特許 6849360 転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6849360

(24)【登録日】2021年3月8日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20210315BHJP

   C22C 38/60 20060101ALI20210315BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 302Z

   C22C38/60

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-186516(P2016-186516)

(22)【出願日】2016年9月26日

(65)【公開番号】特開2018-53271(P2018-53271A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年8月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101085

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 健至

(74)【代理人】

【識別番号】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(74)【代理人】

【識別番号】100185258

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 宏理

(72)【発明者】

【氏名】妙瀬田 真理

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１３７３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２３２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８２１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０４０７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００−３８／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．５０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．０１〜０．４０％、Ｐ：≦０．０４０％、Ｓ：０．０９〜０．２０％、Ｃｒ：９．００〜１７．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼。

【請求項2】

請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％のいずれか１種若しくは２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼。

【請求項3】

請求項１の化学成分または請求項２の化学成分に加えて、質量％で、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％のいずれか１種若しくは２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、摺動部品や軸受等において転動疲労寿命特性と耐食性が要求される部材で、特に切削加工を受ける部材へ用いられる転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、転動疲労寿命特性と耐食性が求められる部材にはＳＵＳ４４０Ｃ等の高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼が用いられてきた。ＳＵＳ４４０Ｃ等の高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼は被削性に乏しく、焼入焼戻し処理を行っていない状態であっても微細な穴加工等が困難である。そこで、被削性向上のために快削元素であるＳを添加したマルテンサイト系快削ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０ＦがＪＩＳ Ｇ４３０３に登録されている。ＳＵＳ４４０Ｆは、快削元素であるＳを添加することでステンレス鋼中にＭｎＳを分散させており、切削加工時にＭｎＳが応力集中源となり、亀裂の発生と伝播を助けることで被削性が向上する。しかし、このＭｎＳは耐食性が悪く、被削性を向上させるためにステンレス鋼中のＭｎＳ分散量を増加させると、耐食性が悪化してしまうこととなる。

【0003】

これに対して、快削元素であるＳの添加を行わずにマルテンサイト系ステンレス鋼中の共晶炭化物の９８％をＣｒ₂₃Ｃ₆に制御し、その共晶炭化物の長径を３０μｍ以下、円相当直径を０．３〜１．６μｍ、面積率を２〜７％に制御することで耐食性を悪化させずに被削性を改善させたマルテンサイト系ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、炭化物形態を制御するためには、特別な工程追加が必要となるため、コスト増を招き、さらに、ドリル寿命性については考慮されておらず、生産性が低い。

【0004】

また、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓの含有量を制御し、硫化物を高耐食化させることで、耐食性と被削性を両立させたマルテンサイト系ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この提案では、硫化物の分散状態については言及されておらず、転動疲労寿命特性は考慮されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−９２７４２号公報

【特許文献2】特開２０１３−１０４０７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本願が解決しようとする課題は、転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．５０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．０１〜０．４０％、Ｐ：≦０．０４０％、Ｓ：０．０９〜０．２０％、Ｃｒ：９．００〜１７．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼である。

【0008】

第２の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％のいずれか１種若しくは２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼である。

【0009】

第３の手段では、第１の手段の化学成分または第２の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％のいずれか１種若しくは２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、かつ、上記におけるＭｎとＳはＭｎ／Ｓ≦２．５の関係を有し、さらに、転動面を形成する表面には長径２０μｍ以上の硫化物が１ｍｍ²当り５０〜２５０個分散していることを特徴とする転動疲労寿命特性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼である。

【発明の効果】

【0010】

上記の手段とすることで、摺動部材や軸受等において転動疲労寿命特性と耐食性が要求され、特に切削加工を受ける部材に好適で、転動疲労寿命特性と耐食性に優れたマルテンサイト系快削ステンレス鋼を提供することができる。

【発明を実施するための形態】

【0011】

発明を実施するための形態の説明に先立って、本願の各請求項における化学成分の限定理由、および、転動面を形成する表面に存在する長径２０μｍ以上の硫化物個数の限定理由について説明する。

【0012】

Ｃ：０．５０〜１．２０％
Ｃは、強度を付与し、転動疲労寿命特性を確保するために必要な元素である。そのためには、Ｃは０．５０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃは１．２０％を超えて含有させると被削性が低下する。そこで、Ｃは０．５０〜１．２０％とする。

【0013】

Ｓｉ：０．１０〜０．６０％
Ｓｉは、脱酸元素であり、その効果を得るにはＳｉは０．１０％以上を必要とする。しかしながら、Ｓｉが０．６０％より多いと、素材硬さが上昇し、靱性が低下する。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．６０％とする。

【0014】

Ｍｎ：０．０１〜０．４０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸元素であり、その効果を得るには、０．１０％以上を必要とする。しかしながら、Ｍｎが０．４０％より多いと、耐食性が低下する。そこで、Ｍｎは０．０１〜０．４０％とする。

【0015】

Ｐ：≦０．０４０％
Ｐは、不純物元素であり、０．０４０％より多いと熱間加工性を低下させる。そこで、Ｐは０．０４０％以下とする。

【0016】

Ｓ：０．０９〜０．２０％
Ｓは、ステンレス鋼の被削性を確保するために必要な元素である。そのためには、Ｓは０．０９％以上とする。しかしながら、Ｓを０．２０％を超えて含有させると熱間加工性が低下する。そこで、Ｓは０．０９〜０．２０％とする。

【0017】

Ｃｒ：９．００〜１７．００％
Ｃｒは、ステンレス鋼の耐食性を確保するために必要な元素である。そのためには、Ｃｒは９．００％以上とする。しかしながら、Ｃｒを１７．００％を超えて含有させると靱性が低下する。そこで、Ｃｒは９．００〜１７．００％とする。

【0018】

Ｍｎ／Ｓ≦２．５
ＭｎとＳはステンレス鋼中において、硫化物であるＭｎＳを形成し、被削性を改善させる。またＣｒ濃度の高いステンレス鋼中においては、一部のＭｎがＣｒと入れ替わり、（Ｍｎ，Ｃｒ）Ｓを形成する。この（Ｍｎ，Ｃｒ）ＳはＭｎＳと比較して、一般に耐食性が良好である。しかし、硫化物中のＭｎ濃度が高まるに伴って硫化物中のＣｒ濃度が低くなり、それを含有するステンレス鋼の耐食性が悪化することとなる。この耐食性の悪化を回避するためには、鋼中のＭｎとＳの濃度比を制限する必要がある。そこで鋼中のＭｎとＳの質量比はＭｎ／Ｓ≦２．５を満足するものとする。

【0019】

転動面を形成する表面に存在する長径２０μｍ以上の硫化物の個数：１ｍｍ²当り５０〜２５０個
転動疲労環境下ではステンレス鋼と硫化物の界面が応力緩和位置として作用することで、転動疲労による亀裂を生じ難くさせ、また、転動疲労により発生した亀裂が延伸した硫化物と交差する際に硫化物が亀裂先端を鈍化させることで剥離を生じ難くさせるために転動疲労特性は向上する。そのためには、転動面を形成する表面に該硫化物を１ｍｍ²当り５０個以上分散させる必要がある。しかしながら、該硫化物を１ｍｍ²当り２５０個を超えて分散させると熱間加工性が低下する。以上が第１の手段の構成要件である。

【0020】

Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％のいずれか１種若しくは２種以上を含有
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕはそれぞれ耐食性を向上させる元素であり、このためにはＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕのいずれか１種若しくは２種以上を０．０１％以上添加させる必要がある。しかしながらこれらの元素において、Ｎｉを１．００％を超えて含有させると被削性が低下し、Ｍｏを１．００％を超えて含有させると、靱性が低下し、Ｃｕを１．００％を超えて含有させると熱間加工性が低下する。そこで、Ｎｉは０．０１〜１．００％、Ｍｏは０．０１〜１．００％、Ｃｕは０．０１〜１．００％のいずれか１種若しくは２種以上の含有とする。以上が第１の手段の構成要件に加えて第２の手段とすべき構成要件である。

【0021】

Ｃａ：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％のいずれか１種若しくは２種を含有
Ｃａ、Ｍｇはそれぞれ熱間加工性を向上させる元素である。このためには、ＣａとＭｇのいずれか１種若しくは２種を０．００１％以上含有させる必要がある。しかしながら、これらの元素において、０．０１０％を超えて含有させても熱間加工性を向上させる効果は飽和する。そこで、Ｃａは０．００１〜０．０１０％、Ｍｇは０．００１〜０．０１０％のいずれか１種若しくは２種の含有とする。以上が第１の手段の構成要件に加えて第３の手段とすべき構成要件である。

【0022】

ここで、発明を実施するための形態について説明する。表１に記載の化学成分値からなる発明鋼と比較鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉で溶製し、鋳造してそれぞれの鋼とした。

【0023】

【表1】

【0024】

（１）得られた鋼を１１５０℃に加熱し、６０ｍｍ幅×１２ｍｍ厚さに減面率９４％で鍛伸し、次いで、この鍛伸材を１０３０℃から油冷により焼入れし、１５０℃で焼戻し空冷した。これを、外形６０ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ５．８ｍｍのスラスト型寿命試験片に加工し、試験面をラップ加工により、Ｒａ≦０．０３μｍの表面粗さに仕上げた。

【0025】

（１’）表１の開発鋼のＮｏ．８から得られた鋼を１１５０℃に加熱し、８０ｍｍ幅×５０ｍｍ厚さに減面率６５％で鍛伸し、次いで、この鍛伸材を１０３０℃〜油冷により焼入れし１５０℃で焼戻し空冷した。これを、外形６０ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ５．８ｍｍのスラスト型転動疲労試験片に加工し、試験面をラップ加工によりＲａ≦０．０３μｍの表面仕上げ粗さに仕上げた。これからなる試験片を比較鋼のＮｏ．８’として表１および表２に示す。

【0026】

（２）得られた鋼を１１５０℃に加熱し、８０ｍｍ幅×５０ｍｍ厚さに鍛伸し、次いで、この鍛伸材を８７０℃で焼なまして徐冷した。これを８０ｍｍ幅×５０ｍｍ厚さ×１００ｍｍ長さのドリル寿命試験片に加工した。

【0027】

（３）得られた鋼を１１５０℃に加熱し、２０ｍｍ径の棒鋼に鍛伸し、次いで、この鍛伸材を１０３０℃から油冷により焼入れし、１５０℃で焼戻し空冷した。これを径１２ｍｍ×２１ｍｍ長さの腐食試験片に加工した。

【0028】

上記で作製したスラスト型転動疲労試験片に対し、最大接触面圧５．３ＧＰａでスラスト型転動疲労試験機を用いて、剥離までの転動疲労寿命の測定を行い、Ｌ₁₀寿命を測定した。Ｌ₁₀寿命が６．０×１０⁶サイクル以上を○、６．０×１０⁶サイクル未満を×として、転動疲労寿命特性を評価した。なお、１０⁸サイクルで剥離が生じない場合には、剥離なしとして１０⁸サイクルで試験を終えた。

【0029】

ドリル寿命試験は材種ＳＫＨ５０、ドリル径５ｍｍのドリルを用い、周速１９１１ｒｐｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖで、穿孔深さ１５ｍｍ、止まり穴のドリル穿孔を乾式にて行い、ドリルが折損するまでの穴数を求めた。ドリル寿命が３０穴以上を○とし、３０穴未満を×として被削性を評価した。なお、１００穴でドリルの折損が生じない場合には、１００穴で試験を終えた。

【0030】

耐食性は、相対湿度９０％の雰囲気下にて、腐食試験片を２０℃の１．５時間保持と、５０℃の４．５時間保持を２０サイクル繰り返し、腐食試験片の発銹状況を調査し、発銹なしのものを○、発銹ありのものを×として耐食性を評価した。以上の試験結果を表２に示す。

【0031】

【表2】