの効果が不十分である。
Moは、フェライト生成元素であるから、その含有量が多
くなれば、オーステナイト形成元素（Ni、Cu、Mn）の添
加量を増やさなければならない。また、Moは高価な元素
でもある。これらのことを総合的に考慮して、Moの含有
量は0.2〜4.0 ％と定めた。

【００２３】Nb：0.03〜2.0 ％ Nbは、本発明鋼の靱性を損なわずに時効処理の際の硬化
深度を大きくするのに有効な元素である。さらに、Nbは
耐粒界腐食性、溶接性を改善し、かつ強度を向上させ
る。後に詳しく説明する図３〜５に示すように、同じ熱
処理を施した場合でも、Nbを含む鋼では深い硬化深度が
得られる。この効果は、Nbの含有量が0.03％以上で顕著
になる。しかし、2.0 を超えると鋼の熱間加工性を損な
い、また、靱性の低下も招く。従って、Nbの適正含有量
は0.03〜2.0 ％であり、さらに望ましいのは、0.1 〜1.
5 ％である。

【００２４】上記のように、Nbは硬化深度を大きくする
成分であるが、本発明の熱処理方法を適用する部品の素
材は、必ずしもNbを含有するものである必要はない。後
述するように、Nbを含有していなくても、所期の目的は
達成できるからである。従って、前記(2) の熱処理方法
を適用する部品の素材鋼では、Nbは 2.0％以下とし、下
限は不可避不純物のレベルであってもよい。

【００２５】Cu：4.0 ％以下 Cuは、必要に応じて添加する成分である。Cuは、耐食性
(特に耐酸性) の改善とともに析出硬化に寄与する元素
である。また、オーステナイト形成元素として金属組織
のバランスの調整に役立つ。これらの作用を期待する場
合は、0.5 ％以上含有させるのがよい。しかし、4.0 ％
を超えるCuは、鋼の熱間加工性を損なうので、添加する
場合でも含有量の上限は 4.0％とする。望ましいのは
2.0％以下である。

【００２６】Ｗ: 4.0 ％以下 Ｗは、Moと同様に鋼の高温強度を向上させ、耐熱性、抗
クリープ性を改善する作用があるので、必要に応じて添
加する。特に、後述するシリコロイ・タイプIIIの系統
では、高温での焼戻し軟化抵抗を大きくして、高温強度
を維持するのに 0.5％以上含有させるのが望ましい。但
し、4.0 ％を超えるＷは、鋼の価格に上昇に見合う程の
効果がない。

【００２７】上記の成分の外に、さらに次に述べる各成
分が、それぞれの上限値以下の範囲で含有されていても
よい。

【００２８】Ｂ: 3.0 ％以下 Ｂは鋼の硬度を著しく上昇させる作用を持つので、特に
優れた耐摩耗性を要求されるタイプIIIには添加するの
が望ましい。但し、Ｂ含有量が 3.0％を超えると鋼の脆
化が甚だしくなり、加工性が損なわれるので、上限は
3.0％とする。

【００２９】Co: 3.0 ％以下 Coは鋼の靱性に悪影響を及ぼさずに高温強度を向上させ
る成分である。ただし高価な元素であるから、その含有
量の上限は 3.0％とする。

【００３０】Al: 1.0 ％以下、Ti: 2.0 ％以下、Ｖ: 4.
0 ％以下 これらは、析出硬化作用により鋼の耐摩耗性を改善する
とともに、AlとTiは耐熱性の向上にも寄与する。しか
し、過剰の添加は靱性を劣化させるから、添加するばあ
いでも含有量はそれぞれの上限値以下の抑えるべきであ
る。

【００３１】希土類元素: 0.4％以下 Ce、La等の希土類元素は、脱酸、脱硫および結晶粒微細
化の効果を有し、靱性向上、耐応力腐食割れ性および熱
間加工性の改善に寄与する。これらの効果は、希土類元
素のそれぞれの含有量で 0.4％まででほぼ飽和する。

【００３２】本発明鋼は、上記の各成分の外、残部が鉄
（Fe）と不可避の不純物からなる。なお、不純物のうち
ＰとＳは、それぞれ0.04％以下に抑えるのが望ましい。

【００３３】これまでに述べた化学組成の範囲内で、本
発明鋼はその特性によって幾つかの系統の鋼に区分され
る。表１にその代表的な化学組成を示す。これらを、こ
こでは便宜的にシリコロイのタイプI、タイプII、タイ
プIIIと呼ぶことにする。なお表１の各タイプの下段の
組成は望ましい組成である。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１に示すタイプI（シリコロイＡ）は、
低Ni型の比較的安価な鋼である。タイプIIよりもやや機
械的性質が劣るが、一般的な焼入れ−焼戻し処理をした
Ni−Cr−Mo鋼に較べれば、２倍近い強靱性を有する。シ
リコロイの基本的な特性を生かして、板材、棒材、型材
（アングル等）として構造材料に使用するのに好適であ
る。

【００３６】タイプII（シリコロイＡ２）は、タイプI
のNi含有量を高めたもので、強靱性、耐熱性、耐食性、
耐摩耗性、耐かじりつき性、高硬度を兼ね備えるオール
ラウンド型の鋼である。主な用途は、橋梁用支承ローラ
ー、連続鋳造機用ローラー、ベアリング等である。

【００３７】なお、上記のタイプIとタイプIIをまとめ
た望ましい組成範囲は、Ｃ:0.05 ％以下、Si:3.5〜5.5
％、Mn: 0.05〜3.0 ％、Ni:3〜10、Cr:8〜16、Mo:0.2〜
2.5％、Nb: 0.03〜1.5 、Cu:2.0％以下、残部Feおよび
不可避的不純物、である。

【００３８】タイプIII（シリコロイＣ）は、タイプII
が備える特性のうち、特に高温強度と耐摩耗性をさらに
向上させたものである。この鋼は、激しい摩耗を受ける
土木建築用機器の部品、各種ミキサーの部品、スネーク
スクリューに適する。さらに、優れた耐熱性と耐摩耗性
を有するので焼却炉の炉内構造物のような過酷な用途に
も好適である。もちろん、タイプI、IIと同じ用途にも
使用できる。

【００３９】２．本発明の前記(2) の熱処理方法につい
て この方法の対象になる部品の素材鋼は、Ｃ: 0.10％以
下、Si:2.0〜9.0 ％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、
Cr:6〜28％、Mo:0.2〜4.0 ％、Nb:2.0％以下、Cu:4.0％
以下、Ｗ:4.0％以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、T
i:2.0％以下、Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、Ce:0.4％
以下、La:0.4％以下を含有し、残部がFeおよび不可避の
不純物からなる析出硬化型高珪素鋼である。前記の本発
明鋼において必須の成分であったNbは、必ずしも含有さ
れていなくてもよい。しかし、Nbは硬化深度を大きくす
る元素であるから、その0.03〜2.0 ％含有する鋼を本発
明の熱処理方法を適用する部品の素材鋼として用いるの
はきわめて望ましい。

【００４０】熱処理の工程は、次の３工程であるが、部
品の位置ごとに表層部硬化の要否に応じて、その３工程
を使い分けることが、本発明方法の大きな特徴である。
図１にその工程の使い分けを示す。

【００４１】の工程（調質工程）:この工程では 900
〜1100℃の加熱（一次加熱）して急冷した後、600 〜70
0 ℃で加熱（二次加熱）する。一次加熱は、部品の厚さ
(肉厚) １インチ当たり１時間以上を目安とする。冷却
は油冷 (または水冷) による急冷とする。二次加熱も部
品の厚さ１インチ当たり１時間以上を目安とする。この
二次加熱の後の冷却は空冷でよい。

【００４２】この工程の一次加熱は、１種の溶体化処理
であり、二次加熱は時効処理に相当するが、次に述べる
の溶体化やの時効処理ほど本格的なものではない。
このの熱処理は１種の調質処理であり、それによって
部品製造過程での鋳造や塑性加工の影響を取り除き、ス
トレスリリーフし、金属組織を微細で均質なものとす
る。さらに、部品の芯部の軟化による靱性向上と、次の
、の熱処理の所要時間を短縮し、かつその効果を確
実にするための予備的な処理である。従って、得られる
部品の表面硬度はショア硬度 (以下、HSと表記する) で
40〜45 (即ち、HS40〜45) 程度である。

【００４３】の工程：この工程は、950 〜1150℃で加
熱した後、急冷する、溶体化処理である。加熱時間は、
硬化させたい深さ（所要硬化深度) に応じて決定する。
冷却は、例えば水冷による急冷とする。この処理によっ
て、部品の表層部は、さらに微細な組織になるが、部品
の表面硬度は前記の処理後と殆ど変わらず、およそ H
S 40〜45である。従って、この溶体化の状態で、機械加
工を施して部品の形状を整える （仕上加工を行う）
ことは容易である。

【００４４】の工程：これは 400〜600 ℃で加熱する
時効処理工程である。処理時間は部品に厚さの１インチ
当たり 1時間以上とする。前記との熱処理を施され
た部分では、このの工程の加熱温度が約 470℃の時に
最高の硬さ(HS 70以上) が得られ、その前後では到達硬
度が低下する。400 ℃未満の低温または 600℃を超える
ような高温では、望ましい高硬度は得られない。

【００４５】の熱処理は、上記のように低温での処理
であるから、部品の変形を招くおそれはほとんどない。
従って、の処理の後に最終形状に加工してからの熱
処理を施して所定の硬度を付与することができる。

【００４６】前記のの熱処理（調質処理) は、部品全
体に対して行う。一方、との熱処理は、図１に示す
ように、下記のケース１とケース２とに使い分けること
ができる。

【００４７】〔ケース１〕部品全体にの処理を施し、
表層の硬化、高強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分
（Ａ部）にはおよびの処理を施し、表層硬化等が不
必要で、むしろ靱性を重視する部分（Ｂ部）ではの熱
処理を省略する。

【００４８】〔ケース２〕部品全体にの処理を施し、
表層の硬化、高強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分
（Ａ部）にはおよびを施し、表層硬化等が不必要
で、むしろ靱性を重視する部分（Ｂ部）ではの熱処理
を省略する。

【００４９】上記いずれのケースでも、表層の硬化、高
強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分だけが高い硬度を
持ち、そうでない部分は、低硬度で靱性に富む状態にな
る。このことを、試験例を用いて具体的に説明する。

【００５０】表２に示す６種類の鋼を素材として図２に
示す直径 47 mm、長さ 600 mm の丸棒鍛造材を各鋼につ
いてそれぞれ３本用意した。そして、それぞれの丸棒に
下記の熱処理を施した。なお、表２の６種類の鋼は、表
１に示したシリコロイのタイプIからIIIまでと、その各
々にNbを添加したものである。

【００５１】

【表２】

【００５２】〔熱処理） 丸棒全体を 950℃で120 分加熱した後、水冷し、次
いで 650℃で 120分加熱して空冷する調質処理 (前記
の処理) 。

【００５３】 丸棒のＡ部だけを高周波誘導加熱用コ
イルを1.5 mm/secで移動させながら1050℃に加熱して直
ちに水冷する溶体化処理 (前記の処理) 。なお、この
高周波誘導加熱の条件は後述する実施例と同じである。

【００５４】 丸棒全体を 480℃で120 分加熱する時
効処理 (前記の処理) 。

【００５５】上記の熱処理後の丸棒について次の試験を
行った。

【００５６】〔衝撃試験および引張試験〕丸棒のＡ部
(上記〜の全ての熱処理が施された部分) およびＢ
部（上記の熱処理が施されていない部分) の軸中心部
からシャルピー衝撃試験片(JIS４号) と引張試験片(JIS
８号) を採取し、25℃での衝撃試験と室温での引張試験
を行った。

【００５７】〔硬さ試験−硬化深度の測定〕丸棒のＡ部
およびＢ部から中心軸に直角に円盤状の試験片を採取
し、表面からの硬化分布を測定した。これらの測定結果
を表３および図３〜５に示す。なお、ここでは図中に太
い水平線で示すHS 65 以上の部分を硬化層と定義した。

【００５８】

【表３】

【００５９】図３から図５までの (a)図に示すから
までの全ての熱処理を施したＡ部の硬度分布を見れば、
Nbを含まないタイプI〜IIIよりもそれぞれにNbを添加し
た鋼（タイプI−Nb、タイプII−Nb、タイプIII−Nb）の
方が硬化深度は深くなっている。一方、図３〜図５の
(b)図に示すように、の溶体化処理を施していないＢ
部では硬化層は見られず、表層部から芯部まで殆ど硬度
の変化がない。

【００６０】表３に示した中心部の衝撃値および引張試
験の測定値（引張強さ、耐力、伸び) を見れば、どのタ
イプの鋼においてもＡ部よりＢ部の伸びおよび衝撃値が
大きい。

【００６１】上記の結果から、次の結論が得られる。

【００６２】1) 同じ組成のシリコロイを素材とする部
品であっても、その位置ごとに熱処理条件を変えること
により、異なった機械的性質を持たせることができる。
即ち、からまでの全ての熱処理を施した部分（前記
のＡ部）では、表層に硬化層を形成することができ、一
方、の熱処理を省いた部分（前記Ｂ部）は、全体が均
一な硬さで靱性に富む。

【００６３】2) シリコロイのどのタイプでも、Nbを添
加することによって、硬化深度を深くすることができ
る。従って、厚い硬化層が必要とされる部品には素材鋼
としてNbを含有する鋼を使用すればよい。硬化深度は、
の時効処理時間にも依存するから、その時間を短縮し
て生産性を上げたい場合にもNb含有鋼の使用が有利であ
る。

【００６４】これらは、前記のケース１の試験例である
が、ケース２の試験例でもほぼ同じ結果が得られてい
る。ただし、ケース２の試験では、の溶体化処理は全
体を加熱、急冷する通常の方法で行い、の熱処理を必
要カ所（Ａ部）のみを高周波誘導加熱法で 480℃に加熱
する方法で行った。

【００６５】上記のとおり、本発明の熱処理方法によれ
ば、一つの部品であっても、の熱処理を施すかどう
か、またはの熱処理を施すかどうかによって、局部的
に異なる特性を持たせることが可能である。

【００６６】鋼製部品の表面硬化方法としては、浸炭焼
入れ法、窒化法等が周知である。これらの方法は、部品
全体の表面硬化には適当であるが、部品の局部的な表面
硬化に用いるのは困難である。また、浸炭焼入れ法で
は、高温加熱と急冷が必要であるから部品の変形を招
き、窒化法では処理に長時間を要するという難点もあ
る。これに対して、本発明方法では、硬化が必要な部分
だけにまたはの溶体化処理を施すのであるが、その
加熱は高周波誘導加熱法等で容易に実施することができ
る。しかも、この溶体化処理後の部品は、未だ硬化して
いないので、機械加工によって仕上げ加工を行うのも容
易である。その後の時効処理は 400〜600 ℃という低温
で行われるので、部品の変形はほとんど問題にならな
い。

【００６７】

【実施例】前述の表１に示した６種類の鋼を用いて実寸
大 (直径約80mm) のポンプの安全弁の弁棒を作製し、本
発明の熱処理方法で処理した。弁棒の外観および主要寸
法を図６ (a)に示す。この弁棒は、ポンプ内部の圧力が
一定値を超えないようにするためのものである。ポンプ
内部の圧力が臨界値を超えると、弁棒が上昇して内部圧
力を逃がし、圧力が低下すると下がって弁座に収まる仕
組みになっている。従って、弁棒には弁座に衝突する時
の衝撃に耐える強靱性が必要であると同時に、先端部お
よび摺動部では優れた耐摩耗性（高硬度）が要求され
る。

【００６８】熱処理条件および試験条件は下記のとおり
である。

【００６９】〔熱処理） 弁棒全体を 950℃で180 分加熱した後、水冷し、次
いで 650℃で 180分加熱して空冷する調質処理 弁棒のＡ部（摺動部）およびＣ部（先端部）だけを
高周波誘導加熱によりコイル送り速度 1.5mm/secで1050
℃に加熱し水冷する溶体化処理 なお、この高周波誘導加熱は周波数：30ＫＨｚ、電気容
量：150 ＫＷで行い、冷却はコイル直後に設けたジャケ
ットからの噴射水によって行った。

【００７０】 弁棒全体を 480℃で 180分加熱する時
効処理。

【００７１】〔衝撃試験および引張試験〕弁棒のＡ部
(上記〜の全ての熱処理が施された部分) およびＢ
部（上記の熱処理が施されていない部分) の中心から
シャルピー衝撃試験片(JIS４号) と引張試験片(JIS 8
号) を採取し、 25 ℃での衝撃試験と室温での引張試験
を行った。

【００７２】〔硬さ試験−硬化深度の測定〕弁棒のＡ部
およびＢ部から中心軸に直角に円盤状の試験片を採取
し、表面からの硬度分布を測定した。Ｃ部 (先端部) に
ついては、表層部の硬度分布だけを測定した。これらの
測定結果を表４と図７〜９に示す。

【００７３】

【表４】

【００７４】図７〜図９から明らかなように、から
までの全ての熱処理を施したＡ部では硬化層が形成さ
れ、その硬化層の厚さ（硬化深度）は、タイプIからIII
までのどの鋼種においても、Nbを含有するものの方が大
きい。即ち、同じ条件での熱処理であっても、Nbを含む
本発明鋼の弁棒では表面硬化層が深くなるのである。言
い換えれば、同じ深さの硬化層を得る場合には、鋼ロの
方が短時間の時効処理で済む。

【００７５】Ｂ部 (即ち、の溶体化処理を施していな
い部分) には硬化層は存在しない。このことから、部品
の所定の位置に、局部的に高硬度で耐摩耗性に富む領域
を設けることが可能なことが明らかである。しかも、表
４に示すように、部品の芯部は、どの部分でも強靱であ
るから、部品の耐衝撃性も十分に確保されている。

【００７６】表４に付記したＣ部の最大硬度と硬化深度
はＡ部とほぼ同じである。即ち、弁棒先端部は高い硬度
を持ち、耐摩耗性に優れている。Ｃ部の芯部の機械的性
質は測定していないが、Ａ部と同じ性質を持つことは明
らかで、芯部は強靱性に富むものと推定できる。

【００７７】上記の実施例では、弁棒のＢ部のネジ切り
加工は、の熱処理後、Ａ部およびＣ部にの熱処理を
施す前に行った。しかし、Ｂ部には前記のようにの熱
処理をしないので最後まで表層部も殆ど硬化しない。従
って、弁棒全体の熱処理がすべて終了してからネジ切り
加工を行ってもよい。そうすることによって、より歪の
少ない部品を得ることができる。

【００７８】従来、この種の弁棒は、JIS のSUS 630 鋼
(析出硬化型ステンレス鋼) 作製されている。この鋼
は、時効処理後でも硬度は高々 HS 50程度までしか上が
らない。従って、弁棒先端にはステライトによる肉盛を
施し、更に 500℃で60時間というようなガス窒化処理を
行って製品としていた。しかも、そのSUS 630 鋼製の弁
棒は、衝撃値および伸びにおいて本発明方法で作製した
弁棒に劣る。さらに、本発明方法で作製した弁棒は歪が
少なく、硫酸、塩酸等に対する耐食性および耐海水性に
おいても勝っている。

【００７９】

【発明の効果】素材鋼と熱処理条件とを適正に選定する
ことを特徴とする本発明方法によれば、部品に多様な特
性を付与することができる。特に、一つの部品の特定位
置だけを硬化させるという処理も容易に実施できる。

【００８０】本発明のNbを含有する析出硬化型鋼は、硬
化深度を大きくすることが可能なものであるから、この
鋼を用いれば硬化深度の大きい部品の製造、または製造
工程の短縮が可能になる。

【００８１】本発明は、実施例に示した弁棒の外に、例
えば、化学プラントのスクリューシャフト、プロペラシ
ャフト、製鉄プラントの各種ロール、ローラー、橋梁用
支承のローラ等、強靱性とともに耐食性、耐熱性、耐摩
耗性等の様々な性質を兼備することが必要とされるあら
ゆる部品の製造に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理方法の２種類のケースをまとめ
て示す図である。

【図２】熱処理の試験に用いた試験片の外観を示す図で
ある。

【図３】本発明のシリコロイのタイプIの部品で、熱処
理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬化深度の
測定結果を示すグラフである。

【図４】本発明のシリコロイのタイプIIの部品で、熱処
理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬化深度の
測定結果を示すグラフである。

【図５】本発明のシリコロイのタイプIIIの部品で、熱
処理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬化深度
の測定結果を示すグラフである。

【図６】(a) は実施例の試験に供した弁棒の外観図、
(b) はそのＣ部の模式的断面拡大図である。

【図７】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプI）の
熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化深
度の測定結果を示すグラフである。

【図８】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプII）の
熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化深
度の測定結果を示すグラフである。

【図９】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプIII）
の熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化
深度の測定結果を示すグラフである。

【手続補正書】

【提出日】平成１１年２月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】析出硬化型高珪素鋼製品の熱処理方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種機器のシャ
フト、ロール、ローラー、軸受等の機械部品であって、
強靱性、高硬度、耐摩耗性、耐食・耐熱性等を兼備する
ことが必要とされる部品であって、析出硬化型高珪素鋼
を素材とする部品の熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学プラント、製鉄プラント、建築構造
物等に使用される各種の機器のロール(ローラー) 、シ
ャフト (軸) 、軸受等、強靱性と耐摩耗性を同時に要求
される部品は数多い。これらの要求に応えるには、適切
な処理によって表面だけが高硬度になり、芯部は靱性に
富む材料が必要とされる。その処理方法としては、浸炭
法、窒化法、高周波焼入れ法等が周知であり、これらの
処理に適する鋼材も種々開発されている。

【０００３】腐食性環境や高温下で使用される部品で
は、強靱性、耐摩耗性に加えて耐食性や耐熱性が同時に
必要とされることも多い。例えば、橋梁の伸縮を吸収す
るローラー支承のローラーには、強靱性および耐摩耗性
のみならず、風雨あるいは塩害に耐える優れた耐食性も
要求される。また、金属の連続鋳造装置の鋳型下方のセ
グメント (鋳片案内装置) を構成するローラーや圧延機
のロールには、高強度、耐摩耗性に加えて高温強度と十
分な耐熱性も必要とされ、化学プラント用部品には耐酸
性等の高度の耐食性が要求される。

【０００４】耐食、耐熱性の材料としては、CrとNiを主
要成分とするオーステナイト系ステンレス鋼が一般的で
ある。しかし、このステンレス鋼は強度および硬度が低
く、高強度の耐摩耗性材料には不適当である。比較的高
強度、高硬度になるステンレス鋼として、析出硬化型の
鋼がJIS のSUS 630, 631として規格化されているが、こ
の鋼も近年の厳しい使用条件には対応できないことが多
い。他方、焼入れ硬化型のステンレス鋼として、SUS 44
0, 420J2等が知られているが、その製品 (例えばローラ
ー) を焼入れすると、製品の芯部まで全体が硬化し、靱
性を失って折損しやすくなるという問題がある。

【０００５】高強度・高靱性でかつ耐食性および耐熱性
にも優れ、高い硬度をも備える鋼としては「高珪素ステ
ンレス鋼」がある。この鋼は、特許第619,383 号（特公
昭46−9536号) として特許されたもので、さらにその改
良鋼が、例えば特公昭57−17070 号公報 (特許第1,167,
791 号) に開示されている。これらの高珪素ステンレス
鋼は、シリコロイ (登録商標) と呼ばれ、本出願人によ
って実用化され、近年広く使用されるに到っている。

【０００６】上記のシリコロイは、主にオーステナイト
とマルテンサイトの二相組織を持つ時効硬化性の鋼であ
る。本出願人は、その熱処理に関する発明を先に特許出
願した (特開平７−97623 号公報参照) 。その発明は、
比較的短時間の熱処理によって、深い硬化深度を得るこ
とを目的としたもので、調質、溶体化および時効という
三段階の熱処理工程を特徴とする発明である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、シリ
コロイの改良合金を素材とする種々の部品に最も望まし
い機能を付与する熱処理方法、具体的には、１個の部品
でその位置によって異なる性質をもつ部品を製造するこ
とができる新しい熱処理方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記の熱処理
方法を要旨とする。

【０００９】重量％で、Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜9.0
％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、Mo:
0.2〜4.0 ％、Nb: 0.03〜2.0 ％、Cu:4.0％以下、Ｗ:4.
0％以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、Ti:2.0％以
下、Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、希土類元素:0.4％以
下を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からなる析
出硬化型高珪素鋼製の部品の熱処理方法であって、その
部品の表層部が高硬度であることを必要とする部分に
は、下記からまでの熱処理を順次施し、表層部が高
硬度であることを必要としない部分には、下記との
み、またはとのみの熱処理を順次施すことを特徴と
する熱処理方法。

【００１０】 900〜1100℃の加熱して急冷した後、60
0 〜700 ℃で時効処理を施す。

【００１１】 950〜1150℃で加熱した後、急冷する。

【００１２】 400〜600 ℃で時効処理を施す。

【００１３】上記の熱処理対象部品の素材鋼である析出
硬化型高珪素鋼は、Nbを 0.1〜2.0％含有する鋼である
のが望ましい。また、上記の熱処理方法におけるまた
は／およびの加熱は、高周波誘導加熱によって行うの
が望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】I ．部品の素材となる析出硬化型
高珪素鋼について この鋼 (以下「本発明素材鋼」と記す) は、シリコロイ
の析出硬化性 (時効硬化特性) を改良して、部品表面か
らの硬化深度を大きくすることを可能にした鋼である。
まず、各合金成分の作用効果と含有量の限定理由を説明
する。なお、成分含有量に関する％は重量％を意味す
る。

【００１５】Ｃ：0.10％以下 Ｃは鋼の強度を上げる元素であり、通常の高強度鋼では
所定量のＣの含有を必須としている。しかし、多量のSi
を含有する本発明素材鋼において、強度はSiによっても
たらされる特異な金属組織で確保されるので、Ｃの含有
は必須ではない。むしろ、Ｃは本発明素材鋼の靱性を低
下させるとともに耐酸化性や耐食性にも悪影響を及ぼす
元素である。従って、Ｃの含有量はできるだけ少ない方
がよい。

【００１６】0.10％は許容上限値であるが、0.05％以下
が望ましく、さらに0.02％以下に抑えるのが一層望まし
い。現今の精錬技術では、0.01％以下の極低炭素鋼の溶
製も可能である。

【００１７】Si： 2.0〜9.0 ％ Siは、本発明素材鋼に強度を与える主要な元素であるだ
けでなく、耐熱性、耐酸化性、耐食性、高温軟化抵抗性
を付与する。また、鋼の融点を下げ、流動性を増して鋳
造性を改善する元素でもある。その含有量が 2.0％未満
の場合は、上記の特性の向上効果が十分でない。一方、
Siは強力なフェライト形成元素であるから、その含有量
が 9.0％を超えると鋼の組織中のフェライト相が過多に
なるのを抑えるのに、Ni等の添加を増やす必要があって
材料価格が高くなる。

【００１８】Mn：0.05〜6.0 ％ Mnは鋼の脱酸剤として働き、またオーステナイト生成元
素でもある。析出硬化型のステンレス鋼では、機械的性
質に大きく影響するものではないが、金属組織の緻密化
と安定化に役立つので、0.05％以上の含有が必要であ
る。しかし、6.0％を超えると耐食性が劣化する。

【００１９】Ni：1 〜24％ Niは鋼に耐食性 (特に耐酸性) 、耐酸化性および耐熱性
を付与するとともに、次に述べるCrとのバランスで、鋼
の金属組織を実質的に二相に保つのに必須な元素であ
る。これらの作用効果を得るには１％以上が必要であ
る。しかし、24％を超えると、オーステナイト相が増加
しすぎて二相ステンレス鋼の特徴が失われるのみなら
ず、鋼の経済性も失われてしまう。

【００２０】なお、本発明素材鋼の組織は、前記のよう
に主にオーステナイトとマルテンサイトの二相からなる
が、その外にフェライトが存在することもある。実質的
に二相というのは、このような組織を含めることを意味
する。

【００２１】Cr： 6〜28％ Crはステンレス鋼の基本的な特性、即ち、耐食性 (特に
耐酸性) 、耐熱性、耐酸化性を確保するための成分であ
る。6 ％未満ではこれらの性質が不十分である。他方、
Crが28％を超えると、鋼を実質的に二相に保つために必
要なNiの量が増えて経済性が損なわれる。

【００２２】Mo：0.2 〜4.0 ％ Moは鋼の耐食性 (耐酸性) とともに高温強度を高めて抗
クリープ性を改善し、また靱性と耐摩耗性の向上にも寄
与する。0.2 ％未満ではこれらの効果が不十分である。
Moは、フェライト生成元素であるから、その含有量が多
くなれば、オーステナイト形成元素（Ni、Cu、Mn）の添
加量を増やさなければならない。また、Moは高価な元素
でもある。これらのことを総合的に考慮して、Moの含有
量は0.2〜4.0 ％と定めた。

【００２３】Nb：0.03〜2.0 ％ Nbは、本発明素材鋼の靱性を損なわずに時効処理の際の
硬化深度を大きくするのに有効な元素である。さらに、
Nbは耐粒界腐食性、溶接性を改善し、かつ強度を向上さ
せる。後に詳しく説明する図３〜５に示すように、同じ
熱処理を施した場合でも、Nbを含む鋼では深い硬化深度
が得られる。この効果は、Nbの含有量が0.03％以上で顕
著になる。しかし、2.0 を超えると鋼の熱間加工性を損
ない、また、靱性の低下も招く。従って、Nbの適正含有
量は0.03〜2.0 ％であり、さらに望ましいのは、0.1 〜
2.0 ％である。

【００２４】Cu：4.0 ％以下 Cuは、必要に応じて添加する成分である。Cuは、耐食性
(特に耐酸性) の改善とともに析出硬化に寄与する元素
である。また、オーステナイト形成元素として金属組織
のバランスの調整に役立つ。これらの作用を期待する場
合は、0.5 ％以上含有させるのがよい。しかし、4.0 ％
を超えるCuは、鋼の熱間加工性を損なうので、添加する
場合でも含有量の上限は 4.0％とする。望ましいのは
2.0％以下である。

【００２５】Ｗ: 4.0 ％以下 Ｗは、Moと同様に鋼の高温強度を向上させ、耐熱性、抗
クリープ性を改善する作用があるので、必要に応じて添
加する。特に、後述するシリコロイ・タイプIII の系統
では、高温での焼戻し軟化抵抗を大きくして、高温強度
を維持するのに0.5％以上含有させるのが望ましい。但
し、4.0 ％を超えるＷは、鋼の価格に上昇に見合う程の
効果がない。

【００２６】上記の成分の外に、さらに次に述べる各成
分が、それぞれの上限値以下の範囲で含有されていても
よい。

【００２７】Ｂ: 3.0 ％以下 Ｂは鋼の硬度を著しく上昇させる作用を持つので、特に
優れた耐摩耗性を要求されるタイプIII には添加するの
が望ましい。但し、Ｂ含有量が 3.0％を超えると鋼の脆
化が甚だしくなり、加工性が損なわれるので、上限は
3.0％とする。

【００２８】Co: 3.0 ％以下 Coは鋼の靱性に悪影響を及ぼさずに高温強度を向上させ
る成分である。ただし高価な元素であるから、その含有
量の上限は 3.0％とする。

【００２９】Al: 1.0 ％以下、Ti: 2.0 ％以下、Ｖ: 4.
0 ％以下 これらは、析出硬化作用により鋼の耐摩耗性を改善する
とともに、AlとTiは耐熱性の向上にも寄与する。しか
し、過剰の添加は靱性を劣化させるから、添加する場合
でも含有量はそれぞれの上限値以下に抑えるべきであ
る。

【００３０】希土類元素: 0.4％以下 Ce、La等の希土類元素は、脱酸、脱硫および結晶粒微細
化の効果を有し、靱性向上、耐応力腐食割れ性および熱
間加工性の改善に寄与する。これらの効果は、希土類元
素のそれぞれの含有量で 0.4％まででほぼ飽和する。

【００３１】本発明素材鋼は、上記の各成分の外、残部
が鉄（Fe）と不可避の不純物からなる。なお、不純物の
うちＰとＳは、それぞれ0.04％以下に抑えるのが望まし
い。

【００３２】これまでに述べた化学組成の範囲内で、本
発明素材鋼はその特性によって幾つかの系統の鋼に区分
される。表１にその代表的な化学組成を示す。これら
を、ここでは便宜的にシリコロイのタイプI 、タイプI
I、タイプIII と呼ぶことにする。なお表１の各タイプ
の下段の組成は望ましい組成である。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示すタイプI （シリコロイＡ）は、
低Ni型の比較的安価な鋼である。タイプIIよりもやや機
械的性質が劣るが、一般的な焼入れ−焼戻し処理をした
Ni−Cr−Mo鋼に較べれば、２倍近い強靱性を有する。シ
リコロイの基本的な特性を生かして、板材、棒材、型材
（アングル等）として構造材料に使用するのに好適であ
る。

【００３５】タイプII（シリコロイＡ２）は、タイプI
のNi含有量を高めたもので、強靱性、耐熱性、耐食性、
耐摩耗性、耐かじりつき性、高硬度を兼ね備えるオール
ラウンド型の鋼である。主な用途は、橋梁用支承ローラ
ー、連続鋳造機用ローラー、ベアリング等である。

【００３６】なお、上記のタイプI とタイプIIをまとめ
た望ましい組成範囲は、Ｃ:0.05 ％以下、Si:3.5〜5.5
％、Mn: 0.05〜3.0 ％、Ni:3〜10、Cr:8〜16、Mo:0.2〜
2.5％、Nb: 0.03〜1.5 、Cu:2.0％以下、残部Feおよび
不可避的不純物、である。

【００３７】タイプIII （シリコロイＣ）は、タイプII
が備える特性のうち、特に高温強度と耐摩耗性をさらに
向上させたものである。この鋼は、激しい摩耗を受ける
土木建築用機器の部品、各種ミキサーの部品、スネーク
スクリューに適する。さらに、優れた耐熱性と耐摩耗性
を有するので焼却炉の炉内構造物のような過酷な用途に
も好適である。もちろん、タイプI 、IIと同じ用途にも
使用できる。

【００３８】II．本発明の熱処理方法について この方法の対象になる部品は、前記の本発明素材鋼で作
製されたものである。

【００３９】熱処理の工程は、次の３工程であるが、部
品の位置ごとに表層部硬化の要否に応じて、その３工程
を使い分けることが、本発明方法の大きな特徴である。
図１にその工程の使い分けを示す。

【００４０】の工程（調質工程）: この工程では 900
〜1100℃の加熱（一次加熱）して急冷した後、600 〜70
0 ℃で加熱（二次加熱）する。一次加熱は、部品の厚さ
(肉厚) １インチ当たり１時間以上を目安とする。冷却
は油冷 (または水冷) による急冷とする。二次加熱も部
品の厚さ１インチ当たり１時間以上を目安とする。この
二次加熱の後の冷却は空冷でよい。

【００４１】この工程の一次加熱は、１種の溶体化処理
であり、二次加熱は時効処理に相当するが、次に述べる
の溶体化やの時効処理ほど本格的なものではない。
このの熱処理は１種の調質処理であり、それによって
部品製造過程での鋳造や塑性加工の影響を取り除き、ス
トレスリリーフし、金属組織を微細で均質なものとす
る。さらに、部品の芯部の軟化による靱性向上と、次の
、の熱処理の所要時間を短縮し、かつその効果を確
実にするための予備的な処理である。従って、得られる
部品の表面硬度はショア硬度 (以下、HSと表記する) で
40〜45 (即ち、HS40〜45) 程度である。

【００４２】の工程：この工程は、950 〜1150℃で加
熱した後、急冷する、溶体化処理である。加熱時間は、
硬化させたい深さ（所要硬化深度) に応じて決定する。
冷却は、例えば水冷による急冷とする。この処理によっ
て、部品の表層部は、さらに微細な組織になるが、部品
の表面硬度は前記の処理後と殆ど変わらず、およそ H
S 40〜45である。従って、この溶体化の状態で、機械加
工を施して部品の形状を整える (仕上加工を行う) こと
は容易である。

【００４３】の工程：これは 400〜600 ℃で加熱する
時効処理工程である。処理時間は部品に厚さの１インチ
当たり１時間以上とする。前記との熱処理を施され
た部分では、このの工程の加熱温度が約 470℃の時に
最高の硬さ(HS 70以上) が得られ、その前後では到達硬
度が低下する。400 ℃未満の低温または 600℃を超える
ような高温では、望ましい高硬度は得られない。

【００４４】の熱処理は、上記のように低温での処理
であるから、部品の変形を招くおそれはほとんどない。
従って、の処理の後に最終形状に加工してからの熱
処理を施して所定の硬度を付与することができる。

【００４５】前記のの熱処理（調質処理) は、部品全
体に対して行う。一方、との熱処理は、図１に示す
ように、下記のケース１とケース２とに使い分けること
ができる。

【００４６】〔ケース１〕部品全体にの処理を施し、
表層の硬化、高強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分
（Ａ部）にはおよびの処理を施し、表層硬化等が不
必要で、むしろ靱性を重視する部分（Ｂ部）ではの熱
処理を省略する。

【００４７】〔ケース２〕部品全体にの処理を施し、
表層の硬化、高強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分
（Ａ部）にはおよびを施し、表層硬化等が不必要
で、むしろ靱性を重視する部分（Ｂ部）ではの熱処理
を省略する。

【００４８】上記いずれのケースでも、表層の硬化、高
強度化、耐摩耗性の向上が必要な部分だけが高い硬度を
持ち、そうでない部分は、低硬度で靱性に富む状態にな
る。

【００４９】このことを、試験例を用いて具体的に説明
する。

【００５０】表２に示す６種類の鋼を素材として図２に
示す直径 47 mm、長さ 600 mm の丸棒鍛造材を各鋼につ
いてそれぞれ３本用意した。そして、それぞれの丸棒に
下記の熱処理を施した。なお、表２の６種類の鋼は、表
１に示したシリコロイのタイプI からIII までと、その
各々にNbを添加したものである。

【００５１】

【表２】

【００５２】〔熱処理） 丸棒全体を 950℃で120 分加熱した後、水冷し、次
いで 650℃で 120分加熱して空冷する調質処理 (前記
の処理) 。

【００５３】 丸棒のＡ部だけを高周波誘導加熱用コ
イルを1.5 mm/secで移動させながら1050℃に加熱して直
ちに水冷する溶体化処理 (前記の処理) 。なお、この
高周波誘導加熱の条件は後述する実施例と同じである。

【００５４】 丸棒全体を 480℃で120 分加熱する時
効処理 (前記の処理) 。上記の熱処理後の丸棒につい
て次の試験を行った。

【００５５】〔衝撃試験および引張試験〕丸棒のＡ部
(上記〜の全ての熱処理が施された部分) およびＢ
部（上記の熱処理が施されていない部分) の軸中心部
からシャルピー衝撃試験片(JIS４号) と引張試験片(JIS
８号) を採取し、25℃での衝撃試験と室温での引張試験
を行った。

【００５６】〔硬さ試験−硬化深度の測定〕丸棒のＡ部
およびＢ部から中心軸に直角に円盤状の試験片を採取
し、表面からの硬化分布を測定した。これらの測定結果
を表３および図３〜５に示す。なお、ここでは図中に太
い水平線で示すHS 65 以上の部分を硬化層と定義した。

【００５７】

【表３】

【００５８】図３から図５までの (a)図に示すから
までの全ての熱処理を施したＡ部の硬度分布を見れば、
Nbを含まないタイプI 〜III よりもそれぞれにNbを添加
した鋼（タイプI −Nb、タイプII−Nb、タイプIII −N
b）の方が硬化深度は深くなっている。一方、図３〜図
５の (b)図に示すように、の溶体化処理を施していな
いＢ部では硬化層は見られず、表層部から芯部まで殆ど
硬度の変化がない。

【００５９】表３に示した中心部の衝撃値および引張試
験の測定値（引張強さ、耐力、伸び) を見れば、どのタ
イプの鋼においてもＡ部よりＢ部の伸びおよび衝撃値が
大きい。

【００６０】上記の結果から、次の結論が得られる。

【００６１】1) 同じ組成のシリコロイを素材とする部
品であっても、その位置ごとに熱処理条件を変えること
により、異なった機械的性質を持たせることができる。
即ち、からまでの全ての熱処理を施した部分（前記
のＡ部）では、表層に硬化層を形成することができ、一
方、の熱処理を省いた部分（前記Ｂ部）は、全体が均
一な硬さで靱性に富む。

【００６２】2) シリコロイのどのタイプでも、Nbを添
加することによって、硬化深度を深くすることができ
る。従って、厚い硬化層が必要とされる部品には素材鋼
としてNbを含有する鋼を使用すればよい。硬化深度は、
の時効処理時間にも依存するから、その時間を短縮し
て生産性を上げたい場合にもNb含有鋼の使用が有利であ
る。

【００６３】これらは、前記のケース１の試験例である
が、ケース２の試験例でもほぼ同じ結果が得られてい
る。ただし、ケース２の試験では、の溶体化処理は全
体を加熱、急冷する通常の方法で行い、の熱処理を必
要カ所（Ａ部）のみを高周波誘導加熱法で 480℃に加熱
する方法で行った。

【００６４】上記のとおり、本発明の熱処理方法によれ
ば、一つの部品であっても、の熱処理を施すかどう
か、またはの熱処理を施すかどうかによって、局部的
に異なる特性を持たせることが可能である。

【００６５】鋼製部品の表面硬化方法としては、浸炭焼
入れ法、窒化法等が周知である。これらの方法は、部品
全体の表面硬化には適当であるが、部品の局部的な表面
硬化に用いるのは困難である。また、浸炭焼入れ法で
は、高温加熱と急冷が必要であるから部品の変形を招
き、窒化法では処理に長時間を要するという難点もあ
る。

【００６６】これに対して、本発明方法では、硬化が必
要な部分だけにまたはの溶体化処理を施すのである
が、その加熱は高周波誘導加熱法等で容易に実施するこ
とができる。しかも、この溶体化処理後の部品は、未だ
硬化していないので、機械加工によって仕上げ加工を行
うのも容易である。その後の時効処理は 400〜600 ℃と
いう低温で行われるので、部品の変形はほとんど問題に
ならない。

【００６７】

【実施例】前述の表１に示した６種類の鋼を用いて実寸
大 (直径約80mm) のポンプの安全弁の弁棒を作製し、本
発明の熱処理方法で処理した。弁棒の外観および主要寸
法を図６ (a)に示す。この弁棒は、ポンプ内部の圧力が
一定値を超えないようにするためのものである。ポンプ
内部の圧力が臨界値を超えると、弁棒が上昇して内部圧
力を逃がし、圧力が低下すると下がって弁座に収まる仕
組みになっている。

【００６８】従って、弁棒には弁座に衝突する時の衝撃
に耐える強靱性が必要であると同時に、先端部および摺
動部では優れた耐摩耗性（高硬度）が要求される。

【００６９】熱処理条件および試験条件は下記のとおり
である。

【００７０】〔熱処理） 弁棒全体を 950℃で180 分加熱した後、水冷し、次
いで 650℃で 180分加熱して空冷する調質処理 弁棒のＡ部（摺動部）およびＣ部（先端部）だけを
高周波誘導加熱によりコイル送り速度 1.5mm/secで1050
℃に加熱し水冷する溶体化処理 なお、この高周波誘導加熱は周波数：30ＫＨｚ、電気容
量：150 ＫＷで行い、冷却はコイル直後に設けたジャケ
ットからの噴射水によって行った。

【００７１】 弁棒全体を 480℃で 180分加熱する時
効処理。

【００７２】〔衝撃試験および引張試験〕弁棒のＡ部
(上記〜の全ての熱処理が施された部分) およびＢ
部（上記の熱処理が施されていない部分) の中心から
シャルピー衝撃試験片(JIS４号) と引張試験片(JIS 8
号) を採取し、 25 ℃での衝撃試験と室温での引張試験
を行った。

【００７３】〔硬さ試験−硬化深度の測定〕弁棒のＡ部
およびＢ部から中心軸に直角に円盤状の試験片を採取
し、表面からの硬度分布を測定した。Ｃ部 (先端部) に
ついては、表層部の硬度分布だけを測定した。これらの
測定結果を表４と図７〜９に示す。

【００７４】

【表４】

【００７５】図７〜図９から明らかなように、から
までの全ての熱処理を施したＡ部では硬化層が形成さ
れ、その硬化層の厚さ（硬化深度）は、タイプI からII
I までのどの鋼種においてもNbを含有するものの方が大
きい。即ち、同じ条件での熱処理であっても、Nbを含む
鋼の弁棒では表面硬化層が深くなるのである。言い換え
れば、同じ深さの硬化層を得る場合には、鋼ロの方が短
時間の時効処理で済む。

【００７６】Ｂ部 (即ち、の溶体化処理を施していな
い部分) には硬化層は存在しない。

【００７７】このことから、部品の所定の位置に、局部
的に高硬度で耐摩耗性に富む領域を設けることが可能な
ことが明らかである。しかも、表４に示すように、部品
の芯部は、どの部分でも強靱であるから、部品の耐衝撃
性も十分に確保されている。

【００７８】表４に付記したＣ部の最大硬度と硬化深度
はＡ部とほぼ同じである。即ち、弁棒先端部は高い硬度
を持ち、耐摩耗性に優れている。Ｃ部の芯部の機械的性
質は測定していないが、Ａ部と同じ性質を持つことは明
らかで、芯部は強靱性に富むものと推定できる。

【００７９】上記の実施例では、弁棒のＢ部のネジ切り
加工は、の熱処理後、Ａ部およびＣ部にの熱処理を
施す前に行った。しかし、Ｂ部には前記のようにの熱
処理をしないので最後まで表層部も殆ど硬化しない。従
って、弁棒全体の熱処理がすべて終了してからネジ切り
加工を行ってもよい。そうすることによって、より歪の
少ない部品を得ることができる。

【００８０】従来、この種の弁棒は、JIS のSUS 630 鋼
(析出硬化型ステンレス鋼) 作製されている。この鋼
は、時効処理後でも硬度は高々 HS 50程度までしか上が
らない。従って、弁棒先端にはステライトによる肉盛を
施し、更に 500℃で60時間というようなガス窒化処理を
行って製品としていた。しかも、そのSUS 630 鋼製の弁
棒は、衝撃値および伸びにおいて本発明方法で作製した
弁棒に劣る。さらに、本発明方法で作製した弁棒は歪が
少なく、硫酸、塩酸等に対する耐食性および耐海水性に
おいても勝っている。

【００８１】

【発明の効果】素材鋼と熱処理条件とを適正に選定する
ことを特徴とする本発明方法によれば、部品に多様な特
性を付与することができる。特に、一つの部品の特定位
置だけを硬化させるという処理も容易に実施できる。

【００８２】素材鋼としてNbを含有する析出硬化型鋼を
用いるので、硬化深度を大きくすることが可能であるか
ら、硬化深度の大きい部品の製造、または製造工程の短
縮が可能になる。

【００８３】本発明は、実施例に示した弁棒の外に、例
えば、化学プラントのスクリューシャフト、プロペラシ
ャフト、製鉄プラントの各種ロール、ローラー、橋梁用
支承のローラ等、強靱性とともに耐食性、耐熱性、耐摩
耗性等の様々な性質を兼備することが必要とされるあら
ゆる部品の製造に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理方法の２種類のケースをまとめ
て示す図である。

【図２】熱処理の試験に用いた試験片の外観を示す図で
ある。

【図３】本発明素材鋼のシリコロイのタイプI の部品
で、熱処理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬
化深度の測定結果を示すグラフである。

【図４】本発明素材鋼のシリコロイのタイプIIの部品
で、熱処理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬
化深度の測定結果を示すグラフである。

【図５】本発明素材鋼のシリコロイのタイプIII の部品
で、熱処理条件を変えた部分（図１のＡ部とＢ部）の硬
化深度の測定結果を示すグラフである。

【図６】(a) は実施例の試験に供した弁棒の外観図、
(b) はそのＣ部の模式的断面拡大図である。

【図７】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプI ）の
熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化深
度の測定結果を示すグラフである。

【図８】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプII）の
熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化深
度の測定結果を示すグラフである。

【図９】図６の弁棒（素材はシリコロイのタイプIII ）
の熱処理条件を変えた部分（図４のＡ部とＢ部）の硬化
深度の測定結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｃ２１Ｄ 9/28 Ｃ２１Ｄ 9/28 9/38 9/38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜9.0
   ％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、Mo:
   0.2〜4.0 ％、Nb: 0.03〜2.0 ％、Cu:4.0％以下、Ｗ:4.
   0％以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、Ti:2.0％以
   下、Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、Ce:0.4％以下、La:
   0.4％以下を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物か
   らなることを特徴とする析出硬化型高珪素鋼。
2. 【請求項２】重量％で、Ｃ: 0.10％以下、Si:2.0〜9.0
   ％、Mn: 0.05〜6.0 ％、Ni:1〜24％、Cr:6〜28％、Mo:
   0.2〜4.0 ％、Nb:2.0％以下、Cu:4.0％以下、Ｗ:4.0％
   以下、Co:3.0％以下、Al:1.0％以下、Ti:2.0％以下、
   Ｖ:4.0％以下、Ｂ:3.0％以下、Ce:0.4％以下、La:0.4％
   以下を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からなる
   析出硬化型高珪素鋼製の部品の熱処理方法であって、そ
   の部品の表層部が高硬度であることを必要とする部分に
   は、下記からまでの熱処理を順次施し、表層部が高
   硬度であることを必要としない部分には、下記との
   み、またはとのみの熱処理を順次施すことを特徴と
   する熱処理方法。 900〜1100℃の加熱して急冷した後、600 〜700 ℃で
   時効処理を施す 950〜1150℃で加熱した後、急冷する 400〜600 ℃で時効処理を施す
3. 【請求項３】析出硬化型高珪素鋼のNb含有量が 0.1〜2.
   0 重量％である請求項２に記載の熱処理方法。
4. 【請求項４】上記または／およびの熱処理における
   加熱を高周波誘導加熱によって行う請求項２または請求
   項３に記載の熱処理方法。