JP2008248271A - 高強度ステンレス鋼及びこれを用いた高強度ステンレス鋼線 - Google Patents

Abstract

【課題】強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐食性に優れた高強度ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】高強度ステンレス鋼は、０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％、０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％、０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％、１６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％、０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０である。尚、Ｍｄ３０＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）、［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ、［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度ステンレス鋼及びこれを用いた高強度ステンレス鋼線に関し、更に詳しくは、高耐食性、高強度、高剛性率、高弾性率、高捻回特性が必要とされる線材、例えば、ばね、ワイヤーロープ、ケーブルワイヤー、コンクリート補強鋼線等の硬質線材として好適な高強度ステンレス鋼及びこれを用いた高強度ステンレス鋼線に関する。

事務機器、電気通信機器、機械構造用部品、建築構造用強度部材、車両用部品、食品設備、化学設備等のばね、ワイヤーロープ、ケーブルワイヤー、コンクリート補強鋼線等に用いられる線材には、繰返し応力が作用するので、強度、剛性率、弾性率、捻回特性が高く、疲労やクリープに対する抵抗（耐へたり性）が高いことが要求される。

従来、この種の用途には、
（１）オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０１、３０２、３０４、３０４Ｎ１、３０４Ｎ２、３１６等のＳＵＳ３００番台のステンレス鋼）を溶体化処理後、冷間伸線加工することにより得られるステンレス鋼線、
（２）０．６０〜０．９５％のＣを含む炭素鋼をパテンティング処理し、冷間伸線加工することにより得られるピアノ線、
（３）共析組成付近（０．２４〜０．８６％のＣ）の炭素鋼をパテンティング処理し、冷間伸線加工することにより得られる硬鋼線、
（４）中でも特に、耐食性が要求される橋梁用メインケーブルには、硬鋼線やピアノ線の表面に亜鉛メッキを施した亜鉛メッキ鋼線等、
が用いられている。

そして更に、オーステナイト系ステンレス鋼の用途の拡大や要求特性の向上に伴い、その強度や弾性率、剛性率等を高める技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、その剛性率を飛躍的に向上させ、ピアノ線並の剛性率を得ることを目的としたものであり、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１４％，Ｓｉ：０．１〜４．０％，Ｍｎ：０．１〜８．０％，Ｎｉ：１．０〜８．０％，Ｃｒ：１３．０〜１９．０％，Ｎ：０．００５〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的な成分からなり、且つ、Ｍｄ３０の値が０〜１５０（℃）である線材又は鋼線を５０〜４００℃の温間域に加熱して合計減面率：２０〜９５％の伸線加工を施し、引き続き、１００℃以下の低温域で合計減面率：１０〜７０％の伸線加工を施し、その後、１５０〜６００℃の範囲で低温時効を施すことにより得られるものである。
特開２００５−２９０５３８

上記各種用途のうち、特に、事務機器や電気通信機器等は、年々、小型軽量化及び高機能化が求められている。そのため、これらの用途に用いられるばね材料は、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性等を維持したままで軽薄短小化（ばねの成形寸法の小径化、巻数の減少等）可能であることが求められている。しかしながら、上記従来の各種鋼線は、ばね材料として用いたときに、その軽薄短小化を図りつつ、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性等を維持又は向上させることに限界があった。例えば、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ３０４は、捻回特性が悪い、ＳＵＳ３１６は引張強度が低い、特許文献１の高強度ステンレス鋼線は剛性率や引張強度等について改善の余地がある等の問題があった。

また、耐食性が要求される橋梁用メインケーブルに用いられる亜鉛メッキ鋼線は、メッキ工程分だけ時間がかかりコスト上昇を招くという問題があった。ステンレス鋼が従来以上に優れた強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性を有し、更に優れた耐食性をも備えれば、メッキ工程が不要になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性が高い、高強度ステンレス鋼及びこれを用いた高強度ステンレス鋼線を提供することにある。これにより、事務機器や電気通信機器などの小型軽量化、高機能化に対応しようとするものである。
また、本発明の他の目的は、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性が高いことに加えて、高い耐食性を備えた、高強度ステンレス鋼及びこれを用いた高強度ステンレス鋼線を提供することにある。これにより、耐食性が必要な用途においてメッキ工程を不要とし生産コストや生産効率を向上させようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る高強度ステンレス鋼は、０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％、０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％、０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％、１６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％、及び、０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％、を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高強度ステンレス鋼であって、
次式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
次式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、
次式（３）で表される［Ｃｒ］が２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０、
であることを要旨とする。
但し、
Ｍｄ３０＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）…式（１）、
［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…式（２）、
［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ…式（３）。
尚、上記式（１）〜（３）の計算に必要な元素が含まれていない又はその含有量が不明である元素については、これらの式には、その元素の含有量として「０」を代入するものとする。

本発明に係る他の高強度ステンレス鋼は、０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％、０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％、０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％、１６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％、及び、０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％、を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、鋼マトリックス中に０．０５〜２０．０体積％のフェライトを含有するオーステナイト−フェライト二相系の高強度ステンレス鋼であって、
上記式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
上記式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、
であることを要旨とする。この場合、上記式（３）で表される［Ｃｒ］が２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０であることが望ましい。

本発明に係る高強度ステンレス鋼は、上記いずれの場合においても、更に、
Ｃｕ≦０．５０質量％、及び、Ｍｏ≦２．０質量％、から選ばれる少なくともいずれか１種を含有してもよい。
本発明に係る高強度ステンレス鋼は、上記いずれの場合においても、更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、及び、Ｈｆから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上を総量で０．０１質量％以上２．０質量％以下含有してもよい。
本発明に係る高強度ステンレス鋼は、上記いずれの場合においても、更に、 Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、及び、ＲＥＭから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上を総量で０．０００１質量％以上０．０１００質量％以下含有してもよい。
本発明に係る高強度ステンレス鋼は、上記いずれの場合においても、更に、０．００１≦Ａｌ≦０．１０質量％を含有してもよい。

上記課題を解決するために、本発明に係る高強度ステンレス鋼線は、上記いずれかに記載の高強度ステンレス鋼に対し、伸線加工、又は、伸線加工及び時効処理を施すことにより得られることを要旨とする。得られた高強度ステンレス鋼は、金属組織が、オーステナイト相とフェライト相、及び、前記オーステナイト相の変態による加工誘起マルテンサイト相の三相の複合組織を有し、引張強度が２３００ＭＰａ以上、弾性率が１８５ＧＰａ以上、剛性率が７５ＧＰａ以上であることが望ましい。

本発明に係る高強度ステンレス鋼は、上記成分を含有するとともに、Ｍｄ３０の適正化、並びに、［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］の適正化を行ったため、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性等の機械的特性、及び、耐食性が高いという効果がある。
本発明に係る他の高強度ステンレス鋼は、上記成分を含有するとともに、オーステナイト−フェライト二相系の高強度ステンレス鋼であり、かつ、Ｍｄ３０の適正化、並びに、［Ｎｉ］の適正化を行ったため、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性等の機械的特性が高く、更に、高温強度や磁性を付与できるという効果がある。
本発明に係るこれらの高強度ステンレス鋼は、当該鋼に加工を施すことにより、、強度、剛性率、弾性率、捻回特性、耐へたり性、及び、耐食性を高めた鋼加工品が得られるという効果がある。
本発明に係る高強度ステンレス鋼線は、本発明に係る高強度ステンレス鋼を用いたものであるから、これと同様の効果を奏する。

以下に本発明の一実施形態に係る高強度ステンレス鋼について説明する。

（高強度ステンレス鋼の構成）
（１）本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、必須元素としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ｃｏを含有する。また、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、任意的にＣｕ、及び、Ｍｏから選ばれる少なくともいずれか１種、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、及び、Ｈｆから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、及び、ＲＥＭから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上、並びに／又は、Ａｌを含有してもよい。また、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、その残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。不可避的不純物には、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｏ、及び、Ｎが含まれる。

（２）このような成分組成を含有する本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、下記の条件Ａ及び条件Ｂのいずれか又は両者を満たす。
条件Ａ：
次式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
次式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、
次式（３）で表される［Ｃｒ］が２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０。
但し、
Ｍｄ３０＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）…式（１）、
［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…式（２）、
［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ…式（３）。
尚、上記式（１）〜（３）の計算に必要な元素が含まれていない又はその含有量が不明である元素については、これらの式には、その元素の含有量として「０」を代入するものとする。

条件Ｂ：
鋼マトリックス中に０．０５〜２０．０体積％のフェライトを含有するオーステナイト−フェライト二相系の高強度ステンレス鋼であって、
上記式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
上記式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０。

（高強度ステンレス鋼の成分組成及びその限定理由）
上述のように必須元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ｃｏであり、その含有量及びその限定理由は以下の通りである。
（１）０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％
Ｃは、オーステナイト形成元素として不可欠であり、加工硬化率を向上させる。そのため、Ｃ含有量は、０．０５質量％以上とする。一方、Ｃを過剰に含有させると、粗大な炭化物が晶出し、加工性を劣化させる。そのため、Ｃ含有量は、０．１２質量％以下とする。より好ましいＣ含有量は、０．０８質量％以上０．１１質量％以下である。

（２）０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％
Ｓｉは、鋼の脱酸剤である。そのため、Ｓｉ含有量は、０．１０質量％以上とする。一方、Ｓｉは、その含有量が過大になると溶体化処理後の鋼の硬さを硬くし、その冷間加工性に悪影響を及ぼし、その熱間加工性を低下させる。そこで、Ｓｉ含有量は、３．０質量％以下とする。尚、強度を特に重視した場合における、より好ましいＳｉ含有量は、０．８≦Ｓｉ≦２．０質量％である。

（３）０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％
Ｍｎは、鋼の脱酸剤として作用する。そこで、Ｍｎ含有量は、０．５０質量％以上とする。一方、Ｍｎを過剰に含有させると、耐食性を劣化させる。そこで、Ｍｎ含有量は、１．５０質量％以下とする。より好ましいＭｎ含有量は、１．０質量％以下である。

（４）６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％
Ｎｉは、耐食性、特に、還元性酸環境中での耐食性を向上させるのに有効である。そこで、Ｎｉ含有量は、６．１質量％以上とする。一方、Ｎｉを過剰に含有させると製造コストの上昇を招く。そこで、Ｎｉ含有量は、７．９質量％以下とする。より好ましいＮｉ含有量は、７．０質量％以下である。

（５）１６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％
Ｃｒは、耐食性を確保するために必須の元素である。そこで、Ｃｒ含有量は、１６．０質量％以上とする。一方、Ｃｒを過剰に含有させると熱間加工性を害するとともに、靭性の低下を招く。そこで、Ｃｒ含有量は、２２．０質量％以下とする。より好ましいＣｒ含有量は、１９．１質量％以上２１．０質量％以下、更に好ましいＣｒ含有量は、１９．１質量％以上２０．０質量％以下である。

（６）０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％
Ｃｏは、これを含有させると、固溶強化による高強度化を図ることができる。また、Ｃｏは弾性率や剛性率の向上に寄与する。そこで、Ｃｏ含有量は、その効果が明瞭となる０．５質量％以上とする。一方、Ｃｏを過剰に含有させると、製造コストの大幅上昇を招く。そこで、Ｃｏ含有量は、２．０質量％以下とする。より好ましいＣｏ含有量は、０．８質量％以上１．５質量％以下である。
また、Ｃｏ含有量は、０．５質量％以上２．０質量%以下であるが、捻回特性を高めるためにはその含有量は、更に、Ｓｉ含有量との関係で、Ｃｏ／Ｓｉが０．７５以上１．８０以下であることが好ましい。

また、上述のように不可避的不純物は、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｏ、及び、Ｎであり、その含有量及びその限定理由は以下の通りである。
（７）Ｐ≦０．０８０質量％
Ｐは、粒界に偏析し、粒界腐食感受性を高めるほか、靭性の低下を招くため、含有量が低いほうが望ましいが、必要以上の含有量の低減は製造コストの上昇を招く。そこで、Ｐ含有量は、０．０８０質量％以下とする。より好ましいＰ含有量は、０．０３０質量％以下である。

（８）Ｓ≦０．０２０質量％
Ｓは、熱間加工性を低下させる。そこで、Ｓ含有量は、０．０２０質量％以下とする。より好ましいＳ含有量は、製造コストとの兼ね合いから、０．０１０質量％以下、更に好ましくは、０．００５質量％以下である。

（９）Ｏ≦０．０１５質量％
Ｏは、冷間加工性や捻回特性へ有害な酸化物を形成することから極力低く抑制すべき元素である。そこで、Ｏ含有量は、０．０１５質量％以下とする。より好ましいＯ含有量は、製造コストとの兼ね合いから、０．０１０質量％以下、更に好ましくは、０．００５質量％以下である。

（１０）Ｎ≦０．０５０質量％
Ｎは、冷間加工性や捻回特性へ有害な窒化物を形成することから極力低く抑制すべき元素である。そこで、Ｎ含有量は、０．０５０質量％以下とする。より好ましいＮ含有量は、製造コストとの兼ね合いから、０．０３０質量％以下である。

更に、上述のように任意的に含有しうる元素（任意選択元素）は、Ｃｕ、及び、Ｍｏから選ばれる少なくともいずれか１種、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、及び、Ｈｆから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、及び、ＲＥＭから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上、並びに／又は、Ａｌであり、その許容しうる含有量及びその限定理由は以下の通りである。
（１１）Ｃｕ≦０．５０質量％
Ｃｕは、耐食性、特に、還元性酸環境中での耐食性を向上させるのに有効であるほか、加工硬化能を低下させ、冷間加工性を向上させ、また、熱処理等を施せば抗菌性を向上させるため、必要に応じて含有させることができる。一方、Ｃｕを過剰に含有させると、熱間加工性を低下させる。そこで、Ｃｕ含有量は、０．５０質量％以下とする。

（１２）Ｍｏ≦２．０質量％
Ｍｏは、所望の耐食性を得るために必要であり、強度を向上させることができるため、必要に応じて含有させることができる。一方、Ｍｏを過剰に含有させると、熱間加工性を低下させるほか、製造コストの上昇を招く。そこで、Ｍｏ含有量は、２．０質量％以下とする。より好ましいＭｏ含有量は、１．０質量％以下である。

（１３）Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆのいずれか１種又は２種以上を総量で０．０１質量％以上２．０質量％以下
Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆは、Ｃと炭化物、又は、Ｎ、Ｃと炭窒化物を形成して、鋼の結晶粒を微細化し、靭性を高める効果がある。そこで、これらのいずれか１種又は２種以上を総量で、０．０１質量％以上２．０質量％以下含有させるとよい。一方、これらを過剰に含有させると、製造コストの上昇を招く。そこで、これらのいずれか１種又は２種以上の総量を、１．０質量％以下とする。より好ましいこれらの総量は、０．５質量％以下である。

（１４）Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、ＲＥＭのいずれか１種又は２種以上を総量で０．０００１質量％以上０．０１００質量％以下
Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、ＲＥＭ（Rare Eatrh Metal）は、鋼の熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。そこで、これらのいずれか１種又は２種以上を総量で、０．０００１質量％以上含有させるとよい。一方、これらを過剰に含有させると、その効果を飽和させ、逆に熱間加工性を低下させる。そこで、それらの１種又は２種以上の総量を、０．０１００質量％以下とする。より好ましいこれらの総量は、０．００５０質量％以下である。尚、ＲＥＭは、Ｃｅ、Ｌａ又はそれらの合金からなる。

（１５）０．００１≦Ａｌ≦０．１０質量％
Ａｌは、鋼の強力な脱酸剤であり、Ｏを極力低減させる効果があるため、必要に応じて含有させる。そこで、Ａｌ含有量は、その効果が確認できる０．００１質量％以上とする。一方、Ａｌの過剰添加は、熱間加工性を低下させる。そこで、Ａｌ含有量は、０．１０質量％以下とする。

（条件Ａ、条件Ｂ及びその限定理由）
次に、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼の条件Ａ、Ｂ及びその限定理由について説明する。

（１６）−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃
「Ｍｄ３０」は、次式（１）（上記式（１）に同じ）により表される。
Ｍｄ３０（℃）＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）…式（１）
本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、Ｍｄ３０が−２０〜１００℃の範囲に調整されているため、この温度範囲での加工（伸線加工等）によって、オーステナイト組織の（５０％〜８０％）をマルテンサイトに変態させることができる。マルテンサイトは、オーステナイトに比べると強度や弾性率が高く、フェライトは、オーステナイトに比べると弾性率が高い。従って、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、伸線加工等を施すことにより、オーステナイト単相の場合に比べて高い強度や弾性率を得ることができる。
尚、Ｍｄ３０を−２０℃以上としたのは、Ｍｄ３０が−２０℃未満だとオーステナイトが安定化しすぎてマルテンサイトの生成が困難となり、加工硬化が少なく必要な強度が得られないからである。一方、Ｍｄ３０を１００℃以下としたのは、Ｍｄ３０が１００℃を超えると加工時にマルテンサイト生成量が多すぎるため、断線・縦割れ等の破壊が生じるためである。

（１７）１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０
［Ｎｉ］は、次式（２）（上記式（２）に同じ）により表され、オーステナイト安定化元素の総和を示す。
［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…式（２）
［Ｎｉ］は、オーステナイトを安定化するために、１０．０以上とする（図１参照）。一方、［Ｎｉ］が大きすぎると、熱間加工性の低下及び製造コストの上昇を招く。そこで、［Ｎｉ］は、１４．０以下とする（図１参照）。

ここで、上記条件Ａの場合には、上記式（１）（２）に加え、次式（３）（上記式（３）と同じ）で表される［Ｃｒ］を以下の範囲にすることが好ましい。
（１８）２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０
［Ｃｒ］は、次式（３）により表され、フェライト安定化元素の総和を示す。
［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ…式（３）
［Ｃｒ］は、フェライトの生成又は加工誘起マルテンサイトの生成のために、２０．０以上とする（図１参照）。一方、［Ｃｒ］が大きすぎると、σ相の形成等により熱間加工性の低下を招く。そこで、［Ｃｒ］は、２４．０以下とする（図１参照）。［Ｃｒ］を調整することにより、フェライトを生成させることができるため、弾性率や捻回特性を良好なものとすることができる。

また、上記条件Ｂの場合には、上記式（１）（２）に加え、フェライト量を以下の範囲にすることが好ましい。
（１９）０．０５体積％≦フェライト量≦２０．０体積％
フェライト量（ここでいうフェライトはδ相）をこの範囲とするのは、フェライト量が０．０５体積％未満の場合、十分な弾性率・剛性率が得られず、２０．０体積％を超える場合、低強度となるからである。より好ましいフェライト量は、０．０５体積％以上５．０体積％以下である。本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、該フェライトによって、例えば、高温割れを防いだり、磁性アップによる用途の拡大、高力化、あるいは粒界腐食や応力腐食割れ性を改善できる効果を有する。尚、フェライト量は、熱処理状態における分量を対象にするものとし、またその測定は、例えば、フェライトインジケーターやフェライトスコープなどの他、成分元素に基づくシェフラー状態図から算出でき、その単位は、体積％で示される。

図１は、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼の鋳造凝固時における相組織を［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］、並びに、フェライト量との関係で示したものである。図中斜線部は、［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］を上記所定範囲としたときの鋳造凝固時における相組織を示す。
図中斜線部に示したように、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、フェライトが２０．０体積％以下で、１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、かつ、２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０となるように成分調整したものが好ましく、その金属組織は、オーステナイトとフェライトの二相状態である。
従って、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、
（１）［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］を上記所定範囲に成分調整することにより、又は、
（２）［Ｎｉ］を上記所定範囲に成分調整するとともにフェライト相を上記所定範囲含むことにより、
鋳造凝固時に硬いマルテンサイトが生成せず、熱間加工性を害する不純物ＳやＰ等を固溶するフェライトが適度に存在することになるため、加工性が良い。

そして、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、ひずみを与える加工（伸線加工等）が施されると、オーステナイトの一部が硬いマルテンサイトに変態し、その鋼（加工により鋼線となっている）の組織が、オーステナイト、フェライト及びマルテンサイトの三相状態となる。そのため、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、伸線加工等の加工が施されると、強度や弾性率があがる。特に、フェライト相を所定量含む本実施形態に係る高強度ステンレス鋼は、フェライト相が強磁性であることから、該フェライト及びマルテンサイトによって磁性が更に増加する。
尚、本実施形態に係る高強度ステンレス鋼のうち鋳造凝固時においてオーステナイト単相のもの（同図斜線部左上部分）も、ひずみを与える加工（伸線加工等）を施した後においては、オーステナイト及びマルテンサイトの二相状態で、高強度、高弾性特性を有するが、上記のように、オーステナイト、フェライト及びマルテンサイトの三相状態である方がより好ましい。

（２０）Ｐ．Ｉ≧１８
Ｐ．Ｉ（ピッティング・インデックス）は、耐孔食性の指標であり、次式（４）によって表される。Ｐ．Ｉは、その値が大きいほど耐孔食性が優れていることを示し、好ましくは、１９以上２３以下である。
Ｐ．Ｉ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ…式（４）

（高強度ステンレス鋼線及びその製造方法）
次に、本実施形態に係るステンレス鋼線及びその製造方法について説明する。（１）まず、上記所定成分を含有する鋼塊を溶製し、鍛造後、熱間圧延で適当な径の線材（高強度ステンレス鋼）を作製する。
こうして得られた線材は、上記所定成分を有するため、その組織は、図１に示したように、基本的にオーステナイトとフェライトの二相状態となる。従って、フェライトが存在するため弾性率や剛性率が良いものとなる。

（２）次に、その得られた線材（高強度ステンレス鋼）に対し、溶体化処理と伸線加工とを必要に応じて繰返し行い、その線材を細径化する。これにより、最終的に得られる線材は、所望の特性を有するものとなる。この場合、その溶体化処理は、１０５０〜１１５０℃で１〜６０分間保持し急冷することにより行う。また、伸線加工は、通常伸線加工率（５０〜９５％）程度の冷間伸線で行うが、例えば、特に、靭性が求められる場合などでは、冷間伸線加工に代えて、温度２００℃程度以下の低温に加熱しながら細径化する温間伸線加工を行ってもよい。また、これらの伸線加工後に、更に、３００〜５００℃で３０分程度保持する時効熱処理を行なって、特性向上を図ることも好ましい。

冷間伸線加工では、オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態し、得られる線材は、例えば、オーステナイト、フェライト及びマルテンサイトの三相状態を有し、加工硬化で生じた加工誘起マルテンサイトによって、例えば引張強さ２３００ＭＰａ以上の高強度特性が得られ、また弾性率１８５ＧＰａ以上で剛性率も７５ＧＰａ以上の弾性特性を備えるものとなる。従って、本発明の一実施形態に係る高強度ステンレス鋼線は、ばねやワイヤーロープなどの高強度かつ高弾性特性が求められる用途に好適である。例えば、ばね製品の場合、成形加工（例えば、コイリング加工）乃至その後に時効処理が行われる。この時効処理によって、例えば添加元素の分量、種類に応じた微細な金属間化合物が形成され、捻回特性の向上や強度の向上を図ることができる。

（発明鋼及び比較鋼の作製）
表１及び表２に示した成分組成（残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる）の５０ｋｇの各鋼塊を高周波誘導炉で溶製し、鍛造後、熱間圧延を行い、各鋼塊について直径１２．５ｍｍの線材を作製した（発明鋼１〜２６、比較鋼１〜３）。尚、比較鋼１、２にはＳＵＳ３０４系を用い、比較鋼３にはＳＵＳ３１６を用いた。表３は、発明鋼１〜２６及び比較鋼１〜３のＭｄ３０（℃）、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、及び、Ｐ．Ｉを示す。

（フェライト量、引張強度、弾性率、剛性率、捻回値、磁性の評価のための試験片及び試験）
（試験片）
次に、直径１２．５ｍｍの各線材（発明鋼１〜２６及び比較鋼１〜３）に対して１０５０〜１１５０℃での溶体化処理（後述するフェライト量の測定は最初の溶体化処理を行ったものから採取したものを測定用試料とした）と伸線加工とを繰返し行いながら細径化し、最終加工率９５％の冷間伸線加工を行って、線径２．０ｍｍのステンレス鋼線を得た。得られたステンレス鋼線は、発明鋼１〜２６を用いたものを、それぞれ、発明線材１〜２６、比較鋼１〜３を用いたものを、それぞれ、比較線材１〜３とした。そして、発明線材１〜２６、比較鋼１〜３の時効特性を評価する為に、３００〜５００℃×３０分の時効処理を行なって引張強度、弾性率、剛性率、捻回値、及び、磁性を測定する試験片とした。

（引張強度及び弾性率）
引張強度及び弾性率は、ＪＩＳ−Ｚ２２０１に基づいて、試験片の先に引張加重を加えることにより測定した。そして、この時の破断応力を引張強度とし、弾性領域内での傾きを弾性率とした。尚、引張強度については時効処理前のものについても測定を行った。
（剛性率）
剛性率は、鋼線のねじり試験により、微小領域のねじり角度とねじり強さの関係から算出した。
（捻回値）
捻回値は、標点距離が線径×１００倍となるように試験片の一端を固定し、試験片が破断するまで、他端を２回／分の一定速度で回転させることにより求めた。そして、試験片が破断したときの捻り回数を捻回値とした。
（フェライト量）
フェライト量は、測定用試料（上述したように最初の溶体化処理を行った後のものから採取した）を採取し、フェライトメーターにより算出した。
（磁性）
磁性は、透磁率計を用いて測定した。その結果、発明線材１〜２６は、いずれも比透磁率が１０以上の磁化特性を有した。

（耐食性の評価のための試験片及び試験）
（試験片）
直径１２．５ｍｍの各線材（発明鋼１〜２６及び比較鋼１〜３）を真直に矯正して、引張強度等の測定用の試験片作製のときと同じ条件で溶体化処理して試験片加工し、表面を＃４００まで仕上げた円形形状の試験片（φ１０×５０ｍｍ）を作製した。これを用いて耐食性を試験した。
（耐食性）
耐食性は、ＪＩＳ−Ｚ２３７１に基づいて、塩水噴霧試験を行って評価した。塩水噴霧試験は、試験片を３５℃、５％塩化ナトリウム水溶液噴霧環境中に９６時間暴露することにより行った。発銹の有無やその性状については、目視により確認した。その結果、全く発銹が認められなかったものを「Ａ」、点状のしみや赤錆が認められたものを「Ｂ」とした。

（コイリング加工性及び耐へたり性の評価のための試験片及び試験）
（コイリング加工性及び試験片）
次に、発明線材１〜２６と比較線材１〜３に対してコイリング加工を行い、ばね平均径２０ｍｍ，自由長５０ｍｍ、総巻数６．５，有効巻き数４．５の圧縮コイルばねを成形した。これらは、コイル平均径Ｄ／線径ｄの比が１０で、コイリング加工速度６０個／ｍｉｎの条件で成形されたが、いずれも大きなトラブルはなく良好に作業できた。これにより、冷間伸線加工されたステンレス鋼線（発明線材１〜２６、比較線材１〜３）のコイリング加工性が良好と判明した。

（耐へたり性）
発明線材１〜２６を加工して得たばね、及び、比較線材１〜３を加工して得たばねを星型コイルばね疲労試験機「東海試験機製作所製造：ＴＳＣ−１６Ｂ型」にセットし、試験条件（平均応力：５００Ｎ／ｍｍ^２，応力振幅：２５０Ｎ／ｍｍ^２，速度：２０Ｈｚ）で連続９６時間疲労試験を行った。耐へたり性を示す値は、疲労試験前後の荷重損失ΔＰを測定して、次式（５）で算出した。
耐へたり性を示す値＝（８Ｄ・ΔＰ）／（πＧｄ^３）×１００…式（５）
但し、Ｄ：ばねの平均径，ｄ：鋼線の線径，Ｇ：鋼線の横弾性係数，ΔＰ：荷重損失。
上記式（５）により得られた値が０．０５％以下のものを耐へたり性が良いと判断し表４で「○」で示し、その値が０．１０％以上のものを耐へたり性が悪いと判断し同表で「×」で示し、その値がその間にあるものを耐へたり性がやや良い判断し同表で「△」で示した。

表４に、試験結果として、耐食性、フェライト量、引張強度、弾性率、剛性率、捻回値、耐へたり性を示す。

（評価）
発明線材１〜２６（発明鋼１〜２６）は、いずれも要求特性を満足した。これは、発明鋼１〜２６が表１に規定する成分を所定量含有するとともに、Ｍｄ３０の適正化、並びに、［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］の適正化を行ったためと考えられる。強度が高かったのは、Ｍｄ３０が−２０〜１００℃である試験片に伸線加工を施したものであるため、オーステナイトがマルテンサイトに変態したためと考えられる。弾性率が高かったのは、Ｍｄ３０の適正化に加え、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］が上記の所定範囲に調整されているためフェライトが生成したためと考えられる。捻回特性が良かったのは、時効処理を行ったためと考えられる。
表４には、時効熱処理前の引張強さも併記しているが、発明線材１〜２６は、比較線材１〜３に比して引張強さの増加率が大きく良い結果だった。更に、耐へたり性についても、発明線材１〜２６を加工して得たばねのへたり率はいずれも０．０４％以下の結果で、比較鋼１〜３を加工して得たばねのへたり率に比べて良好だった。
また、表４では、弾性率と剛性率については、時効処理後の値のみを示しているが、これらの値は、時効処理前、すなわち、伸線加工状態の弾性率及び剛性率に比して約２〜３％程度の特性向上が見られる。従って、発明線材１〜２６は、時効処理前後を問わず、いずれの状態でも、弾性率１８５ＧＰａ以上、剛性率７５ＧＰａ以上を有するものであった。

比較線材１は、引張強度が比較的高いが、弾性率、剛性率、及び、捻回値が低かった。これは、比較鋼１は［Ｃｒ］が低いため、鋳造凝固時にフェライトを殆ど生成させることができず、また、伸線加工後に充分な量のマルテンサイトが生成しなかったためと考えられる。また、Ｏの含有量が多かったため、捻回特性に有害な酸化物が形成されたためと考えられる。

比較線材２は、引張強度、弾性率、剛性率、及び、捻回値がいずれも低かった。これは、比較鋼２は［Ｃｒ］がやや低いため、鋳造凝固時にフェライトを充分に生成させることができず、Ｍｄ３０が低いため、オーステナイトが安定化しすぎてマルテンサイトの生成が困難となり、必要な強度が得られないかったためと考えられる。また、Ｏの含有量が多かったため、捻回特性に有害な酸化物が形成されたためと考えられる。比較鋼２及び３は、いずれもＣｏを含有せず、Ｍｄ３０も−２０℃より低いものであったことから、これらを加工して得たばねの耐へたり性も０．１２％と大きく、比較線材２及び３は、ばねには適さないことがわかった。

比較線材３は、捻回値は比較的高いが、引張強度、弾性率、及び、剛性率が低かった。これは、比較鋼３はＭｄ３０の値が極めて低かったため、オーステナイトがあまりに安定化しすぎて加工誘起マルテンサイトの生成が困難となり、必要な強度が得られなかったためと考えられる。また、Ｏの含有量が多かったため、捻回特性に有害な酸化物が形成されたためと考えられる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態は一例にすぎず、本発明を限定するものではない。すなわち、上記実施形態は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。

本発明に係る高強度ステンレス鋼は、事務機器、電気通信機器、機械構造用部品、建築構造用強度部材、車両用部品、食品設備、化学設備等のばね、ワイヤーロープ、ケーブルワイヤー、コンクリート補強鋼線等に用いられる線材に好適であるため、鋼材メーカーにとって産業上利用価値が高い。高強度ステンレス鋼線は、事務機器等の製造メーカーからエンドユーザーに到るまで産業上利用価値が高い。

本発明の一実施形態に係る高強度ステンレス鋼の鋳造凝固時における相組織を［Ｎｉ］及び［Ｃｒ］、並びに、フェライト量との関係で示した関係図である。

Claims (12)

1. ０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％、
   ０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％、
   ０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、
   ６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％、
   １６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％、及び、
   ０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％、を含有し、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高強度ステンレス鋼であって、
   次式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
   次式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、
   次式（３）で表される［Ｃｒ］が２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０、
   であることを特徴とする高強度ステンレス鋼。
   但し、
   Ｍｄ３０＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）…式（１）、
   ［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…式（２）、
   ［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ…式（３）。
2. ０．０５≦Ｃ≦０．１２質量％、
   ０．１０≦Ｓｉ≦３．０質量％、
   ０．５０≦Ｍｎ≦１．５０質量％、
   ６．１≦Ｎｉ≦７．９質量％、
   １６．０≦Ｃｒ≦２２．０質量％、及び、
   ０．５≦Ｃｏ≦２．０質量％、を含有し、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、鋼マトリックス中に０．０５〜２０．０体積％のフェライトを含有するオーステナイト−フェライト二相系の高強度ステンレス鋼であって、
   次式（１）で表されるＭｄ３０が、−２０≦Ｍｄ３０≦１００℃、
   次式（２）で表される［Ｎｉ］が１０．０≦［Ｎｉ］≦１４．０、
   であることを特徴とする高強度ステンレス鋼。
   但し、
   Ｍｄ３０＝５５１−４６２×（Ｃ＋Ｎ）−９．２×Ｓｉ−８．１×Ｍｎ−１３．７×Ｃｒ−１８．５×Ｍｏ−２９×（Ｎｉ＋Ｃｕ）…式（１）、
   ［Ｎｉ］＝Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…式（２）。
3. 更に、
   次式（３）で表される［Ｃｒ］が２０．０≦［Ｃｒ］≦２４．０であることを特徴とする請求項２に記載の高強度ステンレス鋼。
   但し、
   ［Ｃｒ］＝Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋２Ｓｉ＋１．５Ｔｉ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋０．７５Ｗ…式（３）。
4. 更に、
   Ｃｕ≦０．５０質量％、及び、
   Ｍｏ≦２．０質量％、
   から選ばれる少なくともいずれか１種を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼。
5. 更に、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、及び、Ｈｆから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上を総量で０．０１質量％以上２．０質量％以下含有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼。
6. 更に、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、及び、ＲＥＭから選ばれる少なくともいずれか１種又は２種以上を総量で０．０００１質量％以上０．０１００質量％以下含有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼。
7. 更に、０．００１≦Ａｌ≦０．１０質量％を含有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼に対し、伸線加工を施すことにより得られる高強度ステンレス鋼線であって、引張強度が２３００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度ステンレス鋼線。
9. 請求項１から７のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼に対し、伸線加工及び時効処理を施すことにより得られる高強度ステンレス鋼線であって、引張強度が２３００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度ステンレス鋼線。
10. 金属組織が、オーステナイト相とフェライト相、及び、前記オーステナイト相の変態による加工誘起マルテンサイト相の三相の複合組織を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の高強度ステンレス鋼線。
11. 弾性率が１８５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼線。
12. 剛性率が７５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼線。

Images