JP4289756B2

JP4289756B2 - 高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材

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Publication number: JP4289756B2
Application number: JP2000074404A
Authority: JP
Inventors: 光司高野; 隆二中尾; 好宣多田; 昌夫五十嵐
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: JP2001262281A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、清浄度が高く、結晶粒の微細が必要な高強度ステンレス鋼に関わり、更に詳しくは、例えば高強度ばね用ステンレス線材や鋼線（以下、本明細書において単に鋼線という場合がある）の伸線加工後の冷間加工割れ防止技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ばね用等のステンレス鋼線においては軽量化のニーズが高まっており、高強度化が要望されるようになってきた。この種の材料としてＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０１，ＳＵＳ３０２等のオーステナイト系ステンレス線材を強伸線加工した鋼線が使用されてきた。
【０００３】
しかしながら、これらの鋼は強伸線加工を施すと伸線加工時および伸線加工後に縦方向に冷間加工割れ（時効割れ）が発生する場合があった。そのため、一部の伸線縦割れ材の判別のために多大な労力を要し、生産性を著しく低下させていた。
【０００４】
また近年、この冷間加工割れ（縦割れ）に対して、成分，水素量や加工誘起マルテンサイト量を規制して防止する技術が提案されている（特開平１０−１２１２０８号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来技術には、高清浄化と結晶粒の微細化による防止は検討されていない。
本発明の目的は、これらの鋼の冷間加工割れ（時効割れ）を高清浄化と結晶粒微細化の観点から抑制し、高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材を安定して提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材において、マトリックスの成分を限定し、かつ微細な酸化物の組成を限定することで、清浄度が高く、結晶粒微細化が容易で加工性に優れる高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材を安定して得ることを見い出した。本発明はこの知見に基づいてなされた。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ａｌ：０．０１％以下、
Ｏ：０．００１〜０．００５％、Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：６．０〜１０．０％、
Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、Ｎ：０．１５％以下
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、０．５〜２μｍの酸化物の平均組成のＣｒ濃度が２０〜５０質量％であり、鋼表層部の平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。
（２）さらに質量％で、
Ｃｕ：０．１〜４％、Ｍｏ：０．１〜３％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする前記（１）に記載の高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。
（３）鋳造後、分塊圧延せずに、直接、熱間圧延をしてなることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明で特定した非金属介在物のサイズとその組成について説明する。
鋼中の２次脱酸生成物である微細な酸化物中のＳｉ酸化物は、熱処理により分解し、Ｃｒ酸化物へと置換する。この微細なＳｉ酸化物の分解・Ｃｒ酸化物への超微細再析出によりオーステナイト粒界のピンニング力が増大し、溶体化処理で結晶粒が粗大化し難くなる。この時、Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｏの含有量を制限し、０．５〜２μｍの酸化物の平均組成のＣｒ濃度（微細粒酸化物中のＣｒ濃度）を２０％〜５０質量％にすると、熱処理時の分解・再析出により、特に結晶粒が微細化することを見いだした。
【０００９】
図１に、１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ−１．０％Ｍｎ−０．５％Ｓｉ−０．００４％Ｏ系の１１００℃で溶体化処理した鋼線において、０．５〜２μｍサイズの微細酸化物の平均Ｃｒ濃度（％）と結晶粒径の関係を示す。微細酸化物中のＣｒの平均組成が約２０％以上になると特に粒微細化しているのがわかる。そのため、０．５〜２μｍの酸化物の平均組成のＣｒ濃度を２０〜５０％に限定した。
ここで、酸化物の平均組成は、非金属介在物中のＳとＣｕ元素（硫化物）を除いて質量％で換算して求めた値である。
微細化に影響を及ぼすのは、主に鋼の鋳造時に生じるサイズが約０．５〜２μｍの範囲にある２次脱酸生成物であるため、本発明では規定する微細酸化物のサイズを０．５〜２μｍに限定した。
【００１０】
鋳造後の熱処理・熱間圧延等でマトリックス中に超微細酸化物を微細析出させるには、請求項１に記載したようにマトリックス中のＳｉ量を０．３％以上，Ｏ濃度を０．００５％以下，Ａｌ量を０．０１％以下にして、鋳造時にＳｉリッチな２次脱酸生成物を微細晶出させることが有効である。
また、本発明では、鋼の加工性を維持して高強度化するために製品のオーステナイト粒を５０μｍ以下に限定した。前述の介在物制御を行うことでオーステナイト粒は５０μｍ以下になるが、好ましくは特に３０μｍ以下である。
【００１１】
次に、請求項３の鋳造後、直接、熱間圧延してなるものについての限定理由を説明する。
従来行われてきた分塊圧延を施すと、その熱履歴によりＳｉＯ_２系の介在物が比較的粗大なＣｒ_２Ｏ_３に変化するため、粒界のピンニング力が低下し、本発明の効果が薄れる。従って、請求項１、２に規定した成分を含有する本発明鋼を、安価に製造できる直接−熱間圧延により製造される鋼に適用することが、その効果が特に優れる。そのため、請求項３では鋳造後、直接、熱間圧延してなる鋼線材に限定した。
【００１２】
次に、本発明請求項１、２のマトリックスの鋼の成分範囲について述べる。
Ｓｉは脱酸のため、また微細なオーステナイト粒の原因となるＳｉＯ_２系の微細酸化物の生成を助長させるため０．３％以上添加する。しかしながら３．０％を超えて添加すると、その効果は飽和するばかりか靱性が劣化し、加工性を劣化させる。そのため上限を３．０％に限定した。
【００１３】
Ａｌは脱酸元素であるが、０．０１％を超えて添加すると、オーステナイト粒を微細化させる微細ＳｉＯ₂系の酸化物の生成を抑制するため、上限を０．０１％に限定した。
【００１４】
Ｏは微細オーステナイト粒の原因となるＳｉＯ₂系の微細酸化物（２次脱酸生成物）の生成を助長させるため、０．００５％以下とした。一方、Ｏが０．００５％を超えると脱酸生成物が粗大なＣｒ₂Ｏ₃系になり、オーステナイト粒のピンニング効果が小さくなる。そのため上限を０．００５％とした。しかしながら、Ｏが０．００１％未満になるとピンニングする微細な酸化物量が少なくなり、微細粒にならないばかりか不経済である。そのため下限を０．００１％にした。
【００１５】
Ｃは冷間加工後の強度を得るために０．０３％以上添加する。しかし、０．１５％を超えて添加すると粒界に炭化物が析出し、加工割れ性を高めることから０．１５％以下とした。
【００１６】
Ｍｎは脱酸のため０．１％以上添加する。しかし、３．０％を超えて添加するとその効果は飽和するし、経済的でない。そのため上限を３．０％に限定した。
【００１７】
Ｓは加工性を劣化させ、また、耐時効割れ性を劣化させる元素であるため、０．０１％以下に限定した。
Ｐは加工性を劣化させる元素であるため、０．０５％以下に限定した。
【００１８】
Ｎｉは冷間加工時の靱性を確保し、加工性を向上させるため、６％以上添加する。しかし、１０．０％超添加するとその効果は飽和するし、経済的でない。そのため上限を１０．０％に限定した。
【００１９】
Ｃｒは耐食性確保のために１５％以上添加する。しかし、２０％を超えて添加してもその効果は飽和するし、経済的でない。そのため上限を２０％に限定した。
【００２０】
Ｎは冷間加工後の強度を確保するために添加するが、質量％で０．１５％を超えると、鋼中への固溶量を超えて気泡を生成するばかりか粒界に窒化物が析出し、時効割れ性を高めることから、上限を０．１５％に限定した。
【００２１】
またＣｕは、オーステナイト系ステンレス鋼の冷間加工性を向上させるため、必要に応じて０．１％以上添加する。しかしながら、４％を超えて添加するとその効果は飽和するばかりか、Ｃｕ偏析により熱間での製造性を著しく劣化させる。そのため上限を４％に限定した。
【００２２】
Ｍｏはオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を向上させるため、必要に応じて０．１％以上添加する。しかしながら、３．０％を超えて添加するとその効果は飽和し不経済であるばかりか、冷間加工性を劣化させる。そのため上限を３．０％に限定した。
【００２３】
なお、本発明鋼は結晶粒の微細化を目的としているが、炭窒化物のピン止め効果により、溶体化処理時の結晶粒微細化を引き起こすため、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ，Ｔａ等を必要に応じて添加することができる。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。
表１に本発明鋼Ａ〜Ｎと、表２に比較鋼Ｏ〜Ｚ，ＡＡ〜ＡＥの成分を示す。
本発明鋼Ａ〜Ｃと比較鋼Ｏ〜Ｓは、０．０８％Ｃ−１％Ｍｎ−８％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−０．０２％Ｎを基本成分として、酸化物の状態を大きく変化させるＳｉ量（％），Ａｌ量（％），Ｏ量（％）を変化させたものである。
【００２５】
本発明鋼Ａ，Ｄ〜Ｆと比較鋼Ｔ〜Ｖは、０．６％Ｓｉ−１．０％Ｍｎ−８％Ｎｉ−１８％Ｃｒを基本成分として加工硬化を大きくし、冷間加工性に寄与するＣ量（％），Ｎ量（％）を変化させたものである。
【００２６】
本発明鋼Ａ，Ｇ，Ｈと比較鋼Ｗ〜Ｙは、０．０８％Ｃ−０．６％Ｓｉ−１８％Ｃｒ−０．０２％Ｎを基本成分として、オーステナイト組織を安定させるＮｉ量（％），Ｍｎ量（％）を変化させたものである。
【００２７】
本発明鋼Ａ，Ｉ，Ｊと比較鋼Ｚ，ＡＡは、０．０８％Ｃ−０．６％Ｓｉ−１％Ｍｎ−８％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−０．０２％Ｎを基本成分として、冷間加工性を劣化させる偏析元素であるＰ，Ｓを変化させたものである。
【００２８】
本発明鋼Ａ，Ｋ，Ｌと比較鋼ＡＢ〜ＡＤは、０．０８％Ｃ−０．６％Ｓｉ−１％Ｍｎ−８％Ｎｉ−０．０２％Ｎを基本成分として耐食性を向上させ、また冷間加工性を劣化させるＣｒ量（％），Ｍｏ量（％）を変化させたものである。
【００２９】
本発明鋼Ａ，Ｍ，Ｎと比較鋼ＡＥは、０．６％Ｓｉ−１％Ｍｎ−８％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−０．０２％Ｎを基本成分として、冷間加工性を向上させるＣｕを変化させたものである。
【００３０】
これらの鋼は、線材の微細な酸化物の組成を変化させるために、製鋼段階で以下の処理を行った。すなわち精錬炉にて酸化物精錬時に生成したクロム酸化物を含むスラグの還元剤としてＳｉ，またはＡｌ含有物質を用いて、還元精錬後のスラグ組成を調整し、鋳造を行った。
比較鋼Ｒ，Ｓは、０．５〜２μｍの酸化物介在物の平均組成のＣｒ濃度を低くするためにＡｌ還元を行い、鋳造を行ったものである。その他の鋼はＳｉ脱酸を行い、鋳造を行ったものである。
【００３１】
以上の鋳片はステンレス線材の製造工程で、連続鋳造された鋳片を、分塊圧延無しに１２００℃まで加熱して、φ５．５ｍｍまで熱間で線材圧延を行い、１０００℃で熱延を終了した。
ここで、本発明鋼Ａ〜Ｃは、前述の直接熱間圧延に加え、分塊圧延の効果を確認するために鋳片を１２８０℃加熱で分塊圧延し、その後、前述と同様な条件でφ５．５ｍｍまで線材圧延を行った。得られた熱延材を１０８０℃で焼鈍し、酸洗を行って、φ４．０ｍｍまで冷間で１次伸線加工を施し、１１００℃でストランド焼鈍を施した。
ここで、微細な酸化物の組成をＥＤＳ分析により測定、およびオーステナイト粒径を実施した。続いて約７０〜９０％の減面率で、引張強さで１８００〜２０００Ｎ／mm^２の引張強さを狙って冷間で２次伸線加工を施し、加工割れの有無を評価した。
【００３２】
微細な酸化物は、鋼線を＃５００研磨仕上げし、その試料を陽極として、１０％無水マレイン酸＋２％塩化テトラメチルアンモニウム＋メタノール溶液中で約１２００クーロン／cm^２の電流を流して、約０．５ｇ溶解し、メッシュサイズが０．２μｍのポリカーボネイトのろ紙でろ過して、微細な非金属介在物を抽出した。その後、ビームサイズが約１μｍのＳＥＭ・ＥＤＳ分析により、０．５〜２μｍサイズの非金属介在物の組成を任意に１０個測定し、その平均値で微細な酸化物組成とした。ここで、酸化物は硫化物と複合体となっているため、酸化物の組成を算出する時は、ＳとＣｕ元素を除いて質量％で換算した。本発明の微細な酸化物中の組成はＣｒ濃度が２０％〜５０％とした。
【００３３】
オーステナイト粒径は、鋼線縦断面中心を鏡面研磨後、硝酸電解エッチし、倍率が１００倍で光学顕微鏡観察を行い、切断法により平均結晶粒径を求めた。本発明の平均オーステナイト粒径は５０μｍ以下とした。
【００３４】
２次伸線後の加工割れは、伸線後の製品の断面を２０カ所切断し、横断面に埋込み研磨し、その断面内の割れの有無で評価した。本発明の冷間加工性の評価は加工割れが無いこととした。
【００３５】
以上の試験結果を本発明例として表３，比較例として表４に示す。
表３で明らかなように、本発明例は全て上記特性ランクを満足しているのに対し、表４の比較例Ｎｏ．１５は結晶粒は微細でないが、Ｏ量（％）が低く、経済性に劣っていた。Ｎｏ．１６はＯ量（％）が高く、粒粗大なため加工割れ性に劣っていた。Ｎｏ．１７はＳｉ量（％）が低く、粒粗大を示すため加工割れ性に劣っていた。Ｎｏ．１８，１９はＡｌ量（％）が高く、粒粗大を示すため加工割れ性に劣っていた。
【００３６】
Ｎｏ．２０はＣ量（％）が低いため、伸線加工を施しても狙いの強度レベルにならず、本発明の目的でない。Ｎｏ．２１はＣ量が高いため、加工割れ性に劣っていた。Ｎｏ．２２はＮ量（％）が高く、気泡発生のため製造性不可であった。
【００３７】
Ｎｏ．２３はＭｎ量（％）が高いため不経済である。Ｎｏ．２４はＮｉ量（％）が低いため加工割れ性に劣っていた。Ｎｏ．２５はＮｉ量（％）が高いため、伸線加工を施しても狙いの強度レベルにならず、本発明の目的を達成していない。
【００３８】
Ｎｏ．２６はＰ量（％）が高いため加工割れ性に劣っていた。Ｎｏ．２７はＳ量（％）が高いため加工割れ性に劣っていた。
【００３９】
Ｎｏ．２８はＭｏ量（％）が高いため、不経済であるばかりか断線が発生し、冷間加工性が劣化した。Ｎｏ．２９はＣｒ量（％）が低いため、加工性は良好であるが耐食性が劣っていた。Ｎｏ．３０はＣｒ量（％）が高いため不経済である。
Ｎｏ．３１はＣｕ量（％）が高いため熱間加工性が悪く、線材の製造性が不可であった。
【００４０】
次に、鋳片を分塊圧延した場合の試験結果を表５に示す。本発明例Ｎｏ．３２〜３４は本発明例Ｎｏ．１〜３と比較して、分塊圧延を行うことで結晶粒径が大きくなっており、分塊圧延を行った製品に対しては、本発明の結晶粒微細化の効果が小さくなっているのがわかる。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
【表３】

【００４４】
【表４】

【００４５】
【表５】

【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により溶体化処理後に微細化が必要な高強度準安定オーステナイト系ステンレス製品、例えばばね用高強度ステンレス線材および鋼線を安価に、且つ安定して提供することが可能であり、産業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ−１％Ｍｎ鋼の微細酸化物中のＣｒ濃度と１１００℃溶体化処理後の結晶粒径の関係を示す図。

Claims

質量％で、
Ｓｉ：０．３〜３．０％、
Ａｌ：０．０１％以下、
Ｏ：０．００１〜０．００５％、
Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｍｎ：０．１〜３．０％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：６．０〜１０．０％、
Ｃｒ：１５．０〜２０．０％、
Ｎ：０．１５％以下
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、０．５〜２μｍの酸化物の平均組成のＣｒ濃度が２０〜５０質量％であり、鋼表層部の平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。
さらに質量％で、
Ｃｕ：０．１〜４％、
Ｍｏ：０．１〜３％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。
鋳造後、分塊圧延せずに、直接、熱間圧延をしてなることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。