JP2011047008A - ばね用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】製造性や機械的強度に優れ、圧延によって高強度を付与されても、延性及び成形性に優れた省Ｎｉ型の安価なばね用オーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ≦０．１５％、Ｓｉ≦４．０％、４．０％≦Ｍｎ≦１０．０％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．０１０％、２．０％≦Ｎｉ≦６．０％、１６．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｎ≦０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、Ｍｄ₃₀Ｍｎ＝５５１−６２(％Ｃ＋％Ｎ)−２９(％Ｎｉ＋％Ｃｕ)＋４．８％Ｓｉ−１９．１％Ｍｎ−１３．７％Ｃｒ−１８．５％Ｍｏに従うＭｄ₃₀Ｍｎ値が、−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０を満たし、冷間圧延によって１３２０ＭＰａ以上の引張強さが付与されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯電話、パソコン、家電、自動車などの車両、玩具等に使用されるばね用オーステナイト系ステンレス鋼に関し、特に、機械的強度のみならず延性、加工性および製造性にも優れたばね用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

ばね用のステンレス鋼の代表的なものとして、ＪＩＳ Ｇ ４３１３で規格されているＳＵＳ３０１及びＳＵＳ３０４が知られている。ここに挙げたＳＵＳ３０１及びＳＵＳ３０４は、冷間加工によって高強度が得られる加工硬化型の準安定オーステナイト系ステンレス鋼である。

これら加工硬化型の準安定オーステナイト系ステンレス鋼は、溶体化処理された状態でオーステナイト組織となっており、溶体化処理された後、冷間圧延などの冷間加工を受けることにより、加工誘起マルテンサイト(α´)が生成され、強度が高くなる。そして、その強度は、準安定オーステナイト系ステンレス鋼が受ける冷間加工の量や生成されるマルテンサイト(α´)の量に依存することが知られている。

一般的に、加工によって高強度化されたステンレス鋼は、強度の上昇に伴い延性・加工性は低下する。このため、ＪＩＳ Ｇ ４３１３で規格されているばね用ステンレス鋼帯のＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３０１では、調質圧延圧下率が大きくなる調質記号Ｈ以上において、加工性の指標である伸びや曲げ性の値は規定されていない。

しかし、近年、調質記号Ｈ以上の強度を持つばね用オーステナイト系ステンレス鋼においても、高い延性や成形性を要求する用途が増えている。

また、ステンレス鋼の製造性で専ら問題となるのは、鋳造時の凝固割れや熱間圧延での割れであるが、これらの他に、ばね用オーステナイト系ステンレス鋼では、冷間圧延後のコイル状態において生じる「時期割れ」という問題がある。この「時期割れ」は、ステンレス鋼を加工した後の数分から数ヶ月後に割れが生じる現象で、加工によって生じた加工誘起マルテンサイト(α´)相と引張の残留応力、および加工条件(加工温度・潤滑油の種類)などが影響して生じる。

そこで、加工硬化型の準安定オーステナイト系ステンレス鋼の延性や製造性を改善し得る技術として、最終の再結晶焼鈍後の結晶粒径を１〜１０μｍとし、０．２％耐力(＝ＹＳ(ＭＰａ))とマルテンサイト量(＝ＭＳ(％))の比率(ＹＳ／Ｍｓ)が２５以上であることを特徴とする曲げ加工性に優れた高強度オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献１参照）や、Ｍｄ₃₀(℃)＝４９７−４９２(Ｃ＋Ｎ)−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−１３．７Ｃｒ−２０Ｎｉに従うＭｄ₃₀値が０〜６０℃の範囲になるように成分調整したことを特徴とする２次加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

なお、上記「Ｍｄ₃₀値」は、単相のオーステナイトに対して０．３の引張真ひずみを与えたときに、組織の５０％がマルテンサイトに変態する温度を云う。

特開２００４−１２４１３１号公報 特開昭５８−２５４６０号公報

しかしながら、上記従来の技術のうち、前者のものでは、０．２％耐力の増加が時期割れ感受性を増大させる結果、時期割れが生じやすくなり、後者のものでは、強度レベルが調質記号１／２Ｈ以下となり、十分な強度を有さなくなると云う問題があった。

それゆえに、本発明の主たる課題は、製造性や機械的強度に優れ、圧延によって高強度を付与されても、延性及び成形性に優れた省Ｎｉ型の安価なばね用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することである。

発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す発明を完成するに至った。すなわち、請求項１に記載した発明は、
（１）質量％で、Ｃ≦０．１５％、Ｓｉ≦４．０％、４．０％≦Ｍｎ≦１０．０％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．０１０％、２．０％≦Ｎｉ≦６．０％、１６．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｎ≦０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
（２）Ｍｄ₃₀Ｍｎ＝５５１−６２(％Ｃ＋％Ｎ)−２９(％Ｎｉ＋％Ｃｕ)＋４．８％Ｓｉ−１９．１％Ｍｎ−１３．７％Ｃｒ−１８．５％Ｍｏに従うＭｄ₃₀Ｍｎ値が、−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０を満たし、
（３）冷間圧延によって１３２０ＭＰａ以上の引張強さが付与されたことを特徴とする、
（４）ばね用オーステナイト系ステンレス鋼
である。

本発明によれば、高価なＮｉの配合割合を２．０質量％〜６．０質量％の範囲に抑えているので、所定のばね用オーステナイト系ステンレス鋼を経済的に製造することができる。

また、上記式に従うＭｄ₃₀Ｍｎ値を−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０の範囲にしているので、圧延後のコイル状態における時期割れを防止して製造性を向上させることができると共に、調質圧延板の成形時に生じる加工誘起マルテンサイト(α´)相の減少を最小限に抑え、十分な延性・成形性を維持することができる。

さらに、冷間圧延によって１３２０ＭＰａ以上の引張強さが付与されているので、ＪＩＳ Ｇ ４３１３で規格されているばね用ステンレス鋼帯ＳＵＳ３０１-ＣＳＰの調質記号Ｈ以上に相当する機械的強度を有する。

したがって、製造性や機械的強度に優れ、圧延によって高強度を付与されても、延性及び成形性に優れた省Ｎｉ型の安価なばね用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することができる。

各調質圧延板の引張強さと伸びとの関係を示すグラフである。 引張強さ１３２０ＭＰａの調質圧延板における伸びとＭｄ₃₀Ｍｎ値との関係を示すグラフである。 引張強さ１５７０ＭＰａの調質圧延板における伸びとＭｄ₃₀Ｍｎ値との関係を示すグラフである。 引張強さ１７４０ＭＰａの調質圧延板における伸びとＭｄ₃₀Ｍｎ値との関係を示すグラフである。

まず、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼(以下、単に「鋼」と称する。)を構成する各成分の限定理由について説明する。

１）Ｃ≦０．１５質量％：Ｃ（炭素）は、マルテンサイト相の強化に極めて有効な元素であり、析出物を生成してばね限界値を上昇させる効果を奏する。さらに、炭素は、オーステナイト形成元素として、凝固時や高温域で形成されるδフェライトを減少させ、熱間加工性の低下を抑制する。しかし、炭素の過剰添加は、溶接熱影響部および熱延巻取り後の熱延コイルにおいて、クロム炭化物が粒界に析出して粒界腐食感受性を高めるとともに、粒界型の応力腐食割れを発生しやすくする。したがって、鋼の炭素含有量は０．１５質量％以下とする必要がある。

２）Ｓｉ≦４．０質量％：Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時において脱酸剤としての効果を奏する元素である。また、ケイ素は、積層欠陥エネルギーを下げる作用があるため、圧延によるεマルテンサイト相の発生を促進する。そして、その後の製品成型時の加工でα´マルテンサイト相の形成を有利にする。しかし、ケイ素は、フェライト生成元素であり、オーステナイト組織を得るためには不利であるため、鋼のケイ素含有量の上限を４．０質量％とした。

３）４．０≦Ｍｎ≦１０．０質量％：Ｍｎ（マンガン）は、オーステナイト形成元素としてニッケルの代替にすることができる元素であり、可能な限りマンガン含有量を高くすることにより、高価なニッケルの使用割合を低減することができるので、鋼の製品コスト低減に有効である。また、マンガンは積層欠陥エネルギーを下げる作用があるため、圧延によるεマルテンサイト相の発生を促進する。そして、その後の製品成型時の加工でα´マルテンサイト相の形成を有利にする。なお、この効果を得るためには４．０質量％以上のマンガン含有量が必要である。一方、マンガンの過剰添加は、鋼の耐食性を低下させることから、その含有量の上限を１０．０質量％とした。

４）Ｐ≦０．１０質量％：Ｐ（リン）は、鋼の耐食性および熱間加工性を劣化させる要因となる元素であるため、その含有量の上限を０．１０質量％とした。

５）Ｓ≦０．０１０質量％：Ｓ（硫黄）は、介在物を増加させるとともに、鋼の耐発銹性を低下させる要因となる元素である。また、硫黄含有量の増加は、熱間加工性を著しく低下させることから、硫黄含有量の上限を０．０１０質量％とした。

６）２．０≦Ｎｉ≦６．０質量％：Ｎｉ（ニッケル）は、オーステナイト形成元素である。そして、ニッケルは、オーステナイト組織の安定性、鋼の良好な熱間加工性、および鋼の良好な冷間加工性を得るため、本発明に係る鋼において不可欠な元素である。しかし、前述のように、ニッケルは高価な元素であるため、ニッケル含有量の上限を６．０質量％とするとともに下限を２．０質量％とした。

７）１６．０≦Ｃｒ≦１８．０質量％：Ｃｒ（クロム）は、鋼の耐食性を高めるのにもっとも有効な元素のひとつであり、十分な耐食性を得るためには１６．０質量％以上のクロム含有量が必要である。しかし、クロム含有量が１８．０質量％を超えると、凝固時および高温域において、多くのδフェライトが生成されるため、鋼の熱間加工性が低下する。よって、クロム含有量の上限を１８．０質量％とした。

８）０．０５≦Ｎ≦０．２０質量％：Ｎ（窒素）は、炭素と同様にオーステナイト形成元素である。また、窒素は、オーステナイト組織の安定化、金属組織の強化、および鋼の耐食性向上に有効な元素である。そして、これらの効果を得るために窒素含有量が０．０５質量％以上必要であるが、オーステナイト強化の観点で、０．１０％以上が好ましい。しかし、窒素は固溶強化能が大きいことから、０．２０質量％を超える窒素の添加は、鋼に著しい硬化をもたらす。したがって、窒素含有量の上限を０．２０質量％とし、下限を０．０５質量％とした。

９）−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０：Ｍｄ₃₀Ｍｎ値は、オーステナイト系ステンレス鋼を加工した際に生じる加工誘起マルテンサイト(α´)変態のし易さを表す指標で、Ｍｄ₃₀Ｍｎ＝５５１−６２(％Ｃ＋％Ｎ)−２９(％Ｎｉ＋％Ｃｕ)＋４．８％Ｓｉ−１９．１％Ｍｎ−１３．７％Ｃｒ−１８．５％Ｍｏに従って求められる。この値が大きいほど、同マルテンサイト変態が生じ易い。Ｍｄ₃₀Ｍｎ値が大きいと、圧延に多量の加工誘起マルテンサイト(α´)相が生じ、調質圧延板の加工性は低下し、さらに、圧延後のコイル形態における時期割れ懸念が高まるため、Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０が望ましい。一方、Ｍｄ₃₀Ｍｎ値が小さいと、調質圧延板の成形時に生じる加工誘起マルテンサイト(α´)相が減少し、十分な延性・成形性が得られないため、−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎが望ましい。なお、上式における「％」は「質量％」を意味し、「％元素記号」は「鋼中における元素の配合割合を質量％で表したもの」を意味する。

次に、本発明鋼は、冷間圧延によって１３２０ＭＰａ以上の引張強さが付与されていることを特徴としている。引張強さ１３２０ＭＰａ以上はＪＩＳ Ｇ ４３１３にて規格されたばね用ステンレス鋼帯のＳＵＳ３０１−ＣＳＰの調質記号Ｈ以上に相当している。

調質記号Ｈ以上(引張強さ１３２０ＭＰａ以上)の材料についていえば、ＳＵＳ３０１では調質圧延により加工誘起マルテンサイト変態相が過大に多く発生するため、調質圧延板の加工性・成形性は著しく低下する。しかし、本発明鋼は化学成分およびＭｄ₃₀Ｍｎ値を適正範囲に調整しているため、調質圧延により適度な量の加工誘起マルテンサイト変態相を生じ、さらに、調質圧延板の加工時にも加工誘起マルテンサイト変態相を生じるため、高い加工性・成形性が得られる。

一方、調質記号Ｈ未満の材料では、ＳＵＳ３０１でも調質圧延により生成する加工誘起マルテンサイト変態相は少なく、調質圧延板の加工時に多くの加工誘起マルテンサイト変態相を生じるため、高い成形性を有している。

以上のように、本発明鋼では、強度レベルを引張強さ１３２０ＭＰａ以上に限定することにより、その効果が顕著になる。

本発明に係る鋼は、一般的なステンレス鋼製造工程により製造される。すなわち、溶解、鋳造、熱間圧延および冷間圧延を経た後、溶体化熱処理が行われる。そして、ばねの素材としての要求される特性を得るため、冷間加工（調質圧延）が施され、所望の硬度に調質される。

以下に、本発明に係る実施例として、鋼試料の製造方法、試験の方法および結果について説明する。なお、本発明は当該実施例に限定されるものではない。

表１に示すような化学組成を有する鋼を得るために、高周波溶解炉にて３８ｍｍ×９０ｍｍ×１５０ｍｍのインゴットを製作し、このインゴットを電気炉内で、１２００℃で６０分間加熱し、４段圧延機で３．０ｍｍ厚まで熱間圧延して熱延板を得た。

続いて、この熱延板を１１００℃で６分間焼鈍し、硝弗酸に浸漬してスケールを除去した後、４段圧延機で１．０ｍｍまで冷間圧延し、さらに、２分間１１００℃で焼鈍し、硝弗酸に浸漬してスケールを除去した。そして、冷間圧延で圧下率３０〜７０％の調質圧延を行ってＪＩＳ１３Ｂ号試験片を採取し、当該試験片について引張試験を行った。

そして、各試験片における引張強さ１１３０ＭＰａ、１３２０ＭＰａ、１５７０ＭＰａ、１７４０ＭＰａの時の伸びを、上記引張試験によって得られた「引張強さ−伸び曲線」に内挿して算出した。なお、引張強さ１１３０ＭＰａ、１３２０ＭＰａ、１５７０ＭＰａ、１７４０ＭＰａは、それぞれＪＩＳ Ｇ ４３１３のＳＵＳ３０１における調質記号３／４Ｈ、Ｈ、ＥＨ、ＳＥＨに相当する。

表２に調質圧延板の各引張強さにおける伸びを示す。

上記表２から明らかなように、引張強さ１３２０ＭＰａ、１５７０ＭＰａ、１７４０ＭＰａにおいては、従来鋼(ＳＵＳ３０１に相当)は引張強さが大きくなるほど、発明鋼よりも伸びが小さくなった。比較鋼の中には、目標の強度が得られない場合があり、得られても総じて伸びは小さかった。

一方、本発明鋼は、各引張強さにおいて、総じて、高い伸びを示した。なお、比較鋼１及び従来鋼２は調質圧延後に時期割れが発生し、製造性に問題がある。また、引張強さ１１３０ＭＰａにおいては、比較鋼および従来鋼の伸びも大きいため、本発明鋼の優位性は見られなくなる。

また、図１に、発明鋼、比較鋼および従来鋼それぞれについての引張強さと伸びとの関係を示すが、この図が示すように、引張強さ１３２０ＭＰａ以上において、発明鋼の伸びは比較鋼や従来鋼よりも大きいものとなっている。

図２〜図４に、引張強さ１３２０ＭＰａ、１５７０ＭＰａ及び１７４０ＭＰａの調質圧延板における伸びとＭｄ₃₀Ｍｎとの関係を示す。これらの図が示すように、いずれの引張強さを有する調質圧延板でも、Ｍｄ₃₀Ｍｎ≧３０で高い伸びを示しているが、この範囲では、冷間圧延後に時期割れが生じやすいため、製造性が劣っている。それに対し、−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０の範囲で伸びの極大が得られ、この範囲では、冷間圧延後も時期割れは生じにくいため、製造性に優れていると言える。

以上の実施例から明らかなように、本発明によって、製造性に優れ、冷間圧延により１３２０ＭＰａ以上の引張強さを付与され、さらに加工性にも優れた安価なばね用Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎｉオーステナイト系ステンレス鋼を製造することができる。これによって、高強度のばね用ステンレス鋼でも複雑な加工が可能となり、ばねの小型・軽量化によって、それを用いた製品の小型・軽量化が可能となるため、産業上極めて有用である。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ≦０．１５％、Ｓｉ≦４．０％、４．０％≦Ｍｎ≦１０．０％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．０１０％、２．０％≦Ｎｉ≦６．０％、１６．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｎ≦０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
   Ｍｄ₃₀Ｍｎ＝５５１−６２(％Ｃ＋％Ｎ)−２９(％Ｎｉ＋％Ｃｕ)＋４．８％Ｓｉ−１９．１％Ｍｎ−１３．７％Ｃｒ−１８．５％Ｍｏに従うＭｄ₃₀Ｍｎ値が、−３５≦Ｍｄ₃₀Ｍｎ≦０を満たし、
   冷間圧延によって１３２０ＭＰａ以上の引張強さが付与されたことを特徴とする、ばね用オーステナイト系ステンレス鋼。