JP4489928B2 - 高強度オーステナイト系ステンレス鋼線 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高強度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の伸線加工時の縦割れ防止技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、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。とりわけ、伸線加工後に1900N/mm2 以上の強度が求められる。
【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、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(H)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、従来技術では、組織、成分の規制に加えて組織の微細化の観点から防止方法を検討していない。
そこで、本発明では、結晶粒微細化と組織、成分の規制から伸線縦割れを抑制し、高強度オーステナイト系ステンレス鋼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、オーステナイト系ステンレス鋼において、マトリックスの成分、加工誘起マルテンサイト量、強度を限定し、かつ、結晶粒微細化で、耐伸線割れ性に優れる高強度オーステナイト系ステンレス鋼線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、
C :0.03〜0.14%、 Si:0.1〜3.0%、
Mn:0.1〜5.0%、 Ni:5.0〜9.0%、
Cr:14.0〜19.0%、 N :0.005〜0.20%
Cu:0.8%以下、 Mo:0.1〜2.0%
を含有し、また、
Al,Nb,Ti,Zr,Ta,Wのいずれか1種以上を合計で0.01
〜0.3%と、V:0.1〜0.5%とのいずれか1種または2種以上
を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、さらに、2C+Nが0.17〜0.32%、下記(1)式で表されるMd30の値が−20(℃)〜40(℃)であることを特徴とする高強度ステンレス鋼線。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si―8.1Mn
−29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo …(1)
式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を示す。
)伸線加工前の初期のオーステナイト粒径が30μm以下であることを特徴とする前記(1)に記載の高強度ステンレス鋼線。
)さらに質量%でP:0.02%以下を含有することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の高強度ステンレス鋼線。
)さらに質量%で、H:1.5ppm 以下、O:0.01%以下のいずれかまたは両方に規制してなることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼線。
)伸線加工後の強度が1900N/mm以上、加工誘起マルテンサイト量が20〜80%であることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載の高強度ステンレス鋼。
【0008】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明のステンレス鋼の成分範囲について述べる。
CはNと合わせて伸線加工後に高強度(とりわけ1900N/mm2 以上)を得るために、質量%で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Cr炭化物が析出し、縦割れ感受性を高めることから0.14%以下とした。
【0009】
Si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ばかりか、靭性が劣化し、Md30の値が−20(℃)未満になり、伸線加工後の強度が低下するため、3.0%以下とした。
【0010】
Mnは脱酸のため、また、Md30の値を40(℃)以下にするため、0.1%以上添加する。しかし、5.0%を超えて添加すると、Md30の値が−20(℃)未満になり、伸線加工後の強度が低下するため、上限を5.0%とした。
【0011】
Niは伸線加工後の靭性を確保し、また、Md30の値を40(℃)以下にするため、5.0%以上添加する。しかし、9.0%を超えて添加すると、Md30の値が−20(℃)未満となり、伸線加工後の強度が低下するため、上限を9.0%とした。
【0012】
Crは耐食性を確保するため、14.0%以上添加する。しかし、19.0%を超えて添加すると、Md30の値が−20(℃)未満になり、伸線加工後の強度が低下するため、上限を19.0%とした。
【0013】
Nは伸線加工後の強度を確保するために、質量%で0.005%以上添加する。しかし、0.20%を超えて添加すると、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Cr窒化物が析出し、縦割れ感受性を高めることから、上限を0.20%とした。
【0014】
Al,Nb,Ti,Zr,Ta,Wは、微細な炭窒化物を形成し、鋼線の結晶粒径を安定的に微細化させるため、1種以上を合計で0.01%以上添加する。しかし、0.3%以上添加してもその効果は飽和し、経済的でないばかりか、逆に耐伸線縦割れ性を低下させる。そのため、上限を0.3%とした。
特にAlおよびNbにおいては、熱間加工性を促進するとともに、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。
【0015】
Vは微細な炭窒化物を形成し、鋼線の結晶粒径を安定的に微細化させるため、必要に応じ、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、逆に耐伸線縦割れ性を低下させる。そのため、上限を0.5%に限定した。
【0016】
Pは伸線割れを助長する元素であるため、必要に応じて0.02%以下に低減することが望ましい。
【0017】
Cuはオーステナイトの加工硬化を抑制し、伸線加工後の鋼線の強度を低減させるため、0.8%以下に低減する
【0018】
Moは耐食性に有効であるため、0.1%以上添加する。しかし、2.0%を超えて添加してもその効果は飽和するため、上限を2.0%とする
【0019】
Hは耐伸線縦割れ性を低下させるため、必要に応じて1.5ppm 以下に低減することが望ましい。
【0020】
Oは粗大な酸化物を生成させ、耐伸線縦割れ性を低下させるため、必要に応じて0.01%以下に低減することが望ましい。
【0021】
次に伸線加工前のオーステナイトの結晶粒径について説明する。
結晶粒径が30μmを超える場合、伸線加工後の靭性が低下し、耐伸線縦割れ性が劣化する。そのため、伸線加工前のオーステナイト結晶粒径を30μm以下に限定した。
【0022】
次に、伸線加工後の強度および加工誘起マルテンサイト量について説明する。
伸線加工後の強度が1900N/mm未満の場合、伸線縦割れ感受性が低いため、本発明の効果が顕著に現れない。それに対し伸線加工後の強度が1900N/mm以上の超高強度の場合、伸線縦割れ感受性が高くなるため、本発明の効果が明確となる。そのため伸線加工後の強度が1900N/mm以上が好ましい。
【0023】
伸線加工後の加工誘起マルテンサイトが20%未満の場合、本発明の成分系では通常の伸線加工では強度が1900N/mm2 未満となり、本発明の効果が顕著に現れない。そのため、加工誘起マルテンサイト量が20%以上が好ましい。一方、伸線加工後の加工誘起マルテンサイト量が80%を超えると伸線縦割れ感受性が高くなるため、上限を80%とした。
なお、この加工誘起マルテンサイト量の測定は、例えば、直流磁化特性自動記録装置などによるB−H曲線から求めることができる。
【0024】
次に本発明で規定した2C+N量(%)および(1)式について説明する。
2C+N(%)は母材中の引張強さに及ぼすC,Nの影響を調査した結果得られたものである。伸線加工後の引張強さを1900N/mm2 以上確保するため2C+N(%)を0.17(%)以上にする。しかし、0.32(%)を超えると伸線縦割れ感受性が高くなるため、0.32(%)以下とした。
【0025】
(1)式のMd30は伸線加工した後の母材中の加工誘起マルテンサイト量に及ぼす各元素の影響を調査した結果得られたもので、加工誘起マルテンサイト量に対し、効果のある元素と影響度を示すものである。Md30の値が−20(℃)未満になると伸線加工後の加工誘起マルテンサイト量が少なく、強度が1900N/mm未満となり、本発明の効果が薄れることから−20℃以上とした。また、Md30の値が40℃を超えると伸線加工後の加工誘起マルテンサイト量が80%を超える可能性が高くなり耐伸線縦割れ性を低下するため、Md30の値を40(℃)以下とした
【0026】
【実施例】
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。
表1〜表5に実施例(本発明例および比較例)を示す。
実施例の供試材は通常のステンレス線材の製造工程で、溶製し、熱間で直径6.0mm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℃の3min の熱処理を施し、水冷した。その後、一部の供試鋼を大気中で300℃−24hの脱水素処理を施した。引き続き、供試鋼で減面率で45%〜75%の冷間伸線加工を施し、直径2.3〜4.4mmの鋼線にした。
【0027】
次に該製品の伸線前のオーステナイトの結晶粒径と伸線後の水素量(H)、加工誘起マルテンサイト量、引張強さ、伸線縦割れの有無を得るための試験を行った。
伸線前のオーステナイトの結晶粒径は、線材横断面を10%硝酸液中で電解エッチを行い、その後、画像解析により求めた。本発明例のγの結晶粒径は30μm以下であった。
水素量(H)は伸線後の鋼線から試料を取り出し、不活性ガス溶融−熱伝導測定法により測定した。本発明例で脱水素を行ったものは水素量(H)が1.5ppm 以下であった。
【0028】
加工誘起マルテンサイト量は伸線後の鋼線を直流式のBHトレーサーにて測定した。本発明例の加工誘起マルテンサイト量は20〜80%の範囲内にあった。
引張試験はJIS Z2241により製品の引張強さを測定した。本発明例の伸線後の鋼線の引張強さはいずれも1900N/mm2 以上であった。
伸線縦割れの有無は伸線後の各供試鋼よりランダムに10カ所を横断面に埋め込み・鏡面研磨した。その後、光学顕微鏡観察にて縦割れの有無の判定を行った。この時の縦割れ発生率を縦割れの評価とした。本発明例の縦割れの発生率は20%以下であった。
【0029】
表1に、C,N,Si,Mn,Ni,Cr,Moの伸線縦割れに及ぼす影響を調査した結果を示す。
本発明例1〜3と比較例10〜12は、強度に寄与するC量(%)およびN量(%)を変化させたものである。
本発明例2,4,5と比較例13は、フェライト生成元素であるSi量(%)を変化させたものである。
【0030】
本発明例2,6,7と比較例14,15,16は、オーステナイト生成元素であるMn量(%)とNi量を変化させたものである。
本発明例2,8,9と比較例17,18,19は、フェライト生成元素であるCr量(%)とMo量(%)を変化させたものである。
本発明例No.1〜9は、全て1900N/mm2 以上を満足し、全てにおいて縦割れが観察されず、耐伸線縦割れ性に優れていた。
しかし、比較例No.10では、C量が低く、縦割れは発生していないが、強度が低いため、本発明の効果が明確でなかった。
比較例No.11では、C量(%)および2C+N量(%)が高く、粒界炭化物が析出するために、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
【0031】
比較例No.12では、N量(%)が高いため、ブローホールが発生し、製造性が悪く評価不可であった。
比較例No.13では、Si量(%)が高く、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
比較例No.14,15では、Mn量(%)およびNi量(%)が高く、Md30の値が低く、伸線縦割れが発生しなかったが、強度が低いため本発明の効果が明確でなかった。
比較例No.16,17では、Ni量(%)およびCr量(%)が低く、Md30の値が高く、加工誘起マルテンサイト量が高いため、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
比較例No.18では、Cr量(%)が高い、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
比較例No.19では、Mo量(%)が高く、経済性に劣っていた。
【0032】
表2に、Cu,P,Oの伸線縦割れに及ぼす影響を調査した結果を示す。
本発明例20,21と比較例24は、強度に寄与するCu量(%)を変化させたものである。
本発明例20,22,23は、0.1%C−0.7%Si−1%Mn−7%Ni−17%Cr−0.6%Mo−0.06%N−0.03%Alを基本成分として耐伸線縦割れ性に寄与するP量(%)とO量(%)を変化させたものである。
本発明例No.20,21および比較例No.24より、Cu量(%)が0.8%以上になると伸線縦割れは発生していないが、引張強さが1900N/mm2 以下となり、本発明の効果が明確でなかった。
本発明例No.20,22,23より、低P化および低O化は耐伸線縦割れ性をさらに向上させるのに有効であった。
【0033】
表3に、Al,Nb,Ti,Zr,Ta,W,Vおよび伸線加工前のオーステナイトの結晶粒径と伸線縦割れの関係を示す。
本発明例20,25〜33と比較例34〜40は、オーステナイトの結晶粒を微細化させるAl,Nb,Ti,Zr,Ta,W,Vを変化させたものである。
本発明例No.20,25〜33は全て1900N/mm2 以上、結晶粒径が30μm以下を満足し、全てにおいて縦割れ発生率が10%以下であり、耐伸線縦割れ性に優れていた。
【0034】
しかし、比較例No.34では、結晶粒微細化元素が添加されておらず、初期粒径が大きく、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
比較例No.35では、Al量(%)が高く、不経済であった。
比較例No.36〜No.40では、Nb,Ti,Zr,Ta,W量(%)が高く、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
【0035】
表4に水素の伸線縦割れに及ぼす影響を調査した結果を示す。
本発明例No.2,3,42〜45より、水素の低減は耐伸線縦割れ性をさらに向上させるのに有効であった。
【0036】
また、表5に加工誘起マルテンサイト量と引張強さと伸線縦割れ性の関係を示す。
本発明例No.4,47では、加工誘起マルテンサイト量が20〜80%の範囲内にあり、また、引張強さが1900N/mm2 以上と高強度であり、縦割れ発生率も10%以下と優れていた。
しかし、比較例46では、加工誘起マルテンサイト量(%)が低く、伸線縦割れが発生していないが、引張強さが低いため本発明の効果が明確でなかった。
比較例No.48では、加工誘起マルテンサイト量(%)が80%超と高く、耐伸線縦割れ性に劣っていた。
以上の実施例からわかるように本発明の線材およびその鋼線の優位性が明らかである。
【0037】
【表1】
Figure 0004489928
【0038】
【表2】
Figure 0004489928
【0039】
【表3】
Figure 0004489928
【0040】
【表4】
Figure 0004489928
【0041】
【表5】
Figure 0004489928
【0042】
【発明の効果】
本発明の耐伸線縦割れ性に優れた高強度ステンレス鋼線によれば、第3元素としてAl,Nb,Ti,Zr,Ta,W,Vのいずれかを添加したことにより、またはさらに線材の成分を調整してMd30を−20〜40℃、2C+Nを0.17〜0.32%に制御して、伸線加工前の結晶粒径を30μm以下にし、また伸線後の加工誘起マルテンサイト量を20〜80%に制御し、必要に応じて水素を1.5ppm 以下にすると伸線加工後の伸線縦割れを抑制でき、且つ、1900N/mm2 以上の高強度ステンレス鋼線が安定して得ることができる。

Claims (5)

  1. 質量%で、
    C :0.03〜0.14%、
    Si:0.1〜3.0%、
    Mn:0.1〜5.0%、
    Ni:5.0〜9.0%、
    Cr:14.0〜19.0%、
    N :0.005〜0.20%
    Cu:0.8%以下、
    Mo:0.1〜2.0%
    を含有し、また、
    Al,Nb,Ti,Zr,Ta,Wのいずれか1種以上を合計で
    0.01〜0.3%と、V:0.1〜0.5%とのいずれか1種
    または2種以上
    を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、さらに、2C+Nが0.17〜0.32%、下記(1)式で表されるMd30の値が−20(℃)〜40(℃)であることを特徴とする高強度ステンレス鋼線。
    Md30=551−462(C+N)−9.2Si―8.1Mn
    −29(Ni+Cu)−13.7Cr−18.5Mo …(1)
    式中の元素記号は、当該元素の含有量(質量%)を示す。
  2. 伸線加工前の初期のオーステナイト粒径が30μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の高強度ステンレス鋼線。
  3. さらに質量%でP:0.02%以下を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の高強度ステンレス鋼線。
  4. さらに質量%で
    H:1.5ppm 以下、
    O:0.01%以下
    のいずれかまたは両方に規制してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高強度ステンレス鋼線。
  5. 伸線加工後の強度が1900N/mm以上、加工誘起マルテンサイト量が20〜80%であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高強度ステンレス鋼線。
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