JP2571949B2 - 打抜き加工性に優れた高強度ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は優れた打抜き加工性と高強度とを必要とする
材料として好適なフエライト−マルテンサイトの２相系
析出硬化型のステンレス鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、耐食性と高強度とを必要とするばね材料や構造
材料に使用されている高強度ステンレス鋼としては次の
ようなものが代表的である。

（ａ）SUS301鋼に代表される加工硬化型のステンレス鋼 （ｂ）17−4PH鋼,17−7PH鋼に代表される析出硬化型の
ステンレス鋼。

これらの材料を使用してばね部材や構造部材に加工す
る際には打抜き，切断，成形など種々の加工を施すの
で、材料としては加工時に硬さが低く、加工後に硬さが
高くなるものが望まれている。

特に近年は、用途の拡大に伴い高強度ステンレス鋼は
加工の厳しい用途に使用されるに至り、益々加工性の優
れた材料の要求が高くなつている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに上記鋼のうち、（ａ）の鋼は焼鈍状態でのオ
ーステナイトを冷間加工により硬質のマルテンサイトに
変態させて高強度を得るものであるので、高強度を得る
ためには強度の冷間加工を施して多量のマルテンサイト
を形成させなければならない。しかしながら、強度の冷
間加工を施すと硬さが著しく上昇し、打抜き時に使用す
る金型の摩耗が大きくなるほど打抜き性が低下する。

これに対して（ｂ）の鋼はAl,Cu等の析出硬化元素を
添加して、加工後の時効処理により炭化物や金属間化合
物を析出させて高強度を得るものであるので、時効前の
打抜き性，加工性は前記（ａ）の鋼より優れている。こ
の（ｂ）の鋼のうち高強度のものとして使用されている
ものは、マルテンサイト系（例えば17−4PH鋼），セミ
オーステナイト系（例えば17−7PH鋼）などがあるが、
マルテンサイト系は硬質で延性が小さいため強度の加工
を加えたり、複雑な形状に成形したりするのが困難であ
る。一方、セミオーステナイト系は焼鈍状態ではマルテ
ンサイト系より延性が優れているが、充分な時効硬化を
得るためには強度の冷間加工を施して多量のマルテンサ
イトを形成させなければならず、そのため前記（ａ）の
加工硬化型の材料と同様に硬さが上昇するため打抜き加
工性は不十分であつた。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は従来鋼と同等の最終硬さを有し、打抜き加工
性を更に向上させた高打抜き加工性，高強度のステンレ
ス鋼を提供することを課題とする。

本発明者らは析出硬化型ステンレス鋼において、時効
処理によりビッカース硬さ400以上の硬強度を得ること
ができ、しかも時効処理前においては軟質な鋼を開発す
べく種々検討した結果、母相をフエライトとマルテンサ
イトの２相組織にすればマルテンサイト系の材料に比べ
時効処理前の硬さを低下させ、打抜き加工性を向上させ
ることができることを見出したのである。

すなわち本発明は、軟質なフエライト相で打抜き加工
性を確保し、硬質なマルテンサイト相を時効析出させる
ことにより強度を付与して、強度と打抜き加工性とを兼
備えさせたもので、鋼組成を重量％で、C:0.06％以下,S
i:1.0％超え2.5％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5〜7.0％,C
r:16.0〜20.0％,Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下を含有し
ており更に残部がFe及び不可避的不純物から成り、 Ｆ＝−272（Ｃ％）＋28.8（Si％）−14.5（Mn％） −20.0（Ni％）＋12.4（Cr％）＋30.6（Ti％） −125（Ｎ％）−120 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するこ
とを特徴とする打抜き加工性に優れた高強度ステンレス
鋼と、 該ステンレス鋼であつて、母相を溶体化処理状態又は
５％以下の冷間加工を加えた状態でマルテンサイト中に
フエライトを20〜80％含み、時効処理によりビッカース
硬さ400以上の高強度を得ることができるフエライト−
マルテンサイトの２相組織にしたことを特徴とする打抜
き加工性に優れた高強度ステンレスと、重量％で、C:0.
06％以下,Si:1.0％超え2.5％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5
〜7.0％,Cr:16.0〜20.0％,Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下
を含有しており更にCu:0.2〜3.0％,Mo:0.2〜3.0％の範
囲にあるCu,Moの１種又は２種を含有していて残部がFe
及び不可避的不純物から成り、 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するこ
とを特徴とする打抜き加工性に優れた高強度ステンレス
鋼と、 該ステンレス鋼であつて、母相を溶体化処理状態又は
５％以下の冷間加工を加えた状態でマルテンサイト中に
フエライトを20〜80％含み、時効処理によりビッカース
硬さ400以上の高強度を得ることができるフエライト−
マルテンサイトの２層組織にしたことを特徴とする打抜
き加工性に優れた高強度ステンレス鋼とを提供するもの
である。

以下、本発明に係る打抜き加工性に優れた高強度ステ
ンレス鋼の組成,F値，相比及び冷間圧延率の限定理由を
説明する。

（１）Ｃ Ｃは固溶強化による強度上昇に寄与するが、含有量が
多くなると焼入れマルテンサイト相が硬くなり、目的と
する充分なる打抜き加工性が得られない。従つて打抜き
加工性を向上させるには、TiなどのＣ固定能を有する析
出硬化元素を多く添加しなければならいために不経済で
ある。これらの理由によりＣの含有量は0.06％以下とし
た。

（２）Si 本発明鋼はNi,Si,Tiなどより成る金属間化合物を析出
させて高強度を得るものであり、Siが1.0％以下である
と時効硬化度が小さい。また2.5％を超えてSiを添加す
ると、Siの固溶強化による時効前硬さの上昇が大きくな
る。このためSiの含有量は1.0％超え2.5％以下とした。

（３）Mn MnはNiと共に室温でマルテンサイト相になるオーステ
ナイト相の生成を多くする元素である。本発明鋼では析
出硬化に有効なNiを多量に添加するため、マルテンサイ
ト−フエライトの２相バランスを保つ都合上、Mnを低く
抑える必要があるのでMnの含有量は1.0％以下と低くし
た。

（４）Ni Niは析出硬化能を向上させると共にフエライト相の生
成を調整する必須の元素である。しかしながらその添加
量を多くするとMn点が低下して残留オーステナイト相の
量が増加するため、強度が低下する。本発明鋼の場合、
析出硬化能を付与するには最低4.5％必要で、マルテン
サイト相中の残留オーステナイト相の量を増加させない
ためには7.0％以下にする必要がある。そのためNiの含
有量は4.5〜7.0％とした。

（５）Cr CrはNi量とのバランスでフエライト−マルテンサイト
の２層組織を得るのに少なくとも16.0％以上必要であ
る。しかしながら添加量を多くすると残留オーステナイ
ト量が増加して強度が低下するので、上限は20.0％であ
る。そのためCrの含有量は16.0〜20.2％とした。

（６）Ｎ ＮはＣと同様に固溶強化に寄与するが、析出硬化元素
のTiとの親和力が大きいので析出硬化元素の添加効果を
減少させる。またＮ含有量が高いと析出硬化元素にTiを
使用した場合に窒化チタンより成る大きな介在物を多量
に形成し、靱性を低下させる。これらのことからＮは少
ない方が好ましく、0.03％以下とした。

（７）Ti Tiは析出硬化を起こさせるのに必須の元素である。し
かし、TiはC,N,Oなどとの親和力が大きく炭窒化物とし
て消費されるため、0.2％以上添加しないと析出硬化に
充分に寄与しない。一方、Tiを1.0％を超えて添加する
と強度が著しく大きくなりすぎ、靱性が低下する。この
ためTiの含有量は0.2〜1.0％とした。

（８）Cu Cuは析出硬化元素の１種であると共に亜硫酸ガス系腐
食環境下における耐食性を著しく向上させる。このため
Cuは用途に応じて添加するのであるが、その添加効果を
得るには0.2％以上を必要とする。しかし3.0％を超えて
添加してもその添加量の割には効果が小さく、しかも鋼
板又は鋼帯製造時の熱間加工性を害するので、上限は3.
0％である。このためCuの含有量は0.2〜3.0％とした。

（９）Mo MoはCuと同様に析出硬化元素であると共に耐食性，靱
性改善効果の大きい元素である。その効果を発現させる
ためには0.2％以上添加する必要があるが、多量に添加
すると熱間加工性を著しく低下させるので、上限を3.0
％とする必要がある。このためMoの含有量は0.2〜3.0％
とした。

（10）Ｆ値 Ｆ値は後述のフエライトとマルテンサイトとの２相の
比率を推定するための指標として実験的に確認されたも
のであり、組成がＣとSiとMnとNiとCrとTiとＮと更に残
部がFe及び不可避的不純物から成る場合には、 Ｆ＝−272（Ｃ％）＋28.8（Si％）−14.5（Mn％） −20.0（Ni％）＋12.4（Cr％）＋30.6（Ti％） −125（Ｎ％）−120 で表され、組成がＣとSiとMnとNiとCrとTiとＮとCu,Mo
の１種又は２種と更に残部がFe及び不可避的不純物から
成る場合には、 で表されるもので、このＦ値が20〜80の範囲、好ましく
は30〜70の範囲を満足する化学成分を有するように各成
分の含有量を調整するのである。すなわち、Ｆ値が20未
満の場合には母相はマルテンサイト単相組織に近いもの
となつて硬質となり、目的とする充分なる打抜き加工性
が得られない。他方、Ｆ値が80を超える場合には母相は
フエライト単相組織に近いものとなつて時効処理を施し
てもビッカース硬さ400以上の高強度を得ることができ
ない。このため、Ｆ値は20〜80の範囲とした。

（11）相比 本発明鋼はフエライトとマルテンサイトとの２層組織
にするのであるが、両相の比率はSi,Cr,Ti及びMoなどの
フエライト生成元素とC,Mn,Ni及びCuなどのオーステナ
イト生成元素との比率及び熱処理条件により変化する。
従つて成分範囲が本発明鋼の範囲内でも各々の成分のバ
ランス及び溶体化処理温度により両相の比率は変化し、
それに伴つて打抜き加工性，強度も変化する。フエライ
トとマルテンサイトとの２相組織において、前者の比率
が多い場合は加工性は向上するが強度は低下し、逆に後
者が多い場合はその逆になる。そこで高打抜き加工性，
高強度の得られる範囲について検討した結果、溶体処理
状態又は５％以下の冷間加工を施した状態でマルテンサ
イト中のフエライト量を20〜80％好ましくは30〜70％に
すれば良いことを見出した。これはフエライト量が20％
未満であるとマルテンサイト単相の鋼と同程度の打抜き
性しか得られず、逆に80％を超えるとフエライト単相の
鋼と同程度の強度しか得られず、フエライト量が20〜80
％の範囲を外れるといずれかの特性が不十分となるから
である。

（12）冷間圧延率 本発明鋼は時効処理前には軟質で打抜き加工性に優
れ、時効処理後にはビッカース硬さ400以上の高硬度を
得ることができることを特徴としている。従つて、従来
鋼のような強圧延を施すと時効前の硬さも上昇してしま
い、特徴を損なつてしまう。ただし、冷間圧延率５％以
下の軽圧延ならば硬さを上昇させることなくばね性の著
しい向上を図ることができる。しかし、その効果は冷間
圧延率５％を超えて圧延しても飽和してしまうので、冷
間圧延率の範囲を５％以下とした。

〔実施例〕

次に本発明を実施例により具体的に説明する。第１表
に示すような化学成分のステンレス鋼を高周波溶解炉で
溶製し、通常の熱間圧延及び冷間圧延により厚さ1.01mm
の板にした。その後、1050℃で溶体化処理し、１％の調
質圧延を施して最終的に板厚を1mmとした後、フエライ
ト量と硬さとを測定した。また、更に時効処理を施して
硬さ測定及び打抜き試験を行つた。

第１表においてNo.1〜４の鋼は本発明鋼で、組織がフ
エライトとマルテンサイトの２相になつている。No.5及
び６の鋼は比較鋼で、No.5の鋼は各々の成分の範囲は本
発明の範囲内にあるが、フエライト生成元素及びマルテ
ンサイト生成元素の割合を調整してＦ値を本発明鋼のＦ
値の範囲外の13.4と小さくしたためにマルテンサイト単
相に近い組織になつたものである。一方、No.6の鋼は組
織的にはフエライトとマルテンサイトの２相組織を呈し
ているが、成分的にSi,Crなどが本発明鋼の請求範囲外
にあるものである。更に、No.7,8,9及び10の鋼は従来鋼
でNo.7,8がSUS301,No.9,10がSUS631（17−7PH）であ
る。

第２表に第１表で示した鋼のフエライト量並びに１％
調質圧延後（時効処理前）の硬さ，時効処理後の硬さ測
定結果を示す。ただしNo.7,8,9,10の従来鋼は冷間圧延
率が異なり、No.7,8及びNo.9,10の鋼共それぞれ20％,40
％の高冷間圧延を施している。時効処理はNo.1〜４の本
発明鋼及びNo.5,6の比較鋼の場合は525℃×1hで、No.7,
8及びNo.9,10の比較鋼の場合はそれぞれ400℃×1h及び4
75℃×1hで行つた。

この第２表より明らかなように、本発明鋼は時効処理
前の硬さ（ビツカース硬度）がHv300以下と軟質であ
り、しかも時効処理後の硬さはHv400以上で従来鋼の20
％冷延材と同等以上の強度を有している。

一方、No.5,6の比較鋼は、時効処理後の硬さは充分で
あるが、時効処理前の硬さが高くなつており、打抜き加
工性の面からは充分であるとは言えない。

第１図は各ステンレス鋼の時効処理前の硬さと剪断抵
抗の関係を示した図である。剪断抵抗は打抜き加工性、
特に金型摩耗の指標として用いられており、その値が大
きいものほど打抜き加工性は劣ると言われている。剪断
抵抗は10mmφのポンチとクリアランス20％（片側10％）
のダイスを用いて4mm/minと剪断速度で打抜き試験を行
つて求めた。この第１図から明らかなように、剪段抵抗
は組織及び素材（時効処理前）の硬さの影響を大きく受
け、本発明鋼は優れた打抜き加工性を有していることが
判る。なお、この第１図においてNo.1〜４の本発明鋼及
びNo.5及び６の比較鋼の時効処理前の硬さ及び剪段抵抗
はほぼ一点に集まるような実験結果が得られている。

第２図はNo.2の鋼を圧延率を変化させて仕上げた材料
の硬さとその後に時効処理を施した材料のばね限界値と
を圧延率との関係で示したものである。時効処理前の硬
さの圧延率により上昇は小さいが、はね限界値は抵圧延
率側で著しく上昇していることが判る。

〔発明の効果〕 以上詳述しく如く本発明に係る打抜き加工性に優れた
高強度ステンレス鋼は、抜打ち加工性に優れているので
細かな部品に打抜く際や板厚の厚い材料から部品を打抜
く用途に使用でき、且つその部品を高強度にすることが
できるものであり、その工業的価値の非常に大きなもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１表及び第２表に示した各鋼の時効処理前の
硬さと剪断抵抗との関係を示した図、第２図は第１表に
示したNo.2の鋼の圧延率と時効前硬さ及び時効後のばね
限界値との関係を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 輝義 山口県新南陽市大字富田4976番地 日新 製鋼株式会社周南研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−130459（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、C:0.06％以下,Si:1.0％超え2.5
   ％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5〜7.0％,Cr:16.0〜20.0％,
   Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下を含有しており更に残部が
   Fe及び不可避的不純物から成り、 Ｆ＝−272（Ｃ％）＋28.8（Si％）−14.5（Mn％） −20.0（Ni％）＋12.4（Cr％）＋30.6（Ti％） −125（Ｎ％）−120 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するこ
   とを特徴とする打抜き加工性に優れた高強度ステンレス
   鋼。
2. 【請求項２】重量％で、C:0.06％以下,Si:1.0％超え2.5
   ％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5〜7.0％,Cr:16.0〜20.0％,
   Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下を含有しており更に残部が
   Fe及び不可避的不純物から成り、 Ｆ＝−272（Ｃ％）＋28.8（Si％）−14.5（Mn％） −20.0（Ni％）＋12.4（Cr％）＋30.6（Ti％） −125（Ｎ％）−120 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するス
   テンレス鋼であつて、溶体化処理状態又は５％以下の冷
   間加工を加えた状態でマルテンサイト中にフエライトを
   20〜80％含み、時効処理によりビッカース硬さ400以上
   の高硬度を得ることができることを特徴とする打抜き加
   工性に優れた高強度ステンレス鋼。
3. 【請求項３】重量％で、C:0.06％以下,Si:1.0％超え2.5
   ％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5〜7.0％,Cr:16.0〜20.0％,
   Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下を含有しており更にCu:0.2
   〜3.0％,Mo:0.2〜3.0％の範囲にあるCu,Moの１種又は２
   種を含有していて残部がFe及び不可避的不純物から成
   り、 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するこ
   とを特徴とする打抜き加工性に優れた高強度ステンレス
   鋼。
4. 【請求項４】重量％で、C:0.06％以下,Si:1.0％超え2.5
   ％以下,Mn:1.0％以下,Ni:4.5〜7.0％,Cr:16.0〜20.0％,
   Ti:0.2〜1.0％,N:0.03％以下を含有しており更にCu:0.2
   〜3.0％,Mo:0.2〜3.0％の範囲にあるCu,Moの１種又は２
   種を含有していて残部がFe及び不可避的不純物から成
   り、 の式に従うＦ値が20〜80を満足する化学成分を有するス
   テンレス鋼であつて、溶体化処理状態又は５％以下の冷
   間加工を加えた状態でマルテンサイト中にフエライトを
   20〜80％含み、時効処理によりビッカース硬さ400以上
   の高硬度を得ることができることを特徴とする打抜き加
   工性に優れた高強度ステンレス鋼。