JP2014185367A - ねじり加工性に優れるステンレス鋼線とその製造方法、並びに、ステンレス鋼線材とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.10〜1.5%、Mn:5%超〜15%、Ni:1%以上5%未満、Cr:10.5〜20%、N:0.05〜0.35%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、(a)式のMd30値が−40〜10、(b)式のTW値が0〜60、引張強さが1600〜2100MPa、加工誘起マルテンサイト量が30vol.%未満、鋼線表層から10μm深さのMn濃度と鋼線断面中心部のMn濃度との差が2質量%以内、表層から0.05mm深さのビッカース硬さが鋼線直径の1/4部のビッカース硬さよりも25〜125Hv低いねじり加工性に優れる高Mn系高強度精密ばね用廉価ステンレス鋼線。
【選択図】なし
Description
また、素材である線材の表面性状の均一化として、例えば、オーステナイト系ステンレス線材の直接熱処理法が提案されている(特許文献4)。しかし、特許文献4に記載の線材は、SUS304系の線材であって、高Mn系ステンレス鋼線材のばね加工性の改善についての知見はない。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo ・・・(a)
TW=26+2Ni+410C+19Cu+9Mo−Cr−80N−13Si−Mn
・・・・・・(b)
但し、(a)式および(b)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。また、(a)式および(b)式において当該元素を含有しない場合は0を代入する。
(3)更に質量%で、Mo:3.0%以下、W:2.5%以下、Sn:2.5%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする前記(1)または(2)のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。
(4)更に質量%で、Ti:1.0%以下、V:2.5%以下、Nb:2.5%以下、Ta:2.5%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(3)の何れか1項に記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。
(5)更に質量%で、Ca:0.012%以下、Mg:0.012%以下、Zr:0.012%以下、REM:0.05%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo ・・・(a)
TW=26+2Ni+410C+19Cu+9Mo−Cr−80N−13Si−Mn
・・・・・・(b)
但し、(a)式および(b)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。また、(a)式および(b)式において当該元素を含有しない場合は0を代入する。
(7)(1)〜(5)の何れか1項に記載の成分組成を有するビレットを1000〜1280℃で150分以内加熱し、加熱後の該ビレットを圧延終了温度950℃以上で線材圧延した後、水冷する、または、950〜1150℃で600s以下の単時間熱処理を施して水冷することを特徴とするステンレス鋼線材の製造方法。
(8)前記(6)に記載のステンレス鋼線材を、連続伸線機を用いて連続伸線する工程を有するステンレス鋼線の製造方法であって、前記連続伸線する工程は、当該連続伸線機に設置されている複数の伸線ダイスのうち、少なくとも第2番目〜第5番目の伸線ダイスの入り温度を10〜70℃に制御するとともに、総伸線率を50〜90%にすることを特徴とするねじり加工性に優れるステンレス鋼線の製造方法。
また、本発明のステンレス鋼線材の製造方法によれば、脱Mn層の生成に起因して伸線加工後の鋼線で硬質化する表層部をシェービング加工によって除去することなく本発明のステンレス鋼材および鋼線を得ることが可能となる。そのため、生産性が向上し、本発明のステンレス鋼線の経済的効果を更に高めることが出来る。
Cは、伸線加工後に高強度を得るために、0.03%以上(以下は全て質量%)添加する。しかしながら、0.15%を超えてCを添加すると、粒界に粗大Cr炭化物が析出し、延靱性が低下して鋼線のねじり加工性を劣化させることから、上限を0.15%とする。C含有量の好ましい範囲は、0.06〜0.12%である。
Md30値は、下記(a)式より求められる値であり、この値が−40未満の場合、オーステナイト相の安定度が増し、伸線加工では高強度化し難くなる。一方、Md30値が10を超えると、オーステナイト相が不安定となり、伸線加工で加工誘起マルテンサイト相が30体積%以上に生成し、鋼線のねじり加工性が劣化する。Md30値を−40〜10に限定することで、高強度でねじり加工性に優れたステンレス鋼線となる。Md30の好ましい範囲は、−30〜5である。
TW=26+2Ni+410C+19Cu+9Mo−Cr−80N−13Si−Mn
・・・・・・(b)
但し、(a)式および(b)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。また、(a)式および(b)式において当該元素を含有しない場合は0を代入する。
鋼線の加工誘起マルテンサイトは、鋼線のねじり加工性を劣化させる。加工誘起マルテンサイト量を30vol.%未満に限定することで、ねじり加工性に優れたステンレス鋼線となる。加工誘起マルテンサイト量の好ましい範囲は、25vol.%以下である。
代表的な不可避的不純物としては、O,S,Pなどが挙げられ、通常、鉄鋼の製造プロセスで不可避的不純物として0.0001〜0.1%の範囲で混入する。
本発明のステンレス鋼線の任意添加元素について、請求項2〜請求項5で規定しており、以下で説明する。
本発明のステンレス鋼線においては、更に質量%で、Cu:3.0%以下、Co:2.5%以下、Al:2.0%以下、B:0.012%以下の内、1種類以上を含有することができる。
Cuは、加工転位のすべり変形を促進して、鋼線のねじり加工性を顕著に向上させる。しかしながら、Cuは、3.0%を超えて含有すると、製品の強度が低下する。そのため、Cuは、必要に応じて3.0%以下の範囲で含有させる。Cu含有量の好ましい範囲は、0.1〜2.5%であり、更に好ましくは0.2〜2.0%である。
本発明のステンレス鋼線においては、更に質量%で、Mo:3.0%以下、W:2.5%以下、Sn:2.5%以下の内、1種類以上を含有することができる。
Moは、耐食性を向上させる。しかしながら、3.0%を超えてMoを含有すると、その効果は飽和するばかりか、逆に鋼線のねじり加工性が劣化する。そのため、必要に応じて3.0%以下の範囲でMoを含有させる。Mo含有量の好ましい範囲は、0.1〜2.7%であり、更に好ましくは0.5超、2.5%以下である。
本発明のステンレス鋼線においては、炭窒化物を形成して結晶粒径を微細にして鋼線のねじり加工性を改善するため、必要に応じて、Ti:1.0%以下,V:2.5%以下,Nb:2.5%以下,Ta:2.5%以下の内、1種類以上を含有させる。しかしながら、これらの元素を、上限を超えて含有させると粗大介在物が生成し、鋼線のねじり加工性が低下する。好ましい各元素の範囲は、Ti:0.03〜0.7%、V:0.04〜1.5%、Nb:0.04〜1.5%、Ta:0.04〜1.5%であり、更に好ましくは、Ti:0.05〜0.5%,V:0.08〜0.9%,Nb:0.08〜0.9%,Ta:0.08〜0.9%である。
本発明のステンレス鋼線においては、脱酸のため、必要に応じて、Ca:0.012%以下,Mg:0.012%以下,Zr:0.012%以下,REM:0.05%以下の内、1種以上を含有させる。しかしながら、これらの元素を、各上限を超えて含有すると粗大介在物が生成して鋼線のねじり加工性が低下する。好ましい範囲は、Ca:0.0004〜0.010%、Mg:0.0004〜0.010%、Zr:0.0004〜0.010%、REM:0.0004〜0.05%であり、更に好ましくはCa:0.001〜0.005%,Mg:0.001〜0.005%,Zr:0.001〜0.005%,REM:0.001〜0.05%である。
本発明のステンレス鋼線材は、上記の何れかの成分組成を有し、上記(a)式で表されるMd30値が−40〜10であり、上記(b)式で表されるTW値が0〜60であり、且つ、鋼表層から10μm深さのMn濃度と、鋼線材断面中心部のMn濃度との差が2質量%以内であるものである。
なお、線材の段階で表層の脱Mn化が大きい時は、シェービング加工(皮剥き)により脱Mn層を除去することも有効である。しかし、生産性およびコストの点からシェービング加工を行わないことが好ましい。
本発明のステンレス鋼線材の製造方法では、上記の何れかの成分組成を有するビレットを1000〜1280℃で150分以内加熱する。線材圧延用のビレット加熱条件について、1000℃未満では線材圧延時に割れが生じ、1280℃を超えると線材表層の脱Mn層が発達し、これを素材として用いた鋼線においても表層脱Mn層が残存し、鋼線のねじり加工性を劣化させる。また、ビレットの加熱時間(加熱炉での在炉時間)が150分を超えても鋼線において表層脱Mn層が残存する。ビレットの加熱時間は30〜120分が好ましい。
線材圧延直後、または、短時間熱処理直後に水冷しないと炭窒化物が生成し、鋼線のねじり加工性が劣化し易い。
短時間熱処理は、950〜1150℃で600s以下とする。好ましい短時間熱処理範囲は、1000〜1100℃,10〜300sである。950℃未満の短時間熱処理では、炭窒化物が生成し、鋼線のねじり加工性が劣化し易い。一方、1150℃超の温度や600sを超える時間で短時間熱処理を行うと、表層の脱Mn層が発達し、鋼線の表層脱Mn層に影響を及ぼす。例えば、線材圧延後にオフライン熱処理を施す場合には、線材の急速加熱が困難であるため600s以下の熱処理時間とすることが難しく、表層の脱Mn層が発達し、鋼線の表層脱Mn層に影響を及ぼす恐れがある。
この場合、線材圧延し、冷却した後の線材は、表層に脱Mn層が発達しているため、鋼表層が硬質化したものとなっている。したがって、圧延し、冷却した後の線材は、鋼表層と鋼線材断面中心部とのMn濃度の差が大きく、鋼表層から10μm深さのMn濃度と、鋼線材断面中心部のMn濃度との差が2質量%以内のものとならない。このため、上記の製造方法では、線材圧延し、冷却した後、シェービング加工を行うことで、硬質化した表層部を除去し、鋼表層から10μm深さのMn濃度と、鋼線材断面中心部のMn濃度との差を2質量%以内としている。
本発明のステンレス鋼線を安価に得るには、連続伸線機を用いて上記のステンレス鋼線材を連続伸線する工程を行う。連続伸線する工程では、当該連続伸線機に設置されている複数の伸線ダイスのうち、少なくとも第2番目〜第5番目の伸線ダイスの入り温度を10〜70℃に制御するとともに、総伸線率を50〜90%にする。このような連続伸線工程を行うことにより、加工誘起変態双晶が促進され、加工誘起マルテンサイト量が抑制された金属組織を有するねじり加工性に優れた本発明のステンレス鋼線が得られる。
表1および表2に実施例の鋼の化学組成を示す。
本発明例の鋼線の製品では、全て1600〜2100MPaあり、強度特性に優れていた。
α’量(vol.%)=σs/σs(bcc)×100 ・・・・(1)
σs;飽和磁化値(T),σs(bcc);100%α‘変態した時の飽和磁化値(計算値)
σs(bcc)=2.14−0.030Creq ・・・・(2)
Creq=Cr+1.8Si+Mo+0.5Ni+0.9Mn+3.6(C+N)
+1.25P+2.91S+1.85Al+1.07V ・・・・(3)
但し、(3)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。また、(3)式において当該元素を含有しない場合は0を代入する。
本発明の鋼線の製品では、マルテンサイト量は30体積%未満であった。
本発明の鋼線製品では、鋼線表層のビッカース硬さが鋼線直径の1/4部のビッカース硬さよりも25〜125Hv低かった。
本発明の線材および鋼線製品では、表層から10μm部と鋼線断面中心部とのMn濃度差は2%(質量%)以内であった。
本発明の鋼線製品において、全て加工誘起変態双晶が観察され、○であった。
本発明の鋼線製品においては、縦割れすることなく、5回以上のねじり回数を示し、優れたねじり加工性を示した。
比較例No.52、61ではビレット加熱温度が低いため、圧延できなかった。
比較例No.53、62ではビレット加熱温度高いが低いため、また比較例No.54、63ではビレット加熱時間が長いため、線材断面のMn濃度差、鋼線断面内の硬度差,鋼線断面のMn濃度差が大きく、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.56、65ではインライン熱処理温度が高いため、また、比較例No.57、66ではインライン熱処理時間が長いため、線材断面のMn濃度差、鋼線断面内の硬度差,鋼線断面のMn濃度差が大きく、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.69では総減面率が低いため、鋼線の引張強さが不十分であった。
比較例No.70では総減面率が高いため、鋼線の引張強さが強すぎ、割れが発生した。
比較例No.60、71では水冷後にオフライン熱処理を行ったため、線材断面のMn濃度差、鋼線断面内の硬度差,鋼線断面のMn濃度差が大きく、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.72ではMd30が小さいため、鋼線の引張強さが不十分であった。
比較例No.73ではMd30が大きいため、加工誘起マルテンサイト量が多く、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.74ではTWが小さいため、鋼線断面内の硬度差が大きく、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.75ではTWが大きいため、鋼線の引張強さが不十分であり、加工誘起変態双晶が観察されなかった。
比較例No.77ではC含有量が多いため、鋼線の引張強さが強すぎ、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.78ではSi含有量が少ないため、比較例No.79ではSi含有量が多いため、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.80ではMn含有量が少ないため、加工誘起マルテンサイト量が多く、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.81ではMn含有量が多いため、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.83ではNi含有量が多いため、高コストである。
比較例No.84ではCr含有量が少ないため、耐食性不良となった。
比較例No.85ではCr含有量が多いため、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
比較例No.87ではN含有量が多いため、ブローボールが生成し、圧延できなかった。
比較例No.88ではCu含有量が多いため、鋼線の引張強さが不十分であった。
比較例No.89〜102では、それぞれCo、Al、B、Mo、W、Sn、Ti、V、Nb、Ta、Ca、Mg、Zr、REMの各含有量が多いため、ねじれ回数が5回未満となり割れが発生した。
Claims (8)
- 質量%で、
C:0.03〜0.15%、
Si:0.10〜1.5%、
Mn:5%超〜15%、
Ni:1%以上、5%未満、
Cr:10.5〜20%、
N:0.05〜0.35%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、
下記(a)式で表されるMd30値が−40〜10であり、
下記(b)式で表されるTW値が0〜60であり、
引張強さが1600〜2100MPa、加工誘起マルテンサイト量が30vol.%未満、鋼線表層から10μm深さのMn濃度と、鋼線断面中心部のMn濃度との差が2質量%以内であり、表層から0.05mm深さのビッカース硬さが鋼線直径の1/4部のビッカース硬さよりも25〜125Hv低いことを特徴とするねじり加工性に優れるステンレス鋼線。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo ・・・・(a)
TW=26+2Ni+410C+19Cu+9Mo−Cr−80N−13Si−Mn
・・・・・・(b)
但し、(a)式および(b)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。 - 更に質量%で、
Cu:3.0%以下、
Co:2.5%以下、
Al:2.0%以下、
B:0.012%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。 - 更に質量%で、
Mo:3.0%以下、
W:2.5%以下、
Sn:2.5%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする請求項1または2記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。 - 更に質量%で、
Ti:1.0%以下、
V:2.5%以下、
Nb:2.5%以下、
Ta:2.5%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。 - 更に質量%で、
Ca:0.012%以下、
Mg:0.012%以下、
Zr:0.012%以下、
REM:0.05%以下の内、1種類以上を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のねじり加工性に優れるステンレス鋼線。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載の成分組成を有し、
下記(a)式で表されるMd30値が−40〜10であり、
下記(b)式で表されるTW値が0〜60であり、
且つ、鋼表層から10μm深さのMn濃度と、鋼線材断面中心部のMn濃度との差が2質量%以内であることを特徴とするステンレス鋼線材。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn
−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo ・・・・(a)
TW=26+2Ni+410C+19Cu+9Mo−Cr−80N−13Si−Mn
・・・・・・(b)
但し、(a)式および(b)式中の元素記号は、当該元素の鋼中における含有質量%を意味する。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載の成分組成を有するビレットを1000〜1280℃で150分以内加熱し、
加熱後の該ビレットを圧延終了温度950℃以上で線材圧延した後、水冷する、または、950〜1150℃で600s以下の短時間熱処理を施して水冷することを特徴とするステンレス鋼線材の製造方法。 - 請求項6に記載のステンレス鋼線材を、連続伸線機を用いて連続伸線する工程を有するステンレス鋼線の製造方法であって、
前記連続伸線する工程は、当該連続伸線機に設置されている複数の伸線ダイスのうち、少なくとも第2番目〜第5番目の伸線ダイスの入り温度を10〜70℃に制御するとともに、総伸線率を50〜90%にすることを特徴とするねじり加工性に優れるステンレス鋼線の製造方法。
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