JP4772588B2

JP4772588B2 - 延性に優れる太径の高強度ステンレス鋼線および線材並びに鋼線の製造方法

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Publication number: JP4772588B2
Application number: JP2006142660A
Authority: JP
Inventors: 光司高野; 信二柘植; 祐司森; 雅之天藤
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007314816A

Description

本発明は、太径ステンレス鋼線の高強度化に関するものであり、例えば、軽伸線加工により製造される安価な太径の高強度鋼線製品に関するものである。

これまで高強度ステンレス鋼線は、オーステナイト系，準安定オーステナイト系ステンレス鋼線や２相系ステンレス鋼線を強伸線加工して得られていた（例えば、特許文献１〜４）。しかしながら、経済性から高強度ステンレス鋼線は、連続伸線機が使用できるφ４．５ｍｍ以下の細径サイズに限られていた。一方、太径ステンレス鋼線で高強度化するには、強伸線加工が必要であり不経済となるばかりか、伸線縦割れが発生し、また、延性が劣化するため、太径ステンレス鋼線では１６００Ｎ／ｍｍ²以下の低強度材に限定されていた。

一方、太径の高強度鋼線は、炭素鋼のオイルテンパー線が使用されていた。しかしながら、最近、軽量化・高耐久性の観点から太径ステンレス鋼線にも高強度化が求められるようになってきた。

このように、これまで太径（線径≧４．５ｍｍ）のステンレス鋼線において、延性に優れて、引張強さを１６００Ｎ／ｍｍ²を超える高強度鋼線は提案されていない。とりわけ、延性については、ばね成形性等を考慮すると引張試験での破断絞り３０％以上が必要である。

特開平１０−１２１２０８号公報特開２００５−２９８９３２号公報特開昭６１−２６６５５８号公報特開２００３−３４８４８号公報

本発明の目的は、耐久性に優れる太径の高強度製品を安価に得ることを主目的に、延性に優れた太径の高強度ステンレス鋼線を安価に提供することである。

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、ＪＩＳに規程される２相系ステンレス鋼よりも低Ｃｒ，低Ｎｉ化して溶体化処理ままで組織バランスをオーステナイト相とフェライト相に調整し、更に、軽伸線加工（伸線減面率；２０〜５０％）により加工誘起マルテンサイトを生成させ、また、更には時効処理を施すことで、線径がφ４．５ｍｍ〜φ２０ｍｍの太径鋼線にて、縦割れが発生することなく、１６００Ｎ／ｍｍ²を超える引張強さが安価に得られることを見出した。本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１３％，Ｓｉ：０．３〜４．０％，Ｍｎ：０．３〜８．０％，Ｎｉ：１．０〜６．０％，Ｃｒ：１４．０〜１８．０％，Ｎ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で構成され、（Ａ）式で示されるＭｄ値が５０〜１２０，引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ²を超え、線径がφ４．５ｍｍ〜φ１５ｍｍであり、金属組織が、フェライト相，オーステナイト相，加工誘起マルテンサイト相からなり、フェライト相の体積率が２０〜７０％であることを特徴とする太径の高強度ステンレス鋼線である。
Ｍｄ値＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）−１３．７Ｃｒ−１８．５Ｍｏ −−（Ａ）
式中の元素名はその元素の含有量（質量％）を表す。
（２）さらに、質量％で、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有することを特徴とする前記（１）記載の太径の高強度ステンレス鋼線である。
（３）さらに、質量％で、Ｍｏ：０．２〜３．０％，Ｃｕ：０．２〜３．０％の１種以上を含有することを特徴とする前記（１），（２）記載の太径の高強度ステンレス鋼線である。
（４）さらに、質量％で、Ａｌ：０．０１〜１．０％，Ｎｂ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０５〜１．０％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％，Ｗ：０．０５〜１．０％，Ｔａ：０．０５〜１．０％，Ｚｒ：０．０５〜１．０％の１種類以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）記載の太径の高強度ステンレス鋼線である。
（５）さらに、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）記載の太径の高強度ステンレス鋼線である。
（６）さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％，ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５％の１種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）記載の太径の高強度ステンレス鋼線である。
（７）引張強さが８００Ｎ／ｍｍ²以上，破断絞りが５０％以上であることを特徴とする前記（１）〜（６）記載の高強度鋼線用のステンレス鋼線材である。
（８）減面率が２０〜５０％で伸線加工されて製造されることを特徴とする前記（１）〜（６）記載の太径の高強度ステンレス鋼線の製造方法である。

本発明による延性に優れる高強度ステンレス鋼線は、冷間でのばね成形性等を劣化させることなく高強度の太径製品（例えば、ばね製品等）を製造することができ、太径ステンレス鋼線加工品の軽量化に効果を発揮する。

以下に、先ず、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。

Ｃは、軽伸線加工後の鋼線の高引張強さを確保するために、０．０１％以上を添加する。しかしながら、０．１３％を超えて添加すると、粒界に炭化物が析出して、線材および鋼線での延性が低下するばかりか低応力破壊が発生する。そのため、上限を０．１３％に限定する。好ましい範囲は、０．０３〜０．１０％である。

Ｎは、軽伸線加工後、更にはその後の時効硬化後の高引張強さを確保するために０．０５％以上を添加する。しかしながら、０．２０％を超えて添加すると鋳造時に気泡が発生し、製造性が著しく劣化する。そのため、上限を０．２０％に限定する。好ましい範囲は、０．０６〜０．１５％である。
Ｓｉは、脱酸のため、また、時効硬化のために、０．３％以上を添加する。しかしながら、４．０％を超えて添加すると材質が脆化するため、上限を４．０％に限定する。好ましい範囲は、０．８〜３．５％である。

Ｍｎは、脱酸のため、または、組織調整のために０．３％以上を添加する。しかしながら、８．０％を超えて添加するとオーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。そのため、上限を８．０％に限定する。好ましい範囲は、０．５〜３．０％である。

Ｎｉは、組織調整と延性を改善する重要な元素であるため、１．０％以上を添加する。しかしながら、６．０％を超えて添加するとオーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。そのため、上限を６．０％に限定する。好ましい範囲は、２．０〜５．０％である。

Ｃｒは、組織調整し、耐食性を確保するために１４．０％以上添加する。しかしながら、１８．０％を超えて添加するとオーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。そのため、上限を１８．０％に限定する。好ましい範囲は、１５．０〜１７．５％である。

前記（Ａ）式で表されるＭｄ値は、オーステナイト安定度の指標として知られている式に、さらにＣｏの項目を付加した式である。Ｃｏの影響度はＮｉ、Ｃｕと同等であるとした。本発明においてＭｄ値は、軽伸線後の加工誘起マルテンサイト量と強い相関がある指標であり、高強度と延性を確保するためにＭｄ値を制御する必要がある。Ｍｄ値が５０未満の場合、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。一方、Ｍｄ値が１２０を超えると、軽伸線加工前の溶体化処理ままでマルテンサイト相が生成するため、軽伸線加工後の延性が低下する。そのため、Ｍｄ値を５０〜１２０に限定する。好ましい範囲は、７０〜１００である。

引張強さは、１６００Ｎ／ｍｍ²以下では既存の太径ステンレス鋼線との優位性がなくなる。そのため、本発明では鋼線の引張強さを１６００Ｎ／ｍｍ²超に限定する。

鋼線の線径がφ４．５ｍｍ未満の場合、従来の伸線加工による高強度ステンレス鋼線で対応できるため、本発明の効果が不明瞭になる。一方、線径がφ４．５ｍｍ以上に太い場合、従来の伸線加工材では強伸線加工が必要であり、不経済になるばかりか伸線縦割れが発生する。そのため、φ４．５ｍｍ以上に限定する。しかしながら、φ１５ｍｍを超えると伸線加工時の応力が大きくなり伸線縦割れが生成しやすくなる。そのため、φ１５ｍｍ以下に限定する。好ましい範囲は、φ５〜φ１２ｍｍである。

次に、本発明の請求項２記載の限定理由について説明する。

Ｃｏは、マトリックスの靱性を向上させ、延性が向上するため、必要に応じて０．２％以上を添加する。しかしながら、３．０％を超えて添加すると、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなるばかりか、経済的でない。そのため、上限を３．０％に限定する。好ましい範囲は、０．５〜２．０％である。

次に、本発明の請求項３記載の限定理由について説明する。

Ｍｏは、素材の耐食性を向上させるため、必要に応じて、０．２％以上を添加する。しかしながら、３．０％を超えて添加すると、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。そのため、上限を３．０％に限定する。好ましい範囲は、０．５〜２．５％である。

Ｃｕは、素材の耐食性を向上させるため、必要に応じて、０．２％以上を添加する。しかしながら、３．０％を超えて添加してもその効果は飽和するし、逆にオーステナイト相の加工硬化量が低減し、軽伸線加工では高強度化しなくなる。そのため、上限を３．０％に限定する。

次に、本発明の請求項４記載の限定理由について説明する。

Ａｌは、脱酸のため、また、窒化物を形成して結晶粒径を微細にして強度・延性バランスを改善するため、必要に応じて、０．０１％以上を添加する。しかしながら、１．０％を超えて添加すると、粗大介在物が生成し、強度・延性バランスが低下する。そのため、上限を１．０％に限定する。好ましい範囲は、０．０１５〜０．５％である。

Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒは、炭窒化物を形成して結晶粒径を微細にして強度・延性バランスを改善するため、必要に応じて、Ｎｂ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０５〜１．０％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％，Ｗ：０．０５〜１．０％，Ｔａ：０．０５〜１．０％，Ｚｒ：０．０５〜１．０％を添加する。しかしながら、上限を超えて添加すると粗大介在物が生成し、強度・延性バランスが低下する。

次に、本発明の請求項５記載の限定理由について説明する。

Ｂは、熱間製造性および靱性を向上させるため、必要に応じて、０．０００５％以上を添加する。しかしながら、０．０１５％を超えて添加するとボライドが生成するため、逆に靱性が低下して、延性が低下する。そのため、上限を０．０１５％にする。好ましい範囲は、０．００１〜０．０１％である。

次に、本発明の請求項６記載の限定理由について説明する。

Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭは、脱酸のため、必要に応じて、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％，ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５％の１種以上を添加する。しかしながら、各上限を超えて添加すると粗大介在物が生成して延性が低下する。

次に、本発明の請求項１記載の限定理由について説明する。

金属組織は、前述したように、本発明鋼では溶体化処理ままでオーステナイト相とフェライト相の組織を有し、軽伸線加工により加工誘起マルテンサイト相が生成して３相混合組織となるが、フェライト相が体積分率で２０％未満の場合、延性が劣化する。一方で、フェライト相が体積分率で７０％を超えると軽伸線加工では高強度が得られなくなる。そのため、フェライト相の体積分率を２０〜７０％に限定する。好ましくは、３０〜６０％である。

次に、本発明の請求項７記載の限定理由について説明する。

請求項１〜６の鋼線は、引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ²超の強度を有するが、軽伸線加工により鋼線に製造するためには、素材である線材の引張強さが８００Ｎ／ｍｍ²以上にし、破断絞りが５０％以上の高延性を有することが好ましい。そのため、必要に応じて、素材である線材の引張強さを８００／ｍｍ²以上，破断絞りを５０％以上に限定する。

次に、本発明の請求項８記載の限定理由について説明する。

鋼線の伸線加工時の伸線減面率は、１６００Ｎ／ｍｍ²超の強度を得るために２０％以上が必要であるが、５０％を超えると低応力破壊が発生する。そのため、上限を５０％にする。

請求項１に規定した鋼成分を含有する線材について、上記請求項８に規定する項目以外については通常の軽伸線加工を行ってφ４．５ｍｍ〜φ１５ｍｍのステンレス鋼線とすることにより、鋼線の引張強さ１６００Ｎ／ｍｍ²超、鋼線の引張破断絞り３０％以上の材質を実現することができる。また、請求項７に規定する金属組織を得ることができる。

以下に本発明の実施例について説明する。

表１、２に実施例の鋼の化学組成を示す。

これらの化学組成の鋼は、１００ｋｇの真空溶解炉にて溶解し、φ１８０ｍｍの鋳片に鋳造し、その鋳片をφ２０〜５ｍｍまで熱間の線材圧延を行い、１０００℃で熱間圧延を終了した。その後、１０５０℃で３０分，水冷の溶体化処理を施し、酸洗を行い線材製品とした。その後、φ１６〜３．５ｍｍまで冷間で軽伸線加工（伸線減面率≦５０％）を施し、引き続き４５０℃で３０分の時効処理を行い、高強度のステンレス鋼線とした。

そして、線材および鋼線の機械的性質および金属組織を評価した。その評価結果を表３、４に示す。

機械的性質は、ＪＩＳＺ２２４１の引張試験での引張強さと破断絞りにて評価した。本発明例の線材では、全て１２００Ｎ／ｍｍ²以下であり、本発明例の鋼線では、全て１６００Ｎ／ｍｍ²超，破断絞りが３０％以上であり、強度と延性に優れていた。

金属組織は、鋼線を縦断面中心面に埋め込み・鏡面研磨し、ＪＩＳＧ０５７１に従い、蓚酸電解エッチを行い、金属組織を判定した。そして、中心部付近のフェライト相について画像解析を行い、フェライト相の分率（Ｖｏｌ．％）を算出した。本発明の金属組織は、フェライト相，オーステナイト相，加工誘起マルテンサイト相の混合組織であり、フェライト分率は２０〜６５Ｖｏｌ．％の範囲内にあった。

一方、比較例Ｎｏ．２５，２７は、それぞれ、Ｃ，Ｎ量が低く、線材および鋼線の引張強さが低い。

比較例Ｎｏ．２６は、Ｃ量が高く、線材の延性が低いばかりか、伸線後の延性が低く、低応力破壊が発生している。

比較例Ｎｏ．２８は、Ｎ量が高いため、鋳片で気泡が発生し、製品に製造できない。

比較例Ｎｏ．２９は、Ｓｉ量が高いため、鋼線の延性が劣化し、低応力破壊が発生している。

比較例Ｎｏ．３０は、Ｍｎ量が高いため、Ｍｄ値が低く、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工で高強度化していない。

比較例Ｎｏ．３１は、Ｎｉ量が低いため、延性が劣化している。

比較例Ｎｏ．３２は、Ｎｉ量が高いため、Ｍｄ値が低く、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工で高強度化していない。

比較例Ｎｏ．３３は、Ｃｒ量が低いため、Ｍｄ値が高く、フェライト分率が低いため、延性に劣るばかりか、耐食性に劣る。

比較例Ｎｏ．３４，３５は、それぞれ、Ｃｒ，Ｍｏ量が高いため、Ｍｄ値が低く、オーステナイト相の安定度が増し、また、フェライト分率が高いため、軽伸線加工で高強度化していない。

比較例Ｎｏ．３６，３７は、それぞれＣｕ，Ｃｏ量が高いため、Ｍｄ値が低く、オーステナイト相の安定度が増し、軽伸線加工で高強度化していない。

比較例Ｎｏ．３８は、Ａｌ量が高すぎるため粗大介在物が生成し、強度・延性バランスが劣化している。

比較例Ｎｏ．３９〜４８は、それぞれ、Ａｌ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｂ，Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭが高過ぎるため、強度延性バランスが劣化している。

比較例Ｎｏ．４９は、鋼線の線径が太過ぎるため、鋼線で伸線縦割れが発生している。

比較例Ｎｏ．５０は、鋼線の線径が細過ぎるため、従来の高強度鋼線と差別化ができず、本発明の効果が発揮できていない。

比較例Ｎｏ．５１は、伸線加工の伸線減面率が小さいため高強度化していない。

比較例Ｎｏ．５２は、伸線加工の伸線減面率が大きいため延性が劣化し、低応力破壊が発生している。

以上の各実施例から明らかなように、本発明により、延性に優れる太径の高強度ステンレス鋼線を安価に製造でき、冷間でのばね成形性を劣化させることなくばね等の製品加工が可能であり、軽量化・耐久性に優れる太径製品を安価に提供することができ、産業上極めて有用である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１３％，Ｓｉ：０．３〜４．０％，Ｍｎ：０．３〜８．０％，Ｎｉ：１．０〜６．０％，Ｃｒ：１４．０〜１８．０％，Ｎ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物で構成され、（Ａ）式で示されるＭｄ値が５０〜１２０，引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ²を超え，線径がφ４．５ｍｍ〜φ１５ｍｍであり、金属組織が、フェライト相，オーステナイト相，加工誘起マルテンサイト相からなり、フェライト相の体積率が２０〜７０％であることを特徴とする太径の高強度ステンレス鋼線。
Ｍｄ値＝５５１−４６２（Ｃ＋Ｎ）−９．２Ｓｉ−８．１Ｍｎ−２９（Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｃｏ）−１３．７Ｃｒ−１８．５Ｍｏ −−（Ａ）
式中の元素名はその元素の含有量（質量％）を表す。
さらに、質量％で、Ｃｏ：０．２〜３．０％を含有することを特徴とする請求項１記載の太径の高強度ステンレス鋼線。
さらに、質量％で、Ｍｏ：０．２〜３．０％，Ｃｕ：０．２〜３．０％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の太径の高強度ステンレス鋼線。
さらに、質量％で、Ａｌ：０．０１〜１．０％，Ｎｂ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０５〜１．０％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％，Ｗ：０．０５〜１．０％，Ｔａ：０．０５〜１．０％，Ｚｒ：０．０５〜１．０％の１種類以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太径の高強度ステンレス鋼線。
さらに、Ｂ：０．０００５〜０．０１５％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太径の高強度ステンレス鋼線。
さらに、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％，ＲＥＭ：０．０００５〜０．０５％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太径の高強度ステンレス鋼線。
引張強さが８００Ｎ／ｍｍ²以上，破断絞りが５０％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高強度鋼線用のステンレス鋼線材。
減面率が２０〜５０％で伸線加工されて製造されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の太径の高強度ステンレス鋼線の製造方法。