JP2011208269A - 耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料及びそのステンレス鋼線、並びにステンレス鋼成形品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
質量%で、 C :0.03〜0.18、 N :0.05〜0.30、 Si:1.5以下、 Mn:2.0以下、 Ni:8.0〜15.0、 Cr:15.0〜25.0、Mo:0.20〜3.0、及びCu:2.0以下を含むとともに、次式A値が10.0〜35.0%で、残部Fe及び不可避不純物でなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、
Hv硬度:150〜350で、かつ温度20℃におけるポアソン比(P)が0.23〜0.28であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料とそのステンレス鋼線、及びこれらを用いたステンレス鋼成形品である。
A={6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu
【選択図】図1
Description
Hv硬度:150〜350で、温度20℃におけるポアソン比(P)が0.18〜0.28であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料である。
A={6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu
Cは、オーステナイトの形成元素で、強度及び弾性特性を向上する。ここで、Cが0.03%未満のものでは、塑性加工で十分な加工硬化が得られ難く、高強度化の弊害となる。一方、Cの量が0.18%を超えると、結晶粒界に有害な炭化物が生成され、特性低下をもたらす他、加工性低下にもなる為、より好ましくは、0.05〜0.10%とする。
Siは、脱酸剤として添加され、その含有によって強度、弾性限及び耐酸化性が向上する為に添加され、0%を超える。しかし、Siを多量に添加すると、靭性が低下するので、多くても1.5%とし、好ましくは0.4〜1.0%、更に好ましくは0.5〜0.8%の範囲とする。
Mnは、Siと同様に精錬時の脱酸剤として使用され、オーステナイト系ステンレス鋼では、オーステナイト相(γ)の相安定性に寄与するもので0%を超えて添加される。またMnは、高価なNiの使用を抑えるとともに、N元素の固溶限を高める働きをするが、一方で耐食性、とりわけ耐酸化性を低下させる恐れがあることから、その上限を2.0%とし、より好ましくは1.0〜1.8%の範囲とする。
Niは、オーステナイト系ステンレス鋼の基本元素で、加工オーステナイト相の安定化を図る上で不可欠である。また、Niは、水素脆性との関係でNi当量を高めてマルテンサイトの発生を抑えるとともに、耐食性及び溶解段階ではNの固溶量を高める。このような観点より、Niは少なくとも8.0%以上必要で、より好ましくは8.5%以上、さらに好ましくは9.5%以上とする。他方、Niは非常に高価で、かつ、その添加によって強度を低下させることが懸念されるため、その上限を15.0%とし、より好ましくは12.0%以下とする。更に好ましい範囲は、9.8〜10.6%とする。
Crも前記Niと同様にステンレス鋼の基本元素で、例えば耐酸化性等の耐食性を向上させるが、機械的特性、例えば靭性や硬度を減少させやすいことから、その範囲を15.0〜25.0%とし、より好ましくは16.0〜20.0%の範囲とする。
Moは、オーステナイト中に置換固溶して耐食性を向上し、またNとの共存によって疲労特性を向上する。一方、Moの多量の添加は、加工性を低下するおそれがあることから、その量は0.2%以上、より好ましくは0.5%以上とし、かつその上限値は、3.0%、より好ましくは2.5%とする。
Nは、Cと同様にオーステナイトの形成に有効で、結晶の微細化を図り、また侵入型でもあることから固溶によって強度特性の向上をもたらす。また、他のCrやMnなどとの親和力もあって固溶限を高めことから0%以上の添加とする。しかし、多量の添加は加工性を害して加工歩留まり及びコスト上昇に影響する。こうした面から、その上限は0.30%とし、より好ましくは0.1〜0.25%の範囲とする。
Cuは、オーステナイトの生成元素で、その効果はNiの2倍以上にも及ぶ。また、Cuは、オーステナイト相を安定化して耐食性及び絞り特性を高めて、軟化状態での材料の延展性を高め加工性向上をもたらす。これは、塑性加工時に生じやすい残留歪を軽減させるのに役立つ。かかる作用を発揮させるためには、Cuは0%を超えて含有し、好ましくは不純物レベルを超える量、例えば0.2%、好ましくは0.25%、より好ましくは0.30%を下限とする。 しかし一方で、多量のCuの添加は、積層欠陥エネルギーを増加させ、また加工硬化率を減少させることにもつながる。従って、合金の安定な高強度化を図る観点から、その上限として2.0%以下、より好ましくは1.0%以下とし、更に好ましくは0.8%以下とすることが望ましい。
また本形態では、上記各必須元素に加え、更に任意元素として、質量%で、例えばNb:0.05〜2.5、Ti:0.05〜1.8、B:0.005〜0.10のうち少なくとも1種以上を含有するステンレス材料とすることもできる。Nb、Ti及びBは、いずれもその添加によって機械的特性の向し、組織の安定化を図ることができる。また、これら元素は水素元素がトラップに影響を及ぼさない程度の微細(例えば10Å以下)な化合物の形成によって粒子分散効果をもたらし、例えばクリープ強度の向上などの面でも有効である。しかし、その分量が各設定範囲の上限を超える程の多量の添加は、これら加工性を低下させ、水素脆性の面からも好ましいものとは言い難い。
上記に規定される構成元素を除く残部は、実質的にFe及び不可避不純物からなる。不純物としては、例えばP:≦0.03%、S:≦0.01%、O:≦0.02%及びAl:≦0.01%などが想定され、またHについても、10PPM以下であるのが望ましい。特にHを過剰に含有するものでは、その使用過程中での加熱状態で拡散して脆化への影響をもたらすことから、例えばその製造過程いずれか段階、例えば原材料段階や中間段階で水素低減を図る脱水素処理を行ない、その上限を10PPM以下に抑制することが望ましい。この脱水素処理は、例えば大気中150〜400℃の加熱温度で、0.5〜15Hr程度のベーキング処理が相当する。
通常ポアソン比(P)は、軸荷重を受ける試験片における軸ひずみに対する横ひずみの比で示され、該鋼線の弾性限界内で、例えば引張りを加えた時に荷重方向の伸び(縦ひずみ%)、と荷重に直角方向の寸法の縮み(横ひずみ%)の比、すなわち、横ひずみ(%)/縦ひずみ(%)、又はP=(ヤング率/2*剛性率)−1で示すことができる。しかし、その特性は温度依存性によって大きく異なることから、本発明ではその測定環境温度を20℃で行うこととする。
伸び特性(E%)={(E1−E0)/E0}×100
但し、R0,E0は各々試験前の原線の断面積と標点長さで、標点長さは100mmとしており、またR1,E1は、同様に引張試験後に変化した同断面積と長さである。
例えばその対象品がステンレス鋼線の場合は、その試験加工後の絞り特性や圧縮率等の特性低下率が20%を超える場合を耐水素性なしと判断することができる。
またこれを前記固溶化熱処理したものでは、その結晶粒径が30〜50μm程度をなし、それとともに表面硬度及び表面アラサが向上しており、ポアソン比は0.22〜0.28を有するものであった。
Claims (10)
- 質量%で、
C :0.03〜0.18、
N :0.05〜0.30、
Si:1.5以下、
Mn:2.0以下、
Ni:8.0〜15.0、
Cr:15.0〜25.0、
Mo:0.20〜3.0、及び
Cu:2.0以下を含むとともに、次式A値が10.0〜35.0%で、残部Fe及び不可避不純物でなるオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、
Hv硬度:150〜350で、かつ温度20℃におけるポアソン比(P)が0.23〜0.28であることを特徴とする耐水素脆性に優れた高強度加工用ステンレス材料。
A={6.2Ni+0.7Cr+3.2Mn+9.3Mo+50(C+N)}/14.3Cu - 更に質量%で、Nb:0.05〜2.5、Ti:0.05〜1.8、B:0.001〜0.10のいずれか1種以上を含有する請求項1に記載の高強度加工用ステンレス材料。
- 前記NがCの2〜4倍で、かつC+Nが0.18〜0.36質量%である請求項1又は2に記載の高強度加工用ステンレス材料。
- 請求項1〜3のいずれか記載の前記ステンレス材料でなる等価換算線径が5mm以下の線条材であって、引張試験における絞り特性(R)60〜80%、かつ伸び特性(E)20〜40%を更に備えることを特徴とする高強度加工用ステンレス鋼線。
- 前記引張応力の負荷におけるヤング率が、前記引張試験による引張強さの190〜380倍である請求項4に記載の高強度加工用ステンレス鋼線。
- 表面は、該ステンレス鋼線の線径の20/1000倍以下の厚さのNi又はCuの金属外装材で被覆されてなる請求項4又は5に記載の高強度加工用ステンレス鋼線。
- 平均表面あらさ(Rz)が0.2〜1.0μmであることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の高強度加工用ステンレス鋼線。
- 前記ステンレス鋼線は、更にスキンパス加工によってその表面層に加工歪を有することを特徴とする請求項7に記載の冷間圧造用ステンレス鋼線。
- 請求項1〜8のいずれか記載のステンレス材料又はステンレス鋼線が、更に圧造加工、転造加工又はプレス加工のいずれか塑性加工によって所定形状に成形され、加工誘起マルテンサイト量が2%以下であることを特徴とする耐水素脆性用のステンレス鋼成形品。
- 前記塑性加工が冷間加工又は温度200℃以下の温間加工によるものであることを特徴とする請求項9に記載のステンレス鋼成形品。
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