JP2635215B2 - 加工硬化されたばね用ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、例えばワイヤ引抜き加工や圧延のような冷
間変形により得られる改良ステンレス鋼に関するもので
ある。このステンレス鋼はマルテンサイトとオーステナ
イトとからなる高耐食性の組織を提供する。その物性は
ばね製造分野での主たる用途に適合している。

背景技術 ばねは、繰り返し負荷を受けることが多く、そのため
良好な耐疲労性を必要とする。この耐疲労性に対して一
連の要因が影響するが、疲労条件に対するばね性能に最
も作用するのは疑問の余地なく表面品質である。表面不
規則性の存在性は疲労亀裂の核をなしやすい。しかる
に、ばねの使用中に表面欠陥が形成される可能性がある
ため、前記欠陥を排除するだけでは耐疲労性は保証され
ない。ばねの使用中に発生する最も有害な欠陥は腐触で
ある。従って、設計条件の要求やコストが許す場合、ば
ね製造にはステンレス鋼を使用すべきである。溶体化状
態では極めて低い機械的強度を増大することを主眼とし
てばねへの適用を計るべく、ばね用ステンレス鋼が開発
された。

硬化のメカニズムにより、或る合金において2000Mpa
を超える強度レベルおよび範囲を可能とする組成が開発
された。該ステンレス鋼はまた、圧延や引抜きのような
製造プロセスを容易に有用な特性、すなわち冷間加工能
を有する。

冷間変形の間、マルテンサイトを形成するステンレス
鋼は準安定と称されている。それらは、ワイヤ引抜き加
工の間発生するように冷間変形後に高い強度を有するた
め、ばね製造に使用される主要なステンレス鋼である。
強度は、硬化したマルテンサイトとオーステナイトとか
ら成り、主硬化元素として炭素を有するマイクロ組織の
結果である。

しかしながら、殆んどばね製造において用いられ、炭
素（Ｃ）最高0.15％まで、Cr17.0〜19.0％、Ni8.0〜10.
0％、Si最高0.75％まで、Mn最高2.0まで燐（Ｐ）最高0.
045％まで、および硫黄（Ｓ）最高0.030％までを含むUN
SS30200のような現在の技術水準の準安定オーステナイ
ト・ステンレス鋼は粒界腐触や点食に対して充分な抵抗
性を示さない。さらにこれらの鋼は、通常0.08％を超え
る高炭素を有するため、他のステンレス鋼より温度が高
く、かつ長時間の溶体化として既知のサイクルで該鋼を
熱処理する必要がある。従って、UNS S30200の鋼に対す
る加工にはより注意を払う必要があり、製作費が高価に
なる。

また、標準ばね用ステンレス鋼は、高耐食性を必要と
する用途に使用される場合、耐久性に問題がある。ばね
製造過程においては、ばね強度と耐久性とを増すため
に、通常、焼戻し熱処理が施される。使用温度によって
はクロム炭化物の析出が発生する可能性があり、これが
耐食性を低下させる。

本発明はこれらの問題を解決する。

発明の開示 本発明の目的は、マルテンサイトとオーステナイトが
混在するマイクロ組織を有し、粒界腐触および点食に対
する抵抗性がより優れ、溶体化熱処理に対して特別の注
意を払う必要のない、ばね製造用の冷間変形されたステ
ンレス鋼を得ることである。

詳しくは、本発明は、冷間変形後オーステナイトとマ
ルテンサイトから成るマイクロ組織を有する、ばね製造
用準安定ステンレス鋼を提供する。このステンレス鋼
は、Cr17.0〜19.0％、Ni8.0〜10.0％、窒素（Ｎ）0.06
〜0.16％、炭素（Ｃ）最高0.03％まで、Si最高1.0％ま
で、Mn1.0〜2.0％、Mo最高0.80％まで、燐（Ｐ）最高0.
075％まで、硫黄（Ｓ）最高0.030％までを有し、残部が
不可避不純物である。

本発明によるステンレス鋼は、冷間変形後、高強度
と、粒間腐蝕および点食に対する高抵抗性を示す。さら
に、このステンレス鋼の溶体化熱処理は、特別な注意を
必要とすることなく、最終的には排除することができ
る。

この新規なステンレス鋼の化学組成範囲はUNS S30200
に類似の硬化性を有する筈であり、前記高い抵抗性は、
引抜き加工あるいは圧延加工時の冷間変形中にマルテン
サイトが形成されること、および炭素による硬の結果で
ある。

得られたマルテンサイトのレベルは、化学組成の関数
である合金の安定度によって左右される。この依存性を
支配する等式の１つは以下の通である。

Md（30/50）（℃）＝497−462|（％Ｃ）＋（％Ｎ）｜ −9.2（％Si）−8.1（％Mn）−13.7（％Cr） −20（％Ni）−18.8（％Mo）、 （ただしMd（30/50）は、50％の冷間変形後30％のマル
テンサイトを形成する摂氏表示の温度である） 専門家が使用するUNS S30200鋼の典型的な組成は、炭
素（Ｃ）0.10％ Si0.40％、Mn1.70％、Cr17.5％、Ni8.
3％、窒素（Ｎ）0.03％およびMo0.4％から成る。前記等
式を用いると、Md（30/50）は6.34℃に等しくなる。本
発明による合金は、UNS S30200に介在するCr、Ni、Si、
MnおよびMo元素と同じ含有量を有する筈である。炭素含
有量が0.02％に等しい（要求仕様では最高0.03％まで）
と想定して、新規な合金に対するMd（30/50）を計算す
ると、 Md（30/50）＝57.16−462（％Ｎ）が得られる。

この新規な合金が冷間変形の後、UNS S30200に等しい
マルテンサイト値を有するためには、そのMd（30/50）
は同じでなければならず、そのためには窒素0.11％の典
型的な好適含有量を要する。窒素0.11％の典型的な好適
含有量を要する。

硬化効果に関して、転位に関する窒素の相互作用は炭
素で得られるものよりはるかに強力であるため、窒素は
少なくとも炭素と同程度に効果的である。

本発明ステンレス鋼の化学組成についての理由は以下
のとおりである。

Cr（17.0％〜19.0％）:Crは、鋼を不銹性とする表面保
護層の形成を通して耐食性を促進する不可欠な元素であ
り、この数字は通常使用される含有量である。

Ni（8.0％〜10.0％）:Niは、オーステナイトに対する安
定性と耐食性を与える元素である。溶体化熱処理または
圧延の後、初期マイクロ組織が完全にオーステナイトに
なるよう保証するために、その含有量はCr量と均衡させ
る必要がある。さらに冷間変形の後、マルテンサイトが
形成されるように、その成分範囲を確定する必要があ
る。

Ｃ（最高0.03％まで）：炭素（Ｃ）は、その濃度が低い
と固溶してしまうγ相（オーステナイト相）安定化元素
である。しかしながら、炭素含有量が増大すると、M23C
6タイプの炭化物が粒界に析出し、粒間腐食抵抗を向上
させる上で有用なCrを消費してしまう。本発明では、最
高0.03％である炭素の限度は下記のように窒素含有量に
よって補正される。

Ｎ（0.06％〜0.16％）：窒素は本発明における最も重要
な元素であって、特に、耐食性の向上と同時にステンレ
ス鋼のばね製造に必要な機械特性を得る上で重要であ
る。窒素は、オーステナイト相の安定剤並びに硬化剤と
して働く。冷間変形の間、窒素は生成するマルテンサイ
トを硬化し、高い加工硬化挙動を保証する窒素は、点食
に対する抵抗性を増し、M23C6析出の運動を遅らせ、従
って粒界腐蝕に対する抵抗性を増大させる。硬化した材
料の熱処理の後、冷間引抜きあるいは圧延により、窒素
は、転位の近傍で鋼の強度をさらに増大させる雰囲気を
形成する。その効果は、窒素の含有量が0.06％未満では
得ることはできないが、他方Md（30/50）が合金の準安
定性を損う値に達し、その結果達成された機械特性レベ
ルを損うため、0.16％を超えることはできない。

Si（最高1.0％まで）：硅素は脱酸元素であり、その介
在は鋼製造過程と関連する。

Mn（1.0％〜2.0％）:Mnは、γ相（オーステナイト相）
安定化元素であり、溶体化熱処理の後、完全なオーステ
ナイト組織を保証するために役立つ。鋼の脱酸において
もMnが使用される。

その他、P,Sおよび鋼製造過程において不可避的に混
入する他の元素は可及的低レベルに抑えるべきである。

前述の合金は、例えば粉末治金法、線材、棒鋼、帯
鋼、鋼帯の連続鋳造のような標準的あるいは特殊な方法
により、圧延製品または鍛造品として製造することがで
きる。

以下、本発明による鋼の特性を説明し、使用されてき
たUNS S30200鋼と対比する。

例：表１において、鋳造され、8mm径の線材に圧延さ
れ、溶体化処理された合金の比較を示している。材料は
3.0mm径の線材に引抜きして冷間変形され、各引抜き段
階で試料を採取した。表２においては、２種類の鋼の加
工硬化挙動が示されている。新規な鋼は、ばね用として
必要な高レベルの強度に達するに十分な準安定性を示し
ている。本発明の強度値が、UNS S30200に対して得た値
よりも低いが、本発明では本例においては、引抜きされ
た線材からばねを製造する規格が要する最小レベルは得
ている。それにもかかわらず、製造中のばねに約400℃
の温度で焼戻し熱処理を施す。表３は、新規な鋼が、最
終状態においてUNS S30200鋼以上の硬化を示し、硬化元
素としての窒素の効果的な機能を示している。

直径8.0mmの溶体化された線材の初期材料機械特性を
表４に示す。本発明の合金は降伏強度がUNS S30200鋼よ
り大きく、延性が同じである。引張強度は差がない。

溶体化された材料と、82％の変形した線材とにおいて
若干の点食試験を行なった。前記試験は、ASTMG48規格
により実行し、72時間後の塩化第二鉄溶液中の質量の損
失を測定した。その結果を表５に示す。新規な鋼は耐点
食性に関してUNS S30200より優れ、また加工硬化条件に
おける優位性も持続していることが明らかである。この
結果は、耐点食性に関する窒素の強力な効果を確認して
いる。

82％の変形を行なった線材と、40分間400℃の温度で
処理した後の線材において溶体化された材料の粒界腐触
試験も実行した。試験はASTM A 262−Ｃ規格により実行
し、沸騰した硝酸における質量の損失を測定した。その
結果を表６に示す。全ての条件下において、本発明の鋼
はUNS S30200鋼より優れていた。UNS S30200鋼において
は粒界における炭化物の析出のため、40分間400℃での
処理の後の差は大きかった。ここで、本例においては、
UNS S30200鋼が溶解化された（1060℃で３時間）された
事実に注目するべきである。UNS S30200鋼の溶体化熱処
理の障害により粒界腐触に対する抵抗性を低下させてい
る。圧延済条件下においても、本発明の線材は粒間腐触
を呈しない。

疲労寿命を評価するために、直径が1.0mmの引抜き線
材からばねを作った。製造方法はUNS S30200鋼に対して
通常使用されるものと同じ条件下で実行された。２種類
の鋼で作ったばねを、DIN2089の規格により287Nから988
Nまでの範囲の荷重で圧縮して試験した。本発明の鋼
は、UNS S30200鋼の80,000サイクルに対して120,000サ
イクルの、破損に到るまでの疲労寿命を示した。

特定の例に関して本明細書で開示された本発明の原理
は、その他の多くの変形や応用を有することが専門家に
は明らかである。また請求の範囲に記載された範囲を検
討すれば、本発明は本明細書中の特定例に限定されるも
のではない。

以下前述した例に関連する表を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−77366（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−106952（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−147946（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高い機械的性質を有し、マルテンサイトと
   オーステナイトから成る組織を示す加工硬化されたばね
   用ステンレス鋼において、 冷間変形後高い耐食性を示し、重量パーセントで、事実
   上以下の組成、すなわち、17.0≦Cr≦19.0、0.8≦Ni≦1
   0.0、０＜Ｃ≦0.03、0.06≦Ｎ≦0.16、０＜Si≦1.0、1.
   0≦Mn≦2.0、０＜Mo≦0.8、０＜Ｐ≦0.045、０＜Ｓ≦0.
   030、残部Feおよび不可避残留物からなることを特徴と
   する加工硬化したばね用ステンレス鋼。
2. 【請求項２】機械的性質を向上させるためにばねにおい
   て焼戻し熱処理を実行することを特徴とする請求の範囲
   第１項に記載の加工硬化したばね用ステンレス鋼。