JP4319083B2

JP4319083B2 - 剛性率に優れたばね向け高強度鋼線用の準安定オーステナイト系ステンレス鋼線

Info

Publication number: JP4319083B2
Application number: JP2004119154A
Authority: JP
Inventors: 光司高野; 信二柘植; 祐司森; 健中野
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005298932A

Description

本発明は高強度用ステンレス鋼線に関わり、さらに詳しくは高強度オーステナイト系ステンレス鋼線の剛性率向上技術に関するものである。

従来、ばね用等の高強度ステンレス鋼線は、冷間伸線加工時の縦割れ（時効割れ）が問題であり、成分，水素量や伸線加工後の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（特許文献１）。

一方、最近、結晶粒微細化や常温の伸線加工によるオースフォームの強靱化効果を使うことで、延靱性と弾性率を著しく向上させた高強度ステンレス鋼線が提案されている（特許文献２）。

特開平１０−１２１２０８号公報国際特許ＰＣＴ／ＪＰ０２／０４４９３

従来、ステンレス鋼線の強度と弾性率を高める技術が提案されてきたが、本発明では、更に、ステンレス鋼線およびばね製品の剛性率を成分調整で飛躍的に向上させ、炭素鋼であるピアノ線並の剛性率を高強度ステンレス鋼線を安定して得ることにある。

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において、剛性率を下げるＮｉ等の合金元素の添加量を抑制し、代替として剛性率を下げ難いＭｎ，窒素を積極添加することで、伸線加工でオースフォーム化された加工誘起マルテンサイト組織が得られて延靱性・伸線加工性の劣化を抑制し、更に、低温時効でＣｒ炭窒化物を析出してステンレス鋼線の強度と剛性率を著しく向上させることを見出した。

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、Ｃ：０．０３〜０．１４％，Ｓｉ：０．１〜４．０％，Ｍｎ：１．０〜７．０％，Ｎｉ：１．０〜５．０％，Ｃｒ：１３．０〜１９．０％，Ｎ：０．０５〜０．３０％を含有し残部がＦｅおよび不可避的な成分からなり、且つ、（１）式で表されるＭｄ３０の値が０〜３０（℃）であり、引張強さが２２００Ｎ／ｍｍ ² 以上，剛性率が７０ＧＰａ以上，加工誘起マルテンサイト量が２０〜８０Ｖｏｌ．％であることを特徴とする高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線である。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１３．７Ｃｒ−１８．５Ｍｏ・・・・・・・（１）
（２）さらに、２００〜６００℃の低温時効で平均粒子サイズが０．２μｍ以下のＣｒ炭窒化物が分散していることを特徴とする前記（１）記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線である。
（３）さらに、質量％で、下記のＡ，Ｂ，Ｃのいずれか１種以上含有することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線である。
Ａ：Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｗの何れか１種または２種以上をそれぞれ：０．０１〜０．３０％
Ｂ：Ｖ：０．１〜０．５％
Ｃ：Ｍｏ：０．２〜３．０％，Ｃｕ：０．２〜１．０％，Ｃｏ：０．０５〜
３．０％の何れかの１種または２種以上
（４）さらに、水素：１．５ｐｐｍ以下であることを特徴とする前記（１）〜（３）記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線である。
（５）さらに、質量％で、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線である。
（６）さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線およびばね製品である。
（７）さらに、前記（１）〜（６）記載の鋼線の素材となる伸線加工用の準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材である。

本発明による高強度ステンレス鋼線は、高強度オーステナイト系ステンレス鋼線の剛性率を飛躍的に向上したものであり、ステンレス鋼ばねで、ピアノ線のばねに匹敵するばね定数を得ることにある。

以下に、先ず、請求項１の限定理由について述べる。

Ｃは伸線加工後に高強度を得るために、０．０３％以上（以下は全て質量％）添加する。しかし、０．１４％を超えて添加すると、粒界に粗大Ｃｒ炭化物が析出し、延靱性が低下することから、上限を０．１４％とする。好ましい範囲は、０．０６〜０．１２％である。

Ｓｉは、マトリックス中のＣ，Ｎの活量を上げて、伸線後の低温時効時に炭窒化物を微細析出させて、高強度・高剛性率化の効果を引き出すために、０．１％以上添加する。しかし、４．０％を超えて添加するとその効果は飽和するばかりか、製造性が悪く、また、逆に延靱性が劣化するため、上限を４．０％以下に限定する。好ましい範囲は、０．７〜２．０％である。

Ｍｎは、剛性率を比較的低下させずにオーステナイト組織を適度に得て、伸線加工にてオースフォーム化した加工誘起マルテンサイト組織を得るため、１．０％以上添加する。しかし、８．０％を超えて添加すると、剛性率が低下するため、上限を８．０％に限定する。好ましい範囲は、５．０〜７．０％である。

Ｎｉは、適度のオーステナイト組織を得て、マトリックスの延靱性を確保するため、１．０％以上添加する。しかし、５．０％を超えて添加すると、剛性率が低下するため、上限を５．０％に限定する。好ましい範囲は、２．０〜４．０％である。

Ｃｒは、耐食性を確保するため、１３．０％以上添加する。しかし、１９．０％を超えて添加すると、延靱性が劣化するため、上限を１９．０％に限定する。好ましい範囲は、１４．０〜１８．０％である。

Ｎは伸線加工後の低温時効時にＣｒ窒化物を微細に析出させて高強度化および高剛性化するために、０．０５％以上添加する。しかし、０．３０％を超えて添加すると、製造時にブローホールが生成し、製造性を著しく劣化させるため、上限を０．３０％に限定する。好ましい範囲は、０．１０〜０．２０％である。

前記（１）式で規定されるＭｄ３０は、伸線加工後の加工誘起マルテンサイト量に影響を及ぼし、伸線加工（通常の伸線又は温度制御伸線）で加工誘起マルテンサイト量を２０〜８０ｖｏｌ．％得て、断線・縦割れ等の破壊無く高強度化するため、−１０℃以上とする。一方、４０℃を超えると、通常の伸線加工で断線・縦割れ等の破壊が生じるため上限を４０℃に限定する。好ましい範囲は、０〜３０℃である。

引張強さが２０００Ｎ／ｍｍ²未満の場合、基本的に延靱性は高いが、ばね定数が低くなるため、本発明の効果が発現しない。それに対し、引張強さが２０００Ｎ／ｍｍ²以上の高強度材になると、高強度且つ高剛性率が得られ、高いばね定数が得られるため、本発明の高強度・高剛性率・高延靱性の効果が十分に発揮される。そのため、２０００Ｎ／ｍｍ²以上の鋼線に限定する。好ましくは、２２００Ｎ／ｍｍ²以上の鋼線である。

また、剛性率については、７０ＧＰａ以上で通常のステンレス鋼ばねと差別化でき、その経済的効果が大きくなる。そのため、剛性率が７０ＧＰａ以上に限定する。好ましくは、７２ＧＰａ以上である。

加工誘起マルテンサイト量は、低温時効時の固溶窒素の排出・微細析出を促し、高強度化・高剛性率化するのに有効であるため、２０ｖｏｌ．％以上にする。しかしながら、８０ｖｏｌ．を超えると断線・縦割れ等の破壊のため、生産性が低くなり、経済的効果を発揮できない。そのため、上限を８０ｖｏｌ．％に限定する。好ましい範囲は、３０〜７０ｖｏｌ．％である。

次に請求項３記載の限定理由について述べる。

低温時効は、特に加工誘起マルテンサイト組織部において固溶窒素をＣｒ炭窒化物として析出させることができるので、強度と剛性率を著しく向上できる。但し、２００℃未満ではその効果が小さく、６００℃超では粗大化するとともに歪みが回復するため軟化してしまう。そのため、２００〜６００℃に限定する。好ましい範囲は、３００℃〜５００℃である。

低温時効後のＣｒ炭窒化物の平均粒子サイズは、０．２μｍ超では高強度化の効果が小さい。そのため、平均粒子サイズを０．２μｍ以下に限定する。好ましくは、０．１μｍ以下である。

次に、請求項４記載の限定理由について述べる。

Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｗは、微細な炭窒化物を形成し、鋼線の溶体化処理後のオーステナイト結晶粒を安定的に微細化させて延靱性を向上させるため、必要に応じて、そのいずれかを０．０１％以上添加する。しかし、０．３０％超添加してもその効果は飽和し、経済的でないばかりか、逆に延靱性を低下させるため、上限を０．３０％とする。また、これら元素の複数を添加する場合にあってもその上限は０．３５％、望ましくは０．３０％にとどまるのがよい。

特に、ＡｌおよびＮｂにおいては、熱間加工性を向上させるとともに、析出強化効果による高強度化に寄与することから有効である。

Ｖは微細な炭窒化物を形成し、鋼線の溶体化処理後のオーステナイト結晶粒を安定的に微細化させて延靱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、０．５％以上添加してもその効果は飽和するし、逆に延靱性を低下させるため、上限を０．５％とする。また、このＶは前記したＡｌやＮｂ，Ｔｉなどのグループの組成と併用して添加してもよい。

Ｍｏ，Ｃｕ，Ｃｏは耐食性に有効であるため、必要に応じて、Ｍｏ，Ｃｕを０．２％以上，Ｃｏを０．０５％以上添加する。しかし、Ｍｏ：３．０％，Ｃｕ：１．０％，Ｃｏ：３．０％を超えて添加してもその効果は飽和し、経済的でないばかりか、逆にＭｏ，Ｃｕの過剰添加は剛性率を低下させる。また、Ｃｕの過剰添加は伸線加工後の強度をも低下させる。そのため、上限をそれぞれＭｏ：３．０％，Ｃｕ：１．０％，Ｃｏ：３．０％とすることが望ましい。とりわけ、Ｍｏ：０．５〜２．０％，Ｃｕ：０．３〜０．８％，Ｃｏ：０．１〜２．０％が好ましい。

次に、請求項５記載の限定理由について述べる。
鋼中の水素は、延靱性を確保するために、必要に応じて、１．５ｐｐｍ以下に限定する。

次に、請求項６記載の限定理由について述べる。

Ｂは、熱間加工性確保のために、必要に応じて、０．００１以上添加する。しかしながら、０．０１％超添加してもボライドを生成し、縦割れや破断等、伸線加工性が劣化するため上限を０．０１％とする。好ましい範囲は、０．００２〜０．００８％である。

次に、請求項７記載の限定理由について述べる。

Ｃａ，Ｍｇは、必要に応じて、脱酸を強化することを目的に、それぞれ、Ｃａ；０．０００５％〜０．０１％，Ｍｇ；０．０００５〜０．０１％添加する。ここで、過剰に添加すると粗大な脱酸生成物により延靱性が劣化するため、それぞれ、上限を設定する。

以下に本発明の実施例についてさらに具体的に説明する。

本発明は、とりわけ、低温時効後の鋼線の目標特性として、引張強さが２２００Ｎ／ｍｍ²以上，ばね用鋼線の剛性率が７０ＧＰａ以上を有するものとし、鋼線製造性として縦割れおよび破断等の破壊が無いこととした。

表１に示す化学組成の供試材は通常のステンレス鋼線材の製造工程で溶製し、熱間でΦ５．５ｍｍまで線材圧延を行い、１０００℃で圧延を終了した。得られた線材を約１０５０℃，５ｍｉｎの熱処理を施し、水冷した。その後、一部の線材については、３５０℃，８時間の脱水素処理を施した。そして、φ３．０ｍｍまで連続伸線機にて伸線加工を行い、その後、ストランド炉にて１０００℃の溶体処理を施してばね用ステンレス鋼線の素材とした。そして、種々の条件にて冷間伸線加工を施して高強度ステンレス鋼線とし、引き続き、種々の条件で低温時効を施した。

そして、低温時効後の鋼線の加工誘起マルテンサイト量，引張強さ，剛性率，Ｃｒ炭窒化物および伸線加工中の断線および鋼線製品の縦割れ（内部割れ等）の破壊の有無を調査した。

加工誘起マルテンサイト量は、直流式のＢＨトレーサーにて飽和磁化を測定して求めた。
引張強さは、ＪＩＳＺ２２４１の引張試験により測定した。
剛性率は、ねじり振り子法により測定した。

鋼線の破壊については、伸線加工中に断線が起こるか否かで判断し、縦割れ（内部割れ等）については、鋼線製品の１０箇所から横断面に埋め込み研磨し、光学顕微鏡観察により割れの有無で判断した。

Ｃｒ炭窒化物については、通常の抽出レプリカ法にてレプリカ試料を作製し、透過型電子顕微鏡観察により平均粒子径を求めた。

まず、本発明の基本成分の効果について述べる。ここで用いる供試材は前記工程による溶体化処理後の線材を脱水素処理して、１．５ｐｐｍまで水素を低減し、φ３．０ｍｍまで１次の伸線加工を施し、続いてＡｒ雰囲気中で中間ストランド焼鈍後、φ１．５ｍｍまで２次の伸線加工を施し、４００℃−３０分の低温時効を施した。表２にその鋼線の特性を示す。

本発明例Ｎｏ．１、２、５〜８、１１、１３、１７〜２８と比較例Ｎｏ．２９〜４６は、各特性に及ぼす素材の化学組成の影響を調査したもので、比較例（比較鋼）と比較して本発明例（本発明鋼）全てにおいて、Ｃｒ炭窒化物の平均粒子径が０．２μｍ以下であり、破壊無しに引張強さが２２００Ｎ／ｍｍ²以上，剛性率が７０ＧＰａ以上を示し、強度および剛性率に優れていた。

次に、請求項３記載の低温時効の影響について述べる。

ここで用いる供試材は、本発明鋼Ａ，Ｇ，Ｅであり、前記工程による溶体化処理後の線材を脱水素処理し、φ３．０ｍｍまで１次の伸線加工を施し、続いてＡｒ還元雰囲気で溶体化処理を施し、引き続き、φ１．５ｍｍまで伸線加工を施した。その後、常温〜７００℃で３０分の時効処理を施した。表３にその鋼線の特性を示す。

本発明例Ｎｏ．４７〜５２と比較例Ｎｏ．５３〜５７は、各特性に及ぼす時効処理の影響を調査したもので、比較例と比較して本発明例全てにおいて、Ｃｒ炭窒化物の平均粒子径が０．２μｍ以下であり、破壊無しに引張強さが２２００Ｎ／ｍｍ²以上，剛性率が７０ＧＰａ以上を示し、強度および剛性率に優れていた。

次に、請求項５の水素の影響について述べる。

ここで用いる供試材は、本発明鋼Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｍであり、前記工程による溶体化処理後の線材の一部を脱水素処理し、φ３．０ｍｍまで１次の温間伸線加工を施し、続いてＡｒまたは、水素＋窒素の還元雰囲気で溶体化処理を施して、水素含有量を変化させた。その後、φ１．２ｍｍまで強伸線加工を施し、４００℃−３０分の低温時効を施した。表４にその鋼線の特性を示す。

本発明例Ｎｏ．４７〜５４と比較例Ｎｏ．５５〜５８は、各特性に及ぼす水素量の影響を調査したもので、比較例と比較して本発明例全てにおいて、破壊が発生しておらず、特に強伸線加工の場合、低水素の方が破壊抑制の観点から好ましい。安定して破壊を抑制するには、１．５ｐｐｍ以下が好ましい。

本発明の剛性率に優れる高強度ステンレス鋼線によれば、準安定オーステナイト系ステンレス鋼線のＮｉ等基本成分の規制に加え、オースフォームの強靱化の効果を利用し、且つ、低温時効でのＣｒ炭窒化物の析出を積極的に使うことで、延靱性と剛性率を著しく向上させた高強度ステンレス鋼線を安定して得ることができる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１４％，Ｓｉ：０．１〜４．０％，Ｍｎ：１．０〜７．０％，Ｎｉ：１．０〜５．０％，Ｃｒ：１３．０〜１９．０％，Ｎ：０．０５〜０．３０％を含有し残部がＦｅおよび不可避的な成分からなり、且つ、（１）式で表されるＭｄ３０の値が０〜３０（℃）であり、引張強さが２２００Ｎ／ｍｍ ² 以上，剛性率が７０ＧＰａ以上，加工誘起マルテンサイト量が２０〜８０Ｖｏｌ．％であることを特徴とする高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
Ｍｄ３０＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ
−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ）−１３．７Ｃｒ−１８．５Ｍｏ・・・・・・・（１）
さらに、２００〜６００℃の低温時効で平均粒子サイズが０．２μｍ以下のＣｒ炭窒化物が分散していることを特徴とする請求項１記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
さらに、質量％で、下記のＡ，Ｂ，Ｃのいずれか１種以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
Ａ：Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｗの何れか１種または２種以上をそれぞれ：０．０１〜０．３０％
Ｂ：Ｖ：０．１〜０．５％
Ｃ：Ｍｏ：０．２〜３．０％，Ｃｕ：０．２〜１．０％，Ｃｏ：０．０５〜３．０
％の何れかの１種または２種以上
さらに、水素：１．５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
さらに、質量％で、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高強度・高剛性ばね向けの準安定オーステナイト系ステンレス鋼線。
さらに、請求項１〜６のいずれかに記載の鋼線の素材となる伸線加工用の準安定オーステナイト系ステンレス鋼線材。