JP4353060B2

JP4353060B2 - ガスケット用ステンレス鋼

Info

Publication number: JP4353060B2
Application number: JP2004297839A
Authority: JP
Inventors: 和彦安達; 一芳藤沢; 賢一御所窪; 好男山田; 裕一木下
Original assignee: Ishikawa Gasket Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Ishikawa Gasket Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2018-10-05
Also published as: JP2005054272A

Description

本発明は、高硬度かつ加工性および耐食性に優れる安価なガスケット用マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関するもので、またさらに自動車等のエンジンガスケットに関する。

エンジンガスケットはシリンダヘッドとブロック間に設けられる重要部品であって、図１(a) 、(b) 示すように基本的にはビード加工された凸部が両者の隙間を塞ぐことで燃焼ガス、冷却水、潤滑油の漏れを防止するシール部品である。なお、図１(b) は図１(a) の枠部分を切り出したときのエンジンガスケットの部分斜視図である。

したがって、ガスケット用材料には高強度 (高硬度) かつ加工性、耐食性に優れること等が要求される。
従来、ガスケット用材料にはCr、Niを主成分とするSUS301ステンレス鋼を中心とした準安定オーステナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。これらは変形にともない高硬度のマルテンサイト相への変態を起こすため、加工硬化率が大きく、加工性にも優れるからである。

しかし、加工後の硬度が加工率、加工温度に強く依存するため、品質上のバラツキが大きいという問題があった。また、応力腐食割れを生じ易いという問題もあった。さらに、高価なNiを多量に含有し、製品もまた高価となっていた。

このような問題の解決策として、最近、特許文献１において、Crを主成分とする焼戻しマルテンサイト組織からなるステンレス鋼が提案されている。マルテンサイト系ステンレス鋼は上記のオーステナイト系ステンレス鋼に比べて一般的に応力腐食割れ性に優れ、焼入れ熱処理による高硬度のマルテンサイト相への変態を利用することで比較的容易に高硬度が得られる。また、高価なNiをほとんど含有しないため安価である。

しかし、伸び低下による加工性の劣化等のために焼戻し熱処理が不可避であり、このことが炭化物析出による脆化やCr欠乏相発生による耐食性劣化の原因になるとともに、製造コストも上昇させていた。
特開平７−278758号公報

本発明は、高性能かつ安価なエンジンガスケット用ステンレス鋼の安定供給に関わり、従来のオーステナイト系ステンレス鋼とは異なり、マルテンサイト系を改良した焼入れたままの仕上げで高強度かつ加工性、耐食性に優れ、安価なマルテンサイト系ステンレス鋼の開発を目指すものである。

本発明者らは、高温でのオーステナイト単相域ではなくオーステナイト＋フェライトの二相領域からの焼入れを行い、そのときのオーステナイト相を高硬度のマルテンサイト相へ変態させることで焼入れ後の材料の組織をマルテンサイト相＋フェライト相とし焼戻し処理を行うことなく、その硬度とマルテンサイト量の関係より高硬度を維持した上でガスケットに必要な加工性が得られることを見出し、そのような効果が得られる鋼組成範囲および優れた耐食性が得られる熱処理条件を明確にすることで本発明を完成した。

したがって、本発明では鋼材成分とともに硬度、マルテンサイト量およびその製造方法を規定している。また本発明によれば、高価なNi等の添加量も極力低減させることで、より安価な材料が提供可能となる。

すなわち、本発明は、重量％で、
Ｃ＋Ｎ：0.1〜0.3％、Si:0.5％以下、Mn: 0.7％以下、Cr:10〜17％、Ni:0 〜0.6％、ならびにNb、VおよびTiの群から選ばれた少なくとも１種合計で0〜2.0％、残部Feおよび不純物からなる鋼組成を有し、40％以上80％以下のマルテンサイト相と残部フェライト相からなる組織を示し、300以上500以下のビッカース硬度を有することを特徴とするガスケット用ステンレス鋼である。

本発明は、別の面からは、上記鋼組成を有する鋼を所定の厚みに加工した後、850 〜1000℃に加熱する焼入れ熱処理で仕上げることを特徴とするガスケット用ステンレス鋼の製造方法である。

さらに別の面からは、本発明は、重量％で、Ｃ＋Ｎ：0.1〜0.3％、Si:0.5％以下、Mn: 0.7％以下、Cr:10〜17％、Ni:0 〜0.6％、ならびにNb、VおよびTiの群から選ばれた少なくとも１種合計で0〜2.0％、残部Feおよび不純物からなる鋼組成を有し、40％以上80％以下のマルテンサイト相と残部フェライト相からなる組織を示し、300以上500以下のビッカース硬度を有することを特徴とするエンジンガスケットである。

また、さらに別の面からは、本発明は40％以上80％以下のマルテンサイト相と残部フェライト相からなるマルテンサイト系組織を示し、300 以上500 以下のビッカース硬度を有することを特徴とするエンジンガスケットである。

本発明によれば、自動車等に使用されるエンジンガスケット用素材として高性能かつ安価なステンレス鋼板を安定供給することが可能となる。

本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
まず、本発明において鋼組成を上述のように成分限定した理由について説明する。
Ｃ＋Ｎ：0.1 〜0.3 ％
Ｃ、Ｎは、マルテンサイト相を少量で硬化させる元素であり、それらの効果はＣ、Ｎで同等と考えられる。Ｃ＋Ｎの合計量が0.1 ％未満では焼入れ後にHv 300以上の必要な硬度が得られず、0.3 ％を越えると硬化し過ぎ、加工性不十分となる。したがって、Ｃ＋Ｎの含有量は、合計量で、0.1 ％以上、0.3 ％以下とした。

Si：0.5 ％以下
Siは、マルテンサイト相を硬化する元素であり、0.5 ％を越えると加工性が不十分となる。したがって、Si含有量は0.5 ％以下とした。好ましくは、0.4 ％以下である。

Mn：0.7 ％以下
Mnは、高温でのオーステナイト相領域を拡大する元素であり、より低温まで同相を安定させ、焼入れ後のマルテンサイト量を増加させる作用を有する。Mnが0.7 ％を越えるとマルテンサイト単相となり加工性不芳となる。さらに、過度に添加した場合には残留オーステナイト相の出現を招き、必要な硬度が得られなくなる。したがって、Mn含有量は0.7 ％以下とした。好ましくは、0.5 ％以下である。

Cr：10〜17％
Crはステンレス鋼の基本添加元素であり、有効な耐食性を得るためには少なくとも10％以上の添加が必要である。また、Crの存在は、高温でのオーステナイト相の変態を遅らせると考えられ、17％を越えると残留オーステナイト相の出現を招き、必要な硬度が得られなくなる。したがって、Cr含有量は10％以上、17％以下とした。好ましくは、12〜15％である。

Ni：０〜0.6 ％
Niも、Mnと同様に高温でのオーステナイト相領域を拡大する元素であり、所望により0.6 ％以下添加することでより低温まで同相を安定化させ、焼入れ後のマルテンサイト量を増加させる。しかし、0.6 ％を越えるとマルテンサイト単相となり加工性不芳となる。したがって、Niを添加する場合、Ni含有量は0.6 ％以下とした。好ましくは、0.5 ％以下である。

このように、本発明にかかる鋼は、主にＣ、Ｎ、Siによりマルテンサイト相の硬度、Cr、Mn、Niによりマルテンサイト量を調整するものであり、そのような観点からそれぞれ添加元素量を規定した。その他、強度改善のため必要によりNb、Ｖ、Tiなどの少量の元素の少なくとも１種、合計で０〜2.0 ％添加は許容するが、通常、残部はFeおよび不可避的不純物元素からなる。

次に、材料の硬度およびマルテンサイト量の限定理由について実験結果を用いて説明する。
表１はここで用いたFe−13Cr鋼から成る薄板材の成分分析の結果を示す。かかる鋼組成を有する鋼を溶製後、熱間圧延、冷間圧延して所定厚さ (通常0.3 〜0.1 mm、本例では0.2 mm) にしてから焼入れ温度を変えることでマルテンサイト量および硬度を変え、それぞれ得られた材料から試験片を切り出した。

図２に短冊状の同薄板材試験片でのビード部の形状を示す。図中の数字は寸法(mm)を示す。
図３には圧縮試験機を用いてビード加工後の試験片を全屈状態から解放した後のビード高さに及ぼす材料の硬度の影響を示す。出発時のビード高さは0.3 mmであったが、試験後には0.06〜0.15mmとなった。

ビード高さはHv300 以上で0.10mm以上と特に増加する。これらは同値以上で有効なシール性が得られることを示すものである。このため、材料の硬度の下限値をHv300 とした。また、Hv500 を越えた場合、一部の試験片にビード加工時の割れが確認された。

図４に金型プレスを使ったビード加工時の割れ発生有無に及ぼすマルテンサイト量および材料の硬度の影響を示す。基本的にマルテンサイト量の増加に伴う硬化が認められるものの、それらには大きな幅があり、マルテンサイト量が80％を越える場合、それに比べてマルテンサイト量が低くても材料の硬度がHv500 を越える場合にそれぞれ割れが多発する。

これらの事実からは加工性に対してマルテンサイト相自体の硬度とその量が影響し、それらの適正な関係があることを示すものと考えられる。また、マルテンサイト量が40％未満の場合、Hv300 の硬度の下限値を得ることが困難となる。

以上より、本発明においては、必要な硬度をHv300 以上、Hv500 以下、その上で必要な加工性が得られる範囲を明確にするためにマルテンサイト量を40％以上、80％以下と規定した。

なお、本明細書においてマルテンサイト相、フェライト相の組織割合は体積％で示すものとする。
最後に、製造方法の限定理由について実験結果を用いて説明する。

図５に、塩水噴霧試験(JIS-Z-2371)での、Fe−13Cr鋼から成る薄板材試験片の耐食性に及ぼす熱処理温度の影響を示す。焼入れ温度が800 ℃以下の場合、レイティングNo.(R.No.)が大きく減少し、耐食性は急激に劣化する。

また、1000℃での焼入れ後に焼戻しを施した場合にも耐食性が急激に劣化することを確認した。これらは炭化物析出によりCr欠乏相が発生したことに起因すると推定される。
なお、焼入れ温度が1000℃を越える場合、高温での組織がオーステナイト単相になると考えられ、焼入れ後の組織はマルテンサイト量が80％を越え (表２、No.B6)、加工性が劣化する。

以上より、焼入れ温度は850 ℃以上、1000℃以下とした。なお、鋼材成分、焼入れ温度等による違いがあるものの、保持時間は10秒以上、焼入れ時の冷却速度は10℃／秒以上が望ましい。

表２に示す組成からなるステンレス鋼を10kgの真空溶解炉にて溶製し、熱間圧延、焼鈍、脱スケール (酸洗) 後、厚さ0.2 mmにまで冷間圧延して薄板材を作成し、750 〜1050℃加熱にて10秒保持後、空冷にて焼入れを施した。

その後、得られた薄板材を用いて、硬度、マルテンサイト量、塩水噴霧試験での耐食性金型プレスにより図２と同様のビードを加工後の割れの有無、塩水噴霧試験での耐食性を調査した。

表２にそれらの調査結果を示す。
割れ発生率は５本の試験片についての割れが発生した本数で、耐食性はJIS Z 2371によるR.No. で、それぞれ評価した。

同表に示す試験結果より明らかなように、マルテンサイト量が90％を越え、硬度もHv500 を越えるNo.D4 、F4、G4、H4はビード加工時に割れが多発し、硬度のみがHv500 を越えるNo.E4 でも割れが発生する。また、加熱温度が1000℃を越えるNo.B6 も同様であり、850 ℃未満のNo.A1 、B1はHv300 以上の必要な硬度が得られず、耐食性も大きく劣化する。

これらに対して、本発明例であるNo.A2 〜５、B2〜５は高硬度、高耐食性を示し、割れの発生率も極めて低い。

図１(a) 、(b) は、それぞれガスケットの配置形態および基本的構造を示す説明図である。 Fe−13Cr鋼から成る短冊状の薄板材試験片でのビード部の形状を示す断面図である。圧縮試験機でのビード加工後の試験片を全屈状態から解放した後のビード高さに及ぼす材料の硬度の影響を示すグラフである。ビード加工時の割れ発生有無に及ぼすマルテンサイト量および材料の硬度の影響を示すグラフである。塩水噴霧試験(JIS-Z-2371)でのFe−13Cr薄板材試験片の耐食性に及ぼす熱処理温度の影響を示すグラフである。

Claims

重量％で、Ｃ＋Ｎ：0.1〜0.3％、Si:0.5％以下、Mn: 0.7％以下、Cr:10〜17％、Ni:0 〜0.6％、ならびにNb、VおよびTiの群から選ばれた少なくとも１種合計で0〜2.0％、残部Feおよび不純物からなる鋼組成を有し、40％以上80％以下のマルテンサイト相と残部フェライト相からなる組織を示し、300以上500以下のビッカース硬度を有することを特徴とするガスケット用ステンレス鋼。
重量％で、Ｃ＋Ｎ：0.1〜0.3％、Si:0.5％以下、Mn: 0.7％以下、Cr:10〜17％、Ni:0 〜0.6％、ならびにNb、VおよびTiの群から選ばれた少なくとも１種合計で0〜2.0％、残部Feおよび不純物からなる鋼組成を有し、40％以上80％以下のマルテンサイト相と残部フェライト相からなる組織を示し、300以上500以下のビッカース硬度を有することを特徴とするエンジンガスケット。
請求項１に記載された鋼組成を有する鋼を、所定の厚みに加工した後、850〜1000℃に加熱して焼入れる熱処理で仕上げることを特徴とする請求項１に記載されたガスケット用ステンレス鋼の製造方法。