JP5091732B2 - 耐へたり性および曲げ性に優れた低Niばね用ステンレス鋼 - Google Patents
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これらの鋼はNiに代わるオーステナイト形成元素として多くは約4%以上のMnを含有させ、Ni含有量を低減させてコスト節減を図る素材である。
この低Niばね用ステンレス鋼にはさらに150〜500℃の温度範囲で時効処理が施されていても良い。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr…(1)
SFE=6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn−53 ‥・(2)
この鋼を用いて製造されるばねは、素材が300系ステンレス鋼である高強度ばねに代替できる。したがって、本発明はコスト面および品質面でNi原料の高騰に対応し得るものである。
以下、本発明鋼に含まれる合金成分ならびに含有範囲限定理由について説明する。
1)CおよびN
C,Nは、加工誘起マルテンサイト(α’)相を固溶強化するために有用な元素である。本発明鋼においてはCに対するNの固溶強化の寄与はおおよそ半分であり、α’相の生成の際、TRIPによる十分な延性を発現させるためには、C質量%+0.5×N質量%(以下、C+0.5Nと略記)を0.10質量%以上とする必要がある。また、C,Nとも0.05質量%を越える含有量を確保することが顕著な延性向上作用を安定して得るために重要である。一方、C、Nの含有量が多くなりすぎると過度に硬質化し、加工性を阻害する要因となる。この傾向は(C+0.5N)が0.25質量%を越えると顕著に現れるため、これ以下となるように調整する必要がある。より好ましくは、C含有量が0.12質量%以下、N含有量が0.18質量%以下で調整されるのが良い。
Siは、製鋼での脱酸に有用な元素であるが、1.5質量%を越えて過剰に含有させると鋼が硬質化し加工性を損なう要因となる。また、Siはフェライト生成元素であるため、過剰添加は高温域でのδフェライト相の多量生成を招き、熱間加工性を阻害する。したがって、Si含有量は1.5質量%以下に制限される。
MnはNiに比べて安価で、Niの機能を代替できる有用なオーステナイト形成元素である。本発明においてその機能を活用するために0.5%以上のMn含有量を確保する必要がある。一方、Mn含有量が過剰となると、製鋼工程における環境保全の問題が生じやすくなる。また、表面性状に起因する生産性の低下ならびにMnSなどの介在物生成に起因する曲げ性の劣化を引き起こす要因となる。このため、Mn含有量は3.0質量%未満、好ましくは2.5質量%未満に制限される。
PおよびSは不可避的不純物として混入するが、その含有量は低いほど望ましく、曲げ性その他の材料特性や製造性に多大な悪影響を与えない範囲として、Pについては0.06質量%以下、Sは0.005質量%以下に規定した。
Niはオーステナイト系ステンレス鋼に必須の元素であるが、本発明ではコスト低減の観点からNi含有量を極力低く抑える成分設計を行っており、上限を5.0質量%未満に規定する。ただし、上記Mn含有量の範囲で製造性や加工性を兼備させる成分バランスを実現させるためには1.5質量%以上のNi含有量を確保する必要がある。
Crはステンレス鋼の耐食性を担保する不動態皮膜の形成に必須の元素である。Cr含有量が15.0質量%未満であると、本発明の代替対象となる従来の300系オーステナイト系ステンレス鋼に要求される耐食性が十分に確保できない場合がある。ただし、Crはフェライト生成元素であるため、過度のCr含有は高温域でのδフェライト相の多量生成を招き、熱間加工性を損なう要因となるため好ましくない。種々検討の結果、本発明では19.0質量%までCrを含有させることができる。したがって、Cr含有量は15.0〜19.0質量%に規定される。
Cuはオーステナイト生成元素であることから、Cu含有量の増加に応じてNi含有量の設定自由度が拡大し、Niを抑制した成分設計が容易になる。また、加工誘起マルテンサイト相の生成に起因する加工硬化が抑制されるとともに、SFE値を高める上で有効な元素でもある。これらの作用を有効に得るためには0.8質量%以上のCu含有量を確保する必要がある。ただし、4.0質量%を越える多量のCu含有は熱間加工性を阻害しやすい。このため、Cu含有量は0.8〜4.0質量%に規定される。
表1の組成をもつ各種ステンレス鋼A〜Lを溶製した。表1において、A1〜A11が本発明で規定する化学成分を有する発明対象鋼、B1〜8が比較鋼、C1、2はそれぞれ従来鋼SUS301、SUS304である。なお、B1およびB2はSFE、B3およびB4はMd30、B5およびB6はC+0.5Nの値、B7はMn含有量、B8はS含有量が本発明で規定する範囲を外れる。
この実験方法によれば、実際のばね形状に成形加工し、セッチングと呼ばれる工程を経て実使用された際の耐へたり性をシミュレートすることが可能であり、平均突起高さが高いほど耐へたり性に優れると評価される。
表2に各鋼の加工誘起マルテンサイト量、平均突起高さおよび曲げ限界Rを示す。
曲げ限界Rについては比較鋼、従来鋼とも1.2mm以上であり、本発明鋼に比べ曲げ性に劣る。本実施例のように、調質圧延により高強度化した鋼にて優れた耐へたり性と曲げ性を両立させるには本発明で規定した化学成分に調整する必要があることが確認された。
本発明鋼の鋼No.A1およびA7について、仕上板厚は0.5mmとしつつ、調質圧延率を変化させることで加工誘起マルテンサイト相量を変化させた鋼の造り込みを行い、実施例1に示す実験方法により平均突起高さおよび曲げ限界Rを測定した。表3に測定結果を示す。なお、試験番号X3およびX11はそれぞれ表2に記載の鋼A1およびA7の測定値と同一である。
一方、試験番号X7、X12の曲げ限界Rは1.4mm以上であり、本発明例に比べ曲げ性に劣る。これは、過剰のマルテンサイトを生成させたために曲げ割れ感受性が高まったためと思われる。本実施例より、本発明で規定した範囲に加工誘起マルテンサイト相量を調整する必要があることが確認された。
本発明鋼の鋼No.A1の、加工誘起マルテンサイト相量が32体積%である鋼(実施例2表3中の試験番号X5について、50〜600℃で在炉30minの時効処理を施し、実施例1に示す実験方法により平均突起高さおよび曲げ限界Rを測定した。表4に測定結果を示す。なお、表中には時効処理後にマルテンサイト量を調査した結果も付した。
Claims (2)
- 質量%で、0.10%≦C+0.5N≦0.25%(但しC>0.05%、N>0.05%)、Si≦1.5%、0.5%≦Mn<3.0%、P≦0.06%、S≦0.005%、1.5%≦Ni<5.0%、15.0%≦Cr≦19.0%、0.8%≦Cu≦4.0%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
下記(1)式で示されるオーステナイト安定度指標Md30が0〜60、下記(2)式で示される積層欠陥エネルギー生成指標SFEが0〜40未満であって、加工誘起マルテンサイト相を5〜50体積%、残部がオーステナイト相からなる、耐へたり性および曲げ性に優れた低Niばね用ステンレス鋼。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−29(Ni+Cu)−13.7Cr・‥(1)
SFE=6.2Ni+18.6Cu+0.7Cr+3.2Mn−53‥・(2) - 請求項1に記載のステンレス鋼に、更に150〜500℃の温度域で時効処理が施された、耐へたり性および曲げ性に優れた低Niばね用ステンレス鋼。
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