JP2017160491A - 加工性に優れた高強度ステンレス鋼材とその製造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Sheet Steel (AREA)
Abstract
Description
γmax(%)=420×〔C〕−11.5×〔Si〕+7×〔Mn〕+23×〔Ni〕−11.5×〔Cr〕−12×〔Mo〕+9×〔Cu〕−49×〔Ti〕−52×〔Al〕+470×〔N〕+189・・・(1)
(ここで〔 〕は、元素の質量%を示す)
γmax(%)=420×〔C〕−11.5×〔Si〕+7×〔Mn〕+23×〔Ni〕−11.5×〔Cr〕−12×〔Mo〕+9×〔Cu〕−49×〔Ti〕−52×〔Al〕+470×〔N〕+189・・・(1)
(ここで〔 〕は、元素の質量%を示す)
本実施形態の高強度ステンレス鋼材は、質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜4.0%、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01〜4.0%、Cr:10〜20%、Mo:1.0%以下、N:0.12%以下、B:0.003〜0.01%を含有し、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.05〜0.2%、V:0.05〜0.2%を少なくとも一種以上含有する、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼材であって、フェライト相とマルテンサイト相の2相の金属組織を有し、下記(1)式により計算されるγmax(%)が50以上85以下を満足する高強度ステンレス鋼材である。
γmax(%)=420×〔C〕−11.5×〔Si〕+7×〔Mn〕+23×〔Ni〕−11.5×〔Cr〕−12×〔Mo〕+9×〔Cu〕−49×〔Ti〕−52×〔Al〕+470×〔N〕+189・・・(1)
(ここで〔 〕は、元素の質量%を示す)
Crは、ステンレス鋼としての耐食性および強度を確保するために含有される元素である。Cr含有量が低すぎると、酸化皮膜の形成が困難になり、優れた耐食性が得られなくなる。この観点からCr含有量は10.0質量%以上が好ましい。一方、Crの含有量が高すぎると、マルテンサイト相を生成させて高強度を得るために、NiやMnなどのオーステナイト生成元素が多量に必要となると共にステンレス鋼材の靭性も低くなってしまう。そのため、Cr含有量は20.0質量%以下が好ましい。
Cは、強力なオーステナイト生成元素であるため、金属組織中のマルテンサイト相の割合を増加させる。また、Cは、固溶強化効果を発揮するため、マルテンサイト相およびフェライト相の両相の強度を高めるのに有効である。このような観点から、Cの含有量は、0.01質量%以上であると好ましい。一方、本実施形態のステンレス鋼材の耐食性を十分に高める観点から、Cの含有量は、0.15質量%以下が好ましい。本実施形態のステンレス鋼材の製造方法において、鋼片に熱処理を施す際、加熱によりクロム炭化物が固溶する。Cの含有量が0.15質量%を超えると、複相化の熱処理をした後の冷却時に、クロム炭化物がフェライトまたはオーステナイト相の粒界に再析出しやすくなる。その結果、当該粒界近傍にCr欠乏層が生じ、耐食性が低下するため、0.15質量%以下とした。
Siは、脱酸目的で添加される成分である。また、Siは、マルテンサイト相を硬くすると共に、オーステナイト相にも固溶してこれを硬化する。さらに、時効硬化の際には、歪時効により時効硬化能を促進する。これらの効果を有効に発揮する観点から、Siの含有量は0.1質量%以上であると好ましい。一方、過多に添加されると、ステンレス鋼材の加工性を低下させて高温割れを招く恐れがあり、マルテンサイト相が過多に形成されるため、Siの含有量は、2.0質量%以下が好ましい。
本実施形態のステンレス鋼材は、Mnを0.1質量%〜4.0質量%、Niを0.01質量%〜4.0質量%含有する。Mn、Niは、オーステナイト生成元素として機能するものである。これらの元素を含有することにより、本実施形態のステンレス鋼材は、高温でフェライト相とオーステナイト相との2相からなる金属組織を有することが可能となる。また、Mn、Niの含有割合が増加するほど、冷却後にマルテンサイト相が増加するため、鋼材の強度が高くなる。これらの効果を有効に確保するため、Mnの含有量は、0.1質量%以上が好ましく、Niの含有量は、0.01質量%以上が好ましい。また、MnとNiの割合は、CrおよびCの含有量に応じて一定量であることが好ましい。一方、金属組織中のマルテンサイト相が多くなりすぎると、強度は十分得られるものの延性が低下する。この延性低下の観点から、Mn、Niは、それぞれ4.0質量%以下が好ましく、Mnの含有量は、2.0質量%以下がより好ましい。
本実施形態のステンレス鋼材はMoを1.0質量%以下含有しても良い。Moは、ステンレス鋼材のステンレス鋼の耐食性を高めるのに有効である。この効果を発揮する観点から、0.0質量%を超えて含有しても良い。一方、Moはフェライト生成元素であるため、金属組織でマルテンサイト相の割合を減らし、強度が低下するため1.0質量%以下とする。
P、Sは、鋼材の脆性を防止する観点から少ないほどよく、Pの含有量は、0.04質量%以下が望ましく、Sの含有量は、0.03質量%以下が望ましい。
Nは、強力なオーステナイト生成元素であるため、金属組織においてマルテンサイト相の割合を増加させる。また、固溶強化効果を発揮するため、マルテンサイト相の強度を高めるのに有効である。一方、多量に添加すると、鋼材表面の欠陥を増加させる要因となる。そのため、Nの含有量を0.12質量%以下とした。
Bは、結晶粒界の安定度を高め、オーステナイト相が粒界に析出するのを抑え、粒内にオーステナイト相を析出させ微細分散する効果があるため、0.003質量%以上含有する。しかし、0.01質量%を超えると、溶接高温割れを起こす。そのため、Bの含有量を0.01質量%以下とした。
Ti、AlまたはVの少なくとも1種以上は、良好な加工性を確保する観点で添加される元素である。Alは、Nを固定する作用があり、また、Ti、Vは、NおよびCを固定する作用があり、ステンレス鋼材の高純度化に寄与する。さらに、これらの元素は、フェライト相とオーステナイト相の2相が存在する温度域を狭める効果を有するので、冷却時オーステナイト相の成長を抑制し、オーステナイト相の微細分散に寄与する。そのため、各元素の含有量は、0.05質量%以上が好ましい。一方、0.2%を超えて添加されると、加工性の低下に繋がる。そのため、各元素の含有量を0.05〜0.2質量%とした。
Cuは、オーステナイト生成元素として機能し、高温でフェライト相とオーステナイト相との2相からなる金属組織の形成に寄与する。また、金属組織でマルテンサイト相を増加させるので、含有しても良い。一方、3.0質量%を超えると、耐食性および加工性低下の要因となるため、Cuの含有量は、3.0質量%以下が好ましい。
Nbは、CおよびNを固定し、耐食性を向上させる作用を有するから、含有しても良い。一方、1.0質量%を超えると、加工性や靭性を低下させるため、Nbの含有量は、1.0質量%以下が好ましい。
上記(1)式で表されるγmax(%)は、1100℃程度に加熱保持した場合に生成するオーステナイト相の割合を表す指標である。(1)式の〔 〕は、元素記号で示された各元素の含有量である質量%を示す。γmaxが100以上の場合はオーステナイト単相とみなすことができ、γmaxが0以下の場合はフェライト単相とみなすことができる。γmaxが0〜100の範囲では、常温下のステンレス鋼材は、フェライト相とマルテンサイト相との2相からなる組織を有するとみなせる。本実施形態のステンレス鋼材は、高い強度および良好な加工性を得るために、γmaxが50〜85であることが好ましい。γmaxが50未満では、十分な強度を有するステンレス鋼材が得られない。その一方で、γmaxが85を超えると、金属組織におけるマルテンサイト相の割合が増えすぎて加工性が損なわれるので、好ましくない。
次に、本実施形態のステンレス鋼材の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、ステンレス鋼材に、フェライト相とマルテンサイト相の2相組織を形成するための複相化処理を施す工程を備えている。必要成分として質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜4.0%、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01〜4.0%、Cr:10〜20%、Mo:1.0%以下、N:0.12%以下、B:0.003〜0.01%を含有し、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.05〜0.2%、V:0.05〜0.2%を少なくとも一種以上含有する、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、上記(1)式により計算されるγmaxが50以上85以下を満足するステンレス鋼片に対して、フェライト相とマルテンサイト相の2相組織とするための複相化処理を施すことにより、高強度であって、加工性に優れるステンレス鋼材を製造できる。
<ステンレス鋼板の作製>
表1に示す組成を有する鋼を30kg真空溶解炉で溶製してインゴットを鋳造した。得られたインゴットをスラブに分塊し、そのスラブを1200℃に3時間で加熱した後、抽出し、仕上げ温度を920℃で熱間圧延を施して、板厚約4.5mmの熱延鋼板を得た。次いで、熱延鋼板に対して、800℃で6時間の均熱処理を施した後、炉冷した。次いで、焼鈍処理を施し、さらに酸洗後、冷間圧延を施して、1.8mmの第一の冷延板を得た。得られた第一に対して、770℃で1分間の焼鈍処理を施し、酸洗後、冷間圧延を施して、板厚が約1.0mmの第2の冷延板を得た。
得られた各鋼板を用いて、曲げ試験をJIS Z 2248に準拠して行った。鋼板を幅30mm(圧延方向)×長さ(60mm板幅方向)の矩形に切削加工して試験片を作製した。先端部が0.2mmR、90°のVブロック型治具の先端部に上記の試験片を押し付けて、90°に曲げることにより、曲げ試験を行った。この曲げ試験は、曲げ稜線が圧延方向と平行になるようにして行った。曲げ試験後の鋼材表面を拡大鏡(倍率20倍)で観察し、クラックの発生の有無を確認した。
得られた各鋼板を用いて、JIS Z−2240に準拠して、試験荷重30kgでビッカース硬さ(HV)を測定した。
表2に示す組成を有する鋼を用いた。本発明例の鋼材No.11は、AlとBを複合添加した例であり、比較例の鋼材No.12は、Alの単独添加の例である。両者の鋼材におけるγmaxが同程度となるようにNi含有量を調整した。鋳造後のスラブ加熱温度として、実施例1と同様の手順で、複相化処理が施されたステンレス鋼板を得た。加熱時間は、3時間である。(a)鋳造後のインゴット(as cast材)、(b)加熱後の抽出スラブ(熱延前抽出材)、(c)複相化処理が施された鋼板(複相化処理材)、のそれぞれからサンプルを採取した。
得られたステンレス鋼板を用いて、JIS13号B引張試験片を採取した。引張り試験片は、圧延方向(L方向)を引張方向とするとき、圧延方向と直交する方向(T方向)を引張方向とするときの2種類の試験片を用意した。JIS Z 2241に準拠して、引張り試験を実施し、L方向およびT方向における、0.2%耐力(N/mm2)、引張強さ(N/mm2)、伸び(%)を求めた。また、実施例1と同様の硬さ試験により、ビッカース硬さ(HV)を求めた。得られた結果を表3に示す。異方性に関しては、T方向の数値とL方向の数値との比(T/L)により示す。
サンプルの表面をフッ酸と硝酸の混合液でエッチングして、金属顕微鏡で組織を観察した。観察した写真を図3に示す。
2 T方向
3 板材
Claims (8)
- 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜4.0%、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01〜4.0%、Cr:10〜20%、N:0.12%以下、B:0.003〜0.01%を含有し、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.05〜0.2%、V:0.05〜0.2%を少なくとも一種以上含有する、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有するステンレス鋼材であって、
フェライト相とマルテンサイト相の2相の金属組織を有し、下記(1)式により計算されるγmax(%)が50以上85以下を満足する、加工性に優れる高強度ステンレス鋼材。
γmax(%)=420×〔C〕−11.5×〔Si〕+7×〔Mn〕+23×〔Ni〕−11.5×〔Cr〕−12×〔Mo〕+9×〔Cu〕−49×〔Ti〕−52×〔Al〕+470×〔N〕+189・・・(1)
(ここで〔 〕は、元素の質量%を示す) - さらに、質量%で、Moを1.0%以下含有する、請求項1に記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材。
- さらに、質量%で、Cuを3.0%以下含有する、請求項1または2に記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材。
- さらに、質量%で、Nbを1.0%以下含有する、請求項1〜3のいずれかに記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材。
- 質量%で、C:0.03〜0.15%、Si:0.1〜2.0%、Mn:0.1〜4.0%、P:0.04%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01〜4.0%、Cr:10〜20%、N:0.12%以下、B:0.003〜0.01%を含有し、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.05〜0.2%、V:0.05〜0.2%を少なくとも一種以上含有する、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、下記(1)式により計算されるγmax(%)が50以上85以下を満足するステンレス鋼片に、フェライト相とマルテンサイト相の2相組織とするための複相化処理を施す工程を備える、加工性に優れる高強度ステンレス鋼材の製造方法。
γmax(%)=420×〔C〕−11.5×〔Si〕+7×〔Mn〕+23×〔Ni〕−11.5×〔Cr〕−12×〔Mo〕+9×〔Cu〕−49×〔Ti〕−52×〔Al〕+470×〔N〕+189・・・(1)
(ここで〔 〕は、元素の質量%を示す) - さらに、質量%で、Moを1.0%以下含有する、請求項5に記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材の製造方法。
- さらに、質量%で、Cuを3.0%以下含有する、請求項5または6に記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材の製造方法。
- さらに、質量%で、Nbを1.0%以下含有する、請求項5〜7のいずれかに記載の加工性に優れる高強度ステンレス鋼材の製造方法。
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