JP2591256B2 - 高強度非磁性鋼 - Google Patents

高強度非磁性鋼

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好光 太田
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住友金属工業株式会社
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【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、強度,熱間加工性,耐孔食性や耐硫酸性
等の耐食性並びに冷間加工後の延性が共に優れた非磁性
ステンレス鋼に関するものである。
〈従来技術とその課題〉 現在、ステンレス鋼は、良好な耐食性を有すると共に
Ni合金やTi材等に比べて安価な材料であることから各種
分野にわたる広い用途を誇っているが、強度、特に比較
度の面ではTi或いはTi合金に一歩譲る点があり、これを
重視する分野、例えば航空機産業等への需要拡大に大き
な障害となっていた。
もっとも、これまでにも、冷間加工によりマルテンサ
イト変態を起こさせて高強度を確保する所謂“準安定ス
テンレス鋼(例えばSUS301鋼)”や、焼入れ後のマルテ
ンサイトに折出硬化を組み合わせて高強度を確保する所
謂“PHステンレス鋼”等が開発されはしたが、これらは
何れも磁性を有していて非磁性材料になり得ず、その用
途が制限されざるを得ないものであった。
なお、非磁性で高強度が達成できる材料としてオース
テナイト地にγ′を析出させた“インコネル718(商品
名)”等のNi基合金が知られているが、Niをベースとす
るこれら合金は高価であるため、やはり工業的に汎用性
のある材料とは言えなかった。
このような状況を背景に、最近、N(窒素)添加によ
るステンレス鋼の高強度化が試みられ、例えばSUS304N2
等の材料が開発されたが、これらの材料には実際に0.5
%(以降、成分割合を表わす%は重量%とする)を超え
てNを含有させたものが見当たらず、従って何れも強度
の点で不十分なものであった。これは、ステンレス鋼中
にむやみに多量のNを添加すると窒化物を固溶させてオ
ーステナイト単相にするための熱処理温度が高くなり過
ぎるほか、加工性の面でも多大な不利を招き、所望材料
の工業的な生産が甚だ困難となるからであった。
上述のように、近年における新しい材料の開発には目
を見張るものがあるが、それでも強度,熱間加工性,延
性,耐食性等の特性が一段と優れ、しかも生産性や価格
面での有利性をも兼備した金属材料に対する最近の要望
には十分に応じられないのが現状であった。
そこで、前記状況を踏まえて本発明が目的としたの
は、例えば航空機材料等に要望される非磁性材料であっ
て、0.2%耐力:180kgf/mm2以上の高強度,良好な熱間加
工性,優れた冷間加工後延性,優れた耐食性,十分な経
済的有利性等を兼ね備えた金属材料を提供することであ
った。
〈課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべく数多くの実験を
繰り返しながら研究を重ねた結果、「基本的に強度や耐
食性に優れた非磁性材料の中でも価格の点で比較有利な
ステンレス鋼において、非磁性を維持しながらその強度
を顕著に高めるにはNの添加が最も効果的かつ経済的で
あり、ステンレス鋼の化学組成さえ工夫・調整すれば工
業的に可能な1250℃以下の温度で多量のNを固溶させる
ことができて、この化学組成の工夫・調整と高N化によ
り強度,熱間加工性,冷間加工後や歪時効後の延性,耐
孔食性や耐硫酸性等の耐食性が共に優れた高強度非磁性
鋼が実現できる」との知見を得るに至った。
本発明は、上記知見事項等を基にしてなされたもの
で、 「ステンレス鋼を、 C:0.2%以下,Si:0.1〜2%, Mn:0.5%以上4%未満,S:0.01%以下, Cr:20〜40%,Ni:5〜15%, Mo:1.5〜5%,N:0.6〜1.5% を含有すると共に、 Ca:0.001〜0.02%,Mg:0.001〜0.02% のうちの1種以上をも含むか、或いは更に Cu:3%以下,W:5%以下, Nb:2%以下 の1種以上をも含み、残部がFe及び不可避不純物から成
る成分組成に構成することによって、非磁性で、かつ優
れた強度,熱間加工性,冷間加工後の延性,耐食性等を
兼備せしめた点」 に特徴を有している。
以下、本発明に係るステンレス鋼において、各成分の
含有量割合を前記の如くに数値限定した理由をその作用
と共に説明する。
〈作用〉 a)C 或る程度のCはNと共にオーステナイトの強化に寄与
するが、その含有量が0.2%を超えると窒化物の固溶が
困難となることから、C含有量の上限を0.2%と定め
た。
b)Si Siは脱酸剤として不可欠な成分である上、オーステナ
イトの強化にも寄与するが、その含有量を0.1未満とす
るには工業上その製造が困難であり、一方、2.0%を超
えて含有させると窒化物の固溶温度上昇作用が顕著とな
るばかりか、フェライトを生成させる要因ともなること
から、Si含有量は0.1〜2.0%と限定した。
c)Mn Mnも脱酸作用を有する元素であるが、更に重要な点は
オーステナイト形成元素であることとNの固溶度上昇に
極めて有効に働くことである。しかし、Mn含有量が0.5
%未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方、
4%以上含有させた場合には熱間加工性が低下傾向を見
せるばかりか、冷間加工材や歪時効材の延性にも悪影響
が懸念されるようになることから、Mn含有量は0.5%以
上4%未満と限定した。
d)S Sは鋼の熱間加工性を劣化させる主因であることから
低ければ低いほど好ましい不純物元素であるが、経済的
な配慮と、Ca或いはMgの添加による固定が或る程度可能
であることから、S含有量の上限を0.01%と定めた。
e)Cr Crは本発明鋼の耐食性を支える主要な元素であり、か
つNの固溶度を上げ、窒化物固溶化温度を低減させるた
めには不可欠な成分である。但し、その含有量が20%未
満では所望の添加効果が得られず、一方、40%を超えて
含有させると熱間加工が困難となることから、Cr含有量
は20〜40%と定めた。
f)Ni Niはオーステナイト形成元素として不可欠であり、こ
の観点から5%以上の添加が必要であるが、反面、その
含有量が15%を超えるとNの固溶度を低下させる作用が
顕著化することから、Ni含有量は5〜15%と定めた。
g)Mo Moは、本発明鋼に係る冷間加工材及び歪時効材の延性
向上に欠かせない元素であり、しかも耐食性の向上作
用、並びにNの固溶度を上げると共に窒化物の固溶温度
を低減させる作用を有する有用な元素でもあるが、その
含有量が1.5%未満では前記作用による所望の効果が得
られない。しかし、一方でMoフェライト形成元素でもあ
り、5%を超えて含有させるとオーステナイト相の不安
定化を招く懸念がでてくる。従って、Mo含有量は1.5〜
5%と定めた。
h)N Nはオーステナイト形成と強化のために不可欠な成分
であるが、その含有量が0.5%未満であると所望の高強
度化(0.2%耐力:180kgf/mm2以上)が達成できず、一
方、1.5%を超えて含有させた場合には本発明で規定す
る化学組成鋼においても窒化物が完全に固溶されない
で、機械的性質(伸び,冷延性,冷間加工性等)の点で
不利となるばかりか、熱間加工も困難になる。従って、
N含有量は0.5〜1.5%と定めた。
なお、本発明鋼を製造するに当っての窒化物を固溶さ
せるための固溶化温度T(℃)は、 Tr(℃)≦T(℃)≦1200℃ の範囲とするのが良い。ここで、Tr(℃)は、計算式 Tr(℃)=1225+440{N(%)−0.72} +250{C(%)−0.01}+32{Si(%)−0.90} −10.8{Mn(%)−1.03} −0.273{Cr(%)−20.2} −7.40{Cr(%)−20.2} −8.77{Ni(%)−10.1}+3.12{Mo(%)} −31.6Mo(%)+5Cu(%)+10W(%) で定まる値であって、固溶化温度がこの値よりも低いと
窒化物の十分な固溶が望めず、一方、固溶化温度を1200
℃よりも高くすることは設備やエネルギー消費の点で工
業上好ましくない。
また、高濃度でNを含有させる手段として“高圧溶解
法”が効果的であることは言うまでもない。
i)Ca,及びMg Ca及びMgは鋼の熱間加工性を劣化させるSの弊害を低
減するために不可欠な成分であるので、何れか1種又は
2種の添加がなされるが、その含有量が各々0.001%未
満では、熱間加工性改善効果が十分でなく、一方、各々
0.02%を超えて含有させると逆に熱間加工性の低下を招
くようになることから、それぞれの含有量を0.001〜0.0
2%と限定した。
j)Cu,及びW これらの元素にはステンレス鋼の耐食性を向上させる
作用があるため必要により何れか1種又は2種の添加が
なされるが、その含有量限定理由を各々の元素が有する
その他の作用と共に詳述する。
Cu Cuはオーステナイト形成元素であり、Niのような大幅
な窒素固溶度の低下を示さないことからオーステナイト
相確保のためにも有効な成分であるが、3%を超えて含
有させると熱間加工性の低下を招くようになることか
ら、Cu含有量は3%以下と定めた。
W Wは窒化物固溶温度に余り影響を与えない成分である
が、一方ではフェライト形成元素であることから、W含
有量は5%以下と定めた。
k)Nb NbはN溶解度を高める作用があるため必要により添加
されるが、固溶不可能な窒化物も形成しやすく、また多
量に添加するとフェライトを生じるようになることか
ら、Nbの含有量は2%以下と定めた。
次に、本発明の効果を実施例によって更に具体的に説
明する。
〈実施例〉 まず、第1表に示した成分組成の各鋼を溶製し、これ
らについて0.2%耐力,窒化物固溶温度(窒化物をオー
ステナイト中に固溶させるために必要な 最低温度),透磁率,熱間加工性,“70%冷延材”と
“この冷延材を600℃に4分間加熱後空冷した歪時効
材”の20℃での伸び及び耐孔食性,並びに耐硫酸性を調
査した。
なお、0.2%耐力は、熱間加工材を窒化物固溶温度以
上で焼鈍し、70%の冷間加工を加えた後、600℃に4分
間保持してから空冷すると言う条件の熱処理を施した試
験片にて測定した。
また、透磁率は低透磁率計によって測定した。
熱間加工性は、鋳塊より8mmφの試験片を作成し、125
0℃に20秒保持してから冷却速度:10℃/秒で1050℃まで
冷却し、1050℃に到達した瞬間に歪速度〔〕:1.7s-1
で引張試験を実施して判定した。
耐孔食性の評価は、0.5molのNaCl水溶液(70℃)中で
の孔食電位を測定して行った。
そして、耐硫酸性の評価は沸騰5%硫酸水溶液中での
腐食減量を調べて行った。
これらの結果を第2表に示す。なお、熱間加工性につ
いては ○…断面収縮率:80%以上, △…断面収縮率:50%以上80%未満, ×…断面収縮率:50%未満 で表示した。
第2表に示される結果からも明らかなように、本発明
に係るステンレス鋼は何れも非磁性であって窒化物固溶
温度も低く、0.2%耐力:180kgf/mm2以上と言う優れた強
度,良好な熱間加工性,冷間加工後及び歪時効後におけ
る優れた延性に加え、非常に優れた耐食性を兼備してい
ることが確認できる。
〈効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、強度,加工性
並びに耐食性の優れた非磁性ステンレス鋼を容易かつ安
価に提供することが可能となるなど、産業上極めて有用
な効果がもたらされる。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量割合にて C:0.2%以下,Si:0.1〜2%,Mn:0.5%以上4%未満, S:0.01%以下,Cr:20〜40%,Ni:5〜15%, Mo:1.5〜5%,N:0.6〜1.5% を含有すると共に、 Ca:0.001〜0.02%,Mg:0.001〜0.02% のうちの1種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
    物から成ることを特徴とする、高強度非磁性鋼。
  2. 【請求項2】重量割合にて C:0.2%以下,Si:0.1〜2%,Mn:0.5%以上4%未満, S:0.01%以下,Cr:20〜40%,Ni:5〜15%, Mo:1.5〜5%,N:0.6〜1.5% を含有すると共に、 Ca:0.001〜0.02%,Mg:0.001〜0.02% のうちの1種以上、並びに Cu:3%以下,W:5%以下 のうちの1種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
    物から成ることを特徴とする、高強度非磁性鋼。
  3. 【請求項3】重量割合にて C:0.2%以下,Si:0.1〜2%,Mn:0.5%以上4%未満, S:0.01%以下,Cr:20〜40%,Ni:5〜15%, Mo:1.5〜5%,N:0.6〜1.5%,Nb:2%以下 を含有すると共に、 Ca:0.001〜0.02%,Mg:0.001〜0.02% のうちの1種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
    物から成ることを特徴とする、高強度非磁性鋼。
  4. 【請求項4】重量割合にて C:0.2%以下,Si:0.1〜2%,Mn:0.5%以上4%未満, S:0.01%以下,Cr:20〜40%,Ni:5〜15%, Mo:1.5〜5%,N:0.6〜1.5%,Nb:2%以下 を含有すると共に、 Ca:0.001〜0.02%,Mg:0.001〜0.02% のうちの1種以上と、 Cu:3%以下,W:5%以下 のうちの1種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純
    物から成ることを特徴とする、高強度非磁性鋼。
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