JP4606337B2 - コイン用オーステナイト系ステンレス綱およびその綱で製造されたコイン - Google Patents

Description

本発明は、安価であるとともに、ＳＵＳ３０４と同等の耐食性と熱間加工性とを有し、加工前は軟質で加工性に優れ、加工後は硬度が高いにもかかわらず弱磁性を有するコインの素材として好適なオーステナイト系ステンレス鋼に関する。

クロムおよびニッケルを主要合金元素とするオーステナイト系ステンレス鋼は、一般に優れた耐食性、加工性、および機械的性質を備えており、オーステナイト系ステンレス鋼の代表的な鋼種であるＳＵＳ３０４は、建築金物、屋根材、厨房機器、各種産業機械、各種モニュメント、医療用器具など、広範な用途分野で用いられている。

そして、オーステナイト系ステンレス鋼の優れた耐食性に着目し、ゲーム機用のコインやメダルなど（以下、「コイン」と記載する）の素材にオーステナイト系ステンレス鋼を用いることにより、長時間使用しても表面の美麗さを保つことのできるコインを製造したいとする要求が従来から存在していた。

ところで、コインは、一般的に素材の板からコイン形状片をプレス機などで打ち抜き、この縁を成形するために圧縁加工し、そして、表面に模様を打刻することにより製造される。したがって、コインの素材として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼には、以下の特性が要求される。
（１）コイン形状片への打ち抜き加工、圧縁加工、および表面への模様の打刻に要する加工負荷を軽減するため、加工前の素材の硬さが適度に軟質であること。
（２）コインに成形された後は、実際にゲーム機などで使用されたときに簡単に変形しない程度の硬度を有すること。
（３）コインに成形された後に大きな磁性を有しないこと。さもないと、ゲーム機や両替機などにコインが投入されたとき、機器内部に存在する磁力でコインが吸い付けられるとともに、コインどうしが張り付いて、コイン詰まりなどの機械の不具合を生じさせるからである。

しかし、ＳＵＳ３０４は、硬度がＨＶ（「ビッカース硬さ」、以下同じ。）１７０程度であり、コインの素材としては硬すぎる。しかも、冷間加工されることによりオーステナイト組織の一部が、より硬質かつ強磁性のマルテンサイト組織に変化するため、素材の加工硬化が大きいとともに、加工後の磁性も高くなる。したがって、ＳＵＳ３０４に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼は、コインの素材として適当でなかった。

そこで、加工前のオーステナイト系ステンレス鋼の軟質化を図って開発されたものとして、不純物元素を低減させるとともに、ニッケル含有量を９．０％以上に増加させることで、ＨＶ１３０以下であるとともに、引張強さが５４０Ｎ／ｍｍ²（５５ｋｇｆ／ｍｍ²）以下である軟質オーステナイト系ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、クロム含有量を１５％未満に低減することによりコスト低下を図り、その分ニッケル、マンガン、および銅の含有量下限値を厳しく制限することによって軟質化を達成したオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献２）。

しかしながら、特許文献１に係るステンレス鋼はニッケル含有量が高いことからコストが高く、特許文献２に係るステンレス鋼はクロム含有量が低いために耐食性が低下するといった問題点を有していた。また、これらの軟質化を図ったオーステナイト系ステンレス鋼では、軟質化を重視するあまり、オーステナイト生成元素を多く添加する傾向にあるため熱間加工性が悪化するといった問題も生じていた。
特開平４−７２０３８号公報 特開平６−２７９９５５号公報

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ニッケル含有量を低減することにより低コスト化を達成しつつ、ＳＵＳ３０４と同等の耐食性と熱間加工性とを有し、加工前は軟質で加工性に優れ、加工後は硬度が高いにもかかわらず弱磁性を有する、コインの素材として好適なオーステナイト系ステンレス鋼を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に示す発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載した発明は、「質量％で、０．０５％≦Ｃ≦０．１０％、Ｓｉ≦１．０％、４．０％≦Ｍｎ≦５．０％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．０１０％、６．０％≦Ｎｉ≦７．０％、１６．５％≦Ｃｒ≦１７．５％、０．０１０％≦Ｍｏ≦３．０％、１．５％≦Ｃｕ≦３．０％、Ｎ≦０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有する」ことを特徴とするコイン用オーステナイト系ステンレス鋼である。

また、請求項２に記載した発明は、「請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼で製造されたこと」を特徴とするコインである。

本発明によれば、ニッケル含有量を低減することにより低コスト化を達成しつつ、ＳＵＳ３０４と同等の耐食性と熱間加工性とを有し、加工前は軟質で加工性に優れ、加工後は硬度が高いにもかかわらず弱磁性を有する、コインの素材として好適なオーステナイト系ステンレス鋼を提供することが可能となる。

本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、質量％で、０．０５％≦Ｃ（炭素）≦０．１０％、Ｓｉ（ケイ素）≦１．０％、４．０％≦Ｍｎ（マンガン）≦５．０％、Ｐ（リン）≦０．１０％、Ｓ（硫黄）≦０．０１０％、６．０％≦Ｎｉ（ニッケル）≦７．０％、１６．５％≦Ｃｒ（クロム）≦１７．５％、０．００１％≦Ｍｏ（モリブデン）≦３．０％、１．５％≦Ｃｕ（銅）≦３．０％、Ｎ（窒素）≦０．０５％を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる化学組成で構成されている。

まず、本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼（以下、「鋼」と記載する。）を構成する各成分の限定理由について説明する。

１）０．０５％≦Ｃ≦０．１０％：Ｃ（炭素）は、オーステナイト形成元素であることからオーステナイト組織の安定化に寄与するが、鋼における炭素の含有量が多いと固溶強化により０．２％耐力が上昇し鋼の硬度が増す。逆に、炭素の含有量が少ないと冷間加工後の磁性が大きくなる。このため、含有量を０．０５％〜０．１０％に制限した。なお、炭素の含有量の適正範囲を決定するために行った実験結果については後述する。

２）Ｓｉ≦１．０％：Ｓｉ（ケイ素)は、製鋼時において脱酸剤としての効果を奏する元素であるが、鋼の軟質性を維持するためにはその含有量が低い方が好ましく、１．０％を超えるとＨＶ１３０以下の硬さを満たすことが難しくなる。このため１．０％以下の含有量（０％は含まず）に規制した。

３）４．０％≦Ｍｎ≦５．０％：Ｍｎ（マンガン）は、鋼におけるマンガン含有量の増加とともに鋼の０．２％耐力が低下するため、軟質化には好ましい元素である。しかし、多量に含有すると製鋼時において溶解炉耐火物の損傷を招くとともに、介在物が増加して製品の品質を損なう。さらに、耐食性を低下させる恐れがある。したがって、軟質化の効果が期待できる５．０％の含有量を上限とした。また、マンガンは、オーステナイト形成元素としてニッケルの代替とすることができる元素であり、可能な限りマンガン含有量を多くすることが製品コスト低減に有効であるから、マンガン含有量の下限を４．０％とした。

４）Ｐ≦０．１０％：Ｐ（リン）は、鋼の耐食性および熱間加工性を劣化させる元素であることから、その上限を０．１０％とした。

５）Ｓ≦０．０１０％：Ｓ（硫黄）は、その含有量の増加とともに鋼の熱間加工性を低下させることから、０．０１０％以下の含有量に制限した。なお、鋼により一層の熱間加工性向上を求める場合は、０．００３０％以下に制限することが好ましい。

６）６．０％≦Ｎｉ≦７．０％：Ｎｉ（ニッケル）は、鋼に必要不可欠な元素であり、オーステナイト組織の安定化や良好な熱間加工性、冷間加工性、および耐食性等のため、少なくとも６％の含有量が必要である。逆に、ニッケル含有量の増加とともに鋼は軟質化するが、ニッケルは高価な元素であり、その含有量を７．０％とすることにより本発明で要求される軟質性は達成可能である。したがって、鋼の低コスト化を意図する本発明では、ニッケル含有量の上限を７．０％とした。

７）１６．５％≦Ｃｒ≦１７．５％：Ｃｒ（クロム）の含有量は、耐食性の点から１６．５％以上とすることが必要である。しかし、鋼にクロムが多量に含有されると鋼の硬度が増加するため、クロム含有量の上限を１７．５％とした。

８）０．０１０％≦Ｍｏ≦３．０％：Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の耐食性向上に有用な元素であるため、その含有量の下限を０．０１０％とした。ただし、モリブデンの含有量が３．０％を超えると硬度の上昇を招くので、モリブデン含有量の上限は３．０％とした。

９）１．５％≦Ｃｕ≦３．０％：Ｃｕ（銅）は、鋼の軟質化および成形性の向上に寄与する元素であるが、これらの効果を得るには１．５％以上の銅含有量が必要である。さらに、Ｃｕの含有量を２．０％以上とすることによってニッケル含有量の自由度が増し、ニッケルをその下限値である６％近くまで低減することが容易となる。したがって、ニッケル含有量を低減し、低コスト鋼の製造を意図する本発明において好適である。このため、銅含有量の下限を１．５％としたが、２．０％を超えて含有させることが望ましい。一方、銅の過剰な含有は鋼の熱間加工性に悪影響を及ぼすので、銅含有量の上限を３．０％とした。

１０）Ｎ≦０．０５％：Ｎ（窒素）は、炭素と同様にオーステナイト形成元素であり、オーステナイト組織の安定化に寄与するとともに、炭素と同様鋼に多量に含まれると固溶強化により０．２％耐力が上昇して鋼の硬度が増す。このため鋼の窒素含有量を０．０５％以下に制限した。なお、窒素含有量の適正範囲を決定するための実験結果については後述する。

次に、本発明における炭素および窒素の含有量の範囲を限定した意義について、実験結果を基に説明する。

実験に供する鋼を得るために、炭素および窒素を除く成分の含有量を前述した範囲内に調整して、炭素および窒素の含有量を変化させた多数種類の鋼を溶製し、１２５０℃で鍛造し、抽出温度１２００℃で熱間圧延して板厚３．５ｍｍの熱延板を得た。そして、この熱延板に１１５０℃均熱３分の熱延板焼鈍および酸洗を施し、１．３ｍｍ厚まで冷間圧延し、１１００℃均熱１分の仕上げ焼鈍および酸洗を施して、実験に供するための冷延板を得た。

前述した冷延板からサンプルを採取し、ＪＩＳ２２４４に規定されるビッカース硬度測定を実施して、炭素および窒素の含有量が鋼の硬度に与える影響を表す図１および図２の関係を得た。図１には、６．１Ｎｉ−１７Ｃｒ（ニッケルを６．１質量％、およびクロムを１７質量％含むステンレス鋼、以下同じ）、および６．５Ｎｉ−１７Ｃｒ（ニッケルを６．５質量％およびクロムを１７質量％含むステンレス鋼、以下同じ）をベースとして、炭素含有量を０．０１％〜０．１３％まで変化させたときにおける、鋼のビッカース硬さと炭素含有量との関係を示す。そして、図２には、６．１Ｎｉ−１７Ｃｒおよび６．５Ｎｉ−１７Ｃｒをベースとして、窒素含有量を０．０１％〜０．１３％まで変化させたときにおける、鋼のビッカース硬さと窒素含有量との関係を示す。炭素含有量あるいは窒素含有量が増加すると硬さが増加した。なお、コインの素材として、鋼の硬さはＨＶ１３０以下であることが望ましい。図１および２から、ＨＶ１３０以下まで軟質化するためには、炭素含有量を０．１０質量％以下、窒素含有量を０．０５質量％以下とすることが適当である。

次に、前述の冷延板から採取したサンプルを用いて冷間圧延を行い、炭素含有量と、冷間圧下率と、透磁率との関係を調べた（透磁率計にて透磁率を測定した）。結果として、図３に示すとおり、炭素含有量が増加すると冷間圧延後の透磁率が低下する関係にあることがわかった。なお、コイン素材として、鋼は冷間加工率３０％における透磁率が１．１０以下であることが望ましい。したがって、図３より、炭素含有量を０．０４％より大きくする必要があることがわかる。

以下に、本発明に係る３種類の実施例（以下、「発明鋼」と記載する。）と、４種類の従来型鋼（以下、「従来鋼」と記載する。）とを比較するために行った試験の方法および結果について説明する。なお、本発明はこれら発明鋼に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する発明鋼及び従来鋼の冷延板を得るため、高周波溶解炉にて、３８ｍｍ×９０ｍｍ×１５０ｍｍのインゴットを製作し、このインゴットを電気炉内で６０分間１２００℃で加熱し、４段圧延機で３．５ｍｍ厚まで熱間圧延して熱延板を得た。そして、この熱延板を７分間１１００℃で焼鈍し、硝弗酸に浸漬してスケールを除去し、４段圧延機で１．３ｍｍまで冷間圧延し、さらに、２分間１１００℃で焼鈍し、硝弗酸に浸漬してスケールを除去することにより発明鋼及び従来鋼を得た。

まず、発明鋼および従来鋼の機械的性質を調べるため、１．３ｍｍ厚さの冷延板の圧延方向（以下、「Ｌ方向」と記載する。）から、ＪＩＳ１３号Ｂ試験片を切り出し、引張強さ、０．２％耐力、伸び、およびビッカース硬さを測定した。その結果、表２に示すとおり、発明鋼１ないし３の硬さはＨＶ１３０以下であり、従来鋼よりも軟質であった。

次に、発明鋼および従来鋼の冷間圧下率と硬さとの関係を調べるため、発明鋼および従来鋼について、厚さ３．５ｍｍから１．３ｍｍまで冷間圧延する過程における各板厚の鋼から５０ｍｍ角の試験片を切り出した後、ビッカース硬さを測定した。この結果、図４に示すとおり、発明鋼１の加工硬化は従来鋼１、２に比べやや低いが、従来鋼２に近いレベルにあり、加工後の硬さとしては十分であることがわかった。

また、発明鋼および従来鋼の冷間圧下率と磁性との関係を調べるため、発明鋼および従来鋼について、厚さ３．５ｍｍから１．３ｍｍまで冷間圧延する過程における各板厚の鋼から５０ｍｍ角の試験片を切り出した後、透磁率計およびフェライトスコープを使用して透磁率および加工誘起マルテンサイト量を測定した（表２参照）。図５には冷間圧下率と透磁率との関係を示すととともに、図６には冷間圧下率と加工誘起マルテンサイト量との関係を示している。この結果、発明鋼は従来鋼と比較して同じ冷間圧下率でも透磁率が小さく、加工誘起マルテンサイト量は少ないことがわかった。

以上のように、発明鋼１ないし３は、加工前において軟質（ＨＶ≦１３０）であり、冷間加工後において弱磁性（冷間加工率３０％における透磁率≦１．１０）であることから、コインの素材として好適な性質を有している。

一方、従来鋼１は、発明鋼に比べてマンガンおよび銅の含有量が低く、クロムおよびニッケルの含有量が高いことにより、鋼の加工前の硬さが１３０ＨＶよりも大きく加工性に劣るとともに、冷間加工後の磁性が強いので、コインの素材としては不適格である。

従来鋼２は、冷間加工後の磁性は弱いが、加工前の硬さが１３０ＨＶよりも大きいことから加工性に劣る。また、従来鋼２は、ニッケル含有量の低減を意図する本発明と比較して、ニッケル含有量が高いことから鋼のコストが高くなるおそれがある。したがって、従来鋼２もコインの素材としては不適格である。

従来鋼３は、加工前の硬さが１３０ＨＶよりも大きいことから加工性に劣り、コインの素材としては不適格である。これは、従来鋼３の銅含有量が１．４％と低いことが原因であると考えられる。

従来鋼４は、炭素含有量が０．０１３％と低いので、固溶強化が低減し鋼が軟質化することにより加工前の硬さは良好である。しかし、オーステナイト安定度が低くなるため、冷間加工後の磁性が強くなり、コインの素材としては不適格である。

６．１Ｎｉ−１７Ｃｒ、および６．５Ｎｉ−１７Ｃｒをベースとして、炭素含有量を０．０１％〜０．１３％まで変化させたときにおける、鋼のビッカース硬さと炭素含有量との関係を示すグラフである。 ６．１Ｎｉ−１７Ｃｒおよび６．５Ｎｉ−１７Ｃｒをベースとして、窒素含有量を０．０１％〜０．１３％まで変化させたときにおける、鋼のビッカース硬さと窒素含有量との関係を示すグラフである。 オーステナイト系ステンレス鋼の炭素含有量と、冷間圧下率と、透磁率との関係を示すグラフである。 発明鋼および従来鋼の冷間圧下率と硬さとの関係を示すグラフである。 発明鋼および従来鋼の冷間圧下率と透磁率との関係を示すグラフである。 発明鋼および従来鋼の冷間圧下率と加工誘起マルテンサイト量との関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 質量％で、０．０５％≦Ｃ≦０．１０％、Ｓｉ≦１．０％、４．０％≦Ｍｎ≦５．０％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．０１０％、６．０％≦Ｎｉ≦７．０％、１６．５％≦Ｃｒ≦１７．５％、０．０１０％≦Ｍｏ≦３．０％、１．５％≦Ｃｕ≦３．０％、Ｎ≦０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有することを特徴とするコイン用オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼で製造されたことを特徴とするコイン。