JP2015196870A - ばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材、及びその製造方法、ならびにばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.21%以下、Si:0.05〜3.2%、Mn:1%超〜15%、Ni:0.5%以上、5%未満、Cr:10〜25%、Mo:3.0%以下、Cu:3.0%以下、N:0.02〜0.35%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなし、下記(a)式で表されるγ中のMd30値が−15〜40であり、α、γ粒径が10μm以下で、γ量が30〜80%体積%の線材であり、引張強さが1600〜2100MPa、加工誘起マルテンサイト量が1〜40vol.%、α量が20〜70vol.%、α、γ、α’粒径が5μm以下である疲労特性に優れる高強度(精密ばね用)複相ステンレス鋼線。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr―18.5Mo ・・・・ (a)
【選択図】なし
Description
特許文献3に記載の技術は、複相組織のうちオーステナイト(γ)量を制御し、高強度化を図っている。しかしながら、特許文献3に記載の技術では、さらなる高強度化を望む近年の要求強度を満たしてないばかりか、疲労特性が十分でない。
本発明の要旨は下記のとおりである。
C :0.21%以下、
Si:0.05〜3.2%、
Mn:1%超〜15%、
Ni:0.5%以上、5%未満、
Cr:10〜25%、
Mo:3.0%以下、
Cu:3.0%以下、
N :0.02〜0.35%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、
金属組織がフェライト相及びオーステナイト相を備え、前記オーステナイト相率が30〜80vol.%であり、下記(a)式で示される前記オーステナイト相中のMd30値が−15〜45であり、前記フェライト相、前記オーステナイト相において、線材の横断面方向の平均粒径が10μm以下であることを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr―18.5Mo ・・・・ (a)
但し、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。
[2] 更に質量%で、
Co:2.5%以下、
Al:0.001〜2.0%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上記[1]に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
[3] 更に質量%で、
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上記[1]または[2]に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
[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上記[1]〜[3]の何れか一項に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
[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上記[1]〜[4]のいずれか一項に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
ビレットを1000〜1280℃で300分以内在炉させることで加熱し、
前記加熱後の前記ビレットを熱間線材圧延で99.0%以上の減面率で熱間加工した後、
水冷、または、溶体化処理として950〜1150℃で600s以下のインライン熱処理を施して水冷することを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材の製造方法。
引張強さが1600〜2300MPaで、
金属組織が、フェライト相、オーステナイト相及び加工誘起マルテンサイト相から構成される複相組織を有し、前記フェライト相率が20〜70vol.%、前記加工誘起マルテンサイト相率が1〜40vol.%、残部金属組織が前記オーステナイト相及び不可避的析出相からなり、
前記複相組織の鋼線の横断面方向の平均粒径が5μm以下であることを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線。
また、本発明による高強度複相ステンレス線材及びステンレス鋼線は、廉価かつ強度とばね疲労特性に優れるため、当該鋼線をばね部品等に適用することで、強度と耐疲労特性に優れたばね等の部品を安価に提供する効果を持つ。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr―18.5Mo ・・・・ (a)
但し、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。
以下に、先ず、成分組成の限定理由について説明する。
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。
また、上述してきた元素以外の任意添加元素について、代表的なものを上記[2]〜[5]にて説明したが、詳細を以下で説明する。なお、本明細書中に記載されていない元素であっても、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることが出来る。
Ca,Mg,Zr,REM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1種以上を含有させる。しかしながら、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疲労特性が低下する。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。
線材の金属組織において、オーステナイト相率を30〜80vol.%に限定する。オーステナイト相率が30vol.%未満では、強度特性に劣るばかりか、熱間製造性を得られない。一方、オーステナイト相率が80vol.%を超えると粒径が大きくなり、疲労特性が劣化する。そのため、オーステナイト相率の上限を80vol.%に限定する。オーステナイト相率の好ましい範囲は40〜73vol.%以下である。
なお、本実施形態に係る線材を用いて製造された鋼線の金属組織については後述することとする。
本実施形態に係る線材において、オーステナイト相中のMd値は、−15〜40に限定する。
Md30値は、伸線後の加工誘起マルテンサイト量と成分の関係をそれぞれ調査して得られた指標であり、高強度と鋼線の疲労特性を安定的に確保するために制御する必要がある。
α粒径、γ粒径において、粒径の微細化は疲労特性の向上に寄与する。つまり、α相及びγ相の平均粒径が10μm以下の場合、疲労特性は良好になる。しかし、α相及びγ相の平均粒径が10μmを超えると疲労特性の劣化に加え、強度も劣位となる。そのため、α相及びγ相の平均粒径を10μm以下に限定する。α相及びγ相の平均粒径好ましい範囲は5μm以下とする。なお、α相及びγ相の平均粒径の下限は特に限定せず、小さければ小さいほど上記効果を十分に享受できる。
α相及びγ相の平均粒径(μm)=L/N ・・・ (F)
本実施系形態に係る高強度複相ステンレス鋼線材を廉価に得るには、α、γ結晶粒径を微細にするように線材製造条件を制御することが重要である。
上記化学成分を有するビレットと加熱する際、加熱温度が1000℃未満では線材圧延時の割れが生じてしまう。一方、加熱温度が1280℃を超えると結晶粒が発達し、粗大結晶粒が残存し、鋼線の疲労特性を劣化させる。そのため、ビレットの加熱温度が1000〜1280℃の範囲内とする。
また、加熱する際のビレットの在炉時間が300分を超えても鋼線において粗大結晶粒が残存する。従って、ビレットを加熱する際は、加熱温度範囲を1000〜1280℃の範囲内とするとともに、在炉時間が300分以内となるように厳格に管理することが必要である。
なお、ビレット加熱時の条件の好ましい範囲は、加熱温度1000〜1280℃で、在炉時間200分以内である。
熱間線材圧延での減面率の合計が99%未満になると材料の粒径の均一化が不足し、疲労特性が劣位になる。そのため、熱間線材圧延での減面率を99%以上とし、更に、好ましくは99.5〜99.99%とする。
また、熱処理温度950℃未満のインライン熱処理でも炭窒化物が生成し、鋼線の疲労特性が劣化し易い。一方、1150℃超や600sを超えた条件でインライン熱処理すると、結晶粒径が粗大化する。また、熱間線材圧延後にオフライン熱処理を施す場合も同様に結晶粒径が粗大化する。そのため、溶体化処理としてインライン処理と行う場合、熱処理条件を950〜1150℃、600s以下とする。なお、好ましいインライン熱処理条件の範囲は、1000〜1100℃、300s以下である。
本実施形態に係る鋼線は、引張強さが1600〜2300MPaで、金属組織が、フェライト相、オーステナイト相及び加工誘起マルテンサイト相から構成される複相組織を有し、フェライト相率が20〜70vol.%、加工誘起マルテンサイト相率が1〜40%、残部金属組織がオーステナイト相及び不可避的析出相からなり、複相組織の鋼線の横断面方向の平均粒径が5μm以下である。
以下、各構成要件について説明する。
なお、引張強さの測定方法は、圧延方向と平行方向にJIS13B引張試験片を用いてJIS Z 2241に準拠した引張試験により測定することができる。N数は3以上として平均値をとることとしてよい。
加工誘起マルテンサイト量について、1vol.%未満では、強度を得られないため、加工誘起マルテンサイト相率は1vol.%以上とする。一方、40vol.%を超えると靭性が劣化し、疲労特性に劣る。そのため、加工誘起マルテンサイト相率の上限を40vol.%に限定する。加工誘起マルテンサイト相率の好ましい範囲は、1〜35vol.%以下である。
鋼線のα、γ、α’平均粒径(複相組織の平均粒径)において、粒径の微細化は疲労特性の向上に寄与する。つまり、α、γ、α’平均粒径が5μm以下の場合、疲労特性は良好になる。α、γ、α’平均粒径が5μmを超えると疲労特性の劣化に加え、強度も劣位となる。そのため、α、γ、α’平均粒径を5μm以下に限定する。α、γ、α’平均粒径の好ましい範囲は2μm以下とする。
平均粒径(μm)=L/N ・・・ (F)
表1、表2に実施例の鋼の化学組成、Md30値を示す。なお、表中の下線は本発明範囲から外れているものと示す。
その後、φ4.0mmまで冷間で伸線加工を施し、1050℃で3分の中間ストラウンド焼鈍を施し、引き続き2.0mmまで冷間で伸線加工を施した。その後、大気にて400℃で30分の時効処理を行い、高強度ステンレス鋼線の製品とした。
その評価結果を表4〜6に示す。オーステナイト相率(γ分率)については表1及び表2に示す。
表1及び表2に示す成分組成の鋼A及び鋼Eのφ180mmの鋳片を、表3に示すビレット加熱温度と保持時間(ビレット加熱時間)でビレットを加熱し、各線材圧延減面率で熱間線材圧延し、1000℃で熱間圧延を終了した。その後、溶体化処理(均一化熱処理)として900℃、1000℃、1050℃、1150℃、1200℃のいずれかの温度で300s保持した後に水冷し、酸洗を行い線材とした。
そして、得られた線材のα、γ粒径を測定した。その評価結果を表3に示す。粒径が5μm以下の場合を(◎),5〜10μmの場合を(○)、10μmを超える場合を(×)として評価した。
表4〜6に示すとおり、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−σ1050)/σs(bcc)}×100 ・・・ (A)
α 量(vol.%)={σ1050/σs(bcc)}×100 ・・・ (B)
γ 量(vol.%)=100−{σ1050/σs(bcc)×100} ・・・ (C)
ここで、σs:製品の飽和磁化値(T),σ1050:製品を1050℃×3分の熱処理した材料の飽和磁化値(T),σs(bcc):γが100%マルテンサイト(α’)変態した時の飽和磁化値(計算値)
σs(bcc)=2.14−0.030Creq ・・・ (D)
Creq=Cr+1.8Si+Mo+0.5Ni+0.9Mn+3.6(C+N)+1.25P+2.91S+1.85Al+1.07V・・(E)
表4〜6に示すとおり、本発明の線材の線品では、γ量は30〜80体積%であり、鋼線の製品では、α’量は1〜40体積%であり、α量は20〜70体積%であった。
表4〜6に示すとおり、本発明の範囲内であるNo.1〜6、15〜56の鋼線の疲労特性は◎または○であり、疲労特性に優れていた。特に、回転曲げ応力600N/mm2で破断しないことは、ピアノ線相当以上の耐疲労特性を有することを示すものであり、従来ステンレス鋼線では難しいとされていたピアノ線代替として使用できる可能性のあるものである。そのため、産業上非常に有効である。
平均粒径(μm)=L/N ・・・ (F)
表4〜6に示すとおり、本発明の線材の線品では、粒径は10μm以下であり、鋼線の製品の粒径は5μm以下であった。
Claims (7)
- 質量%で、
C :0.21%以下、
Si:0.05〜3.2%、
Mn:1%超〜15%、
Ni:0.5%以上、5%未満、
Cr:10〜25%、
Mo:3.0%以下、
Cu:3.0%以下、
N :0.02〜0.35%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、
金属組織がフェライト相及びオーステナイト相を備え、前記オーステナイト相率が30〜80vol.%であり、下記(a)式で示される前記オーステナイト相中のMd30値が−15〜45であり、前記フェライト相、前記オーステナイト相において、線材の横断面方向の平均粒径が10μm以下であることを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr―18.5Mo ・・・・ (a)
但し、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、
Co:2.5%以下、
Al:0.001〜2.0%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に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。 - 更に質量%で、
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に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。 - 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の何れか一項に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。 - 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のいずれか一項に記載のばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材。 - 請求項1〜5の何れか一項に記載の高強度複相ステンレス鋼線材の製造方法であって、
ビレットを1000〜1280℃で300分以内在炉させることで加熱し、
前記加熱後の前記ビレットを熱間線材圧延で99.0%以上の減面率で熱間加工した後、
水冷、または、溶体化処理として950〜1150℃で600s以下のインライン熱処理を施して水冷することを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線材の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の化学成分を有し、
引張強さが1600〜2300MPaで、
金属組織が、フェライト相、オーステナイト相及び加工誘起マルテンサイト相から構成される複相組織を有し、前記フェライト相率が20〜70vol.%、前記加工誘起マルテンサイト相率が1〜40vol.%、残部金属組織が前記オーステナイト相及び不可避的析出相からなり、
前記複相組織の鋼線の横断面方向の平均粒径が5μm以下であることを特徴とするばね疲労特性に優れた高強度複相ステンレス鋼線。
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